某抽水蓄能發電機定子鐵心振動故障分析與研究

李冬冬，王青華，姜朝暉，楊 斌，夏斌強，陳裕文

(1.上海明華電力技術工程有限公司，上海200090；2.華東宜興抽水蓄能有限公司，江蘇宜興214205)

某抽水蓄能發電機定子鐵心振動故障分析與研究

李冬冬1，王青華1，姜朝暉1，楊 斌2，夏斌強2，陳裕文2

(1.上海明華電力技術工程有限公司，上海200090；2.華東宜興抽水蓄能有限公司，江蘇宜興214205)

針對某抽蓄電站發電機定子鐵心振動增大故障，詳細分析了水輪發電機定子鐵心振動的特征，在機組穩定性試驗基礎上，采用故障特征頻率分析法，準確識別出了定子鐵心松動故障。根據現場情況，采用緊固定子鐵心拉桿螺栓的方法，成功將定子鐵心振動降到3 mm/s以下，為類似故障診斷提供了良好的借鑒。

發電機;定子鐵心;振動故障；抽水蓄能電站

0 引 言

某抽水蓄能電站裝機4臺容量250 MW的可逆式水泵水輪機組，機組為立軸、單級混流式，額定轉速為375 r/min。某臺機組在正常運行時，發現抽水和發電工況下定子鐵心振動在開機后15 min內急劇增大到6.5 mm/s，然后逐漸減小，最后趨于穩定，其穩定后的振動值也較以往運行過程增大約1倍，其他部件擺度和振動均無異常變化。這種變化過程雖暫時不至于對機組運行造成重大事故，但也給機組長期穩定運行埋下了安全隱患。

發電機定子鐵心的振動故障是水輪發電機發生事故和損壞的主要原因之一[1]。鐵心振動可導致繞組絕緣老化、拉桿螺栓斷裂等事故，嚴重時可致鐵心燒損和定子繞組擊穿[2]，哈爾濱電工學院電機教研室[3]利用“單元電機法”分析了定子鐵心的振動，得出了與文獻1較為一致的結果，但兩者都未給出詳細的定子鐵心振動分析方法及其他特征。Sakamoto[4]利用Maxwell應力法分析了磁場偏心產生的徑向諧波電磁力，并對高階諧波電磁力作用下定子鐵心的電磁振動進行了分析。文獻[5- 6]利用磁固耦合理論較為詳細地研究了水輪發電機及異步電機定子系統振動問題，但并未給出定子鐵心振動的特征及判別方法。文獻[7- 10]主要討論了水輪機故障診斷的方法，而對于鐵心振動只是給出了部分頻率特征，未能對鐵心振動進行詳細全面的分析。

從以上分析可以看出，目前對于水輪發電機定子鐵心振動特征的研究還不夠全面，大多數研究主要集中于定子鐵心振動故障特征頻率分析上，鮮見研究定子鐵心振動故障其他特征的文章，以及快速準確識別定子鐵心故障的方法。

1 水輪發電機定子鐵心振動的特征

水輪發電機的定子鐵心振動從頻率上可分為轉頻振動和極頻振動[3]。轉頻振動通常是低頻振動，此類故障相對較少。定子鐵心極頻振動主要由電磁力波引起。對作用于定子鐵心的力波和由它引起的振動同時3個方向的分量，通常只考慮徑向分量[3，5]。采用諧波分析法，發電機氣隙磁場分解為一系列行波[1]

Bo=∑Besin(peφ±2πfet)

(1)

式中，Be為氣隙密度；pe為磁密波極對數；fe為磁密波經過定子時感應的定子繞組中的電勢頻率；φ為機械角度；±為順、反轉波。

氣隙磁場的電磁力Fr可表示為

(2)

從上式可以看出，磁場產生的力波由單個磁場和兩磁場聯合產生。單個磁場Bom產生的力波為

(3)

式中，μ0為空氣磁導率；Bm為氣隙磁通密度；t為時間。

由兩個磁場Bom和Bon聯合產生的力波為

cos[(pm+pn)φ-2π(fm±fn)t])

(4)

從式(3)、(4)可以看出，若定子電流頻率為50 Hz，無論單個磁場，還是兩個磁場，都可產生頻率為100 Hz的鐵心振動。由此可以看出，在定子鐵心振動故障中，可先采用故障特征頻率分析法，分析各工況下100 Hz故障特征頻率的情況，然后根據初步的故障判斷，結合其他定子鐵心振動故障特征的表現，可進行更為準確的故障判定。

2 4號機組穩定性試驗

4號機組于9月6日17∶13左右開機，隨后進入SCP工況，約17∶27左右轉入抽水工況，運行約2 h后停機。圖1為SCP工況下定子鐵心振動情況，可以看出，定子鐵心振動先增大后減小，定子鐵心2Z方向振動最大值為7.9 mm/s，振動幅值較大，機組其他振擺數據正常。定子鐵心振動階次譜圖都出現了16階(100 Hz)的峰值，且16階為主要頻率成分。

圖1 SCP工況下定子鐵心振動

圖2為抽水工況下定子鐵心振動情況，定子鐵心振動先增大后減小，最后趨于平穩，定子鐵心2X方向振動最大值為6.35 mm/s，振動值較大，其余方向振動均小于2.5 mm/s。與SCP工況相比，其余方向的振動平均值增大也較明顯。定子鐵心振動階次譜上都出現了16階(100 Hz)、32階(200 Hz)的峰值，且其為主要頻率成分。

圖2 抽水工況下定子鐵心振動

19∶55分左右4號機再次開機，開機后進入空轉狀態(無勵磁)，約20∶10進入發電工況。圖3為空轉及發電工況定子鐵心振動情況。從圖中可以看出，在空轉狀態，定子鐵心振動平穩，且數值較小，最大值為1 mm/s，而發電狀態，定子鐵心振動經歷了增大到減小最后趨于平穩的過程，振動最大值同樣為2X方向，最大值為6.59 mm/s，振動幅值非常大，其余方向振動值均小于2 mm/s。定子鐵心振動階次譜圖上都出現了1階(6.25 Hz)的峰值，為機組自身轉頻。發電工況下定子鐵心振動階次譜圖上都出現了16階(100 Hz)、32階(200 Hz)、48階(300 Hz)的峰值，且16階為主頻，1階振幅已遠遠小于16階、32階和48階等的振幅。

圖3 空轉及發電工況定子鐵心振動

3 故障原因分析及處理

3.1 故障原因分析

定子鐵心的振動從增大到減小再保持平穩，這一現象除了發電方向空轉工況下，其他工況(發電空載、帶負荷發電、SCP和抽水)也都出現了。從這一現象初步判斷定子鐵心的振動與電氣振動相關。對SCP、抽水、發電方向空轉和帶負荷發電等工況進行階次譜分析，除發電方向空轉工況外，其他工況的振動階次圖譜中都出現了16階(100 Hz)的峰值，且為主要頻率成分，100 Hz的峰值頻率明顯跟電磁頻率相關。空轉工況下的階次譜圖峰值以1階轉頻為主，與其他3個工況最大的不同在于轉子無勵磁電流，定子無機端電壓，也就是說此時機組的定子與轉子之間沒有任何交變磁場。據此可判斷定子鐵心振動偏大的原因為電磁場作用。

由第1節的分析可知，在極頻振動產生的原因中，定子繞組次諧波磁勢，定子并聯支路內環流產生的磁勢，定子不圓的情況，都不會出現在某一穩定工況，振幅值隨時間增大再減小的過程；SCP、抽水、發電工況階次譜圖都出現了16階(100 Hz)的峰值，為交流電頻率50 Hz的2倍，符合第1節所述的因定子鐵心松動導致機組振動大的特征，更進一步判斷定子鐵心振動大的原因為定子鐵心松動。

SCP、抽水、發電工況下定子鐵心振動都經歷了上升到下降再到穩定的過程，振動圖呈現拋物線狀，而空轉狀態振動較為平穩，無大的起伏。SCP、抽水、發電工況下定子鐵心振動最大值都超過了6 mm/s，而空轉狀態下定子鐵心振動最大不超過1 mm/s，比其他3個工況都低很多。抽水、發電工況下定子鐵心振動最大值出現的時間均在抽水或者發電工況開始后13～15 min時刻。根據空轉狀態的特點，結合階次譜圖的信息特點，可排除100 Hz的峰值頻率為電磁干擾所致，進一步判斷定子鐵心振動較大的原因為定子鐵心松動。

3.2 故障處理方法

因處于“迎峰度夏”階段，機組負荷較多，加之定子鐵心振動值不是特別大，在停機后，進行基本檢查，沒有發現重大缺陷，故只對鐵心拉緊螺栓進行了均勻緊固。處理好后，9月10日再次開機，圖4為下午抽水工況定子鐵心振動圖，抽水負荷為270 MW，圖5為發電工況定子鐵心振動圖，發電負荷230 MW，從圖4和圖5中可以看出，定子鐵心振動值相對穩定，各方向振動最大值不超過3 mm/s，證實了由于定子鐵心松動導致機組振動增大的故障。

圖4 抽水工況定子鐵心振動

圖5 發電工況定子鐵心振動

4 結 論

水輪發電機定子鐵心振動故障有多種形式，在各工況穩定性試驗基礎上，采用故障特征頻率分析法判斷出了某抽蓄定子鐵心松動故障原因。并根據現場情況，采取緊固鐵心拉桿螺栓的方法，將定子鐵心振動減小到3 mm/s以下，成功解決了定子鐵心松動導致的振動增大的故障。

[1]許實章. 水輪發電機定子鐵心的磁振動[J]. 華中工學院學報, 1973(1): 46- 75．[2]潘建東. 水輪機組定子鐵心松動故障分析及處理[J]. 廣西電力, 2007(4): 42- 44．

[3]哈爾濱電工學院電機教研室. 水輪發電機的振動[J]. 大機電技術, 1974(1): 7- 23．

[4]SAKAMOTO S, HIRATA T, KOBAYASHI T, et al. Vibration analysis considering higher harmonics of electromagnetic forces for rotating electric machines[J]. IEEE Transactions on magnetic, 1999, 35(3): 1662- 1665．

[5]黃學君. 水輪發電機定子系統的振動[D]. 天津: 天津大學, 2004．

[6]李佰洲. 異步電機定子系統磁固耦合振動機理研究[D]. 天津: 天津大學, 2014．

[7]陳錫洲. 水力發電廠水輪機振動異常故障分析和處理[J]. 通訊世界, 2015(12): 130- 131．

[8]夏鑫. 水輪發電機組模型參數辨識與故障診斷方法[D]. 武漢: 華中科技大學, 2015．

[9]尤莉莎. 混流式水輪發電機組振動試驗及故障診斷[D]. 邯鄲: 河北工程大學, 2015．

[10]楊翼. 水輪機狀態監測與故障診斷系統[D]. 武漢: 華中科技大學, 2007．

[11]周理兵, 馬志云, 賀建華. 響洪甸抽水蓄能變極同步發電/電動機諧波磁場引起的鐵心振動與電磁噪聲分析計算[J]. 大機電技術, 2002(6): 30- 36．

(責任編輯 高 瑜)

Analysis and Research of Generator Stator Core Vibration Fault in a Pumped-storage Power Station

LI Dongdong1, WANG Qinghua1, JIANG Zhaohui1, YANG Bin2, XIA Binqiang2, CHEN Yuwen2
(1. Shanghai Minghua Electric Power Technology Engineering Co., Ltd., Shanghai 200090, China;2. East China Yixing Pumped Storage Power Co., Ltd., Yixing 214205, Jiangsu, China)

In order to solve the vibration fault of generator stator core in a pumped-storage power station, the vibration characteristics of hydro-generator stator core are analyzed in detail. On the basis of unit stability tests, the characteristic frequency analysis method is used to carry out fault identification. The stator core looseness fault is identified accurately. According to on-site situation, the method of fastening iron core rod bolt is adopted to reduce the vibration of stator core to below 3 mm/s, which provides a good reference for similar fault diagnosis．

generator; stator core; vibration fault; pumped-storage power station

2016-11- 4

李冬冬(1983—)，男，河南沁陽人，高級工程師，博士，研究方向為清潔能源發電技術故障診斷、設備開發等．

TV734

A

0559- 9342(2017)08- 0088- 03