水輪發電機電磁振動及噪聲的分析和改造

(東方電氣東方電機有限公司，四川 德陽 618000)

0 引 言

福建G電站為貫流式水電站，裝有兩臺國內某公司供貨的單機容量21 MW的燈泡貫流式水輪發電機組。其1號機和2號機分別于2007年7月和10月建成投產。兩臺機投運以后，均存在較為嚴重的振動及噪聲問題。對原設計氣隙中諧波的力波波譜進行分析,得出定子16、40、64對極反轉磁場與轉子基波磁場相互作用產生的力波是產生100 Hz振動的主要原因；定子376對極反轉磁場(一階齒諧波)與轉子352對極磁場(11次諧波)，以及定子440對極正轉磁場(一階齒諧波)與轉子416對極磁場(13次諧波)相互作用產生的力波，是產生600 Hz電磁振動的主要原因。根據上述分析結果，通過重新選擇槽數對兩臺機的定子進行了改造，1號機已于2015年3月投入運行。改造后的發電機徹底消除了原有電磁振動和噪聲，定子運行溫度也較改造前有所降低，改造效果突出。

1 原發電機參數

原發電機參數如表1如示。

2 存在的問題

G電站機組投運后，出現了較大的噪聲和振動。人站在封水蓋板上能夠明顯聽到機組發出“嗡嗡”的高頻聲響，且有腳麻的感覺，其中1號機噪聲明顯比2號機大。

經對1號機噪聲測試表明，噪聲中心頻率為630 Hz,且隨運行負荷增加而逐步增大，其現場測量值均在100 dB以上，遠超過國家混頻標準85 dB，比同類型大10～20 dB以上，其中1號機燈泡頭入口處測量得中心頻率為100 Hz的噪聲達119.8 dB。

振動測試結果表明，帶負荷工況下，機座徑向振動的主要頻率為100 Hz和600 Hz。其中100 Hz振動在燈泡頭處其振動加速度測量值為0.954 m/s2，是同類型電站機組測量值0.11 m/s2的8～9倍；600 Hz振動加速度測量值2.29 m/s2，是同類機型(福建D電站為0.328 m/s2)的6～7倍。

表1 原發電機參數

3 定子鐵心電磁振動分析

3.1 力波波譜分析

電磁噪聲本質上是由電磁振動引起的。在分析電磁振動之前，這里首先對磁場中的力波進行分析。

對于q=b+c/d的三相分數槽繞組，其中電樞反應磁場諧波極對數為v1=(6k1/d+1)P,(k1=0,±1,±2,……)，其中負號表示反轉磁場；對于轉子磁場，由于磁極的對稱性，其磁場只存在奇次諧波，其諧波極對數為v2(2k2+1)P,(k2=0,1,2,……)。

根據定子鐵心振動的一般規律，當極對數為兩個磁場相互作用時，產生的力波的節點對數及力波頻率如表2所示。

表2 不同極對數諧波對應的力波特性

力波節點對數M越小，引起鐵心振幅越大，所以主要對力波節點對數M較小的力波進行分析。在定子端，鑒于定子基波電流頻率為50 Hz，故由于繞組空間分布引起的空間磁勢諧波頻率恒為50 Hz；在轉子端，由于磁勢諧波隨著轉子同步旋轉，因此轉子諧波頻率正比于諧波極對數(即50 Hz、150 Hz、250 Hz、350 Hz……)。

通過力波波譜分析可知:

1)100 Hz振動主要由定子v1=16、40、64對極反轉磁場與轉子基波磁場相互作用產生；

2)600 Hz振動主要由定子v1=376對極反轉磁場(一階齒諧波)與轉子v2=352對極磁場(11次諧波)，以及v1=440對極正轉磁場(一階齒諧波)與轉子v2=416對極磁場(13次諧波)相互作用產生。

3.2 100 Hz電磁振動分析

電磁力波引起的鐵心振動，其振動幅值為

(1)

式中：Pn為諧波磁場與氣隙主磁場疊加，在氣隙單位面積上產生的徑向力，kg；M為力波節點對數；f0為該力波振型的固有頻率，Hz；f為電磁激振頻率，Hz；E1為定子鐵心彈性模量。

其中固有頻率f0可按式(2)計算：

(2)

式中：g為重力加速度；J1為鐵心軛部斷面慣性矩,cm4；G1為定子線圈及鐵心總重量,kg；Rj為定子磁軛的平均半徑,cm。

計算時，定子鐵心彈性模量E1的選擇是個重要的問題，它與許多因素有關。根據以往機組振動實測值推斷，通常取E1=1.3×106kg/cm2比較合適。相關計算方法可見參考文獻[1]，這里不再贅述。

根據G電站提供的原廠家定子結構參數，計算出鐵心100 Hz振動如表3所示。

從上面計算結果可知，鐵心冷態時， 100 Hz徑向振動幅值超過國家標準允許的30 μm[3]，8對節點力波對應的鐵心固有頻率87 Hz；當鐵心處于熱態時，鐵心與機座接觸，使得鐵心剛度得到提高，從而鐵心固有頻率比較接近100 Hz激振力頻率，很容易引起鐵心共振。

3.3 600 Hz電磁振動分析

根據波譜分析，引起600 Hz振動的，主要是定子328極以及376極諧波與轉子352極(11次諧波)相互作用產生的。其中定子376對極諧波為一階齒諧波，其繞組系數與基波相同，與轉子11次諧波之間相互作用力也最大，因此，600 Hz振動主要考慮定子一階齒諧波與轉子11次諧波作用結果。

通過波譜分析可知，600 Hz振動力波節點對數為24對。根據電站提供的定子結構參數計算該力波對應的鐵心固有頻率發現：M=24時定子鐵心計算固有頻率約為634 Hz，與齒諧波引起的高頻磁力激振頻率600 Hz比較接近，容易引起鐵心共振。

4 改造措施

為了減少電磁振動，可以通過削弱次諧波幅值，或者增大力波節點對數來減少振幅。前者可以通過改定子繞組接線，增大正負相帶不對稱度，從而減少繞組系數的方式解決；后者可以通過重新選槽，改變諧波極對數解決。由于貫流機尤其是貼壁式貫流機，引線端的空間非常狹小，通過改接線的方式實現比較困難，另外考慮到原廠家定子結構設計存在一些設計缺陷，因此選擇了整個定子重新設計的改造方式。

改造方案確定定子槽數由408槽更改為432槽。定子槽數的選擇主要考慮了幾個因素：首先，新槽數的選擇必須使次諧波引起的100 Hz振動大幅度降低，而且低節點力波對應的定子鐵心固有頻率遠離100 Hz(一般認為不在80～130 Hz這個范圍內是安全的)；其次，定子一階齒諧波分量與轉子高次諧波作用引起的力波所對應的鐵心固有頻率遠離激振力頻率。

5 改造效果

5.1 改造后力波波譜分析

每極每相槽數q由改造前的2+1/8變成改造后的2+1/4，由于分母減少，因此分數次諧波也大為減少。按照前面介紹理論進行力波波譜分析，改造后，占100 Hz電磁振動比重最大的8對節點分量消失了，力波最低節點對數由8對提高到了16對；600 Hz電磁振動的力波節點數由改造前的24對節點提高到48對節點。根據所提的改造思路，下面將分別計算100 Hz電磁振動幅值以及600 Hz振動力波對應的定子鐵心固有頻率，以驗證改造效果。

5.2 改造后100 Hz電磁振動分析

改造后100 Hz電磁振動主要由定子16、64、112對極反轉諧波與轉子基波相互作用產生。相應的電磁振動計算結果如表3所示。從計算結果可以看出，改造以后的鐵心100 Hz電磁振動幅值遠遠小于國家標準(GB/T 2423.10-2008)規定的30 μm，達到優良水平。

表4 改造后彈性模量E1=1.3×106 kg/cm2時鐵心振動計算

5.3 改造后600 Hz電磁振動分析

對于600 Hz電磁振動，改造前主要由于激振力波對應的鐵心固有頻率與激振力波頻率比較接近引起。改造后， 600 Hz電磁振動主要是由定子368對極以及464對極正轉諧波(1階齒諧波) 與轉子416對極諧波相互作用產生的。利用式(2)計算這兩種力波對應的鐵心固有頻率如表5所示。

表5 改造后600 Hz激振力波對應的鐵心固有頻率

從計算結果可以看出，600 Hz激振力波對應的鐵心固有頻率遠遠高于600 Hz，完全消除了改造前鐵心存在600 Hz共振的情況。

5.4 改造后鐵心電磁振動電站實測值

1號機于2015年 3月 7 日下午并入系統運行,并按保護、勵磁改造要求緩慢上升機組負荷運行，機組在升負荷運行過程中整體振動聲音及發電機電磁聲均正常。具體情況如表6所示。

表6 改造前后效果對比

6 結 語

振動和噪聲是衡量發電機運行性能的重要指標。對于電磁振動，一般只能通過改定子繞組接線，減少繞組系數來減少諧波幅值，但是繞組端部引線結構復雜；或者重新選擇槽數，減少分數次諧波的次數。針對G電站定子引線端空間小，且原設計鐵心軛部偏小的特點，確定了重新選擇槽數的改造方案。另外還采用了增加鐵心壓緊、減少線圈、鐵心的多項改造措施。由于改造方案采用的措施得當，改造后機組的振動噪聲大幅度減少，取得了令人滿意的效果。

[1] 白延年.水輪發電機設計與計算[M].北京：機械工業出版社，1982.

[2] 許實章.交流電機的繞組理論[M].北京：機械工業出版社，1985.

[3] GB/T 2423.10-2008,電工電子產品環境試驗第2部分：試驗方法[S].