水電機組不平衡磁拉力分析處理

唐 擁 軍(國網新源控股有限公司技術中心，北京 100161)

0 引 言[1,2]

水電機組在運行過程中主要受到水力、電氣和機械三種因素的影響。電氣因素引起的問題中，徑向不平衡磁拉力就是典型之一。當水輪發電機制造質量偏心或安裝不當時，將導致定子腔內氣隙不均勻，從而在定轉子之間產生單邊不平衡磁拉力，這種不平衡磁拉力作用于轉子軸系和定子機座上，從而引起主軸擺度與機組振動出現過大的問題，嚴重時將危及機組安全運行。因此，水電機組啟動調試時必須進行不平衡磁拉力檢測，若存在較嚴重的不平衡磁拉力，則必須分析出原因并解決。本文以某電站在啟動調試時出現的不平衡磁拉力現象為例進行了原因分析與處理。

1 不平衡磁拉力現象

機組在升壓時出現了主軸擺度與定子機座振動大幅增大的現象，加100%Ue勵磁與未加勵磁時定子機座振動與主軸擺度對比見圖1與圖2。其中，上導擺度幅值由358 μm增大為660 μm，下導擺度幅值由381 μm增大為743 μm，水導擺度幅值由418 μm增大為573 μm，定子機座水平振動由26 μm增大為206 μm。機組出現了振動過大的現象，不能安全運行。

圖1 加100%Ue與不加勵磁定子機座振動時域波形對比圖

2 原因分析[3]

產生不平衡磁拉力的原因較多,但主要是發電機中的磁路和電路不對稱所致，典型原因有：

(1)發電機轉子與定子間的空氣間隙不均勻；

(2)轉子磁極繞組匝間短路；

(3)發電機在不對稱工況下運行，產生不對稱的磁力分量，負序電流將以2倍電源頻率激發振動而引起振動；

(4)發電機轉子磁極形狀稍有差別，也可以引起磁拉力不平衡而產生振動；

(5)定子鐵芯松動引起振動，這種振動隨著勵磁電流的接通而產生，隨著發電機溫度的上升而減小；

(6)磁極分布圓中心與旋轉中心偏離較大，使得轉子在某一固定方位存在較大的不平衡磁拉力。

由圖2可知，加100%Ue勵磁時，機組上導、下導與水導軸承處旋轉中心相對偏移矢量如圖3所示。由圖3可看出，上導、下導與水導處旋轉中心偏移矢量幾乎在同一條直線上。

圖3 機組三導軸承處旋轉中心相對偏移矢量圖

加100%Ue勵磁時，定子機座振動頻域FFT分析見圖4，由圖4可知，定子機座水平振動主要頻率成分為2倍轉頻(轉頻為1.25 Hz)、3倍轉頻和1倍轉頻。

圖4 加100%Ue定子機座振動頻域波形圖

綜合來看，符合不平衡磁拉力原因中的第(6)條。

通過對機定、轉子圓度實測數據進行分析，發現存在較大的不圓度，特別是轉子的凸輪和橢圓形狀比較明顯，轉子每旋轉一周，就會對定子機座某一固定處產生2次與3次的明顯不平衡磁拉力作用力，這與定子機座水平振動以2倍轉頻與3倍轉頻表現最為突出相吻合。

通過對機組軸線檢查發現，機組軸線不正。

由于機組軸線不正，定轉子不圓以及轉子的凸輪和橢圓形狀比較明顯導致磁極分布圓中心與旋轉中心偏離較大，使得轉子在某一固定方位存在較大的不平衡磁拉力，從而出現軸系向某一方向偏移的現象，這與實測結果相一致。

后來，通過調整軸系和轉子圓度，明顯不平衡磁拉力問題得到解決。

3 結 論

(1)軸線不正與定轉子不圓是機組出現明顯不平衡磁拉力的根源，癥狀表現為定子機座水平振動中2倍與3倍轉頻表現最為突出，機組軸線向某一固定方位偏移。

(2)該機組出現的問題可以為別的電站調試過程中碰到類似問題提供技術參考，此外，對制造和安裝質量也應引起更高的重視。

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[1] 白暉宇, 荊建平, 孟 光. 電機不平衡磁拉力研究現狀與展望[J]. 噪聲與振動控制，2009,(6).

[2] 周理兵，馬志云. 大型水輪發電機不同工況下不平衡磁拉力[J]. 大電機技術，2002(2).

[3] 郭 丹,何永勇,褚福磊. 不平衡磁拉力及對偏心轉子系統振動的影響[J]. 工程力學,2003,20(2).