高磁軛水輪發電機轉子運行中存在的問題及應對措施

喬進國，趙曉嘉

（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南 大理 675702）

高磁軛水輪發電機轉子運行中存在的問題及應對措施

喬進國，趙曉嘉

（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南 大理 675702）

目前國內大容量、高轉速的水輪發電機組數量逐漸增多，其中大尺寸的高磁軛轉子由于壓緊難度大、轉動慣量大，給機組運行帶來諸多問題。本文以小灣電廠機組運行中存在的問題為例，從設計、安裝、運行方面提出相關問題的解決方案。

高磁軛；水輪發電機；轉子

目前國內大容量、高轉速的水輪發電機組數量逐漸增多，其中大尺寸的高磁軛轉子由于壓緊難度大、轉動慣量大，給機組運行帶來諸多問題。本文以華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠（以下簡稱“小灣電廠”）機組為例，探討如何通過設計、安裝、運行等方面的優化來解決存在的問題。

1 小灣水輪發電機概述

小灣水電站正常蓄水位1 240 m，水庫總庫容149.14億m3、有效庫容98.95億m3，水庫具有不完全多年調節能力。電站地下廠房內安裝6臺單機容量為700 MW的立式水輪發電機組，電站多年平均發電量為189.9億kW·h。發電機制造難度系數（容量×飛逸轉速）為222 450，推力軸承制造難度系數（推力負荷×額定轉速）為514 100，均為世界第一，發電機及轉子主要參數見表1。

表1 小灣發電機主要參數

小灣發電機總裝圖見圖1。

圖1 發電機總裝圖

小灣轉子支架采取工地焊接主立筋、磁軛現場疊片、帶通風溝結構，轉子磁軛拉緊螺桿外徑為φ55mm，磁軛墊片的拉緊螺桿孔直徑為φ55.25mm；安裝時轉子磁軛分7次預壓，疊壓系數不小于0.99，磁軛半徑偏差控制在±0.68 mm，磁軛周向波浪度≤6 mm，磁軛同一截面上內外高度偏差≤4 mm，垂直度≤1.5 mm，磁軛熱打鍵緊量3 mm；磁極掛裝采用鴿尾結構，用兩條鏈條鍵打緊，磁極掛裝后轉子實測半徑與設計半徑之差≤±1.02 mm；由于磁極較高，每兩個磁極之間設有上下兩個極間支撐，將磁極連接為一整體。

2 高磁軛水輪發電機存在的主要問題及原因分析

2.1 磁軛錯位

2015年拆除1號水輪發電機轉子磁極后，發現磁軛沖片存在錯位現象，最大錯位達2 mm，37個C片在距磁極底部100～250 mm范圍內斷裂，5個D片斷裂，部分墊片呈不規則麻花狀，磁極背面個別A、B片點焊位置開裂。小灣發電機轉子磁極墊片布置見圖2，磁軛沖片錯位現象見圖3，磁極調整墊片斷裂情況見圖4。

圖2 小灣發電機轉子磁極墊片布置圖

圖3 磁軛沖片出現錯位現象

圖4 發電機轉子6號磁極調整墊片斷裂

2.2 磁軛熱打緊余量不夠

在1號機組檢修過程中對發電機轉子磁軛上壓板進行檢查，發現磁軛在主立筋處徑向位移達3 mm，機組過速前后在線監測系統的記錄顯示過速后磁軛徑向變形達3 mm。

修后首次開機到停機過程中轉子相關參數變化過程見圖5。圖中可以清楚地看到：轉子上部圓度隨轉速升高而增大，停機降速過程中轉子圓度沒有回復；轉子下部圓度也隨轉速升高而增大，停機降速過程中轉子圓度略有減小，但仍沒有回復。

圖5 小灣1號發電機從開機到停機轉子相關參數變化過程

1號機組開機過程中平均氣隙隨機組轉速變化情況見圖6，可見，1號發電機平均氣隙在100%轉速前有突變，這屬于異常現象，說明磁軛相對轉子支架開始浮動。

圖6 小灣1號機組開機過程中平均氣隙隨機組轉速變化情況

2.3 磁極鍵虛打緊

發電機磁極鍵采用鴿尾打鏈條鍵結構，見圖7，采用斜向打緊固定，易造成磁極鍵虛打緊、產生松動。機組過速后，磁軛存在殘余變形，沖片切向產生錯牙，也易造成磁極鍵松動。因此該磁極鍵在安裝時，需要嚴格保證安裝質量，否則易造成磁極鍵松動，導致機組運行時轉子動態不圓度增大。

小灣2015年度1號機組檢修前后轉子圓度對比見表2，可見，轉子絕對半徑最大值與最小值之差由修前的1.92 mm優化至修后的0.68 mm，轉子上、中、下部圓度情況也均有明顯改善，靜態圓度較好。

圖7 小灣發電機磁極鍵裝配圖

表2 小灣2015年度1號機組檢修前后轉子圓度對比/mm

該次機組檢修后首次開機空轉狀態下，轉子上部測點磁極氣隙形貌見圖8，可見，有5個磁極（2號、7號、22號、31號、40號）變化突出，0.8～1.0 mm，表明磁極鍵存在較大的虛空。

圖8 小灣1號發電機修后轉子上部

2.4 轉子動態不圓引起定子機座低頻振動

轉子動態不圓會引起發電機定、轉子氣隙不均，機組運行過程中在勵磁磁勢作用下，氣隙中會產生一系列的低次諧波磁場，這些諧波磁場與主波磁場相互作用而產生力波，這些變化的力作用在定子鐵芯上，從而引發定子低頻電磁振動。2015年10月21日，壩前水位為1 234 m時，各機組在700 MW有功負荷下定子機座與鐵芯的振動值見表3。

表3 小灣電廠2015年10月21日各機組在700 MW有功負荷下運行時定子振動值 /μm

根據GB/T 7894-2009《水輪發電機基本技術條件》及其2015年7月1日起實施的國家標準第1號修改單規定，小灣機組穩定運行期間定子鐵芯處定子機座最大水平振動峰-峰值在120 μm以下時可以無限制的長期運行，認為振動值介于120～160 μm之間運行的機組不宜長期持續運行、如有適當機會應采取補救措施；定子鐵芯水平振動100 Hz雙振幅值要求不大于30μm。

小灣機組定子鐵芯水平振動100 Hz雙振幅值滿足要求。由表2可見，小灣機組穩定運行期間，1、5號機定子機架振動值已接近長期運行區間上限，3號機定子機架振動值處于需要采取補救措施的范圍。

經解析法和有限元法對定轉子間氣隙不均勻引起的低頻電磁力的大小進行計算和分析，結果表明：低頻電磁力的大小隨氣隙偏差增加而增大，隨圓度的增加而增大。小灣機組如果一個磁極比平均半徑凸出1 mm，則由此產生局部磁拉力將增大21.7 kN（2.1 t），會加劇發電機的電磁振動。

2.5 磁極鏈條鍵后墊片滑脫，轉子一點接地頻繁報警

磁極調整墊片還會隨著運行時間的增長逐漸外移，過長的調整墊片在轉子轉動離心力和磁力作用下，貼在磁極繞組內側造成轉子接地，對機組的安全穩定運行造成極大危害。該情況在小灣電廠出現過兩次：2014年4月16日，4號發電機轉子9號磁極調整墊片過長造成轉子一點接地報警；2014年7月14日，1號發電機轉子39號、2號磁極調整墊片過長造成轉子一點接地報警。磁極調整墊片現場照片見圖9。

圖9 伸出長度過長的發電機磁極調整墊片

2.6 磁極采用極間支撐結構，不利于現場缺陷處理

小灣發電機轉子采用了極間支撐形式，若不起吊轉子，將無法對極間支撐存在缺陷進行處理，也不能在發電機機坑內拆裝磁極。小灣發電機轉子磁極極間支撐部位的圖紙見圖10、圖11中圈內所示。

圖10 極間支撐部位圖紙

圖11 脫落的極間支撐部位

3 針對相關問題的應對措施

通過以上問題的原因分析，現提出設計優化、安裝及檢修工藝調整及運行管控建議。

3.1 優化設計

（1）立筋結構優化。選用工地配刨副立筋結構（見圖12），由于筋鍵槽的精度相對較高，磁軛疊片難度低，磁軛與轉子支架之間熱打鍵加墊片調整也較為容易，安裝工藝比較成熟。可解決工地焊接主立筋帶來的焊接變形量較大，磁軛與轉子支架之間熱打鍵時需加階梯墊片調整，熱打鍵質量不好控制等一系列問題。

圖12 配刨副立筋結構

（2）磁軛設計優化。磁軛采取分段結構與全通風隙結構（見圖13），可減小螺桿與孔之間的間隙，降低磁軛的殘余變形；磁軛分段壓緊，疊壓系數將提高，孔桿間發生摩擦發卡影響降低，提高實際的片間壓力。可有效解決整段磁軛結構帶來的裝壓后磁軛軸向剛度不均勻問題。

圖13 分段磁軛加磁軛通風隙結構

（3）鏈條鍵設計優化。采用多T尾打半長鍵結構（見圖14），由于磁極鍵徑向打緊，打緊后不易松動，避免鴿尾鏈條鍵結構虛打緊問題，也能加強磁極與磁軛連接的緊密性，運行時轉子圓度變化小。

圖14 磁極鍵的多T尾打半長鍵結構

（4）磁極極間固定方式優化。建議采用圍帶包護型極間固定結構，可在不吊轉子的情況下對極間固定部件存在的缺陷進行及時處理，避免因部件脫落不能及時檢查處理引起發電機掃膛事故。

3.2 提高安裝及檢修工藝

根據《立式水輪發電機檢修技術規程》（DL/T 817-2014）要求，小灣電廠轉子磁極圓度各半徑與平均半徑之差應在±1.36 mm以內；原小灣電廠檢修調試驗收質量標準中，轉子各半徑與平均半徑之差在±1.36 mm以內時達到轉子圓度合格標準，轉子各半徑與平均半徑之差在±1.02 mm以內時達到轉子圓度優良標準。

由于按照上述標準進行轉子圓度調整時，就算滿足合格標準要求，可能磁極圓度的最大最小半徑之差會接近2.72 mm；滿足優秀標準要求時，磁極圓度的最大最小半徑之差也可能會接近2.04 mm。以上偏差仍會導致偏大的局部磁拉力，造成定子振動增大。

建議各電廠嚴控安裝工藝，在機組安裝及檢修過程中最大限度減小轉子的不圓度，將轉子半徑的最大值與最小值之差控制在0.6 mm以內。

利用檢修機會，根據運行中的轉子動態圓度數據與現場實際測圓數值對轉子圓度進行處理；對發電機轉子磁軛變形情況進行測量和計算，確保磁軛鍵熱打鍵緊量，以抵消離心力引起的變形，必要時對磁軛重新進行壓緊；對發電機轉子磁極鏈條鍵進行抽出檢查或更換，研發磁極掛裝鍵槽的銑槽專用工具，通過銑槽避免機組運行中對磁極調整墊片造成的剪切。

3.3 加強運行過程管控

機組運行過程中利用在線監測系統對發電機氣隙、轉子動態圓度變化情況進行監視，重點需要關注轉子磁極分離現象，若存在磁極分離跡象，需要利用檢修機會對轉子進行重新熱打緊。

若發電機轉子磁極極間固定使用極間支撐方式時，機組長時間停機期間，建議使用工業內窺鏡對磁極極間支撐螺桿、螺母、墊片等部件的完好情況進行全面檢查。

若機組報出發電機轉子一點接地報警信號后，除例行檢查外，建議做好磁極鍵調整墊片的檢查，防止磁極墊片突出刮傷磁極表面絕緣部分引起動態接地。

［1］趙曉嘉，郭耀先，龔登位.小灣水電廠發電機定子振動原因及改進措施［J］.水力發電，2015，41（10）：47-50.

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TK730.8

B

1672-5387（2016）07-0045-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.07.015

2016-05-02

喬進國（1970-），男，高級工程師，從事水電站管理工作。