大型水輪發電機鐵損試驗振動與噪聲分析

劉 宇

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150040)

大型水輪發電機鐵損試驗振動與噪聲分析

劉 宇

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150040)

通過對某水電站定子鐵心鐵損試驗時產生振動和噪聲偏大的問題進行分析，并對機組運行時是否會產生振動進行了分析，找出了鐵損試驗產生振動的原因，成功消除了電站安全運行的隱患，為后續類似機組的鐵損試驗結果分析提供借鑒意義。

鐵損試驗；溫升；溫差；比損耗值；振動；噪聲

0 引言

水輪發電機鐵損試驗是檢驗定子鐵心疊裝質量的重要方法，其目的是檢驗定子鐵心沖片制造、疊裝、壓緊等的整體質量，檢查沖片間是否有短路情況，絕緣是否良好。國內某水輪發電機進行鐵損試驗時，定子鐵心齒部溫升測試結果為5.8K，溫差1.2K，軛部溫升測試結果為7.2K，溫差5.8K，齒部和軛部的溫升及溫差值均偏低，明顯低于GB/T 20835《發電機定子鐵心磁化試驗導則》的要求，表明定子鐵心疊裝后片間絕緣良好；但定子鐵心在試驗過程中出現了振動和噪聲偏大的現象，同時在磁通密度為1.0T時單位比損耗試驗結果為1.578W/kg，高于標準要求。

1 發電機主要數據

額定容量：200MVA；額定電壓：15.75kV；功率因數：0.9；頻率：50Hz；定子鐵心內徑：Φ12130mm；定子鐵心外徑：Φ12900mm；定子鐵心高：1850mm；定子鐵心重量：153t。

2 鐵損試驗時振動、噪聲偏大及比損耗值超標原因

2.1 鐵損試驗時振動、噪聲偏大原因

定子鐵心沖片采用厚度為0.5mm的冷軋無取向、高導磁、低損耗的優質硅鋼片,沖片在去毛刺后,表面涂F級絕緣漆以減小渦流損耗。鐵心上、下端采用無磁性高強度合金鋼壓指材料，鐵心沿長度方向分成若干段，段間通風溝高6mm，通風槽片由無磁性工字鋼點焊在沖片上構成。鐵心疊片后用穿心螺桿壓緊，穿心螺桿與鐵心間設有全絕緣套管，能夠有效避免定子鐵心螺桿接地。采用有限元方法計算定子鐵心固有頻率,發現定子鐵心零節點固有頻率為101.4Hz，計算結果見圖1。

圖1 定子鐵心冷態零節點固有頻率示意圖

試驗電源電流產生的電磁激振力頻率(電源電流頻率的2倍頻)為100Hz，與定子鐵心零節點固有頻率101.4Hz非常接近，在定子鐵心鐵損試驗過程中引起鐵心的電磁共振，出現振動和噪音較大的現象。

2.2 鐵損試驗時比損耗值偏大原因

在鐵損試驗時所測得的損耗值是勵磁電纜輸入處瓦特表的讀數，它主要包括了定子鐵心、定子機座及勵磁電纜等的損耗，同時也包括了定子鐵心振動所消耗的能量。定子機座的損耗主要取決于電纜在定子上的纏繞位置及纏繞方式；勵磁電纜損耗主要取決于電纜的長度和直徑；定子鐵心的單位損耗則主要取決于定子沖片質量、鐵心重量計算精度及疊壓系數取值等因素。

鐵損試驗時定子鐵心振動是由試驗電源激振產生的，振動過程中消耗的能量同鐵心硅鋼片損耗一樣來自于試驗電源，該部分能量與鐵心沖片的損耗一起被記錄在試驗設備的瓦特表中，從而影響定子鐵心的比損耗測量值，這是定子鐵心比損耗超標的重要原因。此外定子鐵心疊片時，如定位筋處存在卡片或鐵心壓緊不好，也會增加鐵損試驗時的比損耗值。

3 對水輪發電機運行的影響

在水輪發電機空載及各種負載工況運行時，轉子上加勵磁電流，并由水輪機拖動至額定轉速下運行，其磁場分布如圖2所示。從圖2可見，發電機正常運行時磁場分布與定子鐵心鐵損試驗時完全不同，如圖3所示。

圖2 正常運行時磁場分布

圖3 鐵損試驗時磁場分布

水輪發電機主極磁場中除基波外，還含有高次諧波；同樣，電樞磁勢會產生基波和高次諧波磁場。主極磁場的基波及其諧波與電樞磁勢相應的基波和諧波磁場相互作用，將產生不同頻率和力波的激振電磁力。根據電磁理論分析，振動的大小大致與激振力力波數的4次方成反比，故此只考慮力波數較低的情況即可。通過電磁場有限元分析計算定子鐵心的激振電磁力，計算結果見表1。

表1 定子鐵心諧波電磁力計算結果

由表1的計算結果可以得出

(1)由定、轉子諧波相互作用會產生力波數為0、頻率為300Hz的激振電磁力，其力很小且避開了定子鐵心零節點振動固有頻率為101.4Hz，不會引起共振。

(2)由負序磁場與主極的基波磁場相互作用也會產生力波數為0、頻率為100Hz的電磁力，這個力在機組冷態運行時與定子鐵心零節點振動固有頻率101.4Hz接近，未避開激振頻率的10%，此力在定子鐵心產生的徑向力為13.6kN/m,引起鐵心徑向變形為0.0012mm，滿足運行要求；當機組冷態運行一段時間后，鐵心熱脹與機座靠緊，此時機座與鐵心的0節點振動固有頻率變為110.2Hz，避開了激振頻率的10%，滿足振動要求。

4 結語

綜上所述,鐵損試驗時振動、噪聲大及比損耗值超標是由于試驗電源電流產生的電磁激振力頻率與鐵心的零節點固有頻率接近,造成試驗時鐵心共振造成的； 但水輪發電機正常運行時，定子鐵心不會產生零節點100Hz的電磁共振。當負序電流時，會產生力波數為0，頻率為100Hz電磁力，但由此力產生的鐵心徑向變形為0.0012mm，可以滿足運行要求。

本文對鐵損試驗時振動、噪聲偏大及比損耗值超標的分析對水輪發電機類似機組鐵損試驗結果的判斷、分析具有一定借鑒意義。

[1] 白延年.水輪發電機設計與計算.北京：機械工業出版社，1982.

[2] 陳錫芳.水輪發電機結構運行監測與維修.北京：中國水利水電出版社，2008.

[3] 馬德鑫.2極電機降低電磁噪聲的設計改進.防爆電機，2006.6.

[4] 梁吉波，吳銀龍.電機滾動軸承異常振動噪聲的分析及處理.防爆電機，2007.4.

[5] 付懷波，王德成.電動機噪聲的分析及控制.防爆電機，2010.3.

Vibration and Noise Analyses on Iron Loss Test of Large Hydro-Generator

LiuYu

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

Through analyzing the larger vibration and noise occurred in stator core iron loss test of a hydropower station and analyzing whether the operating unit can produce vibration or not, the vibration reasons of iron loss test is found out, and the hidden dangers of hydropower station in safety operation are successfully removed. It has a certain reference significance to analyze iron loss test result of similar unit.

Iron loss test；temperature rise；temperature difference；value of specific loss；vibration；noise

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.01.11

TM307+.1

B

1008-7281(2017)01-0038-003

劉宇 男 1982年生；畢業于合肥工業大學電氣工程及其自動化專業，現從事水輪發電機設計工作.

2016-10-18