水輪發電機上導擺度超標原因分析及處理

邵建林，廖 潤，謝 林，陳 杰

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水輪發電機上導擺度超標原因分析及處理

邵建林，廖 潤，謝 林，陳 杰

（二灘水力發電廠，四川 攀枝花 617000）

本文以二灘水電站3號機為例，通過分析對上導擺度有影響的水力、機械、電磁力三個因素，結合頻譜圖分析及動平衡試驗，得出磁極線圈匝間短路和轉子質量不平衡是造成3號機上導擺度超標的原因。通過處理磁極線圈匝間短路和轉子配重，成功地消除了上導擺度超標的缺陷。為類似電站和機組解決上導擺度超標問題提供參考。

上導擺度；頻譜圖分析；匝間短路；質量不平衡

0 前言

二灘水電站裝有6臺由GE公司設計的550MW混流式水輪發電機組。額定水頭165m，機組轉速為142.9r/min，發電機型號：SF550-42/12782。上導軸承安裝在上機架中心體內，采用分塊扇形瓦結構，瓦塊數量12塊，上導瓦相對瓦間隙和：0.32+0.05/-0mm，相臨瓦間隙差：不大于0.025mm。瓦塊合圍在上端軸軸領外圈，座放于下部瓦架上，瓦背抵靠在抗重螺栓上，機組運行過程中的徑向荷載通過抗重螺栓和上導支撐傳遞至上機架，如圖1所示。

3號機上導擺度第一高限報警設定值為180 um。通過跟蹤觀察，2012年5月至2014年11月上導擺度+X長期處于超標狀態，最大值達到250 um。上導擺度超標運行對機組的安全、穩定存在隱患，需要對其進行檢查、處理。

1 上導擺度超標原因分析

引起機組振擺變化的因素有水力因素、機械因素和電磁因素。

圖1 上導軸承結構圖

1.1 水力因素分析

影響機組振擺的水力因素有：尾水管內低頻渦帶；尾水管中頻、高頻壓力脈動；水輪機止漏環間隙不均；蝸殼、導葉、轉輪水流不均；壓力管道中水流脈動；水頭變化；負荷變化。水力不平衡引起的機組振擺變化首先體現在水導擺度的變化。將2012年5月至2014年11月期間水導擺度、上導擺度、水頭、負荷繪制成變化趨勢圖，發現水導擺度、負荷、水頭的變化趨勢與上導擺度的變化趨勢并不一致，由此可排除水力因素是導致上導擺度變化的原因。

1.2 機械因素分析

影響機組振擺的機械因素有機組軸線變化、轉子質量不平衡、轉動部件與固定部件磨碰、導軸瓦間隙變化。

1.2.1 利用頻譜圖分析上導擺度超標原因

頻譜分析就是把復雜的時間歷程波形，經過傅里葉變換分解為若干單一的諧波分量來研究，以獲得信號的頻率結構以及各諧波和相位信息。根據頻譜圖上的頻率、幅值結合機組振擺特征，可有效分析引起振擺的可能原因，見表1。

表1 機組振動原因、頻率、特征關系表

利用機組狀態在線監測系統，取出上導擺度頻譜圖（如圖2所示）進行分析。

圖2 上導擺度頻譜圖（處理前）

從頻譜圖中可以看出：上導擺度主要頻率為1倍頻即轉頻，1倍頻幅值為177.9μm。結合表一相關內容分析認為上導擺度超標的可能原因為：（1）轉子質量不平衡；（2）機組軸線問題；（3）導軸瓦間隙問題；（4）氣隙不均導致的磁拉力不平衡；（5）磁極線圈匝間短路導致的磁拉力不平衡。

1.2.2 盤車檢查機組軸線

2014年度機組檢修期間，對上導擺度進行了盤車測量。（1）在下導軸領、上導軸領處沿圓周劃8等分線。（2）在下導軸領、上導軸領對應位置固定部件上+X、+Y方向架設百分表，測針垂直指向轉動部件被測表面。（3）百分表調零，啟動高壓油潤滑系統，盤車測量（盤三圈，記錄第二、三圈數據）并記錄0°、180°方位下導軸領、上導軸領各測點的百分表讀數。（4）根據測量數據，利用矢量分解法計算上導擺度。

根據計算結果，上導盤車擺度為47 um，滿足要求，確定上導擺度超標并非由機組軸線變化引起。

1.2.3 轉子質量不平衡檢查

質量力相對于旋轉中心線的對稱狀況是影響機組穩定性的重要因素之一，可通過變轉速試驗檢查機組轉動部件的質量平衡狀態對機組各部位振動和擺度的影響。當轉動部件的質量不平衡較大時，主軸擺度隨轉速變化而變化的趨勢很明顯，且徑向軸承支架振動幅值與機組轉速的平方近似成正比關系。

2014年12月18日，對3號機組進行了變轉速試驗，隨著轉速的上升，機組上導擺度、下導擺度、上機架振動均明顯增大；對比50％和100％額定轉速，上導擺度轉頻峰峰值增大約110um，下導擺度轉頻峰峰值增大約200um，上機架水平振動增大約50um；機組存在明顯質量不平衡，見表2。由此可見轉子質量不平衡是造成上導擺度超標的一個原因。

表2 變轉速試驗數據

1.2.4 導軸瓦間隙檢查

2014年度機組檢修期間，對上導瓦間隙進行測量，發現上導瓦間隙較上一輪機組檢修時的安裝間隙并未發生明顯變化，可見上導擺度超標并非由瓦間隙變化引起。

1.3 電磁因素分析

磁拉力不平衡是影響機組穩定性的重要因素之一，可通過升壓變勵磁試驗檢查機組磁拉力不平衡對機組振動和擺度的影響。

1.3.1 變勵磁試驗檢查電磁因素

2014年12月18日，對3號機組進行了升壓變勵磁試驗，隨著勵磁電壓的上升，機組上導擺度、下導擺度、上機架振動隨勵磁電壓的上升而有所增大；對比25％和100％勵磁電壓，上導擺度轉頻峰峰值增大約25um，下導擺度轉頻峰峰值增大約25um，上機架水平振動增大約13um，機組存在磁拉力不平衡，見表3。由此可見磁拉力不平衡是造成上導擺度超標的另一個原因。

表3 變勵磁試驗數據

1.3.2 定轉子間隙檢查

二灘水電站定轉子之間間隙設計值為33.5mm，經測量定轉子間隙并無異常，因此擺度超標的原因不是定轉子間隙不均。

1.3.3 磁極檢查

對所有磁極進行交流阻抗試驗，對阻抗偏低的磁極進行反復確認，排除受附近磁極影響而交流阻抗偏低的磁極。經檢測，#6、#8、#10、#16、#25、#27、#28、#39共8個磁極交流阻抗值偏低，存在匝間短路現象，其余磁極合格。由此可見磁極線圈短路是造成磁拉力不平衡的一個原因。

2 上導擺度超標問題處理

2.1 磁極線圈匝間短路處理

（1）拆除與問題磁極連接的磁極連線及磁極壓板。

（2）對問題磁極及問題磁極的磁極鍵進行編號。

在主鍵焊上吊裝工具后，分批將磁極鍵拔出。拔磁極鍵時采用橋機主起升鉤，慢速起吊，防止起升過快碰傷其他設備。同時做好防護措施，防止損傷周圍磁極及定子線棒。

（3）用專用工具將磁極緩慢吊出，放置在墊有膠皮的木方上，木方高度應一致，使磁極整體保持水平；對線圈和鐵心進行編號。

（4）用專用工具對線圈進行脫庫處理，使鐵心和線圈分離。專用工具的六個承重面用膠皮進行防護，保證承重面至少有一半面積與線圈接觸，防止掛住上托板并一起吊出。用橋機主鉤緩慢起升，注意觀察線圈與鐵心的碰觸情況，防止線圈層間被拉裂。

（5）用5T拉力計分別對每個線圈、鐵心進行稱重并記錄。

（6）清除鐵心表面及托板上的玻璃膠和雜質；清理環氧板與鐵心間的雜質；在環氧板分層起皮的部位涂刷793環氧膠；鐵心表面重新涂刷J0405磁極鐵心表面絕緣漆；重新在托板和鐵心間填補玻璃膠，使間隙平整。

（7）將新線圈用酒精清掃干凈，待酒精揮發后，在線圈內外表面均勻涂刷792雙組份環氧樹脂膠，室溫固化不小于24h。注意清除線圈底部凝固的環氧膠，重新刷膠時防止環氧膠在底部重新凝固成水滴狀。

（8）統計出鐵心、舊線圈和新線圈的重量，根據原磁極重量對新線圈和鐵心進行分配組裝。

（9）新磁極組裝完成后，分別進行直流電阻、絕緣電阻、交流阻抗和功率損耗試驗，確保試驗結果合格。

（10）根據原磁極重量，確定新磁極的安裝位置，確保新舊磁極重量基本一致，將新磁極安裝到位并打進磁極鍵，恢復磁極連線及磁極壓板?；匮b完成后，對磁極進行整體試驗，試驗合格。

2.2 轉子質量不平衡處理

經變轉速、變勵磁試驗測量，3號機所裝測點振擺幅值均滿足DL/T 507-2002《水輪發電機組啟動試驗規程》的要求，但機組存在較大的質量不平衡和一定的磁力不平衡。為提高機組運行穩定性，決定進行動平衡處理。

根據綜合平衡分析的結果，兼顧機組空轉、空載工況，在轉子磁極中部、自編相位30°處加配重約47kg，在自編相位70°處加配重約100kg。

配重后機組在100％額定轉速工況下，上導擺度降幅約100um，下導擺度降幅約140um，上機架水平振動降幅約20um；在100％空載額定電壓工況下，上導擺度降幅約70um，下導擺度降幅約60um，上機架水平振動降幅約20um；配重效果明顯。動平衡處理有效地減小了質量不平衡，控制了磁力不平衡的影響。

3 3號機上導擺度運行狀況（問題處理后）

動平衡處理后，從機組在線監測系統中取出上導擺度頻譜圖（如圖3所示）。

圖3 上導擺度頻譜圖（處理后）

從頻譜圖中可以看出：上導擺度主要頻率為1倍頻即轉頻，1倍頻最大幅值為41μm，較處理前下降明顯。

繪制2014年10月至2016年7月3號機上導擺度趨勢圖（如圖6所示），跟蹤觀察3號機上導擺度處理前后的運行狀況

從圖表中可以看出，3號機通過動平衡處理和磁極線圈匝間短路處理后，上導擺度下降明顯，運行穩定。3號機上導擺度超標問題得到徹底解決。

圖4 上導擺度趨勢圖（處理后）

4 結論

水輪發電機組最常見、最主要的故障就是振動故障，振動直接影響機組的安全、穩定運行。本文通過頻譜圖分析及現場試驗分析發現造成3號機上導擺度超標的原因為轉子質量不平衡和磁極匝間短路，而不是機組軸線、瓦間隙、水力不平衡等問題。通過磁極線圈匝間短路處理和轉子動不平衡處理，徹底解決了3號機上導擺度超標的問題。

水輪發電機在線監測系統的應用已非常普遍，但利用在線監測系統里的頻譜圖、軸心軌跡圖、軸線姿態圖分析機組軸線狀況的經驗卻很欠缺。我們應更深入地了解頻譜圖、軸心軌跡圖、軸線姿態圖這些分析圖，利用它們分析并解決機組的振擺問題，積累經驗，為真正實現狀態檢修奠定良好的基礎。

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Cause Analysis and Treatment of the Upper Guide Swing Beyond Standard on the Generating Unit of Ertan Hydropower Station

SHAO Jianlin, LIAO Run, XIE Lin, CHEN Jie

(Ertan Hydropower Plant, Panzhihua 617000, China)

The upper guide swing of unit 3 of Ertan Hydropower Station had been beyond the standard for a long time since May 2012.In order to solve the problem of excessive swing, by analyzing the influencing factors of hydraulic, mechanical and electromagnetic force, combined with frequency spectrum analysis and field test, it is concluded that the pole coil inter-turn short circuit and rotor mass imbalance were the cause of large swing of upper guide in unit 3. By processing the magnetic poles and coils inter-turn short circuit and rotor counter weight, the defect that the guide swing of unit3 is beyond standard was eliminated successfully.

the upper guide swing; spectrum analysis; inter-turn short circuit; mass imbalance

TM301.4+2

A

1000-3983(2018)01-0059-06

2017-05-15

邵建林（1984-），2008年6月畢業于四川大學水電學院熱能與動力工程專業，現從事水輪發電機組檢修維護工作，工程師。