水輪發電機組振擺異常分析及處理方法

摘要：水輪發電機組運行振擺指標影響機組長期穩定性，特別是高轉速機組，振擺指標差容易導致機組工況惡化、長期異常運行甚至可能導致轉子松動引發事故。偏橋電站機組運行過程中存在振擺隨著運行時間緩慢增加;機組各部位溫度增加振擺相應增加，溫度降低振擺降低，同時機組空載、空轉數據變化較大，對磁極匝間短路后不平衡磁拉力進行分析計算，采用動平衡解決機組振擺異常變。

關鍵詞：水輪發電機;振擺;動平衡

前言

高轉速機組運行振擺、特別是振動值對機組的長期穩定性有比較大的影響，而振動值往往關注是受力軸承水平與垂直振動，一旦磁路出現異常，水平振動值往往是轉頻的倍數關系，即是高頻振動，高頻振動的危害性非常高，容易導致轉子松動及鐵芯絕緣損壞引發事故，隨著材料及加工工藝的進步，相關行業及國家規范對振動要求較低，實際工程應用中能達到更高要求。

偏橋電站機組額定功率76MW，額定轉速375r/min，機組運行中主要存在3個方面的異常：1、機組隨著運行時間增加、機組上導、下導擺度緩慢增加，最大值增加到350μm;2、機組空載振擺數據較空轉數據差，擺度值增加一倍;3、機組軸承溫度上升、機組振擺也會少許增加。

1、問題原因分析

機組檢修時發現下導軸瓦刮削的花紋幾乎磨損平，檢修后重新刮瓦并調整瓦隙，機組振擺會降低;機組空載振擺數據變化較大，空轉態后數據會變回較小的狀態;采用外來技術供水冷卻時，機組軸承、定子溫度較采用尾水冷卻循環技術供水低5℃左右，機組振擺減小30μm。

根據上述情況結合檢修測量的各項數據分析，認為機組存在轉子磁極匝間短路、運行中因磁拉力的不平衡影響機組的動平衡，導致軸承受力不均、變大、軸瓦磨損、溫度變化機組振擺對應變化、空載振擺值變大情況。

依據磁拉力計算及相關理論，當同步發電機發生勵磁繞組匝間短路后，勵磁繞組分成正常勵磁回路和勵磁故障附加回路，勵磁電流除了直流分量同時有一定的交流分量，除了影響氣隙磁動勢外還有一定子因空間諧波磁場感應的偶數次諧波不平衡電流及交流分量，交流分量較小，計算時可以不考慮，相關計算分析如下：

單個勵磁繞組線圈產生的磁動勢ffd.h的表達式為：

其中yh和nr.h分別為第h個同心式線圈的節距和匝數，αh.1和αh.2 為同心式線圈的2個變對應的轉子相位點電角度。根據磁路歐姆定律以及電磁理論及麥克斯韋方程組，當線圈匝間短路時，磁極線圈磁動勢會產生額外變化，產生次生回路，次生回路產生的磁動勢為反方向磁動勢，次生回路磁動勢會在定子繞組內部產生偶數次諧波不平衡電流，并且會在氣隙中產生磁動勢。而正常回路磁動勢因線圈匝間短路對應的磁通勢也會減小，在兩者的作用下，故障匝間短路磁極的磁動勢減小。

發電機轉子阻尼繞組一般采用銅條組成的回路，該回路與勵磁回路區別是沒有直流分量，只有交流k次諧波分量。

t. 分別是時間及同步角頻率，Id.j.k以及 d.j.k分別是對應回路限流有效值及相位，在氣隙中產生的磁動勢為：

y為阻尼回路節距，n為匝數、 為回路兩邊的電角度，對磁動勢進行求和運算得到整個轉子所有回路氣隙中的磁動勢。

定子電樞電流在氣隙中產生的氣隙磁動勢與轉子阻尼回路磁動勢計算類似，在求和過程中主要是a、b、c三相磁動勢求和。

不平衡解析運算，根據Maxwell應力公式求得沿發電機圓周任意位置的徑向電磁力，一旦發生磁極匝間短路，作用在轉子上的作用力將變得不平衡，根據Maxwell應力張量法可求解的徑向不平衡磁拉力表達式，對表達式分解成X軸向分量及Y軸向分量如下：

對上述兩個公式進行離散，結合Maxwell應力公式，可以求得匝間短路磁拉力幅值及角度：

偏橋電站機組16個磁極、單個磁極線圈60匝，轉子半徑R1.65米，轉子主軸長度L7.85米，因存在磁極匝間短路，空轉、空載以及不同負荷機組的工況均存在變化，對各負荷工況進行測試并對數據進行分析，選取合適的電流值進行計算，計算結果顯示存在不平衡磁拉力30534.08N，相位為2700（為了與動平衡相位一致，定義鍵相片安裝位置點為00），最后解決機組振擺緩慢增加問題是通過在轉子下風扇基座在下導2700位置上配重實現，配重重量與磁拉力不平衡計算值偏差2公斤。

2、處理方案

（1）針對存在磁極匝間外邊緣短路問題，機組大修時候對磁極線圈進行通大電流后檢測高溫點，對毛刺進行打磨，如果是匝間內部短路采用在匝間加絕緣紙的工藝進行處理，直到通大電流后無異常發熱點。磁極掛裝前所有線圈絕緣、交流阻抗合格、通電流無局部發熱現象，轉子整體各項試驗合格。

（2）機組大修時因只能在靜態下對磁極進行各項試驗，此時各項數據均合格，而機組運行時磁極線圈受到磁拉力及離心力，對偏橋電站磁極線圈進行受力計算，每個磁極受力800噸，在受力的情況下磁極出現匝間短路。

（3）對機組多次進行配重，空載空轉數據均較好后帶負荷運行仍然存在緩慢增加，嘗試在某一負荷情況下進行配重，但是需要綜合考慮平衡機組開機過程，否則開停機過程機組振擺大也影響機組安全穩定運行，仍然未達到理想情況，于是嘗試著打破原來的平衡，重新進行配重。將轉子上、下風扇基座26.5Kg配重塊全部取下，在轉子上風扇基座進行配重，將數據減小后，空載態下導擺度120μm，可是帶負荷后還是會增加到200μm，在轉子下風扇基座再次配重4.75Kg，下導擺度數據帶負荷后變化較小，穩定在160μm左右，隨著運行時間緩慢增加到190μm，仍然存在緩慢上漲的情況。對幾次配重后機組數據進行分析，機組空載與帶負荷相位角變化均為200o，負荷變化振擺增大的過程中相位角基本不變，于是再次在轉子下風扇座配重4Kg，配重后機組工況測試，帶基荷時下導擺度80μm，下導擺度隨著負荷增加而逐漸減小，額定負荷時穩定在50μm左右，目前帶負荷運行后未出現緩慢增加現象。

結束語

1、偏橋機組振擺異常變化處理過程中綜合各種現象以及數據，結合動平衡處理過程分析認為水輪發電機組振擺受水力、轉動部分質量不平衡、空氣間隙不均勻、轉子中心偏心以及定子電樞反應的不平衡及匝間短路產生的磁拉力不平衡等綜合因素影響。

2、機組動平衡在解決動不平衡問題時，一是打破原來的平衡，重新建立新的平衡體系，否則配重數據較亂，增加難度;二是用不平衡來平衡掉不平衡，尋找新的思路與方法;三帶負荷工況下進行配重，必須綜合考慮開停機過程以及其他負荷時的振擺值。機組動平衡無法從根本上解決匝間短路的磁極，仍然存在因新的磁極匝間短路導致的振擺變化。

3、機組磁極線圈檢修時即靜態下各項試驗數據均合格，運行時仍然存在磁極匝間短路，分析認為機組在帶額定負荷時，磁極線圈受磁拉力以及離心力，偏橋單個磁極線圈受力800頓，在壓力增加的情況磁極線圈出現匝間短路，所以這對線圈的制作材料及工藝必須嚴格要求，避免在機組運行時出現匝間短路，而且檢修時缺乏有效的檢測手段，無法準確查找匝間短路點，無法從根本上解決問題。

參考文獻

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作者簡介

彭宇 ， 39歲， 男 ，四川久隆水電開發有限公司.技術室主任.工程師，水電站技術管理。