潘家口蓄能電廠4號機組主軸擺度偏大分析與處理

唐擁軍，畢 旭，葛禹霖，肖業祥

（1.國網新源控股有限公司抽水蓄能技術經濟研究院，北京市 100761；2.國網新源控股有限公司潘家口蓄能電廠，河北省唐山市 064309；3.清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室 & 能源與動力工程系，北京市 100084）

0 引言

潘家口蓄能電廠坐落于河北省遷西縣境內的灤河干流，共安裝有3臺 90MW 混流可逆式水輪發電機組，于 1992 年投入商業運行，是我國最早的大型抽水蓄能電站。全套機電設備引進意大利 ABB 公司產品，在電網中承擔調峰、調頻和事故備用任務，至今已運行 25年，為京津唐電網安全穩定運行做出了重要貢獻[1]。

潘家口蓄能電廠4號機組在A修后的調試試驗中發現，空載工況的主軸擺度尤其是上導擺度幅值比空轉工況大幅增大，這嚴重影響機組的安全穩定運行。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耦聯影響。在電氣因素引起的問題中，徑向磁拉力不平衡就是典型之一[2-3]。考慮到空載與空轉工況不同的地方是空載工況投入了勵磁，而空轉工況未投入，因此可得知潘家口蓄能電廠4號機組應是出現了嚴重的不平衡磁拉力現象。本文對該機組不平衡磁拉力現象、原因分析和處理進行了詳細論述，考慮到該機組在水泵方向通過換磁極實現二級變速，其轉子磁極結構和常規機組及普通抽蓄機組不同，本文的研究是具有較高參考價值的。

1 機組基本參數

機組基本參數如表1所示，該機組為可變速機組，在水泵工況時，根據水頭高度不同，有 2 個額定轉速可選，分別為 142.8 r/min 和 125 r/min，通過變換磁極對數實現。

表1 機組基本參數統計表Table 1 Basic parameters of unit

2 上導擺度偏大現象

4號機組空轉工況運行一段時間后，緩慢升勵磁電壓至空載工況，在空載工況運行一段時間后，退勵磁電壓至空轉工況運行。整個過程上導與下導擺度時域波形如圖1所示，該過程上導與下導擺度幅值變化曲線如圖2所示，空轉與空載工況不平衡相位變化曲線如圖3所示。空轉與空載工況上導、下導幅值與不平衡相位統計見表2。

圖1 空轉、空載工況上導、下導擺度時域波形變化圖Figure 1 Time wave of upper guide bearing runout and lower guide bearing runout under idling condition and non-load condition

圖2 空轉、空載工況上導、下導擺度幅值變化趨勢圖Figure 2 Changing trend of amplitude of upper guide bearing runout and lower guide bearing runtou under idling condition and non-load condition

圖3 上導、下導測得不平衡相位變化趨勢圖Figure 3 Changing trend of unbalanced phase measured using upper guide bearing and lower guide bearing

由上述結果可知，加勵磁電壓后主軸擺度幅值相較空轉工況大幅增大，其中上導擺度+X向幅值達到了676μm，下導擺度+Y向幅值達到了350μm，可見發電電動機存在嚴重的磁拉力不平衡。另外，空載與空轉工況下的不平衡相位也不一致，其中上導測得相差150°多，下導測得相差120°左右，不平衡相位接近反相，這給主軸擺度的處理帶來了一定的技術難度。

3 原因分析

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[4-7]：

（1）發電機轉子與定子間的空氣間隙不均勻。發電機定子鐵芯內圓與轉子磁極外圓的圓度達不到要求或者發電機定子鐵芯內圓與轉子外圓之間同心度達不到要求，由此產生定轉子空氣間隙不均勻，從而產生單邊的不平衡磁拉力。

（2）轉子磁極繞組匝間短路。轉子匝間短路將會引起氣隙磁場畸變，產生不同于正常運行時的氣隙電磁波力，從而產生不平衡磁拉力。

（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。

（4）發電機轉子磁極形狀稍有差別，引起磁拉力不平衡而產生振動。

（5）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。

（6）材料磁化不均勻，發電機導磁材料磁化不均勻，使定子或轉子內腔磁場不對稱，從而產生不均勻磁拉力。

該機組A修后對定轉子圓度與同心度進行了測量，測量結果滿足要求，原因（1）可以排除。空轉與空載工況下的上導、下導與水導軸承處軸心軌跡如圖4和圖5所示，可知，空載工況下的主軸旋轉中心與空轉工況基本一致，沒有發生明顯偏移，原因（5）可以排除。如前所述，該機組在水泵工況可通過變換磁極數實現二級變速，轉子變極采用丟極法，轉子磁極采用大小磁極和不等間距布置如圖6所示（共48個磁極）。整個磁極繞組分為6群，每群8個磁極，包含5個大極和3個小極。轉子變極用5個滑環和轉子變極開關來實現變極切換（ 142.8 r/min對應42個磁極，125 r/min對應48個磁極），如圖7所示。磁極繞組分成3種類型：第1類為同極性組（Gr1）；第2類為丟極組，是3個小極中間位置的那個小極繞組，編號分別是1、9、17、25、33、41；第3類為反極性組，它們每隔一群磁極出現，即為偶數群的第2至8個磁極，編號分別為10-16、26-32、42-48。在由48極切換到42極時，丟極組繞組的接線被斷開，而其編號在后的那些磁極繞組（反極性組）接線的極性被倒置，使得沿氣隙周圍的所有磁極極性保持著NS交替排列。大極與小極的極身寬度和極靴寬度是不同的，但其高度和繞組匝數相同[8]。這種磁極結構使得小磁極區域的磁場強度相對較大，大磁極區域相對較小，轉子高速旋轉后在離心力和不均勻熱變形的雙重作用下，磁場強度分布更加不均勻，即使同一直徑兩端也出現較大偏差，從而出現磁拉力嚴重不平衡，導致主軸擺度大幅增大。

圖4 空轉工況上導、下導與水導軸承處軸心軌跡圖Figure 4 Shaft orbit at upper guide bearing、lower guide bearing and turbine guide bearing under idling condition

圖5 空載工況上導、下導與水導軸承處軸心軌跡圖Figure 5 Shaft orbit at upper guide bearing、lower guide bearing and turbine guide bearing under non-load condition

圖6 轉子磁極分布圖Figure 6 Magnetic pole distribution of rotor

圖7 轉子繞組接線簡圖[8]Figure 7 Wiring diagram of rotor winding

4 配重處理

轉動部件受到不平衡力的合力為轉動部件不平衡質量產生的離心力和不平衡磁拉力的矢量和。對這種情況可采用等效不平衡質量的思路來進行處理，即將不平衡質量產生的離心力和不平衡磁拉力轉頻分量的矢量和等效為另一不平衡質量產生的離心力，進而采用對發電機轉子進行配重來減小機組的振動與主軸擺度。

該機組配重前發電80MW負荷工況主軸擺度與不平衡相位為：上導+X擺度幅值433μm，不平衡相位235°，上導+Y擺度幅值407μm，不平衡相位228°，下導擺度+X幅值247μm，不平衡相位205°，下導擺度+Y幅值262μm，不平衡相位209°。發電80MW負荷工況與空載工況相比，其中上導測得不平衡相位約有35°偏差，下導測得不平衡相位約有23°偏差。考慮到機組發電方向經常運行的工況為80MW左右負荷，于是選擇在該負荷工況下進行動平衡配重。動平衡配重后，發電方向80MW負荷工況和水泵工況部分振動擺度測點幅值統計如表3所示。由結果可知相比配重前機組振動與主軸擺度，尤其是上導擺度幅值大幅減小，優化了機組穩定運行條件，上導擺度偏大的問題得到成功解決。

表3 發電80MW負荷工況與水泵工況振動擺度測點幅值統計（單位：μm）Table 3 Amplitude statistics of vibration and runout under generating condition with 80MW load and pumping condition（Engineering unit：μm）

5 結論

（1）潘家口蓄能電廠4號機組空載工況主軸擺度較空轉工況大幅增大，且不平衡相位接近反相。發電電動機存在嚴重的磁拉力不平衡。機組采用變磁極方式來實現水泵工況的二級變速，轉子變極采用丟極法，并采用大小磁極和不等間距的磁極布置。這種磁極結構使得小磁極區域的磁場強度相對較大，大磁極區域相對較小，轉子旋轉后在離心力和不均勻熱變形的雙重作用下，磁場強度分布更加不均勻，從而出現磁拉力嚴重不平衡，導致主軸擺度大幅增大。

（2）當水輪發電機存在不平衡磁拉力，而又無法處理或不便于處理時，可以將不平衡磁拉力轉頻分量等效為不平衡質量而采用動平衡配重的方法進行處理，從而減小機組的振動擺度，優化機組運行條件。

（3）本文對該機組上導擺度偏大的分析及處理方法可為其他電站處理類似問題時提供參考借鑒。