水電機(jī)組不平衡磁拉力分析處理

唐 擁 軍(國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京 100161)

0 引 言[1,2]

水電機(jī)組在運(yùn)行過程中主要受到水力、電氣和機(jī)械三種因素的影響。電氣因素引起的問題中，徑向不平衡磁拉力就是典型之一。當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)制造質(zhì)量偏心或安裝不當(dāng)時(shí)，將導(dǎo)致定子腔內(nèi)氣隙不均勻，從而在定轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生單邊不平衡磁拉力，這種不平衡磁拉力作用于轉(zhuǎn)子軸系和定子機(jī)座上，從而引起主軸擺度與機(jī)組振動(dòng)出現(xiàn)過大的問題，嚴(yán)重時(shí)將危及機(jī)組安全運(yùn)行。因此，水電機(jī)組啟動(dòng)調(diào)試時(shí)必須進(jìn)行不平衡磁拉力檢測(cè)，若存在較嚴(yán)重的不平衡磁拉力，則必須分析出原因并解決。本文以某電站在啟動(dòng)調(diào)試時(shí)出現(xiàn)的不平衡磁拉力現(xiàn)象為例進(jìn)行了原因分析與處理。

1 不平衡磁拉力現(xiàn)象

機(jī)組在升壓時(shí)出現(xiàn)了主軸擺度與定子機(jī)座振動(dòng)大幅增大的現(xiàn)象，加100%Ue勵(lì)磁與未加勵(lì)磁時(shí)定子機(jī)座振動(dòng)與主軸擺度對(duì)比見圖1與圖2。其中，上導(dǎo)擺度幅值由358 μm增大為660 μm，下導(dǎo)擺度幅值由381 μm增大為743 μm，水導(dǎo)擺度幅值由418 μm增大為573 μm，定子機(jī)座水平振動(dòng)由26 μm增大為206 μm。機(jī)組出現(xiàn)了振動(dòng)過大的現(xiàn)象，不能安全運(yùn)行。

圖1 加100%Ue與不加勵(lì)磁定子機(jī)座振動(dòng)時(shí)域波形對(duì)比圖

2 原因分析[3]

產(chǎn)生不平衡磁拉力的原因較多,但主要是發(fā)電機(jī)中的磁路和電路不對(duì)稱所致，典型原因有：

(1)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子間的空氣間隙不均勻；

(2)轉(zhuǎn)子磁極繞組匝間短路；

(3)發(fā)電機(jī)在不對(duì)稱工況下運(yùn)行，產(chǎn)生不對(duì)稱的磁力分量，負(fù)序電流將以2倍電源頻率激發(fā)振動(dòng)而引起振動(dòng)；

(4)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極形狀稍有差別，也可以引起磁拉力不平衡而產(chǎn)生振動(dòng)；

(5)定子鐵芯松動(dòng)引起振動(dòng)，這種振動(dòng)隨著勵(lì)磁電流的接通而產(chǎn)生，隨著發(fā)電機(jī)溫度的上升而減??；

(6)磁極分布圓中心與旋轉(zhuǎn)中心偏離較大，使得轉(zhuǎn)子在某一固定方位存在較大的不平衡磁拉力。

由圖2可知，加100%Ue勵(lì)磁時(shí)，機(jī)組上導(dǎo)、下導(dǎo)與水導(dǎo)軸承處旋轉(zhuǎn)中心相對(duì)偏移矢量如圖3所示。由圖3可看出，上導(dǎo)、下導(dǎo)與水導(dǎo)處旋轉(zhuǎn)中心偏移矢量幾乎在同一條直線上。

圖3 機(jī)組三導(dǎo)軸承處旋轉(zhuǎn)中心相對(duì)偏移矢量圖

加100%Ue勵(lì)磁時(shí)，定子機(jī)座振動(dòng)頻域FFT分析見圖4，由圖4可知，定子機(jī)座水平振動(dòng)主要頻率成分為2倍轉(zhuǎn)頻(轉(zhuǎn)頻為1.25 Hz)、3倍轉(zhuǎn)頻和1倍轉(zhuǎn)頻。

圖4 加100%Ue定子機(jī)座振動(dòng)頻域波形圖

綜合來看，符合不平衡磁拉力原因中的第(6)條。

通過對(duì)機(jī)定、轉(zhuǎn)子圓度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)存在較大的不圓度，特別是轉(zhuǎn)子的凸輪和橢圓形狀比較明顯，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，就會(huì)對(duì)定子機(jī)座某一固定處產(chǎn)生2次與3次的明顯不平衡磁拉力作用力，這與定子機(jī)座水平振動(dòng)以2倍轉(zhuǎn)頻與3倍轉(zhuǎn)頻表現(xiàn)最為突出相吻合。

通過對(duì)機(jī)組軸線檢查發(fā)現(xiàn)，機(jī)組軸線不正。

由于機(jī)組軸線不正，定轉(zhuǎn)子不圓以及轉(zhuǎn)子的凸輪和橢圓形狀比較明顯導(dǎo)致磁極分布圓中心與旋轉(zhuǎn)中心偏離較大，使得轉(zhuǎn)子在某一固定方位存在較大的不平衡磁拉力，從而出現(xiàn)軸系向某一方向偏移的現(xiàn)象，這與實(shí)測(cè)結(jié)果相一致。

后來，通過調(diào)整軸系和轉(zhuǎn)子圓度，明顯不平衡磁拉力問題得到解決。

3 結(jié) 論

(1)軸線不正與定轉(zhuǎn)子不圓是機(jī)組出現(xiàn)明顯不平衡磁拉力的根源，癥狀表現(xiàn)為定子機(jī)座水平振動(dòng)中2倍與3倍轉(zhuǎn)頻表現(xiàn)最為突出，機(jī)組軸線向某一固定方位偏移。

(2)該機(jī)組出現(xiàn)的問題可以為別的電站調(diào)試過程中碰到類似問題提供技術(shù)參考，此外，對(duì)制造和安裝質(zhì)量也應(yīng)引起更高的重視。

□

[1] 白暉宇, 荊建平, 孟 光. 電機(jī)不平衡磁拉力研究現(xiàn)狀與展望[J]. 噪聲與振動(dòng)控制，2009,(6).

[2] 周理兵，馬志云. 大型水輪發(fā)電機(jī)不同工況下不平衡磁拉力[J]. 大電機(jī)技術(shù)，2002(2).

[3] 郭 丹,何永勇,褚福磊. 不平衡磁拉力及對(duì)偏心轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)的影響[J]. 工程力學(xué),2003,20(2).