水轮发电机定转子变形评价方法研究

张建国

（广东省水电集团有限公司，广东 广州 511341）

水轮发电机定转子变形评价方法研究

张建国

（广东省水电集团有限公司，广东 广州 511341）

水轮发电机组定子、转子的各类变形会导致气隙发生变化，进而破坏原机组的磁路线，形成电磁振动，使机组的运行工况恶化。提出用于评价转子机械变形、定子热变形和结构变形的量化评价指标，变形评价应用实例证明，利用这些量化指标并结合趋势分析技术，研究定子、转子变形与振动的关系，可以及早发现水轮发电机定子、转子故障。

水轮发电机；定子；转子；机械变形；热变形；结构变形；评价方法

水轮发电机组定子、转子的变形，会破坏原机组的磁路线，有可能形成磁振动，从而增大机组振动，恶化机组运行工况。如果机组长期处在这种工况下运行，其结构可能受到破坏，并诱发其他事故【1】。

随着国内水轮发电机组状态监测技术的发展，作为其重要组成部分的发电机气隙动态测量技术也同步得到了推广和应用。但国内外的监测技术，都是将气隙监测和机组振动监测完全分开，并且气隙测量单元主要集中在机组运行保护和瞬时的转子磁极伸长、相对偏心及圆度的分析和诊断上，很少涉及对定子、转子变形的分析。本文利用气隙测量系统采集得到的数据，结合水轮发电机组的运行特点和故障机理提出用于评价转子机械变形、定子热变形和结构变形的量化评价参数，利用这些参数并结合趋势分析技术，可以及早地发现故障。

1 发电机定子、转子评价指标的建立

1.1 建立定子、转子变形评价指标的基本思路

在直角坐标系中，纵坐标为气隙的位移值，横坐标为磁极个数。图1为某电站2号机在空载额定转速工况时（不加励磁）传感器测得发电机转子磁极间隙平面曲线展开图【2】。

图1 转子磁极形状

图2 发电机特征图

图2为2号机在同样工况时1号传感器、1号磁极下发电机定、转子圆度特征图。从图1、图2中可以得到该工况下转子的圆度、偏心距、偏心角以及最大、最小气隙值和气隙发生的部位。

这里的定子圆度是相对某一特定的磁极而言的；转子圆度系相对某一特定的传感器而言的，特定的磁极（或传感器）可以在数据分析中选择，如图2中选1号磁极（传感器）。这里采用最小二乘圆法（也称平均圆法）确定动态定子、转子的圆度误差，当所测得的轮廓曲线上的各点至某一圆的距离平方和为最小时，该圆即为最小二乘圆。设轮廓曲线上的各点｛直角坐标为（xi，yi，），根据所测气隙值及相应磁极方位角求得｝至该圆圆心（直角坐标为（a、b）的最大距离为Rmax，最小距离为Rmin，其中：

1.2 定、转子变形评价指标的建立[3]

通过以上3组参数的持续监测和跟踪，反映出由于设计原因导致发电机定子刚度不够，从而引起缓慢的不一致变形，而通过对定子中心的相对偏移值及方位的监测，可以区分定子位移和定子不一致变形。

2 变形评价应用实例

2.1 转子机械变形分析评价实例

表1是某水电厂1号机（机组额定转速136.4r/min，容量300MW）某次开机升速过程各测点气隙变化过程情况。

?

根据表1得到：该机组转子机械变形量为：

△Aj=37.198-35.286=1.912mm；转子机械变形不均匀度为：△Ajdiff=2.155-1.527=0.628mm。

按照实际的测点方位（本文略去），根据表1数据计算出来的转子回转中心偏移值为0.66mm,而偏心方位为83.5°（以+X方向为0°，按照逆时针方向旋转）。

需要说明的是，由于该机组磁极是浮动式安装，故而在升速过程中转子的伸长变形很大，这在常规的中小型机组中少见的，并且机组在升速过程中存在回转中心偏心现象，这一点在该机组的摆度测点测量数据中也得到了验证。

长期监测和跟踪机械变形量及均匀度的变化，对于发现该机组是否存在磁极/磁轭松脱故障是非常有帮助的。

2.2 定子热变形分析评价实例

表2是某水电厂2号机（机组额定转速88r/min，额定出力83MW，设计气隙16mm）某次开机并网后温升过程各测点气隙变化情况。

表2几个典型时刻下测量得到的数据单位：mm序号 时间 +X向气隙值 -Y向气隙值 +Y向气隙值 -X向气隙值 平均气隙12009-01-05T09：4015.59516.23914.48416.43715.68922009-01-05T10∶4015.97916.65614.86516.82816.08232009-01-05T11∶4616.09516.87414.99416.98916.23942009-01-05T12∶4616.15716.91514.97917.06316.27852009-01-05T13∶0616.16916.92914.97517.07916.28862009-01-05T13∶2616.17516.93114.97217.08916.29272009-01-05T13∶4616.1816.93914.96717.09516.29582009-01-05T14∶0616.18216.94514.96117.09716.29692009-01-05T14∶2616.17716.93814.95117.10116.291102009-01-05T14∶4616.17916.93814.94617.116.291112009-01-05T15∶0616.19516.93814.94617.10916.302气隙增大量 0.60.6990.4620.6720.613

根据表2数据可以计算得到，该机组定子热变形量△Arf=0.613mm；该机组定子热变形不均匀度为：△Ardiff=0.699-0.462=0.227mm。

按照实际的测点方位（本文略），根据表2数据计算出的由于热变形引起的定子几何中心偏移值为0.248mm，偏心方位为252°（以+X方向为0°，按照逆时针方向旋转）。

相对于该机组16mm的平均气隙，其定子热变形量达到平均气隙的3.8%，不同方位的热变形不均匀度约为其平均热变形值的37%。

2.3 定子结构变形分析评价实例

表3是2号机各测点的变形量及定子结构总变形量的长时趋势曲线，采用相同机组功率、近似励磁电流条件下的数据。

?

从表3可知：

（1）机组在热稳定后，仍然存在较大的变形（最大值的平均变形量为0.79mm）；

（2）定子不同方位的变形趋势并不一致，总体而言，+X、-X、+Y近似一致，而-Y的变形趋势与其他方位完全相反。

（3）定子不同方位的变形量并不完全相同，总体而言+Y方向变形量较大（最大为缩小1.24mm），最小为-Y方位（最大为缩小0.35mm）。

（4）定子变形的不均匀度为1.42mm,这个数据已经接近平均气隙的9%。

由此基本可以确定该机组定子存在较为严重的不一致变形，该变形会导致较大的气隙不匀，从而引起磁拉力不平衡的增加，导致机组振动、摆度加大。现场测试证明，该机组的机架振动从2004年4月开始后，持续增大，达到了250μm，严重超标，最终不得不停机检查。

3 结论

在状态监测系统中，利用气隙测量系统测量得到的基本数据，计算上述评价参数指标，并对这些量化的指标进行长期的跟踪分析，可以直观和有效地分析和评价转子机械变形、定子热变形、定子结构变形等故障及其发展趋势，并实现故障早期预警。另一方面，由于大型水轮发电机组的结构复杂，影响因素多，对深层故障机理的研究还很不够，为了提高故障诊断准确率，有必要对深层故障机理进行广泛研究，建立更多的评价方法。

[1]马震岳，董毓新.水电站机组及厂房振动的研究与治理[M].北京：中国水利水电出版社，2004.

[2]刘晓亭，李维藩.水力机组现场测试手册[M].北京：水利电力出版社，1993.

[3]马震岳，董毓新.水轮发电机组动力学[M].北京：中国水利水电出版社，2004.

TM303.3

A

1672-5387（2011）02-0010-04

2011-01-14

张建国（1966-），男，高级工程师，从事水电站机电安装技术、管理工作。