小湾水电厂发电机定子振动原因及改进措施

赵晓嘉，郭耀先，龚登位（华能澜沧江水电股份有限公司小湾水电厂，云南　大理 675702）

小湾水电厂发电机定子振动原因及改进措施

赵晓嘉，郭耀先，龚登位
（华能澜沧江水电股份有限公司小湾水电厂，云南大理 675702）

小湾水电厂机组运行期间，发电机定子机架、定子铁芯水平振动值偏大。发电机运行、检修及振动试验表明，引起定子振动的原因是发电机转子不圆度以及部分机组偏心较大造成气隙不均，励磁磁势作用下产生的交变力波作用在定子铁芯后，引发定子低频电磁振动。针对上述原因，制定了后续处理方案。

发电机；定子；转子；低频振动；不圆度；小湾水电站

小湾水电厂共装设6台机组，额定功率为700 MW，型号SF700-40/12770，由哈尔滨电机厂有限责任公司、阿尔斯通（瑞士）有限责任公司、天津阿尔斯通水电设备有限公司联合体供货。

1　发电机运行数据

1.1定子机座与铁芯振动值

根据GB/T 8564—2003《水轮发电机组安装技术规范》及合同要求，小湾水电厂机组启动期间定子铁芯处定子机座部件上任一点测得的预计最大振动峰-峰值（0.5～5 Hz水平分量，即转频分量）不大于0.1 mm，正常负荷下定子机架水平振动及定子铁芯振动不大于0.03 mm。

各台机组投产以来，发电机定子机架、定子铁芯等部位振动幅值运行趋势稳定。各机组在700 MW有功负荷下定子机座与铁芯的振动值见表1。

从表1可知，机组运行期间，除定子铁芯垂直振动值外，定子机架、定子铁芯水平振动值均偏大［1］，全部超过标准及合同要求，部分振动值已超过振动一级报警定值（120 μm）。

1.2定子水平振动频谱

各台发电机定子机架、铁芯水平振动频谱趋势相近，都属于1倍频、2倍频的低频振动。以5号发电机为例，其定子水平振动频谱见图1。

1.3定、转子气隙偏差

水湾水电站发电机定、转子空气间隙设计值为34 mm。各机组在700 MW有功负荷下运行时，机组状态监测系统中定、转子气隙测量数据见表2。从表2可知，各台机组运行过程中存在明显的气隙偏差［2］。

表1　各机组定子机座与铁芯振动值μm

图1　5号发电机定子水平振动频谱

表2　各机组运行时定、转子气隙

1.4定、转子圆度

各机组在700 MW有功负荷下运行时，机组状态监测系统中定、转子不圆度见表3。从表3可知，3、5、6号发电机转子不圆度明显偏大，且有较大的偏心。

表3　各机组运行时定、转子不圆度

2　发电机定子低频振动原因分析

为改善发电机定子振动情况，小湾水电厂制订了详细的特维方案，加强运行监视与专项检查。此外，还积极组织主机厂家和相关单位进行振动试验，对发电机定子振动偏大原因进行分析。

2.1机组振动试验结论

2011年10月13日及11月10日，5号机组进行了2次振动试验；2012年3月21日，4号机组进行了1次振动试验。

试验发现，机组空转时定子机架振动幅值较小，可排除机械因素，包括转子动不平衡引起的振动；并网后改变机组有功负荷，定子机架振动变化不明显，说明其受水力因素影响较小；空转后随着励磁电流的增加，振动幅值逐渐增大，主要频率为1倍频和2倍频，波形均匀，谐波成分少，认为由电气因素造成定子机座振动的可能性较大［3］。初步分析结论为：因转子偏心导致定子振动较大［4］，改善转子圆度并减少转子偏心，可减小定子振动振幅［5］。

2.2定子刚度

相对于运行水头相近的同容量机组来说，小湾水电厂发电机定子具有支臂数目较少、高度较高、环板数量较少、采用斜支臂柔性结构等特点。有限元计算分析发现，虽然定子机座的径向刚度比同容量机组弱，但由于定子铁芯刚度在定子总体刚度中占主导地位，定子整体的径向刚度相差并不大［6］。因此，定子结构型式并不是产生振动的主要因素。

2.3转子圆度变化

发电机转子圆度在运行过程中会产生变化，主要由于结构设计不合理、安装过程中打键产生虚空及安装质量标准要求较低所至。

2.3.1磁轭结构

发电机磁轭采用带通风沟的结构，转子尺寸较高，装压后磁轭轴向刚度不均匀，影响整体压紧效果，机组过速后磁轭会产生不可恢复的较大变形，转子支架和磁轭之间原打键紧量将大大减少，易造成转子偏心，转子不圆度增大。

转子磁轭拉紧螺杆外径为φ55，磁轭垫片的拉紧螺杆孔直径为φ55.25，两者之间存在间隙。发电机运行过程中，也会导致磁轭在正常运行、过速过程中产生向外的形变。

转子磁轭紧量设计值为单边3 mm。结合运行中气隙测值、检修期间转子直径测值、磁轭键附近间隙值等数据可知，目前磁轭单边紧量仅剩1 mm。因此，需要在机组大修期间根据磁轭圆度计算分配垫片尺寸，重新打紧磁轭，使其单边紧量达到2.5～3 mm。

2.3.2磁极键结构

发电机磁极键采用鸽尾打链条键结构，斜向打紧固定，易造成磁极键虚打紧，产生松动。机组过速后，磁轭存在残余变形，冲片切向产生错牙，也易造成磁极键松动。因此，磁极键在安装时，要严格保证安装质量，否则易造成磁极键松动，导致机组运行时转子动态不圆度增大。

2012年～2013年机组检修结束后，各机组磁极半径偏差及各机组在700 MW有功负荷运行时定子机座振动与转子不圆度对比见表4。从表4可知，3、5号机组磁极半径偏差较小，但机组运行后定子机座振动最大，转子不圆度较大，说明机组检修过程中存在磁极键虚打紧引起松动的情况。

从部分磁极处气隙值随机组转速变化的趋势可看出，当机组转速达到85%后，磁极处的发电机定、转子气隙值下降趋势明显加剧，说明此时已经出现磁极与磁轭脱离现象。磁极调整垫片还会随着运行时间的增长逐渐外移，在转动离心力和磁力作用下，过长的转子磁极调整垫片贴在磁极绕组内侧造成转子接地，给机组的安全稳定运行造成极大危害。

2.3.3磁极结构

磁极采用铁芯直接叠片结构，在吊装、运输过程中容易变形，难以保证设计要求的形位公差，磁极出现弓形，容易形成二次气隙。

2.3.4检修控制质量标准

DL/T 817—2002《立式水轮发电机检修技术规程》要求：“转子磁极圆度、各半径与平均半径之差，不应大于设计空气间隙值的±5%”。小湾水电厂发电机设计空气间隙为34 mm，Q/HNXW—J 3301—2012《水轮发电机组及其附属设备检修调试验收质量标准》（以下简称“检修质量标准”）中转子圆度控制标准为±1.36 mm合格、±1.02 mm优良，优于DL/T 817—2002的要求，但与部分同容量机组相比，质量标准仍偏低，这也是造成转子圆度值偏大的原因之一。因此，小湾水电厂检修质量标准需要继续提高。

表4　各机组磁极半径偏差及定子机座振动与转子不圆度对比

2.4定子低频振动原因

结合机组振动试验及定子刚度计算分析结果得出，造成小湾水电厂发电机定子低频振动的原因为转子不圆及定、转子偏心引起气隙不均，机组运行过程中在励磁磁势作用下，气隙中会产生一系列的低次谐波磁场，这些谐波磁场与主波磁场相互作用产生力波，这些变化的力作用在定子铁芯上，引发定子低频电磁振动。因此，要减少发电机定子振动，需改善转子圆度，减少转子偏心度。

3　改进措施

针对发电机定子低频振动原因，小湾水电厂在2012年～2013年机组检修期间参照检修质量标准中优良标准（±1.02 mm）的要求，对1、2、6号发电机转子圆度进行了处理。其中，1号机组处理了8、12、13、14、15、16号共6个磁极，2号机组处理了12、24、28、34号磁极共4个磁极，6号机组处理了1、3、6号共3个磁极。以1号机组为例，转子圆度处理前、后对比见表5。

表5　1号发电机转子圆度处理前、后对比　mm

1号发电机转子圆度处理前、后定子振动数据对比见图2。从图2可知，转子圆度按照相关要求调整后，定子机架及铁芯水平振动情况有所改善。

图2　1号机组检修前、后发电机定子机架及铁芯振动对比

根据转子圆度处理效果，制定以下定子振动后续处理方案：

（1）提高检修质量标准，最大限度减小转子的不圆度。将转子半径的最大值与最小值之差控制在0.8 mm以内，将上导、水导轴承盘车数据净摆度在一个方向上的最大差值控制在0.08 mm以内。

（2）在机组大修期间吊出转子，将磁轭键重新热打紧到3 mm，重新挂装磁极，增加0.1 mm厚的超薄磁极键调整垫片，以确保打紧磁极键，消除离心力引起的磁极膨胀量。打紧磁极键时，要严格控制质量，防止出现虚打紧现象。

利用机组大修机会，要进行以下工作：

（1）对机组轴线进行检查、调整、处理，使机组轴线、机组旋转中心线尽量接近机组中心线，减小由于各导轴承摆度过大引起的机械振动。

（2）对定子铁芯拉紧螺杆、定子机座基础螺栓、上下机架基础螺栓进行检查和紧固。

（3）对磁轭键松动情况及磁极调整垫片伸出情况进行检查。

（4）对定子圆度进行测量，并与安装时、上次检修测量数据进行对比。

（5）机组进行过速试验后，对所有磁极键进行打紧并更换磁极键压盖螺栓。

（6）转子圆度及偏心度处理后，对机组振动改善情况进行评价，确定是否需要进行定子圆度处理。

（7）结合机组检修，在1、3、5、6号机组检修前，提前进行机组动平衡试验。根据动平衡测量数据，对上导摆度和机架振动情况进行处理，并检验电厂在线监测系统的准确性。

（8）在机组检修后，对机组振动相关数据，如机组盘车数据、机组圆度、机组各导轴承间隙、机组运行后的瓦温、导轴承摆度、各机架振动、定子铁芯振动等数据进行对比分析，检查机组检修效果。

［1］富丹华，吕建平，徐伟.水轮发电机组及辅助设备运行与维修［M］.南京：河海大学出版社，2005.

［2］李源，陈昌林.气隙不均匀对转子系统振动特性影响的初步研究［J］.东方电机，2010，76（4）：63-68.

［3］郭丹，何永勇，褚福磊.不平衡磁拉力及对偏心转子系统振动的影响［J］.工程力学，2003，20（2）：116-121.

［4］诸嘉慧，邱阿瑞.大型水轮发电机转子偏心磁场的计算［J］.大电机技术，2007，201（3）：1-4.

［5］周理兵，马志云.大型水轮发电机不同工况下不平衡磁拉力［J］.大电机技术，2002，176（2）：26-29.

［6］姜培，林虞烈.电机不平衡磁拉力及其刚度的计算［J］.大电机技术，1998，148（4）：32-34.

（责任编辑杨健）

Stator Vibration Reason Analyses and Improvements of Generators in Xiaowan Hydropower Station

ZHAO Xiaojia，GUO Yaoxian，GONG Dengwei
（Huaneng Hydro Lancang Xiaowan Hydropower Plant，Dali 675702，Yunnan，China）

The horizontal vibrations of stator frame and core of generators are larger than standard values in operation period of Xiao wan ltydropower Plant.The operation，maintenance and vibration tests show that the vibration of generator stator is caused by larger out-of-roundness of rotor and/or uneven gap between stator and rotor aroused by the eccentricity of rotor.These defects lead to the low-frequency electromagnetic vibration of stator under the action of excitation alternating forces.According to the reason analyses，the corresponding treatment programs are developed.

generator；stator；rotor；low-frequency vibration；out-of-roundness；Xiaowan Hydropower Station

TK730.7（274）

A

0559-9342（2015）10-0047-04

2015-07-27

赵晓嘉（1987—），男，河南灵宝人，工程师，主要从事水电厂生产技术管理工作.