水轮发电机定子铁心电磁振动原因分析及处理

李香华，单文建，王 军



水轮发电机定子铁心电磁振动原因分析及处理

李香华，单文建，王 军

（中国长江电力股份有限公司，湖北宜昌 443002）

本文介绍了某大型水轮发电机定子铁心电磁振动缺陷情况，从设计和安装等方面对缺陷原因进行分析，通过有针对性的技术改造，从根本上解决了发电机电磁振动问题。

水轮发电机；定子铁心；电磁振动

0 前言

大型水轮发电机组是由水轮机和发电机组成的立式旋转系统，水轮发电机在运行时，由于水力、机械和电磁等因素的综合影响，振动不可避免，而定子铁心的电磁振动是水轮发电机发生事故和严重损坏的根源之一。国内某大型水轮发电机组为我国20世纪80年代初期自行设计、自行生产的轴流转桨式水轮发电机组，投产运行不久就出现了发电机电磁振动和噪声偏大问题，严重影响机组安全稳定运行。

1 定子铁心电磁振动现象及测试

1.1 电磁振动现象

水轮发电机组定子为六瓣组装结构，定子槽数为756槽，采用分数槽双层波绕组设计，每相3分支并联，转子磁极为48对极，转速为62.5r/min。机组投产运行2个月后，即出现了较强的振动现象：上盖板振动明显，站在上盖板上麻脚感和振动噪音直观感觉强烈，机组下游侧中控室内值班人员有明显的振感，用DN2精密声波计测量噪音达87DB，超出国家标准。

1.2 振动测试情况

为查明缺陷原因，电厂先后与设备厂家、试验研究所和高校等多单位进行了相关试验。首先测量了发电机盖板的振动、定子外壳及定子合缝的振动，其次做了变工况试验（即变负荷和变电压），最后做了定子铁心的振动试验，并与同类型机组进行了对比测量分析，试验结果如下：

（1）机组上机架上端内径部位垂直振动通频大部分测点已超过国家标准100μm的要求，100 Hz的振动幅度值远远超标。

（2）从机组各部分振动频谱分析看，机组振动频率以100Hz左右为主，兼有机组转频（1.04Hz）的振动，其振动能量以100Hz频率的能量为主，与导叶、叶片数相近的低频振幅很小，可排除引起机组振动的机械及水力因素的可能性，确定为定子铁心100Hz引起的电磁振动，这种100Hz 铁心激振能量大（与频率平方成正比），带动邻近部件共振，通过上机架传递到盖板，引发盖板共振产生较大噪音。

（3）从变工况试验曲线可知，发电机在升压时100Hz的振频已出现，其中50%e时定子铁心振动就达到了一定幅值，随着负荷的增加，振幅值同步增大。

（4）从同类型机组对比测量分析，该机组中环板垂直振动（均为100Hz分量）平均值、上机架垂直振动平均值、定子合缝垂直振动和定子铁心垂直振动均远大于其他机组；从通频数据看，机组轴向振幅无明显差异。说明，该机组轴向振动关键是100Hz振动分量过大。

表1 定子铁心100Hz振动幅值试验数据(单位：μm)

注：其它测点的振动值较小，此表没有录入。

2 定子铁心电磁振动原因排查分析

按照振动的频率，水轮发电机的振动可分为两类：一类称为旋转频率振动，简称转频振动；另一类称为主极频率振动，简称极频振动。转频振动基本上属于低频振动，产生转频振动的原因主要有：转子不圆、转子有匝间短路、转子动不平衡、轴弯、定转子磁场的轴心不重合等。极频振动的频率为100Hz或其倍数，产生极频振动的主要原因有：定子分数槽次谐波磁势、负序电流、机座合缝不好、定子铁心松动等。

2.1 定子分数槽次谐波磁势问题

由电磁振动原理可知，水轮发电机高频振动基本上都是由定子绕组中流过电流时产生的分数谐波磁场与气隙主波磁场相互作用形成激振力波引起的，产生分数次谐波磁场的可能原因有两个：

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一是由于并联支路采用集中绕组布置（即将3个只占圆周部分的并联支路并在一起），当气隙不均匀时，每个支路感应的电势不一样，从而在支路间形成环流，这种环流在气隙磁场中会产生一系列的分数次谐波，与基波相作用形成力波。由于空载和负载时气隙磁场变化不大，所以并联支路环流变化不大，所引起的振动在空载和负载时应基本不变，即测量空载时的振动就可判断环流引起振动的大小。从变工况试验曲线可知，空载100%e时100Hz 振动很小，因此，可以排除环流引起振动的可能。

二是由于定子绕组本身采用分数槽（通常水轮发电机由于极数较多，考虑绕组对称及不同冷却方式、电磁负荷匹配等因素，难以选择到合适的整数槽绕组），气隙磁场中出现分数次谐波（即极对数不为基波极对数整数倍的谐波），与基波相互作用引起振动。这类谐波特别是极对数接近基波极对数的反转谐波，由于与基波相互作用而在铁心中产生的力波节点数较小，因而可能引起较大的振动，这种振动随着负载的增大（即谐波磁场的加强）而增大。

2.2 负序电流问题

负序电流是可以产生100Hz的振动，并且电网中由于三相负荷的不平衡，负序电流也一定会存在，正常情况下，这种电流是很小的，一般低于总电流的5％（指并网情况下）。但机组从空转到并网的升压过程中，在60％e和75％e工况下，100Hz的振动就明显反映出来，这时的负序电流应该为零，可见，负序电流不是引起100Hz振动的主要原因。

2.3 定子合缝的问题

定子合缝松动产生振动的特点是随发电机励磁的投入而产生的，随发电机温度的上升而减少。从实测数据看，l00Hz振动幅值随着励磁电流的加入而出现，但又随着负荷的增加而增大，并且不随温度的上升而减少。检测定子合缝的间隙，在冷态下其间隙只有十几微米，热态下无间隙，而该机组在冷态和热态时都存在振动，说明其振动与定子合缝的间隙无关。

2.4 定子铁心问题

定子铁心松动的振动频率是电流频率的2倍，随着励磁电流的加入而出现，又随着负荷的增加，振动幅值增大，与测试结果相符。发电机定子铁心冲片之间不允许松动，但停机检查发现该机组定子铁心不少部位存在间隙，其间隙值在0.20～0.40 mm之间，出现定子铁心松动的现象；定子铁心的波浪度最大达10～15 mm，远超过国家标准规定的定子铁心在圆周方向的波浪度不大于±4 mm的要求，并且铁心变形产生局部凹凸现象有24处。

分瓣定子铁心在厂内压装，6瓣运到现场后进行组装。据厂家人员介绍，在厂内安装铁心时，只预压两次，而其他机组预压三次，因此可以认为该机组的定子铁心的压紧力是不够的。因此在运行一段时间后，出现定子铁心松动，产生电磁振动（投产一个月出现振动问题）。在运行中，伴随着机组励磁的投入，出现振动现象。随着机组负荷的增加及温度的升高，铁心变形越来越大。由于定子铁心定位筋（鸽尾筋）与铁心及托块之间没有间隙，且定子又无法向外滑动，因此铁心变形膨胀向合缝处挤压，这就是合缝处变形大的原因。随着铁心变形的增大，振动也增大。因此定子铁心松动、变形（波浪度，间隙增大等）和增大是产生该机组100Hz电磁振动的主要原因之一。

综上所述，引起机组100Hz 振动的最大可能原因是绕组本身引起的分数次谐波振动和定子铁心松动变形问题。

3 定子铁心电磁振动改造措施

为彻底消除机组电磁振动问题，运行多年后对该机组进行了更新改造，针对原电磁振动问题，从设计、安装等方面进行了改造，主要措施包括：

（1）将原发电机定子的分瓣结构改为整圆结构，铁心弹性模量增大，从而使定子铁心振动幅值减小，同时彻底解决了合缝槽引起的铁心变形等问题；

（2）将原来的固定式定位筋全部改为浮动式双鸽尾筋，并采用具有压紧螺母、蝶形弹簧、穿芯螺杆及垫圈的铁心紧固结构，利用蝶形弹簧的变形补偿铁心运行后的收缩，定位筋与托块之间的间隙，可有效防止铁心由于温度应力产生的翘曲变形。

（3）定子叠片时分段压紧，采用冷压及铁损试验后加热压紧的工艺措施，这种措施可使铁心单位压力由原来的1.0MPa提高到1.96MPa，可以改善定子铁心长时间运行后松动的问题。

（4）修改电磁设计，将原756 槽更改为792槽设计，减少分数次谐波与气隙主波磁场相互作用形成的激振力波影响。

改造前槽数= 756，极对数=48，则每极每相槽数，（其中是相数，此处为 3；、、为整数，且、互质。）根据定子绕组的基本参数可知，机组的单元电机数，由分数槽绕组磁势的谐波波谱理论，对于对称的三相60°相带绕组，定子磁势的空间谐波次数为：

改造后槽数= 792，极对数=48，则每极每相槽数，机组的单元电机数，定子磁势的空间谐波次数为：

通过改造前后理论计算对比分析，在其他参数无明显变化的情况下，更改电磁设计前后，最接近主波的2个反转定子磁势波以及反转次谐波磁势力波次数均明显增加，因此，次谐波磁场和气隙主波磁场相互作用所产生的激振力波幅值将明显减弱。

4 改造后效果分析

为验证改造后机组电磁振动情况，对改造后机组进行电磁振动现场试验，试验结果如下：

（1）机组上机架垂直振动幅值远小于标准要求允许值80μm，上机架水平振动在空转无励磁和100%e工况下的振幅分别为30μm和45μm，幅值也远小于标准要求允许值110μm，可见机组的机械不平衡力和电磁不平衡力皆不大，机组能够稳定运行。机组改造后上机架振动趋势如图1所示。

图1 机组改造后上机架振动趋势图

（2）在各种工况下发电机定子铁心水平方向均未出现100Hz极频电磁振动现象，而定子铁心中出现的50Hz振动系工频干扰，并非发电机电磁振动所致，如图2所示。

图2 50MW负荷工况下定子铁心X向水平振动时域图和频谱图

（3）上机架水平振幅和定子铁心振幅在各种工况下都满足振动规程要求。

（4）在不同负荷工况下，机组定子三相电流基本相同，这表明机组三相负荷基本平衡，不存在三相负荷不平衡而影响机组稳定运行的现象。

5 结语

通过测试和分析，对水轮发电机电磁振动原因进行排查，并从设计和安装等方面有针对性地进行改造，从根本上解决了发电机电磁振动问题，对大型水轮发电机电磁振动问题分析和处理方面有较高的借鉴意义。

[1] 许实章, 等. 水轮发电机定子铁心的磁振动[J]. 华中工学院学报, 1973,（12）: 48-53.

[2] 哈尔滨电工学院电机教研室. 水轮发电机的振动[J]. 大电机技术, 1974,（1）.

Analysis and treatment for the electromagnetic vibration of stator core of large Hydro-Generator Set

Li Xianghua, Shan Wenjian, Wang Jun

(China Yangtze Power Corporation Ltd., Yichang 443002, China)

This paper describes the defect of the electromagnetic vibration of stator core of large hydro-generator set, and analyzes the cause of the defect from design and installation. Through the targeted technical transformation, the problem of electromagnetic vibration of the generator is basically resolved.

hydro-generator; stator core; electromagnetic vibration

TM312

A

1000-3983(2016)05-0026-04

2016-04-07

李香华（1981-），2013年获得重庆大学电气工程硕士学位，现从事水电站电气一次专业技术管理工作，高级工程师。

审稿人：吕桂萍