两种大型调相机结构特点及振动问题分析

陈非+张柏林+李明+曹浩

摘 要：通过比较双水内冷调相机和空冷调相机冷却方式和机械结构的不同之处，分析两种大型调相机可能存在的问题，并就两种调相机的振动情况进行了对比，为即将到来的大型调相机实际投入运行奠定了一定的基础。

关键词：调相机；双水内冷；空冷；振动

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.217

1 引言

目前大型发电机尺寸和重量大，工作转速跨越二阶临界转速，振型复杂，调试期间对制造质量、安装工艺、运行参数的变化敏感，因此调试初期经常出现振动不稳定、振动超标现象。而大型调相机与同类型的发电机结构相似，因此也具有大型发电机的上述特点，除此之外，大型调相机既能够吸收无功，也能够发出无功，其工况多变，同时它的暂态反应能力和暂态过载能力强，导致其内部温度场相比发电机更加复杂多变，因此也更容易在调试期间出现振动不稳定、振动超标现象，导致调相机跳机，在极端情况下威胁特高压电网安全[1]。

目前上海发电机厂主推双水内冷调相机，东方电机厂主推空冷调相机，两个厂都是以自己同类型发电机为原型来制造调相机，因制造技术相对成熟，所以两个厂都没有进行样机制造。其中上电制造的300MW及以上双水内冷发电机已投运几十台，技术相对成熟。

2 两种调相机结构比较

2.1 两种调相机本体冷却系统比较

双水内冷调相机即定子绕组水内冷，转子绕组水内冷，定子铁芯及转子表面空气表面冷却，稳态下冷却效果非常好，即使线圈导线和铁芯的截面较小，在调相机的铜损和铁损较大的情况下，也能将线圈和铁芯的温度控制在允许的范围内，但内冷水系统维护工作量大。空冷调相机即定子绕组、转子绕组、定子铁心、转子表面及端部结构件全部采用空气表面冷却，稳态下冷却效果没有水冷好，为了使线圈和铁芯的温度控制在允许的范围内，线圈的导线和铁芯的截面较大，调相机的铜损和铁损较小，产生的热量较少[2]。因此，空冷调相机的体积较大。制造双水内冷调相机的材料比同容量的空冷调相机可减少约30%。

双水内冷调相机定、转子冷却水系统分别配有两台100%容量水泵，一用一备，保证供水可靠。定、转子冷却水系统分别设有可靠的供水设备及辅助设备，在各种工况下均能满足发电机线圈的冷却水量要求。空冷调相机则只设置空气冷却器。两种调相机一次及二次冷却水参数见表1。

2.2 两种调相机机械参数比较

两种调相机机械参数及振动标准见表2，从表2中可以看出双水内冷调相机定子比空冷调相机定子轻100吨左右，双水内冷调相机转子比空冷调相机转子轻10吨左右。两种调相机轴承型式、轴瓦型式均相同。两种调相机工作转速相同，一阶、二阶及三阶临界转速设计值也基本一致。两种调相机工作转速下振动标准一致。

3 双水内冷调相机可能存在的问题

双水内冷调相机因为采用了水内冷方式，所有还存在以下一些问题：

3.1 双水内冷调相机漏水故障

双水内冷调相机在稳态下冷却效果好，但因为内部没有氢气封住冷却水，所以一旦漏水就会泄漏到调相机内部，其危害轻则停机，重则烧毁定子绕组或铁芯，烧坏转子绕组或大轴。需要制造厂在生产环节严格控制制造工艺，提高设备质量。

3.2 内冷水管路堵塞

双水内冷调相机运行中如果发现水量减少，大多是由于调相机内外管道的水路阻塞或线圈内进入杂物引起局部堵塞所引起。运行中如果线圈温度过高或温差大于规定值时，在排除测温元件故障后，这一般可能是线圈水路局部不畅而造成过热所致，可能原因是绝缘引水管完瘪或空心铜线内杂质堵塞，此时应加强监视并考虑停机时分支路冲洗，必要时进行酸洗。因此双水内冷调相机内冷水维护工作量较大，需加强水质及温度监测。

4 两种调相机振动问题比较

两种调相机因为冷却方式不同，因此也存在一些不同的振动问题：

4.1 双水内冷发电机励端轴振虚假信号问题

2007年天津陈塘电厂300MW双水内冷发电机在调试过程中发现励端轴振超标，经过试验，发现不加励磁电流时，轴振正常，加励磁电流后轴振突然增大[3]。这是因为双水内冷发电机转子内部中心孔通水，励磁导线只能从转子上的偏孔进入，当转子加励磁电流后，造成转子圆周表面的磁导率和电导率不同，并随励磁电流增大这种差别也增大，因此，此时电涡流探头输出电压的变化不仅与探头与被测表面间的距离变化（ 即轴振）有关，也与被测圆周表面的位置有关（因为每一处磁导率和电导率不同），在这种情况下，对测量的准确性和可靠性造成一定影响，TSI显示的轴振为虚假信号。双水内冷发电机从80年代开始使用电涡流传感器测轴振开始就发现了这种现象，一直没有很好地解决该问题。此次上海电机厂和上海交大合作研究后，对该发电机励端轴振采用了一种新型组合式探头（接触式探头+电涡流传感器），这种探头有效避免了因电磁作用和转轴材料的电、磁特性变化而引起通常电涡流探头测量时所产生的虚假信号，但效果还有待实际考证。空冷调相机由于没有转子冷却水，因此转子轴振不存在虚假信号的问题。

4.2 强励状态下调相机转子热膨胀不畅引起的振动问题

此次特高压换流站配套工程要求调相机暂态迅速反应能力强，暂态过载能力强。在特高压电网受端突然压力下降时，就要求受端调相机深度迟相运行，发出无功，迅速提高电网压力，此时调相机励磁电流最大会达到3.5倍额定励磁电流，国网要求调相机在3.5倍额定励磁

（下转第237页）（上接第239页）

电流下保持5s，2.5倍额定励磁电流下保持15s。在此期间转子发热量会瞬间增大很多，如果此时冷却效果不好，同时转子热膨胀不畅，那么转子就有可能产生很大的振动，如果振动超标就会引起调相机跳机，严重威胁特高压电网安全。其中双水内冷调相机内冷水温度不能超过管内压力下的饱和温度，否则极端情况下会汽化引起冷却管道堵塞，导致转子局部过热，另外内冷水流速不能太快，否则也会引起冷却效果变差。空冷调相机虽然在强励状态下没有水冷这些问题，但转子同样存在热膨胀不畅的问题。从振动角度来看，两种强励状态下时间都不长，转子热变形没有那么快能引起振动突然剧增，但强励状态下调相机转子热膨胀不畅引起的振动问题是一个新问题，值得关注和研究。

5 结论

双水内冷调相机和空冷调相机由于冷却方式的不同，导致两种调相机机械参数不同，因此也存在不同的振动问题，但目前大型调相机没有一台出厂投入运行，都只是通过同类型的发电机振动情况来推断调相机可能出现的问题，存在一定的偏差。大型调相机调试期间以及投运后具体会出现什么问题还需要时间来考证。

参考文献：

[1]李天鹏.浅析无功功率的补偿与平衡[J].河南科技，2013（05）： 81-82.

[2]倪天军.大型发电机主要冷却方式及特点[J].东方电气评论， 2006（20）1：31-37.

[3]孙海波，王江.双水内冷机组6瓦振动探头常见故障分析[J]. 热电技术，2012（04）：54-56.

作者简介：陈非（1979-），男，湖北安陆人，高工，研究方向：电力设备信息融合故障诊断技术。