大型水轮发电机铁损试验振动与噪声分析

刘 宇

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040)

大型水轮发电机铁损试验振动与噪声分析

刘 宇

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040)

通过对某水电站定子铁心铁损试验时产生振动和噪声偏大的问题进行分析，并对机组运行时是否会产生振动进行了分析，找出了铁损试验产生振动的原因，成功消除了电站安全运行的隐患，为后续类似机组的铁损试验结果分析提供借鉴意义。

铁损试验；温升；温差；比损耗值；振动；噪声

0 引言

水轮发电机铁损试验是检验定子铁心叠装质量的重要方法，其目的是检验定子铁心冲片制造、叠装、压紧等的整体质量，检查冲片间是否有短路情况，绝缘是否良好。国内某水轮发电机进行铁损试验时，定子铁心齿部温升测试结果为5.8K，温差1.2K，轭部温升测试结果为7.2K，温差5.8K，齿部和轭部的温升及温差值均偏低，明显低于GB/T 20835《发电机定子铁心磁化试验导则》的要求，表明定子铁心叠装后片间绝缘良好；但定子铁心在试验过程中出现了振动和噪声偏大的现象，同时在磁通密度为1.0T时单位比损耗试验结果为1.578W/kg，高于标准要求。

1 发电机主要数据

额定容量：200MVA；额定电压：15.75kV；功率因数：0.9；频率：50Hz；定子铁心内径：Φ12130mm；定子铁心外径：Φ12900mm；定子铁心高：1850mm；定子铁心重量：153t。

2 铁损试验时振动、噪声偏大及比损耗值超标原因

2.1 铁损试验时振动、噪声偏大原因

定子铁心冲片采用厚度为0.5mm的冷轧无取向、高导磁、低损耗的优质硅钢片,冲片在去毛刺后,表面涂F级绝缘漆以减小涡流损耗。铁心上、下端采用无磁性高强度合金钢压指材料，铁心沿长度方向分成若干段，段间通风沟高6mm，通风槽片由无磁性工字钢点焊在冲片上构成。铁心叠片后用穿心螺杆压紧，穿心螺杆与铁心间设有全绝缘套管，能够有效避免定子铁心螺杆接地。采用有限元方法计算定子铁心固有频率,发现定子铁心零节点固有频率为101.4Hz，计算结果见图1。

图1 定子铁心冷态零节点固有频率示意图

试验电源电流产生的电磁激振力频率(电源电流频率的2倍频)为100Hz，与定子铁心零节点固有频率101.4Hz非常接近，在定子铁心铁损试验过程中引起铁心的电磁共振，出现振动和噪音较大的现象。

2.2 铁损试验时比损耗值偏大原因

在铁损试验时所测得的损耗值是励磁电缆输入处瓦特表的读数，它主要包括了定子铁心、定子机座及励磁电缆等的损耗，同时也包括了定子铁心振动所消耗的能量。定子机座的损耗主要取决于电缆在定子上的缠绕位置及缠绕方式；励磁电缆损耗主要取决于电缆的长度和直径；定子铁心的单位损耗则主要取决于定子冲片质量、铁心重量计算精度及叠压系数取值等因素。

铁损试验时定子铁心振动是由试验电源激振产生的，振动过程中消耗的能量同铁心硅钢片损耗一样来自于试验电源，该部分能量与铁心冲片的损耗一起被记录在试验设备的瓦特表中，从而影响定子铁心的比损耗测量值，这是定子铁心比损耗超标的重要原因。此外定子铁心叠片时，如定位筋处存在卡片或铁心压紧不好，也会增加铁损试验时的比损耗值。

3 对水轮发电机运行的影响

在水轮发电机空载及各种负载工况运行时，转子上加励磁电流，并由水轮机拖动至额定转速下运行，其磁场分布如图2所示。从图2可见，发电机正常运行时磁场分布与定子铁心铁损试验时完全不同，如图3所示。

图2 正常运行时磁场分布

图3 铁损试验时磁场分布

水轮发电机主极磁场中除基波外，还含有高次谐波；同样，电枢磁势会产生基波和高次谐波磁场。主极磁场的基波及其谐波与电枢磁势相应的基波和谐波磁场相互作用，将产生不同频率和力波的激振电磁力。根据电磁理论分析，振动的大小大致与激振力力波数的4次方成反比，故此只考虑力波数较低的情况即可。通过电磁场有限元分析计算定子铁心的激振电磁力，计算结果见表1。

表1 定子铁心谐波电磁力计算结果

由表1的计算结果可以得出

(1)由定、转子谐波相互作用会产生力波数为0、频率为300Hz的激振电磁力，其力很小且避开了定子铁心零节点振动固有频率为101.4Hz，不会引起共振。

(2)由负序磁场与主极的基波磁场相互作用也会产生力波数为0、频率为100Hz的电磁力，这个力在机组冷态运行时与定子铁心零节点振动固有频率101.4Hz接近，未避开激振频率的10%，此力在定子铁心产生的径向力为13.6kN/m,引起铁心径向变形为0.0012mm，满足运行要求；当机组冷态运行一段时间后，铁心热胀与机座靠紧，此时机座与铁心的0节点振动固有频率变为110.2Hz，避开了激振频率的10%，满足振动要求。

4 结语

综上所述,铁损试验时振动、噪声大及比损耗值超标是由于试验电源电流产生的电磁激振力频率与铁心的零节点固有频率接近,造成试验时铁心共振造成的； 但水轮发电机正常运行时，定子铁心不会产生零节点100Hz的电磁共振。当负序电流时，会产生力波数为0，频率为100Hz电磁力，但由此力产生的铁心径向变形为0.0012mm，可以满足运行要求。

本文对铁损试验时振动、噪声偏大及比损耗值超标的分析对水轮发电机类似机组铁损试验结果的判断、分析具有一定借鉴意义。

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Vibration and Noise Analyses on Iron Loss Test of Large Hydro-Generator

LiuYu

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

Through analyzing the larger vibration and noise occurred in stator core iron loss test of a hydropower station and analyzing whether the operating unit can produce vibration or not, the vibration reasons of iron loss test is found out, and the hidden dangers of hydropower station in safety operation are successfully removed. It has a certain reference significance to analyze iron loss test result of similar unit.

Iron loss test；temperature rise；temperature difference；value of specific loss；vibration；noise

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.01.11

TM307+.1

B

1008-7281(2017)01-0038-003

刘宇 男 1982年生；毕业于合肥工业大学电气工程及其自动化专业，现从事水轮发电机设计工作.

2016-10-18