贺社水电站发电机电磁噪声分析与处理

姜美武，姜 勇

(江山市峡口水库管理局，浙江 衢州 324116)

贺社水电站发电机电磁噪声分析与处理

姜美武，姜 勇

(江山市峡口水库管理局，浙江 衢州 324116)

针对贺社水电站3台630 kW水轮发电机空载运行时产生的电磁噪声过大问题，在对其电磁噪声数据进行实测的基础上，就电磁噪声过大的原因进行了分析、研究与判定，确定系发电机定子的固有频率与磁场的激振力频率相近引起共振造成.采用加装隔音外罩、磁极斜极改造等处理方案，均未取得预期效果，最终通过电磁计算，采用改变发电机定子槽数的办法，彻底解决了定、转子槽的配合不当问题,将定子固有频率与磁场的激振力频率相近引起共振造成的电磁噪声控制在标准范围之内.

水轮发电机；电磁噪声；频率；共振

1 概 况

贺社水电站原装机2×800 kW+1×630 kW，总装机容量为2 230 kW.由于该电站长期出力不足，加上已运行30 a，电站机电设备老化严重.2012

年，电站对机电设备进行报废重建，设计装机3×630 kW，水轮机型号为HLA551c-WJ-71，配套发电机型号为SFW630-10/1180.其中发电机主要参数规格(见表1).

表1 发电机主要参数

2 发电机噪声的产生与测定

2.1 发电机噪声的产生

2013年1月21日，机组安装完成后，安装调试人员在对三台发电机动态调试中发现发电机运转时声音异常，噪声超标.

(1)发电机在额定转速空转时声音正常，但加载励磁电流后电磁噪音便出现异常增大.

(2)首先对1#机励磁零启升压建压，当电压升到2 000 V时，发电机开始出现异常的电磁噪声；升至4 000 V时，开始出现电磁啸叫；升至额定电压时，啸声进一步加剧.

(3)发电机空载额定电压时最大噪声>100 dB，远远超过合同所规定的85 dB及国家所规定的相关标准.

(4)在随后的动态调试中，发现2#、3#机也存在同样的电磁啸叫现象.

2.2 发电机噪声的测定

2013年1月23日，电站业主委托第三方检测机构来现场进行电磁噪声实测，不同工况下的噪声实测数据(见表2).

表2 1#、2#、3#发电机电磁噪声实测数据 单位：dB

注：各测点距水轮发电机组水平距离为1 m，距离地面高度为0.89 m(即发电机中心高度)

3 发电机噪声原因分析与判定

3.1 产生电机噪声初步原因

电机在正常运行中，电机噪声通常由机械、通风、电磁等三种原因产生，最终形成一个不同频率、不同声强的叠加噪声.引起外部和内部的电机噪声影响因素有很多，但只有电机噪声达到了一定程度才能称作噪音[1].

根据噪声实测数据分析，空转工况下测定数据基本在正常范围内，而且整个过程中水轮发电机组也无明显的异常振动等情况，且三台机组具有相同的共性问题，可以判断：

(1)该异常噪声与水力机械、机组安装等也可能引起噪声的因素无关.

(2)电机在额定转速下空转时并未出现异常噪声，说明机械和通风噪声并非是造成异常噪声的主要声源.

(3)发电机在空载状态下，电机噪声出现了明显的异常增大，且随着电压的升高噪声也相应加大，说明异常噪声系电机的电磁噪声造成.

初步分析发现：产生电机噪声是因为发电机定子铁心采用冲片开槽.当发电机处于空载时，由于有气隙磁场的出现，转子主极磁场产生的电磁力会使铁心产生齿频脉动，从而产生了电磁噪声.电磁噪声数值大小决定于电磁负荷与电机的设计参数，主要有定、转子槽的配合不当，定、转子偏心或气隙过小以及长度不一致等原因[2-3].

3.2 产生电磁噪声的进一步判定

2013年2月，将其中一台发电机返厂，在工厂完成组装并进行拖动空载建压试验，对电机产生的电磁噪声作进一步试验与分析.

(1)先将转子拖动到额定转速600 r/min，再对转子逐步励磁建压，实际建压到3 000 V后开始出现较大的电磁噪声.

(2)先对转子将励磁加到额定值，再拖动转子转速逐步升高，试验证明在0～540 r/min，640 r/min以上均没有出现异常的电磁噪声，在540～640 r/min之间，电磁噪声明显增加.

根据试验情况，可以进一步得出：发电机产生异常的电磁噪声是由于发电机定子的固有频率与磁场的激振力频率相近而引起的共振造成的噪声.

4 降低电机噪声的处理试验及结果

4.1 装隔音外罩及磁极斜极改造方法进行现场处理

现场采用加装隔音外罩及磁极斜极改造等方法进行降噪处理,过程与结果分析如下:

(1)首先采用加装吸音泡沫塑料等制成的外罩对发电机上部空间进行噪声隔离，以期降低噪声，但效果不佳，反而增加了电机及轴承的温升，遂予以放弃.

(2)根据其它案例成功应用经验，采用斜极能有效地削弱谐波磁场引起的附加转矩和电磁噪声[4-5].将电机转子磁极倾斜1个定子齿距，改为斜极，以减小其平均径向力，改善定子齿谐波振动，从而降低齿谐波噪声，具体改造示意图(见图1).

图1 磁极斜极改造示意图

但该方案由于未避开定子固有频率和电磁力的频率共振，也没有取得预期效果.

4.2 返厂对原定、转子气隙磁场进行改造处理

电磁噪声是由气隙的高次谐波磁通密度产生的径向力作用所产生，常规上可以通过增大气隙来减小磁通密度，从而减小噪声.

(1)先期采用扩大定、转子空气隙1 mm的改造方案.即将转子外圆整体车小1 mm，希望可以改善磁场波形，削弱齿谐波，但实际的改造效果对电磁嘈声的减小并不明显.

(2)对定子机座加焊环筋，对铁芯与机座筋板进行分段焊接，并将定子槽楔改为磁性槽楔，降低磁通密度，仍没有获得预期的效果.

4.3 重新改变定子槽数

该发电机的定子基本嵌线数据(见表3)；定子接线图(见图2).

表3 原定子嵌线数据

图2 定子接线图

(1)发电机定子固有振动频率的计算

发电机定子固有振动频率fnr的计算公式[6]：

(1)

式中：fnr—定子固有振动频率，Hz；

r—力波次数；

h—铁心轭高，cm；

Rc—铁心轭平均半径，cm；

Dc—铁心轭平均直径，cm；

E—弹性模量(取2.1×106kgf/cm2)；

m—轭单位圆柱表面的平均质量(包括齿与绕组)，kgf·s2/cm3.

(2)

(3)

式中：GCM1、GE1、GC1分别为定子绕组、齿及轭的重量/kg.

(2)电磁噪声振动频率的计算

①定、转子基波磁场产生的噪声：基波磁场产生的振动力波次数r=2p=10，所产生的噪声频率为100 Hz，力波阶数较高，不会是电机高噪声的主因[6].

②电枢反应分数谐波磁场(即定子次谐波磁场)和转子基波、谐波磁场所产生的振动和噪声：

(4)

这些谐波中，极对数小于主磁场极对数的分数谐波称为低次谐波.次数最接近基波的谐波将与励磁基波磁场相互作用产生频率为100 Hz，力波次数可能小于2p的径向电磁力.而低阶力波则会引起电机产生100 Hz的较为强烈的振动和噪声.

(3)共振效应

由上可以得知，正是因为该发电机一阶齿谐波磁场与转子励磁谐波磁场生成了|r|次电磁力波，此力波的振动频率与定子铁心固有振动频率相接近，从而形成了共振效应，并产生了异常的电磁噪声.找出真正原因后，对发电机重新进行了电磁计算，将定子原槽数从84槽更改为90槽，彻底解决了定、转子槽的配合不当问题，投运后，电机声音转为正常，均未超过85 dB.

5 结 语

贺社水电站最终通过改变发电机定子槽数的办法，成功地解决了定子固有频率与磁场的激振力频率相近引起共振造成的电磁噪声，本站的处理经验可供类似发电机电磁噪声处理提供参考.

[1] 满连善.电机噪声产生的原因及减小噪音的设计方法[J].科技创业家,2014(3):64-65.

[2] 龚鑫森.SF630—32/2600水轮发电机电磁噪声分析与治理[J].东方电气评论,1991,5(4):216-222.

[3] 齐 辉,李永辉,段建刚.电机噪声的类别、分析方法以及防治措施的研究进展[J].微特电机,2007,35(3):46-48.

[4] 宋亚秋,宿亚楼.电机噪声产生的原因及减小噪音的设计方法[J].电机技术,2009(8):64-65.

[5] 许国清,任 鹏,倪万元.同步电机的噪声治理[J].电机技术,1983(2):27-29.

[6] 许国清,倪万元.双龙洞水电站的噪声治理[J].电气应用,1985(2):22-30.

AnalysisandSolutionsonGeneratorElectromagneticNoiseinHesheHydropowerPlant

JIANG Mei-wu, JIANG Yong

(Jiangshan Xiakou Reservior Administration Bureau, Quzhou 324116, China)

The reasons of excessive electromagnetic noise are analyzed, studied and determined on the basis of actual measurement data generated by no-load running of 3 sets of 630 kW hydraulic turbine generators in Heshe Hydropower Plant, and it is confirmed that such excessive electromagnetic noise is caused by resonance since the excitation force frequency of fields is similar to the natural frequency of generator stators. The solutions, such as installing the acoustic enclosure or transforming the magnetic pole to skewed pole, failed to achieve the expected targets. The solution of changing the generator stator slot number is applied finally after carrying out the electromagnetic calculation, which completely solves the improper matching of stator slot and rotor slot, and controls the electromagnetic noise generated by resonance due to the above-mentioned reasons within the standard range.

hydraulic generator; electromagnetic noise; frequency; resonance

2017-07-06

姜美武(1971-)，男，浙江江山人，高级工程师，从事水电站技术管理工作.

10.3969/j.issn.2095-7092.2017.05.004

TM301.4

A

1008-536X(2017)05-0014-04