水轮发电机组振摆异常分析及处理方法

摘要：水轮发电机组运行振摆指标影响机组长期稳定性，特别是高转速机组，振摆指标差容易导致机组工况恶化、长期异常运行甚至可能导致转子松动引发事故。偏桥电站机组运行过程中存在振摆随着运行时间缓慢增加;机组各部位温度增加振摆相应增加，温度降低振摆降低，同时机组空载、空转数据变化较大，对磁极匝间短路后不平衡磁拉力进行分析计算，采用动平衡解决机组振摆异常变。

关键词：水轮发电机;振摆;动平衡

前言

高转速机组运行振摆、特别是振动值对机组的长期稳定性有比较大的影响，而振动值往往关注是受力轴承水平与垂直振动，一旦磁路出现异常，水平振动值往往是转频的倍数关系，即是高频振动，高频振动的危害性非常高，容易导致转子松动及铁芯绝缘损坏引发事故，随着材料及加工工艺的进步，相关行业及国家规范对振动要求较低，实际工程应用中能达到更高要求。

偏桥电站机组额定功率76MW，额定转速375r/min，机组运行中主要存在3个方面的异常：1、机组随着运行时间增加、机组上导、下导摆度缓慢增加，最大值增加到350μm;2、机组空载振摆数据较空转数据差，摆度值增加一倍;3、机组轴承温度上升、机组振摆也会少许增加。

1、问题原因分析

机组检修时发现下导轴瓦刮削的花纹几乎磨损平，检修后重新刮瓦并调整瓦隙，机组振摆会降低;机组空载振摆数据变化较大，空转态后数据会变回较小的状态;采用外来技术供水冷却时，机组轴承、定子温度较采用尾水冷却循环技术供水低5℃左右，机组振摆减小30μm。

根据上述情况结合检修测量的各项数据分析，认为机组存在转子磁极匝间短路、运行中因磁拉力的不平衡影响机组的动平衡，导致轴承受力不均、变大、轴瓦磨损、温度变化机组振摆对应变化、空载振摆值变大情况。

依据磁拉力计算及相关理论，当同步发电机发生励磁绕组匝间短路后，励磁绕组分成正常励磁回路和励磁故障附加回路，励磁电流除了直流分量同时有一定的交流分量，除了影响气隙磁动势外还有一定子因空间谐波磁场感应的偶数次谐波不平衡电流及交流分量，交流分量较小，计算时可以不考虑，相关计算分析如下：

单个励磁绕组线圈产生的磁动势ffd.h的表达式为：

其中yh和nr.h分别为第h个同心式线圈的节距和匝数，αh.1和αh.2 为同心式线圈的2个变对应的转子相位点电角度。根据磁路欧姆定律以及电磁理论及麦克斯韦方程组，当线圈匝间短路时，磁极线圈磁动势会产生额外变化，产生次生回路，次生回路产生的磁动势为反方向磁动势，次生回路磁动势会在定子绕组内部产生偶数次谐波不平衡电流，并且会在气隙中产生磁动势。而正常回路磁动势因线圈匝间短路对应的磁通势也会减小，在两者的作用下，故障匝间短路磁极的磁动势减小。

发电机转子阻尼绕组一般采用铜条组成的回路，该回路与励磁回路区别是没有直流分量，只有交流k次谐波分量。

t. 分别是时间及同步角频率，Id.j.k以及 d.j.k分别是对应回路限流有效值及相位，在气隙中产生的磁动势为：

y为阻尼回路节距，n为匝数、 为回路两边的电角度，对磁动势进行求和运算得到整个转子所有回路气隙中的磁动势。

定子电枢电流在气隙中产生的气隙磁动势与转子阻尼回路磁动势计算类似，在求和过程中主要是a、b、c三相磁动势求和。

不平衡解析运算，根据Maxwell应力公式求得沿发电机圆周任意位置的径向电磁力，一旦发生磁极匝间短路，作用在转子上的作用力将变得不平衡，根据Maxwell应力张量法可求解的径向不平衡磁拉力表达式，对表达式分解成X轴向分量及Y轴向分量如下：

对上述两个公式进行离散，结合Maxwell应力公式，可以求得匝间短路磁拉力幅值及角度：

偏桥电站机组16个磁极、单个磁极线圈60匝，转子半径R1.65米，转子主轴长度L7.85米，因存在磁极匝间短路，空转、空载以及不同负荷机组的工况均存在变化，对各负荷工况进行测试并对数据进行分析，选取合适的电流值进行计算，计算结果显示存在不平衡磁拉力30534.08N，相位为2700（为了与动平衡相位一致，定义键相片安装位置点为00），最后解决机组振摆缓慢增加问题是通过在转子下风扇基座在下导2700位置上配重实现，配重重量与磁拉力不平衡计算值偏差2公斤。

2、处理方案

（1）针对存在磁极匝间外边缘短路问题，机组大修时候对磁极线圈进行通大电流后检测高温点，对毛刺进行打磨，如果是匝间内部短路采用在匝间加绝缘纸的工艺进行处理，直到通大电流后无异常发热点。磁极挂装前所有线圈绝缘、交流阻抗合格、通电流无局部发热现象，转子整体各项试验合格。

（2）机组大修时因只能在静态下对磁极进行各项试验，此时各项数据均合格，而机组运行时磁极线圈受到磁拉力及离心力，对偏桥电站磁极线圈进行受力计算，每个磁极受力800吨，在受力的情况下磁极出现匝间短路。

（3）对机组多次进行配重，空载空转数据均较好后带负荷运行仍然存在缓慢增加，尝试在某一负荷情况下进行配重，但是需要综合考虑平衡机组开机过程，否则开停机过程机组振摆大也影响机组安全稳定运行，仍然未达到理想情况，于是尝试着打破原来的平衡，重新进行配重。将转子上、下风扇基座26.5Kg配重块全部取下，在转子上风扇基座进行配重，将数据减小后，空载态下导摆度120μm，可是带负荷后还是会增加到200μm，在转子下风扇基座再次配重4.75Kg，下导摆度数据带负荷后变化较小，稳定在160μm左右，随着运行时间缓慢增加到190μm，仍然存在缓慢上涨的情况。对几次配重后机组数据进行分析，机组空载与带负荷相位角变化均为200o，负荷变化振摆增大的过程中相位角基本不变，于是再次在转子下风扇座配重4Kg，配重后机组工况测试，带基荷时下导摆度80μm，下导摆度随着负荷增加而逐渐减小，额定负荷时稳定在50μm左右，目前带负荷运行后未出現缓慢增加现象。

结束语

1、偏桥机组振摆异常变化处理过程中综合各种现象以及数据，结合动平衡处理过程分析认为水轮发电机组振摆受水力、转动部分质量不平衡、空气间隙不均匀、转子中心偏心以及定子电枢反应的不平衡及匝间短路产生的磁拉力不平衡等综合因素影响。

2、机组动平衡在解决动不平衡问题时，一是打破原来的平衡，重新建立新的平衡体系，否则配重数据较乱，增加难度;二是用不平衡来平衡掉不平衡，寻找新的思路与方法;三带负荷工况下进行配重，必须综合考虑开停机过程以及其他负荷时的振摆值。机组动平衡无法从根本上解决匝间短路的磁极，仍然存在因新的磁极匝间短路导致的振摆变化。

3、机组磁极线圈检修时即静态下各项试验数据均合格，运行时仍然存在磁极匝间短路，分析认为机组在带额定负荷时，磁极线圈受磁拉力以及离心力，偏桥单个磁极线圈受力800顿，在压力增加的情况磁极线圈出现匝间短路，所以这对线圈的制作材料及工艺必须严格要求，避免在机组运行时出现匝间短路，而且检修时缺乏有效的检测手段，无法准确查找匝间短路点，无法从根本上解决问题。

参考文献

[1]《电机内的电磁场》汤蕴缪，北京科学出版社，1998.

[2]《水轮发电机转子典型机电故障的不平衡磁拉力研究》武玉才、安清飞、马倩倩、蔡波冲。

[3]《隐极发电机转子匝间短路时转子不平衡磁拉力的解析计算模型》张广韬、吴俊勇、李扬、郝亮亮。

[4]《隐极发电机励磁绕组匝间短路故障定位及短路匝数估算》郝亮亮、孙宇光、邱阿瑞。

[5]《汽轮发电机转子匝间短路时转子振动特性分析》赵艳军、李永刚、武玉才。

[6]《大型水轮发电机不同工况下不平衡磁拉力》周理兵、马志云。

作者简介

彭宇 ， 39岁， 男 ，四川久隆水电开发有限公司.技术室主任.工程师，水电站技术管理。