潘家口蓄能电厂4号机组主轴摆度偏大分析与处理

唐拥军，毕 旭，葛禹霖，肖业祥

（1.国网新源控股有限公司抽水蓄能技术经济研究院，北京市 100761；2.国网新源控股有限公司潘家口蓄能电厂，河北省唐山市 064309；3.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室 & 能源与动力工程系，北京市 100084）

0 引言

潘家口蓄能电厂坐落于河北省迁西县境内的滦河干流，共安装有3台 90MW 混流可逆式水轮发电机组，于 1992 年投入商业运行，是我国最早的大型抽水蓄能电站。全套机电设备引进意大利 ABB 公司产品，在电网中承担调峰、调频和事故备用任务，至今已运行 25年，为京津唐电网安全稳定运行做出了重要贡献[1]。

潘家口蓄能电厂4号机组在A修后的调试试验中发现，空载工况的主轴摆度尤其是上导摆度幅值比空转工况大幅增大，这严重影响机组的安全稳定运行。水电机组在运行过程中主要受到水力、电气和机械三种因素的耦联影响。在电气因素引起的问题中，径向磁拉力不平衡就是典型之一[2-3]。考虑到空载与空转工况不同的地方是空载工况投入了励磁，而空转工况未投入，因此可得知潘家口蓄能电厂4号机组应是出现了严重的不平衡磁拉力现象。本文对该机组不平衡磁拉力现象、原因分析和处理进行了详细论述，考虑到该机组在水泵方向通过换磁极实现二级变速，其转子磁极结构和常规机组及普通抽蓄机组不同，本文的研究是具有较高参考价值的。

1 机组基本参数

机组基本参数如表1所示，该机组为可变速机组，在水泵工况时，根据水头高度不同，有 2 个额定转速可选，分别为 142.8 r/min 和 125 r/min，通过变换磁极对数实现。

表1 机组基本参数统计表Table 1 Basic parameters of unit

2 上导摆度偏大现象

4号机组空转工况运行一段时间后，缓慢升励磁电压至空载工况，在空载工况运行一段时间后，退励磁电压至空转工况运行。整个过程上导与下导摆度时域波形如图1所示，该过程上导与下导摆度幅值变化曲线如图2所示，空转与空载工况不平衡相位变化曲线如图3所示。空转与空载工况上导、下导幅值与不平衡相位统计见表2。

图1 空转、空载工况上导、下导摆度时域波形变化图Figure 1 Time wave of upper guide bearing runout and lower guide bearing runout under idling condition and non-load condition

图2 空转、空载工况上导、下导摆度幅值变化趋势图Figure 2 Changing trend of amplitude of upper guide bearing runout and lower guide bearing runtou under idling condition and non-load condition

图3 上导、下导测得不平衡相位变化趋势图Figure 3 Changing trend of unbalanced phase measured using upper guide bearing and lower guide bearing

由上述结果可知，加励磁电压后主轴摆度幅值相较空转工况大幅增大，其中上导摆度+X向幅值达到了676μm，下导摆度+Y向幅值达到了350μm，可见发电电动机存在严重的磁拉力不平衡。另外，空载与空转工况下的不平衡相位也不一致，其中上导测得相差150°多，下导测得相差120°左右，不平衡相位接近反相，这给主轴摆度的处理带来了一定的技术难度。

3 原因分析

产生不平衡磁拉力的原因较多，但主要是发电机中的磁路和电路不对称所致，典型原因有[4-7]：

（1）发电机转子与定子间的空气间隙不均匀。发电机定子铁芯内圆与转子磁极外圆的圆度达不到要求或者发电机定子铁芯内圆与转子外圆之间同心度达不到要求，由此产生定转子空气间隙不均匀，从而产生单边的不平衡磁拉力。

（2）转子磁极绕组匝间短路。转子匝间短路将会引起气隙磁场畸变，产生不同于正常运行时的气隙电磁波力，从而产生不平衡磁拉力。

（3）发电机在不对称工况下运行，产生不对称的磁力分量，负序电流将以2倍电源频率激发振动。

（4）发电机转子磁极形状稍有差别，引起磁拉力不平衡而产生振动。

（5）磁极分布圆中心与旋转中心偏离较大，使得转子在某一固定方位存在较大的不平衡磁拉力。

（6）材料磁化不均匀，发电机导磁材料磁化不均匀，使定子或转子内腔磁场不对称，从而产生不均匀磁拉力。

该机组A修后对定转子圆度与同心度进行了测量，测量结果满足要求，原因（1）可以排除。空转与空载工况下的上导、下导与水导轴承处轴心轨迹如图4和图5所示，可知，空载工况下的主轴旋转中心与空转工况基本一致，没有发生明显偏移，原因（5）可以排除。如前所述，该机组在水泵工况可通过变换磁极数实现二级变速，转子变极采用丢极法，转子磁极采用大小磁极和不等间距布置如图6所示（共48个磁极）。整个磁极绕组分为6群，每群8个磁极，包含5个大极和3个小极。转子变极用5个滑环和转子变极开关来实现变极切换（ 142.8 r/min对应42个磁极，125 r/min对应48个磁极），如图7所示。磁极绕组分成3种类型：第1类为同极性组（Gr1）；第2类为丢极组，是3个小极中间位置的那个小极绕组，编号分别是1、9、17、25、33、41；第3类为反极性组，它们每隔一群磁极出现，即为偶数群的第2至8个磁极，编号分别为10-16、26-32、42-48。在由48极切换到42极时，丢极组绕组的接线被断开，而其编号在后的那些磁极绕组（反极性组）接线的极性被倒置，使得沿气隙周围的所有磁极极性保持着NS交替排列。大极与小极的极身宽度和极靴宽度是不同的，但其高度和绕组匝数相同[8]。这种磁极结构使得小磁极区域的磁场强度相对较大，大磁极区域相对较小，转子高速旋转后在离心力和不均匀热变形的双重作用下，磁场强度分布更加不均匀，即使同一直径两端也出现较大偏差，从而出现磁拉力严重不平衡，导致主轴摆度大幅增大。

图4 空转工况上导、下导与水导轴承处轴心轨迹图Figure 4 Shaft orbit at upper guide bearing、lower guide bearing and turbine guide bearing under idling condition

图5 空载工况上导、下导与水导轴承处轴心轨迹图Figure 5 Shaft orbit at upper guide bearing、lower guide bearing and turbine guide bearing under non-load condition

图6 转子磁极分布图Figure 6 Magnetic pole distribution of rotor

图7 转子绕组接线简图[8]Figure 7 Wiring diagram of rotor winding

4 配重处理

转动部件受到不平衡力的合力为转动部件不平衡质量产生的离心力和不平衡磁拉力的矢量和。对这种情况可采用等效不平衡质量的思路来进行处理，即将不平衡质量产生的离心力和不平衡磁拉力转频分量的矢量和等效为另一不平衡质量产生的离心力，进而采用对发电机转子进行配重来减小机组的振动与主轴摆度。

该机组配重前发电80MW负荷工况主轴摆度与不平衡相位为：上导+X摆度幅值433μm，不平衡相位235°，上导+Y摆度幅值407μm，不平衡相位228°，下导摆度+X幅值247μm，不平衡相位205°，下导摆度+Y幅值262μm，不平衡相位209°。发电80MW负荷工况与空载工况相比，其中上导测得不平衡相位约有35°偏差，下导测得不平衡相位约有23°偏差。考虑到机组发电方向经常运行的工况为80MW左右负荷，于是选择在该负荷工况下进行动平衡配重。动平衡配重后，发电方向80MW负荷工况和水泵工况部分振动摆度测点幅值统计如表3所示。由结果可知相比配重前机组振动与主轴摆度，尤其是上导摆度幅值大幅减小，优化了机组稳定运行条件，上导摆度偏大的问题得到成功解决。

表3 发电80MW负荷工况与水泵工况振动摆度测点幅值统计（单位：μm）Table 3 Amplitude statistics of vibration and runout under generating condition with 80MW load and pumping condition（Engineering unit：μm）

5 结论

（1）潘家口蓄能电厂4号机组空载工况主轴摆度较空转工况大幅增大，且不平衡相位接近反相。发电电动机存在严重的磁拉力不平衡。机组采用变磁极方式来实现水泵工况的二级变速，转子变极采用丢极法，并采用大小磁极和不等间距的磁极布置。这种磁极结构使得小磁极区域的磁场强度相对较大，大磁极区域相对较小，转子旋转后在离心力和不均匀热变形的双重作用下，磁场强度分布更加不均匀，从而出现磁拉力严重不平衡，导致主轴摆度大幅增大。

（2）当水轮发电机存在不平衡磁拉力，而又无法处理或不便于处理时，可以将不平衡磁拉力转频分量等效为不平衡质量而采用动平衡配重的方法进行处理，从而减小机组的振动摆度，优化机组运行条件。

（3）本文对该机组上导摆度偏大的分析及处理方法可为其他电站处理类似问题时提供参考借鉴。