某水电站定子机座振动偏大分析与处理

王胜军，王卫玉*,，刘斌

某水电站定子机座振动偏大分析与处理

王胜军1,2，王卫玉*,1,2，刘斌1

（1.五凌电力有限公司，湖南 长沙 410004；2.国家电力投资集团水电产业创新中心，湖南 长沙 410004）

定子机座是水轮发电机组发电机的主要部件之一，定子机座振动偏大影响发电机气隙及机组电磁稳定性，严重情况将导致机组被迫停机，对机组安全稳定性及运行经济效益有重要影响。本文针对某电站3号机组定子机座水平振动幅值异常偏大问题，分析了其产生原因分析并给出了处理措施，首先基于发电机带励磁前后振动数据进行了对比分析，发现励磁电流的增加造成电磁拉力增大，存在电磁拉力不平衡；其次，对振动频谱分析发现引起定子向振动幅值增加的频率成分为2、3、4倍频，根据特征判定可能由于定转子不圆引起；最后，在检修时排查发现存在定子机座固定螺栓松动，通过对定子机座螺栓、止动块进行检查处理后解决了定子机座振动偏大问题。

水电机组；定子机座；电磁振动；电磁拉力

水轮发电机组在投运一定时间后可能由于固定及支撑部件松动、疲劳及摩擦等问题导致其稳定性状态发生劣化，影响机组的安全、稳定及经济运行[1-5]。随着水电机组状态监测技术的提高，通过对其部件振动、主轴摆度等实时监测，可实时掌握机组稳定性表现及稳定性状态长期的变化趋势[6-8]。因此在机组运行过程中，对其振动幅值表现及其变化趋势实时监测、分析及诊断，对及时发现机组潜在异常问题、保障机组安全稳定运行、推进水电机组根据分析结果开展状态检修等都具有重要的意义[9-10]。

水轮发电机组属于大型旋转机械，有关文献统计，大约有80%的水电机组故障信息反映在振动信号中[1-2]。因此对其振源、振动机理及表现特性的分析是水电机组根据分析评估结果开展状态检修很重要的组成部分之一。水电机组不同形式振动的原因及影响各不相同，根据水电机组的工作机制及结构特征，可将不同类型的振动划分为三方面，即：机械原因、水力原因和电气原因[3-5]。电磁振动为由于发电机中定子及转子不圆、励磁绕组存在匝间短路、定转子磁场存在轴心不重合、定子铁芯存在装压不紧、分瓣机座合缝处铁芯间隙过大、空气间隙不均匀、不平衡磁拉力等电气方面的原因所导致的机组振动，电磁振动可从频率成分上分为两类：一种为转频振动，另一种为极频振动。转子绕组间存在短路、定子和转子间的空气气隙不均匀等可能造成发电机中磁路不对称，引起电磁拉力的不平衡，从而引起电磁方面转频振动；若定子铁芯松动等异常可能引起频率为100 Hz的电磁极频振动[9-10]。

发电机定子机座是水轮发电机组发电机的关键部件，主要作用是承受定子的自重、上机架以及安装在其中的其它部件重量，并承受电磁扭矩里和电磁不平衡磁拉力、以及绕组短路发生时的切应力，其结构由机座、铁芯、线棒等部件组成[11-12]。对于立式机组定子铁芯机座水平方向振动，根据GB/T 7894－2009[13]中的规定，对于转速小于100 r/min机组，其幅值应不超过40 μm。2015年7月1日，GB/T 7894－2009实施了第一号修改单，其中要求转速小于100 r/min的立式机组定子机座水平振动应不大于120 μm。

某水电站位于长江一级支流沅水下游的沅陵县境内，共安装有5台250 MW混流式机组，总装机容量1250 MW，1996年底5台机组全部投产，电站由华中网调直调，以发电为主，兼有防洪、航运等综合效益，至今已运行32年，为华中电网的安全稳定运行做出了重要贡献[14-15]。电厂在运行过程中发现3号机组定子机座振动相比其它机组偏大，定子振动幅度偏大会引起定子铁芯、定子线棒及上机架附属设备疲劳受损，引起紧固件松动、金属焊缝出现裂纹，在严重的情况下会发生共振，导致机组出力发生大幅度波动，严重地会造成发电机组被从电力系统中解列，直接影响机组的使用寿命，并产生严重的经济损失[16-18]。

本文对该电站机组定子机座振动偏大的现象、原因分析及处理措施进行了详细的论述，为类似振动问题的解决处理提供参考借鉴。

1 机组基本参数

电站安装有5台250 MW混流式机组，总装机容量1250 MW，设计多年平均发电量53.7亿kWh，采用坝后式厂房，至常德岗市、娄底民丰两回500 kV电压出线。通航建筑物为单线连续三级船闸，通航船只最大吨位为2×500 t，设计年货运量250万吨，年过木量46万m3。1～5号机组安装有北京奥技异PSTA2100型机组测振测摆监测分析系统，实现对机组振动、摆度、压力脉动等状态监测数据采集。

电站3号机组基本参数如表1和表2所示，机组为混流式机组，额定转速为68.18 r/min，发电机制造厂家为哈尔滨电机厂，机组定子机座固定螺栓型号为M56*140，数量为48颗。

表1 发电机基本参数

表2 水轮机基本参数

2 定子机座振动偏大现象

电站3号机组在开机带上励磁之后定子机座振动较大，2、3号机组定子机座振动幅值对比如图1所示，在230 MW负荷稳定运行时，3号机组定子机座向振动幅值为48 μm，2号机组定子向振动幅值为26 μm，3号机组比2号机组大了22 μm。

3号机组定子向振动在不同励磁电流下表现如图2所示，其表现出随着励磁电流增加而增大的趋势，振动幅值超GB/T 7894－2009修订前的振动允许值40 μm。

针对3号机组11月14号一次开机过程，利用频谱瀑布图对定子机座向振动的频率成分进行分析，将频谱瀑布图频率范围切换到所有频率结果如图3（a）所示，从图中可以看出频率成分集中在10倍频以下。0～10倍频频率范围内频率成分如图3（b）所示，从图中可以看出励磁电流在906 A以下时振动主频都为转频，其他频率成分幅值较小；励磁电流在906 A以上时，频谱中有明显的2、3、4倍频，其中主频为3倍频，次频为2倍频，1倍频也存在，但幅值相对较小。

图1 2、3号机组定子机架X向振动幅值对比

图2 机组开机后定子机架X向振动变化趋势

定子机架向振动峰峰值及频率成分趋势如图4（a）所示，从图中可看出2、3、4倍频幅值变化趋势与峰峰值变化趋势基本一致，也说明峰峰值增加主要是由于2、3、4倍频幅值的影响。振动频率成分与励磁电流相关性分析结果如图4（b）所示，从图中可明显看出2、3、4倍频幅值与励磁电流呈现正相关性。

检修前对3号机组进行变励磁试验，定子向振动随励磁电流相关性曲线如图5所示。不同励磁电流下定子机座向振动幅值如表3所示。可看出定子向振动有随励磁增加而增大趋势，并且励磁电流在705 A以上时，定子向振动幅值超过40 μm，进一步证明发电机存在电磁拉力不平衡，随着励磁电流的增加，电磁拉力不平衡力增加，引起定子机座水平振动增大。

图3 不同励磁电流下定子机架X向振动频率成分

图4 定子X向振动频率成分与励磁电流相关性分析

图5 变励磁过程定子机座振动变化趋势分析

表3 不同励磁电流下定子机座X向振动幅值

3 原因分析

水电机组可能由于电磁拉力不平衡导致其振动偏大，而电磁拉力不平衡的产生原因主要有[2-3]：

（1）气隙不均匀：振幅随励磁电流增大而增大；引起导轴承振动；定子振动频率表现为转频或倍转频。

（2）定转子不圆：振动频率为转频或其倍频，转子不圆可能引起2、3、4甚至更高频率成分的变化，取决于转子的形状；振幅随励磁电流增大而线性增大。

（3）定子分数槽次谐波磁势：振动频率为l00 Hz；振幅随负载电流的增大而增大。

（4）机座合缝不好：振动频率为l00 Hz；冷态（室温）时振动最强；随着铁芯温度的升高，振动和噪声逐渐减小；热态时，振动恢复到正常水平。

从上述分析可知3号机组定子向振动幅值与励磁电流有正相关性，励磁电流在700 A以上时定子向振动幅值超过40 μm。励磁电流较大时，振动主频都为3倍频，次频为2倍频；当励磁电流较小时，振动主频为1倍频，频谱中未出现异常的工频及其倍频成分。由此分析得出引起定子向振动幅值增加的原因为：发电机存在电磁拉力不平衡，励磁电流的增加造成电磁拉力增大，引起定子向振动中2、3、4倍频成分的出现以及其幅值的增加，从而导致其振动幅值增加，可能由于定转子不圆引起。

4 问题处理

机组检修期间对定子机座振动问题进行隐患排查治理，通过排查发现定子机座固定螺栓存在松动现象，在检修时拆除了松动螺栓的原有止动块，将螺栓紧固后，重新焊接止动块，使止动块紧贴螺栓头部起到完全防松的作用。同时对其它机组的定子机座固定螺栓进行全面检查并画防松标记，便于及时发现异常，并将定子机座固定螺栓作为今后设备巡视重点关注部位。

检修后变励磁过程定子机座水平振动变化趋势如图6所示，从图中可以看出相比检修前定子机座水平振动幅值明显降低，在励磁电流为1000 A时幅值从50 μm下降到27 μm。定子机座振动幅值降低到国标限值以下，说明检修对松动螺栓的处理措施起到了良好效果。

图6 检修后变励磁过程定子机座水平振动变化趋势

同时为防止同类问题再次发生，电厂在运行阶段通过建立日常监测制度，每周对定子机座的振摆数据进行测量，对振摆数据进行分析。按照GB/T 7894－2009的要求，该机组定子机座水平振动应不大于40 μm；按照2015年7月1日实施的GB/T 7894－2009第一号修改单要求，定子机座水平振动应不大120 μm，对定子机座振动进行重点关注处理。

5 结论

本文针对某电站3号机组定子机座水平振动幅值异常偏大问题现象、原因及处理措施进行了论述，主要结论如下：

（1）某电站3号机组定子向振动有随励磁增加而增大趋势，引起定子向振动幅值增加的原因为励磁电流的增加造成电磁拉力增大，引起定子向振动中2、3、4倍频成分的出现以及其幅值的增加，从而导致其振动幅值增加。

（2）机组检修期间通过排查发现定子机座固定螺栓存在松动，检修时拆除了松动螺栓的原有止动块，将螺栓紧固后，重新焊接止动块，使止动块紧贴螺栓头部起到完全防松的作用，检修后定子机座振动相比检修前幅值明显降低。

（3）本文对该电站机组定子机座振动偏大的现象、原因分析及处理措施，可为类似问题的解决提供参考借鉴。

[1]胡晓，王昕，黄建荧，等. 基于变分模态分解和复杂度分析的水电机组振动信号特征提取[J]. 中国农村水利水电，2019（1）：188-192.

[2]张长伟，徐成劢，王卫玉，等. 水电机组振动信号的自适应VMD分析[J]. 中国农村水利水电，2019（6）：159-162.

[3]胡晓，肖志怀，刘东，等. 基于VMD-CNN的水电机组故障诊断[J]. 水电能源科学，2020，38（8）：137-141.

[4]郭建斌，钱程，朱香凯，等. 基于GA-BP的水力机组振动预测研究[J]. 水电能源科学，2020，38（10）：133-135.

[5]张长伟，陈启卷，李德红，等. 考虑尾水位影响的水电机组三维振动区精细划分[J]. 水电能源科学，2021，39（3）：134-137.

[6]席慧，郑阳，安宇晨，等. 基于数据驱动和ELM的水电机组振动区划分[J]. 中国农村水利水电，2021（10）：140-144.

[7]安宇晨，郑阳，陈启卷，等. 基于多重分形与BGSA-PNN的水电机组振动信号状态识别[J]. 中国农村水利水电，2021（10）：145-150.

[8]王璞，姬联涛，朱家浩，等. 基于VMD与GRU的抽水蓄能机组振动趋势预测[J]. 水电能源科学，2022，40（1）：192-195.

[9]孟湘，曾洪涛，刘冬，等. 基于VMD-SWT的降噪方法在转子振动信号中的应用[J]. 中国农村水利水电，2021（6）：164-168.

[10]唐晓晨，尚欢欢，郭超，等. 轴系平行不对中对离心泵转子系统振动特性的影响[J]. 中国农村水利水电，2021（8）：103-109.

[11]唐拥军. 水电机组不平衡磁拉力分析处理[J]. 中国农村水利水电，2016（7）：56-59.

[12]何勇，杨小松，宋质根. 混流式水轮发电机组定子机座水平振动超标分析与处理[J]. 水电站机电技术，2017，40（8）：61-64.

[13]中国国家标准化管理委员会. 水轮发电机基本技术条件：GB/T 7894-2009[S]. 北京：中国标准出版社，2017.

[14]胡勇胜，罗立军，张培，等. 基于模拟退火粒子群算法的某电站厂内经济运行模型与应用[J]. 水电能源科学，2021，39（9）：5.

[15]张燕滨. 某电站发电机散装定子定位筋装焊[J]. 水电站机电技术，1997（S1）：6.

[16]宋志强，马震岳. 考虑不平衡电磁拉力的偏心转子非线性振动分析[J]. 振动与冲击，2010，29（8）：5.

[17]钱巨林，张斌，肖惠民，等. 伞式轴流式机组下机架动力学特性分析[J]. 机械，2021，48（9）：8-12.

[18]李忠臣. 水电站机组振动的原因分析及处理[J]. 水电站机电技术，2020，43（2）：3.

[19]钱巨林，李钤，肖志怀，等. 某大型轴流式机组稳定性试验及分析[J]. 机械，2021，48（8）：1-6.

Analysis and Treatment of Excessive Vibration of Stator Frame in a Hydropower Station

WANG Shengjun1,2，WANG Weiyu1,2，LIU Bin1

( 1.Wuling Power Corporation Ltd., Changsha 410004, China; 2.Hydropower Industry Innovation Center of State Power Investment Corporation Limited, Changsha 410004, China )

Stator frame is one of the main components of hydro turbine generator unit. The excessive vibration of the stator frame will affect the air gap of the generator and the electromagnetic stability of the unit. In severe cases, the unit will be forced to shut down, which has a significant influence on the safety and stability of the unit and the economic benefits of operation. Aiming at solving the problem of the abnormally large horizontal vibration amplitude of the stator frame of unit 3 in a power station, this paper analyzes the causes and proposes the treatment measures. Firstly, based on the comparative analysis of the vibration data before and after the generator is excited, it is found that the increase of excitation current leads to the increase of electromagnetic tension and the imbalance of electromagnetic tension. Secondly, through the analysis of vibration spectrum, it is found that the frequency components causing the increase of stator X-direction vibration amplitude are 2, 3 and 4 times frequency. These characteristics determine that the non-circular stator and rotor may be the causes. Finally, during the maintenance, it is found that the fixing bolts of the stator frame are loose. After checking and handling the bolts and stop blocks of the stator frame, the problem of excessive vibration of the stator base is solved. The cause analysis and treatment measures for excessive vibration of stator frame provide reference for solving similar problems.

hydropower unit；stator frame；electromagnetic vibration；electromagnetic tension

TV734.2+；TK05

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.08.001

1006-0316 (2022) 08-0001-06

2022-03-09

国家电力投资集团统筹科研项目：水轮发电机组关键部件故障诊断研究”（TC2020SD01）

王胜军（1983－），男，湖南长沙人，工程师，主要从事水电生产运营管理工作，Email：wang_wsj@wldl.com.cn。*通讯作者：王卫玉（1991－），男，山东烟台人，博士后，工程师，主要从事水电智能远程运维技术研究，E-mail：932255041@qq.com。