劉 宇

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

大型水輪發(fā)電機(jī)鐵損試驗(yàn)振動(dòng)與噪聲分析

劉 宇

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

通過對(duì)某水電站定子鐵心鐵損試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲偏大的問題進(jìn)行分析，并對(duì)機(jī)組運(yùn)行時(shí)是否會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)進(jìn)行了分析，找出了鐵損試驗(yàn)產(chǎn)生振動(dòng)的原因，成功消除了電站安全運(yùn)行的隱患，為后續(xù)類似機(jī)組的鐵損試驗(yàn)結(jié)果分析提供借鑒意義。

鐵損試驗(yàn)；溫升；溫差；比損耗值；振動(dòng)；噪聲

0 引言

水輪發(fā)電機(jī)鐵損試驗(yàn)是檢驗(yàn)定子鐵心疊裝質(zhì)量的重要方法，其目的是檢驗(yàn)定子鐵心沖片制造、疊裝、壓緊等的整體質(zhì)量，檢查沖片間是否有短路情況，絕緣是否良好。國內(nèi)某水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行鐵損試驗(yàn)時(shí)，定子鐵心齒部溫升測(cè)試結(jié)果為5.8K，溫差1.2K，軛部溫升測(cè)試結(jié)果為7.2K，溫差5.8K，齒部和軛部的溫升及溫差值均偏低，明顯低于GB/T 20835《發(fā)電機(jī)定子鐵心磁化試驗(yàn)導(dǎo)則》的要求，表明定子鐵心疊裝后片間絕緣良好；但定子鐵心在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了振動(dòng)和噪聲偏大的現(xiàn)象，同時(shí)在磁通密度為1.0T時(shí)單位比損耗試驗(yàn)結(jié)果為1.578W/kg，高于標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 發(fā)電機(jī)主要數(shù)據(jù)

額定容量：200MVA；額定電壓：15.75kV；功率因數(shù)：0.9；頻率：50Hz；定子鐵心內(nèi)徑：Φ12130mm；定子鐵心外徑：Φ12900mm；定子鐵心高：1850mm；定子鐵心重量：153t。

2 鐵損試驗(yàn)時(shí)振動(dòng)、噪聲偏大及比損耗值超標(biāo)原因

2.1 鐵損試驗(yàn)時(shí)振動(dòng)、噪聲偏大原因

定子鐵心沖片采用厚度為0.5mm的冷軋無取向、高導(dǎo)磁、低損耗的優(yōu)質(zhì)硅鋼片,沖片在去毛刺后,表面涂F級(jí)絕緣漆以減小渦流損耗。鐵心上、下端采用無磁性高強(qiáng)度合金鋼壓指材料，鐵心沿長(zhǎng)度方向分成若干段，段間通風(fēng)溝高6mm，通風(fēng)槽片由無磁性工字鋼點(diǎn)焊在沖片上構(gòu)成。鐵心疊片后用穿心螺桿壓緊，穿心螺桿與鐵心間設(shè)有全絕緣套管，能夠有效避免定子鐵心螺桿接地。采用有限元方法計(jì)算定子鐵心固有頻率,發(fā)現(xiàn)定子鐵心零節(jié)點(diǎn)固有頻率為101.4Hz，計(jì)算結(jié)果見圖1。

圖1 定子鐵心冷態(tài)零節(jié)點(diǎn)固有頻率示意圖

試驗(yàn)電源電流產(chǎn)生的電磁激振力頻率(電源電流頻率的2倍頻)為100Hz，與定子鐵心零節(jié)點(diǎn)固有頻率101.4Hz非常接近，在定子鐵心鐵損試驗(yàn)過程中引起鐵心的電磁共振，出現(xiàn)振動(dòng)和噪音較大的現(xiàn)象。

2.2 鐵損試驗(yàn)時(shí)比損耗值偏大原因

在鐵損試驗(yàn)時(shí)所測(cè)得的損耗值是勵(lì)磁電纜輸入處瓦特表的讀數(shù)，它主要包括了定子鐵心、定子機(jī)座及勵(lì)磁電纜等的損耗，同時(shí)也包括了定子鐵心振動(dòng)所消耗的能量。定子機(jī)座的損耗主要取決于電纜在定子上的纏繞位置及纏繞方式；勵(lì)磁電纜損耗主要取決于電纜的長(zhǎng)度和直徑；定子鐵心的單位損耗則主要取決于定子沖片質(zhì)量、鐵心重量計(jì)算精度及疊壓系數(shù)取值等因素。

鐵損試驗(yàn)時(shí)定子鐵心振動(dòng)是由試驗(yàn)電源激振產(chǎn)生的，振動(dòng)過程中消耗的能量同鐵心硅鋼片損耗一樣來自于試驗(yàn)電源，該部分能量與鐵心沖片的損耗一起被記錄在試驗(yàn)設(shè)備的瓦特表中，從而影響定子鐵心的比損耗測(cè)量值，這是定子鐵心比損耗超標(biāo)的重要原因。此外定子鐵心疊片時(shí)，如定位筋處存在卡片或鐵心壓緊不好，也會(huì)增加鐵損試驗(yàn)時(shí)的比損耗值。

3 對(duì)水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行的影響

在水輪發(fā)電機(jī)空載及各種負(fù)載工況運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子上加勵(lì)磁電流，并由水輪機(jī)拖動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，其磁場(chǎng)分布如圖2所示。從圖2可見，發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)磁場(chǎng)分布與定子鐵心鐵損試驗(yàn)時(shí)完全不同，如圖3所示。

圖2 正常運(yùn)行時(shí)磁場(chǎng)分布

圖3 鐵損試驗(yàn)時(shí)磁場(chǎng)分布

水輪發(fā)電機(jī)主極磁場(chǎng)中除基波外，還含有高次諧波；同樣，電樞磁勢(shì)會(huì)產(chǎn)生基波和高次諧波磁場(chǎng)。主極磁場(chǎng)的基波及其諧波與電樞磁勢(shì)相應(yīng)的基波和諧波磁場(chǎng)相互作用，將產(chǎn)生不同頻率和力波的激振電磁力。根據(jù)電磁理論分析，振動(dòng)的大小大致與激振力力波數(shù)的4次方成反比，故此只考慮力波數(shù)較低的情況即可。通過電磁場(chǎng)有限元分析計(jì)算定子鐵心的激振電磁力，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 定子鐵心諧波電磁力計(jì)算結(jié)果

由表1的計(jì)算結(jié)果可以得出

(1)由定、轉(zhuǎn)子諧波相互作用會(huì)產(chǎn)生力波數(shù)為0、頻率為300Hz的激振電磁力，其力很小且避開了定子鐵心零節(jié)點(diǎn)振動(dòng)固有頻率為101.4Hz，不會(huì)引起共振。

(2)由負(fù)序磁場(chǎng)與主極的基波磁場(chǎng)相互作用也會(huì)產(chǎn)生力波數(shù)為0、頻率為100Hz的電磁力，這個(gè)力在機(jī)組冷態(tài)運(yùn)行時(shí)與定子鐵心零節(jié)點(diǎn)振動(dòng)固有頻率101.4Hz接近，未避開激振頻率的10%，此力在定子鐵心產(chǎn)生的徑向力為13.6kN/m,引起鐵心徑向變形為0.0012mm，滿足運(yùn)行要求；當(dāng)機(jī)組冷態(tài)運(yùn)行一段時(shí)間后，鐵心熱脹與機(jī)座靠緊，此時(shí)機(jī)座與鐵心的0節(jié)點(diǎn)振動(dòng)固有頻率變?yōu)?10.2Hz，避開了激振頻率的10%，滿足振動(dòng)要求。

4 結(jié)語

綜上所述,鐵損試驗(yàn)時(shí)振動(dòng)、噪聲大及比損耗值超標(biāo)是由于試驗(yàn)電源電流產(chǎn)生的電磁激振力頻率與鐵心的零節(jié)點(diǎn)固有頻率接近,造成試驗(yàn)時(shí)鐵心共振造成的； 但水輪發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，定子鐵心不會(huì)產(chǎn)生零節(jié)點(diǎn)100Hz的電磁共振。當(dāng)負(fù)序電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生力波數(shù)為0，頻率為100Hz電磁力，但由此力產(chǎn)生的鐵心徑向變形為0.0012mm，可以滿足運(yùn)行要求。

本文對(duì)鐵損試驗(yàn)時(shí)振動(dòng)、噪聲偏大及比損耗值超標(biāo)的分析對(duì)水輪發(fā)電機(jī)類似機(jī)組鐵損試驗(yàn)結(jié)果的判斷、分析具有一定借鑒意義。

[1] 白延年.水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[2] 陳錫芳.水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)行監(jiān)測(cè)與維修.北京：中國水利水電出版社，2008.

[3] 馬德鑫.2極電機(jī)降低電磁噪聲的設(shè)計(jì)改進(jìn).防爆電機(jī)，2006.6.

[4] 梁吉波，吳銀龍.電機(jī)滾動(dòng)軸承異常振動(dòng)噪聲的分析及處理.防爆電機(jī)，2007.4.

[5] 付懷波，王德成.電動(dòng)機(jī)噪聲的分析及控制.防爆電機(jī)，2010.3.

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

劉宇 男 1982年生；畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)工作.

2016-10-18