王勝軍，王衛(wèi)玉*,，劉斌

某水電站定子機(jī)座振動偏大分析與處理

王勝軍1,2，王衛(wèi)玉*,1,2，劉斌1

（1.五凌電力有限公司，湖南 長沙 410004；2.國家電力投資集團(tuán)水電產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410004）

定子機(jī)座是水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)的主要部件之一，定子機(jī)座振動偏大影響發(fā)電機(jī)氣隙及機(jī)組電磁穩(wěn)定性，嚴(yán)重情況將導(dǎo)致機(jī)組被迫停機(jī)，對機(jī)組安全穩(wěn)定性及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益有重要影響。本文針對某電站3號機(jī)組定子機(jī)座水平振動幅值異常偏大問題，分析了其產(chǎn)生原因分析并給出了處理措施，首先基于發(fā)電機(jī)帶勵磁前后振動數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，發(fā)現(xiàn)勵磁電流的增加造成電磁拉力增大，存在電磁拉力不平衡；其次，對振動頻譜分析發(fā)現(xiàn)引起定子向振動幅值增加的頻率成分為2、3、4倍頻，根據(jù)特征判定可能由于定轉(zhuǎn)子不圓引起；最后，在檢修時排查發(fā)現(xiàn)存在定子機(jī)座固定螺栓松動，通過對定子機(jī)座螺栓、止動塊進(jìn)行檢查處理后解決了定子機(jī)座振動偏大問題。

水電機(jī)組；定子機(jī)座；電磁振動；電磁拉力

水輪發(fā)電機(jī)組在投運(yùn)一定時間后可能由于固定及支撐部件松動、疲勞及摩擦等問題導(dǎo)致其穩(wěn)定性狀態(tài)發(fā)生劣化，影響機(jī)組的安全、穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[1-5]。隨著水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的提高，通過對其部件振動、主軸擺度等實(shí)時監(jiān)測，可實(shí)時掌握機(jī)組穩(wěn)定性表現(xiàn)及穩(wěn)定性狀態(tài)長期的變化趨勢[6-8]。因此在機(jī)組運(yùn)行過程中，對其振動幅值表現(xiàn)及其變化趨勢實(shí)時監(jiān)測、分析及診斷，對及時發(fā)現(xiàn)機(jī)組潛在異常問題、保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行、推進(jìn)水電機(jī)組根據(jù)分析結(jié)果開展?fàn)顟B(tài)檢修等都具有重要的意義[9-10]。

水輪發(fā)電機(jī)組屬于大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，有關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，大約有80%的水電機(jī)組故障信息反映在振動信號中[1-2]。因此對其振源、振動機(jī)理及表現(xiàn)特性的分析是水電機(jī)組根據(jù)分析評估結(jié)果開展?fàn)顟B(tài)檢修很重要的組成部分之一。水電機(jī)組不同形式振動的原因及影響各不相同，根據(jù)水電機(jī)組的工作機(jī)制及結(jié)構(gòu)特征，可將不同類型的振動劃分為三方面，即：機(jī)械原因、水力原因和電氣原因[3-5]。電磁振動為由于發(fā)電機(jī)中定子及轉(zhuǎn)子不圓、勵磁繞組存在匝間短路、定轉(zhuǎn)子磁場存在軸心不重合、定子鐵芯存在裝壓不緊、分瓣機(jī)座合縫處鐵芯間隙過大、空氣間隙不均勻、不平衡磁拉力等電氣方面的原因所導(dǎo)致的機(jī)組振動，電磁振動可從頻率成分上分為兩類：一種為轉(zhuǎn)頻振動，另一種為極頻振動。轉(zhuǎn)子繞組間存在短路、定子和轉(zhuǎn)子間的空氣氣隙不均勻等可能造成發(fā)電機(jī)中磁路不對稱，引起電磁拉力的不平衡，從而引起電磁方面轉(zhuǎn)頻振動；若定子鐵芯松動等異?？赡芤痤l率為100 Hz的電磁極頻振動[9-10]。

發(fā)電機(jī)定子機(jī)座是水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件，主要作用是承受定子的自重、上機(jī)架以及安裝在其中的其它部件重量，并承受電磁扭矩里和電磁不平衡磁拉力、以及繞組短路發(fā)生時的切應(yīng)力，其結(jié)構(gòu)由機(jī)座、鐵芯、線棒等部件組成[11-12]。對于立式機(jī)組定子鐵芯機(jī)座水平方向振動，根據(jù)GB/T 7894－2009[13]中的規(guī)定，對于轉(zhuǎn)速小于100 r/min機(jī)組，其幅值應(yīng)不超過40 μm。2015年7月1日，GB/T 7894－2009實(shí)施了第一號修改單，其中要求轉(zhuǎn)速小于100 r/min的立式機(jī)組定子機(jī)座水平振動應(yīng)不大于120 μm。

某水電站位于長江一級支流沅水下游的沅陵縣境內(nèi)，共安裝有5臺250 MW混流式機(jī)組，總裝機(jī)容量1250 MW，1996年底5臺機(jī)組全部投產(chǎn)，電站由華中網(wǎng)調(diào)直調(diào)，以發(fā)電為主，兼有防洪、航運(yùn)等綜合效益，至今已運(yùn)行32年，為華中電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行做出了重要貢獻(xiàn)[14-15]。電廠在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)3號機(jī)組定子機(jī)座振動相比其它機(jī)組偏大，定子振動幅度偏大會引起定子鐵芯、定子線棒及上機(jī)架附屬設(shè)備疲勞受損，引起緊固件松動、金屬焊縫出現(xiàn)裂紋，在嚴(yán)重的情況下會發(fā)生共振，導(dǎo)致機(jī)組出力發(fā)生大幅度波動，嚴(yán)重地會造成發(fā)電機(jī)組被從電力系統(tǒng)中解列，直接影響機(jī)組的使用壽命，并產(chǎn)生嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[16-18]。

本文對該電站機(jī)組定子機(jī)座振動偏大的現(xiàn)象、原因分析及處理措施進(jìn)行了詳細(xì)的論述，為類似振動問題的解決處理提供參考借鑒。

1 機(jī)組基本參數(shù)

電站安裝有5臺250 MW混流式機(jī)組，總裝機(jī)容量1250 MW，設(shè)計(jì)多年平均發(fā)電量53.7億kWh，采用壩后式廠房，至常德崗市、婁底民豐兩回500 kV電壓出線。通航建筑物為單線連續(xù)三級船閘，通航船只最大噸位為2×500 t，設(shè)計(jì)年貨運(yùn)量250萬噸，年過木量46萬m3。1～5號機(jī)組安裝有北京奧技異PSTA2100型機(jī)組測振測擺監(jiān)測分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對機(jī)組振動、擺度、壓力脈動等狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集。

電站3號機(jī)組基本參數(shù)如表1和表2所示，機(jī)組為混流式機(jī)組，額定轉(zhuǎn)速為68.18 r/min，發(fā)電機(jī)制造廠家為哈爾濱電機(jī)廠，機(jī)組定子機(jī)座固定螺栓型號為M56*140，數(shù)量為48顆。

表1 發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

表2 水輪機(jī)基本參數(shù)

2 定子機(jī)座振動偏大現(xiàn)象

電站3號機(jī)組在開機(jī)帶上勵磁之后定子機(jī)座振動較大，2、3號機(jī)組定子機(jī)座振動幅值對比如圖1所示，在230 MW負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行時，3號機(jī)組定子機(jī)座向振動幅值為48 μm，2號機(jī)組定子向振動幅值為26 μm，3號機(jī)組比2號機(jī)組大了22 μm。

3號機(jī)組定子向振動在不同勵磁電流下表現(xiàn)如圖2所示，其表現(xiàn)出隨著勵磁電流增加而增大的趨勢，振動幅值超GB/T 7894－2009修訂前的振動允許值40 μm。

針對3號機(jī)組11月14號一次開機(jī)過程，利用頻譜瀑布圖對定子機(jī)座向振動的頻率成分進(jìn)行分析，將頻譜瀑布圖頻率范圍切換到所有頻率結(jié)果如圖3（a）所示，從圖中可以看出頻率成分集中在10倍頻以下。0～10倍頻頻率范圍內(nèi)頻率成分如圖3（b）所示，從圖中可以看出勵磁電流在906 A以下時振動主頻都為轉(zhuǎn)頻，其他頻率成分幅值較小；勵磁電流在906 A以上時，頻譜中有明顯的2、3、4倍頻，其中主頻為3倍頻，次頻為2倍頻，1倍頻也存在，但幅值相對較小。

圖1 2、3號機(jī)組定子機(jī)架X向振動幅值對比

圖2 機(jī)組開機(jī)后定子機(jī)架X向振動變化趨勢

定子機(jī)架向振動峰峰值及頻率成分趨勢如圖4（a）所示，從圖中可看出2、3、4倍頻幅值變化趨勢與峰峰值變化趨勢基本一致，也說明峰峰值增加主要是由于2、3、4倍頻幅值的影響。振動頻率成分與勵磁電流相關(guān)性分析結(jié)果如圖4（b）所示，從圖中可明顯看出2、3、4倍頻幅值與勵磁電流呈現(xiàn)正相關(guān)性。

檢修前對3號機(jī)組進(jìn)行變勵磁試驗(yàn)，定子向振動隨勵磁電流相關(guān)性曲線如圖5所示。不同勵磁電流下定子機(jī)座向振動幅值如表3所示。可看出定子向振動有隨勵磁增加而增大趨勢，并且勵磁電流在705 A以上時，定子向振動幅值超過40 μm，進(jìn)一步證明發(fā)電機(jī)存在電磁拉力不平衡，隨著勵磁電流的增加，電磁拉力不平衡力增加，引起定子機(jī)座水平振動增大。

圖3 不同勵磁電流下定子機(jī)架X向振動頻率成分

圖4 定子X向振動頻率成分與勵磁電流相關(guān)性分析

圖5 變勵磁過程定子機(jī)座振動變化趨勢分析

表3 不同勵磁電流下定子機(jī)座X向振動幅值

3 原因分析

水電機(jī)組可能由于電磁拉力不平衡導(dǎo)致其振動偏大，而電磁拉力不平衡的產(chǎn)生原因主要有[2-3]：

（1）氣隙不均勻：振幅隨勵磁電流增大而增大；引起導(dǎo)軸承振動；定子振動頻率表現(xiàn)為轉(zhuǎn)頻或倍轉(zhuǎn)頻。

（2）定轉(zhuǎn)子不圓：振動頻率為轉(zhuǎn)頻或其倍頻，轉(zhuǎn)子不圓可能引起2、3、4甚至更高頻率成分的變化，取決于轉(zhuǎn)子的形狀；振幅隨勵磁電流增大而線性增大。

（3）定子分?jǐn)?shù)槽次諧波磁勢：振動頻率為l00 Hz；振幅隨負(fù)載電流的增大而增大。

（4）機(jī)座合縫不好：振動頻率為l00 Hz；冷態(tài)（室溫）時振動最強(qiáng)；隨著鐵芯溫度的升高，振動和噪聲逐漸減小；熱態(tài)時，振動恢復(fù)到正常水平。

從上述分析可知3號機(jī)組定子向振動幅值與勵磁電流有正相關(guān)性，勵磁電流在700 A以上時定子向振動幅值超過40 μm。勵磁電流較大時，振動主頻都為3倍頻，次頻為2倍頻；當(dāng)勵磁電流較小時，振動主頻為1倍頻，頻譜中未出現(xiàn)異常的工頻及其倍頻成分。由此分析得出引起定子向振動幅值增加的原因?yàn)椋喊l(fā)電機(jī)存在電磁拉力不平衡，勵磁電流的增加造成電磁拉力增大，引起定子向振動中2、3、4倍頻成分的出現(xiàn)以及其幅值的增加，從而導(dǎo)致其振動幅值增加，可能由于定轉(zhuǎn)子不圓引起。

4 問題處理

機(jī)組檢修期間對定子機(jī)座振動問題進(jìn)行隱患排查治理，通過排查發(fā)現(xiàn)定子機(jī)座固定螺栓存在松動現(xiàn)象，在檢修時拆除了松動螺栓的原有止動塊，將螺栓緊固后，重新焊接止動塊，使止動塊緊貼螺栓頭部起到完全防松的作用。同時對其它機(jī)組的定子機(jī)座固定螺栓進(jìn)行全面檢查并畫防松標(biāo)記，便于及時發(fā)現(xiàn)異常，并將定子機(jī)座固定螺栓作為今后設(shè)備巡視重點(diǎn)關(guān)注部位。

檢修后變勵磁過程定子機(jī)座水平振動變化趨勢如圖6所示，從圖中可以看出相比檢修前定子機(jī)座水平振動幅值明顯降低，在勵磁電流為1000 A時幅值從50 μm下降到27 μm。定子機(jī)座振動幅值降低到國標(biāo)限值以下，說明檢修對松動螺栓的處理措施起到了良好效果。

圖6 檢修后變勵磁過程定子機(jī)座水平振動變化趨勢

同時為防止同類問題再次發(fā)生，電廠在運(yùn)行階段通過建立日常監(jiān)測制度，每周對定子機(jī)座的振擺數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，對振擺數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。按照GB/T 7894－2009的要求，該機(jī)組定子機(jī)座水平振動應(yīng)不大于40 μm；按照2015年7月1日實(shí)施的GB/T 7894－2009第一號修改單要求，定子機(jī)座水平振動應(yīng)不大120 μm，對定子機(jī)座振動進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注處理。

5 結(jié)論

本文針對某電站3號機(jī)組定子機(jī)座水平振動幅值異常偏大問題現(xiàn)象、原因及處理措施進(jìn)行了論述，主要結(jié)論如下：

（1）某電站3號機(jī)組定子向振動有隨勵磁增加而增大趨勢，引起定子向振動幅值增加的原因?yàn)閯畲烹娏鞯脑黾釉斐呻姶爬υ龃螅鸲ㄗ酉蛘駝又?、3、4倍頻成分的出現(xiàn)以及其幅值的增加，從而導(dǎo)致其振動幅值增加。

（2）機(jī)組檢修期間通過排查發(fā)現(xiàn)定子機(jī)座固定螺栓存在松動，檢修時拆除了松動螺栓的原有止動塊，將螺栓緊固后，重新焊接止動塊，使止動塊緊貼螺栓頭部起到完全防松的作用，檢修后定子機(jī)座振動相比檢修前幅值明顯降低。

（3）本文對該電站機(jī)組定子機(jī)座振動偏大的現(xiàn)象、原因分析及處理措施，可為類似問題的解決提供參考借鑒。

[1]胡曉，王昕，黃建熒，等. 基于變分模態(tài)分解和復(fù)雜度分析的水電機(jī)組振動信號特征提取[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2019（1）：188-192.

[2]張長偉，徐成勱，王衛(wèi)玉，等. 水電機(jī)組振動信號的自適應(yīng)VMD分析[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2019（6）：159-162.

[3]胡曉，肖志懷，劉東，等. 基于VMD-CNN的水電機(jī)組故障診斷[J]. 水電能源科學(xué)，2020，38（8）：137-141.

[4]郭建斌，錢程，朱香凱，等. 基于GA-BP的水力機(jī)組振動預(yù)測研究[J]. 水電能源科學(xué)，2020，38（10）：133-135.

[5]張長偉，陳啟卷，李德紅，等. 考慮尾水位影響的水電機(jī)組三維振動區(qū)精細(xì)劃分[J]. 水電能源科學(xué)，2021，39（3）：134-137.

[6]席慧，鄭陽，安宇晨，等. 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動和ELM的水電機(jī)組振動區(qū)劃分[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2021（10）：140-144.

[7]安宇晨，鄭陽，陳啟卷，等. 基于多重分形與BGSA-PNN的水電機(jī)組振動信號狀態(tài)識別[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2021（10）：145-150.

[8]王璞，姬聯(lián)濤，朱家浩，等. 基于VMD與GRU的抽水蓄能機(jī)組振動趨勢預(yù)測[J]. 水電能源科學(xué)，2022，40（1）：192-195.

[9]孟湘，曾洪濤，劉冬，等. 基于VMD-SWT的降噪方法在轉(zhuǎn)子振動信號中的應(yīng)用[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2021（6）：164-168.

[10]唐曉晨，尚歡歡，郭超，等. 軸系平行不對中對離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動特性的影響[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2021（8）：103-109.

[11]唐擁軍. 水電機(jī)組不平衡磁拉力分析處理[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2016（7）：56-59.

[12]何勇，楊小松，宋質(zhì)根. 混流式水輪發(fā)電機(jī)組定子機(jī)座水平振動超標(biāo)分析與處理[J]. 水電站機(jī)電技術(shù)，2017，40（8）：61-64.

[13]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. 水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件：GB/T 7894-2009[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2017.

[14]胡勇勝，羅立軍，張培，等. 基于模擬退火粒子群算法的某電站廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型與應(yīng)用[J]. 水電能源科學(xué)，2021，39（9）：5.

[15]張燕濱. 某電站發(fā)電機(jī)散裝定子定位筋裝焊[J]. 水電站機(jī)電技術(shù)，1997（S1）：6.

[16]宋志強(qiáng)，馬震岳. 考慮不平衡電磁拉力的偏心轉(zhuǎn)子非線性振動分析[J]. 振動與沖擊，2010，29（8）：5.

[17]錢巨林，張斌，肖惠民，等. 傘式軸流式機(jī)組下機(jī)架動力學(xué)特性分析[J]. 機(jī)械，2021，48（9）：8-12.

[18]李忠臣. 水電站機(jī)組振動的原因分析及處理[J]. 水電站機(jī)電技術(shù)，2020，43（2）：3.

[19]錢巨林，李鈐，肖志懷，等. 某大型軸流式機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)及分析[J]. 機(jī)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

國家電力投資集團(tuán)統(tǒng)籌科研項(xiàng)目：水輪發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵部件故障診斷研究”（TC2020SD01）

王勝軍（1983－），男，湖南長沙人，工程師，主要從事水電生產(chǎn)運(yùn)營管理工作，Email：wang_wsj@wldl.com.cn。*通訊作者：王衛(wèi)玉（1991－），男，山東煙臺人，博士后，工程師，主要從事水電智能遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)研究，E-mail：932255041@qq.com。