高磁轭水轮发电机转子运行中存在的问题及应对措施

乔进国，赵晓嘉

（华能澜沧江水电股份有限公司小湾水电厂，云南 大理 675702）

高磁轭水轮发电机转子运行中存在的问题及应对措施

乔进国，赵晓嘉

（华能澜沧江水电股份有限公司小湾水电厂，云南 大理 675702）

目前国内大容量、高转速的水轮发电机组数量逐渐增多，其中大尺寸的高磁轭转子由于压紧难度大、转动惯量大，给机组运行带来诸多问题。本文以小湾电厂机组运行中存在的问题为例，从设计、安装、运行方面提出相关问题的解决方案。

高磁轭；水轮发电机；转子

目前国内大容量、高转速的水轮发电机组数量逐渐增多，其中大尺寸的高磁轭转子由于压紧难度大、转动惯量大，给机组运行带来诸多问题。本文以华能澜沧江水电股份有限公司小湾水电厂（以下简称“小湾电厂”）机组为例，探讨如何通过设计、安装、运行等方面的优化来解决存在的问题。

1 小湾水轮发电机概述

小湾水电站正常蓄水位1 240 m，水库总库容149.14亿m3、有效库容98.95亿m3，水库具有不完全多年调节能力。电站地下厂房内安装6台单机容量为700 MW的立式水轮发电机组，电站多年平均发电量为189.9亿kW·h。发电机制造难度系数（容量×飞逸转速）为222 450，推力轴承制造难度系数（推力负荷×额定转速）为514 100，均为世界第一，发电机及转子主要参数见表1。

表1 小湾发电机主要参数

小湾发电机总装图见图1。

图1 发电机总装图

小湾转子支架采取工地焊接主立筋、磁轭现场叠片、带通风沟结构，转子磁轭拉紧螺杆外径为φ55mm，磁轭垫片的拉紧螺杆孔直径为φ55.25mm；安装时转子磁轭分7次预压，叠压系数不小于0.99，磁轭半径偏差控制在±0.68 mm，磁轭周向波浪度≤6 mm，磁轭同一截面上内外高度偏差≤4 mm，垂直度≤1.5 mm，磁轭热打键紧量3 mm；磁极挂装采用鸽尾结构，用两条链条键打紧，磁极挂装后转子实测半径与设计半径之差≤±1.02 mm；由于磁极较高，每两个磁极之间设有上下两个极间支撑，将磁极连接为一整体。

2 高磁轭水轮发电机存在的主要问题及原因分析

2.1 磁轭错位

2015年拆除1号水轮发电机转子磁极后，发现磁轭冲片存在错位现象，最大错位达2 mm，37个C片在距磁极底部100～250 mm范围内断裂，5个D片断裂，部分垫片呈不规则麻花状，磁极背面个别A、B片点焊位置开裂。小湾发电机转子磁极垫片布置见图2，磁轭冲片错位现象见图3，磁极调整垫片断裂情况见图4。

图2 小湾发电机转子磁极垫片布置图

图3 磁轭冲片出现错位现象

图4 发电机转子6号磁极调整垫片断裂

2.2 磁轭热打紧余量不够

在1号机组检修过程中对发电机转子磁轭上压板进行检查，发现磁轭在主立筋处径向位移达3 mm，机组过速前后在线监测系统的记录显示过速后磁轭径向变形达3 mm。

修后首次开机到停机过程中转子相关参数变化过程见图5。图中可以清楚地看到：转子上部圆度随转速升高而增大，停机降速过程中转子圆度没有回复；转子下部圆度也随转速升高而增大，停机降速过程中转子圆度略有减小，但仍没有回复。

图5 小湾1号发电机从开机到停机转子相关参数变化过程

1号机组开机过程中平均气隙随机组转速变化情况见图6，可见，1号发电机平均气隙在100%转速前有突变，这属于异常现象，说明磁轭相对转子支架开始浮动。

图6 小湾1号机组开机过程中平均气隙随机组转速变化情况

2.3 磁极键虚打紧

发电机磁极键采用鸽尾打链条键结构，见图7，采用斜向打紧固定，易造成磁极键虚打紧、产生松动。机组过速后，磁轭存在残余变形，冲片切向产生错牙，也易造成磁极键松动。因此该磁极键在安装时，需要严格保证安装质量，否则易造成磁极键松动，导致机组运行时转子动态不圆度增大。

小湾2015年度1号机组检修前后转子圆度对比见表2，可见，转子绝对半径最大值与最小值之差由修前的1.92 mm优化至修后的0.68 mm，转子上、中、下部圆度情况也均有明显改善，静态圆度较好。

图7 小湾发电机磁极键装配图

表2 小湾2015年度1号机组检修前后转子圆度对比/mm

该次机组检修后首次开机空转状态下，转子上部测点磁极气隙形貌见图8，可见，有5个磁极（2号、7号、22号、31号、40号）变化突出，0.8～1.0 mm，表明磁极键存在较大的虚空。

图8 小湾1号发电机修后转子上部

2.4 转子动态不圆引起定子机座低频振动

转子动态不圆会引起发电机定、转子气隙不均，机组运行过程中在励磁磁势作用下，气隙中会产生一系列的低次谐波磁场，这些谐波磁场与主波磁场相互作用而产生力波，这些变化的力作用在定子铁芯上，从而引发定子低频电磁振动。2015年10月21日，坝前水位为1 234 m时，各机组在700 MW有功负荷下定子机座与铁芯的振动值见表3。

表3 小湾电厂2015年10月21日各机组在700 MW有功负荷下运行时定子振动值 /μm

根据GB/T 7894-2009《水轮发电机基本技术条件》及其2015年7月1日起实施的国家标准第1号修改单规定，小湾机组稳定运行期间定子铁芯处定子机座最大水平振动峰-峰值在120 μm以下时可以无限制的长期运行，认为振动值介于120～160 μm之间运行的机组不宜长期持续运行、如有适当机会应采取补救措施；定子铁芯水平振动100 Hz双振幅值要求不大于30μm。

小湾机组定子铁芯水平振动100 Hz双振幅值满足要求。由表2可见，小湾机组稳定运行期间，1、5号机定子机架振动值已接近长期运行区间上限，3号机定子机架振动值处于需要采取补救措施的范围。

经解析法和有限元法对定转子间气隙不均匀引起的低频电磁力的大小进行计算和分析，结果表明：低频电磁力的大小随气隙偏差增加而增大，随圆度的增加而增大。小湾机组如果一个磁极比平均半径凸出1 mm，则由此产生局部磁拉力将增大21.7 kN（2.1 t），会加剧发电机的电磁振动。

2.5 磁极链条键后垫片滑脱，转子一点接地频繁报警

磁极调整垫片还会随着运行时间的增长逐渐外移，过长的调整垫片在转子转动离心力和磁力作用下，贴在磁极绕组内侧造成转子接地，对机组的安全稳定运行造成极大危害。该情况在小湾电厂出现过两次：2014年4月16日，4号发电机转子9号磁极调整垫片过长造成转子一点接地报警；2014年7月14日，1号发电机转子39号、2号磁极调整垫片过长造成转子一点接地报警。磁极调整垫片现场照片见图9。

图9 伸出长度过长的发电机磁极调整垫片

2.6 磁极采用极间支撑结构，不利于现场缺陷处理

小湾发电机转子采用了极间支撑形式，若不起吊转子，将无法对极间支撑存在缺陷进行处理，也不能在发电机机坑内拆装磁极。小湾发电机转子磁极极间支撑部位的图纸见图10、图11中圈内所示。

图10 极间支撑部位图纸

图11 脱落的极间支撑部位

3 针对相关问题的应对措施

通过以上问题的原因分析，现提出设计优化、安装及检修工艺调整及运行管控建议。

3.1 优化设计

（1）立筋结构优化。选用工地配刨副立筋结构（见图12），由于筋键槽的精度相对较高，磁轭叠片难度低，磁轭与转子支架之间热打键加垫片调整也较为容易，安装工艺比较成熟。可解决工地焊接主立筋带来的焊接变形量较大，磁轭与转子支架之间热打键时需加阶梯垫片调整，热打键质量不好控制等一系列问题。

图12 配刨副立筋结构

（2）磁轭设计优化。磁轭采取分段结构与全通风隙结构（见图13），可减小螺杆与孔之间的间隙，降低磁轭的残余变形；磁轭分段压紧，叠压系数将提高，孔杆间发生摩擦发卡影响降低，提高实际的片间压力。可有效解决整段磁轭结构带来的装压后磁轭轴向刚度不均匀问题。

图13 分段磁轭加磁轭通风隙结构

（3）链条键设计优化。采用多T尾打半长键结构（见图14），由于磁极键径向打紧，打紧后不易松动，避免鸽尾链条键结构虚打紧问题，也能加强磁极与磁轭连接的紧密性，运行时转子圆度变化小。

图14 磁极键的多T尾打半长键结构

（4）磁极极间固定方式优化。建议采用围带包护型极间固定结构，可在不吊转子的情况下对极间固定部件存在的缺陷进行及时处理，避免因部件脱落不能及时检查处理引起发电机扫膛事故。

3.2 提高安装及检修工艺

根据《立式水轮发电机检修技术规程》（DL/T 817-2014）要求，小湾电厂转子磁极圆度各半径与平均半径之差应在±1.36 mm以内；原小湾电厂检修调试验收质量标准中，转子各半径与平均半径之差在±1.36 mm以内时达到转子圆度合格标准，转子各半径与平均半径之差在±1.02 mm以内时达到转子圆度优良标准。

由于按照上述标准进行转子圆度调整时，就算满足合格标准要求，可能磁极圆度的最大最小半径之差会接近2.72 mm；满足优秀标准要求时，磁极圆度的最大最小半径之差也可能会接近2.04 mm。以上偏差仍会导致偏大的局部磁拉力，造成定子振动增大。

建议各电厂严控安装工艺，在机组安装及检修过程中最大限度减小转子的不圆度，将转子半径的最大值与最小值之差控制在0.6 mm以内。

利用检修机会，根据运行中的转子动态圆度数据与现场实际测圆数值对转子圆度进行处理；对发电机转子磁轭变形情况进行测量和计算，确保磁轭键热打键紧量，以抵消离心力引起的变形，必要时对磁轭重新进行压紧；对发电机转子磁极链条键进行抽出检查或更换，研发磁极挂装键槽的铣槽专用工具，通过铣槽避免机组运行中对磁极调整垫片造成的剪切。

3.3 加强运行过程管控

机组运行过程中利用在线监测系统对发电机气隙、转子动态圆度变化情况进行监视，重点需要关注转子磁极分离现象，若存在磁极分离迹象，需要利用检修机会对转子进行重新热打紧。

若发电机转子磁极极间固定使用极间支撑方式时，机组长时间停机期间，建议使用工业内窥镜对磁极极间支撑螺杆、螺母、垫片等部件的完好情况进行全面检查。

若机组报出发电机转子一点接地报警信号后，除例行检查外，建议做好磁极键调整垫片的检查，防止磁极垫片突出刮伤磁极表面绝缘部分引起动态接地。

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TK730.8

B

1672-5387（2016）07-0045-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.07.015

2016-05-02

乔进国（1970-），男，高级工程师，从事水电站管理工作。