某抽水蓄能发电机定子铁心振动故障分析与研究

李冬冬，王青华，姜朝晖，杨 斌，夏斌强，陈裕文

(1.上海明华电力技术工程有限公司，上海200090；2.华东宜兴抽水蓄能有限公司，江苏宜兴214205)

某抽水蓄能发电机定子铁心振动故障分析与研究

李冬冬1，王青华1，姜朝晖1，杨 斌2，夏斌强2，陈裕文2

(1.上海明华电力技术工程有限公司，上海200090；2.华东宜兴抽水蓄能有限公司，江苏宜兴214205)

针对某抽蓄电站发电机定子铁心振动增大故障，详细分析了水轮发电机定子铁心振动的特征，在机组稳定性试验基础上，采用故障特征频率分析法，准确识别出了定子铁心松动故障。根据现场情况，采用紧固定子铁心拉杆螺栓的方法，成功将定子铁心振动降到3 mm/s以下，为类似故障诊断提供了良好的借鉴。

发电机;定子铁心;振动故障；抽水蓄能电站

0 引 言

某抽水蓄能电站装机4台容量250 MW的可逆式水泵水轮机组，机组为立轴、单级混流式，额定转速为375 r/min。某台机组在正常运行时，发现抽水和发电工况下定子铁心振动在开机后15 min内急剧增大到6.5 mm/s，然后逐渐减小，最后趋于稳定，其稳定后的振动值也较以往运行过程增大约1倍，其他部件摆度和振动均无异常变化。这种变化过程虽暂时不至于对机组运行造成重大事故，但也给机组长期稳定运行埋下了安全隐患。

发电机定子铁心的振动故障是水轮发电机发生事故和损坏的主要原因之一[1]。铁心振动可导致绕组绝缘老化、拉杆螺栓断裂等事故，严重时可致铁心烧损和定子绕组击穿[2]，哈尔滨电工学院电机教研室[3]利用“单元电机法”分析了定子铁心的振动，得出了与文献1较为一致的结果，但两者都未给出详细的定子铁心振动分析方法及其他特征。Sakamoto[4]利用Maxwell应力法分析了磁场偏心产生的径向谐波电磁力，并对高阶谐波电磁力作用下定子铁心的电磁振动进行了分析。文献[5- 6]利用磁固耦合理论较为详细地研究了水轮发电机及异步电机定子系统振动问题，但并未给出定子铁心振动的特征及判别方法。文献[7- 10]主要讨论了水轮机故障诊断的方法，而对于铁心振动只是给出了部分频率特征，未能对铁心振动进行详细全面的分析。

从以上分析可以看出，目前对于水轮发电机定子铁心振动特征的研究还不够全面，大多数研究主要集中于定子铁心振动故障特征频率分析上，鲜见研究定子铁心振动故障其他特征的文章，以及快速准确识别定子铁心故障的方法。

1 水轮发电机定子铁心振动的特征

水轮发电机的定子铁心振动从频率上可分为转频振动和极频振动[3]。转频振动通常是低频振动，此类故障相对较少。定子铁心极频振动主要由电磁力波引起。对作用于定子铁心的力波和由它引起的振动同时3个方向的分量，通常只考虑径向分量[3，5]。采用谐波分析法，发电机气隙磁场分解为一系列行波[1]

Bo=∑Besin(peφ±2πfet)

(1)

式中，Be为气隙密度；pe为磁密波极对数；fe为磁密波经过定子时感应的定子绕组中的电势频率；φ为机械角度；±为顺、反转波。

气隙磁场的电磁力Fr可表示为

(2)

从上式可以看出，磁场产生的力波由单个磁场和两磁场联合产生。单个磁场Bom产生的力波为

(3)

式中，μ0为空气磁导率；Bm为气隙磁通密度；t为时间。

由两个磁场Bom和Bon联合产生的力波为

cos[(pm+pn)φ-2π(fm±fn)t])

(4)

从式(3)、(4)可以看出，若定子电流频率为50 Hz，无论单个磁场，还是两个磁场，都可产生频率为100 Hz的铁心振动。由此可以看出，在定子铁心振动故障中，可先采用故障特征频率分析法，分析各工况下100 Hz故障特征频率的情况，然后根据初步的故障判断，结合其他定子铁心振动故障特征的表现，可进行更为准确的故障判定。

2 4号机组稳定性试验

4号机组于9月6日17∶13左右开机，随后进入SCP工况，约17∶27左右转入抽水工况，运行约2 h后停机。图1为SCP工况下定子铁心振动情况，可以看出，定子铁心振动先增大后减小，定子铁心2Z方向振动最大值为7.9 mm/s，振动幅值较大，机组其他振摆数据正常。定子铁心振动阶次谱图都出现了16阶(100 Hz)的峰值，且16阶为主要频率成分。

图1 SCP工况下定子铁心振动

图2为抽水工况下定子铁心振动情况，定子铁心振动先增大后减小，最后趋于平稳，定子铁心2X方向振动最大值为6.35 mm/s，振动值较大，其余方向振动均小于2.5 mm/s。与SCP工况相比，其余方向的振动平均值增大也较明显。定子铁心振动阶次谱上都出现了16阶(100 Hz)、32阶(200 Hz)的峰值，且其为主要频率成分。

图2 抽水工况下定子铁心振动

19∶55分左右4号机再次开机，开机后进入空转状态(无励磁)，约20∶10进入发电工况。图3为空转及发电工况定子铁心振动情况。从图中可以看出，在空转状态，定子铁心振动平稳，且数值较小，最大值为1 mm/s，而发电状态，定子铁心振动经历了增大到减小最后趋于平稳的过程，振动最大值同样为2X方向，最大值为6.59 mm/s，振动幅值非常大，其余方向振动值均小于2 mm/s。定子铁心振动阶次谱图上都出现了1阶(6.25 Hz)的峰值，为机组自身转频。发电工况下定子铁心振动阶次谱图上都出现了16阶(100 Hz)、32阶(200 Hz)、48阶(300 Hz)的峰值，且16阶为主频，1阶振幅已远远小于16阶、32阶和48阶等的振幅。

图3 空转及发电工况定子铁心振动

3 故障原因分析及处理

3.1 故障原因分析

定子铁心的振动从增大到减小再保持平稳，这一现象除了发电方向空转工况下，其他工况(发电空载、带负荷发电、SCP和抽水)也都出现了。从这一现象初步判断定子铁心的振动与电气振动相关。对SCP、抽水、发电方向空转和带负荷发电等工况进行阶次谱分析，除发电方向空转工况外，其他工况的振动阶次图谱中都出现了16阶(100 Hz)的峰值，且为主要频率成分，100 Hz的峰值频率明显跟电磁频率相关。空转工况下的阶次谱图峰值以1阶转频为主，与其他3个工况最大的不同在于转子无励磁电流，定子无机端电压，也就是说此时机组的定子与转子之间没有任何交变磁场。据此可判断定子铁心振动偏大的原因为电磁场作用。

由第1节的分析可知，在极频振动产生的原因中，定子绕组次谐波磁势，定子并联支路内环流产生的磁势，定子不圆的情况，都不会出现在某一稳定工况，振幅值随时间增大再减小的过程；SCP、抽水、发电工况阶次谱图都出现了16阶(100 Hz)的峰值，为交流电频率50 Hz的2倍，符合第1节所述的因定子铁心松动导致机组振动大的特征，更进一步判断定子铁心振动大的原因为定子铁心松动。

SCP、抽水、发电工况下定子铁心振动都经历了上升到下降再到稳定的过程，振动图呈现抛物线状，而空转状态振动较为平稳，无大的起伏。SCP、抽水、发电工况下定子铁心振动最大值都超过了6 mm/s，而空转状态下定子铁心振动最大不超过1 mm/s，比其他3个工况都低很多。抽水、发电工况下定子铁心振动最大值出现的时间均在抽水或者发电工况开始后13～15 min时刻。根据空转状态的特点，结合阶次谱图的信息特点，可排除100 Hz的峰值频率为电磁干扰所致，进一步判断定子铁心振动较大的原因为定子铁心松动。

3.2 故障处理方法

因处于“迎峰度夏”阶段，机组负荷较多，加之定子铁心振动值不是特别大，在停机后，进行基本检查，没有发现重大缺陷，故只对铁心拉紧螺栓进行了均匀紧固。处理好后，9月10日再次开机，图4为下午抽水工况定子铁心振动图，抽水负荷为270 MW，图5为发电工况定子铁心振动图，发电负荷230 MW，从图4和图5中可以看出，定子铁心振动值相对稳定，各方向振动最大值不超过3 mm/s，证实了由于定子铁心松动导致机组振动增大的故障。

图4 抽水工况定子铁心振动

图5 发电工况定子铁心振动

4 结 论

水轮发电机定子铁心振动故障有多种形式，在各工况稳定性试验基础上，采用故障特征频率分析法判断出了某抽蓄定子铁心松动故障原因。并根据现场情况，采取紧固铁心拉杆螺栓的方法，将定子铁心振动减小到3 mm/s以下，成功解决了定子铁心松动导致的振动增大的故障。

[1]许实章. 水轮发电机定子铁心的磁振动[J]. 华中工学院学报, 1973(1): 46- 75．[2]潘建东. 水轮机组定子铁心松动故障分析及处理[J]. 广西电力, 2007(4): 42- 44．

[3]哈尔滨电工学院电机教研室. 水轮发电机的振动[J]. 大机电技术, 1974(1): 7- 23．

[4]SAKAMOTO S, HIRATA T, KOBAYASHI T, et al. Vibration analysis considering higher harmonics of electromagnetic forces for rotating electric machines[J]. IEEE Transactions on magnetic, 1999, 35(3): 1662- 1665．

[5]黄学君. 水轮发电机定子系统的振动[D]. 天津: 天津大学, 2004．

[6]李佰洲. 异步电机定子系统磁固耦合振动机理研究[D]. 天津: 天津大学, 2014．

[7]陈锡洲. 水力发电厂水轮机振动异常故障分析和处理[J]. 通讯世界, 2015(12): 130- 131．

[8]夏鑫. 水轮发电机组模型参数辨识与故障诊断方法[D]. 武汉: 华中科技大学, 2015．

[9]尤莉莎. 混流式水轮发电机组振动试验及故障诊断[D]. 邯郸: 河北工程大学, 2015．

[10]杨翼. 水轮机状态监测与故障诊断系统[D]. 武汉: 华中科技大学, 2007．

[11]周理兵, 马志云, 贺建华. 响洪甸抽水蓄能变极同步发电/电动机谐波磁场引起的铁心振动与电磁噪声分析计算[J]. 大机电技术, 2002(6): 30- 36．

(责任编辑 高 瑜)

Analysis and Research of Generator Stator Core Vibration Fault in a Pumped-storage Power Station

LI Dongdong1, WANG Qinghua1, JIANG Zhaohui1, YANG Bin2, XIA Binqiang2, CHEN Yuwen2
(1. Shanghai Minghua Electric Power Technology Engineering Co., Ltd., Shanghai 200090, China;2. East China Yixing Pumped Storage Power Co., Ltd., Yixing 214205, Jiangsu, China)

In order to solve the vibration fault of generator stator core in a pumped-storage power station, the vibration characteristics of hydro-generator stator core are analyzed in detail. On the basis of unit stability tests, the characteristic frequency analysis method is used to carry out fault identification. The stator core looseness fault is identified accurately. According to on-site situation, the method of fastening iron core rod bolt is adopted to reduce the vibration of stator core to below 3 mm/s, which provides a good reference for similar fault diagnosis．

generator; stator core; vibration fault; pumped-storage power station

2016-11- 4

李冬冬(1983—)，男，河南沁阳人，高级工程师，博士，研究方向为清洁能源发电技术故障诊断、设备开发等．

TV734

A

0559- 9342(2017)08- 0088- 03