水轮发电机上导摆度超标原因分析及处理

邵建林，廖 润，谢 林，陈 杰



水轮发电机上导摆度超标原因分析及处理

邵建林，廖 润，谢 林，陈 杰

（二滩水力发电厂，四川 攀枝花 617000）

本文以二滩水电站3号机为例，通过分析对上导摆度有影响的水力、机械、电磁力三个因素，结合频谱图分析及动平衡试验，得出磁极线圈匝间短路和转子质量不平衡是造成3号机上导摆度超标的原因。通过处理磁极线圈匝间短路和转子配重，成功地消除了上导摆度超标的缺陷。为类似电站和机组解决上导摆度超标问题提供参考。

上导摆度；频谱图分析；匝间短路；质量不平衡

0 前言

二滩水电站装有6台由GE公司设计的550MW混流式水轮发电机组。额定水头165m，机组转速为142.9r/min，发电机型号：SF550-42/12782。上导轴承安装在上机架中心体内，采用分块扇形瓦结构，瓦块数量12块，上导瓦相对瓦间隙和：0.32+0.05/-0mm，相临瓦间隙差：不大于0.025mm。瓦块合围在上端轴轴领外圈，座放于下部瓦架上，瓦背抵靠在抗重螺栓上，机组运行过程中的径向荷载通过抗重螺栓和上导支撑传递至上机架，如图1所示。

3号机上导摆度第一高限报警设定值为180 um。通过跟踪观察，2012年5月至2014年11月上导摆度+X长期处于超标状态，最大值达到250 um。上导摆度超标运行对机组的安全、稳定存在隐患，需要对其进行检查、处理。

1 上导摆度超标原因分析

引起机组振摆变化的因素有水力因素、机械因素和电磁因素。

图1 上导轴承结构图

1.1 水力因素分析

影响机组振摆的水力因素有：尾水管内低频涡带；尾水管中频、高频压力脉动；水轮机止漏环间隙不均；蜗壳、导叶、转轮水流不均；压力管道中水流脉动；水头变化；负荷变化。水力不平衡引起的机组振摆变化首先体现在水导摆度的变化。将2012年5月至2014年11月期间水导摆度、上导摆度、水头、负荷绘制成变化趋势图，发现水导摆度、负荷、水头的变化趋势与上导摆度的变化趋势并不一致，由此可排除水力因素是导致上导摆度变化的原因。

1.2 机械因素分析

影响机组振摆的机械因素有机组轴线变化、转子质量不平衡、转动部件与固定部件磨碰、导轴瓦间隙变化。

1.2.1 利用频谱图分析上导摆度超标原因

频谱分析就是把复杂的时间历程波形，经过傅里叶变换分解为若干单一的谐波分量来研究，以获得信号的频率结构以及各谐波和相位信息。根据频谱图上的频率、幅值结合机组振摆特征，可有效分析引起振摆的可能原因，见表1。

表1 机组振动原因、频率、特征关系表

利用机组状态在线监测系统，取出上导摆度频谱图（如图2所示）进行分析。

图2 上导摆度频谱图（处理前）

从频谱图中可以看出：上导摆度主要频率为1倍频即转频，1倍频幅值为177.9μm。结合表一相关内容分析认为上导摆度超标的可能原因为：（1）转子质量不平衡；（2）机组轴线问题；（3）导轴瓦间隙问题；（4）气隙不均导致的磁拉力不平衡；（5）磁极线圈匝间短路导致的磁拉力不平衡。

1.2.2 盘车检查机组轴线

2014年度机组检修期间，对上导摆度进行了盘车测量。（1）在下导轴领、上导轴领处沿圆周划8等分线。（2）在下导轴领、上导轴领对应位置固定部件上+X、+Y方向架设百分表，测针垂直指向转动部件被测表面。（3）百分表调零，启动高压油润滑系统，盘车测量（盘三圈，记录第二、三圈数据）并记录0°、180°方位下导轴领、上导轴领各测点的百分表读数。（4）根据测量数据，利用矢量分解法计算上导摆度。

根据计算结果，上导盘车摆度为47 um，满足要求，确定上导摆度超标并非由机组轴线变化引起。

1.2.3 转子质量不平衡检查

质量力相对于旋转中心线的对称状况是影响机组稳定性的重要因素之一，可通过变转速试验检查机组转动部件的质量平衡状态对机组各部位振动和摆度的影响。当转动部件的质量不平衡较大时，主轴摆度随转速变化而变化的趋势很明显，且径向轴承支架振动幅值与机组转速的平方近似成正比关系。

2014年12月18日，对3号机组进行了变转速试验，随着转速的上升，机组上导摆度、下导摆度、上机架振动均明显增大；对比50％和100％额定转速，上导摆度转频峰峰值增大约110um，下导摆度转频峰峰值增大约200um，上机架水平振动增大约50um；机组存在明显质量不平衡，见表2。由此可见转子质量不平衡是造成上导摆度超标的一个原因。

表2 变转速试验数据

1.2.4 导轴瓦间隙检查

2014年度机组检修期间，对上导瓦间隙进行测量，发现上导瓦间隙较上一轮机组检修时的安装间隙并未发生明显变化，可见上导摆度超标并非由瓦间隙变化引起。

1.3 电磁因素分析

磁拉力不平衡是影响机组稳定性的重要因素之一，可通过升压变励磁试验检查机组磁拉力不平衡对机组振动和摆度的影响。

1.3.1 变励磁试验检查电磁因素

2014年12月18日，对3号机组进行了升压变励磁试验，随着励磁电压的上升，机组上导摆度、下导摆度、上机架振动随励磁电压的上升而有所增大；对比25％和100％励磁电压，上导摆度转频峰峰值增大约25um，下导摆度转频峰峰值增大约25um，上机架水平振动增大约13um，机组存在磁拉力不平衡，见表3。由此可见磁拉力不平衡是造成上导摆度超标的另一个原因。

表3 变励磁试验数据

1.3.2 定转子间隙检查

二滩水电站定转子之间间隙设计值为33.5mm，经测量定转子间隙并无异常，因此摆度超标的原因不是定转子间隙不均。

1.3.3 磁极检查

对所有磁极进行交流阻抗试验，对阻抗偏低的磁极进行反复确认，排除受附近磁极影响而交流阻抗偏低的磁极。经检测，#6、#8、#10、#16、#25、#27、#28、#39共8个磁极交流阻抗值偏低，存在匝间短路现象，其余磁极合格。由此可见磁极线圈短路是造成磁拉力不平衡的一个原因。

2 上导摆度超标问题处理

2.1 磁极线圈匝间短路处理

（1）拆除与问题磁极连接的磁极连线及磁极压板。

（2）对问题磁极及问题磁极的磁极键进行编号。

在主键焊上吊装工具后，分批将磁极键拔出。拔磁极键时采用桥机主起升钩，慢速起吊，防止起升过快碰伤其他设备。同时做好防护措施，防止损伤周围磁极及定子线棒。

（3）用专用工具将磁极缓慢吊出，放置在垫有胶皮的木方上，木方高度应一致，使磁极整体保持水平；对线圈和铁心进行编号。

（4）用专用工具对线圈进行脱库处理，使铁心和线圈分离。专用工具的六个承重面用胶皮进行防护，保证承重面至少有一半面积与线圈接触，防止挂住上托板并一起吊出。用桥机主钩缓慢起升，注意观察线圈与铁心的碰触情况，防止线圈层间被拉裂。

（5）用5T拉力计分别对每个线圈、铁心进行称重并记录。

（6）清除铁心表面及托板上的玻璃胶和杂质；清理环氧板与铁心间的杂质；在环氧板分层起皮的部位涂刷793环氧胶；铁心表面重新涂刷J0405磁极铁心表面绝缘漆；重新在托板和铁心间填补玻璃胶，使间隙平整。

（7）将新线圈用酒精清扫干净，待酒精挥发后，在线圈内外表面均匀涂刷792双组份环氧树脂胶，室温固化不小于24h。注意清除线圈底部凝固的环氧胶，重新刷胶时防止环氧胶在底部重新凝固成水滴状。

（8）统计出铁心、旧线圈和新线圈的重量，根据原磁极重量对新线圈和铁心进行分配组装。

（9）新磁极组装完成后，分别进行直流电阻、绝缘电阻、交流阻抗和功率损耗试验，确保试验结果合格。

（10）根据原磁极重量，确定新磁极的安装位置，确保新旧磁极重量基本一致，将新磁极安装到位并打进磁极键，恢复磁极连线及磁极压板。回装完成后，对磁极进行整体试验，试验合格。

2.2 转子质量不平衡处理

经变转速、变励磁试验测量，3号机所装测点振摆幅值均满足DL/T 507-2002《水轮发电机组启动试验规程》的要求，但机组存在较大的质量不平衡和一定的磁力不平衡。为提高机组运行稳定性，决定进行动平衡处理。

根据综合平衡分析的结果，兼顾机组空转、空载工况，在转子磁极中部、自编相位30°处加配重约47kg，在自编相位70°处加配重约100kg。

配重后机组在100％额定转速工况下，上导摆度降幅约100um，下导摆度降幅约140um，上机架水平振动降幅约20um；在100％空载额定电压工况下，上导摆度降幅约70um，下导摆度降幅约60um，上机架水平振动降幅约20um；配重效果明显。动平衡处理有效地减小了质量不平衡，控制了磁力不平衡的影响。

3 3号机上导摆度运行状况（问题处理后）

动平衡处理后，从机组在线监测系统中取出上导摆度频谱图（如图3所示）。

图3 上导摆度频谱图（处理后）

从频谱图中可以看出：上导摆度主要频率为1倍频即转频，1倍频最大幅值为41μm，较处理前下降明显。

绘制2014年10月至2016年7月3号机上导摆度趋势图（如图6所示），跟踪观察3号机上导摆度处理前后的运行状况

从图表中可以看出，3号机通过动平衡处理和磁极线圈匝间短路处理后，上导摆度下降明显，运行稳定。3号机上导摆度超标问题得到彻底解决。

图4 上导摆度趋势图（处理后）

4 结论

水轮发电机组最常见、最主要的故障就是振动故障，振动直接影响机组的安全、稳定运行。本文通过频谱图分析及现场试验分析发现造成3号机上导摆度超标的原因为转子质量不平衡和磁极匝间短路，而不是机组轴线、瓦间隙、水力不平衡等问题。通过磁极线圈匝间短路处理和转子动不平衡处理，彻底解决了3号机上导摆度超标的问题。

水轮发电机在线监测系统的应用已非常普遍，但利用在线监测系统里的频谱图、轴心轨迹图、轴线姿态图分析机组轴线状况的经验却很欠缺。我们应更深入地了解频谱图、轴心轨迹图、轴线姿态图这些分析图，利用它们分析并解决机组的振摆问题，积累经验，为真正实现状态检修奠定良好的基础。

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Cause Analysis and Treatment of the Upper Guide Swing Beyond Standard on the Generating Unit of Ertan Hydropower Station

SHAO Jianlin, LIAO Run, XIE Lin, CHEN Jie

(Ertan Hydropower Plant, Panzhihua 617000, China)

The upper guide swing of unit 3 of Ertan Hydropower Station had been beyond the standard for a long time since May 2012.In order to solve the problem of excessive swing, by analyzing the influencing factors of hydraulic, mechanical and electromagnetic force, combined with frequency spectrum analysis and field test, it is concluded that the pole coil inter-turn short circuit and rotor mass imbalance were the cause of large swing of upper guide in unit 3. By processing the magnetic poles and coils inter-turn short circuit and rotor counter weight, the defect that the guide swing of unit3 is beyond standard was eliminated successfully.

the upper guide swing; spectrum analysis; inter-turn short circuit; mass imbalance

TM301.4+2

A

1000-3983(2018)01-0059-06

2017-05-15

邵建林（1984-），2008年6月毕业于四川大学水电学院热能与动力工程专业，现从事水轮发电机组检修维护工作，工程师。