分析水轮发电机电磁振动及噪声改造

严永堂

摘要：水轮发电是将水能转换成电能的重要装置，如今随着科技的進步，水轮发电的发展非常迅速，但水轮发电机组的安全稳定运行更显得重要，尤其是水轮发电机的工作过程中会由于机组、水力和电流的原因而产生振动，引起噪音的产生，对水轮发电机组的运行构成威胁。该文主要是研究水轮发电机在电磁振动方面的内容，分析其所带来的影响，并追根溯源，找到导致电磁振动的原因，进而研究能够减少振动的对策，做好噪声改造工作，为水轮发电机组安全稳定运行提供有力保障。

关键词：水轮发电机;电磁振动;噪声

1 电磁振动的原因

水轮发电机组发生电磁振动，大多是因为在其设计、制造或安装过程中出现电磁力不平衡、参数匹配不恰当等。其中主要的原因可以概括为以下五点：第一，转子圆度不符合要求或者转子的旋转中心偏离定子的中心。第二，因为受力不平衡，而导致的发电机转动部分振动，并且该振动的振动幅度会随着励磁电流的增大而不断增大。第三，在电路出现短路的情况时，很有可能会使得某些磁极的磁动势减小，但是与其相对应的磁极的磁动势并没有随之发生变化，那么就会出现一个跟转子旋转的辐向不平衡的电磁力，从而导致转子振动。第四，定子铁芯松动或者定子铁芯组合之间的缝隙大小发生改变，而诱发的振动会因为机组转速的变化而相应的发生变化，这时的振动频率几乎电流频率成倍数关系。第五，假如定子绕组固定得不够牢固，机组和绕组在电磁负荷比较高的时候，将出现不同频率的振动，并且该振动频率会因为机组转速和电磁负荷的变化而不断变化。

2 电磁振动的影响

机械在运转过程中经常会由于内部组件的摩擦而产生振动，也会由于内部的气流或是电磁力的引力而导致振动，这些振动难以消除，但是在一定程度上是可以进行控制的。众所周知，机械的振动会对水轮发电机组自身安全运行造成极大的危险。同样，水轮发电机产生的电磁振动，也会造成很大的影响。一方面是振动所引起的噪声影响。噪声会对环境造成破坏，属于声污染，会对周围工作人员尤其是对运行值班人员的的身体健康产生很大的影响。另一方面是振动对水轮发电机的危害性很大，严重影响到水轮发电机组的安全稳定运行，这个是最为重要的一个方面，不可忽视。

3 水轮发电机电磁振动及噪声的分析和改造案例研究

3.1 案例概况

高桥湾水电站装有两台水轮发电机机组，两台新机组投运试运行时发现，机组在空转试运行时机组运转稳定，机组振动值0.04mm，轴瓦温度均稳定在40℃左右，符合规范要求。1号水轮发电机组带上励磁建立电压后，水轮发电机出现明显的振动，振动值达到0.08mm，已超过规范标准，同时水轮发电机发出的噪声出现异常变大，噪声值达到68dB左右，所有轴瓦的稳定基本上上升了5℃左右。机组带负荷后，随着负荷的不断增加，振动值也加剧，最大值达到0.16mm，噪声也变大，噪声值达到108dB左右，轴瓦温度达60℃以上。2号水轮发电机组带上励磁建立电压后，水轮发电机出现明显的振动，振动值达到0.09mm，已超过规范标准，同时水轮发电机发出的噪声出现异常变大，噪声值达到72dB左右，所有轴瓦的稳定基本上上升了8℃左右。机组带负荷后，随着负荷的不断增加，振动值也加剧，最大值达到0.21mm，噪声也变大，噪声值达到115dB左右，轴瓦温度达60℃以上，从两台水轮发电机组空转到空载再到带负荷试验情况来分析，机组出现此异常现象来分析可得：一是两台机组振动、轴瓦温度升高及噪音超标没有因转速的变化而发生变化，从理论上可以排除因机械受力不均、转动部分动不平衡而引起的机组振动、噪音超标及轴瓦温度偏高的原因。二是两台水轮发电机机组振动、噪音及轴瓦温度随着发电机励磁建电压及带负荷的增加而发生变化，且振动、噪音都超过规范标准，机组的轴瓦温度也达到60℃以上，致使两台水轮发电机无法正常运行，从这些分析可得机组振动、噪音超标，轴瓦温度偏高的主要原因发电机定、转子之间的电磁场不平衡引起的。通过对原设计气隙中谐波的力波波谱进行分析得出定子18绕组产生的反转磁场与转子基波磁场相互作用产生的力波，是产生100Hz振动的主要原因;定子36绕组产生反转磁场（一阶齿谐波）与转子35对极磁场（11次谐波）相互作用产生的力波，是产生500Hz电磁振动的主要原因。

3.2 存在的问题

高桥湾水电站机组投运后出现了较大的噪声和振动，发电机及轴瓦温度也发生变化。其中1号机噪声明显比2号机要大。

经对1号机噪声测试表明，噪声中心频率为580Hz，并随着运行负荷增加而逐步增大，其现场测量值均在1O8dB以上，远超过国家混频标准85dB，比同类型大10～20dB以上，

振动测试结果表明，带负荷工况下，机座径向振动的主要频率为100Hz与500Hz。其中100Hz振动在发电机定子外壳处其振动加速度测量值为0.784m/sz，是同类型电站机组测量值0.11m/sz的7倍;500Hz振动加速度测量值1.89m/s2，是同类机型（电站为0.328m/s2）的6倍。

3.3 定子铁心电磁振动分析

3.3.1 力波波谱分析

电磁噪声本质上是由电磁振动引起的。在分析电磁振动之前，这里首先对磁场中的力波进行分析。对于q=b+c/d的三相分数槽绕组，其中电枢反应磁场谐波极对数为v1=（6k1/d+1）P，（k1=0，±1，±2，……），其中负号表示反转磁场;对于转子磁场，由于磁极的对称性，其磁场只存在奇次谐波，其谐波极对数为v2（2k2+1）P，（k2=0，1，2，……）。根据定子铁心振动的一般规律，当极对数为两个磁场相互作用时，产生的力波的节点对数及力波频率如表1所示。

力波节点对数M越小，引起铁心振幅越大，所以主要对力波节点对数M较小的力波进行分析。在定子端，鉴于定子基波电流频率为50Hz，故由于绕组空间分布引起的空间磁势谐波频率恒为50Hz;在转子端，由于磁势谐波随着转子同步旋转，因此转子谐波频率正比于谐波极对数（即50Hz、150Hz、250Hz、350Hz……）。

通过力波波谱分析可知：1）100Hz振动主要由定子v1=12、30、51对极反转磁场与转子基波磁场相互作用产生;2）500Hz振动主要由定子v1=276对极反转磁场（一阶齿谐波）与转子v2=288对极磁场（11次谐波），以及v1=340对极正转磁场（一阶齿谐波）与转子v2=316对极磁场（13次谐波）相互作用产生。

3.3.2 500Hz电磁振动分析

根据波谱分析，引起500Hz振动的，主要是定子228极以及296极谐波与转子252极（11次谐波）相互作用产生的。其中定子296对极谐波为一阶齿谐波，其绕组系数与基波相同，与转子11次谐波之间相互作用力也最大，因此，500Hz振动主要考虑定子一阶齿谐波与转子11次谐波作用结果。通过波谱分析可知，500Hz振动力波节点对数为20对。根据电站提供的定子结构参数计算该力波对应的铁心固有频率发现：M=20时定子铁心计算固有频率约为534Hz，与齿谐波引起的高频磁力激振频率500Hz比较接近，容易引起铁心共振。

3.4 改造措施

3.4.1 重新选择定子槽数

定子槽数由改造前的380槽更改为392槽。定子槽数的选择主要考虑了几个因素：首先，新槽数的选择必须使次谐波引起的100Hz振动大幅度降低，而且低节点力波对应的定子铁芯固有频率远离100Hz（一般认为不在80～130Hz这个范围内是安全的）;其次，定子一阶齿谐波分量与转子高次谐波作用引起的力波所对应的铁芯固有频率远离激振力频率。

3.4.2 增加定子铁芯轭齿比

原有铁芯轭齿比偏小，只有0.72，从而使得齿部不能得到有效的压紧，在交变电磁力作用下，齿部振动会加剧。长此以往，齿部冲片有可能会割破线棒主绝缘，造成绕组接地故障，同时齿部由于反复振动产生机械疲劳而断裂。改造后轭齿比提高到0.864。

3.4.3 改善铁芯压紧方式

定子铁芯采用穿心螺杆+碟形弹簧的压紧方式，保證铁芯长期压紧，补偿铁芯漆膜收缩，保证定子铁芯长期运行而不松动;铁芯两端部黏结，加强铁芯的整体性，从而加强铁芯端部刚度，减小铁芯振动。

总之，随着社会的进步，人民对社会日益增长的用电需求，水轮发电的发展突发猛进，水轮发电正向超大型水轮发电机组发展，但水轮发电机组的安全稳定运行更显得重要，而干扰水轮发电机组运行和发电性能的主要原因就是机组的振动问题。引起水轮发电机组振动的原因极其复杂，其中电磁振动是常见的故障之一。机组电磁振动严重时会导致水轮发电机组无法正常运行，也可能使得机组结构部件受到损坏，也会产生电磁振动产生噪音，甚至可能发生重大安全事故。

参考文献：

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