李冬冬，王青華，姜朝暉，楊 斌，夏斌強(qiáng)，陳裕文

(1.上海明華電力技術(shù)工程有限公司，上海200090；2.華東宜興抽水蓄能有限公司，江蘇宜興214205)

某抽水蓄能發(fā)電機(jī)定子鐵心振動故障分析與研究

李冬冬1，王青華1，姜朝暉1，楊 斌2，夏斌強(qiáng)2，陳裕文2

(1.上海明華電力技術(shù)工程有限公司，上海200090；2.華東宜興抽水蓄能有限公司，江蘇宜興214205)

針對某抽蓄電站發(fā)電機(jī)定子鐵心振動增大故障，詳細(xì)分析了水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心振動的特征，在機(jī)組穩(wěn)定性試驗基礎(chǔ)上，采用故障特征頻率分析法，準(zhǔn)確識別出了定子鐵心松動故障。根據(jù)現(xiàn)場情況，采用緊固定子鐵心拉桿螺栓的方法，成功將定子鐵心振動降到3 mm/s以下，為類似故障診斷提供了良好的借鑒。

發(fā)電機(jī);定子鐵心;振動故障；抽水蓄能電站

0 引 言

某抽水蓄能電站裝機(jī)4臺容量250 MW的可逆式水泵水輪機(jī)組，機(jī)組為立軸、單級混流式，額定轉(zhuǎn)速為375 r/min。某臺機(jī)組在正常運行時，發(fā)現(xiàn)抽水和發(fā)電工況下定子鐵心振動在開機(jī)后15 min內(nèi)急劇增大到6.5 mm/s，然后逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定，其穩(wěn)定后的振動值也較以往運行過程增大約1倍，其他部件擺度和振動均無異常變化。這種變化過程雖暫時不至于對機(jī)組運行造成重大事故，但也給機(jī)組長期穩(wěn)定運行埋下了安全隱患。

發(fā)電機(jī)定子鐵心的振動故障是水輪發(fā)電機(jī)發(fā)生事故和損壞的主要原因之一[1]。鐵心振動可導(dǎo)致繞組絕緣老化、拉桿螺栓斷裂等事故，嚴(yán)重時可致鐵心燒損和定子繞組擊穿[2]，哈爾濱電工學(xué)院電機(jī)教研室[3]利用“單元電機(jī)法”分析了定子鐵心的振動，得出了與文獻(xiàn)1較為一致的結(jié)果，但兩者都未給出詳細(xì)的定子鐵心振動分析方法及其他特征。Sakamoto[4]利用Maxwell應(yīng)力法分析了磁場偏心產(chǎn)生的徑向諧波電磁力，并對高階諧波電磁力作用下定子鐵心的電磁振動進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[5- 6]利用磁固耦合理論較為詳細(xì)地研究了水輪發(fā)電機(jī)及異步電機(jī)定子系統(tǒng)振動問題，但并未給出定子鐵心振動的特征及判別方法。文獻(xiàn)[7- 10]主要討論了水輪機(jī)故障診斷的方法，而對于鐵心振動只是給出了部分頻率特征，未能對鐵心振動進(jìn)行詳細(xì)全面的分析。

從以上分析可以看出，目前對于水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心振動特征的研究還不夠全面，大多數(shù)研究主要集中于定子鐵心振動故障特征頻率分析上，鮮見研究定子鐵心振動故障其他特征的文章，以及快速準(zhǔn)確識別定子鐵心故障的方法。

1 水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心振動的特征

水輪發(fā)電機(jī)的定子鐵心振動從頻率上可分為轉(zhuǎn)頻振動和極頻振動[3]。轉(zhuǎn)頻振動通常是低頻振動，此類故障相對較少。定子鐵心極頻振動主要由電磁力波引起。對作用于定子鐵心的力波和由它引起的振動同時3個方向的分量，通常只考慮徑向分量[3，5]。采用諧波分析法，發(fā)電機(jī)氣隙磁場分解為一系列行波[1]

Bo=∑Besin(peφ±2πfet)

(1)

式中，Be為氣隙密度；pe為磁密波極對數(shù)；fe為磁密波經(jīng)過定子時感應(yīng)的定子繞組中的電勢頻率；φ為機(jī)械角度；±為順、反轉(zhuǎn)波。

氣隙磁場的電磁力Fr可表示為

(2)

從上式可以看出，磁場產(chǎn)生的力波由單個磁場和兩磁場聯(lián)合產(chǎn)生。單個磁場Bom產(chǎn)生的力波為

(3)

式中，μ0為空氣磁導(dǎo)率；Bm為氣隙磁通密度；t為時間。

由兩個磁場Bom和Bon聯(lián)合產(chǎn)生的力波為

cos[(pm+pn)φ-2π(fm±fn)t])

(4)

從式(3)、(4)可以看出，若定子電流頻率為50 Hz，無論單個磁場，還是兩個磁場，都可產(chǎn)生頻率為100 Hz的鐵心振動。由此可以看出，在定子鐵心振動故障中，可先采用故障特征頻率分析法，分析各工況下100 Hz故障特征頻率的情況，然后根據(jù)初步的故障判斷，結(jié)合其他定子鐵心振動故障特征的表現(xiàn)，可進(jìn)行更為準(zhǔn)確的故障判定。

2 4號機(jī)組穩(wěn)定性試驗

4號機(jī)組于9月6日17∶13左右開機(jī)，隨后進(jìn)入SCP工況，約17∶27左右轉(zhuǎn)入抽水工況，運行約2 h后停機(jī)。圖1為SCP工況下定子鐵心振動情況，可以看出，定子鐵心振動先增大后減小，定子鐵心2Z方向振動最大值為7.9 mm/s，振動幅值較大，機(jī)組其他振擺數(shù)據(jù)正常。定子鐵心振動階次譜圖都出現(xiàn)了16階(100 Hz)的峰值，且16階為主要頻率成分。

圖1 SCP工況下定子鐵心振動

圖2為抽水工況下定子鐵心振動情況，定子鐵心振動先增大后減小，最后趨于平穩(wěn)，定子鐵心2X方向振動最大值為6.35 mm/s，振動值較大，其余方向振動均小于2.5 mm/s。與SCP工況相比，其余方向的振動平均值增大也較明顯。定子鐵心振動階次譜上都出現(xiàn)了16階(100 Hz)、32階(200 Hz)的峰值，且其為主要頻率成分。

圖2 抽水工況下定子鐵心振動

19∶55分左右4號機(jī)再次開機(jī)，開機(jī)后進(jìn)入空轉(zhuǎn)狀態(tài)(無勵磁)，約20∶10進(jìn)入發(fā)電工況。圖3為空轉(zhuǎn)及發(fā)電工況定子鐵心振動情況。從圖中可以看出，在空轉(zhuǎn)狀態(tài)，定子鐵心振動平穩(wěn)，且數(shù)值較小，最大值為1 mm/s，而發(fā)電狀態(tài)，定子鐵心振動經(jīng)歷了增大到減小最后趨于平穩(wěn)的過程，振動最大值同樣為2X方向，最大值為6.59 mm/s，振動幅值非常大，其余方向振動值均小于2 mm/s。定子鐵心振動階次譜圖上都出現(xiàn)了1階(6.25 Hz)的峰值，為機(jī)組自身轉(zhuǎn)頻。發(fā)電工況下定子鐵心振動階次譜圖上都出現(xiàn)了16階(100 Hz)、32階(200 Hz)、48階(300 Hz)的峰值，且16階為主頻，1階振幅已遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于16階、32階和48階等的振幅。

圖3 空轉(zhuǎn)及發(fā)電工況定子鐵心振動

3 故障原因分析及處理

3.1 故障原因分析

定子鐵心的振動從增大到減小再保持平穩(wěn)，這一現(xiàn)象除了發(fā)電方向空轉(zhuǎn)工況下，其他工況(發(fā)電空載、帶負(fù)荷發(fā)電、SCP和抽水)也都出現(xiàn)了。從這一現(xiàn)象初步判斷定子鐵心的振動與電氣振動相關(guān)。對SCP、抽水、發(fā)電方向空轉(zhuǎn)和帶負(fù)荷發(fā)電等工況進(jìn)行階次譜分析，除發(fā)電方向空轉(zhuǎn)工況外，其他工況的振動階次圖譜中都出現(xiàn)了16階(100 Hz)的峰值，且為主要頻率成分，100 Hz的峰值頻率明顯跟電磁頻率相關(guān)?？辙D(zhuǎn)工況下的階次譜圖峰值以1階轉(zhuǎn)頻為主，與其他3個工況最大的不同在于轉(zhuǎn)子無勵磁電流，定子無機(jī)端電壓，也就是說此時機(jī)組的定子與轉(zhuǎn)子之間沒有任何交變磁場。據(jù)此可判斷定子鐵心振動偏大的原因為電磁場作用。

由第1節(jié)的分析可知，在極頻振動產(chǎn)生的原因中，定子繞組次諧波磁勢，定子并聯(lián)支路內(nèi)環(huán)流產(chǎn)生的磁勢，定子不圓的情況，都不會出現(xiàn)在某一穩(wěn)定工況，振幅值隨時間增大再減小的過程；SCP、抽水、發(fā)電工況階次譜圖都出現(xiàn)了16階(100 Hz)的峰值，為交流電頻率50 Hz的2倍，符合第1節(jié)所述的因定子鐵心松動導(dǎo)致機(jī)組振動大的特征，更進(jìn)一步判斷定子鐵心振動大的原因為定子鐵心松動。

SCP、抽水、發(fā)電工況下定子鐵心振動都經(jīng)歷了上升到下降再到穩(wěn)定的過程，振動圖呈現(xiàn)拋物線狀，而空轉(zhuǎn)狀態(tài)振動較為平穩(wěn)，無大的起伏。SCP、抽水、發(fā)電工況下定子鐵心振動最大值都超過了6 mm/s，而空轉(zhuǎn)狀態(tài)下定子鐵心振動最大不超過1 mm/s，比其他3個工況都低很多。抽水、發(fā)電工況下定子鐵心振動最大值出現(xiàn)的時間均在抽水或者發(fā)電工況開始后13～15 min時刻。根據(jù)空轉(zhuǎn)狀態(tài)的特點，結(jié)合階次譜圖的信息特點，可排除100 Hz的峰值頻率為電磁干擾所致，進(jìn)一步判斷定子鐵心振動較大的原因為定子鐵心松動。

3.2 故障處理方法

因處于“迎峰度夏”階段，機(jī)組負(fù)荷較多，加之定子鐵心振動值不是特別大，在停機(jī)后，進(jìn)行基本檢查，沒有發(fā)現(xiàn)重大缺陷，故只對鐵心拉緊螺栓進(jìn)行了均勻緊固。處理好后，9月10日再次開機(jī)，圖4為下午抽水工況定子鐵心振動圖，抽水負(fù)荷為270 MW，圖5為發(fā)電工況定子鐵心振動圖，發(fā)電負(fù)荷230 MW，從圖4和圖5中可以看出，定子鐵心振動值相對穩(wěn)定，各方向振動最大值不超過3 mm/s，證實了由于定子鐵心松動導(dǎo)致機(jī)組振動增大的故障。

圖4 抽水工況定子鐵心振動

圖5 發(fā)電工況定子鐵心振動

4 結(jié) 論

水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心振動故障有多種形式，在各工況穩(wěn)定性試驗基礎(chǔ)上，采用故障特征頻率分析法判斷出了某抽蓄定子鐵心松動故障原因。并根據(jù)現(xiàn)場情況，采取緊固鐵心拉桿螺栓的方法，將定子鐵心振動減小到3 mm/s以下，成功解決了定子鐵心松動導(dǎo)致的振動增大的故障。

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(責(zé)任編輯 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，河南沁陽人，高級工程師，博士，研究方向為清潔能源發(fā)電技術(shù)故障診斷、設(shè)備開發(fā)等．

TV734

A

0559- 9342(2017)08- 0088- 03