李兴邦

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

广东某抽水蓄能电站毗邻香港特别行政区，电站地下厂房安装4台单级立轴可逆混流式机组，总装机容量1 200兆瓦。在广东电网中承担调峰、填谷、调频及紧急事故备用等任务。本公司生产的发电电动机结构型式为立轴悬式全封闭双路自循环空气冷却三相凸极同步发电机。

1 发电电动机主要技术参数

发电机工况容量：334 MVA

电动机工况出力：325 MW

发电机工况额定功率因数：0.9

电动机工况额定功率因数：0.975

发电机工况旋转方向：俯视顺时针

电动机工况旋转方向：俯视逆时针

额定电压UN：15.75 kV

额定频率fN：50 Hz

额定转速nN：428.6 r/min

飞逸转速nN：621.5 r/min

相数m：3

接线方式：7Y

定转子绕组绝缘等级：F

推力负荷：720 T/820 T(稳态/瞬态)

冷却方式：全空冷

飞轮力矩GD2：≥6 000 t·m2

电机转子磁轭结构形式可分为三种：整圆叠片式磁轭、整圈钢板磁轭及整锻磁轭[1]。该蓄能电站磁轭采用整圈钢板结构，共9段，每段磁轭高度为300 mm；每段磁轭采用60 mm(加工后)的钢板通过拉紧螺杆和定位销固定，各段之间有通风沟，高度65 mm。磁轭整体安装后，多段磁轭通过拉紧螺杆固定，并采用通风沟加工定位止口等方式，保证磁轭的整体性、强度和刚度，防止松散和变形。转子磁轭装配图如图1所示。磁轭装配质量的优劣，关系到机组的稳定运行[2]。

图1 转子磁轭装配图纸

磁轭与转子支架连接，采用复合键结构。凸键与转子支架之间设计紧量为1 mm，副键在磁轭侧切向打紧。磁轭凸键与磁轭之间可加调整垫片，保证机组转速为1.1倍额定转速的转子支架与磁轭不发生分离。转子磁轭复合键结构如图2所示。

图2 转子磁轭复合键结构

抽蓄机组频繁启停，正反转的特性，使得过盈配合的转子支架及磁轭将受到较大压缩、拉伸应力的频繁转换，抗疲劳强度较低。该连接结构在任何工况、转速下能够保证转子运行时的圆度、同心度和气隙均匀度，且做到不使转子重心偏移而产生振动，并有效地传递扭矩。磁轭钢板选用材料：高强度钢板B780CF。

2 转子动平衡过程中相位不稳情况介绍

广东某抽蓄电站每台机组先后进行了近10次动平衡试验，还穿插着升压试验、甩负荷、抽水工况等试验，时间跨度较大一般为一周左右。多次配重的主要原因是相位不稳定，以2#机为例进行动平衡试验分析。2#机甩负荷和抽水工况下振摆数据，如表1所示。相位是指键相信号与选频振动信号的相对位置，它表示转子振型的分布方式及相对于某一标准选频振幅的时差或位差。相位告诉我们振动的方向，它是一个时间概念。

表1 2#机甩负荷和抽水工况下振摆数据

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。当转动部件的动不平衡较大时，轴摆度随转速变化而变化的趋势很明显，并且径向轴承支架振动幅值随机组转速增加明显。

经过多次动平衡配重后，机组的振摆情况有了较大改善，已经达到满足长期运行的要求。配重结束之后，上导摆度一倍频在甩100%负荷试验后减小了约70 μm，而在做水泵断电试验后又出现了较大的增加，这说明有不稳定因素存在。

3 分析问题及建议

广东某抽蓄发电电动机的分离转速为471.46 r/min。过速试验时最高转速为473 r/min；甩50%负荷后，机组转速能达到497.1 r/min(超过分离转速)；甩100%负荷后，机组转速能达到568.7 r/min。机组在甩100%负荷后上导摆度减小，证明转子存在不稳定因素。而水泵断电试验后上导摆度又增加这一反常现象，更加印证确有不稳定因素。

从转子结构进行分析，超过分离转速转子支架和磁轭会发生分离。传统的叠片式磁轭被环形磁轭代替，如图3所示，此种设计理念尽管减少了工地磁轭叠装工序及工作量，但是对环形磁轭的加工精度要求高，对磁轭安装工作也要求更高(段与段之前的调整整形就显得至关重要)。

图3 厚钢板刚性磁轭结构三维示意图

利用ANSYS有限元软件对磁轭变形情况进行了分析，如图4所示，可以看出转子磁轭组合键处径向位移为1.15 mm。因此各个磁轭段安装质量很关键，工艺文件要求：磁轭外圆的偏心值应小于0.1 mm；磁轭段与主立筋径向间隙相对值不大于0.05 mm；磁极T尾键槽槽底、键槽两侧错牙不大于0.02 mm。

图4 额定工况磁轭冲片径向位移分布

现场对发电机转动部分进行检查发现，磁轭副键有松动现象，继而引起磁轭圆盘微量蠕动。磁轭圆盘微量蠕动造成振摆数据变化。

3.1 原因分析

(1) 相位不稳定和甩100%负荷、水泵断电等试验上导振动摆度异常的根本原因在于转子磁轭装配质量不佳，进而引起的磁轭热加垫的厚度未能满足设计紧量要求。磁轭叠装及热打键后，各段磁轭键槽位置切向存在一定量的错牙，磁轭副键切向打键后，磁轭副键与磁轭键槽接触面个别磁轭段未能与磁轭副键贴紧。

当机组进行甩50%以上负荷时，机组的转速已超过了径向紧量的机组转速(1.1倍额定转速)，机组转动部分振动，各段磁轭沿切向方向发生微量移动，造成磁轭键松动。

(2) 磁轭副键的斜面应进行研磨，但研磨后发现接触面研磨未能达到相关标准的要求，虚接触面积偏大。像日本的发电电动机常采用的浮动磁轭结构，即使磁轭凸键的垫厚度不够，紧量偏小，磁轭副键如果达到紧度要求，也不会出问题。

3.2 建议

(1) 磁轭段与段之前的调整严格按照工艺要求执行。磁轭凸键热加垫的厚度考虑到磁轭段与段之间叠装过程的误差累积，δ设计预紧在原设计基础上应再加20%，即1.2 mm。垫片厚度计算方法：

H=δ+A-B

式中：H为应加垫片厚度(mm)；δ为原设计预紧量(1 mm)；A为实测磁轭键与键槽的径向间隙；B为圆度或同心度实测半径与实测平均半径之差。磁轭热加垫前加热，如图5所示。

图5 磁轭热加垫前加热图

(2) 磁轭副键要进行研磨，接触面积达70%以上。打紧磁轭副键的大锤应该在3 kg左右。(根据DL/T 5230—2009《水轮发电机转子现场装配工艺导则》[3]要求7.12.7，磁轭热打紧键后，打紧磁轭副键。等磁轭自然冷却后，再拔出副键，检查、修理其接触面应达70%以上；在其各工作面涂二硫化钼润滑脂后，再用大锤在凸键两侧对称打紧。)

4 解决问题

因为机组已安装完毕，磁轭段精细调整和磁轭凸键热加垫的厚度加大已不可能，只能对磁轭副键用大锤(3 kg左右)进行打紧。DL/T 507—2014《水轮发电机组启动试验规程》[4]6.5.5，过速试验停机后应进行如下检查：全面检查发动机转动部分，如转子磁轭键、磁极键、阻尼环及磁极引线、磁轭压紧螺杆等有无松动或移位。

只要超过分离转速，就要对磁轭副键进行打紧。在过速试验、甩50%、75%、100%负荷试验之后都要打紧磁轭副键(热态下)。磁轭凸键的作用减弱了，副键要顶上去。

工地对磁轭副键再次打紧后，因为打入深度较大，采取了焊接挡块的防松处理。打紧磁轭副键后焊接挡块，如图6所示。为了改善机组上导的摆度，结合机组发电和抽水两种工况又对机组进行了配重，最终数据满足合同要求。

图6 打紧磁轭副键后焊接挡块

5 结语

广东某抽蓄电站发电电动机相位常出现变化的主要原因是转子磁轭装配质量不佳、磁轭凸键的垫厚度不够、磁轭副键松动造成的。情况与巴基斯坦某电站4#机甩负荷后振摆不能恢复类似[5]。本文通过对广东某抽水蓄能电站转子动平衡过程中相位不稳问题的处理，对原因进行分析，并提出解决方案。对其它抽蓄及常规高转速电站转子配重工作，具有一定的参考和借鉴作用。