摘要：水轮发电机在长期运行过程中，会产生振动。引起发电机组振动的原因可以从机械、水力和电力三方面考虑，针对这些原因，从发电机水机保护、励磁系统、发电机组导轴承方面进行改进。
关键词：水轮发电机；振动原因；改进
随着现代技术的迅速发展，水轮发电机的比转速和单机容量越来越大，其结构更加复杂，机组稳定性问题日益突出。一批像三峡工程等大、中型机组投入运行，其稳定性能尤为重要。稳定性能成为衡量大、中型发电机组的重要性能指标。
1. 水轮发电机组的振动原因
振动是旋转机械运行过程中的固有属性。振动不仅影响机械的性能和寿命，还会引起机械故障和损坏会，造成重大经济损失。水电机组的振动直接影响机组的安全运行、负荷的合理分配及供电的质量，如果不加以控制，还会造成严重的事故。例如，西南某大型电厂的一台机组因导叶销破坏引起转轮周期性激振，导致转轮两块叶片振落，其它严重开裂叶片更换新转轮，直接经济损失一千万元；葛洲坝电厂某号机投产后出现明显振动，导致厂房震颇，严重地危及运行人员的身心健康。可见，机组的振动值是一个重要的质量指标，既可以根据机组起动过程的振动来评价机组的安装质量，也可以根据机组振动状态确定机组的检修计划。
水轮发电机组的振动问题与一般动力机械的振动有所不同。水电机组的振动除需考虑机组本身的转动或固定部分的振动外，尚需考虑作用于发电机部分的电磁力及水轮机过流部分的流体动压力对系统及其部件振动的影响。在机组运转的情况下，流体一机械一电磁三部分是相互影响的。因此，严格地说，水轮发电机组的振动是电气、机械、流休耦合振动。完全按照这三者的耦合关系来研究系统的振动是非常复杂的，目前还难以建立起可以进行分析计算的数学模型，也不易在试验中同时考虑上述三种因素的互相影响。为此，根据水电站所积累的典型经验，可将引起机组振动的原因划分为机械、水力、电气三方面。
1.1 机械因素
由于制造、安装等因素引起的机械不平衡力主要有：
（1）主轴弯曲或有挠度；
（2）发电机转子与水轮机转轮动、静不平衡；
（3）导轴承间隙调整不当；
（4）推力轴承调整不良；
（5）机组中心不正；
（6）转动部分和固定部分不同心，产生摩擦或碰撞；
（7）支持系统刚度不够。
1.2 水力因素
水力干扰力源以及可能产生的振动主要有以下几种形式：
（1）卡门涡列；
（2）尾水管内旋涡引起的振动；
（3）固定导叶出水边水流流态不良；
（4）转轮叶片数与导叶数匹配不良引起的振动；
（5）汽蚀引起的振动；
（6）导叶开口不均匀；
（7）转轮与导叶间的距离不当；
（8）转轮密封处的自激振动。
1.3 电气因素
机组加励磁后振动加大，主要由电气方面引起。发电机电磁力引起的振动主要有两类，一类是转频振动，一类是极频振动。
发电机的振动频率为转频或转频的倍数，产生转频振动的主要原因有：转子与定子间间隙不均匀；转子外圆不圆；转子动不平衡或有匝间短路。
发电机的振动频率主要在100HZ左右，产生极频振动的主要原因有：定子合缝不严；三相不平衡。
2 改进措施
2.1 发电机水机保护的改进
2.1.1使用PLC编程的水机保护。传统的水机保护，依靠常规继电器实现简单的逻辑控制，如轴瓦温度高、调速器液压系统油压低等。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆但常规回路无法满足复杂逻辑的计算，会引起发电机组不同程度的振动。PLC编程较为灵活，保护范围可以覆盖所有的关键部件，很大程度上减轻了发电机组的振动现象，实现平稳运行。
2.1.2设置必要的闭锁条件。常规的水机保护回路布置在LCU盘柜中，但信号与出口回路完全独立于PLC，在PLC故障时仍可以发挥作用。鉴于机组并网运行时，不会出现机械过速情况，可将发电机的出口开关或发变组的出口开关分闸接点串入过速保护回路中作为闭锁条件，减轻机组振动，实现平稳运行。
2.1.3水机保护动作的辅助接点进入DI模块。常规水机保护回路仅进行简单的关导叶停机，既不能控制机组辅助设备顺序，也无法控制机组油雾吸收、粉尘吸收等辅助设备。将水机保护动作的辅助接点进入LCU的DI模块，在PLC正常情况下，可以触发MARK2并启动快速停机流程，及时消除机组的振动，实现停机的平稳可靠。
2.2 发电机励磁系统保护的改进
励磁系统的正常运转对发电机的正常运行至关重要。发电机励磁系统响应快速，造成系统阻尼消弱，容易引起电网低频振荡，影响电力系统安全稳定运行。
2.2.1 强化直流系统维护力度，增强系统控制效果
直流系统中的蓄电池容易发生老化现象，引起供电不足，造成机组振动，降低系统安全稳定性。需按照相关标准定期进行检查维护和容量检测试验，加强直流系统的维护力度，增强系统控制效果，稳定机组振动。蓄电池一旦发生故障，要及时找出故障原因，防止因直流失压引起发电机的严重振动现象。
2.2.2 改造转子过电压保护，定期监测电阻器
我国水轮发电机励磁系统中的转子过电压都没有综合考虑大滑差及非全相运行，水轮发电机组会产生不同程度的振动，影响整个水电厂电力供应系统稳定性，无法有效控制故障。依据实际供电状况，对发电机组转子过电压保护进行改造。
水轮发电机中的电阻器对工作环境要求较高，温度和灰尘都会造成发电机组的振动，加快老化程度。因此，需定期对电阻器进行检修，保证电阻器的数值达到国家标准，消除发电机组的振动。
2.2.3 科学合理选用电源，降低设备损坏程度
水电厂水轮发电机励磁系统在运行时，有一部分电源通过外部交直流电源提供，缺少后备电源支持会产生较大的系统故障，比如发电机组振动问题。为了有效地较低水轮发电机励磁系统主设备的损坏程度，减轻机组的振动现象，必须要科学合理的选用直流电源，根据实际情况，引入励磁变压器电源作为调节器的工作电源，降低机组的振动频率，实现水电厂电力供应的稳定性。
2.3 发电机组导轴承的改进
立式水轮发电机组导轴承瓦隙扩大，导致机组振动、摆度超过标准，可以从以下方面进行改进。
2.3.1 采用非同心式导瓦。非同心式导瓦轴承的承载能力非常强，当其名义间隙与普遍瓦相当时，实际平均瓦隙较大，形状利于散热，采用较小名义瓦隙，利于减少机组运行摆度。非同心式导瓦加工完成即可使用，不需要特殊研制，便于安装检修。高速轻载时，可提高机组的稳定性能。
2.3.2全面改进支承系统。瓦隙扩大引起发电机组振动改进措施如下：一是改进承受高压应力部件的材质，提高其热处理要求，增强其抗损伤能力。二是将瓦座及铬钢块合一。三是加大瓦座、绝缘及导瓦间的联接螺钉尺寸。四是提高承重螺纹精度，减小螺纹间隙，提高其防松能力。五是提高更换螺套的质量及焊接工艺，并适当加大焊角，保证联接充分可靠，无任何裂痕。
2.3.3加固处理上机架。上机架的导瓦架在运行中有较大的弹性晃动，会导致机组摆度较大。在瓦架与上机架主体之间加焊一定厚度的横向板筋，增强机架整体刚度。
3 结语
随着工业水平的提高，机组单机容量越来越大，对转速较低的大型机组来说，其自振频率低，容易与某些低频率的水压力脉动吻合，从而产生共振。鉴于水轮发电机振动原因复杂，需要依据试验和实测来解决，对于因机械、电气、水力三方面引起的振动，从发电机水机保护、励磁系统、发电机组导轴承方面提出改进措施，减少停机率和检修损失，提高运行可靠性，并为设计、制造、安装、运行等方面的改进提供可靠的依据。
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论文作者:周争昌
论文发表刊物:《电力设备》2017年第20期
论文发表时间:2017/11/14
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