發(fā)布時間：2022-07-17 05:16:33
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了1篇的水輪發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)計樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
1引出兩個中性點(diǎn)情況下的主保護(hù)方案
1.1分支組合方式的選擇
根據(jù)柘溪發(fā)電站的4個并聯(lián)分支的基本情況，本文主要考慮的是12-34、13-24以及14-23這三種分支的組合形式。
1.2橫差保護(hù)分析
在仿真實(shí)驗(yàn)的過程中，我們對各種分支情況下的零序橫差、裂相橫差以及這兩種橫差保護(hù)相互聯(lián)合作用時候的保護(hù)效果進(jìn)行了統(tǒng)計整理，在實(shí)驗(yàn)的過程中，將零序橫差的保護(hù)選擇為0.04IN，并將其作為動作門檻，裂相橫差的保護(hù)采用比率的制動特性，，差動的門檻選擇為0.2IN，斜率為0.3。根據(jù)我們對零序橫差以及裂相橫差的保護(hù)可動作的故障數(shù)統(tǒng)計結(jié)果分析，我們可以看出柘溪的橫差保護(hù)具有如下特點(diǎn)：
a.兩種橫差保護(hù)對同相異分支的故障動作的反映靈敏度均不高，個別的分支的動作數(shù)目可以達(dá)到18種，這主要是由于同相異分支短路的匝差太小，大部分不超過1匝所造成的。
b.同相異分支的短路故障的保護(hù)效果顯示相隔的分支組合要強(qiáng)于其他的組合情況，而這主要是因?yàn)橥喈惙种У亩搪番F(xiàn)象只能夠發(fā)生在相鄰的分支之間，比如第二分支只能夠與第一或者是第三分支發(fā)生同相異分支形式的短路故障，所以采用分支相隔的組合方式具有比相鄰分支組合更強(qiáng)的保護(hù)效果。
c.無論是零序的橫差還是裂相的橫差對于異相的短路故障均具有較高的反映靈敏度，這也是因?yàn)橥嗤种еg的短路匝差比較小的緣故。所以柘溪水力發(fā)電站在今后的發(fā)展過程中需要不斷的加強(qiáng)對同相同分支以及同相異分支的短路故障的保護(hù)力度。
d.同時，仿真的結(jié)果表明，零序橫差以及裂相橫差保護(hù)的故障動作效果之間具有較強(qiáng)的互補(bǔ)性，所以為了提高保護(hù)的效果，可以考慮將二者同時裝設(shè)在同一個系統(tǒng)中。
1.3縱差保護(hù)分析
我們對發(fā)電機(jī)組中的各種不同分支的組合方式條件下的縱差保護(hù)的動作效果進(jìn)行了效果的統(tǒng)計與分析，差動的門檻以及斜率的數(shù)值均與以上仿真工作中的條件相同。仿真的結(jié)果表明，縱差保護(hù)具有如下特點(diǎn)：a.完全的縱差保護(hù)不能夠?qū)崿F(xiàn)對于同相同分支以及同相異分支的短路故障的保護(hù)作用，但是可以實(shí)現(xiàn)對于2832中異相短路故障的完全保護(hù)動作；b.不完全的縱差保護(hù)對于各種的短路故障形式均具有較高的反映靈敏度，但是對同相同分支或者是同相異分支的故障的動作不夠靈敏；c.對相間故障具有較高的靈敏度的保護(hù)是單套的不完全的縱差保護(hù)，但是能夠?qū)崿F(xiàn)對于異相短路故障100%動作率的只有雙不完全縱差保護(hù)。
1.4聯(lián)合保護(hù)方案分析
上述的各種保護(hù)方案在單獨(dú)作用的情況下均有著一定的局限性，不能夠收到令人滿意的效果，所以需要研究橫差保護(hù)與縱差保護(hù)協(xié)同作用的保護(hù)方案。通過對組合方案條件下可動作故障數(shù)的統(tǒng)計分析，我們得出了結(jié)論包括：
a.如果選用的是3種中性點(diǎn)側(cè)的分支組合方式，那么最好選擇12-34式的分支組合，以便達(dá)到最高的故障動作效率；
b.如果裂相橫差與零序橫差均不對這種匝間的短路進(jìn)行反映，則不完全的縱差保護(hù)方案也不能夠起到很好的保護(hù)作用或者是具有較高的動作率；
c.這種聯(lián)合保護(hù)的方案對于異相的短路故障具有較高的動作率，幾乎可以實(shí)現(xiàn)全部類型故障的動作，但是提高零序橫差或者是裂相橫差的保護(hù)門檻的時候，組合的保護(hù)方案并不能夠顯著的提高動作的效率，所以在現(xiàn)場值不確定的條件下為了提高保護(hù)的動作率，可以增加一套縱差保護(hù)，進(jìn)而為異相故障提供雙重化的保護(hù)效果。
2結(jié)束語
在各種規(guī)模的水力發(fā)電站中，發(fā)電機(jī)都是關(guān)鍵的設(shè)施。但是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)分支結(jié)構(gòu)以及定子繞組結(jié)構(gòu)的方式各不相同，所以實(shí)際的主保護(hù)方案的設(shè)計需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。本文僅僅例舉了柘溪水電站的引出兩個中性點(diǎn)情況下的保護(hù)方案的設(shè)計思路，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)的工程設(shè)計以及學(xué)術(shù)研究有所幫助。
作者：馮業(yè)海 單位：南寧廣發(fā)重工集團(tuán)發(fā)電設(shè)備公司設(shè)計部
摘要:在簡要介紹傳統(tǒng)水輪發(fā)電機(jī)定子主接線的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)例介紹“首—尾”，“首—首”及“尾—尾”交替接線方法在水輪發(fā)電機(jī)定子圈式線圈主接線中的應(yīng)用及其優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞:水輪發(fā)電機(jī);圈式線圈;定子主接線;設(shè)計
1概述
一般水輪發(fā)電機(jī)都采用三相雙層繞組，三相雙層繞組又可繞成疊繞組和波繞組兩種。在整數(shù)槽繞組中，每一對極下每相所占相應(yīng)槽號在磁場下所處的位置完全相同，每一對極就是一個循環(huán)，所以無論疊繞或波繞，其接線均較簡單。在分?jǐn)?shù)槽繞組中，每一個極下每相所占的槽數(shù)實(shí)際上是互不相同的，部分極下多一個或少一個槽，但每一相在不同極下所占總槽數(shù)是相同的。由于水輪發(fā)電機(jī)槽數(shù)較多，有些低速大容量水輪發(fā)電機(jī)的槽數(shù)竟多達(dá)700槽以上，因此分?jǐn)?shù)槽波繞組的接線是比較復(fù)雜的，而分?jǐn)?shù)槽疊繞組的接線方式則和整數(shù)槽時基本一樣，只是前者是以單元電機(jī)的極對數(shù)進(jìn)行循環(huán)的。本文主要討論分?jǐn)?shù)槽疊繞組的接線方式。
2實(shí)例分析
柬埔寨馬德望多功能大壩項(xiàng)目是筆者公司設(shè)計的中容量立軸、軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，于2016年10月正式發(fā)電，發(fā)電機(jī)型號為SF6300—24/4250，額定功率6300kW，額定轉(zhuǎn)速250r/min，飛逸轉(zhuǎn)速601r/min，額定點(diǎn)效率96.5%。定子裝配外徑5000mm，定子機(jī)座高1600mm，定子鐵芯整圓由18拼片組成，每片11槽，全圓共198槽，即定子共有198個線圈。每極每相槽數(shù)為23/4，為分?jǐn)?shù)槽，采用3支路并聯(lián)，循環(huán)序數(shù)為3233。
2.1傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)圈式線圈主接線“首—尾”連接方法的原理及其缺點(diǎn)
傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)定子圈式線圈主接線“首—尾”連接方法對于定子并聯(lián)支路數(shù)為2及以上的繞組接線一般采用順時針或逆時針方式按“首—尾”交替的方式連接。柬埔寨馬德望多功能大壩項(xiàng)目發(fā)電機(jī)定子的槽數(shù)為198槽，每極每相槽數(shù)為23/4，為分?jǐn)?shù)槽，采用3支路并聯(lián)，循環(huán)序數(shù)為3233。
2.2“首—尾”，“首—首”，“尾—尾”交替主接線方法的原理及優(yōu)點(diǎn)
“首—尾”，“首—首”，“尾—尾”交替主接線方法主要針對傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)圈式線圈主接線“首—尾”連接方法中的缺點(diǎn)，在傳統(tǒng)接線方法上作了較大更改，使其圓周方向上的銅環(huán)(導(dǎo)電環(huán))長度最短，高度方向上銅環(huán)層數(shù)最少。與傳統(tǒng)的接線方法相比，新的接線方法主要在原來的基礎(chǔ)上作了以下調(diào)整:將每相引出線的主引出線和中性點(diǎn)引出線的其中一個支路的電流進(jìn)、出方向?qū)φ{(diào)。以圖中的U1相為例，傳統(tǒng)的接線方法中+Y方向左側(cè)的U相引出線為第三個支路電流流出方向，應(yīng)接至U相主引出線所在導(dǎo)電環(huán)，對應(yīng)編號為3U1，而－X下方的U相引出線為第三個支路電流流入方向，應(yīng)接至中性點(diǎn)引線所在導(dǎo)電環(huán)，對應(yīng)編號為3U2。新的接線方法將上述兩個接頭對調(diào)(對調(diào)后該支路內(nèi)部接線順序需要作相應(yīng)調(diào)整)，改進(jìn)后的接線中U相所在的兩個導(dǎo)電環(huán)圓周方向上的跨度均縮小了近一個支路(約120°)。同理，將V相和W相也作相應(yīng)更改。三相全部更改后，1U1與3U1，1V1與3V1，1W1與3W1三處相鄰兩引出線變成了“首—首”交替;而3U2與2U2，3V2與2V2，3W2與2W2三處相鄰兩引出線則變成了“尾—尾”交替;加上沒調(diào)整的兩個支路的“首—尾”交替方式，組成了新的“首—尾”，“首—首”，“尾—尾”交替的主接線方式。新的接線方式大大減少了銅材(導(dǎo)電環(huán))用量和固定導(dǎo)電環(huán)線夾的數(shù)量，同時可降低定子機(jī)座高度，節(jié)省材料成本，經(jīng)濟(jì)效果顯著。
2.3方案比選
柬埔寨馬德望多功能大壩項(xiàng)目在做方案時筆者將兩種接線方式的圖都畫好了，但是怎么選擇，筆者跟同事及領(lǐng)導(dǎo)討論了較長的時間。根據(jù)業(yè)主要求，該項(xiàng)目的交貨期只有8個月，交貨期很緊，如果沿用傳統(tǒng)的接線方式，車間操作工在制作過程中沒任何難題，可以確保在交貨期內(nèi)順利完成。但如果采用新的接線方式，萬一車間操作工在制作過程中接錯了一個支路，則返工會額外增加許多工作量，不但造成人工成本增加，關(guān)鍵是工期可能會被廷誤，從而給公司帶來損失。經(jīng)過一番思想斗爭，包括筆者在內(nèi)的幾個年輕人并沒有采用照搬傳統(tǒng)的接線方式，而是決定嘗試著用新的接線方式來替代。經(jīng)過多方面比較和反復(fù)考慮，最終選擇采用“首—尾”，“首—首”，“尾—尾”交替的主接線方法。改進(jìn)后的接線方法在實(shí)際操作中也不復(fù)雜，只需要提醒車間操作人員每相有一個支路需要將接至主引出線和接入中性點(diǎn)引出線的引線按圖紙對調(diào)下即可。至于每相對調(diào)那個支路要根據(jù)該項(xiàng)目主引出線及中性點(diǎn)引出線的方位來定，調(diào)整的最終目的是為了使高度方向上導(dǎo)電環(huán)的層數(shù)最少，圓周方向上導(dǎo)電環(huán)的周向跨度最小。
3結(jié)語
柬埔寨馬德望多功能大壩項(xiàng)目發(fā)電機(jī)做好已經(jīng)好幾年了，發(fā)電也已經(jīng)半年多了，經(jīng)過一段時間的運(yùn)行考驗(yàn)，從電站的反饋信息來看，機(jī)組的各項(xiàng)性能均達(dá)到設(shè)計要求;說明“首—尾”，“首—首”，“尾—尾”交替的主接線方法對機(jī)組運(yùn)行沒任何不良影響。此外，據(jù)車間操作人員反饋也沒有出現(xiàn)接線過程出錯，或不好接的情況;相反由于改后導(dǎo)電環(huán)層數(shù)少了，圓周跨度短了，每個環(huán)之間基本都錯開了，反而對接線有利。我們之前擔(dān)心會因?yàn)檐囬g操作人員不小心接錯線進(jìn)而影響工期的問題幾乎沒有。由于過去傳統(tǒng)的圈式疊繞組定子主接線大都采用“首—尾”交替的接法，而“首—尾”，“首—首”，“尾—尾”交替的主接線方法在筆者公司還是首次使用，還在嘗試階段，在定子出廠之前及電站成功運(yùn)行之前，筆者的很多同事包括筆者在內(nèi)都對此存在一定程度的擔(dān)憂。通過此次順利生產(chǎn)過程及電站的實(shí)際運(yùn)行效果，使筆者單位的同事及筆者本人對“首—尾”，“首—首”，“尾—尾”交替的主接線方法有了比較深的了解，為以后設(shè)計制造同類機(jī)組提供了成功的經(jīng)驗(yàn)。
作者：劉呂芳；陸松 單位：浙江金輪機(jī)電實(shí)業(yè)有限公司
1、設(shè)計、制造不良造成水輪發(fā)電機(jī)絕緣損壞
1.1為降低成本和縮小體積，設(shè)計時主絕球裕全偏低，同時某些部位主絕緣包扎層數(shù)不夠有脫節(jié)現(xiàn)象。
例如，某小型水電站機(jī)組于1988年底投產(chǎn)發(fā)電到2000年運(yùn)行共12年，實(shí)際運(yùn)行時間不到5萬小時，1996年就出現(xiàn)1號機(jī)差動保護(hù)在發(fā)電機(jī)升壓過程中動作。經(jīng)檢查是A,B相相間主絕緣擊穿。2號機(jī)在1998年大修過程中進(jìn)行預(yù)防性直流耐壓試驗(yàn)時突然擊穿主絕緣。經(jīng)查找為槽底線圈主絕緣對地?fù)舸?。?jīng)檢查發(fā)現(xiàn)電機(jī)定子線圈絕緣偏薄，某些部位包扎不嚴(yán)，有多處絕緣開裂，不得不進(jìn)行貼補(bǔ)處理。
1.2生產(chǎn)工藝直接影響著發(fā)電機(jī)的質(zhì)量。
水輪發(fā)電機(jī)組鐵芯振動現(xiàn)象時有發(fā)生，而且在運(yùn)行中往往較難正確判斷。如某電站1990年投產(chǎn)的水輪發(fā)電機(jī)組，在投產(chǎn)后不久，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)機(jī)組升壓并網(wǎng)后，當(dāng)負(fù)荷帶到一定程度時產(chǎn)生異常尖叫響聲。經(jīng)技術(shù)人員分析判斷為鐵芯振動。其主要原因是制造時芯片疊壓得不夠緊，引起硅鋼片在運(yùn)行中振動。如不及時處理可能會引起硅鋼片因長期振動疲勞而折斷，最后割破線圈絕緣造成接地短路或相間短路故障，嚴(yán)重時往往無法在現(xiàn)場修復(fù)，需要運(yùn)回制造廠進(jìn)行鐵芯壓緊和重新嵌線處理。經(jīng)采用新工藝在現(xiàn)場壓緊后，通過2倍于額定電壓的直流泄漏試驗(yàn)和直流耐壓試驗(yàn)，然后又進(jìn)行1.5倍額定電壓的交流耐壓試驗(yàn)。目前運(yùn)行還較正常。
2運(yùn)行環(huán)境對發(fā)電機(jī)主絕緣損壞的影響
2.1運(yùn)行環(huán)境溫度直接影響電機(jī)的寺命。
已投入運(yùn)行的小型水輪發(fā)電機(jī)組大多數(shù)采用瀝青云母絕緣，這種絕緣采用云母帶在
整個線棒直線和端部連續(xù)包扎后，經(jīng)真空浸漆處理，以消除端部搭接的缺點(diǎn)。但瀝青軟
化點(diǎn)低，主絕緣耐熱等級極限較低，一般為105K。真空浸漆工藝復(fù)雜，掌握不嚴(yán)就不易
浸透，內(nèi)部有可能存在氣泡，造成線圈質(zhì)量很不穩(wěn)定。又由于某些電站為了提高運(yùn)行水頭
廠房建設(shè)得很低，為了防止臺汛季節(jié)尾水通過窗戶淹沒設(shè)備，多數(shù)主機(jī)層墻上沒有設(shè)置通風(fēng)透光窗戶，運(yùn)行環(huán)境溫度很高，機(jī)組散熱不良，加速絕緣老化。特別是有的線圈制造不良，絕緣材料含有氣隙，使絕緣溫差增大，最熱點(diǎn)的溫度直接縮短定子絕緣的使用壽命。
2.2小水電站地處邊遠(yuǎn)山區(qū)，在電氣接線上往往處在線路的末端，電壓偏移很大。
特別是豐水季節(jié)，400V機(jī)組的母線電壓有時升高到470V,6kV母線有時竟達(dá)到7kV。小型電站的并網(wǎng)變壓器只有三檔分接開關(guān).遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際運(yùn)行的需要而不得不抬高發(fā)電機(jī)出口電壓。
某電站低壓機(jī)組1978年投產(chǎn)發(fā)電，由于長期的高溫和電壓偏高影響，在夏季發(fā)電時電機(jī)主絕緣對地?fù)舸?，弧光放電將電機(jī)的定子鐵芯及機(jī)殼燒成一個大窟隆，致使
事故后修復(fù)工作十分困難。
3、不良檢修對發(fā)電機(jī)主絕緣的破壞
立式水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行擴(kuò)大性檢修時，多數(shù)需要吊出轉(zhuǎn)子，并且水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪也需要通過定子膛中吊出進(jìn)行補(bǔ)焊。在起吊中如果稍有不小心或吊車技術(shù)不熟練就會撞擊定子線圈。
某電站水輪發(fā)電機(jī)組在第一次大修過程中，由于水機(jī)底環(huán)銹蝕嚴(yán)重，使用頂起螺絲無
法將底環(huán)吊出，改用15噸吊車硬性起吊，致使吊環(huán)脫落，而15噸吊鉤猛烈撞擊定子線圈端
部，造成電機(jī)端部絕緣多處受傷。
4、機(jī)組線圈主絕緣損壞的措施
（1)防止鐵芯松動。在大修清掃定子鐵芯時應(yīng)注意觀察，如發(fā)現(xiàn)鐵芯出現(xiàn)紅粉，表明該
處有松動.可用電工刀及其他薄型片狀工具進(jìn)行試插松動程度，正常時鐵芯齒部插入深度一般不超過3mm。運(yùn)行中還要注意線圈的緊固情況，在上下層線圈同相且電流方向相同時，作用力最大都壓向楷底。如果線圈在槽內(nèi)固定不牢，就會發(fā)生振動導(dǎo)致線圈表面防暈層磨損破壞，同層異相線圈電流方向相反時產(chǎn)生切向交變彎曲力矩最大，也會破壞絕緣。對有松動的線圈應(yīng)及時將槽楔打緊，必要時可用斜鍵槽楔。端部松動可用無緯玻璃絲帶加強(qiáng)綁扎，綁扎后噴以環(huán)氧樹脂漆固化。
（2)防止電腐蝕。使用環(huán)氧粉云母作主絕緣的水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中暴露出的問題主要是電腐蝕。電腐蝕分為內(nèi)腐蝕和外腐蝕，內(nèi)腐蝕是因?yàn)橹鹘^緣和防暈半導(dǎo)體支間有氣隙，對地電壓分配在主絕緣和氣隙兩種不同的介質(zhì)上.使氣隙游離放電;外腐蝕是因?yàn)榉罆瀸优c鐵芯間氣隙游離放電。內(nèi)腐蝕首先破壞主絕緣和導(dǎo)線之問的粘結(jié)膠，使絕緣脫殼、膠線松散。產(chǎn)生電磁振動、膠線磨細(xì)折斷，損壞主絕緣;外腐蝕首先是磨破防暈層，加劇電暈放電，造成線圈表面絕緣損傷。
為了防止電腐蝕，可采用下列措施:
(1)電腐蝕的輕重程度與線圈所處電壓有關(guān)，腐蝕大部發(fā)生在發(fā)電機(jī)電壓大于4kV以上線圈中，可在電機(jī)運(yùn)行一段時間后，采取線圈中心點(diǎn)與出線端倒位措施緩解。
(2)運(yùn)行電機(jī)若發(fā)現(xiàn)有臭氧味，往往是電腐蝕的前兆，可用局部放電儀進(jìn)行檢查。小水電系統(tǒng)一般都不具備這個條件，可以在環(huán)境較暗的情況下用肉眼進(jìn)行初步觀察。若在線圈槽口與線圈端箍連接處等部位出現(xiàn)蘭色輝光，則有電暈現(xiàn)象。需要進(jìn)行檢修處理。
摘 要：針對混流式水輪發(fā)電機(jī)組振動現(xiàn)象嚴(yán)重影響水電站安全運(yùn)行的問題，應(yīng)用ANSYS建立主軸系統(tǒng)的有限元模型，分析主軸系統(tǒng)固有頻率及振型變化的特點(diǎn)，研究主軸系統(tǒng)的振動特性，并分析主軸系統(tǒng)在激勵影響下發(fā)生共振的可能性及其振型. 研究結(jié)果表明,主軸系統(tǒng)在多種外激勵作用下，除了產(chǎn)生強(qiáng)迫振動外，還可產(chǎn)生主共振、分?jǐn)?shù)共振等復(fù)雜的振動現(xiàn)象. 研究結(jié)果對進(jìn)一步研究主軸系統(tǒng)動態(tài)特性有一定的參考價值.
關(guān)鍵詞：混流式水輪發(fā)電機(jī)組；主軸系統(tǒng)；振動特性；ANSYS
0 引 言
混流式水輪發(fā)電機(jī)組在強(qiáng)大的電場、磁場和水動力的共同作用下，其運(yùn)行常伴有激烈的振動，這就造成某些部件會受到一定程度的破壞，嚴(yán)重影響水輪發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，給水電站造成重大經(jīng)濟(jì)損失.大多數(shù)學(xué)者［1-4］通常以轉(zhuǎn)輪為研究對象，應(yīng)用有限元分析軟件對其進(jìn)行分析，以確保水輪機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行.在實(shí)際的水輪發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)中，機(jī)組主軸是系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動部件，也是能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，工程上機(jī)組出現(xiàn)的強(qiáng)烈振動現(xiàn)象以及發(fā)生破壞的部件大多與機(jī)組主軸系統(tǒng)相關(guān)，目前對于發(fā)電機(jī)主軸系統(tǒng)的研究還不夠深入，因而深入研究機(jī)組主軸系統(tǒng)的振動特性就顯得極為重要.雖然試驗(yàn)研究能夠較好地研究水輪發(fā)電機(jī)組主軸的振動特性［5］，但存在成本高、周期長的缺點(diǎn)，有時還難以達(dá)到預(yù)期效果.隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們越來越多地應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)分析系統(tǒng)的振動特性，并取得很好的應(yīng)用效果.［6-10］本文以混流式水輪發(fā)電機(jī)組主軸系統(tǒng)為研究對象，應(yīng)用大型有限元分析軟件ANSYS建立主軸系統(tǒng)的有限元模型，通過該模型對系統(tǒng)的固有頻率及相應(yīng)振型進(jìn)行仿真，對系統(tǒng)所受的主要外激勵頻率進(jìn)行分析計算，并在此基礎(chǔ)上對主軸系統(tǒng)的振動特性進(jìn)行分析和研究.
1 有限元模型
以某水電站的主軸系統(tǒng)為研究對象，該系統(tǒng)主要由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、主軸、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、推力軸承和導(dǎo)軸承組成，見圖1.
主軸系統(tǒng)各部件材料及其物理力學(xué)參數(shù)見表1.
簡便而不失一般性，建模過程中對主軸系統(tǒng)模型作如下簡化：(1)主軸系統(tǒng)為一定常系統(tǒng)，并且為線彈性體；(2)主軸系統(tǒng)各部件之間作聯(lián)結(jié)處理，將聯(lián)結(jié)后的主軸系統(tǒng)看作1個整體，3個導(dǎo)軸承和1個推力軸承均被假設(shè)為剛性支承；(3)主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的圓角和倒角、轉(zhuǎn)輪上冠法蘭上的螺栓孔、主軸法蘭上的螺栓孔、上冠上的減壓孔等，在模型中均不加以考慮.
用ANSYS建立主軸系統(tǒng)的有限元模型，具體步驟如下：(1)基于特征的參數(shù)化造型，建立主軸系統(tǒng)的三維幾何模型；(2)對主軸上的3個導(dǎo)軸承處沿圖 2 主軸系統(tǒng)的有限元模型x和y方向的徑向位移及推力軸承處沿z方向的軸向位移進(jìn)行約束；(3)采用SOLID92單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這里劃分為222 657個單元和74 192個節(jié)點(diǎn).通過以上步驟即可得到主軸系統(tǒng)的有限元模型，見圖2.
2 外激勵頻率
2.1 轉(zhuǎn)頻激擾力
當(dāng)發(fā)電機(jī)定子內(nèi)腔和轉(zhuǎn)子外圓之間氣隙不均勻時，定子和轉(zhuǎn)子間就會產(chǎn)生不均衡磁拉力，即轉(zhuǎn)頻激擾力，稱該力的頻率為轉(zhuǎn)頻.其計算公式［11］為
式中：n為轉(zhuǎn)輪額定轉(zhuǎn)速.
2.2 尾水渦帶激勵大量的運(yùn)行實(shí)踐和模型試驗(yàn)表明，當(dāng)混流式水輪機(jī)在部分負(fù)荷工作時，尾水管內(nèi)產(chǎn)生不穩(wěn)定流動，即出現(xiàn)尾水渦帶現(xiàn)象，尾水渦帶一般呈螺旋狀擺動，從而造成低頻壓力脈動，出現(xiàn)功率擺動、噪音、空蝕和機(jī)組與廠房振動現(xiàn)象，給水電站運(yùn)行帶來極大危害.尾水渦帶的頻率［11］一般可表示為
式中：H為設(shè)計水頭.
2.3 弓狀回旋激勵當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)動部件與固定部件不同心、局部有缺陷或轉(zhuǎn)輪上水流不對稱時，將在運(yùn)行中引起摩擦，從而使轉(zhuǎn)輪周期地推向1側(cè)，引起弓狀回旋振動.混流式水輪機(jī)的出力超過某一定值時，有可能出現(xiàn)弓狀回旋振動.此時水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在外水封內(nèi)沿轉(zhuǎn)動方向作橢圓軌跡的弓狀回旋.其振動頻率f3約為轉(zhuǎn)頻的2～3倍，近似于弓狀回旋的自振頻率.
2.4 渦殼中的不均勻流場激勵渦殼中的水流并不像理論假說的那么均勻，因此在渦殼齒部易產(chǎn)生撞擊進(jìn)口水流，從而對轉(zhuǎn)輪引起振動.其振動頻率的計算公式［11］如下
式中：n為轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速；Z為轉(zhuǎn)輪葉片數(shù).
2.5 推力軸瓦激勵因推力軸瓦不平造成機(jī)組在運(yùn)行中出現(xiàn)較大振動，經(jīng)原型振動測試分析得出其振動頻率［11］
式中：n為轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速；p為軸瓦數(shù).
3 振動特性分析
應(yīng)用ANSYS分析機(jī)組主軸系統(tǒng)可得到系統(tǒng)在自由振動狀態(tài)下的前9階固有頻率值及其相對應(yīng)的振型.固有頻率值見表2，相對應(yīng)的振型見圖3.
通過分析可知，主軸系統(tǒng)的振型主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)輪的振動形式上：第1階振型為轉(zhuǎn)子繞軸線的扭轉(zhuǎn)振動；第2，3階振型為轉(zhuǎn)子的搖擺振動；第4，5階振型為轉(zhuǎn)輪的搖擺振動；第6階振型為轉(zhuǎn)子的軸向拉伸變形；第7階振型為轉(zhuǎn)輪繞軸線的扭轉(zhuǎn)振動；第8，9階振型為轉(zhuǎn)子的彎曲.研究對象中n=75 r/min，H=59.8 m，Z=13，p=16.代入式(1)～(4)，可分別得到各外激振頻率，見表3.
由于尾水螺旋渦帶頻率很低，為0.38 Hz，在額定工況下對機(jī)組主軸系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動；由于轉(zhuǎn)頻激擾力的2倍轉(zhuǎn)頻和3倍轉(zhuǎn)頻的數(shù)值與主軸系統(tǒng)的1階固有頻率十分接近，則在轉(zhuǎn)頻激擾力的作用下可引起主軸系統(tǒng)產(chǎn)生1階模態(tài)的分?jǐn)?shù)共振；由于弓狀回旋激勵頻率與主軸系統(tǒng)1階固有頻率比較接近，則在弓狀回旋激勵的作用下可引起主軸系統(tǒng)產(chǎn)生1階模態(tài)的主共振，其表現(xiàn)形式為轉(zhuǎn)子繞軸線的扭轉(zhuǎn)振動，見圖3(a)；由于渦殼中的不均勻流場激勵頻率與主軸系統(tǒng)的第7階固有頻率較接近，則在渦殼中的不均勻流場激勵作用下可引起主軸系統(tǒng)產(chǎn)生7階模態(tài)的主共振，其表現(xiàn)為轉(zhuǎn)輪繞軸線的扭轉(zhuǎn)振動，見圖3(e)；推力軸瓦激勵對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子影響較大，由于其頻率與主軸系統(tǒng)的第8，9階固有頻率接近，則在推力軸瓦激勵的作用下該激勵容易誘發(fā)機(jī)組產(chǎn)生第8，9階模態(tài)的主共振，其表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子的彎曲，見圖3(f).
可見，主軸系統(tǒng)在各種激勵下會出現(xiàn)比較復(fù)雜的振動現(xiàn)象.
4 結(jié) 論
應(yīng)用ANSYS對某水電廠的混流式水輪發(fā)電機(jī)組主軸系統(tǒng)進(jìn)行振動特性的有限元分析.對主軸系統(tǒng)的前9階固有振動頻率及相應(yīng)振型進(jìn)行仿真，對機(jī)組在額定工況下受到的主要激勵頻率進(jìn)行計算，并對主軸系統(tǒng)在這些激勵影響下發(fā)生共振的可能性及共振表現(xiàn)形式進(jìn)行分析.結(jié)果表明：研究工作對進(jìn)一步研究主軸系統(tǒng)動態(tài)特性具有一定的參考價值.
摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，對電力的需求越來越大，水輪發(fā)電機(jī)組也越來越受到關(guān)注。文章介紹了燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的安裝與檢修流程，及壓注意的相關(guān)事項(xiàng)，以保證發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行，水電站順利發(fā)電。
關(guān)鍵字：燈泡貫流式；水輪發(fā)電機(jī)組；安裝檢修
水力發(fā)電的實(shí)現(xiàn)離不開一種重要裝備――水輪發(fā)電機(jī)組，因此，安裝水輪發(fā)電機(jī)組在水力發(fā)電工程中具有非常重要的作用。在水輪發(fā)電機(jī)組的安裝過程中，要根據(jù)相關(guān)的安裝實(shí)例、經(jīng)驗(yàn)和設(shè)備安裝使用說明書，主要進(jìn)行動態(tài)控制，還要跟蹤關(guān)鍵部位、重要工序的安裝。安裝完成后要進(jìn)行必要的檢修，以確保機(jī)組的正常運(yùn)行。
1 安裝前的準(zhǔn)備工作
1.1 開箱驗(yàn)收設(shè)備
按照水輪機(jī)組的安裝進(jìn)程，組織供貨商、使用單位和安裝單位的代表開箱驗(yàn)收要安裝的設(shè)備，如果設(shè)備與合同所列設(shè)備相同方可交予安裝設(shè)備進(jìn)行安裝。要提前半個多月開始開箱驗(yàn)收安裝設(shè)備，一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在問題，如設(shè)備數(shù)量不足、存在質(zhì)量問題、與合同設(shè)備型號不符等，要及時告知供貨商，然后由供貨商對設(shè)備進(jìn)行更換或補(bǔ)齊不足，這樣就不會對機(jī)組安裝的進(jìn)度產(chǎn)生影響。
1.2 安裝人員的水平
安裝水輪機(jī)組要有合格的、技術(shù)過硬的安裝隊(duì)伍。因?yàn)椴煌陌惭b隊(duì)伍，其人員組成、人員水平是不同的，所以，要對安裝人員的技術(shù)水平、自身素質(zhì)進(jìn)行考核，這是十分必要的。
1.3 材料等物資的檢查
施工單位自行購買的焊條、材料等，都要有相應(yīng)的出廠監(jiān)測資料或合格證件，在經(jīng)過嚴(yán)格的審查后才能使用，避免產(chǎn)品以次充好、以劣充好的情況發(fā)生，確保原材料的質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)和要求，對使用的各種量具、計量表等的準(zhǔn)確性和有效性，對現(xiàn)場人員進(jìn)行查驗(yàn)或?qū)彶?，保證其具有崗位操作資質(zhì)。
1.4 設(shè)備的存放
要按照相關(guān)的規(guī)范、規(guī)定和廠家對指定產(chǎn)品的技術(shù)要求存放設(shè)備，如一定要對放在露天場所的設(shè)備做好防曬、防雨措施，而且要用物品將其墊高，堆放設(shè)備的場所要做好排水準(zhǔn)備，如修建排水溝，周圍要堆砌臨時圍墻。對一些特殊設(shè)備一定要做好防潮措施。
1.5 工程的移交
土建移交機(jī)電安裝工作面時，一定要認(rèn)真檢查施工場地，到滿足工作面移交條件后，由土建單位代表、監(jiān)理工程師、安裝單位一起辦理工作面移交手續(xù)，如果在這個工作面上，土建單位還有沒有做完的工作，或者土建單位有一些工作一定要在安裝完機(jī)電設(shè)備后才能進(jìn)行，在安裝完成機(jī)電設(shè)備，并且監(jiān)理工程師也驗(yàn)收合格的前提下，按照相同的方式將其移交給施工單位繼續(xù)施工。
1.6 安裝措施的落實(shí)
在安裝水輪發(fā)電機(jī)組前，安裝單位要提交水輪發(fā)電機(jī)組的安裝組織措施，對轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)定子等關(guān)鍵的機(jī)組部件，還要提交具體的施工組織措施。為了確保措施到位，要安排相關(guān)人員或單位審查施工組織措施，同時，供貨商要根據(jù)不同安裝階段安排相應(yīng)的技術(shù)人員到現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)督、指導(dǎo)，確保順利安裝。
1.7 認(rèn)真檢查設(shè)備
安裝水輪發(fā)電機(jī)組前，要全面對各種部件進(jìn)行清洗，并仔細(xì)進(jìn)行檢查，記錄好關(guān)鍵部件的尺寸、橢圓度、公差。為了確保質(zhì)量，要對有些部件拆開進(jìn)行檢查，或者通過一定的試驗(yàn)來檢查，總之，在安裝之前要保證設(shè)備符合要求。
2 水輪發(fā)電機(jī)組的安裝流程
燈泡式電站機(jī)組沒有曲線型流道如蝸殼、肘形尾水管等的施工，這與裝設(shè)軸流式和混流式機(jī)組的常規(guī)電站不同，所以可以將土建施工速度加快。加之，燈泡式發(fā)電機(jī)組能夠在軸承、主軸等安裝完后，同時對發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)行安裝，因此能將建設(shè)電站的時間大大縮短。
3 關(guān)鍵部件安裝與檢修
3.1 安裝管型座
作為燈泡貫流式機(jī)組最重要的基礎(chǔ)部件，管型座是整個機(jī)組和流道的主要傳遞力和起支撐作用的部件，機(jī)組其它部件的質(zhì)量直接受其安裝質(zhì)量影響，因此要對其中心、水平和標(biāo)高等嚴(yán)格進(jìn)行控制，尤其是兩端面法蘭的平面度和垂直度。按照通常水電站的施工特點(diǎn)，在具備安裝管型座的條件且還沒有形成橋機(jī)和廠房時，不能將組成后的管型座整體調(diào)八安裝間機(jī)坑進(jìn)行安裝。為了將工期縮短，在工程土建施工過程中，布置混凝土大型垂直起吊運(yùn)輸機(jī)械時，可以考慮采用分瓣吊裝管型座、組圓在機(jī)坑內(nèi)垂直拼裝的方法。
3.2 安裝主軸及組合軸承
發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)使用的是共同的主軸。水導(dǎo)軸承、組合推導(dǎo)軸承等裝配在主軸上。軸承是屬于啟動為重載靜壓，運(yùn)行為動態(tài)的類型，高壓油頂起裝置設(shè)置在水導(dǎo)和組合軸承下面。油泵不僅在機(jī)組運(yùn)行時提供潤滑油給各個軸承，軸承油箱和高位油箱之間還有一部分油在循環(huán)，在斷電情況下，各軸承可以通過高位油箱來供油，這樣就對停機(jī)過程起到了很好的潤滑作用，保護(hù)了機(jī)器設(shè)備。安裝間裝配完主軸后，從管型座上游側(cè)框架孔調(diào)入流道后水平轉(zhuǎn)90度，然后緩緩向下游移動大軸，直到其達(dá)到安裝位置。為了使主軸及軸承的各項(xiàng)參數(shù)都能達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，要使用生產(chǎn)廠家提供的專門調(diào)整工具進(jìn)行調(diào)整。
3.3 安裝轉(zhuǎn)輪
在安裝間完成轉(zhuǎn)輪的解體、清掃、組裝工作后，再測試轉(zhuǎn)輪的動作和耐壓程度，吊裝要在測驗(yàn)滿足要求后進(jìn)行。吊裝前，拆下一葉片，將吊具裝好，通過橋機(jī)的主、副鉤使轉(zhuǎn)輪翻轉(zhuǎn)180度，然后使用副鉤從水輪機(jī)坑將轉(zhuǎn)輪吊八和主軸把合，用電加熱法將聯(lián)軸螺栓打伸長，待緊固后再裝上拆下的葉片。
3.4 安裝轉(zhuǎn)子和定子
磁極和轉(zhuǎn)子支架構(gòu)成了轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子支架整體到貨，螺栓將磁極把合在支架上，很容易組裝。掛裝磁極前，要先測量絕緣電阻，然后根據(jù)重量和極性裝配。掛裝后，轉(zhuǎn)子的直徑和圓度要通過磁軌圈和磁極之間的調(diào)整墊片進(jìn)行調(diào)整，各個半徑和平均半徑的差的絕對值要保持在一定范圍內(nèi)。全部組裝完轉(zhuǎn)子后，再測試交流耐壓能力，然后噴漆，最后使用翻身工具和轉(zhuǎn)子起吊從發(fā)電機(jī)坑將轉(zhuǎn)子吊八，以聯(lián)接主軸。
定子與轉(zhuǎn)子支架一樣，也是整體到貨，在安裝間要將制動器、擋風(fēng)板和管路裝設(shè)好，裝設(shè)完后測試定子的交流耐壓能力。為了避免定子在吊裝過程中變形，要使用生產(chǎn)廠家提供的專用平衡梁吊裝定子。
3.5 安裝燈泡頭
轉(zhuǎn)子吊裝前，要將燈泡頭吊八流道，為了使燈泡頭能臨時落在支墩上游側(cè)，用在中墩上固定的手拉葫蘆在燈泡頭接近發(fā)電機(jī)支墩時往上游方向拉，定子就位后，然后再吊起使之與定子組裝，定子在橋機(jī)松鉤時用千斤頂頂起來，讓定子保持在沒有連接燈泡頭之前的狀態(tài)。之后，發(fā)電機(jī)輔助橫向支撐、垂直主支撐、機(jī)組導(dǎo)流板、發(fā)電機(jī)承壓蓋板等再依次安裝上去。
4 水輪發(fā)電機(jī)組的檢修
安裝完燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組后，要對整個設(shè)備進(jìn)行幾次全面的檢查，保證燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組能夠順利運(yùn)行，否則將給將來的使用造成重大的隱患。下面介紹幾種可能的隱患：
4.1 轉(zhuǎn)子―點(diǎn)接地
在發(fā)電機(jī)組使用過程中，“轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地”光子牌一直亮燈，而絕緣電阻絕緣情況良好，在對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查后，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子到集電環(huán)的引線中有一條電纜外皮被電纜夾夾損，導(dǎo)致電纜夾嵌入電纜皮內(nèi)部，并且有明顯的放電灼傷痕跡。這主要是安裝時電纜接觸面和電纜夾沒有按照規(guī)定的要求進(jìn)行有效的絕緣包扎，電纜夾收夾較緊所致。
4.2 主變低壓側(cè)真空斷路器故障
在設(shè)備使用過程中，某一臺發(fā)電機(jī)突然停機(jī)，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)，主變低壓側(cè)真空斷路器跳閘引起了發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷過速事故停機(jī)。而主變低壓側(cè)系統(tǒng)保持正常，而主變低壓側(cè)真空開關(guān)無法正常合閘，將其打開發(fā)現(xiàn)有大量塵污附在儲能操作機(jī)構(gòu)內(nèi)。對其進(jìn)行清污，并加入一定的潤滑脂，操作機(jī)構(gòu)恢復(fù)正常，合閘也能正常進(jìn)行，發(fā)電機(jī)也能正常運(yùn)行。這是由于安裝過程中環(huán)境太差，而安裝完畢后又沒有進(jìn)行檢查所致。
5 安裝過程中需要重點(diǎn)注意的問題
(1) 要對水輪機(jī)組過流部件中密封部位的有關(guān)尺寸進(jìn)行仔細(xì)的檢查，并根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行滲漏試驗(yàn)，保證密封件的壓縮量能夠滿足設(shè)計要求。
(2) 在進(jìn)行主軸安裝和調(diào)試時，應(yīng)該對上游側(cè)與管型座定子把合法蘭的同心度進(jìn)行檢查，以確保對管型座把合螺栓和定轉(zhuǎn)子空氣間隙的安裝和調(diào)整能夠順利進(jìn)行。
(3) 從主軸吊人機(jī)坑的完成至機(jī)組正式發(fā)電大約需要1～2個月的時間，所以，要對鏡板、發(fā)導(dǎo)軸頸和水導(dǎo)軸頸等部位進(jìn)行如設(shè)置除濕機(jī)、涂抹凡士林等防銹處理，以確保鏡板和軸頸部位不會發(fā)生銹蝕。
(4) 在進(jìn)行受油器座的安裝時，要充分考慮到機(jī)組運(yùn)行時燈泡頭上浮量的問題，對受油器體和浮動瓦的間隙進(jìn)行合理控制，保證上部小于下部，使其兩側(cè)的間隙處于相等的水平。同時，受油器的支撐應(yīng)該具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以免因受油器振動過大而造成浮動瓦及其它部件的損壞。
(5) 水輪機(jī)組各個部件的聯(lián)結(jié)螺栓的預(yù)應(yīng)力應(yīng)該符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時，還要確保轉(zhuǎn)動部位螺栓鎖定的可靠性。
[6) 施工人員在定轉(zhuǎn)子內(nèi)進(jìn)行施工時，要注意采取相關(guān)措施避免各類工具和零件落入氣隙或被遺忘在定轉(zhuǎn)子內(nèi)。
(7) 要對機(jī)組各個部位的高壓頂起裝置、軸承潤滑油系統(tǒng)、軸瓦及其油孔進(jìn)行徹底的清洗，在潤滑油的管路安裝結(jié)束后，還要注意采用循環(huán)濾油的方式對其進(jìn)行沖洗，并保證各軸瓦的進(jìn)油邊尺寸符合設(shè)計及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。
(8) 水輪機(jī)組各部分的瓦軸間隙要滿足設(shè)計圖紙的要求，主軸和筒式瓦之間不能存在偏斜的問題，在機(jī)組安裝全部結(jié)束后要重點(diǎn)對水導(dǎo)瓦間隙進(jìn)行檢查。
6 結(jié)語
水輪發(fā)電機(jī)組是水電站中最重要的設(shè)備，也是安裝機(jī)電的關(guān)鍵，因此要保證發(fā)電機(jī)組按照要求進(jìn)行安裝，并且要對安裝過程進(jìn)行監(jiān)督。安裝完成后，要進(jìn)行必要的檢修，將各種隱患排除，保證發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行，確保水電站順利發(fā)電。
