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第44卷 第4期2021年4月
Vol.44 No.4Apr.2021
水 电 站 机 电 技 术
Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station
1 引言
转动惯量是衡量水电机组快速反应性能的关键指标，是水电站过渡过程计算、电力系统调节计算中的重要依据。转动惯量的设计值和实际值往往存在一些差异；同时，随着设计技术的不断改进，水电机组的转动惯量可设计出较小的数值，以降低制造成本，但较小的转动惯量又可能影响水电机组的运行稳定性[1]。因此，有必要在现场对水电机组的转动惯量进行实测，复核机组的设计性能指标。
随着“一带一路”倡议的大力推行和国内外大中型水电工程的持续投运，水电机组转动惯量的测定已逐渐成为新机组投产前一项重要的性能测定。国内最常用的测定方法为甩负荷加速试验[2]，但此试验方法一直未收录于相关的IEC 国际标准中[3]。因此，研究和掌握转动惯量的测定原理，严格执行试验步骤，才能得出准确和有说服力的测定结果。
本文梳理了水电机组转动惯量的不同测定方法，分析了转动惯量的测定原理，探讨了甩负荷加速试验中的几个关键要点，最后以一测定示例，对测定结果做了分析和总结。
2 转动惯量的定义
物理学中，绕单一定轴旋转的刚体所具有的能量为：
E =
1 2
Jω2
（1）式中：
E ——旋转体旋转时的能量，J
J ——旋转体对应旋转轴的转动惯量，kg ·m 2ω——旋转体的角速度，rad/s
刚体的转动惯量是其固有性质，由刚体自身的结构（转轴、质量、形状）决定，与外界因素无关，由下式求得[4]：
J =mr 2 （2）式中：
m ——旋转体内各质量微元的质量，kg r ——旋转体内各质量微元与旋转轴的垂直距离，m
水电机组的旋转部件由若干个不规则的刚体部件组成，在电机设计时，通常采用有限元等数值模拟的方法计算得到，习惯以GD 2表示，即俗称的飞轮力矩。国内外相关标准中都以转动惯量（moment of inertia ）作为机组快速反应的性能考核，即1/4g 倍的飞轮力矩（GD 2），在现场实测复核时应予以注意[5]。
收稿日期： 2020-09-14
基金项目： 中国水科院科研专项（HM0145B232020）。
作者简介： 曹登峰（1987-），男，工程师，从事水电机组性能测试与安全评估工作。
水电机组转动惯量测定中的关键要点探讨
曹登峰1，马建峰2，潘罗平1，周 叶1
（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.浙江富春江水电设备有限公司，浙江 杭州 310000）摘
要： 从水电机组转动惯量的测定方法和原理入手，对比了不同测定方法的异同，得出了甩负荷加速试验更适用于水电机组转动惯量测定的结论，进而分析并探讨了甩负荷加速试验中的若干关键要点，包括调速器、励磁系统的设定及具体的试验步骤，建议利用加速曲线上额定转速处的切线确定机组的转速上升率，最后在一水电站进行实际测量，得到了较好的测定结果。
关键词： 水电机组；转动惯量；甩负荷加速试验；空载自减速试验
中图分类号：TM312 文献标识码：A 文章编号：1672-5387（2021）04-0001-04DOI：10.13599/jki.11-5130.2021.04.001
2第44卷
水 电 站 机 电 技 术
3 测定原理
3.1 方法概述
水电机组转动惯量的测定方法有悬挂转子扭摆试验、辅助摆摆动试验、空载自减速试验、甩负荷加速试验等。其中，悬挂转子扭摆试验和辅助摆摆动试验在水电站现场无法实施，本文不做论述[6，7]。空载
自减速试验是根据机组在空载状态下自由减速过程中的减速曲线，测定机组的转动惯量，是IEC 60034-4-1-2018中仅有的转动惯量测定方法。甩负荷加速试验则是通过机组甩负荷后的加速曲线测定转动惯量，是国内最常用的转动惯量测定方法[8]。
3.2 计算原理
试验前，机组在某一转速下稳定运行，此时转轴受到的合外力矩为零，旋转角加速度为零，转动部件对转轴的角动量不变。当合外力矩发生变化时，根据角动量定理，机组转动部件会产生一个角加速度[9，10]：
Jα=J dω=M T-M E= （3）式中：
α——转动部件获得的角加速度，rad/s2
ω——转动部件初始角速度，rad/s
M T——作用在转动部件上的机械力矩，N·m
M E——作用在转动部件上的电磁力矩，N·m
P T——机械力矩对应的机械功率，W
P E——电磁力矩对应的电磁功率，W
实施甩负荷加速试验时，机组甩负荷前，机械功率P T与电磁功率P E相等；甩负荷后，电磁功率P E 在机组解列的极短时间内降为0，保持导叶开度不变，机组获得的角加速度α可利用加速曲线求得，机械功率P T在解列后的极短时间内仍等于甩负荷前的电磁功率P E，最终求得转动惯量J。
而空载自减速试验则是通过快速关闭导叶，即令机械功率P T快速降为0，利用机组减速曲线求得角加速度α。但应用于水电机组时，即便手动快速关闭导叶，仍至少需要3~5 s时间，导叶完全关闭后的电磁功率P E与试验前必然有所差异，产生计算误差；且要测得转动惯量的准确数值，还需测定机组实际的机械损耗和空载铁心损耗。因此，空载自减速试验更适用于电动机的转动惯量测定。4 实施要点分析
据上所述，在水电机组转动惯量的测定中，甩负荷加速试验是合理可行的测定方法。为获得尽量准确的测定结果，并防止意外事故的发生，需严格执行相关的试验步骤，并选择合适的加速区间进行计算。
4.1 调速器设定
调速器的设定及操作在甩负荷加速试验中尤为关键。甩负荷后，导叶应保持开度不变一段时间，以保证机械力矩无较大波动。若调速器动作过早，则难以录取到足够长的加速曲线；若动作过晚，机组转速升高较快，容易造成机组过压，带来安全风险。调速器的设定具体如下进行：
（1）试验前，检查调速器“手动”和“自动”模式应可正常切换，且切换前后转速无明显波动；
（2）前序试验中，接力器动作时间、导叶紧急关闭时间符合设计要求；
（3）试验中，由熟悉调速器操作流程的人员进行操作。
4.2 励磁设定
试验中，励磁应保持不变，即励磁系统输出不变。励磁系统应设定为“恒控制角”模式，即励磁系统内部控制电压保持不变，直至灭磁。此设定为保证甩负荷后，励磁系统在短时间内不做其他动作，即发电机未受到额外的电磁力矩，以保证测量的准确性。此设定的风险在于甩负荷后，励磁输出不变，由于导叶开度不变导致转速快速升高，发电机电压会出现升高，因此，试验中，保护系统的各项设定应保持投入状态，保证调速器失灵后仍可进入过压后的紧急停机流程。
综上所述，甩负荷加速试验应按以下步骤进行：（1）试验前，机组在额定转速、0.1~0.3倍额定负荷下稳定运行；
（2）将调速器由“自动”模式切换为“手动”模式，观察转速有无明显波动；
（3）执行解列操作，机组甩负荷，录取加速曲线；
（4）待机组上升至1.1倍额定转速，或解列后3~5 s后，将调速器由“手动”模式切换为“自动”模式，导叶关闭；
（5）试验中，励磁输出保持不变，直至灭磁。
P T-P E ω
3第4期曹登峰，等：水电机组转动惯量测定中的关键要点探讨
4.3 计算区间
甩负荷加速试验结束后，机组在Δt时间内转速上升了Δω，根据录取的加速曲线，由式（2）和式（3），可得转动惯量：
J=P EΔt
ωNΔω（4）式中：
ωN——机组额定角速度，即甩负荷前初始角速度，rad/s
P E——机组甩负荷前有功功率，即甩负荷瞬间的机械功率P T，W
由3.2可知，利用式（4）计算转动惯量的理论前提是，机组在甩负荷后的极短时间内的机械力矩仍等于甩负荷前的电磁力矩。机组甩负荷后，即便导叶开度在3~5 s时间内保持不变，但由于转速的上升，机械力矩也会产生变化；同时，由于机组电压的波动及变化，也会产生额外的力矩。因此，为保证计算的准确，转速上升率，即Δω/Δt的确定，应以加速曲线上额定转速处的切线斜率为依据，而非加速曲线线性段的拟合直线斜率。
5 实例分析
某电站装有额定容量为148 MVA的悬式水轮发电机组3台，水轮机型号为HL-LJ-251.2，发电机型号为SF124-10/4800。在3台机组上分别开展甩负荷加速试验，测定机组转动惯量。
5.1 机组参数
测试机组主要参数如表1所示。
表1 机组主要参数
机组参数单位数值
额定容量MVA148
额定电压kV15 750
额定电流A 5 425.3
额定频率Hz50
额定功率因数/0.84滞后
额定励磁电压V306
额定励磁电流A900
额定转速r/min600
飞逸转速r/min 1 000水轮机额定出力MW126
水轮机额定水头m655
水轮机额定流量m3/s21.4
5.2 结果分析
以该电站1号机组为例，说明甩负荷加速试验计算转动惯量的过程。机组甩负荷后，有功功率、转速、导叶开度的变化曲线如图1所示。图1可以看出，甩负荷后，导叶开度保持不变达3.8 s，导叶动作时，机组转速已超过1.1倍额定转速，
满足试验要求。
图1 甩负荷后机组有功、转速、导叶开度变化曲线图
转速上升率的确定如图2所示。在额定转速处作加速曲线的切线，其斜率即Δω/Δt。进而根据式（4）
求得机组的转动惯量。
图2 甩负荷后转速上升率的确定
试验后，3台机组转动惯量的测定结果如表2所示。从表中可以看出，3台机组转动惯量实测值较为接近，与理论计算值的偏差在10%以内，满足相关标准中的要求。
表2 转动惯量测定结果
测定参数符号单位1号机组2号机组3号机组
甩前负荷P E MW31.65532.30131.490
甩前转速ωN rad/s62.83262.83262.832
转速上升率Δω/Δt rad/s2 1.654 1.696 1.654
转动惯量实测值J实测t·m2304.597303.116303.010
转动惯量计算值J计算t·m2288.475288.475288.475偏差/+5.6%+5.1%+5.0%
6 结语
本文从水电机组转动惯量的测定原理出发，分
（下转第12页）
12第44卷
水 电 站 机 电 技 术
精确简化后可直接提取诊断规则，因此，系统的复杂性被降低。
3.7 遗传算法
遗传算法拥有隐含的并行性并且可以对全局信息进行有效利用，利用种的适应度信息，从任一解出发，通过一系列相对简单的复制、交叉和变异操作，全局最优解就可以在短时间内以相对比较的概率被到，是一种智能优化算法。将此算法与BP 网络相结合，不仅可以发挥神经网络本身所具有的出的泛化和映射能力，还能使神经网络具备本来没有的较快的收敛速度和较强的学习能力，全局优化的性能得以体现，提高普遍性，并增加应用广度。但遗传算法，在水轮机组振动故障诊断领域中的应用仍然比较少见。
4 未来发展的趋势
水轮发电机组的故障诊断会不断地与新时代最新传感器技术比如激光测试技术、最新信号处理方法、多元传感器信息、现代人工智能和网络技术相融合。
5 结语
为了尽量满足水电厂由计划检修到状态检修发展的实际需要，需要加大相关技术的研发，不断优化我国故障诊断信息系统，使其变得更加的智能化、多元化和高效化。伴随着当今传感器技术的飞速发展，水轮机振动故障诊断技术水平在一直在提高。故而采用效果良好的振动检测技术，提高水轮发电机组系统中水轮机振动故障诊断和处理水平，将其控制在合格范围内，对水轮机正常运转和提高整个水力发电站的效益具有十分重要的意义。
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析和探讨了转动惯量测定中的几个关键要点，并在一水电站进行了实际测定，得到了以下结论：（1）甩负荷加速试验是测定水电机组转动惯量行之有效的方法；
（2）为保证试验的成功进行，导叶开度需保持不变一段时间，同时励磁输出不变，以获得准确的机组加速曲线；
（3）利用加速曲线上额定转速处的切线确定机组的转速上升率，可获得较为准确的转动惯量实测值。
水电机组的甩负荷加速试验不同于常规的甩负荷试验，存在发生意外事故的风险，须严格执行规范的试验步骤，在保证安全的前提下测定转动惯量。
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（上接第3页）
120Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station(Vol. 44 No.4)
ABSTRACTS
Discussion on key points of measuring moment of inertia of hydropower unit
CAO Deng-feng 1, MA Jian-feng 2, PAN Luo-ping 1, ZHOU Ye 1
(1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China;
2.Zhejiang Fuchunjiang Hydropower Equipment Co., Ltd., Hangzhou 310000, China)
Abstract: Starting from the measurement methods and principles of the moment of inertia of hydropower units, comparing the similarities and differences of different measurement methods, it is concluded that the load rejection acceleration test is more suitable for the measurement of the moment of inertia of hydropower units. Some key points in the load rejection acceleration test are analyzed and discussed, including the setting of the governor and excitation system and the specific test steps. It is recommended to use the tangent line at the rated speed on the acceleration curve to determine the speed rise rate of the unit. Ultimately, the actual measurement is carried out and good results are obtained in a hydropower station.
Keywords: Hydropower unit; Moment of inertia; Load-rejection test; No-load retardation test Research
and application of detection method for abnormal operation of bearings in hydropower unit SHEN Xu-dong 1, XU Jian-feng 1, JIANG Shu-qiao 1, JIANG Zhen-tao 2
(1.Zhejiang Huadian Wuxi River Hydropower Co., Ltd., Quzhou 324000, China;
2.Beijing Huake Tongan Monitoring Technology Co., Ltd., Beijing 100043, China)
Abstract: This paper discusses the definition and calculation method of bearing loss of hydropower unit, summarizes the variation law of bearing loss according to the actual operation data of bearing, and analyzes and verifies the statistical characteristics of the loss data. The analysis shows that the loss data of the bearing after stable operation obeys the normal distribution and conforms to the assumption of the central limit theorem. Furthermore, according to the normal distribution theory, a method for detecting abnormality of hydropower unit bearing operation based on real-time loss is established. This method can detect the change and abnormality of bearing operation characteristics in real-time, and make early diagnosis and early warning in the early stage of fault, which can more effectively prevent the occurrence of sudden bearing accidents.
Keywords: Hydropower unit; Bearing loss; Real-time warning; Anomaly detection; Normal distribution
Research on the comprehensive thickness of thrust oil film of pumped storage unit based on online data ZHENG Hong-yong, WANG Zhen-xin, LIN Wen-hua, ZHUANG Jian-ling, LIN Guo-qing
(Fujian Xianyou Pumped Storage Power Co., Ltd., Putian 351200, China)
Abstract: As the number of pumped-storage power stations constructed in my country continues to increase, and pumped-storage units often face drastic changes in operating conditions, the thrust bearing of pumped storage motor adopts central support and two-way high-speed operation from the mechanical design, so the thrust bearing components become the key monitoring objects in the operation process of pumped storage units, and how to carry out safety monitoring and management becomes particularly important. The frequent fault at the thrust bearing is the scraping of the thrust pad. If this phenomenon deteriorates, it will lead to the burning of the thrust pad. The reason for this phenomenon is probably due to the poor conditions for the formation of the thrust oil film when the unit rotates at low speed. To better realize the real-time monitoring of the oil film thickness of the thrust bearing, eliminate the potential safety hazard of the power station operation, and give full play to its economic benefits, this paper proposes a study on the comprehensive thickness of the thrust oil film of the pumped storage unit based on the on-line data, and makes a systematic analysis of the actual operation data of the thrust bearing condition monitoring of pumped storage power station, which provi
des an important reference for the monitoring and management of the optimal operation of the pumped storage power station, and ensures the safe and stable operation of the unit.
Keywords: Pumped storage unit; Thrust oil film; Comprehensive thickness
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