Неравномерный воздушный зазор между статором и ротором (обычно называемый «эксцентриситетом воздушного зазора») в крупных гидрогенераторах является серьезной неисправностью, которая может иметь ряд негативных последствий для стабильной работы и срока службы агрегата.
Проще говоря, неравномерный воздушный зазор вызывает асимметричное распределение магнитного поля, что, в свою очередь, приводит к ряду электромагнитных и механических проблем. Ниже мы подробно проанализируем влияние на ток и напряжение статора, а также другие связанные с этим неблагоприятные последствия.
I. Влияние на ток статора
Это наиболее прямой и очевидный эффект.
1. Увеличение тока и искажение формы сигнала.
Принцип действия: В областях с меньшими воздушными зазорами магнитное сопротивление меньше, а плотность магнитного потока больше; в областях с большими воздушными зазорами магнитное сопротивление больше, а плотность магнитного потока меньше. Это асимметричное магнитное поле индуцирует несбалансированную электродвижущую силу в обмотках статора.
Производительность: Это приводит к дисбалансу в трехфазных токах статора. Что еще более важно, в форму тока вводится большое количество высокочастотных гармоник, особенно нечетных (таких как 3-я, 5-я, 7-я и т. д.), в результате чего форма тока перестает быть плавной синусоидой и становится искаженной.
2. Генерация токовых компонентов с характеристическими частотами
Принцип действия: Вращающееся эксцентричное магнитное поле эквивалентно источнику низкочастотной модуляции, который модулирует ток основной промышленной частоты.
Характеристики: В спектре тока статора появляются боковые полосы. В частности, по обе стороны от основной частоты (50 Гц) появляются компоненты характеристической частоты.
3. Локальный перегрев обмоток
Принцип действия: Гармонические составляющие тока увеличивают потери в меди (потери I²R) обмоток статора. В то же время гармонические токи генерируют дополнительные вихревые токи и потери на гистерезис в железном сердечнике, что приводит к увеличению потерь в железе.
Эксплуатационные характеристики: Локальная температура обмоток статора и железного сердечника аномально повышается, что может превысить допустимый предел для изоляционных материалов, ускорить старение изоляции и даже привести к короткому замыканию и перегоранию обмоток.
II. Влияние на напряжение статора
Хотя влияние на напряжение не столь прямое, как на ток, оно не менее важно.
1. Искажение формы волны напряжения
Принцип действия: Электродвижущая сила, создаваемая генератором, напрямую связана с магнитным потоком в воздушном зазоре. Неравномерный воздушный зазор вызывает искажение формы волны магнитного потока, что, в свою очередь, приводит к искажению формы волны индуцированного напряжения статора, содержащего гармонические напряжения.
Характеристики: Качество выходного напряжения снижается, и оно перестаёт иметь стандартную синусоидальную форму.
2. Дисбаланс напряжения
В случаях выраженной асимметрии это может вызвать определенную степень дисбаланса в трехфазном выходном напряжении.
III. Другие более серьезные неблагоприятные последствия (вызванные проблемами с током и напряжением)
Указанные выше проблемы с током и напряжением приведут к возникновению цепной реакции, которая зачастую оказывается более опасной.
1. Несбалансированное магнитное притяжение (НМП)
Это наиболее существенное и опасное последствие эксцентриситета воздушного зазора.
​
Принцип: На стороне с меньшим воздушным зазором магнитное притяжение значительно сильнее, чем на стороне с большим воздушным зазором. Это суммарное магнитное притяжение (СМП) будет дополнительно притягивать ротор в сторону с меньшим воздушным зазором.
Порочный круг: неравномерный воздушный зазор (НВП) усугубляет проблему, образуя порочный круг. Чем больше эксцентриситет, тем больше НВП; чем больше НВП, тем больше эксцентриситет.
Последствия:
•Усиление вибрации и шума: Устройство генерирует сильную вибрацию с удвоенной частотой (в основном, в 2 раза превышающую частоту сети, 100 Гц), что приводит к значительному увеличению уровня вибрации и шума.
• Механические повреждения компонентов: Длительная неконтролируемая нагрузка приведет к повышенному износу подшипников, усталости цапф, изгибу вала и может даже вызвать трение статора и ротора друг о друга (взаимное трение и столкновение), что является катастрофическим последствием.
2. Усиление вибрации устройства.

Источники: В основном с двух точек зрения:
1. Электромагнитная вибрация: вызвана неуравновешенным магнитным притяжением (НМП), частота которой связана с вращающимся магнитным полем и частотой сети.
2. Механическая вибрация: вызвана износом подшипников, смещением вала и другими проблемами, возникающими из-за неисправности системы UMP.
Последствия: Влияет на стабильную работу всей генераторной установки (включая турбину) и угрожает безопасности конструкции машинного зала.
3. Влияние на подключение к сети и энергосистему.
Искажения формы волны напряжения и гармоники тока загрязняют энергосистему электростанции и попадают в сеть, что может повлиять на нормальную работу другого оборудования на той же шине и не соответствует требованиям к качеству электроэнергии.
4. Снижение эффективности и выходной мощности.
Дополнительные гармонические потери и нагрев снизят эффективность генератора, и при той же потребляемой мощности воды полезная активная выходная мощность уменьшится.
Заключение

Неравномерность воздушного зазора между статором и ротором в крупных гидрогенераторах — это отнюдь не тривиальная проблема. Она начинается как электромагнитная ошибка, но быстро перерастает в серьезную неисправность, затрагивающую электрические, механические и тепловые аспекты. Вызываемое ею несбалансированное магнитное притяжение (НМП) и возникающая в результате сильная вибрация являются основными факторами, угрожающими безопасной эксплуатации агрегата. Поэтому во время монтажа, технического обслуживания и ежедневной эксплуатации агрегата необходимо строго контролировать равномерность воздушного зазора, а ранние признаки неисправностей, связанных с эксцентриситетом, должны быть своевременно обнаружены и устранены с помощью систем онлайн-мониторинга (таких как мониторинг вибрации, тока и воздушного зазора).