Нерівномірний повітряний зазор між статором і ротором (широко відомий як «ексцентриситет повітряного зазору») у великих гідрогенераторах є серйозною несправністю, яка може мати низку негативних наслідків для стабільної роботи та терміну служби агрегату.
Простіше кажучи, нерівномірний повітряний зазор спричиняє асиметричний розподіл магнітного поля, що, у свою чергу, викликає низку електромагнітних та механічних проблем. Нижче ми детально аналізуємо вплив на струм і напругу статора, а також інші пов'язані з цим негативні наслідки.
I. Вплив на струм статора
Це найпряміший і найочевидніший ефект.
1. Збільшення струму та спотворення форми хвилі
Принцип: У зонах з меншими повітряними зазорами магнітний опір менший, а щільність магнітного потоку більша; в зонах з більшими повітряними зазорами магнітний опір більший, а щільність магнітного потоку менша. Це асиметричне магнітне поле індукує незбалансовану електрорушійну силу в обмотках статора.
Продуктивність: Це призводить до дисбалансу трифазних струмів статора. Що ще важливіше, у форму струму вводиться велика кількість гармонік вищого порядку, особливо непарних гармонік (таких як 3-тя, 5-та, 7-ма тощо), що призводить до того, що форма струму перестає бути гладкою синусоїдою, а спотворюється.
2. Генерація складових струму з характеристичними частотами
Принцип: Обертове ексцентричне магнітне поле еквівалентне джерелу низькочастотної модуляції, яке модулює струм основної частоти промислової частоти.
Продуктивність: У спектрі струму статора з'являються бічні смуги. Зокрема, характерні частотні складові з'являються по обидва боки від основної частоти (50 Гц).
3. Локальний перегрів обмоток
Принцип: Гармонійні складові струму збільшують втрати в міді (втрати I²R) обмоток статора. Водночас гармонічні струми створюють додаткові втрати на вихрові струми та гістерезис у залізному осерді, що призводить до збільшення втрат у залізі.
Продуктивність: Локальна температура обмоток статора та залізного осердя аномально підвищується, що може перевищити допустиму межу ізоляційних матеріалів, прискорити старіння ізоляції та навіть спричинити коротке замикання та перегорання.
II. Вплив на напругу статора
Хоча вплив на напругу не такий прямий, як на струм, він не менш важливий.
1. Спотворення форми хвилі напруги
Принцип: Електрорушійна сила, що генерується генератором, безпосередньо пов'язана з магнітним потоком у повітряному зазорі. Нерівномірний повітряний зазор призводить до спотворення форми хвилі магнітного потоку, що, у свою чергу, також призводить до спотворення форми хвилі індукованої напруги статора, яка містить гармонічні напруги.
Продуктивність: Якість вихідної напруги знижується і більше не є стандартною синусоїдою.
2. Дисбаланс напруги
У важких асиметричних випадках це може спричинити певний ступінь дисбалансу трифазної вихідної напруги.
III. Інші, більш серйозні несприятливі наслідки (викликані проблемами зі струмом та напругою)
Вищезазначені проблеми зі струмом та напругою ще більше спровокують низку ланцюгових реакцій, які часто є більш фатальними.
1. Незбалансоване магнітне тяжіння (НМТ)
Це найголовніший і найнебезпечніший наслідок ексцентриситету повітряного зазору.
​
Принцип: На стороні з меншим повітряним зазором магнітне тяжіння набагато більше, ніж на стороні з більшим повітряним зазором. Це чисте магнітне тяжіння (СМТ) ще більше притягуватиме ротор до сторони з меншим повітряним зазором.
Замкнене коло: Нерівномірне випромінювання (UMP) самозагострює проблему нерівномірного повітряного зазору, утворюючи замкнене коло. Чим сильніший ексцентриситет, тим більший UMP; чим більший UMP, тим сильніший ексцентриситет.
Наслідки:
• Підвищена вібрація та шум: Пристрій генерує сильну вібрацію з подвоєною частотою (переважно вдвічі перевищує частоту живлення, 100 Гц), і рівень вібрації та шуму значно зростає.
• Механічне пошкодження компонентів: Тривале постійне нагрівання призведе до збільшення зносу підшипників, втоми шийок, вигину вала та навіть може призвести до тертя статора та ротора один об одного (взаємне тертя та зіткнення), що є руйнівною поломкою.
2. Підвищена вібрація агрегату

Джерела: В основному з двох аспектів:
1. Електромагнітна вібрація: спричинена незбалансованим магнітним тяжінням (НМТ), частота пов'язана з обертовим магнітним полем та частотою сітки.
2. Механічна вібрація: спричинена зносом підшипників, перекісом валів та іншими проблемами, спричиненими UMP.
Наслідки: Впливає на стабільну роботу всієї генераторної установки (включаючи турбіну) та загрожує безпеці конструкції електростанції.
3. Вплив на підключення до мережі та енергосистему
Спотворення форми сигналу напруги та гармоніки струму забруднюватимуть енергосистему станції та потраплятимуть у мережу, що може вплинути на нормальну роботу іншого обладнання на тій самій шині та не відповідати вимогам якості електроенергії.
4. Зниження ефективності та вихідної потужності
Додаткові втрати гармонік та нагрівання знизять ефективність генератора, а за тієї ж вхідної потужності води корисна активна вихідна потужність зменшиться.
Висновок

Нерівномірний повітряний зазор між статором і ротором у великих гідрогенераторах аж ніяк не є тривіальною проблемою. Він починається як електромагнітна проблема, але швидко переростає в серйозну несправність, що поєднує електричні, механічні та теплові аспекти. Незбалансоване магнітне тяжіння (НМТ), яке воно викликає, та сильна вібрація, що виникає внаслідок цього, є основними факторами, що загрожують безпечній роботі агрегату. Тому під час встановлення, технічного обслуговування та щоденної експлуатації агрегату необхідно суворо контролювати однорідність повітряного зазору, а ранні ознаки ексцентриситету необхідно виявляти та своєчасно усувати за допомогою систем онлайн-моніторингу (таких як моніторинг вібрації, струму та повітряного зазору).