大型汽轮发电机定子绕组端部振动特性
对广东省电力试验研究所曾进行的大型汽轮发电机定子绕组端部固有频率测试及模态分析工作进行了总结，并将测试结果与实际的事故或缺陷现象进行比较分析，说明了该项测试技术的先进性和准确性，最后指出了应进一步开展的工作。
关键词：发电机；定子绕组；振动测试；固有频率；振动模态
中图分类号：TM311 文献标识码：B
发电机正常运行或定子端部突然发生短路时，定子绕组均承受到两倍系统频率的交变电磁力作用。随着单机容量的增大，该电磁力对固定定子绕组的影响越来越大，尤其是对于远离铁心的端部，虽然采用了各种不同的固定结构（如绑扎式和压板式）来增强定子绕组的整体性，但近年来还是不断发生由于定子绕组端部振动而造成固定件松脱、绝缘磨损或线棒疲劳最后引起绝缘击穿的事故。国内外许多研究机构对这类事故进行了深入的分析，发现当定子绕组端部存在与两倍系统频率接近的固有频率并且整体存在椭圆型的振动模态时，端部结构产生共振是造成这类事故的根本原因。
目前，国内外都在致力于开发发电机定子绕组端部振动特性的测试装置，其原理基本一样，即采用锤击法测得各测点的频响函数，通过模态分析软件进行分析、拟合，得到有关的模态参数，并研究改变端部振动模态以避开两倍系统频率的椭圆振型的措施。频响函数H(f)为
H(f)=G12(f)/G2(f).
式中G12(f)——响应和力的互功率谱的平均值；
G2 (f)——激振力的自功率谱的平均值。
在端部振动特性测试方面国际上还没有统一的测试及判断标准，国内目前已开发出了比较成熟的测试系统，并已在有关行业标准中规定定子绕组端部应避开94～115 Hz的椭圆振型。广东省电力系统一年多来应用国产测试系统对多台发电机进行了测试，发现了不少问题，有效地指导了检修工作。
1 应用情况及分析
广东省电力试验研究所（以下简称“广东所”）先后在广东省200 MW、300 MW及600 MW等级13台发电机上进行了18次测试，发现沙角C电厂1～3号机定子引出线部分存在94～115 Hz范围内的固有频率，沙角A电厂3号机、黄埔电厂5号机及妈湾电厂3号机定子绕组端部存在94～115 Hz 的椭圆振型，测试结果与运行中发生的事故或缺陷现象相符。我们将珠海电厂1号机的测试结果与美国西屋公司的出厂结果进行了比较，各阶振动频率与振型均完全一致。
1.1 沙角A电厂3号机定子绕组端部缺陷及测试情况
沙角A电厂3号发电机自投产以来一直存在严重的定子端部绝缘件松动现象。1998年2月大修中发现端部绝缘支架固定螺丝松动严重，特别是汽端，支架固定螺帽脱落3只，垫片脱落3只，其中有1只垫片跌落在线棒背部间隙，磨伤绝缘达2～3 mm。相环固定压板螺丝松动，其中1只螺帽脱落。两侧压板固定螺帽松动，汽侧有一螺杆绝缘套管被磨破，汽励两侧端部绕组有磨损痕迹。该发电机在前两次大修中已发现端部绝缘支架及压板螺帽有松脱现象，但当时厂家认为是螺丝未上紧造成，一直没有引起重视。本次大修我们对端部进行了固有频率测试并进行了模态分析，发现励侧存在106 Hz的椭圆振型，汽侧存在102 Hz的椭圆振型，现场经过局部加固处理后励侧仍存在明显的106 Hz的椭圆振型的固有频率。
1.2 沙角C电厂1～3号机定子引出线事故及测试情况
沙角C电厂装有3台660 MW的汽轮发电机，由法国 ALSTOM 公司生产。1998年6月11日，3号发电机满负荷运行时突然发生定子单相接地事故，检查发现定子W相出线（E3）在多层连接盒下部拐弯处被烧断，烧断长度约200 mm，E3事故部位沿V相出线E2、支撑件表面至地有一条明显的放电痕迹。事故前，厂家对3号机出线箱进行了仔细检查，发现W相中性点（S3）相环的T接头处有两处裂纹，E3相环T接头也有裂纹。厂家更换了3号机的全部相环及引线，并对引线进行了加固。改造后3号机仅运行了65 d又发生了上述事故。事故原因是定子引线的固有频率没有避开100 Hz附近的共振范围，运行中发生共振使多层连接盒下部与引线的焊接部位疲劳开焊，引线烧断漏水，造成单相接地。事故后我们对所有引线进行了测试，发现其中有2条出线（U相中性点S1和V相出线E2）存在100 Hz附近的固有频率。厂家对S1和E2引线重新进行了加固，直至测试结果正常为止。
10月8日至11月20日厂家按3号机的改造方法对2号机出线进行了改造。改造过程中我们也测得有3条引线不合格，厂家重新进行了加固。1999年3月1号机小修期间，厂家对1号机出线箱进行改造，使之与2号和3号机出线箱结构一致，改造后我们对所有引线进行了测试，发现每根引线均存在94～115 Hz范围内的固有频率，说明本次改造是不合格的，但由于时间关系没有进行彻底处理。
1.3黄埔电厂5号机端部缺陷及测试情况
黄埔电厂5号机为300 MW的汽轮发电机，投运以来发现定子端部长期有黄粉出现，说明运行中定子端部绝缘存在磨损现象。1998年5月大修时我们进行了固有频率及模态测试，径、切、轴三方向同时测量，鼻端结果正常，但槽口存在107 Hz近似椭圆的振型，单独分析每个方向的振型，发现径向存在107 Hz的标准椭圆振型。分析认为该机定子端部出现黄粉与槽口径向存在107 Hz椭圆振型有关。本次测试说明在同时进行三方向测量时，除了应对三方向的合成量进行拟合分析外，还应对单方向的结果进行分析，尤其是径向的振动。
1.4妈湾电厂3号机测试情况
妈湾电厂3号机1997年底正式投入运行，1999年3月第一次大修时进行定子绕组端部固有频率及模态测试，发现汽励两侧鼻端外圈均存在98.5 Hz的椭圆振型。该机由于运行时间不长，端部没有出现明显的松动现象，只是用扳手紧固压板螺丝时发现靠鼻端外圈的螺帽均有一定的松动，紧了两圈，但靠槽口的内圈较紧，与测试情况相符，内圈测试时发现很难激振，且测试结果正常，而鼻端外圈则很容易激振。为此要求电厂在运行中应特别加强对定子绕组的监视，在以后小修时应打开端盖检查端部固定的情况。
1.5珠海电厂1号机测试情况
珠海电厂1号机由美国西屋公司生产，出厂时进行了定子绕组固有频率及模态测试，现场安装后我们再次对该发电机进行了测试，测试时发电机定子绕组内均不通水。西屋公司和广东所均采用锤击法，一点激励多点测量，广东所采用1.4 kg锤，避开94～115 Hz椭圆振型，西屋公司采用1.36 kg锤，避开90～120 Hz椭圆振型。两者的测试结果见表1(双方均对两侧的槽口、渐伸线中部及鼻端进行了测试，限于篇幅表1只对鼻端进行比较，槽口及渐伸线中部结果也基本相同)。从表1可以看出两者的测试结果基本一样。
2问题及讨论
2.1振幅测试标准
我们所用的测试方法，是通过分析所测得的频响函数，识别出被测系统的固有频率、阻尼及振型等模态参数，在幅频响应中幅值用分贝（dB）来表示，在判断标准中仅仅对固有频率及其模态进行了规定，没有对系统的振幅给出具体的限值。国外有的公司对振幅参数进行了明确的规定，尤其是在测试单根线棒或引线时，除了要求固有频率应避开100 Hz左右的范围外，还要求每一测点的振幅不超过规定值。以沙角C电厂的定子引线为例，厂家给出的标准为：频率规定避开95～115 Hz（对60 Hz发电机为115～135 Hz），振幅规定见表2。
显然，给出振幅的限值后使判断更明确更直接。而且厂家认为在判断引线振动是否合格时主要是看幅值是否超过规定值，也就是说即使某点的固有频率不在95～115 Hz范围内，但幅值超标了也是不合格的；而对于某点的固有频率在95～115 Hz范围内但幅值很小，则认为该点是合格的；如果某点的固有频率在95～115 Hz范围内且幅值也超标，则为最严重的情况。不足的是由于每一测点的振幅限值不同，不同的引线结构限值也会不一样，所以如何根据实际情况制定一个合理的振幅标准也是非常困难。
2.2 在线监测
研究发电机端部振动特性，除了可以在停机状态下进行测试外，在发电机端部及引线安装测振传感器进行在线测试也是一个有效的方法。广东省沙角C电厂3台660 MW发电机、大亚湾核电站2台900 MW发电机上均安装了端部在线测振装置。沙角C电厂每台发电机在汽励两侧端部及引线安装了33个传感器（光纤及机械式），大亚湾核电站每台发电机在汽励两侧各安装3台机械式传感器。在线测振的标准各厂家的要求不一样。美国西屋公司要求300 MW及以上发电机端部振动幅值应小于254μm。沙角C电厂发电机由于传感器数量多，安装位置不一样，厂家对振动幅值规定得较复杂，原则上要求报警值为正常运行时振动幅值加50μm，且每点的最大幅值应小于400 μm, 但这个标准是不成熟的，厂家后来又根据实测的情况对每个传感器的限值进行了调整，而且对最大幅值的规定一直在改变（最大曾经达到900μm），振动超标时对发电机的有功及无功负荷也要进行限制。大亚湾核电站发电机的振动幅值为小于125μm。对发电机端部振动进行在线监测，根据实际的振动值来调整发电机的负荷，可以避免由于端部的长期振动而导致的线棒疲劳断裂、绝缘破损等突发性事故。但目前只能做到监视实际的振动值，振动值达到多少时才需要限制负荷或停机，这方面国际上还没有统一的标准，这也正是开展在线测振的关键及难点。
2.3 频率测试及模态分析的必要性
目前国内正在制定大型汽轮发电机定子绕组端部固有频率测试及模态分析的行业标准，其中机械行业标准规定300 MW及以上的汽轮发电机、电力行业标准规定200 MW及以上的汽轮发电机在出厂前、大修时以及运行中出现突然短路、绝缘磨损等异常现象时均应进行端部固有频率测试及模态分析。广东省根据本省的实际情况以及近几年国内发生的多起50 MW及以上汽轮发电机由于端部振动引起的事故，已将该项测试技术作为一个有效的反事故措施在全省50 MW及以上汽轮发电机上推广，尤其是对于运行中出现突然短路，端部已出现诸如压紧螺丝松动、绝缘支架及绑线松动产生裂纹或黄粉等现象的发电机必须进行该项测试。
3结束语
近几年发电机定子绕组端部固有频率测试及模态分析技术已得到世界各国的重视，并用以检测和评价大型汽轮发电机定子绕组端部结构是否安全可靠。国内开发的测试系统通过大量的应用并与国外同类设备的测试结果比较，证明已达到了国际先进水平，但在测试及判断标准的制定，以及在线测振等方面还有许多工作有待进一步深入开展。
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