大型汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)特性
對(duì)廣東省電力試驗(yàn)研究所曾進(jìn)行的大型汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部固有頻率測(cè)試及模態(tài)分析工作進(jìn)行了總結(jié)，并將測(cè)試結(jié)果與實(shí)際的事故或缺陷現(xiàn)象進(jìn)行比較分析，說明了該項(xiàng)測(cè)試技術(shù)的先進(jìn)性和準(zhǔn)確性，最后指出了應(yīng)進(jìn)一步開展的工作。
關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)；定子繞組；振動(dòng)測(cè)試；固有頻率；振動(dòng)模態(tài)
中圖分類號(hào)：TM311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行或定子端部突然發(fā)生短路時(shí)，定子繞組均承受到兩倍系統(tǒng)頻率的交變電磁力作用。隨著單機(jī)容量的增大，該電磁力對(duì)固定定子繞組的影響越來越大，尤其是對(duì)于遠(yuǎn)離鐵心的端部，雖然采用了各種不同的固定結(jié)構(gòu)（如綁扎式和壓板式）來增強(qiáng)定子繞組的整體性，但近年來還是不斷發(fā)生由于定子繞組端部振動(dòng)而造成固定件松脫、絕緣磨損或線棒疲勞最后引起絕緣擊穿的事故。國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)對(duì)這類事故進(jìn)行了深入的分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)定子繞組端部存在與兩倍系統(tǒng)頻率接近的固有頻率并且整體存在橢圓型的振動(dòng)模態(tài)時(shí)，端部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振是造成這類事故的根本原因。
目前，國內(nèi)外都在致力于開發(fā)發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)特性的測(cè)試裝置，其原理基本一樣，即采用錘擊法測(cè)得各測(cè)點(diǎn)的頻響函數(shù)，通過模態(tài)分析軟件進(jìn)行分析、擬合，得到有關(guān)的模態(tài)參數(shù)，并研究改變端部振動(dòng)模態(tài)以避開兩倍系統(tǒng)頻率的橢圓振型的措施。頻響函數(shù)H(f)為
H(f)=G12(f)/G2(f).
式中G12(f)——響應(yīng)和力的互功率譜的平均值；
G2 (f)——激振力的自功率譜的平均值。
在端部振動(dòng)特性測(cè)試方面國際上還沒有統(tǒng)一的測(cè)試及判斷標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)目前已開發(fā)出了比較成熟的測(cè)試系統(tǒng)，并已在有關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定定子繞組端部應(yīng)避開94～115 Hz的橢圓振型。廣東省電力系統(tǒng)一年多來應(yīng)用國產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)多臺(tái)發(fā)電機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)了不少問題，有效地指導(dǎo)了檢修工作。
1 應(yīng)用情況及分析
廣東省電力試驗(yàn)研究所（以下簡(jiǎn)稱“廣東所”）先后在廣東省200 MW、300 MW及600 MW等級(jí)13臺(tái)發(fā)電機(jī)上進(jìn)行了18次測(cè)試，發(fā)現(xiàn)沙角C電廠1～3號(hào)機(jī)定子引出線部分存在94～115 Hz范圍內(nèi)的固有頻率，沙角A電廠3號(hào)機(jī)、黃埔電廠5號(hào)機(jī)及媽灣電廠3號(hào)機(jī)定子繞組端部存在94～115 Hz 的橢圓振型，測(cè)試結(jié)果與運(yùn)行中發(fā)生的事故或缺陷現(xiàn)象相符。我們將珠海電廠1號(hào)機(jī)的測(cè)試結(jié)果與美國西屋公司的出廠結(jié)果進(jìn)行了比較，各階振動(dòng)頻率與振型均完全一致。
1.1 沙角A電廠3號(hào)機(jī)定子繞組端部缺陷及測(cè)試情況
沙角A電廠3號(hào)發(fā)電機(jī)自投產(chǎn)以來一直存在嚴(yán)重的定子端部絕緣件松動(dòng)現(xiàn)象。1998年2月大修中發(fā)現(xiàn)端部絕緣支架固定螺絲松動(dòng)嚴(yán)重，特別是汽端，支架固定螺帽脫落3只，墊片脫落3只，其中有1只墊片跌落在線棒背部間隙，磨傷絕緣達(dá)2～3 mm。相環(huán)固定壓板螺絲松動(dòng)，其中1只螺帽脫落。兩側(cè)壓板固定螺帽松動(dòng)，汽側(cè)有一螺桿絕緣套管被磨破，汽勵(lì)兩側(cè)端部繞組有磨損痕跡。該發(fā)電機(jī)在前兩次大修中已發(fā)現(xiàn)端部絕緣支架及壓板螺帽有松脫現(xiàn)象，但當(dāng)時(shí)廠家認(rèn)為是螺絲未上緊造成，一直沒有引起重視。本次大修我們對(duì)端部進(jìn)行了固有頻率測(cè)試并進(jìn)行了模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)勵(lì)側(cè)存在106 Hz的橢圓振型，汽側(cè)存在102 Hz的橢圓振型，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過局部加固處理后勵(lì)側(cè)仍存在明顯的106 Hz的橢圓振型的固有頻率。
1.2 沙角C電廠1～3號(hào)機(jī)定子引出線事故及測(cè)試情況
沙角C電廠裝有3臺(tái)660 MW的汽輪發(fā)電機(jī)，由法國 ALSTOM 公司生產(chǎn)。1998年6月11日，3號(hào)發(fā)電機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)突然發(fā)生定子單相接地事故，檢查發(fā)現(xiàn)定子W相出線（E3）在多層連接盒下部拐彎處被燒斷，燒斷長度約200 mm，E3事故部位沿V相出線E2、支撐件表面至地有一條明顯的放電痕跡。事故前，廠家對(duì)3號(hào)機(jī)出線箱進(jìn)行了仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)W相中性點(diǎn)（S3）相環(huán)的T接頭處有兩處裂紋，E3相環(huán)T接頭也有裂紋。廠家更換了3號(hào)機(jī)的全部相環(huán)及引線，并對(duì)引線進(jìn)行了加固。改造后3號(hào)機(jī)僅運(yùn)行了65 d又發(fā)生了上述事故。事故原因是定子引線的固有頻率沒有避開100 Hz附近的共振范圍，運(yùn)行中發(fā)生共振使多層連接盒下部與引線的焊接部位疲勞開焊，引線燒斷漏水，造成單相接地。事故后我們對(duì)所有引線進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其中有2條出線（U相中性點(diǎn)S1和V相出線E2）存在100 Hz附近的固有頻率。廠家對(duì)S1和E2引線重新進(jìn)行了加固，直至測(cè)試結(jié)果正常為止。
10月8日至11月20日廠家按3號(hào)機(jī)的改造方法對(duì)2號(hào)機(jī)出線進(jìn)行了改造。改造過程中我們也測(cè)得有3條引線不合格，廠家重新進(jìn)行了加固。1999年3月1號(hào)機(jī)小修期間，廠家對(duì)1號(hào)機(jī)出線箱進(jìn)行改造，使之與2號(hào)和3號(hào)機(jī)出線箱結(jié)構(gòu)一致，改造后我們對(duì)所有引線進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)每根引線均存在94～115 Hz范圍內(nèi)的固有頻率，說明本次改造是不合格的，但由于時(shí)間關(guān)系沒有進(jìn)行徹底處理。
1.3黃埔電廠5號(hào)機(jī)端部缺陷及測(cè)試情況
黃埔電廠5號(hào)機(jī)為300 MW的汽輪發(fā)電機(jī)，投運(yùn)以來發(fā)現(xiàn)定子端部長期有黃粉出現(xiàn)，說明運(yùn)行中定子端部絕緣存在磨損現(xiàn)象。1998年5月大修時(shí)我們進(jìn)行了固有頻率及模態(tài)測(cè)試，徑、切、軸三方向同時(shí)測(cè)量，鼻端結(jié)果正常，但槽口存在107 Hz近似橢圓的振型，單獨(dú)分析每個(gè)方向的振型，發(fā)現(xiàn)徑向存在107 Hz的標(biāo)準(zhǔn)橢圓振型。分析認(rèn)為該機(jī)定子端部出現(xiàn)黃粉與槽口徑向存在107 Hz橢圓振型有關(guān)。本次測(cè)試說明在同時(shí)進(jìn)行三方向測(cè)量時(shí)，除了應(yīng)對(duì)三方向的合成量進(jìn)行擬合分析外，還應(yīng)對(duì)單方向的結(jié)果進(jìn)行分析，尤其是徑向的振動(dòng)。
1.4媽灣電廠3號(hào)機(jī)測(cè)試情況
媽灣電廠3號(hào)機(jī)1997年底正式投入運(yùn)行，1999年3月第一次大修時(shí)進(jìn)行定子繞組端部固有頻率及模態(tài)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)汽勵(lì)兩側(cè)鼻端外圈均存在98.5 Hz的橢圓振型。該機(jī)由于運(yùn)行時(shí)間不長，端部沒有出現(xiàn)明顯的松動(dòng)現(xiàn)象，只是用扳手緊固壓板螺絲時(shí)發(fā)現(xiàn)靠鼻端外圈的螺帽均有一定的松動(dòng)，緊了兩圈，但靠槽口的內(nèi)圈較緊，與測(cè)試情況相符，內(nèi)圈測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)很難激振，且測(cè)試結(jié)果正常，而鼻端外圈則很容易激振。為此要求電廠在運(yùn)行中應(yīng)特別加強(qiáng)對(duì)定子繞組的監(jiān)視，在以后小修時(shí)應(yīng)打開端蓋檢查端部固定的情況。
1.5珠海電廠1號(hào)機(jī)測(cè)試情況
珠海電廠1號(hào)機(jī)由美國西屋公司生產(chǎn)，出廠時(shí)進(jìn)行了定子繞組固有頻率及模態(tài)測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)安裝后我們?cè)俅螌?duì)該發(fā)電機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試時(shí)發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)均不通水。西屋公司和廣東所均采用錘擊法，一點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)測(cè)量，廣東所采用1.4 kg錘，避開94～115 Hz橢圓振型，西屋公司采用1.36 kg錘，避開90～120 Hz橢圓振型。兩者的測(cè)試結(jié)果見表1(雙方均對(duì)兩側(cè)的槽口、漸伸線中部及鼻端進(jìn)行了測(cè)試，限于篇幅表1只對(duì)鼻端進(jìn)行比較，槽口及漸伸線中部結(jié)果也基本相同)。從表1可以看出兩者的測(cè)試結(jié)果基本一樣。
2問題及討論
2.1振幅測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)
我們所用的測(cè)試方法，是通過分析所測(cè)得的頻響函數(shù)，識(shí)別出被測(cè)系統(tǒng)的固有頻率、阻尼及振型等模態(tài)參數(shù)，在幅頻響應(yīng)中幅值用分貝（dB）來表示，在判斷標(biāo)準(zhǔn)中僅僅對(duì)固有頻率及其模態(tài)進(jìn)行了規(guī)定，沒有對(duì)系統(tǒng)的振幅給出具體的限值。國外有的公司對(duì)振幅參數(shù)進(jìn)行了明確的規(guī)定，尤其是在測(cè)試單根線棒或引線時(shí)，除了要求固有頻率應(yīng)避開100 Hz左右的范圍外，還要求每一測(cè)點(diǎn)的振幅不超過規(guī)定值。以沙角C電廠的定子引線為例，廠家給出的標(biāo)準(zhǔn)為：頻率規(guī)定避開95～115 Hz（對(duì)60 Hz發(fā)電機(jī)為115～135 Hz），振幅規(guī)定見表2。
顯然，給出振幅的限值后使判斷更明確更直接。而且廠家認(rèn)為在判斷引線振動(dòng)是否合格時(shí)主要是看幅值是否超過規(guī)定值，也就是說即使某點(diǎn)的固有頻率不在95～115 Hz范圍內(nèi)，但幅值超標(biāo)了也是不合格的；而對(duì)于某點(diǎn)的固有頻率在95～115 Hz范圍內(nèi)但幅值很小，則認(rèn)為該點(diǎn)是合格的；如果某點(diǎn)的固有頻率在95～115 Hz范圍內(nèi)且幅值也超標(biāo)，則為最嚴(yán)重的情況。不足的是由于每一測(cè)點(diǎn)的振幅限值不同，不同的引線結(jié)構(gòu)限值也會(huì)不一樣，所以如何根據(jù)實(shí)際情況制定一個(gè)合理的振幅標(biāo)準(zhǔn)也是非常困難。
2.2 在線監(jiān)測(cè)
研究發(fā)電機(jī)端部振動(dòng)特性，除了可以在停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試外，在發(fā)電機(jī)端部及引線安裝測(cè)振傳感器進(jìn)行在線測(cè)試也是一個(gè)有效的方法。廣東省沙角C電廠3臺(tái)660 MW發(fā)電機(jī)、大亞灣核電站2臺(tái)900 MW發(fā)電機(jī)上均安裝了端部在線測(cè)振裝置。沙角C電廠每臺(tái)發(fā)電機(jī)在汽勵(lì)兩側(cè)端部及引線安裝了33個(gè)傳感器（光纖及機(jī)械式），大亞灣核電站每臺(tái)發(fā)電機(jī)在汽勵(lì)兩側(cè)各安裝3臺(tái)機(jī)械式傳感器。在線測(cè)振的標(biāo)準(zhǔn)各廠家的要求不一樣。美國西屋公司要求300 MW及以上發(fā)電機(jī)端部振動(dòng)幅值應(yīng)小于254μm。沙角C電廠發(fā)電機(jī)由于傳感器數(shù)量多，安裝位置不一樣，廠家對(duì)振動(dòng)幅值規(guī)定得較復(fù)雜，原則上要求報(bào)警值為正常運(yùn)行時(shí)振動(dòng)幅值加50μm，且每點(diǎn)的最大幅值應(yīng)小于400 μm, 但這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是不成熟的，廠家后來又根據(jù)實(shí)測(cè)的情況對(duì)每個(gè)傳感器的限值進(jìn)行了調(diào)整，而且對(duì)最大幅值的規(guī)定一直在改變（最大曾經(jīng)達(dá)到900μm），振動(dòng)超標(biāo)時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)的有功及無功負(fù)荷也要進(jìn)行限制。大亞灣核電站發(fā)電機(jī)的振動(dòng)幅值為小于125μm。對(duì)發(fā)電機(jī)端部振動(dòng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，根據(jù)實(shí)際的振動(dòng)值來調(diào)整發(fā)電機(jī)的負(fù)荷，可以避免由于端部的長期振動(dòng)而導(dǎo)致的線棒疲勞斷裂、絕緣破損等突發(fā)性事故。但目前只能做到監(jiān)視實(shí)際的振動(dòng)值，振動(dòng)值達(dá)到多少時(shí)才需要限制負(fù)荷或停機(jī)，這方面國際上還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這也正是開展在線測(cè)振的關(guān)鍵及難點(diǎn)。
2.3 頻率測(cè)試及模態(tài)分析的必要性
目前國內(nèi)正在制定大型汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部固有頻率測(cè)試及模態(tài)分析的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定300 MW及以上的汽輪發(fā)電機(jī)、電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定200 MW及以上的汽輪發(fā)電機(jī)在出廠前、大修時(shí)以及運(yùn)行中出現(xiàn)突然短路、絕緣磨損等異?，F(xiàn)象時(shí)均應(yīng)進(jìn)行端部固有頻率測(cè)試及模態(tài)分析。廣東省根據(jù)本省的實(shí)際情況以及近幾年國內(nèi)發(fā)生的多起50 MW及以上汽輪發(fā)電機(jī)由于端部振動(dòng)引起的事故，已將該項(xiàng)測(cè)試技術(shù)作為一個(gè)有效的反事故措施在全省50 MW及以上汽輪發(fā)電機(jī)上推廣，尤其是對(duì)于運(yùn)行中出現(xiàn)突然短路，端部已出現(xiàn)諸如壓緊螺絲松動(dòng)、絕緣支架及綁線松動(dòng)產(chǎn)生裂紋或黃粉等現(xiàn)象的發(fā)電機(jī)必須進(jìn)行該項(xiàng)測(cè)試。
3結(jié)束語
近幾年發(fā)電機(jī)定子繞組端部固有頻率測(cè)試及模態(tài)分析技術(shù)已得到世界各國的重視，并用以檢測(cè)和評(píng)價(jià)大型汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部結(jié)構(gòu)是否安全可靠。國內(nèi)開發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)通過大量的應(yīng)用并與國外同類設(shè)備的測(cè)試結(jié)果比較，證明已達(dá)到了國際先進(jìn)水平，但在測(cè)試及判斷標(biāo)準(zhǔn)的制定，以及在線測(cè)振等方面還有許多工作有待進(jìn)一步深入開展。
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