技术 | 模态参数在发电机定子绕组端部故障诊断中的应用

0引言

发电机定子绕组端部因振动而诱发的部件磨损、裂纹，甚至断裂等故障，严重威胁机组的安全运行。定子绕组端部结构的优化设计使定子绕组端部的整体固有频率避开50Hz与100Hz，但因制造、安装或运行中的冲击现象，部分机组的定子绕组端部的固有频率往往落入94～115Hz范围之内，容易诱发因振动引起的发电机定子绕组端部故障。

（来源：微信公众号“汽机监督”  ID：qijijiandu  作者：浙江电科院 李卫军）

模态试验分析是在机组停机状态下测试发电机定子绕组端部的结构动态特性参数,包括模态频率、模态振型及模态阻尼等，实现对其结构动态特性的评估。然而相关标准和试验只侧重单次测量的结果，对机组长期运行过程中频率变化的研究有所欠缺；同时，大部分试验依据标准只对频率是否落入94～115Hz范围之内做出判断，而对阻尼在定子绕组端部绕组振动的影响方面探讨较少。根据结构动力学理论对发电机定子绕组端部振动进行分析，并结合试验模态分析及机组运行检修状态，探讨试验模态参数的变化对发电机定子绕组端部振动的影响，为其故障诊断及状态评价提供一定的参考。

1发电机定子绕组端部振动分析

当其他参数为定值时，振动幅值与阻尼成反比关系，如若机组端部绕组的初始振动幅值为100μm，阻尼为0.5%，当阻尼提高至1.5%时，振动幅值将降低至约33μm，降幅很大，减振效果十分明显。因此，文献[1][3]提出，当结构的阻尼系数较高时，尤其大于2%，结构的共振峰值已很小，因共振诱发结构损坏的可能性已很小。

2定子绕组端部模态测试

按2014年国家能源局最新发布的关于发电机反措要求：200MW及以上容量汽轮发电机组在安装、每次大修时都应对发电机端部绕组进行模态试验，以防端部绕组固有频率落入二倍频共振区[4]。现场试验多采用锤击法获得发电机定子端部绕组的模态参数，并依此对定子端部绕组的当下状态做出评价。

Cras振动及动态信号采集分析系统作为一种使用的测试仪器，可快速测量发电机定子绕组端部模态参数，并动画显示各阶振型图[5][6]。其试验过程及要点如下:

2.1试验建模

根据发电机结构，在汽侧和励侧绕组端部椎体内截面上各取三个圆周，沿每个圆周均匀布置若干个测点,每个圆周的测点数应大于定子绕组数目的一半。一般第一个圆周（内圈）布置在定子绕组端部槽口位置，第二个圆周（中圈）布置在定子绕组端部渐开线中部，第三个圆周（外圈）布置在定子绕组端部鼻端接头处。加速度探头固定在绕组端部的某一位置，作为整个试验的响应点。600MW、1000MW的发电机的定子线棒为42根，每圈布置21个或更多测点，测点布置如图1所示，试验采用多点激励单点响应的测试方法。

2.1试验数据分析及处理

试验时用力锤依次敲击绕组上事先布置的测点，CRAS振动及动态信号采集分析系统存储力锤施加的冲击时域信号与安装在端部绕组或引线上加速度传感器接受的响应信号，最后拟合出端部绕组整体的频响函数曲线，进而得到各阶固有频率、振型及阻尼比。试验结果通过动画显示，较为直观地反映结构的整体固有特性。

试验中，频响函数曲线应比较光滑，在各阶固有频率处有明显的峰值，才能正确识别各阶模态参数。但若经过反复测量，频响函数曲线毛刺较多，且很难分别明显的峰值，发电机定子绕组端部可能会出现绑绳断裂、部件磨损等故障。

2.2试验标准

国内对发电机定子端部绕组端部模态参数评估的标准中，电力部于2000年颁布的DL/T 735—2000<<大型汽轮发电机定子绕组端部动态特性的测里及评定>>规定，椭圆型共振频率不能落入94～115Hz；同时若共振频率落入94～115Hz或发生变化，应进行检查并处理。并对相邻两次的测试结果进行比较，振型、频率变化较大，或频响函数曲线上94～115Hz的共振频率点的幅值，变化较大，应进行加固。该标准较为严格，共振频率不合格范围较宽。

国家质监局标准化委员会于2006年颁布的GB/T 20140- 2006《透平型发电机定子绕组端部动态特性和振动试验方法及评定》规定：刚性支撑的发电机定子绕组端部椭圆型共振频率不能落入95～110Hz，揉性支撑的发电机定子绕组端部椭圆型共振频率不能落入95～112Hz。若不满足上述规定，应加装振动探头，动态监测发电机定子绕组端部振动。定子绕组端部的振动峰峰值小于250μm,可长期运行，若在250~400μm，应报警，择机处理；当振动值大于400μm或振动值变化大于100μm，应尽快停机处理。该标准和国外的标准较接近，同时，也兼顾了电力部的DL/T 735—2000标准。

3模态频率变化对定子端部可靠性影响的实例

2008年2月份对某发电厂8号机组的发电机定子绕组励端的模态进行了测试，试验结果表明，励端的椭圆型共振频率分别为61.6Hz、123.8Hz，符合国家和行业标准。而2011年11月3日再次模态试验时，发现其励端椭圆型共振频率分别为57.4Hz、109Hz，各自降低了4.2Hz、14.0Hz，降幅接近10％。励端的椭圆型共振频率大幅降低，表明可能存在松动、裂纹等现象。

3.1检查结果及处理

发电机定子绕组励端外观检查，只发现#14、#23槽口垫块处有少量黑色油泥；但对8号机组的发电机电机定子绕组励端进行更进一步的检查，发现问题为：（1）励端第5、7点钟位L形弹性支架置螺拴变形且松动，该处L形支架夹板处大连接线表面绝缘存在裂纹。（2）定子A相出线水电接头（厚度为30mm）存在两条长达几十毫米的裂纹。

在检修中，更换L形弹簧板与压圈固定螺栓，修复大连接线损伤绝缘，回装大连接线、绝缘引水管、过渡引线以及固定夹板等。

3.2处理后的模态测试

处理后，2011年11月27对定子绕组励端模态再次进行测试，结果显示，其相应的椭圆型固有频率分别为55.6Hz、120.9Hz，其1阶椭圆型共振频率变化较小，但其阻尼明显提高；其二阶椭圆型共振频率提高至120.9Hz，详见表1。

试验数据基本恢复至2008年2月的水平，表明缺陷已经消除，发电机定子绕组励端的结构恢复良好。8号机组在此次检修后的3年运行时间里，定子绕组端部未发生因振动诱发的故障，运行平稳。

4阻尼对定子端部可靠性影响的实例

2008年10月至2013年5月，浙江省投产的百万容量的火力发电机组共10台，均采用西门子公司与上电厂合资的THDF 125/67型发电机。该型发电机大部分的定子绕组励端都有2至3阶椭圆振型[6]，且均有1到2阶椭圆型模态频率均在94～115Hz范围内，见表2。

该型发电端部绕组是由环氧树脂材料完全填充的，并用压板压紧，结构的设计阻尼较大。现场模态试验显示，该型发电机端部绕组94～115Hz固有频率下振型的阻尼最小为2.3％，最大达为6.6％，几乎比其它机型要大于2倍以上。所以，即使定子绕组端部的固有频率接近100Hz，发电机定子绕组励端在100Hz的电磁激振力下，也不会产生较大幅值的振动，造成发电机定子线棒的磨损或损坏可能性较小。

从这些机组投产至今的运行情况来看，未发生因端部振动问题导致的停机检修事故，同时在检修中，除部分螺栓松动外，也未出现端部结构磨损、裂纹等问题，整体运行情况较好。

5结论

采用CRAS数据采集仪对大型发电机定子端部绕组的模态测试标准、态参数及检修运行情况分析，总结如下：

(1)试验模态分析是发电机定子绕组端部结构的动态特性的主要手段，应建立其台帐或数据库。模态参数发生较大变化，尤其是频率的变化，能一定程度上反映绕组端部整体牢固或磨损情况，应当引起足够的重视.

(2)对发电机定子端部绕组结构特性的评价，也应当考虑阻尼的因素。虽模态频率在94～115Hz内，若其阻尼较大，发生共振等影响定子结构损坏的故障可能性很小，可加强监测，视情进行处理。

参考文献：

[1]盛宏玉.结构动力学[M].合肥：合肥工业出版社，2005.3

[2]南京安正有限公司.振动及动态信号采集分析系统软件使用说明书[G].

[3]汪伟.390H型燃汽轮发电机定子绕组端部固定结构特点分析[J].防爆电机，2010（1）：39—42

[4]国家能源局.防止电力生产重大事故的二十五项重点要求及编制释义[M].北京：中国电力出版社，2014.

[5]刘恒.基于CRAS系统的发电机定子绕组端部模态试验.研究.广西电力，2008（5）:10-13

[6]吴文健，李卫军，应光耀. 1000MW汽轮发电机模态测试分析[J]. 浙江电力，2009 (4):13-16