大型汽輪發(fā)電機定子繞組端部振動特性
對廣東省電力試驗研究所曾進行的大型汽輪發(fā)電機定子繞組端部固有頻率測試及模態(tài)分析工作進行了總結，并將測試結果與實際的事故或缺陷現(xiàn)象進行比較分析，說明了該項測試技術的先進性和準確性，最后指出了應進一步開展的工作。
關鍵詞：發(fā)電機；定子繞組；振動測試；固有頻率；振動模態(tài)
中圖分類號：TM311 文獻標識碼：B
發(fā)電機正常運行或定子端部突然發(fā)生短路時，定子繞組均承受到兩倍系統(tǒng)頻率的交變電磁力作用。隨著單機容量的增大，該電磁力對固定定子繞組的影響越來越大，尤其是對于遠離鐵心的端部，雖然采用了各種不同的固定結構（如綁扎式和壓板式）來增強定子繞組的整體性，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)外許多研究機構對這類事故進行了深入的分析，發(fā)現(xiàn)當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模態(tài)時，端部結構產(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)電機定子繞組端部振動特性的測試裝置，其原理基本一樣，即采用錘擊法測得各測點的頻響函數(shù)，通過模態(tài)分析軟件進行分析、擬合，得到有關的模態(tài)參數(shù)，并研究改變端部振動模態(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。
在端部振動特性測試方面國際上還沒有統(tǒng)一的測試及判斷標準，國內(nèi)目前已開發(fā)出了比較成熟的測試系統(tǒng)，并已在有關行業(yè)標準中規(guī)定定子繞組端部應避開94～115 Hz的橢圓振型。廣東省電力系統(tǒng)一年多來應用國產(chǎn)測試系統(tǒng)對多臺發(fā)電機進行了測試，發(fā)現(xiàn)了不少問題，有效地指導了檢修工作。
1 應用情況及分析
廣東省電力試驗研究所（以下簡稱“廣東所”）先后在廣東省200 MW、300 MW及600 MW等級13臺發(fā)電機上進行了18次測試，發(fā)現(xiàn)沙角C電廠1～3號機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號機、黃埔電廠5號機及媽灣電廠3號機定子繞組端部存在94～115 Hz 的橢圓振型，測試結果與運行中發(fā)生的事故或缺陷現(xiàn)象相符。我們將珠海電廠1號機的測試結果與美國西屋公司的出廠結果進行了比較，各階振動頻率與振型均完全一致。
1.1 沙角A電廠3號機定子繞組端部缺陷及測試情況
沙角A電廠3號發(fā)電機自投產(chǎn)以來一直存在嚴重的定子端部絕緣件松動現(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嚴重，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2～3 mm。相環(huán)固定壓板螺絲松動，其中1只螺帽脫落。兩側壓板固定螺帽松動，汽側有一螺桿絕緣套管被磨破，汽勵兩側端部繞組有磨損痕跡。該發(fā)電機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，但當時廠家認為是螺絲未上緊造成，一直沒有引起重視。本次大修我們對端部進行了固有頻率測試并進行了模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)勵側存在106 Hz的橢圓振型，汽側存在102 Hz的橢圓振型，現(xiàn)場經(jīng)過局部加固處理后勵側仍存在明顯的106 Hz的橢圓振型的固有頻率。
1.2 沙角C電廠1～3號機定子引出線事故及測試情況
沙角C電廠裝有3臺660 MW的汽輪發(fā)電機，由法國 ALSTOM 公司生產(chǎn)。1998年6月11日，3號發(fā)電機滿負荷運行時突然發(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3號機出線箱進行了仔細檢查，發(fā)現(xiàn)W相中性點（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號機的全部相環(huán)及引線，并對引線進行了加固。改造后3號機僅運行了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。事故后我們對所有引線進行了測試，發(fā)現(xiàn)其中有2條出線（U相中性點S1和V相出線E2）存在100 Hz附近的固有頻率。廠家對S1和E2引線重新進行了加固，直至測試結果正常為止。
10月8日至11月20日廠家按3號機的改造方法對2號機出線進行了改造。改造過程中我們也測得有3條引線不合格，廠家重新進行了加固。1999年3月1號機小修期間，廠家對1號機出線箱進行改造，使之與2號和3號機出線箱結構一致，改造后我們對所有引線進行了測試，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，但由于時間關系沒有進行徹底處理。
1.3黃埔電廠5號機端部缺陷及測試情況
黃埔電廠5號機為300 MW的汽輪發(fā)電機，投運以來發(fā)現(xiàn)定子端部長期有黃粉出現(xiàn)，說明運行中定子端部絕緣存在磨損現(xiàn)象。1998年5月大修時我們進行了固有頻率及模態(tài)測試，徑、切、軸三方向同時測量，鼻端結果正常，但槽口存在107 Hz近似橢圓的振型，單獨分析每個方向的振型，發(fā)現(xiàn)徑向存在107 Hz的標準橢圓振型。分析認為該機定子端部出現(xiàn)黃粉與槽口徑向存在107 Hz橢圓振型有關。本次測試說明在同時進行三方向測量時，除了應對三方向的合成量進行擬合分析外，還應對單方向的結果進行分析，尤其是徑向的振動。
1.4媽灣電廠3號機測試情況
媽灣電廠3號機1997年底正式投入運行，1999年3月第一次大修時進行定子繞組端部固有頻率及模態(tài)測試，發(fā)現(xiàn)汽勵兩側鼻端外圈均存在98.5 Hz的橢圓振型。該機由于運行時間不長，端部沒有出現(xiàn)明顯的松動現(xiàn)象，只是用扳手緊固壓板螺絲時發(fā)現(xiàn)靠鼻端外圈的螺帽均有一定的松動，緊了兩圈，但靠槽口的內(nèi)圈較緊，與測試情況相符，內(nèi)圈測試時發(fā)現(xiàn)很難激振，且測試結果正常，而鼻端外圈則很容易激振。為此要求電廠在運行中應特別加強對定子繞組的監(jiān)視，在以后小修時應打開端蓋檢查端部固定的情況。
1.5珠海電廠1號機測試情況
珠海電廠1號機由美國西屋公司生產(chǎn)，出廠時進行了定子繞組固有頻率及模態(tài)測試，現(xiàn)場安裝后我們再次對該發(fā)電機進行了測試，測試時發(fā)電機定子繞組內(nèi)均不通水。西屋公司和廣東所均采用錘擊法，一點激勵多點測量，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。兩者的測試結果見表1(雙方均對兩側的槽口、漸伸線中部及鼻端進行了測試，限于篇幅表1只對鼻端進行比較，槽口及漸伸線中部結果也基本相同)。從表1可以看出兩者的測試結果基本一樣。
2問題及討論
2.1振幅測試標準
我們所用的測試方法，是通過分析所測得的頻響函數(shù)，識別出被測系統(tǒng)的固有頻率、阻尼及振型等模態(tài)參數(shù)，在幅頻響應中幅值用分貝（dB）來表示，在判斷標準中僅僅對固有頻率及其模態(tài)進行了規(guī)定，沒有對系統(tǒng)的振幅給出具體的限值。國外有的公司對振幅參數(shù)進行了明確的規(guī)定，尤其是在測試單根線棒或引線時，除了要求固有頻率應避開100 Hz左右的范圍外，還要求每一測點的振幅不超過規(guī)定值。以沙角C電廠的定子引線為例，廠家給出的標準為：頻率規(guī)定避開95～115 Hz（對60 Hz發(fā)電機為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。而且廠家認為在判斷引線振動是否合格時主要是看幅值是否超過規(guī)定值，也就是說即使某點的固有頻率不在95～115 Hz范圍內(nèi)，但幅值超標了也是不合格的；而對于某點的固有頻率在95～115 Hz范圍內(nèi)但幅值很小，則認為該點是合格的；如果某點的固有頻率在95～115 Hz范圍內(nèi)且幅值也超標，則為最嚴重的情況。不足的是由于每一測點的振幅限值不同，不同的引線結構限值也會不一樣，所以如何根據(jù)實際情況制定一個合理的振幅標準也是非常困難。
2.2 在線監(jiān)測
研究發(fā)電機端部振動特性，除了可以在停機狀態(tài)下進行測試外，在發(fā)電機端部及引線安裝測振傳感器進行在線測試也是一個有效的方法。廣東省沙角C電廠3臺660 MW發(fā)電機、大亞灣核電站2臺900 MW發(fā)電機上均安裝了端部在線測振裝置。沙角C電廠每臺發(fā)電機在汽勵兩側端部及引線安裝了33個傳感器（光纖及機械式），大亞灣核電站每臺發(fā)電機在汽勵兩側各安裝3臺機械式傳感器。在線測振的標準各廠家的要求不一樣。美國西屋公司要求300 MW及以上發(fā)電機端部振動幅值應小于254μm。沙角C電廠發(fā)電機由于傳感器數(shù)量多，安裝位置不一樣，廠家對振動幅值規(guī)定得較復雜，原則上要求報警值為正常運行時振動幅值加50μm，且每點的最大幅值應小于400 μm, 但這個標準是不成熟的，廠家后來又根據(jù)實測的情況對每個傳感器的限值進行了調整，而且對最大幅值的規(guī)定一直在改變（最大曾經(jīng)達到900μm），振動超標時對發(fā)電機的有功及無功負荷也要進行限制。大亞灣核電站發(fā)電機的振動幅值為小于125μm。對發(fā)電機端部振動進行在線監(jiān)測，根據(jù)實際的振動值來調整發(fā)電機的負荷，可以避免由于端部的長期振動而導致的線棒疲勞斷裂、絕緣破損等突發(fā)性事故。但目前只能做到監(jiān)視實際的振動值，振動值達到多少時才需要限制負荷或停機，這方面國際上還沒有統(tǒng)一的標準，這也正是開展在線測振的關鍵及難點。
2.3 頻率測試及模態(tài)分析的必要性
目前國內(nèi)正在制定大型汽輪發(fā)電機定子繞組端部固有頻率測試及模態(tài)分析的行業(yè)標準，其中機械行業(yè)標準規(guī)定300 MW及以上的汽輪發(fā)電機、電力行業(yè)標準規(guī)定200 MW及以上的汽輪發(fā)電機在出廠前、大修時以及運行中出現(xiàn)突然短路、絕緣磨損等異?，F(xiàn)象時均應進行端部固有頻率測試及模態(tài)分析。廣東省根據(jù)本省的實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)電機由于端部振動引起的事故，已將該項測試技術作為一個有效的反事故措施在全省50 MW及以上汽輪發(fā)電機上推廣，尤其是對于運行中出現(xiàn)突然短路，端部已出現(xiàn)諸如壓緊螺絲松動、絕緣支架及綁線松動產(chǎn)生裂紋或黃粉等現(xiàn)象的發(fā)電機必須進行該項測試。
3結束語
近幾年發(fā)電機定子繞組端部固有頻率測試及模態(tài)分析技術已得到世界各國的重視，并用以檢測和評價大型汽輪發(fā)電機定子繞組端部結構是否安全可靠。國內(nèi)開發(fā)的測試系統(tǒng)通過大量的應用并與國外同類設備的測試結果比較，證明已達到了國際先進水平，但在測試及判斷標準的制定，以及在線測振等方面還有許多工作有待進一步深入開展。
| 公司名稱： | 湘潭電機修理廠(湘潭電機維修中心) |
| 聯(lián) 系 人： | 胡經(jīng)理 |
| 聯(lián)系電話： | 0731-58626841 |
| 手 機： | 13367420761 |
| 公司郵箱： | 2547364023@QQ.COM |
| 公司網(wǎng)址： | http://www.www.haloandellis.com/ |
