模態參數在發電機定子繞組端部故障診斷中的應用

李衛軍，蔡文方，吳文健，馬思聰，應光耀

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

模態參數在發電機定子繞組端部故障診斷中的應用

李衛軍，蔡文方，吳文健，馬思聰，應光耀

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

模態試驗分析是發電機定子繞組端部結構動態特性評估的有效方法，模態頻率的變化、阻尼是影響定子繞組端部振動的主要參數。介紹模態試驗的方法和評價標準，并通過部分機組的試驗結果，分析得出繞組端部固有頻率的變化能在一定程度上反映繞組端部整體磨損、裂紋等故障；當阻尼較大時，即使橢圓形整體模態頻率在94～115 Hz內，因振動導致定子結構損壞的可能性也較小。

定子繞組端部；模態試驗；頻率；阻尼

0 引言

發電機定子繞組端部因振動而誘發的部件磨損、裂紋甚至斷裂等故障，嚴重威脅機組的安全運行。定子繞組端部結構的優化設計使其整體固有頻率避開50 Hz與100 Hz，但因制造、安裝或運行中的沖擊現象，部分機組定子繞組端部的固有頻率往往落入94～115 Hz，容易誘發因振動引起的發電機定子繞組端部故障。

模態試驗分析是在機組停機狀態下測試發電機定子繞組端部的結構動態特性參數，包括模態頻率、模態振型及模態阻尼等，實現對其結構動態特性的評估。然而相關標準和試驗分析只側重單次測量的結果，對機組長期運行過程中頻率變化的研究有所欠缺；同時，大部分試驗依據標準只對頻率是否落入94～115 Hz做出判斷，而對阻尼在定子繞組端部繞組振動的影響方面探討較少。根據結構動力學理論對發電機定子繞組端部振動進行分析，并結合試驗模態分析及機組運行檢修狀態，探討試驗模態參數的變化對發電機定子繞組端部振動的影響，為其故障診斷及狀態評價提供參考。

1 發電機定子繞組端部振動分析

發電機定子繞組端部為多自由度的有阻尼結構，其受迫振動較復雜。對于多自由度有阻尼強迫振動，可采用模態分析法求任意載荷情況下系統的穩態響應，即如果系統只在第r個坐標處施加激振力Fr（t）=Frejpt，相當于模態試驗中單點激振，可以得到第s個坐標處的響應xsr見式（1）[1]，其振動幅值Xsr見式（2）。

式中：vi=ω/ωi為第i階的頻率比；φ為歸一化振型矢量φi組成的矩陣；ξi為第i階振型對應的阻尼比；ωi，fi為發電機定子繞組端部第i階固有圓頻率、頻率，忽略阻尼，兩者的關系可表示為：

1.1 模態頻率變化對振動的影響

由式（3）可知，發電機定子繞組端部的模態頻率取決于該階模態剛度、模態質量。作為給定的發電機，其質量發生改變的可能性很小，即模態質量基本不變，則式（3）可寫為=kfi，k為常數。于是可以通過fi的變化來分析的變化。通過進一步對的分析，可預測其振動特性的變化。假定第i階靜變形若剛度降低，會使xsti增大，則Xsr會增大；相應地，剛度提高，會使xsti減小，則Xsr會減小。

（1）模態頻率fi的降低。

模態頻率fi降低，意味著模態的降低。當發電機定子繞組端部因磨損、部件裂紋或斷裂及緊固螺栓松動時，其模態剛度會降低，致使對應的模態頻率降低。相應地降低，會使xsti增大，則Xsr可能會增大。

（2）模態頻率fi的提高。

模態頻率fi提高，意味著模態剛度的提高。當發電機定子繞組端部重新綁扎、加固或對其結構重新調整時，模態剛度會提高，對應的模態頻率會提高。相應地提高，會使 xsti減小，則Xsr也會減小。

1.2 阻尼對振動的影響

當激振力的頻率接近結構的某階共振頻率時，結構的振動最大值約為：

當其他參數為定值時，振動幅值與阻尼成反比關系，若機組端部繞組的初始振動幅值為100 μm，阻尼為0.5%，當阻尼提高至1.5%時，振動幅值將降低至約33 μm，降幅很大，減振效果十分明顯。因此，文獻[1，2]提出：當結構的阻尼系數較高，尤其大于2%時，結構的共振峰值很小，因共振誘發結構損壞的可能性已很小。

2 定子繞組端部模態測試

按2014年國家能源局發布的關于發電機反措要求：200 MW及以上容量汽輪發電機組在安裝、每次大修時都應對發電機端部繞組進行模態試驗，以防端部繞組固有頻率落入二倍頻共振區[3]。現場試驗多采用錘擊法獲得發電機定子端部繞組的模態參數，并依此對定子端部繞組的當下狀態做出評價。

CRAS振動及動態信號采集分析系統可快速測量發電機定子繞組端部模態參數，并動畫顯示各階振型圖[4，5]。

2.1 試驗建模

根據發電機結構，在汽側和勵側繞組端部錐體內截面上各取3個圓周，沿每個圓周均勻布置若干個測點，測點數應大于定子繞組數目的一半。一般第一個圓周（內圈）布置在定子繞組端部槽口位置，第二個圓周（中圈）布置在定子繞組端部漸開線中部，第三個圓周（外圈）布置在定子繞組端部鼻端接頭處。加速度探頭固定在繞組端部的某一位置，作為整個試驗的響應點。600 MW及1 000 MW機組發電機的定子線棒為42根，每圈布置21個或更多測點，測點布置如圖1所示，試驗采用多點激勵單點響應的測試方法。

圖1 測點布置示意

2.2 試驗數據分析及處理

試驗時用力錘依次敲擊繞組上事先布置的測點，CRAS振動及動態信號采集分析系統存儲力錘施加的沖擊時域信號與安裝在端部繞組或引線上的加速度傳感器所接收的響應信號，最后擬合出端部繞組整體的頻響函數曲線，進而得到各階固有頻率、振型及阻尼比。試驗結果通過動畫顯示，較為直觀地反映結構的整體固有特性。

試驗中，頻響函數曲線應比較光滑且在各階固有頻率處有明顯的峰值，才能正確識別各階模態參數。若經過反復測量，頻響函數曲線毛刺較多且很難分辨明顯的峰值，則發電機定子繞組端部可能出現了綁繩斷裂、部件磨損等故障。

2.3 試驗標準

DL/T 735-2000《大型汽輪發電機定子繞組端部動態特性的測量及評定》中規定：橢圓型共振頻率不能落入94～115 Hz；若共振頻率落入94～115 Hz或發生變化，應進行檢查并處理，并對相鄰2次的測試結果進行比較，如果振型、頻率變化較大或頻響函數曲線上94～115 Hz的共振頻率點的幅值變化較大，則應進行加固。該標準較為嚴格，共振頻率不合格范圍較寬。

GB/T 20140-2006《透平型發電機定子繞組端部動態特性和振動試驗方法及評定》中規定：剛性支撐的發電機定子繞組端部橢圓型共振頻率不能落入95～110 Hz，柔性支撐的發電機定子繞組端部橢圓型共振頻率不能落入95～112 Hz。若不滿足上述規定，應加裝振動探頭，動態監測發電機定子繞組端部振動。定子繞組端部的振動峰值小于250 μm，可長期運行；若在250～400 μm，應報警并擇機處理；當振動值大于400 μm或振動值變化大于100 μm，應盡快停機處理。該標準和國外標準較接近，也兼顧了DL/T 735-2000標準。

3 模態頻率變化對定子端部可靠性影響的實例

于2008年2月對某發電廠8號機組的發電機定子繞組勵端的模態進行了測試，試驗結果表明，勵端的橢圓型共振頻率分別為 61.6 Hz和123.8 Hz，符合國家和行業標準。而2011年11月3日再次模態試驗時，發現其勵端橢圓型共振頻率分別為57.4 Hz和109 Hz，降幅接近10%，表明勵端可能存在松動、有裂紋等現象。

3.1 檢查結果及處理

發電機定子繞組勵端經過外觀檢查，只發現14號、23號槽口墊塊處有少量黑色油泥，但進一步檢查后發現：

（1）勵端第5、第7點鐘位置L形彈性支架螺栓變形且松動，該L形支架夾板處大連接線表面絕緣存在裂紋。

（2）定子A相出線水電接頭（厚度為30 mm）存在2條長達幾十毫米的裂紋。

在檢修中，更換L形彈簧板與壓圈固定螺栓，修復大連接線損傷絕緣，回裝大連接線、絕緣引水管、過渡引線以及固定夾板等。

3.2 處理后的模態測試

處理后，2011年11月27日對定子繞組勵端模態再次進行測試，結果顯示，其相應的橢圓型固有頻率分別為55.6 Hz和120.9 Hz，其1階橢圓型共振頻率變化較小，但其阻尼明顯提高；其2階橢圓型共振頻率提高至120.9 Hz，詳見表1。

表1 8號發電機定子勵端繞組端部橢圓型模態頻率

從表1可以看出，數據基本恢復至2008年2月的水平，表明缺陷已經消除，發電機定子繞組勵端的結構恢復良好。8號機組在此次檢修后的3年運行時間里，定子繞組端部未發生因振動誘發的故障，運行平穩。

4 阻尼對定子端部可靠性影響的實例

2008年10月—2013年5月，浙江省內投產的10臺1 000 MW火力發電機組均采用THDF 125/67型發電機。該型發電機大部分的定子繞組勵端都有2～3階橢圓振型[6]，且均有1～2階橢圓型模態頻率在94～115 Hz，見表2。

表2 1 000 MW機組發電機定子勵端繞組端部橢圓型模態頻率

該型發電機端部繞組由環氧樹脂材料完全填充，并用壓板壓緊，結構的設計阻尼較大。現場模態試驗顯示，該型發電機端部繞組在94～115 Hz固有頻率下振型的阻尼最小為2.3%，最大為6.9%，幾乎比其它機型要大2倍以上。所以，即使定子繞組端部的固有頻率接近100 Hz，發電機定子繞組勵端在100 Hz的電磁激振力下，也不會產生較大幅值的振動，造成發電機定子線棒的磨損或損壞可能性較小。

從表2所列機組的運行情況來看，未發生因端部振動問題導致的停機檢修事故，同時，在檢修中除部分螺栓松動外，也未發現端部結構磨損、裂紋等問題，整體運行情況較好。

5 結論

采用CRAS數據采集儀對大型發電機定子端部繞組的模態測試標準、模態參數及檢修運行情況分析，總結如下：

（1）試驗模態分析是發電機定子繞組端部結構動態特性的主要手段，應建立臺帳或數據庫。模態參數發生較大變化，尤其是頻率的變化，能在一定程度上反映出繞組端部整體牢固或磨損情況，應引起足夠的重視。

（2）對發電機定子端部繞組結構特性的評價應考慮阻尼因素。雖模態頻率在94～115 Hz內，若其阻尼較大，發生共振等影響定子結構損壞的故障可能性很小，可加強監測，酌情進行處理。

[1]盛宏玉.結構動力學[M].合肥：合肥工業出版社，2005.

[2]汪偉.390H型燃汽輪發電機定子繞組端部固定結構特點分析[J].防爆電機，2010（1）∶39-42.

[3]國家能源局.防止電力生產重大事故的二十五項重點要求及編制釋義[M].北京：中國電力出版社，2014.

[4]劉恒.基于CRAS系統的發電機定子繞組端部模態試驗研究[J].廣西電力，2008（5）∶10-13.

[5]吳文健，李衛軍，應光耀.1 000 MW汽輪發電機模態測試分析[J].浙江電力，2009（4）∶13-16.

（本文編輯：徐 晗）

Application of Modal Parameters in Diagnosing Faults at Generator Stator Winding Ends

LI Weijun，CAI Wenfang，WU Wenjian，MA Sicong，YING Guangyao
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Modal test analysis is an effective method to evaluate the dynamic characteristics of stator winding end structure.Through the qualitative analysis of vibration，variation of modal frequency and damping are the main parameters affecting the vibration of stator winding end.The paper introduces method and evaluation criterion of modal test；besides，it concludes that the inherent frequency change at winding ends can somewhat reflect faults such as winding end abrasion and crack；when the damping is large，it is scarcely possible that the stator structure is damaged by vibration even modal frequency of elliptical entity is between 94 Hz and 115 Hz.

stator winding end；modal test；frequency；damping

TM311

B

1007-1881（2015）12-0047-04

2015-09-15

李衛軍（1975），男，高級工程師，主要從事汽輪機故障診斷及處理的研究以及發電機定子繞組模態測試和分析。