大型汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部模態(tài)試驗(yàn)與分析

李和明，邢 超，張建忠，李永剛，吳宏亮

(1.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003；2.河北省電力研究院，石家莊 050021；3.河北國(guó)華定州發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 保定 073000)

1 概述

大型汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，定子端部繞組受到很大的激振力，其中主要是2倍于系統(tǒng)頻率(100 Hz)的電磁力，它是由定子繞組電流與端部磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的。這種激振力與電流大小的平方成正比，因此隨著單機(jī)容量的增大，汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部受到的電磁力也就越大。如果端部繞組不能加以固定，久而久之，繞組就可能由于振動(dòng)過(guò)大造成斷股、漏水、絕緣損壞等事故。特別是端部繞組整體固有頻率接近100 Hz、振形為橢圓時(shí)，振動(dòng)造成的危害最為嚴(yán)重。

防止定子端部繞組因松動(dòng)造成絕緣磨損等事故的措施，主要是加強(qiáng)停機(jī)檢修期間對(duì)繞組端部松動(dòng)和磨損的外觀檢查，進(jìn)行相應(yīng)的振動(dòng)特性試驗(yàn)。每次大、小修都應(yīng)當(dāng)仔細(xì)檢查發(fā)電機(jī)定子繞組端部的緊固情況，查找是否有絕緣磨損的痕跡。若發(fā)現(xiàn)定子繞組端部結(jié)構(gòu)有松動(dòng)現(xiàn)象，除重新緊固外，還應(yīng)進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn)，確認(rèn)固有頻率是否已避開(kāi)100 Hz，根據(jù)測(cè)試結(jié)果確定檢修效果[1]，目前廣泛采用錘擊法測(cè)試端部繞組模態(tài)參數(shù)。

2 錘擊法測(cè)試端部繞組模態(tài)試驗(yàn)

2.1 錘擊法試驗(yàn)過(guò)程及其原理

在繞組端部及引線上敲擊，提供一個(gè)瞬時(shí)的激振力，在端部及引線上安裝的加速度計(jì)上得到響應(yīng)信號(hào)，將力錘壓電傳感器上反映的沖擊力時(shí)域信號(hào)與加速度計(jì)上得到的響應(yīng)信號(hào)一起進(jìn)行頻響函數(shù)估計(jì)，可得到固有頻率[2]。力傳感器為壓電晶體，裝在錘頭中，錘頭蓋為軟質(zhì)(橡膠或尼龍)錘頭，壓電晶體產(chǎn)生與沖擊力成正比的電荷，配以電荷放大器就可得到?jīng)_擊力信號(hào)，這樣的測(cè)法具有自激勵(lì)簡(jiǎn)單、施力方便、測(cè)試速度快等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)試原理見(jiàn)圖1。

圖1 模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試原理

頻譜分析儀通常通過(guò)下式求得頻響函數(shù)：

(1)

式中：X(f)、F(f) 分別為輸入信號(hào)X(t)和F(t)的快速傅里葉變換。

將式(1)變換，可得：

X(f)=H(f)·F(f)

(2)

式(2)兩邊分別乘以F(f)的共軛復(fù)數(shù)F′(f) ，得：

X(f)·F′(f)=H(f)·F(f)·F′(f)

(3)

由此得出第一種頻響函數(shù)估計(jì)H1(f) 為：

(4)

式中：Gfx(f)為力信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)的互功率譜；Gf(f)為輸入信號(hào)的自功率譜；上橫線表示集平均。

式(2)兩邊分別乘以X(f)的共軛復(fù)數(shù)X′(f)，得

X(f)·X′(f)=H(f)·F(f)·X′(f)

(5)

由此得出第二種頻響函數(shù)估計(jì)H2(f)為：

(6)

式中：Gx(f)為輸出信號(hào)的自功率譜。

在理想情況下，應(yīng)該有：

H1(f)=H2(f)=H(f)

(7)

實(shí)際上，由于信號(hào)噪聲、系統(tǒng)非線性等原因，這2種形式的頻響函數(shù)不會(huì)完全相同。

H1(f)與H2(f)的比值等于相干函數(shù)γ2(f)，即：

(8)

式(8)表示在整個(gè)頻段內(nèi)響應(yīng)x(t)和激勵(lì)f(t)之間的因果關(guān)系；當(dāng)在某個(gè)頻率上γ2(f)=0，則響應(yīng)與激勵(lì)在此頻率上不相干；若γ2(f)=1，則響應(yīng)與激勵(lì)在此頻率上完全相干，即響應(yīng)完全由激勵(lì)引起，干擾為0。實(shí)際上，相干函數(shù)不可能是1，總存在一定的噪聲干擾，輸入和輸出存在非線性關(guān)系，故0≤γ2(f)≤1 ，通常認(rèn)為相干函數(shù)只要在0.9以上即可。

2.2 利用頻響函數(shù)辨識(shí)模態(tài)參數(shù)

由振動(dòng)理論可知，頻響函數(shù)與模態(tài)向量的關(guān)系為：

(9)

式中：{φ}r為模態(tài)向量；Kr為模態(tài)剛度；Mr為模態(tài)質(zhì)量；Cr為模態(tài)阻尼。

從式(9)可以看出，傳遞函數(shù)矩陣中的任意一行或任意一列都包含有所有的模態(tài)參數(shù)。

頻響函數(shù)矩陣中的任一行為：

(10)

頻響函數(shù)矩陣中的任一列為：

(11)

由以上分析可以看出，頻響函數(shù)中任一行或任一列包含了所有的模態(tài)參數(shù)(固有頻率、振形、剛度、阻尼等)，所以，有2種方法可以得到模態(tài)參數(shù)：?jiǎn)吸c(diǎn)拾振、多點(diǎn)激振，可得頻響函數(shù)中的一行;單點(diǎn)激振、多點(diǎn)拾振，可得頻響函數(shù)中的一列。因此，為了得到全部模態(tài)信息，只需要測(cè)量頻響函數(shù)矩陣中的一行或一列。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)單點(diǎn)激振多點(diǎn)響應(yīng)比較合適，也就是用力錘敲擊定子繞組端部上的某固定點(diǎn)，向定子繞組端部提供一個(gè)瞬時(shí)激振力，信號(hào)分析儀檢測(cè)端部繞組上各測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)信號(hào)，再經(jīng)模態(tài)分析軟件處理，得到定子繞組端部整體模態(tài)頻率、振形等模態(tài)參數(shù)。

2.3 振形判斷實(shí)例分析

以下針對(duì)2008年實(shí)測(cè)河北省南部電網(wǎng)某電廠1臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)的模態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，振形見(jiàn)圖2。

(a) 汽輪機(jī)側(cè)97.316 Hz

(b) 勵(lì)磁系統(tǒng)側(cè)98.268 Hz

(c) 勵(lì)磁系統(tǒng)側(cè)104.243 Hz

(d) 勵(lì)磁系統(tǒng)側(cè)111.363 Hz

從圖2可以看出該臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)側(cè)在94～115 Hz之間不存在橢圓振形；汽輪機(jī)側(cè)在頻率97.316 Hz處存在近似為橢圓的振形。按照DL/T 735-2000評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[3]，已運(yùn)行發(fā)電機(jī)，繞組端部整體模態(tài)頻率在94～115 Hz范圍內(nèi)，且振形為橢圓，應(yīng)采取措施對(duì)繞組端部進(jìn)行處理，以避免汽輪機(jī)側(cè)定子繞組端部產(chǎn)生共振。一般的措施是調(diào)整支架的把合緊密程度、改變線棒綁扎牢固程度和端部繞組的整體改造等。該發(fā)電機(jī)在以后的大修中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，并仔細(xì)觀察是否出現(xiàn)明顯的磨損現(xiàn)象。

2.4 需注意的問(wèn)題

2.4.1 激振點(diǎn)的選擇

采用單點(diǎn)激振進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，所選擇的激振點(diǎn)應(yīng)能有效激起各階模態(tài)，如果激振點(diǎn)恰好選在某階模態(tài)的節(jié)點(diǎn)上，則該階模態(tài)不能被激發(fā)出來(lái)。因此在進(jìn)行單點(diǎn)激振模態(tài)試驗(yàn)時(shí)需要通過(guò)一定方法選擇合適的激振點(diǎn)。一般是選定若干激振點(diǎn)進(jìn)行激振，測(cè)量其頻響函數(shù)，綜合比較由哪個(gè)激振點(diǎn)激振得到的頻響函數(shù)不丟失重要模態(tài)參數(shù)，那么就選擇此激振點(diǎn)為最佳激振點(diǎn)。

2.4.2 測(cè)點(diǎn)的布置[3]

在做定子繞組端部整體模態(tài)試驗(yàn)時(shí)，在汽側(cè)和勵(lì)側(cè)繞組端部錐體內(nèi)截面上，各取如圖3所示的3個(gè)圓周，每一圓周上的測(cè)點(diǎn)應(yīng)沿圓周均勻布置且數(shù)量不少于定子槽數(shù)的一半。推薦按圓周1、2、3的順序測(cè)量。測(cè)得圓周1的數(shù)據(jù)后，可根據(jù)分析的需要，再加測(cè)圓周2和圓周3的數(shù)據(jù)。

1-端部鼻端接頭各測(cè)點(diǎn)組成的圓周；2-槽口部位各測(cè)點(diǎn)組成的圓周；3-端部漸開(kāi)線中部各測(cè)點(diǎn)組成的圓周

測(cè)量定子繞組鼻端接頭固有頻率時(shí)，測(cè)點(diǎn)沿圖3中的圓周1布置。測(cè)量定子繞組引出線和過(guò)渡引線固有頻率時(shí)，在定子繞組引出線和過(guò)渡引線的固定薄弱處適當(dāng)布置若干測(cè)點(diǎn)。

2.4.3 力錘的選擇

力錘瞬擊一下被測(cè)物體，產(chǎn)生一個(gè)寬度為T(mén)的沖擊力時(shí)間歷程f(t),再經(jīng)傅里葉變換后得頻譜F(ω),在截止頻率fc之前的頻譜都比較平坦,而且T和fc這2個(gè)參數(shù)之間有一定的關(guān)系。當(dāng)T較小時(shí)，fc較高；反之，當(dāng)T較大時(shí)，則fc較低，而T的長(zhǎng)短受到錘頭材料和被測(cè)物體表面剛度和錘質(zhì)量的控制。錘頭材料越硬，表面剛度越大，則脈沖寬度T越小，反之成立。為了使錘擊全部能量都注入關(guān)鍵頻段，不能選太硬的錘頭，以免能量溢出。在做模態(tài)試驗(yàn)時(shí)，力錘的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。根據(jù)鋼錘頭與橡膠錘頭脈沖及頻譜的比較，一般選擇橡膠錘頭，見(jiàn)圖5。錘擊要領(lǐng)是重錘輕擊、起落迅捷，這樣能產(chǎn)生較好的力信號(hào)。

圖4 力錘結(jié)構(gòu)

(a) 脈沖 (b) 頻譜

3 結(jié)束語(yǔ)

汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部由于其特殊的構(gòu)造是發(fā)電機(jī)的一個(gè)薄弱部位，由于所承受電磁力大，并且難以做到像定子繞組在槽內(nèi)那樣有效的固定，所以經(jīng)常發(fā)生綁扎松動(dòng)、絕緣磨損等事故。利用模態(tài)試驗(yàn)可以預(yù)測(cè)發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)端部的振動(dòng)形態(tài)，據(jù)此指導(dǎo)發(fā)電機(jī)的維護(hù)和檢修，而且通過(guò)對(duì)比歷史數(shù)據(jù)和比較趨勢(shì)，可以幫助發(fā)現(xiàn)未來(lái)運(yùn)行中的事故隱患，對(duì)避免由發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)過(guò)大引起絕緣磨損等事故有重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 任成濤，田東明.發(fā)電機(jī)定子繞組端部動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)的實(shí)踐體會(huì)[J].華北電力技術(shù)，2007(3)：15-17.

[2] 成中昀，黃立民，李曉霞.大型汽輪發(fā)電機(jī)定子端部繞組固有頻率測(cè)試與分析[J].西北電力技術(shù)，1998(3)：1-9.

[3] DL/T 735-2000，大型汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部動(dòng)態(tài)特性的測(cè)量及評(píng)定[S].