大型汽輪發(fā)電機定子端部繞組的電磁固體振動問題研究

張楊

【摘 要】隨著發(fā)電機的容量隨著需求在不斷增加，大型汽輪發(fā)電機定子繞組端部振動是機器運行中不可忽略的問題，振動過大會引起發(fā)電機故障。大型汽輪發(fā)電機定子端部繞組部振動的安全性與可靠性，直接影響著整個機組和電網(wǎng)的工作狀況。本文介紹了發(fā)電機定子繞組端部振動的有關知識，分析了影響振動的相關因素，提出了大型汽輪發(fā)電機定子繞組端部振動固定結構和振動計算方法，以及防止振動的具體措施。

【關鍵詞】汽輪發(fā)電機；定子；振動

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，國內外電力系統(tǒng)日益向超高壓和遠距離輸電方向發(fā)展。電力行業(yè)中發(fā)電機的大容量、大輸出是未來發(fā)展的必然趨勢。隨著汽輪發(fā)電機組及水輪發(fā)電機組向超大型發(fā)展，特別是高壓、大電流的進一步提高，進而產(chǎn)生相應的振動，定轉子系統(tǒng)的機電耦聯(lián)振動、穩(wěn)定性及動強度出現(xiàn)新問題，嚴重時會導致事故的發(fā)生。汽輪發(fā)電機定子繞組端部的振動的設計和制造中越來越引起重視的問題。大型汽輪發(fā)電機定子端部繞組部振動的安全性與可靠性，直接影響著整個機組和電網(wǎng)的工作狀況，如果振動過大，會引起主絕緣磨損等，影響機組的安全運行，甚至導致嚴重的事故，因此，逐步掌握定子繞組端部的振動規(guī)律，防止共振發(fā)生，這就是對定子繞組端部結構的固有頻率進行研究的目的。汽輪發(fā)電機端部結構設計關系到發(fā)電機端部繞組的振動大小，因此振動測試手段與方法也需要不斷改進與提高。目前， 壓電加速度測量系統(tǒng)更適用，它不需要考慮絕緣和屏蔽問題。

1.汽輪發(fā)電機定子繞組端部振動存在的問題

（1）定子端部繞組由于松動引起絕緣磨損甚至漏銅擊穿等事故。槽內線棒組端部結構則類似懸臂梁，產(chǎn)生的振動遠大于槽內線棒，從而導致線棒絕緣磨損，引起事故的發(fā)生。定子端部線圈絕緣被擊穿，短路在汽機側線圈燒斷實心導線l5股，絕緣墊塊脫落發(fā)生振動磨損線棒絕緣現(xiàn)象，出現(xiàn)端部空心導線振裂噴水。

（2）大交變電磁力作用下產(chǎn)生的振動過大問題。隨著容量和電磁負荷的增大，大型汽輪發(fā)電機的安全運行對整個電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定至關重要。發(fā)電機定子繞組端部的電磁力的不斷增加，振動的穩(wěn)定性已成為確保汽輪發(fā)電機正常安全運行的一個重要環(huán)節(jié)。定子繞組端部在汽輪發(fā)電機運行中不斷受到電磁力、機械力、電化學作用，使綁扎緊固件之間強度發(fā)生改變，造成繞組短路、端部線圈變形斷裂、股線疲勞、焊口滲漏水等事故，對汽輪發(fā)電機的安全可靠運行造成了極大的危害在運行時定子端部，將導致繞組及其固定結構松動、絕緣磨損和疲勞斷裂、綁帶斷開等現(xiàn)象而導致事故的發(fā)生。

2.大型汽輪發(fā)電機定子端部繞組的電磁固體振動發(fā)電機固定模式的研究

隨著發(fā)電機組的運行，定子繞組的絕緣和機械強度會逐漸降低，振動磨損加大，綁扎緊固之間緊度也會改變，導致定子繞組的振動特性也在不斷變化。為了增強端部繞組的整體性。通常情況下采用壓板式固定結構，固定結構的發(fā)電機端部采用壓板、綁環(huán)、支架的固定結構，通過滌玻繩綁扎形成一個圓錐體；綁扎式固定結構，是用無緯玻璃絲帶浸透環(huán)氧材料后，將汽輪發(fā)電機端部采用綁扎式固定結構，上、下層線圈間還有4道綁環(huán)，用綁繩綁扎為一個整體；撐環(huán)與壓板相結合的固定結構，適用于額定功率為 600MW型汽輪發(fā)電機。

3.大型汽輪發(fā)電機定子端部繞組的電磁固體模型計算

定子繞組端部結構很復雜，首先要確定一個簡化的計算模型，根據(jù)它的幾何參數(shù)和材料參數(shù)，通過試驗模態(tài)分析，對定子繞組端部的振動特性進行進一步的研究。通常情況下，汽輪發(fā)電機定子繞組端部定子線棒出定子鐵心槽處有一段直線部分，上下層線棒之間都用了玻璃纖維帶綁扎，用螺栓將線棒固定在支架上，上層與下層之間用絕緣材料墊好，最后澆鑄成一體，因此這網(wǎng)狀結構可以簡化成連續(xù)的殼體。定子線棒構成的殼體于支架之間有絕緣材料的環(huán)和墊，并用壓板和螺栓之間的連接用桿單元描述。線棒構成的殼體由結構的實際尺寸確定，對象是汽輪發(fā)電機定子繞組端部的 200Hz以內的自然頻率。選取當量連續(xù)殼體模型的一些幾何和材料特性參數(shù)，求振動的計算模型。振型變化規(guī)律為晃動振型，橢圓振型，三角形振型，四邊形振型和五邊型振型等，改變頻率的大小，振型的變化規(guī)律就會顯示出來，計算模型的幾何形狀決定了固有頻率的振型變化規(guī)律。橢圓振型，頻率為62、三角形頻率為72.5Hz、五邊形振形，頻率為88.8Hz，它的計算分析和試驗模態(tài)分析都有很大的難度，要充分考慮定子線棒在軸向的伸縮程度，根據(jù)試驗模態(tài)分析的結果識別出模型的一些特性參數(shù)，從而得到計算結果。其中比較普遍的就是數(shù)值計算法：為了減少電磁屏蔽等因素的影響，采用有限元方法計算端部磁場，忽略電流和場量的高次空間諧波，以虛擬的氣隙回轉電流來代替氣隙的影響，得到了對定子端部繞組所受電磁力的求解，一方面求出端區(qū)各點的磁場值。另一方面是經(jīng)過一定的簡化，求出各繞組間的相互作用力，得到計算電磁力的計算式。

4.防止振動的有效措施

為了有效防止定子劇烈振動產(chǎn)生安全事故，具體措施就是加強端部固定，防止固件的松動和線棒絕緣磨損，避免振幅過高，保證汽輪發(fā)電機安全可靠運行。將端部結構分解成單個元件，計算確定各種材料的性質，通過試驗計算合適的邊界條件，對單個元件組合成整體進行分析計算。由于在線狀況是處在高磁場、高電場、高溫的環(huán)境中的，其振動特性與離線分析有一定的區(qū)別。因此直接安裝一個光學振動監(jiān)測系統(tǒng)，傳感器設計上的脈沖數(shù)量與被測振幅成正比，測量軸向和周向的振動，就會出現(xiàn)振動磨損的部位。光傳感器采集的信號通過電信號再送入AGM-P21信號處理模塊，就可以直接計算出在電動力的作用下汽輪發(fā)電機定子繞組端部的振動，從而實現(xiàn)多功能的實時監(jiān)測及報警。 [科]

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