模態(tài)參數(shù)在發(fā)電機(jī)定子繞組端部故障診斷中的應(yīng)用

李衛(wèi)軍，蔡文方，吳文健，馬思聰，應(yīng)光耀

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

模態(tài)參數(shù)在發(fā)電機(jī)定子繞組端部故障診斷中的應(yīng)用

李衛(wèi)軍，蔡文方，吳文健，馬思聰，應(yīng)光耀

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

模態(tài)試驗(yàn)分析是發(fā)電機(jī)定子繞組端部結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性評(píng)估的有效方法，模態(tài)頻率的變化、阻尼是影響定子繞組端部振動(dòng)的主要參數(shù)。介紹模態(tài)試驗(yàn)的方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)部分機(jī)組的試驗(yàn)結(jié)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(dāng)阻尼較大時(shí)，即使橢圓形整體模態(tài)頻率在94～115 Hz內(nèi)，因振動(dòng)導(dǎo)致定子結(jié)構(gòu)損壞的可能性也較小。

定子繞組端部；模態(tài)試驗(yàn)；頻率；阻尼

0 引言

發(fā)電機(jī)定子繞組端部因振動(dòng)而誘發(fā)的部件磨損、裂紋甚至斷裂等故障，嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。定子繞組端部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)使其整體固有頻率避開(kāi)50 Hz與100 Hz，但因制造、安裝或運(yùn)行中的沖擊現(xiàn)象，部分機(jī)組定子繞組端部的固有頻率往往落入94～115 Hz，容易誘發(fā)因振動(dòng)引起的發(fā)電機(jī)定子繞組端部故障。

模態(tài)試驗(yàn)分析是在機(jī)組停機(jī)狀態(tài)下測(cè)試發(fā)電機(jī)定子繞組端部的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，包括模態(tài)頻率、模態(tài)振型及模態(tài)阻尼等，實(shí)現(xiàn)對(duì)其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的評(píng)估。然而相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)分析只側(cè)重單次測(cè)量的結(jié)果，對(duì)機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中頻率變化的研究有所欠缺；同時(shí)，大部分試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)頻率是否落入94～115 Hz做出判斷，而對(duì)阻尼在定子繞組端部繞組振動(dòng)的影響方面探討較少。根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)進(jìn)行分析，并結(jié)合試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析及機(jī)組運(yùn)行檢修狀態(tài)，探討試驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)的變化對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)的影響，為其故障診斷及狀態(tài)評(píng)價(jià)提供參考。

1 發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)分析

發(fā)電機(jī)定子繞組端部為多自由度的有阻尼結(jié)構(gòu)，其受迫振動(dòng)較復(fù)雜。對(duì)于多自由度有阻尼強(qiáng)迫振動(dòng)，可采用模態(tài)分析法求任意載荷情況下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，即如果系統(tǒng)只在第r個(gè)坐標(biāo)處施加激振力Fr（t）=Frejpt，相當(dāng)于模態(tài)試驗(yàn)中單點(diǎn)激振，可以得到第s個(gè)坐標(biāo)處的響應(yīng)xsr見(jiàn)式（1）[1]，其振動(dòng)幅值Xsr見(jiàn)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(duì)應(yīng)的阻尼比；ωi，fi為發(fā)電機(jī)定子繞組端部第i階固有圓頻率、頻率，忽略阻尼，兩者的關(guān)系可表示為：

1.1 模態(tài)頻率變化對(duì)振動(dòng)的影響

由式（3）可知，發(fā)電機(jī)定子繞組端部的模態(tài)頻率取決于該階模態(tài)剛度、模態(tài)質(zhì)量。作為給定的發(fā)電機(jī)，其質(zhì)量發(fā)生改變的可能性很小，即模態(tài)質(zhì)量基本不變，則式（3）可寫(xiě)為=kfi，k為常數(shù)。于是可以通過(guò)fi的變化來(lái)分析的變化。通過(guò)進(jìn)一步對(duì)的分析，可預(yù)測(cè)其振動(dòng)特性的變化。假定第i階靜變形若剛度降低，會(huì)使xsti增大，則Xsr會(huì)增大；相應(yīng)地，剛度提高，會(huì)使xsti減小，則Xsr會(huì)減小。

（1）模態(tài)頻率fi的降低。

模態(tài)頻率fi降低，意味著模態(tài)的降低。當(dāng)發(fā)電機(jī)定子繞組端部因磨損、部件裂紋或斷裂及緊固螺栓松動(dòng)時(shí)，其模態(tài)剛度會(huì)降低，致使對(duì)應(yīng)的模態(tài)頻率降低。相應(yīng)地降低，會(huì)使xsti增大，則Xsr可能會(huì)增大。

（2）模態(tài)頻率fi的提高。

模態(tài)頻率fi提高，意味著模態(tài)剛度的提高。當(dāng)發(fā)電機(jī)定子繞組端部重新綁扎、加固或?qū)ζ浣Y(jié)構(gòu)重新調(diào)整時(shí)，模態(tài)剛度會(huì)提高，對(duì)應(yīng)的模態(tài)頻率會(huì)提高。相應(yīng)地提高，會(huì)使 xsti減小，則Xsr也會(huì)減小。

1.2 阻尼對(duì)振動(dòng)的影響

當(dāng)激振力的頻率接近結(jié)構(gòu)的某階共振頻率時(shí)，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)最大值約為：

當(dāng)其他參數(shù)為定值時(shí)，振動(dòng)幅值與阻尼成反比關(guān)系，若機(jī)組端部繞組的初始振動(dòng)幅值為100 μm，阻尼為0.5%，當(dāng)阻尼提高至1.5%時(shí)，振動(dòng)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(xiàn)[1，2]提出：當(dāng)結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)較高，尤其大于2%時(shí)，結(jié)構(gòu)的共振峰值很小，因共振誘發(fā)結(jié)構(gòu)損壞的可能性已很小。

2 定子繞組端部模態(tài)測(cè)試

按2014年國(guó)家能源局發(fā)布的關(guān)于發(fā)電機(jī)反措要求：200 MW及以上容量汽輪發(fā)電機(jī)組在安裝、每次大修時(shí)都應(yīng)對(duì)發(fā)電機(jī)端部繞組進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，以防端部繞組固有頻率落入二倍頻共振區(qū)[3]?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)多采用錘擊法獲得發(fā)電機(jī)定子端部繞組的模態(tài)參數(shù)，并依此對(duì)定子端部繞組的當(dāng)下?tīng)顟B(tài)做出評(píng)價(jià)。

CRAS振動(dòng)及動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)可快速測(cè)量發(fā)電機(jī)定子繞組端部模態(tài)參數(shù)，并動(dòng)畫(huà)顯示各階振型圖[4，5]。

2.1 試驗(yàn)建模

根據(jù)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，在汽側(cè)和勵(lì)側(cè)繞組端部錐體內(nèi)截面上各取3個(gè)圓周，沿每個(gè)圓周均勻布置若干個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)數(shù)應(yīng)大于定子繞組數(shù)目的一半。一般第一個(gè)圓周（內(nèi)圈）布置在定子繞組端部槽口位置，第二個(gè)圓周（中圈）布置在定子繞組端部漸開(kāi)線中部，第三個(gè)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(gè)試驗(yàn)的響應(yīng)點(diǎn)。600 MW及1 000 MW機(jī)組發(fā)電機(jī)的定子線棒為42根，每圈布置21個(gè)或更多測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，試驗(yàn)采用多點(diǎn)激勵(lì)單點(diǎn)響應(yīng)的測(cè)試方法。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置示意

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及處理

試驗(yàn)時(shí)用力錘依次敲擊繞組上事先布置的測(cè)點(diǎn)，CRAS振動(dòng)及動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)存儲(chǔ)力錘施加的沖擊時(shí)域信號(hào)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(yīng)信號(hào)，最后擬合出端部繞組整體的頻響函數(shù)曲線，進(jìn)而得到各階固有頻率、振型及阻尼比。試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)動(dòng)畫(huà)顯示，較為直觀地反映結(jié)構(gòu)的整體固有特性。

試驗(yàn)中，頻響函數(shù)曲線應(yīng)比較光滑且在各階固有頻率處有明顯的峰值，才能正確識(shí)別各階模態(tài)參數(shù)。若經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)量，頻響函數(shù)曲線毛刺較多且很難分辨明顯的峰值，則發(fā)電機(jī)定子繞組端部可能出現(xiàn)了綁繩斷裂、部件磨損等故障。

2.3 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

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》中規(guī)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(fā)生變化，應(yīng)進(jìn)行檢查并處理，并對(duì)相鄰2次的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，如果振型、頻率變化較大或頻響函數(shù)曲線上94～115 Hz的共振頻率點(diǎn)的幅值變化較大，則應(yīng)進(jìn)行加固。該標(biāo)準(zhǔn)較為嚴(yán)格，共振頻率不合格范圍較寬。

GB/T 20140-2006《透平型發(fā)電機(jī)定子繞組端部動(dòng)態(tài)特性和振動(dòng)試驗(yàn)方法及評(píng)定》中規(guī)定：剛性支撐的發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)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(guī)定，應(yīng)加裝振動(dòng)探頭，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)。定子繞組端部的振動(dòng)峰值小于250 μm，可長(zhǎng)期運(yùn)行；若在250～400 μm，應(yīng)報(bào)警并擇機(jī)處理；當(dāng)振動(dòng)值大于400 μm或振動(dòng)值變化大于100 μm，應(yīng)盡快停機(jī)處理。該標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)較接近，也兼顧了DL/T 735-2000標(biāo)準(zhǔn)。

3 模態(tài)頻率變化對(duì)定子端部可靠性影響的實(shí)例

于2008年2月對(duì)某發(fā)電廠8號(hào)機(jī)組的發(fā)電機(jī)定子繞組勵(lì)端的模態(tài)進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明，勵(lì)端的橢圓型共振頻率分別為 61.6 Hz和123.8 Hz，符合國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。而2011年11月3日再次模態(tài)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)其勵(lì)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(lì)端可能存在松動(dòng)、有裂紋等現(xiàn)象。

3.1 檢查結(jié)果及處理

發(fā)電機(jī)定子繞組勵(lì)端經(jīng)過(guò)外觀檢查，只發(fā)現(xiàn)14號(hào)、23號(hào)槽口墊塊處有少量黑色油泥，但進(jìn)一步檢查后發(fā)現(xiàn)：

（1）勵(lì)端第5、第7點(diǎn)鐘位置L形彈性支架螺栓變形且松動(dòng)，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(zhǎng)達(dá)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(fù)大連接線損傷絕緣，回裝大連接線、絕緣引水管、過(guò)渡引線以及固定夾板等。

3.2 處理后的模態(tài)測(cè)試

處理后，2011年11月27日對(duì)定子繞組勵(lì)端模態(tài)再次進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示，其相應(yīng)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(jiàn)表1。

表1 8號(hào)發(fā)電機(jī)定子勵(lì)端繞組端部橢圓型模態(tài)頻率

從表1可以看出，數(shù)據(jù)基本恢復(fù)至2008年2月的水平，表明缺陷已經(jīng)消除，發(fā)電機(jī)定子繞組勵(lì)端的結(jié)構(gòu)恢復(fù)良好。8號(hào)機(jī)組在此次檢修后的3年運(yùn)行時(shí)間里，定子繞組端部未發(fā)生因振動(dòng)誘發(fā)的故障，運(yùn)行平穩(wěn)。

4 阻尼對(duì)定子端部可靠性影響的實(shí)例

2008年10月—2013年5月，浙江省內(nèi)投產(chǎn)的10臺(tái)1 000 MW火力發(fā)電機(jī)組均采用THDF 125/67型發(fā)電機(jī)。該型發(fā)電機(jī)大部分的定子繞組勵(lì)端都有2～3階橢圓振型[6]，且均有1～2階橢圓型模態(tài)頻率在94～115 Hz，見(jiàn)表2。

表2 1 000 MW機(jī)組發(fā)電機(jī)定子勵(lì)端繞組端部橢圓型模態(tài)頻率

該型發(fā)電機(jī)端部繞組由環(huán)氧樹(shù)脂材料完全填充，并用壓板壓緊，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)阻尼較大?，F(xiàn)場(chǎng)模態(tài)試驗(yàn)顯示，該型發(fā)電機(jī)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(jī)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(fā)電機(jī)定子繞組勵(lì)端在100 Hz的電磁激振力下，也不會(huì)產(chǎn)生較大幅值的振動(dòng)，造成發(fā)電機(jī)定子線棒的磨損或損壞可能性較小。

從表2所列機(jī)組的運(yùn)行情況來(lái)看，未發(fā)生因端部振動(dòng)問(wèn)題導(dǎo)致的停機(jī)檢修事故，同時(shí)，在檢修中除部分螺栓松動(dòng)外，也未發(fā)現(xiàn)端部結(jié)構(gòu)磨損、裂紋等問(wèn)題，整體運(yùn)行情況較好。

5 結(jié)論

采用CRAS數(shù)據(jù)采集儀對(duì)大型發(fā)電機(jī)定子端部繞組的模態(tài)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、模態(tài)參數(shù)及檢修運(yùn)行情況分析，總結(jié)如下：

（1）試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是發(fā)電機(jī)定子繞組端部結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的主要手段，應(yīng)建立臺(tái)帳或數(shù)據(jù)庫(kù)。模態(tài)參數(shù)發(fā)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(yīng)引起足夠的重視。

（2）對(duì)發(fā)電機(jī)定子端部繞組結(jié)構(gòu)特性的評(píng)價(jià)應(yīng)考慮阻尼因素。雖模態(tài)頻率在94～115 Hz內(nèi)，若其阻尼較大，發(fā)生共振等影響定子結(jié)構(gòu)損壞的故障可能性很小，可加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，酌情進(jìn)行處理。

[1]盛宏玉.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)[M].合肥：合肥工業(yè)出版社，2005.

[2]汪偉.390H型燃汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部固定結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析[J].防爆電機(jī)，2010（1）∶39-42.

[3]國(guó)家能源局.防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求及編制釋義[M].北京：中國(guó)電力出版社，2014.

[4]劉恒.基于CRAS系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)定子繞組端部模態(tài)試驗(yàn)研究[J].廣西電力，2008（5）∶10-13.

[5]吳文健，李衛(wèi)軍，應(yīng)光耀.1 000 MW汽輪發(fā)電機(jī)模態(tài)測(cè)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(wèi)軍（1975），男，高級(jí)工程師，主要從事汽輪機(jī)故障診斷及處理的研究以及發(fā)電機(jī)定子繞組模態(tài)測(cè)試和分析。