大型汽輪發(fā)電機定子繞組端部模態(tài)試驗與分析

唐芳軒，張　劍，陳景榮，李嘉敏，萬玉晶

（1. 中核核電運行管理有限公司，浙江　海鹽　314300；2. 國核示范電站有限責(zé)任公司，山東　榮成　264300）

大型汽輪發(fā)電機定子繞組端部模態(tài)試驗與分析

唐芳軒1，張劍2，陳景榮1，李嘉敏1，萬玉晶1

（1. 中核核電運行管理有限公司，浙江海鹽314300；2. 國核示范電站有限責(zé)任公司，山東榮成264300）

文章介紹了引進美國西屋公司技術(shù)制造的650 MW汽輪發(fā)電機端部剛-柔綁扎固定結(jié)構(gòu)，論述了發(fā)電機定子繞組端部模態(tài)試驗和端部水電接頭鼻端、引出線固有頻率測試的原理、方法和評定標準，并對實測數(shù)據(jù)進行了分析，對運行維護具有一定指導(dǎo)意義。

汽輪發(fā)電機；定子端部繞組；模態(tài)分析；模態(tài)參數(shù)

隨著發(fā)電機容量不斷增大，定子端部所受的交變電動力也不斷增大。交變電動力的徑向分量是引起繞組端部結(jié)構(gòu)振動的主要激勵力，其振形類似于橢圓，頻率為100 Hz［1］。若定子繞組端部橢圓形振動頻率落入100 Hz附近，則可能造成端部與倍頻電動力發(fā)生共振，嚴重情況下會導(dǎo)致定子繞組松動、絕緣磨損、引水管破裂、漏氫、漏水，甚至造成機組燒毀等事故［2］。因此，分析研究定子繞組端部絕緣固定結(jié)構(gòu)的振動特性，對保證機組的安全運行具有重要的意義。文章介紹了引進美國西屋公司技術(shù)制造的650 MW汽輪發(fā)電機端部的結(jié)構(gòu)，論述了端部模態(tài)試驗、端部水電接頭鼻端和引出線固有頻率試驗的原理、方法和評定標準，并對實測數(shù)據(jù)進行了分析。

1　定子端部絕緣固定結(jié)構(gòu)

發(fā)電機容量為650 MW，型號為QFSN-650-2，端部采用剛-柔綁扎固定結(jié)構(gòu)，如圖1所示。定子繞組通過端部內(nèi)圓上的兩道徑向可調(diào)綁環(huán)、繞組鼻端徑向撐環(huán)、上下層繞組間充膠支撐管等固定在大型支撐環(huán)上，繞組鼻端之間用墊塊、楔形支撐塊、浸膠玻璃布帶綁扎成沿圓周呈環(huán)狀的牢固整體，支撐環(huán)前端搭接在鐵芯端部的小撐環(huán)上，便于滑動，支撐環(huán)的外圓與輻向均勻分布的絕緣支架固定在一起，絕緣支架又通過無磁性鋼彈簧板與定子鐵芯端部的分塊壓板固定在一起，形成剛-柔聯(lián)接結(jié)構(gòu)。整個定子繞組端部徑向、切向牢固固定，沿軸向可以自由伸縮［3］，且全部采用非金屬絕緣材料固定，這種結(jié)構(gòu)可以有效減緩機組運行時，因溫度變化引起的繞組軸向脹縮熱應(yīng)力，使機組運行方式靈活，適應(yīng)功率變化要求。

2　定子繞組端部模態(tài)試驗

圖1　650 MW汽輪發(fā)電機定子端部絕緣固定結(jié)構(gòu)Fig.1　Insulated fixing structure of the 650 MW turbo-generator stator end

2.1模態(tài)試驗理論基礎(chǔ)

模態(tài)試驗就是通過試驗方法得到機械結(jié)構(gòu)在沖擊h（t）作用下的響應(yīng)H（ω），構(gòu)造出機械結(jié)構(gòu)特性的頻響函數(shù)矩陣，然后對結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)、模態(tài)阻尼及模態(tài)振型進行識別。對某機械結(jié)構(gòu)，在k點作用單位力時，在i點所引起的頻率響應(yīng)，用頻響函數(shù)表示為Hik=Fk/Xi，根據(jù)線性疊加原理可得如下形式的多自由度系統(tǒng)頻響關(guān)系式：

根據(jù)振動力學(xué)理論推導(dǎo)出：

由以上兩式可得到頻響函數(shù)矩陣表達式：

頻響函數(shù)矩陣中的任一行為：

頻響函數(shù)矩陣中的任一列為：

可見，頻響函數(shù)［H］中的任一行或任一列包含了所有的模態(tài)函數(shù)。為取得全部模態(tài)信息，僅需測量頻響函數(shù)矩陣中的一行或一列，于是有兩種獲取模態(tài)數(shù)的方法：一點拾振、多點激振，即可得到頻響函數(shù)中的一行；一點激振、多點拾振，即可得到頻響函數(shù)的一列。現(xiàn)場往往采用多點激振、一點拾振的方法。

2.2模態(tài)試驗實例

（1）端部模態(tài)試驗

發(fā)電機定子端部是一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量和剛度都分散的分布參數(shù)非線性彈性系統(tǒng)，不同部位有各自不同的多階固有頻率，即相互影響又存在整體的共振效應(yīng)。定子繞組端部模態(tài)試驗是通過測定整體的振動形態(tài)、振動頻率，以判定發(fā)電機在運行時是否會發(fā)生共振。試驗采用寬頻帶瞬間激振法（錘擊法）進行測試，試驗采用多點激振，單點響應(yīng)的方法，在激振的同時測量激振力和響應(yīng)信號，然后對信號進行頻響函數(shù)分析，其測試系統(tǒng)主要由測試對象、激勵環(huán)節(jié)、測量環(huán)節(jié)、分析環(huán)節(jié)和檢測環(huán)節(jié)組成，試驗原理如圖2所示。

試驗時，視整個定子端部為測試對象，將汽、勵兩側(cè)繞組沿軸向位置各布置21個測點，固定6點鐘接收，即多點激振，測試采用CRAS模態(tài)分析儀，汽端頻響函數(shù)如圖3所示，勵端頻響函數(shù)如圖4所示。

圖2　發(fā)電機定子繞組端部模態(tài)試驗示意圖Fig.2　Modal test schematic of the generator stator end winding

（2）水電接頭鼻端和引出線自振頻率試驗

定子端部水電接頭鼻端和引出線是事故頻發(fā)部位，該部位在運行中容易因振動引起絕緣破損、線棒老化，造成漏水、漏氫，從而引發(fā)短路或接地事故。實踐證明，定子端部鼻端激振力為徑向，徑向振動對于定子端部水電接頭和引出線的危害較大，因此應(yīng)重點關(guān)注徑向自振頻率。

該發(fā)電機定子共42槽，雙Y接線，試驗時勵磁機側(cè)和汽輪機側(cè)水電接頭鼻端均以3點鐘位置對應(yīng)的線棒為1號，順時針方向編號；引出線從時鐘1點鐘開始，順時針方向編號，共測6點，試驗采用CF-250頻譜分析儀。水電接頭鼻端徑向頻率、引出線自振頻率測試結(jié)果見表1、表2。

圖3　發(fā)電機定子汽端頻響函數(shù)Fig.3　Frequency response function of the turbine side of the generator stator generator stator

圖4　發(fā)電機勵端頻響函數(shù)Fig.4　Frequency response function of the exciter side of the generator stator

表1　定子繞組線棒徑向靜頻率（Hz）Table 1　Radial static frequency of the generator stator winding （Hz）

表2　定子繞組端部引線徑向靜頻率（Hz）Table 2　Radial static frequency of the generator stator end leader winding

3　分析評價

發(fā)電機運行時，定子繞組端部要受到隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的橢圓形的激振電磁力的作用，其頻率為100 Hz，因此要求發(fā)電機定子端部線棒、引線、端部整體的固有頻率應(yīng)避開激振電磁力的頻率，以減少共振的發(fā)生。發(fā)電機定子繞組端部局部及整體橢圓固有頻率避開范圍見表3［4］。由試驗結(jié)果可知，該發(fā)電機定子繞組端部避開了整體橢圓固有頻率的范圍95～110 Hz，定子繞組水電接頭鼻端徑向頻率避開了95～106 Hz的范圍，引出線徑向頻率避開了95～108 Hz的范圍，均合格。

定子繞組端部模態(tài)試驗是靜態(tài)情況下進行的，為正確評價試驗結(jié)果，應(yīng)綜合考慮試驗時定子繞組的溫度和是否通水的影響。發(fā)電機運行時熱態(tài)繞組溫度約在60～70 ℃，試驗通常在常溫下冷態(tài)進行，一般認為熱態(tài)固有頻率比冷態(tài)固有頻率下降大約2～10 Hz［5］；通水與不通水相比，因通水時增加了端部結(jié)構(gòu)的等效重量，會造成模態(tài)下降3～5 Hz［6］。同時，還需要將試驗結(jié)果與歷年的試驗結(jié)果進行比對，掌握其變化情況。

表3　發(fā)電機定子繞組端部局部及整體橢圓固有頻率避開范圍（Hz）Table 3　The local and global ellipse natural frequency to avoid the range of generator stator end winding

對于定子繞組端部線棒靜頻率，若其峰值較陡，即幅值較大，同時落入100 Hz附近，必須對該線棒頻率進行調(diào)頻。反之，定子繞組端部線棒頻率較平坦（約為頻響圖上基幅至全幅的三分之一），即使落入100 Hz附近，也是不危險的，無需對該線棒進行調(diào)頻［7］。

4　結(jié)束語

大型汽輪發(fā)電機定子繞組往往采用水冷方式，端部結(jié)構(gòu)的特殊性決定了該處是薄弱環(huán)節(jié)，事故多發(fā)之地，應(yīng)引起重視。定子繞組端部模態(tài)試驗是較為方便的無損檢測手段，對發(fā)現(xiàn)事故隱患、指導(dǎo)檢修具有重要的意義，因此發(fā)電機在出廠前、新機交接、大修時需要進行該試驗；運行中的發(fā)電機若經(jīng)歷了突發(fā)短路故障的沖擊，檢修時發(fā)現(xiàn)線棒磨損、松動或更換了端部絕緣緊固件后，也應(yīng)該進行端部模態(tài)試驗和自振頻率試驗，以掌握端部模態(tài)變化情況，若發(fā)現(xiàn)定子繞組端部存在不合格的橢圓振型的模態(tài)時，應(yīng)進行處理，防止事故的發(fā)生。為了能連續(xù)監(jiān)測發(fā)電機端部振動情況，可考慮安裝振動在線監(jiān)測裝置。

［1］ 白亞民. 發(fā)電機定子繞組端部機械振動模態(tài)的測量［J］.華北電力技術(shù)，2001，（1）：5-10.（BAI Ya-min. Measurement for the mechanical vibration mode of generator stator winding end ［J］. North China Electric Power Technology， 2001， （1）：5-10.）

［2］ 成中昀，黃立民，李曉霞. 大型汽輪發(fā)電機定子端部繞組固有頻率測試與分析［J］.大電機技術(shù)，1999，48（10）：72-74.（CHENG Zhong-yun， HUANG Li-min， LI Xiao-xia. Test and analysis for the inherent frequency of the stator end winding of large-scale turbo-generator ［J］. Technologies for Large Electrical Motor， 1999， 48（10）：72-74.）

［3］ 哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司. QFSN-650-2型發(fā)電機機說明［Z］，1999.（Harbin Electric Machinery Co.， Ltd. Instruction of the QFSN-650-2 power generator ［Z］， 1999.）

［4］ GB/T 20140-2006 透平型發(fā)電機定子繞組端部動態(tài)特性和振動試驗方法及評定［S］.（GB/T 20140-2006 Dynamic characteristics and the vibration test method and evaluation of the turbo-generator stator winding end ［S］.）

［5］ 白亞民. 發(fā)電機定子繞組端部動態(tài)特性試驗的實踐意義和標準掌握［J］. 電力設(shè)備，2003，4（1）：56-59.（BAI Ya-min. The practical significance and standards for the dynamic characteristics test for the generator stator winding end ［J］.）

［6］ 陳恒. 基于CRAS系統(tǒng)的發(fā)電機定子繞組端部模態(tài)試驗研究［J］. 廣西電力，2008，（5））：10-14.（CHEN Heng. Experimental study on the generator stator winding end mode based on the CRAS system ［J］. Guangxi Electric Power， 2008，（5）：10-14.）

［7］ 嵇安森. 發(fā)電機定子繞組端部振動靜態(tài)特性的試驗研究［J］. 電力設(shè)備，2004，5（9）：38-40.（JI Ansen. Experimental study on the static vibration characteristics of the generator stator winding end ［J］. Electric Power Equipment， 2004，5（9）：38-40.）

Modal Test and Analysis on Stator End-windings of Large Turbo-generator

TANG Fang-xuan1，ZHANG Jian2，CHEN Jing-rong1，LI Jia-min1，WAN Yu-jing1
（1.China National Nuclear Power Co.，Ltd.，Haiyan of Zhejiang Prov. 314300，China； 2. State Nuclear Power Demonstration Plant Co.，Ltd.，Rongcheng of Shandong Prov.264300，China）

This paper introduces stator end winding rigid flexible binding and fixing structure of the 650 MW turbo-generator imported from Westinghouse， the modal test of generator stator end winding and end hydropower joint nose， lead wire natural frequency measurement principle， method and evaluation standard， and experimental data analysis， which has certain significance for guiding the operation and maintenance.

turbo-generator；end-winding of stator；model analysis；model parameter

TL37Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）01-0064-06

TL37

A

1674-1617（2015）01-0064-06

2014-11-07

唐芳軒（1966—），男，四川人，研究員級高級工程師，從事高電壓技術(shù)及高壓電氣設(shè)備的維修、試驗和故障診斷的研究。