李和明，邢 超，張建忠，李永剛，吳宏亮

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

1 概述

大型汽輪發(fā)電機運行時，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，因此隨著單機容量的增大，汽輪發(fā)電機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過大造成斷股、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，振動造成的危害最為嚴重。

防止定子端部繞組因松動造成絕緣磨損等事故的措施，主要是加強停機檢修期間對繞組端部松動和磨損的外觀檢查，進行相應的振動特性試驗。每次大、小修都應當仔細檢查發(fā)電機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)定子繞組端部結構有松動現(xiàn)象，除重新緊固外，還應進行振動模態(tài)試驗，確認固有頻率是否已避開100 Hz，根據(jù)測試結果確定檢修效果[1]，目前廣泛采用錘擊法測試端部繞組模態(tài)參數(shù)。

2 錘擊法測試端部繞組模態(tài)試驗

2.1 錘擊法試驗過程及其原理

在繞組端部及引線上敲擊，提供一個瞬時的激振力，在端部及引線上安裝的加速度計上得到響應信號，將力錘壓電傳感器上反映的沖擊力時域信號與加速度計上得到的響應信號一起進行頻響函數(shù)估計，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，這樣的測法具有自激勵簡單、施力方便、測試速度快等優(yōu)點。測試原理見圖1。

圖1 模態(tài)試驗測試原理

頻譜分析儀通常通過下式求得頻響函數(shù)：

(1)

式中：X(f)、F(f) 分別為輸入信號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H1(f) 為：

(4)

式中：Gfx(f)為力信號和響應信號的互功率譜；Gf(f)為輸入信號的自功率譜；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H2(f)為：

(6)

式中：Gx(f)為輸出信號的自功率譜。

在理想情況下，應該有：

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

(7)

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

H1(f)與H2(f)的比值等于相干函數(shù)γ2(f)，即：

(8)

式(8)表示在整個頻段內(nèi)響應x(t)和激勵f(t)之間的因果關系；當在某個頻率上γ2(f)=0，則響應與激勵在此頻率上不相干；若γ2(f)=1，則響應與激勵在此頻率上完全相干，即響應完全由激勵引起，干擾為0。實際上，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系，故0≤γ2(f)≤1 ，通常認為相干函數(shù)只要在0.9以上即可。

2.2 利用頻響函數(shù)辨識模態(tài)參數(shù)

由振動理論可知，頻響函數(shù)與模態(tài)向量的關系為：

(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)：單點拾振、多點激振，可得頻響函數(shù)中的一行;單點激振、多點拾振，可得頻響函數(shù)中的一列。因此，為了得到全部模態(tài)信息，只需要測量頻響函數(shù)矩陣中的一行或一列。根據(jù)經(jīng)驗單點激振多點響應比較合適，也就是用力錘敲擊定子繞組端部上的某固定點，向定子繞組端部提供一個瞬時激振力，信號分析儀檢測端部繞組上各測點的響應信號，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 振形判斷實例分析

以下針對2008年實測河北省南部電網(wǎng)某電廠1臺汽輪發(fā)電機的模態(tài)數(shù)據(jù)進行分析，振形見圖2。

(a) 汽輪機側97.316 Hz

(b) 勵磁系統(tǒng)側98.268 Hz

(c) 勵磁系統(tǒng)側104.243 Hz

(d) 勵磁系統(tǒng)側111.363 Hz

從圖2可以看出該臺汽輪發(fā)電機勵磁系統(tǒng)側在94～115 Hz之間不存在橢圓振形；汽輪機側在頻率97.316 Hz處存在近似為橢圓的振形。按照DL/T 735-2000評定標準[3]，已運行發(fā)電機，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，應采取措施對繞組端部進行處理，以避免汽輪機側定子繞組端部產(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)電機在以后的大修中應加強監(jiān)測，并仔細觀察是否出現(xiàn)明顯的磨損現(xiàn)象。

2.4 需注意的問題

2.4.1 激振點的選擇

采用單點激振進行試驗時，所選擇的激振點應能有效激起各階模態(tài)，如果激振點恰好選在某階模態(tài)的節(jié)點上，則該階模態(tài)不能被激發(fā)出來。因此在進行單點激振模態(tài)試驗時需要通過一定方法選擇合適的激振點。一般是選定若干激振點進行激振，測量其頻響函數(shù)，綜合比較由哪個激振點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為最佳激振點。

2.4.2 測點的布置[3]

在做定子繞組端部整體模態(tài)試驗時，在汽側和勵側繞組端部錐體內(nèi)截面上，各取如圖3所示的3個圓周，每一圓周上的測點應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的順序測量。測得圓周1的數(shù)據(jù)后，可根據(jù)分析的需要，再加測圓周2和圓周3的數(shù)據(jù)。

1-端部鼻端接頭各測點組成的圓周；2-槽口部位各測點組成的圓周；3-端部漸開線中部各測點組成的圓周

測量定子繞組鼻端接頭固有頻率時，測點沿圖3中的圓周1布置。測量定子繞組引出線和過渡引線固有頻率時，在定子繞組引出線和過渡引線的固定薄弱處適當布置若干測點。

2.4.3 力錘的選擇

力錘瞬擊一下被測物體，產(chǎn)生一個寬度為T的沖擊力時間歷程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個參數(shù)之間有一定的關系。當T較小時，fc較高；反之，當T較大時，則fc較低，而T的長短受到錘頭材料和被測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鍵頻段，不能選太硬的錘頭，以免能量溢出。在做模態(tài)試驗時，力錘的結構見圖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，見圖5。錘擊要領是重錘輕擊、起落迅捷，這樣能產(chǎn)生較好的力信號。

圖4 力錘結構

(a) 脈沖 (b) 頻譜

3 結束語

汽輪發(fā)電機定子繞組端部由于其特殊的構造是發(fā)電機的一個薄弱部位，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、絕緣磨損等事故。利用模態(tài)試驗可以預測發(fā)電機實際運行時端部的振動形態(tài)，據(jù)此指導發(fā)電機的維護和檢修，而且通過對比歷史數(shù)據(jù)和比較趨勢，可以幫助發(fā)現(xiàn)未來運行中的事故隱患，對避免由發(fā)電機定子繞組端部振動過大引起絕緣磨損等事故有重要的指導意義。

參考文獻：

[1] 任成濤，田東明.發(fā)電機定子繞組端部動態(tài)特性試驗的實踐體會[J].華北電力技術，2007(3)：15-17.

[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].西北電力技術，1998(3)：1-9.

[3] DL/T 735-2000，大型汽輪發(fā)電機定子繞組端部動態(tài)特性的測量及評定[S].