李衛(wèi)軍，何玉靈，應(yīng)光耀，蔡文方，馬思聰

大型汽輪發(fā)電機定子繞組端部狀態(tài)評估及綜合治理方法

李衛(wèi)軍1,2，何玉靈3，應(yīng)光耀1，蔡文方1，馬思聰2

（1. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院，浙江 杭州 310014；2. 杭州意能電力技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310014；3. 河北省電力機械裝備健康維護與失效預防重點實驗室（華北電力大學），河北 保定 071003）

模態(tài)試驗分析是發(fā)電機定子繞組端部結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估的主要方法，已廣泛應(yīng)用于大型發(fā)電機檢修中?；诎l(fā)電機定子端部繞組動特性解析與模態(tài)參數(shù)統(tǒng)計分析，提出了定子繞組端部橢圓型固有頻率的適宜范圍，確定了優(yōu)秀、良好、合格對應(yīng)具體頻率區(qū)間，形成了定子端部繞組分級評價方法及故障診斷流程，在此基礎(chǔ)上給出了現(xiàn)場定子繞組剛度和質(zhì)量的模態(tài)頻率調(diào)整方法并進行了案例檢驗。研究結(jié)果為大型發(fā)電機組繞組端部狀態(tài)評估和綜合治理提供了借鑒，對提高發(fā)電機組工作可靠性具有參考價值。

汽輪發(fā)電機；定子端部繞組；模態(tài)頻率；振動抑制

0 引言

大型發(fā)電機是進行電力能量轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備，具有容量大、效率高、安全穩(wěn)定等特點，廣泛應(yīng)用于各發(fā)電企業(yè)。大型發(fā)電機在運轉(zhuǎn)過程中，端部繞組承受著較大的倍頻電磁力（100 Hz）和工頻機械沖擊力（50 Hz），若其某階固有頻率接近50 Hz或100 Hz[1-3]，則會誘發(fā)較大振動，甚至產(chǎn)生結(jié)構(gòu)共振，導致定子繞組裂紋或斷裂，嚴重威脅機組的安全運行。發(fā)電機定子繞組端部的檢修，需在抽出發(fā)電機轉(zhuǎn)子的情況下進行，其檢修工期通常達20余天，給發(fā)電企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟損失。

模態(tài)測試分析是獲取定子繞組端部振動特性的主要方法，可分析、評估其狀態(tài)，已成為檢修的決策依據(jù)[4-8]。部分大型發(fā)電機定子繞組端部模態(tài)頻率未達到標準規(guī)定值[9-10]，在未處理的情況下，僅通過加裝振動探頭監(jiān)測其振動[11-13]，存在一定的風險。另外，隨著太陽能、風能等清潔新能源的大量接入，深度調(diào)峰、頻繁啟停等將成為大型燃煤機組運行的常規(guī)模式，應(yīng)高度重視發(fā)電機定子繞組端部的結(jié)構(gòu)故障的預防與治理，提高大型發(fā)電機組安全可靠性。

本文對發(fā)電機定子繞組端部振動特性進行理論分析和模態(tài)參數(shù)統(tǒng)計分析，對其模態(tài)頻率的范圍進行討論，形成了定子繞組狀態(tài)分級評估和定子繞組模態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)庫的建立方法，列舉了其狀態(tài)監(jiān)測的方法與模態(tài)頻率調(diào)整措施，為提高發(fā)電機定子繞組端部可靠性提供參考。

1 定子繞組端部固有頻率范圍分析

大型汽輪發(fā)電機大多采用水氫氫冷卻發(fā)電機，其軸瓦安裝在發(fā)電機端蓋上，定子繞組用絕緣件固定在定子鐵心上，而定子鐵心通過隔振彈簧板固定在機殼上。發(fā)電機定子繞組端部在不同頻率激振力作用下，振幅與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系為[13-15]：

機組運行中，發(fā)電機轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生工頻離心力，即50 Hz的激振力，經(jīng)軸承座傳遞至定子鐵心及繞組。另外，發(fā)電機在運行中，定子鐵心會受到100 Hz的磁拉力作用而產(chǎn)生振動，并將振動傳遞到定子繞組[16]，定子繞組本身也會受到100 Hz的電磁力作用[17]，且這一電磁力會隨著電流的增大而增大，并使繞組端部產(chǎn)生同頻的振動。因而，發(fā)電機在運行中定子端部繞組的受迫振動以50 Hz和100 Hz分量為主。

為了避免發(fā)電機定子繞組端部出現(xiàn)較大振動，其固有頻率應(yīng)避開一定的范圍。當定子繞組端部模態(tài)頻率，尤其是橢圓型模態(tài)頻率接近50 Hz或100 Hz時，定子繞組端部振動較大，甚至會誘發(fā)結(jié)構(gòu)共振，故定子繞組端部的模態(tài)頻率應(yīng)避開激振力頻率的10%，即不在45~55 Hz、90~110 Hz范圍之內(nèi)，甚至避開更寬的頻率范圍，使定子繞組端部振幅較小。

從隔振的角度來看，結(jié)構(gòu)件的模態(tài)頻率應(yīng)小于激振力的1.4倍[15]，或大于激振力的1.4倍；對于50 Hz、100 Hz的激振力，即定子繞組端部冷態(tài)的橢圓型模態(tài)頻率臨界值分別為35.4 Hz、70.7 Hz、140 Hz。

因此，發(fā)電機定子繞組端部的模態(tài)頻率應(yīng)不在47~58 Hz、94~115 Hz范圍內(nèi)，1階、2階橢圓型模態(tài)頻率在70 Hz左右、140 Hz左右為佳。

2 定子繞組端部試驗?zāi)B(tài)參數(shù)分析

2.1 定子繞組端部模態(tài)參數(shù)測試

在發(fā)電機交接、檢修中、定子端部出現(xiàn)磨損等故障時，應(yīng)對發(fā)電機定子繞組端部進行模態(tài)試驗。一般采用多點激勵單點響應(yīng)的方法，通過模態(tài)測試分析軟件激勵與響應(yīng)的轉(zhuǎn)化得到單點激勵多點響應(yīng)數(shù)據(jù)，進而獲取頻響函數(shù)曲線并計算模態(tài)參數(shù)，這是一種無損監(jiān)測方法。電力部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》規(guī)定：定子繞組端部模態(tài)頻率不得在94~115 Hz范圍內(nèi)；GB/T 20140-2016《隱極同步發(fā)電機定子繞組端部動態(tài)特性和振動測量方法及評定》規(guī)定：定子繞組端部橢圓型模態(tài)頻率不得在95~110 Hz范圍內(nèi)。制造廠提供的質(zhì)保說明書中，均注明定子繞組端部模態(tài)頻率不得在94~115 Hz范圍內(nèi)，且運行時的振幅小于50mm。因此，目前對100 Hz工作頻率的±10%范圍進行規(guī)避已得到重視，但對50 Hz工作頻率的規(guī)避卻尚未受到關(guān)注。

2.2 模態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)庫的建立

近10年對某公司新生產(chǎn)的5臺660 MW機組發(fā)電機定子繞組端部進行了模態(tài)試驗，其定子繞組端部實體圖見圖1，將發(fā)電機定子繞組端部沿軸向2等分，徑向21等分，見圖2。試驗采用多點激勵單點響應(yīng)的測試方法，即在發(fā)電機定子繞組錐形喇叭口某處安裝加速度探頭，在其半徑最小處為第一圈、半徑最大處為第三圈、兩者的中間部位為第二圈，每圈至少均布21個敲擊點。采用南京安正公司生產(chǎn)CRAS采集儀采集信號，采集力錘和振動響應(yīng)信號進行分析。某臺發(fā)電機定子繞組汽端的頻響函數(shù)見圖3，前3階振型見圖4~圖7，發(fā)電機定子繞組汽端的頻響函數(shù)和振型圖一致，不再列舉。

圖1 發(fā)電機定子繞組端部實體圖

圖2 汽端頻響函數(shù)圖

圖3 汽端頻響函數(shù)圖

圖4 1階橢圓形振型圖

對5臺機組試驗結(jié)果進行統(tǒng)計，形成了660 MW發(fā)電機定子繞組端部模態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)庫，詳見表1。結(jié)果表明：定子繞組端部汽端、勵端的橢圓型模態(tài)頻率均在65~75 Hz、155~170 Hz之間，且各機組基本一致，不在94~115 Hz范圍內(nèi)，滿足不同部門制定的標準。機組投產(chǎn)后的多年運行過程中，定子繞組端部振動特性良好，未出現(xiàn)振動大、端部緊固螺栓松動、磨損等故障，同類機組也未見相關(guān)報道。

圖5 2階橢圓形振型圖

圖6 3階三角形振型圖

圖7 4階四邊形振型圖

表1 660 MW發(fā)電機定子繞組端部模態(tài)參數(shù)

基于上述方法，形成了600 MW、1 000 MW發(fā)電機定子繞組端部模態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)庫。不同型號600 MW機組、1 000 MW發(fā)電機的模態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)見表2，某公司生產(chǎn)的1 000 MW發(fā)電機的模態(tài)參數(shù)已經(jīng)在文獻[10]中進行了列舉。

表2 不同型號發(fā)電機定子繞組端部模態(tài)參數(shù)

某公司生產(chǎn)的1 000 MW發(fā)電機已大量投運，部分定子繞組端部橢圓型模態(tài)頻率為96~121 Hz、141~151 Hz。部分定子繞組端部橢圓型模態(tài)頻率落入95~110 Hz范圍內(nèi)，對應(yīng)的阻尼均大于2%，相應(yīng)的響應(yīng)比小于0.44 (m/s2)/N，滿足標準要求。機組運行10年中，未出現(xiàn)定子線棒磨損等故障；但在檢修中，部分機組緊固螺栓存在不同程度松動。為此，在部分機組定子繞組端部加裝振動探頭，動態(tài)監(jiān)測定制繞組端部振動。結(jié)果顯示，700 MW左右的機組中定子繞組振動較大，雖然調(diào)整發(fā)電機定子冷卻水溫度可以有效抑制其振動，但該型發(fā)電機定子繞組端部在某些條件下振動較大，表明其安全可靠性有待提高。

2.3 橢圓型共振頻率范圍分析

最近6年，在機組基建交接、大修中，對不同型號300～1 000 MW的多臺次發(fā)電機定子繞組端部模態(tài)進行測試、比較、分析，形成了模態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)庫。根據(jù)已建立數(shù)據(jù)庫中的模態(tài)數(shù)據(jù)，繪制直方圖，可知大多數(shù)發(fā)電機定子繞組端部橢圓型模態(tài)頻率在61.5～75.8 Hz或134.2～157.4 Hz范圍內(nèi)，見圖8、圖9。

圖8 55~75 Hz范圍內(nèi)的固有頻率直方圖

圖9 135~165 Hz的固有頻率直方圖

2.4 定子繞組端部振動幅值的監(jiān)測

GB/T 20140-2016《隱極同步發(fā)電機定子繞組端部動態(tài)特性和振動測量方法及評定》規(guī)定：若定子繞組端部橢圓型模態(tài)頻率在95~110 Hz內(nèi)，未采取處理措施的應(yīng)加裝光纖式振動傳感器，監(jiān)視其振動狀態(tài)，并為其狀態(tài)評價提供參考。

不斷探索全科醫(yī)生規(guī)范化培訓教學方法是培養(yǎng)合格全科醫(yī)生，進而提升全民醫(yī)療健康服務(wù)水平的重要途徑。全科醫(yī)生培訓教學應(yīng)當堅持全科醫(yī)學發(fā)展方向、兼顧全科醫(yī)生自身特點、整合新型教學模式，并不斷在實踐中完善。線上“微課”+線下“模擬醫(yī)學教學”的教學方法在全科醫(yī)生規(guī)范化培訓中具有理論和實踐可行性。

浙江省內(nèi)3臺630 MW、2臺330 MW機組、省外多臺600 MW、1000 MW機組的發(fā)電機，定子繞組端部模態(tài)頻率在95～110 Hz內(nèi)，在定子繞組端部加裝了光纖式振動探頭，監(jiān)測定子繞組端部振動。某廠1號630 MW發(fā)電機定子繞組勵端模態(tài)頻率為100 Hz，在發(fā)電機定子繞組、中心點A處加裝振動探頭，監(jiān)測其振動，定子繞組、中心點A處振動值分別為126mm、113mm。頻譜分析顯示，100 Hz分量較大，也存在一定的50 Hz分量，如圖10、圖11所示。某廠4號600 MW發(fā)電機多次出現(xiàn)定子接地報警故障，定子繞組勵端橢圓振型模態(tài)頻率實測值分別為51.1 Hz、55.6 Hz，在定子繞組上加裝振動探頭，監(jiān)測其振動，最大振動幅值為214mm。其頻率以50 Hz分量為主，高達193mm；100 Hz分量為107mm。結(jié)果表明50 Hz的激振力也可誘發(fā)繞組端部較大振動，甚至產(chǎn)生共振。因此，發(fā)電機定子繞組端部振動頻率以50 Hz、100 Hz分量為主，振動監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)加強對這兩頻率分量的監(jiān)測，同時兼顧在10~250 Hz范圍內(nèi)的其它分量。

圖10 定子繞組端部振動頻譜圖

圖11 中心點振動頻譜圖

發(fā)電機定子繞組端部加裝振動監(jiān)測系統(tǒng)后，若發(fā)現(xiàn)發(fā)電機定子繞組端部振動偏大或爬升現(xiàn)象，應(yīng)采取改變氫溫、定子冷卻水溫等措施，在線抑制其振動值。在檢修中，應(yīng)對定子繞組端部進行加固、綁扎等處理措施，調(diào)整其模態(tài)頻率。

3 定子繞組端部機械故障診斷及綜合治理策略

根據(jù)上述分析，發(fā)電機定子繞組端部模態(tài)頻率宜在65～75 Hz、135～165 Hz范圍內(nèi)，發(fā)電機定子繞組端部的可靠性大幅提高。由此，提出發(fā)電機定子繞組端部分級評估準則：當橢圓型共振頻率在65～75 Hz、135～165 Hz范圍內(nèi)，為優(yōu)秀；當橢圓型共振頻率不在65～75 Hz、135～165 Hz范圍，且不在94～115 Hz范圍內(nèi)，為合格；當橢圓型共振頻率在94～115 Hz范圍內(nèi)，為不合格，需進行調(diào)頻處理。另外，若相鄰兩次試驗的模態(tài)頻率變化值大于5 Hz，需檢查定子繞組端部松動、磨損情況，并進行調(diào)頻處理。將上述準則應(yīng)用于定子繞組端部故障診斷及綜合處理中，形成診斷及處理策略流程圖如圖12所示。

圖12 定子繞組端部評估及故障診斷流程圖

發(fā)電機定子繞組模態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)庫是該策略的基礎(chǔ)，應(yīng)根據(jù)不同臺次、不同型號的發(fā)電機定子繞組端部模態(tài)調(diào)試參數(shù)，不斷優(yōu)化其模態(tài)參數(shù)范圍，為其狀態(tài)評估、故障診斷提供參考。并以此為依據(jù)，為定子繞組端部頻率調(diào)整提供依據(jù)，提高其安全可靠性。

4 定子繞組端部模態(tài)頻率調(diào)整

4.1 提高模態(tài)剛度的調(diào)頻方法

模態(tài)剛度和模態(tài)頻率的平方成正比，提高模態(tài)剛度，可提高模態(tài)頻率。通過在線棒之間加裝間隔墊塊、提高線棒的綁扎工藝、上下層線棒通過徑向絕緣螺栓固定等措施，可提高其模態(tài)頻率，有效避免共振現(xiàn)象。這種方法常被應(yīng)用于電廠發(fā)電機定子端部動力學修改中，臺州8號、半山9號、余姚3號、北侖3號等多臺發(fā)電機定子繞組端部進行緊固螺栓、重新綁扎等措施，有效提高了其模態(tài)頻率，其安全可靠性得到提高。

4.1.1 某廠8號發(fā)電機定子繞組端部故障診斷與處理

表3 發(fā)電機定子繞組勵端橢圓型模態(tài)頻率列表

對裂紋部件進行焊接，并對松動螺栓進行緊固。2011年11月27日試驗表明，定子繞組勵端橢圓型模態(tài)頻率為55.6 Hz、120.9 Hz，其2階橢圓型模態(tài)頻率提高至120.9 Hz，提高了11.1 Hz，和數(shù)據(jù)庫中的頻率大致相當。同時其模態(tài)剛度隨著模態(tài)頻率提高而增大，結(jié)構(gòu)特性得到明顯改善。8號發(fā)電機在檢修后3年的運行中，定子繞組端部未發(fā)生磨損、裂紋等故障，安全穩(wěn)定運行。

4.1.2 某廠3號發(fā)電機定子繞組端部故障診斷與處理

某廠#3機組選用日本東芝公司生產(chǎn)的600 MW水氫氫冷卻發(fā)電機，發(fā)電機定子繞組勵端的3次模態(tài)試驗結(jié)果見表4。2015年10月23日對其進行模態(tài)試驗，發(fā)現(xiàn)其勵端橢圓型共振頻率為64.1 Hz和101.4 Hz，101.4 Hz位于95~114 Hz區(qū)間內(nèi)，表明發(fā)電機定子繞組勵端的相關(guān)部件可能存在裂紋或損壞。檢查發(fā)現(xiàn)：發(fā)電機定子繞組勵端存在多處黃粉，1點鐘處磨損，11點鐘處有破裂，然后對其進行加固、綁扎。

表4 發(fā)電機定子繞組勵端各階模態(tài)參數(shù)

2015年11月6日上午處理后的模態(tài)試驗結(jié)果表明：發(fā)電機定子繞組勵端的橢圓型共振頻率為68.5 Hz、104.8 Hz，較處理前橢圓型振動頻率64.1 Hz、101.4 Hz均有所提高，即發(fā)電機定子繞組勵端剛度、強度有所提高，發(fā)電機定子繞組勵端的可靠性得到提高。其共振頻率為101.4 Hz，阻尼為3.2%，即使發(fā)生共振，最大振動幅值較小，誘發(fā)發(fā)電機定子繞組端部故障的可能性較小。

為了徹底消除該隱患，在機組運行2年后的檢修中，對定子繞組勵端進行加裝墊塊并重新綁扎的動力學優(yōu)化改造。技改后，其橢圓形共振頻率為70 Hz，分級評估為優(yōu)秀。機組在2017年至2020年的運行中，定子繞組端部振動小于90mm，分級評估為優(yōu)良，表明其安全可靠性顯著提高。

4.2 增大模態(tài)質(zhì)量的調(diào)頻方法

發(fā)電機定子繞組端部模態(tài)頻率和模態(tài)質(zhì)量成反比，但定子繞組端部質(zhì)量較大，改變質(zhì)量非常困難。當采用綁扎、緊固等措施效果較差時，可以采取在定子繞組端部加裝配重塊，改變其模態(tài)質(zhì)量或質(zhì)量分布，降低其模態(tài)頻率。

文獻[3]中提到，某臺800 MW發(fā)電機定子繞組汽端的模態(tài)頻率為101 Hz，運行一段時間后，容易造成汽端主絕緣磨損、股線疲勞斷裂等嚴重故障。在汽端側(cè)外錐環(huán)外側(cè)施加36塊紫銅配重物，總重1 635 kg，用不銹鋼螺桿緊固。治理后，其模態(tài)頻率下降為94 Hz，運行中，定子繞組汽端振動下降至40mm以下，定子繞組未出現(xiàn)磨損等故障。

5 結(jié)論

在發(fā)電機定子繞組端部結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測中，關(guān)鍵參數(shù)為定子繞組端部橢圓型模態(tài)頻率，通過動力學分析、大量的模態(tài)試驗結(jié)果統(tǒng)計分析，發(fā)電機定子繞組端部橢圓型模態(tài)頻率的適宜范圍分別為65～75 Hz、135～165 Hz，其安全可靠性較高。在此基礎(chǔ)上，本文提出了對發(fā)電機定子繞組端部進行分級評估方法和故障診斷流程，為以發(fā)電機殼體振動突出為特征的故障診斷提供了基礎(chǔ)。通過模態(tài)試驗創(chuàng)建的定子繞組端部模態(tài)數(shù)據(jù)庫、分級評估策略，提出了定子繞組端部調(diào)頻措施。

研究結(jié)果為大型發(fā)電機組繞組端部狀態(tài)評估和綜合治理提供了一種有效的方法，對提高發(fā)電機組可靠性具有較好的工程參考價值。

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Condition Assessment and Comprehensive Treatment Method of Stator End Winding in Large Turbo-generators

LI Weijun1,2, HE Yuling3, YING Guangyao1, CAI Wenfang1, MA Sicong2

(1. State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd., Electric Power Research Institute, Hangzhou 310014, China;2. Hangzhou Yineng Electric Technology Co., Ltd., Hangzhou 310014, China;3. Key Laboratory of Health Maintenance and Failure Prevention of Electrical Machinery and Equipment in Hebei Province, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Modal test analysis is a primary method to evaluate the condition of the stator end winding and has been widely used in large generator maintenance. Based on the dynamic characteristics research and modal parameter statistical analysis of stator end winding, the appropriate range of elliptical natural frequency as well as the detailed frequency scopes respectively for excellent, good, and qualified level, are proposed. And then, the grading evaluation method and scientific fault diagnosis process for the stator end windings are obtained. Finally, the practical modal stiffness and natural frequency adjustment methods are presented, with the case study as the validation. The research results provide a valuable reference for the condition assessment and comprehensive treatment of the stator end winding in large generator, and are beneficial for the reliability of the whole generator set.

turbo-generator; stator end winding; modal frequency; vibration suppression

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2021.02.001

TM311；TH212

A

1672-0792(2021)02-0001-08

2020-10-19

國家自然科學基金（51777074）；河北省自然科學基金（E2020502032）；中央高?；穑?020MS114）；河北省第三批青年拔尖人才支持計劃資助（[2018]-27）

李衛(wèi)軍（1975—），男，高級工程師，研究方向為汽輪發(fā)電機組振動測試、分析及處理工作；

何玉靈（1984—），男，副教授，研究方向為電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，振動信號分析與處理。

何玉靈