引言 大型汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，定子繞組端部的振動(dòng)主要由兩個(gè)因素引起：繞組電流與端部漏磁場(chǎng)的相互作用所產(chǎn)生的二倍頻振動(dòng)力；定子鐵芯的橢圓振動(dòng)。定子端部固定元件在電磁力作用下的振幅與電流的平方成正比，故在大容量汽輪發(fā)電機(jī)中，端部繞組將承受相當(dāng)大的激振力。發(fā)電機(jī)定子端部繞組漸開線部分的不規(guī)則形狀決定它不可能象槽中線棒那樣牢靠固定，由于制造工藝等問題，許多墊塊與線棒間只是點(diǎn)接觸，不能形成剛體結(jié)構(gòu)。如果繞組端部在兩倍工頻電磁力激勵(lì)下形成共振，端部綁扎結(jié)構(gòu)和線棒絕緣很容易遭到破壞。實(shí)踐表明，由于定子繞組端部振動(dòng)，引起相間短路、漏水、股線斷裂等事故發(fā)生頻繁，該類事故具有突發(fā)性和難于簡(jiǎn)單修復(fù)的特點(diǎn)，損失往往極為嚴(yán)重。因此準(zhǔn)確測(cè)量定子繞組端部的振動(dòng)特性，預(yù)測(cè)發(fā)電機(jī)在實(shí)際工作狀態(tài)下的振動(dòng)特性，及早采取防范措施尤為重要。 　　應(yīng)用模態(tài)分析手段，對(duì)發(fā)電機(jī)繞組端部整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)特性分析是近年來發(fā)展起來的一種行之有效的方法。對(duì)于模態(tài)振型為橢圓、振動(dòng)頻率在94～115 Hz范圍內(nèi)的端部結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要處理，可以有效防止共振，避免定子繞組絕緣磨損和端部綁扎結(jié)構(gòu)松垮。JB/T 89901999《大型汽輪發(fā)電機(jī)定子端部繞組模態(tài)試驗(yàn)分析和固有頻率測(cè)量方法及評(píng)定》、DL/T 7352000《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》、國(guó)家電力公司《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》都對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組端部的振動(dòng)特性分析做出了具體要求。模態(tài)分析原理簡(jiǎn)述模態(tài)分析是機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性分析的有效手段，它通過分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)特性建立結(jié)構(gòu)在已知激勵(lì)條件下的響應(yīng)預(yù)測(cè)模型，進(jìn)而預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)特性。通常的做法就是通過試驗(yàn)方法得到機(jī)械結(jié)構(gòu)在沖擊h（t）下的響應(yīng)H（ω），構(gòu)造出機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)特性的頻響函數(shù)矩陣，然后通過曲線擬合手段識(shí)別結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)：模態(tài)頻率、模態(tài)阻尼及模態(tài)振型。 　　根據(jù)頻響函數(shù)的定義有Hik=Fk/Xi，其物理意義為在k點(diǎn)作用單位力時(shí)，在i點(diǎn)所引起的頻率響應(yīng)。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：式中｛X｝——頻率響應(yīng)；［H］——頻率響應(yīng)矩陣；｛F｝——激振力。 　　 [b]根據(jù)振動(dòng)力學(xué)理論推導(dǎo)出： [/b]　　式中｛φr｝——第r階模態(tài)的固有振型；mr——第r階模態(tài)的質(zhì)量；kr——第r階模態(tài)剛度；cr——第r階模態(tài)阻尼。 　　由以上兩式可得頻響函數(shù)矩陣表達(dá)式： 　　頻響函數(shù)矩陣中的任一列為： 　　由以上簡(jiǎn)要分析可以看出，［H］中的任一行或任一列包含了所有的模態(tài)參數(shù)，而該行或該列的第r階模態(tài)的頻響函數(shù)值的比值即為第r階模態(tài)振型。因此，如果在結(jié)構(gòu)上的某一固定點(diǎn)i拾振，輪流激勵(lì)所有測(cè)試點(diǎn)，即可求得［H］中的一行，這一行頻響函數(shù)即可包含進(jìn)行模態(tài)分析所需要的全部信息。同樣，如果在結(jié)構(gòu)上的某一固定點(diǎn)k激振，在其他各點(diǎn)拾振，可求得［H］中的一列，這一列頻響函數(shù)也包含進(jìn)行模態(tài)分析所需要的全部信息?？梢姙榱巳〉萌磕B(tài)信息，僅需測(cè)量頻響函數(shù)矩陣中的一行或一列就夠了，這就得到了獲取模態(tài)數(shù)據(jù)的2種方法：?jiǎn)吸c(diǎn)固定激振，在所有測(cè)量點(diǎn)（含激振點(diǎn)）依次測(cè)量響應(yīng)；固定一點(diǎn)測(cè)量響應(yīng)，而輪流對(duì)所有測(cè)點(diǎn)激振。模態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求測(cè)量系統(tǒng)一般包括激勵(lì)設(shè)備、傳感系統(tǒng)、采集設(shè)備和模態(tài)分析軟件。傳感器采用加速度傳感器，要求有一定的頻響范圍（1～2 000 Hz）和靈敏度（100 mV/g左右）；激勵(lì)設(shè)備一般采用力錘，錘擊力相當(dāng)于一個(gè)半正弦形的力脈沖，該脈沖的頻帶寬度與脈沖持續(xù)時(shí)間有關(guān)，對(duì)0～200 Hz的頻率范圍，通常采用軟質(zhì)橡膠頂帽力錘，使沖擊持續(xù)時(shí)間約1.5 ms；采集設(shè)備要求至少有2個(gè)同步采集通道，采樣頻率在10 kHz以上，具有頻譜分析和相關(guān)計(jì)算等功能；模態(tài)分析軟件的功能是進(jìn)行模態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)的組合、頻響矩陣的構(gòu)造、曲線擬合和模態(tài)參數(shù)的識(shí)別。模態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)的要求在選定測(cè)點(diǎn)位置、數(shù)量及測(cè)量方向時(shí)應(yīng)考慮： 　　a. 能夠在機(jī)械結(jié)構(gòu)變形后明確顯示試驗(yàn)頻段內(nèi)所有模態(tài)的變形特征和模態(tài)間的變形區(qū)別。 　　b. 保證所關(guān)心的結(jié)構(gòu)點(diǎn)包含在所選測(cè)量點(diǎn)之中，測(cè)點(diǎn)數(shù)量不應(yīng)少于定子槽數(shù)的一半。通常做法是，根據(jù)實(shí)際情況在汽勵(lì)兩側(cè)定子繞組端部錐體內(nèi)截面上取3個(gè)圓周，見圖1，在圓周上均勻選取發(fā)電機(jī)端部上層線棒做為測(cè)試點(diǎn)。根據(jù)測(cè)試實(shí)現(xiàn)的難易程度選擇單點(diǎn)激振法還是多點(diǎn)激振法。 　　模態(tài)分析結(jié)果的判定通過定子繞組端部模態(tài)分析可以得到端部的固有振動(dòng)特性（固有頻率、阻尼、振型），要正確評(píng)判發(fā)電機(jī)的端部振動(dòng)特性還必須考慮繞組是否通水，通水溫度、絕緣老化及端部引線結(jié)構(gòu)等因素對(duì)模態(tài)參數(shù)的影響。 　　a. 線棒溫度對(duì)端部模態(tài)的影響發(fā)電機(jī)運(yùn)行中鐵芯、線棒的溫度高于環(huán)境溫度，并隨負(fù)荷的變化改變。線棒的絕緣、綁繩以及各種適型材料受熱后導(dǎo)致端部整體剛度降低，模態(tài)頻率呈下降趨勢(shì)，阻尼會(huì)有所上升。阻尼的上升會(huì)減小實(shí)際振動(dòng)的振幅，模態(tài)頻率下降一般在5～10 Hz左右。 　　b. 內(nèi)冷水對(duì)端部模態(tài)的影響繞組通入內(nèi)冷水，增加了端部結(jié)構(gòu)的等效質(zhì)量，也會(huì)造成模態(tài)頻率的下降，影響在1～3 Hz左右。 　　c. 絕緣老化對(duì)端部模態(tài)的影響 運(yùn)行多年的發(fā)電機(jī)線棒絕緣、綁繩、槽內(nèi)緊固件因振動(dòng)磨損、老化等原因，各部件之間的連接緊度會(huì)有所降低，機(jī)械強(qiáng)度、彈性也逐年下降，模態(tài)剛度和阻尼下降，因而端部模態(tài)頻率隨發(fā)電機(jī)的運(yùn)行年限呈下降趨勢(shì)，但振動(dòng)振幅有增大趨勢(shì)，在大修中檢查這些變化是很必要的。 　　d. 引線對(duì)端部模態(tài)的影響發(fā)電機(jī)定子繞組的6根引出線在勵(lì)側(cè)，汽側(cè)繞組在結(jié)構(gòu)上是軸對(duì)稱的。勵(lì)側(cè)由于引線的存在，固定結(jié)構(gòu)比汽側(cè)復(fù)雜，過渡引線一般呈半圓形固定在絕緣支架的背部，它無形中起到加強(qiáng)整個(gè)端部固定支撐的作用。定子繞組端部振動(dòng)磨損嚴(yán)重或因磨損發(fā)生事故的多在汽側(cè)，這是由兩側(cè)的固有振動(dòng)特性決定的。 　　評(píng)估發(fā)電機(jī)定子繞組端部的振動(dòng)特性，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)得到的模態(tài)頻率、振型以及阻尼，并綜合考慮以上各因素，預(yù)測(cè)發(fā)電機(jī)端部在實(shí)際運(yùn)行中的振動(dòng)響應(yīng)。模態(tài)分析應(yīng)用實(shí)例某300 MW汽輪發(fā)電機(jī)汽側(cè)端部的3個(gè)模態(tài)振型，振型選在振幅值最大和最小處。圖2為93.2 Hz的橢圓振型，圖3為105 Hz的不規(guī)則多瓣振型，圖4為116 Hz的三瓣振型。由振型圖可知，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程要求的94～115 Hz范圍內(nèi)不存在橢圓形振動(dòng)，只有不規(guī)則多瓣振型在其范圍之內(nèi)。因此在橢圓形倍頻激振力的作用下，3 種振型的模態(tài)都不會(huì)在發(fā)電機(jī)端部形成大強(qiáng)度共振，對(duì)發(fā)電機(jī)端部不會(huì)造成嚴(yán)重破壞，發(fā)電機(jī)定子端部檢查也證明了這一結(jié)論，沒有發(fā)現(xiàn)絕緣磨損和綁繩松動(dòng)現(xiàn)象。 　　發(fā)電機(jī)端部振動(dòng)的預(yù)防措施通過模態(tài)分析等手段獲得發(fā)電機(jī)定子繞組端部的振動(dòng)特性后，必須根據(jù)測(cè)試結(jié)果采取相應(yīng)的措施。由于發(fā)電機(jī)定型后，其端部結(jié)構(gòu)基本固 定，現(xiàn)場(chǎng)無法輕易改變，并且內(nèi)部電氣和機(jī)械特性比較復(fù)雜，所以難以像簡(jiǎn)單機(jī)械結(jié)構(gòu)那樣采取改變模態(tài)頻率的方法進(jìn)行處理。通常對(duì)端部存在明顯絕緣磨損、綁繩或壓板松動(dòng)等情況的發(fā)電機(jī)應(yīng)引起高度重視，大修中必須對(duì)綁扎固定結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新綁扎加固處理，以提高振動(dòng)阻尼，降低振動(dòng)的振幅，減小振動(dòng)強(qiáng)度。 　　對(duì)于端部結(jié)構(gòu)確實(shí)存在100 Hz左右橢圓振型，雖進(jìn)行處理，但模態(tài)參數(shù)仍不見較大改變的情況，除在運(yùn)行中加強(qiáng)監(jiān)視外，建議安裝發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)裝置，以便實(shí)現(xiàn)早期故障報(bào)警。目前在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置在國(guó)外大容量機(jī)組上應(yīng)用較多，例如GE、西屋、ABB、西門子等公司生產(chǎn)的600 MW及以上發(fā)電機(jī)，在國(guó)內(nèi)大容量水輪發(fā)電機(jī)上也有應(yīng)用，但在國(guó)產(chǎn)大容量汽輪發(fā)電機(jī)上鮮有應(yīng)用。建議各發(fā)電機(jī)制造和運(yùn)行單位對(duì)發(fā)電機(jī)端部振動(dòng)引起足夠重視，采取措施避免嚴(yán)重相間和相對(duì)地短路事故的發(fā)生。