大型汽轮发电机定子绕组端部模态试验与分析

唐芳轩，张　剑，陈景荣，李嘉敏，万玉晶

（1. 中核核电运行管理有限公司，浙江　海盐　314300；2. 国核示范电站有限责任公司，山东　荣成　264300）

大型汽轮发电机定子绕组端部模态试验与分析

唐芳轩1，张剑2，陈景荣1，李嘉敏1，万玉晶1

（1. 中核核电运行管理有限公司，浙江海盐314300；2. 国核示范电站有限责任公司，山东荣成264300）

文章介绍了引进美国西屋公司技术制造的650 MW汽轮发电机端部刚-柔绑扎固定结构，论述了发电机定子绕组端部模态试验和端部水电接头鼻端、引出线固有频率测试的原理、方法和评定标准，并对实测数据进行了分析，对运行维护具有一定指导意义。

汽轮发电机；定子端部绕组；模态分析；模态参数

随着发电机容量不断增大，定子端部所受的交变电动力也不断增大。交变电动力的径向分量是引起绕组端部结构振动的主要激励力，其振形类似于椭圆，频率为100 Hz［1］。若定子绕组端部椭圆形振动频率落入100 Hz附近，则可能造成端部与倍频电动力发生共振，严重情况下会导致定子绕组松动、绝缘磨损、引水管破裂、漏氢、漏水，甚至造成机组烧毁等事故［2］。因此，分析研究定子绕组端部绝缘固定结构的振动特性，对保证机组的安全运行具有重要的意义。文章介绍了引进美国西屋公司技术制造的650 MW汽轮发电机端部的结构，论述了端部模态试验、端部水电接头鼻端和引出线固有频率试验的原理、方法和评定标准，并对实测数据进行了分析。

1　定子端部绝缘固定结构

发电机容量为650 MW，型号为QFSN-650-2，端部采用刚-柔绑扎固定结构，如图1所示。定子绕组通过端部内圆上的两道径向可调绑环、绕组鼻端径向撑环、上下层绕组间充胶支撑管等固定在大型支撑环上，绕组鼻端之间用垫块、楔形支撑块、浸胶玻璃布带绑扎成沿圆周呈环状的牢固整体，支撑环前端搭接在铁芯端部的小撑环上，便于滑动，支撑环的外圆与辐向均匀分布的绝缘支架固定在一起，绝缘支架又通过无磁性钢弹簧板与定子铁芯端部的分块压板固定在一起，形成刚-柔联接结构。整个定子绕组端部径向、切向牢固固定，沿轴向可以自由伸缩［3］，且全部采用非金属绝缘材料固定，这种结构可以有效减缓机组运行时，因温度变化引起的绕组轴向胀缩热应力，使机组运行方式灵活，适应功率变化要求。

2　定子绕组端部模态试验

图1　650 MW汽轮发电机定子端部绝缘固定结构Fig.1　Insulated fixing structure of the 650 MW turbo-generator stator end

2.1模态试验理论基础

模态试验就是通过试验方法得到机械结构在冲击h（t）作用下的响应H（ω），构造出机械结构特性的频响函数矩阵，然后对结构的模态参数、模态阻尼及模态振型进行识别。对某机械结构，在k点作用单位力时，在i点所引起的频率响应，用频响函数表示为Hik=Fk/Xi，根据线性叠加原理可得如下形式的多自由度系统频响关系式：

根据振动力学理论推导出：

由以上两式可得到频响函数矩阵表达式：

频响函数矩阵中的任一行为：

频响函数矩阵中的任一列为：

可见，频响函数［H］中的任一行或任一列包含了所有的模态函数。为取得全部模态信息，仅需测量频响函数矩阵中的一行或一列，于是有两种获取模态数的方法：一点拾振、多点激振，即可得到频响函数中的一行；一点激振、多点拾振，即可得到频响函数的一列。现场往往采用多点激振、一点拾振的方法。

2.2模态试验实例

（1）端部模态试验

发电机定子端部是一个结构复杂、质量和刚度都分散的分布参数非线性弹性系统，不同部位有各自不同的多阶固有频率，即相互影响又存在整体的共振效应。定子绕组端部模态试验是通过测定整体的振动形态、振动频率，以判定发电机在运行时是否会发生共振。试验采用宽频带瞬间激振法（锤击法）进行测试，试验采用多点激振，单点响应的方法，在激振的同时测量激振力和响应信号，然后对信号进行频响函数分析，其测试系统主要由测试对象、激励环节、测量环节、分析环节和检测环节组成，试验原理如图2所示。

试验时，视整个定子端部为测试对象，将汽、励两侧绕组沿轴向位置各布置21个测点，固定6点钟接收，即多点激振，测试采用CRAS模态分析仪，汽端频响函数如图3所示，励端频响函数如图4所示。

图2　发电机定子绕组端部模态试验示意图Fig.2　Modal test schematic of the generator stator end winding

（2）水电接头鼻端和引出线自振频率试验

定子端部水电接头鼻端和引出线是事故频发部位，该部位在运行中容易因振动引起绝缘破损、线棒老化，造成漏水、漏氢，从而引发短路或接地事故。实践证明，定子端部鼻端激振力为径向，径向振动对于定子端部水电接头和引出线的危害较大，因此应重点关注径向自振频率。

该发电机定子共42槽，双Y接线，试验时励磁机侧和汽轮机侧水电接头鼻端均以3点钟位置对应的线棒为1号，顺时针方向编号；引出线从时钟1点钟开始，顺时针方向编号，共测6点，试验采用CF-250频谱分析仪。水电接头鼻端径向频率、引出线自振频率测试结果见表1、表2。

图3　发电机定子汽端频响函数Fig.3　Frequency response function of the turbine side of the generator stator generator stator

图4　发电机励端频响函数Fig.4　Frequency response function of the exciter side of the generator stator

表1　定子绕组线棒径向静频率（Hz）Table 1　Radial static frequency of the generator stator winding （Hz）

表2　定子绕组端部引线径向静频率（Hz）Table 2　Radial static frequency of the generator stator end leader winding

3　分析评价

发电机运行时，定子绕组端部要受到随转子旋转的椭圆形的激振电磁力的作用，其频率为100 Hz，因此要求发电机定子端部线棒、引线、端部整体的固有频率应避开激振电磁力的频率，以减少共振的发生。发电机定子绕组端部局部及整体椭圆固有频率避开范围见表3［4］。由试验结果可知，该发电机定子绕组端部避开了整体椭圆固有频率的范围95～110 Hz，定子绕组水电接头鼻端径向频率避开了95～106 Hz的范围，引出线径向频率避开了95～108 Hz的范围，均合格。

定子绕组端部模态试验是静态情况下进行的，为正确评价试验结果，应综合考虑试验时定子绕组的温度和是否通水的影响。发电机运行时热态绕组温度约在60～70 ℃，试验通常在常温下冷态进行，一般认为热态固有频率比冷态固有频率下降大约2～10 Hz［5］；通水与不通水相比，因通水时增加了端部结构的等效重量，会造成模态下降3～5 Hz［6］。同时，还需要将试验结果与历年的试验结果进行比对，掌握其变化情况。

表3　发电机定子绕组端部局部及整体椭圆固有频率避开范围（Hz）Table 3　The local and global ellipse natural frequency to avoid the range of generator stator end winding

对于定子绕组端部线棒静频率，若其峰值较陡，即幅值较大，同时落入100 Hz附近，必须对该线棒频率进行调频。反之，定子绕组端部线棒频率较平坦（约为频响图上基幅至全幅的三分之一），即使落入100 Hz附近，也是不危险的，无需对该线棒进行调频［7］。

4　结束语

大型汽轮发电机定子绕组往往采用水冷方式，端部结构的特殊性决定了该处是薄弱环节，事故多发之地，应引起重视。定子绕组端部模态试验是较为方便的无损检测手段，对发现事故隐患、指导检修具有重要的意义，因此发电机在出厂前、新机交接、大修时需要进行该试验；运行中的发电机若经历了突发短路故障的冲击，检修时发现线棒磨损、松动或更换了端部绝缘紧固件后，也应该进行端部模态试验和自振频率试验，以掌握端部模态变化情况，若发现定子绕组端部存在不合格的椭圆振型的模态时，应进行处理，防止事故的发生。为了能连续监测发电机端部振动情况，可考虑安装振动在线监测装置。

［1］ 白亚民. 发电机定子绕组端部机械振动模态的测量［J］.华北电力技术，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，黄立民，李晓霞. 大型汽轮发电机定子端部绕组固有频率测试与分析［J］.大电机技术，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］ 哈尔滨电机厂有限责任公司. QFSN-650-2型发电机机说明［Z］，1999.（Harbin Electric Machinery Co.， Ltd. Instruction of the QFSN-650-2 power generator ［Z］， 1999.）

［4］ GB/T 20140-2006 透平型发电机定子绕组端部动态特性和振动试验方法及评定［S］.（GB/T 20140-2006 Dynamic characteristics and the vibration test method and evaluation of the turbo-generator stator winding end ［S］.）

［5］ 白亚民. 发电机定子绕组端部动态特性试验的实践意义和标准掌握［J］. 电力设备，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］ 陈恒. 基于CRAS系统的发电机定子绕组端部模态试验研究［J］. 广西电力，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. 发电机定子绕组端部振动静态特性的试验研究［J］. 电力设备，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

唐芳轩（1966—），男，四川人，研究员级高级工程师，从事高电压技术及高压电气设备的维修、试验和故障诊断的研究。