大型汽轮发电机定子绕组端部状态评估及综合治理方法

李卫军，何玉灵，应光耀，蔡文方，马思聪

大型汽轮发电机定子绕组端部状态评估及综合治理方法

李卫军1,2，何玉灵3，应光耀1，蔡文方1，马思聪2

（1. 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，浙江 杭州 310014；2. 杭州意能电力技术有限公司，浙江 杭州 310014；3. 河北省电力机械装备健康维护与失效预防重点实验室（华北电力大学），河北 保定 071003）

模态试验分析是发电机定子绕组端部结构状态评估的主要方法，已广泛应用于大型发电机检修中。基于发电机定子端部绕组动特性解析与模态参数统计分析，提出了定子绕组端部椭圆型固有频率的适宜范围，确定了优秀、良好、合格对应具体频率区间，形成了定子端部绕组分级评价方法及故障诊断流程，在此基础上给出了现场定子绕组刚度和质量的模态频率调整方法并进行了案例检验。研究结果为大型发电机组绕组端部状态评估和综合治理提供了借鉴，对提高发电机组工作可靠性具有参考价值。

汽轮发电机；定子端部绕组；模态频率；振动抑制

0 引言

大型发电机是进行电力能量转换的核心设备，具有容量大、效率高、安全稳定等特点，广泛应用于各发电企业。大型发电机在运转过程中，端部绕组承受着较大的倍频电磁力（100 Hz）和工频机械冲击力（50 Hz），若其某阶固有频率接近50 Hz或100 Hz[1-3]，则会诱发较大振动，甚至产生结构共振，导致定子绕组裂纹或断裂，严重威胁机组的安全运行。发电机定子绕组端部的检修，需在抽出发电机转子的情况下进行，其检修工期通常达20余天，给发电企业造成巨大的经济损失。

模态测试分析是获取定子绕组端部振动特性的主要方法，可分析、评估其状态，已成为检修的决策依据[4-8]。部分大型发电机定子绕组端部模态频率未达到标准规定值[9-10]，在未处理的情况下，仅通过加装振动探头监测其振动[11-13]，存在一定的风险。另外，随着太阳能、风能等清洁新能源的大量接入，深度调峰、频繁启停等将成为大型燃煤机组运行的常规模式，应高度重视发电机定子绕组端部的结构故障的预防与治理，提高大型发电机组安全可靠性。

本文对发电机定子绕组端部振动特性进行理论分析和模态参数统计分析，对其模态频率的范围进行讨论，形成了定子绕组状态分级评估和定子绕组模态参数数据库的建立方法，列举了其状态监测的方法与模态频率调整措施，为提高发电机定子绕组端部可靠性提供参考。

1 定子绕组端部固有频率范围分析

大型汽轮发电机大多采用水氢氢冷却发电机，其轴瓦安装在发电机端盖上，定子绕组用绝缘件固定在定子铁心上，而定子铁心通过隔振弹簧板固定在机壳上。发电机定子绕组端部在不同频率激振力作用下，振幅与结构参数的关系为[13-15]：

机组运行中，发电机转子会产生工频离心力，即50 Hz的激振力，经轴承座传递至定子铁心及绕组。另外，发电机在运行中，定子铁心会受到100 Hz的磁拉力作用而产生振动，并将振动传递到定子绕组[16]，定子绕组本身也会受到100 Hz的电磁力作用[17]，且这一电磁力会随着电流的增大而增大，并使绕组端部产生同频的振动。因而，发电机在运行中定子端部绕组的受迫振动以50 Hz和100 Hz分量为主。

为了避免发电机定子绕组端部出现较大振动，其固有频率应避开一定的范围。当定子绕组端部模态频率，尤其是椭圆型模态频率接近50 Hz或100 Hz时，定子绕组端部振动较大，甚至会诱发结构共振，故定子绕组端部的模态频率应避开激振力频率的10%，即不在45~55 Hz、90~110 Hz范围之内，甚至避开更宽的频率范围，使定子绕组端部振幅较小。

从隔振的角度来看，结构件的模态频率应小于激振力的1.4倍[15]，或大于激振力的1.4倍；对于50 Hz、100 Hz的激振力，即定子绕组端部冷态的椭圆型模态频率临界值分别为35.4 Hz、70.7 Hz、140 Hz。

因此，发电机定子绕组端部的模态频率应不在47~58 Hz、94~115 Hz范围内，1阶、2阶椭圆型模态频率在70 Hz左右、140 Hz左右为佳。

2 定子绕组端部试验模态参数分析

2.1 定子绕组端部模态参数测试

在发电机交接、检修中、定子端部出现磨损等故障时，应对发电机定子绕组端部进行模态试验。一般采用多点激励单点响应的方法，通过模态测试分析软件激励与响应的转化得到单点激励多点响应数据，进而获取频响函数曲线并计算模态参数，这是一种无损监测方法。电力部DL/T 735-2000《大型汽轮发电机定子绕组端部动态特性的测量及评定》规定：定子绕组端部模态频率不得在94~115 Hz范围内；GB/T 20140-2016《隐极同步发电机定子绕组端部动态特性和振动测量方法及评定》规定：定子绕组端部椭圆型模态频率不得在95~110 Hz范围内。制造厂提供的质保说明书中，均注明定子绕组端部模态频率不得在94~115 Hz范围内，且运行时的振幅小于50mm。因此，目前对100 Hz工作频率的±10%范围进行规避已得到重视，但对50 Hz工作频率的规避却尚未受到关注。

2.2 模态参数数据库的建立

近10年对某公司新生产的5台660 MW机组发电机定子绕组端部进行了模态试验，其定子绕组端部实体图见图1，将发电机定子绕组端部沿轴向2等分，径向21等分，见图2。试验采用多点激励单点响应的测试方法，即在发电机定子绕组锥形喇叭口某处安装加速度探头，在其半径最小处为第一圈、半径最大处为第三圈、两者的中间部位为第二圈，每圈至少均布21个敲击点。采用南京安正公司生产CRAS采集仪采集信号，采集力锤和振动响应信号进行分析。某台发电机定子绕组汽端的频响函数见图3，前3阶振型见图4~图7，发电机定子绕组汽端的频响函数和振型图一致，不再列举。

图1 发电机定子绕组端部实体图

图2 汽端频响函数图

图3 汽端频响函数图

图4 1阶椭圆形振型图

对5台机组试验结果进行统计，形成了660 MW发电机定子绕组端部模态参数数据库，详见表1。结果表明：定子绕组端部汽端、励端的椭圆型模态频率均在65~75 Hz、155~170 Hz之间，且各机组基本一致，不在94~115 Hz范围内，满足不同部门制定的标准。机组投产后的多年运行过程中，定子绕组端部振动特性良好，未出现振动大、端部紧固螺栓松动、磨损等故障，同类机组也未见相关报道。

图5 2阶椭圆形振型图

图6 3阶三角形振型图

图7 4阶四边形振型图

表1 660 MW发电机定子绕组端部模态参数

基于上述方法，形成了600 MW、1 000 MW发电机定子绕组端部模态参数数据库。不同型号600 MW机组、1 000 MW发电机的模态参数数据见表2，某公司生产的1 000 MW发电机的模态参数已经在文献[10]中进行了列举。

表2 不同型号发电机定子绕组端部模态参数

某公司生产的1 000 MW发电机已大量投运，部分定子绕组端部椭圆型模态频率为96~121 Hz、141~151 Hz。部分定子绕组端部椭圆型模态频率落入95~110 Hz范围内，对应的阻尼均大于2%，相应的响应比小于0.44 (m/s2)/N，满足标准要求。机组运行10年中，未出现定子线棒磨损等故障；但在检修中，部分机组紧固螺栓存在不同程度松动。为此，在部分机组定子绕组端部加装振动探头，动态监测定制绕组端部振动。结果显示，700 MW左右的机组中定子绕组振动较大，虽然调整发电机定子冷却水温度可以有效抑制其振动，但该型发电机定子绕组端部在某些条件下振动较大，表明其安全可靠性有待提高。

2.3 椭圆型共振频率范围分析

最近6年，在机组基建交接、大修中，对不同型号300～1 000 MW的多台次发电机定子绕组端部模态进行测试、比较、分析，形成了模态参数数据库。根据已建立数据库中的模态数据，绘制直方图，可知大多数发电机定子绕组端部椭圆型模态频率在61.5～75.8 Hz或134.2～157.4 Hz范围内，见图8、图9。

图8 55~75 Hz范围内的固有频率直方图

图9 135~165 Hz的固有频率直方图

2.4 定子绕组端部振动幅值的监测

GB/T 20140-2016《隐极同步发电机定子绕组端部动态特性和振动测量方法及评定》规定：若定子绕组端部椭圆型模态频率在95~110 Hz内，未采取处理措施的应加装光纤式振动传感器，监视其振动状态，并为其状态评价提供参考。

不断探索全科医生规范化培训教学方法是培养合格全科医生，进而提升全民医疗健康服务水平的重要途径。全科医生培训教学应当坚持全科医学发展方向、兼顾全科医生自身特点、整合新型教学模式，并不断在实践中完善。线上“微课”+线下“模拟医学教学”的教学方法在全科医生规范化培训中具有理论和实践可行性。

浙江省内3台630 MW、2台330 MW机组、省外多台600 MW、1000 MW机组的发电机，定子绕组端部模态频率在95～110 Hz内，在定子绕组端部加装了光纤式振动探头，监测定子绕组端部振动。某厂1号630 MW发电机定子绕组励端模态频率为100 Hz，在发电机定子绕组、中心点A处加装振动探头，监测其振动，定子绕组、中心点A处振动值分别为126mm、113mm。频谱分析显示，100 Hz分量较大，也存在一定的50 Hz分量，如图10、图11所示。某厂4号600 MW发电机多次出现定子接地报警故障，定子绕组励端椭圆振型模态频率实测值分别为51.1 Hz、55.6 Hz，在定子绕组上加装振动探头，监测其振动，最大振动幅值为214mm。其频率以50 Hz分量为主，高达193mm；100 Hz分量为107mm。结果表明50 Hz的激振力也可诱发绕组端部较大振动，甚至产生共振。因此，发电机定子绕组端部振动频率以50 Hz、100 Hz分量为主，振动监测系统应加强对这两频率分量的监测，同时兼顾在10~250 Hz范围内的其它分量。

图10 定子绕组端部振动频谱图

图11 中心点振动频谱图

发电机定子绕组端部加装振动监测系统后，若发现发电机定子绕组端部振动偏大或爬升现象，应采取改变氢温、定子冷却水温等措施，在线抑制其振动值。在检修中，应对定子绕组端部进行加固、绑扎等处理措施，调整其模态频率。

3 定子绕组端部机械故障诊断及综合治理策略

根据上述分析，发电机定子绕组端部模态频率宜在65～75 Hz、135～165 Hz范围内，发电机定子绕组端部的可靠性大幅提高。由此，提出发电机定子绕组端部分级评估准则：当椭圆型共振频率在65～75 Hz、135～165 Hz范围内，为优秀；当椭圆型共振频率不在65～75 Hz、135～165 Hz范围，且不在94～115 Hz范围内，为合格；当椭圆型共振频率在94～115 Hz范围内，为不合格，需进行调频处理。另外，若相邻两次试验的模态频率变化值大于5 Hz，需检查定子绕组端部松动、磨损情况，并进行调频处理。将上述准则应用于定子绕组端部故障诊断及综合处理中，形成诊断及处理策略流程图如图12所示。

图12 定子绕组端部评估及故障诊断流程图

发电机定子绕组模态参数数据库是该策略的基础，应根据不同台次、不同型号的发电机定子绕组端部模态调试参数，不断优化其模态参数范围，为其状态评估、故障诊断提供参考。并以此为依据，为定子绕组端部频率调整提供依据，提高其安全可靠性。

4 定子绕组端部模态频率调整

4.1 提高模态刚度的调频方法

模态刚度和模态频率的平方成正比，提高模态刚度，可提高模态频率。通过在线棒之间加装间隔垫块、提高线棒的绑扎工艺、上下层线棒通过径向绝缘螺栓固定等措施，可提高其模态频率，有效避免共振现象。这种方法常被应用于电厂发电机定子端部动力学修改中，台州8号、半山9号、余姚3号、北仑3号等多台发电机定子绕组端部进行紧固螺栓、重新绑扎等措施，有效提高了其模态频率，其安全可靠性得到提高。

4.1.1 某厂8号发电机定子绕组端部故障诊断与处理

表3 发电机定子绕组励端椭圆型模态频率列表

对裂纹部件进行焊接，并对松动螺栓进行紧固。2011年11月27日试验表明，定子绕组励端椭圆型模态频率为55.6 Hz、120.9 Hz，其2阶椭圆型模态频率提高至120.9 Hz，提高了11.1 Hz，和数据库中的频率大致相当。同时其模态刚度随着模态频率提高而增大，结构特性得到明显改善。8号发电机在检修后3年的运行中，定子绕组端部未发生磨损、裂纹等故障，安全稳定运行。

4.1.2 某厂3号发电机定子绕组端部故障诊断与处理

某厂#3机组选用日本东芝公司生产的600 MW水氢氢冷却发电机，发电机定子绕组励端的3次模态试验结果见表4。2015年10月23日对其进行模态试验，发现其励端椭圆型共振频率为64.1 Hz和101.4 Hz，101.4 Hz位于95~114 Hz区间内，表明发电机定子绕组励端的相关部件可能存在裂纹或损坏。检查发现：发电机定子绕组励端存在多处黄粉，1点钟处磨损，11点钟处有破裂，然后对其进行加固、绑扎。

表4 发电机定子绕组励端各阶模态参数

2015年11月6日上午处理后的模态试验结果表明：发电机定子绕组励端的椭圆型共振频率为68.5 Hz、104.8 Hz，较处理前椭圆型振动频率64.1 Hz、101.4 Hz均有所提高，即发电机定子绕组励端刚度、强度有所提高，发电机定子绕组励端的可靠性得到提高。其共振频率为101.4 Hz，阻尼为3.2%，即使发生共振，最大振动幅值较小，诱发发电机定子绕组端部故障的可能性较小。

为了彻底消除该隐患，在机组运行2年后的检修中，对定子绕组励端进行加装垫块并重新绑扎的动力学优化改造。技改后，其椭圆形共振频率为70 Hz，分级评估为优秀。机组在2017年至2020年的运行中，定子绕组端部振动小于90mm，分级评估为优良，表明其安全可靠性显著提高。

4.2 增大模态质量的调频方法

发电机定子绕组端部模态频率和模态质量成反比，但定子绕组端部质量较大，改变质量非常困难。当采用绑扎、紧固等措施效果较差时，可以采取在定子绕组端部加装配重块，改变其模态质量或质量分布，降低其模态频率。

文献[3]中提到，某台800 MW发电机定子绕组汽端的模态频率为101 Hz，运行一段时间后，容易造成汽端主绝缘磨损、股线疲劳断裂等严重故障。在汽端侧外锥环外侧施加36块紫铜配重物，总重1 635 kg，用不锈钢螺杆紧固。治理后，其模态频率下降为94 Hz，运行中，定子绕组汽端振动下降至40mm以下，定子绕组未出现磨损等故障。

5 结论

在发电机定子绕组端部结构状态监测中，关键参数为定子绕组端部椭圆型模态频率，通过动力学分析、大量的模态试验结果统计分析，发电机定子绕组端部椭圆型模态频率的适宜范围分别为65～75 Hz、135～165 Hz，其安全可靠性较高。在此基础上，本文提出了对发电机定子绕组端部进行分级评估方法和故障诊断流程，为以发电机壳体振动突出为特征的故障诊断提供了基础。通过模态试验创建的定子绕组端部模态数据库、分级评估策略，提出了定子绕组端部调频措施。

研究结果为大型发电机组绕组端部状态评估和综合治理提供了一种有效的方法，对提高发电机组可靠性具有较好的工程参考价值。

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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

国家自然科学基金（51777074）；河北省自然科学基金（E2020502032）；中央高校基金（2020MS114）；河北省第三批青年拔尖人才支持计划资助（[2018]-27）

李卫军（1975—），男，高级工程师，研究方向为汽轮发电机组振动测试、分析及处理工作；

何玉灵（1984—），男，副教授，研究方向为电站设备状态监测与故障诊断，振动信号分析与处理。

何玉灵