引言 大型汽輪發電機運行時，定子繞組端部的振動主要由兩個因素引起：繞組電流與端部漏磁場的相互作用所產生的二倍頻振動力；定子鐵芯的橢圓振動。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，故在大容量汽輪發電機中，端部繞組將承受相當大的激振力。發電機定子端部繞組漸開線部分的不規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接觸，不能形成剛體結構。如果繞組端部在兩倍工頻電磁力激勵下形成共振，端部綁扎結構和線棒絕緣很容易遭到破壞。實踐表明，由于定子繞組端部振動，引起相間短路、漏水、股線斷裂等事故發生頻繁，該類事故具有突發性和難于簡單修復的特點，損失往往極為嚴重。因此準確測量定子繞組端部的振動特性，預測發電機在實際工作狀態下的振動特性，及早采取防范措施尤為重要。 　　應用模態分析手段，對發電機繞組端部整體結構進行振動特性分析是近年來發展起來的一種行之有效的方法。對于模態振型為橢圓、振動頻率在94～115 Hz范圍內的端部結構進行必要處理，可以有效防止共振，避免定子繞組絕緣磨損和端部綁扎結構松垮。JB/T 89901999《大型汽輪發電機定子端部繞組模態試驗分析和固有頻率測量方法及評定》、DL/T 7352000《大型汽輪發電機定子繞組端部動態特性的測量及評定》、國家電力公司《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求》都對發電機定子繞組端部的振動特性分析做出了具體要求。模態分析原理簡述模態分析是機械結構振動特性分析的有效手段，它通過分析結構的動特性建立結構在已知激勵條件下的響應預測模型，進而預測結構在實際工作狀態下的動力學特性。通常的做法就是通過試驗方法得到機械結構在沖擊h（t）下的響應H（ω），構造出機械結構動特性的頻響函數矩陣，然后通過曲線擬合手段識別結構的模態參數：模態頻率、模態阻尼及模態振型。 　　根據頻響函數的定義有Hik=Fk/Xi，其物理意義為在k點作用單位力時，在i點所引起的頻率響應。根據線性疊加原理可得如下形式的多自由度系統頻響關系式：式中｛X｝——頻率響應；［H］——頻率響應矩陣；｛F｝——激振力。 　　 [b]根據振動力學理論推導出： [/b]　　式中｛φr｝——第r階模態的固有振型；mr——第r階模態的質量；kr——第r階模態剛度；cr——第r階模態阻尼。 　　由以上兩式可得頻響函數矩陣表達式： 　　頻響函數矩陣中的任一列為： 　　由以上簡要分析可以看出，［H］中的任一行或任一列包含了所有的模態參數，而該行或該列的第r階模態的頻響函數值的比值即為第r階模態振型。因此，如果在結構上的某一固定點i拾振，輪流激勵所有測試點，即可求得［H］中的一行，這一行頻響函數即可包含進行模態分析所需要的全部信息。同樣，如果在結構上的某一固定點k激振，在其他各點拾振，可求得［H］中的一列，這一列頻響函數也包含進行模態分析所需要的全部信息。可見為了取得全部模態信息，僅需測量頻響函數矩陣中的一行或一列就夠了，這就得到了獲取模態數據的2種方法：單點固定激振，在所有測量點（含激振點）依次測量響應；固定一點測量響應，而輪流對所有測點激振。模態數據采集系統的要求測量系統一般包括激勵設備、傳感系統、采集設備和模態分析軟件。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）；激勵設備一般采用力錘，錘擊力相當于一個半正弦形的力脈沖，該脈沖的頻帶寬度與脈沖持續時間有關，對0～200 Hz的頻率范圍，通常采用軟質橡膠頂帽力錘，使沖擊持續時間約1.5 ms；采集設備要求至少有2個同步采集通道，采樣頻率在10 kHz以上，具有頻譜分析和相關計算等功能；模態分析軟件的功能是進行模態測試數據的組合、頻響矩陣的構造、曲線擬合和模態參數的識別。模態數據測點的要求在選定測點位置、數量及測量方向時應考慮： 　　a. 能夠在機械結構變形后明確顯示試驗頻段內所有模態的變形特征和模態間的變形區別。 　　b. 保證所關心的結構點包含在所選測量點之中，測點數量不應少于定子槽數的一半。通常做法是，根據實際情況在汽勵兩側定子繞組端部錐體內截面上取3個圓周，見圖1，在圓周上均勻選取發電機端部上層線棒做為測試點。根據測試實現的難易程度選擇單點激振法還是多點激振法。 　　模態分析結果的判定通過定子繞組端部模態分析可以得到端部的固有振動特性（固有頻率、阻尼、振型），要正確評判發電機的端部振動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構等因素對模態參數的影響。 　　a. 線棒溫度對端部模態的影響發電機運行中鐵芯、線棒的溫度高于環境溫度，并隨負荷的變化改變。線棒的絕緣、綁繩以及各種適型材料受熱后導致端部整體剛度降低，模態頻率呈下降趨勢，阻尼會有所上升。阻尼的上升會減小實際振動的振幅，模態頻率下降一般在5～10 Hz左右。 　　b. 內冷水對端部模態的影響繞組通入內冷水，增加了端部結構的等效質量，也會造成模態頻率的下降，影響在1～3 Hz左右。 　　c. 絕緣老化對端部模態的影響 運行多年的發電機線棒絕緣、綁繩、槽內緊固件因振動磨損、老化等原因，各部件之間的連接緊度會有所降低，機械強度、彈性也逐年下降，模態剛度和阻尼下降，因而端部模態頻率隨發電機的運行年限呈下降趨勢，但振動振幅有增大趨勢，在大修中檢查這些變化是很必要的。 　　d. 引線對端部模態的影響發電機定子繞組的6根引出線在勵側，汽側繞組在結構上是軸對稱的。勵側由于引線的存在，固定結構比汽側復雜，過渡引線一般呈半圓形固定在絕緣支架的背部，它無形中起到加強整個端部固定支撐的作用。定子繞組端部振動磨損嚴重或因磨損發生事故的多在汽側，這是由兩側的固有振動特性決定的。 　　評估發電機定子繞組端部的振動特性，應根據試驗得到的模態頻率、振型以及阻尼，并綜合考慮以上各因素，預測發電機端部在實際運行中的振動響應。模態分析應用實例某300 MW汽輪發電機汽側端部的3個模態振型，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的不規則多瓣振型，圖4為116 Hz的三瓣振型。由振型圖可知，根據相關試驗規程要求的94～115 Hz范圍內不存在橢圓形振動，只有不規則多瓣振型在其范圍之內。因此在橢圓形倍頻激振力的作用下，3 種振型的模態都不會在發電機端部形成大強度共振，對發電機端部不會造成嚴重破壞，發電機定子端部檢查也證明了這一結論，沒有發現絕緣磨損和綁繩松動現象。 　　發電機端部振動的預防措施通過模態分析等手段獲得發電機定子繞組端部的振動特性后，必須根據測試結果采取相應的措施。由于發電機定型后，其端部結構基本固 定，現場無法輕易改變，并且內部電氣和機械特性比較復雜，所以難以像簡單機械結構那樣采取改變模態頻率的方法進行處理。通常對端部存在明顯絕緣磨損、綁繩或壓板松動等情況的發電機應引起高度重視，大修中必須對綁扎固定結構進行重新綁扎加固處理，以提高振動阻尼，降低振動的振幅，減小振動強度。 　　對于端部結構確實存在100 Hz左右橢圓振型，雖進行處理，但模態參數仍不見較大改變的情況，除在運行中加強監視外，建議安裝發電機定子繞組端部振動在線監測裝置，以便實現早期故障報警。目前在線振動監測裝置在國外大容量機組上應用較多，例如GE、西屋、ABB、西門子等公司生產的600 MW及以上發電機，在國內大容量水輪發電機上也有應用，但在國產大容量汽輪發電機上鮮有應用。建議各發電機制造和運行單位對發電機端部振動引起足夠重視，采取措施避免嚴重相間和相對地短路事故的發生。