引言 大型汽輪發(fā)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(chǎn)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(fā)電機中，端部繞組將承受相當(dāng)大的激振力。發(fā)電機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(fā)生頻繁，該類事故具有突發(fā)性和難于簡單修復(fù)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(yù)測發(fā)電機在實際工作狀態(tài)下的振動特性，及早采取防范措施尤為重要。 　　應(yīng)用模態(tài)分析手段，對發(fā)電機繞組端部整體結(jié)構(gòu)進行振動特性分析是近年來發(fā)展起來的一種行之有效的方法。對于模態(tài)振型為橢圓、振動頻率在94～115 Hz范圍內(nèi)的端部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)松垮。JB/T 89901999《大型汽輪發(fā)電機定子端部繞組模態(tài)試驗分析和固有頻率測量方法及評定》、DL/T 7352000《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》、國家電力公司《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點要求》都對發(fā)電機定子繞組端部的振動特性分析做出了具體要求。模態(tài)分析原理簡述模態(tài)分析是機械結(jié)構(gòu)振動特性分析的有效手段，它通過分析結(jié)構(gòu)的動特性建立結(jié)構(gòu)在已知激勵條件下的響應(yīng)預(yù)測模型，進而預(yù)測結(jié)構(gòu)在實際工作狀態(tài)下的動力學(xué)特性。通常的做法就是通過試驗方法得到機械結(jié)構(gòu)在沖擊h（t）下的響應(yīng)H（ω），構(gòu)造出機械結(jié)構(gòu)動特性的頻響函數(shù)矩陣，然后通過曲線擬合手段識別結(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點作用單位力時，在i點所引起的頻率響應(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)矩陣表達式： 　　頻響函數(shù)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(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(shù)即可包含進行模態(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(shù)也包含進行模態(tài)分析所需要的全部信息。可見為了取得全部模態(tài)信息，僅需測量頻響函數(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：單點固定激振，在所有測量點（含激振點）依次測量響應(yīng)；固定一點測量響應(yīng)，而輪流對所有測點激振。模態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求測量系統(tǒng)一般包括激勵設(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）；激勵設(shè)備一般采用力錘，錘擊力相當(dāng)于一個半正弦形的力脈沖，該脈沖的頻帶寬度與脈沖持續(xù)時間有關(guān)，對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)時間約1.5 ms；采集設(shè)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(guān)計算等功能；模態(tài)分析軟件的功能是進行模態(tài)測試數(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)的識別。模態(tài)數(shù)據(jù)測點的要求在選定測點位置、數(shù)量及測量方向時應(yīng)考慮： 　　a. 能夠在機械結(jié)構(gòu)變形后明確顯示試驗頻段內(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)點包含在所選測量點之中，測點數(shù)量不應(yīng)少于定子槽數(shù)的一半。通常做法是，根據(jù)實際情況在汽勵兩側(cè)定子繞組端部錐體內(nèi)截面上取3個圓周，見圖1，在圓周上均勻選取發(fā)電機端部上層線棒做為測試點。根據(jù)測試實現(xiàn)的難易程度選擇單點激振法還是多點激振法。 　　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特性（固有頻率、阻尼、振型），要正確評判發(fā)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(jié)構(gòu)等因素對模態(tài)參數(shù)的影響。 　　a. 線棒溫度對端部模態(tài)的影響發(fā)電機運行中鐵芯、線棒的溫度高于環(huán)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(dǎo)致端部整體剛度降低，模態(tài)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(tài)頻率下降一般在5～10 Hz左右。 　　b. 內(nèi)冷水對端部模態(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，也會造成模態(tài)頻率的下降，影響在1～3 Hz左右。 　　c. 絕緣老化對端部模態(tài)的影響 運行多年的發(fā)電機線棒絕緣、綁繩、槽內(nèi)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(tài)剛度和阻尼下降，因而端部模態(tài)頻率隨發(fā)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(tài)的影響發(fā)電機定子繞組的6根引出線在勵側(cè)，汽側(cè)繞組在結(jié)構(gòu)上是軸對稱的。勵側(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(fā)生事故的多在汽側(cè)，這是由兩側(cè)的固有振動特性決定的。 　　評估發(fā)電機定子繞組端部的振動特性，應(yīng)根據(jù)試驗得到的模態(tài)頻率、振型以及阻尼，并綜合考慮以上各因素，預(yù)測發(fā)電機端部在實際運行中的振動響應(yīng)。模態(tài)分析應(yīng)用實例某300 MW汽輪發(fā)電機汽側(cè)端部的3個模態(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)試驗規(guī)程要求的94～115 Hz范圍內(nèi)不存在橢圓形振動，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)都不會在發(fā)電機端部形成大強度共振，對發(fā)電機端部不會造成嚴重破壞，發(fā)電機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現(xiàn)象。 　　發(fā)電機端部振動的預(yù)防措施通過模態(tài)分析等手段獲得發(fā)電機定子繞組端部的振動特性后，必須根據(jù)測試結(jié)果采取相應(yīng)的措施。由于發(fā)電機定型后，其端部結(jié)構(gòu)基本固 定，現(xiàn)場無法輕易改變，并且內(nèi)部電氣和機械特性比較復(fù)雜，所以難以像簡單機械結(jié)構(gòu)那樣采取改變模態(tài)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(fā)電機應(yīng)引起高度重視，大修中必須對綁扎固定結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)確實存在100 Hz左右橢圓振型，雖進行處理，但模態(tài)參數(shù)仍不見較大改變的情況，除在運行中加強監(jiān)視外，建議安裝發(fā)電機定子繞組端部振動在線監(jiān)測裝置，以便實現(xiàn)早期故障報警。目前在線振動監(jiān)測裝置在國外大容量機組上應(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，在國內(nèi)大容量水輪發(fā)電機上也有應(yīng)用，但在國產(chǎn)大容量汽輪發(fā)電機上鮮有應(yīng)用。建議各發(fā)電機制造和運行單位對發(fā)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(fā)生。