汽輪發電機定子繞組振動的監測和干預

劉勝建

(廣東珠海金灣發電有限公司，廣東 珠海 519050)

0 引言

隨著汽輪發電機在線監測技術的發展，越來越多的在線監測設備在發電機監控系統中得到應用，如發電機絕緣過熱監測裝置、發電機局部放電在線監測系統和發電機定子繞組端部光纖振動監測系統等。發電機運行時，定子繞組在巨大的交變電磁力的作用下產生振動，繞組端部受到的振動力最為復雜，因此，光纖振動監測系統在發電機在線監測中將得到廣泛應用。

1 發電機的振動

在汽輪發電機運行過程中，勵磁電流通過轉子繞組建立磁場，轉子以3000r/min的速度旋轉，定子線棒承受著帶電導體切割磁力線產生的切向電磁力的作用，并且這個作用力是交變脈沖的，因此，整個定子繞組將產生100 Hz的振動。

汽輪發電機的定子繞組和引出線都是用絕緣件固定在定子鐵芯上的，定子鐵芯通過1套隔振彈簧板固定在機殼上。轉子以3 000 r/min的速度旋轉時，轉子對支撐件的沖擊力通過軸瓦→瓦座→端蓋→基座→鐵芯最后傳遞到定子繞組上，這個力是機械的擊振力，因此，發電機定子繞組也存在50 Hz的振動。

在發電機的設計和生產工藝方面，發電機定子繞組所受到的電磁力和擊振力已經得到克服或減弱。最難處理和破壞性最強的振動力，是定子繞組端部模態頻率與繞組受到的擊振力的頻率相同或非常相近時，定子繞組產生的共振。定子繞組處于槽部的線棒部分，由于有槽楔、波紋板和適形材料的全長固定，即使受到較強的振動力的作用，也不易振松或磨損;定子繞組處于汽、勵兩側端部的部分，由于線棒的造型不規則，存在懸空的部分，雖然也采取了綁扎、壓板、用適形材料支撐及熱烘固化等措施，但由于制造工藝的分散性，繞組端部固有模態可能落入100 Hz或50 Hz的共振危險區域，容易產生振動和磨損，進而引發事故。

因此，有必要在發電機定子汽、勵兩側端部繞組安裝光纖振動監測系統。在線監測端部繞組在運行工況下的振動幅值、頻率、相位等參數，用于判斷該發電機定子繞組的振動情況，作為衡量該發電機是否健康的重要指標。

2 汽輪發電機加裝光纖振動監測系統

汽輪發電機運行時，出口電壓達到20 kV及以上，汽側、勵側端部區域存在高電壓、強交變電磁場且溫度較高，對導磁和導電的金屬材料將產生交變電磁力的作用。所以，由金屬性材料制成的壓電性質的測振傳感器不能用于發電機定子繞組端部振動的監測。光纖加速度傳感器是根據光折射原理，采用抗高溫的高性能化學聚合材料或陶瓷制成，無任何金屬材質，不受電磁力的作用，受電磁干擾較小，不易損壞，不會影響端部繞組的絕緣，因此，光纖加速度傳感器適用于發電機定子繞組端部振動的在線監測。

2.1 可行性

光纖加速度傳感器的光電轉換體(測振探頭)長約90 mm，直徑約30 mm，質量約120 g，這樣小的探頭粘在發電機定子繞組端部線棒表面，加上綁扎和固化，不會改變繞組端部的固有模態，也不會影響繞組端部的絕緣、支撐和固定。每個探頭所帶的光纜長10 m，直徑為5 mm，能夠把發電機端部任何位置安裝的測振探頭信號引接到發電機殼體上的通道連接口上。汽輪發電機定子內端部有足夠的空間用于加裝光纖加速度傳感器，并且光纖振動監測系統的其他部件都安裝在發電機本體之外，所以，給汽輪發電機加裝光纖振動監測系統是可行的。

廣東珠海金灣發電有限公司#4發電機1年內連續發生了2次發電機定子接地故障，更換了全部定子繞組線棒和環形引線，加裝了1套由加拿大VIBROSYSTM公司生產的FOA－100E光纖加速度傳感器和北京華科同安公司生產的TN8000數據采集箱以及一些后臺配套設備和專用分析軟件組成的“發電機定子繞組端部振動監測系統”。該系統投入運行1年多來，運行正常，為發電機端部繞組振動分析提供了大量的資料，也為各種降低發電機端部振動的試驗提供了即時數據，使技術人員對發電機定子繞組振動的研究得以順利進行。

2.2 必要性

在汽輪發電機運行過程中，繞組端部振動力過大會導致絕緣件磨損和固定件松動，進而引起定子繞組接地故障。在發電機檢修過程中，為了了解發電機定子繞組端部的動態特性，確認定子繞組端部是否存在95～106 Hz的固有頻率及橢圓振型模態，一般都進行了定子繞組端部固有頻率測試。但在發電機運行時，定子繞組端部處于熱態和動態之中，繞組端部固有頻率會有所下降，并且發電機工況的變化也會引起電磁力和擊振力的變化，因此，有必要加裝1套在線測振裝置，實時監測發電機定子繞組端部的振動狀況。當振動幅值超出國標規定值時，及時采取減振措施，確保發電機的安全運行。

3 光纖測振探頭的安裝

發電機定子繞組端部光纖振動監測系統一般由12個光學加速度傳感器、2個通道密封法蘭、1臺后臺數據處理器和1個專用分析軟件組成。12個傳感器的安裝位置可以根據具體要求進行布置;2個通道密封法蘭的布置，一般是汽側、勵側各1個;每個法蘭上的通道數量可以根據汽、勵兩側傳感器探頭的數量進行配置。

在汽輪發電機端部安裝光纖振動監測系統，首先要確定測振探頭的安裝位置。定子繞組端部最需要安裝測振探頭的位置主要符合以下3個方面的要求:

(1)發電機定子繞組線棒A，B，C相3個高壓出線端口是電壓最高、絕緣最容易受損的位置，是振動監測的重點部位。

(2)發電機勵側端部線棒與環形引線連接的接口處線棒懸臂最長，受力最復雜，也是最容易受損的地方。

(3)固有頻率為95～106 Hz的繞組端部或固有頻率接近50 Hz的繞組端部，是最容易產生電磁力共振或轉子擊振力共振的位置，也是發電機定子繞組的故障點所在。

廣東珠海金灣發電有限公司#4發電機測振探頭安裝位置如圖1所示(測點9為切向，其余均為徑向)。

圖1 廣東珠海金灣發電有限公司#4發電機測振探頭安裝位置

圖1中:汽側的 10，11，12 測點是 A，B，C 三相的高壓端，由于汽側繞組端部線棒的造型都比較統一，布置比較規則，受到的振動力比較一致，所以一般只考慮高電壓的影響。勵側的1測點是第1次發生定子接地故障的故障點，4測點是第2次故障的故障點，都是定子線棒與環形引線的連接點;其余各點都是模態頻率接近50 Hz的線棒鼻端，其中也包含了A，B，C三相的高壓端。

4 發電機運行過程中人為對振動的干預

發電機安裝了定子繞組端部光纖測振監測系統，就能夠在發電機運行過程中隨時監視定子繞組端部的振動參數，為判斷發電機定子繞組是否健康提供判斷依據，也可為人為干預振動提供即時的效果反饋。

廣東珠海金灣發電有限公司#4發電機出現第2次定子接地故障后，更換了全部84根線棒和6根環形引線，并增加了定子繞組端部線棒之間空隙的填塞工藝，整體烘干固化后，采用“一點激振多點響應錘擊法”進行定子繞組端部模態測試，測試結果見表1。

表1 定子繞組端部模態測試結果

從表1可以看出，#4發電機修后，定子繞組線棒的汽側、勵側槽口和鼻端固有頻率都接近50 Hz，因此，#4發電機繞組在運行過程可能會產生50 Hz的共振。

在#4發電機故障搶修后的啟機過程中，發電機投勵磁前以3000 r/min的速度空轉，新加裝的光纖測振系統就檢測到繞組端部的轉頻振動偏高;直到#4發電機帶滿600 MW負荷，轉頻振動的幅值一直偏高，倍頻幅值都小于100 μm，通頻幅值最高達到193 μm，見表 2。

表2 光纖測振系統就檢測結果 μm

表3 典型的試驗數據(2012－01－05)

當發電機輸出無功功率升高時，轉子勵磁電流大幅度增大，定子繞組的電流增大，繞組所受到的電磁力也變大，繞組端部線棒振動的通頻幅值會超過250 μm的報警值，#4機組安全運行受到影響，需要采取人為的干預措施，最典型的試驗數據見表3。

從表3可以看出，在#4發電機帶滿負荷600 MW并保持穩定的工況下，汽側冷氫溫度保持在45℃左右，勵側冷氫溫度在1.5 h內下降了3.6℃，使得汽、勵兩側冷氫溫差達到7.2℃，L2測點振動通頻峰峰值下降47.5 μm。以上試驗說明:擴大汽、勵兩側冷氫溫差，可以改變發電機定子繞組和定子鐵芯的熱應力，改變定子繞組端部的固有模態頻率，從而降低繞組端部振動的幅值。

5 結束語

光纖測振監測系統的核心設備是光纖加速度傳感器，只有采集到準確數據，后面對這些數據的處理和分析才有意義。目前，瑞士MC－Monitoring SA公司生產的FSA－110光學加速度傳感器和加拿大VIBROSYSTM公司生產的FOA－100E光學加速度傳感器得到了廣泛的應用。筆者在處理發電機繞組端部振動的過程中積累了一些經驗，希望能與大家分享。

［1］GB/T 2014—2006，透平型發電機定子繞組端部動態特性和振動試驗方法及評定［S］.