汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組振動的監(jiān)測和干預(yù)

劉勝建

(廣東珠海金灣發(fā)電有限公司，廣東 珠海 519050)

0 引言

隨著汽輪發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，越來越多的在線監(jiān)測設(shè)備在發(fā)電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中得到應(yīng)用，如發(fā)電機(jī)絕緣過熱監(jiān)測裝置、發(fā)電機(jī)局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)定子繞組端部光纖振動監(jiān)測系統(tǒng)等。發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，定子繞組在巨大的交變電磁力的作用下產(chǎn)生振動，繞組端部受到的振動力最為復(fù)雜，因此，光纖振動監(jiān)測系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測中將得到廣泛應(yīng)用。

1 發(fā)電機(jī)的振動

在汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中，勵磁電流通過轉(zhuǎn)子繞組建立磁場，轉(zhuǎn)子以3000r/min的速度旋轉(zhuǎn)，定子線棒承受著帶電導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)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(chǎn)生100 Hz的振動。

汽輪發(fā)電機(jī)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(jī)殼上。轉(zhuǎn)子以3 000 r/min的速度旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)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(jī)械的擊振力，因此，發(fā)電機(jī)定子繞組也存在50 Hz的振動。

在發(fā)電機(jī)的設(shè)計和生產(chǎn)工藝方面，發(fā)電機(jī)定子繞組所受到的電磁力和擊振力已經(jīng)得到克服或減弱。最難處理和破壞性最強(qiáng)的振動力，是定子繞組端部模態(tài)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(chǎn)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(qiáng)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(cè)端部的部分，由于線棒的造型不規(guī)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(tài)可能落入100 Hz或50 Hz的共振危險區(qū)域，容易產(chǎn)生振動和磨損，進(jìn)而引發(fā)事故。

因此，有必要在發(fā)電機(jī)定子汽、勵兩側(cè)端部繞組安裝光纖振動監(jiān)測系統(tǒng)。在線監(jiān)測端部繞組在運(yùn)行工況下的振動幅值、頻率、相位等參數(shù)，用于判斷該發(fā)電機(jī)定子繞組的振動情況，作為衡量該發(fā)電機(jī)是否健康的重要指標(biāo)。

2 汽輪發(fā)電機(jī)加裝光纖振動監(jiān)測系統(tǒng)

汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，出口電壓達(dá)到20 kV及以上，汽側(cè)、勵側(cè)端部區(qū)域存在高電壓、強(qiáng)交變電磁場且溫度較高，對導(dǎo)磁和導(dǎo)電的金屬材料將產(chǎn)生交變電磁力的作用。所以，由金屬性材料制成的壓電性質(zhì)的測振傳感器不能用于發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動的監(jiān)測。光纖加速度傳感器是根據(jù)光折射原理，采用抗高溫的高性能化學(xué)聚合材料或陶瓷制成，無任何金屬材質(zhì)，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(fā)電機(jī)定子繞組端部振動的在線監(jiān)測。

2.1 可行性

光纖加速度傳感器的光電轉(zhuǎn)換體(測振探頭)長約90 mm，直徑約30 mm，質(zhì)量約120 g，這樣小的探頭粘在發(fā)電機(jī)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(tài)，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(fā)電機(jī)端部任何位置安裝的測振探頭信號引接到發(fā)電機(jī)殼體上的通道連接口上。汽輪發(fā)電機(jī)定子內(nèi)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(jiān)測系統(tǒng)的其他部件都安裝在發(fā)電機(jī)本體之外，所以，給汽輪發(fā)電機(jī)加裝光纖振動監(jiān)測系統(tǒng)是可行的。

廣東珠海金灣發(fā)電有限公司#4發(fā)電機(jī)1年內(nèi)連續(xù)發(fā)生了2次發(fā)電機(jī)定子接地故障，更換了全部定子繞組線棒和環(huán)形引線，加裝了1套由加拿大VIBROSYSTM公司生產(chǎn)的FOA－100E光纖加速度傳感器和北京華科同安公司生產(chǎn)的TN8000數(shù)據(jù)采集箱以及一些后臺配套設(shè)備和專用分析軟件組成的“發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動監(jiān)測系統(tǒng)”。該系統(tǒng)投入運(yùn)行1年多來，運(yùn)行正常，為發(fā)電機(jī)端部繞組振動分析提供了大量的資料，也為各種降低發(fā)電機(jī)端部振動的試驗提供了即時數(shù)據(jù)，使技術(shù)人員對發(fā)電機(jī)定子繞組振動的研究得以順利進(jìn)行。

2.2 必要性

在汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中，繞組端部振動力過大會導(dǎo)致絕緣件磨損和固定件松動，進(jìn)而引起定子繞組接地故障。在發(fā)電機(jī)檢修過程中，為了了解發(fā)電機(jī)定子繞組端部的動態(tài)特性，確認(rèn)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(tài)，一般都進(jìn)行了定子繞組端部固有頻率測試。但在發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，定子繞組端部處于熱態(tài)和動態(tài)之中，繞組端部固有頻率會有所下降，并且發(fā)電機(jī)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(shí)時監(jiān)測發(fā)電機(jī)定子繞組端部的振動狀況。當(dāng)振動幅值超出國標(biāo)規(guī)定值時，及時采取減振措施，確保發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。

3 光纖測振探頭的安裝

發(fā)電機(jī)定子繞組端部光纖振動監(jiān)測系統(tǒng)一般由12個光學(xué)加速度傳感器、2個通道密封法蘭、1臺后臺數(shù)據(jù)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(jù)具體要求進(jìn)行布置;2個通道密封法蘭的布置，一般是汽側(cè)、勵側(cè)各1個;每個法蘭上的通道數(shù)量可以根據(jù)汽、勵兩側(cè)傳感器探頭的數(shù)量進(jìn)行配置。

在汽輪發(fā)電機(jī)端部安裝光纖振動監(jiān)測系統(tǒng)，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(fā)電機(jī)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(jiān)測的重點(diǎn)部位。

(2)發(fā)電機(jī)勵側(cè)端部線棒與環(huán)形引線連接的接口處線棒懸臂最長，受力最復(fù)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(chǎn)生電磁力共振或轉(zhuǎn)子擊振力共振的位置，也是發(fā)電機(jī)定子繞組的故障點(diǎn)所在。

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

圖1 廣東珠海金灣發(fā)電有限公司#4發(fā)電機(jī)測振探頭安裝位置

圖1中:汽側(cè)的 10，11，12 測點(diǎn)是 A，B，C 三相的高壓端，由于汽側(cè)繞組端部線棒的造型都比較統(tǒng)一，布置比較規(guī)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(cè)的1測點(diǎn)是第1次發(fā)生定子接地故障的故障點(diǎn)，4測點(diǎn)是第2次故障的故障點(diǎn)，都是定子線棒與環(huán)形引線的連接點(diǎn);其余各點(diǎn)都是模態(tài)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(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中人為對振動的干預(yù)

發(fā)電機(jī)安裝了定子繞組端部光纖測振監(jiān)測系統(tǒng)，就能夠在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中隨時監(jiān)視定子繞組端部的振動參數(shù)，為判斷發(fā)電機(jī)定子繞組是否健康提供判斷依據(jù)，也可為人為干預(yù)振動提供即時的效果反饋。

廣東珠海金灣發(fā)電有限公司#4發(fā)電機(jī)出現(xiàn)第2次定子接地故障后，更換了全部84根線棒和6根環(huán)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(diǎn)激振多點(diǎn)響應(yīng)錘擊法”進(jìn)行定子繞組端部模態(tài)測試，測試結(jié)果見表1。

表1 定子繞組端部模態(tài)測試結(jié)果

從表1可以看出，#4發(fā)電機(jī)修后，定子繞組線棒的汽側(cè)、勵側(cè)槽口和鼻端固有頻率都接近50 Hz，因此，#4發(fā)電機(jī)繞組在運(yùn)行過程可能會產(chǎn)生50 Hz的共振。

在#4發(fā)電機(jī)故障搶修后的啟機(jī)過程中，發(fā)電機(jī)投勵磁前以3000 r/min的速度空轉(zhuǎn)，新加裝的光纖測振系統(tǒng)就檢測到繞組端部的轉(zhuǎn)頻振動偏高;直到#4發(fā)電機(jī)帶滿600 MW負(fù)荷，轉(zhuǎn)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(dá)到193 μm，見表 2。

表2 光纖測振系統(tǒng)就檢測結(jié)果 μm

表3 典型的試驗數(shù)據(jù)(2012－01－05)

當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出無功功率升高時，轉(zhuǎn)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(jī)組安全運(yùn)行受到影響，需要采取人為的干預(yù)措施，最典型的試驗數(shù)據(jù)見表3。

從表3可以看出，在#4發(fā)電機(jī)帶滿負(fù)荷600 MW并保持穩(wěn)定的工況下，汽側(cè)冷氫溫度保持在45℃左右，勵側(cè)冷氫溫度在1.5 h內(nèi)下降了3.6℃，使得汽、勵兩側(cè)冷氫溫差達(dá)到7.2℃，L2測點(diǎn)振動通頻峰峰值下降47.5 μm。以上試驗說明:擴(kuò)大汽、勵兩側(cè)冷氫溫差，可以改變發(fā)電機(jī)定子繞組和定子鐵芯的熱應(yīng)力，改變定子繞組端部的固有模態(tài)頻率，從而降低繞組端部振動的幅值。

5 結(jié)束語

光纖測振監(jiān)測系統(tǒng)的核心設(shè)備是光纖加速度傳感器，只有采集到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，后面對這些數(shù)據(jù)的處理和分析才有意義。目前，瑞士MC－Monitoring SA公司生產(chǎn)的FSA－110光學(xué)加速度傳感器和加拿大VIBROSYSTM公司生產(chǎn)的FOA－100E光學(xué)加速度傳感器得到了廣泛的應(yīng)用。筆者在處理發(fā)電機(jī)繞組端部振動的過程中積累了一些經(jīng)驗，希望能與大家分享。

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