汽轮发电机定子绕组振动的监测和干预

刘胜建

(广东珠海金湾发电有限公司，广东 珠海 519050)

0 引言

随着汽轮发电机在线监测技术的发展，越来越多的在线监测设备在发电机监控系统中得到应用，如发电机绝缘过热监测装置、发电机局部放电在线监测系统和发电机定子绕组端部光纤振动监测系统等。发电机运行时，定子绕组在巨大的交变电磁力的作用下产生振动，绕组端部受到的振动力最为复杂，因此，光纤振动监测系统在发电机在线监测中将得到广泛应用。

1 发电机的振动

在汽轮发电机运行过程中，励磁电流通过转子绕组建立磁场，转子以3000r/min的速度旋转，定子线棒承受着带电导体切割磁力线产生的切向电磁力的作用，并且这个作用力是交变脉冲的，因此，整个定子绕组将产生100 Hz的振动。

汽轮发电机的定子绕组和引出线都是用绝缘件固定在定子铁芯上的，定子铁芯通过1套隔振弹簧板固定在机壳上。转子以3 000 r/min的速度旋转时，转子对支撑件的冲击力通过轴瓦→瓦座→端盖→基座→铁芯最后传递到定子绕组上，这个力是机械的击振力，因此，发电机定子绕组也存在50 Hz的振动。

在发电机的设计和生产工艺方面，发电机定子绕组所受到的电磁力和击振力已经得到克服或减弱。最难处理和破坏性最强的振动力，是定子绕组端部模态频率与绕组受到的击振力的频率相同或非常相近时，定子绕组产生的共振。定子绕组处于槽部的线棒部分，由于有槽楔、波纹板和适形材料的全长固定，即使受到较强的振动力的作用，也不易振松或磨损;定子绕组处于汽、励两侧端部的部分，由于线棒的造型不规则，存在悬空的部分，虽然也采取了绑扎、压板、用适形材料支撑及热烘固化等措施，但由于制造工艺的分散性，绕组端部固有模态可能落入100 Hz或50 Hz的共振危险区域，容易产生振动和磨损，进而引发事故。

因此，有必要在发电机定子汽、励两侧端部绕组安装光纤振动监测系统。在线监测端部绕组在运行工况下的振动幅值、频率、相位等参数，用于判断该发电机定子绕组的振动情况，作为衡量该发电机是否健康的重要指标。

2 汽轮发电机加装光纤振动监测系统

汽轮发电机运行时，出口电压达到20 kV及以上，汽侧、励侧端部区域存在高电压、强交变电磁场且温度较高，对导磁和导电的金属材料将产生交变电磁力的作用。所以，由金属性材料制成的压电性质的测振传感器不能用于发电机定子绕组端部振动的监测。光纤加速度传感器是根据光折射原理，采用抗高温的高性能化学聚合材料或陶瓷制成，无任何金属材质，不受电磁力的作用，受电磁干扰较小，不易损坏，不会影响端部绕组的绝缘，因此，光纤加速度传感器适用于发电机定子绕组端部振动的在线监测。

2.1 可行性

光纤加速度传感器的光电转换体(测振探头)长约90 mm，直径约30 mm，质量约120 g，这样小的探头粘在发电机定子绕组端部线棒表面，加上绑扎和固化，不会改变绕组端部的固有模态，也不会影响绕组端部的绝缘、支撑和固定。每个探头所带的光缆长10 m，直径为5 mm，能够把发电机端部任何位置安装的测振探头信号引接到发电机壳体上的通道连接口上。汽轮发电机定子内端部有足够的空间用于加装光纤加速度传感器，并且光纤振动监测系统的其他部件都安装在发电机本体之外，所以，给汽轮发电机加装光纤振动监测系统是可行的。

广东珠海金湾发电有限公司#4发电机1年内连续发生了2次发电机定子接地故障，更换了全部定子绕组线棒和环形引线，加装了1套由加拿大VIBROSYSTM公司生产的FOA－100E光纤加速度传感器和北京华科同安公司生产的TN8000数据采集箱以及一些后台配套设备和专用分析软件组成的“发电机定子绕组端部振动监测系统”。该系统投入运行1年多来，运行正常，为发电机端部绕组振动分析提供了大量的资料，也为各种降低发电机端部振动的试验提供了即时数据，使技术人员对发电机定子绕组振动的研究得以顺利进行。

2.2 必要性

在汽轮发电机运行过程中，绕组端部振动力过大会导致绝缘件磨损和固定件松动，进而引起定子绕组接地故障。在发电机检修过程中，为了了解发电机定子绕组端部的动态特性，确认定子绕组端部是否存在95～106 Hz的固有频率及椭圆振型模态，一般都进行了定子绕组端部固有频率测试。但在发电机运行时，定子绕组端部处于热态和动态之中，绕组端部固有频率会有所下降，并且发电机工况的变化也会引起电磁力和击振力的变化，因此，有必要加装1套在线测振装置，实时监测发电机定子绕组端部的振动状况。当振动幅值超出国标规定值时，及时采取减振措施，确保发电机的安全运行。

3 光纤测振探头的安装

发电机定子绕组端部光纤振动监测系统一般由12个光学加速度传感器、2个通道密封法兰、1台后台数据处理器和1个专用分析软件组成。12个传感器的安装位置可以根据具体要求进行布置;2个通道密封法兰的布置，一般是汽侧、励侧各1个;每个法兰上的通道数量可以根据汽、励两侧传感器探头的数量进行配置。

在汽轮发电机端部安装光纤振动监测系统，首先要确定测振探头的安装位置。定子绕组端部最需要安装测振探头的位置主要符合以下3个方面的要求:

(1)发电机定子绕组线棒A，B，C相3个高压出线端口是电压最高、绝缘最容易受损的位置，是振动监测的重点部位。

(2)发电机励侧端部线棒与环形引线连接的接口处线棒悬臂最长，受力最复杂，也是最容易受损的地方。

(3)固有频率为95～106 Hz的绕组端部或固有频率接近50 Hz的绕组端部，是最容易产生电磁力共振或转子击振力共振的位置，也是发电机定子绕组的故障点所在。

广东珠海金湾发电有限公司#4发电机测振探头安装位置如图1所示(测点9为切向，其余均为径向)。

图1 广东珠海金湾发电有限公司#4发电机测振探头安装位置

图1中:汽侧的 10，11，12 测点是 A，B，C 三相的高压端，由于汽侧绕组端部线棒的造型都比较统一，布置比较规则，受到的振动力比较一致，所以一般只考虑高电压的影响。励侧的1测点是第1次发生定子接地故障的故障点，4测点是第2次故障的故障点，都是定子线棒与环形引线的连接点;其余各点都是模态频率接近50 Hz的线棒鼻端，其中也包含了A，B，C三相的高压端。

4 发电机运行过程中人为对振动的干预

发电机安装了定子绕组端部光纤测振监测系统，就能够在发电机运行过程中随时监视定子绕组端部的振动参数，为判断发电机定子绕组是否健康提供判断依据，也可为人为干预振动提供即时的效果反馈。

广东珠海金湾发电有限公司#4发电机出现第2次定子接地故障后，更换了全部84根线棒和6根环形引线，并增加了定子绕组端部线棒之间空隙的填塞工艺，整体烘干固化后，采用“一点激振多点响应锤击法”进行定子绕组端部模态测试，测试结果见表1。

表1 定子绕组端部模态测试结果

从表1可以看出，#4发电机修后，定子绕组线棒的汽侧、励侧槽口和鼻端固有频率都接近50 Hz，因此，#4发电机绕组在运行过程可能会产生50 Hz的共振。

在#4发电机故障抢修后的启机过程中，发电机投励磁前以3000 r/min的速度空转，新加装的光纤测振系统就检测到绕组端部的转频振动偏高;直到#4发电机带满600 MW负荷，转频振动的幅值一直偏高，倍频幅值都小于100 μm，通频幅值最高达到193 μm，见表 2。

表2 光纤测振系统就检测结果 μm

表3 典型的试验数据(2012－01－05)

当发电机输出无功功率升高时，转子励磁电流大幅度增大，定子绕组的电流增大，绕组所受到的电磁力也变大，绕组端部线棒振动的通频幅值会超过250 μm的报警值，#4机组安全运行受到影响，需要采取人为的干预措施，最典型的试验数据见表3。

从表3可以看出，在#4发电机带满负荷600 MW并保持稳定的工况下，汽侧冷氢温度保持在45℃左右，励侧冷氢温度在1.5 h内下降了3.6℃，使得汽、励两侧冷氢温差达到7.2℃，L2测点振动通频峰峰值下降47.5 μm。以上试验说明:扩大汽、励两侧冷氢温差，可以改变发电机定子绕组和定子铁芯的热应力，改变定子绕组端部的固有模态频率，从而降低绕组端部振动的幅值。

5 结束语

光纤测振监测系统的核心设备是光纤加速度传感器，只有采集到准确数据，后面对这些数据的处理和分析才有意义。目前，瑞士MC－Monitoring SA公司生产的FSA－110光学加速度传感器和加拿大VIBROSYSTM公司生产的FOA－100E光学加速度传感器得到了广泛的应用。笔者在处理发电机绕组端部振动的过程中积累了一些经验，希望能与大家分享。

［1］GB/T 2014—2006，透平型发电机定子绕组端部动态特性和振动试验方法及评定［S］.