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1、1 概述随着发电机单机容量的增加，定子绕组端部受到的倍频电磁力随之增大。 如 果定子绕组端部的固有频率接近100Hz,在运行中绕组端部将会产生较大的谐振 振幅。近年来，国产和进口大型汽轮发电机由于定子绕组端部谐振， 而引起绑绳、 支架固定螺栓、槽内紧固件松动和线棒绝缘磨损的现象时有发生, 因而开展发电 机定子绕组端部动态特性的测量和评定工作十分必要。1.1 试验目的对发电机定子绕组端部动态特性试验而言, 主要包括：发电机定子绕组端部 整体模态试验、定子绕组鼻端接头固有频率测量、定子绕组引出线和过渡引线固 有频率测量,以检测是否避开二倍频电磁共振；测量发电机定子绕组端部及其支 承结构的振动,考核
2、发电机振动保证值指标。1.2 相关标准和规范（ 1）大型汽轮发电机定子绕组端部动态特性的测量与评定 （DL/T735-2000）（2）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 （GB/T201402006）（3）供货合同中：性能保证和试验。（4）以往标准： DL/T596-1996 电力设备预防性试验规程、 JB/T8990-1999 大型汽轮发电机定子端部绕组模态试验分析和固有频率测量方法及评定。1.3 相关术语1.3.1 模态试验 为确定系统模态参数所做的振动试验,通常先由激励和响应关系得出频率响 应矩阵,再由曲线拟和等方法识别出各阶模态参数。1.3.2 频响函数（频率响应函数
3、、传递函数） 对瞬态激励而言,输出的傅立叶变换与输入的傅立叶变换之比。1.3.3 相干函数Xi（t）和X2（t）的互谱的绝对值的平方与各自的自谱的乘积之比。134模态参数模态的特征参数，即振动系统的各阶固有频率、振型、模态质量、模态刚度 与模态阻尼。135固有频率由系统本身的质量和刚度所决定的频率，n自由度系统一般有n个固有频率， 按大小次序排列，最低的为第一阶固有频率等。136振型机械系统的某一给定振动模态的振型是指由中性面 （或中性轴）上的点偏离 其平衡位置的最大位移值所描述的图形。2端部模态试验2.1基本原理频域法经离散化处理后，一个结构的动态特性可由N阶矩阵微分方程描述：M X + C
4、X+KX = f（t）（ 1）式中f （t）为N维激振力向量；X、X和X分别为N维位移、速度和加速度响应 向量；M、C和K分别为结构的质量、阻尼和刚度矩阵。设系统的初始状态为0,对式（1）两边进行拉普拉斯变换，可以得到以复 数s为变量的矩阵代数方程?Ms2 +Cs + K?X（s） = F（s）（ 2）1 式中矩阵Z（s） = Ms2+Cs+K称为广义阻抗矩阵，其逆阵 H（s） = ?Ms2 + Cs+K? 称为广义导纳矩阵，也就是频响函数矩阵。令s= j®，由式（2）可得到系统在频域中输出（响应向量）和输入（激振 向量）的关系式X（3）= H（3）F（3）（3）式中H（3）为频率响
5、应函数矩阵（传递函数），其第i行第j列元素出（3）=红型jFj（表示仅在j处激振时，i处响应与激振力之比2.2试验条件GB/T20140 2006标准规定：绕组端部模态试验分析和固有频率测量在冷态 情况下进行。2.3试验方法及步骤2.3.1制定测试方案（1）测试项目定子绕组鼻端接头固有频率测量；定子绕组引出线和过渡引线固有频率测 量；定子绕组端部整体模态试验。（2）测试方法一般采用锤击法，一点激振多点响应或多点激振一点响应两种方法均可，现场为了方便，常常采用多点激振一点响应方法。每一测点至少重复测量一次，并尽量保持锤击的方向和力度一致。（3）测点布置（a）定子绕组鼻端接头固有频率的测试： 测点
6、沿图1中的圆周1径向布置， 测量定子绕组所有鼻端接头的固有频率；（b）定子绕组引出线和过渡引线固有频率的测试：在定子绕组引出线和过 渡引线的固定薄弱处适当布置若干测点；（c）定子绕组端部整体模态试验：在汽侧和励侧绕组端部锥体内截面上， 取如图1所示的1、2、3三个圆周（推荐按圆周1至圆周3的顺序测量，测得圆 周1的数据后，可根据分析的需要，再加测圆周 2和圆周3数据），每一圆周上 的测点不少于12个。?底护烘触罐部帝斤燥沪部钳点组虛的直周.图1定子绕组端部整体模态试验的测点布置232测试系统连接（1）力锤力锤应带有力传感器，推荐使用压电式力传感器，其最大量程不小于50kN, 螺帽为橡胶或软塑性
7、等软材料，以避免损伤绕组端部绝缘材料，在力的适当频带 内能保证足够的能量。（2）加速度传感器推荐使用压电式加速度传感器测量定子绕组端部的振动响应。一般情况下， 通用型压电加速度传感器的频率范围和灵敏度都能满足测量要求。（3）电荷放大器根据选用的力传感器和加速度传感器选择相应的电荷放大器，电荷放大器应具有足够的放大倍数，使其输出信号幅值大于动态信号分析仪量程的一半。（4）动态信号分析仪（采集仪+分析软件）应至少具有两个信号通道，各通道间应为无相差采集，采用频率大于10kHz， 采样点数不少于1024点，频谱分析分辨率不低于 0.5Hz ;应具备频谱分析、传 递函数和相干函数分析、信号加窗处理、多
8、次测量数据平均处理、存储数据等功 能。（5）测量系统连接把力锤、加速度传感器、电荷放大器和动态信号分析仪连起来，并把相关数 据传给便携式计算机，利用安装在该计算机上的模态分析系统进行建模分析。模态分析系统如图2所示。电荷力信号传感器响应信号采集仪图2发电机定子绕组端部动态特性试验的测试系统图233测试对象建模根据已知条件建立测试对象的结构特性模型，包括输入几何坐标、连线信息、 面信息和约束信息，作为计算及识别参数的依据。图3定子端部模态测试模型2.3.4参数设置（1）触发采样次数：一般采用测试三次作平均处理。（2）变时基倍数：在进行瞬间信号与响应信号采样时，激励与响应之间， 特征时间与特征频率
9、的差异太大，激励是 ms级的，响应是几百ms到秒级。如 果采用等时基传递函数做瞬间激励传递函数分析，就存在频率分辨力（采样频率 越低，分辨率越高）和时域波形精度（采样频率越高，时域波形越高）这一对无法克服的矛盾。变时基的原理：用较高的频率对力脉冲进行采样，用较低的频率对响应信号 进行采样，两个采样频率的倍数就是变时倍数。采用变时基就可以解决以上问题。2.3.5采样（1）测量方向：测量汽端和励端绕组端部线棒鼻端径向（可加测轴向和切 向）及励端引线鼻端轴向和切向的固有频率。（2）敲击方法：用力锤分别敲击定子绕组鼻端接头，引出线和过渡引线， 测量相应测点的振动响应，经动态信号分析仪分析，得到响应的瞬
10、态激励响应函 数的幅频特性曲线，相干函数在 0.9以上的极大值点为各测点的固有频率值。236调取采用数据，并进行传函分析现场测试完成后，需对测试结果进行传函分析。首先选择要调入的测点号， 并对力信号进行加窗设置、对响应信号进行加指数窗设置，再进行传函计算，完 成选定点的传函分析，并显示分析结果。至此，定子绕组鼻端接头、引出线和过渡引线固有频率测试结束。JTj*1»也M7 MliP W»1間gq m3i n mho-13 Efid mn斯占m崩 空鱼姦綁卫鲨号专护贞怕匡=5237模态拟和(1) 采用集总平均的方法进行模态定阶，依次收取各阶频率集总平均是将所有频响函数进行平均，
11、 得到一条平均后的曲线，由此来确定 模态阶数，其好处是不容易丢失某阶模态。(2) 采用复模态单自由度拟合方法，得到拟合结果先由各频响函数拟和得到各测点的模态频率、 阻尼和振型，再由振型加权确 定各阶模态的频率和阻尼，各阶模态的频率和阻尼确定后，再由每个频响函数拟 和得到各测点的最后振型。238振型编辑模态拟和完毕后，就已经进行了质量归一的振型编辑。2.3.9 振型相关矩阵校验用振型相关矩阵效验，可检查模态分析的振型结果是否可靠。振型相关矩阵校验可用来校核各阶模态振型之间的正交性， 矩阵关于主对角 线对称，主对角线的元素都为 1。矩阵的行号和列号分别代表两阶模态，其大小 表示了这两阶模态的正交性
12、，为归一化后的两阶模态振型标量乘积， 值越小表示 正交性越好。理想的模态分析结果的振型相关矩阵除主对角元素外， 其它元素的 值都很小。2.3.10 振型动画根据试验得到的结构模态参数模型，即一组固有频率、模态阻尼以及相应各 阶模态振型，采样活动振动方法，将放大了的振型叠加到原始的几何形状上。3 端部振动测量3.1 测量参数定子绕组端部的倍频振动位移峰峰值（m）03.2测量方法推荐采用光纤振动传感器，其幅值测量范围不小于 1mm 峰峰值（倍频0，在 2090C的温度范围内，由温漂引起的测量误差小于3%。动态信号分析仪拾取绕组端部上各测点的振动响应信号， 经分析软件分析处理，得到定子绕组端部测 点
13、的倍频振动位移峰值，同时应记录测量时间和发电机的以下参数：定子电压、 定子电流、有功功率和无功功率。3.3测量工况发电机额定空载；发电机额定短路；发电机额定负载。3.4 测点布置 （10使用光纤振动传感器时，可以在定子绕组鼻端接头、定子绕组引出线 和定子绕组端部紧固件的适当位置布置，或根据需要在线棒的其他位置上布置测 点。20使用加速度传感器时，必须采取有效的高压隔离措施，在低电位布置 测点。(3) 应根据定子绕组端部模态试验结果，在振动磨损明显的部位或振动比 较大的位置布置测点。(4) 传感器和信号线必须安装牢固，不影响发电机的运行和检修。4评定准则4.1 DL/T735-2000 标准的评
14、定准则4.1.1 绕组端部整体模态评定(1) 新机交接时，绕组端部整体模态频率在 94Hz115Hz范围之内为不合 格；(2) 已运行的发电机，绕组端部整体模态频率在 94Hz115Hz范围内，且 振型为椭圆，应采取措施对绕组端部进行处理；(3) 已运行的发电机，绕组端部整体模态频率在 94Hz115Hz范围内，振 型不是椭圆，应结合发电机历史情况综合分析；若绕组端部磨损严重或松动，应 及时处理并复测模态；若无明显磨损，应加强监视，在具备条件时对绕组端部进 行处理。4.1.2 线棒鼻端接头、引出线和过渡引线的固有频率评定(1) 线棒鼻端接头、引出线和过渡引线的固有频率在94Hz115Hz范围内
15、 为不合格；(2) 已运行的发电机，个别线棒鼻端接头、引出线和过渡引线的固有频率 在94Hz115Hz范围内，应结合发电机历史情况综合分析处理；4.1.3 相邻两次试验的结果对比 模态振型和频率有明显差异时应对绕组端部固定结构进行检查处理在频率响应函数的幅频特性曲线上，94Hz115Hz范围内的固有频率点，幅 值有明显增大时，应进行加固处理。4.2 GB/T20140 2006 标准的评定准则4.2.1 固有频率及模态试验(1)线棒、引线固有频率和端部整体的椭圆固有频率应避开范围如表 2所示。表2透平型发电机定子绕组端部局部及整体椭圆固有频率避开范围额定转速(r/mi n )支撑型式线棒固有频
16、率/Hz引线固有频率/Hz整体椭圆固有频率/Hz3000刚性支承< 95，106<95，108<95，110柔性支承< 95，106<95，108<95，1123600刚性支承<114，127<114，130<114，132柔性支承<114，127<114，130<114，134(2)整体椭圆固有频率不满足表 2规定的发电机，应测量运行时定子绕组端部 的振动(详见422节)；局部固有频率不满足表2规定的发电机，对于新机应尽 量采取措施进行处理，已运行的发电机应结合历史情况综合分析处理。4.2.2振幅(1) 型式试验时，发电
17、机额定空载或额定短路工况倍频振动位移峰峰值小于100 ym。(2) 型式试验时，发电机稳态、突然短路前后，绕组端部部件在空载、短路工 况下倍频振动位移峰峰值不应有明显的变化。(3) 发电机正常工作时，定子端部倍频振动位移峰峰值小于 250 ym，一般认为， 适合无限制地长期运行。(4) 发电机正常运行时，定子端部倍频振动位移峰峰值大于 250ym，小于400ym， 应发报警信号，一般来说，机组在这种情况下，可以继续运行一段时间，在此期 间进行研究以找出振动的原因，看振动是否能够稳定在某个范围。(5) 发电机正常运行时，定子端部倍频振动位移峰峰值大于400ym,应发停机 信号。一般来说，机组在这
18、种情况下，不宜继续运行，应尽快停机检查、处理， 或者根据实际情况采取相应的措施(如降低负荷)使振动降低到限值以下。(6) 发电机正常运行时，定子端部倍频振动位移峰峰值的变化大于100 ym,应 发报警信号，并加强监视。一般来说，振动幅值变化某个明显的数量，不管振动 幅值是增大或减小都应查明变化的原因。 这种变化可以是瞬时的或者随时间而发 展的，它可能表明已产生损坏，或者故障即将来临，或者某些其他异常。4.4目前定子端部模态的现状目前，定子端部模态的现状是两头小、中间大，即完全不存在限值模态频率 的发电机和存在限值模态频率并且为椭圆振型的发电机，都是极少数，分别各约 占不到 10，即大多数发电机都存在限值模态固有频率，但振型不是椭圆