发电机定子绕组端部振动监测系统

• VibroSystM公司生产的FOA-100型光纤加速度传感器，专 门用于发电机定子绕组端部的振动监测。该光纤传感器设计 原理与美国WH公司不同，测量方法靠的是探测单个光束入 射角在一个弹性支架上的角度变化。其特点是利用光偏振原 理，反射光束穿过一个双折射板到一个光极性分析器再返回 以获得光干涉纹，振动峰－峰值之间的距离就与被测角度成 正比函数关系。
汽轮发电机定子绕组端部 振动监测系统
华北电力科学研究院有限责任公司 白亚民
教授级高级工程师
一、前言
• 发电机正常运行时，定子绕组端部处于不停的振动当中，振 源主要为双倍频交变电磁力。由于发电机定子绕组端部类似 悬臂梁的结构特点，特别是汽轮发电机定子线棒端部伸展较 长，因此防止因振动过大威胁发电机的安全运行，一直是设 计、制造和运行人员共同关心的问题。大量的发电机事故统 计分析表明，长期的振动可能造成发电机定子绕组端部紧固 结构松动、线棒绝缘磨损，因振动还可导致机械疲劳引起的 股线断裂，严重的故障将引发端部相间短路事故。因为造成 振动的电磁力与发电机定子电流的平方成正比，随着发电机 单机容量的增大，定子绕组端部的振动问题更为突出。
3）VibroSystM公司实际业绩
• 至2000年底以前，VibroSystM公司开发的光纤加速度振动 测试系统共售出并安装了36套，各套系统配备传感器数目如 下：1个测点的9套、2个测点的3套、4个测点的3套、5个测 点的2套、6个测点的2套、8个测点的4套、9个测点的1套、 12个测点的10套、34个测点1套、36个测点的1套，其中包 括了安装在我国陡河电厂6个测点的一套系统和山东黄岛电 厂2个测点的一套系统。VibroSystM公司还生产SBV系列压 电式振动传感器，应用也很广泛，在此不作详述 。
运行中监测端部振动必要性
• 近代设计先进、工艺可靠的发电机，采用了许多防止端部振 动过大的措施，发电机安装和检修工作也规定了相应的措施， 如要求测试端部线棒和引线的固有频率及模态，绕组端部紧 固结构的详细人工检查和处理，等等。实践表明，这些措施 对防止发电机发生端部振动破坏事故是非常有效的，保证发 电机能够承受端部的正常振动而长期无故障运行。
• 可以通过锤击试验寻找安装传感器的最佳位置。 • 传感器用浸环氧的玻璃编织带永久性固定在线圈端部。为避免发
电机抽插转子和做检查工作时受损，典型的安装位置在上下层线 棒连接鼻端，或下层线棒的外表面。光缆的典型安装走向是沿下 层线圈支撑环的外表面布置，其目的也是为防止损坏。 • 多通道振动监视系统的电子回路由两种基本单元组成：
– 注意：发电机外壳是光信号和电信号分界线，与WH 公司的技术完全不同。
图3 FOA-100型光纤振动传感器、光缆及光电转换接头照片
图4 在发电机定子绕组端部安装的光纤振动传感器（照片）
2）光纤加速度传感器的配置和基本参数
• 传感器本体由瓷质和聚苯类元件制造。光纤由5mm厚的聚四氟乙烯套管 保护，最小弯曲半径为80mm，光纤长度为6m或10m或更长。
• 传感器尺寸为1”×1”×3”，直接安装到被 测部位上。传感器内部结构为一个舌簧和 光栅组。光栅位于舌簧运动最高点的端部， 承受振动时可间断遮光生成光脉冲。传感 器设计为给定时间段上脉冲数量与被测振 幅成正比。光脉冲信号通过光缆送到机外 的主机中，经过数据处理在主机的液晶显 示屏上显示振动峰－峰值 。
• 重点介绍监测系统和实际应用情况。
二、发电机定子绕组端部 振动监测系统选型
• 发电机定子绕组端部监测环境非常恶劣，目前300MW及以上容量的发电 机线棒工作电压达20kV左右，电流1万安培以上，因此是一个高电压、强 交变电磁场的特殊环境。
• 通常进行振动监测使用的压电式或压阻式加速度传感器，因对电气环境敏 感而限制了其在此环境下的应用。
• 一般设计参数为：
– 传感器与电子装置之间的电气绝缘强度大于27kV（有效值） – 测量频率范围：30 Hz～350Hz±5% – 动态测量范围：在100Hz时0～40g（峰－峰值0~1mm） – 加速度测量灵敏度：100mV/g±5% – 传感器重量约30g – 最大冲击加速度：600g半正弦，耐受1ms – 传感器谐振频率：500Hz以上 – 横向灵敏度：相对轴向值的5%以内 – 残余噪声：30Hz~350Hz之间总噪声<3mV（RMS） – 分辨率：100Hz时峰－峰值<1μm – －运行压力：氢气压力<0.5MPa – －传感器的连续最高工作环境温度90℃
• 传感器头位于三根单股多模式光缆的一端。一根承载照射用 光，可通过调节电子装置对其控制。传感器头通过另两条光 纤返回两个强弱可变的光信号。当光纤加速度计承受振动时， 受力与引起一个弹性支架的角度偏转对应的加速度成正比。 支架角度的变化使支架上的一面镜子角度随之变化。射入镜 子的光束就随加速度幅值成比例改变角度。电子调节装置由 光电探测器回路、放大器和滤波器组成，其输出是一个被校 准的模拟加速度信号。一个带通滤波器用于衰减噪声和支架 的谐振频率。
3）实际应用情况
• 大约10年以前，WH公司已经在100多台 发电机上安装了定子绕组端部振动监测系 统，其中80％以上的发电机安装了12个测 点，根据情况最少的安装了6个测点，最 多的安装了48个测点。
• 典型的安装方式是12个测点，具体布置为 汽侧和励侧各6个测点，全部为鼻端作径 向测量。
2 加拿大VibroSystM公司的光学振动监测系统 1）传感器基本结构和工作原理
运行中监测端部振动必要性（续）
• 如果检修中通过模态试验发现某台发电机端部动态特性不合 格，存在有倍频附近的椭圆振型。经验证明，端部结构的局 部简单改动对端部整体动态特性作用有限。重做定子绕组和 端部紧固结构，代价昂贵，而且还不能保证改造一定成功。 而实际情况是这台发电机或同型机已经运行了很长时间，并 没有发生影响安全的严重问题，说明端部结构比较牢固，再 继续运行很长时间也可能仍然没问题，但不能保证它今后不 发生问题。对这种发电机最经济、最理想的处理方法，就是 加装在线监测系统，监视运行中发电机定子绕组端部的实际 振动状态，实现早期故障报警，进行端部的状态检修，可以 有效防止突然事故的发生。
• 1998年大修中该发电机经模态试验证实定子绕组端部汽侧和励侧均存 在107Hz~108Hz的椭圆振型，恰处于最危险的频率范围上。
• 为保证发电机安全运行，避免突然事故的发生，应当对该发电机定子 绕组端部采取一定的处理措施：
– 或者是发电机定子绕组端部结构彻底改造，使其改变振型和固有频率； – 或者加装在线振动监测装置，监视发电机定子绕组端部的实际振动情况。
1）传感器基本结构和工作原理（续）
• 光传感器采集的信号通过光缆送到安装在机壳上 的承压密封盒内的光电耦合器上，转变为电信号 再送入AGM-P21信号处理模块和PCU-100型可 编程信号处理器。PCU-100既可以处理普通的压 电式加速度传感器采集的电信号，也可以处理由 FOA-100光纤传感器送出的光信号转换出来的电 信号，是一种通用型数据信号处理器。
2在线监测装置的选型和安装
• 经过综合考虑供货渠道、价格、业绩等因素，选择了加拿大 VibroSystM公司生产的光纤振动监测系统。
– 其中光纤振动传感器为FOA-100型加速度计，共购置6只，励侧和汽 侧各安装3只。
– 配套的数据处理和监测显示仪器为PCU-100型信号处理器。
• 整套设备的安装利用小修时间完成。 • 安装工作中很重要的是传感器的安装位置选择，由于是非金属材
– 在强电磁场的作用下，金属结构的普通传感器可能产生放电，并且引起磁场分 布的变化，干扰自身的工作。
– 含铁磁性材料的传感器本身还存在剧烈的电磁振动和涡流发热，会对线棒绝缘 形成严重威胁，降低了发电机安全运行的可靠性，增加了事故的隐患。
• 在发电机定子端部应当慎用含有金属结构的振动传感器。 • 由于采用光学原理和光纤材料的传感器可以抵御电磁干扰，目前国内外已
• 运行实践和检修经验表明，发电机定子绕组端部的振动状态 不可能是一成不变的，在交变电磁力和热应力的长期作用下， 可能因绝缘的微缩作用及磨损或紧固件的局部松动，使固有 频率和振型发生变化，投运时完全合格的发电机，经长期运 行使固有频率和振型落入与电磁力谐振范围内，造成振动状 态逐步或突然恶化，而一般的电气监测和外部部件振动监测 反映不出这种危险的振动变化，就难以完全避免突然事故的 发生，因此，有条件时，直接监测定子绕组端部的振动幅值 是非常有用的技术措施。
• 鉴于该发电机已经无故障运行了几年，定子绕组端部未见到明显的磨 损和松动痕迹，说明振动阻尼较大，有效约束了振动的幅值，并且谐 振频带较窄，共振现象不明显。这种情况可能还可以维持很长时间， 但随着运行时间的延长，端部结构可能逐渐劣化，出现端部事故的危 险就逐渐增大。
• 因此，加装在线监测振动的装置是明智的选择，可以以较少的投资实 现定子端部故障的早期报警，避免重大事故的突然发生，达到保证发 电机安全运行的重要目的。
图1 美国WH公司光学振动传感器内部结构图
2）WH公司监测系统的基本配置
• 系统的基本配置一般包括用于两侧的12个振动传感器和2根光缆束、 两个光纤承压密封盒，以及一台多通道振动监视器。
– 光纤传感器通常用于测量径向振动，（轴向和周向的振动也可以测 量），具体测量位置和方向取决于发电机的具体情况。
我们的实践
• 1998年我们在一台200MW上安装了定子绕组端 部在线振动监测系统，起因是发电机定子绕组端 部动态特性试验结果不合格，存在 107Hz~108Hz的椭圆振型模态频率。
• 2003年我们在托克托电厂2台进口600MW发电 机上因同样原因安装端部振动监测系统。
• 为此对该类监测技术进行了试验研究。
• FOA-100型光纤加速度计现场应用结果表明它具有很高的灵 敏度、准确度、可靠性和通用性，特别适用于汽轮发电机和 水轮发电机绕组端部的振动监测。
三、陡河发电厂＃7发电机上的应用实践 1发电机历史情况