大型汽轮发电机定子绕组端部动态特性试验及振动测量讲义

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/T20140－2006）

（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、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

1()

x t和

2()

x t的互谱的绝对值的平方与各自的自谱的乘积之比。

1.3.4 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。

1.3.5 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。

1.3.6 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 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

2()()Ms Cs K X s F s ⎡⎤++=⎣⎦ （2）

式中矩阵2()Z s Ms Cs K =++称为广义阻抗矩阵，其逆阵12()H s Ms Cs K −⎡⎤=++⎣⎦称为广义导纳矩阵，也就是频响函数矩阵。

令s j ω=，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 H F ωωω= （3）

式中()H ω为频率响应函数矩阵（传递函数），其第i 行第j 列元素()()()

i ij j X H F ωωω=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。

图1 定子绕组端部整体模态试验的测点布置

（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。

图2发电机定子绕组端部动态特性试验的测试系统图