发电机定子绕组端部固有振动频率测试及模态分析

发电机定子绕组端部固有振动频率测试及模态分析

杜鹏

（山西启光发电有限公司山西晋中031300）

摘要：本文主要介绍发电机定子端部绕组进行固有频率测量及模态试验分析方法，定量分析端部绕组的振动状态，通过每次试验的结论，对比历史数据和比较趋势，发现未来运行中的事故隐患，从而避免由发电机定子绕组端部振动过大引起绝缘磨损进而引发短路事故。

关键词：定子绕组端部固有振动频率模态分析

一、前言

随着发电机单机容量的增加，定子绕组端部受到的两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，且以绕组端部整体模态频率接近100Hz，振形为椭圆时最为严重。

发电机定子端部绕组松动、磨损造成发电机定子短路、接地的事故时有发生，造成了巨大的直接经济损失和间接经济损失。给社会生活和生产带来很大危害。因此，对发电机定子端部绕组进行固有频率测量及模态试验，定量分析端部绕组的振动状态，成为加强对发电机定子端部绕组松动、磨损的有效检查手段之一，也是预防发电机事故的重要措施之一。

发电机定子绕组端部机械振动模态测量属无损检查性试验，可由试验结果预测发电机实际运行时端部的振动状态，不但每次试验的结论可指导发电机的维护和检修，而且通过对比历史数据和比较趋势，可以帮助发现未来运行中的事故隐患，对避免由发电机定子绕组端部振动过大引起绝缘磨损进而引发短路事故有重要的指导意义。

二、固有频率测量及模态试验

1．测点的要求

1.1测点位置

能够在发电机定子结构变形后明确显示试验频段内所有模态的变形特征和模态间的变形区别。

1.2测点数量

测点数量不应少于定子槽数的一半。根据实际情况在汽励两侧定子绕组端部锥体内截面上取3个圆周，在圆周上均匀选取发电机端部上层线棒做为测试点。根据测试实现的难易程度选择单点激振法还是多点激振法。

2.加速度传感器的固定

用真空泥（或其它粘接物）将加速度传感器临时固定于被试线棒上。

1.4激振方式

激振方式是锤击法。根据测试实现的难易程度选择单点激振法还是多点激振法。

1.5测量系统

1.5.1发电机定子绕组端部振动特性测量系统通常由测试对象（发电机定子绕组端部）、激励环节（冲击力锤）、测量环节（力传感器、加速度传感器、电荷放大器、信号采集器）、分析环节和检测环节（动态信号分析仪和模态分析软件）构成。系统构成见图1。

图1：发电机定子绕组端部振动特性测量系统示意图

1.5.2测量系统及连接的要求

模态测量系统连接引线、屏蔽和接地必须十分仔细，否则可能有很大的干扰信号造成相干函数值较小，数据的可信度降低。

在模态试验中频响函数的相位信息很重要，为避免测量系统的相移带来大的误差，所采用的传感器、电荷放大器及分析仪的工作频率范围应在1Hz～2kHz范围内。

1.6测量方法

目前通常采用的激振方式是锤击法，锤击法属宽频带瞬态激振，在线棒上的冲击激励作用时间短，输入能量少，激励信号和响应信噪比一般都比较低，测量可以采用一点激振多点响应或多点激振一点响应方法。

1.7测试

用力锤锤击固定有加速度传感器的线棒，频谱分析仪上显示出两条曲线，即频响函数曲线和相干函数曲线，相干函数接近于1的频响函数曲线的峰值处就是该线棒的固有频率。

用锤击法分别对励侧和汽侧端部每一绕组进行测试，取得其固有频率。

用锤击法分别对励侧和汽侧进行测量，分别取得其频响函数

应变换几次激振点或拾振点的位置，检查是否有遗漏的模态。

三、定子绕组端部振动测量信号分析与处理

1.频响函数的计算

如果仅在输出端含有噪声，如图2所示，测得的响应为：



式中：X（ω）——测得的加速度信号的傅氏谱；

H（ω）——系统的加速度频响函数；

F（ω）——激振力的傅氏谱；

N（ω）——输出端噪声的傅氏谱。

图2：输出端噪声的模型

对m次测量，最佳频响函数的估计值为：

在线性系统的假设下，若无噪声的影响，COH（ω）＝1；如果输出端有噪声，取适当的平均次数m可以令（ω）逼近真值H（ω），COH（ω）逼近1。

如果输入端也有噪声，如图3所示，不论进行多少次平均也不能测到真实的频响函数，但可以用相干函数值评价噪声对频响函数的影响。COH（ω）＝1表示响应完全是由激励引起的，一般COH（ω）＞0.9表明数据可以采信，值越小，表明信噪比越差。

图3：输入端噪声的模型

如果系统线性度差，例如，测量对象的某个联接处存在松动（如忘记拧紧螺母）等非线性情况，也会在相干函数中表现出来，线性度越差，相干函数值越小。

图5是敲击某线棒的力脉冲信号及其响应的时间波形和频谱分析，图6是对应的加速度机械导纳曲线（幅频和相频曲线）以及相干函数。

2.模态参数的识别

发电机绕组端部振动的模态参数识别通常用数值迭代法。首先，整体拟合发电机绕组端部的振动模态，即将所有测点的频响特性曲线进行平均，得到一条集总平均曲线。在该曲线上选取固有频率和阻尼的初始估计值，应用最小二乘法（即使频响函数的实测值与理论值之间的总方差最小，求取其它参数，通过偏差控制，逐步改进固有频率和阻尼值，经多次迭代满足收敛条件后，得到了逼近实际系统的数学模型。

四、模态分析结果的判定

1.通过定子绕组端部模态分析可以得到端部的固有振动特性（固有频率、阻尼、振型），要正确评判发电机的端部振动特性还必须考虑绕组是否通水，通水温度、绝缘老化及端部引线结构等因素对模态参数的影响。

2.线棒温度对端部模态的影响

发电机运行中铁芯、线棒的温度高于环境温度，并随负荷的变化改变。线棒的绝缘、绑绳以及各种适型材料受热后导致端部整体刚度

降低，模态频率呈下降趋势，阻尼会有所上升。阻尼的上升会减小实际振动的振幅，模态频率下降一般在5～10Hz左右。

3.内冷水对端部模态的影响

绕组通入内冷水，增加了端部结构的等效质量，也会造成模态频率的下降，影响在1～3Hz左右。

4.绝缘老化对端部模态的影响

运行多年的发电机线棒绝缘、绑绳、槽内紧固件因振动磨损、老化等原因，各部件之间的连接紧度会有所降低，机械强度、弹性也逐年下降，模态刚度和阻尼下降，因而端部模态频率随发电机的运行年限呈下降趋势，但振动振幅有增大趋势，在大修中应检查这些变化。

5.引线对端部模态的影响

发电机定子绕组的6根引出线在励侧，汽侧绕组在结构上是轴对称的。励侧由于引线的存在，固定结构比汽侧复杂，过渡引线一般呈半圆形固定在绝缘支架的背部，它无形中起到加强整个端部固定支撑的作用。定子绕组端部振动磨损严重或因磨损发生事故的多在汽侧，这是由两侧的固有振动特性决定的。

评估发电机定子绕组端部的振动特性，应根据试验得到的模态频率、振型以及阻尼，并综合考虑以上各因素，预测发电机端部在实际运行中的振动响应。

五、发电机端部振动的预防措施

1.提高振动阻尼

通过模态分析等手段获得发电机定子绕组端部的振动特性后，必须根据测试结果采取相应的措施。在明显绝缘磨损、绑绳或压板松动等情况的发电机应引起高度重视，大修中必须对绑扎固定结构进行重新绑扎加固处理，以提高振动阻尼，降低振动的振幅，减小振动强度。

2.加强在线监测

对于端部结构确实存在100Hz左右椭圆振型，虽进行处理，但模态参数仍不见较大改变的情况，除在运行中加强监视外，建议安装发电机定子绕组端部振动在线监测装置，以便实现早期故障报警。采取措施避免严重相间和相对地短路事故的发生。