基于温度场变化的发电机定子端部绕组振动主动控制

刘石，万文军，高庆水，杨毅，张征平，夏鲜良，甘超齐，杨群发，张楚，黄正



基于温度场变化的发电机定子端部绕组振动主动控制

刘石1,2，万文军1,2，高庆水1,2，杨毅1,2，张征平1,2，夏鲜良3，甘超齐4，杨群发5，张楚1,2，黄正1

（1．广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东省 广州市 510080；2．广东电科院能源技术有限责任公司，广东省 广州市 510080；3．上海电气电站设备有限公司发电机厂，上海市 闵行区 201100；4．广东国华粤电台山发电有限公司，广东省 台山市 529200； 5．广东珠海金湾发电有限公司，广东省 珠海市 519000）

针对引进型大型发电机定子绕组端部振动超标问题，提出一种基于温度场变化的定子绕组端部振动主动调频控制方法。采用两端固定-铰支直梁，研究温度场变化对结构固有频率的影响机制。据此设计试验方案，结果表明，通过调整定子冷却水、冷氢温度，达到定子绕组端部固有频率远离电磁激振频率的目的，避开了共振区，从而有效地降低了定子绕组端部的振动。最后，开发了基于温度场热应力主动调频控制逻辑模块，为控制汽轮发电机定子绕组端部的振动提供一种新方法。

汽轮发电机；定子绕组端部；温度场；振动控制；主动调频；自适应控制

0 引言

发电机定子绕组端部在运行时承受着交变电磁力作用，随着发电机单机容量的增大，绕组端部所受的电磁力随之增大，其振动因而越来越突出。大量的发电机事故统计分析表明，长期过大的振动会造成发电机定子绕组端部紧固结构件松动、线棒绝缘磨损，还可能致使股线因机械疲劳而断裂，严重时还会引发定子接地或相间短路故障。

虽然现代发电机的设计水平和制造质量大大提高，安装和检修工艺也不断改进，但运行实践和检修经验表明，即使是安装和检修合格的发电机，其绕组端部的振动状态也可能随着运行时间的增长而恶化。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，导致绕组端部模态参数发生变化，投运时完全合格的发电机在经长期运行后，其固有频率可能落入在电磁力谐振范围内，造成振动状态逐步或突然恶化。因此，为了保证发电机长期安全运行，及时发现故障隐患，避免破坏性事故的发生，深入分析绕组端部动力学特性并进行主动控制非常有必要。

目前，研究多集中在定子绕组端部建模与仿真、动力学特性研究[1-4]、定子绕组端部振动情况在线监测与诊断[5-8]等方面。然而，定子绕组端部振动控制相关研究较少。文献[9]提出大型二极汽轮发电机定子绕组端部共振的二重点理论，该理论指出，当发电机定子绕组端部发生共振时，可以调整绕组端部的固有频率使其避开100 Hz。为了控制二极汽轮发电机定子绕组端部产生的强迫振动，文献[10]提出加装磁流变阻尼器进行减振，使绕组端部的径向、轴向动应力幅值分别降低17.3%和55.9%，结果表明采用磁流变阻尼器是控制发电机绕组端部振动的一种有效方法。文献[11]指出密封瓦和轴颈损坏引起的氢气纯度降低会导致发电机转子在高负荷运行时发生热弯曲，从而使发电机轴瓦振动过大。文献[12]通过试验证明调节定子冷却水温能改变端部固有频率，使其避开50Hz，从而降低定子绕组端部的振动幅值。

本文分析了调整温度场对改变定子绕组端部固有频率的机制。试验表明，调整定子冷却水温度、冷氢温度均可有效降低定子绕组端部的二倍频振动，使其远离电磁激振频率，避开共振区，实现降低绕组端部振动的目的。在此基础上，提出了“温度场热应力主动调频方法”，通过主动调整定子绕组端部的温度场改变结构内部的膨胀压力，从而改变绕组端部的固有频率，为控制发电机绕组端部振动提供一种新方法。

1 测试现象分析

某电厂6号机组是水氢冷1000MW汽轮发电机组，其发电机型号为THDF125/67。在冷态下进行出厂试验，测得汽端定子绕组端部整体固有频率为109.16Hz，励端定子绕组端部整体固有频率为100.8Hz，振型均为椭圆形。测试结果不符合国家标准GB/T 20140—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》中的“定子绕组端部整体的椭圆固有频率应避开95~110 Hz的范围”的规定，试验结果不合格。

鉴于无法对定子绕组端部进行改造，决定加装TN8000-FOA型发电机端部振动在线监测分析系统对定子绕组端部的振动情况进行在线监测。该监测分析系统由光纤加速度传感器、智能数据采集箱和系统软件组成，其中光纤加速度传感器采用加拿大VibroSystM公司生产的FOA-100E光纤加速度传感器，每台机组配置12个FOA-100E光纤加速度传感器，汽、励端各6个。光纤测振传感器安装在汽、励端每个极相组的第2槽上层线棒鼻端侧面，用0.1´25无碱玻璃丝带将传感器绑扎在上层线棒水盒支撑板上，共包裹5层，边包边刷环氧树脂E44-200，具体安装位置见图1所示。

在线监测装置安装后，对该装置测点进行了现场比对试验，试验中采用Bently208采集FOA-100E光纤加速度传感器的输出信号，与TN8000-FOA型发电机端部振动在线监测分析系统的输出进行比对，结果一致，表明TN8000-FOA测试系统能真实反映绕组端部的振动特征。

利用已校验的TN8000-FOA测试系统对端部振动开展测试分析，发现以下特征。

1）在汽、励两端共12个测点中，有3个点的振动超过了GB/T 20140—2006的要求，超标测点分别是：汽侧A相径向振动(12点钟)、汽侧B相径向振动(10点钟)、汽侧A相径向振动(6点钟)。

图1 绕组端部振动光纤传感器测点图

2）振动的主要频率成分为100Hz倍频分量，与出厂时端部频率测试不达标的结果相符，除励侧A相径向振动(7点钟)外，其余绕组端部测点的50Hz频率成分比例较低。

3）在测试的420MW至1007MW有功负荷段，大部分测点，特别是振动超标测点呈现随负荷增加振动逐步降低的趋势，随负荷变化的主要频率分量也是100Hz倍频，如测点汽侧B相径向振动(10点钟)高负荷时最低值为47μm，低负荷时最大值为276μm，变化了229μm。相对于 100Hz的振动变化量，50Hz频率成分随负荷变化量较小。

该现象与随负荷增加二倍频电磁力不断增加的基本概念相违背，而在测量该电厂3号发电机(600MW)定子绕组端部的试验中，其二倍频分量与有功功率呈现完全的正相关性。

在调阅机组的运行参数后，发现在带负荷过程中，定子冷却水入口温度一直保持在44~46℃，随着负荷的增加定子冷却水出口温度从48℃增加至60℃，相应的线棒层间温度、铁心温度均有10~15℃的增加。带负荷过程中定子温度场的不断变化，导致定子绕组端部在热态下的模态特性发生改变，其影响超过了二倍频电磁力变化对绕组端部振动的影响，初步推断这是造成6号发电机定子绕组端部二倍频振动异常的主要原因。为了揭示这一现象，本文考虑温度场对结构模态频率的影响。

2 温度场对结构模态频率的影响

分析温度场对结构模态频率的影响，主要源于以下3个方面。

1）温度变化引起材料弹性模量发生变化，结构的模态频率与弹性模量成比例，因此结构模态频率也会发生相应的变化。

2）温度变化引起结构的受力状态及几何形状发生变化，进而引起模态频率变化。

3）温度变化引起基础边界条件的变化，也必然引起结构模态频率变化。

在发电机正常带负荷运行状态下(50%负荷至100%负荷)，温度场的变化通常在20℃以内，可以认为端部结构主要是铜材的弹性模量基本不变。当不计基础边界条件影响时，结构模态频率发生改变主要由结构受力状态及几何形状发生改变所致。当温度升高，铜材受热膨胀，受到边界条件的约束不能释放，结构将受到边界的压力；当温度降低，铜材冷却收缩，受到边界条件的约束，结构将受到边界的拉力。

考虑如图2所示的两端固定铰支的各向同性等截面直梁，当温度增加/降低，结构膨胀/收缩，受边界条件约束，结构将受到压力/拉力()，分析梁在轴力()作用下的弯曲固有振动。假设初始变形为0，为梁长，为弯曲横向位移，为梁的抗弯刚度，为梁的密度，为梁的截面积，为弯矩，为剪力，为梁的截面转角。

根据牛顿第二定律，梁在d微段的横向运动满足：

忽略高阶微分的影响，式(1)简写为

代入用挠度表示的转角和剪力，考虑受定常轴向力作用的等截面均质直梁，()和抗弯刚度为常数，得到梁的弯曲自由振动微分方程：

令()为振动基本函数，为第阶自振圆频率，则式(3)解的一种形式为

将式(4)代入式(3)，化简后得：

对于简支梁，()可以表示为

式中为常数。

将式(6)代入式(5)化简后得

求解式(7)得到：

3 温度场热应力主动调频方法

从6号发电机测试结果可知，在定子冷却水入口温度不变的情况下，随着机组负荷的不断增加，发电机定子冷却水出口温度、定子线棒的层间温度、定子铁心温度均不断增加，当1000MW发电机负荷从500MW升至1000MW时，整个发电机定子的温度场平均增加在10~12℃。

6号机组在负荷从500MW升至1000MW时，以汽侧B相径向振动(10点钟)为例，其二倍频100Hz振动从226μm降至69μm，如果仅从二倍频的电磁激振力分析，这一现象与随负荷增加二倍频激振力不断增加的原理相矛盾，唯一可以解释的是温度场的变化改变整个定子绕组端部的固有频率，而出厂测试也证明该型机组带负荷运行中绕组端部将处于结构共振的状态。随着负荷的增加，绕组端部温度场的平均温度将不断增加，当温度增加产生的结构膨胀受到约束时，结构的固有频率将下降，这意味着负荷越高，结构的固有频率将越来越偏离冷态下的固有频率，即越来越远离100Hz的电磁激振力频率，结构的动态刚度将不断增加远离共振状态，因此振动随负荷增加而下降。

图3(a)为冷态下固有频率c0»100Hz，振动处于共振峰值，因此当机组励磁升压后，绕组端部的振动迅速升高，随着负荷的增加绕组端部的温度也不断增加，其固有频率开始降低，逐步偏离100Hz，如果二倍频电磁力保持不变，振动将逐步下降，但由于电磁力也随负荷增加，二者对振动的主要贡献交替呈现，在500MW负荷下，虽然固有频率已下降偏离100Hz，但由于电磁力的增加(图3(b))，振动仍然较大；当负荷继续增加，特别是达到700MW负荷以上，绕组端部的固有频率持续偏离100Hz，即使电磁力在不断增加，仍不能阻止振动的不断下降(图3(c))。6号机组在振动处理前，其发电机定子绕组端部实测振动趋势如图4所示。

由上述分析，如果在振动大的运行负荷段主动提高定子绕组端部温度场的整体温度，增加绕组端部结构膨胀受阻压力，必然会降低该结构的固有频率，使其远离发电机工作倍频，从而降低振动。考虑到超临界1000MW机组不投油最低稳燃负荷在400MW，机组在500~1000MW负荷段运行时间较长，且500~600MW附近振动最为剧烈，设计的验证试验在该负荷段下进行，通过改变定子冷却水入口温度和冷氢温度来改变发电机定子绕组端部的温度场。

3.1 试验方案

1）保持机组有功功率(511MW)、无功功率(136MV×A)，维持冷氢温度41℃。定子冷却水温度调整过程：保持定子冷却水进水温度45℃，测量记录数据；升高定子冷却水进水温度，23min后温度达到51℃，测量记录数据；保持定子冷却水进水温度51℃，30min后测量记录数据。

图3 随负荷增加固有频率及振幅变化示意图

图4 6号发电机线圈端部倍频振动趋势

2）保持机组有功功率(511MW)、无功功率(136MV×A)，维持定子冷却水进水温度51℃。冷氢温度调整过程：保持冷氢温度41℃，测量记录数据；升高冷氢温度，20min后温度达到45℃，测量记录数据；保持冷氢温度45℃，15min后测量记录数据。

3.2 试验结果分析

采用上述试验方案，在6号发电机上进行试验，数据经整理后，将定子冷却水温度改变前后定子绕组端部测点的径向振动列在表1中，将冷氢温度改变前后定子绕组端部测点的径向振动列在表2中。

分析表1和表2数据，得到以下结论。

1）当定子冷却水进水温度从45℃提升至 51℃时，二倍频振动较大的几个测点的振动值均有大幅度下降(表1)，如汽侧C相2点钟测点倍频振动下降56μm，说明定子冷却水进水温度对端部振动影响较为明显。当定子冷却水进水温度保持不变时，端部振动基本稳定。

2）当调整冷氢温度从41℃升到45℃时，二倍频振动较大的几个测点振动值均有所下降(表2)，如汽侧A相12点钟测点倍频振动下降18μm。说明冷氢温度对端部振动有一定的影响，但较定子冷却水进水温度的影响弱。

上述试验结果说明，在端部振动较大的负荷段，通过改变定子冷却水入口温度和冷氢温度，主动调整定子绕组端部的温度场从而改变结构内部的膨胀压力，进而改变绕组端部的固有频率，使其远离电磁激振频率，避开共振区，实现降低绕组端部振动的目的，该方法称之为“温度场热应力主动调频方法”。某6号发电机仅通过该方法，就将运行在全负荷段的绕组端部振动控制在150mm以下，确保了机组的安全运行。

表1 定子冷却水温度改变前后定子绕组端部测点径向振动

3.3 自适应温度控制逻辑

为实现根据发电机绕组端部振动自动调整定子冷却水温度、冷氢温度，避免运行人员持续手动操作不断寻找最佳运行参数点，在多台机组试验获得成功经验的基础上[12]，本文提出基于调整定子冷却水温度、冷氢温度的发电机绕组端部振动自适应调整控制逻辑，如图5所示，PID表示比例积分微分，PV表示检测值，SP表示设定值。为了使得端部振动达到最佳理想值，引入了串级控制方案。外回路检测端部振动，并通过闭环PID调节，其输出分别进入定子冷却水温与氢温调节回路。最终使得发电机的端部振动能够保证在最佳值附近运行。

表2 冷氢温度改变前后定子绕组端部测点径向振动

图5 温度自适应调整控制逻辑

4 结论

针对引进型大型发电机定子绕组端部振动超标问题，现场测试发现温度场变化可以降低定子绕组端部振动。通过两端固定-铰支直梁的例子，分析得到温度场变化对结构固有频率的影响机制。通过调整定子冷却水温度、冷氢温度改变定子绕组端部的固有频率，使其远离电磁激振频率，避开共振区，成功将定子绕组端部的振动控制在安全范围内。同时提出了基于温度场热应力的定子绕组端部振动控制方法，并设计主动调频控制逻辑，对于大型汽轮发电机的振动控制优化设计具有较大的参考意义和实用价值。

致 谢

本文试验工作是在上海电气电站设备有限公司发电机厂、广东国华粤电台山发电有限公司、广东珠海金湾发电有限公司等单位工作人员的大力支持下完成的，在此向他(她)们表示衷心的感谢。

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(责任编辑 车德竞)

Active Frequency Modulation Control of Turbo-Generator Winding End Vibration Based on Temperature Field Variation

LIU Shi1,2, WAN Wenjun1,2, GAO Qingshui1,2, YANG Yi1,2, ZHANG Zhengping1,2, XIA Xianliang3, GAN Chaoqi4, YANG Qunfa5, ZHANG Chu1,2, HUANG Zheng1

(1. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou 510080, Guangdong Province, China; 2. Guangdong Diankeyuan Energy Technology Co., Ltd., Guangzhou 510080, Guangdong Province, China; 3. Shanghai Electric Power Station Equipment Co., Ltd., Generator Factory, Minhang District, Shanghai 201100, China; 4. Guangdong Guohua Yuedian Taishan Power Generation Co., Ltd., Taishan 529200, Guangdong Province, China; 5. Guangdong Zhuhai Jinwan Power Generation Co., Ltd., Zhuhai 519000, Guangdong Province, China)

Aiming at the problem of excessive vibration of the stator end winding of the imported large turbo-generators, an active frequency modulation control method of the stator end winding vibration based on the change of temperature field was proposed. Taking the fixed-hinged straight beam as an example, the influence mechanism of temperature field on natural frequency of structure was studied, and a test plan was designed. The results show that by adjusting the temperature of the stator cooling water and cold hydrogen, the natural frequency of the stator end winding is far away from the electromagnetic excitation frequency and the resonance region is avoided, thereby effectively reducing the vibration of the stator end winding. Finally, the active frequency modulation control logic module based on temperature field thermal stress was developed, which provides a new method for controlling the vibration of the stator end winding of turbo-generator.

turbo-generators; stator end winding; temperature field; vibration control; active frequency modulation; adaptive control

2017-12-01。

刘石(1974)，男，博士，首席技术专家，研究方向为电力设备振动控制与故障诊断13925041516@139.com。

10.12096/j.2096-4528.pgt.2018.004