CN85109518A - 电站发电机组扭振测试方法及设备 - Google Patents

Abstract

一种涉及机器转振动试验的电站发电机组扭振测试方法及设备相关器，采用发电机或变压器的任何一相通过加负载后接地或任何二相之间加负载作为激振手段，而拾振方法采用了二只拾振器，拾得的信号都接入相关器，经相关器的调解和相加后再输入扭振仪显示，这种的测试方法和专用设备的优点是能够减少负序电流，保证机组的安全，可测最低频率为15Hz左右，并能消除弯曲振动的成份，得到纯的扭振信号。

Description

本发明涉及机器转子振动试验，更具体地涉及一种电站发电机组扭振测试方法及设备相关器。

多年来汽轮机叶片的安全性只考虑它的低频振动需避开转速的整倍数，高频振动需避开喷咀的激振频率，但是近来许多资料表明，在某些条件下，由于输电网络故障引起的机组转子系统的扭振而产生较高的动应力，甚至会造成机组的强度薄弱环节，例如发电机和汽轮机之间的联轴节的剪断，而引起汽轮机飞车将叶片打断从而造成重大事故，产生重大经济损失。因此对电站发机组扭振的测试是非常必要的，又有重大经济效益。

做现场扭振试验时是利用发电机作为激振源，基本手段是使发电机承担不对称负载。当发电机在承担不对称负载时，由负序气隙旋转磁场与转子激磁磁势、以及由正序气隙旋转磁场与定子负序磁势所产生的二倍于转速的交变电磁力矩。该力矩将同时作用在转子转轴和定子机座上，从而使转子产生扭振。

现有的激振方法首先将机组与电网脱开，然后将升压变压器高压端中的一相直接短路接地。再把正常的励磁机的励磁电源断开，接上试验用的励磁系统。试验时，先使励磁为零，此时短路的一相电流较小，然后再逐步增加励磁，以便在发电机中达到所需要的负序电流，由此而产生的不平衡电流就会引起两倍于转速的交变扭矩作用到转子上。从而使转子产生扭振。为了确保机组安全，短路电流值应该低于发电机转子额定的负序电流值。但是为了保证得到可以测得出的扭振波形，又应该有足够大的短路电流。但是这种激振的方法有很多不足之处，首先是负序电流偏大。众所周知负序电流在气隙中产生逆转的旋转磁场，它给转子带来了额外的损耗。这些损耗包括在激磁绕组里感应的二倍转速附加电流所引起的损耗，以及在转子表面由于感应的涡流所产生的附加表损耗。所有这些损耗都属于I²R的性质，造成转子的温升。当局部接触电阻上升时，（如护环接触不均匀等），局部温度会有较大的升高。其次升压变压器后一相直接地的做法不安全，而且把与转子扭振无关的主变压器也接入了试验线路，增加了不安全因素。第三，由于励磁机发电的转速特性的限制，不宜做低频试验。

对于目前的拾振方法，为了测量扭振，研制了一种相对来说比较灵敏的扭振仪，它需要输入的信号是转速脉冲，这是利用一只磁性传感器和一个装在发电机转轴上的齿轮来产生所需要的脉冲信号的。当然也可以用光电传感器配合光通量的有无来达到同样的目的。齿轮的齿在通过磁性传感器时，在线圈中就感应出脉冲。转速不变时，脉冲频率也不变，如果此时轴发生扭振，那末传感器输出的将是转速与扭振的叠加信号。此时扭振信号对转速信号进行调制，从而得到了一个脉冲，它的频率是在平均频率附近进行变化的调频脉冲。由扭振仪将该调频信号进行介调，经积分后产生一个与扭角成正比的振动信号，这就是所需要的扭振信号，再配上其他相应的仪表后就可以进行观察、分析和记录了。

但是这种拾振方法，问题在于除了轴的扭振会产生调频脉冲外，由于转子残存不平衡引起的弯曲振动也会产生调频脉冲，因为弯曲振动同样会对转速信号进行调频，那末扭振仪输出的将是“弯-扭复合信号”将大大影响试验的精度。

本发明的目的在于寻求一种新的激振方法，从而降低试验时的负序电流，减少它给转子带来的额外的损耗并降低转子的温升。也要避免主升压变压器后一相直接接地的做法带来的不安全，再则也能进行低频试验。以避免主发电机励磁机对转速特性的限制。同时寻求一种新的拾振方法，它能达到消除在扭振试验中弯曲振动的成份，使输入扭振仪的信号，经介调后得到纯的扭振信号。

它是这样实现的，我们认为在理论上激起扭振的交变力矩是一种机械力矩，它的大小应与电功率有关，而不是仅仅取决于电流值。因而认为：为了确保机组安全，完全可以用外接负载，造成端电压升高，使电功率不变或增加的手段，来达到减少负序电流的目的。

我们设想可以在发电机输出端的任意二个相间加载R。若AC相间加负载R：

那末它的不平衡功率为：

W＝I×Z

＝I²[（Xa+Xc）²+（ra+rc+R）²]^1/2

此时的负序电流为：

$\mathrm{I\; =}\frac{1}{\sqrt{3}}I$

式中：Z-负载回路的阻抗。

I-负载电流。

Xa-A相的线圈电感。

Xc-C相的线圈电感。

ra-A相的线圈内阻。

rc-C相的线圈内阻。

R-负载内阻。

我们设想也可以在任何一相加负载后接地。若为A相加负载R：

那末它的不平衡功率为：

W＝I²×Z＝I²[X²a+（ra+R）²]^1/2

此时的负序电流为：

I＝ 1/3 I

在上述二种方法中R是纯电阻，也可以是感抗负载。

用上述二种方案的每一种都做了7种不同负载值的扭振试验（包括R＝O）。每次试验都是使实验台转子处于一阶扭振共振（16.0    HZ），最大扭角为1.6°的工况下测量所需的激振电气参数（不平衡电流、电压和电功率）。所有的数据列入表（1）。

由这些数据可知：

（1）在各种负载下，尽管负载电流I变化很大，负序电流I₂变化也大，但是使转子产生相同扭角的电动率基本不变（单相加载更是如此）。因此认为：使转子产生扭振的不平衡扭矩值取决于不平衡电功率值，而不是仅仅取决于不平衡电流值。因此证实了采用外加负载的办法，可以使负序电流I₂减小，而又不减少，甚至可以增加激发转子扭振的交变扭矩。

（2）此处所指的电功率是I²Z而不仅仅是有功功率I²R，因此认为外加负载可以是纯电阻的也可以是带有电感性质的。

根据上述结论，我们采用单相加载的方法在青山热电厂的7＃机5万KW汽轮发电机上做了扭振实例试验，并且取得成功。实际产生的负序电流较小，大大提高了试验机组的安全性。

该机按各类标准算出的许用负序电流值和试验时的实际使用值列于表（2）

7＃机额定电流I_H3440 A，I₂＝ 1/3 I_H

表（2）

对负载R的数值和形式应从下列几点来加以考虑：

（1）允许通过会产生4% I_H负序电流的负载电流。

（2）为了试验操作的安全起见，负载二端的电压控制在1000伏左右，并且使负载耗功所转换成的热量能够很好地散发出去。

（3）本装置需要能够根据不同的试验对象，调整负载电流和端电压。

（4）本装置应该重量轻、成本低，可以在各个电厂流动使用。

对于目前的拾振方法，由于是利用一只传感器和一个装在发电机转轴上齿轮来产生所需要的脉冲信号，再输入扭振仪，因而扭振仪输出的将是“弯-扭复合信号”，大大影响试验的精度;它可以用数学公式进行估计：

对于装在水平位置的传感器拾到的信号S（假设转速信号、扭振信号、弯曲振动信号都是呈正弦分布）

S＝asin（w₁t）+ja₂sin（w₂t）+ja_fsin（w₃t）

式中：a₁sin（w₁t）是轴的转速信号，

a₂sin（w₂t）是轴的扭转振动信号，

a_fsin（w₃t）是轴f-f方向的弯曲振动信号，

j表示该项旋转90°，所以w₂和w₃应旋转90°后才能算术相加。

对于转速信号a₁sin（w₁t）由扭振仪介调后去除，但是对ja₂sin（w₂t）+ja_fsin（w₃t）则不能自行去除w₃这一项，只能输出复合信号，必然影响测试精度。

为此我们想法并研究了一种“相关电路”，它能达到消除弯曲振动成分的目的。这是一种新的拾振方法：就是在一个装在发电机转轴上的齿轮旁侧装有二个固定在试验架上的拾振器，此二个拾振器均接入“相关器”，经“相关器”合成后变成一个信号输入扭振仪，经介调后可得到纯的扭振信号。

对于第一个拾振器所拾到的信号：

S＝a₁sin（w₁t）+ja₂sin（w₂t）+ja_fsin（w₃t）

由于弯曲振动w₃的方向是确定的，而转速w₁和扭振w₂的方向是顺时针或逆时针的，所以若对第一个拾振器定为w₁、w₂、w₃三者是相加的，那末对于第二个拾振器而言w就成为负值（反方向）的了，所以第二个拾振器所拾到的信号为：

h＝a^′ ₁sin（w₁t）+ja^′ ₂sin（w₂t）-j[a_fcos（180-α）+a·sin（180-α）]sin（w₃t）

式中a·是0-0方向轴的弯曲振动，当第一个拾振器处于水平位置时，a·是轴的水平弯曲振幅，

当第一和第二两个拾振器的相夹角α＝180°时则h＝a^′ ₁sin（w₁t）+ja^′ ₂sin（w₂t）-ja_fsin（w₃t）

“相关器”的作用是：

（1）输出信号i＝S+h。

（2）使两个拾振器信号敏灵度在幅值上相等，在相位上同相。

（3）对信号进行整形、限幅。

因为相关器使a^′ ₁＝a，a^′ ₂＝a₂且信号无相差。

所以i＝S+h＝2[a₁sin（w₁t）+ja₂sin（w₂t）]这样就达到了在扭振测量中消除弯曲振动影响的目的。由于“相关器”对于信号有整形和限幅的作用，所以输出信号i中的幅值部分2a₁和2a₂事实上是某一恒定值，何况扭振仪只对调频部分敏感，对输入信号幅值的变化是没有反映的，所以经扭振仪介调后，W₁消失，W₃在相关器后就不存在了，达到了输出扭振信号W₂的目的。

如果因为结构上的原因使二只拾振器之间的夹角α不能保持180°，那未随着α的减少，抵消弯曲振动的作用将逐步减小。当二只拾振器重合时（α＝0），其抵消弯曲振动的功能也消失了。

此外，同样由于结构上的原因不能使O-O在水平上时，本相关器的功能保持不变，仅此时a₀不再是水平振动，而是O-O方向的振动而已，为a₀方向垂直的af也同样不再是垂直振动，而是与O-O相垂直的f-f方向。所以本方法允许O-O与水平线成任意夹角。

如果二个拾振器的相位有微小的差异，是靠拾振器的机械安装角来调整相位的相同。也就是说二只传感器与齿轮的齿的相对位置，应严格保持一致，即在试验前静止时，一个拾振器是对着齿顶（或底）则另一个拾振器也应对着齿顶（或底）。

拾振器的传感头可以是电磁式的也可以是光电式的。

在新的拾振方法中为了使二只拾振器的信号相加、使二个拾振器信号敏灵度在幅值上相等、在相位上同相，并对信号进行整形和限幅。以达到在扭振测量中消除弯曲振动影响的目的，需要拾振的专用设备-相关器。

相关器构成是这样的：拾振器1、2两路信号分别输到相关器的二个插座，其中2号插座中已经把一根芯线接地，从而使2＃路相位固定，作为基准对1＃路的相位进行比较，而进入1号插座的二根信号芯线通过倒相开关可实现二根芯线中的任意一根接地，从而可根据与2＃路相位对比的情况，作出倒相与否的选择。在取得1＃、2＃信号同相后，信号分别经二个电位器的衰减到达测点，可以通过调节二个电位器，使1＃、2＃两路信号等幅。这样已实现两路信号同相和等幅的要求1＃路在电位器后分成二根线，其中一根线通过电阻后接地，而另一根线也接一个电阻，同样2＃路在电位器后也分成二根线，其中一根线通过电阻后接地，另一根也接一个电阻。对于1＃和2＃路其中一根线接电阻未接地的则互相连接后再通过一个电阻后接地，这样，在1＃和2＃路二根线的连接点上取得的分别是1＃和2＃路分压后的信号，而因为二路信号汇集于同一连接点上所以取得的是两路信号的相加，这几个电阻组成了加法器，由于加法器是用电阻组成的因此线性良好。这样上述的电路就可使二只拾振器的信号经过处理而得到纯正的扭振信号，也就是实现了新的拾振方法中数学公式表示的结果。

拾振器采用电磁传感头时，由于实际的测速范围很宽，从每分钟几十转到几千转，它在高速时输出的电压可近数百伏，这对后面的半导体电路是不利的，所以在二路信号连接点相加后再接入由一个电阻和双向二极管组成的保护电路。使得信号最大不会超过它们的限定值，再大则从双向二极管导通。然后输入斯密特电路，进行整形把信号变成规则的矩形波供扭振仪处理。相关器中还接有校正器，它能产生模拟的转速信号和扭振信号，供检查相关器和扭振仪工作是否正常用。还装有稳压电源使220伏的交流电转换成12伏的直流电源，以供给斯密特电路和校正器的工作电源。

本发明的优点是采用了发电机输出端单相加负载或相间加负载的激振新技术后能够减小负序电流、负载可以接在主变压器后也可不用主变压器、可测的最低频率为15Hz左右，使电机的损耗减少，试验安全可靠试验的频率范围也更为广泛。在拾振方法中采用了相关电路，能够达到消除弯曲振动成份的目的，经介调后得到纯的拾振信号，相关器是新拾振方法的专用设备，使用方便可靠。

本发明的拾振方法，即使用本发明的拾振器和相关器的拾振方法，除了对测试电站发电机组的扭振有效外，对测量任何其他机械的扭振，例如电动机、内燃机等的扭振也是同样有效的，这点是显而易见的不需再作进一步的解释。

图面说明：

附图一、是本发明的相间加载激振法电气原理图

附图二、是本发明的单相加载激振法电气原理图

附图三、是本发明的拾振技术原理图

附图四、是拾振器产生的脉冲信号示意图

附图五、是本发明的相关器电气原理图。

实施例一、相间加载激振法。

如图一所示，本实施例包括发电机[2]、发电机[2]内本身的励磁线圈[3]，而励磁线圈[3]外接试验励磁系统[8]和测试电流表，试验励磁系统[8]则由励磁机[4]、励磁机的励磁线圈[5]、调压变压器[6]和隔离变压器[7]所组成，发电机的中线接地，而在任意两相间如A、B相间加上负载[1]，这样在发电机由低速到高转速的过程中能激发引起扭振并使负序电流保持在允许值的范围内，并且相当安全。作为一种变换，负载可不接在发电机上，而接到变压器上，此时，发电机还是同变压器的初级线圈相接，而变压器的次级线圈中线接地，而在任意两相间如A、B相之间加上负载[1]。（这种接法图中未示出）。

实施例二：单相加载激振法。

如图二所示，本实施例基本与实施例一相同，只是不采用二相间加负载，而是单相例如B相接负载[1]，然后再接地，此方法与实施例一的效果相似，只是负序电流可更为小些。作为一种变换负载可以不接在发电机里而接到变压器里去，而是将变压器次级的一相接负载后再接地。（此种接法，图中未示出）

实施例三，采用相关电路的拾振法。

如图三所示，本实施例包括装在发电机（当然也可装在其它机械）转轴上的被测齿轮[9]、与齿轮[9]有很小间隙并固定在试验架上的拾振器[10]和[11]，二个拾振器相夹为角，拾振器[10]和[11]感受到的脉冲信号都接入相关器[12]，再由相关器[12]将二个信号相加、调解后输入扭振仪[13]，而扭振仪[13]输出所需要的转轴扭振信号，图4为拾振器[10]和[11]安排成在一条直径上，并相面对，拾到的信号输入相关器相加，调解后输入扭振仪[13]出现扭振波形。用此方法可以消除弯曲振动的成分，得到纯的扭振信号，提高了测试精度。

实施例四：专用设备相关器

如图五所示：由拾振器[10]和[11]来的二个信号输入本实施例的二个插座CK₁和CK₂，其中CK₂中已把一根芯线接地，从而使CK₂后的相位固定，而插座CK₁后的线路上接有倒相开关K₂，可实现进入插座CK₁的二根芯线中的任意一根接地，从而可根据与CK₂相位对比的情况，作出倒相与否的选择。在倒相开关K₂后的线路上接有电位器W₁、电阻R₂和R₁、监测插座CZ₂，插座CK₂后的线路上接有电位器W₁、电阻R₃、R₄、R₆、监测插座CZ₂，然后二条线路在R₁和R₃后相连接。通过调节二个电位器W₁和W₂，可使两路信号等幅，电阻R₁、R₃和R₆组成加法器：1路信号经R₁和R₆分压，在R₃和R₆的连接点上取得1路分压后的信号。2路信号经R₃和R₆分压，在R₃和R₆的连接点上取得2路分压后的信号，由于二路分压后的信号处在同一连接点，所以实现了两路信号的相加，由于加法器是用电阻组成的因此线性良好。相加后的线路通过电阻R₅双向二极管D_1.2、电容C₁、电阻R₇输入斯密特电路[17]，并接有电阻R₈、电容C₂、C₃，监测插座CZ₂，其中R₅和D_1.2组成了保护电路，信号经R₅降压到达D_1.2，使得信号最大不会超过它的限定值。共同四组这样相同的电气元件和线路，可供四点同时进行测试。相关器中还有一个校正器[16]，能产生模拟的转速信号和扭振信号，供检查相关器和扭振仪工作是否正常用，还装有稳压电源[15]，使220伏的交流电转换成12伏的直流电源，以供给斯密特电路和校正器的工作电源。

Claims (15)

1、一种涉及机器转子振动试验的电站发电机组扭振测试方法，包括对电站发电机组进行人工激振，由拾振器拾振，再由扭振仪测量和显示扭振频率。其特征在于所述的人工激振是在电站发电机组的输出端加接不平衡的负载[1]，而人为造成的激振。

2、如权利要求1所述的电站发电机组扭振测试方法，其特征在于所述的输出端是电站发电机的三相直接输出。

3、如权利要求1所述的电站发电机组扭振测试方法，其特征在于所述的输出端是指在发电机升压变压器后加接不平衡的负载[1]。

4、如权利要求2所述的电站发电机组扭振测试方法，其特征在于外接负载[1]可以加在发电机端出端A、B、C三相中的任意一相并同时接地，或加在发电机输出端A、B、C三相中的任意二相之间。

5、如权利要求3所述的电站发电机组扭振测试方法，其特征在于外接负载[1]可以加在发电机升压变压器输出端A  B、C三相中的任意一相并同时接地，或加在发电机升压变压器输出端A、B、C三相中的任意二相之间。

6、如权利要求1或2或3或4或5所述的电站发电机组扭振测试方法，其特征在于外接负载[1]可以是阻抗件也可以是感抗件。

7、如权利要求1或2或3或4或5所述的电站发电机组扭振测试方法，其特征在于拾振的方法是在被测齿轮[9]的旁侧有二个固定在试验架上的拾振器[10]和[11]。

8、如权利要求7所述的电站发电机组扭振测试方法，其特征在于拾振器[10]和[11]之间的最佳夹角α为180°。

9、如权利要求7所述的电站发电机组扭振测试方法，其特征在于拾振器[10]和[11]可以是磁电传感头也可以是光电传感头。

10、如权利要求7所述的电站发电机组扭振测试方法，其特征在于拾振的方法是拾振器[10]和[11]都接入相关器[12]，由相关器[12]的输出线路与扭振仪[13]连接，而扭振仪[13]将输出所需要的转轴扭振信号。

11、一种涉及机器转子振动试验的电站发电机组扭振测试中的拾振专用设备相关器，它包括稳压电源[15]、斯密特电路[17]及与之相连接的电器元件。其特征在于拾振器[10]和[11]接入相关器后，二路电气线路连接于一个结点上组成相加电路。

12、如权利要求11所述的拾振专用设备，其特征在于拾振器[10]和[11]的信号是输入到CK₁和CK₂二个插座，CK₂中已把一根芯线接地，插座CK₁后的线路上接有倒相开关K₂、电位器W₁、电阻R₂和R₁，插座CK₂后的线路上有电位器W₂、电阻R₃、R₄、R₅，然后二条线路在R₁和R₃后相连接再接入电阻R₅，以及与各元器件连接的电气线路。

13、如权利要求12所述的拾振专用设备，其特征在于还有监测插座CZ₁和CZ₂。

14、如权利要求12或13或14所述的拾振专用设备，其特征在于相加电路可以是四组也可以是其他多组。

15、如权利要求15所述的拾振专用设备，其特征在于还有校正器[16]。

Images