为什么把“端绕组振动”当成要攻克的关键点

高压电机（3kV/6kV/10kV 及以上）在长期运行中最常见的机械性绝缘损伤之一就是**定子端绕组（end-winding）**因振动引起的磨损、疲劳开裂和导体绝缘破坏。端绕组位于槽口之外、呈悬臂状，是电机内部受约束最弱、受电磁力和机械力耦合最大的部分。近年来多个工业事故说明：端绕组振动一旦进入共振或长期震荡状态，能在数月到数年内造成绕组绝缘严重损坏并引起大修甚至巨额停产损失。实践与研究均强调端绕组支持设计、模态分析与在线监测的重要性。

一、端绕组振动的成因（工程化拆解）

端绕组振动并非单一因素导致，而是几类力与边界条件叠加的结果。主要成因包括：

1. 电磁力（电磁激励）

   • 在电机运行时，定子绕组承受主磁场与谐波场产生的瞬时电磁力，尤其在短路、过电流或谐波含量高时，端绕组受不对称电磁力成分影响显著。

2. 机械共振/模态（结构动力学）

   • 端绕组作为悬臂梁，会有固有模态（自由振频率）；当运行频率或电磁激励频谱接近这些模态时，会发生放大响应（共振），导致振幅急剧上升。研究指出，设计不良或老化的支撑系统经常导致共振问题。

3. 流体/风力激励与热膨胀

   • 风冷通道中气流脉动、冷却风扇非匀速等会引入周期力；长期热循环也会改变约束力与接触刚度，从而改变固有频率并引发振动问题。

4. 制造与装配缺陷

   • 端绕组支撑件裂纹、带箍松动、环氧或粘接失效、端部布置不工整等都会降低支撑刚度或引入接触摩擦噪声，从而诱发或放大振动。

二、为何要优先做端绕组振动分析？工程后果（实务视角）

• 绝缘疲劳与表面破损：端绕组局部摩擦或相互撞击会剥蚀漆包线及槽口过渡绝缘，产生放电通道与跟踪（tracking）。

• 逐步恶化的循环效应：振动导致绝缘破损 → 局部电场畸变/放电 → 局部发热与化学分解 → 绝缘进一步弱化 → 振动更易造成损伤。

• 检修成本高且停产风险大：定子绕组修复（VPI 重新完全浸渍或重绕）为大修项目，停机时间长、成本高。某些事故案例显示单次端绕组失效可能导致数千万美元的连锁损失。

三、如何检测端绕组振动（可落地的量测与诊断流程）

3.1 目标：把“看得见 / 量得出 / 趋势化”三件事做到位

• 看得见：利用热像、摄像与声学定位快速发现异常位置。

• 量得出：用加速度计/位移计/应变计测出频谱、幅值与模态。

• 趋势化：建立长期数据库以识别逐步退化与临界共振移位。

3.2 必备仪器（现场配置清单）

• 三轴加速度计（带高采样率，带宽至少 0–2 kHz）× 若干（端绕组关键点）

• 非接触位移传感器（激光位移计）× 若干（测量峰值位移）

• 示波器/FFT 分析仪或便携式振动分析仪（带同步触发）

• 冲击锤（带力传感器）用于模态测试

• 红外热像仪与便携超声探测器（用于辅助定位）

• 数据记录器（能记录连续 24/7 并上传 SCADA）

3.3 典型测点与安装建议

• 在定子端绕组顶部、前端支撑点、拉带与箍环处各布置 1 只加速度计（建议至少每相端绕组四周 4–6 点布局以获取模式）

• 位移计对准绕组自由端的最大运动方向（常为径向或轴向）

• 冲击锤试验：在停机时以冲击锤在多个点施击，记录加速度响应并进行模态识别（确定第一几阶固有频率）

3.4 测量范例与阈值（工程建议）

基于行业经验与文献，针对端绕组我们推荐关注的频段多为 20–400 Hz（取决于结构），主要看两类参数：振动位移峰值与振动加速度谱。实际阈值应与机型制造商约定，但可参考以下工程指南（作为判别起点）：

• 端绕组自由端径向位移峰值 > 0.2 mm pk-pk（连续运行情况下）需警告并调查；

• 对于加速度，某些研究建议当端绕组关键点在某一模态频率处出现加速度幅值突然上升（倍增）时视为危险信号（需立即检查支撑与模态）。

注：具体阈值受机型与支撑结构差异很大，以上为工程经验起点；请将测量结果比对出厂模态试验或仿真基线。

四、量化示例：简化动力学估算（帮助工程直观判断风险）

为使概念更具体，这里给出简化单自由度模型的量化示例（仅作工程估算示范，现场请用 FEM/模态测试精确化）。

模型假设（端绕组等效为悬臂梁/单质量 m 与等效刚度 k）

• 取等效质量 $m = 1.5\ \mathrm{kg}$（若端绕组组块较大取 1–3 kg 范围）；

• 取等效刚度 $k = 1.0\times10^5\ \mathrm{N/m}$（示例刚度，实际需测量或由 FEM 得出）。

计算固有频率 $f_n$：

$$f_n=\frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{m}}$$

逐步计算（显示具体数值）：

• 计算 $k/m = 100000 / 1.5 = 66666.66666666667$（单位：s⁻²）。

• 开方 $\sqrt{66666.66666666667} \approx 258.198889747$.

• 除以 $2\pi$： $f_n \approx 258.198889747 / (2\pi) \approx 41.09\ \mathrm{Hz}$。

结果：示例固有频率约 41.1 Hz（说明端绕组在该附近频率会有高响应风险）。

估算共振时位移放大（若有谐波电磁力以频率接近 f_n）：

• 设激励谐波力幅值 $F_0 = 50\ \mathrm{N}$（示例），静态变形 $X_{st} = F_0/k = 50/100000 = 0.0005\ \mathrm{m} = 0.5\ \mathrm{mm}$。

• 若阻尼比 $\zeta = 0.02$（工程上端绕组阻尼可能很小），共振放大近似值 $X_{res}\approx X_{st}/(2\zeta)$。

  • 计算 $X_{res} = 0.0005/(2*0.02) = 0.0005/0.04 = 0.0125\ \mathrm{m} = 12.5\ \mathrm{mm}$。

工程解读：若结构真的在近 41 Hz 被持续谐波力激励，理论上得到的位移可能变为数毫米到十几毫米，足以造成绝缘碰撞与严重损伤。虽然实际系统有更多阻尼与多自由度限制，数值仍说明共振带来的放大效应极危险，必须在设计与运行阶段避免激励频率与固有频率接近。

以上计算为示例估算，具体项目请采用 FEM 模态分析并结合冲击锤实测数据验证固有频率与阻尼。

五、工程化治理（设计阶段与既有机组的改造手段）

5.1 设计阶段（“从源头杜绝”）

1. 端绕组支撑设计

   • 在设计时采用刚性好、能承受电磁冲击的端部支撑（玻璃纤维杆、环氧浇注环、机械箍），并设计多个支撑点以缩短自由悬臂长度。

2. 端部电磁力分散

   • 优化绕组端部几何与绕组布局，减少不对称电磁力集中。

3. 材料与粘接工艺

   • 采用 VPI（真空压力浸渍）+ 高温固化树脂以提高结构一体性与阻尼。

4. 模态设计

   • 在设计阶段进行 FEM 模态分析，确认自然频率不与主要激励频率（例如供电频率的倍频、机械谐波等）重合，必要时通过改变刚度或质量避开危险带。

5.2 既有机组改造（实战可行项）

1. 加装或修复端绕组支撑

   • 在停机时安装或更换玻纤支撑棒、端部箍带或复合支撑套件；使用环氧粘接与夹紧结合的方法提高刚度。

2. 端绕组箍带与阻尼件

   • 对端绕组施以高强度箍带并在箍带与绕组间加装橡胶/聚氨酯阻尼垫，增加阻尼并减少相互撞击。

3. 局部加固与填充

   • 使用可脱卸的阻尼填料（在不影响冷却的前提下）填充端绕组孔隙，减少自由振动空间。

4. 替换老化固定件与加固连接

   • 更换老化箍条、螺栓并加注树脂或采用机械型夹具防松。

六、施工与改造的可执行SOP（停机施工示例）

目的：在一次停机检修中，为既有高压电机实施端绕组支撑改造与阻尼增强（示例流程）。

1. 准备阶段

   • 获取电机装配图、端绕组布置图、原厂改装手册；准备工具与材料（玻纤棒、环氧树脂、阻尼垫、箍带、扭矩扳手）。

   • LOTO（断电挂牌锁定）、环境清洁、干燥室温控制。

2. 拆检与评估

   • 拆下端盖/护罩，检查现有支撑、箍带、涂层与树脂状态；记录老化与裂纹位置；拍照归档。

   • 在现场做简单击打模态确认（用冲击锤轻击不同点，测加速度响应频谱），确认改造需要针对的模态频率。

3. 实施改造

   • 清理端绕组表面，去除松散漆膜与碳粉；用有机溶剂轻擦（注意防火与通风）。

   • 固定新型玻纤支撑：按设计位置装入预切割支撑棒并做机械夹紧。

   • 对接触面涂布薄层弹性阻尼垫并安装箍带，箍带扭矩按材料要求均匀紧固（记录每颗螺栓扭矩值）。

   • 对需要注树脂处进行封闭与注树脂（VPI 级树脂或现场固化环氧），并做固化处理（按温度曲线）。

4. 验收与初始化测试

   • 固化完成后进行静态检查（无松动、间隙符合设计），安装传感器（加速度计、位移计）。

   • 进行空载低速运行检测，采集振动谱；再做满载运行检测，确认峰值降低且无共振放大。记录数据并归档。

5. 交付与培训

   • 提交改造报告、材料清单、测量曲线；对运维人员进行现场培训（检查要点、定期维护周期）。

七、在线监测与运维策略（把问题变成可持续管理）

1. 在线采集：在端绕组关键点固定三轴加速度计并将数据上传 SCADA，设置自动频谱分析与模态指标监测（如某频点幅值变化率）。

2. 告警逻辑：设定两个级别告警：预警（频谱幅值较基线上升 30% 或位移接近阈值）与严重（上升 > 100% 或达到位移阈值）。

3. 周期巡检：每季度拍照、测温、检查支撑件紧固；每年做一次冲击锤模态复测以确认固有频率变化（若固有频率下降 >5% 说明刚度退化）。

4. 维保记录：建立端绕组“健康档案”（振动谱、修复记录、树脂批次等）用于长期寿命预测与决策支持。

八、案例（实战摘要，说明效果）

项目背景（某热电厂）：一台 6 kV、5 MW 高压发电机运行若干年后出现间歇性端绕组火花与局部绝缘剥落。
诊断：在线振动监测显示 60 Hz 附近二次谐波峰值增加，冲击锤实测端绕组第一模态位于 58 Hz，与电网谐波叠加导致放大。
处理：在端绕组安装多点玻纤支撑棒+阻尼垫，并用局部 VPI 修复端部粘结。
结果：经 12 个月连续监测，端绕组振动峰值降 65%，局部放电及磨损事件停止，避免一次大修，估算直接节约数百万元停产损失。

九、经济性与决策支持（投资回收逻辑）

• 改造成本：端绕组支撑改造（材料+人工+VPI 简修）通常为整机小修费用的一部分，举例：中大型机组改造在数万至数十万人民币区间（视范围）。

• 避免的大修成本：若出现绕组破坏需全面翻修/重绕，成本可达数十万至百万级别，且伴随长时间停产。

• 结论：对关键机组而言，投资在支撑改造与在线监测上通常能在 1 年内通过减少检修停机与延长绕组寿命收回成本。

给运维经理的一页清单

为把端绕组振动风险工程化、可控化，西安西玛电机建议客户按以下六项立即推进：

1. 基线建立：对所有关键高压电机做端绕组振动模态基线与振动谱记录（含冲击锤测试）。

2. 在线监测部署：在端绕组关键点安装加速度计并接入数据采集系统，设定告警规则。

3. 优先改造试点：对存在高谱峰或已出现轻微绝缘损伤的机组实施支撑加固试点。

4. 设计改进清单：新机设计要求端绕组支撑与模态分析作为出厂条件（FAT）项。

5. 检修 SOP 标准化：把支撑检查、箍带预紧与树脂品质检验纳入常规检修清单。

6. 培训与备件：培训运维人员识别端绕组振动征候，备齐支撑材料、阻尼垫与测量仪器。