0 概述
近年来，旨在提高大型汽轮发电机组安全性、可靠性而开展的轴系扭振的研究正在深入进行。从扭振的角度讲，机组与电网是一个整体。可能造成汽轮发电机转子扭振的各种原因中，多数是来自电力系统的扰动。这些扰动可分为对称的与不对称（也可称为平衡的与不平衡的），例如：三相自动快速重合闸、两相短路或接地、单相接地、断线等则属不对称扰动，按扰动动作用的时间又有瞬态和持续之分，所有的线路切合都是瞬态作用，三相不对称运行在负序电流较小的情况下是持续作用，与此类似的还有远距离输电采用的串联电容补偿这类特殊运行方式。对于机组轴系的扭振，除了以上这些出自电气系统的原因外，汽轮机本身调速系统的扰动，如甩负荷、快关等，也是一个直接而重要的扰动源。
电力系统的瞬态扰动是以直流分量为主，使作用在转子上的扭矩发生阶跃变化；调速系统的扰动与此类似，持续作用施加于转子上的则是交变扭矩，能产生低频振动（＜工频）或高频振动（＞工频）。
上面所有这些作用能对汽轮发电机转子强度产生影响的，除了首先取决于扰动种类和性质外，其次还取决于转子轴系本身的机械特性。轴系是一个弹性体，因而它的固有频率和响应是首要的特性参数，这是最终所要进行的应力分析和疲劳寿命估算的基本参数。
1 轴系扭振固有频率的现场测试
计算确定轴系扭振固有频率和响应，已经从集中质量法发展为连续分布质量法，这种方法可以计及叶片与转轴的耦合作用而准确地计算出低阶（＜50 Hz）和高阶（100～120 Hz）的频率和振型，与计算方法并列发展起来的试验方法同样用来确定固有频率，并可验证计算方法。试验可在制造厂的单转子上进行，也可在电站现场的整根轴系上进行。
1．1 现场试验的机理
为了根据响应测出各阶固有频率，必须人为地激起轴系的扭转振动，这样做实际上是在模拟前述的电力系统有害的扰动或那些扰动类型。激振方法同样可以按作用时间分为瞬间和持续的，按电气性质可分为平衡与不平衡。例如：采用三相平衡的线路开关切合，失磁对轴系所造成的是瞬间冲击力矩，可以测出系统的低阶固有频率。采用单相线路切合，或将并网机组开关切换到另一个单相开路的平行线路上，可以测出高阶固有频率。这些瞬间阶跃激振通常只用来测定固有频率，不能测出响应。全面的测定需要可持续作用的三相不对称法，即负序电流法，利用负序磁场以两倍转速旋转的两倍交变扭矩激振转子。从电气故障反推可以知道，能使定子中出现负序磁场的方法是多种的，就线路接线方式而言，可以单相接地，或加电阻或电感负载；两相短路，或加电阻或电感负载。其实施地点，可在发电机出口处，或在升压变压器（主变）高压侧，还可在高压厂用变高压侧。多数用备用励磁机或其它形式直流电源向发电机转子磁场供电也可不加任何励磁电压而仅依靠剩磁。具体采用激振方式，必须考虑被测机组的安全及有关电气系统的特定参数。
扭振测量系统是利用轴系上几个不同轴向位置的齿轮，用电磁传感器拾取信号送至扭振仪，也用应变片和加速度计作为一次测量元件的。试验后对振动信号频谱分析，就可确定系统的扭振固有频率。
1．2 试验方法及过程
1．2．1 试验测点的布置试
验中在机组轴系的3个断面布置了测点：
（1）测速齿轮（机头），60齿，磁阻式传感器1只。
（2）盘车齿轮，3瓦处，180齿，磁阻式传感器1只。
（3）主励磁机前对轮特别加装的齿轮，磁阻式传感器2只，呈180°，对面，水平安装。
1．2．2试验仪器
（1）TV1扭振测量仪（英国产）。
仪器输出与角位移成正比的扭振信号，为2通道输入，测取的扭振频率范围为10～500 Hz，测试精度在40～500 Hz内为0．05级。
（2）TEACCS－XR7000磁带记录仪。
生产厂家：日本TEAC公司，21通道，试验选取带速为19．0 cm／s，频响范围：0～5 kHz。
（3）WCA数据分析系统。
生产厂家：美国ZONIC公司，24通道同步数采、同步实时频谱分析，信号频率上限：5 kHz。
1．2．3 激振方式
镇海发电厂5号汽轮发电机组扭振试验采用扫描激振的不对称电气激振法，即在发电机出口处人为制造稳态不对称短路，然后改变机组转速，由定子负序电流产生的负序磁场同转子励磁（旋转）磁场相互作用，获得一个两倍于转速频率的交变电磁转矩，这个转矩通过气隙作用到机组轴系上，从而获得不同的激振频率，同时测量记录轴系扭振响应，即可确定其扭振固有频率和振型。
1．2．4 试验步骤及过程
（1）升速试验
机组按常规冲转，同时开始测量升速过程发电机空载扭振特性。中速暖机后升速至3000 r／min，并网数小时后解列，然后按每分钟70r／min的升速率升速至3240r／min，打闸降速至500r／min。
（2）负序电流为5％升、降速试验
1）电气操作，合上主变中性点接地刀闸和主变高压测A相开关，并使励磁系统处于热备用状态；
2）汽轮机以70r／min的升速率从500r／min升至3240r／min，同时手动调节励磁电流，使发电机出口电流维护750 A；
3）汽轮机从3240r／min降至500r／min，手动调节励磁电流，使发电机出口电流维持750 A。
（3）负序电流为6％升、降速试验
1）电气操作，合上主变中性点接地刀闸和主变高压测A相开关，并使励磁系统处于热备用状态；
2）汽轮机以70r／min的升速率从500r／min升至3240r／min，同时手动调节励磁电流，使发电机出口电流维持900 A；
3）汽轮机从3240r／min降至500r／min，手动调节励磁电流，使发电机出口电流维持900 A。
2 试验数据分析
数据分析工作是在WCA数据分析系统上进行的。主要对无负序电流升降速过程、加负序电流的升降速过程及机组并网过程的测点1、2、3的记录信号作了分析。
所测定的5号机组15～110 Hz范围内的固有频率值如表1，表中同时给出北京重型机械厂生产的200 MW机组扭振固有频率的理论计算值。
从表1可知机组实测扭振固有频率值与理论计算值基本一致。其第七阶固有频率（103 Hz）偏小，不符合固有频率避开率±7 Hz的要求。
3 试验结果讨论
从原理上讲，扭振试验并非很复杂，但这种现场试验又具有一定的难度，其原因归纳以下几点：
（1）测点位置受现场限制。扭振信号的拾取，必须在有齿轮的断面拾取，或者在贴有等距离反光带的地方用光电拾振器拾取。为了提高测试的可靠度，希望这些测点都是在振幅最大处。但实际条件往往相反，测点经常处于节点附近，这样，所测得的响应也随之大幅度地减小。
（2）扭振试验中激振方式是一个重要环节。如前所述，方法是多种多样的，瞬态阶跃激振和持续强迫激振可激起不同范围的固有频率，这将因输入到系统内的能量大小而异。单就阶跃激振讲，响应也并非都是一样的。
当采用负序电流做持续激振时，发电机输入到轴系的倍频扭矩M正比于负序电流I的平方，即I保持恒定时，M应是定值。但试验表明：轴系的响应除与输入的能量有关外，还与自身的扭振特性有关。
根据轴系在试验中的扭振响应去评价各种激振方法的优劣时必须注意到，轴系扭振的响应大小与试验机组多方面的情况有着密切的关系。而现仍未知的复杂关系，仅以数次试验的粗略对比进行评价往往是不全面的，未进行条件严格的对比性试验，又无可靠的理论分析，则无从断言某些激振方法优于另一些方法。
数据分析的同时还发现，在整个测试频率范围内，表1中各阶频率的响应是不一样的，一阶频率19 Hz的响应最大，其余都小。西屋公司在90万kW核电机组上的试验，同样观察到这个现象。
（3）大型汽轮发电机主轴往往具有较高的扭转刚度，扭振时角位移很小，尤其是对于高阶振型，给测试和分析工作带来很多困难。
据报道，国外在一些典型机组的扭振试验中，往往采用多种激振方法和多种测试方法同时进行，相互参考和验证。测试方法中除了可用磁电式传感器外，还可用光电拾振器，或有无线电发射机的应变仪，这样不但可测出固有频率，还可直接测得应变片所在截面的应力应变值。
（4）从对镇海电厂5号机组的测试可以看出：
目前采用的试验方法基本上是成功的，所确定的频率都具有较高的可靠性。但某些技术问题尚待进一步解决，使试验技术更加完善。例如响应的准确测定、测试系统所受到的电气干扰、机械干扰的排除和识别等。
4 结论
（1）镇海发电厂5号机组扭振试验是成功的，测试的数据与理论计算基本吻合，试验结果是可信的。
（2）镇海发电厂5号机组扭振试验测试的结果看：该机型的固有频率（103 Hz）已落入不安全的范围。虽然轴系的扭转应力水平和扭振固有频率不是一回事，但至少已说明存在不安全的因素，这应当引起注意。
（3）利用测试的频率和响应，结合可靠的计算方法，便可以估算各种电气扰动和机械扰动在转子关键部位（或部件），例如连轴节、叶片所产生的作用。
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