西安西電開關(guān)電氣公司張咪、張偉：發(fā)電機(jī)斷路器典型機(jī)械松動(dòng)異常振動(dòng)特性分析

為探究發(fā)電機(jī)斷路器機(jī)械松動(dòng)異常對(duì)振動(dòng)特性的影響，西安西電開關(guān)電氣有限公司的張咪、張偉在2025年第12期《電氣技術(shù)》上撰文采用三維有限元法構(gòu)建模型，通過仿真分析正常及典型機(jī)械松動(dòng)異常（螺紋連接松動(dòng)、銷軸松脫）工況的振動(dòng)響應(yīng)，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證。結(jié)果顯示，不同工況下斷路器固有頻率分布密集，前100階均在100 Hz以內(nèi)；螺紋連接松動(dòng)與銷軸松脫均為局部異常，對(duì)多數(shù)模態(tài)固有頻率及振型無顯著影響，僅改變部分階次（或局部）模態(tài)或產(chǎn)生新模態(tài)；異常工況加速度響應(yīng)趨勢(shì)與正常工況基本一致，但螺紋連接松動(dòng)工況在590 Hz處加速度值顯著增大，銷軸松脫工況出現(xiàn)部分峰值偏移。本文研究可為設(shè)備運(yùn)行過程中的振動(dòng)監(jiān)測(cè)、故障診斷和運(yùn)維提供理論基礎(chǔ)和參考。

隨著新能源電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，抽水蓄能電站作為電網(wǎng)削峰填谷的關(guān)鍵設(shè)施，其核心設(shè)備的可靠運(yùn)行備受關(guān)注。發(fā)電機(jī)斷路器承擔(dān)著通斷額定電流、切除故障電流的重要作用，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響電站乃至整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。由于工作環(huán)境復(fù)雜，且在分合閘過程中承受巨大操作功與沖擊力，發(fā)電機(jī)斷路器易出現(xiàn)振動(dòng)異常，進(jìn)而引發(fā)螺紋連接松動(dòng)、銷軸脫落等機(jī)械故障，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致設(shè)備停運(yùn)甚至電網(wǎng)事故。

振動(dòng)特性是評(píng)估電氣設(shè)備機(jī)械狀態(tài)的有效指標(biāo)，已有研究通過模態(tài)分析、振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試等方法，探究了高壓斷路器的動(dòng)態(tài)特性與故障關(guān)聯(lián)機(jī)制。有文獻(xiàn)提出一種譜形態(tài)變分模態(tài)分解聯(lián)合快速奇異值分解的降噪方法，用于對(duì)高壓斷路器機(jī)械振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)降噪。有文獻(xiàn)通過建立電磁-機(jī)械耦合模型，模擬不同工況下的應(yīng)力分布與振動(dòng)響應(yīng)，優(yōu)化觸頭間隙和磁場(chǎng)分布設(shè)計(jì)。有文獻(xiàn)提出一種基于改進(jìn)蜣螂優(yōu)化算法優(yōu)化深度混合核極限學(xué)習(xí)機(jī)的故障診斷方法，通過對(duì)高壓斷路器合閘振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，在模擬故障試驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了較高的故障診斷準(zhǔn)確率。

然而，針對(duì)發(fā)電機(jī)斷路器在典型工況（尤其是螺紋連接松動(dòng)、銷軸松脫等局部異常）下的系統(tǒng)振動(dòng)特性研究仍須深化，相關(guān)振動(dòng)規(guī)律與故障映射關(guān)系尚未完全明確。

為此，本文以發(fā)電機(jī)斷路器為研究對(duì)象，聚焦其典型機(jī)械松動(dòng)異常工況下的振動(dòng)特性。采用三維有限元法構(gòu)建設(shè)備精細(xì)化模型，仿真分析正常工況及螺紋連接松動(dòng)、銷軸松脫兩種典型異常工況的振動(dòng)響應(yīng)，并結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型有效性。通過提取固有頻率、振型及加速度響應(yīng)等關(guān)鍵參數(shù)，探究不同工況對(duì)斷路器振動(dòng)特性的影響規(guī)律，旨在為設(shè)備故障診斷提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 仿真模型建立

1.1 模型預(yù)處理

本文以100 kA大容量發(fā)電機(jī)斷路器為對(duì)象進(jìn)行仿真計(jì)算，額定電壓為24 kV。由于其裝配結(jié)構(gòu)復(fù)雜，進(jìn)行有限元分析須先完成預(yù)處理，主要解決4類問題：零部件裝配存在尺寸誤差或位置約束缺失，導(dǎo)致模型干涉或間隙；存在螺栓、螺母等對(duì)仿真結(jié)果影響極小的小部件；原始模型包含小孔、溝槽等細(xì)節(jié)特征；模型中存在輔助面、輔助線，導(dǎo)入有限元仿真軟件后生成多面體，影響計(jì)算性能等。

針對(duì)以上問題，預(yù)處理步驟如下：先刪除無關(guān)結(jié)構(gòu)，清理影響網(wǎng)格劃分的細(xì)節(jié)特征，再處理模型干涉與接觸間隙，最后適當(dāng)合并面、體。針對(duì)預(yù)處理后模型的多零部件，在相對(duì)固定零件間添加Bonded接觸，相對(duì)運(yùn)動(dòng)零件間添加No Separation接觸，共設(shè)置123對(duì)線性接觸。

1.2 網(wǎng)格劃分與載荷處理

由于發(fā)電機(jī)斷路器核心部件（滅弧室、連桿組件等）存在多曲面過渡、異形腔體及密集筋條等高度不規(guī)則幾何特征，若采用六面體網(wǎng)格需要進(jìn)行大量手動(dòng)切割，會(huì)顯著降低網(wǎng)格生成效率，還可能因切割面與受力邊界不重合引入幾何誤差。因此，本文采用Tetrahedrons方式生成四面體網(wǎng)格，通過Ansys Workbench的自動(dòng)域識(shí)別功能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的完整填充，既保留網(wǎng)格與實(shí)體模型的良好邊界貼合度，又能通過“曲率控制+尺寸漸變”策略對(duì)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行局部細(xì)化。

具體而言，結(jié)合零部件大小及網(wǎng)格數(shù)量控制原則，分別以50 mm（用于外殼、基座等較大部件）、25 mm（用于滅弧室殼體、絕緣支撐等）、10 mm（用于軸、連桿等內(nèi)部傳動(dòng)部件）的尺寸劃分網(wǎng)格，最終獲得918 865個(gè)單元、1 643 522個(gè)節(jié)點(diǎn)。部分網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1所示。

圖1、圖2

1.3 典型工況模擬

本文對(duì)正常工況、螺紋松動(dòng)、銷軸松脫3種工況進(jìn)行仿真模擬，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

1）螺紋松動(dòng)工況。螺紋連接松動(dòng)異常主要發(fā)生在各相下方傳動(dòng)機(jī)構(gòu)處，以C相為例，螺紋連接松動(dòng)工況設(shè)置如圖2所示，通過減小螺紋連接處剛度來對(duì)異常工況進(jìn)行模擬。在螺紋連接處建立一層2 mm的虛擬材料層，并將其彈性模量設(shè)置為正常材料（此處為結(jié)構(gòu)鋼）的1%，用來模擬松動(dòng)工況。

2）銷軸松脫工況。銷軸松脫主要發(fā)生在各相滅弧室內(nèi)的傳動(dòng)部件處，根據(jù)銷軸松脫會(huì)導(dǎo)致操作機(jī)構(gòu)不能拉動(dòng)動(dòng)觸頭的現(xiàn)象，采用取消銷軸與其相連部件之間的連接約束的方法來模擬異常工況。本文以A相為例，模擬銷軸松脫工況。

2 模態(tài)分析仿真結(jié)果

模態(tài)分析用于識(shí)別斷路器固有振動(dòng)特性，以判斷共振風(fēng)險(xiǎn)。在模態(tài)求解算法中，直接法通過對(duì)整體剛度矩陣和質(zhì)量矩陣進(jìn)行特征值分解，可精確提取中小模型的多階模態(tài)參數(shù)（固有頻率與振型），適用于包含復(fù)雜接觸關(guān)系（如螺紋連接、銷軸配合）的裝配體分析。考慮到本文研究的斷路器模型雖含多部件耦合，但整體自由度規(guī)模適中，且需準(zhǔn)確獲取前100階模態(tài)以覆蓋松動(dòng)異常可能激發(fā)的高頻振動(dòng)特征，因此采用直接法進(jìn)行模態(tài)分析。

2.1 固有頻率

各工況前100階固有頻率如圖3所示，可見斷路器各階固有頻率整體較小，前100階固有頻率均在100 Hz以內(nèi)。

圖3、圖4

2.2 振型分析結(jié)果

部分階模態(tài)振型如圖4所示。正常工況下，斷路器多數(shù)階模態(tài)振型的較大振幅區(qū)位于外殼體，相鄰三階固有頻率接近的振型相似，振幅較大區(qū)域依次出現(xiàn)在A、B、C三相（順序無規(guī)律，如4～6階為A、C、B相，79～81階為C、B、A相）；不同階固有頻率下，局部出現(xiàn)較大振幅，呈局部共振特征。

螺紋連接松動(dòng)工況下，多數(shù)階固有頻率及振型與正常工況基本一致，僅個(gè)別階固有頻率有小幅度變化（如正常工況第100階為99.119 Hz，螺紋連接松動(dòng)工況第100階為97.723 Hz，對(duì)應(yīng)振型差異明顯），且螺紋連接松動(dòng)工況第101階固有頻率（99.128 Hz）及振型與正常工況第100階基本一致。整體而言，螺紋連接松動(dòng)作為局部異常，對(duì)多數(shù)模態(tài)頻率和振型無影響，僅改變部分階（或局部）模態(tài)或產(chǎn)生新模態(tài)。

銷軸松脫工況第1階固有頻率為新增模態(tài)，其振型較大振幅區(qū)位于異常A相；第32～34階對(duì)應(yīng)正常工況第31～33階，振型較大振幅區(qū)出現(xiàn)順序改變且未涉及A相；其余多數(shù)階固有頻率及振型與正常工況基本一致。綜上所述，銷軸松脫作為局部異常，對(duì)多數(shù)模態(tài)頻率和振型無影響，僅改變部分階（或局部）模態(tài)或產(chǎn)生新模態(tài)。

3 諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析需要模擬加速度激勵(lì)下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，但難以直接在拉桿上施加加速度激勵(lì)。大質(zhì)量法可通過附加大質(zhì)量點(diǎn)，將加速度激勵(lì)等效轉(zhuǎn)換為力激勵(lì)（不影響結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性）。因此，本文對(duì)基座固定約束，在輸入端拉桿處設(shè)大質(zhì)量點(diǎn)并剛性連接，通過向質(zhì)量點(diǎn)施力實(shí)現(xiàn)激勵(lì)加載，通過剛性連接質(zhì)量點(diǎn)與拉桿，再在質(zhì)量點(diǎn)施加力將加速度傳遞給拉桿。

基于操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作、電網(wǎng)擾動(dòng)、機(jī)械松動(dòng)故障高頻振動(dòng)的特征，結(jié)合前述模態(tài)分析中100階以內(nèi)固有頻率的分布結(jié)果，諧響應(yīng)分析的頻帶范圍確定為0～1 000 Hz，以完整捕捉可能的共振區(qū)間。同時(shí)，考慮到模型包含螺紋松動(dòng)等非線性特征，完全法因無需截?cái)嗄B(tài)，可完整保留寬頻范圍內(nèi)的各頻率響應(yīng)信息，故采用該方法進(jìn)行計(jì)算（步長(zhǎng)10 Hz）。此外，選取各滅弧室頂部作為測(cè)點(diǎn)，以精準(zhǔn)捕捉松動(dòng)異常的敏感振動(dòng)特征。

由于實(shí)測(cè)誤差（環(huán)境干擾等）與仿真誤差（模型簡(jiǎn)化等）的存在，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果不可能完全一致，因此采用選擇峰值點(diǎn)的方式來對(duì)比其頻率是否接近。

3.1 正常工況

以A相為例，y方向（即底部傳動(dòng)拉桿軸向）振動(dòng)加速度實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比如圖5所示，對(duì)應(yīng)峰值所在頻率見表1。由圖5和表1可知，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果峰值所在頻率基本一致，偏差均在10 Hz以內(nèi)，且最大峰值均出現(xiàn)在480 Hz附近。此外，測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度在個(gè)別頻率處會(huì)出現(xiàn)較大峰值，此頻率可能是其局部模態(tài)頻率。

圖5、表1

3.2 螺紋連接松動(dòng)工況

螺紋連接松動(dòng)工況的計(jì)算方法與前述一致。取三相y方向振動(dòng)加速度結(jié)果，與正常工況的仿真結(jié)果對(duì)比如圖6所示。由圖6可知，螺紋連接松動(dòng)工況下的振動(dòng)加速度與正常工況下的變化趨勢(shì)基本一致，二者的差異主要體現(xiàn)為：螺紋連接松動(dòng)工況的振動(dòng)加速度最大值出現(xiàn)在590 Hz處，且該頻率下的加速度值顯著大于正常工況。

3.3 銷軸松脫工況

銷軸松脫工況的計(jì)算方法同前述一致。取三相y方向振動(dòng)加速度結(jié)果，與正常工況的仿真結(jié)果對(duì)比如圖7所示。圖7中，銷軸松脫工況下的振動(dòng)加速度與正常工況下的變化趨勢(shì)相似，二者的差異主要表現(xiàn)為：正常工況下480 Hz處的加速度峰值，在銷軸松脫工況下偏移至490 Hz處且數(shù)值增大。此外，因銷軸松脫異常設(shè)置于A相，由圖7（a）可見其在20 Hz處出現(xiàn)新峰值，結(jié)合模態(tài)分析結(jié)果可知，該新峰值系局部共振所致。

圖6-圖8

3.4 小結(jié)

斷路器3種工況下A相測(cè)點(diǎn)y方向的振動(dòng)加速度如圖8所示。分析可知，螺紋連接松動(dòng)時(shí)，590 Hz處的振動(dòng)加速度顯著增大；銷軸松脫時(shí)，松脫相（A相）在20 Hz處出現(xiàn)新的加速度峰值，且正常工況下480 Hz處的加速度峰值偏移至490 Hz。斷路器振動(dòng)信號(hào)的頻率特征與其結(jié)構(gòu)狀態(tài)關(guān)聯(lián)明確，異常工況表現(xiàn)為特定頻率幅值突變、峰值偏移或新頻點(diǎn)等。

針對(duì)上述分析結(jié)果，可為發(fā)電機(jī)斷路器監(jiān)測(cè)與運(yùn)維分析提供如下參考：

1）在線監(jiān)測(cè)方面，在螺紋連接、銷軸配合等關(guān)鍵部位部署高頻振動(dòng)傳感器（頻率響應(yīng)≥1 kHz），通過多傳感器數(shù)據(jù)融合降低環(huán)境干擾，提升故障定位精度。

2）數(shù)據(jù)分析方面，基于正常工況振動(dòng)信號(hào)建立三維特征基線（頻率-幅值-相位），采用3σ原則設(shè)定動(dòng)態(tài)閾值，對(duì)比峰值偏移、幅值變化及新頻點(diǎn)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行故障識(shí)別。

3）運(yùn)維方面，將振動(dòng)特征作為設(shè)備監(jiān)測(cè)關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)頻率偏移、幅值超標(biāo)等異常情況進(jìn)行識(shí)別，提前維護(hù)零部件，降低故障發(fā)生概率，提高設(shè)備運(yùn)行可靠性。

4 結(jié)論

本文通過建立發(fā)電機(jī)出口斷路器三維有限元模型，模擬分析了斷路器在不同機(jī)械松動(dòng)異常工況下的振動(dòng)特性，并與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出如下結(jié)論，為設(shè)備運(yùn)行過程中的振動(dòng)監(jiān)測(cè)、故障診斷和分析提供理論參考。

1）不同工況下，斷路器的固有頻率呈現(xiàn)密集分布特征，其前100階固有頻率均在100 Hz以內(nèi)。

2）螺紋連接松動(dòng)和銷軸松脫均屬于局部異常，二者對(duì)斷路器多數(shù)模態(tài)固有頻率和振型無顯著影響，僅會(huì)導(dǎo)致部分階次模態(tài)（或局部模態(tài)）發(fā)生變化，或促使新的模態(tài)產(chǎn)生。

3）異常工況下，加速度響應(yīng)曲線趨勢(shì)與正常工況基本一致，但螺紋連接松動(dòng)工況在590 Hz處的加速度值存在明顯增大現(xiàn)象，而銷軸松脫工況則表現(xiàn)出部分峰值偏移。

本工作成果發(fā)表在2025年第12期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“ 發(fā)電機(jī)斷路器典型機(jī)械松動(dòng)異常振動(dòng)特性分析 ”，作者為張咪、張偉。