西安西电开关电气公司张咪、张伟：发电机断路器典型机械松动异常振动特性分析

为探究发电机断路器机械松动异常对振动特性的影响，西安西电开关电气有限公司的张咪、张伟在2025年第12期《电气技术》上撰文采用三维有限元法构建模型，通过仿真分析正常及典型机械松动异常（螺纹连接松动、销轴松脱）工况的振动响应，并与实测数据对比验证。结果显示，不同工况下断路器固有频率分布密集，前100阶均在100 Hz以内；螺纹连接松动与销轴松脱均为局部异常，对多数模态固有频率及振型无显著影响，仅改变部分阶次（或局部）模态或产生新模态；异常工况加速度响应趋势与正常工况基本一致，但螺纹连接松动工况在590 Hz处加速度值显著增大，销轴松脱工况出现部分峰值偏移。本文研究可为设备运行过程中的振动监测、故障诊断和运维提供理论基础和参考。

随着新能源电力系统的快速发展，抽水蓄能电站作为电网削峰填谷的关键设施，其核心设备的可靠运行备受关注。发电机断路器承担着通断额定电流、切除故障电流的重要作用，其运行状态直接影响电站乃至整个电网的安全稳定。由于工作环境复杂，且在分合闸过程中承受巨大操作功与冲击力，发电机断路器易出现振动异常，进而引发螺纹连接松动、销轴脱落等机械故障，严重时可能导致设备停运甚至电网事故。

振动特性是评估电气设备机械状态的有效指标，已有研究通过模态分析、振动响应测试等方法，探究了高压断路器的动态特性与故障关联机制。有文献提出一种谱形态变分模态分解联合快速奇异值分解的降噪方法，用于对高压断路器机械振动信号进行自适应降噪。有文献通过建立电磁-机械耦合模型，模拟不同工况下的应力分布与振动响应，优化触头间隙和磁场分布设计。有文献提出一种基于改进蜣螂优化算法优化深度混合核极限学习机的故障诊断方法，通过对高压断路器合闸振动信号进行处理，在模拟故障试验平台上实现了较高的故障诊断准确率。

然而，针对发电机断路器在典型工况（尤其是螺纹连接松动、销轴松脱等局部异常）下的系统振动特性研究仍须深化，相关振动规律与故障映射关系尚未完全明确。

为此，本文以发电机断路器为研究对象，聚焦其典型机械松动异常工况下的振动特性。采用三维有限元法构建设备精细化模型，仿真分析正常工况及螺纹连接松动、销轴松脱两种典型异常工况的振动响应，并结合实测数据验证模型有效性。通过提取固有频率、振型及加速度响应等关键参数，探究不同工况对断路器振动特性的影响规律，旨在为设备故障诊断提供理论依据与技术支撑。

1 仿真模型建立

1.1 模型预处理

本文以100 kA大容量发电机断路器为对象进行仿真计算，额定电压为24 kV。由于其装配结构复杂，进行有限元分析须先完成预处理，主要解决4类问题：零部件装配存在尺寸误差或位置约束缺失，导致模型干涉或间隙；存在螺栓、螺母等对仿真结果影响极小的小部件；原始模型包含小孔、沟槽等细节特征；模型中存在辅助面、辅助线，导入有限元仿真软件后生成多面体，影响计算性能等。

针对以上问题，预处理步骤如下：先删除无关结构，清理影响网格划分的细节特征，再处理模型干涉与接触间隙，最后适当合并面、体。针对预处理后模型的多零部件，在相对固定零件间添加Bonded接触，相对运动零件间添加No Separation接触，共设置123对线性接触。

1.2 网格划分与载荷处理

由于发电机断路器核心部件（灭弧室、连杆组件等）存在多曲面过渡、异形腔体及密集筋条等高度不规则几何特征，若采用六面体网格需要进行大量手动切割，会显著降低网格生成效率，还可能因切割面与受力边界不重合引入几何误差。因此，本文采用Tetrahedrons方式生成四面体网格，通过Ansys Workbench的自动域识别功能实现复杂结构的完整填充，既保留网格与实体模型的良好边界贴合度，又能通过“曲率控制+尺寸渐变”策略对关键区域进行局部细化。

具体而言，结合零部件大小及网格数量控制原则，分别以50 mm（用于外壳、基座等较大部件）、25 mm（用于灭弧室壳体、绝缘支撑等）、10 mm（用于轴、连杆等内部传动部件）的尺寸划分网格，最终获得918 865个单元、1 643 522个节点。部分网格划分结果如图1所示。

图1、图2

1.3 典型工况模拟

本文对正常工况、螺纹松动、销轴松脱3种工况进行仿真模拟，对计算结果进行分析。

1）螺纹松动工况。螺纹连接松动异常主要发生在各相下方传动机构处，以C相为例，螺纹连接松动工况设置如图2所示，通过减小螺纹连接处刚度来对异常工况进行模拟。在螺纹连接处建立一层2 mm的虚拟材料层，并将其弹性模量设置为正常材料（此处为结构钢）的1%，用来模拟松动工况。

2）销轴松脱工况。销轴松脱主要发生在各相灭弧室内的传动部件处，根据销轴松脱会导致操作机构不能拉动动触头的现象，采用取消销轴与其相连部件之间的连接约束的方法来模拟异常工况。本文以A相为例，模拟销轴松脱工况。

2 模态分析仿真结果

模态分析用于识别断路器固有振动特性，以判断共振风险。在模态求解算法中，直接法通过对整体刚度矩阵和质量矩阵进行特征值分解，可精确提取中小模型的多阶模态参数（固有频率与振型），适用于包含复杂接触关系（如螺纹连接、销轴配合）的装配体分析。考虑到本文研究的断路器模型虽含多部件耦合，但整体自由度规模适中，且需准确获取前100阶模态以覆盖松动异常可能激发的高频振动特征，因此采用直接法进行模态分析。

2.1 固有频率

各工况前100阶固有频率如图3所示，可见断路器各阶固有频率整体较小，前100阶固有频率均在100 Hz以内。

图3、图4

2.2 振型分析结果

部分阶模态振型如图4所示。正常工况下，断路器多数阶模态振型的较大振幅区位于外壳体，相邻三阶固有频率接近的振型相似，振幅较大区域依次出现在A、B、C三相（顺序无规律，如4～6阶为A、C、B相，79～81阶为C、B、A相）；不同阶固有频率下，局部出现较大振幅，呈局部共振特征。

螺纹连接松动工况下，多数阶固有频率及振型与正常工况基本一致，仅个别阶固有频率有小幅度变化（如正常工况第100阶为99.119 Hz，螺纹连接松动工况第100阶为97.723 Hz，对应振型差异明显），且螺纹连接松动工况第101阶固有频率（99.128 Hz）及振型与正常工况第100阶基本一致。整体而言，螺纹连接松动作为局部异常，对多数模态频率和振型无影响，仅改变部分阶（或局部）模态或产生新模态。

销轴松脱工况第1阶固有频率为新增模态，其振型较大振幅区位于异常A相；第32～34阶对应正常工况第31～33阶，振型较大振幅区出现顺序改变且未涉及A相；其余多数阶固有频率及振型与正常工况基本一致。综上所述，销轴松脱作为局部异常，对多数模态频率和振型无影响，仅改变部分阶（或局部）模态或产生新模态。

3 谐响应分析

谐响应分析需要模拟加速度激励下的稳态响应，但难以直接在拉杆上施加加速度激励。大质量法可通过附加大质量点，将加速度激励等效转换为力激励（不影响结构动态特性）。因此，本文对基座固定约束，在输入端拉杆处设大质量点并刚性连接，通过向质量点施力实现激励加载，通过刚性连接质量点与拉杆，再在质量点施加力将加速度传递给拉杆。

基于操作机构动作、电网扰动、机械松动故障高频振动的特征，结合前述模态分析中100阶以内固有频率的分布结果，谐响应分析的频带范围确定为0～1 000 Hz，以完整捕捉可能的共振区间。同时，考虑到模型包含螺纹松动等非线性特征，完全法因无需截断模态，可完整保留宽频范围内的各频率响应信息，故采用该方法进行计算（步长10 Hz）。此外，选取各灭弧室顶部作为测点，以精准捕捉松动异常的敏感振动特征。

由于实测误差（环境干扰等）与仿真误差（模型简化等）的存在，仿真结果与实测结果不可能完全一致，因此采用选择峰值点的方式来对比其频率是否接近。

3.1 正常工况

以A相为例，y方向（即底部传动拉杆轴向）振动加速度实测与仿真结果对比如图5所示，对应峰值所在频率见表1。由图5和表1可知，仿真结果与实测结果峰值所在频率基本一致，偏差均在10 Hz以内，且最大峰值均出现在480 Hz附近。此外，测点振动加速度在个别频率处会出现较大峰值，此频率可能是其局部模态频率。

图5、表1

3.2 螺纹连接松动工况

螺纹连接松动工况的计算方法与前述一致。取三相y方向振动加速度结果，与正常工况的仿真结果对比如图6所示。由图6可知，螺纹连接松动工况下的振动加速度与正常工况下的变化趋势基本一致，二者的差异主要体现为：螺纹连接松动工况的振动加速度最大值出现在590 Hz处，且该频率下的加速度值显著大于正常工况。

3.3 销轴松脱工况

销轴松脱工况的计算方法同前述一致。取三相y方向振动加速度结果，与正常工况的仿真结果对比如图7所示。图7中，销轴松脱工况下的振动加速度与正常工况下的变化趋势相似，二者的差异主要表现为：正常工况下480 Hz处的加速度峰值，在销轴松脱工况下偏移至490 Hz处且数值增大。此外，因销轴松脱异常设置于A相，由图7（a）可见其在20 Hz处出现新峰值，结合模态分析结果可知，该新峰值系局部共振所致。

图6-图8

3.4 小结

断路器3种工况下A相测点y方向的振动加速度如图8所示。分析可知，螺纹连接松动时，590 Hz处的振动加速度显著增大；销轴松脱时，松脱相（A相）在20 Hz处出现新的加速度峰值，且正常工况下480 Hz处的加速度峰值偏移至490 Hz。断路器振动信号的频率特征与其结构状态关联明确，异常工况表现为特定频率幅值突变、峰值偏移或新频点等。

针对上述分析结果，可为发电机断路器监测与运维分析提供如下参考：

1）在线监测方面，在螺纹连接、销轴配合等关键部位部署高频振动传感器（频率响应≥1 kHz），通过多传感器数据融合降低环境干扰，提升故障定位精度。

2）数据分析方面，基于正常工况振动信号建立三维特征基线（频率-幅值-相位），采用3σ原则设定动态阈值，对比峰值偏移、幅值变化及新频点，结合机器学习算法进行故障识别。

3）运维方面，将振动特征作为设备监测关键指标，对频率偏移、幅值超标等异常情况进行识别，提前维护零部件，降低故障发生概率，提高设备运行可靠性。

4 结论

本文通过建立发电机出口断路器三维有限元模型，模拟分析了断路器在不同机械松动异常工况下的振动特性，并与实际测试数据进行对比分析，得出如下结论，为设备运行过程中的振动监测、故障诊断和分析提供理论参考。

1）不同工况下，断路器的固有频率呈现密集分布特征，其前100阶固有频率均在100 Hz以内。

2）螺纹连接松动和销轴松脱均属于局部异常，二者对断路器多数模态固有频率和振型无显著影响，仅会导致部分阶次模态（或局部模态）发生变化，或促使新的模态产生。

3）异常工况下，加速度响应曲线趋势与正常工况基本一致，但螺纹连接松动工况在590 Hz处的加速度值存在明显增大现象，而销轴松脱工况则表现出部分峰值偏移。

本工作成果发表在2025年第12期《电气技术》，论文标题为“ 发电机断路器典型机械松动异常振动特性分析 ”，作者为张咪、张伟。