（动力机械及工程专业论文）发电机转子匝间短路振动特性研究.pdf

东南大学学位论文独二性声明7 6 u s 2 9 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除 了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：壑2 坠日期：苎坐：笪：墨 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密 期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、 英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：超导师签钐趁聃： 指导教师： 学校名称： 正文： 陆颂元 东南大学 转子绕组匝间短路是汽轮发电机组重要的电气故障。针对目前几起发生在大容量发电机组上的匝间短 路故障，诊断难度较大，虽然通过电气试验能够判断故障类型，但是需要特别安排，无法实现在线实时故 障诊断，故障不能得到及时有效处理，危及机组安全运行。研究如何利用振动监测来诊断与确定发电机转 子匝间短路故障，研究故障转子的振动特性，具有一定的工程意义。 本文首先在介绍隐极同步发电机基本工作原理及结构的基础上，分析了匝间短路故障机理，总结了转 子匝间短路故障的常见形式及原因；分析了故障发生前后基波磁动势的变化；根据磁动势分布与麦克斯韦 公式，建立了不平衡磁拉力计算模型。其次，论文以某型6 0 0 m w 发电机转子为研究对象，介绍了有限元 分析方法的原理与大型通用有限元软件a n s y s ；根据实际转子参数，对转子进行节点模化处理，建立转 子轴承模型；同时，应用模态分析法，得到转子一阶、二阶临界转速与振型，并分析了影响转子临界转速 的冈素。接着，论文重点利用r i c c a t i 传递矩阵法，对不同匝间短路故障类型，计算得到励磁电流、短路匝 数及短路位置等因素下的转子振动响应特性。结果表明：故障状态下转子振动增大且呈一阶振型：随短路 匝数的增多或励磁电流的增加，不平衡磁拉力增大，振动加剧；短路位置靠近大齿附近的对转子振动影响 较大；通过单平面或双平面，选择最佳加重方案，进行动平衡能暂时缓解转子振动状况。最后，论文就具 体发生的一台6 0 0 m w 发电机转子匝间短路故障进行实例分析，介绍了故障的现场测试、原因分析及故障 诊断处理的全过程。 关键词：6 0 0 m w 发电机转子；匝间短路故障：不平衡磁拉力；有限元分析；r i c c a t i 传递矩阵；振动特性 计算 东南大学硕十学位论文 a b s t r a c t p a p e rt i t l e ：r e s e a r c ho nv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f g e n e r a t o r w i t hi n t e r - t u r ns h o r tf a u l t w r i t e r ：z h a ox u t e a c h e r ：l us o n g - y u a n s c h o o l ：s o u t h e a s tu n i v e r s i t y t e x t ： t h ei n t e r - t u r ns h o r to fr o t o rw i n d i n g si sa l li m p o r t a n te l e c t r i cf a u l tf o rt u r b i n eu n i t r e c e n t l y ，t h i sf a u l to c c u r s o ns o m el a r g ec a p a c i t yg e n e r a t o rs e ta n di sm o r ed i f f i c u l tt od i a g n o s e a l t h o u g ht h et y p eo ft h ef a u l tc o u l db e d e c i d e db ye l e c t r i c a lt e s t sb u tr e q u i r e ds p e c i a la r r a n g e m e n t s ，f a u l to n - l i n ed i a g n o s i si s i m p o s s i b l ea n dt h e t r e a t m e n to ft h ef a u l tc a nn o tb ee f f e c t i v ea n di n s t a n t a l lt h e s ew i l le n d a n g e rt h es a f eo p e r a t i o no fu n i t s o ， s t u d y i n go nh o wt od i a g n o s ea n dj u d g et h i sf a u l tb yt h eu n i tv i b r a t i o nm o n i t o r i n g ，a n dr e s e a r c ht h ev i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fr o t o rw i t ht h i sf a u l th a v es o m ec e r t a i np r a c t i c a le n g i n e e r i n gm e a n i n g s f i r s to fa l l ，o nt h eb a s i co ft h ew o r k i n gt h e o r ya n ds t r u c t u r eo fs y n c h r o n o u sg e n n e r a t o r , t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h ec o m m o nt y p e sa n dr e a s o n so ft h i sf a u l t ，s u m m a r i z e st h ef a u l tm e c h a n i s ma n da n a l y z e st h ec h a n g eo f f u n d a m e n t a lm a g n e t i cp o t e n t i a lw h e nt h i sf a u l to c c u r s t h em o d e lo fu n b a l a n c e dm a g n e t i cp u l li sb u i l ta c c o r d i n g t ot h ef o r m a to fm a x w e l la n dm a g n e t i cd i s t r i b u t i o n t h e n a6 0 0 m wg e n e r a t o ri sc h o s e na sas t u d y i n go b j e c ti n t h i sp a p e r ，t h em o d e lo ft h er o t o r - c o u p l i n gi sb u i l tb yt h er e a lp a r a m e t e r s ，a n dt h ef i r s to r d e ra n dt h es e c o n d c r i t i c a ls p e e da n dm o d es h a p ea r eg a i n e db ym o d ea n a l y s i sb a s e do nt h ep r i n c i p l e so ff i n i t ee l e m e n tm e t h o da n d a n s y ss o f t w a r e a tt h es a m et i m e ，t h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ec r i t i c a ls p e e da r ea l s oa n a l y z e d f u r t h e r m o r e ， t h eu n b a l a n c er e s p o n s ei sc a l c u l a t e dw i t hr i c c a t it r a n s f e rm a t r i xm e t h o da n da n s y sf o rd i f f e r e n tf a u l tt y p e s ，t h e v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h er o t o ra r eg i v e ni nt h i sp a p e r t h er e s u l t ss h o w st h a t ：w h e nt h ef a u l th a p p e n s t h e v i b r a t i o ni n c r e a s ea n dt h em o d es h a p eo fr o t o ri st h ef i r s to r d e r ；, w h e nt h en u m b e ro fi n t e rt u r ns h o r tc o i l so r e x c i t a t i o nc u r r e n ti n c r e a s e ，t h eu n b a l a n c e dm a g n e t i cp u l li n c r e a s ea n dt h es a m ee f f e c to ft h er o t o rv i b r a t i o n ；o n t h ec o n d i t i o no ft h es h o r tp o s i t i o nn e a rt h ed i r e c ta x i s t h ev i b r a t i o ni sh i g h e rt h a no t h e rs h o r tp o s i t i o n n e v i b r a t i o nw i l ld e c r e a s eb yt h ea p p r o p r i a t e ( s i n g l eo rt w of l a t ) b a l a n c i n gm e t h o d s o ，b a l a n c i n gc o u l dr e d u c et h e r o t o rv i b r a t i o ni nt h es h o r tt i m e s a tl a s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h er e a lv i b r a t i o nf a u l to fa6 0 0 m wg e n e r a t o rw i t h i n t e r - t u r ns h o r ti nap o w e rp l a n t ，i n c l u d i n gt h ev i b r a t i o nt e s t i n gi nt h ef i e l d ，r e a s o n sa n a l y s i s ，f a u l tt r e a t m e n ta n d o t h e rd e t a i l e dp r o c e s s k e y w o r d s ：6 0 0 m wg e n e r a t o r ，i n t e r - t u r ns h o r tf a u l t , u n b a l a n c e dm a g n e t i cp u l l ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，r i c c a t i t r a n s f e rm a t r i xm e t h o d ，v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sc a l c u l a t i o n 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 目蜀之。 第一章绪论 i i i i i i 1 1 论文研究背景及意义1 1 2 国内外研究状况。1 1 2 1 转子动态特性计算分析方法1 1 2 2 转子匝间短路故障简介2 1 2 3 转子匝间短路故障研究状况2 1 3 主要研究对象及内容。5 第二章转子匝间短路故障机理。6 2 1 发电机转子基本结构6 2 2 转子匝间短路常见形式及原因。7 2 3 发电机电磁特性分析7 2 3 1 绕组磁动势分析7 2 3 2 短路故障下磁动势分析8 2 3 3 气隙磁密及不平衡磁拉力分析9 2 3 4 电气参量的变化1 1 2 4 不平衡磁拉力定量计算1 1 2 4 1 计算条件1 2 2 4 2 不平衡磁拉力公式1 2 2 5 本章小结1 4 第三章发电机转子模型及临界转速的计算1 5 3 1 转子系统运动方程i5 | 1 5 3 2a n s y s 有限元分析软件。l8 3 3a n s y s 建模单元19 3 46 0 0 m w 发电机转子模型2 l 3 5 发电机转子临界转速计算2 2 3 5 1 模态分析2 2 3 5 2 转子临界转速计算方程2 2 3 5 3 轴承特性对转子临界转速的影响2 3 3 5 4 轴承特性计算2 3 3 5 5 转子临界转速及振型2 4 3 5 6 影响转子临界转速的主要因素2 5 3 6 本章小结2 5 第四章发电机转子匝间短路振动响应计算分析2 7 4 1 等效质量不平衡2 7 4 2r i c c a t i 传递矩阵i2 | 2 7 4 3 振动响应计算类型3 0 4 4 振动响应计算参数选择3 0 i l i 东南人学硕上学位论文 4 5 计算结果分析3l 4 5 1 不平衡磁拉力大小31 4 5 2 基于r i c c a t i 传递矩阵的振动响应计算3 2 4 5 3 不平衡磁拉力对转子振动影响。3 5 4 5 4 不同加重方案下响应计算3 5 4 5 5 基于a n s y s 有限元分析软件响应计算：3 6 4 6 本章小结3 7 第五章发电机转子匝间短路故障实例分析。 5 1 引言3 8 5 2 机组振动状况介绍3 8 5 3 机组振动原因分析4 l 5 4 机组试验数据分析及故障处理4 l 5 4 1 振动试验一4 1 5 4 2 交流阻抗与功率损耗试验4 2 5 4 3 探测线圈录波4 2 5 4 4 故障处理4 2 5 5 本章小结4 2 第六章总结与展望 6 1 全文总结4 3 6 2 展望4 3 致谢 参考文献。 附录：6 0 0 m w 发电机转子模化数据 作者在校期间发表的论文及科研工作 i v 4 8 4 9 第一章绪论 1 1 论文研究背景及意义 第一章绪论 大型旋转机械如汽轮发电机组、航空发动机、压缩机，是电力、航空、化工等现代生产部门的关键设 备，对国民经济的发展起着非常重要的作用。同步发电机组作为电力系统的核心设备之一，随着单机容量 的不断增大，其运行的可靠性就显得尤为重要，一旦发生故障，将直接关系电网的稳定运行及安全、经济 地向用户供电，严重时会发生恶性事故【1 1 。由于机组在设计、制造、加工等方面存在一些不足，发电机故 障屡见不鲜。如何根据故障特征，准确诊断出故障原因，从而在故障源头提高发电机制造技术，改善发电 机运行水平，成为当前国内外重要的研究课题之一。 转子绕组匝间短路是汽轮发电机组重要的电气故刚2 1 。故障发生后，会引起电机内磁不平衡与热不平 衡，造成转子振动异常，甚至烧毁转子部件，严重危害机组安全运行。和一、二十年前的小型发电机不同， 现代大型发电机不容许带有匝间短路故障持续运行。国内近些年就有6 0 0 m w 及以上容量的发电机发生匝 间短路，有的拖延数月没能确定故障，成为恶性事故的重大隐患。如平圩电厂拌1 汽轮发电机组，运行期间 励端轴振达到1 2 5 微米，同时发现振动与无功功率成一致性变化，通过交流阻抗试验判断出匝间短路故障， 抽转子返厂后，故障得到成功处理【3 】。又如兰溪电厂拌3 机组，在2 0 0 6 年1 1 月调试运行期间，带负荷后， 发电机前后轴承振动随机组负荷上升，最大振动超过2 0 0 微米，机组励磁电流大于3 5 0 0 a 时，振动根本无 法稳定，机组无法正常运行，最终判断为匝间短路故障川。 振动是大型旋转机械设备运行中至关重要的监测项目之一，很多故障发生后的效果都会表现为转子 振动异常。转子匝间短路故障发生后，同样会诱发转子振动异常。因此，振动作为评价设备运行状态的好 坏的“晴雨表”，同时也可以作为分析判断转子是否出现匝间短路的重要手段之一。由于造成转子振动异 常的原因有很多，如何快速准确地分析、判断故障种类，成为现场故障处理的重点和难点。本文研究匝间 短路故障下转子的动态特性，能够对此故障机理有深层次的了解，有助于匝间短路的故障诊断，同时也能 够为现场在线监测汽轮发电机组安全经济运行和实现机组状态维修提供技术支持，具有一定的理论价值和 工程应用意义。 1 2 国内外研究状况 转子动力学是研究旋转机械运转规律的基础理论。临界转速、不平衡响应、稳定性共同构成了机组的 动态特性，它们直接决定了机组在工作状态下和启停过程中转子、轴承的振动状况，是设备安全可靠性的 一个重要方面【2 1 。 1 2 1 转子动态特性计算分析方法 起初转子动力学是以j e f f c o t t 转子模型为研究对象，定性的分析转子的动态特性。后来发展到把支撑 转子的轴承甚至是整个转子轴承系统的基础也纳入到转子系统中，在轴承分析中从单一的刚度到交叉阻尼 l 东南人学硕士学位论文 与交义刚度，这样使分析逐渐接近实际工况。但是，由于j e f f c o t t 转子模型比较简单，而实际转子系统比 较复杂，计算结果与实际状况会出现较大的误差，现在的转子计算模型都尽量接近实际物体。 目前应于转子不平衡响应计算的方法主要有两种：传递矩阵法与有限元法。 ( 1 ) 传递矩阵法 传递矩阵法最早起源于用来解决多圆盘转子扭振问题的初参数法，之后该方法用于求解转子的弯曲振 动问题、转子系统稳态分析，并发展到求解转子临界转速、稳态响应。传递矩阵法是把转子系统分为圆盘、 轴段和支承等若干个典型的单元或部件，用力学方法建立这些部件两端截面状态向量间的传递关系，再利 用连续条件就可以求得转子在任一截面的状态向量与起始截面的状态向量之间的关系，通过对能满足边界 条件的涡动频率的搜索，就可以得出转子系统的各阶临界转速。计算在给定自转角速度时转子在不平衡量 激励下的振动，就可求得转子的不平衡响应【5 叫。 传递矩阵法不会因单元增加而影响传递矩阵阶数，且各阶临界转速的计算方法完全相同。因此，数学 求解简单方便、编程容易，所需存储单元少、机时短。但是传递矩阵法在求解大型复杂转子系统动力学问 题时，随着结构形状复杂化及试算频率增加，会出现了计算精度低、数值不稳定等现象。 r i c c a t i 传递矩阵法在传统矩阵计算方法基础上考虑了油膜的交叉刚度与交叉阻尼系数，能够较好地处 理边界条件，是一种较理想的计算方法。 ( 2 ) 有限元法 有限单元法是随着计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法，被广泛应用于求解热传导、电 磁场、流体力学等连续性问题。有限元的核心思想是结构的离散化，直接从所考察的物理模型出发，对物 体进行离散化处理，得出满足工程精度的近似结果，能够解决很多实际工程中的复杂问题。 a n s y s 是被广泛使用的有限元分析软件之一，能够用于分析转子的动态特性。它可以很方便地处理 复杂的转子轴承系统，验证传递矩阵法的分析结果。同时有限元法计算精度高，避免了传递矩阵法中数值 不稳定的现象，而且还能对转子系统进行瞬态响应分析。与传递矩阵法相比，它会占用更多的计算机存储 与机时，程序复杂1 7j 。 1 2 2 转子匝间短路故障简介 大型汽轮发电机一般为两极隐式同步电机。转子本体表面开有线槽，槽内嵌放分布式励磁绕组，绕组 由许多匝线圈串联而成。由于转子制造加工工艺不严格或运行阶段存在不当操作等，长期运行会导致绕组 绝缘层损坏，匝与匝之间接触，形成短路点。短路的位置可以发生在转子槽的中部，也可以发生在转子槽 端部，现场经验表明转子绕组端部发生故障的概率较高。 发电机内部是一个随时间、空间交变的电磁场，正常运行时，转子所受电磁力平衡。一旦发生匝间短 路故障，电机内部的电磁场随之发生改变，产生不平衡量，它不仅会引起发电机电气参数发生变化，还能 造成转子振动发生异常，影响发电机正常工作及其寿命。 1 2 3 转子匝间短路故障研究状况 发电机转子绕组匝间短路时，由于短路匝部分没有励磁电流通过，此极气隙磁势被削弱，引起定转 2 第一苹绪论 子内气隙磁场的改变，产生磁不平衡。同时，短路点附近热量分布不均匀，将会产生热不平衡，一起作 用于转子。这些因素能够诱发转子异常振动，严重时会造成转子一点或两点接地、大轴损坏，发生重大 安全事故。因此，研究此故障状态下转子的动态特性，无论是对及时准确地故障诊断，还是维护发电机 安全运行状态，都能发挥重要的作用。 ( 1 ) 磁不平衡与热不平衡 国内外对电机内转子偏心状态下的磁不平衡己进行了多项研究。如b e l m a n s 【8 l1 9 8 7 年发表了感应电 机磁密分布与不平衡磁拉力关系的计算分析结果，他运用安培定律针对二极偏心电机转子分别计算了无 衰减磁通和有衰减磁通下气隙磁密的径向分布，并给出了对应的不平衡磁拉力表达式。文中，作者还通 过试验得到有端部保护的转子二倍频振动幅值大于无端部保护的情况，验证了理论分析的正确性。郭丹 等【9 l 在此基础上研究了偏心下不平衡磁拉力及对转子振动的影响，他对气隙磁导进行级数展开，利用 m a x w e l l 应力在转子表面积分，推导出一对极、两对极及多对极转子的不平衡磁拉力解析表达式；通过 非线性n e w m a r k 隐式积分，计算不平衡磁拉力下j e f f c o t t 转子的动力响应，得到不平衡磁拉力使系统固 有频率降低，振动增大；转子相对偏心较小，轴心轨迹中心对称；偏心较大时轴心轨迹非中心对称；一 对极转子的振动响应包括转频成分和两倍电频成分的结论。 对于转子匝间短路故障下磁不平衡的分析，孙宇光等对同步发电机励磁绕组匝间短路进行了仿真研 究，文章建立了短路状态下发电机改进的多回路数学模型，提出与励磁绕组相关的电感系数的计算方法， 并针对l 台4 极凸极同步发电机进行故障仿真，得到短路后定、转子电流的仿真波形及定子同相不同分 支之间出现分数次谐波环流、励磁电流出现基波及奇数次谐波的故障特征【l0 1 。万书亭等对两极1 2 槽转 子不同短路位置的磁动势进行分析，利用磁动势分布叠加，推导不平衡磁拉力计算公式，并通过模拟电 机实验，得到不平衡磁拉力随短路匝数增多而增大，靠近大齿短路点对振动影响较大的结剽1 1 】。 与磁不平衡分析相比，对电机内热不平衡的研究则相对较少。寇胜利对发电机内热不平衡进行了详 细的研究，分析了转子热不平衡机理及现场故障诊断方法，并通过相关的故障案例进行说明【l2 1 。渡边孝 对匝间短路故障下的转子进行了热不平衡分析，由于短路线圈不能流过电流，在极对称位置短路匝线圈 与槽邻接的齿部温度就比正常低，从而产生热弯曲，并得到了弯矩的表达式0 3 1 。 ( 2 ) 故障状态下转子动态特性研究 发电机转子绕组匝间短路故障发生时，不仅机组的电气参数会发生变化，而且电机内的不平衡会引 起转子异常振动。方红伟等分析了定子绕组匝间短路后同步发电机气隙磁场的变化特征，得到该内部故 障前后电磁转矩和振动的变化规律，重点是瞬时转矩中的脉冲转矩分量幅值和频率变化特征；同时，应 用场路耦合法分析了内部故障与偏心双重条件下的电机端电流第l7 阶和第1 9 阶谐波分量特征，可作为 检测电机动态偏心的特征值，并利用实验电机得到定子短路下，二倍频加速度变化大的结果【1 引。王跃方 等针对偏心电机转子，分析转子机电系统磁场储能的变化，导出转子振动微分方程，得到了当转速超过 第一临界转速后，柔性电机转予的动挠度将随磁拉力的增大而减小；有磁拉力时的动挠度小于无磁拉力 时的动挠度；试验转子的一阶临界转速计算值远远低于经验公式计算值；轴承特性变化不大时，临界转 速与磁拉力近似为线性关系【l5 1 。万书亭等分析了转子匝间短路下的定转子振动特性，得到一对极转子匝 间短路会使定子二倍频振动下降，而多对极定子一倍频与二倍频振动均增大的结论l 】6 1 。对于热不平衡状 态下转子的研究，陆山等通过对航空发动机转子的热变形及其影响进行了定量分析，利用有限元法计算 其变形量，采用传递矩阵法计算热弯曲振动响应，得到热弯曲振动响应与初始挠度成正比的关系【1 7 】。朱 3 查堕奎兰堡主兰篁丝奎 向哲等采用有限元法法，利用热结构动力学耦合理论，探讨了稳态温度场对汽轮机转子系统的振动特 性的影响，计算了耦合故障响应，得到了由于热弯矩的加入转子系统刚度重新分配，一阶临界转速降低； 转子振幅加剧，轴心轨迹变的复杂、不规则；不平衡响应对转子二阶临界比较敏感，而热弯曲响应及耦 合响应对一阶临界转速较敏感及随轴向温差与转速的增大振动逐渐加剧的结论【l 引。 ( 3 ) 发电机匝间短路故障诊断研究状况 国内外学者很早就重视匝间短路故障的诊断，但大多集中在电气参数检测及针对定子绕组短路故障 方面，而对如何从转子异常振动判断故障的研究较少。英国的j w w o o d 等学者提出了给转子加阶跃脉 冲测其反射的回复波检测法( 冲击脉冲法) 1 1 9 ；俄罗斯的b r 卡茨曼提出了利用测量定子并联绕组中 的环流法判断转子绕组的匝间短路故障【2 0 1 。加拿大的p r a b h a k a rn e t i 针对磁阻同步电机定子匝间短路故 障进行分析，利用电机电流特征信息进行监测故障状态，得到正常情况下，励磁电流会产生没有3 次谐 波的奇次谐波，而故障状态下，会产生3 次谐波的结剽2 l 】。a j m a r q u e s 等应用p a r k 矢量方法对三相感 应电机定子匝间短路故障进行诊断，得到不同短路匝数下电流p a r k 矢量椭圆形式图形1 2 2 1 。王维俭等针对 目前大部分电厂定子绕组匝间短路保护的现状，讨论高灵敏单元件横差保护的互感器问题及套数，改进 不完全纵差保护动作特性，故障采用基波零序电压型保护灵敏度较蒯2 3 j 。 国内也有许多成型的方法：如开口变压器法、交流阻抗和功率损耗法、直流阻抗法、微分线圈动测 法、空载电压特性等l l j 。这些检测方法大多数都已经在现场应用了多年，并且积累了很多经验，但是大 部分都无法在线检测或者受到其它因素的干扰很大，实际运行中得到的结果往往很不理想。李永刚等在 详细分析了匝间短路电磁特性的基础上，建立了饱和磁场作用下转子线圈匝间短路故障诊断数学模型， 分析了匝间短路对无功的影响，进而根据励磁电流的变化在线识别转子匝间短路故障1 2 4 1 。唐芳轩等对转 子两极及线圈的分布电压进行测量，及时确定转子绕组早期匝间短路故障【2 5 1 。李之昆等分析故障前后稳 定状态下，磁势保持平衡不变，利用人工神经网络( a n n ) 采集故障样本，得到励磁电流变化值，避免 了损坏性试验1 2 州。武玉才等利用振幅和相角的变化对转子匝间短路故障诊断方法做了研究，将不平衡质 量、不平衡磁拉力及热不平衡弯矩叠加，建立振幅值、相位关系式，得到电磁力、热弯矩作用方向与不 平衡质量离心力同侧时振幅增大，相角减小；异侧时相角增大的结论1 27 1 。刘庆河等在探测线圈法的基础 上，将小波变换应用于突变信号的检测，对定转子气隙感应电动势信号的故障特征进行提取，实现对发 电机转子匝间短路故障的在线检测及故障定位1 2 引。然而，上述所取得的成果仅为理论性的结论，应用模 型仅为实验电机，与实际现场差距较大，无法满足现场故障诊断要求。 汽轮发电机监测系统( t s i ) 能够实时在线监测转子振动状况，保障机组安全运行。发电机转子发生 匝间短路故障后的征兆之一为转子振动异常，通过此系统转子振动状况可以实时有效地反映出来，能够 作为匝间短路故障诊断的重要手段之一。目前，国内外对于匝间短路故障下转子振动特性的研究相对较 少，特别是针对大型6 0 0 m w 及以上容量发电机组的匝间短路故障诊断，能够适合现场应用，及时准确 地判断故障类型的研究则更少。因此，从机械振动角度出发，研究故障状态下转子的振动特性，不仅可 以加深对此故障机理的理解，帮助运行人员掌握转子运行状况，特别是掌握故障下转子的振动特性，优 化转子运行方式，同时也能够对匝间短路故障的诊断提供一定的帮助，具有重要的工程应用价值。 4 第一章绪论 1 3 主要研究对象及内容 ( 1 ) 匝间短路故障机理研究 很多文献都对匝间短路故障进行了描述，但所应用研究局限于模拟试验机，与现场实际差别较大。本 文针对电厂中两极隐式发电机转子的实际构造及运行状况，描述故障的发展过程，总结了匝间短路故障的 主要形式及原因。同时，应用磁动势分布于麦克斯韦公式，分析了故障前后电机内气隙磁密的变化，建立 了不平衡磁拉力计算模型。 ( 2 ) 发电机转子模型的建立 在描述转子动力学的相关文献中，大多数使用的都是j e f f c o t t 转子，它的优点是结构简单，运动方程 比较简洁，能够表现出转子系统的主要动态特征和各种系统参数的影响，但也正是由于过于简单，所得结 果与机组实际运行状态会出现较大误差，对实际机组的指导意义不大。因此，本文以某电厂运行中的 6 0 0 m w 发电机转子为研究对象，将转子模化为多自由度弹性轴，依据发电机转子实际参数，考虑轴承影 响因素，利用a n s y s 有限元分析软件建立转子轴承系统模型。 ( 3 ) 不平衡磁拉力数值计算 发电机转子发生匝间短路故障时，电机内电气参数将发生改变，定转子之间出现磁不平衡现象，产生 不平衡磁拉力。论文重点描述产生不平衡磁拉力的基波磁动势分布，通过磁动势叠加，利用麦克斯韦方程 得到转子表面径向不平衡磁拉力表达式，定性分析不平衡磁拉力。同时，定量计算出空载状况下，随短路 匝数、励磁电流变化的不平衡磁拉力大小及相当不平衡质量。 ( 4 ) 转子振动特性计算分析 转子系统的振动特性是汽轮发电机组设计、运行及故障诊断的基础。故障状态下转子的振动特性将直 接决定了故障诊断的准确性。因此，本文将分别利用a n s y s 有限元分析软件与r i c c a t i 传递矩阵，根据已 建立的轴系模型，针对不同类型的匝间短路故障进行转子振动特性计算。利用a n s y s 有限元分析软件， 对转子进行动态响应分析( 包括模态分析与不平衡响应分析) ，得到转子固有频率、临界转速、振型及不 平衡响应结果。同时，论文还利用r i c c a t i 传递矩阵法对转子不同的短路匝数、短路位置及耦合不同的不平 衡质量，进行振动响应计算，得到了故障状态下转子的振型及轴承附近的响应值。 ( 5 ) 匝间短路案例分析 针对某一现场实际发生的6 0 0 m w 发电机转子匝间短路故障，介绍了故障发生后机组的振动状况、振 动原因分析、故障的诊断过程及处理。 5 东南大学硕士学位论文 第二章转子匝间短路故障机理 电厂运行中发电机转子绕组匝间短路是重要的电气故障。对于小型发电机组而言，轻微的匝间短路， 如果振动不大，往往带病运行，对机组的正常运行影响较小，但任由其发展下去，则会形成一点或两点 接地，导致大轴损坏，发生恶性安全事故。近年来，随着发电机组容量的增加，大型发电机设备安全关 系重大，轻微的转子匝间短路故障能够造成转子振动剧烈，严重影响了机组的安全运行。因此，现代大 型机组不容许带有匝间短路的缺陷继续运行。 针对大型发电机组，匝间短路故障发生后，故障特征与其它故障相比差异不大，容易造成误诊误判。 同时，目前应用丁：检测转子线圈是否发生匝间短路故障的方法主要有测量转子静态下交流阻抗与转子动 态气隙线圈探测，均属于离线检测。前者仅在停机后，另外安排方能实施，准确度不高：后者只能测量 发电机空载与三相短路工况，对于发电机负载运行工况，效果不佳。另外，此类故障的处理工作量非常 大，都要求故障的在线判断必须准确无误。因此，深入了解匝间短路故障机理是精确故障诊断的前提。 2 1 发电机转子基本结构 汽轮发电机一般采用隐极式转子，由于转速较高，受离心力影响转子直径有一定的限制。因此，转 子外形为细长的圆柱体，沿转子铁心圆周外表面铣有许多槽，励磁绕组嵌放在槽内。在磁极的中心部分， 转子表面不开槽，形成大齿；开槽的部分形成的齿称为小齿；合理地设计大齿、小齿尺寸，能够使励磁绕 组产生的磁动势接近正弦分布。同时，为平衡转子径向刚度差，还会在大齿上开一些月牙槽2 9 3 0 】。转子铁 心如图2 1 所示。 图2 16 0 0 m w 汽轮发电机转子截面 y 隐极同步电机的转子由导磁的铁心、产生励磁磁场的导电励磁绕组、集电环及其它一些结构部件构 成，这些部件包括了固定励磁绕组用的中心环、护环以及端盖、轴承等。 励磁绕组由扃铜线绕成同心绕组，用槽楔固定在槽内，绕组端部通过装在转子上的集电环和定子上 的电刷与外部静止的直流电源相联。 6 第二章转了匝间短路故障机理 2 2 转子匝间短路常见形式及原因 转子绕组匝间短路的方式是多种多样的。短路点的位置可以发生在转子的任意槽内与转子绕组轴向的 任意位置，且短路的匝数可能是单匝也可能是多匝。根据短路状况是否随着转子的转动状态和运行工况发 生变化，分为稳定性匝间短路和动态匝间短路。由于匝间短路故障一般都会逐渐恶化，所以现场动态匝间 短路故障发生较多。 匝间短路故障发展的过程，可以分为三个阶段：萌芽期、发展期和故障期。萌芽期：转子绕组匝间出 现初始异常征兆，机组运行还未受到影响。发电机组振动、励磁电流、机组无功及轴电压等均符合正常运 行工况。发展期：机组运行已经出现异常，匝间短路基本或已经具备稳定特征。发电机运行状况下出现振 动增大、机组励磁电流和无功受到影响，但运行工况限制尚未突破。故障期：绕组匝间绝缘已经出现明显 的严重短路征兆，发电机组振动超标、无功严重降低( 励磁电流超过额定要求) 、转子温度高等异常运行 工况，已危及发电机组的安全运行，甚至包括已经促发转子接地等故障的发生。现场故障诊断中要求能够 尽早、尽快发现故障，判断故障类型，消除故障，即在故障发展期进行处理，防止故障进一步恶化。 产生匝间短路的原因可以来自制造厂，也可以来自电厂的运行、检修。制造过程中转子装配缺陷，如 线棒焊接后打磨工艺不严格，突出的焊点毛刺在运行过程中不断振动，使线棒间绝缘磨穿；转子端部绝缘 层人工放置和裁剪工艺粗糙，也会造成转子在运行中绝缘发生移位、松动，在大电流作用下击穿形成短路 点。 运行操作不当，如发电机进油，造成线棒绝缘降低，绝缘层击穿，同样能够使转子出现匝间短路。 2 3 发电机电磁特性分析 2 3 1 绕组磁动势分析 聃，_ 警 耄詈 眨。 7 东南人学硕士学位论文 f ji 。 兀 o 。ix 图2 2 发电机励磁磁动势展开图 从图2 2 可以发现，叠加后磁动势近似为正弦曲线。因此，合理地设计转子大齿、小齿及槽的尺寸， 尽力消除谐波影响，能够尽量保证励磁磁动势空间分布接近正弦波，满足电厂运行要求。空载状况下，气 隙基波磁动势的表达式可以近似为【9 j ： f ( a ，f ) = ec o s ( t o t a ) ( 2 2 ) 式中：a 为定子机械角度，只为励磁磁动势，c o 为电频率。 发电机并网带负荷运行后，定子线圈感应磁场，产生感应电流，与励磁磁场一起作用于气隙空间，为 电枢反应。式2 3 为电枢作用下气隙基波磁动势表达式14 1 ，可以发现合成气隙基波磁动势为正弦波形的叠 加。 f ( 口，f ) ：f rc o s ( ( o t a ) + f , c o s ( c o t a y 一要) ( 2 3 ) 二 其中：e 为电枢磁动势，为电频率，l f ，为发电机内功角。 2 3 2 短路故障下磁动势分析 聃，= r 零 眩4 ， e ( 啡) = 4 + a nc o s ( m o , ) + b , s i n ( m o ) 】 ( 2 5 ) n = l 8 第二章转子匝间短路故障机理 其中，4 = z ，f e d ( o r ) d o r - ， 以= 砉乃( b ) c o s ( m 啡) d o , 2 万i 垅i n s i n 塑2 吃= 昙e 乃( q ) s i n ( m 臼，) d g = o 删矧咖一半乱掣c o s ) 当9 ：2 k r c ( k ：1 ，2 ，3 ) ，4 ，：0 。 当9 2 k z ( k ：1 ，2 ，3 ) ，气隙主磁场出现各次谐波。 取m = 1 ，2 ，p = c o t a 乃( a ，f ) = 一易lc o s ( t a ) 一只2c o s ( 2 w t 一2 a ) 其中e 。：一2 bs i n ( ) ，f d 2 = 生s i n 37 c 死 由以上表达式可以得到短路故障状态下，发电机气隙基波磁动势的表达式为： f ( a ，f ) = c c 。s ( c o t a ) + c c 。s ( 耐- - x - - y 一三) 一 e lc o s ( t 一仅) 一乃2c o s ( 2 w t 一2 a ) 2 3 3 气隙磁密及不平衡磁拉力分析 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 励磁绕组通入直流电流后产生气隙磁密，表达式为： f b = o ( 2 1 2 ) o 其中：f 为磁动势，6 为定转子间气隙，