（电机与电器专业论文）发电机绕组与偏心故障交叉特征分析及其检测方法研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t f i r s t l y ，t h ee l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r i cf a u l t , s u c ha sr o t o rw i n d i n gi n t e r - t u ms h o r tc i r c u i tf a u l t a n ds t a t o rw i n d i n gi n t e r - n l ms h o r tc i r c u i tf a u l la n dt h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fm a c h i n e r yf a u l ts u c ha s a i r - g a pe c c e n t r i cf a u l ta r ea n a l y z e d t h e nt h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r i cf a u l ta n dt h ee l e c t r i c c h a r a c t e r i s t i c so fm a c h i n e r yf a u l t ( n a m e da si n t e r s e c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i co ff a u l t ) a r eu l t e r i o r l ys t u d i e d f i n a l l y , t h ea u t o m a t i c a l l yi d e n t i f y i n gm e t h o do ff a u l tc h a r a c t e r i s t i c ，a d a p t i v e a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k a l g o r i t h m a n df a u l td i a g n o s i sm e t h o db a s e do ni n t e r s e c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c sa r cp r o p o s e dr e s p e c t i v e l y , a n d f a u l td i a g n o s i ss y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n ti sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ti n t h i sp a p e ri sf o l l o w i n g ： 1 t h ev i b r a t i o na n de l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c so f s t a t o ra n dr o t o rw i n d i n gi n t e r - t o r ns h o r tc i r c u i tf a u l ta r e a n a l y z e db a s e do nt h e o r ya n de x p e r i m e n t , a n dt h ee l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c si n c l u d et h es t a t o rw i n d i n gp a r a l l e l b r a n c hc i r c u l a t i n gc u r r e n tc h a r a c t e r i s t i ca n de x c i t a t i o nc u r r e n th a r m o n i c sc h a r a c t e r i s t i c ，a n dt h ev i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c si n c l u d es t a t o ra n dr o t o rr a d i a lv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ee f f e c to fs h o r tc i r c u i tp o s i t i o n o nv i b r a t i o nf e a t u r e a f t e ra n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h es t a t o ra n dr o t o rr a d i a lv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co f r o t o rw i n d i n gi n t e r - t o ms h o r tc i r c u i tf a u l ta n dr o t o ri m b a l a n c ef a n i t , an e wr o t o rf a u l td i a g n o s i sm e t h o d b a s e do ns t a t o ra n dr o t o rv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si s p r e s e n t e d ，w h i c hc a nd i s t i n g u i s hb e t w e e nr o t o r w i n d i n gi n t e r - t u r ns h o r tc i r c u i tf a u l ta n di m b a l a n c ef a u l te f f e c t i v e l y 2t h ev i b r a t i o na n de l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c so fa i r - g a pe c c e n t r i cf a u l ta r ea n a l y z e db a s e do nt h e o r ya n d e x p e r i m e n t t h r o u g ha n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fa i r - g a pm a g n e t i cf i e l d , t h er e s u l t ss h o wt h a ta i r - g a p s t a t i ce c c e n t r i cf a u l tw i l le x c i t es t a t o ra n dr o t o rv i b r a t ei ns e c o n dm e c h a n i c a lf r e q u e n c y , a n da i r - g a p d y n a m i ce c c e n t r i cf a u l tw i l le x c i t er o t o rv i b r a t ei n f i r s tm e c h a n i c a lf r e q u e n c y , a n ds t a t o rv i b r a t ei nf i r s t ， s e c o n d ，t h i r d ，f o u r t h l ym e c h a n i c a lf r e q u e n c y t h r o u g ha n a l y z i n gt h ee l e c t r o m o t i v ef o r c ed i f f e r e n c ea n d c i r c u l a t i n gc u r r e n te x p r e s s i o n s ，t h er e s u l t ss h o wf u n d a m e n t a lc i r c u l a t i n gc u r r e n tw i l li n c r e a s e dw h e nt h e f a u l th a sh a p p e n e d t h e nc o m p a r i n gt h ed i f f e r e n c e sa m o n gr o t o rw i n d i n gi n t e r - t u r ns h o r tc i r c u i t , r o t o r i m b a l a n c e ，a i r g a ps t a t i ce c c e n t r i ca n da i r - g a pd y n a m i ce c c e n t r i cf a u l t , t h eg e n e r a t o rf a u l td i a g n o s i sm e t h o d b a s e do nr o t o rv i b r a t i o na n dc i r c u l a t i n gc u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c si sd e v e l o p e d 3 t h ei n f l u e n c eo nr o t o ra x i so r b i to fr o t o rw i n d i n gi n t e r - t u r ns h o r tc i r c u i tf a u l ti sa n a l y z e db a s e do n e x p e r i m e n t ，t h er e s u l t ss h o wt h a te l e t r i cf a u l ti st h es a m ea sm e c h a n i c a lf a u l t ，c a nc a u s e st h ec h a n g eo fa x i s o r b i t a n dan e wm e t h o df o ra u t o m a t i c a l l yi d e n t i f y i n gt h ea x i so r b i tm o v i n gd i r e c t i o ni sp r e s e n t e db a s e do n c o m p u t e rg r a p h i c sa n a l y s i sm e t h o d ，t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h em e t h o di se f f e c t i v e 4 二an e wa d a p t i v eb pn e t w o r ka l g o r i t h mn a m e da st h ee r r o rc o n t r a c t i n gg r a d u a l l ya l g o r i t h ma n dan e w a d a p t i v er a d i a lb a s i sf u n c t i o nn e u r a ln e t w o r k ( p a 3 f n n ) a l g o r i t h mn a m e da st w ol e v e l si t e r a t i o nc l u s t e r a l g o r i t h ma r ep u tf o r w a r d ，w h i c ha r ea p p l i e dt ot h eg e n e r a t o rf a u l td i a g n o s i ss y s t e m 5t h ed i a g n o s i ss y s t e mo fg e n e r a t o rw i n d i n ga n de c c e n t r i cf a u l tb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n ti s d e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y , w h i c hi sa p p l i e dt os d f 一9g e n e r a t o r k e yw o r d s ：g e n e r a t o r w i n d i n gf a u l t a i r - g a pe c c e n t r i cf a u l t , i n t e r s e c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c ，f a u l td i a g n o s i s i l 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任 何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。 特此申明。 签 名：乏王蟑f t 期：旦立垃 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：盔堑圣 日 期：五丝 导师签名 日期 4 - 、f0 第一章引言 第一章引言 1 1 发电机故障机理分析的意义【1 3 随着国民经济的持续发展，我国电力工业正处于大电网与大机组的发展阶段。 至2 0 0 0 年末，即我国第九个国民经济发展计划，全国总装机容量已达3 1 9 3 2 亿k w ， 其中，火电2 3 7 5 4 亿k w ，水电0 7 9 3 5 亿k w 。作为电力系统的心脏一发电机，随 着单机容量的不断增大，运行可靠性显得尤为重要和突出，一旦这样的机组发生故 障特别是恶性赦障，就会给电力系统和国民经济带来巨大的经济损失。因此研制发 电机在线监测与诊断系统显得十分必要，其一可检测出在初始阶段出现的缺陷，以 便有计划安排检修，从而减少强迫停机次数，避免发生事故：其二可延长发电机平 均无故障时间及缩短平均修理时间，从而降低发电机的维护费用和提高发电机的可 用性。 大型汽轮发电机故障诊断技术研究是以计算机技术、信息传感技术和人工智能 技术为基础，主要利用发电机传感器的输入数据，来评估发电机的工作状态。故障 诊断系统的主要环节如图卜1 所示。但是发电机故障机理分析是基础，开发发电机 故障诊断系统，不仅需要计算机技术更重要的需要精通专业知识，只有通过对发 电机故障的原因、发展过程、发展规律及特征的深入研究，才能找到故障的征兆和 故障的诊断方法。没有故障机理的支持，任何诊断理论都不能发挥作用。 状态监测故障诊断 图1 - 1 故障诊断系统的主要环节 12 发电机典型故障机理分析及诊断方法评述 按故障类型划分，发电机故障可分为电气故障、机械故障、冷却系统故障等。 常见的电气故障有：定于绕组短路、定子绕组导线断股、定子绕组水电接头故障、 常见的电气故障有：定于绕组短路、定子绕组导线断股、定子绕组水电接头故障、 华北电力大学博士学位论文 定子铁芯绝缘损坏、转子励磁绕组匝间短路、转子绕组接地等：常见的机械故障有： 转子不平衡、轴系不对中、气隙偏心，铁芯松动、油膜涡动、油膜振荡等；常见的 冷却系统故障有：定子绕组漏水、壹接氢冷转子绕组通风遒的局部堵塞等。f 4 6 】 1 2 1 绕组短路故障 1 2 11 转子励磁绕组匝间短路时特性分析 在发电机的各个组成部分中，转子由于处于高速旋转状态，承受着很大的机械 应力和热负荷，所以对于转子部分的故障检测就显得尤为重要。由于制造过程中加 工工艺的不良和运行中各类机电作用的影响，汽轮发电机的转子绕组经常会出现匝 与匝之间的接触，即导致转予绕组匝间短路故障的发生。在现场运行中的转子绕组 匝间短路故障是发电机各类故障中比较常见的一种，山东省自1 9 9 3 年1 月1 9 9 8 年6 月发生了6 起转子绕组匝间短路故障，轻微的匝间短路对发电机运行的不良影 响较小，常常会导致发电机的励磁电流升高、无功功率相对下降、轴承不平衡振动 增加。一旦转子匝问短路的严重程度增加，将会导致转子一点甚至两点接地故障的 发生，使得转子大轴磁化，严重者还将烧伤轴颈和轴瓦对机组本身的安全稳定运 行构成巨大威胁。沙岭子发电厂i # 3 0 0 m w 发电机1 9 9 3 年4 月发生转予匝间短路接 地，烧伤护环，将转子磁化，2 拌发电机于1 9 9 5 年1 月也因匝间短路烧伤护环【7 1 。鉴 于上述原因，近年来国内外对转子绕组匝间短路故障的研究非常重视。 目前对于发电机转子绕组匝间短路故障机理及检测方法有： ( 1 ) 微分探测线圈法【8 , 9 1 微分探测线圈法的基本原理是将运行中的同步发电机气隙中的旋转磁场进行 微分，根据微分后的波形分析，诊断转子绕组是否存在匝间短路故障，并准确显示 故障槽的位置。发电机在三相稳定短路试验及空载运行状态最适于这种测试方法分 析。其方法是在定转子气隙某处固定一只“微型微分线圈”，微分线圈对气隙的旋 转磁场采样并进行微分，对微分波形进行分析。文 s o ，1 1 1 在探测线圈法的基础上， 把小波变换用于突变信号的检测，对气隙中感应电势信号的故障特征进行提取和信 号的消噪，可实现对发电机转子绕组匝间短路故障的检测。 ( 2 ) r s o 重复脉冲法( r e p e t i t v es u r g eo s c i l l o s c o p e ) 1 1 2 - 1 4 r s o 试验应用的是波过程理论，当信号发生器发出的低压冲击脉冲波沿绕组传 播到阻抗突变点的时候会导致反射波和折射波的出现，因此会在监测点测得与正常 回路无阻抗突变时不同的响应特性曲线。匝间短路的程度通过故障点处的波阻抗变 化大小来反映，显示在波形图上可以用两个响应特性曲线合成的平展程度来判定， 2 第一章引言 有突出的地方说明匝间存在异常，并且突出的波幅大小就表明短路故障的严重程 度。 r s o 重复脉冲法的检测装置十分轻便，而且试验所需的时间很短。但是这种方 法必须培训一个神经网络，而且脉冲必须能够很容易进入转子绕组，以检测相邻绕 组间的短路点。然后，收集有短路匝情况下的特征信号，向网络培训提供已知输入。 在转子处于正常运行时，由于容易损害电机并且拆卸费用较高，转子绕组并不能很 方便地进行短路试验，从而无法获得有效的培训数据。 对于转子绕组匝间短路故障的检测， 器法 1 5 , 1 6 】、交流阻抗和功率损耗法 1 7 , 1 8 l 、 国内现在也已经有许多方法：如开口变压 空载及短路特性试验法等。 ( 3 ) 励磁电流相对于无功功率变化特性分析【1 9 - 2 3 1 文【1 9 2 3 】通过深入分析发电机转子励磁绕组匝间短路故障时的电磁特性，指出 转子的短路效应会导致磁势局部损失，短路磁极的磁势峰值和平均值减小，从而提 出匝间短路引起励磁电流增大，但无功却相对减小或不变的征兆。并分析了并网运 行条件下发电机的数学模型，以及有功、无功和励磁电流的关系表达式，将实际采 集的发电机有功、无功数据带入此表达式，得到励磁电流的理论计算值然后与实 际采集的励磁电流进行比较。正常运行时，不考虑采集数据的噪声和干扰，励磁电 流的理论计算值和实测值应相等，当发生转子励磁绕组匝间短路故障时，二者出现 偏差，实测值将大于理论计算值，二者的相对误差可作为故障判据，并且相对误差 的大小代表着故障的严重程度。 由于准确计算励磁电流需要建立精确的发电机数学模型，同时必须准确掌握模 型中的发电机参数，而发电机参数受运行方式和条件的影响，导致准确计算励磁电 流比较困难。文f 2 4 2 7 1 在分析励磁电流相对于无功功率变化特性的基础上，提出了 一种基于人工神经网络的转子励磁绕组匝间短路故障诊断方法。此方法首先采集发 电机正常运行时励磁电流、有功、无功等数据，并将此数据作为神经网络的学习样 本，利用神经网络的学习记忆功能建立励磁电流与机端信息( 如电压，有功、无功、 电流、励磁电压) 的数学模型：然后将实测的有功、无功数据输入神经网络，辨识 得到励磁电流的理论计算值，再与励磁电流的实测值进行比较，二者的相对误差可 作为故障盘踞。但这种方法需要测量发电机正常状态极限运行范围内的大量样本。 ( 4 ) 定子绕组并联支路环流特性分析 定子并联支路中是否会出现环流，只要分析各支路在相应的谐波磁场中能否获 得同大小、同相位的感应电势，也就是说，只要分析各支路在相应极对数谐波磁场 空间中绕组系数以及其支路轴线的相位关系。如果其绕组系统和相位均相同，则无 华北电力大学博士学位论文 环流，否则在其并联支路间就会出现环流【2 引。发电机正常运行时，气隙磁场均匀对 称，每相定子绕组的两条并联支路参数也近似相等，各支路在相应的谐波磁场中获 得同大小、同相位的感应电势，支路间不存在环流。但当发生转子励磁绕组匝间短 路故障时情况则不同，文 2 9 3 1 1 分析了转子匝问短路对大型发电机定子绕组电压 不平衡及每相并联支路环流的影响，得出转子匝间短路故障后，定子一相并联的两 条支路之问存在着偶次谐波的环流，其大小随短路严重程度上升。 ( 5 ) 转子轴电压特性分析 由于转子励磁绕组匝间短路引起气隙磁场不对称及磁场畸变，从而引起磁通脉 动，旋转的转轴切割这些脉动磁通，就会在两端产生感应电压，即轴电压口j 。文 3 2 】 分析了转子励磁绕组匝间短路故障时由于发电机气隙磁场不对称引起的转子轴电 援特性，并以一2 对极、1 5 0 0 r p m 、3 0 k v a 的模拟发电机为例，分析得到短路将产 生频率为1 0 0 h z 、2 0 0 h z 、3 0 0 h z 的轴电压。 上述方法主要分析了转子励磁绕组匝间短路故障对电气参数的影响，但发电机 作为机电耦合的整体，电气故障会引起气隙磁场畸变，产生不同于正常运行时的电 磁力，此电磁力既作用于转子上，引起发电机转子振动，同时又作用于定子激发 定子径向振动，如文 3 3 3 5 所述的发电机组振动超标现象就是由转予励磁绕组匝间 短路引起的。因此研究转子励磁绕组匝间短路引起的发电机径向振动特征，将可以 在现有研究成果的基础上，更加全面深入了解故障对发电机运行特性的影响，进一 步为转予匝问短路故障诊断提供全面的征兆，并揭示诸如绕组短路等电气故障与发 电机振动之间的关联关系。 1 2 1 2 定子绕组匝间短路时特性分析 定子绕组短路故障在实际运行的发电机中也时有发生，根据文献 1 】，1 9 8 3 1 9 9 2 年，国产q f q s 2 0 0 ，2 型以及q f s n 一2 0 0 2 型2 0 0 m w 汽轮发电机共1 4 台先后发生 过1 9 次定子绕组短路事故，其中有2 台发电机在相同位置重复发生过两次原因相 同的短路事故。定子绕组发生短路的原因主要是发电机长期受到潮湿、绝缘老化和 受力发生振动并磨损绝缘层1 3 “。 对于定子绕组短路故障的特性分析主要集中在分析故障引起电机端部电气量 变化，如定子电流谐波分量的增加、负序电压和转子二次谐波电流的变化口“3 9 】。但 正如1 2 1 1 所述发电机作为机电耦合的整体，电气故障会引起气隙磁场畸变，产生 不同于正常运行时的电磁力，从而激起发电机径向电磁振动。定子绕组短路与转子 绕组短路一样不仅引起端部电气量变化，同时也将激发定转子振动，如美国的 f c t r u t t 教授从2 0 世纪8 0 年开始研究此问题，文【4 0 】通过理论分析了异步电动机 绕组故障引起的气隙电磁力频率特征，并通过比较异步电动机正常运行和定子绕组 第一章引言 两相短路时的电磁力频谱特征，找到了可有效识别异步电动机绕组故障的电磁力频 率。文4 1 ，4 2 】则进一步通过实验分析了异步电机定子绕组短路时定转子径向振动 频谱特征，指出定子绕组匝间短路将激起不同与正常运行时的定转子径向振动频谱 特征，提出了基于定转子振动频谱特征的定子绕组监测方法，并可以根据相关振动 频率对应幅值的变化情况区分转子振动的激发源是转子的机械故障还是绕组故障， 为研究此类问题打下基础。文4 3 ，4 4 分别在两台发电机上实验分析了定子绕组匝 问短路对定转子径向振动的影响，一台发电机为2 极、2 k v a 、1 15 v 、6 0 h z 、3 6 0 0 r m i n 三相交流发电机( u n i v e r s a ll a b o r a t o r y m a c h i n e ，简称u l m ) ，由一直流电动机拖动； 另一台发电机为4 极、6 ，2 5 k v a 、2 4 0 v 、6 0 h z 、1 8 0 0 r r a i n 三相交流发电机，在定子 绕组的1 、2 、3 * o 、4 、5 、1 0 、2 l 、4 2 、6 8 共9 个抽头，定子绕组抽 头和中性点通过滑线变阻器连接，通过调整滑线变阻器阻值，可模拟不同程度匝间 短路和相间短路故障，通过实验揭示了定转子径向振动随发电机定子绕组匝问短路 程度的增加而增加。因此研究定子绕组短路引起的发电机径向振动特征，将可以在 现有研究成果的基础上，更加全面了解故障对发电机运行特性的影响。 1 2 , 2 发电机振动故障 1 - 2 2 1 发电机振动概述 发电机与其它旋转机械运行时的振动原因有很大的不同之处，除了因发电机所 用的绝缘材料、叠片铁芯、线圈嵌线等零部件组成的方式，使其结构剐度和运行时 热胀冷缩条件等不同于其它机械外。还由于发电机内存在电磁力作用，不平衡的电 磁力、转子冷热不均、转子机械不平衡等都会引起振动，这些振动都会影响发电机 的正常运行，严重时造成机组某些零部件疲劳断裂，绝缘磨损造成事故，有的还影 响机组的基础和监控仪表。根据振动的部位一般主要分三个方面：定子系统的振动、 定子绕组的振动、转子系统的振动：按激励的性质分机械振动、电磁振动和用于冷 却发电机的通风引起的振动。【4 5 4 4 1 发电机定子系统的振动主要是由电磁力的作用引起的。当发电机运行时，定子 与转子之间有很大的旋转电磁拉力( 两极发电机的电磁拉力的频率为1 0 0 h z ，两倍 于工频) ，这种电磁力引起定子铁芯和机座的振动，通常称为倍频电磁振动或椭圆 振动，它髓着发电机组单枧容量的增大两加大。振动加上摩撩，是损坏定子系统部 件的主要因素，定子系统的振动又有如下两类： ( 1 ) 定子铁芯振动：发电机转予绕组通有励磁电流时，转子磁通经气隙进入 定子铁芯并形成闭合回路，在铁芯内表面作用有与气隙磁通密度平方成正比的磁拉 力，两极汽轮发电机的这种磁拉力将铁芯拉成椭圆。当定子绕组没有电流时，转子 华北电力大学博士学位论文 旋转，磁极中，l i , 磁拉力也旋转，铁芯也受此磁拉力的作用，这两种情况都产生两倍 于转子频率的振动1 4 “。定子铁芯的振动可能使轭部、齿部的片间绝缘破坏，造成局 部涡流发热，甚至熔化局部铁芯，进一步使定子绕组绝缘破坏、接地。定子铁芯的 振动对定子线圈、机座、基础及与它相连接的附属系统也产生有害的影响，甚至会 发生严重事故，发电机的振动也是产生有害噪声的主要原因。 ( 2 ) 机座振动：振源主要来自两个方面，一是由定子铁芯的电磁振动通过铁 芯与机座的连接传来，将引起机座的倍频振动，这种倍频振动随单机容量的增大而 增大；二是来自转子振动的激振力，该激振力的传输因不同的轴承座结构而异。大 型汽轮发电机轴承座有两种形式，一种是转子轴承座设置在定子机座端盖上( 即端 盖轴承) ，转子的激振力直接作用在机座上，而另一种转子的轴承座为落地轴承， 其与机座问的振动传输通过基础进行，故前者比后者影响大得多。 转子系统振动：转子系统的振动是多样的，涉及的因素也较多，有机械方面原 因，如转子质量偏一i i , 及转子出现缺损、转子永久弯曲或临时弯曲、励磁绕组与转予 本体及护环不对称摩擦力【48 1 、定转子间气隙偏心、定子铁芯与转子碰摩、油膜涡动、 转子刚度不对称、轴系不对中、转子裂纹；有电气方面原因，如励磁绕组匝间短路、 汽轮发电机非对称运行；有冷却方面原因，如：发电机转予不对称冷却 4 9 1 。 1 2 2 2 发电机机械振动分析方法 5 0 - 5 2 发电机机械振动监测与诊断方法主要集中在分析转子系统的振动特征，将不同 故障振动信号在9 个不同频段( ( o 0 1 o 3 9 ) f 、( o 4 0 0 4 9 ) f 、0 5 f 、( o 5 l o 9 9 ) f 、1 f 、 2 f 、( 3 5 ) f 、奇数倍f 、 5 f ) 所对应的最大振幅比值作为振动故障特征量( f 为转子 旋转频率) 。转子不平衡故障时，振动频率与转子频率相同，即呈现基频振动l f ： 定转子气隙动偏- i i , 时，由于转子旋转中一i i , 偏离其质心，产生离一i i , 力，激发转子振动， 振动频率主要是1 f ；转子不对中故障时，由于相邻两轴的轴线倾斜或偏移，在转子 旋转时要产生附加强迫力而引起振动，其振动频率主要为2 f ，但也有1 f 分量，其振 动幅值与负荷大小和不对中程度有定关系；油膜涡动是典型的亚异步振动，是流 体动压滑动轴承的旋转面和不旋转面之间的环行运动，油膜的平均速度为轴径表面 速度的一半，故也称半频涡动，当转速高于转子一阶i | 缶界转速的两倍后，半频涡动 的频率与一阶i 临界转速重合，半频涡动被共振放大，这就是油膜振荡：动静碰摩时， 伴有复杂的物理现象，如冲击、摩擦、轴系刚度的变化等，可能同时发生自激振动， 反映出的振动频率具有很宽的范围，其振动主峰为1 f 转子裂纹故障时，相当于转 子截面对称性被破坏，在圆周方向存在最大和最小两个抗弯刚度，在转子旋转一周 时，动挠度变化两次故振动信号为2 f ，同时具有1 f 分量。上述方法主要分析发电 机转子故障时的振动特性，可由1 2 1 分析可知，发电机不同于一般的旋转机械， 第一掌粥奢 定转子通过气隙磁场耦合，当转子发生机械故障时不仅会激发转子机械振动，同 时转子故障( 如气隙静偏心、动偏心故障) 将引起气隙及气隙磁场的变化，从而引 起气隙磁场不对称影响端部电气量的变化。因此研究发电机转子机械故障的电气 信号特征，同样也可以在现有研究成果的基础上，更加全面深入了解转子故障对发 电机运行特性的影响，为诊断发电机转子故障提供更为全面的征兆。 1 - 2 2 3 发电机电磁振动分析方法 在发电机振动分析中，按激励的性质将振动分为机械振动和电磁振动，对一般 的旋转机械，机械振动研究较多。可对于发电机，由于电磁力的作用，电磁振动同 样作为当前研究的热点，正如前面所述研究发电机绕组故障时的振动特性就属于电 磁振动的研究范畴。对于由发电机气隙电磁力引起电磁振动问题，国内研究较早的 学者是天津大学的邱家俊教授盼5 5 】，分析方法如下： ( 1 ) 、发电机气隙磁势 发电机正常运行时，气隙磁势为： f ( a ，t ) = 只c o s ( a 一p a 。一p 一兰) + c c o s ( 耐一p a 。) ( 1 一l ) 式中：p 为极对数：o j = 2 矿= p 口，= 2 n p f , 。为电角频率，为电频率，m ，为转子 机械角频率，为转子机械频率；口为定子机械角度；p 为发电机内功角 ( 2 ) 、气隙磁导表达式 根据文 5 3 】，电机转子外圆相对于定子内圆的偏心，一般认为由下列五种情况 造成： ( a )柔性转子轴弯曲振动变形 ( b )弹簧隔振定子铁心的振动位移 ( c )轴颈相对轴承中心的油膜偏心 ( d )定子内圆圆心相对转子轴承中心的偏心 ( e )转子外圆相对于转子轴承中心的偏心 其中( a ) 、( b ) 是振动形成的偏心，是发电机正常运行时考虑的重点，单位面 积气隙磁导可近似表示为： a ( 口一，f ) 2g ( 口z o ，f ) = a o - a , c o s p ( 国r f 一口m ) ( 1 - 2 ) ( 3 ) 、气隙电磁力 气隙电磁力可表示为： 华北电力大学博士学位论文 归等= 去，2 ( 删怖) ( 1 - 3 ) 气隙电磁力作用于定子内圆表面，对定子产生圆柱壳体的振动，定子振动频率 及特性取决于气隙电磁力的脉振频率及特性。同时气隙电磁力也作用于转子，激发 转子的电磁振动，转子的振动频率及特性取决于作用于转子的不平衡电磁力特性。 分析作用于转子的电磁力有两种方法，一是电磁力的磁密公式计算法：先通过气隙 磁势和磁导，求得气隙磁密b ( a 。，r ) ，然后利用公式q ( a 。，f ) = b 2 。，t ) 2 , u 。求得转 子表面单位面积或定子内圆表面单位面积的径向电磁力，此分布的径向电磁力同时 作用于电机定子铁心和转子上，对空心圆柱形定子产生弹性圆柱壳体的振动，而对 转予的振动则取决于此分布电磁力沿转子外圆周的合力，因此需利用公式( 1 4 ) ： 弘从婪“，f ) c o 叫皿m ( 1 - 4 ) 【e = 三月f 4 9 ( ，) s 施，d o e ， ” 求出合力；二是电磁力的能量计算法，先计算电机气隙空间的磁场能量，然后将此 能量分别对x 、y 求导，直接得到作用于转子外圆周沿x 、y 方向的电磁力，、e 。 电机气隙磁管能量为： d = 圭( 口。，) d 妒= - a ( a 。，) 厂2 ( 口。，t ) r a , x z z 则气隙空间的磁场能量为： = 鲁f ”小( c t , t ) f 2 ( c t m , t ) d z d a 。( 1 - 5 ) 式中：r 是定子内圆半径，上为气隙轴向长度。 磁拉力在爿轴上的分力 和在y 轴上的分力一为： 基于上述方法，文 5 3 5 4 分析得到了同步发电机三相对称运行和不对称运行 时由电磁力激发的径向振动特性，以及由于发电机内部机电参数耦联引起的失稳自 激振动。文【5 5 则进一步分析了考虑气隙磁场饱和时电磁力激发的横向振动特征， 建立了发电机组电磁激发振动的非线性常微分方程组，求解得出发电机的磁饱和特 慨 慨 卜 弘 扒一甜趴一甜 ff 肛一：肚一：溯一甜洲一 第一章引言 性是引起倍频电磁干扰力的原因之一。 1 3 论文的主要工作 本文在研究发电机电气故障的电气特征和机械故障的振动特征的基础上，进一 步提出并研究电气故障引起的振动特征和机械故障引起的电气变化特征( 即故障的 交叉特征) ，主要在以下几个方面进行了研究： ( 1 ) 发电机转子励磁绕组匝问短路故障的振动特性和电气特性分析 对发电机转子励磁绕组匝间短路故障机理进行深入探讨，补充分析故障发生时 定子绕组并联支路环流变化特性和转子励磁绕组中感应附加的谐波电流特性等电 气特性，并首次分析了定转子径向振动变化特性和短路位置对其影响等机械方面特 性。 通过分析比较转子励磁绕组匝间短路故障和转子不平衡故障时定转子径向振 动特性。指出虽转子振动特性类似，但定子振动不同。并由此提出基于定转子径向 振动特性的发电机转子故障识别方法，与传统的基于转子振动特性的诊断方法相 比，可有效区分转子绕组匝间短路故障和转子不平衡故障。 ( 2 ) 发电机定子绕组匝间短路故障的振动特性和电气特性分析 通过分析发电机定子绕组匝间短路机理，研究了定转子径向振动变化特性和定 子绕组并联支路环流变化特性。进一步揭示了诸如绕组短路的电气故障与发电机机 械振动之间的关系，指出了发电机径向振动特征与发电机电参数一样，也可作为诊 断发电机绕组故障的依据。 ( 3 ) 发电机气隙偏心故障的振动特性和电气特性分析 通过分析发电机气隙偏心时气隙磁势、磁导，推导得到作用于转子的不平衡电 磁力和作用于定子的脉振电磁力表达式，然后分析了定转子径向振动特性；并首次 分析了气隙偏心故障时定子绕组并联支路环流特性的电气变化特性。 通过比较转子励磁绕组短路、转子不平衡、气隙静偏心、气隙动偏心故障时转 子振动特性和定子绕组并联支路环流特性的区别，提出了基于转子振动和定子绕组 并联支路环流特性的机电综合特性的发电机故障诊断方法。 ( 4 ) 转子轴心轨迹特性的自动识剐 通过实验研究，指出发电机转子轴心轨迹不仅受机械故障的影响，同时也受电 气故障的影响。针对转子轴心轨迹的形状、进动方向、稳定性三方面特性，在综述 有关形状和稳定性自动识别方法的基础上，以进动方向的自动识别作为研究重点。 q 华北电力大学博士学位论文 提出了一种基于计算机图形学分析方法的轴心轨迹进动方向自动识别方法，为故障 特征的自动获取打下基础。 ( 5 ) 基于自适应人工神经网络和综合特性的发电机故障识别 为了进一步提高故障诊断的自适应性能，将人工神经网络应用于前面提出的故 障诊断方法中，提出了基于自适人工神经网络和综合特征的发电机故障识别方法。 并提出一种新的b p 网络学习算法一误差逼近度渐进收缩学习算法，既能有效地改 善误差收敛曲线，又能提高收敛速度和故障诊断精度。同时还提出种新的径向基 函数神经网络( r a d i a lb a s i sf u n c t i o nn e u r a ln e t w o r k ，简称r b f n n ) 算法一两层 迭代聚类算法，能根据样本的分布情况自动计算r b n 州参数，从而提高了r b f n n 的精度，最后将这两种神经网络算法应用于发电机故障诊断中。 ( 6 ) 基于虚拟仪器的发电机绕组及偏心故障检测系统研究 以上述几章相关研究工作为基础，基于虚拟仪器技术，研制了发电机绕组及偏 心故障检测系统，并应用于实验室s d f 9 型故障实验机组。 0 第章转子励磁绕组匝间短路故障分析 第二章转子励磁绕组匝间短路故障分析 发电机转子励磁绕组匝间短路是一种常见的电气故障，造成此故障的原因很 多。它将导致转子振动，甚至发展为转子接地、转子绕组烧损、发电机失磁、发电 机部件磁化等，危及电机和系统的安全，因此分析转子励磁绕组匝间短路故障的机 理和诊断方法具有重要的现实意义。本章将详细分析转子励磁绕组匝间短路故障时 定转子径向振动特性、短路位置对振动的影响，从而提出基于定转子径向振动特性 的发电机转子故障识别方法，以有效区分转子绕组匝间短路故障和转子不平衡故 障。同时分析定子绕组并联支路环流特性和励磁电流谐波特性，并完成相关实验。 2 1 转子励磁绕组匝间短路时电气特性 2 1 1 气隙磁势 当转子某极绕组短路后，该极安匝数降低，气隙主磁场分布如图2 - l ( b ) 所示， 其中短路匝绕组对主磁场的影响相当于反向电流产生的反向磁场叠加于正常运行 时的气隙磁场中( 正常运行时气隙主磁场如图2 - l ( a ) 所示) 。短路匝绕组产生的反向磁 场如图2 - l ( c ) 所示( 设短路匝绕组所在槽的两槽间机械角度为o r ，( o ，万) ，短路匝绕 组的入槽位置角为口) 。 图2 - 1 气隙主磁场分布 短路匝绕组产生的反向磁势为： 华北电力大学博士学位论文 日( 以) = 一! ! ! 掣卢s 只卢+ 口， 2 万 i f n m o t r 其它 2 万 式中：0 ，为转子的机械角度，l j 为励磁电流，为同一槽中短路绕组匝数。 把凡( 口，) 进行f o u r i e r 展开： f a ( o ，) = 爿o + 一。c 。s n o ，) + b 。s i n ( n 0 ，) 】 n = l 其中：驴去胆( 驯”o三z 由 则 4 = f ( 口) c 。s 伽只f 只= 一i i n ( s i n ( n ( a , 二+ _ f l ) ) - s i n 一( n i l ) ) b = 昙r f a o , ) s i n ( n 只m = i , n ( c o s ( n ( a , i + p 一) ) - c o s ( n p ) ) ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 巴( 啡) = 【4 。c o s ( n ( o j ，t - a ) ) + b 。s i n ( n ( o j ，t a m ) ) 】 ( 2 - 4 ) 由( 2 2 ) 式知，当口，：2 k z t ( k ：1 ，2 3 一) 时，a n 和占同时为零，具体如表2 1 所示。否则a 。和b 。不同时为零，即气隙主磁场出现各次谐波。对于第一次谐波，相 当于转子极对数为一，转子旋转的机械角频率为m ，( m ，= 2 矾) 时产生的主磁场，它相 对于定子以机械角频率。，旋转。 表2 - 1a 。和巩同时为零对应的口，角 谐波a 。和以同时为零对应的口，角 f i = 32 n ，3 n = 4万2 r l = 52 石5 、4 n 5 n = 67 3 、2 x 3 第二章转子励磁绕组匝间短路故障分析 取九= 1 , 2 ，则： 乃( 口。，t ) = 一凡ic o s ( ，t 一口，) 一乃2c o s ( 2 国，t 一2 a ，) ( 2 - 5 ) 式中： 历。：2 n = l ys i n 似，2 ) ，兀2 ：n i l ：s i n ( 口，) 7 ，r 气隙磁势可近似表示为： f ( c t , t ) 2 f c 。s ( 耐一p a ，一一三) + v , c o s ( 甜一p c z 。) 一日- c 。s ( q 卜口) 一