（电机与电器专业论文）发电机故障的交叉特性分析及机电联合故障诊断研究.pdf

1 ， j 忡 c l a s s i f i e di n d e x ：t m 3 0 7 u d c ：6 2 1 3 d i s s e r t a t i o nf o rt h ed o c t o r a ld e g r e ei ne n g i n e e r i n g g e n e r a t o rf a u l t sc r o s s - f e a t u r ea n a l y s i sa n d m e c h a n i c a l - e l e c t r i c a lj o i n td i a g n o s i ss t u d y c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： v i c es u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： s c h o o l ： d a t eo fd e f e n c e ： w uy u c ai p r o f l ih e m i n g p r o f l iy o n g g a n g d o c t o ro fp h i l o s o p h y e l e c t r i cm a c h i n e sa n de l e c t r i c a l a p p a r a t u s s c h o o lo fe l e c t r o n i ca n de l e c t r o n i c e n g m e e n n g j u n e 2 0 1 0 d e g r e e c o n f e r r i n g - - i n s t i t u t i o n ： n o r t h c h i n ae l e c t r i cp o w e r u n i v e r s i t y 1 1 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文发电机故障的交叉特性分析及 机电联合故障诊断研究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，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。 签名： 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： 日期： 剔币答名零刁硼 导师签名：乏! ：! ：! ! ：! 日 期：丝：2 1f 华北电力人学i 尊十学位论文摘要 中文摘要 发电机的机电故障间存在交叉影响，传统的故障诊断方法对这种交叉特征分析 不足，诊断的灵敏性和可靠性不高。本文深入研究了发电机电气故障引起的发电机 振动特征和机械故障导致的发电机电气特征( 即故障的交叉特征) ，确立了通过交 叉信息判断故障的方法。本文的主要工作如下： ( 1 ) 提出了通过轴电压检测发电机静偏心故障程度的方法。采用气隙磁导法分析 了静偏心状态下的发电机气隙磁场特征，证明了畸变的磁通可以在发电机转轴两端 感应轴电压。轴电压与发电机静偏心程度之间存在对应关系，轴电压特征分量可以 有效表征发电机的静偏心故障程度。 ( 2 ) 转子绕组匝间短路电气故障对发电机振动特性的影响研究。采用傅罩叶分析 方法得到了发电机励磁磁势数学表达式，研究了转子绕组匝间短路产生的不平衡电 磁力随励磁电流和发电机运行状态的变化规律。针对通过转子振动信号基频分量幅 值诊断转子绕组匝间短路故障灵敏度不高这一实际问题，研究了发电机转子在机电 !复合故障下的受力和振动规律，提出了同时利用转子振动信号基频分量的振幅和相 角变化诊断转子绕组匝问短路故障的方法。为排除质量不平衡等机械故障对诊断转 f子绕组匝间短路故障的干扰，研究了定子铁心壳体在不平衡电磁力作用下的振动规 律，理论分析和实验证实：通过定子铁心振动可以有效诊断转子绕组匝问短路故障。 ： l( 3 ) 提出了利用发电机定子齿槽效应辅助诊断转子绕组匝间短路故障的方法。采 用气隙磁导法计算发电机磁场时通常忽略定子齿槽效应，漏掉了发电机的故障信 ；息。本文考虑定子齿槽效应建立了发电机气隙磁导模型，理论分析和实验证明了发 生转子绕组匝问短路后轴电压中出现与齿槽数对应的轴电压特征谐波，该谐波可以 i反映转子绕组匝间短路故障。 ( 4 ) 提出了利用发电机静偏心故障辅助诊断转子绕组匝问短路故障的方法。本文 考虑发电机固有的偏心故障，采用气隙磁导法建立了转子绕组匝间短路故障下的发 电机磁场模型，通过理论分析和实验证明了发生转子绕组匝i 、日j 短路故障后，轴电压 中出现故障特征分量，该分量可以有效表征转子绕组匝间短路故障。 关键词：交叉特性，机电联合故障诊断，转子绕组匝间短路，机械偏心，轴电 压 国家自然科学基金资助项目：5 0 6 7 7 0 1 7 华北电力大学博十学位论文摘要 a b s t r a c t g e n e r a t o r sm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lf a u l t si n f l u e n c ee a c ho t h e r t r a d i t i o n a lf a u l t d i a g n o s i n gm e t h o d sd o n tp a ym u c ha t t e n t i o nt ot h ec r o s s - f e a t u r e t h es e n s i t i v i t ya n d r e l i a b i l i t yo fd i a g n o s t i c i sn o th i g h t h i sa r t i c l ed e e p l ys t u d i e s g e n e r a t o rv i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sc a u s e db ye l e c t r i c a lf a i l u r ea n de l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c sd u et o m e c h a n i c a lf a i l u r e ( i e ，t h ec r o s s f a u l tc h a r a c t e r i s t i c s ) ，e s t a b l i s h e st h em e t h o dt od i a g n o s e g e n e r a t o r f a u l t sb yc r o s s - i n f o r m a t i o n t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ( 1 ) p u tf o r w a r dt h em e t h o dt od e t e c tt h ed e g r e eo fg e n e r a t o rs t a t i ce c c e n t r i c i t yf a u l t b a s e do ns h a f tv o l t a g e a i rg a pp e r m e a n c em e t h o di s a d o p t e dt oa n a l y z eg e n e r a t o r a i r - g a pm a g n e t i cf i e l dc h a r a c t e r i s t i c su n d e rs t a t i ce c c e n t r i cs t a t e ，v e r i f i e st h a tt h e d i s t o r t e df l u xc a ni n d u c ev o l t a g ea tb o t he n d so fg e n e r a t o rs h a f t s h a f tv o l t a g ei si n p r o p o r t i o n t ot h e d e g r e e o fg e n e r a t o rs t a t i c e c c e n t r i c i t y , s o t h es h a f tv o l t a g e c h a r a c t e r i s t i cc o m p o n e n t sc a nc h a r a c t e r i z et h ed e g r e eo fg e n e r a t o rs t a t i ce c c e n t r i c i t y f a u l t ( 2 ) t h ei n f l u e n c er e s e a r c ho fg e n e r a t o rr o t o rw i n d i n g si n t e r - t u r ns h o r t c i r c u i te l e c t r i c a l f a u l to nt h eu n i tv i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s b yf o u r i e ra n a l y s i sm e t h o d ，g e n e r a t o r e x c i t a t i o nm a g n e t i cp o t e n t i a lm a t h e m a t i c a le x p r e s s i o ni sg o t ，t h ev a r i a t i o nr u l eo ft h e u n b a l a n c e de l e c t r o m a g n e t i cf o r c ew i t he x c i t a t i o nc u r r e n ta n dg e n e r a t o rs t a t ei ss t u d i e d a f t e rr o t o rw i n d i n g si n t e r t u r ns h o r t c i r c u i t a i m i n ga tt h ep r a c t i c a lp r o b l e mt h a tt h e d i a g n o s i n gr e l i a b i l i t yo fr o t o rw i n d i n g si n t e r - t u r ns h o r t c i r c u i tt h r o u g ht h ef u n d a m e n t a l f r e q u e n c yc o m p o n e n ta m p l i t u d eo fr o t o rv i b r a t i o ns i g n a li sn o th i g h ，t h el a wo fr o t o r f o r c ea n dv i b r a t i o ni ss t u d i e du n d e rm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lc o m p o u n df a u l t s ，t h e m e t h o dt od e t e c tr o t o rw i n d i n g si n t e r - t u r ns h o r t c i r c u i tf a u l ti sp r o p o s e d ，w h i c hi sb a s e d o nt h er o t o rb a s i cf r e q u e n c yv i b r a t i o na m p l i t u d ea n da n g l ec h a n g e t or u l eo u tt h e i n t e r f e r e n c eo ft h em e c h a n i c a lf a u l t ss u c ha sm a s sb a l a n c eo nt h ed i a g n o s i so fr o t o r w i n d i n g si n t e r t u r ns h o r tc i r c u i tf a u l t ，s t a t o rc o r es h e l lv i b r a t i o nr u l eu n d e ru n b a l a n c e d e l e c t r o m a g n e t i cf o r c ei ss t u d i e d ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lc o n f i r mt h a tw e c a ne f f e c t i v e l yd i a g n o s er o t o rw i n d i n g si n t e r - t u r ns h o r tc i r c u i tf a u l tt h r o u g ht h es t a t o r c o r ev i b r a t i o n ( 3 ) p u tf o r w a r dt h em e t h o do fd e t e c t i n gr o t o rw i n d i n g si n t e r - t u r ns h o r tc i r c u i tf a u l t w i t ht h ea i do fs t a t o rc o g g i n ge f f e c t t h es t a t o rc o g g i n ge f f e c ti su s u a l l yi g n o r e dw h e n w ec a l c u l a t eg e n e r a t o rm a g n e t i cf i e l db ya i rg a pp e r m e a n c em e t h o d ，w h i c hl e a d t ot h e g e n e r a t o rf a u l ti n f o r m a t i o nm i s s i n g t h i sp a p e r c o n s i d e r st h es t a t o rc o g g i n ge f f e c tw h e n e s t a b l i s h i n gg e n e r a t o ra i r g a pp e r m e a n c em o d e l ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e f i m e n t a l r e s u l t sc o n 6 mt h a tw h e n r o t o rw i n d i n g si n t e r - t u r n s h o r tc i r c u i th a p p e n s t h e c h a r a c t e r i s t i ch a m o n i cc o r r e s p o n d i n gt oa l v e o l a rn u m b e r sa p p e a r s l ns h a f tv o l t a g e w h i c hc a nr e f l e c tr o t o rw i n d i n g si n t e r t u r ns h o r tc i r c u i t f a u l t ( 4 ) p u tf 0 刑a r dt od e t e c tt h er o t o rw i n d i n g si n t e r - t u r ns h o r tc i r c u i tf a u l t w i t ht h ea i do f s t a t i ce c c e n t r i c i t yf a u l t t h i sp a p e rc o n s i d e rt h ei n h e r e n tg e n e r a t o rs t a t l ce c c c n t n c l t y f a u i t ，g e n e r a t o rm a g n e t i cf i e l dm o d e li s e s t a b l i s h e da d o p t i n ga i rg a pp e n n e a n c e m e t h o d a f t e rt h er o t o rw i n d i n g si n t e r t u r n s h o r tc i r c u i tf a u l t ，t h et h e o r e t i c a l a n a l y s l sa n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ef a u l t f e a t u r ec o m p o n e n t sa p p e a ra f t e rr o t o rw l n d l n g s i n t e r t u ms h o r tc i r c u i tf a u l t ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l ys h o wt h er o t o rw i n d i n g sm t e r - t u m s h o r tc i r c u i tf a u l t k e yw o r d s ：c r o s s f e a t u r e ，m e c h a n i c a l - e l e c t r i c a lj o i n tf a u l td i a g n 。s i s ，r o t o r w i n d i n g s i n t e r t u r ns h o r tc i r c u i t ，m e c h a n i c a le c c e n t r i c i t y ，f a u l td i a g n o s i s i l 华北电力人学博十学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 课题研究的目的与意义1 1 2 发电机故障及检测方法2 1 2 1 冷却系统故障2 1 2 2 机械故障2 1 2 3 电气故障3 1 2 4 发电机故障诊断技术小结3 1 3 本文研究的发电机故障3 1 3 1 转子绕组匝间短路故障4 1 3 2 静偏心故障6 1 4 本文采用的诊断方法7 1 4 1 电机的振动特征研究7 1 4 2 电机的轴电压研究9 1 5 本文的主要工作1 5 第二章基于轴电压的发电机转子静偏心故障诊断18 2 1 气隙磁导法在偏心产生轴电压的机理分析中的应用1 8 2 1 1 静偏心磁场分析1 9 2 1 2 动偏心磁场分析2 0 2 1 3 畸变磁通路径研究2 l 2 2 发电机实验2 l 2 3 诊断关键问题研究2 9 2 4 小结3 0 第三章转子绕组匝间短路故障下发电机振动特性研究3 1 3 1 发电机磁势分析3 2 3 2 发电机复合故障下转子振动特征分析3 6 3 2 1 发电机转子受力分析3 6 3 2 2 转子振动仿真4 5 3 3 转子绕组匝间短路引起的定子铁心振动分析4 7 3 3 1 发电机定子铁心受力分析4 7 3 3 2 定子铁心振动特性分析4 9 华北电力人学博十学位论文目录 3 3 3 转子绕组匝间短路实验5 1 3 4 小结5 5 第四章利用定子齿槽效应辅助诊断转子绕组匝间短路故障研究5 7 4 1 转子绕组匝问短路后发电机气隙磁场分析5 7 4 2 转子绕组匝间短路实验5 9 4 3 小结一6 2 第五章利用偏心故障辅助诊断转子绕组匝间短路故障研究6 3 5 1 转子绕组匝间短路后发电机气隙磁场分析6 3 5 2 转子绕组匝间短路实验6 5 5 3 诊断关键问题研究6 9 5 3 1 各种因素引起的轴电压特征6 9 5 3 2 判断指标选择方法6 9 5 4 小结7 0 第六章结论7 2 参考文献7 4 致谢8 0 附录8 1 附录1m j f - 3 0 - 6 型故障模拟实验机组8 1 1m j f - 3 0 - 6 发电机总体结构8 l 2m j f - 3 0 6 发电机主要参数8l 附录2q f s n 一6 0 0 2 y h g 型汽轮发电机组8 4 个人简历、在学期间参加的科研工作及学术论文发表8 5 华北电力人学博十学位论文 1 1 课题研究的目的与意义 第一章引言 随着国民经济的持续发展，电力系统正朝着超高压、大容量、多机互联系统的 方向发展，2 0 0 m w 、3 0 0 m w 及以上容量的大型发电机已成为我国电网的主力机组。 截至2 0 0 9 年底，全国电力装机总容量累计达8 7 4 亿千瓦，其中，火电装机累计达 6 5 2 亿千瓦，占装机总容量的7 4 6 0 ；水电装机达1 9 7 亿千瓦，占总容量的2 2 5 1 ： 核电建设步伐进一步加快，到2 0 0 9 年年底在建施工规模达2 3 0 5 万千瓦；风电并网 总容量1 6 1 3 万千瓦。预计2 0 1 0 年年底，全国发电装机容量在9 5 亿千瓦左右，其 中，水电2 1 亿千瓦，火电7 亿千瓦，核电1 0 1 6 万千瓦，并网风电3 0 0 0 万千瓦。 从能源结构上看，火电、水电在未来很长时间内将一直是我国的主要电能来源。 发电机单机容量不断增大，其运行可靠性显得尤为重要和突出，一旦发生故障 特别是恶性故障，将给发电企业带来严重经济损失。作为电网的主要支撑点，大型 发电机故障可能引起区域电网波动，威胁整个电力系统的安全和供电可靠性。 目前大型发电机故障诊断技术不断发展，先后出现故障维修、定期维修和状态 检修等几种维修方式。故障维修是最为落后的一种方法，该方法是在故障发生后对 发电机采取的维修，无法做到防患于未然；定期维修以发电机运行时间做判据，定 期停机进行检查维修。该方法的缺点是缺乏针对性，容易造成设备的“过度维修 。 为追求可靠性将设备提前更新，造成寿命未尽其用。忽略了设备个体的质量、环境、 性能状态的差异，使得在检修中大部分设备解体后查不出问题、而一些状态不佳但 周期未到的设备未被列入计划检修的情况。不仅降低了设备的可用性，而且 现维修后不如维修前的负面现象【l 】。从长远看，即使检修时没有查出缺陷， 修本身对设备寿命的负面影响不可避免，如耐压试验。此外，检修中投入的 消耗的材料和其它资源，如水、电、气等等，还有机组停运本身带来的经济 综合起来，每检修一次都意味着发电企业巨大的成本支出；状态维修是依据 的健康状态“需修时修”，提高了检修和试验的针对性和有效性，通过对发 综合分析和细化管理，识别出状态不良发电机的劣化迹象，从而有针对性地 效的少量检修，保证发电机始终处于良好的状态，提高其运行可靠性和安全 于减少了对状念较好发电机的无效劳动，合理地降低了维修费用，减少了发 运次数，提高了其可利用率。目前国内外十分重视状态检修技术在生产中的 对大型机组进行在线监测与故障诊断，做到早期预警以防止事故的发生或扩 重要的现实意义【2 5 1 。 第一章引言 1 2 发电机故障及检测方法 发电机故障主要分为冷却系统故障、机械故障以及电气故障等。传统的故障诊 断方法独立研究各种故障和与之对应的故障特征。例如：针对冷却系统故障，发电 机的多个位置安装了压力、温度、流量传感器，并定期对冷却介质进行成分分析， 及时反映发电机冷却系统存在的问题；对于机械故障，采集发电机振动信号，分析 振动量变化特征，根据发电机振动的时域和频域特征诊断机械故障；对于电气故障， 传统方法采用电压、电流互感器以及各种电力传感器采集电气信号，分析发电机的 电气量变化特征。 1 2 1 冷却系统故障 冷却系统故障主要是指冷却介质( 水、氢、油) 压力、纯度、流量、温度、导 电率异常等。发电机的冷却系统十分庞大，每种冷却介质都有一个独立的循环系统。 冷却系统故障类型繁多，涉及的监测对象也多种多样，包括：定子绕组及引出线温 度监测，冷却器自i f 后氢气温度监测，机内氢气温度监测，内冷水进出水温度监测， 内冷水流量监测，机内氢气压力监测，氢、空侧密封油压监测、油温，冷热氢气温 度监测，定子铁心温度监测，轴瓦温度监测，轴承回油温度及油量监测，油密封装 置油量监测，氢气冷却器、空气冷却器、油水冷却器、水水冷却器进水温度监测， 轴承室内氢气含量监测，定子绕组水路及其外部内冷水系统内氢气含量监测，封闭 母线外壳内氢气含量，氢油问压差监测，水水冷却器及过滤器前后内冷水压力监测， 机内氢气纯度监测，机内氢气定期化学分析，氢气冷却器及空气冷却器水流量监测， 定子绕组进出水压力监测，油水冷却器f j i f 后密封油温度监测，内冷水化学特性监测， 内冷水电导率监测，过滤器前后密封油压力监测，压差阀平衡法跟踪情况，定子绕 组水路及其外部内冷水系统氢含量监测，机内氢气湿度监测，漏氢率及漏氢量监测 等。某些冷却系统故障可以对发电机造成严重损害，针对这些故障，目i j 已经有多 种保护装置投入运行，例如：轴承断油保护，定子绕组过热保护，发电机定子绕组 内冷水流量保护，氢气冷却器的水流量保护等。 1 2 2 机械故障 发电机的机械故障种类繁多，包括转子质量不平衡、热不平衡、裂纹、初始弯 曲和动静磨擦，轴系不对中，油膜涡动，轴承故障，支撑刚度不足，连接部件松动， 转子静偏心等。发电机的机械故障是现场频繁发生的故障之一，尤其以转子质量不 平衡和热不平衡故障最为常见，发生这类故障后发电机的振动状态明显恶化，若不 及时有效处理可能引发恶性事故。目前通常采用测量发电机轴颈和轴承振动值的方 2 华北电力大学博十学位论文 法监测这些故障。由于监测对象单一，有些时候需要对采集的信号进行处理甚至停 机反复查找才能发现故障原因。 1 2 3 电气故障 发电机的电气故障包含定子绕组三相短路、两相短路、单相接地短路、匝间短 路、失磁、过电压、局部放电和转子绕组匝间短路故障，转子绕组一点接地和两点 接地故障等。大多数发电机定子故障属于恶性故障，若不能及时有效处理，电流热 效应短时内即可烧毁发电机绕组和铁心，瞬变的冲击性磁场产生强大电磁力，可能 造成定子铁心变形、转子出现裂纹或剪切断裂，故障的维修费用非常高。目前针对 这些电气故障，主要监测的发电机对象有：有功功率，无功功率，定子电压，定子 电流，励磁电压，励磁回路绝缘电阻值等，通过对采集的数掘进行实时处理和分析 即可判断是否存在故障。针对发电机的电气故障具有一系列的保护措施，例如：相 间短路保护及差动保护，定子绕组接地保护，转子绕组接地保护，异步运行保护， 定子绕组过电压保护，负序电流过载保护，外部短路引起的过负荷保护，零序保护， 定子绕组对称过负荷保护，转子绕组过负荷保护，大气过电压和操作过电压保护等。 1 2 4 发电机故障诊断技术小结 发电机是一种特殊的电气设备，造价极高，对制造、运行和故障维修的要求极 高。如上所述，目前发电机的大部分恶性故障已经具备了 以及时有效发现并进行相应动作；某些发电机故障( 如大 或反复启停发电机才能有效查找和消除故障( 如动平衡) ， 获取的故障信息不足，这种现象在故障诊断中通常是难以 电机结构、运行安全等因素限制，传感器安装困难，在今 在有效检测( 如定子铁心短路、松动故障) 。近年来对发 度不断加大，如发电机定子绕组端部振动监测，转子绕组 机的轴电压、轴电流监测和局部放电故障监测等。发电机 成熟，与旋转部件有关的故障检测难度较大，某些旋转信 的，如励磁绕组温度、旋转励磁发电机的励磁电流等。在 障是较难诊断的，如机械故障中的静偏心故障，通常需要 发电机转子绕组匝间短路故障的检测灵敏度也不高，诊断 1 3 本文研究的发电机故障 发电机作为一个耦合的整体，各种物理量之间并不是 用、互相影响的整体。独立分析各种故障和与之同类型的 显，如故障信息量不足、不能全面描述故障特征、诊断的 3 第一章引言 本文依据国家自然科学基金项目，选取两种典型的发电机机械故障和电气故障作为 研究对象，即转子绕组匝间短路故障和静偏心故障。 1 3 1 转子绕组匝间短路故障 转子绕组匝间短路故障是大型发电机的典型故障之一。轻微的转子绕组匝间短 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。一旦转子绕组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，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【6 】。 造成发电机转子绕组出现匝间短路的原因有多种，按照制造和运行方面分析如 下： f 1 ) n 造方面 a ) 转子端部绕组固定不牢、挚块松动，发电机在运行中就会由于铜铁温差引起 绕组相对位移。 b ) 绕组铜导线加工工艺方面缺陷造成的倒角与毛刺，端部拐角整形不好或者局 部遗留褶皱或凹凸不平；匝问绝缘挚片挚偏，绕组导线的焊接头和相邻两套线圈间 的连接线焊口整形不良；制造工艺粗糙留下的工艺性损伤；转子护环内残存加工后 的金属切削异物、护坏绝缘衬挚的老化等。 ( 2 ) 运行方面 a ) 大型汽轮发电机的转子所承受的机械方面和电气方面的负荷都很高，特别是 转子绕组和固定系统在高速旋转过程中要承受很大的离心力和多种使它移位变形 的动态应力。 b ) 发电机起、停时的离心力或负荷变化所引起的热胀冷缩使转子线圈发生位移、 变形或局部绝缘损坏，造成转子绕组匝间短路，尤其对调峰运行的发电机，更应引 起注意。 c ) 运行中在转子绕组的通风孔内落入异物。 由于上述设计制造方面的缺陷和运行检修工艺不当等原因的存在，很容易使转 子绕组发生匝间短路故障。 转子绕组匝问短路一般有两种常见形式： ( 1 ) 不随转子的转动状态和运行工况而变化的匝问短路，称为稳定性匝间短路； ( 2 ) 随转子的转动状态或运行工况的改变而变化的，称为不稳定或动态匝间短 路。 4 华北i 乜力人学博+ 学位论文 转子绕组匝间短路故障中，动态短路故障出现的频率比较高，造成的损失也很 大，一旦出现漏判、误判后果不堪设想。所以这一类型的故障原因更应认真地分析 和重视。 美、英、俄、德、加等国家对发电机转子绕组匝问短路故障都在进行广泛而深 入的研究。在我国，华北电力大学、清华大学、河海大学及东南大学等高校在这方 面也做了大量的研究工作，取得了一些具有一定理论意义和实用价值的研究成果 7 - 1 2 、 o 目前，常见的检测转子绕组匝间短路的方法分为离线的和在线的两种。离线检 测方法包括：回复波检测法【1 3 钔l 、开口变压器法、交流阻抗和功率损耗法、直流电 阻法和空载及短路特性试验法等，由于离线方法本身的局限性，本文不对离线方法 详细讨论；目前在线检测发电机转子绕组匝间短路故障方法包括： ( 1 ) 微分线圈动测法 该方法最早由美国的a l b r i g h t 在1 9 7 1 年提出 1 8 】。该方法将探测线圈安装在定 子铁心的空气隙表面，既可以测量磁通的径向分量，也可以测量磁通的切向分量。 该方法利用了励磁绕组的漏磁场，其基本原理是把发电机气隙旋转磁场进行微分， 然后将此微分信号引入示波器进行分析。发生转子绕组匝间短路的故障槽电流较j 下 幺 常情况下小，其漏磁场也变小，微分后的波形变小，所以对微分波形进行分析即可 诊断出转子绕组是否存在匝间短路故障，并准确显示出故障槽的位置。 由于可以实现故障定位，在维修过程中将节省大量故障查找时间，因此该方法 受到工业界的亲睐。然而，该方法也有其自身的弊端：微分线圈动测法只在发电机 空载条件下诊断可信度较高，在发电机带负载运行时，由于电枢反应，探测效果并 不明显，检测准确度剧减。文献 1 9 , 2 0 1 将小波变换用于突变信号的检测，对探测线 圈感应电势信号进行特征提取和消噪，从对采集信号的处理结果来看，故障特征仍 不够明显。此外探测线圈通常在发电机制造阶段安装，对于已投运的发电机安装该 线圈难度很大，需要的停机时间也长。 ( 2 ) 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 得同大小、同相位的感应电势，即只要分析各支路在相应极对数谐波磁场空间中 组系数以及其支路轴线的相位关系。如果其绕组系数和相位均相同，则无环流， 则在其并联支路问就会出现环流。发电机正常运行时，气隙磁场均匀对称，每相 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。但当发生转子绕组匝间短路故障时，情 第一章引言 则不同，文献【7 ，2 1 2 3 分析了转子绕组匝间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，得出转子绕组匝问短路故障后，定子一相并联的两条 支路之间产生偶次谐波环流的结论，因此可以通过偶次谐波坏流诊断发电机转子绕 组匝问短路故障。 目前大多数汽轮发电机中性点只引出三个端子，不满足传感器的安装要求，限 制了该方法的应用【2 4 1 。 ( 3 ) 励磁电流、无功判别法 文献【8 】分析了转子绕组匝间短路后发电机励磁电流和有功、无功变化特征，即 转子绕组匝间短路引起励磁电流增大，但无功却相对减小或不变，以励磁电流的理 论计算值和实测值的相对误差作为故障判据。 该方法在短路较为严重的时候判断准确，对于轻微的短路情况灵敏性不高，此 外，该方法以励磁电流变化量做判据，在旋转励磁发电机上获取励磁电流信号十分 困难，因此只适用于静止励磁发电机，限制了其应用范围。 ( 4 ) 定、转子振动判别法 文献 9 】针对转子绕组匝间短路后发电机气隙磁势不对称以及有效基波磁势减 小现象，计算出转子绕组匝间短路导致的不平衡磁拉力，提出通过定、转子的机械 振动来判断转子绕组匝间短路故障。该文指出转子绕组匝间短路故障激发汽轮发电 机转子工频振动，同时定子2 倍频振动下降。该判据的理论前提是假定励磁电流为 常数，实际上，转子绕组匝问短路故障发生后，励磁电流会有所升高，以维持机端 电压的稳定，气隙基波合成磁势基本保持不变。因此，采用定子2 倍机械转频振动 作为故障发生的判据很难有效地发现故障。采用转子基频振动诊断转子绕组匝问短 路故障也有其不足之处。通常情况下发电机转予质量不平衡是难以避免的，转子在 机械离心力和不平衡电磁力的作用下故障与特征量幅值并不表现出单一的对应关 系，一故障特征被掩盖。 1 3 2 静偏心故障 静偏心故障是发电机普遍存在的故障，静偏心相当于导轴承中心从定子中心向 某个方向偏移，使转子在此方向相对于定子偏心，定、转子问气隙发生变化，这种 气隙偏心固定在某一位置，它不随转子旋转而改变位置。 文献 2 5 将发电机气隙磁导展开为f o u r i e r 级数的形式，通过转子或定子表面的 m a x w e l l 应力积分得到非线性不平衡磁拉力的解析表达式，然后代入到转子系统的 运动方程中，采用隐式非线性n e w m a r k 积分法计算系统在不平衡磁拉力和质量 偏心力作用下的动力响应，详细分析了发电机参数对偏心转子系统振动的影响。研 6 华北电力人学博士学位论文 究结果为旋转机械轴系的动力分析及设计提供了理论依据；文献 2 6 】分析了气隙偏 心故障时汽轮发电机定、转子径向振动特征，得出静偏心激发转子2 倍频振动的结 论。针对水轮发电机偏心故障，文献【2 7 】采用容性传感器作为气隙偏心的检测装置， 通过电容电压判断气隙大小。文献 2 8 提出将探测线圈沿发电机齿槽套装在定子铁 心段上，通过探测线圈的输出电压信号判断静偏心故障。文献 2 9 ，3 0 分别分析了静 偏心导致的三相感应电动机的气隙磁场以及定子三相绕组感应电势变化，提出通过 定子绕组电流特征谐波诊断异步电机静偏心故障。文献 3 l 】提出通过定子绕组并联 支路的环流监测隐极同步电机静偏心故障，并通过f l u x 2 d 有限元软件完成了仿真实 验。 实际上除文献 2 7 】采用的方法监测电机静偏心已投入实际运行外，其他的静偏 心的监测并不如理论分析的那样理想。如文献 2 6 】提出的通过转子二倍频振动诊断 静偏心故障的方法，通常情况下通常情况下发电机的静偏心量并不是很大，引起的 二倍频电磁力很小，正常运行的发电机由于转子本身d 、q 轴刚度不同也可以产生2 倍频振动，淹没了静偏心引起的转子二倍频振动，因此通过转子2 倍频振动诊断静 偏心故障是极其困难的；文献【2 8 】提出的通过探测线圈诊断静偏心故障的方法，理 论上该方法可以有效监测出静偏心故障，但应用中考虑到定子线棒与铁心间的配合 及防止放电事故的发生，贯穿定子尺槽安装探测线圈几乎是不可能的；对于文献 3 l 】 提出的通过定子绕组并联支路的环流监测隐极同步电机静偏心故障的方法，前面已 经说明了大多数汽轮发电机中性点只引出三个端子【2 4 1 ，不满足传感器的安装要求， 限制了该方法的应用。 1 4 本文采用的诊断方法 针对传统故障检测方法的劣势，本文在常规监测方法的基础上进一步提炼发电 机故障之间的互相作用机理和规律，提出基于交叉特征的发电机故障诊断方法。该 方法综合利用发电机的轴电压特征和定、转子机械振动特征，最大限度地获取故障 信息，用以诊断静偏心故障和转子绕组匝问短路。 1 。4 1 电机的振动特征研究 作为旋转机械，振动是发电机固有特征之一。发电机运行中，转子本身质量不 平衡、热不平衡、轴承支撑刚度下降、机座松动、轴承磨损、油膜涡动等原因都可 以引起发电机较为强烈的振动。发电机的磁场同样可以引起发电机的振动，如汽轮 发电机运行中定子铁心的二倍频振动就是由发电机工频旋转磁场引起的。电机的振 动可以产生噪声，并造成机组工作状态恶化，严重情况下导致机组被迫停机。因此 研究发电机的振动特征、防止振动加剧造成的破坏是极其必要的。 7 第一章引言 ( 1 ) 电机振动的研究现状 振动故障诊断这一名称国外早在4 0 多年前就已提出，但限于当时测试技术和 振动故障特征知识的不足，这项技术在上世纪7 0 年代f j 未有明显发展。上世纪8 0 年代我国翻译了一批苏联和德国的著作【3 2 。4 1 ，同时国内也出现了一些关于电机振动 研究的著作【3 5 ，36 1 。经过4 0 多年现场故障诊断的实践，我国的电机振动监测具有一 定的基础，在机组振动故障特征方面积累了丰富的知识，在振动故障诊断方法、故 障机理研究方面具有独特的见解。 早期的电机振动研究主要偏重于转子动力学方向，主要是对转子及其支撑系统 的建模、临界转速求解和转子振动特征研究等，所涉及的故障多为转子系统的机械 故障，如转子质量不平衡、裂纹、不对中以及支撑刚度不足等，对电机的电气故障 引起的机组振动特征研究甚少。上世纪术，我国学者邱家俊对机电耦联动力系统的 非线性振动进行了大量研究并取得了丰硕的成果【3 7 ，3 8 】，特别是对发电机偏心状态下 的电磁力分析及转子振动特性的研究。 ( 2 ) 基于振动的发电机状态监测 发电机的振动特征集中体现了其内部机电状态，因此，通过振动诊断发电机故 障是一种可行的、被实践证明了的方法，一些通过振动诊断发电机故障的方法，在 现场得到了很好的应用。如通过发电机转子轴瓦振动的变化判断转子质量不平衡故 障程度，通过测量紧固连接部件的振差判断是否存在松动故障，利用冲击脉