（电机与电器专业论文）汽轮发电机转子匝间短路故障的机电联合诊断研究.pdf

华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 汽轮发电机转子匝问短路是一种常见的发电机故障，对其进行状念监测和故障 诊断是非常必要的。本文在阐述转子基本结构、转子匝问短路的原因和匝问短路引 起的电磁特性的基础上，对汽轮发电机转子绕组匝问短路故障进行了机电联合诊断 研究。通过分析汽轮发电机转子萨常运行及匝问短路故障运行时各参数的变化，推 导出转子匝间短路造成的定、转子径向振动特征和定子绕组并联支路环流特征。综 合利用发电机的电气参数和机械参数，作为r b f ( r a d i a lb a s i sf u n c t i o n ) 神经网络诊 断模型的输入量，成功地实现了发电机匝问短路故障诊断。通过动模实验验证了理 论分析的正确性和诊断方法的可行性。 关键词：转子匝间短路，振动，并联支路环流，神经网络，故障诊断 a b s t r a c t i t i sv e r yn e c e s s a r yt om o n i t o ra n dd i a g n o s et h er o t o rw i n d i n gi n t e r - t u r ns h o r t c i r c u i t ，w h i c hi so n eo ft h ec o m m o ng e n e r a t o rf a u l t s t h r o u g hi n t r o d u c i n gt h er o t o r b a s i cs t r u c t u r e sa n dt h ef l a u l tr e a s o no 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 t ， t h e e l e c t r o m e c h a n i c a lc o m b i n e dd i a g n o s i ss t u d yi sc a r r i e df o rr o t o rw i n d i n gi n t e r t u ms h o n c i r c u i t b ya n a l y z i n gt h ep a r a m e t e r sc h a n g i n gu n d e rn o m a lo p e r a t i o nc o n d i t i o na n d r o t o rw i n d i n gi n t e 卜t u r ns h o r tc i r c u i tf a u l tc o n d i t i o n ， t h es t a t o r 、r o 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 sa n dt h es t a t o rw i n d i n gp a r a i l e l b r a n c h e s c i r c u l a t i n g c u r r e n t c h a r a c t e r i s t i c sa r ei n v e s t i g a t e d b a s e do nc o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o no fe l e c t r i c a la n d v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，r b f( r a d i a ib a s i sf u n c t i o n )n e u r a ln e t w o r kc a nb e e s t a b l i s h e d ，w h i c hi sa p p l i e ds u c c e s s f u l l yt of a u l td i a g n o s i so fr o t o rw i n d i n gi n t e r t u m s h o nc i r c u i t f i n a l ly u s i n gp r a c t i c a l l ya c q u i r e dd a t a o nt h ed y n a m i cs i m u l a t i o n e x p e m e n t ， t h er e s u l t so fv e r i f i c a t i o ns h o wt h a tt h et h e o r e t i c a la n a l y i s a n dt h e d i a g n o s i sm e t h o da r e “g h t z h a oy a n j u n ( e l e c t r i c a lm a c h i n e r ya n de l e c t r i c a la p p a r a t u s ) d i r e c t e db yp r o l iy o n g g a n g k e yw o r d s ：r 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 ，v i b r a t i o n ，p a r a l l e lb r a n c h e s c i r c u l a t i n gc u r r e n t ，n e u r a in e t w o r k ，f a u i td i a g n o s i s 声明尸叫 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文汽轮发电机转子匝问短路故障 的机电联合诊断研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下 进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢 之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华 北电力大学或其他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。 学位论义作者签名：煮之丝罄 口期： 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：导师签名： 日 期：2 趁星兰：7 日期： i 、2 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究的目的和意义 第一章引言 随着国民经济的持续发展，现代电力工业向高参数、大容量方向发展，电力系 统中发电机的单机容量越来越大，大型发电机在电力生产中处于绝对主力位置。同 时大型发电机由于结构复杂，一旦遭受损坏，需要的检修期长；发电机的故障和停 运，不仅会损坏昂贵的电机本身，造成直接巨大经济损失，而且会直接威胁整个电 力系统的安全和可靠供电，造成恶劣的社会影响。因此要求发电机有极高的运行可 靠性。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 大具有重要的现实意义。 大型汽轮发电机转子绕组匝间短路故障是发电机运行中比较常见的故障，也是 影响安全运行的主要原因之一。轻微的转子绕组匝间短路故障对机组正常运行的影 响不大并且故障特征并不十分明显，运行中此类故障经常被忽略。但是不对称的匝 间短路长期运行下去，就会导致转子线圈一点甚至两点接地故障，引起大轴烧损， 转子剧烈振动和转子本体的严重磁化；而且发电机长期运行在故障状态会使转子电 流显著增加，绕组温度升高，对其寿命产生影响，导致恶性事故的发生；更严重的 情况是一旦出现转子绕组匝间短路，电机中便会出现气隙磁通波形的畸变，引起定 子侧电压的不平衡，并在发电机的定子两条并联支路间产生高次谐波坏流，增强线 圈的发热，影响发电机的无功出力，从而引起机组振动等机械故障，最终出现轴电 压升高，灼烧转子护环，发生机座及大轴磁化并进而烧伤轴瓦和大轴的严重后果。 因此准确预测转子绕组匝间短路故障并采取相应的预防措施具有重要的意义“训。 1 2 转子匝间短路故障检测的研究现状 目前针对发电机转子绕组匝间短路故障的检测，国内外都在竟相研究。国外的 学者曾提出过一些理论上可行的方法： 1 ) 微分线圈动测法阳1 这种方法最早是由美国的a l b r i 曲t 在1 9 7 1 年首先提出来的。它是将探测线圈 装在定子铁芯的空气隙表面，既可以测量磁通的径向分量，也可以测量磁通的切向 分量。它的基本原理是把发电机气隙中的旋转磁场进行微分，然后获得微分信号， 将此微分信号引入示波器进行分析。根据正常和故障时信号波形的较大差别即可诊 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。 微分线圈动测法不受外部条件及匝间短路故障点在槽中位置的影响，可信度较 华北电力人学硕+ 学位论文 高。然而气隙线圈探测法只能在发电机空载和三相短路的情况下进行，在发电机带 负载条件下，由于电枢反应，探测效果不明显。此方法要求转子处于旋转状态测量， 所以在转子下线时不能应用，而且从已调研的资料发现，国内绝大多数电厂现有及 新设计的电机中，极少有这种测量线圈，并且安装这种线圈需要的停机时间也很长。 2 ) 回复波榆测法1 4 l 英国的j 、mw b o d 等学者提出给转子加阶跃脉冲测量其反射的回复波检测法。 这种方法也称作传输波分析法，是以行波理论为基础的。在转子绕组的两端同时施 加矩形脉冲，脉冲通过绕组后因电路元件变化( 如阻抗不匹配、绕组不对称) 而反 射，通过测量并放大反射脉冲之间的差异，即可产尘特征信号。利用特征信号和模 糊神经网络，不但可以检查出故障，而且还能准确地确定故障的位置。回复波检测 法的检测装置十分轻便，而且试验所需的时间很短。但是这种方法的缺点是必须培 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。在转了处丁证常运行时，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。冈此，网复波检测法 虽然在理论上可行，但是实现起来还有一定的困难，所需测量条件比较繁琐，在现 场实际运行检测中并不容易实现。 以上方法在理论上可行，但是实现起来还有一定的困难，需要大量的准备工作 和高水平的测量技术。这些方法的灵敏度不高，而且检测出故障以后，并不能一次 性实现对故障槽的准确定位。 3 ) 丌口变压器法 单丌口变压器法的测试原理是将转子置于定子膛外，由滑环通入交流电到绕组 中，在转子槽齿上便产生交变磁通。当线圈中存在或不存在匝间短路两种情况下， 在丌口变压器线圈上所感应的电势的大小和电源电压之问的央角是不同的。双丌口 变压器法是利用电磁感应原理，将两个丌口变压器置于转子本体同一线圈的对应槽 齿上。故障时，测量变压器产生的磁通与槽内线圈短路电流起助磁作用，因此感应 电势比槽内无匝问短路时成倍增长。 单丌口变压器法和双丌口变压器法的缺点是均不能应用于转动状念下检测，需 要在停机抽出转子后爿可以进行。 4 ) 交流阻抗和功率损耗法 正常情况下，当转子旋转时，槽内线匝在离心力的作用下压向槽楔，既减少了 线匝在槽内的有效高度，又使槽楔与转子槽齿接触紧密，增强了阻尼效应，使得阻 抗值随转速升高而有规律下降。发生匝间短路故障时，对同一台机组相同状态下， 阻抗值会发生突变，而功率损耗相对升高。 对于现场广泛采用的交流阻抗法，虽然具有简便、实用和较为灵敏的优点，也 可以在静态和动态下测量，但是交流阻抗法的测试结果受外部条件影响因素较多， 2 华北电力大学硕士学位论文 检测方法有很大的局限性：除了受到转子槽楔的材料及槽楔与槽壁接触的紧密程度 的影响之外，还受到转动状念下的定子附加损耗、转子本体剩磁、试验时施加电压 的高低、试验电源频率、波形的谐波分量等多种因素的影响，对判定较轻微的匝间 短路故障有时不能获得较准确结论，故不能作为判断匝问短路的主要依据。 5 ) 直流阻抗法 利用转子电阻在直流下的测量值故障状态比正常时有明显的偏低。直流电阻法 的缺点是灵敏度较低，只有在短路匝数较多时，直流电阻值爿呈现明显的变化。 6 ) 空载及短路特性试验法 利用发电机空载和短路特性试验在f 常和故障状念下所测参数值与特征曲线 不同。 空载与短路特性法对匝问短路故障的反映也不够灵敏，与直流电阻法相似，只 有短路匝数较多时，特性曲线才有明显变化。 以上检测方法大多数已经在现场中应用了多年，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他因素的干扰很大，在实际运行中得到的结果往往 很不理想，而且检测的灵敏度也不高。即使检测出故障以后，也无法一次性实现对 故障槽的准确定位。因此，研究转子绕组匝i 日j 短路检测的方法，并应用于现场中， 是非常有必要的。 1 3 本文主要工作 汽轮发电机作为一个机电联合的整体，机械与电气相互耦合。当转子绕组发生 匝问短路故障时除了会引起一些电气特征外，还会引起发电机定转子振动的变化。 研究转子匝问短路引起的发电机电气特征和振动特征，将为此类故障机理研究丌辟 新的思路，而且为r 后在线故障诊断提供更加全面的征兆，提高在线监测数据分析 和故障渗断的灵敏度和精确度【5 。7 】。对此，本文主要做了以下工作： 1 阐述汽轮发电机转子基本结构和转子匝问短路的原因，详细分析转子绕组发 生匝f b j 短路前后的电磁特性。 2 分别利用电磁力的能量计算法和电磁力的磁密公式计算法推导出汽轮发电 机转子匝间短路引起的定、转子径向振动特征，建立转子匝问短路与定、转子径向 振动频谱特征的对应关系。 3 通过分析汽轮发电机正常运行及转子匝间短路故障运行时各参数的变化，推 导出转子匝间短路引起的定子绕组并联支路环流特征。 4 突破单纯利用电气信号诊断绕组故障的局限，综合利用电气特征和振动特 征，建立r b f ( r a d i a lb a s i sf u n c t i o n ) 神经网络诊断模型，并将其应用于汽轮发电机 匝问短路的故障诊断与识别。 3 华北电力人学硕士学位论文 5 在动模实验室的故障实验机组上完成相关实验。借助高精度数据采集设备、 有效的信号分析以及特征提取技术，验证理论分析的正确性。 4 o # 匕l a 力人学颈十学位论文 第二章汽轮发电机转子结构和转子匝问短路时的电磁特性 2 l 转子的基本结构 h2 一l 所小，转r 总体i ：乜拈转轴( 包岔转r 术体) 、胁磁绕纠i 、 * 绝缘、 州锲、护环，。p 心环、m 尼绕组、转子绕组0 线、m 崩午卅环锋。肋磁绕组绕舟轴 的轴向 竹内，端部川护环j t ，川。p 心环轴川删j t 月作励磁绕组和转了本体j f ：有 行m 通风椭，使冷却川= ；工7l 流越。 汽轮发f u 机丁转述较高( 般都尼3 0 转分) ，为了根女r 地田定岫磁绕绑，大 存砬的发r l 机儿。r 伞做成隐极，转了。隐极式轼了从外形术开没们蚪显l “l m 的臌极 但魁d 它的励融绕自 一l 嗵入区流电流后，转r 的圳h 将会m 现n 微和s 极的磁场。n 较 高的转蚀i ，砭离心力的影响，牯f h 行的人小母_ f = _ j ；的m 制，句丁增九般f u 棚的_ = ；= 吐，l 能肿加转r f 时k 度。川此，l 轮发i u 机f 一转r 址个耋f | f _ j 托的阻休l 划2 i ， 这样的啦_ f l l 触，p 转r 嘲j 1l + “l 线速发避免轴f 卜的剐忡h i ：，屿逑艇转的离心作川 而损h 、，造成r 人f 门悲卅m ! 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( i 制造 i i 逗”a | f l 分 析如f ： ( 1 ) 制造打咖 转了端部绕组固定小牢、仕块松动，幢发电机在远行q j 就会j ：铜铁温差日i 起绕组相对位移。 、，趣。 华北电力人学硕士学位论文 绕组铜导线加工工艺方面缺陷造成的不严格的倒角与去毛刺，端部拐角整形 不好或者局部遗留褶皱或凹凸不平；匝问绝缘垫片挚偏，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；制造工业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等异物、护环绝缘衬挚的老化等。 ( 2 ) 运行方面 由于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。 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，造成匝问短路，尤其对调峰运行的发电机，更应引起注 意。 运行中在转子绕组的通风孔内落入异物，造成转子线圈匝间短路。 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 子绕组发生匝问短路故障并且f l 趋严重。 2 3 汽轮发电机转子电磁特性分析 2 3 1 正常情况下的转子磁势分析 当原动机把汽轮发电机拖动到额定转速后，对于发电机的励磁绕组，如果通入 励磁电流，就会在线圈中产生磁动势，进而会在气隙里面产生磁通。电椒绕组切割 气隙磁通，就会产生对称的三相电动势。对于励磁绕组，它通入的是直流电流，所 以产生的磁动势较为简单。由于隐极同步电机的转子是圆柱形的，在不考虑定、转 子槽丌口的影响时，可以认为它的气隙是沿着电枢圆周均匀分布的m 1 。图2 3 ( a ) 是 转子励磁绕组槽分柿图( 该转子有1 6 个槽，每极下的磁槽数所= 8 ) 。汽轮发电机( 极 对数p = 1 ) 转子币常状态时磁动势分布如图2 3 ( b ) 所示。设y 表示每极嵌放绕组部分 与极距之比，则相邻两绕组问的电角度= 肛，l 。 正常运行时，忽略高次谐波的影响，沿转子圆周分布的磁动势是阶梯形波，每 次经过转子槽，磁动势发生跳跃。汽轮发电机转子正常运行时转子磁动势f 为： c = c o s ( 缈f 只) ( 2 一1 ) 式中，巳为转子绕组基波激磁磁势；彩为转子机械旋转的角频率，也是磁势脉 振的角频率；只为转子机械角度。 7 华北电力人学硕十学位论文 f 二 i i i il i l 一l 0 矿ll i 二 二“b l 2 i i2 。 ( a ) 转了励磁绕组槽分布( b ) 汽轮发电机正常状态时转了磁势分布 图2 3 汽轮发电机励磁绕组磁势分布 文献 9 】对正常运行时转子的磁动势c 波形进行了傅立叶分析。将展丌为一 系列谐波之和的结果如下： 铲一警弘半 2 ) 式中，彬为常数，以为转子的机械角度。 萨常情况下，若将磁势的梯形波简化为阶梯波考虑，这个转子的磁动势在空间 2 万角度内是关于纵坐标轴对称分命的，为一个标准的偶函数。同时它也是一个周期 函数，因此对于正常情况的转子的磁动势波形，它的傅罩叶级数展丌式中只含有奇 次谐波分量，且不含直流分量。 2 3 2 发生匝间短路后的转子磁势分析 匝间短路发生后，转子励磁绕组短路效应会导致有短路磁极的磁动势产生局部 损失，从而使短路磁极的磁势峰值和平均值减小【10 1 。设第槽励磁绕组短路，短路 电流为，等效磁势如图2 4 所示。 根据磁通量上下面积相等的原则，建立方程，并求解，可得短路线匝产生的反 向磁动势心可以表示为： c =_ ( 1 一掣) ， ! 二丝兰壁， 2 万 显然，短路线匝是一个非周期的函数。但是如果将其看作是周期为2 万的函数， 其在( 一万，刀) 范围内的值与原非周期函数完全相等。这将其表示为周期性的信号在此 丝2万一2 已 一 丝2 争舵 华北电力人学硕士学位论文 周期内是完全准确的。所以，短路线匝产生的反向磁动势函数可表示为： 乃= + ( 巳c o s 以谚+ 包s i n 以p ) = l 式中各项系数为：口。= 亭r ( x 胁= 去r ”厂( r ) 出= o ； 铲瓦= 昙忙伊掣( 蜊d 谚 一蜣掣咖驯谚 + b 掣咖驯p l22 。 7 j = 一兰s i n 一+ 2 胴2 】 一一一_ 、i _ _ ，j i ，f y ，t 1 - ，fj-，_ 万以 一 吃= 季r 似) s i n 鼢= 妻似) s i n 掀= o 所以可以得到： 冗= c o s 以9 = i 2 ，品s i n ，l ( 三一弓+ ) ：一坐产竺竺2 二二2 二兰竺s n 鼠 尢篙 n ： 【i 一( 厅一，霄+ 2 ，) ，2 石j ， i ( _ j r 一，何+ 2 ，历，2 万l f 一万 z ， 万。i ， i o i 石 + 萄一 。嚣 图2 4 短路线匝磁势分布图 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 由此可见，发生匝间短路后，短路部分的磁势既包含有余弦分量的奇数次的谐 波分量，又包含有余弦分量的偶数次的谐波分量。从傅立叶级数的分析中也可以得 到这种现象的解释：短路匝产生的磁动势波形同样也是关于纵坐标对称，是一个偶 函数。而且根据磁通量等面积原则，它也是以横坐标为界，其波形的上下面积相等。 因此，短路线匝产生的磁动势函数表达式同样只含有余弦分量，而无正弦分量和直 流分量。但是它不是奇谐波函数，所以对于余弦分量，它既含有奇次谐波分量，又 9 华北电力人学硕+ 学位论文 含有偶次谐波分量。 设y = o 8 ，短路绕组对磁势各次谐波的影响如图2 5 所示。从图2 5 可得，短 路绕组产生的1 、2 、3 次谐波相对较大，故为了计算方便，忽略了4 次以上的谐波 分量。由于短路绕组产生的1 、2 、3 次谐波磁势的旋转角频率都等于转子的机械角 频率缈，故1 次谐波磁势可表示为巧= e 。c o s ( 纠一口) ；2 次谐波磁势可表示为 = 历2c o s ( 2 缈卜- 2 口) ；3 次谐波磁势可表示为= 乃3c o s ( 3 纠一3 口) 。 许 波 磁 势 的 幅 值 知蹋绕纽馏 ， o 1 次谤波2 次讲波 - 3 次谐波v 4 次i 皆波 图2 5 短路绕组对磁势各次谐波的影响 2 3 3 合成磁场的分析 匝问短路发生后，可以看作是退磁的磁势分布。它反向作用在一个特定极或有 短路的磁极主磁场的磁势上。只考虑由于短路引起的基本问题，将正常条件下的磁 势减去由短路引起磁势的小的突变，即可得到故障后的合成磁势。这种考虑意味着 问题是线性的，所以可以利用叠加原理。发电机主磁通回路上出现饱和，会导致出 现一些非线性的问题。但是由于磁势的损失会使整个问题更倾向于线性，而不会使 得线性程度减小，所以可以用叠加定理分析匝间短路的磁势损失问题。 由于磁动势关于纵坐标对称，故合成磁动势含有余弦分量，而不含讵弦分量和 直流分量。所以，转子合成磁势的波形函数可以表示为： r = + c ( 2 6 ) 2 4 本章小结 本章阐述了汽轮发电机转子基本结构和绕组短路故障的成因，详细地分析了转子 绕组发生匝间短路前后的电磁特性，为汽轮发电机转子匝问短路故障的机电联合诊 断研究奠定了基础。 i o 华北电力大学硕士学位论文 第三章汽轮发电机转子匝间短路时转子振动特性分析 振动状态监测是汽轮发电机状态监测中非常重要的一部分。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。而对于发电机，由于电磁力的作用，电磁振动同样作为当前研究的热点， 发电机匝间短路时的振动特性就属于电磁振动的研究范畴。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：电磁力的能量计算法和电磁力的磁密公式计算法。 文 1 l 一1 3 分析了仅由气隙偏心故障引起的转子振动，但是均没有给出气隙磁 密的计算方法。文 1 4 1 7 分析了仅由匝间短路故障引起的发电机定转子振动，但 是考虑的电机都是理想运行状态。而本章则考虑了实际运行的汽轮发电机普遍存在 的偏心状态，在此前提下，利用电磁力的能量计算法分析了汽轮发电机转子匝间短 路引起的不平衡磁拉力特征，而且对转子匝间短路引起的转子振动特征进行了机电 耦联交叉特性分析和实验验证。 3 1 汽轮发电机转子匝间短路时转子振动机理分析 汽轮发电机作为一个机电联合的整体，机械与电气相互耦合。转子匝问短路故 障将会引起气隙磁场畸变，产生不同于正常运行时的气隙电磁力波，从而激起发电 机转子径向振动f 限19 1 。 3 1 1 发电机定转子气隙磁导 正常运行的发电机是不可能不存在偏心的，况且匝间短路发生后，不平衡磁拉 力和弯曲热应力的作用使这种状况表现的更加明显，因此对匝间短路的分析是不能 不考虑气隙偏心的。以定子为参考坐标系，考虑气隙偏心时发电机定转子间的相对 位置如图3 一l 所示。 发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 ) 弹簧隔振定子铁芯的振动位移： ( 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 ) 转子外圆相对转子轴承中心的偏心。 其中，( a ) 和( b ) 两种偏心是本文考虑的重点，它们是振动形成的偏心。 华北电力大学硕士学位论文 。x ?一一7 、 厂每赢i 图3 一l 发电机定转子间的相对位置 由图3 - l 可见，定转子间的气隙近似为：万 ，) 磊一p c o s 一y ) ( 3 1 ) 式中，p 为气隙偏心，磊为均匀气隙大小。 气隙磁导为：人( 口力2 丽 = 人o g ”c o s ” 一y ) 一皇o _ 人。善( 别c 。s 讹训+ q c 0 s ( 肫训+( 3 - 2 ) n=o- u - ， qc o s ( 以一4 ) ( 口一y ) + + q c o s ( 疗一2 刀) ( 口一7 ) 】 式中，人。= 等为均匀气隙磁导； ，n 占= 为有效相对偏心； 戽d n 卢。为空气导磁系数。 由于 l ，根据相关分析，公式( 3 2 ) 中当以由o 到4 变化时求和即可满足 精度要求。 地力= a 0 【( 1 + 譬+ 等) + ( s + 等c o s ( 叫) + 应用 ( 譬+ 孚) c 。s 2 ( 口一y ) + 等c 。s 3 ( 口一厂) + 詈c 。s 4 ( 口一朋 e c o s ，x x = 占c o s ，= 二= 一 七d n c ，| p s i n ， ， y 2 占s my2 于2 一 庀d 仃 1 2 华北电力大学硕士学位论文 上瓦口j 化为： 地 f ) _ a o 【l + 等+ 吉( n 啪岵+ 嘉( n y 2 ) m 。s 口 砖+ 嘉( n 哪s n 口 + c 等+ 等m s 2 州争竽笋埘n 2 口 净3 ， + 2 1 掣c o s 3 口+ 三掣s i n3 口 + _ 一c o s j 口+ 了一s m j 口 4 0 34 d 3 + 2 1 二笔掣c 。s 4 a 十兰掣s i n4 口) + 一c 0 sz a 十了一s l n z 口 8 仃4 2 盯4 3 1 2 发电机定转子气隙磁势 正常运行时发电机气隙磁势高次谐波较小，气隙磁势可表示为： f ( 口，) = ec o s ( 纠一口一( y + 万2 ”+ 死c o s ( 纠一口) ( 3 4 ) 式中，e 为定子绕组三相基波磁势；y 为发电机内功角，转子励磁磁势超前定 子绕组基波磁势妙+ 万2 。 转子励磁绕组短路时，由于短路匝的去磁作用，发电机气隙合成磁势可表示为： f ( 口，f ) = ec o s ( 刎一口一( 少+ 万2 ) ) + 厶c o s ( 国f 一口) + 乃lc o s ( 倒一口) + 尼2 c o s ( 2 倒一2 a ) + 层3 c o s ( 3 耐一3 a ) = cs i n ( 耐一口一杪) + ec o s ( 纠一口) + 局2c o s ( 2 耐一2 口) + 兀3c o s ( 3 耐一3 口) ( 3 5 ) 式中，巧= 厶+ 乃。 3 1 3 发电机定转子气隙磁场能量 利用电磁力的能量计算法可以分析作用于转子的电磁力：先计算电机气隙空间 的磁场能量，然后将此能量分别对x 、】，求导，直接得到作用于转子外圆周沿x 、 】，方向的电磁力以、毋。 发电机定转子单位空间气隙磁场能量为： d 矽：三f 日西：! 人，2 r d 口如 2 2 则气隙磁场能量为： 形= 尝r 露r 八( 州n ) 倒口 ( 3 6 ) ( 3 7 ) 华北电力大学硕士学位论文 式中，r 是定子内圆半径，三为气隙轴向长度。 磁拉力在x 轴上的分力e 和在y 轴上的分力毋为： 式中，6 l 丢全= 6 i + 6 2 c 。s a + 6 3s i n 口+ 6 4c 。s 2 口+ 6 5s i n2 口+ 钆c o s 3 晓+ 6 7s i n 3 口+ 如c o s 4 口+ 6 9 s i n 4 口 = 事+ 鼍笋： ，3 删 6 32 虿5 驴孝+ 鼍# ：仃盯 6 7 _ 等；2 仃 铲等 铲吉+ 等笋； 仃 4 盯。 小砉+ 等； 6 6 _ 兰； 4 盯。 x 3 3 胛2 6 82 i 丁一； ( 3 8 ) ( 3 9 ) f 2 ( 口，f ) = ( 只s i n ( 刎一口一y ) + 巧c o s ( 耐一口) + 冗2c o s ( 2 纠一2 口) + 兀3c o s ( 3 f 一3 口) ) 2 式中， = + 【厶c o s ( 耐一口) 一乃s i n ( 耐一口+ 吵) 】+ 【厶c o s ( 2 耐一2 口) 一屯c o s ( 2 纠一2 口一2 少) + 九s i n ( 2 刎一2 口一矿) 一丑s i n ( 2 耐一2 口+ y ) 】 + 【五s i n ( 3 倒一3 口一吵) + 五c o s ( 3 耐一3 口) 】 + 【丸c o s ( 4 纠一4 口) + 厶s i n ( 4 鲥一4 口一y ) 1 + a o c o s ( 5 纠一5 口) + l c o s ( 6 纠一6 口) 丑= ( c 2 + 弓2 + 乃：2 + 历，2 2 e 巧s i n 沙) 2 ： 只乃：； e 2 2 ； c 尼，： 厶= ( c ：2 + 2 巧尼，) 2 ； i = 局3 2 ，2 1 4 如= 乃：( e + 日，) ； ( 3 一1 0 ) 五= ( e 2 + 2 c 日，) ，2 ； o = 2 c 3 ； 口 口 如 比 矽 矽 口 口 2 z 胀 肌 扒一趴一甜 厅 万 r r 魁一2魁一2 = l i 册一溯一” = i i 以 耳 职粥 = 一一 九 a 办 厄 石 华北电力大学硕士学位论文 由公式( 3 8 ) ，( 3 9 ) 和( 3 一1 0 ) 可得出： 最= 型竽迕( 口o + q c 。s 耐+ q ：s i n 耐+ 呸。c 。s 2 耐+ 口2 ：s i n 2 耐+ 吗lc o s 3 耐+ 吗2s i n 3 耐+ 口4 lc o s 4 耐+ 口4 2s i n 4 耐) 式中，= 2 a 轨： 口l l = 6 2 五+ 6 3 乃c o s 吵一6 2 如s i n y ； q 2 = 岛如一包五c o s y 一6 3 五s i n y ； 口2 l = 6 4 九+ 6 5 ( 玛一九) c o s y 一6 4 ( 九+ 厶) s i n y 一6 4 以c o s 2 吵+ 以尢s i n 2 少； 吒2 = 6 5 以+ 6 4 ( 九一厶) c o s y 一6 5 ( 九+ ) s i n y 一6 5 九c o s 2 吵一6 4 五s i n 2 | i c ，； 口3 l = 6 6 九一6 7 五c o s y 一6 6 五s i n y ； 口3 2 = 岛五+ 钆五c o s y 一6 7 丑s i n i f ，； 口4 l = 6 8 厶一6 9 c o s y 一魄厶s i n 吵； 口4 2 = 6 9 乃+ 6 8 乃c o s 沙一6 9 乃s i n i c ，。 同理可推导出： 等= 矾+ 以c 。s 口+ 以s i n 口+ 以c 。s 2 口+ 以s i n 2 口+ 砘c o s 3 口+ 西s i n 3 口+ 吨c o s 钇+ 或s i n 钇 式中，4 = 孝+ 学： 寺- 等笋；oq 6 1 以= 事+ 皇等； 以= 矾= 3 ( x 2 一】，2 ) i ；广。 x 3 3 x y 2 瓦丁一。 反 毋= 型竺正( c o + c 。s 耐+ c 1 ：s i n 删+ c ：c 。s 2 耐+ c 2 ：s i n 2 耐+ 白ic o s 3 研+ 巳2s i n 3 耐+ q lc o s 4 耐+ c 4 2s i n 4 耐) 式中，气= 2 丑4 ； ( 3 1 1 ) ( 3 一1 2 ) ( 3 1 3 ) 丝一 ； + 等专 l l = 畋 噍 华北电力大学硕七学位论文 q 1 = 吐 + 以 c o s p 一吐也s i n 咿 c 1 2 = 吐五一以 c o s 一吐 s i “ 岛l = 以 + 以( 一九) c o s 妒以( 九+ ) s i “乩 c o s 2 y + 以 s i n 2 c 2 2 = d 5 + 以( 九一 ) c o s 矿一以( + ) s l n 一以 c o s 2 妒一以丑s i n 2 矿 c 、1 = 以 一吐五c o s y 矾 s j “r 与2 = 吐 + 以丑c o s 矿一以 s i “r c = 以 一砖 c 0 5 p 一乩厶s i “p c ；2 = 如 + 哦 c o s 一以 s l n p 由公式( 3 一1 1 ) 和( 3 一1 3 ) 口r 知：考虑气隙偏心时转子匝问短路引起的小平衡 磁拉力不仅俞有l 部分，而且也含有2 吐) 、3 、4 0 成分。由此_ l 起的发电机转f 振 动不仪有工频振动也有2 倍频，3 倍频和4 倍频的高频振动成分。而发电机正常 运行时转子振动主要是工频成分。 32 转子振动特征实验分析和验证 实验电机采用华北电力大学屯机实验室s d f 9 型故障模拟发电机( s d f 一9 故障 模拟发电机参数见附录) 。励磁绕组有三个抽头厶、，和，其中：、，为励磁绕 组中的某一绕组的抽头分别为3 和6 ，厶为励磁绕组中的另一绕组的抽头，为 l5 ，可模拟转子匝删短路故障如图3 2 ( a ) 和( b ) 所示。 卜辫1 9 ，w 0 盐 l 。丫、r 、一 ：( ) 6 厶 幽32s d f9 战障模拟发电机 一 华北电力大学硕士学位论文 由公式( 3 一1 1 ) 和( 3 一1 3 ) 可知，磁拉力在x 轴上的分力f r 和在y 轴上的分 力凡相似，即转予垂直方向振动和水平方向振动特征相同。又由于转子支承水平方 向刚度小于垂直方向刚度，水平方向振动大于垂直方向，故以轴承座水平方向来测 量转子径向振动。在发电机与直流电动机间的轴承座水平方向安装c d 2 l s 型速度 传感器( 北京测振仪器厂生产，灵敏度为3 0 m v m 州s ) ，以测试转子振动信号。数 据采集系统采用n i 公司生产的p c i 6 2 5 1 采集卡及相应信号变换和保持电路。采样 频率设置为1 0 k h z 。 发电机并网运行，p = 4 0 8 k w ，q = 0 8 3 kv a r ，励磁电流厶= 2 8 5a ，相电流i = 6 4a 。在实验过程中，为减弱转子匝间短路对发电机过渡过程的影响，短路时先 将励磁电流降低，然后用导线直接短路( 因励磁电压较低) ，再增加励磁电流，分别 短路3 ( 将端点与3 抽头短接) ，6 ( 将端点与6 抽头短接) ，1 2 ( 将3 抽 头与1 5 抽头短接) 。 图3 3 ( a ) ，( b ) ，( c ) ，( d ) 分别为发电机正常运行、转子匝间短路3 ，6 ，1 2 时转子振动速度频谱图，表3 1 列出了具体振动数据。从图3 3 ( a ) 中可见：发电机 正常运行状态下，转子振动频率主要是工频成分。而通过图3 3 ( b ) ，( c ) ，( d ) 分别比 较与图3 3 ( a ) 的比较可以看出，发电机转子匝间短路除了引起转子工频振动增加外， 还会使2 倍频和3 倍频、4 倍频等高频成分发生明显变化，与理论分析结果基本吻 合。由表3 1 可以得出：当转子匝间短路3 、6 、1 2 时，转子基频振动分别增 加5 7 7 ，1 9 2 3 ，2 3 0 8 。 根据理论推导和实验分析得到：汽轮发电机转子匝间短路除了引起转子工频 振动增加外，还会使2 倍频和3 倍频、4 倍频等高频成分发生明显变化，与理论分 析结果基本吻合。 ( a ) 正常运行 1 7 ( b ) 匝间短路3 华北电力大学硕士学位论文 ( c ) 匝间短路6 图3 3 转予振动频谱图 ( d ) 匝间短路1 2 表3 1 转子径向振动速度( 咖s ) 3 3 本章小结 本章考虑了实际运行的汽轮发电机普遍存在的偏心状态，在此前提下，对转子 匝间短路引起的转子振动特性进行了机电耦联交叉特性分析。首先分析转子匝间短 路时的气隙磁场变化特征，计算得到定转子间的气隙磁导和气隙磁场能的解析式， 然后得到作用于转子的不平衡磁拉力的表达式，最终得到转子径向振动特征。该不 平衡磁拉力不仅会增加转子工频振动，而且会引起倍频和高频振动。通过理论推导 和实验分析揭示了转子匝间短路故障与转子振动之间的关系，发电机转子振动特征 与发电机电参数一样，也可作为诊断匝间短路的依据。 华北电力大学硕士学位论文 第四章基于定子振动特性的汽轮发电机转子匝间短路故障检测 文 1 1 1 3 】研究了电机转子偏心状态下所受的不平衡电磁力。实际上，电机作为 机械电气的综合体，其机电作用之间存在耦合现象，即机械故障可以导致电气状态 的变化，同时电气状态的变化也会引起机械状态的改变。文 1 4 】针对转子绕组匝间 短路使得有效基波磁势减小以及出现不平衡磁拉力现象，提出了通过定、转子的机 械振动来判断匝间短路这一电气故障的发生，该文指出匝间短路故障发生将激发汽 轮发电机转子工频振动，同时定子2 倍机械转频振动下降。然而，该文的理论前提 是假定励磁电流为常数，实际上，匝间短路故障发生后，励磁电流会有所升高，此 外，还要考虑自动励磁装置的调节作用，为了维持机端电压的稳定性，气隙合成基 波磁势基本保持不变，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。 本章在文【1 4 】的基础上，利用电磁力的磁密公式计算法分析了不平衡电磁力。 先通过气隙磁势和磁导，求得气隙磁密b 陋，f ) ，然后利用公式g ( 口，f ) = b 2 ，) 2 。 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。最终，得出了转子匝间短路发生后定子基频电磁力增大的结论。在故障模拟机 组上进行了相应的实验，实验结果验证了理论分析的正确性。 4 1 转子匝间短路时定子铁心受力分析 以应用最为广泛的汽轮发电机( 极对数p = 1 ) 作为研究对象，分析转子匝间短路后 所受的不平衡磁拉力。 由本文2 3 节可知：正常状