转子匝间短路故障对大型汽轮发电机振动的影响机理_郝亮亮

转子匝间短路故障对大型汽轮发电机振动的影响机理 郝亮亮 吴俊勇 陈占锋 宋洪磊 北京交通大学电气工程学院 北京市 摘要 转子匝间短路是大型汽轮发电机时常发生的电气故障 会引起励磁电流增大 输出无功减 小 机组振动加剧等不良现象 因不具备分支电流互感器的安装条件 基于定子不平衡电流总有效 值的故障监测原理无法应用于大型汽轮发电机 而故障引起的机组振动为监测提供了一种新思路 为此 首先从分析转子匝间短路故障时定子和转子的稳态电流特征入手 全面考虑各种空间磁场的 相互作用及转子热变形等实际因素 对故障后发电机的定子和转子振动特性进行了研究 通过对故 障案例的调研验证了理论分析的正确性 并分析了影响振幅的关键因素 关键词 汽轮发电机 励磁绕组 匝间短路 振动 故障特征 收稿日期 修回日期 国家自然科学基金资助项目 中国博士后科学基 金资助项目 中央高校基本科研业务费专项 资金资助项目 引言 转子匝间短路是大型汽轮发电机常见的电气故 障 近年来对该故障的报道屡见不鲜 据广东电网 公司电力科学研究院的调查 仅广东省在 的 年中 就已经有 余台 等级的发电机出现了转子匝间短路故障 在 年 就已确认发生了 起 全电力推进舰船中的同步 发电机也曾发生过转子匝间短路故障 鉴于舰船对 可靠性的高要求 该故障已引起国内海军工程研发 人员的高度重视 有关机构也正在进行相关研究 转子高速旋转中励磁绕组承受离心力引起的相 互挤压及移位变形 励磁绕组的热变形和金属异物 等是造成同步发电机发生转子匝间短路故障的主要 原因 这些原因引起的动态匝间短路故障多在发电 机的实际运行中发生 发电机停机时往往无法检测 到 近年来 国内外学者对该故障的检测提出了很 多方法 但是这些方法或无法实现在线监测 或 需对发电机一次侧进行改造 或仅局限于定性的 理论分析与实验研究 对基于电气量的故障在 线监测 目前已实现了对故障电气量的准确定量计 算 特征分析 及应用于水轮发电机上的在线监 测方案 但除少量俄供机型外 中国绝大多数大 型汽轮发电机的中性点仅引出 个端子 尚不具备 分支电流互感器的安装条件 无法量测到故障引起 的定子不平衡电流 因而基于不平衡电流总有效值 的故障监测原理 无法应用于大型汽轮发电机 振动特性为电机及变压器绕组内部故障监测提 供了一种崭新的思路 等学者对此进行 了大量研究 实际中确曾出现较多由于转子匝 间短路故障引起的发电机振动超标的案例 当电 厂运行人员发现瓦振或轴振超标 且振动幅值与励 磁电流和无功功率呈现较为一致的变化趋势时 就 会怀疑发电机发生了转子匝间短路 而当振动超标 后 往往短路已经十分严重 且实际中引起发电机振 动的因素也很多 例如 转子热不平衡 风路堵塞 轴 瓦碰磨 偏心 机座下沉等 因此 应着手对故障后 的定 转子振动特征及其机理进行深入的研究 只 有明晰故障对振动的影响机理 并找出转子匝间短 路所独有的故障振动特征 那么基于振动的故障监 测才具可行性 文献 推导了故障时定子和转子的振动特性 方程及振动特征 但在分析时没有全面考虑故障后 定 转子各种时间电流所产生的各种空间谐波磁场 因此 分析结果有局限性 没有完整地揭示故障对振 动的影响机理 本文将首先分析常见的一对极汽轮发电机发生 转子匝间短路后定 转子电流的谐波特征 在此基础 上 全面分析电流产生的各种空间磁场及其相互作 用 完整地得到故障后的定 转子振动特性 典型一对极汽轮发电机发生转子匝间短 路时的故障电流特征分析 典型一对极汽轮发电机定子绕组的分布与 连接 秦山核电站 发电机定子绕组分布如 第 卷 第 期 年 月 日 图 所示 基本参数见附录 该发电机采用整数 槽叠绕组 定子槽数 极对数 每极每相 槽数 该发电机定子每相绕组均由不同极下 相同位置的支路反向并联而成 常见的一对极汽轮 发电机均采用类似的连接形式 只不过定子槽数不 同而已 图 秦山核电站 发电机定子绕组分布示意图 故障后的定子电流谐波特征 对于励磁绕组正常的汽轮发电机 由于两磁极 的励磁线圈绕向相反 各极下的励磁磁动势分布情 况相同 方向相反 因此 励磁磁动势中只包含空间 基波和 等奇数次谐波 在不考虑齿槽对气隙磁 导影响的前提下 磁动势在隐极发电机的均匀气隙 中产生相同次数的磁密 这些空间基波及奇数次谐 波磁场在定子同相的 个并联分支感应出相同的电 动势 负载时各并联分支电流相等 不会产生基波及 奇数次谐波不平衡电流 各种空间磁场对汽轮发电 机定子 相绕组两个分支的不同作用如图 所示 图 各种空间磁场对汽轮发电机定子 相 绕组两个分支的不同作用 而转子匝间短路故障会导致两磁极下励磁绕组 结构的差异 除非两极发生完全对称的短路故障 励磁电流除了产生空间基波以及 等奇数次空间 谐波磁场外还将产生偶数次谐波磁场 因极对数为 没有分数次谐波 以 次谐波磁场为例 从图 中可以看出 励磁电流产生的 次谐波磁场在 相 两并联分支的感应电动势大小相等但方向相反 将 引起定子 次谐波不平衡电流 同理 等偶数 次谐波磁场也会在定子绕组中产生不平衡电流 因 此 励磁绕组发生匝间短路后 定子绕组同相的不同 并联支路内将产生偶数次谐波不平衡电流 假设 分支的 次谐波不平衡电 流的稳态表达式为 槡 式中 为 相一个分支 次谐波不平衡电流的 有效值 为同步角频率 为时间 由于同相的 个并联分支在空间相差 因 此 分支的 次谐波不平衡电流的稳态表达式为 槡 故障后的转子电流谐波特征 定子不平衡电流将产生基波及各种空间谐波磁 动势 进而在转子中感应出谐波电流 相各分支 次时间谐波不平衡电流产生的 次空间谐波磁动 势的表达式为 式中 为空间谐波磁动势幅值 为建立在定子 内圆的空间坐标 其坐标轴原点与定子 相第 支 路的轴线重合 于是 定子 相 次时间谐波不平衡电流产生 的 次空间合成谐波磁动势为式 和式 之和 因 为偶数 只有当 也为偶数时 相的 次 谐波磁动势才不为 换言之 定子每相的偶数次 时间谐波不平衡电流只会产生偶数次空间谐波磁动 势 为脉振磁动势 其表达式如下 事实上 上述结论还可以从物理上的直观分析 得到 正常运行时 相两并联支路电流相同 其电 枢反应磁场如图 所示 规定磁动势方向由定子穿 过气隙到转子为正 其周期为 只包含空间 基波以及奇数次谐波 图 为谐波不平衡电流产生 的电枢反应磁场示意图 其周期为 只含 次等偶数次空间谐波 图 正常情况时的电枢反应磁场示意图 图 不平衡电流产生的电枢反应磁场示意图 用同样方法可求得 和 两相谐波不平衡电 流的合成磁动势 进而得到三相合成磁动势为 由于 和 均为偶数 两者的和或差也均为偶 数 由上式可知 当且仅当 时 三相合成磁动势 中仅包含正转分 量 当且仅当 时 三相合成 磁动势 才不为 仅包含反转分量 定子 次不平衡电流产生的 次磁场的极对数 是 若 则磁场为正向旋 转 相对转子转速为 当 时在转 子绕组中感应出 倍的基频电流 时不感 应 同理 反转磁场也只会在转子绕组中感应出 倍频电流 转子电流中只含有 及 的倍数次谐波 因此 常见的一对极汽轮发电机发生转子匝间 短路故障后 转子电流的交流分量中只存在 及 的倍数次谐波 而这些转子谐波电流产生的磁场 中 只有偶数次谐波空间磁场会引起发电机的定子 同相各分支之间的不平衡电流 那么定子不平衡电 流中也不会出现基波及奇数次谐波分量 故障电流特征的仿真验证 利用经 过 实 验 验 证 的 转 子 匝 间 短 路 数 学 模 型 对秦山发电机进行仿真 图 为转子励磁绕 组发生 匝金属性短路时的定 转子稳态电流波形 从图中可见 故障后的相电流仍然以基波为主 出现 了较大的定子不平衡电流 其周期为 经 傅里叶分析可知该电流含 等偶数次谐波 励磁 电流主要以直流分量为主 含少量的 次谐波分量 均与理论分析相符 图 秦山发电机转子匝间短路时的稳态电流 转子匝间短路时的定子振动特性 定子振动特性的基本分析方法 发电机主磁场大致沿着径向进入气隙 气隙磁 场引起的径向电磁力会对空心圆柱形定子产生弹性 圆柱壳体的振动 故障后的气隙磁场可表示为 式中 为定 转子产生各 种次数和转速的磁场密度 学术研究 郝亮亮 等 转子匝间短路故障对大型汽轮发电机振动的影响机理 由电磁场的基本理论可知 气隙磁场引起的定 子表面单位面积的径向力 正比于磁密平方 由下 式决定 式中 为真空磁导率 将式 代入式 得 由式 可知 气隙磁场引起的定子径向力既 有每种磁场单独产生的 也有两种磁场共同产生的 下面将在前文对故障电流特征分析的基础上 分别 分析各种定 转子磁场产生的定子径向力特性 因 只有幅值较大且节点对数 极对数 较小的力波对振 动起主要作用 文中在全面揭示故障对振动影响机 理的基础上 还将特别指出主要的振动频率 定子单一磁场作用产生电磁力引起的振动 由式 可知 定子 次时间谐波电流产生的 次磁场单独作用产生的电磁力为 由式 可见 力波的频率为 节点对数 为 正常运行时 主要考虑基波电流产生的基波 磁场 这时 引起定子的 倍频振动 节点 对数为 转子匝间短路时 定子 次谐波不平衡 电流 对应于 将产生 倍频振动 节点对数 为 次不平衡电流产生的正转磁场 和 次不 平衡电流产生的反转磁场 由于轻微短路产生的 偶次谐波不平衡电流较小 并且引起的力波节点对 数较大 由偶次谐波不平衡电流产生的磁场引起的 振动就更小 因此 定子每一种磁场单独作用产生 的电磁力中仅正常运行时的 倍频分量引起的 倍 频振动是主要的 转子单一磁场作用产生电磁力引起的振动 在转子坐标系中 转子 次时间谐波电流产生 的 次磁场可表示为 式中 为电角度 作定 转子的坐标变换 将转子电流产生的磁场 变换到定子坐标系中 得 引起的定子径向力为 可见 力波的频率为 节点对数为 正常运行时 主要考虑直流分量产生的基波磁 场 这时会引起定子 倍频的振动 节点对数为 故障后励磁电流的直流分量除产生与正常运行相同 的基波磁场外 还将产生偶次谐波磁场 并引起定子 倍频振动 节点对数为 次谐波电流产生的基 波磁场还将产生 倍频和 倍频振动 两种定子磁场共同作用产生电磁力引起的 振动 忽略定子偶数次不平衡电流产生的不同磁场共 同作用引起的径向力 只考虑定子基波电流产生的 基波磁场与谐波不平衡电流产生的磁场共同作用的 径向力 这时 从上式可以看出 这时将产生频率为 倍 基频的径向力波 由于基波磁场较大 因此该径向力 的幅值较大 且力波的节点对数较小 可能引起较大 的定子径向基频及奇数倍频振动 两种转子磁场共同作用产生电磁力引起的 振动 由于转子 次和 次谐波太小 忽略转子偶数 次谐波不平衡电流产生的磁场共同引起的径向力 只考虑转子基波电流产生的基波磁场与定子谐波不 平衡电流产生的磁场共同作用的径向力 这时 这两种转子磁场共同产生的径向力仅含基波及 奇数倍频力波 由于该力波的幅值较大 节点对数较 小 可引起较大的基频及奇数倍频振动 定 转子磁场共同产生电磁力引起的振动 与分析两种定子磁场或两种转子磁场共同产生 的径向力相同 正常时定子基波磁场与转子基波磁 场共同作用产生 倍频径向力 而故障后 定子基 波磁场与转子直流分量产生的偶次磁场共同作用形 成基频及奇数倍频的径向力 同样该径向力的幅值 较大 节点对数较小 会引起较大的定子基频及奇数 倍频振动 转子匝间短路时的转子振动特性 由径向电磁力引起的转子径向振动 与定子不同 发电机的转子刚性较强 气隙磁场 引起的径向力不会在转子各点引起分布式的振动 转子的径向振动取决于电磁力在转子各点的径向不 平衡合力 发电机正常运行时 转子所受径向力是 平衡的 不会引起转子径向振动 下面将分析选取 转子匝间短路故障时引起转子振动的主要因素 定子基波电流产生的基波磁场与转子直流分 量产生的偶次谐波磁场作用 定子基波电流产生的基波磁场和转子直流分量 产生的偶次谐波磁场相对转子均静止 从图 可看 出 在转子上相距为 两处由转子直流分量产 生的偶次磁场相等 而由定子基波电流产生的基波 磁场相反 因此 两处电磁力大小相等 但方向一个 指向转子圆心 另一个背离转子圆心 转子受到恒 定的不平衡磁拉力 不会引起转子的振动 但由于 该不平衡磁拉力随转子同步旋转 对于轴瓦的某点 将受到径向的基频交变力 可引起轴瓦的基频振动 图 空间基波和 次谐波磁场之间的作用 定子 次谐波不平衡电流产生的偶次磁场与 转子直流分量产生的偶次谐波磁场作用 从图 可以看出 在转子相距为 两处由 转子直流分量产生的偶次磁场相等 由定子 次谐 波电流产生的偶次磁场也相等 因此 两处电磁力 大小相等 方向也相同 不论定 转子偶次磁场的谐 波次数 转速 转向如何 均不会引起转子的不平衡 磁拉力 也不会造成转子及轴瓦的振动 图 空间 次和 次谐波磁场之间的作用 定子 次谐波不平衡电流产生的偶次磁场与 转子直流分量产生的基波和奇数次谐波磁场作用 定子 次谐波不平衡电流产生的 次谐波磁场 同转子直流分量产生的基波和奇数次谐波磁场均与 转子相对静止 按上文的分析方法可知 其相互作 用会产生作用在转子上恒定的不平衡径向磁拉力 可引起轴瓦的基频振动 另外 定子 次谐波不平衡电流产生的 次谐 波磁场与转子的相对转速为 该磁场与转子 直流分量产生的基波及奇数次谐波磁场作用 在转 子各点产生交变频率为 的电磁力 该电磁力作 用于转子 可形成转子的不平衡磁拉力 对于轴瓦 上的某一点而言 由于转子上不平衡磁拉力交变频 率为 即当转子转过 圆周后 轴瓦上某点的 力也重复一次 因此 可引起轴瓦处 倍频振动 定子基波电流产生的基波磁场与转子 次谐波电流 产生的偶次谐波磁场作用也将在转子形成交变的不 平衡磁拉力 按同样方法分析可知 轴瓦处也会将 产生 倍频振动 由转子热变形引起的径向振动 如图 所示 由于转子短路匝电流比正常部分 电流要小 因此造成匝间短路的磁极比没有发生短 路的对侧磁极产生的热量小 由于热膨胀效应 且 转子大轴很细长 弯曲的转轴两端将产生轴承热力 矩 因此转子轴瓦处将产生基频振动 文献 指 出 热敏感性质的转子振动是转子匝间短路的一个 特征 并且随着转子温度的上升而增加 该振动可 能严重到引起对机组运行的限制 学术研究 郝亮亮 等 转子匝间短路故障对大型汽轮发电机振动的影响机理 图 转子匝间短路引起的转子热变形 由脉动电磁转矩引起的转子切向振动 不同于定子 当发电机电磁转矩出现脉动分量 时会引起转子的切向振动 文献 分析了转子匝 间短路故障对发电机电磁转矩的影响 按该文的方 法分析可知 对于常见的大型汽轮发电机 转子匝间 短路故障后将引起 倍频的脉动电磁转矩 这相对 于转子上产生 倍频的切向不平衡力 会引起转子 的 倍频切向振动 但由于转子惯性以及不平衡力 的频率较大 引起的切向振动可能较小 基于故障实例的进一步分析与论证 为验证理论分析的正确性 并进一步研究影响 振幅的因素 全面调研了国内发生的汽轮发电机转 子匝间短路故障案例 文献 报道了平圩电厂 号机组发生转子匝 间短路后的发电机振动及处理情况 年 月 初 运行人员发现发电机轴振 号轴承 达报警 值 在对发电机辅助系统进行调整无果后 只能限 负荷运行 以保持 号轴瓦振动不超过报警值 限负荷运行本质上是降低了发电机的定子电 流 因此减弱了定子基波电流产生的基波磁场 而 由本文 节的分析可知 定子基波电流产生的基 波磁场与转子直流分量产生的偶次谐波磁场作用能 引起轴瓦的基频振动 电厂限负荷的做法从一个侧 面印证了本文振动机理分析的正确性 通过对 号轴瓦振动频谱特征的分析发现振 动信号主要含 基频分量 这与本文的理论分 析结果一致 之后 现场对轴承振动值与发电机励 磁电流之间的关系进行了实验 图 为转子匝间短 路后 保持有功负荷不变时 轴瓦振幅与励磁电流的 关系 从图中可以发现 号轴承振动值与发电机 励磁电流有一定的对应关系 且两者变化趋势一 致 随着励磁电流的增加 转子电流直流分量产生 的基波磁场 定子 次谐波不平衡电流产生的偶次 磁场 定子基波电流产生的基波磁场都会增加 这必 然会导致转子振动的增加 但具体的对应关系较为 复杂 除涉及引起电磁力增加的这些因素以外 具体 的振幅还与振动模态有关 图 轴瓦振幅与励磁电流的关系 另外 现场还测取了改变励磁电流后 振动幅值 随时间 的 变 化 趋 势 图 所 示 为 励 磁 电 流 由 加到 后 号轴承振幅随时间的变 化 由图可知 振动的增加有一定的滞后时间 在 左右趋于稳定 这也证明了轴承振动与发 电机转子热变形引发的不平衡有关 因为热效应引 起形变需要一定的时间 图 轴瓦振幅与时间的关系 在经过维修并消除了转子匝间短路故障后 轴 瓦振幅明显下降 且与励磁电流无明显关系 这说 明 轴瓦振幅与励磁电流所体现出的一致关系是转 子匝间短路故障区分于正常运行的一种特征 此外 文献 所提供的故障案例也体现出 了以上分析的故障振动特征 结论 本文从分析常见一对极汽轮发电机转子匝间短 路时的定 转子电流特征入手 研究了转子匝间短路 故障对机组振动的影响 通过故障实例的调研 分 析了振幅的影响因素 并验证了理论分析的正确性 主要结论如下 常见一对极汽轮发电机发生转子匝间短路 后 定子相绕组内部会出现 等偶次谐波不平衡 电流 转子则会出现 次谐波电流 正常运行时定子径向振动主要以 倍频为 主 而转子匝间短路故障会引起较大的基频振动 发电机正常运行 不会引起转子的不平衡磁 拉力 而转子匝间短路故障会引起转子轴瓦的基频 及 倍频振动 脉动电磁转矩还会引起转子 倍频 的切向振动 短路造成的转子大轴热形变还将引起 转子轴瓦的基频振动 本文全面揭示了转子匝间短路对发电机振动的 影响机理 分析得出的定 转子振动特征不同于正常 运行 可为该故障的监测提供依据 下一步拟重点 研究转子匝间短路故障时发电机定 转子