（电气工程专业论文）基于轴电压的发电机转子绕组匝间短路故障分析.pdf

夸 i“ ，最i卫 t 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于轴电压的发电机转子绕组匝问短 路故障分析，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。 学位论文作者签名：基塞： 日期： 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： 日期： 导师签名： 日期： _ l 赫 华北电力火学工程硕士学位论文摘要 摘要 本文提出了一种基于轴电压的汽轮发电机转子匝间短路故障监测的一种新方 法。由于电机或多或少的存在静偏心，因此轴电压总是存在于电机中。当转子匝间 短路时，在不平衡磁拉力和转子热弯曲的作用下，动偏心均加剧，导致气隙不均匀 程度较大，从而使轴上产生较大的轴电压。本文对转子匝间短路引起的单极效应和 气隙偏心产生轴电压的机理进行了较为透彻、细致的分析，用气隙磁通密度分析了 轴电压的故障特征频谱。最后，用v i s u a lc + + 编制了轴电压在线监测软件，成功得 实现了对轴电压的在线频谱分析和报警。此软件还能进行轴电压的离线分析，便于 运行分析人员找出新的匝间短路特征频谱。 关键词：轴电压，故障诊断，转子偏心，在线监测，转子匝间短路 a b s t r a c t a sa l lg e n e r a t o r sh a v ee c c e n t r i c i t yl l l o r eo rl e s s ，s h 硪v o l t a g ea l w a y se x i s t si nm a c h i n e s w h e nr 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 th a sh a p p e n e d ，r o t o rd y n a m i ce c c e n t r i c i t y a g u m e n t sa tt h es a l t l et i m eu n d e rt h ee f f e c to fu n b a l a n c e dm a g n e t i cp u l la n dr o t o rh e a t b e n d i n g i tm a k e sa i r - g a pm o r eu n e v e n ，a n dc o n s e q u e n t l yt h e r ei sm o r eh i g hv a l u eo fs h a f t v o l t a g ei nt h er o t o r t h i sp a p e rw i l lg i v eab e t t e rc o m p r e h e n s i o no fs h 撒v o l t a g em e c h a n i s m p r o d u c e db yh o m o p o l a re f f e c ta n da i r - g a pe c c e n t r i c i t y 1 1 1 ef a u l tc h a r a c t e r i s t i cs p e c t r u m so f s h a f tv o l t a g ei sa n a l y z e dt h r o u g ha i r - g a pf l u xd e n s i t y f i n a l l y , s h a f tv o l t a g ed i a g n o s i s s y s t e mo nr o t o ri n t e r - t u r ns h o r tc i r c u i tf a u l t ( s v d s ) i sd e v e l o p e dw i mv i u s a lc + + i th a s r e a l i z e do n - l i n es e p e c t r u ma n a l y s i sa n dr e p o r ts u c c e s s f u l l y , a n da l s oa n a l y z e ss h a f tv o r a g e o f f - l i n ef o ro p e r a t i o ns t a f ff i n d i n gn e wf a u l tc h a r a c t e r i s t i cs p e c t r u m sa b o u ti n t e r - t u r ns h o r t c i r c u i tf a u l t w uc h 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 f l iy o n g g a n g k e y w o r d s ：s h a f tv o l t a g e ，f a u l td i a g n o s i s ，r o t o re c c e n t r i c i t y , o n l i n em o n i t o r i n g , t u r n - s h o r t e do ft h er o t o rw i n g d i n g ， 6 簟 华北电力大学工程硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 课题背景及其意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 转子匝间短路故障诊断及轴电压监测需要解决的问题4 1 4 本文的主要工作4 第二章电机轴电压的基本理论6 2 1 轴电压的产生原因6 2 1 1 磁不对称6 2 1 2 轴向磁通8 2 1 3 静电效应9 2 1 4 静止励磁系统9 2 1 5 小结9 2 2 轴电压及轴电流的危害1 0 2 3 轴电压和轴电流的防护1 1 第三章基于轴电压的发电机转子绕组匝间短路故障诊断1 2 3 1 转子正常情况下的磁势分布1 2 3 2 匝间短路后转子的磁势分布1 4 3 3 气隙磁场分析1 6 3 4 单极磁通引起的轴电压计算1 8 第四章轴电压信号的处理方法研究2 0 第五章轴电压实验2 2 5 1 实验设备2 2 5 2 低频轴电压的故障特征频谱一2 2 5 3 高频轴电压的故障特征频谱。2 5 第六章基于m a t c o m 与v c + + 混合程序设计2 7 6 1 现场调研基于m a t c o m 与v c + + 混合程序设计的优势2 7 6 2m a t c o m 介绍2 7 6 3 利用m a t c o m 生成可执行文件2 8 6 4 利用m a t c o m 生成动态链接库文件一2 9 第七章转子绕组匝问短路故障监测系统( s v d s ) 的开发3 1 华北电力大学1 = 程硕士学位论文目录 7 1 总体设计3 2 7 2 实时曲线显示模块的设计一：3 3 7 2 1 电压波形图3 3 7 2 2 频域波形图3 3 7 3 故障判断模块的设计。3 3 7 4 数据库管理模块的设计3 4 7 4 1 数据存储。3 4 7 4 2 数据查询3 4 7 5 部分关键技术3 5 7 5 1 系统数据库的创建3 5 7 5 2 创建s v d s 软件的主要流程3 5 7 6 软件系统开发小结3 8 第八章结论3 9 8 1 对本论文工作的总结3 9 8 2 对今后工作的展望3 9 参考文献4 l 致谢4 3 附录a 直线拟合滤波程序4 4 附录bs v d s 中的关键代码4 5 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 5 i i 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 课题背景及其意义 第一章绪论 现今，世界发电量约8 0 是由汽轮发电机提供的。据电力部1 9 9 5 年的统计资 料，全国i o o m w 及其以上的火电机组共5 3 8 台，合计1 0 1 2 7 5 m w ，约占全国各类 机组总装机容量的4 7 2 4 ，占火电装机总容量的6 2 8 7 。对汽轮发电机的发展要 求是以大容量、高可靠性、高效率和自动化管理为方向的。随着6 0 0 m w 级火电机 组的引进、优化、国产化战略目标的完成，我国已具备生产1 0 0 0 m w 级火电机组的 能力。然而，发电设备的大型化必然导致单机容量占电网总容量比例的增大，大型 汽轮发电设备运行的可靠性和安全性尤为重要和突出，它直接影响发电厂的稳定运 行和向用户安全、经济地供电。一旦这样的机组发生故障，特别是恶性故障，就会 给电力系统和国民经济带来巨大的经济损失。 在大型汽轮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 过程中的加工工艺的不良和运行中各类机电作用的影响，大型汽轮发电机的转子绕 组经常会出现匝与匝之间的接触，即导致转子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，也是影响安全 运行的重要原因之一。一些资料表明：在已运行的大型汽轮发电机组中，发生转子绕 组匝间短路故障占故障总数的比重较大，危害程度为“严重”，故障发生的频率为 1 1 4 6 。大型发电厂中的大多数汽轮发电机都发生过或者存在着转子线圈匝间短路 故障的问题。转子绕组存在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 匝间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。 鉴于上述原因，近年来，国内外对转子绕组匝间短路故障的诊断研究非常重视 【4 1 ，研制发电机匝间短路在线监测与诊断系统显得十分必要。其一、可跟据匝间短 路初始阶段各种征兆检测出在故障，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。 轴电压是许多大型旋转电机普遍存在的现象，是不可避免的。在设计和运行条 件正常的电机中会存在数值较小轴电压，在电机出现故障的情况则会产生数值较大 华北电力大学工程硕士学位论文 的轴电压。轴电压较大往往是和电机设计、制造缺陷、各种故障及不正常的电源条 件有关，因此，可根据匝间短路初始阶段轴电压信号进行对转子匝间短路故障程度 的预测。 1 2 国内外研究现状 美、英、俄、德、加等国家对发电机转子绕组匝间短路故障都在进行广泛而深 入的研究，我国如清华大学、华中科技大学及东南大学等高校在这方面也做了大量 的研究工作，提出了一些分析方法，取得了一些具有一定理论意义和实用价值的研 究成果。目前，常见的检测转子绕组匝间短路的方法有： ( 1 ) 微分线圈动测法【5 】 这种方法最早是由美国的a l b r i g h t 在1 9 7 1 年提出来的。它是将探测线圈装在 定子铁芯的空气隙表面，这样既可以测量磁通的径向分量，也可以测量磁通的切向 分量。其基本原理是把发电机气隙中的旋转磁场进行微分，然后将此微分信号引入 示波器进行分析。由于不同的信号微分后的波形不一样，特别是正常和故障情况有 很大的差别，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。 微分线圈动测法不受外部条件及匝问短路故障点在槽中位置的影响，可信度较 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，探测效果并不明显，且检测准确度也较差这种方法 要求转子处于旋转状态下测量，所以在转子安装前和半成品时不能采用，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，极少装有这种测量线 圈，并且安装这种线圈需要的停机时间也很长。 ( 2 ) 电压降法 在转子绕组中通入交流电，测量转子两极电压。两极电压相等时说明不存在匝 间短路，不相等时说明存在匝间短路，然后依次测量各个线圈的电压降。在存在短 路线匝的线圈上测量的电压降将显著减小，实质上即等于分别测量各个线圈的交流 阻抗。通常都采用直流电压降法。在转子绕组中通入直流电，利用接有毫伏表的探 针，依次测量短路线圈中各个线匝间的电压降，在短路线匝上所测得的电压将显著 减小，且靠近短路点处的电压最低。 对于绕线式和具有辐向通风孔的转子，可以很方便的利用此方法进行测量，而 对于其他形式发电机转子，只有在拆下套箍时才能应用此方法。 ( 3 ) 开口变压器法【l 】 单开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 2 华北电力大学工程硕士学位论文 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， 在开口变压器线圈上所感应的电势的大小和电源电压之间的夹角是不同的。双开口 变压器法是利用电磁感应原理，将两个开口变压器置于转子本体同一线圈的对应槽 齿上。故障时，由短路匝产生的磁通对测量变压器起助磁作用，因此测量变压器的 感应电势比槽内无匝间短路时成倍增长。 单开口变压器法和双开口变压器法的缺点是均不能应用于转动状态下检测，需 要在停机抽出转子后才可以进行。 ( 4 ) 交流阻抗和功率损耗法【l 】 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，而功率损耗则相对升高。 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， 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，还受到转动状态下的定子附加损耗、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，故不能作为判断匝间短路的主要依据。 ( 5 ) 直流电阻法【l 】 直流条件下，转子绕组电阻故障状态的测量值比正常状态的测量值明显偏低。 直流电阻法的缺点是灵敏度较低，只有在短路匝数较多时，直流电阻值才呈现 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正常或故障状态下所测参数值与特征曲线 的不同来判断是否发生转子绕组匝间短路故障。 空载与短路特性法对匝间短路故障的反映也不够灵敏，与直流电阻法相似，只 有在短路匝数较多时，特性曲线才有明显变化。 ( 7 ) 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 环流，否则在其并联支路间就会出现环流f 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 3 华北电力大学工程硕士学位论文 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 9 - 1 l 】分析了转子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，得出转子匝间短路故障后，定子一相并联的两 条支路之间存在偶次谐波的环流，其大小随短路严重程度上升。 1 3 转子匝间短路故障诊断及轴电压监测需要解决的问题 发电机在正常负载运行状态下，能否对转子绕组匝间短路进行监测、怎样实现 早期报警，是实现转子匝间短路在线监测应首先解决的课题。上述介绍的方法属于 比较传统的检测方法，它们中的大多数都已经在现场中应用了多年，并且积累了很 多经验。但是大部分都不是在线检测或者受到其他因素的干扰比较大，所以实际测 试中得到的结果并不十分理想，而且检测的灵敏度也不高，即使检测出故障后，也 无法一次性实现对故障槽的准确定位。因此，就目前研究现状来看，急需找到一种 有效检测转子绕组匝问短路的方法。可以通过以下凡令方面来解决： ( 1 故障机理的研究和诊断规则的确定。目前诊断软件中所使用的诊断规则 通常是通过实验室模拟或理论计算得出的与发电机的实际情况有较大的差异。可 以通过进一步深入研究故障机理，结合现场应用，形成基于现场的故障诊断系统。 ( 2 ) 故障诊断方法的改进目前各种在线诊断方法都存在不足，故障诊断存 在误诊和漏诊现象同时故障定位很难实现。可以综合考虑故障的各种特征量，采 用集成型智能化故障诊断方法来提高故障诊断的有效性。 随着现场应用的增多，经验的不断积累，尤其是专用的故障软件的编制和实现， 转子绕组匝间短路故障的在线诊断和检测一定会得到完美的解决【1 。 另外，轴电压的传递方式一直是轴电压在线监测的难点【1 2 l ，电刷装置作为轴电 压的引出手段是不合适的。因为电刷构成的滑动接触具有非线性，尤其是在电流微 弱的情况下，它有很大的而且是变化的接触电阻，会造成信号的失真。因此，采用 具有高阻抗的测量仪器才能较为准确测量轴电压。目前轴电压的诊断都是采用人工 采样的监测方式来获取和采集信号，而轴电压信号的采样办法是目前轴电压监测所 需要解决的技术问题。 1 4 本文的主要工作 本文在总结国内外汽轮发电机转子匝间短路故障检测技术的基础上，深入分析 转子绕组匝间短路的故障机理，寻求更为有效的转子匝间短路故障诊断方法和判 据，主要工作如下： 4 华北电力大学工程硕士学位论文 本文首先总结国内外汽轮发电机转子匝间短路故障检测技术的基础上，指出传 统的转子匝问短路探测方法的不足之处，在此基础上，重点研究了基于轴电压的汽 轮发电机转子匝间短路诊断方法，通过理论研究和试验验证，提出了能够有效检测 转子匝间短路故障的新方法。本论文研究的主要内容为： ( i ) 详细分析大型汽轮发电机转子绕组匝间短路故障在制造和运行方面的原 因，指出传统匝间短路故障诊断方法的优缺点和研究新的转子绕组匝间短路故障诊 断方法的意义。 ( 2 ) 分析轴电压产生机理，对磁不对称及轴向引发的轴电压进行建模，推导 轴电压的计算式子，进而得出匝间短路情况下产生的特征频谱。 ( 3 ) 通过实验来验证理论的正确性。对实验数据滤波后进行频谱分析，找出 匝间短路时引起的轴电压的特征频谱，并与理论特征频谱相比较，分析两频谱的不 同点。 ( 4 ) 对轴电压进行滤波，解决用碳刷作为引出手段的在线监测的难点。 ( 5 ) 深入学习v i s u a lc + + 的图形界面制作知识。用v i s u a lc + + 开发轴电压的在 线监测软件，实现对轴电压的滤波、频谱分析与故障报警。 5 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章电机轴电压的基本理论 2 1 轴电压的产生原因 轴电压是指电机轴两端之间、转轴与地或者轴承之间所产生的电压。其测量部 位如图1 所示。轴电压是不可避免的，在设计和运行条件正常的电机中会存在数值 较小轴电压，在电机出现故障的情况则会产生数值较大的轴电压。轴电压较大往往 是和电机设计、制造缺陷、各种故障及不正常的电源条件有关，因此，对轴电压的 监测和诊断分析能发现电机存在的缺陷，诊断电机出现的故障，并有助于监视电机 铁心和绕组的劣化过程。同时可以采取措施，避免轴电压产生轴电流对轴承的损坏。 其产生的原因很多，如：转子绕组故障、静电效应、转轴磁化、气隙偏心、定转子 不对称等。一般说来，电机轴电压产生的原因划分为四种【u 】，分别是：磁不对称， 轴向磁通，静电效应，静止励磁系统 图2 1 轴电压的测量 l 一转子；2 一轴承；u l 一轴两端轴电压( 包括轴承部位) ；u 2 一轴承之间的轴 电压；u 3 一轴两端轴电压( 未包括轴承部位) ；u 卜轴对地的轴电压；d e 一驱动端； o d e 励磁侧 2 1 1 磁不对称 电机处于磁不对称状态时，磁阻随旋转转子位置改变而不同，进而使磁通总量 产生周期性的变化，即磁通是脉动的。这种脉动磁通将在发电机轴的两端感应出交 流型的轴电压。它们是由转子偏心、定子叠片接缝以及轴向通风沟的应用等原因造 成的磁不对称引起。 正常情况下转子周围磁场分布如图2 2 所示，在转子本体内该磁场是对称分 6 华北电力大学工程硕士学位论文 布的，转子偏心时，导致气隙不均匀，使转子磁极中心线两侧的磁通分布不对称， 其大小及分布情况均随转子旋转而周期变化，出现与轴交链的基频交变磁通，在轴 中产生轴电压，如图2 2 所示。 正常情况下转子周围磁场是对称分布的，转子偏心时，导致气隙不均匀，使转 子磁极中心线两侧的磁通分布不对称。如图2 2 ( a ) 所示，转子左半部分气隙由于 磁导大，流过此部分的磁通也大，而右半部分磁导小，其磁通，也小，此时，不 相等，以至于产生一个环绕转子的不平衡磁通a o 。当转子转过四分之一的周期 时，如图2 2 ( b ) 所示，转子主磁极两侧气隙磁导一样，故此时。相等，将不 产生不平衡磁通a o 。随着转子的周期性旋转环绕转子的不平衡磁通a o 的大小也以 同周期变化，并在轴两端感应出轴电压和在轴、轴承和机座所组成的回路中感应出 交变电流。 磁通不对称分布磁通对称分布 ( a ) 图2 2 偏心转子磁场偏置示意图 在实际电机中，扇形片通常都是交错叠置的，重叠数，l l ，实际接缝数为珥， p 为极对数，一般情况下，产生轴电压的条件为： 力p = 奇数或分子为奇数的最简分数 ( 2 一1 ) 轴电压的频率为上式约简后的分子和电枢频率的乘积。此外，也可以来判断 定子或机座分瓣、冲片轭部开孔等是否引起轴电压。此时式中的n 。等于圆周上定子 或机座的接缝数，或是冲片轭部的孔数。 转子偏心导致了气隙不均匀，使主磁通上下两部分的分布不再对称，而且其大 小与分布情况均随转子旋转而周期性变化，出现了与轴交链的基频交变磁通，它将 在转轴中感生轴电压。由于n ，一般较大，故一般频率较高。 因此磁通脉动产生的轴电压主要是不同频率的交流电压。 7 华北电力大学工程硕士学位论文 2 1 2 轴向磁通 由于电机中形成环绕轴的各种闭合回路，在设计考虑不周、存在剩磁、转子偏 心和转子绕组发生匝间短路时，它们的磁势不能相互抵消，就会产生一个环轴的剩 余磁势，使转轴磁化，这些磁通经轴、轴承和机座( 底板) 而闭合。并在电机旋转 时，在轴承两端的轴部和轴两端产生直流型电压。 轴向磁化一般是由汽轮发电机转子绕组极间连接线、转子匝问短路、定转子绕 组的不平衡安匝数产生的。正常转子端部绕组由于上下两侧的磁通西，和，相同， 将无轴向漏磁通a o 的产生，如图3 所示。当上半部分的绕组发生匝间短路时，其 磁通将减少，下半部分将产生不平衡磁通a o 。此a o 沿着轴、轴承、机座、定子形 成闭合回路。该磁通a o 可以磁化转子，在转子建立轴向剩磁。当断开转子电流时 转轴残留轴向剩磁。这种磁化的转轴，在轴承中旋转时，在轴上建立单极电势。单 极电势e 与转轴转速万及轴向恒定磁通删棚成正比，即： e = 砌m 删棚 ( 2 - 2 ) 式中足比例系数。 图2 3 汽轮发电机磁路分布示意图 1 一转子；2 一定子；3 一机壳；4 一轴；5 一轴承；6 一机座；7 一护环；8 转子端部绕组 磊一上半部分的气隙长度：磊一下半部分的气隙长度；一转子上半部分产生 的磁通；，一转子下半部分产生的磁通；一不平衡轴向磁通 当发电机定子和转子不在同一轴线上时，即图2 3 中磊盈，引起等于基波频 率的脉动磁通a o 。它经过轴、轴承、机座、定子形成闭合回路，虽然每极的磁势 相同，但由于气隙瓯和破不相等，磁通和，的数值也不相等，使沿着轴的磁通 不能相互抵消，故发生轴向磁化。 华北电力大学工程硕士学位论文 由图2 1 和2 3 可看出转子截面既有磁不对称产生的磁通也有轴向磁通流过， 此外还有一种径向单极磁通也流过截面，图2 4 将截面不同磁通均绘于一图上。由 于径向磁通在转子截面上无法构成闭合磁通，故与轴向恒定磁通合称为单极磁通。 2 1 3 静电效应 ir蕴adial c o n s lj 蓠一_ 一 、 删一一轴向恒定磁通，删一径向磁通 图2 4 转子处于偏心状态下的磁通 由于静电效应的影响，蒸汽与汽轮机叶片摩擦产生的静电荷，在转轴与接地机座 之间产生直流型轴电压，其电压数值大小与静电电荷量成正比。该电压在轴承油膜 两端聚集将形成较高的电压，甚至产生穿透轴承油膜的有害的电火花。如果没有有 效地使轴接地的装置，这种电压值可能很高，并可能通过最短路径( 轴承油膜同辅 泵等等1 对地放电。如今几乎所有的汽轮机都安装了接地碳刷，从而静电电荷经过 接地碳刷释放，而不通过轴承和轴的其它部位。但是当机组运行在不清洁环境中， 接地碳刷与转轴接触不良，仍然会产生此类轴电压。 2 1 4 静止励磁系统 这种轴电压为高频脉冲型电压，图2 1 中u 4 为其测量部位，由一些很陡的波峰 和随之而来的低频振荡组成的。它是由可控硅励磁系统和励磁绕组与发电机转轴之 间的电容耦合所产生的。由于其频率通常为固定不变的几百赫兹，故其不作为本文 分析的重点。 2 1 5 小结 将以上四种轴电压的分类总结列表，如表2 i 所示。 9 华北电力大学工程硕士学位论文 磁不对称引起的转子偏心、定子叠片接缝及定、转子不转轴两端的 轴电压对称交流型电压 2 2 轴电压及轴电流的危害 轴电压是汽轮发电机运行中一个值得注意的问题。大型汽轮发电机，如对轴电 压抑制或防护措施不当，将会产生电机大轴、轴瓦及汽轮机动静部分磁化及烧伤的 严重后果。 轴电压会产生轴电流，而轴电流是主要的危害源。主要危害有以下几种： ( 1 ) 如果滑环侧( 受油器) 轴端的对地绝缘垫损坏时，在轴电压的作用下，轴电 流可能很大。轴电流将在轴颈和轴瓦之间产生小电弧侵蚀，破坏油膜，使轴承温度 升高，润滑油碳化变质等。如果轴电流超过一定数值，发电机转轴轴颈的滑动表面 和轴瓦就可能被损坏。 ( 2 ) 如果机组在运行过程中，两轴承端或机组转轴与轴承间有轴电流的存在， 那么对于机组的轴承的使用寿命将会大大缩短，给现场安全运行带来极大的影响。 同时由于轴承损坏及更换带来的直接和间接的经济损失不可小计。 ( 3 ) 轴电流对轴承的破坏：发电机在运行时，存在定的轴电压，但只要没 有超过油膜的破坏值，轴电流是非常小的。即正常运行情况下，转轴与轴承间有润 滑油膜的存在，起到绝缘的作用。对于较低的轴电压，这层润滑油膜仍能保护其绝 缘性能，不会产生轴电流，但是当轴电压增加到一定数值时，尤其在机组启动时， 轴承内的润滑油膜还未稳定形成，轴电压将击穿油膜而放电，构成回路，轴电流将 从轴承和转轴的金属接触点通过，由于该金属接触点很小，所以这些点的电流密度 大，在瞬间产生高温，使轴承局部烧熔，被烧熔的轴承合金在碾压力的作用下飞溅， 于是在轴承内表面上烧出小凹坑。一般由于转轴硬度及机械强度比轴承烧熔合金的 高，通常表现出来的症状是轴承内表面被压出条状电弧伤痕。 ( 4 ) 发电机正常运行时，由于受油器侧有绝缘板，无轴电流。如绝缘板损坏， 则故障电流通过受油器轴瓦，烧伤形成焊疤，产生毛疵，密封不严，使开启腔和关 1 0 华北电力人学工程硕士学位论文 闭腔窜压，造成操作油压降低，桨叶不动。 2 3 轴电压和轴电流的防护 ( 1 ) 在轴端安装接地碳刷，以降低轴电位，使接地碳刷可靠接地，并且与转 轴可靠接触，保证转轴电位为零电位，以此消除轴电流。 ( 2 ) 为防止磁不平衡等原因产生轴电流，往往在励磁侧的轴承座和轴承支架 处加绝缘隔板，以切断轴电流的回路。 ( 3 ) 为避免其他附件导线绝缘破损造成轴电流，要求检修人员细致检查并加 强导线或垫片绝缘。以消除不必要的轴电流隐患。 ( 4 ) 轴向磁通通过轴承间隙、发电机、汽轮机及基础形成回路，其中大部分 流过发电机气隙，小部分流过发电机的轴承和汽轮机。仔细地安装和系统地监视发 电机励磁侧轴端的绝缘是很重要的。 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章基于轴电压的发电机转子绕组匝间短路故障诊断 3 1 转子正常情况下的磁势分布 发电机正常运行时，气隙磁势在各个槽的载流导体处发生跳跃，转子磁势的空 间分布应为阶梯形，可以近似看作是梯形分布。其波形如图3 1 所示： n ，。 、 一| r a 一一r j 一署。 至l l刀矽 2 乞l 图3 - i 汽轮友黾移l 转于憾明努分硒 假设转子有4 n 个槽，第k 个槽内有a 。匝线圈。将上图的磁动势波形拆分成n 个槽内每槽磁动势疋 ) 的叠加其中p 为沿转子展开的空间角度。 瓦= 口。一詈一( 2 k f - o p 一三一( 2 k f - 1 ) p ( 3 1 ) e = 一a k l 其他 对磁动势疋进行傅利叶分解得： e ：a 。k + 艺0 ：c 0 s 刀o r + b 。ks i i l 以q ) ( 3 - 2 ) 彳= ! tr 几皿= 芴if 窟 旭= o ( 3 - 3 ) a 。= 詈r 厂c o s 刀e d e = 砉虐厂 ) c o s 刀g d 已 = 妻蘑嘶懈一妻露嘶懈 = 踟咖力( 矧叫争甜咖仔守咖仔蜘p 4 ， ：4 a i rs i n n ( - 要一生、1 雅万 22 ， ：( 一1 ) 譬丝咝c o s 刀譬- - 1 , 3 ，5 ，) 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 b k _ 吾r 胁；一= 昙垂厂似妇似 = 昙蘑咖协万+ 妻辱3 xp 咖m 叫绋 则： = 一踟c o s 以( 矧一，z ( 一矧 + ( 等一争s 以( 矧 ) 互= 4 。一e o s ( 2 , - 1 ) 0 , n = l = 4 a 刀_ i l ：妻矧1 2 n - “1n 吣1 悟2 曼2 ) 坤万吨 刀 d 、 7 l 、 = ( _ 1 ) 纠等喜嘉c o s 胁一) 譬c o s ( 2 川) o r 同理，第k 槽磁动势表达式为： ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) e = 喜以一s 协一1 h 一4 a k l 妻。￥玎1 习咖卜t ) ( 争竿) 卜川磅 仔7 ， = 4 a 石i i 童心( 一- 1 ) - - - 竖i c o s 一1 x 2 七一1 ) _ p 2c o s 一1 h 蓉i ”嚣三纛：器i 擎钒8 ， c o 协一懒+ - 斗等雩南s ；扣一啦一掣制c o 协一归 卜 = 等科n - - ik 鼓k = - ic 。亿一她一1 ) 身函c 。锄一归 令。：兰吼c 。s2 n - - 1 x 2 k 一1 ) 譬令。= 吼c o s一1 ) 等 k = l o 则，其转子合成磁动势为： 噍= 了4 i f 刍& 三函c o s 吣1 h 其中： 。4 = 吼s i n n ( n 一够) ，为槽间角。 k = l 1 3 ( 3 - 9 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 3 2 匝间短路后转子的磁势分布 匝间短路后，短路侧该槽励磁绕组的有效匝数减少，导致其磁动势峰值减少， 转子两侧的磁动势将不再对称，我们可以将短路后的励磁绕组磁势看作短路前的励 磁绕组磁势和一个与短路同位置匝数的虚拟线匝通过反向励磁同大小的电流产生 的磁势的叠加。虚拟线匝的磁势分布如图3 2 所示： 龋l 一万氆晋鹎 掣昕 2 厅l 7 7 l 0 t 一千 2 第一f 2 一1 ) 矿 图3 2 虚拟线匝磁势分布图 户表示槽间角，口= 2 刀一( 2 七一l 归，k 、q 代表第七槽短路q 匝。 于是，各个阶段的磁动势可以分段表示如下 嵋：j l i一丝趔2 n - ( 2 k - 1 ) , b 2 2 ( 3 1 0 ) 蟛盘一万一( 2 k - 2 1 ) f l 或( 2 k - 2 i ) f 1 一万 2 ( 争莩) 憎( 争莩卜 。1 。 得驴t_牵u-(2k-1)flq缪li，+ 嵋= 4 + 0 。e o s n g ，+ b s i n n g ，) ( 3 1 3 ) 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 4 = ；r 厂g 皿= 去f f m = 。 a 。= r 厂c o s 础= 昙厂g ) c 0 础 = 媾掣即1万i + 乒爷譬产舛c o 融 l q lf = 二 刀以 2 n - ( 2 k - 1 ) f l s i l l ，l ( 一至+ 2 k - 1f1)一sill以(_万)一下刀+(2k-1)f12 k 、7 i 2 万 ，c h 2 k - 1 ) 一s i n n ( 一争竿) + 一, , - ( 2 k - o p ，c s m n - s i n n ( 一等) ：孕s i i l 小竺+ 型励，2 ，3 ，22翮 、。 b 一= 季r 厂g ) s 毗= 专厂g ) s i 砒= 。 则虚拟线匝产生的磁动势： 肌岁剃aeosno,=孚喜一nt-7+-7-p)b = 2 q 刀l s 。：。 = 7 r n = ls i 州一三+ 莩励 c o s n e r ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) a f 可以分为奇次脚。和偶次址乙两部分，即： 竹= + = 孚喜c o s 盼1 x 2 k - 1 ) f 1 器c o s 胁一m + 2 q 乃i s 矧s i n ) 】等删以b 对于一对极发电机，将琏和竹相加得转子短路磁势： 1 5 华北电力大学工程硕士学位论文 f ：o a e , ) = 最+ a f = 等喜协c 嘲- 1 x 2 叫身函c 渤啦 + 孚喜c 。枷船一1 ) 纠器c 。nz q 石i 羔槲s ；枇) 翻譬c o s 2 以已 亍了2 i i 台”话ru c 。枷一淞_ 1 ) 譬一细枷诎蕊- 1 ) 舛函c 。晒一坦 + 2 q 乃i f 主删s i n f 2 枇_ 1 ) 剧罢c o s 2 玎b = = 等喜函c 嘲啦+ 2 q 万i ：塾罢c o s 知只 ( 3 1 9 ) n n 其中：c 2 川= 2 吼c 0 枷一l x 2 后一1 ) 等一q c o 驰刀一1 ) ( 筋一1 ) 纠d 2 。= s i r ( 2 n ( 2 k 一1 ) 纠。 有上式可知：发生匝问短路后，转子磁势中奇次谐波减少，偶次谐波出现。 3 3 气隙磁场分析 本课题分析的重点是磁不对称中的一种特殊形式：转子偏心。而转子偏心有两 种形式，一种是由于定转予不同心引起的，称为静态偏心。其特点是转轴与转子同 心，与定子不同心，这样气隙的最小长度对于定子的空间位置固定不变，周围空间 的气隙大小在不同的位置上基本不变。另一种是由于转轴弯曲、高速时机械共振或 轴承损坏传动等原因引起的，称为动态偏心。其特点是转轴与定子同心，与转子不 同心，这样转子的中心就偏离了旋转中心，因而使最小气隙的位置随着转子的旋转 而变化。 j ， 彦、 4 心i 影v 图3 3 发电机偏心气隙 由于电机的偏心是不可避免的，同时考虑气隙静偏心、动偏心，以x o ，y 建立直 角坐标系，得气隙为： g ( 啡，t ) = g o 1 一tc o s a ，一磊c o s ( a ，- - 0 ) ，f ) 】 1 6 ( 3 - 2 0 ) 其中：为转子机械角度，g 。是平均气隙，t 相对静偏心率，力相对动倔心翠。 由于气隙偏心很小，气隙磁导进行f o u r i e r 展开并忽略高阶分量，气隙磁导表 示为： 旭力2 尚2g o - - 1 + 疋c o s 只+ 磊c o s ( g 咖”】( 3 - 2 1 ) 其中是气隙磁导率。 考虑p 对极情况，分别得转子旋转磁势： 碱力= 了4 i f 刍，函螋学 ( 3 - 2 2 ) 心 ) = 舒- 刎 ) + 心乙 ) ，2 q 石i f 黔。器c o s ( 2 川渺+ 瓤n = l 譬c o s 2 叫 p 。2 3 其中：c 2 川= e o s 【( 2 n 1 ) ( 2 k 一1 ) 纠，d ：。= s i n 2 n ( 2 k - 1 ) f l 】 考虑到电机或多或少存在静偏心，转子高速旋转受离心力的作用下会有动偏 心。故无匝间短路情况下的转子气隙磁通密度为： k ( 啡，t ) = 是他，f ) 人( 印，0 = j 4 l 备断函叫陟l 鹏一p 州抄t c o s b + 磊c o s 修叫) 】 = 萝利4 碍d ：州茜焉 c o s ( 2 疗一1 ) p 已一p q 力+ 鲁c o s 【( 2 印一p “尥一p 啡，】( 3 - 2 4 ) + 鲁c o s ( 2 r i p - p - 1 ) o ，一p q f 】+ - - 鲁c o s 【( 2 印- p + o o , 一( p + 1 ) q 日 + 鲁c o s 【( 2 印一p 一1 ) q 一( p - 1 ) q 小 化成转子旋转坐标系下，得： 最鹪，力= 。- - 。, 4 曙, u s 。一，占与 c o s 伽_ 1 ) p e + 鲁c o s g 印一p “尥+ ( 3 2 5 ) + i s , c o s ( 2 n p - p - 1 ) o , + 鲁c o s e 印一p + 1 尥一q f 】+ 鲁c o s e 印一p 一1 ) b + 6 0 r t 式中含有以的项不随转子同步旋转，故将切割转子产生频率为2 r i p p + 1 次的 频谱。 阱啦小魄沪等秘函稚1 擗p 叫( 3 - 2 6 ) + 等 喜c 2 州器酬旧t 一叫幢譬州2 母州) 华北电力大学工程硕士学位论文 凹( 只，f ) = 舒竹，f j 人( p ，t ) = 孚 塾一。器c o s 临地叫】+ 弘譬嘶印叫) ) 丝【1 + 疋c o s b + 磊c o s ( o , 一t o r t ) 】 g = 警喜。器 c o s e ( 2 川h 叫】+ 鲁c o s m 只叫) + ( 3 - 2 7 ) + 鲁c 。s 【( 2 刀一2 ) g - - ( _ o f t + 鲁c o s 【2 以p 一2 q f 】+ 粤c o s ( 2 ，l 一2 ) 已) + 警弘等咖蚋+ 鲁啡川耵州+ + 垒2c 0 s ( 2 n - 1 ) g q f 】+ 粤c o s 【( 2 刀+ 1 ) p 一2 鳞f 1 + 鱼2c o s ( 2 n - 1 ) o a 化成转子旋转坐标系下，得： 取1 5 i ，珍= 爿谚，力- a ( 毋，0 = 警塾d 器舢b 一懒+ ( p 一蝴+ 鲁c o s 阿g + ( p 一嗍+