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摘要：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。本文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。
关键词：转子匝间短路；气隙磁场；振动；磁拉力
1 引言
同步发电机的振动一般分为机械振动和电磁振动，而在实际运行中二者往往混在一起，相互影响。要实现用振动量来诊断故障必须先区分是哪一种振动类型。因转子绕组匝间短路引起的振动与一般机械振动是容易区分的：当励磁电流减小时，振动会减弱，励磁电流断开时，振动会消失，振动幅值取决于短路匝数的多少。但在实际情况中我们不可能对运行中的发电机减励磁或断开励磁，因此我们有必要对发电机转子绕组匝间短路引起的定转子振动特性进行分析，找出特征振动频率，以实现转子绕组匝间短路的在线检测。
2 转子匝间短路磁不平衡分析
则P点受到的瞬间磁拉力
5 实验研究与验证
以本次实验SDF-9型发电机为例，发电机主要参数如表5-1所示
发电机运行，在轴承座水平方向和定子铁心垂直方向分别安装 CD-21S 型和 CD-21C 型速度传感器（北京测振仪器厂生产，灵敏度为 30mv/mm/s），采集仪采用北京波谱公司生产的 U60116C 型采集仪，设置每通道采样频率5kHz。表5-2列出了具体振动数据，很明显，发生转子绕组匝间短路后，转子基频和三倍频振动增加。当短路6%、12%时，转子基频振动分别增加19.07%、23.43%。定子二倍频振动下降，同时受转子振动的影响，定子基频振动也上升。当短路 6%、12%时定子基频振动增加25.12%、5.90%，二倍频振动减小38.62%、41.17%。以上表明实验结果与理论分析基本吻合。
6 各类故障情况下的振动比较
由于引起电机振动的原因很多，不同的故障原因引起的电机定转子振动特征可能比较类似，因此我们有必要对各类故障引起的电机定转子振动特征做比较。文[6]对各类故障引起的振动做了比较细致的研究分析，表6-1、表6-2列出了发电机转子绕组匝间短路、定子绕组匝间短路、转子偏心、转子不平衡等情况下定转子振动特征。
通过以上两表的比较分析我们可以知道，发电机在转子绕组匝间短路、定子绕组匝间短路、转子偏心、转子不平衡四种故障情况下定子和转子的基频振动均要增加。而在转子绕组匝间短路的故障情况下定子的二倍频振动减小，这是区别于其它故障振动的一个显著特征。因此我们可以利用这一特征对发电机转子绕组匝间短路进行在线检测。但由于引起电机振动原因的多样性和复杂性，以及各类噪声的干扰，我们在利用定子二倍频振动下降这一特性时还应综合考虑匝间短路故障时励磁电流增加、无功下降等电气量的变化，提高故障诊断的可靠性。
7总结
通过以上理论分析及实验验证我们可以知道，当同步发电机发生转子绕组匝间短路时将激发定转子振动。
（1）当转子绕组发生匝间短路时，磁动势波形发生畸变，磁势零点产生偏移，使两极磁密发生不等变化，该变化将导致不平衡磁拉力的产生，不平衡磁拉力与转子同频旋转，激发转子基频振动。
（2）不平衡磁拉力的大小与短路匝数有关，短路匝数越多，不平衡磁拉力越大；同时，不平衡磁拉力的大小还与短路槽的位置有关，当短路槽越靠近横轴，不平衡磁拉力小，短路槽靠近纵轴时则不平衡磁拉力较大。
（3）转子绕组匝间短路将使转子和定子基频振动增加，同时定子二倍频振动减小，这是转子绕组匝间短路区别于其它故障振动原因的一个显著特征。
（4）由于引起电机振动原因的多样性和复杂性，以及各类噪声干扰的存在，我们在利用定子二倍频振动下降这一特性进行故障诊断时还应综合考虑匝间短路故障时励磁电流增加、无功下降等电气量的变化，提高诊断的可靠性。
参考文献
[1]李伟清.汽轮发电机故障检查分析及预防[M].北京：中国电力出版社.2002.
[2]万书亭，李和明，许兆凤，李永刚.定子绕组匝间短路对发电机定转子径向振动特性的影响[J].中国电机工程学报.2004，24(4).
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[6] 万书亭.发电机绕组与偏心故障交叉特征分析及其检测方法研究.华北电力大学博士学位论文.
论文作者:盛玉洁
论文发表刊物:《电力设备》2017年第17期
论文发表时间:2017/10/19
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