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摘要：励磁绕组匝间短路是发电机常见故障之一。为保证机组和电网的安全可靠运行，有必要对该故障进行在线分析检测。在实际中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。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。
关键词：发电机；励磁绕组；匝间短路故障
发电机作为电能生产的基本设备，对电力系统的安全运行起着至关重要的作用。伴随电力系统的快速发展，发电机的容量也在不断地增加，人们对大型发电机安全运行的要求越来越高。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,对该故障的检测提出了很多方法。
一、汽轮发电机发生转子匝间短路时的故障电流特征分析
1、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A 相绕组两个分支的不同作用如图所示。
而转子匝间短路故障会导致两磁极下励磁绕组结构的差(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1,没有分数次谐波。以2 次谐波磁场为例,可以看出,励磁电流产生的2 次谐波磁场在A 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2 次谐波不平衡电流。同理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a1 分支的μ(μ=2,4,…)次谐波不平衡电流的稳态表达式为:
2、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。A 相各分支μ次时间谐波不平衡电流产生的ν次空间谐波磁动势的表达式为:
二、转子匝间短路时的定子振动特性
1、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:
2、两种转子磁场共同作用产生电磁力引起的振动。由于转子谐波太小,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。
三、转子匝间短路时的转子振动特性
1、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。
1)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。如图。
从图可看出,在转子上相距为πrad 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。
2)定子2 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,在转子相距为π rad 两处由转子直流分量产生的偶次磁场相等,由定子2 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。
3)定子2 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2 次谐波不平衡电流产生的2 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2 次谐波不平衡电流产生的4 次谐波磁场与转子的相对转速为6ω1/4,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6ω1 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6ω1 ,即当转子转过1/6 圆周后,轴瓦上某点的力也重复一次。因此,可引起轴瓦处6 倍频振动。定子基波电流产生的基波磁场与转子6 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6 倍频振动。
2、由转子热变形引起的径向振动,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。[1]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。
3、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。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6倍频的脉动电磁转矩。这相对于转子上产生6 倍频的切向不平衡力,会引起转子的6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。
结论
通过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，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6倍频振动;脉动电磁转矩还会引起转子6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。
参考文献
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[3]赵向阳, 葛文韬. 基于定子电流法监测无刷直流电动机转子动态偏心的故障模型仿真研究[J].中国电机工程学报, 2013,31(36): 10.
论文作者:刘永佳
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/4/30
标签：转子论文; 谐波论文; 磁场论文; 基波论文; 定子论文; 电流论文; 不平衡论文; 《基层建设》2019年第5期论文;