摘要：不平衡磁拉力(UMP)是造成汽轮发电机转子基频振：动超标的重要原因之一，通常产生不平衡磁由转子轴弯曲、质量不平衡、轴承磨损、极限转速下的机械共振等原因引起的，其特点是转子中心偏离旋转中心并以同步速围绕旋转中心旋转。该现象造成了发电机气隙磁场不对称并产生以同步速旋转的拉力的因素包括转子偏心和励磁绕组匝间短路故不平衡磁拉力。励磁绕组匝间短路故障形成原障。转子偏心是汽轮发电机的常见现象之一，通常因包括励磁绕组端部固定不牢、绕组变形、绕组制造工艺缺陷、异物进入等。由于被短路线圈流过电流为零，导致相应磁极磁势降低和励磁磁势的不对称，进而产生以同步速旋转的不平衡磁拉力。
关键词：汽轮发电机；励磁绕组匝间短路；动偏心；不平衡磁拉力；
轮发电机转子受力环境复杂以及基频振动状态的多变性，选取转子绕组匝间短路故障和静偏心故障两种典型的转子基频振动故障源作为研究对象，依托有限元仿真工具的强大计算功能研究发电机转子在动偏心和励磁绕组匝间短路双因素作用下的不平衡磁拉力，分析各种故障变量对不平衡磁拉力大小和方向的影响，为全面研究汽轮发电机转子受力及利用转子振动诊断励磁绕组匝间短路故障奠定基础。
一、转子动偏心产生的不平衡电磁力
发电机转子动偏心模型见图1，直角坐标系x一0一Y的原点0与定子中心重合，发电机转子中心偏离了定子中心。发电机运行过程d一0’一q坐标系随着转子同步旋转，转子N极中心线与d轴重合，最小气隙位置随着转子的旋转而变化。为了研究汽轮发电机转子在不同偏心程度下的不平衡磁拉力，定义偏心度为
图2不平衡磁拉力与动偏心的关系
从图2(a)的3条曲线可见：(1)汽轮发电机转子动偏心程度加重时，不平衡磁拉力随之增大，且基本上与偏心程度成正比；(2)动偏心方向角a改变，不平衡磁拉力发生显著变化。当a在900或2700附近，不平衡磁拉力较大，其他偏心方向不平衡磁拉力略小，这种现象与发电机气隙磁场的方向有关。观察图2(b)的3条曲线发现：不平衡磁拉力方向随着偏心方向的改变而改变，两者并不完全相等，彼此之间近似保持线性关系。这一现象即体现了汽轮发电机转子偏心方向对不平衡磁拉力方向的主要影响作用，也反映了气隙合成磁场扭斜对不平衡磁拉力方向的影响(空载情况下不平衡磁拉力方向与偏心方向近似相同)。
二、励磁绕组匝间短路产生的不平衡电磁力
图3不平衡磁拉力与短路程度关系曲线
图3分析了QFSN220—2型汽轮发电机N极2号槽发生匝间短路时磁拉力大小及方向与短路程度的关系。图3(a)表明：不平衡磁拉力随短路加重而增大，两者关系近似线性。不平衡磁拉力方向随着短路程度变化规律见图5(b)。发电机空载状态下发生励磁绕组匝间短路故障时不平衡磁拉力方向应为2700，负载磁拉力方向偏离2700体现了负载磁场偏转对磁拉力的影响。随着短路程度增加，p呈现出小幅增大趋势。
图4不平衡磁拉力和短路位置关系曲线
转子不同槽发生相同匝数的短路时的不平衡磁拉力见图4。图4(a)显示了在l号槽(靠近大齿)至8号槽(靠近两磁极的中心线)2匝短路时的磁拉力。可见，短路发生在2一号槽时产生的不平衡磁拉力较大，8号槽短路产生的不平衡磁拉力最小，最大磁拉力(3号槽短路)与最小磁拉力(8号槽短路)相差近15倍。
可见，匝问短路故障位置对不平衡磁拉力大小具有较大的影响。不平衡磁拉力方向随着故障位置的变化规律见图4(b)，随着短路位置由1号槽向8号槽变化，不平衡磁拉力方向渐进性改变，当短路位置由7号槽改变致8号槽时，磁拉力方向发生大幅变化，结合图4(a)可知，8号槽短路产生的不平衡磁拉力最小，此时受仿真计算误差的影响不平衡磁拉力方向发生大幅变化。
三、复合因素作用下的不平衡电磁力
动偏心是汽轮发电机普遍存在的问题，汽轮发电机一旦发生匝间短路故障，转子处于动偏心和匝间短路共同作用形成的不对称磁场中。在复合因素作用下，转子的受力将变得更为复杂。预设转子动偏心程度 =5％，比较偏心方向以及匝间短路程度对不平衡磁拉力的影响，磁拉力大小随着转子动偏心方向、短路程度的变化规律，具有以下几个明显的特征：(1)当转子动偏心方向为2700位置时转子1号槽发生匝间短路时转子受力增加明显，这是因为偏心引起的磁拉力的方向与匝间短路引起的磁拉力方向相近都接近于2700，产生了叠加效应。（2）当转子动偏心方向为900位置时转子1号槽发生匝间短路后转子受力不增反减。这是因为偏心引起的磁拉力的方向与匝间短路引起的磁拉力方向近似相反，磁拉力相互抵消掉一部分。当转子发生5匝短路时，不平衡磁拉力几乎完全被抵消。以上现象表明：发电机转子匝间短路后的不平衡磁拉力不仅与短路程度有关，还与发电机偏心状态密切相关，当汽轮发电机在动偏心状态下发生匝间短路故障时，不平衡磁拉力幅值并不一定增大，还有可能减小。磁拉力方向随着转子动偏心方向、短路程度的变化规律，具有以下特征：随着匝间短路程度加重，其对不平衡磁拉力方向的改变能力逐渐明显。在转子动偏心方向为2700时，不平衡磁拉力方向几乎不随短路程度加重而改变，原因是偏心和匝间短路单独产生的不平衡磁拉力方向相近，故合力幅值明显增大但方向基本不变；在转子动偏心方向位于900一2700区间，不平衡磁拉力方向受匝间短路程度加重改变较为明显；转子动偏心方向位于900附近时，1匝和3匝励磁绕组短路均没有造成磁拉力方向的明显变化，5匝短路却引起偏心方向的突然改变。这种现象可以进行解释，由于5匝励磁绕组短路形成的不平衡磁拉力与转子动偏心形成的不平衡磁拉力大小相近、方向相反，不平衡电磁合力大幅减小，故受力方向发生显著变化。改变转子动偏心程度，预设动偏心程度为15％时，研究转子动偏心方向以及匝间短路程度对不平衡磁拉力的影响，不平衡磁拉力随偏心程度增加迅速增大，造成励磁绕组匝间短路对电磁合力影响的相对弱化。与此相对应，转子匝间短路造成的不平衡磁拉力相位的变化不大。为了研究复合故障下励磁绕组匝间短路位置对不平衡磁拉力的影响，预设转子动偏心程度为5％，转子1、3、5和7号槽分别发生3匝绕组短路，可以明显看到：转子3号槽的3匝绕组短路对磁拉力大小的影响最为明显，其次为1号槽、5号槽，7号槽发生3匝励磁绕组短路 对不平衡磁拉力的影响最弱，这与不平衡磁拉力随短路位置的变化规律基本一致。励磁绕组匝间短路后磁拉力方向变化规律：转子7号槽3匝绕组短路对不平衡磁拉力的方向影响最弱，其次为5号槽和1号槽，3号槽3匝绕组短路造成不平衡磁拉力变化量最大。在转子动偏心方向为2700附近时，转子匝问短路故障后不平衡磁拉力方向基本保持不变。
改变转子动偏心程度，预设转子动偏心程度为15％，研究励磁绕组匝间短路位置对不平衡磁拉力的影响。表明动偏心程度加重导致励磁绕组匝间短路产生的不平衡磁拉力在合力中所占份额变小。
励磁绕组匝间短路和动偏心复合故障下，各因素所形成的不平衡磁拉力的方向不同，转子受到的不平衡磁拉力合力既有可能增大也有可能减小，因此不能单纯根据转子振幅增大判断某一故障，应结合故障前的转子振动状态进行综合判断。
参考文献：
[1]顾萍．汽轮发电机组的振动与平衡．2017.
[2]王伟清．复合故障下的汽轮发电机转子电磁力研究.2017.
论文作者:李双翼
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/3/29
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