汽轮发电机转子严重匝间短路不平衡 振动特性分析及检测方法

本文通过分析汽轮发电机励磁绕组发生严重匝间短路时不平衡电磁力的特性,确定了该运行工况下转子振动的特征,分析励磁绕组严重匝间短路与其他原因导致转子振动特征的差异,提出一种基于转子不平衡振动特性的励磁绕组严重匝间短路的检测方法。最后以某300 MW汽轮发电机组励磁绕组严重匝间短路为例,验证了检测方法的有效性。     

汽轮发电机转子匝间短路多物理场耦合分析

汽轮发电机转子绕组匝间短路是其常见故障之一,可能会导致转子异常振动,危及电机和系统的安全。以华能中原燃机电厂的THDF 108/53型汽轮发电机为研究对象,建立发电机有限元模型,进行“电磁-结构”的耦合分析。基于Workbench有限元仿真平台仿真并分析了汽轮发电机正常额定运行情况、转子绕组不同位置发生匝间短路故障时的电磁场以及不平衡电磁力的特性,得到故障情况下绕组的易变形部位和受力情况。论文成果对于实际机组转子绕组的绝缘磨损规律解析与绝缘破坏预防提供了理论参考和依据。     

复合故障下的汽轮发电机转子电磁力研究

针对汽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。     

汽轮发电机转子工频振动的原因分析与诊断

分析并总结了汽轮发电机气隙偏心、励磁绕组匝间短路、转子冷却风道局部堵塞、励磁绕组与转子本体及护环不对称摩擦力、定转子碰摩、转子支撑系统连接松动、机械不平衡故障时,汽轮发电机转子振动特性和发电机电磁特性,为现场发电机工频振动诊断提供了分析判断的思路和方法。     

同步调相机极限工况下典型磁场不对称故障安全风险

同步调相机典型磁场不对称故障下,由强励所形成的不平衡力和跳机风险升高。首先,分析转子动偏心和转子绕组匝间短路等典型故障对调相机磁场的影响机理;然后,借助气隙磁导法推导得到转子承受的不平衡磁拉力表达式,分析强励对不平衡电磁力的影响规律;最后,在一台大型同步电机上进行有限元电磁暂态仿真,模拟动偏心和转子绕组匝间短路故障,分别在调相正常励磁和强励工况下提取了转子所受不平衡电磁力,评估机组在强励状态下发生跳机的可能性。结果表明,强励状态下,调相机组由动偏心故障产生的不平衡磁拉力不会引起机组的剧烈振动,而转子匝间短路故障产生了较大的不平衡磁拉力,可能导致机组跳机。     

励磁绕组短路故障下汽轮发电机的电磁稳态特征

为了评估励磁绕组匝间短路对汽轮发电机稳态变量的影响,采用有限元方法(FEM)计算了QFSN220-2型汽轮发电机励磁绕组短路故障后的电磁转矩变化,研究了在励磁快速补偿和恒励磁条件下为保持电磁转矩不变发电机的电磁稳态调节方法,研究结果表明:铁磁材料的饱和特性缓和了励磁绕组短路故障发生时的转矩波动,降低了发电机严重短路故障的失稳风险。得到了发电机无功和励磁电流在极端条件下的变化边界,分析了短路位置、程度对故障严重性的影响。发电机过励状态下发生匝间短路故障励磁电流增加较欠励时明显,过励程度越深则励磁电流增加越显著,研究结果为励磁绕组短路故障诊断提供了有益建议。     

汽轮发电机励磁绕组匝间短路多回路数学模型

为了分析汽轮发电机励磁绕组匝间短路故障机理,建立考虑转子铁心涡流影响的汽轮发电机空载时励磁绕组匝间短路多回路数学模型。用气隙磁导法推导了与汽轮发电机励磁绕组有关的单个线圈间电感系数的计算公式。采用该模型对空载时有无励磁绕组匝间短路故障2种工况分别进行仿真,得到了励磁电流、定子并联支路环流、定子电压仿真波形。通过仿真研究还得到励磁绕组匝间短路后的2个故障特征:在外加恒定励磁电压的情况下,励磁电流逐渐增大到另一个稳定值;定子并联支路间出现了环流。通过实验验证了所建多回路数学模型的正确性。为汽轮发电机励磁绕组匝间短路故障检测和诊断提供参考。     

极端不利工况下汽轮发电机励磁绕组短路故障危害性评估

针对存在励磁绕组匝间短路故障的汽轮发电机组,分析了励磁绕组匝间短路故障对汽轮发电机主磁场中相关谐波含量的影响,指出了强励极端工况下造成的发电机气隙磁场畸变程度更为严重.随后以一台300 MW汽轮发电机为例,通过有限元电磁暂态仿真,分别在发电机空载工况和额定负载工况下模拟了不同程度的励磁绕组匝间短路故障,分析了空载误强励、额定负载误强励以及电网不同程度三相短路引起的强励等三种典型工况的定子绕组环流和不平衡磁拉力,确定了对发电机危害最大的强励状态.该研究可以为带病运行的汽轮发电机提供安全风险评估和维修决策支持,也反映出安装高灵敏度的励磁绕组匝间短路在线监测装置的必要性.     

定子绕组匝间短路对发电机定转子径向振动特性的影响

分析了定子绕组匝间短路故障时发电机定转子径向振动特性，首先分析定子绕组匝间短路后气隙磁场变化特征，计算得到气隙磁密、气隙磁导和气隙磁场能量的表达式，然后得到作用于转子的不平衡电磁力特性和作用于定子的脉振电磁力特性，最终得到定转子径向振动特征。并实测了MJF-30-6型模拟发电机定子绕组匝间短路时定转子径向振动信号，与理论分析结果基本吻合。另一方面也揭示了诸如绕组短路的电气故障与发电机机械振动之间的关系，指出了发电机径向振动特征与发电机电参数一样，也可作为诊断发电机绕组故障的依据。     

发电机定子匝间短路对绕组电磁力的影响

该文分析了同步发电机定子匝间短路故障前后电枢绕组的电磁力特性。首先推导正常情况和定子匝间短路故障下的气隙磁通密度,得到定子绕组电磁力的解析表达式;然后建立发电机故障前后的三维有限元计算模型,对不同短路程度下的绕组电磁力进行了求解计算;最后实测MJF-30-6型隐极故障模拟发电机在正常运行和不同程度定子匝间短路故障下的电枢绕组振动响应,其实验结果与理论分析、有限元计算结果基本吻合。结果表明:正常情况下基波磁通密度产生的定子绕组电磁力只包含直流分量及二倍频成分;定子匝间短路故障下,定子绕组电磁力包含直流、二倍频、四倍频、六倍频成分;随着短路程度的加剧,绕组电磁力的直流量及二、四、六倍频成分幅值将随着增大。     

隐极同步发电机励磁绕组匝间短路励磁磁动势研究

为了研究汽轮发电机励磁绕组匝间短路故障机理,用傅里叶分解法将各个励磁线圈产生的矩形波磁动势分解,叠加获得汽轮发电机励磁磁动势正弦型表达式。该式可用于隐极同步发电机励磁绕组正常和不同程度、不同位置匝间短路故障时的磁动势定性和定量分析。利用此表达式对一对和两对极汽轮发电机励磁绕组正常和匝间短路时的励磁磁动势进行了定性谐波分析;还对一对极汽轮发电机的励磁磁动势进行了定量分析,得到了励磁绕组正常和3%、6%、15%不同程度匝间短路情况下的磁动势分布图,并将其各次谐波幅值进行了分析对比。实验采集的定子并联支路环流的频谱分析结果表明了励磁磁动势表达式定性分析的正确性。为汽轮发电机励磁绕组匝间短路电磁特性分析提供了理论基础。     

大型汽轮发电机转子匝间短路故障的诊断及定位

针对目前大型汽轮发电机的转子匝间短路故障频发,但发电机转子故障的在线检测方法存在易受现场干扰误报,无法对故障点做出定位等缺点,以一起700 MW的大型汽轮发电机跳机事故为案例,应用两极电压平衡原理,基于两极结构对称分布特性的直流电压分布试验方法,对发电机转子绕组的匝间短路故障进行故障诊断和定位分析,结果表明,该方法可以对发电机转子励磁绕组匝间短路故障进行精确定位。     

核电汽轮发电机定子短路故障下阻尼绕组电磁力研究

为了研究大型核电汽轮发电机运行时由阻尼绕组电磁力引起的阻尼绕组振动损坏现象,本文建立了核电汽轮发电机二维电磁场-路耦合数学模型,并结合洛伦兹力原理对一台1407MW核电汽轮发电机额定负载运行与定子短路故障运行时阻尼绕组所受的电磁力进行深入的研究。考虑齿槽效应、磁极形状及定子电枢电流等相关因素对阻尼绕组电磁力的影响,准确计算了额定负载运行、单相短路故障、两相短路故障以及三相短路故障运行工况下阻尼绕组的电磁力,并分析了额定负载和不同故障工况下电磁力的分布规律及对阻尼绕组的损害程度。研究结果表明:定子单相短路故障下阻尼绕组的损害最大,三相短路故障下阻尼绕组的损害最小。     

时变油膜力下贯流式机组耦合故障动力学分析

多故障源耦合激励诱发的贯流式机组操作油管与受油器浮动瓦碰摩现象,会造成振动加剧及漏油、窜油故障,直接影响机组安全稳定运行。本文在考虑时变非线性油膜力的基础上,建立了贯流式机组不对中-碰摩耦合故障非线性动力模型,研究了不对中量、操作油杂质和受油器径向刚度对系统动力学特性的影响。结果表明:不对中量和油膜力耦合作用下系统响应存在复杂的拟周期运动,频谱出现了幅值较大的低频谐波成分;操作油中的杂质诱发了碰摩的发生,且碰摩力和不对中量及油膜力相互激发放大致使谐波成分更加复杂。受油器径向刚度的减小导致径向振动加剧,并诱发系统动力响应进入不稳定的混沌状态。研究结果为机组安全运行和耦合故障诊断提供了理论依据。     

一起发电机转子绕组动态匝间短路故障的诊断与分析

转子绕组是汽轮发电机的重要组成部分,运行状态下受机、电、热等多种因素影响,故障判断相对复杂.针对一起660 MW汽轮发电机运行中转子绕组动态匝间短路引发的振动异常,从不同角度及状态进行分析,确定了机组振动与转子绕组动态匝间短路的相关性,并对转子绕组动态匝间短路的诊断方法提出了建议.     

基于励磁磁动势差值的汽轮发电机转子匝间短路在线识别方法

汽轮发电机转子绕组发生匝间短路时会引起励磁磁动势缺失,但在励磁系统恒压闭环调节作用下,励磁电流将增大以补偿励磁磁动势缺额。分析了汽轮发电机转子匝间短路故障时励磁磁动势变化特征,以故障后由励磁电流计算得的"视在"励磁磁动势大于发电机当前工况下所需的励磁磁动势为理论依据,提出了基于励磁磁动势差值的转子匝间短路在线识别方法。试验结果表明了采用所提方法可有效在线识别转子匝间短路故障。     

在线检测发电机转子绕组匝间短路的新方法

针对转子绕组匝间短路故障频发的现场实际情况,首先分析了隐极同步电机转子绕组匝间短路后励磁磁势的变化,采用气隙磁导法分析了电机气隙磁场,指出转子匝间短路故障使电机气隙磁场不对称,从而产生不均衡的磁拉力。由力的相互作用原理可知,该磁拉力不仅作用于转子,改变转子基频振动,同时还影响定子铁心的振动。随后对不平衡磁拉力引发的定子铁心的振动模态进行了分析,得出了转子匝间短路后定子铁心基频振动幅值增大的结论。最后在MJF-30-6故障模拟发电机组上进行了转子绕组匝间短路模拟实验,实验结果表明,可以通过定子铁心基频振动诊断隐极同步电机转子匝间短路故障。     

汽轮发电机励磁绕组动态匝间短路故障的定位研究

励磁绕组匝间短路故障是汽轮发电机的频发故障,但现有的方法实现匝间短路定位,尤其是动态匝间短路线圈的定位,还存在一定的困难。为了确定发电机励磁绕组存在动态匝间短路线圈的位置,详细推导了汽轮发电机励磁线圈匝间短路时励磁磁动势、气隙磁密、定子空载电势、定子并联支路间环流等物理量的变化;在考虑电机饱和的基础上,确定了动态匝间短路故障的特征量,提出了故障诊断方法,并进行了仿真和实验研究。研究结果表明,定子空载奇次谐波电势变化量的比值以及并联支路偶次谐波环流比值与励磁线圈匝间短路的位置存在一一对应的关系,据此可确定励磁线圈的短路位置。这种方法不仅可以检测出励磁线圈动态匝间短路的位置,同样也可以检测出静态匝间短路的位置,从而实现励磁线圈匝间短路故障的定位。     

同步发电机励磁绕组匝间短路的数学模型与故障特征

为实现励磁绕组匝间短路故障的早期诊断,需要准确计算故障电流等电气量.考虑到转子故障引起的气隙磁场的各种空间谐波、定子相绕组内部不平衡电流和励磁绕组电路拓扑结构的改变,建立了同步发电机励磁绕组匝间短路故障的扩充的多回路数学模型,并准确计算了与发生匝间短路故障的励磁绕组有关的电感参数,利用数值方法可对发电机励磁绕组匝间短路...     

不同励磁模式下的汽轮发电机转子绕组匝间短路故障特征分析

转子绕组匝间短路是汽轮发电机常见故障之一,早期的准确检测对电力系统的安全稳定运行具有重要意义。利用Ansoft与Simplorer软件建立同步发电机转子绕组匝间短路故障的联合仿真模型,分别在恒励磁电流和恒励磁电压两种励磁模式下,得到转子绕组匝间短路时发电机各特征量的变化规律。通过比较,分析不同励磁模式下转子绕组匝间短路时不同的故障特征,为自动电压控制(AVC)励磁调节模式下发电机转子绕组匝间短路故障的分析和诊断奠定基础。