王曉華，李永剛，武玉才

（1.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司檢修分公司，石家莊 050070；2.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003）

基于發(fā)電機(jī)匝間短路的軸電壓故障分析

王曉華1，李永剛2，武玉才2

（1.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司檢修分公司，石家莊 050070；2.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003）

隨著發(fā)電機(jī)容量的增大，軸電壓已成為發(fā)電機(jī)的一個(gè)常見(jiàn)故障問(wèn)題，因此進(jìn)行發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)是非常有必要的。本文闡述了發(fā)電機(jī)軸電壓產(chǎn)生機(jī)理；通過(guò)分析汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障運(yùn)行時(shí)磁勢(shì)變化，推導(dǎo)出轉(zhuǎn)子匝間短路后軸電壓信號(hào)特征頻譜。并分析了發(fā)電機(jī)定子接縫不對(duì)稱(chēng)引起的軸電壓變化?；谳S電壓故障特征信號(hào)，提出了通過(guò)軸電壓監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子匝間短路故障的方法。并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。

轉(zhuǎn)子匝間短路；軸電壓；磁動(dòng)勢(shì)；故障識(shí)別

0 前言

汽輪發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中,由于某些原因引起軸兩端之間、轉(zhuǎn)軸與地或者軸承之間的電壓稱(chēng)為軸電壓[1]。

當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)存在軸電壓故障時(shí)，例如對(duì)其抑制和防護(hù)措施采用不當(dāng)，會(huì)在軸承、軸瓦、齒輪等部件產(chǎn)生有害的軸電流，造成上述部件在電弧、電解或氧化作用下?lián)p傷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起停機(jī)檢修事故，造成不必要的檢修和發(fā)電損失[2-3]。因此，對(duì)軸電壓的監(jiān)測(cè)和診斷分析能發(fā)現(xiàn)電機(jī)存在的缺陷，診斷電機(jī)出現(xiàn)的故障。同時(shí)可以采取措施，避免軸電壓產(chǎn)生軸電流對(duì)軸承的損壞。

1 軸電壓產(chǎn)生機(jī)理[1]

軸電壓的種類(lèi)不同，對(duì)電機(jī)造成的影響亦不同。軸電壓產(chǎn)生的原因主要有以下四個(gè)方面[4-6]，參見(jiàn)表1：

（1）磁不對(duì)稱(chēng)引起的軸電壓；

（2）軸向磁通引起的軸電壓；

（3）靜電荷引起的軸電壓；

（4）靜態(tài)勵(lì)磁引起的軸電壓。

2 轉(zhuǎn)子匝間短路產(chǎn)生軸電壓的理論推導(dǎo)

[7]～[10]詳細(xì)分析了發(fā)生匝間短路后，短路部分磁勢(shì)包含余弦分量的奇數(shù)次諧波分量和偶數(shù)次諧波分量，本文不再贅述。通過(guò)對(duì)磁勢(shì)進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分析，可以發(fā)現(xiàn)：短路匝產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)波形關(guān)于縱坐標(biāo)對(duì)稱(chēng)，也是一個(gè)偶函數(shù)。根據(jù)磁通量等面積原則，以橫坐標(biāo)為界，其波形上下面積相等。因而，發(fā)生匝間短路后的短路線匝產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)函數(shù)表達(dá)式同樣僅含有余弦分量，不含有正弦分量也不含有直流分量。但短路匝磁勢(shì)不是奇諧波函數(shù)，而對(duì)于余弦分量，短路匝磁勢(shì)不僅含有奇次諧波分量且含有偶次諧波分量[7-10]。

表1 軸電壓產(chǎn)生的原因及影響

本文詳盡地對(duì)匝間短路發(fā)生后的電機(jī)氣隙磁通密度進(jìn)行了分析，該磁通密度可以表示為：

上式第一項(xiàng)產(chǎn)生的軸電壓為1、3、5、7倍的電頻率，在此主要對(duì)式(1)中第二項(xiàng)進(jìn)行分析。

由參考文獻(xiàn)[8]中可知?jiǎng)悠漠a(chǎn)生的磁勢(shì)不會(huì)產(chǎn)生軸電壓，在此僅分析靜偏心產(chǎn)生的磁勢(shì)。

（1）當(dāng) k -i≠ 0時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一系列的諧波磁通密度，該磁通密度相對(duì)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速分別為

綜上分析可知，軸電壓中占主要成分的仍是 kωS，其中 k=1、3、5……，這是因?yàn)闅庀洞艅?shì)中Fkcos kP （θs- ωrt）（k=1、3、5）分量仍是主要的成分。

參考文獻(xiàn)[11]給出了在多臺(tái)大型隱極同步電機(jī)上測(cè)得的軸電壓頻譜試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這對(duì)軸電壓研究具有極高的價(jià)值和意義。從這些數(shù)據(jù)可以得出，軸電壓中的主要諧波成分是1、3、5、7等奇數(shù)次諧波，與之前的理論分析吻合。各次諧波的幅值與氣隙磁導(dǎo)和磁勢(shì)中的相關(guān)項(xiàng)幅值有關(guān)[11-12]。

對(duì)于不同極對(duì)數(shù)的隱極同步電機(jī)，由磁不對(duì)稱(chēng)引起的“特殊”的磁通密度的頻率為

3 軸電壓的測(cè)量及實(shí)驗(yàn)

3.1 軸及軸承電壓的測(cè)量

軸電壓測(cè)量原理如圖1所示，探針1及2均采用Y形探針，可較為靈敏地測(cè)量軸電壓，探測(cè)點(diǎn)選擇在兩端軸承的內(nèi)側(cè)以避免軸向磁通帶來(lái)的影響。通過(guò)數(shù)據(jù)采集裝置采集發(fā)電機(jī)軸電壓U1數(shù)據(jù)。用銅絲刷將發(fā)電機(jī)軸承與軸短路，消除油膜產(chǎn)生的壓降，在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁機(jī)側(cè)測(cè)軸承支座與地之間產(chǎn)生的電壓U2數(shù)據(jù)。

圖1 軸電壓的測(cè)量圖

3.2 實(shí)例說(shuō)明

在華北電力大學(xué)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室的MJF-30-6模擬隱極同步發(fā)電機(jī)上進(jìn)行發(fā)電機(jī)軸電壓測(cè)量的實(shí)驗(yàn)。

模擬電機(jī)如圖2所示，故障模擬發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用落地式滑動(dòng)軸承支承，兩端無(wú)端蓋，該機(jī)由Z2-91型直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組有抽頭，故而可模擬勵(lì)磁繞組短路故障。該模擬發(fā)電機(jī)詳細(xì)參數(shù)參見(jiàn)表2。

圖2 MJF-30-6故障模擬機(jī)組

表2 MJF-30-6模擬發(fā)電機(jī)參數(shù)

本次試驗(yàn)就發(fā)電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子匝間短路狀態(tài)時(shí)的軸電壓進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，分別測(cè)量空載狀態(tài)和負(fù)載狀態(tài)下的軸電壓，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析。

軸電壓時(shí)域圖如圖3所示，由于電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子匝間短路狀態(tài)時(shí)的軸電壓信號(hào)本身包含很多噪聲，通過(guò)對(duì)軸電壓信號(hào)的分析，設(shè)置了信號(hào)的幅值和斜率的閥值，對(duì)超過(guò)閥值的數(shù)據(jù)信號(hào)采用線性擬數(shù)據(jù)處理方法得到替代點(diǎn)，從而構(gòu)成經(jīng)過(guò)處理后的軸電壓信號(hào)，通過(guò)Matlab程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)軸電壓信號(hào)的濾波。對(duì)濾波后的軸電壓信號(hào)進(jìn)行FFT處理，可有效提取發(fā)生轉(zhuǎn)子匝間短路后的軸電壓信號(hào)特征頻譜[13-14]。

圖3 軸電壓時(shí)域圖

將濾波后的軸電壓信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，最終得到的軸電壓頻譜圖如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5分析可得模擬發(fā)電機(jī)短路后軸電壓頻譜出現(xiàn)了1、2、4、5等整數(shù)倍旋轉(zhuǎn)頻率的成分，并且幅值隨著短路程度的加重而增大。

由圖4和圖5可知模擬發(fā)電機(jī)軸電壓信號(hào)的特征頻率隨著短路程度的增加而增大。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于相同的短路程度，如圖4（b）與圖5（b）、圖4（c）與圖5（c）、圖4（d）與5（d）所示，負(fù)載狀態(tài)下的匝間短路軸電壓特征頻率要比空載情況下幅值偏大，頻譜特征更為明顯。經(jīng)過(guò)分析可認(rèn)為：電樞反應(yīng)與勵(lì)磁磁勢(shì)中的一部分基頻分量相抵消，這也就使得勵(lì)磁磁勢(shì)中由短路匝引起的、電樞反映磁勢(shì)無(wú)法抵消的諧波分量顯得較為突出[15]。

圖4 空載狀態(tài)下軸電壓頻譜圖

圖5 并網(wǎng)狀態(tài)下軸電壓頻譜圖

從頻譜圖上可以看到，工頻50Hz占軸電壓信號(hào)中的主要成分，信號(hào)中還存在少量150Hz成分，而100Hz成分幅值極小，這與理論分析基本吻合。

4 結(jié)論

本文簡(jiǎn)明扼要地描述了汽輪發(fā)電機(jī)軸電壓產(chǎn)生機(jī)理，闡述了軸電壓的分類(lèi)、產(chǎn)生原因及影響。由已知的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障運(yùn)行時(shí)參數(shù)變化，理論推導(dǎo)出轉(zhuǎn)子匝間短路引起的軸電壓特征頻率。并在故障模擬發(fā)電機(jī)上完成了轉(zhuǎn)子繞組匝間短路引發(fā)的軸電壓實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明了發(fā)電機(jī)軸電壓信號(hào)的特征頻率符合理論推導(dǎo)，且軸電壓信號(hào)隨著短路程度的增加而增大。

[參考文獻(xiàn)]

[1]奧托,豪斯,馬燮璋.軸電壓和軸承電流及其產(chǎn)生原因?qū)﹄姍C(jī)的影響和補(bǔ)救措施[J].電機(jī)譯文集, 1996(61):14-27.

[2]Torlay J E,Foggia A,Corenwinder C,et al. Analysis of shaft voltages and circulating currents in the parallel-connected windings in large synchronous generators[J]. Electric Power Components and Systems,2002,30(2):135-149.

[3]Meyer.A等.汽輪發(fā)電機(jī)組的軸電壓：用于提高軸承可靠性的一種新型方法[J]國(guó)外大電機(jī)，1989(2):20-24.

[4]史德利等.汽輪發(fā)電機(jī)軸電壓軸電流在線監(jiān)測(cè)裝置的研制[J].大電機(jī)技術(shù)，2016(4): 15-18.

[5]王建濤,張法朝,趙乾,等.汽輪發(fā)電機(jī)碳刷故障引起軸電流報(bào)警原因分析和應(yīng)急處理[J].大電機(jī)技術(shù),2016(3):46-49.

[6]郭程.變頻技術(shù)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)軸電流的影響與預(yù)防[J].大電機(jī)技術(shù),2008(3):23-25.

[7]李永剛,李和明,趙華,等.基于定子線圈探測(cè)的轉(zhuǎn)子匝間短路故障識(shí)別方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2004,24(2):107-112.

[8]趙華.汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障在線診斷研究[D].華北電力大學(xué)（河北）,2002年.

[9]趙艷軍.汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障的機(jī)電聯(lián)合診斷研究[D].華北電力大學(xué)（河北）,2009年.

[10]于娜.同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障診斷新方法研究[D].華北電力大學(xué)（河北）,2006年.

[11]武玉才.發(fā)電機(jī)故障的交叉特性分析及機(jī)電聯(lián)合故障診斷研究[D].華北電力大學(xué)（北京）,2010年.

[12]王曉華.基于軸電壓的發(fā)電機(jī)典型故障診斷研究[D].華北電力大學(xué)（河北）,2010年

[13]彭發(fā)東等.大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障的分析與診斷[J].大電機(jī)技術(shù)，2010(6):17-19.

[14]關(guān)建軍等.大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的診斷研究[J].大電機(jī)技術(shù)，2003(2):18-22.

[15]Erdman J M,Kerkman R J,Schlegel D W,et al. Effect of PWM inverters on AC motor bearing currents and shaft voltages[J].IEEE transactions on Industry Applications,1996,32(2):250-259.

王曉華（1984-），2010年4月畢業(yè)于華北電力大學(xué)電力工程系電機(jī)與電器專(zhuān)業(yè)，獲得碩士研究生學(xué)歷，現(xiàn)從事超高壓電氣試驗(yàn)工作，工程師。

審稿人：畢純輝

[作者簡(jiǎn)介]

張培良(1985-)，2010年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)，工學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)榘l(fā)電機(jī)軸承技術(shù)，工程師。

審稿人：劉公直

Analysis on Shaft Voltage of Rotor Winding Inter-turn Short Circuit on Turbine Generators

WANG Xiaohua1,LI Yonggang2,WU Yucai2
(1.State Grid Hebei Maintenance Branch,Shijiazhuang 050070,China; 2.North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

As turbine generators capacity increases,shaft voltage has become a serious problem in large generators,and so it is very necessary to monitor.This paper introduces shaft voltage mechanism in turbine generators,and through analyzing the magnetic potential under rotor winding inter-turn short circuit fault condition,the shaft voltage characteristics are investigated. Based on the shaft voltage fault character,a method based on shaft voltage is found to identify the fault on inter-turn short-circuit in turbine generator rotor winding.Experiment shows that the theoretical analysis are right.

rotor winding inter-turn short-circuit;shaft voltage;magnetic motive force;fault identification

TM307+.1

A

1000-3983(2017)01-0036-04

2016-7-29

國(guó)家自然科學(xué)基金（50677017）