摘 要：汽輪發(fā)電機(jī)的電磁噪聲中蘊(yùn)含著豐富的設(shè)備狀態(tài)信息，可非接觸地監(jiān)測轉(zhuǎn)子匝間絕緣健康狀況。對汽輪發(fā)電機(jī)電磁噪聲理論進(jìn)行推導(dǎo)分析，定性得到了汽輪發(fā)電機(jī)在空載和負(fù)載工況下，轉(zhuǎn)子匝間短路前后電磁噪聲特征的演變規(guī)律。隨后通過搭建汽輪發(fā)電機(jī)電磁噪聲檢測實驗平臺，對所提理論進(jìn)行實驗驗證。實驗結(jié)果表明，無論機(jī)組處于空載或負(fù)載工況，轉(zhuǎn)子匝間短路均會引起發(fā)電機(jī)噪聲頻譜中分?jǐn)?shù)次特征諧波幅值增加，且與故障程度呈正相關(guān)。本研究充分利用電磁噪聲實現(xiàn)了汽輪發(fā)電機(jī)組非侵入式的狀態(tài)監(jiān)測，為汽輪發(fā)電機(jī)的健康狀態(tài)評估提供了有益指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：汽輪發(fā)電機(jī)；轉(zhuǎn)子繞組；匝間短路；電磁噪聲；在線監(jiān)測；故障診斷

DOI：10.15938/j.emc.2024.11.003

中圖分類號：TM311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-449X（2024）11-0025-11

Research on non-intrusive detection method for rotor inter-turn short circuit in turbo generator based on electromagnetic noise

ZHANG Xihao， LI Yonggang， MA Minghan， QI Peng， LIU Wentao

（State Key Laboratory of New Energy Power Systems， North China Electric Power University， Baoding 071003， China）

Abstract：The electromagnetic noise of the turbo generator contains abundant information on equipment status， enabling non-contact monitoring of the rotor inter-turn insulation health condition. The theory of the electromagnetic noise of the turbo generator was deduced and analyzed， qualitatively obtaining the evolution law of the electromagnetic noise characteristics before and after the rotor inter-turn short circuit under no-load and load conditions of the steam turbine generator. Then the proposed theory was verified experimentally by building an experimental platform for detecting the electromagnetic noise of the turbo generator. The experimental results indicate that， regardless of whether the unit is in the no-load or load condition， the rotor inter-turn short circuit will cause an increase in the amplitude of the fractional characteristic harmonics in the generator noise spectrum， and it is positively correlated with the fault degree. Electromagnetic noise was fully used to realize the non-invasive condition monitoring of the turbo generator， which provides useful guide for the health status assessment of the turbo generator.

Keywords：turbo generator；rotor winding；inter-turn short circuit；electromagnetic noise；online monitoring；fault diagnosis

0 引 言

汽輪發(fā)電機(jī)組作為能源轉(zhuǎn)化的核心設(shè)備，能夠靈活地調(diào)整輸出，有效地調(diào)節(jié)由于新能源大規(guī)模集成帶來的頻率波動以及電壓不穩(wěn)定等問題，保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。汽輪發(fā)電機(jī)組正面臨更加頻繁的“彈性”工況，這對機(jī)組健康的實時監(jiān)測提出更高的要求^[1-]。轉(zhuǎn)子繞組匝間短路是汽輪發(fā)電機(jī)常見故障形式之一，由轉(zhuǎn)子絕緣緩慢劣化引起，嚴(yán)重時會導(dǎo)致機(jī)組電氣運(yùn)行參數(shù)異常觸發(fā)保護(hù)動作，機(jī)組停運(yùn)，影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性并造成巨大經(jīng)濟(jì)損失^[4-5]。傳統(tǒng)的汽輪發(fā)電機(jī)檢測方案大都需要在機(jī)組停運(yùn)檢修時對轉(zhuǎn)子進(jìn)行安全檢測，比如重復(fù)脈沖法（RSO）^[6]、開口變壓器法^[7]等，這些方法操作復(fù)雜且無法實現(xiàn)對機(jī)組狀態(tài)的實時監(jiān)測。

近些年來，汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的在線檢測技術(shù)逐漸成為學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)^[8]。轉(zhuǎn)子匝間短路故障本身是電機(jī)結(jié)構(gòu)遭到破壞后的一種不平衡的體現(xiàn)，這種不平衡會反映到電流、電壓、磁通、振動等物理量上，因此可以從這種角度出發(fā)去分析轉(zhuǎn)子匝間短路故障所導(dǎo)致的故障特征^[9]。文獻(xiàn)[10]提出勵磁電流法實時監(jiān)測汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間狀態(tài)，通過閾值的設(shè)置靈活改變預(yù)警范圍。文獻(xiàn)[11]利用定子環(huán)流時頻圖譜檢測轉(zhuǎn)子匝間短路故障，該方法可以濾除機(jī)組動靜偏心以及電樞反應(yīng)的干擾，進(jìn)而能發(fā)現(xiàn)早期微弱故障特征。文獻(xiàn)[12]設(shè)計了一種新型磁極探測線圈提取由于勵磁繞組匝間短路引起的電壓諧波特征，實現(xiàn)了與其他故障特征的區(qū)分。文獻(xiàn)[1]采集定子鐵心外部定位筋的感應(yīng)電壓，并利用特征諧波比值作為檢測指標(biāo)，提出了一種針對轉(zhuǎn)子匝間短路新型檢測方法。文獻(xiàn)[14]認(rèn)為雜散磁通比定子電流蘊(yùn)含更為豐富的故障信息，對于轉(zhuǎn)子匝間短路故障來說更為敏感。文獻(xiàn)[15]利用雜散磁通并結(jié)合短時傅里葉變換（STFT）技術(shù)，可以準(zhǔn)確地識別和定位電機(jī)在負(fù)載和空載工況下的轉(zhuǎn)子匝間短路故障。文獻(xiàn)[16]指出利用光纖傳感器可以較好地反映出同步發(fā)電機(jī)組100 Hz以內(nèi)的低頻振動，并實現(xiàn)轉(zhuǎn)子匝間短路故障特征的檢測。文獻(xiàn)[17] 通過分析復(fù)雜工況下轉(zhuǎn)子匝間短路對凸極同步電機(jī)雜散磁通以及機(jī)殼振動的影響，設(shè)計了一套診斷系統(tǒng)并應(yīng)用到了大功率發(fā)電機(jī)中。

上述學(xué)者的工作在汽輪發(fā)電機(jī)的電氣狀態(tài)監(jiān)測以及機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測方面做出了重要的貢獻(xiàn)。需要指出的是，電氣狀態(tài)的監(jiān)測容易受到機(jī)組負(fù)載工況、設(shè)備本身電磁特性的影響，且考慮到工業(yè)界中電氣狀態(tài)參數(shù)往往涉及到商業(yè)數(shù)據(jù)隱私，想要在現(xiàn)場深入研究往往難以獲得。機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測相比電氣狀態(tài)監(jiān)測往往更容易發(fā)現(xiàn)匝間短路早期微弱故障^[18]，因此相關(guān)學(xué)者將重點(diǎn)放在了機(jī)組振動理論的研究上，然而，現(xiàn)有振動檢測的傳感器往往是侵入式的，安裝不便。聲音作為振動在空氣中的傳播，其本身蘊(yùn)含豐富的信息，對于旋轉(zhuǎn)設(shè)備來說，噪聲信號的采集是非接觸的，具有故障定位的功能。同時隨著高性能聲音傳感器的出現(xiàn)和現(xiàn)代信號處理技術(shù)的發(fā)展，利用噪聲信號進(jìn)行機(jī)械設(shè)備故障診斷逐步成為研究的熱點(diǎn)，并在風(fēng)電齒輪箱故障^[19]、風(fēng)力機(jī)葉片軸承故障^[20]、異步電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障^[21]、感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心故障 ^[22]等方面得到應(yīng)用。

鑒于近年來汽輪發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測對于故障檢測方法簡單、非侵入的需要，本文將噪聲信號應(yīng)用到汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障診斷中，并搭建汽輪發(fā)電機(jī)電磁噪聲檢測實驗平臺，以探究轉(zhuǎn)子匝間故障對汽輪發(fā)電機(jī)噪聲信號的影響。首先，通過汽輪發(fā)電機(jī)電磁噪聲分析理論，揭示聲音與振動的緊密聯(lián)系。其次，推導(dǎo)汽輪發(fā)電機(jī)在不同工況下低頻電磁噪聲的主要成分，為實現(xiàn)故障檢測奠定理論基礎(chǔ)。最后，選取合適的聲音傳感器并在動模實驗機(jī)組上搭建電磁噪聲檢測實驗平臺，采集汽輪發(fā)電機(jī)在不同工況下的噪聲信號并進(jìn)行頻域分析。實驗結(jié)果表明，利用噪聲信號可以有效地檢測出轉(zhuǎn)子匝間短路故障特征。本文所研究內(nèi)容初步探索電磁噪聲檢測在汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障方面的應(yīng)用，為深入挖掘汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間故障噪聲特征提供借鑒。

1 汽輪發(fā)電機(jī)電磁噪聲分析

汽輪發(fā)電機(jī)主要的噪聲源有：電磁力、電刷、風(fēng)扇等，其中交變的電磁力作用于定子內(nèi)表面引起鐵心振動。鐵心的振動通過機(jī)殼或者端蓋上的小孔向外輻射噪聲，因此汽輪發(fā)電機(jī)的電磁噪聲分析本質(zhì)上是在研究定子鐵心振動的變化規(guī)律。

汽輪發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子鐵心的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣隙磁導(dǎo)率，磁通量實際上垂直于定轉(zhuǎn)子鐵心，切向磁通量比徑向磁通小得多。根據(jù)麥克斯韋定律，作用于汽輪發(fā)電機(jī)定子內(nèi)表面的電磁力

Pr（θ，t）=B2r（θ，t）－B2t（θ，t）2μ0≈B2r（θ，t）2μ0。（1）

式中：Br（θ，t）為徑向氣隙磁密；Bt（θ，t）為切向氣隙磁密；θ為定子坐標(biāo)系下機(jī)械角度；μ0為空氣磁導(dǎo)率。

作用于定子內(nèi)表面的電磁力是周期性交變的。考慮電機(jī)基座、機(jī)殼、彈性懸吊結(jié)構(gòu)等因素的影響，簡化其振動響應(yīng)模型，如圖1所示，此時定子受電磁力產(chǎn)生的徑向位移x（t）滿足^[2]

Pr（t）=Mx··（t）+Cx·（t）+Kx（t）。（2）

式中：M為定子鐵心質(zhì)量；C為阻尼因子；K為剛度因子。

將汽輪發(fā)電機(jī)視為有限長圓柱形輻射體，利用定子鐵心表面的振動，可以得到電機(jī)在特定激勵頻率下的輻射噪聲功率W^[24]為

W=4σrelρCπ3f2excx2RoutL。（3）

式中：σrel為相對聲強(qiáng)系數(shù)；ρ為介質(zhì)密度；C為聲速；fexc為激振頻率；x為電機(jī)定子徑向位移幅值；Rout為電機(jī)外徑；L為電機(jī)軸向長度。

換算成聲功率級為

Lw=10lgWWo。（4）

式中Wo為基準(zhǔn)聲功率。

電機(jī)的總輻射聲功率級Lwa是由各個頻率產(chǎn)生的聲功率級疊加

Lwa=10lg（∑10^0.1Lw）。（5）

由式（2）和式（3）分析可知，在激振頻率一定時，電磁噪聲與定子的徑向位移呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，而汽輪發(fā)電機(jī)定子的徑向位移變化取決于定子所受電磁力的變化。因此，汽輪發(fā)電機(jī)的電磁噪聲特征分析可以定性地轉(zhuǎn)化為定子所受電磁力特征的分析。

2 勵磁繞組磁動勢分析

汽輪發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時，其勵磁繞組磁動勢呈階梯式分布，假設(shè)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子具有p對極，每一極轉(zhuǎn)子有M槽，那么汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子每一極的磁動勢可以看作M個槽磁動勢的疊加，如圖2所示。

對距離大齒第m槽的磁動勢Fm（θ，t）進(jìn)行分析，其傅里葉^[25]分解為

Fm（θ，t）=4amifπ∑∞n=1（－1）^n－12n－1sin（2n－1）π－γπ+2mβ2×

cos（（2n－1）（ωet－pθ））。（6）

式中：am為第m槽繞組匝數(shù)；if為正常勵磁電流；γ為大齒占轉(zhuǎn)子圓周比例；β為轉(zhuǎn)子槽間角；ωe為電角速度；p為極對數(shù)。

汽輪發(fā)電機(jī)每一極勵磁繞組產(chǎn)生的空載磁動勢為

Fnl（θ，t）=∑Mm=1Fm（θ，t）=

4ifπ∑∞n=1∑Mm=1amsin（2n－1）π－γπ+2mβ2×

（－1）^n－12n－1cos（（2n－1）（ωet－pθ））。（7）

由式（7）可知，汽輪發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時，其空載勵磁磁動勢中僅包含基波和奇數(shù)次諧波分量。

為了便于后續(xù)分析，將上式簡化為

Fnl（θ，t）=∑n=1，3，5，…Frncos（nωet－npθ）；

Frn=（－1）^n－12n∑Mm=14ifamπsinnπ－γπ+2mβ2。（8）

式中：Frn為勵磁磁動勢的第n次諧波的幅值；n為勵磁磁動勢諧波次數(shù)，n=1，3，5，…。

現(xiàn)假設(shè)第1極下第m槽勵磁繞組發(fā)生Nf匝線圈短路故障，故障繞組磁動勢如圖3所示，其傅里葉分解^[25]為

ΔFf（θ，t）=∑k=1/p，2/p，3/p，…－2Nfi-fkpπsink（π－γπ+2mβ）2×

cos（k（ωet－pθ））。（9）

式中i-f為故障后的勵磁電流。

為了便于后續(xù)分析，將上式簡化為

ΔFf（θ，t）=∑k=1，2，3，…Ffkcoskp（ωet－pθ）。（10）

式中：Ffk為故障附加磁動勢第k/p次諧波的幅值；k為正整數(shù)，k=1，2，3，…，k≠p。其中Ffk可表示為

－2Nfi-f（2n－1）pπsin（2n－1）（π－γπ+2mβ）2，""""""""" """""k=（2n－1）p；

－Nfi-fnpπsin（n（π－γπ+2mβ））， k=2np；

－2Nfi-fnpπsinn（π－γπ+2mβ）2，k=1，2，3，…。（11）

式中：n為正整數(shù)，n=1，2，3，…。

由式（10）和式（11）可以看出，對于同一故障位置而言，故障附加分量的幅值Ffk與短路匝數(shù)Nf、故障后勵磁電流Symbol`A@if呈正比。同時故障附加分量中除了機(jī)組正常勵磁磁動勢所包含的基波以及奇數(shù)次諧波外，還產(chǎn)生了分?jǐn)?shù)次諧波以及偶數(shù)次諧波，這些故障特征諧波將影響汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心所受的徑向電磁力，進(jìn)而反映到電磁噪聲中。

3 轉(zhuǎn)子匝間短路電磁噪聲特征分析

3.1 空載工況下轉(zhuǎn)子匝間短路電磁噪聲特征分析

汽輪發(fā)電機(jī)空載時，假設(shè)磁極是對稱的，定子繞組中無電流，空載磁動勢Fnl（θ，t）僅由勵磁繞組磁動勢產(chǎn)生

Fnl（θ，t）=∑n=1，3，5，…Frncos（nωet－npθ）。（12）

忽略定轉(zhuǎn)子開槽等因素的影響，氣隙磁導(dǎo)Λ（θ，t）可以近似表示為

Λ（θ，t）≈Λ0。（13）

式中Λ0為氣隙磁導(dǎo)常值。

徑向氣隙磁密Br（θ，t）為

Br（θ，t）=F（θ，t）Λ（θ，t）=

∑n=1，3，5，…FrnΛ0cos（nωet－npθ）。（14）

在空載正常工況下，作用于汽輪發(fā)電機(jī)定子內(nèi)表面的電磁力Pnl（θ，t）由式（1）和式（14）整理可得

Pnl（θ，t）=Λ204μ0{∑n=1，3，5，…F2rn+

∑n=1，3，5，…F2rncos（2nωet－2npθ）+

∑n1∑n2Frn1Frn2cos（（n2±n1）ωet－（n2±n1）pθ）}。（15）

式中：n2gt;n1，n1=1，3，5，…；n2=1，3，5，…。

在上述假設(shè)下，汽輪發(fā)電機(jī)空載正常工況下的徑向力波可以分為兩類：第一類是不隨時間變化的徑向力波，導(dǎo)致定子鐵心靜形變而不會產(chǎn)生振動和噪聲。第二類是轉(zhuǎn)子磁場自身同次諧波相互作用產(chǎn)生的2n次諧波，以及自身不同階次諧波作用產(chǎn)生的（n2±n1）次諧波。因此，在汽輪發(fā)電機(jī)空載正常工況下，電磁噪聲以2n次諧波為主。

當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)的某極轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生金屬性匝間短路時，該磁極勵磁繞組的有效匝數(shù)減少，可以把這部分繞組等效成為通過反向勵磁電流的退磁線圈，如圖4所示，由于此時的勵磁磁勢相對于正常時是減小的，發(fā)電機(jī)主磁路上的鐵心飽和趨勢削弱。因此，故障所引起磁動勢的減小ΔFf（θ，t）可以線性疊加到正常狀態(tài)下的磁動勢Fnl（θ，t）中，空載故障磁動勢^[26]表示為

Fnlf（θ，t）=Fnl（θ，t）－ΔFf（θ，t）=

∑n=1，3，5，…Frncos（nωet－npθ）－

∑k=1，2，3，…Ffkcoskpωet－kθ。（16）

由式（1）、式（13）、式（14）和式（16）得到空載故障工況下作用于汽輪發(fā)電機(jī)內(nèi)表面的電磁力如表1所示（忽略不產(chǎn)生噪聲的力波）。

汽輪發(fā)電機(jī)空載故障工況下的徑向力波相比于正常工況時多出了兩類：第一類是故障附加磁場自身同次諧波引起的2k/p次諧波，以及自身不同次諧波引起的（k2±k1）/p次諧波；第二類是正常磁場和故障附加磁場相互作用而產(chǎn)生（n±k/p）次諧波。

3.2 負(fù)載工況下轉(zhuǎn)子匝間短路電磁噪聲特征分析

負(fù)載正常工況下，汽輪發(fā)電機(jī)的氣隙磁場中除了空載磁場還有負(fù)載定子電流I產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁場，如圖5，負(fù)載氣隙磁動勢Fl（θ，t）表示為

Fl（θ，t）=Fnl（θ，t）+Fs（θ，t）=

∑n=1，3，5，…Frncos（nωet－npθ）+

∑v=1，7，13，…Fsvcosωet－vθ－ψ－π2。（17）

式中：Fs（θ，t）為定子磁動勢；Fsv為定子磁動勢第v次諧波幅值；ψ為內(nèi)功率因素角。

同理，負(fù)載正常工況下作用于定子內(nèi)表面的電磁力如表2所示（忽略不產(chǎn)生噪聲的力波）。

在定子磁場的影響下徑向力波出現(xiàn)了定子磁場自身作用產(chǎn)生的2次諧波和定轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生的（n±1）次諧波。因此，汽輪發(fā)電機(jī)負(fù)載工況下，電磁噪聲主要成分仍然是電網(wǎng)頻率的2n次諧波。

汽輪發(fā)電機(jī)負(fù)載工況下發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)匝間短路，空載磁動勢被削弱，氣隙合成磁動勢發(fā)生變化，如圖5所示，負(fù)載故障氣隙磁動勢Flf（θ，t）可以表示為

Flf（θ，t）=Fl（θ，t）－ΔFf（θ，t）=

∑n=1，3，5，…Frncos（nωet－npθ）+

∑v=1，7，13，…Fsvcosωet－vθ－ψ－π2－

∑k=1，2，3，…Ffkcoskpωet－kθ。（18）

此時，作用于定子內(nèi)表面的電磁力如表3所示（忽略不產(chǎn)生噪聲的力波）。

汽輪發(fā)電機(jī)負(fù)載工況下，轉(zhuǎn)子匝間短路故障對徑向力波產(chǎn)生的影響有：故障附加磁場自身同次諧波引起的2k/p次諧波，以及自身不同次諧波引起的（k2±k1）/p次諧波；故障附加磁場與定轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生的（n±k/p）以及（1±k/p）次諧波。

由此可見，當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子匝間短路故障后，隨著故障程度的加深，一方面短路匝數(shù)會增加，另一方面由于勵磁繞組有效匝數(shù)減少，勵磁電流會增加。因此，故障附加分量的幅值會隨著轉(zhuǎn)子匝間短路故障的加深而增大。當(dāng)故障特征量（k/p次諧波）的幅值較大且極對數(shù)較小時，這將顯著影響汽輪發(fā)電機(jī)的定子振動，并進(jìn)一步反映在電磁噪聲中。

綜上所述，汽輪發(fā)電機(jī)在空載和負(fù)載正常工況下，其電磁噪聲中的頻率成分是相同的，主要包含電網(wǎng)頻率的2n次諧波，在發(fā)生轉(zhuǎn)子匝間短路故障后電磁噪聲中將出現(xiàn)k/p次特征諧波，且其幅值隨著故障程度的加深而增大。

4 轉(zhuǎn)子匝間短路對電磁噪聲的影響實驗驗證

4.1 電磁噪聲檢測實驗平臺

采用電力系統(tǒng)動模實驗室MJF-30-6隱極同步發(fā)電機(jī)對理論進(jìn)行驗證，機(jī)組具體參數(shù)信息如表4所示。

本文為了有效模擬轉(zhuǎn)子匝間短路故障，選取勵磁繞組中對應(yīng)于25%故障程度的C2和C3抽頭。兩個抽頭之間串聯(lián)一個電流表（量程2.5 A）、一個滑動變阻器（48 Ω/7 A）以及一個開關(guān)斷路器，如圖6所示。開始實驗時，滑動變阻器處于最大阻值，斷路器處于斷開狀態(tài)，調(diào)節(jié)勵磁電流，使得電機(jī)電壓上升至額定電壓，記錄此時勵磁電流If，此時通過短路支路電流為f。后續(xù)通過緩慢調(diào)節(jié)滑動變阻器阻值調(diào)節(jié)短路支路電流

Δfd=I-fIf×25%。（19）

針對電磁噪聲的測量，本文采用MPA201聲音傳感器，靈敏度為45 mV/Pa，頻率響應(yīng)范圍為10～20 000 Hz，動態(tài)范圍17～134 dBA，可以在-30～80 ℃溫度條件下正常工作。聲音傳感器的布置需要綜合考慮汽輪發(fā)電機(jī)的體型、結(jié)構(gòu)、測試環(huán)境等因素的影響以便準(zhǔn)確地測量被測結(jié)構(gòu)的噪聲情況，本實驗傳聲器布置在距離發(fā)電機(jī)殼0.5 m處，高度對準(zhǔn)發(fā)電機(jī)中軸線。

電氣參數(shù)和噪聲信號采用Pico 4824A數(shù)字示波器采集，該示波器的垂直分辨率為12位，帶寬為20 MHz，采樣頻率設(shè)置為20 000 Hz，采樣通道數(shù)為8。IEPE電源聯(lián)接在聲音傳感器和數(shù)字示波器之間，起到供電作用，其余電壓、電流傳感器可直接與數(shù)字示波器聯(lián)接，實驗總體布置如圖6所示。

本研究重點(diǎn)關(guān)注的是汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子匝間短路故障時電磁噪聲低頻段（100 Hz以內(nèi)）的變化規(guī)律，因此需要盡可能降低其他無關(guān)噪聲的影響。在隔音較好的室內(nèi)進(jìn)行實驗，無其他機(jī)組運(yùn)行，實驗過程保持安靜排除人聲干擾；在機(jī)組運(yùn)行過程中，切除風(fēng)扇以消除風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空氣動力學(xué)噪聲；汽輪發(fā)電機(jī)電刷和換向器之間的摩擦以及電刷和滑環(huán)之間的摩擦產(chǎn)生的噪聲主要集中在1 000～8 000 Hz的高頻段，并不在本次實驗關(guān)注頻段范圍內(nèi)。

4.2 空載工況電磁噪聲實驗驗證

首先，采集MJF-30-6機(jī)組在空載正常和故障工況下的勵磁電流If、故障支路電流Symbol`A@If，得到其時域信息，如圖7所示，并據(jù)此計算匝間短路的故障程度Δfd，見表5。其次，提取聲音傳感器在不同空載運(yùn)行工況下采集的噪聲信號，如圖8所示。最后，對采集到的時域噪聲信號進(jìn)行了傅里葉分析，得到不同運(yùn)行工況下的頻譜特征信息，如圖9所示。

由圖9可知，機(jī)組空載正常工況下，噪聲頻譜中以電網(wǎng)頻率的2n次諧波 （100 Hz）為主，但同時出現(xiàn)了明顯的k/p次諧波峰值（16.7、33.4、66.7 Hz等）。導(dǎo)致這種情況的一種原因是由于機(jī)組本身轉(zhuǎn)子動偏心、轉(zhuǎn)子振動等不對稱因素的影響使得氣隙磁導(dǎo)Λ（θ，t）不再理想，產(chǎn)生了角頻率為k/p次的附加磁導(dǎo)分量^[28]，這部分附加磁導(dǎo)分量與轉(zhuǎn)子磁動勢相互作用，會在氣隙磁密中引入（n±k/p）次諧波分量進(jìn)而使得電磁噪聲中k/p次諧波的幅值較高。同時，由于機(jī)組結(jié)構(gòu)共振等因素的影響，噪聲頻譜可能會在某些頻段出現(xiàn)共振峰值（80～95 Hz），這將會影響到對一些特征頻率（例如83.4 Hz）幅值的準(zhǔn)確分析。

在機(jī)組發(fā)生故障后，通過機(jī)組的噪聲信號時域圖（圖8）難以判斷故障帶來的變化。為了進(jìn)一步研究轉(zhuǎn)子匝間短路故障對電磁噪聲的影響，在機(jī)組的噪聲頻域圖（圖9）中將k/p次諧波（16.7、33.4、66.7 Hz）以及2n次諧波（100 Hz）進(jìn)行了標(biāo)記。隨著匝間短路故障的出現(xiàn)，特征諧波對應(yīng)的幅值出現(xiàn)了顯著變化：其中k/p次諧波幅值整體增大，1/p、2/p次諧波（16.7、33.4 Hz）幅值將隨著故障程度的加深而增大（從0.004 9 Pa增加到0.012 1 Pa，從0.012 7 Pa增加到0.023 0 Pa）。而2n次諧波（100 Hz）幅值隨著故障程度的加深而降低，但在7.30%的故障時出現(xiàn)異常。

4.3 負(fù)載工況電磁噪聲實驗驗證

汽輪發(fā)電機(jī)并網(wǎng)負(fù)載運(yùn)行，此時不同工況下勵磁電流如圖10所示，對應(yīng)的故障程度見表6。負(fù)載情況下采集的到的噪聲信號時域圖如圖11所示，對應(yīng)的噪聲信號頻域圖如圖12所示。

由圖12可知，發(fā)電機(jī)負(fù)載正常工況下，其噪聲頻譜圖中的主要成分仍然是電網(wǎng)頻率的2n次諧波（100 Hz），與空載相比，幅值增大（從0.029 7 Pa增加到0.046 2 Pa），然而k/p次諧波幅值整體下降，僅在1/p、2/p次諧波處有顯著的峰值，其他特征諧波峰值并不明顯。造成這種情況的原因可能有：一方面電樞反應(yīng)磁場對于空載磁場的畸變作用，使得噪聲頻譜中原本由于結(jié)構(gòu)不平衡的產(chǎn)生的k/p次諧波幅值被抑制；另一方面，由于旋轉(zhuǎn)力矩的產(chǎn)生，定子和機(jī)殼的之間的聯(lián)接更為牢固，k/p次振動級減小，對應(yīng)噪聲頻譜的幅值降低。

隨著轉(zhuǎn)子匝間短路故障的出現(xiàn)，發(fā)電機(jī)噪聲頻譜圖中的k/p次諧波的幅值整體增大： 1/p、2/p次諧波幅值與故障程度呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系 （從0.006 7 Pa增加到0.010 3 Pa，從0.011 8 Pa增加到0.013 3 Pa），與負(fù)載正常工況相比，3/p、4/p次諧波幅值增大，出現(xiàn)峰值；2n次諧波（100 Hz）幅值隨著故障程度的加深整體呈現(xiàn)下降趨勢，在4.44%的故障時存在異常。

4.4 軸系噪聲的影響分析

在噪聲測試實驗中，由于實際汽輪發(fā)電機(jī)噪聲頻譜中不僅存在電磁振動噪聲，還包含軸系旋轉(zhuǎn)噪聲。這會使得汽輪發(fā)電機(jī)的噪聲頻譜在部分特征頻率上的理論計算值與實驗值存在誤差，如圖13所示。

實際上，無論是汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)處于空載還是負(fù)載工況，轉(zhuǎn)子匝間短路故障還會引起汽輪發(fā)電機(jī)軸系熱不平衡以及磁不平衡，激發(fā)軸系產(chǎn)生與機(jī)械轉(zhuǎn)頻（1/p次諧波）相同頻率的振動從而產(chǎn)生相關(guān)噪聲^[27]。因此，這也是引起汽輪發(fā)電機(jī)噪聲頻譜中分?jǐn)?shù)次諧波增大的主要原因之一。

綜上所述，汽輪發(fā)電機(jī)在空載和負(fù)載正常工況下，電磁噪聲低頻頻譜中都以電網(wǎng)頻率的2n次諧波為主。隨著轉(zhuǎn)子匝間短路故障的出現(xiàn)，與之相關(guān)的k/p次特征諧波幅值將會增大，并且與故障程度呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢。上述現(xiàn)象與理論分析一致，為利用噪聲信號實現(xiàn)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間故障的診斷提供了參考。

5 結(jié) 論

本文提出了一種利用汽輪發(fā)電機(jī)的噪聲信號監(jiān)測轉(zhuǎn)子匝間絕緣狀態(tài)的方法，并深入研究了汽輪發(fā)電機(jī)在空載和負(fù)載不同工況下電磁噪聲頻譜中的主要成分，從而得到了由轉(zhuǎn)子匝間故障所引起的特征諧波，通過搭建電磁噪聲檢測實驗平臺，對理論進(jìn)行了驗證。

理論與實驗的分析結(jié)果表明，利用聲音傳感器采集到的汽輪發(fā)電機(jī)噪聲信號蘊(yùn)含豐富的運(yùn)行狀態(tài)信息，可非接觸地反映出機(jī)組健康狀況。在汽輪發(fā)電機(jī)組正常工況下，其噪聲頻譜主要包含電網(wǎng)頻率的2n次諧波，轉(zhuǎn)子匝間短路故障將引起噪聲頻譜中k/p次故障特征諧波幅值的增大，利用這些特征可以有效檢測出汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障。這對于機(jī)組的實時健康監(jiān)測、保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

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（編輯：劉素菊）