中圖分類號(hào)：U464.13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1003-8639（2025）06-0189-02

Generator Magnetic PoleBurnoutFault

Li Xiaozhan，Wang Honglei

（Shangqiu Institute of Technology，School of Mechanical Engineering，Shangqiu 476Ooo，China）

【Abstract】This paper elaborates in depth on the causes of the generator magnetic pole burnout fault，the influence ofthefaultonthegenerator，andthediagnosticmethods（magneticpoleacousticdiagnosis method，infrared thermal imagingdetectionmethod，vibration detectionmethod，electromagneticsignal detectionmethod），andproposes comprehensivefault prevention measures（improved design，material and process improvement，forging process control）.By means of the finite element simulation of the magnetic pole forging process，the processparameters of the production process were optimized，and the scrap rate （ 15% ）wasreduced. The importance of simulation technology in improving thereliabilityand performance of magneticpoleswasconfirmed，providing atheoretical basisand practical reference forpreventing magneticpoleburnoutfaults，optimizing theproduction process of magnetic poles，and improving the performance of magnetic poles.

【Key words】 generator magnetic pole burnout；fault diagnosis；finite element analysis

1概述

2發(fā)電機(jī)磁極燒毀故障診斷技術(shù)

發(fā)電機(jī)磁極燒毀故障主要是指磁極材料過熱引發(fā)的局部或全面損傷的一種故障現(xiàn)象，會(huì)使發(fā)電機(jī)效率低下，引起電力系統(tǒng)不穩(wěn)定。磁極燒毀的原因主要包括磁極過載、磁極冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理或失效、磁極材料老化、磁極設(shè)計(jì)不合理、磁極材料本身存在固有缺陷以及磁極制造過程的品質(zhì)缺陷。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，借助先進(jìn)設(shè)計(jì)軟件對(duì)發(fā)電機(jī)磁極在極端工況下的溫度分布進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，對(duì)發(fā)電機(jī)磁極開展的全壽命周期熱力學(xué)模型預(yù)測(cè)研究，可減少發(fā)電裝置因某些部位過熱而發(fā)生燒毀的幾率。在材料選擇環(huán)節(jié)，通過選擇導(dǎo)熱性材料，降低磁極高溫應(yīng)力。在實(shí)際案例中，通過導(dǎo)入磁極成型（鍛造）過程中磁極質(zhì)量的管控與磁極缺陷的探傷檢查，可較大程度減少磁極燒毀現(xiàn)象的發(fā)生。在發(fā)電機(jī)磁極燒毀故障預(yù)防方面，應(yīng)該實(shí)行對(duì)磁極及發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)、材料、制造中的全過程管控，積極預(yù)防發(fā)電機(jī)磁極燒毀的發(fā)生，方可有效保證發(fā)電機(jī)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 磁極燒毀故障的聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)

針對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組燒損故障的檢測(cè)方法可用聲音檢測(cè)方法，因?yàn)槭欠墙佑|的檢測(cè)方式，所以可通過采集發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的聲音異常來及時(shí)檢測(cè)勵(lì)磁繞組是否有燒損的跡象。在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組燒損前，局部受熱后由于受熱膨脹使得繞組物理形態(tài)出現(xiàn)不同程度的改變，導(dǎo)致聲音產(chǎn)生相應(yīng)的瀕譜及音壓值出現(xiàn)差異性。勵(lì)磁繞組燒損前的異常聲波一般落在 20～30kHz 的頻譜段內(nèi)，為聲音檢測(cè)方法提供了理論支持。

2.2 磁極燒毀故障的紅外熱成像監(jiān)測(cè)

紅外熱成像監(jiān)測(cè)技術(shù)是發(fā)電機(jī)磁極燒損故障診斷技術(shù)中最為成熟的。該方法無需進(jìn)行接觸式監(jiān)測(cè)，可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)的磁極溫度分布情況，找到故障的異常熱斑。經(jīng)過實(shí)證分析發(fā)現(xiàn)，在磁極燒損前，其溫度值較正常情況的溫度值高 20%～30% ，這給紅外監(jiān)測(cè)提供了一定的數(shù)據(jù)支持。具體實(shí)踐應(yīng)用中，通過設(shè)置溫度閾值，在發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)磁極表面溫度高于該值時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)便會(huì)發(fā)出告警信號(hào)，給操作人員一定的指示，引導(dǎo)操作人員進(jìn)行詳細(xì)檢查。紅外熱成像技術(shù)可以針對(duì)磁極的溫度特性應(yīng)用有限元仿真分析方法。

2.3基于振動(dòng)分析的磁極燒毀故障診斷

基于振動(dòng)分析的發(fā)電機(jī)磁極燒毀故障診斷方法是非接觸式的，通過分析發(fā)電機(jī)工作振動(dòng)信號(hào)判斷發(fā)電機(jī)是否有故障。借助高精度的傳感器獲取一些振動(dòng)變化的信號(hào)，從而判斷磁極是否早期燒毀。通過傅里葉變換分析振動(dòng)信號(hào)的頻譜，從而獲得不同頻率出現(xiàn)的峰值，分析判斷磁極燒毀有可能是機(jī)械應(yīng)力變化所造成的。振動(dòng)分析能夠提升故障診斷精度，降低機(jī)組停機(jī)維修的成本。

2.4磁極燒毀故障的電磁信號(hào)檢測(cè)與處理

通過電磁信號(hào)對(duì)發(fā)電機(jī)組磁極燒毀的檢測(cè)及處理，通過精細(xì)監(jiān)測(cè)可對(duì)磁極燒毀進(jìn)行防范，或者進(jìn)行及時(shí)診斷。檢測(cè)過程中，通常采用靈敏度高的傳感器對(duì)引起發(fā)電機(jī)磁極異常的微弱電磁波進(jìn)行檢測(cè)，通過分析發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中電磁場(chǎng)的變化，可以對(duì)磁極發(fā)生燒毀之前所表現(xiàn)出來的異常信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。據(jù)相關(guān)研究，在磁極燒毀之前電磁信號(hào)往往有著較為顯著的信號(hào)頻率以及信號(hào)強(qiáng)度異常變化。

電磁信號(hào)處理技術(shù)是電磁干擾相關(guān)頻譜分析中的一項(xiàng)常用技術(shù)，傅里葉變換技術(shù)、小波變換技術(shù)均可以將電磁干擾時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)，更加有利于確定磁極燒毀所產(chǎn)生的特有頻率成分。例如傅里葉變換可以將電磁干擾中的時(shí)域噪聲信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域頻譜，利用頻譜圖中的高頻峰值特征，可以檢測(cè)磁極燒毀特征。小波變換是獲取電磁干擾過程中時(shí)-頻分辨率的一種比較好的時(shí)-頻分析方法，可以比較有效地獲得電磁干擾信號(hào)的時(shí)-頻分布的集中區(qū)域，在判斷電磁干擾中的突變電流現(xiàn)象時(shí)尤其有效。

3發(fā)電機(jī)磁極燒毀故障預(yù)防措施

3.1設(shè)計(jì)優(yōu)化以減少磁極燒毀風(fēng)險(xiǎn)

運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算原理和模擬軟件可以對(duì)電機(jī)的磁極設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少故障隱患。運(yùn)用有限元技術(shù)通過精細(xì)模擬可得出磁極在不同使用狀態(tài)下產(chǎn)生的熱應(yīng)力分布，使設(shè)計(jì)的磁極能夠滿足實(shí)際使用產(chǎn)生的熱負(fù)荷要求。有數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過優(yōu)化磁極的冷卻通道設(shè)計(jì)可以使磁極表面溫度降低 10% 以上，明顯降低因表面溫度過高而造成燒毀的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2材料選擇與處理工藝的改進(jìn)

材料的選擇和加工工藝的優(yōu)化是預(yù)防故障發(fā)生的關(guān)鍵，因?yàn)檫x擇合適的材料能夠明顯提升磁極耐熱性抗疲勞的能力，從而提高磁極使用壽命2。比如可以選用含稀有金屬成分的合金材料來提高磁極的導(dǎo)熱系數(shù)，使得磁極的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到一定程度的緩解，防止由于應(yīng)力集中造成磁極燒毀情況的發(fā)生。通過熱力學(xué)模擬試驗(yàn)分析得知，一些金屬成分在高溫環(huán)境下的導(dǎo)熱系數(shù)值是傳統(tǒng)合金材料的 20% 左右，將其用于磁極的實(shí)際應(yīng)用，可以明顯降低磁極的工作溫度，降低熱損傷的可能性。

合理控制鍛件過程中的溫度、應(yīng)力可細(xì)化組織結(jié)構(gòu)，提高其綜合機(jī)械性能，例如細(xì)晶粒能提高強(qiáng)度及韌性，進(jìn)而提高磁極的抗燒毀性能。鍛造成形模擬分析手段，例如有限元分析，可協(xié)助鍛造操作工程師對(duì)材料進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，預(yù)測(cè)不同加工工藝條件下的工件性能，進(jìn)行更為合理的工藝過程設(shè)計(jì)。

3.3 鍛造過程中的品質(zhì)控制與檢測(cè)

發(fā)電機(jī)磁極的鍛造品質(zhì)以及檢測(cè)是磁極生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，產(chǎn)品使用壽命的長短主要取決于鍛造工藝過程中的每個(gè)步驟是否做到嚴(yán)格要求，以避免磁極材料缺陷和結(jié)構(gòu)不均勻性造成的磁極燒毀，而有限元分析應(yīng)用能夠模擬鍛造應(yīng)力分布和材料的流動(dòng)，有助于確定合理的鍛造工藝參數(shù)，提高鍛件內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)、減少內(nèi)裂傾向[3-4。在鍛造中溫度的控制尤為重要，溫度過高或者過低都會(huì)影響材料的內(nèi)部組織和最終力學(xué)性能。研究表明，如果鍛件溫度每升降 10% ，會(huì)明顯影響材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。因此，鍛件在鍛造過程中溫度必須得到有效監(jiān)測(cè)，然后將溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果與鍛造溫度的熱力學(xué)計(jì)算對(duì)比，從而保證其溫度的準(zhǔn)確性。另外，鍛造以后對(duì)材料進(jìn)行無損檢測(cè)，如超聲和磁粉檢測(cè)確定是否有內(nèi)部缺陷，以保證磁極材料的品質(zhì)。在鍛造過程中對(duì)品質(zhì)嚴(yán)格把控，是避免磁極燒毀故障的基礎(chǔ)。

3.4運(yùn)行環(huán)境的監(jiān)控與適應(yīng)性改進(jìn)

發(fā)電機(jī)磁極燒毀故障預(yù)防的方法主要是運(yùn)行環(huán)境監(jiān)控與適應(yīng)性改進(jìn)，通過運(yùn)行環(huán)境監(jiān)控可以實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的異常情況。溫度和濕度異常是造成磁極燒毀的主要因素，所以配置高精度的溫濕度傳感器，對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行不間斷檢測(cè)，這是確保發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行的重要措施。據(jù)美國能源部數(shù)據(jù)顯示，適當(dāng)?shù)沫h(huán)境監(jiān)控會(huì)減少至多 30% 的機(jī)器故障。而適應(yīng)性改進(jìn)也是對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)行環(huán)境監(jiān)控的補(bǔ)充。比如隨著環(huán)境溫度的變化，對(duì)發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)適應(yīng)性改進(jìn)；比如根據(jù)溫度，自動(dòng)增大或減小冷卻系統(tǒng)的冷卻效率，確保磁極始終工作于最佳狀態(tài)。在鍛造成形模擬分析中同樣如此，適應(yīng)性改進(jìn)的重要意義就是通過模擬分析材料在不同環(huán)境條件下的情況，從而調(diào)整改進(jìn)鍛造工藝，減少因環(huán)境變化引起的材料性能變化。由此可以窺見，在環(huán)境監(jiān)控與適應(yīng)性改進(jìn)下，可以有效預(yù)防磁極燒毀故障，保證發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行。

4結(jié)論

在電力系統(tǒng)可靠性影響因子分析中，發(fā)電機(jī)磁極燒毀故障最為常見。采用聲學(xué)診斷技術(shù)、紅外熱成像技術(shù)、振動(dòng)測(cè)試技術(shù)以及電磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)磁極燒毀故障進(jìn)行診斷，可及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)并準(zhǔn)確定位燒毀位置。采取改良方案設(shè)計(jì)，使用具有良好導(dǎo)熱性能的材料進(jìn)行鍛造和鍛造工藝優(yōu)化（包括溫度、壓力等），可以對(duì)磁極燒毀故障的產(chǎn)生起到一定的抑制作用。

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（編輯楊凱麟）