发电机转子匝间短路的电磁特性分析及诊断方法研究-张嘉赛.pdf

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1、 硕士 学位 论文 发电机转 子匝间短 路的电磁 特性 分析及诊 断 方法研究 Study on Electromagnetic Characteristic Analysis and Fault Diagnosis Method of Generator under Rotor Winding Inter-turn Short Circuit 张嘉赛 2016 年 3 月 _ 国内图书分类号：TM311 学校代码：10079 国际图书分类号：621.3 密级：公开 工学硕士学位论文 发电机转 子匝间短 路的电磁 特性分析 及诊断 方法研究 硕士研究生 ： 张嘉赛 导 师 ： 武玉才讲师 申请

2、学位 ： 工学硕士 学科 ： 电气工程 专业 ： 电机与电 器 所 在 学 院 ： 电气与电 子工程学 院 答 辩 日 期 ： 2016 年 3 月 授 予 学 位 单 位 ： 华北电力 大学 _ Classified Index: TM311 U.D.C: 621.3 Dissertation for the Master Degree in Engineering Study on Electromagnetic Characteristic Analysis and Fault Diagnosis Method of Generator under Rotor Winding Inter

3、-turn Short Circuit Candidate ： Zhang Jiasai Supervisor ： Lect. Wu Yucai Academic Degree Applied for ： Master of Engineering Speciality ： Electric Engineering School ： School of Electrical and Electronic Engineering Date of Defence ： March,2016 Degree-Conferring-Institution ： North China Electric Po

4、wer University _ 华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明： 此处所提交的硕士学位论文 发电机转子匝间短路的电磁 特 性 分 析 及 诊 断 方 法 研 究 ， 是 本 人 在 导 师 指 导 下 ， 在 华 北 电 力 大 学 攻 读 硕 士 学 位 期间独立进行研究工作所取得的成果。 据本人所知， 论文中除已注明部分外不包 含他人已发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 发电机转子匝间短路的电磁特性 分析及诊

5、断方法研究 系本人在华北电力 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。 本论文的研究成果归 华北电力大学所有， 本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。 本人完全了 解华北电力大学关于保存、 使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门送 交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学， 可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文， 可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于（请在以上相应方框内打“” ） ： 保密，在 年解密后适用本授权书 不保密 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 _ 华北电力大学硕士学位论文 I 摘 要

6、 转子绕组匝间短路故障是发电机最常见的故障 之一， 也是影响安全运行的重要 原因。 励磁绕组短路故障改变了 发电机内部的电磁状态， 引起气隙磁场的变化 。 本 文针对发电机转子绕组匝间短路后 的稳态磁场和电磁转矩进行研究， 所 做的主要工 作如下： （1） 分析了发电机额定运行状态下励磁绕组匝间短路 程度及位置 对气隙磁场的 影响。以一台 QFSN-300-2-20B 型汽轮发电机为研究对象，建立 了发电机的电磁场 有限元仿真模型， 分析了励磁绕组短路时气隙磁场的切向磁密、 径向磁密的变化特 征。 （2） 分析了发电机额定运行 状态 下转子绕组短路时电磁转矩 与实际短路程度之 间的关系,提出了

7、假设励磁绕组无短路故障， 利用有限元法计算发 电机的电磁转矩， 并与实际的电磁转矩对比， 当其偏差大于设定阈值时 判定发电机存在励磁绕组短路 故障的方法，并通过故障实例对该方法进行了有效性验证 。 （3）借助于 VB 和 ANSYS 的 APDL 语言 ，结合提出的诊断转子匝间短路的电 磁转矩比较法， 开发了转子绕组 匝间短路的 诊断系统。 软件 实现 了对汽轮发电机转 子绕组匝间短路较高精度的可视化诊断，最后以 QFSN-300-2-20B 型汽轮发电机为 例验证了开发软件的可靠实用性。 关键字：转子匝间短路；有限元；气隙磁场；电磁转矩；VB ；参数 化设计 _ 华北电力大学硕士学位论文 I

8、I Abstract Rotor winding inter-turn short circuit, which is one of the commonest forms of turbo-generator failure, has been plaguing power producers with respect to production safety and economy. This fault will change the state of the electromagnetic field in generator, cause the distortion of air-

9、gap magnetic field. This thesis presents an investigation of the behavior of a turbo-generator in case of rotor winding inter-turn short circuit, focusing on the affection to the steady-state electromagnetic field and the electromagnetic torque. The main work of this thesis are as follows. (1)The th

10、esis provides some insight into the influence of the rotor winding inter-turn short circuit level and position upon air-gap magnetic field under rated running state of generator. With a QFSN-300-2-20B turbo-generator as the research object, the finite element simulation model of the generator rotor

11、winding short circuit was established, and the variation of tangential and radial flux density of air-gap magnetic field was analyzed. (2)The relationship between electromagnetic torque and the actual degree of short circuit when rotor winding inter-turn short circuit fault under rated conditions wa

12、s analyzed. Thus, a fault diagnosis method was proposed. By the contrast analysis of the electromagnetic torque of the generator under the assumption of no short circuit rotor winding and actual short-circuit fault, which is calculated by using the finite element method, if the deviation is greater

13、than the set threshold, the situation will explain the presence of generator rotor winding short circuit faults. Moreover, this method has been validated through a case of fault. (3)By means of VB and ANSYS APDL language, based on the proposed rotor winding inter-turn short circuit diagnostic method

14、, which is a electromagnetic torque comparison, a diagnosis system for the inter-turn short circuit of the rotor winding was developed. And this system implements a visual diagnosis of the inter-turn short circuit of the rotor winding of turbo-generator with high accuracy. Also, the reliability and

15、practicability of the system has been verified by the example of QFSN-300-2-20B turbo-generator. Keywords: rotor inter turn short circuit ；finite element ；air gap magnetic field ； electromagnetic torque；VB ；parametric design _ 华北电力大学硕士学位论文 III 目 录 摘 要 . I Abstract . II 第1 章 绪 论 . 1 1.1 课题背景及研究意义 . 1

16、 1.2 转子匝间短路研究现状 . 1 1.2.1 转子匝间短路电磁场的研究现状 . 2 1.2.2 汽轮发电机电磁转矩的研究现状 . 2 1.3 本文主要研究内容 . 3 第2 章 转子匝间短路有限元建模 . 4 2.1 发电机电磁场理论研究 . 4 2.2 发电机有限元模型的建立 . 5 2.3 发电机定子电流施加方法 . 7 2.4 发电机转子故障电流施加方法 . 8 2.5 本章小结 . 9 第3 章 转子匝间短路对气隙磁场的影响 . 10 3.1 同槽、不同程度匝间短路磁场分析 . 10 3.2 同程度、不同槽匝间短路磁场分析 . 13 3.3 本章小结 . 15 第4 章 转子匝间

17、短路的电磁转矩分析及诊断方法研究 . 16 4.1 发电机电磁转矩的计算方法 . 16 4.1.1 电磁转矩实际值的计算 . 16 4.1.2 电磁转矩仿真值的计算 . 16 4.2 转子匝间短的电磁转矩分析 . 17 4.2.1 同槽、不同程度短路时的电磁转矩分析 . 17 4.2.2 同程度、不同槽短路时的电磁转矩分析 . 19 4.3 基于电磁转矩比较的转子匝间短路诊断方法研究 . 21 4.3.1 虚功率法基本原理及缺点 . 21 4.3.2 基于电磁转矩比较的 转子匝间短路故障判据 . 23 4.3.3 转子绕组匝间短路故障诊断实例 . 24 4.4 本章小结 . 29 _ 华北电力

18、大学硕士学位论文 IV 第5 章 基于VB 的转子匝间短路诊断系统开发 . 30 5.1 VB 对 ANSYS 的 调用 . 30 5.2 VB 对 Access 数据 库的调用 . 31 5.3 VB 与 ANSYS 之间 的数据传递 . 31 5.4 转子匝间短路故障诊断系统设计 . 32 5.4.1 系统设计流程图 . 32 5.4.2 模型建立界面的设计 . 33 5.4.3 故障诊断界面的 设计和实例分析 . 37 5.5 本章小结 . 39 第6 章 结论 . 40 参考文献 . 41 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 . 44 致 谢 . 45 _ 华北电力大学硕士学位论文

19、1 第 1 章 绪 论 1.1 课题背景及研究意义 转子绕组匝间短路故障是汽轮发电机常见的故障，它给发电机和电力系统的 安 全稳定运行带来很大隐患。 转子 绕组 短路故障的显著特征是造成了发电机励磁磁势 的 削 弱 和 磁场 的 不 平 衡， 并 形 成 了不 平 衡 电 磁力 1 ，若 得不 到 及 时 、有 效 的 处理， 故障有可能进一步发展和蔓延， 特别是当发电机存在较强的负序磁场时， 被 短路点 流过的电流较大， 产生的热效应可能导致故障 的进一步恶化， 就会引起励磁电流显 著 增 高 ， 绕 组 温 度 增 高 ， 电 压 波 形 畸 变 ， 气 隙 磁 场 失 去 平 衡 ， 从

20、 而 引 起 大 轴 烧 损 ， 发电机剧烈振动和转子本体的严重磁化， 严重威胁了机组的安全稳定运行2-4 。 我国近年来先后已有近百台汽轮发电机发生过 励磁绕组短路故障 ， 如兰溪电厂 3#600MW 发电机 5 、 平圩电厂 1#600MW 发 电机 6 、元 宝山电厂 1#300MW 号 发电 机 7 、 华 润 电 厂 1#600MW 发电机 8 、 广 安 电 厂 2#600MW 发电机 9 、 邹县电厂 6#600MW 发电机 10 等 。转子绕组短路 故障通常伴随着机组振动状态恶化 的现象， 不 仅 给 发 电 机 组 和 电 力 系 统 的 稳 定 运 行 带 来 安 全 隐

21、患 ， 还 会 造成 严 重 的 经 济 损 失 。 故障案例如：1993 年 3 月， 张家口沙岭子电厂 一台 300MW 汽轮 发 电机 发生转子接 地报警，经过测试该机组存在转子绕组一点接地 和匝间短路故障，停机抢修 70 天 才恢复正常， 造成严重的经济损失 11 。 还有 2011 年 3 月， 贵州大龙电厂 一台 300MW 汽轮发电机出现转子绕组短路故障， #5 瓦 X 方 向振动 报警， 为此 非计划停运 60 天， 损失发电量约为 4 亿，同样造成了严重的经济损失 12 。 1.2 转子匝间短路研究现状 国内外许多学者都针对汽轮发电机转子匝间短路故障问题进行了深入研究。 国

22、外学者中， 英国学者 Albright 提出 探测线圈法 13 ，即 在发 电机定、 转子气隙中固定 探测线圈， 分别测量穿过探测线圈的漏磁通 的切向分量或径向分量， 发电机运行时 转子槽漏磁通在探测线圈上感应脉冲电动势 ， 该电动势是磁通变化率的函数 ， 当转 子发生匝间短路故障后， 故障槽绕组有效匝数减少， 槽漏磁通量 变小， 在探测线圈 上感应脉冲电动势也变小，对比探测线圈在 N 、S 极两侧对应槽的感应电势幅值 即 可判断转子绕组短路故障及其短路位置和严重程度。此外，Rosenberg 等 人 根 据周 期 性 冲击 波示 波 图法 提出 对 转子 匝间 短 路故 障 做 离 线检 测

23、 的方法 14 ；J W Wood 等提出回复波检测法，即 给转子加阶跃脉冲 ， 测量其反射回复波的测量方法 15 ； 俄 罗斯学者 B r 卡茨曼发现当 转子 绕组发生短路故障时，在定子并联支路中 会存在 _ 华北电力大学硕士学位论文 2 环流的现象， 并提出利用这一现象 来检测转子匝间短路的方法 16 。 国内 学者对转子 绕组匝间短路故障也做了大量研究 。 例如： 励 磁电流和无功功率变化法 17,18 ， 即根 据转子匝间短路故障会引起励磁电流增大无功功率相对减小或不变 的变化特征，通 过励磁电流的实测值和理论值的差值作为故障判据 的诊断方法， 目前国内多家电厂 已装有此在线监测装置

24、19 ， 此外还有 直流阻抗法 20 ， 开口变压器法 21 ， 和一些较新 的诊断方法， 如 虚功率 法 22,23 ，轴 电压法 24-26 ， 端部漏磁 法 27 等。 其 中本文的基于 电 磁 转 矩 比 较 法 对 发 电 机 转 子 绕 组 故 障 诊 断 的 方 法 就 是 基 于 虚 功 率 法 解 析 原 理 的 基础上提出的。 1.2.1 转 子匝 间短路电 磁场的 研 究现状 汽轮发电机在正常运行时， 转子绕组中的励磁电流产生两种磁场， 一种 为通过 气隙与定、 转子铁芯交链的主磁场， 一种是转子齿 槽部分形成的转子漏磁场。 在电 磁场方面，文献28 通过 ANSYS 的

25、参数化语言编程为平台， 对大型水轮发电机转 子偏心故障时的电磁场分布进行了分析 ， 提出用有限元软件实现水轮发电机的转子 偏 心 磁 场 的 计 算 方 法 。 文 献29 通过 有 限 元 法 对 发 电 机 转 子 绕 组 匝 间 短 路 、 动 偏 心 以 及 复 合 故 障 下 的 气 隙 磁 场 进 行 了 仿真分析 。 文 献30 研 究 了 汽 轮 发 电 机 空 载 情 况 下转子绕组不同位置不同程度 匝间短路时的磁场分布。 文献31 介绍 了使用 ANSYS 软 件 计 算 和 分 析 电 机 磁 场 并 优 化 设 计 电 机 的 功 能 。 文献32 对 汽 轮 发 电

26、机 励 磁 绕 组 不同位置匝间短路故障时的磁场特性进行了分析， 将各个励磁线圈产生的矩形波磁 动 势 进 行 了 傅 里 叶 分 解 ， 从 而 获 得 了 励 磁 绕 组 正 常 和 故 障 时 的 励 磁 磁 动 势 表 达 式 。 文献33 通 过 理 论 分 析 和 对 样 机 的 单 机 空 载 情 况 下 转 子 匝 间 短 路 的 实 验 ， 为 发 电 机 转子绕组匝间短路故障提供了一种具有通用性的理 论分析方法， 虽针对不同位置的 短路故障得到了不同绕组短路时的非正弦励磁磁动势表达式， 但却没有说明各次磁 场 和 短 路 位 置 的 不 同 对 磁 场 和 磁 动 势 的

27、影 响 。 文 献34 对 发 电 机 转 子 匝 间 短 路 时 励 磁磁动势各次谐波分量产生的定子环流进行了分析。 可以看到， 发电机转子绕组发生匝间短路故障后研究电 磁场的分布 变化是进一 步分析故障机理的基础， 准确得到 匝间短路故障情况下的气隙磁场分布 是进一步分 析发电机电磁转矩的关键。 由于发电机磁场所受的影响因素较多， 而且气隙结构比 较复杂， 解析法难以保证所求发电机气隙磁场的真实性和准确性， 而利用有限元分 析法能够考虑到齿槽效应、 饱和效应等， 因此本文采用有限元分析法对发电机转子 绕组发生匝间短路前后的气隙磁场 的变化进行分析。 1.2.2 汽 轮发 电机电磁 转矩的研

28、 究现状 发 电 机 内 部 绕 组 故 障 引 起 气 隙 磁 场 畸 变 ， 产 生 不 同 于 正 常 运 行 时 的 电 磁 力 波 ， 从而导致发电机电磁转矩的变化 35,36 。 对发电机故障时的电磁转矩的研究也是进一 _ 华北电力大学硕士学位论文 3 步分析机械振动的基础， 其中文献37 分析了 定子绕组匝间短路对发电机定转子径 向振动特性的影晌， 指出振动特征和电气特征一样可以作为判断匝间短路故障的特 征。文献38 给出 3 种不同的 电机定子绕组对称情况下计算电磁转矩的方法。文献 39 在相坐 标系统中推导出交流电机的电磁转矩公式。 文献40 提出 利用多回路的方 法 从 路

29、 的 观 点 出 发 分 析 发 电 机 的 电 磁 转 矩 。 文 献41 详 细 分 析 了 发 电 机 定 子 绕 组 短 路故障下电磁转矩的特性， 指出 定子绕组匝间短路 故障不仅会使 作用于定转子的径 向 电 磁 力 发 生 变 化 ， 同 时 作 用 于 转 子 的 电 磁 转 矩 也 会 发生 变化。 文献42 通 过 对 一 台 12kW 的 隐级同步发电机转子绕组短路时的电磁转矩进行仿真计算和实验对比验 证， 对转子绕组短路故障对电磁转矩的影响进行了较为深入的分析 。 以上研究中对 转子匝间短路对电磁转矩影响的研究较少， 因此， 分析发电机因励磁绕组匝间短路 故障产生不平衡磁

30、场的特征， 明确发电机运行状态对发电机电磁转矩的影响， 能够 为进一步探索汽轮发电机转子匝间短路故障诊断方法提供理论依据， 对维持机组稳 定运行、保证系统可靠供电具有重要意义。 1.3 本文主要研究内容 汽轮发电机正常稳定运行时 内部磁场分布均匀， 转子绕组匝间短路故障引起汽 轮发电机内部磁场变化。 本文借助于有限元算法， 利用有限元仿真软件 着重研究汽 轮 发 电 机 发 生 匝 间 短 路 后 的 气 隙 磁 场 分 布 的 变 化 特 征 和 电 磁 转 矩 的 特 征 。 以 一 台 QFSN-300-2-20B 型汽轮发电机为研究对象，本文主要工作有： 1、 建立 QFSN-300-

31、2-20B 型汽轮发电机的二维有限元模型， 由切向气隙磁场和 径向气隙磁场两方面的变化入手， 分析发电机额定运行状态下励磁绕组不同位置和 不同程度匝间短路对发电机磁场不平衡的影响。 2 、 分析 额 定 运 行 状 态 下 发 电 机 转 子 绕 组 短 路 时 的 电 磁 转 矩 与 实际 短 路 程 度 之 间的关系。 通过计算实际电磁转矩和仿真 无故障时的电磁转矩 ， 两者进行比较， 提 出 基 于 电 磁 转 矩 比 较 法 判 断 转 子 匝 间 短 路 故 障 的 新 方 法 ， 并 通 过 QFSN-300-2-20B 型汽轮发电机的故障实例对该方法进行验证。 3 、 根 据 提

32、 出 的 判 断 转 子 匝 间 短 路 故 障 的 电 磁 转 矩 比 较 法 ， 开 发 诊 断 转 组 匝 间 短路的工程软件。借助 VB 良好 的交互界面和 ANSYS 的 APDL 语言，实现发电机 二维有限元模型的可视化建立和对发电 机转子匝间短路的准实时 诊断， 并以实例验 证所开发软件的可靠实用性。 _ 华北电力大学硕士学位论文 4 第 2 章 转子匝间短路有限元建模 汽轮发电机属于隐极机， 由定子、 转子、 轴承及端盖等部件组成， 转子由铁芯、 绕组、 护环、 滑环、 转轴、 风扇 等部件组成。 发电机定子、 转子通过轴承和端盖连 接组装起来。 定子和转子的结构对称， 沿轴向

33、开直槽， 定子槽沿定子圆周均匀分布， 转子具有一对磁极， 转子上的一对大齿作为主磁极， 转子槽均匀分布在大齿以外的 转子圆周上，转子绕组嵌于转子槽内 如图 2-1。 图 2-1 汽轮 发电机转子 端部结构图 正常状态下， 转子在定子中旋转， 按照电磁感应定律导线切割磁力线 ， 关于交 轴对称的 N 、S 极对应槽的磁通应该是相同 的，当发生转子绕组匝间短路故障后， 故障槽绕组有效匝数减少，其 磁通量也变小，对比 N 、S 极两侧对应槽的磁场分布 的变化可判断转子绕组短路故障及其严重程度，而 在汽轮发电机上完成上述重复性、 破坏性实验并进行对比分析并不现实， 因此借助于具有较高计算精度的数值仿真

34、工 具完成上述工作是优先选择的途径。 2.1 发电 机电磁场理论研究 发电机内的电磁场可以用微分形式的麦克斯韦方程组求解，其形式如下 29 ： 0 c D HJ t B E t D B （2-1） 式中： 为旋度算子； 为散度算子； H 为磁场强度矢量； c J 为激励源电流 密度矢量； D 为电位移矢量； E 为电场强度矢量； B 为磁感应强度矢量； 为体电 _ 华北电力大学硕士学位论文 5 荷密度。 其中存在如下关系： c DE JE BH （2-2） 式中： 介电常数， 电导率， 磁导率。 对于静态电磁场，位移电流忽略不计，则式（2-1）写为 0 c HJ B BH （2-3） 本文研究

35、的内容属于有旋场， 故引入辅助的位函数矢量磁位 A 来完成磁场计算。 磁通密度 B 和矢量磁位 A 的关系 为 ： BA （2-4） 代入（2-3） ，可以得到矢量磁位 A 的泊松方程 2 c AJ （2-5） 2.2 发电 机有限元模型的建立 基于上述原理， 本文借助于有限元仿真软件 ANSYS ， 以 一台 QFSN-300-2-20B 型汽轮发电机为研究对象， 采用 二维静 态磁场分析问题， 通过数值计算可得到电机 内各点的矢量磁位A 和磁通密度B 。其中该发电机的参数见表 2-1。 表 2-1 QFSN-300-2-20B 型汽轮发电机参数 项目 数值 额定功率 300 MW 额定电压 20KV 额定电流 10189A 极对数 1 频率 50 Hz 励磁电流 2075A 功率因数 0.85 同步电抗 1.85477 定子每相直流电阻 0.001658 定子槽数 54 转子槽数 32 转子分度数 48 转子每槽线圈匝数 10 _