謝穎，劉海東，李飛，劉海松

?

同步發(fā)電機(jī)偏心與繞組短路故障對(duì)磁場(chǎng)及電磁振動(dòng)的影響

謝穎，劉海東，李飛，劉海松

(哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱，150080)

以1臺(tái)6 MW汽輪同步發(fā)電機(jī)為例，對(duì)轉(zhuǎn)子靜偏心、定子匝間短路及其聯(lián)合故障下的磁場(chǎng)、電磁力和電磁振動(dòng)進(jìn)行研究。在氣隙磁場(chǎng)不對(duì)稱情況下，以等效電路為基礎(chǔ)的經(jīng)典算法將不再適用，為此建立發(fā)電機(jī)的有限元模型，基于瞬態(tài)磁場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果，給出不同故障類(lèi)型下的氣隙磁場(chǎng)變化特征，并得到發(fā)電機(jī)不同運(yùn)行狀態(tài)下的徑向電磁力及其與對(duì)應(yīng)故障參數(shù)的變化關(guān)系。將電磁力作為載荷，對(duì)發(fā)電機(jī)的電磁振動(dòng)進(jìn)行研究，通過(guò)比較正常運(yùn)行和故障運(yùn)行狀態(tài)下的位移曲線，定性分析不同故障對(duì)電磁振動(dòng)的影響。研究結(jié)果表明：且該振動(dòng)特征可以為發(fā)電機(jī)偏心和繞組短路故障診斷提供理論依據(jù)。

同步發(fā)電機(jī)；氣隙靜態(tài)偏心；定子匝間短路；徑向電磁力；電磁振動(dòng)

汽輪同步發(fā)電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)生活中發(fā)揮著重要作用，近年來(lái)，發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量不斷攀升，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也更加復(fù)雜，這對(duì)材料、制造工藝、運(yùn)行維護(hù)等提出了更嚴(yán)格的要求。一旦發(fā)生故障，將會(huì)帶來(lái)重大的經(jīng)濟(jì)損失。由于受發(fā)電機(jī)制造工藝的制約和不同的運(yùn)行條件等影響，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行可能導(dǎo)致定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙分布不均勻，這種狀態(tài)被稱作氣隙偏心。本文中主要針對(duì)氣隙靜態(tài)偏心進(jìn)行分析，即電機(jī)轉(zhuǎn)子中心與幾何中心不重合，轉(zhuǎn)子仍繞著自己的中心旋轉(zhuǎn)。這將造成電機(jī)兩側(cè)的氣長(zhǎng)度不等，從而影響到磁場(chǎng)分布，進(jìn)而影響到發(fā)電機(jī)的性能。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)偏心故障進(jìn)行了深入的研究，例如，ILAMPARITHI等[1]通過(guò)計(jì)算氣隙磁導(dǎo)，對(duì)偏心故障下電機(jī)的磁場(chǎng)分布進(jìn)行了分析。李琛等[2]結(jié)合正則攝動(dòng)理論建立了表貼式永磁電機(jī)定子開(kāi)槽后轉(zhuǎn)子偏心的全局解析模型，并與有限元法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明了該方法的準(zhǔn)確性。詹立新等[3]對(duì)無(wú)軸承異步電機(jī)質(zhì)量偏心引起的振動(dòng)設(shè)計(jì)了補(bǔ)償控制方案。趙向陽(yáng)等[4]研究了通過(guò)定子繞組電流特征來(lái)檢測(cè)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)偏心故障的方法。鮑曉華等[5]分析了大型異步電機(jī)氣隙動(dòng)態(tài)偏心時(shí)定子齒某一位置的磁場(chǎng)，并提出了其氣隙偏心故障在線檢測(cè)方法。此外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者還針對(duì)偏心故障對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、電機(jī)內(nèi)氣隙磁場(chǎng)、電磁振動(dòng)以及故障所引發(fā)的不平衡磁拉力進(jìn)行了深入研究[6?10]。定子繞組匝間短路故障主要由于機(jī)械振動(dòng)、過(guò)電壓沖擊、繞組過(guò)熱等原因而誘發(fā)繞組槽絕緣損壞而造成。很多學(xué)者對(duì)同步發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路故障進(jìn)行了研究。MEGAHED等[11?12]利用相坐標(biāo)法對(duì)繞組故障進(jìn)行了理論計(jì)算，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。但由于相坐標(biāo)法是以相繞組整體作為計(jì)算參數(shù)，將不適用于繞組匝間短路故障的研究。高景德等[13]提出了多回路分析法，該方法以單個(gè)線圈作為分析單元，建立了交流電機(jī)的多回路數(shù)學(xué)模型，豐富了繞組故障的理論分析方法。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該理論進(jìn)行了補(bǔ)充和完善并加以應(yīng) 用[14?17]，得出了一系列有意義的結(jié)論。方紅偉等[18]計(jì)算了振動(dòng)偏心條件下，電機(jī)定子短路故障前后電磁轉(zhuǎn)矩的變化，并著重研究了瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩中的脈沖轉(zhuǎn)矩分量幅值及頻率的變化特征。李俊卿等[19]提出了一種以定子空載電勢(shì)及并聯(lián)支路環(huán)流作為故障特征量來(lái)檢測(cè)勵(lì)磁繞組短路位置的新方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。萬(wàn)書(shū)亭等[20?22]分別研究了定、轉(zhuǎn)子匝間短路時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)振動(dòng)特性的影響，得到了匝間短路時(shí)發(fā)電機(jī)的振動(dòng)特征。但其中大多數(shù)僅是針對(duì)發(fā)電機(jī)單一故障進(jìn)行研究。而實(shí)際上，由于制造和運(yùn)行等原因，大多數(shù)發(fā)電機(jī)都存在偏心問(wèn)題，所以，當(dāng)電機(jī)發(fā)生定子匝間短路故障時(shí)即出現(xiàn)氣隙靜態(tài)偏心與定子短路2種故障下的復(fù)合故障。本文作者以6 MW汽輪同步發(fā)電機(jī)作為研究對(duì)象，建立發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心和定子繞組匝間短路的有限元模型，模型中計(jì)及了磁場(chǎng)飽和及磁場(chǎng)不對(duì)稱的影響。研究額定工況下氣隙靜態(tài)偏心、定子繞組匝間短路以及兩者復(fù)合的故障特性。通過(guò)計(jì)算得到了轉(zhuǎn)子靜偏心、定子匝間短路故障下電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)變化特征，單一及復(fù)合故障下的定子所受徑向力和振動(dòng)特性，并分析故障參數(shù)變化對(duì)徑向電磁力的影響。

1 樣機(jī)基本參數(shù)與建模

1.1 樣機(jī)參數(shù)

本文以1臺(tái)6 MW汽輪發(fā)電機(jī)為例，該電機(jī)的主要機(jī)械及電氣參數(shù)如表1所示?？紤]到同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子偏心和定子匝間短路，僅僅通過(guò)簡(jiǎn)單的路算難以準(zhǔn)確的分析不同故障對(duì)發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)所產(chǎn)生的影響。本文根據(jù)設(shè)計(jì)單參數(shù)，通過(guò)有限元軟件建立了該發(fā)電機(jī)的全域模型，并對(duì)轉(zhuǎn)子偏心和定子繞組匝間短路故障特性進(jìn)行研究。

表1 汽輪同步發(fā)電機(jī)參數(shù)

1.2 計(jì)算模型

本文研究的為二極同步發(fā)電機(jī)，由于其結(jié)構(gòu)空間對(duì)稱，所以在模擬和分析發(fā)電機(jī)時(shí)，無(wú)需建立全域模型，而當(dāng)電機(jī)發(fā)生氣隙偏心和定子繞組匝間短路故障時(shí)，整個(gè)發(fā)電機(jī)內(nèi)部的氣隙磁場(chǎng)不再對(duì)稱，故需建立發(fā)電機(jī)的全域模型。

圖1所示為剖分后的截面網(wǎng)格圖。由于發(fā)電機(jī)中磁通變化主要集中在氣隙上，為計(jì)算準(zhǔn)確，需要對(duì)氣隙部分進(jìn)行自定義剖分來(lái)增大氣隙處的剖分精度，對(duì)于其他部分，由于磁通變化較小，可采用自由剖分。氣隙被分成了2層，外層為定子氣隙，內(nèi)層為轉(zhuǎn)子氣隙，轉(zhuǎn)子氣隙與轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)動(dòng)，定子氣隙固定不動(dòng)。

圖1 有限元剖分后發(fā)電機(jī)截面圖

2 轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心故障下的磁場(chǎng)及電磁力

2.1 轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心下的氣隙磁場(chǎng)

發(fā)生靜態(tài)偏心故障后，由于發(fā)電機(jī)兩側(cè)的氣隙長(zhǎng)度改變，故電機(jī)氣隙磁導(dǎo)將發(fā)生變化，進(jìn)而影響到發(fā)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子靜偏心示意圖如圖2所示。

圖2 靜態(tài)偏心示意圖

為了方便研究轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心對(duì)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的影響，采用如圖2所示坐標(biāo)系對(duì)發(fā)電機(jī)偏心故障下的氣隙進(jìn)行分析，則氣隙長(zhǎng)度可以表示為

其中：為平均氣隙長(zhǎng)度；s為靜偏心值；m為周向機(jī)械角度；d為動(dòng)偏心值。

由于氣隙偏心量一般不大，忽略掉高階的分量后，對(duì)氣隙磁導(dǎo)進(jìn)行冪級(jí)數(shù)展開(kāi)得

其中：0為磁導(dǎo)的常值分量；r為角頻率；s為氣隙靜態(tài)偏心引起的磁導(dǎo)分量；d為氣隙動(dòng)態(tài)偏心所引起的磁導(dǎo)分量。額定工況運(yùn)行下一對(duì)極同步發(fā)電機(jī)的氣隙磁勢(shì)為[23]

式中：為內(nèi)功角；r為主極磁動(dòng)勢(shì)；為機(jī)械角度；s為電樞反應(yīng)磁勢(shì)；r=2πr為機(jī)械角頻率；r為機(jī)械頻率(對(duì)于同步發(fā)電機(jī)r=)。

由于靜偏心故障引起了磁導(dǎo)的變化，氣隙磁場(chǎng)將不再是均勻分布，某一時(shí)刻同步發(fā)電機(jī)正常及靜偏心故障運(yùn)行的磁密及磁力線分布分別如圖3和圖4所示。

出現(xiàn)轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心故障時(shí)，偏心朝向處的氣隙長(zhǎng)度變小，相應(yīng)的此處磁導(dǎo)將會(huì)變大，進(jìn)而磁通密度變大。偏心反向處的氣隙長(zhǎng)度變大，相同的磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的氣隙磁密減小。從圖3可以看出：由于磁場(chǎng)不對(duì)稱的影響，偏心故障下的磁密基波幅值較正常情況略有減小，正常運(yùn)行條件下氣隙磁場(chǎng)中基本不含偶次諧波，偏心故障發(fā)生后，2，4和6次等偶次諧波含量增加明顯。比較圖4中(a)和(b)可知：在正常情況下，發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)分布是對(duì)稱的，電機(jī)兩側(cè)磁力線分布均勻。出現(xiàn)轉(zhuǎn)子靜偏心故障后，氣隙長(zhǎng)度較小的一側(cè)磁力線相對(duì)密集，氣隙長(zhǎng)度較大一側(cè)相對(duì)稀疏，磁場(chǎng)分布不再 對(duì)稱。

圖3 氣隙磁密各次諧波比較

(a) 正常情況；(b) 偏心15%

圖5所示為不同偏心率下的氣隙磁密2，4和6次諧波。對(duì)氣隙磁密進(jìn)行諧波分解后可以發(fā)現(xiàn)(圖5)，由于偏心故障的出現(xiàn)，磁密中出現(xiàn)了偶次諧波分量，且其幅值會(huì)隨著偏心程度的增大而快速增大。其中以2次諧波增長(zhǎng)速度最快，4次諧波增長(zhǎng)速度快于6次諧波增長(zhǎng)速度。

2.2 轉(zhuǎn)子靜偏心時(shí)定子所受徑向力

計(jì)算定子表面單位面積上的徑向電磁力(其中，0為空氣磁導(dǎo)率)，可以得到以下公式。

1) 恒定的電磁力：

這個(gè)電磁力為常值，對(duì)于特定的定子位置，長(zhǎng)時(shí)間作用會(huì)引發(fā)定子徑向形變，但不會(huì)引起定子的振動(dòng)。

2) 2倍頻徑向電磁力：

這是隨時(shí)間變化的電磁力，會(huì)引起定子2倍頻的徑向振動(dòng)。不同偏心故障運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的定子齒上一點(diǎn)所受隨時(shí)間變化電磁力的頻譜分析結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出：氣隙靜偏心故障時(shí)，與其他頻率對(duì)比，2倍頻電磁力增加的較為明顯，且電磁力幅值隨著靜偏心程度的加劇而增大。

圖5 不同偏心率下的氣隙磁密2次，4次和6次諧波

(a) 正常情況；(b) 轉(zhuǎn)子偏心5%；(c) 轉(zhuǎn)子偏心10%；(d) 轉(zhuǎn)子偏心15%

3 定子匝間短路故障下的磁場(chǎng)及電磁力

3.1 定子匝間短路故障下的氣隙磁場(chǎng)

同步發(fā)電機(jī)定子繞組短路故障位置和連接方式如圖7所示。當(dāng)發(fā)生定子匝間短路故障時(shí)，在短路回路中會(huì)出現(xiàn)附加電流d，此電流將產(chǎn)生附加磁場(chǎng)，與正常的電樞反應(yīng)磁場(chǎng)不同，這個(gè)附加磁場(chǎng)以電源頻率脈振。略去高次諧波，這個(gè)附加磁勢(shì)可以表示為[25]

其中：為定子機(jī)械角度；為極數(shù)。將式(7)分解為2個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁動(dòng)勢(shì)，得

圖8所示為發(fā)電機(jī)在6 s時(shí)刻發(fā)生定子匝間短路故障勵(lì)磁電流的變化情況；圖9所示為發(fā)生故障后勵(lì)磁電流離散頻譜。

圖8 短路故障下的勵(lì)磁電流

圖9 勵(lì)磁電流離散頻譜

從圖8可以看出：額定工況下運(yùn)行的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流為恒定直流，發(fā)生短路故障后，勵(lì)磁電流呈現(xiàn)周期性波動(dòng)且頻譜中出現(xiàn)了2倍頻分量(由于直流分量相對(duì)其他分量較大，故在圖9中未標(biāo)出)，這同式(9)的分析結(jié)果一致。由于理論分析時(shí)忽略掉了高次諧波，而在有限元計(jì)算時(shí)計(jì)及了高次諧波，故勵(lì)磁電流并不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦曲線，電流頻譜中除了2倍頻分量還出現(xiàn)了其他頻率下的分量。

定子繞組匝間短路故障下電機(jī)的氣隙磁密為

通過(guò)有限元計(jì)算得到發(fā)電機(jī)工況運(yùn)行時(shí)和發(fā)生定子短路故障時(shí)的磁力線如圖10所示。在發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路故障下，故障處的磁力線會(huì)呈現(xiàn)出類(lèi)似于漩渦狀的分布，而且整個(gè)電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)不再滿足對(duì)稱條件。

(a)無(wú)匝間短路；(b) 有匝間短路

圖10 電機(jī)磁力線分布

Fig. 10 Magnetic lines distribution of generator

圖11所示為不同短路故障下氣隙磁密的2次、4次和6次諧波含量比較，其規(guī)律同于偏心故障，區(qū)別在于其4次和6次諧波增加的也非常明顯。

3.2 定子匝間短路故障下的徑向電磁力

基于定子匝間短路故障后發(fā)電機(jī)的氣隙磁密可以得到作用于發(fā)電機(jī)定子內(nèi)表面上的脈振電磁力。定子匝間短路故障發(fā)生后，電機(jī)定子繞組上出現(xiàn)一個(gè)負(fù)序磁場(chǎng)，并在轉(zhuǎn)子側(cè)繞組上感應(yīng)出附加2次諧波電勢(shì)，此2次諧波電勢(shì)進(jìn)而在定子側(cè)繞組中感應(yīng)出附加3次諧波電勢(shì)，導(dǎo)致附加的2次和3次諧波磁密相對(duì)于基波磁密幅值比較小。因此，由基波磁密產(chǎn)生的頻率為2的徑向電磁力在定子繞組匝間短路故障前后變化量相對(duì)較大，由2次和3次諧波磁密產(chǎn)生的4和6及其他頻率下電磁力變化量相對(duì)較小。

正常情況運(yùn)行和定子繞組匝間短路故障時(shí)發(fā)電機(jī)定子所受徑向電磁力的頻譜分析如圖12所示。從圖12可以看出：發(fā)生定子線圈匝間短路故障以后，定子所受到的2，4和6倍頻徑向電磁力幅值增加，并且隨著短路匝數(shù)的增多，徑向電磁力的幅值快速增大。其中，2倍頻電磁力增長(zhǎng)較為明顯，發(fā)生故障前后其幅值由1.5×105N增大到4.5×105N。

圖11 不同短路匝數(shù)下的氣隙磁密2次，4次和6次諧波

(a) 正常情況；(b) 定子二匝線圈短路；(c) 定子四匝線圈短路；(d) 定子六匝線圈短路

4 轉(zhuǎn)子靜偏心與定子繞組匝間短路復(fù)合故障下的電磁力及振動(dòng)

4.1 偏心及不同程度定子匝間短路故障下定子所受徑向電磁力

發(fā)電機(jī)的氣隙磁密是由氣隙磁勢(shì)與氣隙磁導(dǎo)共同決定的，而定子匝間短路故障會(huì)改變氣隙磁勢(shì)，轉(zhuǎn)子靜偏心故障會(huì)改變氣隙磁導(dǎo)，故復(fù)合故障下的磁場(chǎng)將受到2種單一故障的共同影響，從而影響到定子所受徑向電磁力，最終影響到發(fā)電機(jī)的電磁振動(dòng)。

15%靜偏心與不同匝數(shù)定子短路復(fù)合故障下的電磁力頻譜分析如圖13所示。

比較圖13可以發(fā)現(xiàn)：相比于正常情況，復(fù)合故障下定子所到受的2，4和6倍頻徑向電磁力幅值均有明顯的增長(zhǎng)，可以得到復(fù)合故障主要產(chǎn)生2，4和6倍頻電磁力；在復(fù)合故障下，定子繞組短路匝數(shù)增多，發(fā)電機(jī)定子所受徑向電磁力的2，4和6倍頻分量幅值增大。通過(guò)圖12和圖13的對(duì)比數(shù)據(jù)可以得到：相比于單純的定子匝間短路故障，同樣短路匝數(shù)的復(fù)合故障下電磁力幅值比單一定子匝間短路故障下的電磁力幅值大。

4.2 匝間短路及不同程度偏心復(fù)合故障下的定子所受徑向電磁力

圖14所示為不同程度轉(zhuǎn)子靜偏心及定子繞組2匝短路復(fù)合故障下徑向電磁力的離散頻譜。

以上數(shù)據(jù)表明：該復(fù)合故障下的特征頻率對(duì)應(yīng)的電磁力變化規(guī)律與4.1節(jié)的相同，對(duì)比2種不同復(fù)合故障可知，定子匝間短路故障對(duì)電機(jī)的影響更大，即2，4和6倍頻電磁力幅值在其作用下增加非常顯著。

4.3 正常及故障運(yùn)行狀態(tài)下定子的徑向振動(dòng)

由于電磁力在發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的測(cè)量難度較大，而機(jī)殼的振動(dòng)卻可以通過(guò)傳感器等設(shè)備快速測(cè)量，并且與電磁力相比振動(dòng)位移更加清晰、直觀。雖然振動(dòng)結(jié)果中可能包含某些機(jī)械因素引起的分量，但在同步發(fā)電機(jī)中電磁力是引起振動(dòng)的主要原因。大量分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，可以通過(guò)分析振動(dòng)來(lái)找出發(fā)電機(jī)的故障特征量，作為診斷故障的依據(jù)。

將徑向電磁力循環(huán)加載到定子齒表面上，并將模型底部3個(gè)水平面及2個(gè)側(cè)面的，和方向位移約束均設(shè)置為零，進(jìn)行有限元仿真。通過(guò)計(jì)算得到電機(jī)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)位移。圖15所示為帶基座電機(jī)定子三維有限元模型，以圖中所示的，和方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，得到點(diǎn)處方向的振動(dòng)位移隨時(shí)間變化的 曲線。

(a) 15%靜偏心；(b) 15%靜偏心及2匝定子短路；(c) 15%靜偏心及4匝定子短路；(d) 15%靜偏心及6匝定子短路

(a) 2匝定子短路；(b) 2匝定子短路及5%偏心；(c) 2匝定子短路及10%偏心；(d) 2匝定子短路及15%偏心

在正常情況、轉(zhuǎn)子15%偏心、定子繞組6匝短路及15%偏心與6匝短路復(fù)合故障4種不同運(yùn)行狀態(tài)下，點(diǎn)的方向振動(dòng)位移曲線分別如圖16所示。從圖16可以看出：正常運(yùn)行時(shí)電機(jī)的振動(dòng)曲線較為平穩(wěn)，幅值變化不大，未出現(xiàn)較大波動(dòng)。而出現(xiàn)偏心故障后，電機(jī)兩側(cè)氣隙長(zhǎng)度不等，氣隙磁場(chǎng)不對(duì)稱，使得振動(dòng)位移最大值增加，最小值減小，且振動(dòng)位移幅值呈現(xiàn)周期性變化。定子繞組匝間短路故障破壞了繞組原有的對(duì)稱性，從而導(dǎo)致整個(gè)發(fā)電機(jī)內(nèi)部的合成磁場(chǎng)不再均勻分布。出現(xiàn)短路故障的一側(cè)磁通變小，且磁場(chǎng)畸變的程度隨著繞組短路匝數(shù)增多而加大，振動(dòng)位移幅值雖然與正常值接近，但波動(dòng)較大，電機(jī)振動(dòng)較為明顯。在2種故障同時(shí)存在時(shí)，電機(jī)內(nèi)氣隙磁場(chǎng)分布變得更加不均勻，對(duì)比圖16(b)，(c)和(d)可以看出：復(fù)合故障下的振動(dòng)位移并不是2種單一故障下振動(dòng)位移的簡(jiǎn)單線性疊加，定子振動(dòng)位移幅值出現(xiàn)較大波動(dòng)，相鄰兩次振動(dòng)位移峰值相差很多，這將對(duì)電機(jī)造成嚴(yán)重危害，產(chǎn)生很大的電磁噪聲。

圖15 發(fā)電機(jī)定子三維有限元模型

(a) 正常情況；(b) 轉(zhuǎn)子15%偏心；(c) 定子繞組6匝短路；(d) 15%偏心與6匝短路復(fù)合故障

5 結(jié)論

1) 發(fā)電機(jī)出現(xiàn)偏心故障后，氣隙磁密中偶次諧波增加明顯，其中以2次諧波增速最快。同時(shí)電磁力中的2倍頻分量明顯變大，該特征量隨著偏心的程度增加而增大。

2) 在定子匝間短路故障下，氣隙磁場(chǎng)不對(duì)稱，且勵(lì)磁電流中會(huì)出現(xiàn)2倍頻分量。不同于偏心情況，該故障下電磁力中的2，4和6倍頻分量均隨短路匝數(shù)的增多而增加明顯。

3) 2種不同復(fù)合故障下所對(duì)應(yīng)特征頻率的電磁力幅值相對(duì)于單一偏心或定子匝間短路情況均有所增加。經(jīng)比較可知，定子匝間短路故障對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)及電磁力的影響更大。

4) 發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)位移曲線平穩(wěn)，振幅變化不大。當(dāng)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，無(wú)論是轉(zhuǎn)子偏心，定子匝間短路，或是復(fù)合故障，振動(dòng)位移曲線都出現(xiàn)較大波動(dòng)，尤其在偏心故障下，振動(dòng)位移幅值要遠(yuǎn)大于電機(jī)正常運(yùn)行狀況。復(fù)合故障情況更復(fù)雜，并且其振動(dòng)位移曲線并非各單一故障的簡(jiǎn)單疊加。

[1] ILAMPARITHIT,NANDI S. Analysis, modeling and simulation of static eccentric reluctance synchronous motor[R]. Bologna, Italy : Symposium on SDEMPED, 2011: 45?50.

[2] 李琛, 章躍進(jìn), 周曉燕, 等.定子開(kāi)槽表貼式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心空載氣隙磁場(chǎng)全局解析法[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2014, 18(10) : 27?35. LI Chen, ZHANG Yuejin, ZHOU Xiaoyan, et al. Exact analytical solution of open-circuit air-gap magnetic field forslotted surface-mounted permanent-magnet motors with rotor eccentricity[J]. Electric Machines and Control, 2014, 18(10): 27?35.

[3] 詹立新, 周凱. 無(wú)軸承異步電機(jī)動(dòng)不平衡振動(dòng)補(bǔ)償控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2014, 29(17): 78?87.ZHAN Lixin, ZHOU Kai. Unbalance compensation of rotor vibration for bearingless induction motors[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(17): 78?87.

[4] 趙向陽(yáng), 葛文韜. 基于定子電流法監(jiān)測(cè)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)偏心的故障模型仿真研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2011, 31(36): 124?130. ZHAO Xiangyang, GE Wentao. Simulation research of fault model of detecting rotor dynamic eccentricity in brushless DC motor based on motor current signature analysis[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 31(36): 124?130.

[5] 鮑曉華, 呂強(qiáng), 王漢豐. 基于齒部磁場(chǎng)分析的大型潛水電機(jī)氣隙偏心故障研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 31(8): 90?95. BAO Xiaohua, LV Qiang, WANG Hanfeng. Study on air-gap eccentricity faulty in large submersible motors with tooth magnetic field analysis[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(8): 90?95.

[6] 諸嘉慧, 邱阿瑞, 陶果. 轉(zhuǎn)子偏心及定子斜槽凸極同步發(fā)電機(jī)支路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2008, 48(4): 453?456. ZHU Jiahui, QIU Arui, TAO Guo. Branch voltage of a salient pole synchronous generator with eccentric rotor and skewed slots[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2008, 48(4): 453?456.

[7] 諸嘉慧, 邱阿瑞. 轉(zhuǎn)子偏心對(duì)不同繞組形式大型凸極同步發(fā)電機(jī)支路感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的影響[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2009, 24(10): 1?5. ZHU Jiahui, QIU Arui. Effect of rotor eccentricity on the branch induced voltage of the large salient-pole synchronous generator under different winding connection condition[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2009, 24(10): 1?5.

[8] ZARKO D, BEN D, VAZDAR I, et al. Calculation of unbalanced magnetic pull in a salient-pole synchronous generator using finite-element method and measured shaft orbit[J]. IEEE Transactions Electronics, 2012, 59(6): 2536?2549.

[9] KELLER S, XUAN M TU, SIMOND J J, et al. Large low-speed hydro-generator-unbalanced magnetic pulls and additional damper losses in eccentricity conditions[J]. IET Electric Power Applications, 2007, 1(5): 657?664.

[10] WANG Lin, CHEUNG R W, MA Zhiyun, et al. Finite-element analysis of unbalanced magnetic pull in a large hydro-generator under practical operations[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2008, 44(6): 1558?1561.

[11] MEGAHED A I, MALIK O P. Synchronous generator internal fault computation experimental verification[J]. IEEE Proc-Gener Trans. Distrib, 1998, 145(5): 604?610.

[12] MEGAHED A I, MALIK O P. Simulation of internal faults in synchronous generators[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 1999, 14(4): 1306?1311.

[13] 高景德, 王祥珩, 李發(fā)海. 交流電機(jī)及其系統(tǒng)的分析[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 1994: 1?28. GAO Jingde, WANG Xiangheng, LI Fahai. Analysis of ac motor and its system[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 1994: 1?28.

[14] 孫宇光, 王祥珩, 桂林, 等. 場(chǎng)路耦合法計(jì)算同步發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障的暫態(tài)過(guò)程[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2004, 24(1): 136?141. SUN Yuguang, WANG Xiangheng, GUI Lin, et al. Transient calculation of stator’s internal faults in synchronous generator using FEM coupled with multi-loop method[J]. Proceedings of the CSEE, 2004, 24(1): 136?141.

[15] BI Daqing, WANG Xiangheng, WANG Weijian Zhu, et al. Improved transient simulation of salient-pole synchronous generators with internal and ground faults in the stator winding[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2005, 20(1): 128?134.

[16] 魏書(shū)榮, 馬宏忠. 基于多回路理論的同步電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障仿真的諧波分析[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2008, 28(4): 32?36. WEI Shurong, MA Hongzhong. Harmonic analysis of synchronous generator stator winding internal fault simulation based on multi-loop theory[J]. Electric Power Automation Equipment, 2008, 28(4): 32?36.

[17] WANG Xiangheng, CHEN Songlin, WANG Weijian, et al. A study of armature winding internal faults for turbogenerators[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2002, 38(3): 625?631.

[18] 方紅偉, 夏長(zhǎng)亮, 修杰. 定子繞組匝間短路時(shí)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩分析[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2007, 27(15): 83?87. FANG Hongwei, XIA Changliang, XIU Jie. Analysis of generator eletro-magnetic torque on armature winding inter-turn short circuit fault[J]. Proceedings of the CSEE, 2007, 27(15): 83?87.

[19] 李俊卿. 汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組動(dòng)態(tài)匝間短路故障的定位研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2015, 35(7): 1775?1781. LI Junqing. Research on dynamic interturn short circuit fault location of exciting winding in turbine generators[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(7): 1775?1781.

[20] 萬(wàn)書(shū)亭,李和明, 許兆鳳, 等. 定子繞組匝間短路對(duì)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)特性的影響[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2004, 24(4): 157?161.WAN Shuting, LI Heming, XU Zhaofeng, et al. Analysis of generator vibration characteristic on stator winding inter-turn short circuit fault[J]. Proceedings of the CSEE, 2004, 24(4): 157?161.

[21] 萬(wàn)書(shū)亭,李和明, 李永剛. 轉(zhuǎn)子匝間短路對(duì)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性的影響[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2005, 25(10): 122?126.WAN Shuting, LI Heming, LI Yonggang. Analysis of generator vibration characteristic on rotor winding inter-turn short circuit fault[J]. Proceedings of the CSEE, 2005, 25(10): 122?126.

[22] 郝亮亮,吳俊勇, 陳占峰, 等. 轉(zhuǎn)子匝間短路故障對(duì)大型汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)的影響機(jī)理[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2014, 38(4): 25?31.HAO Liangliang, WU Junyong, CHEN Zhanfeng, et al. Mechanism of effects of inter-turn short circuits in field windings on large turbo-generator vibration[J]. Automation of Electric Power Systems, 2014, 38(4): 25?31.

[23] 萬(wàn)書(shū)亭,唐貴基, 李永剛. 發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)對(duì)定轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)特性的影響分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2006, 42(9): 190?194.WAN Shuting, TANG Guiji, LI Yonggang. Analysis of generator stator and rotor vibration characteristic under influence of operation condition[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2006, 42(9): 190?194.

[24] 陳世坤. 電機(jī)設(shè)計(jì)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2013: 194?195.CHEN Shikun. Motor design[M]. Beijing: China Machine Press, 2013: 194?195.

[25] 唐貴基, 何玉靈, 萬(wàn)書(shū)亭, 等. 氣隙靜態(tài)偏心與定子短路復(fù)合故障對(duì)發(fā)電機(jī)定子振動(dòng)特性的影響[J]. 振動(dòng)工程學(xué)報(bào), 2014, 27(1): 118?127. TANG Guiji, HE Yuling, WAN Shuting, et al. Effect of static eccentricity & stator short circuit composite faults on ststor vibration characteristics of generator[J]. Journal of Vibration Engineering, 2014, 27(1): 118?127.

(編輯 陳愛(ài)華)

Effect of rotor eccentricity and stator short circuit faults on magnetic field and electromagnetic vibration characteristics of synchronous generator

XIE Ying, LIU Haidong, LI Fei, LIU Haisong

(School of Electrical & Electronic Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China)

The magnetic field, electromagnetic force and vibration of a 6 MW synchronous generator were researched in cases of the rotor static eccentricity fault, the stator inter short circuit fault and the composite fault, respectively. The traditional calculation method based on the equivalent networks was invalid in the case of the inner asymmetric magnetic field. The finite element model of the generator was established and the variation characteristics of air-gap magnetic field in different fault types were analyzed based on the results of transient magnetic fields. Meanwhile, the change of electromagnetic force affected by corresponding fault parameters was studied under different operating conditions. The electromagnetic forces were taken as load condition, and curves of vibration displacement of the generator were obtained. The influences of different faults were analyzed qualitatively by comparing the curves of rated condition with that of faults. The results show that the radial vibration signal of generators can be used to detected air-gap eccentricity and winding faults.

synchronous generator; static air-gap eccentricity; stator inter short circuit; radial electromagnetic force; electromagnetic vibration

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.08.010

TM341

A

1672?7207(2017)08?2034?10

2016?09?04；

2016?12?11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51107022)；黑龍江省杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(JC2016010)；哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項(xiàng)資金(青年后備人才)資助項(xiàng)目(RC2014QN007005)(Project (51107022) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(JC2016010) supported by the Heilongjiang Province Science Fund for Distinguished Young Scholars; Project(RC2014QN007005) supported by Program for Scientific & Technological Innovation Talents in Harbin)

謝穎，博士，教授，從事電機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、振動(dòng)噪聲計(jì)算及感應(yīng)電動(dòng)機(jī)故障診斷及檢測(cè)研究；E-mail：xieying_1975@163.com