基于發電機匝間短路的軸電壓故障分析

王曉華，李永剛，武玉才

（1.國網河北省電力公司檢修分公司，石家莊 050070；2.華北電力大學，河北 保定 071003）

基于發電機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.國網河北省電力公司檢修分公司，石家莊 050070；2.華北電力大學，河北 保定 071003）

隨著發電機容量的增大，軸電壓已成為發電機的一個常見故障問題，因此進行發電機狀態監測是非常有必要的。本文闡述了發電機軸電壓產生機理；通過分析汽輪發電機轉子匝間短路故障運行時磁勢變化，推導出轉子匝間短路后軸電壓信號特征頻譜。并分析了發電機定子接縫不對稱引起的軸電壓變化。基于軸電壓故障特征信號，提出了通過軸電壓監測轉子匝間短路故障的方法。并且通過實驗驗證了理論分析的正確性。

轉子匝間短路；軸電壓；磁動勢；故障識別

0 前言

汽輪發電機在運行中,由于某些原因引起軸兩端之間、轉軸與地或者軸承之間的電壓稱為軸電壓[1]。

當汽輪發電機存在軸電壓故障時，例如對其抑制和防護措施采用不當，會在軸承、軸瓦、齒輪等部件產生有害的軸電流，造成上述部件在電弧、電解或氧化作用下損傷，嚴重時會引起停機檢修事故，造成不必要的檢修和發電損失[2-3]。因此，對軸電壓的監測和診斷分析能發現電機存在的缺陷，診斷電機出現的故障。同時可以采取措施，避免軸電壓產生軸電流對軸承的損壞。

1 軸電壓產生機理[1]

軸電壓的種類不同，對電機造成的影響亦不同。軸電壓產生的原因主要有以下四個方面[4-6]，參見表1：

（1）磁不對稱引起的軸電壓；

（2）軸向磁通引起的軸電壓；

（3）靜電荷引起的軸電壓；

（4）靜態勵磁引起的軸電壓。

2 轉子匝間短路產生軸電壓的理論推導

[7]～[10]詳細分析了發生匝間短路后，短路部分磁勢包含余弦分量的奇數次諧波分量和偶數次諧波分量，本文不再贅述。通過對磁勢進行傅立葉級數分析，可以發現：短路匝產生的磁動勢波形關于縱坐標對稱，也是一個偶函數。根據磁通量等面積原則，以橫坐標為界，其波形上下面積相等。因而，發生匝間短路后的短路線匝產生磁動勢函數表達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。但短路匝磁勢不是奇諧波函數，而對于余弦分量，短路匝磁勢不僅含有奇次諧波分量且含有偶次諧波分量[7-10]。

表1 軸電壓產生的原因及影響

本文詳盡地對匝間短路發生后的電機氣隙磁通密度進行了分析，該磁通密度可以表示為：

上式第一項產生的軸電壓為1、3、5、7倍的電頻率，在此主要對式(1)中第二項進行分析。

由參考文獻[8]中可知動偏心產生的磁勢不會產生軸電壓，在此僅分析靜偏心產生的磁勢。

（1）當 k -i≠ 0時，會產生一系列的諧波磁通密度，該磁通密度相對于轉子轉動，轉速分別為

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……，這是因為氣隙磁勢中Fkcos kP （θs- ωrt）（k=1、3、5）分量仍是主要的成分。

參考文獻[11]給出了在多臺大型隱極同步電機上測得的軸電壓頻譜試驗數據，這對軸電壓研究具有極高的價值和意義。從這些數據可以得出，軸電壓中的主要諧波成分是1、3、5、7等奇數次諧波，與之前的理論分析吻合。各次諧波的幅值與氣隙磁導和磁勢中的相關項幅值有關[11-12]。

對于不同極對數的隱極同步電機，由磁不對稱引起的“特殊”的磁通密度的頻率為

3 軸電壓的測量及實驗

3.1 軸及軸承電壓的測量

軸電壓測量原理如圖1所示，探針1及2均采用Y形探針，可較為靈敏地測量軸電壓，探測點選擇在兩端軸承的內側以避免軸向磁通帶來的影響。通過數據采集裝置采集發電機軸電壓U1數據。用銅絲刷將發電機軸承與軸短路，消除油膜產生的壓降，在發電機勵磁機側測軸承支座與地之間產生的電壓U2數據。

圖1 軸電壓的測量圖

3.2 實例說明

在華北電力大學動模實驗室的MJF-30-6模擬隱極同步發電機上進行發電機軸電壓測量的實驗。

模擬電機如圖2所示，故障模擬發電機轉子采用落地式滑動軸承支承，兩端無端蓋，該機由Z2-91型直流電動機拖動。轉子勵磁繞組有抽頭，故而可模擬勵磁繞組短路故障。該模擬發電機詳細參數參見表2。

圖2 MJF-30-6故障模擬機組

表2 MJF-30-6模擬發電機參數

本次試驗就發電機發生轉子匝間短路狀態時的軸電壓進行了數據采集，分別測量空載狀態和負載狀態下的軸電壓，并對試驗數據進行頻譜分析。

軸電壓時域圖如圖3所示，由于電機發生轉子匝間短路狀態時的軸電壓信號本身包含很多噪聲，通過對軸電壓信號的分析，設置了信號的幅值和斜率的閥值，對超過閥值的數據信號采用線性擬數據處理方法得到替代點，從而構成經過處理后的軸電壓信號，通過Matlab程序實現對軸電壓信號的濾波。對濾波后的軸電壓信號進行FFT處理，可有效提取發生轉子匝間短路后的軸電壓信號特征頻譜[13-14]。

圖3 軸電壓時域圖

將濾波后的軸電壓信號進行傅立葉變換，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分析可得模擬發電機短路后軸電壓頻譜出現了1、2、4、5等整數倍旋轉頻率的成分，并且幅值隨著短路程度的加重而增大。

由圖4和圖5可知模擬發電機軸電壓信號的特征頻率隨著短路程度的增加而增大。同時還可以發現，對于相同的短路程度，如圖4（b）與圖5（b）、圖4（c）與圖5（c）、圖4（d）與5（d）所示，負載狀態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。經過分析可認為：電樞反應與勵磁磁勢中的一部分基頻分量相抵消，這也就使得勵磁磁勢中由短路匝引起的、電樞反映磁勢無法抵消的諧波分量顯得較為突出[15]。

圖4 空載狀態下軸電壓頻譜圖

圖5 并網狀態下軸電壓頻譜圖

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

4 結論

本文簡明扼要地描述了汽輪發電機軸電壓產生機理，闡述了軸電壓的分類、產生原因及影響。由已知的發電機轉子匝間短路故障運行時參數變化，理論推導出轉子匝間短路引起的軸電壓特征頻率。并在故障模擬發電機上完成了轉子繞組匝間短路引發的軸電壓實驗，試驗結果證明了發電機軸電壓信號的特征頻率符合理論推導，且軸電壓信號隨著短路程度的增加而增大。

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[9]趙艷軍.汽輪發電機轉子匝間短路故障的機電聯合診斷研究[D].華北電力大學（河北）,2009年.

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

[11]武玉才.發電機故障的交叉特性分析及機電聯合故障診斷研究[D].華北電力大學（北京）,2010年.

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

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[14]關建軍等.大型汽輪發電機轉子繞組匝間短路故障的診斷研究[J].大電機技術，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月畢業于華北電力大學電力工程系電機與電器專業，獲得碩士研究生學歷，現從事超高壓電氣試驗工作，工程師。

審稿人：畢純輝

[作者簡介]

張培良(1985-)，2010年畢業于哈爾濱工業大學機械工程專業，工學碩士，主要研究方向為發電機軸承技術，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

國家自然科學基金（50677017）