（電氣工程專業(yè)論文）汽輪發(fā)電機定轉(zhuǎn)子電磁力分析及其應(yīng)用研究.pdf

聲明戶明 f f i i i fiiii l li i ii i i i i i l l j i i i l y 17 8 5 4 9 0 本人鄭重聲明：此處所提交的碩士學(xué)位論文汽輪發(fā)電機定轉(zhuǎn)子電磁力分析 及其應(yīng)用研究，是本人在華北電力大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間，在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的 研究工作和取得的研究成果。據(jù)本人所知，除了文中特別加以標注和致謝之處外， 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得華北電力大 學(xué)或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究 所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名：日期： 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解華北電力大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有 權(quán)保管、并向有關(guān)部門送交學(xué)位論文的原件與復(fù)印件；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s 印或其它復(fù)制手段復(fù)制并保存學(xué)位論文；學(xué)校可允許學(xué)位論文被查閱或借閱； 學(xué)校可以學(xué)術(shù)交流為目的，復(fù)制贈送和交換學(xué)位論文：同意學(xué)校可以用不同方 式在不同媒體上發(fā)表、傳播學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容。 ( 涉密的學(xué)位論文在解密后遵守此規(guī)定) t 作者簽名： 日期 翩繇冬幽 日 期：2 坐：多j ， j ， 受各種機械力而 發(fā)電機單機容量 不斷增加，電磁振動引發(fā)的定轉(zhuǎn)子及其繞組振動超標事故時有發(fā)生。本文在 簡要介紹大型汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)及電磁振動概念基礎(chǔ)上，首先分析了正常運行 和轉(zhuǎn)子勵磁繞組匝間短路故障時轉(zhuǎn)子電磁力的計算方法。并以某發(fā)電廠轉(zhuǎn)子 勵磁繞組匝間短路故障為工程背景，分析此故障引起的發(fā)電機定轉(zhuǎn)子振動特 性，以及基于振動特性分析此故障的方法。然后分析汽輪發(fā)電機定子槽內(nèi)繞 組和端部繞組的電磁力，采用f o a l 6 6 0 光纖加速度傳感器和瑞博華r b h 8 3 5 1 采集卡，基于l a b v i e w 8 0 開發(fā)定子端部繞組監(jiān)測系統(tǒng)，包括信號采集預(yù)處理、 實時參數(shù)設(shè)置、振動信號時頻域分析、振動信號趨勢分析、幫助等功能模塊。 關(guān)鍵詞：汽輪發(fā)電機，定子繞組，轉(zhuǎn)子，電磁力，監(jiān)測系統(tǒng) a b s t r a c t t u r b o g n e r a t o r sa r ed i f f e r e n tf r o mn o r m a lr o t a t i n gm a c h i n e s t h e yn o to n l y e n d u r em e c h a n i c a lv i b r a t i o n sc a u s e db ym e c h a n i c a lf o r c e s ，b u ta l s ob e a re l e c t r o - m a g n e t i cv i b r a t i o n sc a u s e db yl a r g ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c e s a st h eu n i tc a p a c i t y i n c r e a s e s ，t h ee x c e s ss t a t o ra n dw i n d i n gv i b r a t i o nf a u l t sc a u s e db ye l e c t r o - m a g n e t i cf o r c e sh a p p e nf r e q u e n t l y b a s e d o nt h ei n t r o d u c t i o no ft h et u r b o - g e n e r a t o rs t r u c t u r ea n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o n ，t h ec a l c u l a t i n gm e t h o d so f t h er o t o re l e c t r o m a g n e t i cp u l l su n d e rn o m mc o n d i t i o na n dt o r t o ri n t e r t u r ns h o r t c i r c u i ta r ea n a l y z e d t h e nt h er o t o ri n t e r t u ms h o r tc i r c u i tf a u l ti nap o w e r p l a n ti s t a k e na sa ne x a m p l et oa n a l y z et h es t a t o ra n dr o t o rv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s a l s o ， t h ef a u l ta n a l y s i sm e t h o da c c o r d i n gt ot h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r si sp u tf o r w a r d ，a n d t h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c e sa c to nt h ee n dw i n d i n ga n dt h ew i n d i n gi n s i d et h es l o t s a r e s t u d i e d f i n a l l y , t h em o n i t o r i n gs y s t e m f o rt h ee n dw i n d i n gb a s e do n l a b v i e w 8 0i s d e v e l o p e d t h i ss y s t e ma d o p t s f o a l6 6 0f i b r e o p t i c a c c e l e r o m e t e ra n dr b h 8 351g r a b b i n gc a r d i t sm o d e u l si n c l u d es i g n a lp i c k u pa n d p r e p r o c e s s i n g ，r e a lt i m ep a r a m e t e rs e t t i n g ，t i m e d o m a i na n df r e q u e n c y d o m a i n v i b r a t i o ns i g n a la n a l y s i s ，v i b r a t i o nt r e n da n a l y s i s ，h e l pm o d u l ea n ds oo n z h a n gw e n z h a n ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l iy o n g g a n g k e yw o r d s ：t u r b o - g e n e r a t o r , s t a t o rw i n d i n g , r o t o r , e l e c t r o m a g n e t i cf o r c e ， m o n i t o r i n gs y s t e m dii 碩士學(xué)位論文目錄 錄 1 2 汽輪發(fā)電機的電磁振動1 1 2 1 定子鐵芯、機座等部件的振動2 1 2 2 定子繞組振動3 1 2 3 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動4 1 3 課題研究內(nèi)容7 第二章汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子電磁力分析及其應(yīng)用8 2 1 發(fā)電機正常運行時轉(zhuǎn)子電磁力分析9 2 2 轉(zhuǎn)子繞組匝間短路時轉(zhuǎn)子電磁力分析1 l 2 3 某發(fā)電廠轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障測試與分析1 3 2 3 1 機組情況1 3 2 3 2 歷史運行情況1 3 2 3 3 故障分析1 4 2 3 4 不平衡電磁力計算l8 2 3 5 機組檢修結(jié)果一1 9 2 4 本章小結(jié)2 l 第三章汽輪發(fā)電機定子繞組電磁力分析及其應(yīng)用2 2 3 。1 定子槽內(nèi)繞組電磁力分析2 3 3 1 1 同槽同相線棒電磁力的計算2 4 3 1 2 同槽異相線棒電磁力的計算2 5 3 2 定子端部繞組電磁力分析一2 6 3 3 定子端部繞組監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計2 8 3 3 1 定子端部繞組監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀一2 8 3 3 2 總體方案設(shè)計3 2 3 3 3 光纖加速度計3 5 3 3 4 采集卡一3 7 3 3 5 定子端部繞組在線監(jiān)測軟件3 9 3 4 本章小結(jié)4 2 華北電力大學(xué)工程碩士學(xué)位論文目錄 第四章結(jié)論4 3 參考文獻4 4 致謝。4 8 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和參加科研情況4 9 華北電力大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 1 1 選題背景及其意義 第一章緒論 隨著科學(xué)技術(shù)的進步，以及制造和電網(wǎng)穩(wěn)定運行水平的提高，發(fā)電機單機容量 不斷增加。由此，大型發(fā)電機的安全運行對整個電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定至關(guān)重要。電機 與其他旋轉(zhuǎn)機械運行時的振動原因有很大的不同之處，除了因電機所用的絕緣材 料、疊片鐵心、線圈嵌線等零部件組成的方式，使其結(jié)構(gòu)剛度和運行時熱脹冷縮條 件等不同于其他機械外，還由于電機內(nèi)存在的電磁力作用以及其所具有的頻率與電 機中部件固有頻率相近所引起的共振。在大型高速3 0 0 0 r r a i n 汽輪發(fā)電機中， 還由于其電磁負荷大、轉(zhuǎn)子長，運行中轉(zhuǎn)子冷熱不均，電磁不平衡也會引起振動。 這些振動都會影響汽輪發(fā)電機的正常運行，嚴重時造成機組某些零部件疲勞斷裂， 絕緣磨損造成事故，有的還影響機組的基礎(chǔ)和監(jiān)控儀表，這對機組安全運行的危害 性是很大的，甚至可能發(fā)生轉(zhuǎn)子斷裂飛車，造成機毀人亡的大事故。n 1 同時發(fā)電機定子端部繞組承受著正常運行時的交變電磁力和出口或內(nèi)部短路 時巨大的瞬態(tài)電磁力。隨著發(fā)電機單機容量的增加，這種電磁力也迅速增大。因此， 定子端部繞組的固定問題和兩倍頻率電磁振動的危害研究成為發(fā)電機制造、運行部 門共同關(guān)注的一個重要課題之一。汽輪發(fā)電機組在正常運行狀態(tài)下，定子端部繞組 由于受到電磁力的作用，將產(chǎn)生頻率為兩倍工頻的振動婦1 。一般來說，這種振動在 正常運行允許范圍內(nèi)。但當發(fā)電機受到頻繁的沖擊負荷或者發(fā)生短路事故等情況 時，這種振動可能引起端部繞組的機械損傷或造成繞組的機械疲勞，成為事故的誘 因。單純依靠加大發(fā)電機端部繞組支撐結(jié)構(gòu)的強度和結(jié)構(gòu)件的數(shù)量，固然可以解決 端部繞組電磁力所引起的繞組機械損傷問題，提高發(fā)電機運行的可靠性，但同時也 帶來材料利用率低、電機造價偏高、制造難度增加等不利因素。因此研究發(fā)電機定 轉(zhuǎn)子電磁力的分析計算方法、發(fā)電機繞組故障時由于不平衡電磁力所引起的電磁振 動以及定子端部繞組的電磁力及其振動監(jiān)測等問題，將對發(fā)電機運行、狀態(tài)監(jiān)測與 故障診斷具有一定的指導(dǎo)意義。 1 2 汽輪發(fā)電機的電磁振動 在發(fā)電機振動分析中，按激勵的性質(zhì)將振動分為機械振動和電磁振動，對一般 的旋轉(zhuǎn)機械，機械振動研究較多。可對于發(fā)電機，由于電磁力的作用，電磁振動同 樣作為當前研究的熱點。口1 按振動部件分：定子鐵芯、機座等部件的振動；定子繞組的振動；轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的 華北電力大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 振動 按激勵力分：強迫振動；自激振動 按頻譜特征分：低頻振動；工頻振動；高頻振動；復(fù)合頻率振動 按振動性質(zhì)分：機械振動；電磁振動 1 2 1 定子鐵芯、機座等部件的振動 定子鐵芯的振動是受到電磁、機械兩種原因造成的；機座振動主要來源于定子 鐵芯振動和轉(zhuǎn)子振動的影響( 由于發(fā)電機采用端蓋軸承，轉(zhuǎn)子將力傳到軸承，軸承 連接與端蓋上，最后通過機座與地基連接) 。 1 、定子鐵芯的電磁振動 定子繞組磁勢：由電機學(xué)知三相繞組的基波磁動勢石。五c o s ( c o t 一口) ，三次諧波 磁動勢為0 ，五次、七次諧波磁動勢都較小，故只考慮基波磁動勢，其中：口是電 角度，0 3 是磁勢脈振頻率。 氣隙磁導(dǎo)：假設(shè)定子和轉(zhuǎn)子都有齒槽，則氣隙磁導(dǎo)主要成分可表示為 人( 口) = a o + 人lc o s z l 口+ 人2c o s z 2 口 氣隙磁場：b ( a ，f ) = f ( a ，t ) xa ( a ，f ) ，得基波磁場為6 1 = b lc o s ( c o t 一口) 口：幽 磁場產(chǎn)生的徑向力： 犁 ，得基波磁場產(chǎn)生的力波 所= 羔= 丟葉c o s 2 ( c o t 叫h 一鼎 p 。= 丟p = 玄b 2 c o 文2 c o t - 2 a ， 用是徑向力的不變部分，它是在定子圓周上均勻分布的力系，使定子鐵芯受到 壓縮應(yīng)力。a 是徑向力的交變部分，從表達式可知它是行波，脈振頻率為倍頻，故 引起定子鐵芯倍頻振動。這個力波在空間沿定子鐵芯圓周的交變次數(shù)為2 ，將定子 鐵芯拉成橢圓形。如時間t 一定，則p r 是一個空間按余弦分布的波；當空間位置t 2 一 定時，則p r 是一個隨時間按余弦變化的波，其幅值都是馬( 4 j o ) ，取幅值馬( 4 , u o ) 這一點來研究次行波的轉(zhuǎn)速，因出現(xiàn)該點的條件是2 ( t o t 一口j 20 ，或口= t o t ，把口對 f 求導(dǎo)，即可求得對應(yīng)于波幅這一點，也就是基波磁場產(chǎn)生的力波旋轉(zhuǎn)角速度為彩。 總之基波磁場產(chǎn)生的力波在空間沿定子鐵芯整圓交變2 ，在時問上又以角速度沿 2 華北電力大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 氣隙旋轉(zhuǎn)。一般在定子鐵芯和機座間設(shè)有隔振板，3 0 0 m w 發(fā)電機的隔振效果為4 - - 6 。 鐵芯的軸向振動：當鐵芯松動時，由于定子疊片鐵芯內(nèi)有交變磁場通過，也會 產(chǎn)生軸向振動，嚴重時造成斷齒。特別是定子鐵芯邊端齒部，如未墊緊壓緊，在長 期振動力作用下，再加上局部漏磁分布的復(fù)雜性，受熱不均勻，可使疊片疲勞斷裂。 但如果鐵芯壓力過大，鐵芯絕緣層會由于過大的局部壓力而受損傷。 2 、機座振動 機座振動振源主要來自兩個方面，一是由定子鐵芯的電磁振動通過鐵芯與機座 的連接傳來，將引起機座的倍頻振動，這種倍頻振動隨單機容量的增大而增大，二 是來自轉(zhuǎn)予振動的激振力。為減小機座振動，采取兩個措施：一是鐵芯與機座之間 采用彈性結(jié)構(gòu)，二是機座的固有頻率避開工頻和二倍頻。 3 、振動問題的解決及監(jiān)測方法 減小振動的方法：( 1 ) 鐵芯和機座的自振頻率避開1 0 0 h z ；( 2 ) 鐵芯與機座間 采用彈性隔振機構(gòu)，定位筋相對于鐵芯采用彈性過盈固定，過盈量超過可能出現(xiàn)的 鐵芯松動量；( 3 ) 保證鐵芯的初始壓力，壓力太低，鐵芯會松動，壓力太高，鐵芯 沖片絕緣層會由于過大的局部負載而受損。 1 2 2 定子繞組振動 1 受力分析：在發(fā)電機運行時，定子繞組受到以下四種力的影響： ( a ) 繞組中的電流與漏磁通的作用力，此力形狀是橢圓的，且以工頻( 5 0 h z ) 旋轉(zhuǎn)。 ( b ) 鐵芯承受轉(zhuǎn)子磁拉力引起的倍頻( 1 0 0 h z ) 的振動，因為定子線圈固定在 鐵芯槽罩，繞組也承受來自鐵芯倍頻振動。 ( c ) 繞組熱脹冷縮力。 ( d ) 在運行中，定子繞組受轉(zhuǎn)子振動而引起的振動，其頻率等于轉(zhuǎn)子振動的 頻率。 2 槽部線棒振動 同槽同相；上層線棒的電磁力“為一恒定分量與一交變分量的合力，交變頻率 為倍頻，合力指向槽底；下層線棒的電磁力為一恒定分量與一交變分量的合力， 交變頻率為倍頻，合力指向槽底，e = 3 忍，因此下層線棒實際電磁力為4 。 同槽異相：上層線棒的電磁力q 為倍頻交變力，指向槽楔；下層線棒的電磁力 吒為一恒定分量與倍頻交變分量的合力，指向槽底。 華北電力大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 3 定子繞組端部振動 定子線棒振動后果： 線棒相對振動，導(dǎo)致端部范圍內(nèi)絕緣的磨損和擊穿；繞組端部相對于定子鐵 芯的振動，導(dǎo)致絕緣磨損和擊穿，線棒出槽口部位附近銅導(dǎo)線疲勞損壞；線 棒鼻部的振動，導(dǎo)致線棒間以及匯流排及供水元件連接處的故障。 線棒振動加速絕緣老化。發(fā)電機使用環(huán)氧云母絕緣，其剩余擊穿電壓隨定子 線棒反復(fù)彎曲次數(shù)的增大而減小，當彎曲次數(shù)達1 07 時，其絕緣水平開始逐步 減小 4 減小振動的措施：( 1 ) 在線棒之間加墊塊且與線棒聯(lián)成一體，減小線棒相對 振動。( 2 ) 改善端部繞組的固定方式，使繞組的固有頻率避開1 0 0 h z 。特別注意端 部繞組的固定方式不能阻礙繞組的軸向移動。( 3 ) 因端部繞組振動的激勵力一部分 來自鐵芯，應(yīng)降低鐵芯的振動。 1 2 3 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動 發(fā)電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動主要是由于轉(zhuǎn)子所受不平衡電磁力激發(fā)的，有關(guān)不平衡 磁拉力的問題已經(jīng)被許多學(xué)者研究過，像d o r r e l ld g ，a ，p e n n a c c h ip ，f r o s i n i ， ，l 等已經(jīng)發(fā)表了諸多文獻。在這些已經(jīng)公開發(fā)表的文獻中，大部分是針對電動機進 行的研究h 嵋1 ，而針對發(fā)電機的則相對較少。此外，大部分已發(fā)表的文獻關(guān)注的都是 由不平衡磁拉力引起的電機轉(zhuǎn)子的振動特性，而在電機定子振動方面關(guān)注的人則較 少。 1 、勵磁繞組匝間短路對轉(zhuǎn)子振動的影響 目前，國內(nèi)已運行的大型汽輪發(fā)電機中，發(fā)生轉(zhuǎn)子勵磁線圈匝間短路故障占故 障總數(shù)的比重較大，且匝間短路故障會導(dǎo)致勵磁繞組一點甚至兩點接地，導(dǎo)致惡性 事故。 圖1 1 為某1 0 0 m w 發(fā)電機勵磁繞組匝間短路后發(fā)電機前后軸的振動頻譜圖， 以工頻振動為主，倍頻振動為輔，另有振幅較小的高頻振動，說明匝間短路的熱彎 曲振動量比磁不平衡引起的振動量大。【9 】 2 、定轉(zhuǎn)子間氣隙偏心對轉(zhuǎn)子振動的影響 由于制造安裝和運行原因，轉(zhuǎn)子外圓和定子內(nèi)圓之間會產(chǎn)生偏心，偏心有兩種： 一種是定、轉(zhuǎn)子的中心偏移，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時偏心的位置不變，稱為靜偏心( 如圖1 - 2 a ) ： 另一種是轉(zhuǎn)子本身在轉(zhuǎn)軸上裝偏了，但轉(zhuǎn)軸與定子是同心的，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時偏心的位 置也在變化，稱為動偏心( 如圖1 2 b ) 。由于偏心的發(fā)生，氣隙變小的一面氣隙磁 4 矗 箍麒假囂 l 鰱 簟搴崦 0曩械 稿i 祛 囊枷 圖1 1 勵磁繞組匝間短路時軸振動頻譜圖 a ) 靜偏心b ) 動偏心 圖l 一2 氣隙偏心示意圖 動偏心引起的離心力： 由于動偏心時轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中心與轉(zhuǎn)子重心不重合，引起轉(zhuǎn)子機械不平衡，使轉(zhuǎn)子 發(fā)生工頻振動。 動偏心引起的不平衡磁拉力： 設(shè)無偏心時的均勻氣隙為，偏心量為g e ，則相對偏心率占5g e g n 。按余弦 規(guī)律，氣隙表達式為： g ( 緲，口) = g 。( 1 一s c o s ( c o t 一口) ) 華北電力大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 式中：國為旋轉(zhuǎn)角速度，t 2 為機械角位移。 在直徑兩端的氣隙可分別表示為g l 2 9 0 0 一s c o s ( c o t 一口) ) ， 9 22 9 a ( 1 一s c o s ( c o t 一口+ 萬) ) 2 9 a ( 1 + s o o s ( c o t 一口”。設(shè)氣隙g l 處磁密為馬，氣隙9 2 處 磁密為島。由每極磁勢相等可近似認為b l g l 2b 2 9 2 ，得b = b ( 1 + f c o s ( c o t 一口”， 易= 艿( 1 一e c o s ( c o t 一口) ) ，式中b 為氣隙平均磁密。則不平衡磁拉力為： f ：掣：堡c o s 2 ( c o t - a ) ：堡( 1 一州2 研一缸) ) ( 1 - 2 ) z p op op o 不平衡磁拉力的交變頻率為2 倍頻，且與曰2 成正比，而召隨勵磁電流和有功的 增大而增大。因此不平衡磁拉力引起轉(zhuǎn)子倍頻振動，且倍頻振幅值隨勵磁電流、有 功的增大而增大。由于氣隙偏心也可引起軸系不對中，產(chǎn)生倍頻振動，以及振幅較 小的高次諧波電磁振動。 3 、轉(zhuǎn)子剛度不對稱引起的倍頻振動和結(jié)構(gòu)共振分析 眾所周知一般發(fā)電機轉(zhuǎn)子本體開有大小齒，使轉(zhuǎn)子在兩個互相垂直的軸線上剛 度不等，橫截面兩主慣性矩存在差別，雖在大齒表面銑有月牙槽，但也經(jīng)常發(fā)生轉(zhuǎn) 子剛度不對稱，轉(zhuǎn)子將發(fā)生倍頻振動，只要存在主慣性矩差，即使質(zhì)量處于平衡狀 態(tài)，這種振動仍存在。 設(shè)發(fā)電機轉(zhuǎn)子直軸剛度為l d ，交軸剛度為l a ，轉(zhuǎn)子角速度國，則軸的剛度與 時間的關(guān)飆c 。唧蚴2 優(yōu)，c = 半，c = 孚，因此在將 上將作用一個附加的倍頻干擾力，一方面轉(zhuǎn)子發(fā)生振動頻率為工作頻率兩倍的倍頻 振動，另一方面轉(zhuǎn)子以臨界轉(zhuǎn)速一半旋轉(zhuǎn)時，干擾力頻率f 好等于轉(zhuǎn)子固有振動頻 率，將引起轉(zhuǎn)子共振，即為轉(zhuǎn)子剛度不對稱引起的結(jié)構(gòu)共振。 4 、汽輪發(fā)電機非對稱運行時轉(zhuǎn)子振動分析 發(fā)電機在對稱負載狀態(tài)下運行，電磁力矩基本上是對稱穩(wěn)定的，一旦定子各相 電流的對稱度被破壞，出現(xiàn)負序電流，產(chǎn)生負序磁場，由于正序旋轉(zhuǎn)磁場與負序磁 場之間相互作用而產(chǎn)生倍頻的附加振動。 5 、軸振和軸承振動的標準( 朋，絕對峰峰值) 6 華北電力大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 表1 1 軸振和軸承振動的標準 轉(zhuǎn)速( r m i n ) 范圍 1 5 0 01 8 0 03 0 0 0 座振軸振座振軸振座振軸振 a5 01 2 04 21 1 02 51 0 0 b1 2 82 4 01 0 72 2 06 42 0 0 c3 2 43 8 52 7 03 5 01 6 23 2 0 圍a ，設(shè)備是良好的，可不加限制運行；范圍b ，可以運行；范圍c ，開始 提請注意，安排維修；振幅超過c 時，就瞬時跳閘。 6 、振動常用的一些分析方法 ( a ) 工作過程中：軸心軌跡圖、頻譜分析圖、相關(guān)分析( 含自相關(guān)和互相關(guān)) 、 功率譜圖( 含自功率譜和互功率譜) ( b ) 發(fā)電機啟停過程中：波特圖( 即振幅隨轉(zhuǎn)速的變化圖) 、n q u i s t 圖( 即極 坐標圖) 、三維頻譜圖( 即頻譜隨轉(zhuǎn)速的變化圖) ( c ) 變工況時振動的變化。如改變勵磁電流，振幅及頻譜的變化趨勢圖； 改變冷卻氫氣入口溫度，振幅及頻譜的變化趨勢圖； 改變負荷，振幅及頻譜的變化趨勢圖； 1 3 課題研究內(nèi)容 本文在簡要介紹大型汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)及電磁振動概念的基礎(chǔ)上，主要研究發(fā)電 機定轉(zhuǎn)子電磁力的分析計算方法、發(fā)電機繞組故障時由于不平衡電磁力所引起的電 磁振動以及定子端部繞組的電磁力及其振動監(jiān)測等問題。主要研究內(nèi)容如下： ( 1 ) 分析汽輪發(fā)電機詐常運行和轉(zhuǎn)子勵磁繞組匝間短路故障時，轉(zhuǎn)子電磁力 的計算方法。并以某發(fā)電廠轉(zhuǎn)子勵磁繞組匝間短路故障為工程背景，分析此故障引 起的發(fā)電機定轉(zhuǎn)子振動特性，以及基于振動特性分析此故障的方法。 ( 2 ) 分析汽輪發(fā)電機定子槽內(nèi)繞組的電磁力，包括同槽同相線棒、同槽異相 線棒。 ( 3 ) 分析定子端部繞組的電磁力。 ( 4 ) 采用f o a l 6 6 0 光纖加速度傳感器和瑞博華r b h 8 3 5 1 采集卡，基于 l a b v i e w 8 0 開發(fā)定子端部繞組監(jiān)測系統(tǒng)。 7 緣、 在軸 開有 組槽 電機 勵磁 華北電力大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 圖2 - 3 轉(zhuǎn)子勵磁繞組 2 1 發(fā)電機正常運行時轉(zhuǎn)子電磁力分析 在發(fā)電機振動分析中，按激勵的性質(zhì)將振動分為機械振動和電磁振動，對一般 的旋轉(zhuǎn)機械，機械振動研究較多?？蓪τ诎l(fā)電機，由于電磁力的作用，電磁振動同 樣作為當前研究的熱點。對于由發(fā)電機氣隙電磁力引起電磁振動問題，國內(nèi)研究較 早的學(xué)者是天津大學(xué)的邱家俊教授n 們，分析方法如下： ( 1 ) 、發(fā)電機氣隙磁勢 發(fā)電機正常運行時，氣隙磁勢為： f ( a 塒，f ) = 只c o s ( c o t - p e r 。一一等) + cc o s ( c o t - p o t 刪) ( 2 一1 ) 二 式中：p 為極對數(shù)；緲= 2 礦= p c o ，= 2 堿，國為電角頻率，廠為電頻率，緲，為轉(zhuǎn)子機 械角頻率，為轉(zhuǎn)子機械頻率；口。為定子機械角度；5 c ，為發(fā)電機內(nèi)功角 ( 2 ) 、氣隙磁導(dǎo)表達式 電機轉(zhuǎn)子外圓相對于定子內(nèi)圓的偏心，一般認為由下列五種情況造成： ( a ) 柔性轉(zhuǎn)子軸彎曲振動變形 ( b ) 彈簧隔振定子鐵心的振動位移 ( c ) 軸頸相對軸承中心的油膜偏心 ( d ) 定子內(nèi)圓圓心相對轉(zhuǎn)子軸承中心的偏心 ( e ) 轉(zhuǎn)子外圓相對于轉(zhuǎn)子軸承中心的偏心 9 華北電力大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 其中( a ) 、( b ) 是振動形成的偏心，是發(fā)電機正常運行時考慮的重點，單位面 積氣隙磁導(dǎo)可近似表示為： a ( 口一，) 2 ；南韶a o - a e c p ( 緲，一口。) ( 3 ) 、氣隙電磁力 氣隙電磁力可表示為： 帆力= 掣= 去仰) a 2 ( a ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 氣隙電磁力作用于定子內(nèi)圓表面，對定子產(chǎn)生圓柱殼體的振動，定子振動頻率 及特性取決于氣隙電磁力的脈振頻率及特性。同時氣隙電磁力也作用于轉(zhuǎn)子，激發(fā) 轉(zhuǎn)子的電磁振動，轉(zhuǎn)子的振動頻率及特性取決于作用于轉(zhuǎn)子的不平衡電磁力特性。 分析作用于轉(zhuǎn)子的電磁力有兩種方法，一是電磁力的磁密公式計算法：先通過氣隙 磁勢和磁導(dǎo)，求得氣隙磁密b ( a m ，n ，然后利用公式q ( a 。，f ) = b 2 ，t ) 2 z o 求得轉(zhuǎn) 子表面單位面積或定子內(nèi)圓表面單位面積的徑向電磁力，此分布的徑向電磁力同時 作用于電機定子鐵心和轉(zhuǎn)子上，對空心圓柱形定子產(chǎn)生彈性圓柱殼體的振動，而對 轉(zhuǎn)子的振動則取決于此分布電磁力沿轉(zhuǎn)子外圓周的合力，因此需利用公式( 2 - 4 ) ： 驢l r ”ef 水。q ( a s 蛾 ( 2 - 4 ) ib = 衄f ”q ( a 。，t ) s i 峨d a 塒 卜 求出合力；二是電磁力的能量計算法，先計算電機氣隙空間的磁場能量，然后將此 能量分別對x 、】，求導(dǎo)，直接得到作用于轉(zhuǎn)子外圓周沿x 、y 方向的電磁力，x 、，y 。 電機氣隙磁管能量為： d = 寺( 口。，f ) 卻= 丟人( 口。，f ) 廠2 ( 口。，t ) r d a d z 則氣隙空間的磁場能量為： 礦= 魯r ”r 人( t ) f 2 ( t ) d z d a 。( 2 - 5 ) 式中：r 是定子內(nèi)圓半徑，三為氣隙軸向長度。 磁拉力在x 軸上的分力，- 和在y 軸上的分力以為： 1 0 一 q 肼 計 枷 鰳 彬 彬 用 w 咖 咖 以 似 2 z 弘 卜 認一訝認一訂 石 廳 p工p七 皿一2皿一2 挪一砑椰一訂 ，x 1 ，y 以 目 華北電力大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 2 2 轉(zhuǎn)子繞組匝間短路時轉(zhuǎn)子電磁力分析 勵磁線圈無論什么原因發(fā)生匝間短路，由于匝間短路不能流過電流，在極對稱 位置短路匝線圈與槽鄰接的齒部溫度就比正常部位低，從而產(chǎn)生熱彎曲。進而通過 n 極和s 極的安匝差產(chǎn)生磁不平衡，同時，還由于磁拉力的作用產(chǎn)生和熱彎曲同方 向的彎曲。因此，下面針對這些熱磁不平衡的評價方法進行討論。乜帕 l 、轉(zhuǎn)子匝間短路造成的熱不平衡分析 轉(zhuǎn)子線圈無論什么原因發(fā)生匝間短路，由于短路匝不能流過電流，與短路匝線 圈所繞的兩槽鄰接的齒部溫度就比正常部位低，使轉(zhuǎn)子橫截面上溫度分布不均勻， 發(fā)生熱彎曲。由于熱不平衡而在軸體兩端產(chǎn)生的等效彎矩表達式： m 工= 2 e a s r o a t ( c o sa o - 4 - c o s1 ) ( 2 7 ) 式中e 軸的楊氏模量，n m 2 口軸的熱脹系數(shù) s 1 個齒的截面積，肼2 址一一正常時和層間短路時的齒部溫差， ，口一一與匝間短路線圈鄰接槽部的兩齒間的角度 槽底半徑，l 如果將這個熱彎矩m x 作為集中彎矩的方式施加在變截面軸上作用于轉(zhuǎn)子兩端 ( 如圖2 4 所示) ，將激發(fā)轉(zhuǎn)子與機械旋轉(zhuǎn)頻率同頻的振動。 廠m x m x 、 l 篇_ 1 圖2 4 由熱不平衡引起的附加力矩 2 、匝間短路造成的磁不平衡的評價 如圖2 5 所示，在正常時，極和s 極的磁通分布是對稱的，一旦發(fā)生匝問短 路，由于存在安匝差，磁通分布便發(fā)生虛線像實線那樣的變化。在極側(cè)和s 極側(cè) 的安匝相等處密度為零，假如考慮勵磁線圈的分布在圓周上是均勻的，密度為零的 點為式( 2 8 ) 等( 三柏= 半( 三幗 ( 2 _ 8 ) 即： 華北電力大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 要m 肛瓦鎘 式中m 每極勵磁線圈的總匝數(shù) j 引起短路的匝數(shù) s l ( 2 - 9 ) 圖2 5 匝i 司短路的磁流分布 在圖2 - 5 中，由于極和s 極的磁通量相等，假如其分布為正弦波，那么式 ( 2 - 1 0 ) 成立， b n 上8 0 - 2 p s i n 抒9 = 風(fēng)1 8 0 + 2 盧s t n 舟秒( 2 - 1 0 ) 按式( 2 1 1 ) 分別計算極和s 極磁通密度 b = ，i xp o ( 2 x 萬) ( 2 一l1 ) 其中，是每極勵磁線圈的總匝數(shù)，i 是勵磁電流，p o 為空氣磁導(dǎo)率，6 是氣隙距離。 磁拉力為式( 2 1 2 ) ： f = 礦啪i n 2 咿胡南】s i + e ，蜘n 2 【( 陽喲南】s i 舢 籌 ( 2 - 1 2 ) 式中鞏為n 極磁通密度，b s 為s 極磁通密度，l 為轉(zhuǎn)子長，r 為轉(zhuǎn)子半徑，o 為空 氣磁導(dǎo)率。 作用于轉(zhuǎn)子的不平衡磁拉力為： 1 2 額定電流 額定頻率 額定勵磁電流 出廠編號 2 3 2 歷史運行情況 1 3 9 1 4k a 5 0h z 3 3 9 0a 1 2 - 4 0 0 - 3 - 2 ( 2 - 1 3 ) m t o i f ，發(fā)電機是東方電 o o r p m 左右點火，加速到 相數(shù) 絕緣等級 額定功率因數(shù) 4 8 2 m v a 2 0 k v 3 f o 8 5 2 0 0 7 年2 月投運，4 月5 日1 6 8 結(jié)束，# 7 瓦振動很好，過一階0 0 6 6 m m ，過二 階0 0 9 3 m m ，高負荷3 0 0 0 r p m 振動0 0 4 5 m m ； - 2 0 0 7 年5 月- 1 0 月，# 7 瓦( 發(fā)電機汽端瓦) 過臨界共振幅值加大一階跳躍變 大至0 1 m m 附近，二階增大至0 卜0 1 2 m m 之間，# 8 瓦( 發(fā)電機勵端瓦) 增大卻不 大； 一2 0 0 7 年1 0 月2 2 日，# 7 瓦過一階增大至0 1 5 m m ，其后一階基本在0 1 3 - 0 1 7 m m 之間波動，二階增大至0 1 3 m m ，一階開始超過二階，其后超過幅值越來越大： 一2 0 0 7 11 1 3 1 2 4 第一次檢查，發(fā)現(xiàn)軸瓦和軸頸磨傷，現(xiàn)場修補軸瓦， 2 0 0 7 1 2 5 啟機后情況無好轉(zhuǎn)，一階仍為0 1 5 m m ，1 2 1 4 過一階增大至0 2 0 8 m m ，首 次超過0 2 0 m m ： - 2 0 0 8 1 5 1 1 7 第二次檢修，哈汽補軸頸。以后低盤時轉(zhuǎn)子晃動大 0 0 2 2 0 0 5 8 ，啟機后情況繼續(xù)惡化，過一階增大超過0 2 9 m m ，高負荷振動未變； - 2 0 0 8 2 1 0 3 1 3 第三次檢修，更換新軸瓦和新軸承套，低盤時轉(zhuǎn)子晃動大 0 0 2 3 0 0 5 9 ，啟機后情況繼續(xù)惡化，# 7 瓦過一階振動達到3 3 0um ，# 8 則9 0um 左 右，# 1 # 6 瓦的振動和以前比較相差不大；在停機下降過程中( 發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子 均沒有電流電壓) ，# 7 瓦不會發(fā)生類似的振動，但在下降過程中轉(zhuǎn)子加9 0 0 a 勵磁電 1 3 華北電力大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 流，# 7 瓦過一階振動達到3 3 0l am ，加2 0 0 a 勵磁電流，# 7 瓦過一階振動不明顯；# 7 瓦過一階振動均是工頻振動，其重復(fù)性非常好。； - 2 0 0 8 4 月中轉(zhuǎn)子返廠，拔線發(fā)現(xiàn)i i 極的8 號線圈實際有一匝靜態(tài)短路，i i 極 的6 號線圈有一匝在轉(zhuǎn)速6 8 0 r p m 1 9 4 0 r p m 時有動態(tài)匝間短路。 2 3 3 故障分析 1 、第一種分析結(jié)果 征兆1 ： - 2 0 0 7 1 1 1 3 1 2 4 第一次檢查，發(fā)現(xiàn)軸瓦和軸頸磨傷，現(xiàn)場修補軸瓦， 2 0 0 7 1 2 5 啟機后情況無好轉(zhuǎn)，一階仍為0 1 5 m m ，1 2 1 4 過一階增大至0 2 0 8 m m ， 首次超過0 2 0 r a m ； 2 0 0 8 1 5 1 1 7 第二次檢修，哈汽補軸頸。以后低盤時轉(zhuǎn)子晃動大 0 0 2 2 0 0 5 8 ，啟機后情況繼續(xù)惡化，過一階增大超過0 2 9 m m ，高負荷振動 未變； - 2 0 0 8 2 1 0 3 1 3 第三次檢修，更換新軸瓦和新軸承套，低盤時轉(zhuǎn)子晃動大 0 0 2 3 0 0 5 9 ，啟機后情況繼續(xù)惡化，過一階增大至0 3 3 m m ； _ 3 月1 7 日啟機提高軸承進油溫度至4 0 c ，但與3 月1 4 日啟機比較無改善； 分析結(jié)果1 ：在已經(jīng)修補了軸頸、軸瓦甚至更換了軸瓦和軸承套并在提高油溫 的情況下振動情況并未獲得好轉(zhuǎn)，說明產(chǎn)生振動的主要原因不在于軸瓦與軸承套 處，而在于轉(zhuǎn)子或是基座的其它缺陷處。 補充征兆2 ：# 7 瓦防旋轉(zhuǎn)定位塊間隙處理后，3 月2 6 日、2 7 日升速過l 階臨 界轉(zhuǎn)速共振振幅由3 月1 7 日、2 1 日的3 3 0 1 a m 下降至2 8 6 啪。 分析結(jié)果2 ：證明了前面推測的正確性，確實是在基座方面有缺陷，基座缺陷 除了定位塊松動之外還有基座螺栓松動或是內(nèi)部裂紋，而征兆“3 月1 7 日：聯(lián)軸器 螺母重新把緊；把緊地腳螺栓”，這說明可以排除地腳螺松松動這一條，只需再驗 證基座是否存在內(nèi)部裂紋等缺陷即可。 補充征兆3 ： - 正常降速通過1 階臨界轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子汽端7 號瓦軸無共振，基本無尖峰，振幅 約9 0 m ； - 帶勵磁電流( 8 8 8 a ) 下降過1 階臨界轉(zhuǎn)速7 號瓦軸共振，振幅達2 8 7 肛m ，帶勵 磁電流( 2 0 0 a ) 下降過1 階臨界轉(zhuǎn)速7 號瓦軸振動無明顯尖峰，為8 4 帥。 1 4 發(fā)電凡汽端端蓋 f 圖2 6 升速過程發(fā)電機測點布置圖 電流對 均衡磁 華北電力大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 表2 1 各測點振動值 i 安裝位置 上升上升上升空轉(zhuǎn)加勵 下降 況2 6 0 轉(zhuǎn)7 0 2 轉(zhuǎn)7 5 4 轉(zhuǎn)3 0 0 0 轉(zhuǎn)+ 8 0 0 a+ 8 0 0 a 測點3 0 0 0 轉(zhuǎn) 7 6 0 轉(zhuǎn) l 撐汽端端蓋上部水平3 6 0 陀8 92 1 1 86 3 5 31 4 5 51 3 馴8 5鶘| 娩 2 撐汽端端蓋中部水平 3 撐汽端端蓋中部垂直1 3 7 1 1 14 5 4 29 8 8 9、o | 6 | 21 1 8 39 們4 甜汽端端蓋下部水平3 3 4 2 7 41 1 74 2 1 21 4 4 41 3 1 4 f 61 7 9 5 群汽端端蓋中縫面水平3 5 5 2 9 29 56 2 1 8、3 | 4 | 4 51 3 釧82 3 1 4 酣汽端端蓋中縫面垂直1 7 3 34 8 4 61 1 1 1 0 21 0 n 1 21 0 8 31 0 1 9 1 7 撐機座汽端底腳水平9 3 5 9 04 3 4 38 8 8 65 f 3 35 f 3 | s1 s | 1 1 8 樣機座汽端底腳垂直2 5 83 6 3 48 4 n 16 | 酗q 36 1 4 | q 67 8 7 2 噼機座中部底腳垂直1 5 3 93 4 3 47 8 7 72 2 13 2 1 57 8 7 8 1 嘴機座中部底腳水平3 4 9 2 4 74 1 4 15 8 5 6q 6 | q 16 | 6 25 6 5 4 1 l 撐機座中部水平3 5 7 2 4 72 9 2 92 2 2 16 4 46 | a | 毽 1 8 1 6 1 2 #機座汽端基礎(chǔ)水平2 2 1 1 7 03 1 3 1 4 8 4 7 2 2 硒32 i 0 85 3 5 1 1 3 撐機座汽端基礎(chǔ)垂直4 5 53 0 3 05 5 5 4 3 2 o 63 3 0 85 3 5 3 1 4 #汽端盤車蓋架子垂直6 8 3 42 2 2 14 3 4 23 2 13 2 o 94 2 4 2 1 5 群汽端盤車蓋相對軸9 6 36 4 2 41 9 7 8 66 4 i 9 f 4 57 1 11 4 51 2 2 7 4 l 甜汽端端蓋上部4 5 02 2 1 1 7 02 9 2 95 0 4 96 | s | 冬1 | 6 n5 1 5 0 分析結(jié)果： ( 1 ) 在2 6 0 轉(zhuǎn)的時候各處的振幅值都較大，懷疑基座或是軸承瓦部分存在4 3 n z 的固有頻率或是其它什么原因； ( 2 ) 在低頻時，機座汽端基座下方在靠近七號軸承處的振動值( 如7 # 處) 較 大，理論上基座下方靠近地基，其剛度較之其它地方應(yīng)當只大不小，其振動值不應(yīng) 當比別的地方大這么多，再結(jié)合前面的分析，懷疑基座內(nèi)部存在如裂紋一類的某種 不可見缺陷； 3 、第三種分析結(jié)果 圖2 7 為第二次升速過程發(fā)電機測點布置圖，表2 2 為相應(yīng)的測試結(jié)果。 1 6 華北電力大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 勵端 印一一瓜。 軸瓦 軸瓦 機座地腳板 基礎(chǔ)板 一次灌漿基礎(chǔ) 8 # - 1軸瓦 8 一2軸瓦 8 # - 3 機座地腳板 8 掙一4基礎(chǔ)板 8 # - 5一次灌漿基礎(chǔ) 圖2 - 7 升速過程發(fā)電機測點布置 表2 - 2 各測點振動值 丁 2 6 日7 5 9 2 7 日2 0 42 7 日2 4 4 2 7 日7 4 92 7 日3 0 0 03 0 0 0 轉(zhuǎn)下降 上 紹 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) + 2 0 0 a+ 2 0 0 a 測點 上升上升上升上升7 4 7 轉(zhuǎn) 7 蜘l9 7 4 3 2 5 913 6 3 4 3 4 92 4 9 1 9 2 3 86 7 6 2 19 91 5 1 5 1 9 51 5 1 5 2 2 61 2 3 6 9 7 # - 27 7 6 0 3 311 3 6 1 7 2 5 92 5 2 2 1 6 3 1 88 6 8 0 2 8 91 6 1 6 2 5 4 1 3 1 2 2 7 2l1 5 1 7 9 7 自e - 37 8 6 1 2 9 36 8 3 4 1 4 38 4 1 2 6 48 3 8 0 2 4 86 5 6 2 3l6 5 6 2 2 85 4 5 13 0 7 蜘47 3 5 7 2 6 9 7 舡56 2 4 9 3 3 26 8 3 4 1 9 07 4 1 4 3 1 66 1 5 4 2 8 75 4 2 5 8知知2 5 85 4 5 1 7 1 8 雒l4 6 2 8 2 3815 3 3 4 3 5 03 2 4 2 8 8 4 35 6 5 0 l8 51 統(tǒng)11 1 1 1 2 7 812 4 5 5 3 8 拈21 2 3 1 0 1 3 4 410 2 3 4 2 5 63 3 6 2 9 9 3 1 312 5 12 0 3 0 56 別3 1 97 6 3 3 57 7 1 9 8 8 拈32 0 o 0 4 2 8 0 1 3 5 53 9 o 2 3 74 2 0 8 15 36 涵 2 s 27 5 5 2 7 28 6 1 4 5 8 舡48 2 6 3 3 0 51 1 3 2 6 83 8 2 2 3 2 58 4 7 2 2 6 36 3 2 2 76 3 2 4 27 6 1 4 1 8 舡55 6 4 4 2 9 85l 3 4 2 2 37 2 12 6 75 8 5 4 2 5 43 2 3 3 63 3 23 2 5 13 4 軸振15 6 7 5 2 71 4 1 1 6 1 5 01 0 0 1 5 1 5 6 1 4 9 5 6 3 4 17 3 2 9 15 47 3 2 9 14 66 4 1 0 1 5 1 分析結(jié)果： 勵端8 # 軸瓦誘個對稱側(cè)的振動量以及勵端、汽端的基基座地腳步板振動量有較 大差異，而理論上兩個對稱側(cè)的振動數(shù)據(jù)差異不應(yīng)如此大，加上征兆“# 7 瓦軸振倍 頻分量偏大”、“聯(lián)軸器的螺栓曾經(jīng)松動過并重把緊”，因此有理由懷疑是不是存在 轉(zhuǎn)子不對中，或是軸承的水平標高不齊( 即在水平方向上各軸承不同心) ，文 2 1 認為，若某個軸承標高發(fā)生變化，則發(fā)生變化的軸承本身其負荷變化并不是最大的， 1 7 華北電力大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 往往是與之相鄰的第二個軸承所受的影響最大( 如該文獻所給出的算例就是這樣) ， 再現(xiàn)場征兆： _ 各種工況升速、降速過程，汽機# 6 瓦軸、發(fā)電機# 8 瓦軸共振振幅不大，在 8 0 1 l o