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汽轮发电机励磁绕组匝间短路故障复合特征分析与诊断

马明晗  
【摘要】:近年来我国能源转型持续加快,新能源装机迅猛发展,但以火力发电为代表的传统能源在我国仍然占据主导地位。火力发电装机容量和发电量在未来10年甚至20年也都将占据我国能源总量的半壁江山。在火力发电机组广泛和频繁参与电网调峰的大背景下,大型汽轮发电机组的运行负担加重,机组故障率上升,特别是长期伴随发电机转子高速旋转的励磁绕组,匝间短路故障频发。励磁绕组匝间短路故障如不及时处理可能会引发转子接地等更严重的故障,对发电机本体造成损害。深入研究励磁绕组匝间短路的故障特征,找到行之有效的故障诊断方法,对汽轮发电机组的安全稳定运行有着重要意义。本文对汽轮发电机励磁绕组匝间短路故障后的电磁特征、热特征和机械特征进行详细研究,在此基础上提出相应的诊断方法,以提高励磁绕组匝间短路故障的诊断精度和故障定位效果。主要工作和取得的成果如下:1.励磁绕组匝间短路故障电磁特性研究。对汽轮发电机定转子二维求解域进行了有限元建模,求解得到了发电机存在不同程度、不同位置励磁绕组匝间短路故障的气隙磁场分布特征,采用麦克斯韦应力张量法计算得到了不同励磁绕组匝间短路故障下发电机转子受到的不平衡磁拉力;总结归纳了气隙磁场和转子不平衡磁拉力随故障程度和故障位置的变化规律,指出了转子不平衡磁拉力是引起转子异常振动的重要原因。2.励磁绕组匝间短路故障热特性研究。对汽轮发电机转子三维求解域进行了有限元建模,求解得到了发电机存在不同程度、不同位置励磁绕组匝间短路故障的温度场分布特征,在温度场计算结果的基础上,采用顺序耦合的方式求解得到了转子内不平衡分布的热应力;总结归纳了转子温度场和热应力随故障程度和故障位置的变化规律,热应力的不平衡分布造成转子各侧的膨胀量存在差异,指出了转子热弯曲是引起转子异常振动的又一重要原因。3.励磁绕组匝间短路故障机械特性研究和基于转子振动特性的诊断方法。基于转子的挠性结构,构建了转子弯曲求解模型,对不平衡磁拉力和不平衡热应力进行了等效:从转子运动方程入手,采用Newmark隐式积分法对运动方程进行了求解,得到了转子轴心的运动轨迹和转子振动响应,总结归纳了不同故障程度和不同故障位置励磁绕组匝间短路的转子振动规律;提出了基于转子基频振动幅值和相角变化的励磁绕组匝间短路故障诊断方法,该方法可以实现故障的诊断并具有故障定位的功能。4.基于定子双检测线圈的励磁绕组匝间短路诊断方法研究。分析了两对极汽轮发电机励磁绕组匝间短路故障下的励磁磁动势分布情况,根据故障在发电机主磁场中产生的分数次谐波磁场,提出了在相距一个极距的两个定子铁心齿顶部各安装一个检测线圈的故障诊断方法,检测线圈内感应的电动势具有与主磁场一致的特征次谐波;采用有限元场路耦合联合仿真模型验证了定子双检测线圈法的有效性,该方法能够实现发电机各运行状态下的故障诊断以及故障定位。


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