基于发电机匝间短路的轴电压故障分析

王晓华，李永刚，武玉才

（1.国网河北省电力公司检修分公司，石家庄 050070；2.华北电力大学，河北 保定 071003）

基于发电机匝间短路的轴电压故障分析

王晓华1，李永刚2，武玉才2

（1.国网河北省电力公司检修分公司，石家庄 050070；2.华北电力大学，河北 保定 071003）

随着发电机容量的增大，轴电压已成为发电机的一个常见故障问题，因此进行发电机状态监测是非常有必要的。本文阐述了发电机轴电压产生机理；通过分析汽轮发电机转子匝间短路故障运行时磁势变化，推导出转子匝间短路后轴电压信号特征频谱。并分析了发电机定子接缝不对称引起的轴电压变化。基于轴电压故障特征信号，提出了通过轴电压监测转子匝间短路故障的方法。并且通过实验验证了理论分析的正确性。

转子匝间短路；轴电压；磁动势；故障识别

0 前言

汽轮发电机在运行中,由于某些原因引起轴两端之间、转轴与地或者轴承之间的电压称为轴电压[1]。

当汽轮发电机存在轴电压故障时，例如对其抑制和防护措施采用不当，会在轴承、轴瓦、齿轮等部件产生有害的轴电流，造成上述部件在电弧、电解或氧化作用下损伤，严重时会引起停机检修事故，造成不必要的检修和发电损失[2-3]。因此，对轴电压的监测和诊断分析能发现电机存在的缺陷，诊断电机出现的故障。同时可以采取措施，避免轴电压产生轴电流对轴承的损坏。

1 轴电压产生机理[1]

轴电压的种类不同，对电机造成的影响亦不同。轴电压产生的原因主要有以下四个方面[4-6]，参见表1：

（1）磁不对称引起的轴电压；

（2）轴向磁通引起的轴电压；

（3）静电荷引起的轴电压；

（4）静态励磁引起的轴电压。

2 转子匝间短路产生轴电压的理论推导

[7]～[10]详细分析了发生匝间短路后，短路部分磁势包含余弦分量的奇数次谐波分量和偶数次谐波分量，本文不再赘述。通过对磁势进行傅立叶级数分析，可以发现：短路匝产生的磁动势波形关于纵坐标对称，也是一个偶函数。根据磁通量等面积原则，以横坐标为界，其波形上下面积相等。因而，发生匝间短路后的短路线匝产生磁动势函数表达式同样仅含有余弦分量，不含有正弦分量也不含有直流分量。但短路匝磁势不是奇谐波函数，而对于余弦分量，短路匝磁势不仅含有奇次谐波分量且含有偶次谐波分量[7-10]。

表1 轴电压产生的原因及影响

本文详尽地对匝间短路发生后的电机气隙磁通密度进行了分析，该磁通密度可以表示为：

上式第一项产生的轴电压为1、3、5、7倍的电频率，在此主要对式(1)中第二项进行分析。

由参考文献[8]中可知动偏心产生的磁势不会产生轴电压，在此仅分析静偏心产生的磁势。

（1）当 k -i≠ 0时，会产生一系列的谐波磁通密度，该磁通密度相对于转子转动，转速分别为

综上分析可知，轴电压中占主要成分的仍是 kωS，其中 k=1、3、5……，这是因为气隙磁势中Fkcos kP （θs- ωrt）（k=1、3、5）分量仍是主要的成分。

参考文献[11]给出了在多台大型隐极同步电机上测得的轴电压频谱试验数据，这对轴电压研究具有极高的价值和意义。从这些数据可以得出，轴电压中的主要谐波成分是1、3、5、7等奇数次谐波，与之前的理论分析吻合。各次谐波的幅值与气隙磁导和磁势中的相关项幅值有关[11-12]。

对于不同极对数的隐极同步电机，由磁不对称引起的“特殊”的磁通密度的频率为

3 轴电压的测量及实验

3.1 轴及轴承电压的测量

轴电压测量原理如图1所示，探针1及2均采用Y形探针，可较为灵敏地测量轴电压，探测点选择在两端轴承的内侧以避免轴向磁通带来的影响。通过数据采集装置采集发电机轴电压U1数据。用铜丝刷将发电机轴承与轴短路，消除油膜产生的压降，在发电机励磁机侧测轴承支座与地之间产生的电压U2数据。

图1 轴电压的测量图

3.2 实例说明

在华北电力大学动模实验室的MJF-30-6模拟隐极同步发电机上进行发电机轴电压测量的实验。

模拟电机如图2所示，故障模拟发电机转子采用落地式滑动轴承支承，两端无端盖，该机由Z2-91型直流电动机拖动。转子励磁绕组有抽头，故而可模拟励磁绕组短路故障。该模拟发电机详细参数参见表2。

图2 MJF-30-6故障模拟机组

表2 MJF-30-6模拟发电机参数

本次试验就发电机发生转子匝间短路状态时的轴电压进行了数据采集，分别测量空载状态和负载状态下的轴电压，并对试验数据进行频谱分析。

轴电压时域图如图3所示，由于电机发生转子匝间短路状态时的轴电压信号本身包含很多噪声，通过对轴电压信号的分析，设置了信号的幅值和斜率的阀值，对超过阀值的数据信号采用线性拟数据处理方法得到替代点，从而构成经过处理后的轴电压信号，通过Matlab程序实现对轴电压信号的滤波。对滤波后的轴电压信号进行FFT处理，可有效提取发生转子匝间短路后的轴电压信号特征频谱[13-14]。

图3 轴电压时域图

将滤波后的轴电压信号进行傅立叶变换，最终得到的轴电压频谱图如图4和图5所示。

由图4和图5分析可得模拟发电机短路后轴电压频谱出现了1、2、4、5等整数倍旋转频率的成分，并且幅值随着短路程度的加重而增大。

由图4和图5可知模拟发电机轴电压信号的特征频率随着短路程度的增加而增大。同时还可以发现，对于相同的短路程度，如图4（b）与图5（b）、图4（c）与图5（c）、图4（d）与5（d）所示，负载状态下的匝间短路轴电压特征频率要比空载情况下幅值偏大，频谱特征更为明显。经过分析可认为：电枢反应与励磁磁势中的一部分基频分量相抵消，这也就使得励磁磁势中由短路匝引起的、电枢反映磁势无法抵消的谐波分量显得较为突出[15]。

图4 空载状态下轴电压频谱图

图5 并网状态下轴电压频谱图

从频谱图上可以看到，工频50Hz占轴电压信号中的主要成分，信号中还存在少量150Hz成分，而100Hz成分幅值极小，这与理论分析基本吻合。

4 结论

本文简明扼要地描述了汽轮发电机轴电压产生机理，阐述了轴电压的分类、产生原因及影响。由已知的发电机转子匝间短路故障运行时参数变化，理论推导出转子匝间短路引起的轴电压特征频率。并在故障模拟发电机上完成了转子绕组匝间短路引发的轴电压实验，试验结果证明了发电机轴电压信号的特征频率符合理论推导，且轴电压信号随着短路程度的增加而增大。

[参考文献]

[1]奥托,豪斯,马燮璋.轴电压和轴承电流及其产生原因对电机的影响和补救措施[J].电机译文集, 1996(61):14-27.

[2]Torlay J E,Foggia A,Corenwinder C,et al. Analysis of shaft voltages and circulating currents in the parallel-connected windings in large synchronous generators[J]. Electric Power Components and Systems,2002,30(2):135-149.

[3]Meyer.A等.汽轮发电机组的轴电压：用于提高轴承可靠性的一种新型方法[J]国外大电机，1989(2):20-24.

[4]史德利等.汽轮发电机轴电压轴电流在线监测装置的研制[J].大电机技术，2016(4): 15-18.

[5]王建涛,张法朝,赵乾,等.汽轮发电机碳刷故障引起轴电流报警原因分析和应急处理[J].大电机技术,2016(3):46-49.

[6]郭程.变频技术对交流电动机轴电流的影响与预防[J].大电机技术,2008(3):23-25.

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[8]赵华.汽轮发电机转子绕组匝间短路故障在线诊断研究[D].华北电力大学（河北）,2002年.

[9]赵艳军.汽轮发电机转子匝间短路故障的机电联合诊断研究[D].华北电力大学（河北）,2009年.

[10]于娜.同步发电机转子匝间短路故障诊断新方法研究[D].华北电力大学（河北）,2006年.

[11]武玉才.发电机故障的交叉特性分析及机电联合故障诊断研究[D].华北电力大学（北京）,2010年.

[12]王晓华.基于轴电压的发电机典型故障诊断研究[D].华北电力大学（河北）,2010年

[13]彭发东等.大型汽轮发电机转子匝间短路故障的分析与诊断[J].大电机技术，2010(6):17-19.

[14]关建军等.大型汽轮发电机转子绕组匝间短路故障的诊断研究[J].大电机技术，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.

王晓华（1984-），2010年4月毕业于华北电力大学电力工程系电机与电器专业，获得硕士研究生学历，现从事超高压电气试验工作，工程师。

审稿人：毕纯辉

[作者简介]

张培良(1985-)，2010年毕业于哈尔滨工业大学机械工程专业，工学硕士，主要研究方向为发电机轴承技术，工程师。

审稿人：刘公直

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

国家自然科学基金（50677017）