发电机内部复合故障时机组轴系振动机理与故障诊断研究

汽轮发电机组是一个三机同轴的大型机电耦合系统，现有的研究成果主要研究机组故障对电网的冲击影响以及电网故障对机组轴系振动影响，但鲜有关于发电机内部故障对轴系振动的影响，事实上发电机的各类故障对机组轴系振动构成的影响又不容忽视。本课题将采用理论分析、计算机仿真、实验验证三步并进的方案详细分析发电机内部单故障和复合故障时机组轴系振动机理及其特性，首先建立发电机组轴系弯扭振动模型，分析轴系所受的电磁力、电磁转矩；然后研究发电机在转子励磁绕组匝间短路、定子绕组匝间短路、气隙偏心等单故障和复合故障时转子受力变化情况，并通过模型分析发电机组轴系弯曲振动、扭转振动以及弯扭耦合振动特性；最后在故障模拟实验机组上完成相关实验研究。研究成果不仅可以为发电机的安全有效运行提供监测及故障判别依据，还可以在现有研究成果的基础上进一步为辩别故障源是电网故障冲击（外在故障源）还是发电机内部故障（内在故障源）提供可能。

本项目的研究目标是：通过大量的理论探讨、数值仿真计算以及实验研究验证详细揭示发电机内部各典型单故障及复合故障时发电机转子和整个机组轴系的振动机理，分析各种故障因素对于发电机转子及机组轴系的弯扭振动影响，最终做到根据轴系的弯扭振动情况判别故障源是发电机还是电网，若是发电机故障则进一步定性判别出是何种类型故障，从而为转子及轴系振动现象的识别和诊断提供一种新的思路和方法。取得的成果有：. （1）汽轮发电机转子绕组匝间短路时转子径向电磁力和电磁转矩分析：提出了一种转子绕组短路故障时转子不平衡电磁力的磁势叠加计算方法，同时改进了现有的等效磁通计算方法，给出了电磁转矩的理论计算公式，得到了作用于转子的电磁转矩的变化规律。. （2）研究了发电机气隙偏心与短路故障下的定转子振动特性，提出了一种应用汽轮发电机定子通频振动烈度与特定频率成分振动幅值比对来鉴定气隙偏心故障程度的方法，提出了一种综合应用发电机的定子垂直振动信号、定子电流、励磁电流和发电机内功角诊断励磁绕组短路程度的方法。. （3）研究了发电机内功角对气隙偏心故障下定转子振动特性的影响，实验结果与理论研究表明，随着内功角的增大，定子与转子的径向振动量将减小。. （4）研究得到了发电机气隙偏心与短路故障下定转子绕组的电气特性。试验与理论研究表明，当单条支路发生短路或两条支路同时发生短路且短路程度不对称时，并联支路内部将产生基波环流和三次谐波环流，且环流数值将随着短路不对称程度的加剧或发电机励磁电流的增大而增大；当同时发生两条支路短路且短路对称时，并联支路内部不产生环流，且不论短路如何发展、发电机励磁电流如何增大，定子并联支路环流值保持不变。.（5）研究得到了发电机正常运行及故障时定子端部的振动特征，分析得到了端部绕组同一线棒不同时刻的电磁力密度关系、相差一个极距的两根同层线棒之间的电磁力密度关系和不同线棒间的电磁力密度关系，并给出了整个端部绕组不同线棒电磁力密度出现极值点的位置，为线棒绑扎固定位置的确定提供了理论支持。然后分析了鼻端部分的径向和切向电磁力密度，首次计算得到了鼻端直线段的扭矩及其特点。.在该项目的资助下，培养硕士3名、博士2名、博士在读1名、硕士在读1名。在国际学术期刊、国际会议及国内核心期刊上发表论文22篇，其中被SCI收录6篇、EI收录10篇，获国家发明专利授权2项