汽轮发电机转子匝间短路故障电流与不平衡磁拉力的计算

发布时间：2017-09-29 14:40

  本文关键词：汽轮发电机转子匝间短路故障电流与不平衡磁拉力的计算

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【摘要】：转子匝间短路是危及大型同步发电机安全运行的一种典型故障,该故障的在线监测一直是发电机故障诊断领域中的难点。机电信息融合的在线监测将故障的电气特征与机械特征交叉融合,能够最大限度的减小故障监测死区,及时发现小匝数的早期故障,避免长期带故障运行引起的严重事故。在国家自然科学基金“基于机电信息融合的发电机励磁绕组匝间短路在线监测,,的资助下,本文重点研究了转子匝间短路的故障电流及不平衡磁拉力计算,这两个基础问题是实现机电信息融合在线监测的基础,主要研究内容及结论如下：(1)利用多回路法和有限元法分别对气隙磁场在不同饱和与畸变程度时的电感参数进行了计算与分析,探讨了磁场的非线性变化对电感参数的影响规律,通过对比实验样机在联网负载和空载时的电感参数计算结果验证了这一规律。计算与分析表明：多回路方法仅能保证励磁绕组与定子支路互感参数基波分量的准确性,而有限元法能更加充分考虑磁场的真实分布,对电感参数的计算更加准确。(2)将反映转子匝间短路故障的发电机绕组多回路方程与磁场的有限元方程联立,形成了故障的场路耦合数学模型,并基于ANSOFT软件实现了故障的场路耦合时步有限元仿真。对两台不同极对数的样机进行了空载、带电阻负载和联网运行时的故障实验,实验结果与仿真结果吻合,验证了场路耦合模型的正确性。(3)由于故障早期一般为小匝数短路,这时转子故障回路引起的气隙磁场变化较小。为此,可不考虑故障后磁场的变化,将电机正常运行时采用有限元法计算得到的电感参数直接代入故障时的多回路数学模型,提出了场路结合的故障计算模型。该模型实现了电路方程与磁场方程的解耦,避免两者在耦合联立求解时的反复迭代。通过对样机实验结果和仿真结果的对比验证了场路结合模型的正确性和快速性,为故障研究提供了更为有效的工具。(4)基于故障时定子不平衡电流时间谐波分量产生的各次空间谐波磁动势,在定子直角坐标系中推导了转子不平衡磁拉力(Unbalanced Magnetic Pull,UMP)的表达式,并根据故障时定、转子磁动势的特点,得到了故障后UMP的频率分量表达形式,形成了一套完整的故障时UMP特征的理论分析方法。基于场路耦合模型实现了对UMP的计算,实验样机发生转子匝间短路故障时UMP的计算结果和理论分析结果一致,为机电信息融合的转子匝间短路故障监测莫定了基础。
【关键词】：同步发电机 励磁绕组 匝间短路 在线监测 电气特征 机械特征 不平衡磁拉力
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM311
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 1 引言12-20
• 1.1 研究背景与意义12-13
• 1.2 国内外相关课题的研究现状13-18
• 1.2.1 转子匝间短路故障的监测原理与方法13-16
• 1.2.2 发电机故障的计算方法16-18
• 1.3 本文的主要内容18-20
• 2 考虑磁场饱和与畸变的发电机电感参数的计算与分析20-36
• 2.1 二维电磁场有限元理论20-23
• 2.1.1 电磁场基本方程20-21
• 2.1.2 边界条件的处理21-22
• 2.1.3 二维电磁场的求解方程22-23
• 2.2 发电机的有限元模型与计算方法23-26
• 2.2.1 用于参数对比的实验样机与有限元模型23-24
• 2.2.2 有限元的电感参数计算步骤24-26
• 2.3 磁场非线性变化对电感参数的影响26-32
• 2.3.1 磁场饱和对电感参数的影响27-29
• 2.3.2 磁场畸变对电感参数的影响29-32
• 2.4 实验样机在不同工况下参数计算结果的对比32-35
• 2.4.1 联网运行时的电感参数对比32-33
• 2.4.2 空载运行时的电感参数对比33-35
• 2.5 本章小结35-36
• 3 计算故障电流的场路耦合法及其实验验证36-58
• 3.1 基于有限元的场路耦合基本理论36-40
• 3.1.1 考虑发电机转子匝间短路的电路方程37-39
• 3.1.2 电机内部故障的场路耦合模型39-40
• 3.2 转子匝间短路场路耦合模型的建立40-43
• 3.3 实验方法与实验平台43-45
• 3.3.1 实验样机转子短路方法说明43-44
• 3.3.2 实验平台介绍44-45
• 3.4 仿真与实验对比分析45-57
• 3.4.1 空载工况时故障后电气量对比46-50
• 3.4.2 电阻负载时故障后电气量对比50-53
• 3.4.3 联网负载时故障后电气量对比53-57
• 3.5 本章小结57-58
• 4 计算故障电流的场路结合法及其实验验证58-70
• 4.1 转子匝间短路故障的场路结合模型58-61
• 4.1.1 场路结合模型中的电感参数表达式58-59
• 4.1.2 场路结合模型中的多回路方程59-61
• 4.2 仿真与实验对比分析61-67
• 4.2.1 空载时故障特征量对比61-63
• 4.2.2 电阻负载时故障特征量对比63-65
• 4.2.3 联网负载时故障特征量对比65-67
• 4.3 本章小结67-70
• 5 转子匝间短路故障时转子不平衡磁拉力的分析70-92
• 5.1 转子匝间短路故障时不平衡磁拉力的一般性分析70-75
• 5.1.1 磁动势对转子作用力的表达式70-73
• 5.1.2 各磁动势作用项的分析73-75
• 5.2 实验样机的不平衡磁拉力分析75-86
• 5.2.1 1对极的A1552样机分析76-77
• 5.2.2 3对极的A1553样机分析77-81
• 5.2.3 不同定子绕组形式的A1553样机分析81-86
• 5.3 转子受力计算仿真模型86-87
• 5.4 论与仿真结果的对比分析87-91
• 5.4.1 A1552转子受力仿真结果87-88
• 5.4.2 A1553转子受力仿真结果88-89
• 5.4.3 不同定子绕组形式的A1553样机转子受力仿真结果89-91
• 5.5 本章小结91-92
• 6 结论与展望92-94
• 6.1 结论92
• 6.2 展望92-94
• 参考文献94-100
• 附录A100-102
• 附录B102-104
• 附录C104-106
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果106-110
• 学位论文数据集110

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本文编号：942585