汽轮发电机定子绕组内部电气故障研究

论文摘要

发电机作为电能生产的关键设备，对整个电力系统的安全稳定起着至关重要的作用。随着电力工业的迅速发展和发电机单机容量的不断增大，人们对发电机的安全运行及可靠性提出了越来越高的要求。定子绕组内部故障是发电机比较常见的电气故障，大多都是由于最初匝间短路没有被及时监测出发展而成的，若任其发展，将给定子线圈带来毁灭性的灾难。因此对发电机进行故障分析与诊断的研究具有重要的理论意义与工程实用价值。 本文采用有限元法作为分析发电机电磁场的理论依据，运用Ansoft软件作为分析和仿真的工具。有限元法是目前电气工程中解决电磁场分布边值问题的强有力的方法。在目前的电机性能分析以及其它领域的电磁场问题计算中，几乎无一例外的全部采用了数值计算方法中的有限元法或与之相关的计算方法。而有限元法的前处理过程，是有限元法分析相当关健的步骤，它关系到求解的精度、效率以及计算机资源的占有。本文在Ansoft Maxwell 2D软件的环境下，建立汽轮发电机(河海大学动模实验室#3模拟发电机)的仿真模型，然后仿真计算发电机在正常和故障情况下的电磁场分布状况。通过对仿真计算结果的解后处理，对发电机进行故障诊断。 根据仿真分析的结果，结合动模实验室#3模拟发电机的试验数据，系统地分析了定子绕组内部故障对发电机中相互关联的各个电气量的影响。描述了在不同负荷水平、不同短路匝比的情况下，发电机三相定子电流、励磁电流等电气参量的变化情况，并找出故障规律。 通过分析发电机定子绕组内部故障后气隙磁场的变化特征，得到作用于发电机定子的脉振电磁力特性，进而得到定子的振动特征。通过实测动模实验室#3模拟发电机内部故障时定子机壳和绕组的振动信号来验证理论分析的结果，并通过频谱分析技术建立故障模式与振动信号之间的关系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题的研究意义
• 1.2 同步发电机模型和内部故障分析的研究现状
• 1.2.1 发电机数学模型和内部故障时电气量的研究现状
• 1.2.2 发电机内部故障时振动量的研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 有限元法及其在电机电磁场分析中的应用
• 2.1 有限元法的基本原理
• 2.1.1 有限元法的概念
• 2.1.2 有限元法的求解步骤
• 2.2 电机电磁场的有限元计算
• 2.2.1 基本假定
• 2.2.2 仿真计算的原理和过程
• 2.3 小结
• 第三章 基于Ansoft软件的汽轮发电机内部故障仿真分析
• 3.1 Ansoft软件简介
• 3.2 发电机仿真模型的建立
• 3.2.1 仿真对象
• 3.2.2 Ansoft Maxwell 2D中仿真建模
• 3.3 仿真计算结果及分析
• 3.3.1 正常绕组的运行特性仿真
• 3.3.2 空载运行时定子绕组故障仿真
• 3.3.3 半载运行时定子绕组故障仿真
• 3.3.4 满载运行时定子绕组故障仿真
• 3.4 小结
• 第四章 汽轮发电机定子绕组内部故障的实验研究
• 4.1 发电机定子绕组内部故障的实验
• 4.1.1 试验接线及主要设备
• 4.1.2 试验方法和测量量
• 4.2 试验结果及分析
• 4.2.1 正常绕组的运行特性
• 4.2.2 空载运行时定子绕组匝间短路故障试验
• 4.2.3 半载运行时定子绕组匝间短路故障试验
• 4.2.4 满载运行时定子绕组匝间短路故障试验
• 4.3 故障规律探讨
• 4.3.1 定子电流和励磁电流按短路匝数的变化情况
• 4.3.2 自适应陷波分析寻找故障特征量
• 4.4 误差分析
• 4.4.1 实验测量引起的误差
• 4.4.2 端部漏磁场的影响
• 4.4.3 叠片磁极的阻尼作用
• 4.4.4 电机制造带来的误差
• 4.5 小结
• 第五章 汽轮发电机定子绕组内部故障时的振动特性研究
• 5.1 发电机定子绕组故障时的振动机理分析
• 5.1.1 气隙磁场分析
• 5.1.2 定子振动特性分析
• 5.2 试验验证及结果分析
• 5.2.1 试验接线图
• 5.2.2 试验结果及分析
• 5.3 发电机定子绕组匝间短路故障的振动规律浅析
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 后续工作的展望
• 参考文献
• 附录: #3模拟发电机的主要参数及定子绕组分布
• 攻读硕士学位期间完成的主要论文及参与的科研项目
• 致谢