一种新的无刷发电机转子绕组匝间短路故障的检测方法

张 超，夏 立，王 林

(1.海军工程大学电气与信息工程学院，湖北武汉 430033;2.海军驻武汉701所军事代表室，湖北武汉 430064)

0 引言

转子绕组匝间短路是发电机的常见故障，会出现发电机组振动超标、无功严重降低(励磁电流超过额定要求)、转子温度高等异常运行工况，危及发电机组的安全运行。因此，有必要在故障初期给出预警或检修方案，以最大程度地减小故障损失。目前，对于发电机转子绕组匝间短路故障的检测，有较多的文献报道。文献[1]分析了定子绕组内环流的谐波成分，认为定子绕组并联支路内，奇数次谐波环流的出现和增长是转子短路故障的特征，并试验验证了随着短路情况的严重，频率为30 Hz的环流几乎成线性增长;文献[2]认为转子绕组短路故障引起定子绕组并联支路二次谐波环流的增加，且幅值随短路程度的增加而增加，但对于实际运行的发电机，并联支路的接头在发电机的机壳内，故障特征测试不方便;文献[3]将转子径向工频振动幅值作为转子匝间短路故障的特征量，但是需要对转子安装侵入式的振动传感器;文献[4]分析了转子匝间短路时励磁电流的谐波特征，但是对无刷发电机而言，发电机励磁电流不可测;文献[5]应用小波变化对探测线圈法进行改进，采用小波分析法对电势波形的一阶微分信号进行处理，通过发现信号畸(突)变点及小波变换幅值极大值处，从而判断匝间短路故障的存在及故障点的位置;但是，这种方法要求转子处于旋转状态，所以在转子安装前和半成品时不能采用，而且从调研的资料发现，国内绝大多数电厂现有及新设计的电机中，极少装有这种测量线圈，并且安装这种线圈需要的停机时间也很长。上述研究的主要缺点是故障特征不可测或者需要安装侵入式的传感器，给生产厂家和用户都带来了不便。本文针对上述缺点，提出了一种新的转子绕组匝间短路故障识别方法，测试方便，无需安装侵入式传感器，适合在线监测的要求。

本文将分析转子绕组发生匝间短路故障时，故障特征依次由定子绕组、励磁绕组、励磁机电枢绕组到励磁机励磁绕组的传递规律，得出故障情况下，励磁机励磁电流的故障特征规律，最后实测了故障模拟发电机组的试验数据。

1 转子匝间短路时的定子绕组环流特征

发电机正常运行时，励磁绕组产生的磁动势以转子工频旋转(以本文试验用故障模拟发电机为例，转速为1 500 r/min，极对数P=2)，电枢绕组感应电流产生的旋转磁动势以相同的转速和方向旋转。当发电机转子绕组发生匝间短路时，按照文献的推导假设:短路后绕组对气隙主磁场的影响相当于反向直流电产生的去磁磁场叠加在正常运行时的气隙磁场上。反向直流电大小等于正常情况下的励磁电流大小，流过反向电流线圈的跨距和匝数等于被短路线圈的跨距和匝数。考虑到短路发生位置的任意性，这里的跨距和匝数可以取不超过2π和转子线圈匝数的任意值。将坐标原点选在短路线圈的中心线与气隙圆周的交点上时，对等效的去磁磁动势进行傅里叶级数分解，则各个极对数(np=1，2，3，4…)对应的磁动势谐波成分都存在。下文将按各极对数分情况讨论。

试验电机定子绕组为三相单层绕组，同心式绕法，并联支路数为2。当np=1时，三相绕组的并联分支内将产生25 Hz的环流，且每相绕组环流的相位差为60°电角度;当np=2时，三相绕组的并联分支内无环流，每相绕组感应相位差为120°电角度的50 Hz电势;当np=3时，三相绕组的并联分支内将产生75 Hz的环流，且每相的相位差为180°电角度;当np=4时，每相绕组的线圈组的感应电动势相抵消，故定子绕组无感应电势;当np=5时，每相绕组的并联分支内产生125 Hz的环流，且每相环流的相位差为300°电角度;当np=6时，三相绕组将感应出零序频率为150 Hz的电势;当np=7时，三相绕组的并联分支内将产生175 Hz的环流，且三相环流的相位差为60°电角度。总结以上情况，可以看出:去磁磁场的奇数次谐波磁动势(np/P=1，3，5，7，…)将在定子三相绕组中依次感应出相序以正序、零序、负序的频率为np倍转子工频的电势;去磁磁场的偶数次谐波磁动势(np/P=2，4，6，8，…)在定子绕组上不产生感应电势;去磁磁场的分数次谐波磁动势(np/P=1/2，3/2，5/2，7/2，…)在定子绕组的并联支路内产生频率为np倍转子工频的环流，且三相环流相位差为np×60°电角度。

2 转子匝间短路时励磁电流的谐波特性

去磁磁场在定子绕组内感应电势，在绕组并联分支内感应环流。当发电机负载运行时，定子绕组的感应电流将产生旋转的谐波磁动势，这些谐波磁场与转子绕组发生相对运动，将在转子绕组上感应谐波电流。对于转子匝间短路故障时励磁电流谐波特性的分析已有研究[4]，但是大多数文献在分析电枢电流产生的旋转磁动势时，以整个电枢绕组为研究对象，或片面分析单相绕组即得出结果，分析结论不够准确。因为转子绕组匝间短路会在气隙磁场中产生大量的空间谐波，导致定子绕组产生三相不对称感应电势和并联分支间的环流，且环流的频率和相位差随着去磁磁场极对数的不同而不同。因此，本文将以定子绕组的基本单位——线圈为研究对象，对于不同的去磁磁场极对数，分情况分析励磁电流的谐波特性。

(1)去磁磁场极对数np=1时，定子绕组线圈通过25 Hz的电流，产生脉振磁动势，将其进行傅里叶级数分解，则各个极对数(m=1，2，3，4，…)对应的磁动势谐波成分都存在。现按极对数(m=1，2，…，7)分情况讨论。

m=1时，三相绕组的合成磁动势为:

其中:F11为磁动势幅值，ω1对应电流频率25 Hz，α为空间角度。该旋转磁动势转向与转子相同，转速为1 500 r/min，在转子绕组上不产生感应电势。

m=5时，三相绕组的合成磁动势为:

其中:F15为磁动势幅值，其转向与转子相反，转速为300 r/min，在转子绕组上感应150 Hz的电势。

m=7时，三相绕组的合成磁动势为:

其中:F17为磁动势幅值，其转向与转子相同，转速为1 500/7 r/min，在转子绕组上感应150 Hz的电势。

m=2，3，4，6 时，三相绕组的合成磁动势为零，不在转子绕组上感应电势。

(2)去磁磁场极对数np=2时，与发电机正常情况相同，转子绕组上无感应电势。

(3)去磁磁场极对数np=3时，定子绕组线圈流过75 Hz的电流，产生脉振磁动势，将其进行傅里叶级数分解，则对应各个极对数(m=1，2，3，4，…)磁动势的情况如下。

m=3时，三相绕组合成磁动势为:

其中:F33为磁动势幅值，ω2对应电流频率75 Hz。该脉振磁动势可分解为两个转向相反的旋转磁动势。在转子绕组上感应频率为150 Hz的电势。

m=1，2，4，5，6，7 时，三相绕组的合成磁动势为零，不在转子绕组上感应电势。

(4)去磁磁场极对数np=4时，无谐波电枢反应，不在转子绕组上感应电势。

(5)去磁磁场极对数np=5时，定子绕组线圈流过125 Hz的电流，产生脉振磁动势，傅里叶级数分解后，则对应各个极对数(m=1，2，3，4，…)磁动势的情况如下。

m=1时，三相绕组合成磁动势为:

其中:F51为磁动势幅值，ω3对应电流频率125 Hz。该旋转磁动势转向与转子相反，转速为7 500 r/min，在转子绕组上感应频率为150 Hz的电势。

m=5时，三相绕组合成磁动势为:

其中:F55为磁动势幅值，该旋转磁动势转向、转速与转子相同，因此不在转子上感应电势。

m=7时，三相绕组合成磁动势为:

其中:F57为磁动势幅值，该旋转磁动势转向与转子相反，转速为7 500/7 r/min，在转子上感应频率为300 Hz的电势。

m=2，3，4，6 时，三相绕组的合成磁动势为零，不在转子绕组上感应电势。

(6)去磁磁场极对数np=6时，定子绕组线圈流过150 Hz的电流，产生脉振磁动势，傅里叶级数分解后，则对应各个极对数(m=1，2，3，4，…)磁动势谐波的情况如下。

m=6时，三相绕组合成磁动势为:

其中:F66为磁动势幅值，ω4对应电流频率150 Hz。该脉振磁动势可以分解为两个转向相反的旋转磁动势。在转子绕组上感应频率为300 Hz的电势。

m=1，2，3，4，5，7 时，三相绕组的合成磁动势为零，不在转子绕组上感应电势。

(7)去磁磁场极对数np=7时，定子绕组线圈流过175 Hz的电流，产生脉振磁动势，傅里叶级数分解后，对应各个极对数(m=1，2，3，4，…)磁动势谐波的情况如下。

m=1时，三相绕组合成磁动势为:

其中:F71为磁动势幅值，ω5对应电流频率175 Hz。该旋转磁动势转向与转子相同，转速为10 500 r/min，在转子绕组上感应150 Hz的电势。

m=5时，三相绕组合成磁动势为:

其中:F75为磁动势幅值。该旋转磁动势转向与转子相反，转速为2 100 r/min，在转子绕组上感应出频率为300 Hz的电势。

m=7时，三相绕组合成磁动势为:

其中:F77为磁动势幅值。该旋转磁动势转向、转速与转子相同，故不在转子绕组上感应电势。

m=2，3，4，6 时，三相绕组的合成磁动势为零，不在转子绕组上感应电势。

综合以上情况可以看出，转子绕组上感应出频率为150、300 Hz的电势，其中励磁电流中的故障频率特征以150 Hz为主。

3 转子匝间短路时励磁机励磁电流谐波特性

发电机励磁绕组上感应出的150 Hz电势对于励磁机而言是一个谐波源。谐波通过旋转整流器、励磁机气隙传递到励磁机定子绕组侧，如图1所示。本文试验用发电机组内励磁机转子极对数P=7，电枢电流的基频为175 Hz。

图1 谐波传递原理图

发电机转子绕组上的感应电流相对励磁电流而言很小，若忽略旋转整流器上二极管的导通压降，则可以近似认为频率为150 Hz的谐波能线性地传递到整流器的交流侧。此时假设谐波电流源为直流(相对励磁电流仍为小信号)，则经过逆变传递到交流侧后，励磁机每相电枢绕组上流过频率为175 Hz的周期信号，且相位差仍为120°，相序不变，如图2所示。

图2 励磁机三相电枢绕组谐波电流

将每相电流进行傅里叶级数分解，并将各次电流的幅值乘以sin(ωat)，此处ωa为150 Hz谐波对应的角速度;再进行三角函数的积化和差计算，可得到励磁机电枢绕组谐波电流的基波频率为(175±150)Hz，且相位差为 120°，相序不变。上述三相电流在励磁机气隙中产生旋转磁场，转向与转子相同，转速分别为 1 500/7 r/min、19 500/7 r/min。两个旋转磁动势都在励磁机励磁绕组上感应出150 Hz的谐波电势。即转子匝间短路时，励磁机励磁电流的故障特征频率为150 Hz。也就是说，发电机转子绕组上的频率特征可以传递到励磁机励磁绕组上。

4 故障模拟试验结果与分析

利用8 kW发电机故障模拟平台进行了发电机转子绕组短路试验。具体参数如下:额定容量10 kVA，额定转速nr=1 500 r/min，由直流电动机拖动，极对数取P=3，相数为3，定子槽数为36，转子槽数为分度槽24，利用槽16(每极大齿占2槽)，转子绕组5%，15%，35%，60%部位引出4个抽头，可模拟转子匝间短路故障。将转子绕组5%和35%处抽头连接，试验波形如图3所示。

图3 空载运行时正常和故障情况下发电机励磁电流频谱

由图3可看出，转子绕组短路时，发电机励磁电流中频率为150 Hz的谐波分量增长非常明显。图4为发电机带阻性负载(R=75)运行时的试验波形。可看出，故障后频率为150 Hz的谐波分量变化不大，即该故障特征对负载影响不敏感。

图4 负载运行时正常和故障情况下发电机励磁电流频谱

进一步观测励磁机励磁电流，并比较故障情况下，发电机励磁电流和励磁机励磁电流的频谱，如图5所示，可以发现:

(1)都出现25 Hz、50 Hz和150 Hz的谐波成分增长，以150 Hz谐波增长最为明显;

(2)三个故障特征频率幅值的大小关系在不同的工况下都保持一致，故障特征从发电机励磁绕组传递到了励磁机励磁绕组。

由以上分析可得，试验结果与理论分析一致。

图5 空载故障情况下发电机励磁电流和励磁机励磁电流的频谱

5 结语

转子绕组匝间短路时，在定子绕组的并联支路内产生频率为np倍转子工频的环流，且三相环流相位差为 np×60°电角度，np=1，3，5，7，…。发电机励磁电流中150 Hz的频率分量增长最大，该故障特征将传递到励磁机励磁绕组上，且受负载情况的影响不大。因此，可以通过观测励磁机励磁电流的方法来检测发电机转子绕组匝间短路故障。该方法不需要侵入式传感器，操作方便，适合在线检测和诊断。

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