CN104569733A - 一种确定电机励磁绕组匝间短路故障位置的方法 - Google Patents

Abstract

一种确定电机励磁绕组匝间短路故障位置的方法，所述方法在同步电机运行过程中采集定子绕组一条支路的电流信号，并对该信号进行快速傅立叶变换，得到其各次谐波幅值，然后从中找到作为故障特征谐波的由励磁绕组匝间短路引起的定子支路谐波电流，并计算不同次数的故障特征谐波电流幅值之比，最后将该比值与事先通过仿真得到的比值进行比较，找到与该比值相对应的故障，从而确定存在匝间短路故障的线圈。本发明无需在电机定子膛内安装探测线圈就可实现励磁绕组匝间短路故障的定位，具有定位准确度高、适用范围广等优点。本发明可帮助维修人员精确定位励磁绕组匝间短路故障，为及时排除安全隐患，防止短路故障进一步蔓延创造了有利条件。

Description

一种确定电机励磁绕组匝间短路故障位置的方法

技术领域

本发明涉及一种能够确定同步电机励磁线圈匝间短路故障位置的方法，属于电机技术领域。

背景技术

同步电机广泛应用于电力***、工业化生产等领域，励磁线圈匝间短路故障是同步电机的频发故障，该故障有静态匝间短路和动态匝间短路两种情况。

静态匝间短路不随转子转动状态和运行工况而变化，可在停机时检测出来。大型同步电机静态匝间短路故障的检测与定位已有较成熟的方法，一般通过常规实验，如基于转子绕组的交流阻抗和功率损耗试验、转子绕组极平衡试验、RSO重复脉冲试验等来确定匝间短路的程度及位置。

基于转子绕组的交流阻抗和功率损耗试验的基本原理是：在转子绕组两端施加交流电压，当励磁绕组存在匝间短路时，与电机正常时相比，转子的交流阻抗下降，而功率损耗增加，依此来判断励磁绕组是否存在匝间短路以及匝间短路的严重程度。

转子绕组极平衡试验的基本原理是：分别测量每个磁极下绕组两端的电压，当不同磁极下的电压差超过标准要求时，可初步判断存在匝间短路线圈所在的磁极。

RSO重复脉冲试验的基本原理是：在转子两极注入脉冲，当转子绕组完全对称，不存在匝间短路时，由转子两极注入的脉冲是基本重叠的，其合成的特性曲线应为一条几乎完全重合的曲线；当励磁绕组存在匝间短路时，由转子两极注入的脉冲信号就会存在偏差，偏差越大，匝间短路程度越严重。

通过上述方法确定励磁绕组存在匝间短路后，可采用直流电压法测量各个线圈的电压，再通过比较和计算即可确定匝间短路的位置。但采用直流电压法测量线圈电压只适合于具有辐向通风孔的转子，而对于其它型式的转子，需要拆下套箍才能进行此试验。

动态匝间短路是由于转子高速旋转过程中绕组间的相互挤压及移位变形、励磁绕组的热变形、通风不良引起的局部过热以及金属异物等引起的。动态匝间短路只有在转子旋转的过程中才表现出来，当电机停转时很难利用上述常规实验检测出来。目前，检测动态匝间短路常用的方法是气隙线圈探测法。

气隙线圈探测法是预先在发电机定子膛的通风沟处安装一个探测线圈，并使其尽量靠近转子铁芯，当转子旋转时，该探测线圈可以检测到气隙中磁场的变化情况，对气隙旋转磁场进行微分，然后通过分析微分波形就可以诊断转子绕组是否存在匝间短路故障以及故障槽的位置。该方法适合在电机空载及机端三相对称短路时监测发电机转子是否存在匝间短路以及判断短路的严重程度及位置。但是目前绝大多数电机出厂时未装设探测线圈，在已经投运的电机上加装该线圈十分困难，也较难被用户所接受，使该方法的应用范围受到了限制。

总之，尽管国内外对同步电机励磁绕组匝间短路故障的检测十分重视，但利用现有的各种方法实现匝间短路线圈的定位，尤其是动态匝间短路的定位还存在一定的困难。因此有必要进一步进行研究。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种确定电机励磁绕组匝间短路故障位置的方法，以及时排除安全隐患，防止短路故障进一步蔓延。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种确定电机励磁绕组匝间短路故障位置的方法，所述方法在同步电机运行过程中采集定子绕组一条支路的电流信号，并对该信号进行快速傅立叶变换，得到其各次谐波幅值，然后从中找到作为故障特征谐波的由励磁绕组匝间短路引起的定子支路谐波电流，并计算不同次数的故障特征谐波电流幅值之比，最后将该比值与事先通过仿真得到的比值进行比较，找到与该比值相对应的故障，从而确定存在匝间短路故障的线圈。

上述确定电机励磁绕组匝间短路故障位置的方法，它按以下步骤进行：

a.针对电机的具体结构，确定由励磁绕组匝间短路在定子支路电流中引起的谐波次数，从中选择部分谐波电流作为故障特征谐波电流；

b.计算不同故障特征谐波幅值的比值，并将各个线圈分别匝间短路时的比值建立数据库，ν₁次故障特征谐波与ν₂次故障特征谐波幅值的比值的计算公式为:

$\frac{{\mathrm{\ΔI}}_{{\mathrm{av}}_1}}{{\mathrm{\ΔI}}_{{\mathrm{av}}_2}}=\frac{k_{v1}{k}_{\mathrm{dpv}1}}{k_{v2}{k}_{\mathrm{dpv}2}}\frac{{k_{\mathrm{dpv}2}}^2\·x_a+{v_2}^2{k_{\mathrm{dp}1}}^2{x}_{\mathrm{\σ}}}{{k_{\mathrm{dpv}1}}^2\·x_a+{v_1}^2{k_{\mathrm{dp}1}}^2{x}_{\mathrm{\σ}}}\frac{\sin \left(v_1{\mathrm{\β}}_j\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)}{\sin \left(v_2{\mathrm{\β}}_j\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)};$

其中，β_j为第j个励磁线圈的短距比，k_dp1为定子绕组基波的绕组因数，k_dpν1为定子绕组ν₁次谐波的绕组因数，k_dpν2为定子绕组ν₂次谐波的绕组因数，x_a、x_σ分别为每相电枢反应电抗和漏抗，k_ν1、k_ν2分别为计算ν₁、ν₂次谐波电势的系数；

c.利用电气参数数据采集仪采集同步电机运行过程中的定子支路电流信号，并对该信号进行快速傅立叶变换，获得定子绕组支路电流频谱图，进而得到定子支路电流的各次谐波幅值；

d.利用步骤c所获得的谐波幅值数据，按照步骤b的计算方法，计算被测电机不同故障特征谐波幅值之比；

e.将步骤d的计算结果与步骤b的计算结果相比对，在步骤b所建立的数据库中找到与步骤d的计算结果相对应的比值，则该比值所对应的线圈匝间短路故障即为被检测电机的故障，因此可确定出匝间短路线圈的位置。

本发明无需在电机定子膛内安装探测线圈就可实现励磁绕组匝间短路故障的定位，具有定位准确度高、适用范围广等优点。本发明可帮助维修人员精确定位励磁绕组匝间短路故障，为及时排除安全隐患，防止短路故障进一步蔓延创造了有利条件。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是转子槽及绕组编号示意图；

图2是模型机试验接线图；

图3是定子线电流(1)、A相两条支路电流(2)和(3)、A相两条支路间的环流(4)波形图。

文中各符号表示为：β_j为第j个励磁线圈的短距比，k_dp1为定子绕组基波的绕组因数，k_dpν1为定子绕组ν₁次谐波的绕组因数，k_dpν2为定子绕组ν₂次谐波的绕组因数，x_a和x_σ分别为每相电枢反应电抗和漏抗，k_ν1、k_ν2分别为计算ν₁、ν₂次谐波电势的系数，2p为磁极数，M是每个磁极下的励磁线圈总数，ν为谐波次数，i_f为励磁电流，w_ni为第n个磁极下第i个励磁线圈的有效匝数，β_ni为第n个磁极下第i个励磁线圈的短距比，f_ν为ν次谐波电势和电流的频率,n₁为转子转速,f为基波频率,和分别为一条支路和一个线圈组的ν次谐波电势,q为定子每极每相槽数,N_c为定子一个线圈的匝数,k_dpν为定子绕组ν次谐波的绕组因数,Φ_ν为每个极下的ν次谐波磁通量,τ为定子极距,l_ef为定子铁芯有效长度,F_ν为ν次谐波励磁磁势幅值,Λ为单位面积的气隙磁导,x_aν和x_σν分别为与ν次谐波电流对应的定子支路电枢反应电抗和漏抗,m为相数，N为一相绕组的串联匝数，a为定子一相绕组的并联支路数，μ₀为真空磁导率，δ_ef为气隙有效长度，L_σ为一相绕组的漏电感。

具体实施方式

确定电机励磁绕组匝间短路故障位置的方法所依据的原理如下：

任意极对数隐极同步电机的励磁磁动势，其通用表达式为：

$F\left(x\right)=\underset{n=1}{\overset{2p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{v=\frac{1}{p},\frac{2}{p},\frac{3}{p}...}{\mathrm{\Σ}}{A}_{\mathrm{vni}}\cos v(x-(n-1)\mathrm{\π})---\left(1\right)$

其中 $A_{\mathrm{vni}}={(-1)}^{n-1}\frac{2}{\mathrm{vp\π}}{w}_{\mathrm{ni}}{i}_f\sin \left(\frac{{\mathrm{v\β}}_{\mathrm{ni}}\mathrm{\π}}{2}\right)$

式(1)中：2p为磁极数；M是每个磁极下的励磁线圈总数；ν为谐波次数；i_f为励磁电流；w_ni为第n个磁极下第i个励磁线圈的有效匝数；β_ni为第n个磁极下第i个励磁线圈的短距比，且

β_1i＝β_2i＝......＝β_2pi＝β_i。

电机无故障，励磁绕组正常时的励磁磁动势为：

式(2)表明，励磁绕组正常时励磁磁动势只含有奇数次谐波，没有其它次数的谐波。

励磁绕组匝间短路时，励磁线圈有效匝数w′_1i比绕组正常时减少。同步电机励磁绕组匝间短路后的励磁磁动势为：

由式(3)可见，与健康电机相比，当励磁绕组匝间短路后，励磁磁动势中除含有奇数次谐波外，还出现了偶数次和分数次谐波，即次谐波，且谐波次数与电机的极对数p有关。

当励磁绕组只有一个线圈存在匝间短路时，假设第1个磁极下的第j个线圈中存在匝间短路，短路匝数为Δw_1j＝w_1j-w′_1j。由式(3)和式(2)可以得到励磁磁势中的各次谐波幅值与正常电机相比时的变化量为：

${\mathrm{\ΔF}}_v=-\frac{2}{\mathrm{vp\π}}{i}_f{\mathrm{\Δw}}_{1j}\sin \left(\frac{{\mathrm{v\β}}_j\mathrm{\π}}{2}\right)---\left(4\right)$

因此，励磁磁势中不同次数(如：ν₁与ν₂)谐波幅值变化量的比值为：

$\frac{{\mathrm{\ΔF}}_{v_1}}{{\mathrm{\ΔF}}_{v_2}}=\frac{v_2\sin \left(v_1{\mathrm{\β}}_j\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)}{v_1\sin \left(v_2{\mathrm{\β}}_j\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)}---\left(5\right)$

由式(5)可见，不同次数谐波的磁势幅值变化量的比值仅与短路线圈的位置有关，与短路线圈的匝数及励磁电流无关。

励磁磁势产生励磁磁场，励磁磁场随转子同步旋转，切割定子绕组，在定子绕组中感应电势，产生电流。当电机无故障，励磁绕组正常时，气隙磁场中只有奇数次谐波，定子绕组支路电势和电流中也只有奇数次谐波。励磁绕组的匝间短路使得电机中出现了各个极对数的谐波，它们与转子同步旋转，切割定子绕组，在定子绕组的每个线圈中感应相应的谐波电势，其频率为

$f_v=\frac{{\mathrm{vpn}}_1}{60}=\mathrm{vf}---\left(6\right)$

其中：n₁为转子转速；f为基波频率；ν为谐波次数，

同样定子的每个线圈组中也包含等各次谐波电势，而定子支路电势中的谐波含量与其串联的线圈组数及其位置有关。因此，不同的定子绕组结构，其支路电势和电流中的谐波含量也不同。

容量较大的隐极同步电机的定子绕组一般采用双层叠绕组。假设电机有2p个磁极，则定子绕组每相有2p个线圈组。常见的定子绕组结构形式有：一相的支路数为2p、一相的支路数为p、一相只有一条支路、一相绕组的支路数位于1和2p之间。

若定子一相有2p条支路，则一条支路中只有1个线圈组，此时支路电势等于一个线圈组的电势，即

${\stackrel{.}{E}}_{\mathrm{av}}={\stackrel{.}{E}}_{\mathrm{qv}}---\left(7\right)$

其中，和分别为一条支路和一个线圈组的ν次谐波电势。

所以定子支路电势中含有各次谐波磁场感应的电势，即含有等各次谐波。因此，选择偶数次以及分数次谐波作为励磁线圈匝间短路的故障特征量。

若定子一相有p条支路，一条支路由相邻磁极下的两个线圈组反向串联而成。支路中ν次谐波电势的大小为

E_aν＝2E_qνsinν90°  (8)

由式(8)可见：当ν为偶数时，E_aν＝0；当ν为奇数以及分数时，E_aν≠0。因此，当定子一相有p条支路时，支路电势中含有奇数次和分数次谐波，不含偶数次谐波。所以，选择分数次谐波作为励磁线圈匝间短路的故障特征量。

若定子一相只有一条支路(实际的大容量电机较少采用)，一条支路中有2p个线圈组，此时相邻两个磁极下的线圈组反向串联，各对极下的线圈组再顺次串联起来。一条支路中ν次谐波电势的大小为

当ν为奇数时，

当ν为偶数和分数时，E_aν＝0；

所以，当一相只有一条支路时，支路电势中只含有奇数次谐波，不含偶数次和分数次谐波。此时，选择较高次数的谐波作为故障特征量。

若一相绕组的支路数位于1和2p之间，当一条支路中串联的线圈组数为偶数，情况与一相有p条支路相同，支路电势中含有奇数次及分数次谐波，没有偶数次谐波，选择分数次谐波作为励磁线圈匝间短路的故障特征量。当一条支路中串联的线圈组数为奇数，且相邻的线圈组串联联接，如六极电机定子有两条并联支路，则支路ν次谐波电势：

当ν为奇数时，E_aν＝3E_qν；

当ν为偶数时，E_aν＝E_qν；

当ν为分数时，若则E_aν＝0；若则E_aν＝2E_qν。

可见，支路电势中含有所有整数次谐波以及部分分数次谐波。因此，选择偶数次以及部分分数次谐波作为励磁线圈匝间短路的故障特征量。

综上所述，若一相有2p条支路，则选择偶数次以及分数次谐波作为励磁线圈匝间短路的故障特征量；若一相有p条支路，则选择分数次谐波作为励磁线圈匝间短路的故障特征量；若一相绕组的支路数位于1和2p之间，可视具体的绕组结构来确定。

通过上面的分析可知：不同的绕组结构，支路谐波电势的值也不同，与绕组结构和谐波次数有关。可统一表示为：

$E_{\mathrm{av}}=k_v{E}_{\mathrm{qv}}=k_v\sqrt{2}\mathrm{\πvfq}{N}_c{k}_{\mathrm{dpv}}{\mathrm{\Φ}}_v\≈k_{v}2\sqrt{2}\mathrm{fq}{N}_c{k}_{\mathrm{dpv}}{l}_{\mathrm{ef}}\mathrm{\τ\Λ}{F}_v---\left(10\right)$

式(10)中，k_ν为与定子绕组结构和谐波次数有关的量；q为定子每极每相槽数；N_c为定子一个线圈的匝数；k_dpν为ν次谐波绕组因数；Φ_ν为每个极下的ν次谐波磁通量；τ为定子极距；l_ef为定子铁芯有效长度；F_ν为ν次谐波励磁磁势幅值；Λ为单位面积的气隙磁导。

因此，定子支路中不同谐波次数电势变化量大小之比为

$\frac{{\mathrm{\ΔE}}_{\mathrm{av}1}}{{\mathrm{\ΔE}}_{\mathrm{av}2}}=\frac{k_{v1}{\mathrm{\ΔE}}_{\mathrm{qv}1}}{k_{v2}{\mathrm{\ΔE}}_{\mathrm{qv}2}}=\frac{k_{v1}{k}_{\mathrm{dpv}1}}{k_{v2}{k}_{\mathrm{dpv}2}}\frac{{\mathrm{\ΔF}}_{v1}}{{\mathrm{\ΔF}}_{v2}}=\frac{k_{v1}{k}_{\mathrm{dpv}1}}{k_{v2}{k}_{\mathrm{dpv}2}}\frac{v_2\sin \left(v_1{\mathrm{\β}}_j\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)}{v_1\sin \left(v_2{\mathrm{\β}}_j\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)}---\left(11\right)$

由上式可见，比值与一样，只与励磁线圈短路位置有关，与励磁电流和短路匝数无关。

根据电路和电机学的基本理论：定子支路电流与支路电势的谐波含量相同。由励磁绕组匝间短路引起的定子支路中的特征谐波电流可表示为：

${\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{av}}=\frac{{\stackrel{.}{E}}_{\mathrm{av}}}{z_{\mathrm{av}}}=\frac{{\stackrel{.}{E}}_{\mathrm{av}}}{r+{\mathrm{jx}}_{\mathrm{av}}+{\mathrm{jx}}_{\mathrm{\σv}}}\≈\frac{{\stackrel{.}{E}}_{\mathrm{av}}}{{\mathrm{jx}}_{\mathrm{av}}+{\mathrm{jx}}_{\mathrm{\σv}}}---\left(12\right)$

其中r，z_aν分别为该支路的电阻，ν次谐波电流、电势和阻抗；x_aν为νp对极圆形旋转磁场对应的支路电抗；x_σν为与该支路ν次谐波电流对应的ν次谐波漏抗。可见，支路电流中的特征谐波与负载大小无关,在励磁电流相同的情况下，不随负载的变化而变化。

电抗x_aν和x_σν的表达式类似于基波电枢反应电抗和漏抗，为：

$x_{\mathrm{av}}=a\·2\mathrm{\π}{f}_v\frac{2m{\mathrm{\μ}}_0{N}^2}{{\mathrm{\π}}^{2}p}\frac{{\mathrm{\τl}}_{\mathrm{ef}}}{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ef}}}{\left(\frac{k_{\mathrm{dpv}}}{v}\right)}^2=a\·4f\frac{{\mathrm{m\μ}}_0{N}^2}{\mathrm{\πp}}\frac{{\mathrm{\τl}}_{\mathrm{ef}}}{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ef}}}\frac{{k_{\mathrm{dpv}}}^2}{v}=a\·\frac{1}{v}\frac{{k_{\mathrm{dpv}}}^2}{{k_{\mathrm{dpv}1}}^2}\·x_a---\left(13\right)$

x_σν＝a·2πf_νL_σ＝a·2πνfL_σ＝a·νx_σ  (14)

上两式中，m为相数，N为一相绕组的串联匝数，a为定子一相绕组的并联支路数，μ₀为真空磁导率，δ_ef为气隙有效长度，k_dp1为基波绕组因数，L_σ为一相绕组的漏电感，x_a和x_σ分别为基波电流对应的每相电枢反应电抗和漏抗。

当定子电阻可以忽略时，由于励磁绕组匝间短路在定子绕组支路中引起的不同次数特征谐波电流之比为：

$\frac{{\mathrm{\ΔI}}_{{\mathrm{av}}_1}}{{\mathrm{\ΔI}}_{{\mathrm{av}}_2}}=\frac{{\mathrm{\ΔE}}_{\mathrm{av}1}}{{\mathrm{\ΔE}}_{\mathrm{av}2}}\frac{x_{\mathrm{av}2}+x_{\mathrm{\σv}2}}{x_{\mathrm{av}1}+x_{\mathrm{\σv}1}}=\frac{k_{v1}{k}_{\mathrm{dpv}1}}{k_{v2}{k}_{\mathrm{dpv}2}}\frac{{k_{\mathrm{dpv}2}}^2\·x_a+{v_2}^2{k_{\mathrm{dp}1}}^2{x}_{\mathrm{\σ}}}{{k_{\mathrm{dpv}1}}^2\·x_a+{v_1}^2{k_{\mathrm{dp}1}}^2{x}_{\mathrm{\σ}}}\frac{\sin \left(v_1{\mathrm{\β}}_j\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)}{\sin \left(v_2{\mathrm{\β}}_j\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)}=k\frac{\sin \left(v_1{\mathrm{\β}}_j\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)}{\sin \left(v_2{\mathrm{\β}}_j\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)}---\left(15\right)$

$k=\frac{k_{v1}{k}_{\mathrm{dpv}1}}{k_{v2}{k}_{\mathrm{dpv}2}}=\frac{{k_{\mathrm{dpv}2}}^2\·x_a+{v_2}^2{k_{\mathrm{dp}1}}^2{x}_{\mathrm{\σ}}}{{k_{\mathrm{dpv}1}}^2\·x_a+{v_1}^2{k_{\mathrm{dp}1}}^2{x}_{\mathrm{\σ}}}$

由式(4)、(10)和(12)可见，励磁绕组匝间短路后，定子支路电流中各次谐波有效值的变化量与励磁绕组短路匝数的多少以及存在匝间短路线圈的短距因数成正比。励磁绕组短路匝数越多，定子支路电流各次谐波的变化量越大；励磁绕组存在匝间短路线圈的位置(短距比)不同，定子支路电流各次谐波的变化量也不同。由于系数k_ν、绕组因数k_dpν仅与定子绕组结构有关，而x_a和x_σ为电机正常时的值，所以系数k与励磁绕组匝间短路无关。因此，由式(15)可知：当匝间短路发生在不同的励磁线圈时，上述支路电流变化量的比值是不一样的。

因此，根据电机运行过程中，定子支路电流中特征谐波较正常情况时的变化量可以诊断励磁绕组是否存在匝间短路以及匝间短路的程度；将定子支路电流中不同特征谐波幅值变化量之比与事先得到的比值进行比较，即可判定励磁线圈匝间短路的位置。

本发明以广泛应用的定子相绕组具有两条及其以上并联支路的隐极同步电机作为研究对象，通过以下步骤可实现励磁绕组匝间短路线圈的定位。

1)根据电机结构，首先选择定子支路电流中的谐波特征量。例如：对于采用双层叠绕组常规结构的隐极同步电机，若是一对极的电机(如汽轮发电机)，可选择定子支路中的偶次谐波电流(2次和4次)作为励磁绕组匝间短路的故障特征量；若是两对极电机，可选择等分数次谐波作为励磁绕组匝间短路的故障特征量；若是三对极电机，当定子有3条并联支路时，可选择等分数次谐波，当定子有2条并联支路时，可选择等分数次谐波以及偶数次谐波作为励磁绕组匝间短路的故障特征量。

2)计算定子支路电流中不同特征谐波幅值变化量的比值并将各个线圈分别匝间短路时的比值建立数据库。

$\frac{{\mathrm{\ΔI}}_{{\mathrm{av}}_1}}{{\mathrm{\ΔI}}_{{\mathrm{av}}_2}}=\frac{k_{v1}{k}_{\mathrm{dpv}1}}{k_{v2}{k}_{\mathrm{dpv}2}}\frac{{k_{\mathrm{dpv}2}}^2\·x_a+{v_2}^2{k_{\mathrm{dp}1}}^2{x}_{\mathrm{\σ}}}{{k_{\mathrm{dpv}1}}^2\·x_a+{v_1}^2{k_{\mathrm{dp}1}}^2{x}_{\mathrm{\σ}}}\frac{\sin \left(v_1{\mathrm{\β}}_j\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)}{\sin \left(v_2{\mathrm{\β}}_j\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)};$

3)利用电气参数数据采集仪采集同步电机运行过程中的定子支路电流信号，并对该信号进行快速傅立叶变换，得到定子绕组支路电流频谱图，获得定子支路电流的各次谐波幅值；

4)选择与第二步相同的定子绕组支路电流中的特征谐波次数，计算第三步获得的定子支路中不同特征谐波电流幅值之比

5)将第四步的计算结果与第二步的计算结果相比对，在第二步所建立的数据库中找到与第四步的计算结果相接近的比值，则该比值所对应的线圈匝间短路故障即为被检测电机的故障，因此可确定出匝间短路线圈的位置。

下面以一台实验室30kVA的六极隐极同步发电机的故障模拟机为例说明上述具体实施方案：

30kVA同步发电机的励磁线圈按图1所示的顺序编号，定子有54个槽，定子绕组采用双层叠绕组，每相绕组采用2路并联结构、一条支路由3个线圈组串联联接。

第1步：根据该电机的定子绕组结构，选择定子支路电流中的次谐波作为励磁绕组匝间短路的故障特征量；

第2步：采用 $\frac{{\mathrm{\ΔI}}_{{\mathrm{av}}_1}}{{\mathrm{\ΔI}}_{{\mathrm{av}}_2}}=\frac{k_{v1}{k}_{\mathrm{dpv}1}}{k_{v2}{k}_{\mathrm{dpv}2}}\frac{{k_{\mathrm{dpv}2}}^2\·x_a+{v_2}^2{k_{\mathrm{dp}1}}^2{x}_{\mathrm{\σ}}}{{k_{\mathrm{dpv}1}}^2\·x_a+{v_1}^2{k_{\mathrm{dp}1}}^2{x}_{\mathrm{\σ}}}\frac{\sin \left(v_1{\mathrm{\β}}_j\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)}{\sin \left(v_2{\mathrm{\β}}_j\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)}$ 计算不同励磁线圈分别短路时，定子支路电流中不同次数谐波幅值之比，其结果如表1所示。

表1 定子支路电流的各次谐波幅值之比

第3步：实验

对上述动模实验室30kVA同步发电机进行了励磁绕组匝间短路实验，其中原动机部分与模型机的励磁部分均通过三相电源调压整流得到，实验接线如图2所示。

由于机组转子绕组的出线所限，只进行了转子1号线圈的匝间短路实验，采集了定子线电流和分支电流的波形。定子线电流(1)、A相两条支路电流(2)和(3)、A相两条支路间的环流波形(4)如图3所示，根据频谱分析结果计算得到的比值为： 实验结果与理论计算结果相比较，可判断1号线圈匝间短路，与实际情况一致。

一般情况下，先判断电机励磁绕组是否存在匝间短路故障，然后再对故障进行定位。同步电机励磁绕组是否存在匝间短路故障可以采用综合检测不同故障特征的方法来判断：如果定子支路电流中出现了由励磁绕组匝间短路引起的特征谐波；且电机并网运行时励磁电流增大而无功功率不变或者下降，则依据电机的在线监测物理量(包括有功功率、无功功率、定子电压和电流、励磁电压等)计算出励磁电流的理论值，励磁电流的理论计算值与实测值的相对偏差超过了预先设置的阈值(阈值设定为3％)；定转子振动出现异常，且转子的轴振值随励磁电流的变化而变化，转子的轴振值与励磁电流之间存在明显的正相关性或随动性；出现上述特征时即可诊断励磁绕组存在匝间短路故障,且特征量越大,故障程度越严重。

励磁电流的理论计算值可采用下述方法计算：基于人工神经网络计算转子励磁电流。首先采集发电机正常运行时励磁电压、励磁电流、有功功率、无功功率、定子电压、定子电流等数据，并将此数据作为神经网络的学习样本，利用神经网络的学习记忆功能建立励磁电流与机端信息(如定子电压、定子电流、有功功率、无功功率、励磁电压)的数学模型；然后将实测的定子电压、定子电流、有功功率、无功功率、励磁电压等数据输入神经网络，辨识得到励磁电流的理论计算值。

Claims (2)

1.一种确定电机励磁绕组匝间短路故障位置的方法，其特征是，所述方法在同步电机运行过程中采集定子绕组一条支路的电流信号，并对该信号进行快速傅立叶变换，得到其各次谐波幅值，然后从中找到作为故障特征谐波的由励磁绕组匝间短路引起的定子支路谐波电流，并计算不同次数的故障特征谐波电流幅值之比，最后将该比值与事先通过仿真得到的比值进行比较，找到与该比值相对应的故障，从而确定存在匝间短路故障的线圈。

2.根据权利要求1所述的一种确定电机励磁绕组匝间短路故障位置的方法，其特征是，它按以下步骤进行：

a.针对电机的具体结构，确定由励磁绕组匝间短路在定子支路电流中引起的谐波次数，从中选择部分谐波电流作为故障特征谐波电流；

b.计算不同故障特征谐波幅值的比值，并将各个线圈分别匝间短路时的比值建立数据库，ν₁次故障特征谐波与ν₂次故障特征谐波幅值的比值的计算公式为:

$\frac{{\mathrm{\ΔI}}_{{\mathrm{av}}_1}}{{\mathrm{\ΔI}}_{{\mathrm{av}}_2}}=\frac{k_{v1}{k}_{\mathrm{dpv}1}}{k_{v2}{k}_{\mathrm{dpv}2}}\frac{{k_{\mathrm{dpv}2}}^2\·x_a+{v_2}^2{k_{\mathrm{dp}1}}^2{x}_{\mathrm{\σ}}}{{k_{\mathrm{dpv}1}}^2\·x_a+{v_1}^2{k_{\mathrm{dp}1}}^2{x}_{\mathrm{\σ}}}\frac{\sin \left(v_1{\mathrm{\β}}_j\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)}{\sin \left(v_2{\mathrm{\β}}_j\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)};$

其中，β_j为第j个励磁线圈的短距比，k_dp1为定子绕组基波的绕组因数，k_dpν1为定子绕组ν₁次谐波的绕组因数，k_dpν2为定子绕组ν₂次谐波的绕组因数，x_a、x_σ分别为每相电枢反应电抗和漏抗，k_ν1、k_ν2分别为计算ν₁、ν₂次谐波电势的系数；

c.利用电气参数数据采集仪采集同步电机运行过程中的定子支路电流信号，并对该信号进行快速傅立叶变换，获得定子绕组支路电流频谱图，进而得到定子支路电流的各次谐波幅值；

d.利用步骤c所获得的谐波幅值数据，按照步骤b的计算方法，计算被测电机不同故障特征谐波幅值之比；

e.将步骤d的计算结果与步骤b的计算结果相比对，在步骤b所建立的数据库中找到与步骤d的计算结果相对应的比值，则该比值所对应的线圈匝间短路故障即为被检测电机的故障。