双馈异步发电机定子匝间短路故障诊断研究

马宏忠， 张志艳， 张志新， 钱雅云

(1.河海大学能源与电气学院，江苏 南京 210098;2.河海大学可再生能源发电技术教育部工程中心，江苏 南京 211100;3.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102)

0 引言

双馈异步发电机是风力发电的主力机型［1－3］，因其运行环境较恶劣，其故障率较高，因此，研究双馈异步发电机的故障诊断技术，以便在故障早期发现故障并及时进行维修，对提高风电场运行稳定性和供电的可靠性有着重要的意义，对智能电网和微网的发展有一定的促进作用。

目前，国内外专门针对双馈异步发电机本身故障诊断的研究比较少。国内对双馈异步风力发电系统的研究主要集中在三个方面:发电机组旋转系统故障引起的振动异常［4－5］、风电变流器故障［6－7］、低电压穿越情况下双馈异步风力发电机性能［2，8－9］。而对风力发电机组本身故障的研究主要在国外，有以下几方面:文献［10］提出通过测转子电流谐波和搜索线圈电压的方法来分析定子匝间故障;文献［11］通过监测定子电流与转子电流来分析定转子绕组不平衡故障和定子绕组匝间短路故障;文献［12］提出将线性动态系统总误差理论用于双馈风力发电机故障，并进行了仿真分析;文献［13］提出分析转子电流调制信号来检测定子绕组故障。

定子绕组匝间短路约占定子故障50%，是最常见最严重的故障之一［14］。本文在上述文献的基础上，利用有限元分析方法，建立了双馈异步发电机模型，对双馈异步发电机发生定子绕组匝间短路故障后发电机定子电流进行分析，发现定子绕组匝间短路故障后，定子电流中会产生额外的负序电流分量，并对定子负序电流的大小及受影响的因素进行分析和研究。

1 匝间短路故障特征量的选取

假设发电机一单匝线圈载有电流ig，其磁动势可以看作两根导体磁动势的合成，且两根导体电流大小相等，方向相反。经推导，可得出单匝线圈磁动势的傅里叶级数展开式为

式中:kyf=sin()为线圈节距因数;αy为两根导体相隔的空间电角度;对于短距线圈，v=，…，而对于整距线圈，v=，…，且 v≠2，4，6，…。

正常情况下，对于理想发电机，其定子三相绕组磁动势为一正向旋转圆形磁动势，它在定子三相绕组中感应出正序电流。当发电机定子绕组发生匝间短路故障时，假设在短路匝上叠加一个与原电流方向同向的电流，将它在气隙中建立的磁场与正常情况下的发电机磁场进行叠加，即形成匝间短路情况下的电机磁场。

假设在短路匝上叠加电流if=，根据式(1)，其磁动势可以表示为

式中:ω=2πf1为电源角频率。

式(2)表明，短路匝叠加电流if的磁动势为一脉振磁动势，它可分解为两个幅值相等，转速相同但转向相反的圆形旋转磁动势。其中，正向旋转的圆形旋转磁动势将在定子三相绕组中感应出正序电流，反向旋转的圆形旋转磁动势则感应出负序电流。也就是说发电机定子某相绕组发生匝间短路故障后，会产生定子负序电流。据此，选取定子负序电流作为发电机定子绕组匝间短路故障的特征量，可以有效的诊断发电机的定子故障。

2 匝间短路故障的模拟方法

发电机的定子绕组发生匝间短路故障后，其阻抗参数随之发生变化，通过对故障后阻抗参数的计算即可实现对匝间短路故障类型和故障程度的定量分析。

由文献［15］可知，定子绕组每相电阻为

式中:N1为每相串联的匝数;lc为线圈半匝平均长度;Ac1为导体的截面积;a1为相绕组的并联支路数。

绕组每相的主电抗(单位为Ω)为

式中:λm=为主磁路的磁导率;μ0=0.4π×10－6H/m;f为频率;m为相数;p为极对数;Kdp1为基波绕组系数;lef为电枢的轴向计算长度;δef为有效气隙长度。

绕组的漏抗为

式中∑λ = λs+λv+λt+ λE，其中λs、λv、λt、λE分别为槽比漏磁导、谐波比漏磁导、齿顶比漏磁导、端部比漏磁导。

假设有M匝线圈发生短路，用N'1=N1－M代替式(3)和式(4)中的N1，即可计算出故障后的定子阻抗参数，从而建立定子匝间短路故障严重程度的定量分析模型。

3 负序电流的计算与分析

3.1 仿真发电机的主要参数

Ansoft Maxwell有限元分析软件可以用来分析电机、变压器等电磁装置的静态、稳态、瞬态、正常工况和故障工况的各种特性。本文以Ansoft为软件平台，通过改变定子绕组的匝数和阻抗值的大小，建立了发电机不同程度故障情况下的模型，对发电机定子匝间短路故障进行了仿真计算。仿真发电机的主要参数:额定功率为11 kW;额定转速为1440 r/min;额定效率为97.1%;额定频率为50 Hz;额定电压为380 V;额定电流为14.4 A;转子额定电压为187 V;转子额定电流为5.7 A。

3.2 理想状态下负序电流的分析

在风速恒定，电网需求功率等于风力发电机额定功率的条件下，对理想发电机进行仿真分析。设置A相为故障相，通过改变模型中A相的短路匝数和短路电阻的大小，得到不同短路情况下的定子三相电流Y1，如图1所示。不同故障状态下各相之间的相角差，如表1所示。

对图1和表1进行分析可以看出:

l)发生定子绕组匝间短路故障后，三相电流大小不再对称，其中故障相电流增大(如图1中A相电流增大)，而且随着故障的严重程度增加不断增大(如图1中A相发生5匝、10匝和15匝短路，其中15匝短路时，A相电流增加的最大);

2)三相电流之间相位差的对称性也遭到破坏，其中两个非故障相之间的相位差偏离120°最大(如表2中的非故障相B相和C相)，且随着故障的加剧而偏离120°的程度明显增大(表2中A相发生15匝短路时，非故障相B相和C相之间的相角差为95.4°，偏离 120°的程度最大)。

表2展示了正常和不同短路情况下的负序电流与正序电流(用均方根值表示)，其中I2表示负序电流，I1表求正序电流。

表2说明:发电机发生定子绕组匝间短路故障后，定子电流中将出现负序分量，其数值伴随匝间短路故障严重程度的加剧而增大，而正序电流正好相反。负序电流的幅值与短路匝数的关系如图2所示。

图1 不同故障状态定子绕组三相电流Fig.1 Three-phase current of stator winding at the different fault states

表1 不同故障状态下定子三相电流相角差Table 1 Phase difference of stator current at the different fault states

表2 不同状态下的负序电流与正序电流Table 2 Negative sequence current and positive sequence current at the different states

图2 负序电流幅值与短路匝数的关系Fig.2 Relationship between negative sequence current and short-circuit turns

3.3 发电机输出功率对负序电流的影响

上述分析是在发电机输出功率为额定功率情况下进行的，为了研究负序电流与发电机负载大小的关系，对发电机在负载负载情况下两者之间的关系进行了仿真计算，如图3所示(假定发电机所接电网的电压对称)。

图3 不同负载情况下负序电流与短路匝数的关系Fig.3 Relationship between negative sequence current and short-circuit turns with different load

由图3可以看出，在相同程度的故障情况下，发电机输出功率增加对负序电流影响很小(负序电流的数值随着发电机负载的增大而只有微弱的增大)，因此，基于负序电流诊断双馈异步发电机定子绕组故障在轻载特别是空载(但不是开路)状态下进行是有利的。

4 结论

本文利用有限元法，通过对风速恒定情况下的发电机进行仿真计算得出以下结论:

1)发电机定子发生匝间短路故障后，会在定子中产生负序电流，并随着故障严重程度的增加而增大。

2)同时负序电流也会受到发电机负载情况的影响，但影响不大，发电机输出功率增大，负序电流有微弱增大，这为基于负序电流的故障诊断带来方便，轻载状态诊断比满载状态诊断有利。

3)定子发生匝间短路故障后，定子三相电流不再对称，故障相电流恒最大;而非故障两相的相位差影响最大，且随着故障的加剧而非故障两相间相位差偏离120°的程度明显增大。

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