双馈式感应发电机转子匝间短路故障的负序分量分析

李俊卿，何 龙，王 栋



双馈式感应发电机转子匝间短路故障的负序分量分析

李俊卿，何 龙，王 栋

（华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定 071003）

双馈式感应发电机被广泛地应用于风力发电中。风电场恶劣的工作环境也使双馈式感应电机故障频发。其中，定转子绕组故障占了很大的比例，所以对双馈感应发电机进行在线监测及故障诊断显得尤为必要。本文基于有限元方法对双馈感应发电机的转子绕组匝间短路所产生的负序电流进行了分析，得到了不同故障程度下特征的发展趋势以及相同故障不同转速下的特征表现。

双馈感应发电机；绕组故障；负序电流

0 前言

目前投人商业运行的风力发电机组主要采用双馈感应发电机、笼型异步发电机和永磁同步发电机三种，其中双馈异步电机凭借其优势占取了绝大部分的市场份额[1]。双馈异步发电机已经成为风力发电的主力机型[2-4]。由于双馈感应发电机所处的工作环境和自身的结构，它又是故障的多发机型，其中定转子绕组的短路故障更是其中的主要故障。双馈式感应发电机的转子为绕线式转子，绕线式转子经常发生的故障有开焊、绕组击穿和匝间短路，本文主要针对匝间短路这种故障类型进行分析。

1 双馈电机绕组故障诊断的研究现状

电机中的一切故障都是按照一定的故障机理产生和发展的，双馈电机的绕组故障也不例外。只要认真分析故障机理，把握总结故障发生的规律就能准确及时地诊断电机绕组故障。

电机正常运行时，其各项电气量（电压、电流。功率、阻抗、感抗等）和非电气量（温度、振动、噪声等）都表现出电机设计初的标准。如果电机绕组发生故障就势必改变这些电气量或非电气量。因此，只要分析出这些量随着故障发生和发展的变化趋势就能有效诊断电机的故障。国内外专家针对双馈电机的绕组故障做了大量研究，总结起来方法主要有以下几类：

（1）探测线圈法[5]。通过在电机定子中放置一个探测线圈来检测气隙中谐波分量及漏磁的大小，对电机绕组故障进行诊断。

（2）瞬时功率法[6]。通过对电机瞬时功率的分解可以得出电机固有的不对称、温度及非线性因素对负序电流的影响，并且排除了供电电源不平衡对负序电流的影响。

（4）负序分量法。如果电机绕组匝间短路，将会破坏三相对称的电路系统。在三相供电平衡的情况下将会在绕组中产生负序电流。可以根据负序电流的大小判断匝间短路的故障程度。

（5）参数辨识法。这种方法一般需要先建立电机故障时的数学模型，将电机的故障部分作为需要辨识的参数，通过实际测量所得到的值与所建立的辨识所得到的值进行比较进行故障诊断。但是这种方法的精确度很大程度取决于所建立的数学模型，而匝间短路的电机数学模型很难建立，电机参数也很难精确获得，所以这种方法在电机故障诊断中的应用有待发展。

（6）人工智能法。这种方法以大量历史数据为基础，通过学习训练，建立相应的映射关系，在故障诊断中结合多个特征同时进行在线检测。但是这种方法要求有大量的电机历史故障数据作为学习训练的样本，并且需要花费大量时间。这使得人工智能方法受到了一定的限制。

虽然对双馈电机的绕组故障诊断有以上多种方法，但是每个方法都有他的优点和局限性，工程实际中要根据实际情况采用预支相适应的方法，或者结合多种方法最终对故障进行诊断。电流信息易于采集且含有丰富的特征信息，因此从电机电流量中提取故障特征信号在故障诊断和在线监测中常常用到。本文主要从转子三相线电流的基波负序电流着手分析双馈感应发电机转子绕组的匝间短路故障。

2 负序电流的计算

对于不对称电路的分析常采用对称分量法，因为双馈感应发电机中性点一般不接地，所以不存在零序电流，电机三相转子电流的矢量和为零，即：

假设三相转子电流中A相电流最大，根据对称分量法能得出负序电流的矢量表达式：

由于矢量的计算方法相对抽象，实际计算中我们一般用标量的形式进行计算，把式（2）改为以下标量形式：

3 二维有限元模型的建立

所谓有限元法，就是将整个区域分割成许多小的子区域，这些小的子区域通常称为“单元”或者“有限元”，将求解边界问题的原理应用于这些子区域中，求解每个小区域，然后把各个小区域的结果总和合起来得到整个区域的解。

3.1 有限元法基本原理

因为求解区域有电流源存在，计算时务必采用矢量磁位来求解，用矢量磁位A表达时，磁场内满足边值问题：

上式等价于以下变分问题：

二维有限元法就是从式（7）出发，将求解区域剖分离散，在离散单元内构造矢量磁位的插值函数，然后利用差值方法将式（7）中的条件变分问题离散化为多元函数的极值问题，即化为一组关于各个节点矢量磁位的代数方程组，求解，得到矢量磁位的数值解。

3.2 Ansoft Maxwell 2D建模

本文中采用Ansoft Maxwell 2D电磁场分析软件建立电机模型，用外电路模拟匝间短路，转子匝间短路的原理图如图1所示。模型依据YR132M2-4三相绕线异步电机参数建模，其基本参数如下。

额定功率：5.5kW 额定转速:1440r/min

极对数：2 定转子槽数：36/24

定子外径：210mm 定子内径：136mm

转子外径：135.2mm 内径：48mm

气隙：0.4mm 轴长：155mm

定转子每槽线数：74/24

另外，定子三相绕组为三角形联结，绕组并联支路数为2，节距为8。转子三相绕组为星型联结，并联支路数为1，节距为5。

图1 转子匝间短路原理图

3.2.1 创建电机的几何模型

通过电机的出厂资料获取电机的定子、转子内外径、铁心轴长、齿槽、绕组等尺寸参数，在maxwell 2D中根据这些参数绘制出电机的几何模型。根据上文提供的数据参数绘制出本文仿真所用的双馈感应电机模型如图2所示。

图2 电机有限元模型

3.2.2 分配材料属性

电机几何模型建立之后，根据厂家提供的电机参数，调用材料库对电机的各个部分的材料属性进行分配。

3.2.3 定义边界条件

本次仿真假定电机区域以外没有磁场泄露，因此电机定子表面是矢量磁位的等位面，设定定子外圆表面施加磁通平行边界条件，矢量磁位为计算中的0参考点。

3.2.4 网格剖分

为满足计算精度要求，在自适应网格剖分过程中，软件会在不同磁导率介质的边界处进行较细密的网格剖分处理，尤其是曲率较大的边界处，而在同一介质面域内部剖分较为稀疏。这有利于有限元计算软件在不影响预设精度的前提下提高运算速度，减少运算时间。因此，网格剖分在气隙处及转子槽底部比较密集，而在定、转子轭处比较稀疏，具体如图3所示。

图3 电机模型自适应网格剖分

4 仿真及数据分析

模型依据YR132M2-4三相绕线异步电机参数建模，额定功率为5.5kW，额定转速为1440r/min，定/转子额定电压为380V/270V。本文仿真定子开路，转子采用对称三相电压源激励，通过改变外电路来模拟转子不同程度匝间短路的工作状态。其中，短路故障设置在A相绕组1号线圈上，如图1所示。

4.1 相同转速下的故障分析

模拟亚同步状态下，设置转速为1200r/min，分析电流稳定后不同故障程度下的特征信息。分别在转子正常状态、转子短路1、5、10匝这四种情况下进行仿真，短路相如图1所示，均为对A相的1号线圈进行短路操作。

转子正常、短路1匝、短路5匝、短路10匝，这四种情况下的转子电流波形分别如图4~7所示。从图中可以看出：电机正常运行时转子电流三相对称；随着匝间短路情况的加深，三相电流的大小和相位均不再对称，而且随着故障程度的加重不对称程度也进一步加深。

图4 转子正常下转子电流

图5 转子短路1匝下的转子电流

图6 转子短路5匝下的转子电流

图7 转子短路10匝下的转子电流

不同故障程度下的转子电流有效值如表1所示。从表1中可以看出：在正常状态下，三相电流有效值基本相等；当转子A相发生匝间短路后，三相对称电流被破坏，其中A相、B相的电流显著增加，C相电流基本不变。

表1 转子不同故障程度下的电流值

不同故障程度下的转子电流相位值如表2所示。从表2中可以看出：当转子A相发生匝间短路后，AB相、CA相的相位差增大，BC相的相位差减小；随着故障程度的加深，故障相的相位进一步增大，非故障相的相位差显著减小。

表2 转子不同故障程度下的电流相位

不同故障程度下的负序和正序电流如表2所示。从表2中可以看出：电机正常状态下，转子的负序电流非常小；当发生匝间短路后，负序电流显著增加；随着故障程度的加深，负序电流数值和负序电流与正序电流的比值都会进一步增大。其中，1是正序电流2是负序电流。

表3 不同故障程度下的负序电流及正序电流

4.2 不同转速下的故障分析

双馈式风力发电机组工作于野外自然环境下，其转速随风速的变换也时刻在变，因此研究不同风速下的故障信息对双馈式风力发电机的故障在线监测与故障诊断有重要实际意义。

故障设置为5匝短路，分别在亚同步下电机转速为1200r/min、900r/min、600r/min条件下分析匝间短路的故障特征。通过仿真得到这三种转速下的转子电流分别如图8~10所示。从图中可以看出，与转速恒定时相似，不同转速下5匝短路故障时转子电流大小和相位都表现出了一定的不平衡，并且转速较低时电流波形出现了畸变。

图8 转速1200r/min时的转子电流

图9 转速900r/min时的转子电流波形

图10 转速600r/min时的转子电流波形

不同转速下的转子各相电流的基波有效值如表4所示。

表4 不同转速下的转子三相电流大小

不同转速下的负序和正序电流如表5所示。从表中可以看出，在不同转速下由于转子电压的不同正序电流和负序电流大小都有所不同，但是负序电流与正序电流的比值随着故障程度的加深显著增加。因此，在根据基波负序电流诊断电机转子匝间短路故障时，在电机低转速下进行会有较好的效果。

表5 不同转速下的负序电流及正序电流

5 结论

本文对双馈式感应发电机转子匝间短路不同故障程度及不同转速条件下的转子电流信息分别进行了分析，从中可以得出以下结论：

（1）转子匝间短路能产生负序电流，且随着故障程度的加深负序电流值及负序电流与正序电流的比值都会增加；

（2）转子匝间短路时，转子线电流有效值不再平衡；

（3）转子匝间短路时，故障相的相位变大，非故障相的相位显著减小；

（4）相同故障程度下，不同转速时负序电流与正序电流的比值随转速的减小而增大。

[1] 张国新. 风力发电并网技术及电能质量控制策略[J]. 电力自动化设备, 2009, 29(6): 130-132.

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Negative Sequence Component of the Doubly Fed Induction Generator Rotor Inter-turn Short Circuit Fault Analysis

LI Junqing, HE Long, WANG Dong

（School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power Univ., Baoding 071003, China）

Doubly Fed Induction Generator (DFIG) is widely used in wind power generation. Due to poor working conditions of the wind farm, it makes DFIG often fail. Stator and rotor windings failure accounted for a large proportion of DFIG fault, so it is particularly necessary for its fault diagnosis and online monitoring. This article is based on the finite element method, we analyze the negative sequence current generated by the rotor winding inter-turn short circuit of the DFIG. The analysis has obtained the characteristic under the different levels of failure and the performance of characteristic at different speeds.

doubly fed induction generator; winding fault ; negative sequence current

TM307+.1

A

1000-3983(2014)02-0014-05

河北省自然科学基金资助项目(E2010001705)。

2013-08-17

李俊卿(1967-)，博士，2000年3月毕业于华北电力大学电力系电机与电器专业，主要研究方向为交流电机及其系统分析、物理场计算及在线检测和故障诊断，教授。

审稿人：毕纯辉