同步发电机定子绕组匝间短路故障诊断研究

赵洪森　戈宝军　陶大军　杨崑　邢广

摘要：在对同步发电机定子绕组匝间短路故障负序电流分量产生机理进行分析的基础上，提出了以负序电流作为故障特征量，对同步发电机定子内部短路故障进行监测和诊断的方法。基于电路与电磁场有限元理论，建立同步发电机场路耦合数学模型，对半载运行下的同步发电机发生定子绕组匝间短路故障进行仿真，计算出故障发生前后三相电流相角差与幅值以及负序电流分量，并通过一台功率为24kW的同步发电机实验数据验证了模型的精度与理论分析的合理性。同时，仿真分析了同一支路短路故障与不同支路短路故障等情况下对负序电流大小的影响，该结果对同步发电机定子绕组匝间短路故障的监测与诊断具有理论意义。

关键词：负序电流；定子短路故障；场路耦合；同步发电机；故障诊断

DOI：10.15938/j.jhust.2018.01.018

中图分类号： TM32

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2018）01-0099-06

Abstract：On the basis of negative sequence current generation mechanism analysis of synchronous generator stator winding interturns short circuit， the method of detecting and diagnosing synchronous generator stator winding interturns short circuit is proposed， which uses the negative sequence current as fault signature. A fieldcircuit coupled mathematical model of synchronous generator is built， based on the fieldcircuit coupled principle. Firstly， stator winding interturns short circuit happened in synchronous generator with half load is simulated. And then threephase current phase difference， amplitude and negative sequence current component before and after fault is calculated according to the model. The accuracy of model and rationality of theoretical analysis is demonstrated by the use of experimental data coming from 24kW synchronous. Meanwhile， the short circuit fault with the same branch and different branch impact on the negative sequence current is also simulated and analyzed. The results have some significance for synchronous generator stator winding interturns circuit fault monitoring and diagnosis.

Keywords：sequence current； stator short circuit fault； fieldcircuit coupled； synchronous generator； fault diagnosis

0引言

随着电网的迅速发展以及同步发电机单机容量的不断增大，人们对同步发电机的安全可靠运行愈来愈加重视[1-2]。同步发电机在运行过程中，其主要构件定子在热、电、机械、环境应力等共同作用下，会导致绝缘老化，过电压冲击以及机械振动等状况，可能诱发定子匝间短路故障。该故障发生后机组若继续运行则会带来难以估量的经济损失，因此大型发电机定子绕组匝间短路故障的特征及相关参数的研究，对该类故障的早期监测与诊断具有重要意义。

近些年，国内外的许多学者已从不同角度对同步发电机定子内部故障进行了分析和研究[3]，在定子匝间短路故障的监测与诊断方面取得了很多的成果。文[4]以多回路理论为基础，计算并分析定子绕组内部匝间短路后故障支路电流的变化规律，以支路电流的变化作为故障特征量对同步发电机进行诊断。文[5-6]基于Park理論，将定子绕组匝间短路时三相电流Park矢量模轨迹所发生的变化作为故障特征量对电机定子绕组匝间短路进行故障诊断。文[7]将定子组三相电流Park矢量模轨迹与模糊神经网络算法相结合，用在电机定子匝间短路故障实现诊断与保护。文[8]提出以同步发电机机端负序电压、主变高压侧负序电压、主变中压侧负序电压作为主判据和闭锁判据，用来实现同步发电机定子匝间短路的诊断与保护。文[9-10]对发电机运行时定子绕组内部匝间短路故障发生前后的电磁转矩做出了理论分析，并提出以二倍频电磁转矩作为同步发电机定子匝间短路故障监测特征量。文[11]得到作用于转子的不平衡电磁力特性和作用于定子的脉振电磁力特性以及定转子振动特性，将电磁力与振动引入到定子匝间短路故障诊断方法当中。文[12]采用R/S分析与小波变换相结合的方法得到定子匝间短路后相电流与相电压的谐波分量变化作为其故障的特征量来实现诊断。文[13] 分析了汽轮发电机定子匝间短路故障下的并联环流特性，以及故障发展对环流特性的影响，将定子支路间环流作为故障特征量进行研究。文[14]基于场路耦合原理，分析了故障后定子各支路电流随着短路匝数、短路时刻以及短路位置不同的变化规律，为基于支路电流变化的定子匝间短路故障诊断提供了更多的理论支持。

同步发电机定子内部匝间短路故障同外部相间短路故障一样[15]，皆属于电机不对称运行，故障后的定子相电流理论上也会产生额外的负序电流分量。本文基于电路与电磁场有限元理论，建立隐极同步发电机场路耦合数学模型，并通过实验对模型进行验证，进一步研究定子负序电流的大小随短路大小与位置的变化规律，为同步发电机的诊断与保护提供新的研究途径。

1定子匝间短路故障后负序电流的产生机理分析

同步发电机正常负载运行时，气隙磁场为一正向旋转的磁场，它在定子绕组中感应出对称的三相电流。当定子绕组发生匝间短路故障时，将在短路回路中产生附加环流Ik，而短路环中的附加环流产生的磁场为一以短路匝绕组轴线为中心的脉振磁场，脉振频率为额定频率，脉振磁动势为：

隐极发电机定子槽数为54，定子绕组每相并联支路数为2，A相第一支路引出2%和20%两个抽头，用来模拟发电机定子绕组2%到20%匝间短路。实验采用波谱公司生产的U60116C型数据采集仪，设置采样频率为10kHz，电流一个周期采样200点。

3.2负序电流的仿真计算与实验验证

转速恒定，同步发电机并网半载运行，P=12kW，Q =9kVar，If=1.40A，采用场路耦合模型对A相绕组第一支路2%-20%短路故障进行仿真计算，得到发电机故障前后三相电流波形。图1（a）和图1（b）分别给出了同步发电机故障前后三相电流稳态仿真波形，图2（a）和图2（b）给出了同步发电机故障前后实验采样波形。

从图1和图2可以看出，定子绕组发生匝间短路故障后，三相电流大小不再对称，故障后三相稳态电流的仿真波形与实验波形基本吻合。

表2给出了同步发电机故障前后定子绕组三相电流相角差的仿真值与实验值，表3给出了同步发电机故障前后的正序电流、负序电流的仿真值与实验值。

理论上，同步发电机正常运行状况下，定子三相电流是对称的，相角差为120°，且不存在负序分量。但表2和表3显示正常运行时三相电流相位差的实验值与仿真值皆接近120°，且存在微量的负序电流分量。这是由于电机内部结构、外部非故障环境因素以及数据的提取与计算误差造成的，并不影响分析结果。可以将故障后三相电流相位差和负序电流分量与正常运行情况下相比较（相当于作为同步发电机本身系统具有飘零，这是一个去除飘零的操作），以准确得出三相电流相位差与负序分量的变化程度。从表1可以看出，同步发电机发生定子绕组匝间短路故障后，三相电流之间相位差的对称性遭到破环，其中，AC两相之间的相位差偏离120°最大。表2展示故障发生后，三相电流也产生了一定量的负序电流，负序电流的实验值与仿真值吻合，验证了模型的准确性与上述理论的合理性。

3.3同相同分支匝间短路负序电流特性

如图3所示，单机半载运行的同步发电机，定子绕组A相第一支路（A1支路）发生对中性点的匝间短路故障（k固定在中性点处，j可移动），电弧电阻为0。图4给出了三相电流负序分量随着短路线圈数变化的仿真结果，其中横坐标为A1支路中从故障点到中性点的短路线圈数，纵坐标为负序电流幅值。从图中可以看出，负序电流幅值随着短路线圈数的增加而增加，当A1支短路8个线圈时（即一个支路88.89%被短路），负序电流占正常半载运行时电流的54.27%，如果接近于100%短路，则相当于电机单相对中性点短路，负序电流将更大。这是由于随着短路线圈数的增加，气隙磁场畸变严重，三相不对称程度更加严重，负序电流必然会增大。

半载下运行的同步发电机A1支路发生相同程度的匝间短路故障，如图3所示，故障回路的被短路匝数保持不变，故障点k，j随故障位置不同而移动。表4列出了A1支路发生六种相同匝比的匝间短路故障时，正负序电流大小与正负电流的比值。尽管短路匝数相同，且发生在同一支路上，但由于短路空间位置不同，短路线圈同其他所有回路的互感系数不同，短路后的负序电流分量也有所不同，由于所选样机容量较小，所以六种短路情况下各负序电流相差不大。

如图5所示，同步发电机单机半载运行，A1对A2发生同相不同分支间短路故障。A1故障点k在支路中间，A2故障点j（可移动）到支路中间位置的线圈差为n（其中靠近中性点为负，靠近端部为正）。图6为电流负序分量随n的变化规律，从图中可以看出，当n=0，即 k，j两点都处于各支路中间时，短路点k与j为等位点，电机各回路电流均为正常运行时电流，k与j这两点短路对电机运行没有任何影响。当j点向两侧移动时，随着A2支路故障点j到支路中间位置的线圈数增加，短路回路由气隙磁场产生的感应净电势逐渐增加，负序电流逐渐增大。

4结论

本文从理论上分析了同步发电机定子绕组匝间短路故障负序电流分量的产生，并建立场路耦合数学模型，对同步发电机匝间短路进行仿真，得到如下结论：同步发电机发生定子匝间短路故障后，三相电流的对称性遭到破坏，定子绕组中会产生负序电流分量。同一分支发生匝间短路时，负序电流随着短路线圈的增加而增大，并随着短路位置的不同而改变。同相不同分支发生匝间短路时，若两支路短路匝数与位置相同时，电机仍处于正常运行，若两支路短路匝数或位置不同时，电机则会产生负序电流，且负序电流会随着匝数差的增加而变大。本文所得到的结论为基于负序电流的定子短路故障诊断方法提供了理论基础，对同步发电机多特征量短路故障诊断系统的研发具有一定的意义。

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（编辑：关毅）