定子绕组匝间短路故障谐波传递特征

方 芳

（中国船舶重工集团公司第七一二研究所，武汉 430064）

同步发电机定子绕组匝间短路故障是一种常见的、破坏性很强的故障[1-3]，对发电机、乃至电力系统的安全运行都将带来一系列严重的影响，有效地判断出该故障是否发生具有十分重要的意义。定子绕组匝间短路时，转子绕组会感应出频率为2倍基频的谐波，但是检测励磁电流非常困难。

本文研究了定子绕组匝间短路时，转子绕组故障特征向励磁机励磁绕组侧传递的规律，并借助励磁机励磁电流信号来区分发电机不对称运行与定子绕组匝间短路故障。最后通过实测故障模拟发电机的试验数据对理论分析进行了验证。

1 定子绕组匝间短路时励磁机励磁电流谐波特性

定子绕组匝间短路时，发电机转子绕组上感应出频率为 2、4、6…倍基频的谐波成分。上述谐波电流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。设发电机转子绕组的谐波电流为I2sin（w2t+Ø），其频率为f2，发电机组内励磁机转子极对数为P1，励磁机电枢电流的基频为f1。

图1 无刷励磁谐波传递原理图

定子绕组匝间短路时，发电机转子绕组上的感应谐波电流相对励磁机电枢电流而言很小，若忽略二极管的导通压降，则该谐波源不影响旋转整流器上二极管的导通时间和频率。当旋转整流器某两相二极管整流桥导通时，旋转整流器的直流侧和交流侧产生了电路上的联系。如果在整流桥的直流侧有小幅值交流信号，在不影响二极管导通条件的情况下，将有一段小幅值交流信号影响到交流侧。

励磁机三相调制电流中幅值最大的两个谐波成分分别在励磁机气隙中产生两个旋转磁场，转向都与电枢旋转方向相反，转速分别为60|f1-f2|/P1r/min、60|f1+f2|/P1r/min。两个旋转磁动势分别在励磁机励磁绕组上感应出频率为||f1-f2|-f1|和f2的谐波电动势。这两个谐波电动势的幅值相同。根据电机学原理可求出励磁机励磁绕组谐波电动势的幅值为：

式中：N为励磁机每相每条并联支路的串联匝数，kN1为磁动势基波的绕组系数，λ1为励磁机气隙的导磁系数，l1为励磁机定子铁心长度，ν为发电机转子旋转线速度。

当f1＞f2时，励磁机励磁绕组上只有频率为f2的谐波电动势。当f1≤f2时，励磁机励磁绕组上除了上述谐波电动势外还含有频率为|f2=2f2|的谐波成分。从式（1）可看出，励磁机励磁绕组上频率为f2的谐波电动势幅值比发电机转子绕组的谐波电动势等比例减小。因此，可以通过检测励磁机励磁电流的谐波电流来诊断发电机定子绕组匝间短路故障。

2 谐波传递实验分析

当励磁机电枢绕组电流的基频大于f2时，励磁机励磁绕组上只有频率为f2的谐波电动势。当励磁机电枢绕组电流的基频小于或等于f2时，励磁机励磁绕组上除了频率为f2的谐波电动势外还含有频率为 |f2-2f2| 的谐波成分。

根据故障模拟发电机的结构参数，定子绕组匝间短路或者发电机不对称运行时，励磁绕组侧都会产生100 Hz倍频的谐波分量。其中励磁电流的100 Hz频率分量幅值最大。由于该频率小于励磁机电枢绕组电流的基频（175 Hz），所以励磁绕组的 100 Hz谐波电流可以完全传递到励磁机励磁绕组侧。而励磁电流的其他谐波分量（100 kHz,k=1,2,3…）都比励磁机电枢绕组电流的基频大，则每一个发电机转子绕组的谐波分量传递到励磁机绕组侧后都变成了两个频率分量，其频率分别为100 k 、|350、100k|，k=2,3,4…，而每个励磁机励磁电流的频率分量的幅值各自减半。

利用发电机故障模拟平台进行了发电机定子绕组匝间短路试验。电网通过三相整流桥和可调变压器为发电机的励磁机提供励磁电压。在定子绕组的中性点、A相一条并联支路内第3匝、第10匝处引出3个抽头，将其中任意两个抽头相连接即可模拟定子绕组内部同分支匝间短路故障。发电机励磁电流经过电流传感器按比例为 1 A:999 mV转化成电压信号，发电机电枢相电流经过电流传感器按比例为1 A:1500 mV转换成电压信号，电压信号由数据采集卡采集并应用LabVIEW软件进行分析和处理。实验电路图如图2所示。

图2 定子绕组同分支匝间短路实验电路图

定子绕组正常时，得到励磁机励磁电流频谱如图3所示。从图3可以看出，当发电机正常负载运行时，励磁机励磁电流中频率为100 Hz的分量幅值很小。

当发电机带对称负载运行时，分别短接定子绕组线圈的3匝、7匝和10匝，测得励磁机励磁电流频谱如图4所示。

从图4可以看出，当发电机定子绕组线圈短路3匝时，励磁机励磁电流中频率为100 Hz的分量幅值出现小幅增长。当定子绕组线圈短路7匝时，励磁机励磁电流的100 Hz分量幅值出现最大增长，当定子绕组线圈短路10匝时，频率为100 Hz的谐波励磁机励磁电流幅度的相对值从25增加到57。除100 Hz分量外，频率为300 Hz的谐波励磁机励磁电流增长最明显，幅值最大。由以上分析可知，定子绕组匝间短路的主要故障特征为励磁机励磁电流的100 Hz频率分量。该结论与上文理论分析的结果是基本一致的。实验结果验证了理论分析的正确性。因此，可以将励磁机励磁电流的特征频率作为发电机定子绕组匝间短路的故障判据。

图3 他励情况下发电机带载运行时励磁机励磁电流

图4 他励情况下发电机定子绕组短路时励磁机励磁电流频谱

3 结论

发电机定子绕组匝间短路时，短路故障特征依次由励磁绕组、励磁机电枢绕组向励磁机励磁绕组传递。利用上述故障特征传递规律，研究了定子绕组同分支小匝数匝间短路和发电机不对称运行时，励磁机励磁电流的谐波特性。发现发电机定子绕组的故障特征也可以传递到励磁机励磁绕组侧，从而可以通过检测励磁机励磁电流来识别上述两种故障。

[1] 桂林，王祥珩，王剑等.大型汽轮发电机绕组同槽同相调查及保护方案定量化设计[J].电力系统自动化，2004，28（17）：75-79.

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