同步发电机定子绕组短路故障瞬态过程电磁转矩特性分析

陈超　赵洪森　陈小元　戈宝军

摘 要：为了研究定子内部短路故障后瞬态过程中电磁转矩的变化特性，基于动力学虚位移原理，对同步发电机定子绕组内部匝间短路故障前以及故障后瞬态过程的电磁转矩进行了理论分析，研究了在振动偏心影响下同步发电机定子内部短路故障前后气隙磁动势的变化特征，并得到了故障发生后瞬态过程中各频率电磁转矩分量的幅值和频率特性。同时建立了动模实验模型，实验测量了一台功率为30kVA的同步发电机不同短路故障下的电磁转矩，并对其进行频谱分析，实验分析结果验证了理论推导的准确性。该结果为基于电磁转矩的定子内部故障诊断技术提供了理论基础。

关键词：同步发电机;电磁转矩;短路故障;气隙磁势

DOI：10.15938/j.jhust.2019.03.010

中圖分类号： TM315

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2019）03-0059-07

Abstract：In order to study the change characteristics of electromagnetic torque in the transient process of stator internal short circuit fault， based on virtual work principle in dynamic， the electromagnetic torque of transient process after stator winding interturn short circuit fault in synchronous generator is analyzed theoretically. The airgap magnetomotive forces variation characteristics of the generator before and after short circuit fault in stator winding are studied， while considering the impact of vibration eccentricity. The magnitudes and frequency variation characteristics of the electromagnetic torque component of each frequency after short circuit fault are obtained. Then a dynamic simulation experiment model is built. The electromagnetic torque data of the 30kVA synchronous generator with different stator winding interturn short circuit faults is tested. After that， these data are analyzed with Discrete Fast Fourier Transform technique， and the test results verify the theoretical analysis conclusion. The research results provide a theoretical basis for the internal fault diagnosis technology based on the electromagnetic torque.

Keywords：synchronous generator; electromagnetic torque; short circuit fault; airgap magnetomotive forces

0 引 言

随着电网产业的迅速发展和同步发电机单机容量的不断增大，人们对发电机的安全可靠运行提出了越来越高的要求。同步发电机正常运行时，其主要构件受到温度、应力以及机械振动等环境因素的影响，致使定子绕组绝缘不断老化、变形以至破损，最终致使定子绕组发生短路故障。目前，定子绕组匝间短路故障已经成为同步发电机最普遍的故障之一（占故障总数的39%）[1]。此类故障一旦发生若不及时发现并停止机组运行，将会引起机组强烈振动和定子接地故障，甚至烧毁定子绕组，给机组带来难以估量的损失。

近年来，国内外的学者对发电机定子绕组内部故障后的电机参数进行了大量而深入的研究，包括发电机的电压、电流、功率、径向力、振动以及温度等等。如文[2]基于多回路数学模型，对水轮发电机定子绕组内部故障的稳态电流进行仿真计算，并进一步分析不同故障下的稳态电流特性。文[3]采用单一绕组分析和有限元分析相结合的方法，分析了不同短路位置下最大短路电流时的磁场分布，同时研究了电流、径向力和转矩与故障位置和匝数的关系。文[4]采用有限元法研究了异步发电机定子匝间短路故障后相电流的负序特性参数，分析了故障后负序电流随着短路匝数的变化情况。文[5-6]提出了dq0坐标系与绕组函数相结合的混合故障仿真模型，基于此模型对不同故障程度下相电压的三次谐波与三次谐波的正序分量进行计算。文[7]主要分析了定子绕组匝间短路对发电机定转子径向振动的影响，得到了作用于转子的不平衡电磁力特征和作用于定子的脉振电磁力特性以及定转子振动特征。文[8]得出了内部故障发生后稳态电磁转矩中的脉冲转矩分量幅值和频率的变化特征，以及故障后发电机转子励磁电流的故障特征。文[9]研究了汽轮发电机定子匝间短路故障下的并联支路环流参数，并进一步分析了短路故障的发展对定子绕组支路环流参数产生的影响。

分析上述文献可以看出，目前大部分学者对同步发电机定子匝间短路所做的研究都是针对故障后稳态过程中的电机参数特征。然而，同步发电机故障后瞬态过程中的气隙磁场畸变程度更加严重，这一过程中的电机参数特征往往要比稳态过程中更为显著。而且在工程实践中，大型机组更要求在故障后瞬态过程中就能够准确地诊断出机组故障，以便快速地实施继电保护，防止损失变大。因此，同步发电机定子绕组故障后瞬态过程中电机参数的特性与规律的研究对于同步发电机定子绕组故障的快速监测与诊断是非常有意义的。文[10]定量地分析了汽轮发电机定子绕组匝间短路故障后瞬态过程中电磁转矩的幅频特性，并进一步研究短路匝数和短路位置对电磁转矩的影响，但没有对定子绕组匝间短路故障瞬态过程中改变电磁转矩特性的機理进行深入分析。本文从考虑发电机的振动偏心引起的磁导出发，对发电机运行时定子绕组内部匝间故障前以及故障后瞬态过程中的电磁转矩进行了理论分析，并对一台6极30kVA的同步发电机并网运行时的电磁转矩数据进行离散频谱分析，证明理论分析的准确性。

1 同步发电机正常运行时的电磁转矩分析

同步发电机正常运行时，气隙磁场是由定子电枢绕组产生的磁场与转子励磁绕组产生的磁场合成的，气隙磁动势由定子磁动势和转子磁动势组成，即[11]：

对比式（5）和式（15）可以看出，考虑振动偏心影响的发电机定子绕组内部短路故障瞬态过程中电机将产生基频电磁转矩，二倍基频电磁转矩，三倍基频电磁转矩以及四倍基频电磁转矩，而且各个基频电磁转矩分量的大小取决于各次磁动势的幅值、定转子磁动势轴线的夹角以及转子振动的位移。若不考振动偏心的影响，发电机内部短路故障瞬态过程中，四种基频的电磁转矩分量依然存在。

3 同步发电机实验模型与电磁转矩分析

3.1 同步发电机实验模型

本文以动模试验室的6极30kVA隐极同步发

电机为研究对象，在该机组上进行定子匝间短路故障模拟实验，隐极同步发电机的参数如表1所示。

实验数据采样是由U60116C型数据采集器完成的，采样频率设为10kHz。图2为实验模型接线图，图中G表示同步发电机，定子每相各有两个支路;TR表示三相变压器;L表示线路;S表示无穷大电网;TA26-1表示定子三相第一支路的电流互感器;TA26-2表示定子三相第二支路的电流互感器;TV表示电压互感器;K1表示定子内部短路故障。同步发电机定子绕组使用三个抽头，分别为靠近中性点侧的2%处，10%处以及 20%处，在两抽头之间连接一个外部开关，通过调节开关的关断来实现模拟定子绕组内部短路故障的目的。

3.2 定子绕组内部短路故障瞬态过程中电磁转矩分析

同步发电机半载并网运行，相电压有效值UΦ=230 V，相电流有效值IΦ=21.65 A。对实验电机进行定子内部短路故障实验，短路匝数比值分别为为8%，10%和18%三种（这里所说的匝数比值意为短路匝数与支路总匝数的比值）。采用数据采集器对电压，各支路电流进行数据采样，电磁转矩由经软件滤波后的电压、电流实验数据求得，假设整个过程中电枢内电阻不变。

图3给出了同步发电机并网半载状况下，正常运行时的电磁转矩波形。图4～图6分别给出了同步发电机正常运行以及定子绕组A相第一支路三种不同短路故障下瞬态过程中的电磁转矩波形，其中三种短路故障匝数比值依次为8%，10%和18%。

表2给出了正常运行及上述3种故障下的基频，二倍基频，三倍基频，四倍基频以及恒定电磁转矩分量的幅值。

从图3到图6可以看出，同步发电机在正常运行时，电磁转矩虽有脉振，但是脉振程度不是很明显。由于内部短路故障引起气隙磁场畸变致使电磁转矩的脉振程度发生了变化，在短路后的瞬态过程中，电磁转矩不但发生剧烈变化，而且在周期上也不同于正常运行时的电磁转矩。从图7到图10的频谱分析可以发现，导致内部短路故障后暂态过渡过程中电磁转矩发生剧烈变化的原因在于故障后瞬态过程中出现基频电磁转矩、二倍基频电磁转矩、三倍基频电磁转矩分量以及四倍频电磁转矩分量。正如前文中分析所示，故障回路环流所引发的脉振磁场产生的脉振磁动势在转子绕组中感应出基频附加电势与二倍频附加电势等谐波电势，这些电势使转子励磁绕组电流发生变化，其与定子绕组相互作用产生的气隙合成磁场也会发生变化，在故障后瞬态过程中产生了基频电磁转矩、二倍频电磁转矩和三倍频电磁转矩等分量。同时还可以发现，同步发电机发生内部故障后的瞬态过程中恒定转矩减小，其原因在于定子绕组发生内部短路故障后，气隙磁场由圆形磁场变为椭圆形的气隙磁场，使得产生的恒定转矩减小。图7～图10中四种频率电磁转矩频谱分析仪验证了故障后瞬态电磁转矩理论推导与分析的正确性。从表2可以得出，对于并网运行的同步发电机，定子绕组短路故障后的瞬态过程中，二倍基频电磁转矩分量的变化相对较大，其次是基频电磁转矩。随着短路匝数的增加，基频与二倍频电磁转矩分量也随之增大。在短路匝数接近1/5的情况下，二倍基频电磁转矩已经达到正常运行时恒定转矩的30.09%，基频电磁转矩达到正常运行时恒定转矩的7.64%。由于凸极效应引发平均磁导率中的磁导系数a1与a2很小，所以四种频率中三倍基频电磁转矩与四倍基频电磁转矩相对较小。在工程应用中，选取基频电磁转矩与二倍频电磁转矩作为同步发电机定子内部短路故障的故障特征量能够有效的反映出故障情况，在故障的监测与保护中具有很大的优势。

4 结 论

针对同步发电机定子匝间短路后瞬态过程中电磁转矩的特性问题，在考虑偏心影响的前提下，建立了发电机故障后瞬态过程中电磁转矩的解析模型和动模实验模型，通过理论与实验分析，得出如下结论：

1）同步发电机定子内部短路故障发生后，在瞬态过程中会出现基频、二倍基频、三倍基频等电磁转矩分量，各个电磁转矩分量的大小取决于各次谐波磁动势的幅值、定转子磁动势轴线的夹角以及转子振动的位移。

2）在短路故障后瞬态过程中，基频与二倍频电磁转矩分量变化较为明显，随着对短路匝数比值的增加，基频与二倍频电磁转矩分量也随之增大，作为定子内部短路故障特征量可以有效的表征出故障情况。

3）同步发电机定子内部短路故障瞬态过程中电磁转矩特性的分析，加深了同步发电机内部故障与电磁转矩之间的理论研究，为电磁转矩作为监测同步发电机绕组内部故障的故障特征量奠定理论基础。

參 考 文 献：

[1] IEEE recommended practice for the design of reliable industrial and commenrcial power systems， IEEE std. 493-2007， 2007.

[2] 胡敏强，屠黎明，林鹤云，等.水轮发电机定子绕组内部故障稳态电量仿真及其规律探讨[J].中国电机工程学报，1999，19（5）：3.

[3] 叶志军，游佰强，ROSENDAHL J，等.基于FLUX 2D的大型同步发电机在额定运行时定子绕组匝间短路故障特性研究[J].中国电机工程学报，2013，33（3）：125.

[4] 马宏志，张志艳，张志新，等.双馈异步发电机定子匝间短路故障诊断研究[J].电机与控制学报，2011，15（11）：60.

[5] SIVAKUMAR N， PANDA S K， BHANGU B， et al.Dynamic Model of Brushless Synchronous Generator with Turntoturn Short Circuit Fault for Condition Monitoring[J].Proc. IEEE ECCE Asia， 2013： 258.

[6] SIVAKUMAR N， PANDA S K， BHANGU B， et al.Hybrid model for woundrotor synchronous generator to detect and diagnose turntoturn shortcircuit fault in stator winding[J]. IEEE transactions on industry electronics，2015， 62（3）：1888.

[7] 万书亭，李和明，许兆凤，等.定子绕组匝间短路对发电机定转子径向振动特性的影响[J].中国电机工程学报，2004，24（4）：157.

[8] 方红伟，夏长亮，修杰，等.定子绕组匝间短路时发电机电磁转矩分析[J].中国电机工程学报，2007，27（15）：83.

[9] 何玉灵，万书亭，唐贵基，等.定子匝间短路对发电机并联支路环流特性的影响[J].电机与控制学报，2013，17（3）：1.

[10]赵洪森，戈宝军，陶大军，等.定子绕组匝间短路对发电机电磁转矩特性的影响[J].电工技术学报，2016，31（5）：192.

[11]邱家俊.机电分析动力学[M].北京：科学技术出版社，1992.

[12]邱家俊，陈贯青，刘云川.大型水轮发电机组不对称运行时的参、强联合共振研究[J].黄淮学刊，1998，14（4）：1.

[13]陶大军，戈宝军，董传友，等.发电机SFC 起动强迫环流过程磁场特性[J].电机与控制学报，2014，18（1）：26.

（编辑：关 毅）