定子繞組匝間短路故障諧波傳遞特征

方 芳

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所，武漢 430064）

同步發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路故障是一種常見的、破壞性很強(qiáng)的故障[1-3]，對(duì)發(fā)電機(jī)、乃至電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行都將帶來一系列嚴(yán)重的影響，有效地判斷出該故障是否發(fā)生具有十分重要的意義。定子繞組匝間短路時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組會(huì)感應(yīng)出頻率為2倍基頻的諧波，但是檢測(cè)勵(lì)磁電流非常困難。

本文研究了定子繞組匝間短路時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組故障特征向勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組側(cè)傳遞的規(guī)律，并借助勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流信號(hào)來區(qū)分發(fā)電機(jī)不對(duì)稱運(yùn)行與定子繞組匝間短路故障。最后通過實(shí)測(cè)故障模擬發(fā)電機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 定子繞組匝間短路時(shí)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流諧波特性

定子繞組匝間短路時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組上感應(yīng)出頻率為 2、4、6…倍基頻的諧波成分。上述諧波電流對(duì)于勵(lì)磁機(jī)而言是一個(gè)諧波源。諧波通過旋轉(zhuǎn)整流器、勵(lì)磁機(jī)氣隙傳遞到勵(lì)磁機(jī)定子繞組側(cè)，如圖1所示。設(shè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的諧波電流為I2sin（w2t+?），其頻率為f2，發(fā)電機(jī)組內(nèi)勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)為P1，勵(lì)磁機(jī)電樞電流的基頻為f1。

圖1 無刷勵(lì)磁諧波傳遞原理圖

定子繞組匝間短路時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組上的感應(yīng)諧波電流相對(duì)勵(lì)磁機(jī)電樞電流而言很小，若忽略二極管的導(dǎo)通壓降，則該諧波源不影響旋轉(zhuǎn)整流器上二極管的導(dǎo)通時(shí)間和頻率。當(dāng)旋轉(zhuǎn)整流器某兩相二極管整流橋?qū)〞r(shí)，旋轉(zhuǎn)整流器的直流側(cè)和交流側(cè)產(chǎn)生了電路上的聯(lián)系。如果在整流橋的直流側(cè)有小幅值交流信號(hào)，在不影響二極管導(dǎo)通條件的情況下，將有一段小幅值交流信號(hào)影響到交流側(cè)。

勵(lì)磁機(jī)三相調(diào)制電流中幅值最大的兩個(gè)諧波成分分別在勵(lì)磁機(jī)氣隙中產(chǎn)生兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)向都與電樞旋轉(zhuǎn)方向相反，轉(zhuǎn)速分別為60|f1-f2|/P1r/min、60|f1+f2|/P1r/min。兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)分別在勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組上感應(yīng)出頻率為||f1-f2|-f1|和f2的諧波電動(dòng)勢(shì)。這兩個(gè)諧波電動(dòng)勢(shì)的幅值相同。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理可求出勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組諧波電動(dòng)勢(shì)的幅值為：

式中：N為勵(lì)磁機(jī)每相每條并聯(lián)支路的串聯(lián)匝數(shù)，kN1為磁動(dòng)勢(shì)基波的繞組系數(shù)，λ1為勵(lì)磁機(jī)氣隙的導(dǎo)磁系數(shù)，l1為勵(lì)磁機(jī)定子鐵心長(zhǎng)度，ν為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)線速度。

當(dāng)f1＞f2時(shí)，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組上只有頻率為f2的諧波電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)f1≤f2時(shí)，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組上除了上述諧波電動(dòng)勢(shì)外還含有頻率為|f2=2f2|的諧波成分。從式（1）可看出，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組上頻率為f2的諧波電動(dòng)勢(shì)幅值比發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的諧波電動(dòng)勢(shì)等比例減小。因此，可以通過檢測(cè)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流的諧波電流來診斷發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路故障。

2 諧波傳遞實(shí)驗(yàn)分析

當(dāng)勵(lì)磁機(jī)電樞繞組電流的基頻大于f2時(shí)，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組上只有頻率為f2的諧波電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)勵(lì)磁機(jī)電樞繞組電流的基頻小于或等于f2時(shí)，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組上除了頻率為f2的諧波電動(dòng)勢(shì)外還含有頻率為 |f2-2f2| 的諧波成分。

根據(jù)故障模擬發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，定子繞組匝間短路或者發(fā)電機(jī)不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁繞組側(cè)都會(huì)產(chǎn)生100 Hz倍頻的諧波分量。其中勵(lì)磁電流的100 Hz頻率分量幅值最大。由于該頻率小于勵(lì)磁機(jī)電樞繞組電流的基頻（175 Hz），所以勵(lì)磁繞組的 100 Hz諧波電流可以完全傳遞到勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組側(cè)。而勵(lì)磁電流的其他諧波分量（100 kHz,k=1,2,3…）都比勵(lì)磁機(jī)電樞繞組電流的基頻大，則每一個(gè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的諧波分量傳遞到勵(lì)磁機(jī)繞組側(cè)后都變成了兩個(gè)頻率分量，其頻率分別為100 k 、|350、100k|，k=2,3,4…，而每個(gè)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流的頻率分量的幅值各自減半。

利用發(fā)電機(jī)故障模擬平臺(tái)進(jìn)行了發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路試驗(yàn)。電網(wǎng)通過三相整流橋和可調(diào)變壓器為發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁機(jī)提供勵(lì)磁電壓。在定子繞組的中性點(diǎn)、A相一條并聯(lián)支路內(nèi)第3匝、第10匝處引出3個(gè)抽頭，將其中任意兩個(gè)抽頭相連接即可模擬定子繞組內(nèi)部同分支匝間短路故障。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流經(jīng)過電流傳感器按比例為 1 A:999 mV轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，發(fā)電機(jī)電樞相電流經(jīng)過電流傳感器按比例為1 A:1500 mV轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡采集并應(yīng)用LabVIEW軟件進(jìn)行分析和處理。實(shí)驗(yàn)電路圖如圖2所示。

圖2 定子繞組同分支匝間短路實(shí)驗(yàn)電路圖

定子繞組正常時(shí)，得到勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流頻譜如圖3所示。從圖3可以看出，當(dāng)發(fā)電機(jī)正常負(fù)載運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流中頻率為100 Hz的分量幅值很小。

當(dāng)發(fā)電機(jī)帶對(duì)稱負(fù)載運(yùn)行時(shí)，分別短接定子繞組線圈的3匝、7匝和10匝，測(cè)得勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流頻譜如圖4所示。

從圖4可以看出，當(dāng)發(fā)電機(jī)定子繞組線圈短路3匝時(shí)，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流中頻率為100 Hz的分量幅值出現(xiàn)小幅增長(zhǎng)。當(dāng)定子繞組線圈短路7匝時(shí)，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流的100 Hz分量幅值出現(xiàn)最大增長(zhǎng)，當(dāng)定子繞組線圈短路10匝時(shí)，頻率為100 Hz的諧波勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流幅度的相對(duì)值從25增加到57。除100 Hz分量外，頻率為300 Hz的諧波勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流增長(zhǎng)最明顯，幅值最大。由以上分析可知，定子繞組匝間短路的主要故障特征為勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流的100 Hz頻率分量。該結(jié)論與上文理論分析的結(jié)果是基本一致的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。因此，可以將勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流的特征頻率作為發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路的故障判據(jù)。

圖3 他勵(lì)情況下發(fā)電機(jī)帶載運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流

圖4 他勵(lì)情況下發(fā)電機(jī)定子繞組短路時(shí)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流頻譜

3 結(jié)論

發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路時(shí)，短路故障特征依次由勵(lì)磁繞組、勵(lì)磁機(jī)電樞繞組向勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組傳遞。利用上述故障特征傳遞規(guī)律，研究了定子繞組同分支小匝數(shù)匝間短路和發(fā)電機(jī)不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流的諧波特性。發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子繞組的故障特征也可以傳遞到勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組側(cè)，從而可以通過檢測(cè)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流來識(shí)別上述兩種故障。

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