定子繞組匝間短路故障諧波傳遞特征

方 芳

（中國船舶重工集團公司第七一二研究所，武漢 430064）

同步發電機定子繞組匝間短路故障是一種常見的、破壞性很強的故障[1-3]，對發電機、乃至電力系統的安全運行都將帶來一系列嚴重的影響，有效地判斷出該故障是否發生具有十分重要的意義。定子繞組匝間短路時，轉子繞組會感應出頻率為2倍基頻的諧波，但是檢測勵磁電流非常困難。

本文研究了定子繞組匝間短路時，轉子繞組故障特征向勵磁機勵磁繞組側傳遞的規律，并借助勵磁機勵磁電流信號來區分發電機不對稱運行與定子繞組匝間短路故障。最后通過實測故障模擬發電機的試驗數據對理論分析進行了驗證。

1 定子繞組匝間短路時勵磁機勵磁電流諧波特性

定子繞組匝間短路時，發電機轉子繞組上感應出頻率為 2、4、6…倍基頻的諧波成分。上述諧波電流對于勵磁機而言是一個諧波源。諧波通過旋轉整流器、勵磁機氣隙傳遞到勵磁機定子繞組側，如圖1所示。設發電機轉子繞組的諧波電流為I2sin（w2t+?），其頻率為f2，發電機組內勵磁機轉子極對數為P1，勵磁機電樞電流的基頻為f1。

圖1 無刷勵磁諧波傳遞原理圖

定子繞組匝間短路時，發電機轉子繞組上的感應諧波電流相對勵磁機電樞電流而言很小，若忽略二極管的導通壓降，則該諧波源不影響旋轉整流器上二極管的導通時間和頻率。當旋轉整流器某兩相二極管整流橋導通時，旋轉整流器的直流側和交流側產生了電路上的聯系。如果在整流橋的直流側有小幅值交流信號，在不影響二極管導通條件的情況下，將有一段小幅值交流信號影響到交流側。

勵磁機三相調制電流中幅值最大的兩個諧波成分分別在勵磁機氣隙中產生兩個旋轉磁場，轉向都與電樞旋轉方向相反，轉速分別為60|f1-f2|/P1r/min、60|f1+f2|/P1r/min。兩個旋轉磁動勢分別在勵磁機勵磁繞組上感應出頻率為||f1-f2|-f1|和f2的諧波電動勢。這兩個諧波電動勢的幅值相同。根據電機學原理可求出勵磁機勵磁繞組諧波電動勢的幅值為：

式中：N為勵磁機每相每條并聯支路的串聯匝數，kN1為磁動勢基波的繞組系數，λ1為勵磁機氣隙的導磁系數，l1為勵磁機定子鐵心長度，ν為發電機轉子旋轉線速度。

當f1＞f2時，勵磁機勵磁繞組上只有頻率為f2的諧波電動勢。當f1≤f2時，勵磁機勵磁繞組上除了上述諧波電動勢外還含有頻率為|f2=2f2|的諧波成分。從式（1）可看出，勵磁機勵磁繞組上頻率為f2的諧波電動勢幅值比發電機轉子繞組的諧波電動勢等比例減小。因此，可以通過檢測勵磁機勵磁電流的諧波電流來診斷發電機定子繞組匝間短路故障。

2 諧波傳遞實驗分析

當勵磁機電樞繞組電流的基頻大于f2時，勵磁機勵磁繞組上只有頻率為f2的諧波電動勢。當勵磁機電樞繞組電流的基頻小于或等于f2時，勵磁機勵磁繞組上除了頻率為f2的諧波電動勢外還含有頻率為 |f2-2f2| 的諧波成分。

根據故障模擬發電機的結構參數，定子繞組匝間短路或者發電機不對稱運行時，勵磁繞組側都會產生100 Hz倍頻的諧波分量。其中勵磁電流的100 Hz頻率分量幅值最大。由于該頻率小于勵磁機電樞繞組電流的基頻（175 Hz），所以勵磁繞組的 100 Hz諧波電流可以完全傳遞到勵磁機勵磁繞組側。而勵磁電流的其他諧波分量（100 kHz,k=1,2,3…）都比勵磁機電樞繞組電流的基頻大，則每一個發電機轉子繞組的諧波分量傳遞到勵磁機繞組側后都變成了兩個頻率分量，其頻率分別為100 k 、|350、100k|，k=2,3,4…，而每個勵磁機勵磁電流的頻率分量的幅值各自減半。

利用發電機故障模擬平臺進行了發電機定子繞組匝間短路試驗。電網通過三相整流橋和可調變壓器為發電機的勵磁機提供勵磁電壓。在定子繞組的中性點、A相一條并聯支路內第3匝、第10匝處引出3個抽頭，將其中任意兩個抽頭相連接即可模擬定子繞組內部同分支匝間短路故障。發電機勵磁電流經過電流傳感器按比例為 1 A:999 mV轉化成電壓信號，發電機電樞相電流經過電流傳感器按比例為1 A:1500 mV轉換成電壓信號，電壓信號由數據采集卡采集并應用LabVIEW軟件進行分析和處理。實驗電路圖如圖2所示。

圖2 定子繞組同分支匝間短路實驗電路圖

定子繞組正常時，得到勵磁機勵磁電流頻譜如圖3所示。從圖3可以看出，當發電機正常負載運行時，勵磁機勵磁電流中頻率為100 Hz的分量幅值很小。

當發電機帶對稱負載運行時，分別短接定子繞組線圈的3匝、7匝和10匝，測得勵磁機勵磁電流頻譜如圖4所示。

從圖4可以看出，當發電機定子繞組線圈短路3匝時，勵磁機勵磁電流中頻率為100 Hz的分量幅值出現小幅增長。當定子繞組線圈短路7匝時，勵磁機勵磁電流的100 Hz分量幅值出現最大增長，當定子繞組線圈短路10匝時，頻率為100 Hz的諧波勵磁機勵磁電流幅度的相對值從25增加到57。除100 Hz分量外，頻率為300 Hz的諧波勵磁機勵磁電流增長最明顯，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磁機勵磁電流的100 Hz頻率分量。該結論與上文理論分析的結果是基本一致的。實驗結果驗證了理論分析的正確性。因此，可以將勵磁機勵磁電流的特征頻率作為發電機定子繞組匝間短路的故障判據。

圖3 他勵情況下發電機帶載運行時勵磁機勵磁電流

圖4 他勵情況下發電機定子繞組短路時勵磁機勵磁電流頻譜

3 結論

發電機定子繞組匝間短路時，短路故障特征依次由勵磁繞組、勵磁機電樞繞組向勵磁機勵磁繞組傳遞。利用上述故障特征傳遞規律，研究了定子繞組同分支小匝數匝間短路和發電機不對稱運行時，勵磁機勵磁電流的諧波特性。發現發電機定子繞組的故障特征也可以傳遞到勵磁機勵磁繞組側，從而可以通過檢測勵磁機勵磁電流來識別上述兩種故障。

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