電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障診斷研究

孫 袆，莊煒瑋，霍鳳鳴，張志猛，李宣義

（1.河北省電力研究院，河北石家莊 050022；2.河北科技大學(xué)科研處，河北石家莊 050018）

電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障診斷研究

孫 袆1，莊煒瑋2，霍鳳鳴1，張志猛1，李宣義1

（1.河北省電力研究院，河北石家莊 050022；2.河北科技大學(xué)科研處，河北石家莊 050018）

分析了探測線圈檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的機(jī)理，構(gòu)建故障診斷系統(tǒng)。以WTMM為基礎(chǔ)，對信號進(jìn)行分析并計算波峰特征的Lipschitz指數(shù)。以MATLAB為后臺對信號進(jìn)行仿真，以Lipschitz指數(shù)α的方差為定標(biāo)，得出發(fā)生匝間短路故障的位置和故障程度。實驗表明，通過Lipschitz指數(shù)來判斷故障發(fā)生及其故障程度是一種可靠易行的辦法。

匝間短路；Lipschitz指數(shù)；故障診斷

利用探測線圈采集電機(jī)轉(zhuǎn)子氣隙電動勢檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組線圈是否發(fā)生匝間短路故障，其原理是在定轉(zhuǎn)子氣隙中安裝微分探測線圈，由電勢波形反映電機(jī)氣隙磁通密度的變化，即磁通變化引起電機(jī)轉(zhuǎn)子各槽之間槽漏磁通在感應(yīng)線圈中感應(yīng)的電動勢發(fā)生的變化，來確定匝間短路是否發(fā)生。

在微分探測線圈的基礎(chǔ)上，構(gòu)建故障檢測系統(tǒng)，利用Lipschitz指數(shù)對采集到的信號進(jìn)行分析，得到探測信號的突變點，從而確定故障位置。

1 電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路狀態(tài)下磁動勢分析

假設(shè)線圈內(nèi)有一匝出現(xiàn)短路，這種情況下近似考慮轉(zhuǎn)子勵磁電流發(fā)生微小的變化［1］。發(fā)生匝間短路之后短路部分的等效磁動勢反向作用在有短路的磁極主磁場的正常磁動勢上，所以認(rèn)為短路匝中流過一個與正常情況下相反的勵磁電流－If，即有ΔF′f＝－IfΔωf＝－If（因為假設(shè)為一匝發(fā)生短路，所以Δωf＝1）。短路情況下短路線匝產(chǎn)生的磁動勢分布如圖1所示，圖中表示槽間角。

圖1 短路情況下短路匝磁動勢分布Fig.1 Magnetomotive for distribution of short circuited turn

2 故障診斷的系統(tǒng)組成

電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障診斷利用探測線圈采集氣隙電動勢信號，并對信號進(jìn)行調(diào)理后送至信號采集和處理模塊進(jìn)行分析和處理。采用小波模極大值和Lipschitz指數(shù)對信號進(jìn)行處理［3］，并根據(jù)Lipschitz指數(shù)的α值進(jìn)行故障槽位置及其精度的確定，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of fault diagnosis system

3 故障診斷算法

3.1 Lipschitz指數(shù)

f（x）∈L2（R），n≤α＜n＋1，若存在2個常數(shù)A和x0以及n次多項式pn（x），使得對于任意的x≥x0，有｜f（x）－pn（x－x0）｜≤A｜x－x0｜α，則稱f（x）在點x0處的Lipschitz指數(shù)為α。函數(shù)在某一點的Lipschitz指數(shù)表征了該點奇異性的大小，函數(shù)在該點的Lipschitz指數(shù)越大，則表明該函數(shù)在該點的光滑程度越高；反之，若函數(shù)在該點的Lipschitz指數(shù)越小，則該點的奇異性越大，其光滑程度越低；如果函數(shù)f（x）在某一點可導(dǎo)［4］，則函數(shù)在該點的Lipschitz指數(shù)α≥1；如果函數(shù)f（x）在某一點不連續(xù)但卻有極值點，則函數(shù)在該點的Lipschitz指數(shù)為0＜α＜1。

發(fā)生匝間短路故障之后，故障信號與正常信號的函數(shù)光滑性是不一樣的，故障發(fā)生時被采集的信號源在某時刻發(fā)生突變，造成信號中斷，甚至從該時刻開始的一段時間內(nèi)信號的奇異性發(fā)生變化，使得光滑性發(fā)生改變，反映到Lipschitz指數(shù)上即為α發(fā)生了變化。因此，通過定量計算故障狀態(tài)時的α值跟正常信號的α值，來表征某段信號的光滑性是否發(fā)生了變化，由此判斷何時發(fā)生故障。

3.2 基于WTMM的Lipschitz指數(shù)計算

圖3 軟件設(shè)計流程圖Fig.3 Software design flow

4 仿 真

表1和表2給出了轉(zhuǎn)子開槽的12個槽所對應(yīng)的特征波峰的Lipschitz指數(shù)，軟件設(shè)計［5］流程圖如圖3所示。

當(dāng)轉(zhuǎn)子第4槽發(fā)生匝間短路故障時，短路程度為3%時，由表1和表2可以看出Lipschitz指數(shù)相對于其他槽變化不大；但是當(dāng)短路程度為15%時其對應(yīng)特征波峰的Lipschitz指數(shù)明顯大于其他槽。因此可得出，發(fā)生匝間短路的故障槽對應(yīng)的特征波峰值雖然降低了，但是光滑性增加，即Lipschitz指數(shù)增加。在實驗中設(shè)定特征波峰的Lipschitz指數(shù)的一個的定標(biāo)，這個定標(biāo)為α的方差，如果超過了這一方差即認(rèn)為發(fā)生了匝間短路故障［6］。還可以據(jù)此得出發(fā)生匝間短路故障的精確度。

表1 N極的Lipschitz指數(shù)Tab.1 Lipschitz exponent of N pole

表2 S極的Lipschitz指數(shù)Tab.2 Lipschitz exponent of S pole

5 結(jié) 語

分析了電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路狀態(tài)下磁動勢變化情況以及探測線圈工作原理，在此基礎(chǔ)上，將小波模極大值算法結(jié)合Lipschitz指數(shù)算法應(yīng)用到電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障診斷，實驗結(jié)果表明此方法在匝間短路故障中的應(yīng)用具有可行性。

［1］ 陳小玄，羅大庸，單勇騰.基于小波分析的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障診斷方法［J］.自動化技術(shù)與應(yīng)用（Techniques of Automation and Application），2007，26（2）：85-89.

［2］ 韓 明，周國強，王震洲.基于COM組件的電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障診斷［J］.河北科技大學(xué)學(xué)報（Journal of Hebei University of Science and Technology），2011，32（1）30-33.

［3］ 李建明，唐心亮，韓 明，等.小波包能量譜的天氣雷達(dá)伺服電機(jī)故障預(yù)警系統(tǒng)研究［J］.河北科技大學(xué)學(xué)報（Journal of Hebei University of Science and Technology），2010，31（3）：233-235.

［4］ 徐 晶，張秋杰，單 凈，等.基于 Lipschitz指數(shù)熵的軸承故障檢測方法［J］.科技導(dǎo)報（Science ＆ Technology Review），2009，27（15）：101-103.

［5］ 曾成碧，潘一飛.同步發(fā)電機(jī)模糊PID勵磁控制研究［J］.河北科技大學(xué)學(xué)報（Journal of Hebei University of Science and Technology），2010，31（6）：546-549.

［6］ 張 亮，王繼陽.MATLAB與C／C＋＋混合編程［M］.北京：人民郵電出版社，2008.

Diagnostic study on turn-to-turn short circuit of rotor winding

SUN Yi1，ZHUANG Wei-wei2，HUO Feng-ming1，ZHANG Zhi-meng1，LI Xuan-yi1
（1.Hebei Electric Power Research Institute，Shijiazhuang Hebei 050022，China；2.Department of Scientific Research，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China）

Based on the analysis of the mechanism of exploring coil detecting turn-to-turn short circuit of rotor winding，fault diagnosis system is designed.Based on WTMM，the signal is analyzed and the Lipschitz index of wave characteristics is calculated.With MATLAB as the background to simulate the signals and the variance of Lipschitz index as calibration，the fault location and degree of the turn-to-turn short circuit can be determined.The experiment shows that determining the fault and the fault degree by means of Lipschitz index is reliable and easy.

turn-to-turn short circuit；Lipschitz exponent；fault detection

TM76

A

1008-1542（2011）04-0338-04

2011-02-25；

2011-04-16；責(zé)任編輯:李 穆

孫 袆（1983-），女，河北石家莊人，工程師，博士，主要從事高壓電器方面的研究。