計及固有不平衡的雙饋電機定子匝間短路故障分析

李俊卿，王悅川，王志興

(華北電力大學，保定071003)

0 引 言

目前，雙饋式風力發電機廣泛應用于風力發電系統中。雙饋式發電機機組單機容量遠小于汽輪發電機，大型風電基地中的風力發電機數量達到數千臺，因此風電基地的發電機數量規模龐大。由于雙饋式風力發電機工作環境惡劣以及風電機組裝機容量龐大，因而雙饋式風力發電機的故障率普遍偏高，為滿足能源合理開發利用的需求，必須提高風力發電系統的穩定性和可靠性。在雙饋式發電機的故障中，定子匝間短路故障是一種常見故障，這種故障往往會引起相間短路和接地短路等更嚴重故障，造成巨大損失，因此分析和早期診斷定子匝間短路故障十分必要。匝間短路故障診斷的關鍵是進行故障特征提取和識別。目前，關于電機定子繞組匝間短路的研究已經有很多文獻。文獻［1］提出一種以定子負序視在阻抗濾波值作為匝間短路故障特征量的檢測方法，具有良好的靈敏度;文獻［2］通過分析定子匝間短路后定子中產生的負序電流來確定故障特征，并且針對影響定子負序電流的電源電壓不對稱等因素進行了分析;文獻［3］提出了擴展Park’s矢量法，通過分析其Park’s矢量模頻譜，以2倍基頻分量幅值與直流分量幅值之比作為異步電機定子匝間短路的故障嚴重度;文獻［4］對雙饋異步發電機輕載運行情況下，定子繞組發生匝間短路的負序電流進行了分析，并指出負序電流受電機負載變化影響較小;文獻［5］建立了雙饋式感應發電機的多回路模型，分析電機定轉子的電流頻譜，指出可以監測轉子線電流中的特征頻率(2－s)f來確定定子繞組匝間短路;文獻［6］建立了異步電機定子繞組匝間短路后的三維有限元模型，用以分析電機的三維溫度場，通過實驗驗證后指出:利用電機溫度場的變化可以在故障初期判斷出電機定子繞組是否發生以及發生位置;文獻［7］指出當雙饋式電機定子繞組發生匝間短路故障后，定子側注入電機的無功功率頻譜中將出現(2－s)f分量，可以通過檢驗瞬時無功功率中的特征分量來監測雙饋式發電機的定子繞組匝間短路。

當前的關于雙饋電機定子繞組發生輕微匝間短路故障的研究普遍基于電機定子三相完全對稱的理想條件，分析定子繞組發生匝間短路后的故障特性，得到故障特征，未考慮實際電機的定子繞組，在裝配過程中，往往存在輕微的三相不對稱，這種不對稱往往在電機的定轉子電壓電流中引起諧波，其諧波頻率將對定子匝間短路的故障特征診斷識別造成干擾。為了考慮實際情況下，雙饋式發電機的定子繞組存在的輕微不平衡對定子繞組輕微匝間短路診斷的造成干擾，并研究實際電機輕微匝間短路的故障特性，本文建立了4種模型用以分析固有不平衡引起的定子線電壓、轉子線電流諧波以及如何在實際情況下區分定子匝間短路和定子繞組固有不平衡的方法。

1 定子繞組匝間短路分析

1． 1定子匝間短路短路故障下轉子電流的特征諧波

雙饋式異步電機是同步化的異步發電機，其轉子采用三相交流勵磁，定子接三相對稱電網電壓。正常情況下，電機合成磁場是圓形磁場，定、轉子繞組中感應出對稱的三相電動勢，諧波含量極少。當定子繞組發生匝間短路后，定子繞組所產生的旋轉磁場兩個轉速相同方向相反的旋轉磁場，以逆時針旋轉方向為正，旋轉磁場的轉速為n1，轉子轉速為n。定子繞組的三相不平衡將產生順時針旋轉的轉速為n1的磁場，這個磁場與轉子產生相對運動，將p為電機的極對數。當轉差率為s時，定子電壓不平衡在轉子電流中產生的諧波:

式中:f為電網電壓頻率。

隨著磁場往復感應和電機的旋轉，轉子電流中還會出現f＇=(2+s)f次諧波。由于諧波傳遞中的衰減，轉子中的(2－s)f次諧波含量大于(2+s)f次。

1． 2短路故障下電磁轉矩中的特征分量

雙饋式風力發電機的電磁轉矩在α－β坐標系中的計算公式:

式中為電機極對數;R為定子電阻。將其轉換到相坐標系中，可以表示:

式中:iA，iC分別是定子側 A，C相的相電流，VBA，VCA是定子側線電壓。因此，可以通過對電機終端兩路線電壓、兩路相電流的采集來計算感應電機電磁轉矩。文獻［7］指出，在定子故障下，電磁轉矩也可以基于此公式來計算。

當雙饋式發電機發生定子繞組匝間短路故障后，定子繞組中將產生負序分量，負序分量將影響電機的電磁轉矩。固有不平衡是機械上的輕微不對稱，相對于定子繞組的固有不平衡引起的負序分量，匝間短路在電磁轉矩中引起的故障特征更加明顯。因此可以通過分析電磁轉矩中的特征信號來監測匝間短路故障。

2 雙饋式發電機Ansoft軟件建模

2． 1有限元理論

本文利用電磁場有限元方法對電機進行求解。有限元法以變分原理為基礎，把要求解的微分方程的邊值問題，轉化為多元函數的極值問題。它將整個求解區域離散化，分割為許多小的單元:有限元進行求解。

式中:Jz為電流密度;μ為材料磁導率，Γ為第一類邊界條件;Γ1為定子外圓邊界;Γ2為轉子內圓邊界。式(5)等價于以下變分問題:

由此式出發，便可求得電機內矢量磁位的值。為簡化問題做如下假設:

1)假設磁場沿軸向均勻分布，忽略端部效應，J=Jz，A=Az。

2)忽略電機外部磁場，定子外表面和轉子內表面圓周均為零矢量位面。

3)忽略電機中渦流效應。

4)繞組與鐵心絕緣，忽略鐵磁材料飽和，忽略定子外表面漏磁，轉子內表面漏磁，定子外圓及轉子內圓加平行磁通邊界條件。

2． 2 ANSOFT 軟件建模

本文使用Ansoft Maxwell 2D軟件進行建模仿真，仿真所依據的是本校電機實驗室一臺YR132M2－4繞線式三相異步電機，其基本參數如下:

額定轉速:1 440 r/min;額定功率:5．5 kW;定子外徑:210 mm;定子內徑:136;極對數:2;定轉子槽數:36/24;氣隙為0．4 mm，軸長為155 mm，轉子外徑為135．2 mm，內徑為48mm;定轉子每槽線數:74/24。定子采用三角形聯接，并聯支路數為2，節距為8;轉子采用星形聯接，并聯支路數為1，節距為5。建立的Ansoft模型如圖1所示。

本文共建立4個仿真模型，分別是:

(1)以定子繞組完全對稱的雙饋式發電機作為理想模型，簡稱理想模型，不考慮定子繞組匝間短路和固有不平衡。用以研究理想模型正常情況下的轉子電流和電機的電磁轉矩。

(2)以定子繞組存在固有不平衡的雙饋式發電機作為實際模型，簡稱實際模型，定子繞組不考慮匝間短路。用以研究實際模型正常情況下的轉子電流和電機的電磁轉矩。

(3)將理想模型雙饋式發電機發生定子匝間短路作為理想短路模型。用以研究理想模型1匝短路情況下的轉子電流和電機的電磁轉矩。

(4)將實際模型雙饋式發電機發生匝間短路作為實際短路模型。用以研究實際模型1匝短路情況下的轉子電流和電機的電磁轉矩。

圖1 電機的Ansoft Maxwell 2D模型

通過外電路和Ansoft Maxwell 2D模型場路耦合來分別設置匝間短路和固有不平衡。為了排除其他因素對繞組輕微匝間短路和輕微固有不平衡的影響，本文將定子繞組匝間短路及固有不平衡故障均設置在定子A相第一條支路中，通過調節短路電阻短路繞組的匝數來調節故障的嚴重程度。外電路設置原理如圖2所示。

圖2 電機的外電路設置原理圖

3 仿真及結果分析

本文根據研究需要，所設置的4種情況下的仿真模型定轉子側所加激勵均相同，轉子通過三相交流勵磁，勵磁電源頻率10 Hz。電機處于亞同步狀態，轉速為1 200轉。采集電機進入穩定之后的轉子線電流信號和電磁轉矩作為分析對象。

3． 1轉子電流頻譜分析

為突出顯示故障的特征頻率變化，轉子電流頻譜分析中隱藏了10 Hz基波。

分別對4種情況下，電機穩態運行時的轉子線電流的信號進行頻譜分析。如下所示:

圖3 理想模型正常情況

圖4 理想模型定子1匝短路

圖5 實際模型正常情況

圖6 實際模型定子1匝短路

從對比理想模型正常情況下和理想模型發生1匝短路時的轉子線電流頻譜，可以發現在理想模型在正常情況下，轉子線電流中僅含有極少量的90 Hz諧波，而當定子繞組發生1匝短路后，轉子線電流中出現明顯的90 Hz諧波，這與文獻［5］中的結論相吻合，即可通過監測特征頻率(2－s)f來確定理想情況下雙饋式異步發電機的發生定子繞組匝間短路。

考慮了定子繞組存在輕微不平衡實際模型，對其正常運行狀態進行仿真，分析其轉子線電流頻譜。從圖5可以觀察到，在實際模型下，定子繞組未發生匝間短路，轉子繞組的線電流中出現明顯的90Hz諧波，其特征頻率與定子繞組發生1匝輕微匝間短路的特征頻率相同。由此可見，在實際運行的雙饋式風力發電機的，其輕微的定子不平衡，將會導致轉子線電流中出現一定量的(2－s)f次諧波，若不考慮雙饋式發電機定子繞組本身存在的固有不平衡因素，將轉子線電流中的(2－s)f作為特征頻率監測定子繞組的輕微匝間短路故障，將會導致對故障的誤診斷。

從圖6分析實際模型發生1匝短路情況下的轉子線電流頻譜，可以看到故障的特征頻率仍為90Hz，但其幅值出現數量級的增長，這是由于三相相繞組的固有不平衡使得匝間短路故障特征更加明顯。但是由于電機繞組固有不平衡的特征頻率就是(2－s)f次，因此僅僅監測轉子線電流中的諧波作為匝間短路故障的特征頻率仍不能有效對匝間短路故障做出診斷。

3． 2電磁轉矩頻譜分析

選取電機運行進入穩態之后的電磁轉矩信號進行頻譜分析。為便于分析，突出特征頻率的變化，下面各圖隱藏了電磁轉矩頻譜中的直流分量。

圖7 理想模型正常情況下的電磁轉矩

圖8 理想模型定子1匝短路電磁轉矩

圖9 實際模型正常情況

圖10 實際模型定子1匝短路

分析圖7和圖9的電磁轉矩頻譜我們可以發現，不論是否考慮固有定子固有不平衡，定子繞組無匝間短路的情況下，電機的電磁轉矩頻譜中，均不含電機定子電壓的2倍頻(100 Hz)諧波，其他各次諧波變化可以忽略不計。而由圖8可以觀察到，對于考慮到輕微的匝間短路的理想模型，電機的電磁轉矩中出現電壓頻率的2倍頻諧波(100 Hz)。

比較圖9和圖10可以發現，當實際模型發生1匝短路后，在其穩定運行下，其電磁轉矩頻譜中含有顯著的定子電壓頻率的2倍頻諧波(100 Hz)，而其他各次諧波均無明顯變化。這說明，可以以定子電壓頻率的2倍頻頻率作為特征頻率監測電磁轉矩來確定實際情況下定子輕微固有不平衡的雙饋發電機的定子匝間短路，這種方法比監測轉子電流特征頻率的方式更加有效。

4 結 語

本文分析了計及定子繞組固有不平衡的雙饋式風力發電機定子繞組匝間短路故障的轉子電流特征頻率和電磁轉矩的頻譜，結論如下:

1)雙饋式發電機定子的輕微固有不平衡會在轉子電流中引起(2－s)f諧波，這與定子繞組匝間短路在轉子電流中引起的特征諧波相同。這有可能導致對定子繞組匝間短路故障的誤診斷。

2)雙饋式風力發電機無論是否考慮固有不平衡，當發生定子繞組匝間短路后，電磁轉矩頻譜中都含有2f次分量。而不發生匝間短路情況下，不論是否存在輕微的固有不平衡，都不含2f諧波。這說明，可以以電磁轉矩中的2f次諧波分量作為特征量監測雙饋式電機的定子繞組匝間短路故障。相對于轉子線電流中的(2－s)f次諧波，電磁轉矩中的2f次分量使得故障特征更加凸顯，可以有效的避免誤診斷發生。

3)定子繞組匝間短路情況下電磁轉矩中的特征分量，將會在電機本體引起特定頻率的機械振動。其振動特性，也可用于雙饋式發電機定子匝間短路的診斷識別，其具體原理，尚需進一步研究。

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