基于開口變壓器法的交流電機定子非激勵相繞組匝間短路檢測研究

摘 要：

為了解決交流電機定子繞組中線圈絕緣損傷引起匝間短路故障無法準確、快速定位的問題，提出將檢測轉子繞組匝間短路的開口變壓器法移植到檢測交流電機定子繞組匝間短路，定子單相添加激勵源，非激勵相繞組設置故障點，開口變壓器檢測故障點所在槽，分析故障前后開口變壓器繞組感應電動勢的變化。首先闡述開口變壓器檢測定子非激勵相的工作原理，分析正常和故障狀態下通過開口變壓器鐵心漏磁通的表達式，進一步得到開口變壓器繞組感應電動勢表達式，獲取故障變化規律。隨后建立交流電機電磁仿真模型，進行仿真分析，最后用一臺定子樣機進行實驗驗證。結果表明：故障狀態下，隨著故障程度的加深，故障點所在槽的開口變壓器感應電動勢隨之減小，證明了開口變壓器可以作為離線檢測交流電機定子非激勵相繞組匝間短路故障的有效手段。

關鍵詞：交流電機；定子繞組；匝間短路；開口變壓器法；感應電壓；故障診斷

DOI：10.15938/j.emc.2024.02.006

中圖分類號：TM34

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2024）02-0054-10

收稿日期： 2023-04-17

基金項目：國家自然科學基金（52277048）；河北省自然科學基金（E2023502002）

作者簡介：張 龍（1996—），男，碩士研究生，研究方向為大型電氣設備狀態監測與故障診斷；

武玉才（1982—），男，博士，副教授，博士生導師，研究方向為大型電氣設備狀態監測與故障診斷。

通信作者：武玉才

Inter-turn short circuit detection of unexcited phase winding of AC motor stator based on open transformer method

ZHANG Long， WU Yucai

（Key Laboratory of Green and Efficient New Electrical Materials and Equipment in Hebei Province， North China Electric Power University， Baoding 071003，China）

Abstract：

In order to solve the problem that the inter-turn short circuit fault caused by the coil insulation damage in the stator winding of the AC motor cannot be accurately and quickly located， it was proposed to transplant the open transformer method for detecting the inter-turn short circuit of the rotor winding to the detection of the inter-turn short circuit of the stator winding of the AC motor. The excitation source was added to the single phase of the stator， and the fault point was set in the non-excitation phase winding. The open transformer detecting the slot where the fault point was located， and the change of the induced electromotive force of the open transformer winding was analyzed before and after the fault. Firstly， the working principle of the open-ended transformer to detect the non-excited phase of the stator was described. The expression of the leakage flux through the open-ended transformer core under normal and fault conditions was analyzed. The expression of the induced electromotive force of the open-ended transformer winding was further obtained， and the fault variation law was obtained. Then the electromagnetic simulation model of AC motor was established， and the simulation analysis was carried out. Finally， a stator prototype was used for experimental verification. The results show that under the fault state， with the deepening of the fault degree， the induced electromotive force of the open transformer in the slot where the fault point is located decreases， which proves that the open transformer can be used as an effective means to detect the inter-turn short-circuit fault of the stator non-excitation phase winding of the AC motor offline.

Keywords：asynchronous motor; stator winding; interturn short circuit; open transformer method; induced voltage; fault diagnosis

0 引 言

定子繞組匝間短路故障是交流電機各類故障中最常見、最嚴重的一種，故障發生率占交流電機總故障的38%［1］。故障原因主要有絕緣破壞、機械振動和熱應力等。在故障早期，通常線圈匝數較少、阻抗很小，短路匝內部會產生較大的短路電流，引起繞組迅速升溫，進一步導致更嚴重的多匝線圈短路，甚至引起相間短路、單相接地［2-3］。

多年來，國內外學者對交流電機定子繞組匝間短路故障進行了多方面研究［4-6］。文獻［7］分析了正常情況和定子匝間短路情況下電磁轉矩的變化，利用電磁轉矩的差異來診斷定子匝間短路。文獻［8］在電流分析法的基礎上，對交流電機定子繞組故障進行分析，提出新的判據——三相電流之間的相位差。文獻［9］通過派克矢量旋轉變換分析了交流電機定子電壓和電流的正序、負序分量，將負序電流分量從負序分量中分離，得到判斷定子故障的新特征——負序電流分量。文獻［10-11］在文獻［9］的基礎上進一步研究，故障發生后負序電流有明顯增加，可以作為新的判據。文獻［12］提出對定子電流中負序分量進行park變換，將正序分量轉換成直流量，負序分量轉換成二倍工頻分量，并據此進行故障診斷。文獻［13］分析了交流電機定子繞組發生匝間短路時的磁勢變化，最終得到故障狀態使得定子側電流中70、90、150、170 Hz等頻率諧波分量幅值有較大變化。文獻［14］提出一種基于計算轉矩二倍頻脈動的檢測方法，定子匝間短路會引起計算轉矩中出現與故障程度成正比的2倍頻脈動。文獻［15］提出一種基于空間矢量法的交流電機定子匝間短路故障診斷方法，定義了表征故障特征程度的靈敏因子。文獻［16］針對序阻抗無法直接辨識交流電機定子故障的問題，提出一種新的故障特征量——擬序阻抗。文獻［17］提出一種檢測交流電機定子繞組匝間短路故障的新特征量——負序視在阻抗濾波值。文獻［18］在分析電機定子短路故障時電機的振動和定子電流頻譜信息的基礎上，提出一種基于信息融合分析的交流電機定子故障檢測方法。文獻［19］以交流電機定子匝間短路故障作為研究對象，通過派克矢量法和失電殘壓模型對定子端電壓電流進行頻譜分析，將得到的特征信息進行故障信息融合診斷。文獻［20］提出基于電壓、電流瞬時負序分量的李薩如融合圖形分析電機定子匝間短路故障的診斷方法，將交流電機的定子電動勢、電流負序分量通過李薩如方法進行融合，形成負序李薩如圖形，通過圖形傾角的動態變化觀測故障程度。

上述方法用于對交流電機定子繞組的在線診斷，實時監測避免了故障進一步惡化。然而，交流電機型號眾多，特別是中小型交流電機的價格低，使用在線診斷設備的性價比極低，在線診斷技術無法對故障部位進行精確定位。因此，故障定位階段依舊需要離線檢測方法進行輔助定位。綜上所述，開發可靠、抗干擾性強并且可定位的離線檢測方法仍然十分必要。

離線檢測中開口變壓器法在現場應用廣泛，方法應用經驗豐富，檢測成本較低。本文提出將開口變壓器法應用于交流電機的定子繞組匝間短路故障檢測，首先推導定子繞組匝間短路前后開口變壓器感應電動勢的表達式，獲得電動勢的變化特征。隨后建立一臺籠型交流電機電磁仿真模型，設置定子單相為激勵相，其余兩相作為非激勵相（其中一個非激勵相發生故障），研究不同程度的匝間短路時，開口變壓器感應電動勢的變化規律，最后通過實驗驗證開口變壓器檢測定子繞組匝間短路的可行性，為交流電機定子繞組匝間短路故障的離線檢測提供新思路。

1 定子繞組匝間短路的開口變壓器感應電動勢特征分析

交流電機定子繞組普遍采用三相雙層疊繞組結構，A、B、C三相空間對稱分布，互差120°電角度。本文設置單相連接激勵源（A相連接），而其他相發生匝間短路故障（C相故障），并用開口變壓器對故障位置進行檢測，交流電機定子繞組匝間短路電路模型如圖1所示。圖中：定子A相施加激勵電源，C相發生匝間短路故障；C1～C5為短路接頭。

2 有限元建模

本文建立一臺YKK3552-4型籠型異步電動機電磁仿真模型，如圖5所示。機組基本參數如表1所示。該電動機的定子線圈為三相對稱分布、雙層繞組、Y型連接，每根線棒21匝，提供激勵的交流電源設置為200 V的恒壓源，18號線圈（其2個有效邊分別位于18號槽的上層邊和29槽的下層邊）被設置為故障線圈，開口變壓器繞組匝數設置為20匝。

定子A相繞組上施加200 V的交流電壓源，電流為10 A。繞組正常情況下，磁場分布如圖6所示，磁場是以A相繞組軸線為中心的4極交變脈振磁場。

根據楞次定律，C相繞組在磁場作用下感應電流（以下稱為C相環流）如圖7所示（C相環流峰值接近40 mA，為方便對比相位關系，將C相環流幅值擴大了100倍）。

圖7中，觀察電流波形，二者電流相位基本反相，符合理論推導，C相并聯分支的環流實際上起到去磁作用，能夠影響到開口變壓器繞組在C相各槽的感應電動勢。

開口變壓器繞組在C相繞組各槽的感應電動勢如圖8所示。對比圖8（a）、圖8（b）、圖8（c）和圖8（d）可以看到，圖8（a）與圖8（c）的電動勢同相位，圖8（b）與圖8（d）的電動勢同相位，而圖8（a）與圖8（b）的電動勢則是反相位關系，這主要是受A相繞組產生的瞬時N、S磁場交替排布影響。在以下4個圖中，4、16、28和40號槽的感應電動勢遠大于其他槽，因為這4個槽內的下層邊線棒屬于A相，激勵電流較大。其他槽在開口變壓器繞組的感應電動勢幅值較小，其特點是線圈軸線距離A相繞組軸線越遠，開口變壓器繞組的感應電動勢越小。

設置C相繞組的18號線圈（其2個有效邊分別位于18號槽的上層邊和29槽的下層邊）發生1～5匝短路（故障程度2.38%～11.90%），C相并聯支路環流和短路回路電流波形圖，如圖9所示。

觀察圖9（a）發現，由于匝間短路引起C相繞組2個并聯分支的有效匝數不同，在并聯支路內部的環流呈現增大趨勢。對比圖9（a）和圖9（b），C相繞組內部環流和被短路回路電流基本同相位，與激勵電流反相位，被短路回路電流隨著短路程度加深而逐漸降低，這是因為隨著短路匝數增多，被短路回路的感應電動勢增速不及交流電抗增速快所致。

開口變壓器線圈在18號槽和29號槽的感應電動勢如圖10和圖11所示。

對比圖10和圖11，兩圖中不同點是感應電動勢波形圖相位相反，這是由于相鄰的激勵相電流方向不同導致，圖11波形的幅值高于圖10。相同點是開口變壓器繞組在兩槽的感應電動勢都隨著故障程度的加深而逐漸降低，正常狀態最大，5匝短路最小，二者都是相差30 mV左右。18號槽1匝短路（故障程度2.38%）的感應電動勢相較于正常幅值下降了6.30%；29號槽的感應電動勢相較于正常幅值下降了4.14%。

為了探究開口變壓器是否能有效檢測C相其他槽的匝間短路故障，使用開口變壓器分別檢測17、19、20、28、30和31號槽的感應電動勢，如圖12所示。

圖12中，圖12（a）和圖12（b）為同一線圈不同槽，緊鄰的激勵相電流方向不同，因此相位相差180°，二者都是正常狀態下幅值最高，隨著短路程度加深，幅值逐漸下降，圖12（a）中17號槽能夠看出幅值有明顯下降，而圖12（b）中28號槽有一層繞組為激勵相，故障線圈產生的漏磁通對其影響較小，因此下降不明顯，但是可以根據同一線圈的17號槽進行有效診斷。圖12（c）和圖12（d）同屬同一線圈，二者相位關系同上，圖12（d）中30號槽相較于圖12（c）中19號槽距離激勵相更近，因此19號槽的感應電動勢幅值下降更為明顯，故障線圈產生相同的漏磁通，2個槽感應電動勢幅值下降相同。圖12（e）中20號槽處于2個不同電流方向的激勵相繞組的交界處，因此其波形不穩定，不易進行故障診斷，同一線圈的圖12（f）中31號槽故障狀態下幅值下降較為顯著。

C相各槽故障時的開口變壓器繞組感應電動勢相較于其正常狀態幅值下降比例圖如圖13所示。圖中，各槽初始故障1匝短路的開口變壓器繞組感應電動勢相較于正常幅值下降均在3.5%以上（28號槽除外，該槽上層繞組為激勵相）。其中17～20號槽距離激勵相漸遠，故障下降曲線逐漸上抬升高，29～31號槽同理。

3 實驗驗證

為了驗證開口變壓器法檢測定子繞組匝間短路的有效性，采用工業標準三相異步電動機鐵心加工了一臺原理樣機，樣機為4極48槽，如圖14所示。該電機的定子繞組為單層，單層繞組為50匝，A相和C相繞組連接如圖15所示，C相4號槽短路接頭分別為2、4、6、8匝。

圖16為實驗檢測平臺，開口變壓器繞組匝數為150匝，定子A相連接單相調壓器，在電路中串入1 Ω電阻，對電流進行采樣，調節單相調壓器將電流維持在1 A，信號采集儀收集電源電壓、A相電流、開口變壓器感應電動勢和短路匝電流等數據。

圖15中，A相相鄰四槽的電流方向相同，使用開口變壓器對其進行檢測，分析感應電動勢的特征，圖15中選取5～8號槽進行檢測，如圖17所示，隨后選取電流方向不同的5、17、29、41號槽，如圖18所示。

觀察圖17，與圖14相對應，圖中4個槽繞組的電流流向相同、大小相等，其開口變壓器的感應電動勢波形重合度高，相位和幅值大致相等。而圖18中，4個槽波形的幅值大致相同，相同電流流向的槽兩兩重合（5號槽和29號槽，17號槽和41號槽），電流相反的槽相位相差180°（5號槽和17號槽，29號槽和41號槽）。

正常情況下C相開口變壓器繞組在1～4號槽的感應電動勢，如圖19所示。

圖19中，4個槽的相位相同，幅值則隨與激勵相的距離逐漸增大。以1和4號槽為例，1號槽距離激勵相較遠，4號槽緊貼激勵相，4號槽幅值要大于1號槽。

故障狀態下（4號槽的短路接頭2、4、6、8匝依次短接），采集儀采集到短路匝短路電流如圖20所示。

圖20中不同短路程度的電流波形相位相同，幅值隨著短路程度加深而逐漸降低，這是因為短路匝數增多，短路匝繞組的感應電動勢增速不及交流電抗增速快所致。

開口變壓器繞組在4號槽不同短路程度的感應電動勢，如圖21所示。

圖21中，開口變壓器繞組在4號槽正常狀態的感應電動勢幅值最高，隨短路程度加深逐漸降低，感應電動勢在8匝短路時下降幅度最大，相較于正常下降了22.86%，初始2匝短路相較于正常下降了5.7%。這是由于短路匝所產生的漏磁通與激勵相產生的漏磁通方向相反，且隨短路程度的增加，短路電流下降不及短路匝數的增速快導致的。

4 結 論

本文對交流電機非激勵相匝間短路時開口變壓器的感應電動勢變化進行理論分析規律，結合有限元仿真和實驗驗證得到以下結論：

1）正常狀態下，開口變壓器繞組在非激勵相各槽的感應電動勢與相鄰激勵相電流相關，相鄰激勵相電流方向相同，則相位相同，反之則相反；非激勵相線圈軸向距離與激勵相繞組軸線越遠，開口變壓器繞組感應電動勢越小。

2）定子繞組非激勵相發生匝間短路，該相內部環流和短路回路電流均與激磁電流方向相反，隨短路程度的加深，非激勵相支路環流幅值增加，短路電流減小，都對激勵電流產生的磁場有去磁作用，導致故障槽槽口漏磁通減小。

3）定子繞組非激勵相發生匝間短路后，隨短路程度的加深，開口變壓器繞組在故障槽的感應電動勢降幅也逐漸增大。受同槽繞組影響，故障線圈2個邊所在槽在開口變壓器繞組上感應電壓可能存在差異，如一側槽的感應電動勢降幅較小，另一側槽感應電動勢降幅較大。

4）開口變壓器法能夠有效檢測交流電機定子非激勵相繞組故障，該方法簡單易行，能夠精準定位故障槽，縮短定子故障檢修時間，對防止故障惡化、提高電機可用性具有重要意義。

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（編輯：邱赫男）