同步发电机转子绕组匝间短路故障特征传递规律_张超

1 转子绕组匝间短路时定子绕组和转子绕 组侧的故障特征规律[15]
同步发电机正常运行时，励磁绕组产生的磁动 势随转子同步旋转，定子三相电流产生的旋转磁动 势以相同的转速和方向在气隙中旋转。发电机转子 绕组匝间短路后，励磁绕组的磁动势可看作短路前 的励磁绕组磁动势和短路线圈通过反向励磁电流产 生的磁动势的叠加量[16-18]。由于前者是完全对称的， 只需对短路线圈产生的随转子正转的磁动势进行分 析即可。该磁动势可分解为极对数为所有整数的一 系列谐波。该谐波磁动势将在定子绕组上感应谐波 电动势，形成附加的谐波电流。定子绕组感应的谐 波电流又将在气隙中产生旋转磁动势。该旋转磁动 势与转子不同步，将在转子绕组中感应谐波电动势， 形成附加的谐波电流。
（1）
ν =1
式 中 ， Il1, Il2 , Il3,…, Ilv 分 别 为 谐 波 次 数 为
- 54 -
电力系统保护与控制
1, 2,3,…, v 的谐波电流幅值。可按傅氏级数用积分
法求出。 Ilν = (2I2 πν )(sin(ν π 3) + sin(2ν π 3)) （2）
图 2 励磁机三相电枢绕组的谐波电流 Fig.2 Harmonic currents of three-phase armature winding in
图 1 无刷励磁谐波传递原理图 Fig.1 Schematic diagram of harmonic transfer in brushless
exciter
由文献[15]可知，转子绕组匝间短路时，发电 机转子绕组上的感应谐波电流相对励磁机电枢电流 而言很小，因此该谐波源不影响旋转整流器上二极 管的导通时间和频率。若忽略二极管的导通压降， 当三相整流桥的某两个二极管导通时，到旋转整流器的交
流侧。也就是说在励磁机电枢电流整流的同时叠加 了一个小幅值谐波源逆变的过程。
为了便于分析谐波源逆变到励磁机电枢绕组 侧的谐波成分，不妨假设“谐波源”为一个小幅值 直流源，其大小为转子绕组匝间短路产生的励磁绕
组谐波电流的幅值 I2 。则小幅值直流源经过逆变传
中图分类号： TM307；TM77 文献标识码：A
文章编号： 1674-3415(2011)14-0052-06
0 引言
转子绕组匝间短路是一种常见的同步发电机电 气故障[1-3]。轻微的匝间短路对发电机运行不会产生 太大的影响，如果故障继续发展，会出现发电机组 振动超标、无功严重降低（励磁电流超过额定要求）、 转子温度高等异常运行工况，短路点处的局部过热 还可能使故障演化为转子一点甚至两点接地故障， 损坏转子铁芯并可能引起转子大轴磁化，严重情况 还会烧伤轴颈和轴瓦，给机组的安全运行带来巨大 威胁[4-6]。因此，分析转子绕组匝间短路故障的机理 并给出此类故障的早期预报是十分必要的。
国内外学者对于发电机转子绕组匝间短路有较 多的研究。文献[7]认为定子绕组并联支路内，奇数 次谐波环流的出现和增长是转子绕组短路的故障特 征。文献[8-11]认为转子绕组匝间短路引起定子绕组
并联支路偶次谐波环流的增加。可见，由于发电机 的结构不同，转子绕组匝间短路引起的定子绕组环 流的谐波成分也不同，需要进一步深入研究。而且 对于实际运行的发电机，定子绕组环流测量不方便， 因此该类方法的应用价值尚有待考证。文献[12]将 转子径向工频振动幅值作为转子绕组匝间短路的故 障特征量。文献[13]分析了转子绕组匝间短路前后 的振动方程，以测量振幅、相角变化作为判断转子 绕组匝间短路发生的判据。但是都需要安装振动传 感器。文献[14]分析了转子绕组匝间短路时励磁电 流的谐波特征，提出将励磁电流谐波信号作为转子 绕组匝间短路的故障特征量，但是在励磁绕组谐波 电流的推导中没有深入分析定子旋转磁场对励磁绕 组的影响。并且对无刷发电机而言，检测励磁电流 非常困难。
综上所述，目前对发电机励磁绕组匝间短路的
张 超，等 同步发电机转子绕组匝间短路故障特征传递规律
- 53 -
研究，主要针对某一种结构的发电机，其故障特征没 有普遍性，不能适用于大多数发电机；所提出的故障 检测方法大都需要安装侵入式传感器，实际应用困 难。文献[15]针对前一个问题，深入分析了转子绕组 匝间短路对发电机定子绕组侧和转子绕组侧的电磁 影响，得到了适用于一般电机结构的定转子绕组的故 障特征规律。在此基础上，本文针对第二个问题研究 了转子绕组匝间短路故障特征依次由定子绕组、励磁 绕组、励磁机电枢绕组到励磁机励磁绕组的传递规 律。提出了一种非侵入式的故障检测方法。最后实测 故障模拟发电机组的试验数据进行了验证。
Transfer law of fault characteristics of interturn short circuit in synchronous generator rotor winding
ZHANG Chao，XIA Li，WU Zheng-guo，HOU Xin-guo，HUANG Hai （College of Electric and Information Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）
式（2）、式（4）可知，这两个谐波电流的幅值最大，
120D
都为 3I2 π ，相位相同。同理，励磁机 B 相和 C
相调制电流可推导出相同情况。且励磁机三相调制 电流的谐波成分相位差为 ，相序不变。
励磁机三相调制电流中幅值最大的两个谐波 成分分别在励磁机气隙中产生两个旋转磁场，转向 都与电枢旋转方向相反，转速分别为
第 39 卷 第 14 期 2011 年 7 月 16 日
电力系统保护与控制
Power System Protection and Control
Vol.39 No.14 July 16, 2011
同步发电机转子绕组匝间短路故障特征传递规律
张 超，夏 立，吴正国，侯新国，黄 海
（海军工程大学电气与信息工程学院，湖北 武汉 430033）
摘要：研究了发电机转子绕组匝间短路时，短路故障特征依次由定子绕组、励磁绕组、励磁机电枢绕组到励磁机励磁绕组的 传播规律。理论分析和仿真结果表明:当发电机转子绕组发生匝间短路故障时,励磁机励磁绕组上产生频率为 nrM/60 倍频的 感应电流。从而提出了一种基于励磁机励磁电流的发电机转子绕组匝间短路故障诊断的新方法，克服了一般诊断方式需要安 装侵入式传感器的不足。最后运用故障模拟发电机组进行了动模试验，试验结果验证了理论分析的正确性和故障诊断方法的 有效性。 关键词：匝间短路；同步发电机；转子绕组；故障诊断；谐波传递
递到旋转整流器交流侧后，励磁机三相电枢绕组上
出120现D ，频相率序为不f变1 的，交如变图方2 所波示电。流选，取其合相适位的差坐仍标为原 点，对励磁机 A 相电枢绕组上的交变方波电流 IA 进行傅里叶级数分解，则 IA 为偶函数，其傅里叶级
数没有正弦项和常数项。
∞
∑ IA = Ilν cosνω1t
2 转子绕组匝间短路时励磁机励磁电流谐 波特性
转子绕组匝间短路时，发电机励磁绕组上的谐 波电流对于励磁机而言是一个谐波源。谐波通过旋 转整流器、励磁机气隙传递到励磁机定子绕组侧， 如图 1 所示。设发电机转子绕组的谐波电流为
I2 sin(w2t + φ ) ，其频率为 f2 ，发电机组内励磁机 转子极对数为 P1 ，励磁机电枢电流的基频为 f1 。
Abstract：The fault characteristics transfer law of interturn short circuit in synchronous generator rotor winding from stator winding，field winding，and exciter armature winding successively to exciter field winding is studied．Theoretical analysis and calculation results indicate that the induced current with frequency multiplication of nrM/60 is produced in exciter field winding when interturn short circuit fault occurs in rotor winding．Subsequently，a novel fault diagnosis method of interturn short circuit in generator rotor winding based on field current of exciter is presented，which overcomes the deficiency of needing to install invaded sensors．Finally, utilizing fault simulation generator，the dynamic simulation tests are conducted．The validity of theoretical analysis and effectiveness of fault diagnosis method are verified by experimental results． Key words：interturn short circuit；synchronous generator；rotor winding；fault diagnosis；harmonic transfer
（3）
ν =1
对式（3）进行三角函数的积化和差，则励磁
机 A 相绕组交变调制电流 IA 可表示为
∞
∑ IA = ( Ilν 2)(sin(ω2t +φ +νω1t) + sin(ω2t +φ −νω1t)) ν =1 （4）