CN101672894B - 基于高次谐波轴电压信号的电机转子匝间短路诊断方法 - Google Patents

Abstract

一种基于高次谐波轴电压信号的电机转子匝间短路诊断方法，用于解决电机转子绕组匝间短路故障的检测问题。其技术方案是：它将滑动变阻器的两端分别接于电机转子两端，然后利用数据采集仪在线采集滑动变阻器输出的轴电压分压信号，并对该信号进行快速傅立叶变换，得到轴电压频谱图，最后根据轴电压信号中所含故障特征谐波的幅值变化量来判断是否存在转子绕组匝间短路故障：若故障特征谐波的幅值变化量大于故障阈值，则判定电机转子存在绕组匝间短路故障。本发明简单易行，不仅可有效地避免轴电压低频分量的干扰，提高诊断的可靠性，而且适用范围广，即适用于隐极同步电机，也适用于凸极同步电机，无论电机大小新旧，都可方便地进行测试。

Description

基于高次谐波轴电压信号的电机转子匝间短路诊断方法

技术领域

本发明涉及一种能够在线诊断同步电机转子绕组是否存在匝间短路故障的方法，属测试技术领域。

背景技术

转子绕组匝间短路故障是同步电机的常见故障。针对匝间短路故障的诊断方法多种多样，总体上可以分为两类，即离线诊断方法和在线诊断方法。其中，在线诊断方法能对故障进行实时检测，防止其进一步恶化，是今后发展的趋势。

目前，在线检测转子绕组匝间短路故障的方法主要有探测线圈法、励磁电流法以及基于转子基频振动的检测方法。

探测线圈法的基本原理是对发电机定子铁芯气隙中的旋转磁场进行微分，然后通过分析信号微分后的波形来诊断转子绕组是否存在匝间短路故障以及故障槽的位置。该方法的缺点是只适合诊断分布式绕组的隐极电机而且只在电机空载状态才能获得较高的监测可靠性，而当电机带载运行时，探测效果并不明显，检测准确度较差。此外，这种方法需要将探测线圈装在定子铁芯的空气隙表面，由于对已经投运电机安装探测线圈相当困难，使该方法的应用范围受到了限制。

励磁电流法是根据短路故障前后励磁电流的变化和无功的相对变化来监测转子短路故障，适用于静止励磁电机。该方法为系统的扰动以及功率调节留有一定的裕度，对严重短路较为有效，而轻微的匝间短路(如1匝短路)通常难以检测。

基于电机转子的基频振动的转子绕组匝间短路故障监测方法监测的是转子的振动信号，然而转子振动是机电交叉作用的结果，包括质量不平衡和动偏心等初始状态的影响，如果转子所受初始不平衡外力与转子匝间短路引起的不平衡磁拉力相位相反，那么短路发生后电机的基频振动可能仍处于正常范围，无法检测出故障。

上世纪后期，Paul I.Nippes经过大量的实践，提出了通过轴电压诊断旋转机械故障的方法，它是以电压波形异常和幅值的突然增大做为判断依据，该方法虽然在实际生产中获得了应用，并数次成功诊断出发电机故障，但并没有获得理论支持，难以对故障类型给出明确指示。

总之，尽管国内外对转子绕组匝间短路故障的在线检测十分重视，但现有的各种方法在应用中还是受到一定的制约，实际测试中得到的结果并不十分理想，发电厂发生转子绕组匝间短路故障后未能及时发现而造成严重后果的事例屡见不鲜，因此有必要进一步提高此类故障的诊断水平。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足、提供一种简单易行、可靠性高且适用范围广的基于高次谐波轴电压信号的电机转子匝间短路诊断方法。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种基于高次谐波轴电压信号的电机转子匝间短路诊断方法，它将滑动变阻器的两端分别接于电机转子两端，然后利用数据采集仪在线采集滑动变阻器输出的轴电压分压信号，并对该信号进行快速傅立叶变换，得到轴电压频谱图，最后根据轴电压信号中所含故障特征谐波的幅值变化量来判断是否存在转子绕组匝间短路故障：若故障特征谐波的幅值变化量大于故障阈值，则判定电机转子存在绕组匝间短路故障，否则没有匝间短路故障，所述故障特征谐波的频率为Mω_r/2π，其中，表达式中M为电机的定子齿槽数，ω_r为电机的机械转速。

上述基于高次谐波轴电压信号的电机转子匝间短路诊断方法，所述故障特征谐波幅值变化量的故障阈值有两个：空载状态下阈值取12％，若 $\frac{\mathrm{\Δf}}{f_0}\≥12\%,$ 则判断存在转子绕组匝间短路故障；负载状态下阈值取10％，若 $\frac{\mathrm{\Δf}}{f_0}\≥10\%,$ 则判断存在转子绕组匝间短路故障，其中Δf表示特征谐波幅值的变化量，f₀为电机正常状态下特征谐波的幅值。

上述基于高次谐波轴电压信号的电机转子匝间短路诊断方法，还可根据故障特征谐波的幅值大小来判断转子绕组匝间短路故障的程度，故障特征谐波的幅值越大，转子绕组匝间短路故障越严重。

本发明利用轴电压中与定子齿槽数对应的高次谐波成份来诊断转子绕组匝间短路故障，由于定子齿槽数较多，因此该故障特征谐波的频率较高，这样就有效地避免了轴电压低频分量的干扰(电机轴电压信号中存在大量的低频成份)，提高了诊断的可靠性。采集轴电压信号不用安装价格昂贵的传感器，只需采用碳刷等设备将轴电压信号引出即可，操作简单而且成本低。该方法不仅适用于隐极同步电机，还适用于凸极同步电机，无论电机大小新旧，都可以方便地进行测试，尤其转子绕组匝间短路故障频发的中小型同步电机以及老旧的大型同步电机，采用该方法诊断具有广阔应用前景。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1是本发明轴电压测量电路图；

图2是故障模拟实验接线图；

图3是空载正常情况下的轴电压频谱；

图4是空载短路5％情况下的轴电压频谱；

图5是空载短路12％情况下的轴电压频谱；

图6是空载短路20％情况下的轴电压频谱；

图7是负载正常情况下的轴电压频谱；

图8是负载短路5％情况下的轴电压频谱；

图9是负载短路12％情况下的轴电压频谱；

图10是负载短路20％情况下的轴电压频谱。

图中各标号为：1、数据采集仪，2、转予，3、滑动变阻器，4转子轴，JC、接触器，A1、A2、电流表，W、变阻器，L1、转子绕组，L2、定子绕组。

文中所用各符号的意义：M、电机的定子齿槽数，ω_r、电机的机械角速度，P、极对数，F(θ_s，t)、同步电机气隙磁势，F₁、F₃、F₅……、磁势分量，Λ(θ_s，t)、气隙磁导，Λ₀、气隙磁导常数项，Λ₅₄、齿槽引起的气隙磁导54次谐波分量，B(θ_s，t)、气隙磁密，θ_s、定子机械角度，ΔF(θ_s，t)、短路匝总磁势，ΔF₁、ΔF₂、ΔF₃……短路匝磁势分量。

具体实施方式

参看图1，采用常规的数据采集仪1即可满足数据采集要求，对于大型发电机，其轴电压可能超出采集仪的测量范围，因此可以通过滑动变阻器3来提取轴电压信号(应保证接入回路的电阻值很大，以降低回路电流)，具体的电阻值选择取决于电机的轴电压最大值估计以及数据采集仪1所能成受的电压上限，需根据实际情况来定。

正常情况下，P对极的同步电机气隙磁势可以分解为P、3P、5P……等分量，可以表示为：

F(θ_s，t)＝F₁cosP(θ_s-ω_rt)+F₃cos3P(θ_s-ω_rt)+F₅cos5P(θ_s-ω_rt)…      (1)

匝间短路发生后，由于短路导致此极气隙安匝数降低，其中短路匝绕组对主磁场的影响相当于反向电流产生的反向磁场叠加于正常运行的气隙磁场上。该磁势经傅立叶分解得：

ΔF(θ_s，t)＝ΔF₁cos(θ_s-ω_rt)+ΔF₂cos2(θ_s-ω_rt)+ΔF₃cos3(θ_s-ω_rt)…    (2)

可见转子绕组匝间短路发生后的励磁磁势变化，以电角度计算：对于一对极电机而言，气隙出现了偶次谐波磁势，这是正常情况不存在的，可以作为转子绕组匝间短路的特征磁势；对于多对极电机，气隙出现了分数次谐波磁势，谐波次数为

(i＝1、2、3……)，其中 $\frac{i}{P}\≠2j-1$ (j＝1、2、3……)的所有磁势分量都是短路前不存在的，可以作为转子绕组匝间短路的特征磁势。

建立气隙磁导模型时只考虑定子齿槽效应，以定子54槽电机为例，气隙磁导模型表示为：

Λ(θ_s，t)＝Λ₀+Λ₅₄cos54θ_s        (3)

由磁势和磁导可以计算出由短路匝引起的气隙磁密：

$\mathrm{\ΔB}({\mathrm{\θ}}_s,t)=\mathrm{\ΔF}({\mathrm{\θ}}_s,t)\·\mathrm{\Λ}({\mathrm{\θ}}_s,t)$

$={\mathrm{\Λ}}_0\underset{i=1}{\overset{\∝}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{F}_i\cos i({\mathrm{\θ}}_s-{\mathrm{\ω}}_{r}t)+{\mathrm{\Λ}}_{54}\underset{i=1}{\overset{\∝}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{F}_i\cos i({\mathrm{\θ}}_s-{\mathrm{\ω}}_{r}t)\cos 54{\mathrm{\θ}}_s---\left(4\right)$

$={\mathrm{\Λ}}_0\underset{i=1}{\overset{\∝}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{F}_i\cos i({\mathrm{\θ}}_s-{\mathrm{\ω}}_{r}t)+\frac{{\mathrm{\Λ}}_{54}}{2}\underset{i=1}{\overset{\∝}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{F}_i\left\{\cos \right[(i+54){\mathrm{\θ}}_s-i{\mathrm{\ω}}_{r}t]+\cos [(i-54){\mathrm{\θ}}_s-{\mathrm{i\ω}}_{r}t\left]\right\}$

对(4)含有Λ₀项和含有Λ₅₄的两项分别进行分析。对于含有Λ₀项的磁通密度，其转速为 $\frac{{\mathrm{d\θ}}_s}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\ω}}_r$ (ω_r为转子机械转速)，与转子同步，不可能在转轴上感应轴电压；含有Λ₅₄项的大部分磁通密度都与转子之间存在相对运动，在转子表面产生涡流；但式(4)中存在一个特殊项，即当i＝54时：

$\frac{{\mathrm{\Λ}}_{54}}{2}\cos [(i-54){\mathrm{\θ}}_s-{\mathrm{i\ω}}_{r}t]=\frac{{\mathrm{\Λ}}_{s1}\mathrm{\Δ}{F}_{54}}{2}\cos 54{\mathrm{\ω}}_{r}t---\left(5\right)$

式(5)所得磁通密度项是个与空间位置无关的量，形成围绕转子圆周均匀分布、随时间正弦变化的磁通密度。在二维平面内，由磁通连续性定理，磁通密度沿封闭曲线积分应该为零，因此可以判定：定子齿槽效应必然导致电机磁场发生畸变。畸变后磁通变为交链转轴的交变磁通，因此通过采集仪可以获得该磁通在转轴上感应的轴电压信号，轴电压的频率与畸变磁通的频率相一致。

在华北电力大学MJF-30-6故障模拟发电机组上进行了转子匝间短路故障模拟实验，实测了电机轴电压。该电机的参数如表1所示，实验采用北京波谱公司生产的U60116C型数据采集仪，设置采样频率10kHz，采样时间10S，图2为电机接线图，转子绕组L1有四个抽头，在C₂、C₃两抽头之间连接一旁路，实验过程中通过调节旁路的滑动变阻器W调节旁路分流，从而实现模拟转子绕组匝间短路故障的目的。实验测量电路如图1所示。

表1MJF-30-6电机参数

电机型号	MJF-30-6
		额定容量	30kVA
额定电压	400V
		额定转速	1000r/min
极对数	P＝3
		轴承类型	座式
定子槽数	54
		转子槽数(隐极)	42
实槽数	30
		定子绕组匝数	72
并联支路数	2

对实验数据进行傅立叶分析，得图3～图10，为便于观察，只显示了600-1200Hz频段。

图3～图6分别为空载正常、空载短路5％、空载短路12％和空载短路20％情况下的轴电压频谱，从图中可以看出，900Hz成份十分明显，恰好是54ω_r所对应的频率(54ω_r＝54ω/3＝18ω，其中ω表示电频率，对应频率50Hz，故54ω_r对应频率900Hz)，与式(5)畸变磁密频率完全吻合。随着短路程度的加重，900Hz的轴电压分量的幅值单调递增；图7～图10分别为负载正常、负载短路5％、负载短路12％和负载短路20％情况下的轴电压频谱分布，可见随着短路程度的加重，900Hz的轴电压分量的幅值呈现递增趋势，不过增大的趋势不如空载情况下明显，这可能是由于电枢反应作用，气隙磁场发生扭斜，使得齿槽效应变得不明显。

从实验可以得出结论：转子绕组匝间短路产生了54次谐波磁势，经定子齿槽的畸变效应在转轴上感应产生了900Hz轴电压分量。因此该轴电压特征谐波可以作为诊断转子绕组匝间短路故障的依据。

不同电机定子齿槽数不同，转速各异，发生转子绕组匝间短路后产生的故障特征频率也各不相同。设电机的定子齿槽数为M(M为偶数)，电机机械转速为ω_r，则转子绕组匝间短路产生的轴电压特征频率为Mω_r/2π。

Claims (2)

1.一种基于高次谐波轴电压信号的电机转子匝间短路诊断方法，其特征是，它将滑动变阻器(3)的两端分别接于电机转子(2)两端，然后利用数据采集仪(1)在线采集滑动变阻器(3)输出的轴电压分压信号，并对该信号进行快速傅立叶变换，得到轴电压频谱图，最后根据轴电压信号中所含故障特征谐波的幅值变化量来判断是否存在转子绕组匝间短路故障：若故障特征谐波的幅值变化量大于故障阈值，则判定电机转子存在绕组匝间短路故障，否则没有匝间短路故障，所述故障特征谐波的频率为Mω_r/2π，其中，表达式中M为电机的定子齿槽数，ω_r为电机的机械转速；

所述故障特征谐波幅值变化量的故障阈值有两个：空载状态下阈值取12％，若

则判断存在转子绕组匝间短路故障；负载状态下阈值取10％，若

则判断存在转子绕组匝间短路故障，其中Δf表示特征谐波幅值的变化量，f₀为电机正常状态下特征谐波的幅值。

2.根据权利要求1所述基于高次谐波轴电压信号的电机转子匝间短路诊断方法，其特征是，所述故障特征谐波的幅值越大，转子绕组匝间短路故障越严重。

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