CN101710162A - 基于定子铁心振动的电机转子绕组匝间短路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

一种基于定子铁心振动的电机转子绕组匝间短路故障诊断方法，用于解决转子绕组匝间短路故障的检测问题。其技术方案是：它将振动传感器安装于电机定子铁心外侧，然后利用数据采集仪在线采集振动传感器所输出的定子铁心振动信号，并对该信号进行快速傅立叶变换，得到定子铁心振动频谱图，最后根据定子铁心振动信号中所含故障特征信号的幅值变化量来判断是否存在转子绕组匝间短路故障：若故障特征信号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，所述故障特征信号的频率为ω_r/2π，其中，ω_r为转子的机械角速度。该方法简单易行，检测精度和可靠性高。

Description

基于定子铁心振动的电机转子绕组匝间短路故障诊断方法

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气隙旋转磁场进行微分，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心的空气隙表面，对已经投运电机安装探测线圈相当困难，因此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，而轻微的匝间短路通常难以检测。

基于电机转子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，转子的振动是机电交叉作用的结果，其中包含转子初始弯曲、质量不平衡和动偏心因素的影响，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，目前已发生多起转子绕组匝间短路故障后转子振动不增甚至减小的实例。

还有人提出利用定子铁心2倍频振动诊断转子绕组匝间短路故障，指出发生转子绕组匝间短路故障后定子2倍机械转频振动下降。该方法的理论前提是励磁电流在短路前后不变，实际上，匝间短路故障发生后，励磁电流会有所升高，气隙合成基波磁势基本保持不变，因此，采用定子2倍机械转频振动作为故障发生的判据很难有效地发现故障。

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定子铁心振动的电机转子绕组匝间短路故障诊断方法。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种基于定子铁心振动的电机转子绕组匝间短路故障诊断方法，其技术方案是，将振动传感器安装于电机定子铁心外侧，然后利用数据采集仪在线采集振动传感器所输出的定子铁心振动信号，并对该信号进行快速傅立叶变换，得到定子铁心振动频谱图，最后根据定子铁心振动信号中所含故障特征信号的幅值变化量来判断是否存在转子绕组匝间短路故障：若故障特征信号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，所述故障特征信号的频率为ω_r/2π，其中，ω_r为转子的机械角速度(单位：rad/s)。

上述基于定子铁心振动的电机转子绕组匝间短路故障诊断方法，所述故障特征信号幅值变化量的故障阈值有两个：空载状态下阈值取10％，若

则判断存在转子绕组匝间短路故障；额定负载状态下阈值取12％，若则判断存在转子绕组匝间短路故障，其中，A为电机正常状态下定子铁心基频振动的幅值，ΔA表示基频振动幅值的变化量。

上述基于定子铁心振动的电机转子绕组匝间短路故障诊断方法，还可根据故障特征信号的幅值大小来判断转子绕组匝间短路故障的程度，故障特征信号的幅值越大，转子绕组匝间短路故障越严重。

本发明利用定子铁心的基频振动变化来诊断转子绕组匝间短路故障。由于目前大型隐极同步电机的定子铁心和定子机壳之间多采用弹性结构连接以达到隔振的目的，为在定子铁心外侧安装传感器留下了足够的空间。由于定子铁心与转子是机械隔离的，因此，转子初始弯曲、质量不平衡造成的转子振动难以对定子铁心振动造成影响。同时，弹性连接还减小了机壳振动对铁心振动的影响，使得定子铁心振动能真实地反映自身所受电磁力状况。振动传感器固定于定子铁心外侧，远离了机内的强磁场，可保证采集到的信号不发生失真。采用定子铁心基频振动作为判据可以有效检测出转子绕组匝间短路故障，并且可以避免短路故障发生后励磁电流增大对判断的影响，具有很强的抗干扰性能。此外，采用基频振动做判据可以适当降低信号采样频率，降低了对数据采集、信号处理和信号存储设备的要求，更易于实现在线监测的要求。该方法简单易行，检测精度和可靠性高，具有广阔的应用前景。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1是振动传感器安装位置示意图；

图2是正常情况下转子励磁磁势分布图；

图3是与被短路匝等效的反向励磁电流产生的磁势；

图4是匝间短路情况下转子励磁磁势分布图；

图5是转子所受不平衡分布电磁力；

图6是t＝0时刻的定子铁心振动示意图；

图7是t＝T/4时刻的定子铁心振动示意图；

图8是t＝T/2时刻的定子铁心振动示意图；

图9是t＝3T/4时刻的定子铁心振动示意图；

图10是t＝T时刻的定子铁心振动示意图；

图11是故障模拟实验接线图；

图12是电机空载正常状态下的铁心振动频谱图；

图13是空载转子绕组短路5％情况下的轴电压频谱；

图14是空载转子绕组短路15％情况下的轴电压频谱；

图15是电机负载正常状态下的铁心振动频谱图；

图16是负载转子绕组短路5％情况下的轴电压频谱；

图17是负载转子绕组短路15％情况下的轴电压频谱。

图中各标号为：1、振动传感器；2、定子机壳；3、定子铁心；4、转子；5、弹簧板；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：θ_r、转子机械角度，F、短路后的励磁磁势，F_X、F在X轴方向上的分量，F_Y、F在Y轴方向上的分量，F_n、正常状态下的励磁磁势，F_s、短路匝通过反向励磁电流所产生的磁势，Λ₀、平均气隙磁导，ω_r、电机的机械角速度，F₁、气隙基波磁势幅值，F₂、二次谐波磁势幅值，F_k、k次谐波磁势幅值，B₁、气隙基波磁通密度，B₂、二次谐波磁通密度，

基波磁势与二次谐波磁势之间的相位差，f₀、电机正常状态下特征信号的幅值，Δf、特征信号幅值的变化量，B(θ_r)、气隙磁势，q(θ_r)、作用于转子外圆表面单位面积的径向电磁力，q_x(θ_r)、q(θ_r)在X轴方向上的投影，q_y(θ_r)，q(θ_r)在Y轴方向上的投影，P、极对数，μ₀、真空磁导率。

具体实施方式

本发明以广泛应用的一对极汽轮发电机作为研究对象，分析转子匝间短路后的不平衡电磁力。

参看图1，定子铁心3与定子机壳2之间采用弹簧板5连接，振动传感器1安装在定子铁心3外侧，其输出的信号接数据采集仪的信号输入端。

匝间短路故障发生后，被短路匝流过的电流为零，转子绕组实际上变为不对称的结构，原本对称的转子磁势也变得不对称。匝间短路后励磁磁势可以看作正常状态下的励磁磁势与被短路匝通过反向励磁电流产生的磁势的叠加，如图2～图4所示。

正常状态下，气隙只含有奇次谐波磁势，对短路匝的反向磁势进行傅立叶分析，得到一系列整数倍的谐波磁势，这样，气隙合成磁势中不仅奇次磁势发生变化，还产生了偶次谐波磁势。

为了计算简便，忽略气隙磁场的二次以上谐波，即只考虑发电机定转子的合成基波磁势和由转子匝间短路引起的气隙磁势二次谐波。

即：

作用于转子外圆表面单位面积的径向电磁力为：

$q\left({\mathrm{\θ}}_r\right)=\frac{B^2\left({\mathrm{\θ}}_r\right)}{2{\mathrm{\μ}}_0}---\left(2\right)$

将(1)式代入(2)式，经过平方展开和积化合差运算后得到：

常规的研究以合力作为研究对象，本文则是以分布电磁力作为研究对象，将其分别在x轴和y轴方向进行投影，得到x轴和y轴方向的分布电磁力。

该径向分布电磁力在x轴上的投影为：

分布电磁力在y轴方向上的投影：

由式(4)和式(5)知，沿转子圆周的分布磁拉力既有与圆周位置相关项(即含有θ_r项)，也有与圆周位置无关项(只含有

的项)，含有θ_r的项将导致定子铁心的倍频振动。

以式(4)和式(5)只含有

的项为对象，令

将f_x与f_y合成，即可得到分布在转子表面的常数磁拉力，如图5所示。由于坐标轴系建立在转子上，因此，该分布磁拉力与转子同步旋转。该分布磁拉力同时也作用于定子内壁，根据力的相互作用原理，定子内壁受到的分布磁拉力与转子表面对应位置的磁拉力大小相等，方向相反，随转子同步旋转。

假设转子沿逆时针旋转，在固定坐标系内，定子铁心一个机械旋转周期的振动情况如图6～图10所示(黑色箭头处为传感器安装位置)。图6、图7、图8、图9和图10分别为t＝0，t＝T/4，t＝T/4，t＝3T/4h和t＝T时刻的定子铁心振动示意图，可见，经过一个旋转周期后，定子铁心的振动又进入下一个循环，即定子铁心受到了基频磁拉力，引发了基频振动，安装在铁心上方的振动传感器能够获取这一振动信号。

沿x和y方向的分布电磁力的合力如式(6)：

(6)

如果励磁电流增大，式(6)中的二次谐波磁势F₂也会正比增大，基波磁势F₁通常保持不变，因而磁拉力随励磁电流的增大而增大，不会出现励磁电流增大影响判断的问题。

实际上隐极同步电机发生匝间短路后所产生的不平衡磁拉力与极对数之间关系密切，如P对极同步电机，发生匝间短路后，其气隙磁密变为：

式(7)经过平方运算后会出现交叉乘积项，如F_kcos(kθ_r)项与F_k+1cos[(k+1)θ_r]项之间产生2F_kF_k+1cos(kθ_r)cos[(k+1)θ_r]项，经过积化和差，出现F_kF_k+1cosθ_r项，经过(4)式运算后出现常数项F_kF_k+1/2，即产生幅值恒定的分布磁拉力，该磁拉力与转子同步旋转，即也是基频磁拉力，将引发定子铁心的基频振动。因此，与一对极相似，可以用定子铁心的基频振动增大来诊断转子匝间短路故障。

此外，转子动偏心同样可以导致定子的基频振动，为了确保不影响转子绕组匝间短路故障的判断，结合工程实际进行了仿真计算，结果发现：动偏心引起的不平衡电磁力远小于转子绕组匝间短路引起的不平衡电磁力，两者相差近两个数量级，因此转子动偏心不会影响对转子绕组匝间短路故障的判断。

在华北电力大学MJF-30-6故障模拟发电机组上进行了转子绕组匝间短路故障模拟实验。电机参数如表1所示。实验采用北京波谱公司生产的U60116C型数据采集仪，采用CD-21C型速度传感器，安装于定子铁心的正上方采集铁心振动信号。图11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。分别进行了空载和负载实验，实验过程中使转子处于不同的短路程度。对采集到的定子振动信号进行了频谱分析，得到频谱图(如图12～图17所示)。

表1故障模拟发电机参数

图12为电机空载正常状态下的铁心振动频谱图，图13、图14分别为空载转子绕组短路5％和15％时的铁心振动频谱图。图15为电机负载正常状态下的铁心振动频谱图，图16、图17分别为负载转子绕组短路5％和15％时的铁心振动频谱图。从图12～图17可以看出，随着转子绕组匝间短路程度的加重，定子铁心基频振动呈现出明显的增大趋势，与理论分析相符。此外，靠近基频部分谱图有分叉现象，说明发生了共振。

Claims (3)

1.一种基于定子铁心振动的电机转子绕组匝间短路故障诊断方法，其特征是，它将振动传感器安装于电机定子铁心外侧，然后利用数据采集仪在线采集振动传感器所输出的定子铁心振动信号，并对该信号进行快速傅立叶变换，得到定子铁心振动频谱图，最后根据定子铁心振动信号中所含故障特征信号的幅值变化量来判断是否存在转子绕组匝间短路故障：若故障特征信号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，所述故障特征信号的频率为ω_r/2π，其中，ω_r为转子的机械角速度。

2.根据权利要求1所述基于定子铁心振动的电机转子绕组匝间短路故障诊断方法，其特征是，所述故障特征频率幅值变化量的故障阈值有两个：空载状态下阈值取10％，若

则判断存在转子绕组匝间短路故障；额定负载状态下阈值取12％，若

则判断存在转子绕组匝间短路故障，其中，A为电机正常状态下定子铁心基频振动的幅值，ΔA表示基频振动幅值的变化量。

3.根据权利要求1或2所述基于定子铁心振动的电机转子绕组匝间短路故障诊断方法，其特征是，所述故障特征频率的幅值越大，转子绕组匝间短路故障越严重。

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