雙饋異步發電機定子匝間短路故障診斷研究

馬宏忠， 張志艷， 張志新， 錢雅云

(1.河海大學能源與電氣學院，江蘇 南京 210098;2.河海大學可再生能源發電技術教育部工程中心，江蘇 南京 211100;3.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

雙饋異步發電機是風力發電的主力機型［1－3］，因其運行環境較惡劣，其故障率較高，因此，研究雙饋異步發電機的故障診斷技術，以便在故障早期發現故障并及時進行維修，對提高風電場運行穩定性和供電的可靠性有著重要的意義，對智能電網和微網的發展有一定的促進作用。

目前，國內外專門針對雙饋異步發電機本身故障診斷的研究比較少。國內對雙饋異步風力發電系統的研究主要集中在三個方面:發電機組旋轉系統故障引起的振動異常［4－5］、風電變流器故障［6－7］、低電壓穿越情況下雙饋異步風力發電機性能［2，8－9］。而對風力發電機組本身故障的研究主要在國外，有以下幾方面:文獻［10］提出通過測轉子電流諧波和搜索線圈電壓的方法來分析定子匝間故障;文獻［11］通過監測定子電流與轉子電流來分析定轉子繞組不平衡故障和定子繞組匝間短路故障;文獻［12］提出將線性動態系統總誤差理論用于雙饋風力發電機故障，并進行了仿真分析;文獻［13］提出分析轉子電流調制信號來檢測定子繞組故障。

定子繞組匝間短路約占定子故障50%，是最常見最嚴重的故障之一［14］。本文在上述文獻的基礎上，利用有限元分析方法，建立了雙饋異步發電機模型，對雙饋異步發電機發生定子繞組匝間短路故障后發電機定子電流進行分析，發現定子繞組匝間短路故障后，定子電流中會產生額外的負序電流分量，并對定子負序電流的大小及受影響的因素進行分析和研究。

1 匝間短路故障特征量的選取

假設發電機一單匝線圈載有電流ig，其磁動勢可以看作兩根導體磁動勢的合成，且兩根導體電流大小相等，方向相反。經推導，可得出單匝線圈磁動勢的傅里葉級數展開式為

式中:kyf=sin()為線圈節距因數;αy為兩根導體相隔的空間電角度;對于短距線圈，v=，…，而對于整距線圈，v=，…，且 v≠2，4，6，…。

正常情況下，對于理想發電機，其定子三相繞組磁動勢為一正向旋轉圓形磁動勢，它在定子三相繞組中感應出正序電流。當發電機定子繞組發生匝間短路故障時，假設在短路匝上疊加一個與原電流方向同向的電流，將它在氣隙中建立的磁場與正常情況下的發電機磁場進行疊加，即形成匝間短路情況下的電機磁場。

假設在短路匝上疊加電流if=，根據式(1)，其磁動勢可以表示為

式中:ω=2πf1為電源角頻率。

式(2)表明，短路匝疊加電流if的磁動勢為一脈振磁動勢，它可分解為兩個幅值相等，轉速相同但轉向相反的圓形旋轉磁動勢。其中，正向旋轉的圓形旋轉磁動勢將在定子三相繞組中感應出正序電流，反向旋轉的圓形旋轉磁動勢則感應出負序電流。也就是說發電機定子某相繞組發生匝間短路故障后，會產生定子負序電流。據此，選取定子負序電流作為發電機定子繞組匝間短路故障的特征量，可以有效的診斷發電機的定子故障。

2 匝間短路故障的模擬方法

發電機的定子繞組發生匝間短路故障后，其阻抗參數隨之發生變化，通過對故障后阻抗參數的計算即可實現對匝間短路故障類型和故障程度的定量分析。

由文獻［15］可知，定子繞組每相電阻為

式中:N1為每相串聯的匝數;lc為線圈半匝平均長度;Ac1為導體的截面積;a1為相繞組的并聯支路數。

繞組每相的主電抗(單位為Ω)為

式中:λm=為主磁路的磁導率;μ0=0.4π×10－6H/m;f為頻率;m為相數;p為極對數;Kdp1為基波繞組系數;lef為電樞的軸向計算長度;δef為有效氣隙長度。

繞組的漏抗為

式中∑λ = λs+λv+λt+ λE，其中λs、λv、λt、λE分別為槽比漏磁導、諧波比漏磁導、齒頂比漏磁導、端部比漏磁導。

假設有M匝線圈發生短路，用N'1=N1－M代替式(3)和式(4)中的N1，即可計算出故障后的定子阻抗參數，從而建立定子匝間短路故障嚴重程度的定量分析模型。

3 負序電流的計算與分析

3.1 仿真發電機的主要參數

Ansoft Maxwell有限元分析軟件可以用來分析電機、變壓器等電磁裝置的靜態、穩態、瞬態、正常工況和故障工況的各種特性。本文以Ansoft為軟件平臺，通過改變定子繞組的匝數和阻抗值的大小，建立了發電機不同程度故障情況下的模型，對發電機定子匝間短路故障進行了仿真計算。仿真發電機的主要參數:額定功率為11 kW;額定轉速為1440 r/min;額定效率為97.1%;額定頻率為50 Hz;額定電壓為380 V;額定電流為14.4 A;轉子額定電壓為187 V;轉子額定電流為5.7 A。

3.2 理想狀態下負序電流的分析

在風速恒定，電網需求功率等于風力發電機額定功率的條件下，對理想發電機進行仿真分析。設置A相為故障相，通過改變模型中A相的短路匝數和短路電阻的大小，得到不同短路情況下的定子三相電流Y1，如圖1所示。不同故障狀態下各相之間的相角差，如表1所示。

對圖1和表1進行分析可以看出:

l)發生定子繞組匝間短路故障后，三相電流大小不再對稱，其中故障相電流增大(如圖1中A相電流增大)，而且隨著故障的嚴重程度增加不斷增大(如圖1中A相發生5匝、10匝和15匝短路，其中15匝短路時，A相電流增加的最大);

2)三相電流之間相位差的對稱性也遭到破壞，其中兩個非故障相之間的相位差偏離120°最大(如表2中的非故障相B相和C相)，且隨著故障的加劇而偏離120°的程度明顯增大(表2中A相發生15匝短路時，非故障相B相和C相之間的相角差為95.4°，偏離 120°的程度最大)。

表2展示了正常和不同短路情況下的負序電流與正序電流(用均方根值表示)，其中I2表示負序電流，I1表求正序電流。

表2說明:發電機發生定子繞組匝間短路故障后，定子電流中將出現負序分量，其數值伴隨匝間短路故障嚴重程度的加劇而增大，而正序電流正好相反。負序電流的幅值與短路匝數的關系如圖2所示。

圖1 不同故障狀態定子繞組三相電流Fig.1 Three-phase current of stator winding at the different fault states

表1 不同故障狀態下定子三相電流相角差Table 1 Phase difference of stator current at the different fault states

表2 不同狀態下的負序電流與正序電流Table 2 Negative sequence current and positive sequence current at the different states

圖2 負序電流幅值與短路匝數的關系Fig.2 Relationship between negative sequence current and short-circuit turns

3.3 發電機輸出功率對負序電流的影響

上述分析是在發電機輸出功率為額定功率情況下進行的，為了研究負序電流與發電機負載大小的關系，對發電機在負載負載情況下兩者之間的關系進行了仿真計算，如圖3所示(假定發電機所接電網的電壓對稱)。

圖3 不同負載情況下負序電流與短路匝數的關系Fig.3 Relationship between negative sequence current and short-circuit turns with different load

由圖3可以看出，在相同程度的故障情況下，發電機輸出功率增加對負序電流影響很小(負序電流的數值隨著發電機負載的增大而只有微弱的增大)，因此，基于負序電流診斷雙饋異步發電機定子繞組故障在輕載特別是空載(但不是開路)狀態下進行是有利的。

4 結論

本文利用有限元法，通過對風速恒定情況下的發電機進行仿真計算得出以下結論:

1)發電機定子發生匝間短路故障后，會在定子中產生負序電流，并隨著故障嚴重程度的增加而增大。

2)同時負序電流也會受到發電機負載情況的影響，但影響不大，發電機輸出功率增大，負序電流有微弱增大，這為基于負序電流的故障診斷帶來方便，輕載狀態診斷比滿載狀態診斷有利。

3)定子發生匝間短路故障后，定子三相電流不再對稱，故障相電流恒最大;而非故障兩相的相位差影響最大，且隨著故障的加劇而非故障兩相間相位差偏離120°的程度明顯增大。

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