雙饋式感應發電機轉子匝間短路故障的負序分量分析

李俊卿，何 龍，王 棟

?

雙饋式感應發電機轉子匝間短路故障的負序分量分析

李俊卿，何 龍，王 棟

（華北電力大學電氣與電子工程學院，河北保定 071003）

雙饋式感應發電機被廣泛地應用于風力發電中。風電場惡劣的工作環境也使雙饋式感應電機故障頻發。其中，定轉子繞組故障占了很大的比例，所以對雙饋感應發電機進行在線監測及故障診斷顯得尤為必要。本文基于有限元方法對雙饋感應發電機的轉子繞組匝間短路所產生的負序電流進行了分析，得到了不同故障程度下特征的發展趨勢以及相同故障不同轉速下的特征表現。

雙饋感應發電機；繞組故障；負序電流

0 前言

目前投人商業運行的風力發電機組主要采用雙饋感應發電機、籠型異步發電機和永磁同步發電機三種，其中雙饋異步電機憑借其優勢占取了絕大部分的市場份額[1]。雙饋異步發電機已經成為風力發電的主力機型[2-4]。由于雙饋感應發電機所處的工作環境和自身的結構，它又是故障的多發機型，其中定轉子繞組的短路故障更是其中的主要故障。雙饋式感應發電機的轉子為繞線式轉子，繞線式轉子經常發生的故障有開焊、繞組擊穿和匝間短路，本文主要針對匝間短路這種故障類型進行分析。

1 雙饋電機繞組故障診斷的研究現狀

電機中的一切故障都是按照一定的故障機理產生和發展的，雙饋電機的繞組故障也不例外。只要認真分析故障機理，把握總結故障發生的規律就能準確及時地診斷電機繞組故障。

電機正常運行時，其各項電氣量（電壓、電流。功率、阻抗、感抗等）和非電氣量（溫度、振動、噪聲等）都表現出電機設計初的標準。如果電機繞組發生故障就勢必改變這些電氣量或非電氣量。因此，只要分析出這些量隨著故障發生和發展的變化趨勢就能有效診斷電機的故障。國內外專家針對雙饋電機的繞組故障做了大量研究，總結起來方法主要有以下幾類：

（1）探測線圈法[5]。通過在電機定子中放置一個探測線圈來檢測氣隙中諧波分量及漏磁的大小，對電機繞組故障進行診斷。

（2）瞬時功率法[6]。通過對電機瞬時功率的分解可以得出電機固有的不對稱、溫度及非線性因素對負序電流的影響，并且排除了供電電源不平衡對負序電流的影響。

（4）負序分量法。如果電機繞組匝間短路，將會破壞三相對稱的電路系統。在三相供電平衡的情況下將會在繞組中產生負序電流。可以根據負序電流的大小判斷匝間短路的故障程度。

（5）參數辨識法。這種方法一般需要先建立電機故障時的數學模型，將電機的故障部分作為需要辨識的參數，通過實際測量所得到的值與所建立的辨識所得到的值進行比較進行故障診斷。但是這種方法的精確度很大程度取決于所建立的數學模型，而匝間短路的電機數學模型很難建立，電機參數也很難精確獲得，所以這種方法在電機故障診斷中的應用有待發展。

（6）人工智能法。這種方法以大量歷史數據為基礎，通過學習訓練，建立相應的映射關系，在故障診斷中結合多個特征同時進行在線檢測。但是這種方法要求有大量的電機歷史故障數據作為學習訓練的樣本，并且需要花費大量時間。這使得人工智能方法受到了一定的限制。

雖然對雙饋電機的繞組故障診斷有以上多種方法，但是每個方法都有他的優點和局限性，工程實際中要根據實際情況采用預支相適應的方法，或者結合多種方法最終對故障進行診斷。電流信息易于采集且含有豐富的特征信息，因此從電機電流量中提取故障特征信號在故障診斷和在線監測中常常用到。本文主要從轉子三相線電流的基波負序電流著手分析雙饋感應發電機轉子繞組的匝間短路故障。

2 負序電流的計算

對于不對稱電路的分析常采用對稱分量法，因為雙饋感應發電機中性點一般不接地，所以不存在零序電流，電機三相轉子電流的矢量和為零，即：

假設三相轉子電流中A相電流最大，根據對稱分量法能得出負序電流的矢量表達式：

由于矢量的計算方法相對抽象，實際計算中我們一般用標量的形式進行計算，把式（2）改為以下標量形式：

3 二維有限元模型的建立

所謂有限元法，就是將整個區域分割成許多小的子區域，這些小的子區域通常稱為“單元”或者“有限元”，將求解邊界問題的原理應用于這些子區域中，求解每個小區域，然后把各個小區域的結果總和合起來得到整個區域的解。

3.1 有限元法基本原理

因為求解區域有電流源存在，計算時務必采用矢量磁位來求解，用矢量磁位A表達時，磁場內滿足邊值問題：

上式等價于以下變分問題：

二維有限元法就是從式（7）出發，將求解區域剖分離散，在離散單元內構造矢量磁位的插值函數，然后利用差值方法將式（7）中的條件變分問題離散化為多元函數的極值問題，即化為一組關于各個節點矢量磁位的代數方程組，求解，得到矢量磁位的數值解。

3.2 Ansoft Maxwell 2D建模

本文中采用Ansoft Maxwell 2D電磁場分析軟件建立電機模型，用外電路模擬匝間短路，轉子匝間短路的原理圖如圖1所示。模型依據YR132M2-4三相繞線異步電機參數建模，其基本參數如下。

額定功率：5.5kW 額定轉速:1440r/min

極對數：2 定轉子槽數：36/24

定子外徑：210mm 定子內徑：136mm

轉子外徑：135.2mm 內徑：48mm

氣隙：0.4mm 軸長：155mm

定轉子每槽線數：74/24

另外，定子三相繞組為三角形聯結，繞組并聯支路數為2，節距為8。轉子三相繞組為星型聯結，并聯支路數為1，節距為5。

圖1 轉子匝間短路原理圖

3.2.1 創建電機的幾何模型

通過電機的出廠資料獲取電機的定子、轉子內外徑、鐵心軸長、齒槽、繞組等尺寸參數，在maxwell 2D中根據這些參數繪制出電機的幾何模型。根據上文提供的數據參數繪制出本文仿真所用的雙饋感應電機模型如圖2所示。

圖2 電機有限元模型

3.2.2 分配材料屬性

電機幾何模型建立之后，根據廠家提供的電機參數，調用材料庫對電機的各個部分的材料屬性進行分配。

3.2.3 定義邊界條件

本次仿真假定電機區域以外沒有磁場泄露，因此電機定子表面是矢量磁位的等位面，設定定子外圓表面施加磁通平行邊界條件，矢量磁位為計算中的0參考點。

3.2.4 網格剖分

為滿足計算精度要求，在自適應網格剖分過程中，軟件會在不同磁導率介質的邊界處進行較細密的網格剖分處理，尤其是曲率較大的邊界處，而在同一介質面域內部剖分較為稀疏。這有利于有限元計算軟件在不影響預設精度的前提下提高運算速度，減少運算時間。因此，網格剖分在氣隙處及轉子槽底部比較密集，而在定、轉子軛處比較稀疏，具體如圖3所示。

圖3 電機模型自適應網格剖分

4 仿真及數據分析

模型依據YR132M2-4三相繞線異步電機參數建模，額定功率為5.5kW，額定轉速為1440r/min，定/轉子額定電壓為380V/270V。本文仿真定子開路，轉子采用對稱三相電壓源激勵，通過改變外電路來模擬轉子不同程度匝間短路的工作狀態。其中，短路故障設置在A相繞組1號線圈上，如圖1所示。

4.1 相同轉速下的故障分析

模擬亞同步狀態下，設置轉速為1200r/min，分析電流穩定后不同故障程度下的特征信息。分別在轉子正常狀態、轉子短路1、5、10匝這四種情況下進行仿真，短路相如圖1所示，均為對A相的1號線圈進行短路操作。

轉子正常、短路1匝、短路5匝、短路10匝，這四種情況下的轉子電流波形分別如圖4~7所示。從圖中可以看出：電機正常運行時轉子電流三相對稱；隨著匝間短路情況的加深，三相電流的大小和相位均不再對稱，而且隨著故障程度的加重不對稱程度也進一步加深。

圖4 轉子正常下轉子電流

圖5 轉子短路1匝下的轉子電流

圖6 轉子短路5匝下的轉子電流

圖7 轉子短路10匝下的轉子電流

不同故障程度下的轉子電流有效值如表1所示。從表1中可以看出：在正常狀態下，三相電流有效值基本相等；當轉子A相發生匝間短路后，三相對稱電流被破壞，其中A相、B相的電流顯著增加，C相電流基本不變。

表1 轉子不同故障程度下的電流值

不同故障程度下的轉子電流相位值如表2所示。從表2中可以看出：當轉子A相發生匝間短路后，AB相、CA相的相位差增大，BC相的相位差減小；隨著故障程度的加深，故障相的相位進一步增大，非故障相的相位差顯著減小。

表2 轉子不同故障程度下的電流相位

不同故障程度下的負序和正序電流如表2所示。從表2中可以看出：電機正常狀態下，轉子的負序電流非常小；當發生匝間短路后，負序電流顯著增加；隨著故障程度的加深，負序電流數值和負序電流與正序電流的比值都會進一步增大。其中，1是正序電流2是負序電流。

表3 不同故障程度下的負序電流及正序電流

4.2 不同轉速下的故障分析

雙饋式風力發電機組工作于野外自然環境下，其轉速隨風速的變換也時刻在變，因此研究不同風速下的故障信息對雙饋式風力發電機的故障在線監測與故障診斷有重要實際意義。

故障設置為5匝短路，分別在亞同步下電機轉速為1200r/min、900r/min、600r/min條件下分析匝間短路的故障特征。通過仿真得到這三種轉速下的轉子電流分別如圖8~10所示。從圖中可以看出，與轉速恒定時相似，不同轉速下5匝短路故障時轉子電流大小和相位都表現出了一定的不平衡，并且轉速較低時電流波形出現了畸變。

圖8 轉速1200r/min時的轉子電流

圖9 轉速900r/min時的轉子電流波形

圖10 轉速600r/min時的轉子電流波形

不同轉速下的轉子各相電流的基波有效值如表4所示。

表4 不同轉速下的轉子三相電流大小

不同轉速下的負序和正序電流如表5所示。從表中可以看出，在不同轉速下由于轉子電壓的不同正序電流和負序電流大小都有所不同，但是負序電流與正序電流的比值隨著故障程度的加深顯著增加。因此，在根據基波負序電流診斷電機轉子匝間短路故障時，在電機低轉速下進行會有較好的效果。

表5 不同轉速下的負序電流及正序電流

5 結論

本文對雙饋式感應發電機轉子匝間短路不同故障程度及不同轉速條件下的轉子電流信息分別進行了分析，從中可以得出以下結論：

（1）轉子匝間短路能產生負序電流，且隨著故障程度的加深負序電流值及負序電流與正序電流的比值都會增加；

（2）轉子匝間短路時，轉子線電流有效值不再平衡；

（3）轉子匝間短路時，故障相的相位變大，非故障相的相位顯著減小；

（4）相同故障程度下，不同轉速時負序電流與正序電流的比值隨轉速的減小而增大。

[1] 張國新. 風力發電并網技術及電能質量控制策略[J]. 電力自動化設備, 2009, 29(6): 130-132.

[2] 王宏勝, 章瑋, 胡家兵, 等. 電網電壓不對稱故障條件下DFIG風電機組控制策略[J]. 電力系統及其自動化, 2010, 34 (4): 97-101.

[3] 胡家兵. 雙饋異步發電機系統電網故障穿越(不間斷)運行研究—基礎理論與關鍵技術[D]. 杭州: 浙江人學電氣工程學院, 2009: 9-19.

[4] 丁樹業, 孫兆瓊, 姜楠, 等. 大功率雙饋風力發電機內部流特性數值仿真[J]. 電機與控制學報, 2011, 15 (4): 28-34.

[5] Penman J, Sedding H G, Lloyd B A et al. Detection and location of interturn short circuits in the stator windings of operating motors. IEEE Transaction on Energy Conversion, 1994, 9(4): 652-658.

[6] Legowski S F, Sadrul Ula A H M, Trzynadlowski A M. Instantaneous power as a medium for the signature analysis of induction motors. IEEE Transactions on Industry Applications. 1996, 32(4): 904-909.

Negative Sequence Component of the Doubly Fed Induction Generator Rotor Inter-turn Short Circuit Fault Analysis

LI Junqing, HE Long, WANG Dong

（School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power Univ., Baoding 071003, China）

Doubly Fed Induction Generator (DFIG) is widely used in wind power generation. Due to poor working conditions of the wind farm, it makes DFIG often fail. Stator and rotor windings failure accounted for a large proportion of DFIG fault, so it is particularly necessary for its fault diagnosis and online monitoring. This article is based on the finite element method, we analyze the negative sequence current generated by the rotor winding inter-turn short circuit of the DFIG. The analysis has obtained the characteristic under the different levels of failure and the performance of characteristic at different speeds.

doubly fed induction generator; winding fault ; negative sequence current

TM307+.1

A

1000-3983(2014)02-0014-05

河北省自然科學基金資助項目(E2010001705)。

2013-08-17

李俊卿(1967-)，博士，2000年3月畢業于華北電力大學電力系電機與電器專業，主要研究方向為交流電機及其系統分析、物理場計算及在線檢測和故障診斷，教授。

審稿人：畢純輝