同步發電機定子繞組匝間短路故障診斷研究

趙洪森　戈寶軍　陶大軍　楊崑　邢廣

摘要：在對同步發電機定子繞組匝間短路故障負序電流分量產生機理進行分析的基礎上，提出了以負序電流作為故障特征量，對同步發電機定子內部短路故障進行監測和診斷的方法。基于電路與電磁場有限元理論，建立同步發電機場路耦合數學模型，對半載運行下的同步發電機發生定子繞組匝間短路故障進行仿真，計算出故障發生前后三相電流相角差與幅值以及負序電流分量，并通過一臺功率為24kW的同步發電機實驗數據驗證了模型的精度與理論分析的合理性。同時，仿真分析了同一支路短路故障與不同支路短路故障等情況下對負序電流大小的影響，該結果對同步發電機定子繞組匝間短路故障的監測與診斷具有理論意義。

關鍵詞：負序電流；定子短路故障；場路耦合；同步發電機；故障診斷

DOI：10.15938/j.jhust.2018.01.018

中圖分類號： TM32

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）01-0099-06

Abstract：On the basis of negative sequence current generation mechanism analysis of synchronous generator stator winding interturns short circuit， the method of detecting and diagnosing synchronous generator stator winding interturns short circuit is proposed， which uses the negative sequence current as fault signature. A fieldcircuit coupled mathematical model of synchronous generator is built， based on the fieldcircuit coupled principle. Firstly， stator winding interturns short circuit happened in synchronous generator with half load is simulated. And then threephase current phase difference， amplitude and negative sequence current component before and after fault is calculated according to the model. The accuracy of model and rationality of theoretical analysis is demonstrated by the use of experimental data coming from 24kW synchronous. Meanwhile， the short circuit fault with the same branch and different branch impact on the negative sequence current is also simulated and analyzed. The results have some significance for synchronous generator stator winding interturns circuit fault monitoring and diagnosis.

Keywords：sequence current； stator short circuit fault； fieldcircuit coupled； synchronous generator； fault diagnosis

0引言

隨著電網的迅速發展以及同步發電機單機容量的不斷增大，人們對同步發電機的安全可靠運行愈來愈加重視[1-2]。同步發電機在運行過程中，其主要構件定子在熱、電、機械、環境應力等共同作用下，會導致絕緣老化，過電壓沖擊以及機械振動等狀況，可能誘發定子匝間短路故障。該故障發生后機組若繼續運行則會帶來難以估量的經濟損失，因此大型發電機定子繞組匝間短路故障的特征及相關參數的研究，對該類故障的早期監測與診斷具有重要意義。

近些年，國內外的許多學者已從不同角度對同步發電機定子內部故障進行了分析和研究[3]，在定子匝間短路故障的監測與診斷方面取得了很多的成果。文[4]以多回路理論為基礎，計算并分析定子繞組內部匝間短路后故障支路電流的變化規律，以支路電流的變化作為故障特征量對同步發電機進行診斷。文[5-6]基于Park理論，將定子繞組匝間短路時三相電流Park矢量模軌跡所發生的變化作為故障特征量對電機定子繞組匝間短路進行故障診斷。文[7]將定子組三相電流Park矢量模軌跡與模糊神經網絡算法相結合，用在電機定子匝間短路故障實現診斷與保護。文[8]提出以同步發電機機端負序電壓、主變高壓側負序電壓、主變中壓側負序電壓作為主判據和閉鎖判據，用來實現同步發電機定子匝間短路的診斷與保護。文[9-10]對發電機運行時定子繞組內部匝間短路故障發生前后的電磁轉矩做出了理論分析，并提出以二倍頻電磁轉矩作為同步發電機定子匝間短路故障監測特征量。文[11]得到作用于轉子的不平衡電磁力特性和作用于定子的脈振電磁力特性以及定轉子振動特性，將電磁力與振動引入到定子匝間短路故障診斷方法當中。文[12]采用R/S分析與小波變換相結合的方法得到定子匝間短路后相電流與相電壓的諧波分量變化作為其故障的特征量來實現診斷。文[13] 分析了汽輪發電機定子匝間短路故障下的并聯環流特性，以及故障發展對環流特性的影響，將定子支路間環流作為故障特征量進行研究。文[14]基于場路耦合原理，分析了故障后定子各支路電流隨著短路匝數、短路時刻以及短路位置不同的變化規律，為基于支路電流變化的定子匝間短路故障診斷提供了更多的理論支持。

同步發電機定子內部匝間短路故障同外部相間短路故障一樣[15]，皆屬于電機不對稱運行，故障后的定子相電流理論上也會產生額外的負序電流分量。本文基于電路與電磁場有限元理論，建立隱極同步發電機場路耦合數學模型，并通過實驗對模型進行驗證，進一步研究定子負序電流的大小隨短路大小與位置的變化規律，為同步發電機的診斷與保護提供新的研究途徑。

1定子匝間短路故障后負序電流的產生機理分析

同步發電機正常負載運行時，氣隙磁場為一正向旋轉的磁場，它在定子繞組中感應出對稱的三相電流。當定子繞組發生匝間短路故障時，將在短路回路中產生附加環流Ik，而短路環中的附加環流產生的磁場為一以短路匝繞組軸線為中心的脈振磁場，脈振頻率為額定頻率，脈振磁動勢為：

隱極發電機定子槽數為54，定子繞組每相并聯支路數為2，A相第一支路引出2%和20%兩個抽頭，用來模擬發電機定子繞組2%到20%匝間短路。實驗采用波譜公司生產的U60116C型數據采集儀，設置采樣頻率為10kHz，電流一個周期采樣200點。

3.2負序電流的仿真計算與實驗驗證

轉速恒定，同步發電機并網半載運行，P=12kW，Q =9kVar，If=1.40A，采用場路耦合模型對A相繞組第一支路2%-20%短路故障進行仿真計算，得到發電機故障前后三相電流波形。圖1（a）和圖1（b）分別給出了同步發電機故障前后三相電流穩態仿真波形，圖2（a）和圖2（b）給出了同步發電機故障前后實驗采樣波形。

從圖1和圖2可以看出，定子繞組發生匝間短路故障后，三相電流大小不再對稱，故障后三相穩態電流的仿真波形與實驗波形基本吻合。

表2給出了同步發電機故障前后定子繞組三相電流相角差的仿真值與實驗值，表3給出了同步發電機故障前后的正序電流、負序電流的仿真值與實驗值。

理論上，同步發電機正常運行狀況下，定子三相電流是對稱的，相角差為120°，且不存在負序分量。但表2和表3顯示正常運行時三相電流相位差的實驗值與仿真值皆接近120°，且存在微量的負序電流分量。這是由于電機內部結構、外部非故障環境因素以及數據的提取與計算誤差造成的，并不影響分析結果。可以將故障后三相電流相位差和負序電流分量與正常運行情況下相比較（相當于作為同步發電機本身系統具有飄零，這是一個去除飄零的操作），以準確得出三相電流相位差與負序分量的變化程度。從表1可以看出，同步發電機發生定子繞組匝間短路故障后，三相電流之間相位差的對稱性遭到破環，其中，AC兩相之間的相位差偏離120°最大。表2展示故障發生后，三相電流也產生了一定量的負序電流，負序電流的實驗值與仿真值吻合，驗證了模型的準確性與上述理論的合理性。

3.3同相同分支匝間短路負序電流特性

如圖3所示，單機半載運行的同步發電機，定子繞組A相第一支路（A1支路）發生對中性點的匝間短路故障（k固定在中性點處，j可移動），電弧電阻為0。圖4給出了三相電流負序分量隨著短路線圈數變化的仿真結果，其中橫坐標為A1支路中從故障點到中性點的短路線圈數，縱坐標為負序電流幅值。從圖中可以看出，負序電流幅值隨著短路線圈數的增加而增加，當A1支短路8個線圈時（即一個支路88.89%被短路），負序電流占正常半載運行時電流的54.27%，如果接近于100%短路，則相當于電機單相對中性點短路，負序電流將更大。這是由于隨著短路線圈數的增加，氣隙磁場畸變嚴重，三相不對稱程度更加嚴重，負序電流必然會增大。

半載下運行的同步發電機A1支路發生相同程度的匝間短路故障，如圖3所示，故障回路的被短路匝數保持不變，故障點k，j隨故障位置不同而移動。表4列出了A1支路發生六種相同匝比的匝間短路故障時，正負序電流大小與正負電流的比值。盡管短路匝數相同，且發生在同一支路上，但由于短路空間位置不同，短路線圈同其他所有回路的互感系數不同，短路后的負序電流分量也有所不同，由于所選樣機容量較小，所以六種短路情況下各負序電流相差不大。

如圖5所示，同步發電機單機半載運行，A1對A2發生同相不同分支間短路故障。A1故障點k在支路中間，A2故障點j（可移動）到支路中間位置的線圈差為n（其中靠近中性點為負，靠近端部為正）。圖6為電流負序分量隨n的變化規律，從圖中可以看出，當n=0，即 k，j兩點都處于各支路中間時，短路點k與j為等位點，電機各回路電流均為正常運行時電流，k與j這兩點短路對電機運行沒有任何影響。當j點向兩側移動時，隨著A2支路故障點j到支路中間位置的線圈數增加，短路回路由氣隙磁場產生的感應凈電勢逐漸增加，負序電流逐漸增大。

4結論

本文從理論上分析了同步發電機定子繞組匝間短路故障負序電流分量的產生，并建立場路耦合數學模型，對同步發電機匝間短路進行仿真，得到如下結論：同步發電機發生定子匝間短路故障后，三相電流的對稱性遭到破壞，定子繞組中會產生負序電流分量。同一分支發生匝間短路時，負序電流隨著短路線圈的增加而增大，并隨著短路位置的不同而改變。同相不同分支發生匝間短路時，若兩支路短路匝數與位置相同時，電機仍處于正常運行，若兩支路短路匝數或位置不同時，電機則會產生負序電流，且負序電流會隨著匝數差的增加而變大。本文所得到的結論為基于負序電流的定子短路故障診斷方法提供了理論基礎，對同步發電機多特征量短路故障診斷系統的研發具有一定的意義。

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（編輯：關毅）