專利名稱：基于高次諧波軸電壓信號的電機轉子匝間短路診斷方法
技術領域：
本發明涉及一種能夠在線診斷同步電機轉子繞組是否存在匝間短路故障的方法，屬測試技 術領域。
背景技術：
轉子繞組匝間短路故障是同步電機的常見故障。針對匝間短路故障的診斷方法多種多樣， 總體上可以分為兩類，即離線診斷方法和在線診斷方法。其中，在線診斷方法能對故障進行實 時檢測，防止其進一步惡化，是今后發展的趨勢。
目前，在線檢測轉子繞組匝間短路故障的方法主要有探測線圈法、勵磁電流法以及基于轉 子基頻振動的檢測方法。
探測線圈法的基本原理是對發電機定子鐵芯氣隙中的旋轉磁場進行微分，然后通過分析信 號微分后的波形來診斷轉子繞組是否存在匝間短路故障以及故障槽的位置。該方法的缺點是只 適合診斷分布式繞組的隱極電機而且只在電機空載狀態才能獲得較高的監測可靠性，而當電機 帶載運行時，探測效果并不明顯，檢測準確度較差。此外，這種方法需要將探測線圈裝在定子 鐵芯的空氣隙表面，由于對已經投運電機安裝探測線圈相當困難，使該方法的應用范圍受到了 限制。
勵磁電流法是根據短路故障前后勵磁電流的變化和無功的相對變化來監測轉子短路故障， 適用于靜止勵磁電機。該方法為系統的擾動以及功率調節留有一定的裕度，對嚴重短路較為有 效，而輕微的匝間短路(如1匝短路)通常難以檢測。
基于電機轉子的基頻振動的轉子繞組匝間短路故障監測方法監測的是轉子的振動信號，然 而轉子振動是機電交叉作用的結果，包括質量不平衡和動偏心等初始狀態的影響，如果轉子所 受初始不平衡外力與轉子匝間短路引起的不平衡磁拉力相位相反，那么短路發生后電機的基頻 振動可能仍處于正常范圍，無法檢測出故障。
上世紀后期，Paul I.Nippes經過大量的實踐，提出了通過軸電壓診斷旋轉機械故障的方 法，它是以電壓波形異常和幅值的突然增大做為判斷依據，該方法雖然在實際生產中獲得了應用，并數次成功診斷出發電機故障，但并沒有獲得理論支持，難以對故障類型給出明確指示。
總之，盡管國內外對轉子繞組匝間短路故障的在線檢測十分重視，但現有的各種方法在應 用中還是受到一定的制約，實際測試中得到的結果并不十分理想，發電廠發生轉子繞組匝間 短路故障后未能及時發現而造成嚴重后果的事例屢見不鮮，因此有必要進一步提高此類故l萆的 診斷水平。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足、提供一種簡單易行、可靠性高且適用范圍廣的基 于高次諧波軸電壓信號的電機轉子匝間短路診斷方法。 本發明所述問題是以下述技術方案實現的
一種基于高次諧波軸電壓信號的電機轉子匝間短路診斷方法，它將滑動變阻器的兩端女、別 接于電機轉子兩端，然后利用數據采集儀在線采集滑動變阻器輸出的軸電壓分壓信號，并對該 信號進行快速傅立葉變換，得到軸電壓頻譜圖，最后根據軸電壓信號中所含故障特征諧波的幅 值變化量來判斷是否存在轉子繞組匝間短路故障:若故障特征諧波的幅值變化量大于故障閾值， 則判定電機轉子存在繞組匝間短路故障，否則沒有匝間短路故障，所述故障特征諧波的步頁率為 M^/2;r，其中，表達式中iW為電機的定子齒槽數，^為電機的機械轉速。
上述基于高次諧波軸電壓信號的電機轉子匝間短路診斷方法，所述故障特征諧波幅值變化
量的故障閾值有兩個空載狀態下閾值取12%，若，212%，則判斷存在轉子繞組匝間短路故
障；負載狀態下閾值取10%，若^^10%，則判斷存在轉子繞組匝間短路故障，其中A/表示
特征諧波幅值的變化量，/。為電機正常狀態下特征諧波的幅值。
上述基于高次諧波軸電壓信號的電機轉子匝間短路診斷方法，還可根據故障特征諧波的幅 值大小來判斷轉子繞組匝間短路故障的程度，故障特征諧波的幅值越大，轉子繞組匝間短路故 障越嚴重。
本發明利用軸電壓中與定子齒槽數對應的高次諧波成份來診斷轉子繞組匝間短路故障，由 于定子齒槽數較多，因此該故障特征諧波的頻率較高，這樣就有效地避免了軸電壓低頻分量的 干擾(電機軸電壓信號中存在大量的低頻成份)，提高了診斷的可靠性。采集軸電壓信號不用安 裝價格昂貴的傳感器，只需采用碳刷等設備將軸電壓信號引出即可，操作簡單而且成本低。該方法不僅適用于隱極同步電機，還適用于凸極同步電機，無論電機大小新舊，都可以方便地進 行測試，尤其轉子繞組匝間短路故障頻發的中小型同步電機以及老舊的大型同步電機，采用該 方法診斷具有廣闊應用前景。
下面結合附圖對本發明作進一步詳述。
圖1是本發明軸電壓測量電路圖2是故障模擬實驗接線圖3是空載正常情況下的軸電壓頻譜；
圖4是空載短路5%情況下的軸電壓頻譜；
圖5是空載短路12%情況下的軸電壓頻譜；
圖6是空載短路20%情況下的軸電壓頻譜；
圖7是負載正常情況下的軸電壓頻譜；
圖8是負載短路5%情況下的軸電壓頻譜；
圖9是負載短路12%情況下的軸電壓頻譜；
圖10是負載短路20%情況下的軸電壓頻譜。
圖中各標號為1、數據采集儀，2、轉子，3、滑動變阻器，4轉子軸，JC、接觸器，Al、 A2、電流表，W、變阻器，Ll、轉子繞組，L2、定子繞組。
文中所用各符號的意義M、電機的定子齒槽數，^、電機的機械角速度，P、極對數， F(《力、同步電機氣隙磁勢，Fp F3、 F5……、磁勢分量，A(《，？)、氣隙磁導，A。、氣隙 磁導常數項，A54、齒槽引起的氣隙磁導54次諧波分量，5(《，0、氣隙磁密，0,、定子機械 角度，AF(《力、短路匝總磁勢，AfJ、 AF2、 AF3……短路匝磁勢分量。
具體實施例方式
參看圖1，采用常規的數據采集儀1即可滿足數據采集要求，對于大型發電機，其軸電壓 可能超出釆集儀的測量范圍，因此可以通過滑動變阻器3來提取軸電壓信號(應保證接入回路 的電阻值很大，以降低回路電流)，具體的電阻值選擇取決于電機的軸電壓最大值估計以及數據 采集儀l所能成受的電壓上限，需根據實際情況來定。
正常情況下，P對極的同步電機氣隙磁勢可以分解為P、 3P、 5P……等分量，可以表示為<formula>formula see original document page 5</formula>匝間短路發生后，由于短路導致此極氣隙安匝數降低，其中短路匝繞組對主磁場的影響相 當于反向電流產生的反向磁場疊加于正常運行的氣隙磁場上。該磁勢經傅立葉分解得-
AF說力=A ; cos(《-印)+AF2 cos2(《-w/)+AF3 cos3(6 s -w力… (2 )
可見轉子繞組匝間短路發生后的勵磁磁勢變化，以電角度計算對于一對極電機而言，氣
隙出現了偶次諧波磁勢，這是正常情況不存在的，可以作為轉子繞組匝間短路的特征磁勢；對— 于多對極電機，氣隙出現了分數次諧波磁勢，諧波次數為丄(i=l、 2、 3……)，其中丄^2j.-l
(j=l、 2、 3……)的所有磁勢分量都是短路前不存在的，可以作為轉子繞組匝間短路的特征磁 勢。
建立氣隙磁導模型時只考慮定子齒槽效應，以定子54槽電機為例，氣隙磁導模型表示為 A(《,0 = A0+A54cos54《 (3)
由磁勢和磁導可以計算出由短路匝引起的氣隙磁密-
AS(6>S，0=AF(《,0'A(《")
=A^A^cos/(《-^/)+A5^A^cos/(《-ft)力cos54《 (4)
= |^固,(《-w力+^^A/^cos[(z'+54)g -一]+cos[(/-54)g -—(|
對(4)含有A。項和含有A^的兩項分別進行分析。對于含有A。項的磁通密度，其轉速為
^ = ^ (A為轉子機械轉速)，與轉子同步，不可能在轉軸上感應軸電壓；含有八54項的大
部分磁通密度都與轉子之間存在相對運動，在轉子表面產生渦流；但式(4)中存在一個特殊項， 即當/ = 54時
,cos [(/ - 54)《—= A，4 cos 5化, (5 )
式(5)所得磁通密度項是個與空間位置無關的量，形成圍繞轉子圓周均勻分布、隨時間正 弦變化的磁通密度。在二維平面內，由磁通連續性定理，磁通密度沿封閉曲線積分應該為零，
因此可以判定定子齒槽效應必然導致電機磁場發生畸變。畸變后磁通變為交鏈轉軸的交變磁 通，因此通過采集儀可以獲得該磁通在轉軸上感應的軸電壓信號，軸電壓的頻率與畸變磁通的 頻率相一致。
6在華北電力大學MJF-30-6故障模擬發電機組上進行了轉子匝間短路故障模擬實驗，實測了 電機軸電壓。該電機的參數如表1所示，實驗采用北京波譜公司生產的U60116C型數據采集儀， 設置采樣頻率10kHz，采樣時間10S，圖2為電機接線圖，轉子繞組L1有四個抽頭，在q、 C3兩抽頭之間連接一旁路，實驗過程中通過調節旁路的滑動變阻器W調節旁路分流，從而實現模 擬轉子繞組匝間短路故障的目的。實驗測量電路如圖l所示。表1 MJF-30-6電機參數電機型號MF-30-6額定容量30kVA額定電壓400V額定轉速l咖r/irin極對數P = 3軸承類型座式定子槽數54轉子槽數(隱極)42實槽數30定子繞組匝數72并聯支路數2對實驗數據進行傅立葉分析，得圖3 圖10，為便于觀察，只顯示了 600-1200Hz頻段。 圖3 圖6分別為空載正常、空載短路5%、空載短路12%和空載短路20%情況下的軸電 壓頻譜，從圖中可以看出，900Hz成份十分明顯，恰好是54^所對應的頻率 (54 ,=54w/3 = 18w，其中o表示電頻率，對應頻率50Hz，故54w,對應頻率900Hz)，與式 (5)畸變磁密頻率完全吻合。隨著短路程度的加重，900Hz的軸電壓分量的幅值單調遞增；圖 7 圖IO分別為負載正常、負載短路5%、負載短路12%和負載短路20%情況下的軸電壓頻譜 分布，可見隨著短路程度的加重，900Hz的軸電壓分量的幅值呈現遞增趨勢，不過增大的趨勢 不如空載情況下明顯，這可能是由于電樞反應作用，氣隙磁場發生扭斜，使得齒槽效應變得不 明顯。從實驗可以得出結論轉子繞組匝間短路產生了 54次諧波磁勢，經定子齒槽的畸變效應在7轉軸上感應產生了 900Hz軸電壓分量。因此該軸電壓特征諧波可以作為診斷轉子繞組匝間短路 故障的依據。不同電機定子齒槽數不同，轉速各異，發生轉子繞組匝間短路后產生的故障特征頻率也各 不相同。設電機的定子齒槽數為M (M為偶數)，電機機械轉速為^，則轉子繞組匝間短路產生的軸電壓特征頻率為ma / 2;r 。
權利要求
1、一種基于高次諧波軸電壓信號的電機轉子匝間短路診斷方法，其特征是，它將滑動變阻器(3)的兩端分別接于電機轉子(2)兩端，然后利用數據采集儀(1)在線采集滑動變阻器(3)輸出的軸電壓分壓信號，并對該信號進行快速傅立葉變換，得到軸電壓頻譜圖，最后根據軸電壓信號中所含故障特征諧波的幅值變化量來判斷是否存在轉子繞組匝間短路故障若故障特征諧波的幅值變化量大于故障閾值，則判定電機轉子存在繞組匝間短路故障，否則沒有匝間短路故障，所述故障特征諧波的頻率為Mωr/2π，其中，表達式中M為電機的定子齒槽數，ωr為電機的機械轉速。
2、 根據權利要求1所述基于高次諧波軸電壓信號的電機轉子匝間短路診斷方法，其特征是， 所述故障特征諧波幅值變化量的故障閾值有兩個空載狀態下閾值取12%，若，212%，則判斷存在轉子繞組匝間短路故障；負載狀態下閾值取10%，若，210%，則判斷存在轉子繞組匝間短路故障，其中A/表示特征諧波幅值的變化量，/。為電機正常狀態下特征諧波的幅值。
3、 根據權利要求1或2所述基于高次諧波軸電壓信號的電機轉子匝間短路診斷方法，其特 征是，所述故障特征諧波的幅值越大，轉子繞組匝間短路故障越嚴重。
全文摘要
一種基于高次諧波軸電壓信號的電機轉子匝間短路診斷方法，用于解決電機轉子繞組匝間短路故障的檢測問題。其技術方案是它將滑動變阻器的兩端分別接于電機轉子兩端，然后利用數據采集儀在線采集滑動變阻器輸出的軸電壓分壓信號，并對該信號進行快速傅立葉變換，得到軸電壓頻譜圖，最后根據軸電壓信號中所含故障特征諧波的幅值變化量來判斷是否存在轉子繞組匝間短路故障若故障特征諧波的幅值變化量大于故障閾值，則判定電機轉子存在繞組匝間短路故障。本發明簡單易行，不僅可有效地避免軸電壓低頻分量的干擾，提高診斷的可靠性，而且適用范圍廣，即適用于隱極同步電機，也適用于凸極同步電機，無論電機大小新舊，都可方便地進行測試。
文檔編號G01R31/02GK101672894SQ200910075689
公開日2010年3月17日 申請日期2009年10月14日 優先權日2009年10月14日
發明者李和明, 李永剛, 武玉才 申請人:華北電力大學(保定)