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摘要：本文重点对转子绕组匝间出现短路时的定子与转子绕组故障特征进行了分析，我们结合8kW发电机故障模拟工作平台的案例分析，提出了应通过认识同步发电机的转子绕组匝间短路的时候，其往往能够得出适用于一般电机结构的发电故障特征研究规律。
关键词：同步发电机；转子绕组；匝间短路故障；特征分析
0 引言
在同步发电机之中，因绕组匝间短路所导致的电气故障屡见不鲜。在一般情况下，轻微的转子匝间短路将不会对发电机造成直接影响，而在目前的匝间短路问题中，往往是因为转子绕组短路所导致的，为此需要针对于短路问题的存在来进行保护与处理。如果不加强对这些问题的关注，将会导致因电流温度过高所导致的机械功率耗费，也就会间接诱发故障的产生，使得转子铁芯能够引起转子的轴承磁化，这些问题还会让整个机组的安全运行面临巨大的安全威胁。在本文中，笔者将通过对同步发电机的转子绕组短路问题进行具体的故障特征分析，来更好地认识短路故障。
1 转子绕组匝间出现短路时的定子与转子绕组故障特征分析
同步发电机处于正常状态的时候，励磁绕组所产生的磁动变化将会带来同步旋转，而定子产生的电流磁势会保持同一转速与方向而在空气间隙中不断旋转。定子绕组的感应电流会在转子绕组匝间处于短路状态的时候，于间隙产生谐波磁动势。当处于第m次谐波磁动势的时候，线圈短矩系数的分布不为零。而转子绕组上所产生的感应谐波会出现磁动势，它的频率为rnm60的倍频。转子绕组上谐波电动势的幅值与定子槽数、励磁电流、短路匝数成正比，与转子短路线圈产生的磁动势谐波次数n和定子绕组感应电流产生的磁动势谐波次数m的乘积成反比。因此，如果当n和m取值较小时，转子绕组出现谐波电动势，则励磁电流中该谐波电流的幅值较大，可以作为转子绕组匝间短路的故障特征。
图1 故障模拟发电机实物照片
Fig.1 Photoofthefaultsimulatedgenerator
2 结合8kW发电机故障模拟工作平台的案例分析
我们利用8kW发电机故障模拟平台进行了发电机转子绕组匝间短路试验。针对于动模实验发电机的实验参数为：在额定容量为10kVA，设置额定的转速为1500r/min，通过直流电机的拖动来，来对转子极对数进行设置，其数额为2，它的定子槽数设置为36。定子绕组的三单相单层选择交叉叠绕式，且每一个带有两个并联支路。励磁机的极对数为7，励磁机电枢电流，频率为175Hz。按照实验发电机的结构研究，工程师的研究活动表明，转子绕组匝间出现短路的时候，实验发电机的转子绕组将会产生的谐波电流，频率为150Hz。则根据上文的理论分析可得，实验发电机转子绕组匝间短路时，励磁机励磁电流中也有频率为150Hz的主要故障特征。利用发电机故障模拟平台进行了发电机转子绕组短路试验。发电机的励磁机有自励和他励两种励磁方式可以选择。自励装置为自动电压调整器（AVr）。为了能够测量发电机励磁电流，并且在转子绕组的5%，15%，35%，60%处引出4个抽头模拟转子绕组匝间短路故障，在转子端部安装了滑环和电刷，如图1所示。发电机励磁电流经过电流传感器按比例为1A：900mV转化成电压信号后由数据采集卡采集。应用LabVIEW软件对采集的数据进行分析和处理。
把他励设置为励磁的方式，然后选择发电机空载运行的时候，它的正常磁电流变化为图2（a）。它通过设置模拟发电机的转子绕组匝数出现不同程度故障时候的状态。而励磁机励磁电流的状况如图2（b）。图中励磁机励磁电流的直流分量幅值分别为1256mV，1372mV，1463mV所对应的值（频谱图中受显示区间限制，直流分量幅值未标出，下同）。
从图2 的数据内容，可以发现，发电机处于正常运行的时候，励磁机的励磁电流处于最大额度为100Hz，造成这一数据的原因，是因为他励电源所带有的两相整流桥所导致的。而励磁机励磁电流的150Hz分量幅值很小。当发电机转子绕组出现10%的匝间短路时，励磁机励磁电流的150Hz分量幅值出现较大的增长。当发电机转子绕组匝间短路程度从10%增加到20%时，频率为150Hz的励磁机励磁电流的谐波幅值从39mV增加到67mV。因此，励磁机励磁绕组频率为150Hz的谐波电流的幅值能够反映试验发电机转子绕组短路故障的严重程度。将该结论与算例计算结果比较可知，上文理论分析与试验结果吻合，从而验证了理论分析的正确性。
3 结论
总的来说，通过认识同步发电机的转子绕组匝间短路的时候，其往往能够得出适用于一般电机结构的发电故障特征研究规律。一是转子绕组匝间短路时所带来的励磁电流故障，发电机的励磁方式和负载影响不明显。可以作为转子绕组匝间短路在线诊断的判据。二是转子绕组匝间出现短路的时候，短路的线圈会出现极对数1，2，3，…，n，…这样的磁动势谐波。三是短路时所出现的定子绕组电流在气隙中带有的旋转谐波磁动势。对应第m次谐波磁动势，转子绕组上将感应谐波电动势。给出了该谐波电动势幅值的近似解析解。其频率为nrm/60的倍频。当取值的n和m较小的时候，将会使得转子绕组出现谐波电动势，而励磁电流中的谐波电流会出现较大的幅值，转子绕组故障的特征也就能够被很好地明确。
参考文献：
[1]李红连，唐炬.基于BRBP神经网络的转子绕组匝间短路故障诊断方法[J].中国农村水利水电，2013，（2）：152-155，158.
[2]李红连，唐炬.基于PSO-SVR的同步发电机励磁电流预测[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2013，41（6）：188-194.
论文作者:王磊
论文发表刊物:《电力设备》2017年第22期
论文发表时间:2017/12/1
标签：绕组论文; 转子论文; 发电机论文; 谐波论文; 励磁论文; 电流论文; 故障论文; 《电力设备》2017年第22期论文;