雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障的負(fù)序分量分析

李俊卿，何 龍，王 棟

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雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障的負(fù)序分量分析

李俊卿，何 龍，王 棟

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定 071003）

雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)被廣泛地應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電中。風(fēng)電場惡劣的工作環(huán)境也使雙饋式感應(yīng)電機(jī)故障頻發(fā)。其中，定轉(zhuǎn)子繞組故障占了很大的比例，所以對雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行在線監(jiān)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(yīng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路所產(chǎn)生的負(fù)序電流進(jìn)行了分析，得到了不同故障程度下特征的發(fā)展趨勢以及相同故障不同轉(zhuǎn)速下的特征表現(xiàn)。

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)；繞組故障；負(fù)序電流

0 前言

目前投人商業(yè)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)、籠型異步發(fā)電機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)三種，其中雙饋異步電機(jī)憑借其優(yōu)勢占取了絕大部分的市場份額[1]。雙饋異步發(fā)電機(jī)已經(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電的主力機(jī)型[2-4]。由于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)所處的工作環(huán)境和自身的結(jié)構(gòu)，它又是故障的多發(fā)機(jī)型，其中定轉(zhuǎn)子繞組的短路故障更是其中的主要故障。雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子為繞線式轉(zhuǎn)子，繞線式轉(zhuǎn)子經(jīng)常發(fā)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(jìn)行分析。

1 雙饋電機(jī)繞組故障診斷的研究現(xiàn)狀

電機(jī)中的一切故障都是按照一定的故障機(jī)理產(chǎn)生和發(fā)展的，雙饋電機(jī)的繞組故障也不例外。只要認(rèn)真分析故障機(jī)理，把握總結(jié)故障發(fā)生的規(guī)律就能準(zhǔn)確及時地診斷電機(jī)繞組故障。

電機(jī)正常運(yùn)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(xiàn)出電機(jī)設(shè)計初的標(biāo)準(zhǔn)。如果電機(jī)繞組發(fā)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(fā)生和發(fā)展的變化趨勢就能有效診斷電機(jī)的故障。國內(nèi)外專家針對雙饋電機(jī)的繞組故障做了大量研究，總結(jié)起來方法主要有以下幾類：

（1）探測線圈法[5]。通過在電機(jī)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(jī)繞組故障進(jìn)行診斷。

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

（4）負(fù)序分量法。如果電機(jī)繞組匝間短路，將會破壞三相對稱的電路系統(tǒng)。在三相供電平衡的情況下將會在繞組中產(chǎn)生負(fù)序電流?？梢愿鶕?jù)負(fù)序電流的大小判斷匝間短路的故障程度。

（5）參數(shù)辨識法。這種方法一般需要先建立電機(jī)故障時的數(shù)學(xué)模型，將電機(jī)的故障部分作為需要辨識的參數(shù)，通過實際測量所得到的值與所建立的辨識所得到的值進(jìn)行比較進(jìn)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(shù)學(xué)模型，而匝間短路的電機(jī)數(shù)學(xué)模型很難建立，電機(jī)參數(shù)也很難精確獲得，所以這種方法在電機(jī)故障診斷中的應(yīng)用有待發(fā)展。

（6）人工智能法。這種方法以大量歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過學(xué)習(xí)訓(xùn)練，建立相應(yīng)的映射關(guān)系，在故障診斷中結(jié)合多個特征同時進(jìn)行在線檢測。但是這種方法要求有大量的電機(jī)歷史故障數(shù)據(jù)作為學(xué)習(xí)訓(xùn)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(jī)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(yōu)點和局限性，工程實際中要根據(jù)實際情況采用預(yù)支相適應(yīng)的方法，或者結(jié)合多種方法最終對故障進(jìn)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(jī)電流量中提取故障特征信號在故障診斷和在線監(jiān)測中常常用到。本文主要從轉(zhuǎn)子三相線電流的基波負(fù)序電流著手分析雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的匝間短路故障。

2 負(fù)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(yīng)發(fā)電機(jī)中性點一般不接地，所以不存在零序電流，電機(jī)三相轉(zhuǎn)子電流的矢量和為零，即：

假設(shè)三相轉(zhuǎn)子電流中A相電流最大，根據(jù)對稱分量法能得出負(fù)序電流的矢量表達(dá)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(biāo)量的形式進(jìn)行計算，把式（2）改為以下標(biāo)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(qū)域分割成許多小的子區(qū)域，這些小的子區(qū)域通常稱為“單元”或者“有限元”，將求解邊界問題的原理應(yīng)用于這些子區(qū)域中，求解每個小區(qū)域，然后把各個小區(qū)域的結(jié)果總和合起來得到整個區(qū)域的解。

3.1 有限元法基本原理

因為求解區(qū)域有電流源存在，計算時務(wù)必采用矢量磁位來求解，用矢量磁位A表達(dá)時，磁場內(nèi)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(fā)，將求解區(qū)域剖分離散，在離散單元內(nèi)構(gòu)造矢量磁位的插值函數(shù)，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(shù)的極值問題，即化為一組關(guān)于各個節(jié)點矢量磁位的代數(shù)方程組，求解，得到矢量磁位的數(shù)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(jī)模型，用外電路模擬匝間短路，轉(zhuǎn)子匝間短路的原理圖如圖1所示。模型依據(jù)YR132M2-4三相繞線異步電機(jī)參數(shù)建模，其基本參數(shù)如下。

額定功率：5.5kW 額定轉(zhuǎn)速:1440r/min

極對數(shù)：2 定轉(zhuǎn)子槽數(shù)：36/24

定子外徑：210mm 定子內(nèi)徑：136mm

轉(zhuǎn)子外徑：135.2mm 內(nèi)徑：48mm

氣隙：0.4mm 軸長：155mm

定轉(zhuǎn)子每槽線數(shù)：74/24

另外，定子三相繞組為三角形聯(lián)結(jié)，繞組并聯(lián)支路數(shù)為2，節(jié)距為8。轉(zhuǎn)子三相繞組為星型聯(lián)結(jié)，并聯(lián)支路數(shù)為1，節(jié)距為5。

圖1 轉(zhuǎn)子匝間短路原理圖

3.2.1 創(chuàng)建電機(jī)的幾何模型

通過電機(jī)的出廠資料獲取電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子內(nèi)外徑、鐵心軸長、齒槽、繞組等尺寸參數(shù)，在maxwell 2D中根據(jù)這些參數(shù)繪制出電機(jī)的幾何模型。根據(jù)上文提供的數(shù)據(jù)參數(shù)繪制出本文仿真所用的雙饋感應(yīng)電機(jī)模型如圖2所示。

圖2 電機(jī)有限元模型

3.2.2 分配材料屬性

電機(jī)幾何模型建立之后，根據(jù)廠家提供的電機(jī)參數(shù)，調(diào)用材料庫對電機(jī)的各個部分的材料屬性進(jìn)行分配。

3.2.3 定義邊界條件

本次仿真假定電機(jī)區(qū)域以外沒有磁場泄露，因此電機(jī)定子表面是矢量磁位的等位面，設(shè)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(wǎng)格剖分

為滿足計算精度要求，在自適應(yīng)網(wǎng)格剖分過程中，軟件會在不同磁導(dǎo)率介質(zhì)的邊界處進(jìn)行較細(xì)密的網(wǎng)格剖分處理，尤其是曲率較大的邊界處，而在同一介質(zhì)面域內(nèi)部剖分較為稀疏。這有利于有限元計算軟件在不影響預(yù)設(shè)精度的前提下提高運(yùn)算速度，減少運(yùn)算時間。因此，網(wǎng)格剖分在氣隙處及轉(zhuǎn)子槽底部比較密集，而在定、轉(zhuǎn)子軛處比較稀疏，具體如圖3所示。

圖3 電機(jī)模型自適應(yīng)網(wǎng)格剖分

4 仿真及數(shù)據(jù)分析

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

4.1 相同轉(zhuǎn)速下的故障分析

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

轉(zhuǎn)子正常、短路1匝、短路5匝、短路10匝，這四種情況下的轉(zhuǎn)子電流波形分別如圖4~7所示。從圖中可以看出：電機(jī)正常運(yùn)行時轉(zhuǎn)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(jìn)一步加深。

圖4 轉(zhuǎn)子正常下轉(zhuǎn)子電流

圖5 轉(zhuǎn)子短路1匝下的轉(zhuǎn)子電流

圖6 轉(zhuǎn)子短路5匝下的轉(zhuǎn)子電流

圖7 轉(zhuǎn)子短路10匝下的轉(zhuǎn)子電流

不同故障程度下的轉(zhuǎn)子電流有效值如表1所示。從表1中可以看出：在正常狀態(tài)下，三相電流有效值基本相等；當(dāng)轉(zhuǎn)子A相發(fā)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(zhuǎn)子不同故障程度下的電流值

不同故障程度下的轉(zhuǎn)子電流相位值如表2所示。從表2中可以看出：當(dāng)轉(zhuǎn)子A相發(fā)生匝間短路后，AB相、CA相的相位差增大，BC相的相位差減?。浑S著故障程度的加深，故障相的相位進(jìn)一步增大，非故障相的相位差顯著減小。

表2 轉(zhuǎn)子不同故障程度下的電流相位

不同故障程度下的負(fù)序和正序電流如表2所示。從表2中可以看出：電機(jī)正常狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子的負(fù)序電流非常小；當(dāng)發(fā)生匝間短路后，負(fù)序電流顯著增加；隨著故障程度的加深，負(fù)序電流數(shù)值和負(fù)序電流與正序電流的比值都會進(jìn)一步增大。其中，1是正序電流2是負(fù)序電流。

表3 不同故障程度下的負(fù)序電流及正序電流

4.2 不同轉(zhuǎn)速下的故障分析

雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作于野外自然環(huán)境下，其轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的變換也時刻在變，因此研究不同風(fēng)速下的故障信息對雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障在線監(jiān)測與故障診斷有重要實際意義。

故障設(shè)置為5匝短路，分別在亞同步下電機(jī)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子電流分別如圖8~10所示。從圖中可以看出，與轉(zhuǎn)速恒定時相似，不同轉(zhuǎn)速下5匝短路故障時轉(zhuǎn)子電流大小和相位都表現(xiàn)出了一定的不平衡，并且轉(zhuǎn)速較低時電流波形出現(xiàn)了畸變。

圖8 轉(zhuǎn)速1200r/min時的轉(zhuǎn)子電流

圖9 轉(zhuǎn)速900r/min時的轉(zhuǎn)子電流波形

圖10 轉(zhuǎn)速600r/min時的轉(zhuǎn)子電流波形

不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子各相電流的基波有效值如表4所示。

表4 不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子三相電流大小

不同轉(zhuǎn)速下的負(fù)序和正序電流如表5所示。從表中可以看出，在不同轉(zhuǎn)速下由于轉(zhuǎn)子電壓的不同正序電流和負(fù)序電流大小都有所不同，但是負(fù)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(jù)基波負(fù)序電流診斷電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障時，在電機(jī)低轉(zhuǎn)速下進(jìn)行會有較好的效果。

表5 不同轉(zhuǎn)速下的負(fù)序電流及正序電流

5 結(jié)論

本文對雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路不同故障程度及不同轉(zhuǎn)速條件下的轉(zhuǎn)子電流信息分別進(jìn)行了分析，從中可以得出以下結(jié)論：

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

（2）轉(zhuǎn)子匝間短路時，轉(zhuǎn)子線電流有效值不再平衡；

（3）轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速時負(fù)序電流與正序電流的比值隨轉(zhuǎn)速的減小而增大。

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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(xué)基金資助項目(E2010001705)。

2013-08-17

李俊卿(1967-)，博士，2000年3月畢業(yè)于華北電力大學(xué)電力系電機(jī)與電器專業(yè)，主要研究方向為交流電機(jī)及其系統(tǒng)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