基于環(huán)流時(shí)頻圖譜的抽水蓄能機(jī)組勵(lì)磁繞組匝間短路故障診斷

齊 鵬 李永剛 馬明晗 武玉才 紀(jì) 璇

基于環(huán)流時(shí)頻圖譜的抽水蓄能機(jī)組勵(lì)磁繞組匝間短路故障診斷

齊 鵬 李永剛 馬明晗 武玉才 紀(jì) 璇

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 保定 071003）

抽水蓄能機(jī)組作為關(guān)鍵電氣設(shè)備，其運(yùn)行連續(xù)性與可靠性對(duì)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)意義重大。針對(duì)抽水蓄能機(jī)組勵(lì)磁繞組匝間短路故障的狀態(tài)監(jiān)測(cè)易受動(dòng)/靜偏心及電樞反應(yīng)影響，早期故障特征難以有效辨識(shí)的問(wèn)題，該文提出一種基于環(huán)流時(shí)頻圖譜的勵(lì)磁繞組匝間短路故障診斷方法。首先，根據(jù)抽水蓄能機(jī)組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及電磁感應(yīng)關(guān)系，推導(dǎo)了動(dòng)/靜偏心及靜偏心復(fù)合勵(lì)磁繞組匝間短路狀態(tài)下的同相多支路環(huán)流公式，得到了各狀態(tài)下的環(huán)流特征諧波；其次，搭建了發(fā)電容量為334 MV·A的抽水蓄能機(jī)組二維有限元仿真模型，計(jì)算了動(dòng)/靜偏心及不同匝間短路程度下的同相分支環(huán)流大小，繪制了相應(yīng)的時(shí)域、頻域及時(shí)頻圖譜，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了環(huán)流時(shí)頻圖譜可從時(shí)間、頻率角度全面解析故障特征，有效區(qū)分偏心、電樞反應(yīng)干擾與匝間短路故障；最后，基于凸極同步發(fā)電機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬了不同故障程度的匝間短路運(yùn)行狀態(tài)，采集了同相支路電流數(shù)據(jù)用于環(huán)流時(shí)頻圖譜分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法可有效排除靜偏心及電樞反應(yīng)干擾，并以包含運(yùn)行時(shí)間、特征頻率及信號(hào)強(qiáng)度的三維圖譜信息直觀地展示機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。

抽水蓄能機(jī)組 勵(lì)磁繞組 匝間短路 環(huán)流時(shí)頻圖譜

0 引言

隨著水電開(kāi)發(fā)程度的不斷擴(kuò)大，抽水蓄能機(jī)組也日趨向高水頭、高效率和大容量發(fā)展。由于抽水蓄能機(jī)組起停迅速、負(fù)荷調(diào)整快速方便，在電網(wǎng)中承擔(dān)了大量的調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓和事故備用的任務(wù)，因此對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)切換的要求也愈加頻繁，導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生故障的概率大為提高[1-3]。為了有效提升抽水蓄能機(jī)組安全運(yùn)行水平，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用至關(guān)重要，其對(duì)實(shí)現(xiàn)機(jī)組故障的準(zhǔn)確分析與及時(shí)預(yù)測(cè)，使機(jī)組檢修工作從計(jì)劃性檢修轉(zhuǎn)向狀態(tài)檢修具有重大推動(dòng)作用[4-7]。

統(tǒng)計(jì)表明，勵(lì)磁繞組匝間短路故障是抽水蓄能機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)頻率較高的一類電氣故障[8-9]，國(guó)內(nèi)山東泰山抽水蓄能電站及福建仙游抽水蓄能電站均發(fā)生過(guò)不同程度的磁極短路故障。分析故障發(fā)生原因，是由于抽水蓄能機(jī)組（發(fā)電電動(dòng)機(jī)）運(yùn)行過(guò)程中受不平衡電磁力、散熱不良、匝間局部放電及外界機(jī)械應(yīng)力等多重因素影響，致使勵(lì)磁繞組匝間絕緣劣化[10]。嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起機(jī)組劇烈振動(dòng)甚至橫差保護(hù)動(dòng)作，致使機(jī)組停運(yùn)[11]。因此，如何快速準(zhǔn)確地提取匝間短路早期微弱故障特征，并及時(shí)組織狀態(tài)檢修，對(duì)預(yù)防事故發(fā)生、提高機(jī)組運(yùn)行的安全性與可靠性具有重要意義[12-15]。

目前，抽水蓄能機(jī)組勵(lì)磁繞組匝間短路故障診斷主要以離線檢測(cè)方式為主，常用檢測(cè)方法主要包括直流電阻比較法[16]、交流阻抗和功率損耗法[17]、交直流分壓電壓法[18]等。離線檢測(cè)方法需對(duì)各磁極繞組進(jìn)行逐一測(cè)試，檢測(cè)過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)，增加了運(yùn)檢人員的工作難度。鑒于離線檢測(cè)方法存在一定弊端，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)勵(lì)磁繞組匝間短路在線診斷方法進(jìn)行了深入研究。孫宇光團(tuán)隊(duì)提出了新型探測(cè)線圈檢測(cè)法，通過(guò)將探測(cè)線圈進(jìn)行特殊布置及聯(lián)接，用于檢測(cè)氣隙磁場(chǎng)故障諧波的感應(yīng)電壓，根據(jù)感應(yīng)電壓諧波次數(shù)的不同，實(shí)現(xiàn)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路故障的有效識(shí)別[19]。武玉才團(tuán)隊(duì)提出了穿心螺桿檢測(cè)法，并搭建了550 MW水輪發(fā)電機(jī)仿真模型，計(jì)算了匝間短路故障前后穿心螺桿的感應(yīng)電壓，根據(jù)感應(yīng)電壓變化規(guī)律，診斷水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路故障[20]。R. Romary團(tuán)隊(duì)提出了漏磁與振動(dòng)綜合檢測(cè)法，通過(guò)采集發(fā)電機(jī)漏磁信號(hào)以及機(jī)殼加速度信號(hào)，分析漏磁及振動(dòng)頻譜中的敏感分量，實(shí)現(xiàn)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁繞組匝間短路的狀態(tài)監(jiān)測(cè)[21]。A. Nysveen團(tuán)隊(duì)提出了雜散磁通檢測(cè)法，通過(guò)在定子鐵軛處安裝探測(cè)線圈，用以采集水輪發(fā)電機(jī)外部的雜散磁通數(shù)據(jù)，并結(jié)合時(shí)頻分析法對(duì)有限元仿真和實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘提取，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法可有效辨識(shí)匝間短路故障[22]。郝亮亮團(tuán)隊(duì)提出了不平衡電流有效值檢測(cè)法，基于對(duì)水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路環(huán)流特征的分析，采用移相疊加法最大限度地提取環(huán)流分?jǐn)?shù)次諧波有效值，并將其應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)故障監(jiān)測(cè)，奠定了環(huán)流檢測(cè)法的研究基礎(chǔ)[23]。

以上在線故障診斷方法的提出為勵(lì)磁繞組匝間短路狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了新思路，但考慮到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行機(jī)組受水力、機(jī)械、電氣及其他因素影響，早期故障特征易被噪聲所掩蓋，開(kāi)發(fā)一種通用、高靈敏度且抗干擾能力強(qiáng)的勵(lì)磁繞組匝間短路故障監(jiān)測(cè)方法成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。本文在綜合考慮機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在動(dòng)/靜偏心及電樞反應(yīng)等干擾的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了動(dòng)/靜偏心環(huán)流公式及靜偏心復(fù)合勵(lì)磁繞組匝間短路環(huán)流公式，并提出了一種基于環(huán)流時(shí)頻圖譜的智能診斷方法。

鑒于動(dòng)/靜偏心程度的變化會(huì)引起環(huán)流時(shí)域幅值的改變，通過(guò)設(shè)置時(shí)域閾值檢測(cè)匝間短路故障難免會(huì)引入動(dòng)/靜偏心干擾；而電樞反應(yīng)及動(dòng)偏心也會(huì)引起特征分?jǐn)?shù)次諧波的出現(xiàn)，因此通過(guò)頻譜分析特征諧波的方法難以有效辨識(shí)匝間短路故障；環(huán)流時(shí)頻圖譜檢測(cè)法是在綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)時(shí)性與高效性的基礎(chǔ)上，將連續(xù)小波變換時(shí)頻分析方法用于計(jì)算抽水蓄能機(jī)組同相支路環(huán)流特征信號(hào)，繪制基于運(yùn)行時(shí)間、特征頻率及信號(hào)強(qiáng)度的三維圖譜，并以信號(hào)強(qiáng)度以及信號(hào)強(qiáng)度差值能量比為判據(jù)用于檢測(cè)匝間短路故障，該方法克服了傳統(tǒng)環(huán)流檢測(cè)法[23-26]單一從時(shí)域或頻域進(jìn)行分析而無(wú)法有效辨識(shí)早期微弱故障的缺點(diǎn)，為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)微弱匝間短路在線監(jiān)測(cè)提供了可能。本文在有限元仿真模型、動(dòng)模機(jī)組實(shí)驗(yàn)平臺(tái)均模擬了不同程度的匝間短路故障，并采集了各狀態(tài)下的不平衡電流數(shù)據(jù)用于時(shí)頻分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了環(huán)流時(shí)頻圖譜可直觀反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)計(jì)算時(shí)頻矩陣的信號(hào)強(qiáng)度差值能量比可進(jìn)一步量化故障程度，防止故障誤報(bào)警，為現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)檢人員開(kāi)展?fàn)顟B(tài)檢修工作提供指導(dǎo)。

1 同相支路環(huán)流特征分析

考慮到實(shí)際運(yùn)行機(jī)組往往存在電樞反應(yīng)、動(dòng)/靜偏心影響，本文對(duì)單一勵(lì)磁繞組匝間短路、動(dòng)/靜偏心、靜偏心復(fù)合匝間短路狀態(tài)下的環(huán)流特征公式進(jìn)行了推導(dǎo)。

1.1 匝間短路故障-環(huán)流特征分析

本文以電樞繞組同相三條支路為例，對(duì)支路感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行分析，三條支路空間機(jī)械角相差2p/3，則空間電角度相差2p/3，由此得各支路感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式[24]分別為

式中，為極對(duì)數(shù)；為同相繞組支路數(shù)；q為一個(gè)線圈組所包含的線圈匝數(shù)；為頻率；Bm為氣隙磁通密度次諧波的最大值；為定子繞組有效長(zhǎng)度；為次諧波對(duì)應(yīng)極距；yv為短距系數(shù)；qv為繞組分布系數(shù)。

當(dāng)發(fā)電電動(dòng)機(jī)發(fā)生匝間短路故障時(shí)，其磁動(dòng)勢(shì)不僅包含基波及奇數(shù)次諧波，而且包含分?jǐn)?shù)次諧波，即=1/, 2/,…,/，此時(shí)定子繞組同相三條支路感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不再相等，即y1≠y2≠y3。

發(fā)電電動(dòng)機(jī)電樞繞組某相支路等效電路（支路電阻可忽略不計(jì)）如圖1所示。

圖1 電樞繞組同相支路等效電路

采用網(wǎng)孔電流法和基爾霍夫電壓定律（Kirchhoff's Voltage Law, KVL）對(duì)其進(jìn)行分析，可得表達(dá)式為

由于同相支路對(duì)稱，自感L1=2，支路互感M1=2，可將式（2）化簡(jiǎn)為

由此可知，當(dāng)發(fā)電電動(dòng)機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)（即yv1=yv2），同相支路電流I1=I2，即不會(huì)出現(xiàn)支路環(huán)流現(xiàn)象（負(fù)載工況下，受電樞反應(yīng)影響，使得磁場(chǎng)不對(duì)稱，由此也會(huì)產(chǎn)生支路環(huán)流）；當(dāng)發(fā)電電動(dòng)機(jī)處于匝間短路運(yùn)行狀態(tài)時(shí)（即yv1≠yv2），同相支路電流I1≠I2，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)支路環(huán)流現(xiàn)象，且只包含/（=1, 2,…,，且≠）分?jǐn)?shù)次諧波。

1.2 動(dòng)/靜偏心-環(huán)流特征分析

考慮到實(shí)際發(fā)電電動(dòng)機(jī)由于制作工藝問(wèn)題，運(yùn)行過(guò)程中往往存在靜偏心影響。同時(shí)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程在受到電磁力、熱應(yīng)力等作用時(shí)，發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子表面易發(fā)生變形，致使定轉(zhuǎn)子間徑向氣隙的最小位置會(huì)隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而發(fā)生改變，機(jī)組呈動(dòng)偏心運(yùn)行。鑒于上述因素，本文對(duì)抽水蓄能機(jī)組動(dòng)/靜偏心狀態(tài)下的環(huán)流特征進(jìn)行分析，以有效濾除其對(duì)匝間短路在線監(jiān)測(cè)的影響。

靜偏心和動(dòng)偏心狀態(tài)下的氣隙條件如圖2所示，最小氣隙沿軸方向設(shè)置。

圖2 發(fā)電電動(dòng)機(jī)動(dòng)/靜偏心狀態(tài)的氣隙示意圖

根據(jù)圖2所示，發(fā)電電動(dòng)機(jī)徑向氣隙長(zhǎng)度可以表示[15]為

式中，0為平均氣隙長(zhǎng)度；m為定子圓周機(jī)械角；s為靜態(tài)偏心率；d為動(dòng)態(tài)偏心率。

由于氣隙較小，對(duì)徑向氣隙長(zhǎng)度的倒數(shù)進(jìn)行冪級(jí)數(shù)展開(kāi)，可忽略高階分量，得到單位磁導(dǎo)率為

式中，0為空氣磁導(dǎo)率；0為氣隙磁導(dǎo)常數(shù)分量；s為靜偏心磁導(dǎo)分量；d為動(dòng)偏心磁導(dǎo)分量。

綜合以上分析，推導(dǎo)靜偏心環(huán)流公式為

動(dòng)偏心環(huán)流公式為

式中，Nv為正常狀態(tài)下次諧波磁動(dòng)勢(shì)的繞組因數(shù)；Fm（=1, 3, 5,…,）為正常狀態(tài)下磁動(dòng)勢(shì)的最大幅值；1、2均為電角度。根據(jù)環(huán)流公式可知，靜偏心環(huán)流主要包含基波及奇數(shù)次諧波，且以基波為主；動(dòng)偏心環(huán)流特征中只包含-1/和+1/次諧波。

1.3 靜偏心復(fù)合匝間短路-環(huán)流特征分析

現(xiàn)場(chǎng)抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中往往伴有靜偏心干擾，因此本文對(duì)抽水蓄能機(jī)組的靜偏心復(fù)合匝間短路的環(huán)流特征進(jìn)行了分析，防止由于靜偏心問(wèn)題引起匝間短路的誤判，給實(shí)際運(yùn)行造成不良影響。綜合1.1節(jié)與1.2節(jié)分析，推導(dǎo)靜偏心復(fù)合故障環(huán)流公式為

2 環(huán)流時(shí)頻圖譜理論

由于現(xiàn)場(chǎng)所采集環(huán)流信號(hào)易受動(dòng)/靜偏心、電樞反應(yīng)等因素影響，其中機(jī)組動(dòng)/靜偏心程度的變化會(huì)引起環(huán)流時(shí)域幅值的改變，采用環(huán)流時(shí)域閾值檢測(cè)法判別匝間短路故障難免會(huì)引入動(dòng)/靜偏心干擾；而電樞反應(yīng)及動(dòng)偏心會(huì)引起分?jǐn)?shù)次特征諧波的出現(xiàn)，因此單一頻譜分析方法亦難以有效提取匝間短路故障特征。鑒于所采集環(huán)流信號(hào)的特殊性，本文在綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)時(shí)性與高效性基礎(chǔ)上，提出了適用于在線監(jiān)測(cè)的環(huán)流時(shí)頻圖譜檢測(cè)法，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

環(huán)流時(shí)頻圖譜檢測(cè)法通過(guò)引入連續(xù)小波變 換[27]，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)待檢環(huán)流信號(hào)的時(shí)頻局部化分析，完成對(duì)分?jǐn)?shù)次環(huán)流特征諧波信息的深度挖掘。該方法通過(guò)將小波母函數(shù)()進(jìn)行伸縮和平移，并與待檢環(huán)流信號(hào)進(jìn)行卷積積分運(yùn)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)尺度域向頻域的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換，從而有效捕捉不同頻率信息在不同時(shí)刻的信號(hào)強(qiáng)度。對(duì)于動(dòng)/靜偏心干擾，時(shí)頻圖譜特征頻次處信號(hào)強(qiáng)度分布與匝間短路有較大不同；而對(duì)于較為微弱的匝間短路，圖譜信號(hào)強(qiáng)度變化較小，不易直接據(jù)此進(jìn)行判斷，因此本文提出信號(hào)強(qiáng)度差值能量比算法，旨在進(jìn)一步放大故障前后環(huán)流時(shí)頻圖譜信號(hào)強(qiáng)度變化，從而凸顯微弱故障特征，其表達(dá)式為

式中，r為時(shí)頻矩陣行數(shù)；c為時(shí)頻矩陣列數(shù)；為匝間短路狀態(tài)下的時(shí)頻矩陣；為正常狀態(tài)下的時(shí)頻矩陣。由于環(huán)流信號(hào)采集受外界干擾影響較小，因此機(jī)組若運(yùn)行于正常狀態(tài)，其差值能量比應(yīng)無(wú)限接近于0，而發(fā)生匝間短路后，其差值能量比應(yīng)大于正常狀態(tài)值，據(jù)此可實(shí)現(xiàn)早期微弱匝間短路故障診斷。

3 抽水蓄能機(jī)組仿真分析

本文以國(guó)內(nèi)某電機(jī)廠生產(chǎn)的抽水蓄能發(fā)電機(jī)（運(yùn)行于國(guó)內(nèi)某抽水蓄能電站）為例，參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 發(fā)電電動(dòng)機(jī)參數(shù)

采用Ansys Electronics軟件搭建發(fā)電電動(dòng)機(jī)二維有限元模型，首先，為了模擬現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)運(yùn)行，設(shè)置某一磁極初始運(yùn)行于正常狀態(tài)，在某一時(shí)刻發(fā)生勵(lì)磁繞組匝間短路故障，故障程度分別設(shè)置為短路1匝、短路2匝（分別對(duì)應(yīng)圖4中紅色、綠色線匝，且將短路時(shí)刻設(shè)為0.54 s）；其次，分別模擬機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中所存在的動(dòng)、靜偏心現(xiàn)象，并設(shè)置機(jī)組運(yùn)行所允許的最大偏心程度10%（受仿真條件限制，無(wú)法模擬偏心過(guò)渡狀態(tài)）；最后，進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分設(shè)置（剖分網(wǎng)格單元數(shù)為38 053），用于二維有限元模型的計(jì)算，二維有限元1/9模型剖分如圖4所示。將Maxwell 2D與Simplorer進(jìn)行場(chǎng)路耦合聯(lián)合仿真，得正常運(yùn)行和勵(lì)磁繞組匝間短路狀態(tài)下的磁力線分布如圖5所示（受篇幅限制，僅展示空載工況下的磁力線分布）。

3.1 電樞繞組同相支路環(huán)流時(shí)/頻域仿真分析

本文對(duì)單一勵(lì)磁繞組匝間短路、單一動(dòng)/靜偏心以及靜偏心復(fù)合匝間短路狀態(tài)下所得環(huán)流信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域分析，以獲取各運(yùn)行狀態(tài)下的基本特征。

圖4 發(fā)電電動(dòng)機(jī)二維瞬態(tài)電磁場(chǎng)仿真模型

圖5 發(fā)電電動(dòng)機(jī)空載工況磁力線分布

3.1.1 單一勵(lì)磁繞組匝間短路及單一動(dòng)/靜偏心仿真分析

首先，對(duì)發(fā)電電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行工況進(jìn)行仿真分析，分別設(shè)置轉(zhuǎn)子某磁極繞組正常、短路1匝、短路2匝、10%動(dòng)偏心、10%靜偏心，其中正常與短路狀態(tài)下的徑向氣隙磁通密度分布如圖6a所示（動(dòng)/靜偏心狀態(tài)徑向氣隙磁通密度見(jiàn)附錄），電樞繞組同相支路環(huán)流時(shí)域譜如圖6b所示。對(duì)環(huán)流時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得環(huán)流頻譜如圖6c所示。

其次，對(duì)發(fā)電電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行工況進(jìn)行仿真分析，設(shè)置均與空載工況相同，得徑向氣隙磁通密度分布如圖7a所示（動(dòng)/靜偏心狀態(tài)徑向氣隙磁通密度見(jiàn)附錄），負(fù)載工況環(huán)流時(shí)域譜如圖7b所示，環(huán)流頻譜如圖7c所示。

圖6 空載工況電磁特征圖譜（故障時(shí)刻t=0.54 s）

由圖6a和圖7a可以看出，隨著故障程度的增大，故障磁極的徑向氣隙磁通密度呈遞減趨勢(shì)，其中空載工況下的氣隙磁通密度變化更為明顯，負(fù)載工況下由于受電樞反應(yīng)影響，故障磁極處的氣隙磁通密度衰減更為微弱。通過(guò)觀察氣隙磁通密度的變化趨勢(shì)，驗(yàn)證了所建有限元模型的正確性。

由圖6b和圖7b可以看出，空載工況下匝間短路故障會(huì)使電樞繞組同相支路出現(xiàn)環(huán)流，且其時(shí)域幅值隨故障程度的增加而增大。負(fù)載工況下由于受電樞反應(yīng)影響，正常狀態(tài)同樣會(huì)出現(xiàn)環(huán)流，且其時(shí)域幅值與短路1匝的幅值相差不大，難以判別是否發(fā)生匝間短路。同時(shí)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中偏心程度大小亦會(huì)發(fā)生改變，動(dòng)/靜偏心程度變大（10%以內(nèi)）皆會(huì)引起環(huán)流時(shí)域幅值增加，若簡(jiǎn)單通過(guò)設(shè)置時(shí)域閾值進(jìn)行故障診斷，難免會(huì)引入動(dòng)/靜偏心干擾，造成勵(lì)磁繞組匝間短路的誤判。

圖7 負(fù)載工況電磁特征圖譜（故障時(shí)刻t=0.54 s）

由圖6c和圖7c可以看出，匝間短路頻譜出現(xiàn)了明顯的分?jǐn)?shù)次諧波，且其諧波次數(shù)為/9（= 1, 2,…,且≠）；靜偏心頻譜出現(xiàn)了基波及3次諧波，動(dòng)偏心出現(xiàn)了8/9、10/9、17/9及19/9次諧波，由此驗(yàn)證了式（6）、式（7）推導(dǎo)的正確性。負(fù)載工況下，受電樞反應(yīng)影響，正常狀態(tài)、動(dòng)偏心狀態(tài)與匝間短路故障所出現(xiàn)的特征諧波次數(shù)均相同，對(duì)故障識(shí)別造成了干擾。因此，通過(guò)頻譜圖出現(xiàn)的分?jǐn)?shù)次特征諧波進(jìn)行故障診斷，容易造成故障誤判。

3.1.2 靜偏心復(fù)合勵(lì)磁繞組匝間短路仿真分析

考慮到實(shí)際運(yùn)行的抽水蓄能機(jī)組普遍存在靜偏心，本文對(duì)靜偏心復(fù)合勵(lì)磁繞組匝間短路故障進(jìn)行仿真分析。

首先，對(duì)發(fā)電電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行工況進(jìn)行仿真分析，靜偏心度設(shè)為10%，并分別與勵(lì)磁繞組正常、短路1匝、短路2匝進(jìn)行復(fù)合仿真計(jì)算，得徑向氣隙磁通密度分布如圖8a所示，電樞繞組同相支路環(huán)流時(shí)域譜如圖8b所示。對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉分析，得到環(huán)流頻譜圖如圖8c所示。

其次，對(duì)發(fā)電電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行工況進(jìn)行仿真分析，偏心度及匝間短路故障程度設(shè)置均與空載工況一致，進(jìn)行復(fù)合仿真計(jì)算，得靜偏心復(fù)合匝間短路狀態(tài)下的徑向氣隙磁通密度分布如圖9a所示，環(huán)流時(shí)域譜如圖9b所示，環(huán)流頻譜如圖9c所示。

圖8 靜偏心復(fù)合匝間短路-空載工況電磁特征圖譜（故障時(shí)刻t=0.54 s）

由圖8、圖9可以看出，故障磁極的徑向氣隙磁通密度隨故障程度的增大呈減小趨勢(shì)，負(fù)載工況下由于受電樞反應(yīng)影響，致使氣隙磁通密度減小趨勢(shì)不易觀察。

圖9 靜偏心復(fù)合匝間短路-負(fù)載工況電磁特征圖譜（故障時(shí)刻t=0.54 s）

當(dāng)發(fā)電電動(dòng)機(jī)處于靜偏心復(fù)合正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，受靜偏心及電樞反應(yīng)影響，空載/負(fù)載工況時(shí)域信號(hào)均出現(xiàn)了明顯的環(huán)流，且其時(shí)域幅值均與短路1匝的時(shí)域幅值較為接近，因此通過(guò)時(shí)域信號(hào)難以準(zhǔn)確判別匝間短路故障。

分析空載/負(fù)載工況環(huán)流頻譜信息，均出現(xiàn)了明顯的50 Hz基波及/9（=1, 2,…,且≠）分?jǐn)?shù)次諧波，驗(yàn)證了靜偏心復(fù)合匝間短路環(huán)流公式推導(dǎo)的正確性?？蛰d工況下，微弱的匝間短路特征諧波易被靜偏心基波所掩蓋。負(fù)載工況下，無(wú)論發(fā)電電動(dòng)機(jī)處于正常狀態(tài)還是匝間短路狀態(tài)，其頻譜均出現(xiàn)了分?jǐn)?shù)次特征諧波，對(duì)勵(lì)磁繞組匝間短路故障在線監(jiān)測(cè)造成了干擾，因此通過(guò)頻譜分析無(wú)法有效辨識(shí)故障。

3.2 電樞繞組同相支路環(huán)流時(shí)頻圖譜分析

為了提高故障診斷精度，實(shí)現(xiàn)抽水蓄能機(jī)組勵(lì)磁繞組匝間短路的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，本文將連續(xù)小波變換時(shí)頻方法引入環(huán)流特征信號(hào)分析?？紤]到Morlet小波具有適中的中心頻率和窗寬，且其波形與待測(cè)環(huán)流信號(hào)具有較高的相似性，據(jù)此對(duì)正常與匝間短路狀態(tài)下的環(huán)流信號(hào)進(jìn)行卷積積分計(jì)算，并構(gòu)建三維時(shí)頻圖譜，以期全面反映機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。

3.2.1 單一勵(lì)磁繞組匝間短路及單一動(dòng)/靜偏心-環(huán)流時(shí)頻圖譜分析

對(duì)發(fā)電電動(dòng)機(jī)空載/負(fù)載工況下短路1匝、短路2匝、10%靜偏心、10%動(dòng)偏心的環(huán)流數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻分析，構(gòu)建各狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的環(huán)流時(shí)頻圖譜?？蛰d工況環(huán)流時(shí)頻圖譜如圖10所示，負(fù)載工況環(huán)流時(shí)頻圖譜如圖11所示。

圖10 空載工況環(huán)流時(shí)頻圖譜（故障時(shí)刻t=0.54 s）

圖11 負(fù)載工況環(huán)流時(shí)頻圖譜（故障時(shí)刻t=0.54 s）

由圖10、圖11可以看出，當(dāng)發(fā)電電動(dòng)機(jī)發(fā)生勵(lì)磁繞組匝間短路故障，通過(guò)環(huán)流時(shí)頻圖譜可以清晰定位故障發(fā)生的時(shí)刻，且故障特征頻率處（5.5、11、22、28、39、44.5 Hz）的信號(hào)強(qiáng)度相較正常狀態(tài)明顯增強(qiáng)，圖中所標(biāo)記紅框可清晰反映機(jī)組由正常狀態(tài)過(guò)渡到匝間短路故障狀態(tài)信號(hào)強(qiáng)度的變化。同時(shí)，與動(dòng)/靜偏心狀態(tài)進(jìn)行比較，可發(fā)現(xiàn)動(dòng)偏心信號(hào)強(qiáng)度主要集中于55.5 Hz，靜偏心主要集中于50 Hz，與匝間短路故障的特征頻率信號(hào)強(qiáng)度具有明顯區(qū)分度。為了防止故障誤判，本文對(duì)信號(hào)強(qiáng)度差值能量比進(jìn)行計(jì)算分析，其中空載匝間短路狀態(tài)下的計(jì)算結(jié)果分別為7.13%、13.96%，負(fù)載匝間短路狀態(tài)下的計(jì)算結(jié)果分別為6.66%、13.44%，均遠(yuǎn)大于0，可有效判別匝間短路故障。

3.2.2 靜偏心復(fù)合匝間短路-環(huán)流時(shí)頻圖譜分析

對(duì)空載/負(fù)載工況下靜偏心復(fù)合匝間短路的環(huán)流數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻分析，構(gòu)建靜偏心復(fù)合短路1匝、靜偏心復(fù)合短路2匝所對(duì)應(yīng)的環(huán)流時(shí)頻圖譜。其中，空載工況環(huán)流時(shí)頻圖譜如圖12所示，負(fù)載工況環(huán)流時(shí)頻圖譜如圖13所示。

根據(jù)圖12、圖13所示，環(huán)流時(shí)頻圖譜以故障特征頻率處信號(hào)強(qiáng)度的變化，清晰反映機(jī)組發(fā)生匝間短路故障后的過(guò)渡過(guò)程，點(diǎn)畫(huà)線（紅）框標(biāo)記處可明顯觀察到發(fā)生匝間短路后的信號(hào)強(qiáng)度變化，為了防止故障誤判，進(jìn)一步計(jì)算信號(hào)強(qiáng)度差值能量比，其中空載匝間短路狀態(tài)為3.94%、6.55%，負(fù)載匝間短路狀態(tài)為8.28%、9.54%，據(jù)此可有效辨識(shí)匝間短路 故障。

綜合以上仿真分析，本文提出的環(huán)流時(shí)頻圖譜檢測(cè)方法可濾除動(dòng)/靜偏心、電樞反應(yīng)干擾，有效提取勵(lì)磁繞組匝間短路故障特征，為運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)匝間短路檢測(cè)提供了一種新的可實(shí)施方案。

圖12 靜偏心復(fù)合匝間短路-空載工況環(huán)流時(shí)頻圖譜

4 故障模擬實(shí)驗(yàn)分析

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介

本次實(shí)驗(yàn)采用電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室一臺(tái)型號(hào)為TZH-225-TH的凸極同步發(fā)電機(jī)來(lái)模擬抽水蓄能機(jī)組發(fā)電機(jī)狀態(tài)，其參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 TZH-225-TH同步發(fā)電機(jī)參數(shù)

采用高精度塞尺對(duì)轉(zhuǎn)子氣隙進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量精度可達(dá)0.02 mm，測(cè)量結(jié)果顯示，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子氣隙最小處為0.96 mm，氣隙最大處為1.04 mm，由此可計(jì)算出該臺(tái)機(jī)組存在4%的靜偏心，具體測(cè)量如圖14所示。受實(shí)驗(yàn)條件限制，未能模擬機(jī)組動(dòng)偏心狀態(tài)。

為了有效模擬不同故障程度的匝間短路，本次實(shí)驗(yàn)選擇勵(lì)磁繞組匝間短路故障程度為50%所對(duì)應(yīng)抽頭F1、F13，將兩故障抽頭間串接滑動(dòng)變阻器、電流表及刀開(kāi)關(guān)，其中滑動(dòng)變阻器（48W/7 A）調(diào)至最大阻值位，電流表調(diào)至5 A檔位，刀開(kāi)關(guān)初始為斷開(kāi)狀態(tài)。緩慢增大勵(lì)磁，使發(fā)電機(jī)端電壓上升至額定電壓，并記錄此時(shí)的勵(lì)磁電流平均值f。

根據(jù)故障程度公式計(jì)算滑動(dòng)變阻器分流大小，其表達(dá)式為

本次實(shí)驗(yàn)對(duì)發(fā)電機(jī)空載工況及負(fù)載工況（負(fù)載為1.2 kW）下的特征參量進(jìn)行采集，采用量程為-10～10 A的交流電流探頭監(jiān)測(cè)A相支路電流A1、A2的變化，采用量程為0～40 A的直流電流探頭監(jiān)測(cè)勵(lì)磁電流f的變化，并采用垂直分辨率為12位、帶寬為20 MHz，采樣通道數(shù)為8的Pico 4824A數(shù)字示波器采集同相支路電流、勵(lì)磁電流及機(jī)端電壓等數(shù)據(jù)，采樣頻率設(shè)為2 000 Hz，數(shù)字示波器采集、A相分支電流探頭布置、實(shí)驗(yàn)整體布置如圖14所示。

圖14 TZH-225-TH凸極同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.2.1 靜偏心復(fù)合匝間短路時(shí)/頻域分析

首先，對(duì)空載工況下的勵(lì)磁電流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得其時(shí)域波形如圖15a所示。根據(jù)滑動(dòng)變阻器的分流值大小，計(jì)算匝間短路程度見(jiàn)表3。進(jìn)而對(duì)同相支路環(huán)流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得靜偏心復(fù)合正常、靜偏心復(fù)合匝間短路故障的環(huán)流時(shí)域波形如圖15b所示。對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得不同狀態(tài)下的頻域波形如圖15c所示。

由圖15a可以看出，隨著故障程度的增大，勵(lì)磁電流也隨之增大，直流電流均值由4.811 A增至5.046 A。觀察圖15b所示環(huán)流時(shí)域圖譜，由于機(jī)組存在4%的靜偏心，因此在空載正常運(yùn)行狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)同相支路環(huán)流，且正常運(yùn)行與短路2.5%的時(shí)域幅值較為接近，時(shí)域法難以完成輕微匝間短路故障的有效辨識(shí)。觀察圖15c所示環(huán)流頻譜，正常狀態(tài)下，其頻譜出現(xiàn)了靜偏心所導(dǎo)致的50 Hz基波及150 Hz諧波，此外凸極效應(yīng)所產(chǎn)生的特征分?jǐn)?shù)次（25、75、125、175 Hz）諧波亦較為明顯。當(dāng)匝間短路故障程度較小時(shí)，其特征分?jǐn)?shù)次諧波幅值與正常狀態(tài)的幅值亦較為接近，因此通過(guò)特征頻率及其幅值實(shí)現(xiàn)輕微匝間短路故障識(shí)別的難度較大。根據(jù)以上分析，受靜偏心及凸極效應(yīng)影響，時(shí)域、頻域分析法均無(wú)法有效區(qū)分發(fā)電機(jī)的正常狀態(tài)與匝間短路狀態(tài)。

圖15 TZH-225-TH空載工況特征參量圖譜（故障時(shí)刻t=1 s）

表3 TZH-225-TH空載工況下匝間短路故障程度

其次，對(duì)負(fù)載工況下的勵(lì)磁電流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得其時(shí)域如圖16a所示。根據(jù)滑動(dòng)變阻器的分流大小，計(jì)算匝間短路程度見(jiàn)表4。進(jìn)而對(duì)同相支路環(huán)流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得靜偏心復(fù)合正常、靜偏心復(fù)合匝間短路故障的環(huán)流時(shí)域如圖16b所示，不同故障程度下的頻域如圖16c所示。

由圖16a可以看出，隨著故障程度的增大，勵(lì)磁電流也呈上升趨勢(shì)，其均值由4.932 A增至5.087 A。由于機(jī)組存在靜偏心及電樞效應(yīng)影響，因此圖16b所示環(huán)流時(shí)域圖譜，其正常狀態(tài)下的同相支路環(huán)流與匝間短路1%的時(shí)域幅值較為接近，難以通過(guò)時(shí)域閾值法進(jìn)行有效區(qū)分。圖16c所示環(huán)流頻譜在正常狀態(tài)下出現(xiàn)了50 Hz基波、150 Hz諧波及特征分?jǐn)?shù)次（25、75、125、175 Hz）諧波，且其幅值與匝間短路1%狀態(tài)下的幅值較為接近，對(duì)匝間短路故障識(shí)別造成了干擾。綜上分析，受靜偏心及電樞反應(yīng)影響，時(shí)域、頻域分析法均無(wú)法有效辨識(shí)微弱匝間短路故障。

圖16 TZH-225-TH負(fù)載工況特征參量圖譜（故障時(shí)刻t=1 s）

表4 TZH-225-TH負(fù)載工況下匝間短路故障程度

4.2.2 靜偏心復(fù)合匝間短路-環(huán)流時(shí)頻圖譜分析

首先，對(duì)空載工況下的環(huán)流數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻分析，構(gòu)建發(fā)電機(jī)靜偏心復(fù)合短路2.5%、靜偏心復(fù)合短路5.0%、靜偏心復(fù)合短路7.5%的三維環(huán)流時(shí)頻圖譜，如圖17所示，由環(huán)流時(shí)頻圖譜可以看出，匝間短路故障發(fā)生時(shí)，其時(shí)間與特征頻率交叉點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生了明顯變化，因此可通過(guò)信號(hào)強(qiáng)度變化（圖中25 Hz故障前后的信號(hào)強(qiáng)度差值分別為13.05、21.06、29.86 dB）以及信號(hào)強(qiáng)度差值能量比（分別為4.16%、5.23%、11.11%，遠(yuǎn)大于0）檢測(cè)微弱匝間短路故障并定位故障發(fā)生時(shí)間。

其次，對(duì)負(fù)載工況下的環(huán)流數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻分析，構(gòu)建發(fā)電機(jī)靜偏心復(fù)合短路1%、靜偏心復(fù)合短路2.5%、靜偏心復(fù)合短路4.9%的三維環(huán)流時(shí)頻圖譜，如圖18所示。根據(jù)頻率分辨環(huán)流圖譜中某一時(shí)刻與

圖18 TZH-225-TH負(fù)載工況環(huán)流時(shí)頻圖譜（故障時(shí)刻t=1 s）

特征頻率交叉點(diǎn)處信號(hào)強(qiáng)度變化（故障前后25 Hz處的信號(hào)強(qiáng)度差值分別為29.64、38.56、71.81 dB）及信號(hào)強(qiáng)度差值能量比（分別為2.28%、3.13%、15.68%，遠(yuǎn)大于0），可有效完成微弱匝間短路故障的模式識(shí)別。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于環(huán)流時(shí)頻圖譜的勵(lì)磁繞組匝間短路智能故障診斷方法，通過(guò)有限元仿真和模擬機(jī)組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性，并得出以下結(jié)論：

1）抽水蓄能機(jī)組發(fā)生勵(lì)磁繞組匝間短路故障，會(huì)產(chǎn)生/（=1, 2,…,且≠）分?jǐn)?shù)次環(huán)流特征諧波。機(jī)組運(yùn)行于靜偏心狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生奇數(shù)次環(huán)流諧波；機(jī)組運(yùn)行于動(dòng)偏心狀態(tài)，則會(huì)產(chǎn)生-1/和+1/次環(huán)流諧波（=1, 3, 5,…,）。機(jī)組若發(fā)生靜偏心復(fù)合勵(lì)磁繞組匝間短路故障，受靜偏心影響，除分?jǐn)?shù)次環(huán)流特征諧波外，還會(huì)產(chǎn)生奇數(shù)次環(huán)流諧波（以基波為主）。通過(guò)抽水蓄能機(jī)組有限元計(jì)算及同步發(fā)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)所得環(huán)流數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該理論的正確性。

2）抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中受動(dòng)/靜偏心及電樞反應(yīng)影響，匝間短路狀態(tài)下所得環(huán)流時(shí)域幅值雖較正常狀態(tài)有一定增加，但仍具有較高相似度，若以此設(shè)置閾值進(jìn)行故障診斷，極易發(fā)生誤判。尤其對(duì)于機(jī)組運(yùn)行于動(dòng)偏心狀態(tài)，其環(huán)流時(shí)域幅值較正常狀態(tài)也會(huì)出現(xiàn)增加，且負(fù)載工況下環(huán)流頻譜信息與匝間短路狀態(tài)相同，因此現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)檢人員通過(guò)單一的時(shí)域或頻域特征分析法，難以有效辨識(shí)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。

3）為了實(shí)現(xiàn)抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)，將連續(xù)小波變換時(shí)頻分析方法引入環(huán)流特征信息處理流程，并構(gòu)建基于運(yùn)行時(shí)間、特征頻率及信號(hào)強(qiáng)度的三維時(shí)頻圖譜，并以圖譜信號(hào)強(qiáng)度變化以及信號(hào)強(qiáng)度差值能量比為判據(jù)用于匝間短路在線監(jiān)測(cè)。該方法可有效濾除無(wú)關(guān)因素影響，提高故障診斷精度，便于應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的故障檢測(cè)，降低了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)檢人員的工作復(fù)雜度。

4）環(huán)流時(shí)頻圖譜在線檢測(cè)方法簡(jiǎn)單易行，抗干擾能力強(qiáng)，且不干擾機(jī)組的正常運(yùn)行。該方法能夠發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁繞組匝間短路的早期微弱故障，對(duì)防止故障惡化、提高新型電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要意義。

附 錄

動(dòng)/靜偏心徑向氣隙磁通密度如附圖1所示。

附圖1 動(dòng)/靜偏心徑向氣隙磁通密度

App.Fig.1 Radial air gap flux density with dynamic/static eccentricity

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Diagnosis of Inter-Turn Short Circuit in Excitation Winding of Pumped Storage Units Based on Time-Frequency Map of Circulating Current

（School of Electrical and Electronic Engineering North China Electric Power University Baoding 071003 China）

As key electrical equipment, the operational continuity and reliability of pumped storage units are significant to the construction of new power systems. During operation, the inter-turn insulation of the excitation winding is susceptible to deterioration due to multiple factors, such as unbalanced electromagnetic force, thermal stress, and external mechanical stress. It is important to quickly and accurately extract the early weak fault characteristics of inter-turn short circuits (ITSC) and organize timely condition maintenance. The condition monitoring of ITSC faults in the excitation winding is susceptible to dynamic/static eccentricity and armature response, and early fault characteristics are hard to identify. Therefore, this study proposes a fault diagnosis method based on a time-frequency circulating current (TFMCC) map.

Firstly, this study derives the equations for the same phase multi-branch circulating current in the dynamic/static eccentricity and static eccentricity composite ITSC states, and obtains the characteristic harmonics of the circulating current in each state. Secondly, a two-dimensional finite element simulation model of 334 MV·A is constructed, and the magnitude of the same phase branch circulating current under each state is calculated. Comparative experiments have verified that TFMCC can effectively distinguish between eccentricity, armature reaction disturbance, and ITSC faults. Finally, based on the salient synchronous generator simulation platform, the operating conditions of ITSC with different fault levels are simulated.

Simulation results show that changes in the dynamic/static eccentricity degree cause the time domain amplitude of circulating current changes, and the armature response and dynamic eccentricity also cause the appearance of characteristic fractional harmonics. Accordingly, ITSC fault diagnosis by a single-time domain analysis or spectrum analysis can easily lead to fault misclassification. The TFMCC allows the fault to be located at the moment of occurrence. The signal intensity at the characteristic frequencies (5.5, 11, 22, 28, 39, 44.5 Hz) is significantly enhanced compared to the normal state. Meanwhile, a comparison with the dynamic/static eccentricity shows that the signal intensity of the dynamic eccentricity is mainly concentrated at 55.5 Hz, and the static eccentricity is mainly concentrated at 50 Hz. The signal intensity distribution is differentiated from that of ITSC faults. The ratio of the signal intensity difference energy (SIDER) are 7.13% and 13.96% for the no-load ITSC condition, and 6.66% and 13.44% for the load ITSC condition, much greater than zero, which can effectively identify the ITSC faults.

The experiments on salient synchronous generator show that: the TFMCC of static eccentric compound ITSC 2.5%, 5%, and 7.5% under no-load conditions, the signal intensity at the intersection of time and characteristic frequency has changed significantly, and the signal intensity differences at 25 Hz before and after the fault are 13.05, 21.06, and 29.86 dB, respectively. The SIDER are 4.16%, 5.23%, and 11.11%, respectively. Meanwhile, the static eccentricity compound ITSC of 1%, 2.5%, and 4.9% under load conditions, and the signal intensity differences at 25 Hz before and after the fault are 29.64, 38.56, and 71.81 dB, respectively. The SIDER are 2.28%, 3.13%, and 15.68%, respectively, which shows that the method can effectively detect weak ITSC faults and locate the time of fault occurrence.

The experimental results demonstrate that the method eliminates static eccentricity and armature response disturbances, and visualizes the operating conditions of the unit with a three-dimensional map that includes operating time, characteristic frequency, and signal intensity. At the same time, to effectively identify weak ITSC faults, this study also calculates that the SIDER of the time-frequency matrix can further quantify the magnitude of the fault and prevent false alarms, which can provide guidance for field operation and inspection personnel to carry out condition maintenance work.

Pumped storage units, excitation winding, inter-turn short circuit, time-frequency map of circulating current

齊 鵬 男，1991年生，博士研究生，研究方向?yàn)樾D(zhuǎn)電力設(shè)備運(yùn)行特性分析及故障診斷。E-mail: qipeng91@foxmail.com

武玉才 男，1982年生，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾D(zhuǎn)電力設(shè)備運(yùn)行特性分析及故障診斷、高速磁懸浮及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail: wuyucaincepu@163.com（通信作者）

TM311

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221466

國(guó)家自然科學(xué)基金（52277048）和河北省自然科學(xué)基金（E2020502064）資助項(xiàng)目。

2022-07-29

2022-08-19

（編輯 崔文靜）