专利名称：一种基于低次谐波轴电压信号的电机转子典型故障诊断方法
技术领域：
本发明涉及一种能够在线诊断同步电机转子绕组是否存在匝间短路等典型故障
的方法，属测试技术领域。
背景技术：
转子绕组匝间短路故障是同步电机的常见故障。针对匝间短路故障的诊断方法多 种多样，总体上可以分为两类，即离线诊断方法和在线诊断方法。其中，在线诊断方法能对 故障进行实时检测，防止其进一步恶化，是今后发展的趋势。 目前，在线检测转子绕组匝间短路故障的方法主要有探测线圈法、励磁电流法以 及基于转子基频振动的检测方法。 探测线圈法的基本原理是对发电机定子铁芯气隙中的旋转磁场进行微分，然后通 过分析信号微分后的波形来诊断转子绕组是否存在匝间短路故障以及故障槽的位置。该方 法的缺点是只适合诊断分布式绕组的隐极电机而且只在电机空载状态才能获得较高的监 测可靠性，而当电机带载运行时，探测效果并不明显，检测准确度较差。此外，这种方法需要 将探测线圈装在定子铁芯的空气隙表面，由于对已经投运电机安装探测线圈相当困难，使 该方法的应用范围受到了限制。 励磁电流法是根据短路故障前后励磁电流的变化和无功的相对变化来监测转子 短路故障，适用于静止励磁电机。该方法应为系统的扰动以及功率调节留有一定的裕度，对 严重短路较为有效，而轻微的匝间短路(如1匝短路)通常难以检测。 基于电机转子的基频振动的转子绕组匝间短路故障监测方法监测的是转子的振 动信号，然而转子振动是机电交叉作用的结果，包括质量不平衡和动偏心等初始状态的影 响，如果转子所受初始不平衡外力与转子匝间短路引起的不平衡磁拉力相位相反，那么短 路发生后电机的基频振动可能仍处于正常范围，无法检测出故障。 上世纪后期，Paul I.Ni卯es经过大量的实践，提出了通过轴电压诊断旋转机械故 障的方法，它是以电压波形异常和幅值的突然增大做为判断依据，该方法虽然在实际生产 中获得了应用，并数次成功诊断出发电机故障，但并没有获得理论支持，难以对故障类型给 出明确指示。 总之，尽管国内外对转子绕组匝间短路故障的在线检测十分重视，但现有的各种 方法在应用中还是受到一定的制约，实际测试中得到的结果并不十分理想，发电厂发生转 子绕组匝间短路故障后未能及时发现的事例屡见不鲜，因此有必要进一步提高此类故障的 诊断水平。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足、提供一种简单易行、可靠性高且适用范 围广的基于低次谐波轴电压信号的电机转子典型故障诊断方法。
本发明所述问题是以下述技术方案实现的 —种基于低次谐波轴电压信号的电机转子典型故障诊断方法，它将滑动变阻器的
两端分别接于电机转子两端，然后利用数据采集仪在线采集滑动变阻器输出的轴电压分压
信号，并对该信号进行快速傅立叶变换，得到轴电压频谱图；最后通过对轴电压信号的频谱进行分析，诊断电机转子绕组是否存在匝间短路故障若轴电压信号中j"乂2n的频率分量幅值超过正常值的15%，则判定电机转子存在绕组匝间短路故障，其中，公式中的"r为电机的机械角速度，j为不等于kP的正整数，k = 1、3、5……，P为电机极对数。
上述基于低次谐波轴电压信号的电机转子典型故障诊断方法，通过对轴电压信号的频谱进行分析，还可诊断电机转子静偏心故障的严重程度若轴电压信号中工频频率分量幅值超过正常值的10%，则判定发电机静偏心故障有增大趋势。 本发明通过对轴电压信号的频谱进行分析来诊断转子绕组匝间短路等故障，不仅诊断可靠性高，而且采集轴电压信号不用安装价格昂贵的传感器，操作简单而且成本低。该方法既适用于隐极同步电机，也适用于凸极同步电机，无论电机大小新旧，都可以方便地进行测试，尤其转子绕组匝间短路故障频发的中小型同步电机以及老旧的大型同步电机，采用该方法诊断具有广阔应用前景。
下面结合附图对本发明作进一步详述。 图1 图4是静偏心状态下转子转角分别为0。 、90° 、180°和270°时磁力线的分布图； 图5 图7是静偏心导致电机磁场发生畸变的过程；
图8是本发明轴电压测量电原理 图9是故障模拟实验接线 图10是无励磁电流空转状态下的轴电压频谱；
图11是空载正常情况下的轴电压频谱；
图12是负载正常情况下的轴电压频谱；
图13是空载短路5%情况下的轴电压频谱；
图14是空载短路12%情况下的轴电压频谱；
图15是空载短路20%情况下的轴电压频谱；
图16是负载短路5%情况下的轴电压频谱；
图17是负载短路12%情况下的轴电压频谱；
图18是负载短路20%情况下的轴电压频谱。 图中各标号为1、数据采集仪，2、转子，3、滑动变阻器，4转子轴，5定子，B、磁力
线，JC、接触器，Al、 A2、电流表，W、变阻器，Ll、转子绕组，L2、定子绕组。 文中所用各符号的意义M、电机的定子齿槽数，"、电角速度，"。电机的机械角
速度，P、极对数，F( e s， t)、同步电机气隙磁势，FpFpFs……、磁势分量，A ( e s， t)、气隙磁
导，B(9s，t)、气隙磁密，93、定子机械角度，S^相对静偏心系数，愁,、相位，AF(e^t)、短
路匝总磁势，A巳、AF2、 AF3……短路匝磁势分量，g。、平均气隙，、、饱和度，y。、真空磁导率。
具体实施例方式
参看图8，采用常规的数据采集仪1即可满足数据采集要求，对于大型发电机，其
轴电压可能超出采集仪的测量范围，因此可以通过滑动变阻器3来提取轴电压信号(应保
证接入回路的电阻值很大，以降低回路电流)，具体的电阻值选择取决于电机的轴电压最大
值估计以及数据采集仪1所能成受的电压上限，需根据实际情况来定。 静偏心引起轴电压的原理如图1 图4所示，图1、图2、图3和图4分别为转子处
于0° 、90° 、180°和270°时磁力线的分布情况。可见，电机旋转过程中，由于气隙磁阻的
不均匀，产生了与转轴交链的磁通，该磁通随转子转动而周期性交变，因而在转轴上感应出
轴电压。 通过图1 图4来分析静偏心引起的轴电压只能判断轴电压的基频成份，实际上 轴电压中包含着各种谐波，因此这种分析方法是不够的，需要一种数学方法预测轴电压特 征频率。本发明采用气隙磁导法分析绕轴磁通。 正常情况下，P对极的同步电机气隙磁势可以分解为P、3P、5P……等分量，可以表
示为
为
<formula>formula see original document page 5</formula> 任何电机都存在一定程度的静偏心，静偏心状态下的电机气隙磁导模型可以表示<formula>formula see original document page 5</formula>
则k(k = 1、3、5……)次谐波磁势经过此磁导分量调制产生的气隙磁密<formula>formula see original document page 5</formula> 当k-i # 0时，产生一系列的谐波磁通密度，改谐波磁通密度在转子表面形成涡
流，透入深度与相对运动速度有关;当kP-i = 0时，产生<formula>formula see original document page 5</formula>"r为机械角速度)这个分量，这是与空间位置无关的量，形成围绕转子圆周均匀分布、随时 间正弦变化的磁通密度。在二维平面内，由磁通连续性定理，磁通密度沿封闭曲线积分应该
为零，可见静偏心导致电机磁场发生畸变，畸变的过程见图5 图7。 磁通由指向转轴畸变为环绕转轴，这样的畸变即满足磁通连续性定理，同时满足 轴电压的产生原理，图中的箭头表示磁通的瞬时方向。 该该畸变磁通是产生轴电压的原因，因此轴电压的频率与畸变磁通的频率相一 致，为奇数倍电频率。电机稳定运行时气隙磁势分量Fk是个稳定值，轴电压特征分量幅值 的变化体现的是气隙磁导的变化(即反映气隙大小)，因此轴电压可以作为判断静偏心程 度的依据。 由静偏心引起的轴电压特征频率为<formula>formula see original document page 5</formula>P为电机极对数，o为电角速度)，可见，静偏心引起的轴电压特征频率与电机极对数无关。
匝间短路发生后，由于短路导致此极气隙安匝数降低，其中短路匝绕组对主磁场 的影响相当于反向电流产生的反向磁场叠加于正常运行的气隙磁场上。该磁势经傅立叶分 解得 A F ( 9 s， t) = A Fpos ( e s- co rt) + A F2cos2 ( e s- co rt) + A F3cos3 ( 9 s_ " rt)... (4)
可见转子绕组匝间短路发生后的励磁磁势变化，以电角度计算对于一对极电机 而言，气隙出现了偶次谐波磁势，这是正常情况不存在的，可以作为转子绕组匝间短路的特
征磁势；对于多对极电机，气隙出现了分数次谐波磁势，谐波次数为^ (i = 1、2、3……)，其
中+^2j'-1 (j = 1、2、3……)的所有磁势分量都是短路前不存在的，可以作为转子绕组匝 间短路的特征磁势。 前面已经介绍，静偏心是电机普遍存在的状态，因此在求解短路匝磁势产生的磁
通密度时仍可以采用式(2)的气隙磁导模型。式(5)c项当k-i = 0时(k = 1、2、3......， j = 1、2、3......)，产生^^eosfep/这
2
个分量，因此畸变磁通的频率出现了新的频率成份，轴电压中出现与畸变磁通频率相同的 特征频谱，因此该特征频谱可以作为诊断转子绕组匝间短路故障的依据。
为了进一步验证理论的正确性，在华北电力大学MJF-30-6故障模拟机组上进行 了实验，电机具体参数如表1，图9为实验接线图，其中C2和C3分别位于励磁绕组的25%和 50%处，通过滑动变阻器W将C2和C3短接，调节滑动变阻器W既可实现短路程度的调节。 轴电压测量电路如图8所示。实验采用北京波谱公司生产的U60116C型数据采集仪，采样 频率10kHZ，采样时间10S。
表l 电机参数
电鹏号MJF-30~6
鹏容量30跳
縱腿400V
鹏顿l咖r/frfn
舰数户=3
鹏鄉喊 对采集的轴电压信号进行傅立叶分析，得频谱图。 图10是电机处于无励磁电流的空转状态，测量这种状态下的轴电压目的是检查
6电机是否存在剩磁。从该图可见，轴电压信号几乎为零，说明电机状态良好，无剩磁干扰。 空载和正常运行的频谱如图11和图12所示，可以看到，工频50HZ为主要成分，还存在少量 150HZ成份，100HZ成份幅值很小，与畸变磁通频率基本吻合。 图13、图14、图15分别是在电机空载短路5%、空载短路12%和空载短路20%情 况下的的轴电压频谱，可见短路后出现了 1、2、4、5等整数倍机械频率的成分，与畸变磁通 频率吻合，幅值随着短路程度的加重而增大。图16、图17、图18分别是电机带上少量负载 (5kVA)状态下短路5%、12%和20%的轴电压频谱，与畸变磁通频率吻合，幅值随着短路程 度的增加而增大。对于相同的短路程度，如图13与图16、图14与图17、图15与图18，负载 状态下的匝间短路轴电压特征频率要比空载情况下的明显一些，这是因为电枢反应的存 在抵消了部分励磁磁势基频分量，相对突出了由短路匝引起的励磁磁势谐波分量。
轴电压频率与畸变的磁通密度频率一致，幅值随着故障严重程度同向变化。
正常运行的电机轴电压信号中含有k"/2Ji (k = 1、3、5……，"表示电角速度) 频率分量；匝间短路发生后，轴电压信号中出现了 j"r/2Ji = j"/(2JiP) (j = 1、2、3 ，
"r为电机的机械角速度，P为电机极对数)频率分量，可以通过该特征频率诊断转子绕组 匝间短路故障。 大型电机的轴电压诱发因素很多，为保证方法的有效性，各种诱发因素导致的轴 电压特征频率应能够被有效区分。现将各种轴电压的产生原因、故障部位和特征频率列举 如下 表2轴电压的原因，部位和特征频率
产生離赚频率
轴舰直流
鹏两端直流
淑抛6to， k=l、 2、 3'"..*
轴两端矢ffl， kFl、 3、 5-------
轴两端^ yr ， k=l、 2、 3."w 可见，静偏心和转子绕组匝间短路所引发的轴电压特征频率与其它原因引发的轴 电压特征频率是不同的，所以可以有效识别故障的发生。 汽轮发电机的转轴通常在汽侧通过碳刷接地，因此，测量轴电压只需要在励磁侧 安装一个接地电刷即可将轴电压信号引出，不仅安装方便而且不影响机组的正常运行。目 前，某些汽轮发电机不仅采用汽端常规接地刷，在励端还有一碳刷通过一组无源RC电路接 地，这为轴电压的测量带来了方便。该监测不用安装价格昂贵的传感器，只是采用碳刷等设 备将轴电压信号引出，方法简单而且成本低，灵敏度高。
权利要求
一种基于低次谐波轴电压信号的电机转子典型故障诊断方法，其特征是，它将滑动变阻器(3)的两端分别接于电机转子(2)两端，然后利用数据采集仪(1)在线采集滑动变阻器(3)输出的轴电压分压信号，并对该信号进行快速傅立叶变换，得到轴电压频谱图；最后通过对轴电压信号的频谱进行分析，诊断电机转子绕组(L1)是否存在匝间短路故障若轴电压信号中jωr/2π的频率分量幅值超过正常值的15％，则判定电机转子(2)存在绕组匝间短路故障，其中，公式中的ωr为电机的机械角速度，j为不等于kP的正整数，k＝1、3、5……，P为电机极对数。
2. 根据权利要求1所述基于低次谐波轴电压信号的电机转子典型故障诊断方法，其特 征是，通过对轴电压信号的频谱进行分析，诊断电机转子(2)静偏心故障严重程度若轴电 压信号中工频频率分量幅值超过正常值的10%，则判定发电机静偏心故障有增大趋势。
全文摘要
一种基于低次谐波轴电压信号的电机转子典型故障诊断方法，用于解决电机转子静偏心和绕组匝间短路故障的检测问题。其技术方案是它是将滑动变阻器的两端分别接于电机转子两端，然后利用数据采集仪在线采集滑动变阻器输出的轴电压分压信号，并对该信号进行快速傅立叶变换，得到轴电压频谱图，最后通过对轴电压信号的频谱进行分析，诊断电机转子绕组是否存在匝间短路故障若轴电压信号中jωr/2π的频率分量幅值超过正常值的15％，则判定电机转子存在绕组匝间短路故障，其中，ωr为电机的机械角速度。本发明诊断可靠性高，而且操作简单、成本低，既适用于隐极同步电机，也适用于凸极同步电机，无论电机大小新旧，都可以方便地进行测试。
文档编号G01R31/02GK101694508SQ200910075688
公开日2010年4月14日 申请日期2009年10月14日 优先权日2009年10月14日
发明者李和明, 李永刚, 武玉才 申请人:华北电力大学(保定);