0)
[0066] 其中，ZdS d軸阻尼繞組漏阻抗歸算值，Z shOTt為被短路轉(zhuǎn)子繞組漏阻抗歸算值。
[0067] 無刷勵磁發(fā)電機采用二極管不控整流，轉(zhuǎn)子繞組通過整流二極管短接。當轉(zhuǎn)子繞 組中感應(yīng)正向交流電壓且二極管導通時，即圖4、圖5中開關(guān)K閉合，此時的A相繞組交流阻 抗為：
[0068]
[0069] 其中，Zf為轉(zhuǎn)子繞組漏阻抗歸算值。
[0070] 在交流電壓的負半周二極管自然關(guān)斷，開關(guān)K斷開，則A相繞組交流阻抗按照式 (5)計算。
[0071] 當轉(zhuǎn)子繞組不存在匝間短路時，表達式（5)、（6)中包含Zshcirt項均為零，A相繞組 的交流阻抗為： CN 105137275 A 抓 h門-p 5/7 頁
[0072] .(7)
[0073] (8.)
[0074] 可見，轉(zhuǎn)子繞組短路后A相繞組的交流阻抗比轉(zhuǎn)子繞組正常時小，該特征可用以 判斷發(fā)電機是否存在轉(zhuǎn)子繞組短路故障。
[0075] 為了驗證本方法，在實驗室一臺7. 5kVA故障模擬發(fā)電機組上進行了轉(zhuǎn)子繞組短 路故障模擬實驗，實測了定子一相繞組的交流阻抗。該機組的參數(shù)見表1。
[0076] 該發(fā)電機N極轉(zhuǎn)子繞組的5%、15%引出兩個抽頭C2X3，在S極的7. 5%引出一個 抽頭C4，加上轉(zhuǎn)子繞組兩端C1、C5，共5個抽頭，通過碳刷引出，將相應(yīng)接頭短路可以模擬一 定程度的轉(zhuǎn)子繞組短路故障。
[0077] 將定子A相繞組接在一臺單相自耦調(diào)壓器上，轉(zhuǎn)子繞組保持開路，實驗電路見圖 6,記錄的數(shù)據(jù)包括定子A相繞組的交流電壓、交流電流，轉(zhuǎn)子繞組的開路電壓和被短路繞 組的短路電流。實驗米樣頻率為10kHz，米樣時間5秒。
[0078] 實驗過程如下：
[0079] 設(shè)置轉(zhuǎn)子繞組為正常狀態(tài)，升高單相自耦調(diào)壓器輸出電壓至15. 3V保持不變，保 證A相電流和轉(zhuǎn)子被短路繞組電流不超標，分別在轉(zhuǎn)子繞組上設(shè)置不同的短路程度。對發(fā) 電機一側(cè)的動平衡盤進行標記，將平衡盤圓周等分為16份，分別標號1-16。保持標號1在 轉(zhuǎn)子正上方，記錄數(shù)據(jù)，然后將轉(zhuǎn)子沿順時針每旋轉(zhuǎn)22. 5°記錄一次數(shù)據(jù)，共記錄17組數(shù) 據(jù)，轉(zhuǎn)子回到初始位置。
[0080] 圖7為不同短路程度、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)不同角度時的轉(zhuǎn)子繞組開路電壓，可以看到：轉(zhuǎn)子 繞組感應(yīng)的交流電壓受轉(zhuǎn)子位置影響明顯，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至30°和210°附近時繞組的感應(yīng)電 壓最大，在120°和300度附近數(shù)值較小，這說明在30°和210°方向轉(zhuǎn)子繞組軸線剛好與 A相繞組軸線重合，A相繞組產(chǎn)生的脈振磁通垂直穿過轉(zhuǎn)子繞組，磁通量最大，故感應(yīng)出較 大的電壓；而在30°和210°方向時，磁通與轉(zhuǎn)子繞組平行，穿過轉(zhuǎn)子繞組的磁通量極小。 當轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)匝間短路后，由于有效匝數(shù)減少，轉(zhuǎn)子繞組開路電壓明顯下降，短路程度越 嚴重開路電壓下降越明顯。
[0081] 圖8、圖9分別為轉(zhuǎn)子繞組短路5%、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)22. 5°時的定、轉(zhuǎn)子繞組電壓、電流 波形，此時定轉(zhuǎn)子軸線幾乎重合?？梢钥吹剑河捎谵D(zhuǎn)子繞組匝數(shù)較多，轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電壓較 大，最大值接近100V。
[0082] 圖10為不同短路程度、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)不同角度時的A相繞組電流值。
[0083] 可以看到：當轉(zhuǎn)子繞組正常時，A相電流在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)至120°和300°方向附近的 數(shù)值較大，此時A相繞組軸線與轉(zhuǎn)子q軸重合，q軸方向為小齒區(qū)，開槽較多，磁阻較大，導 致激磁阻抗Z ni較小，故A相電流較大；與之對應(yīng)，在30 °和210 °方向時A相繞組軸線與轉(zhuǎn) 子d軸重合，A相電流較小。轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)匝間短路故障后，從圖10可以看到：當轉(zhuǎn)子d軸 與A相繞組軸線重合時，A相電流呈現(xiàn)出明顯的增大趨勢，且短路程度越重A相電流增大越 明顯。此時A相繞組產(chǎn)生的交變磁場垂直穿過短路的轉(zhuǎn)子繞組，在被短路繞組內(nèi)部產(chǎn)生了 環(huán)流，該環(huán)流對激磁磁場起去磁作用，減小了發(fā)電機內(nèi)部的主磁通，與之對應(yīng)，A相繞組交流 阻抗下降，電流上升。
[0084] 圖11為被短路轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部的短路電流，可以看到，短路電流變化規(guī)律與圖7的 轉(zhuǎn)子繞組開路電壓變化規(guī)律基本相同。
[0085] 隨著短路程度增加，短路電流呈現(xiàn)出減小趨勢。這是因為：被短路繞組內(nèi)部的感應(yīng) 電動勢與短路繞組匝數(shù)成正比，短路繞組的漏抗與短路繞組匝數(shù)的平方成正比，短路程度 增加時漏抗增大更快，故短路電流呈現(xiàn)減小趨勢。
[0086] 通過上述分析可知，轉(zhuǎn)子繞組軸線與定子繞組軸線重合時，短路繞組的去磁作用 以及改變定子繞組交流阻抗的效果得到充分體現(xiàn)，下面以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過22. 5°的第二組數(shù)據(jù)為 例，計算不同短路程度下的定子繞組交流阻抗，見表2?？梢钥吹剑篈相繞組的交流阻抗值在 轉(zhuǎn)子繞組短路故障發(fā)生后明顯減小，但并非與短路程度成正相關(guān)關(guān)系。
[0087] 對于旋轉(zhuǎn)勵磁發(fā)電機，轉(zhuǎn)子繞組與多相旋轉(zhuǎn)二極管構(gòu)成閉合回路，可以將二極管 組等效為單個二極管，見圖12。當轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)交流電動勢時，勵磁回路不斷在導通和關(guān) 斷狀態(tài)間切換，轉(zhuǎn)子繞組對主磁場也起到一定的去磁作用。
[0088] 在實驗電機的轉(zhuǎn)子繞組兩端接入一只二極管。該二極管的額定導通電流10A，反向 耐受電壓1000V。
[0089] 在A相繞組施加交流電壓有效值為14. 3V，圖13為轉(zhuǎn)子繞組短路5%、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 22.5°時的定、轉(zhuǎn)子繞組電壓波形?？梢钥吹剑恨D(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電壓的正半周期二極管導通， 因此轉(zhuǎn)子繞組兩端電壓接近于零，在轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電壓的負半周期，轉(zhuǎn)子繞組的電感儲能 起到了續(xù)流作用，二極管延時關(guān)斷，圖13的負脈沖部分對應(yīng)二極管反向關(guān)斷。
[0090] 圖14為轉(zhuǎn)子繞組短路5%、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)22. 5°時的定、轉(zhuǎn)子繞組電流波形。與圖9 所示的轉(zhuǎn)子繞組開路時的情況相比較，圖14中轉(zhuǎn)子繞組的短路電流大幅下降。
[0091] 轉(zhuǎn)子繞組通過二極管形成通路，對主磁場起去磁作用，使得主磁場顯著減小。故被 短路繞組內(nèi)的感應(yīng)電動勢降低，短路電流下降。
[0092] 圖15、圖16分別為不同短路程度、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)至不同方向時的轉(zhuǎn)子繞組電流及被短 路繞組電流值。
[0093] 圖17為不同短路程度下的定子繞組電流，可見，由于轉(zhuǎn)子繞組被二極管短接，等 效交流阻抗顯著下降，故定子電流較轉(zhuǎn)子繞組開路時顯著上升。此外還可以看到：在30° 和210°方向附近，定子電流并非隨短路程度增大而一直增加，而是呈現(xiàn)先增大后減小的趨 勢，但始終大于繞組正常時的數(shù)值。
[0094] 表3為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過22. 5°時定子繞組交流阻抗隨短路程度的變化規(guī)律?？梢钥吹剑?旋轉(zhuǎn)勵磁發(fā)電機發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路后，由于轉(zhuǎn)子繞組通過旋轉(zhuǎn)二極管短接，故被短路 繞組對定子一相繞組交流阻抗的影響不如轉(zhuǎn)子繞組開路時明顯，但仍可識別轉(zhuǎn)子繞組匝間 短路故障。
[0095] 以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù) 人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本 發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變 化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其 等效物界定。
[0096] 表 1
[0097]
【主權(quán)項】
1. 一種基于定子電流注入的同步電機轉(zhuǎn)子繞組短路故障診斷方法，其特征在于：包括 以下步驟： 步驟A.任一選擇所述同步電機的定子的一相繞組作為交流電壓輸入繞組，連接交流 電壓源，所述交流電壓輸入繞組，在交流電壓源激勵下產(chǎn)生交流電流，在所述發(fā)電機內(nèi)部 形成脈振磁場； 步驟B.旋轉(zhuǎn)所述同步電機的轉(zhuǎn)子使轉(zhuǎn)子繞組軸線與所述交流電壓輸入繞組軸線相重 合，所述脈振磁場垂直穿過所述同步電機的轉(zhuǎn)子繞組； 步驟C.測量所述交流電壓輸入繞組的電壓和電流，計算測量交流阻抗Z' ； 步驟D.計算故障判據(jù)值a% :其中Z為所述流電壓輸入繞組等電壓條件下測量的正常交流阻抗； 步驟E.判斷所述故障判據(jù)值a%是否大于預(yù)設(shè)閾值，如果是，則判定所述同步電機存 在轉(zhuǎn)子繞組短路故障；如果否，則判定所述同步電機轉(zhuǎn)子繞組沒有出現(xiàn)短路故障。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于定子電流注入的同步電機轉(zhuǎn)子繞組短路故障診斷方法， 其特征在于：所述故障判據(jù)a%的閾值設(shè)定為0. 2%。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于定子電流注入的同步電機轉(zhuǎn)子繞組短路故障診斷方法， 其特征在于：所述計算測量交流阻抗Z'的方法為：其中，U'表示計算測量交流阻抗Z'時，施加在所述交流電壓輸入繞組的交流電壓值，I'表示所述交流電壓輸入繞組流過的交流電流值； 所述交流電壓輸入繞組等電壓條件下測量的正常交流阻抗Z的計算方法為：其中，U表示等電壓條件下測量的正常交流阻抗Z時施加在所述交流電壓輸入繞組的 交流電壓值，I表示所述交流電壓輸入繞組流過的交流電流值。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于定子電流注入的同步電機轉(zhuǎn)子繞組短路故障診斷方法，包括以下步驟：選擇所述同步電機的定子的任意一相繞組作為交流電壓輸入繞組，在交流電壓源激勵下產(chǎn)生交流電流，在發(fā)電機內(nèi)部形成脈振磁場。旋轉(zhuǎn)同步電機的轉(zhuǎn)子使脈振磁場垂直穿過同步電機的轉(zhuǎn)子繞組；測量所述交流電壓輸入繞組的電壓和電流，計算測量交流阻抗；計算故障判據(jù)值：<maths num="0001"></maths>如果大于預(yù)設(shè)閾值，判定所述同步電機存在轉(zhuǎn)子繞組短路故障。本發(fā)明的診斷方法不需要抽出轉(zhuǎn)子，避免了轉(zhuǎn)子回裝后可能出現(xiàn)的振動狀態(tài)變差情況。它的檢測成本低且速度快，達到了較高的診斷精度，可廣泛應(yīng)用于同步電機轉(zhuǎn)子繞組短路故障的離線檢測。
【IPC分類】G01R31/34, G01R31/06
【公開號】CN105137275
【申請?zhí)枴緾N201510477867
【發(fā)明人】武玉才, 李永剛, 王海蛟
【申請人】華北電力大學（保定）
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年8月6日