摘 要：

為了解決交流電機(jī)定子繞組中線圈絕緣損傷引起匝間短路故障無(wú)法準(zhǔn)確、快速定位的問(wèn)題，提出將檢測(cè)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的開口變壓器法移植到檢測(cè)交流電機(jī)定子繞組匝間短路，定子單相添加激勵(lì)源，非激勵(lì)相繞組設(shè)置故障點(diǎn)，開口變壓器檢測(cè)故障點(diǎn)所在槽，分析故障前后開口變壓器繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化。首先闡述開口變壓器檢測(cè)定子非激勵(lì)相的工作原理，分析正常和故障狀態(tài)下通過(guò)開口變壓器鐵心漏磁通的表達(dá)式，進(jìn)一步得到開口變壓器繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式，獲取故障變化規(guī)律。隨后建立交流電機(jī)電磁仿真模型，進(jìn)行仿真分析，最后用一臺(tái)定子樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：故障狀態(tài)下，隨著故障程度的加深，故障點(diǎn)所在槽的開口變壓器感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨之減小，證明了開口變壓器可以作為離線檢測(cè)交流電機(jī)定子非激勵(lì)相繞組匝間短路故障的有效手段。

關(guān)鍵詞：交流電機(jī)；定子繞組；匝間短路；開口變壓器法；感應(yīng)電壓；故障診斷

DOI：10.15938/j.emc.2024.02.006

中圖分類號(hào)：TM34

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2024）02-0054-10

收稿日期： 2023-04-17

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（52277048）；河北省自然科學(xué)基金（E2023502002）

作者簡(jiǎn)介：張 龍（1996—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇笮碗姎庠O(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷；

武玉才（1982—），男，博士，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榇笮碗姎庠O(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。

通信作者：武玉才

Inter-turn short circuit detection of unexcited phase winding of AC motor stator based on open transformer method

ZHANG Long， WU Yucai

（Key Laboratory of Green and Efficient New Electrical Materials and Equipment in Hebei Province， North China Electric Power University， Baoding 071003，China）

Abstract：

In order to solve the problem that the inter-turn short circuit fault caused by the coil insulation damage in the stator winding of the AC motor cannot be accurately and quickly located， it was proposed to transplant the open transformer method for detecting the inter-turn short circuit of the rotor winding to the detection of the inter-turn short circuit of the stator winding of the AC motor. The excitation source was added to the single phase of the stator， and the fault point was set in the non-excitation phase winding. The open transformer detecting the slot where the fault point was located， and the change of the induced electromotive force of the open transformer winding was analyzed before and after the fault. Firstly， the working principle of the open-ended transformer to detect the non-excited phase of the stator was described. The expression of the leakage flux through the open-ended transformer core under normal and fault conditions was analyzed. The expression of the induced electromotive force of the open-ended transformer winding was further obtained， and the fault variation law was obtained. Then the electromagnetic simulation model of AC motor was established， and the simulation analysis was carried out. Finally， a stator prototype was used for experimental verification. The results show that under the fault state， with the deepening of the fault degree， the induced electromotive force of the open transformer in the slot where the fault point is located decreases， which proves that the open transformer can be used as an effective means to detect the inter-turn short-circuit fault of the stator non-excitation phase winding of the AC motor offline.

Keywords：asynchronous motor; stator winding; interturn short circuit; open transformer method; induced voltage; fault diagnosis

0 引 言

定子繞組匝間短路故障是交流電機(jī)各類故障中最常見(jiàn)、最嚴(yán)重的一種，故障發(fā)生率占交流電機(jī)總故障的38%［1］。故障原因主要有絕緣破壞、機(jī)械振動(dòng)和熱應(yīng)力等。在故障早期，通常線圈匝數(shù)較少、阻抗很小，短路匝內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大的短路電流，引起繞組迅速升溫，進(jìn)一步導(dǎo)致更嚴(yán)重的多匝線圈短路，甚至引起相間短路、單相接地［2-3］。

多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)交流電機(jī)定子繞組匝間短路故障進(jìn)行了多方面研究［4-6］。文獻(xiàn)［7］分析了正常情況和定子匝間短路情況下電磁轉(zhuǎn)矩的變化，利用電磁轉(zhuǎn)矩的差異來(lái)診斷定子匝間短路。文獻(xiàn)［8］在電流分析法的基礎(chǔ)上，對(duì)交流電機(jī)定子繞組故障進(jìn)行分析，提出新的判據(jù)——三相電流之間的相位差。文獻(xiàn)［9］通過(guò)派克矢量旋轉(zhuǎn)變換分析了交流電機(jī)定子電壓和電流的正序、負(fù)序分量，將負(fù)序電流分量從負(fù)序分量中分離，得到判斷定子故障的新特征——負(fù)序電流分量。文獻(xiàn)［10-11］在文獻(xiàn)［9］的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究，故障發(fā)生后負(fù)序電流有明顯增加，可以作為新的判據(jù)。文獻(xiàn)［12］提出對(duì)定子電流中負(fù)序分量進(jìn)行park變換，將正序分量轉(zhuǎn)換成直流量，負(fù)序分量轉(zhuǎn)換成二倍工頻分量，并據(jù)此進(jìn)行故障診斷。文獻(xiàn)［13］分析了交流電機(jī)定子繞組發(fā)生匝間短路時(shí)的磁勢(shì)變化，最終得到故障狀態(tài)使得定子側(cè)電流中70、90、150、170 Hz等頻率諧波分量幅值有較大變化。文獻(xiàn)［14］提出一種基于計(jì)算轉(zhuǎn)矩二倍頻脈動(dòng)的檢測(cè)方法，定子匝間短路會(huì)引起計(jì)算轉(zhuǎn)矩中出現(xiàn)與故障程度成正比的2倍頻脈動(dòng)。文獻(xiàn)［15］提出一種基于空間矢量法的交流電機(jī)定子匝間短路故障診斷方法，定義了表征故障特征程度的靈敏因子。文獻(xiàn)［16］針對(duì)序阻抗無(wú)法直接辨識(shí)交流電機(jī)定子故障的問(wèn)題，提出一種新的故障特征量——擬序阻抗。文獻(xiàn)［17］提出一種檢測(cè)交流電機(jī)定子繞組匝間短路故障的新特征量——負(fù)序視在阻抗濾波值。文獻(xiàn)［18］在分析電機(jī)定子短路故障時(shí)電機(jī)的振動(dòng)和定子電流頻譜信息的基礎(chǔ)上，提出一種基于信息融合分析的交流電機(jī)定子故障檢測(cè)方法。文獻(xiàn)［19］以交流電機(jī)定子匝間短路故障作為研究對(duì)象，通過(guò)派克矢量法和失電殘壓模型對(duì)定子端電壓電流進(jìn)行頻譜分析，將得到的特征信息進(jìn)行故障信息融合診斷。文獻(xiàn)［20］提出基于電壓、電流瞬時(shí)負(fù)序分量的李薩如融合圖形分析電機(jī)定子匝間短路故障的診斷方法，將交流電機(jī)的定子電動(dòng)勢(shì)、電流負(fù)序分量通過(guò)李薩如方法進(jìn)行融合，形成負(fù)序李薩如圖形，通過(guò)圖形傾角的動(dòng)態(tài)變化觀測(cè)故障程度。

上述方法用于對(duì)交流電機(jī)定子繞組的在線診斷，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)避免了故障進(jìn)一步惡化。然而，交流電機(jī)型號(hào)眾多，特別是中小型交流電機(jī)的價(jià)格低，使用在線診斷設(shè)備的性價(jià)比極低，在線診斷技術(shù)無(wú)法對(duì)故障部位進(jìn)行精確定位。因此，故障定位階段依舊需要離線檢測(cè)方法進(jìn)行輔助定位。綜上所述，開發(fā)可靠、抗干擾性強(qiáng)并且可定位的離線檢測(cè)方法仍然十分必要。

離線檢測(cè)中開口變壓器法在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛，方法應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富，檢測(cè)成本較低。本文提出將開口變壓器法應(yīng)用于交流電機(jī)的定子繞組匝間短路故障檢測(cè)，首先推導(dǎo)定子繞組匝間短路前后開口變壓器感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式，獲得電動(dòng)勢(shì)的變化特征。隨后建立一臺(tái)籠型交流電機(jī)電磁仿真模型，設(shè)置定子單相為激勵(lì)相，其余兩相作為非激勵(lì)相（其中一個(gè)非激勵(lì)相發(fā)生故障），研究不同程度的匝間短路時(shí)，開口變壓器感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化規(guī)律，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證開口變壓器檢測(cè)定子繞組匝間短路的可行性，為交流電機(jī)定子繞組匝間短路故障的離線檢測(cè)提供新思路。

1 定子繞組匝間短路的開口變壓器感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)特征分析

交流電機(jī)定子繞組普遍采用三相雙層疊繞組結(jié)構(gòu)，A、B、C三相空間對(duì)稱分布，互差120°電角度。本文設(shè)置單相連接激勵(lì)源（A相連接），而其他相發(fā)生匝間短路故障（C相故障），并用開口變壓器對(duì)故障位置進(jìn)行檢測(cè)，交流電機(jī)定子繞組匝間短路電路模型如圖1所示。圖中：定子A相施加激勵(lì)電源，C相發(fā)生匝間短路故障；C1～C5為短路接頭。

2 有限元建模

本文建立一臺(tái)YKK3552-4型籠型異步電動(dòng)機(jī)電磁仿真模型，如圖5所示。機(jī)組基本參數(shù)如表1所示。該電動(dòng)機(jī)的定子線圈為三相對(duì)稱分布、雙層繞組、Y型連接，每根線棒21匝，提供激勵(lì)的交流電源設(shè)置為200 V的恒壓源，18號(hào)線圈（其2個(gè)有效邊分別位于18號(hào)槽的上層邊和29槽的下層邊）被設(shè)置為故障線圈，開口變壓器繞組匝數(shù)設(shè)置為20匝。

定子A相繞組上施加200 V的交流電壓源，電流為10 A。繞組正常情況下，磁場(chǎng)分布如圖6所示，磁場(chǎng)是以A相繞組軸線為中心的4極交變脈振磁場(chǎng)。

根據(jù)楞次定律，C相繞組在磁場(chǎng)作用下感應(yīng)電流（以下稱為C相環(huán)流）如圖7所示（C相環(huán)流峰值接近40 mA，為方便對(duì)比相位關(guān)系，將C相環(huán)流幅值擴(kuò)大了100倍）。

圖7中，觀察電流波形，二者電流相位基本反相，符合理論推導(dǎo)，C相并聯(lián)分支的環(huán)流實(shí)際上起到去磁作用，能夠影響到開口變壓器繞組在C相各槽的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

開口變壓器繞組在C相繞組各槽的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)如圖8所示。對(duì)比圖8（a）、圖8（b）、圖8（c）和圖8（d）可以看到，圖8（a）與圖8（c）的電動(dòng)勢(shì)同相位，圖8（b）與圖8（d）的電動(dòng)勢(shì)同相位，而圖8（a）與圖8（b）的電動(dòng)勢(shì)則是反相位關(guān)系，這主要是受A相繞組產(chǎn)生的瞬時(shí)N、S磁場(chǎng)交替排布影響。在以下4個(gè)圖中，4、16、28和40號(hào)槽的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)遠(yuǎn)大于其他槽，因?yàn)檫@4個(gè)槽內(nèi)的下層邊線棒屬于A相，激勵(lì)電流較大。其他槽在開口變壓器繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值較小，其特點(diǎn)是線圈軸線距離A相繞組軸線越遠(yuǎn)，開口變壓器繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越小。

設(shè)置C相繞組的18號(hào)線圈（其2個(gè)有效邊分別位于18號(hào)槽的上層邊和29槽的下層邊）發(fā)生1～5匝短路（故障程度2.38%～11.90%），C相并聯(lián)支路環(huán)流和短路回路電流波形圖，如圖9所示。

觀察圖9（a）發(fā)現(xiàn)，由于匝間短路引起C相繞組2個(gè)并聯(lián)分支的有效匝數(shù)不同，在并聯(lián)支路內(nèi)部的環(huán)流呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。對(duì)比圖9（a）和圖9（b），C相繞組內(nèi)部環(huán)流和被短路回路電流基本同相位，與激勵(lì)電流反相位，被短路回路電流隨著短路程度加深而逐漸降低，這是因?yàn)殡S著短路匝數(shù)增多，被短路回路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增速不及交流電抗增速快所致。

開口變壓器線圈在18號(hào)槽和29號(hào)槽的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)如圖10和圖11所示。

對(duì)比圖10和圖11，兩圖中不同點(diǎn)是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形圖相位相反，這是由于相鄰的激勵(lì)相電流方向不同導(dǎo)致，圖11波形的幅值高于圖10。相同點(diǎn)是開口變壓器繞組在兩槽的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)都隨著故障程度的加深而逐漸降低，正常狀態(tài)最大，5匝短路最小，二者都是相差30 mV左右。18號(hào)槽1匝短路（故障程度2.38%）的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相較于正常幅值下降了6.30%；29號(hào)槽的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相較于正常幅值下降了4.14%。

為了探究開口變壓器是否能有效檢測(cè)C相其他槽的匝間短路故障，使用開口變壓器分別檢測(cè)17、19、20、28、30和31號(hào)槽的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如圖12所示。

圖12中，圖12（a）和圖12（b）為同一線圈不同槽，緊鄰的激勵(lì)相電流方向不同，因此相位相差180°，二者都是正常狀態(tài)下幅值最高，隨著短路程度加深，幅值逐漸下降，圖12（a）中17號(hào)槽能夠看出幅值有明顯下降，而圖12（b）中28號(hào)槽有一層繞組為激勵(lì)相，故障線圈產(chǎn)生的漏磁通對(duì)其影響較小，因此下降不明顯，但是可以根據(jù)同一線圈的17號(hào)槽進(jìn)行有效診斷。圖12（c）和圖12（d）同屬同一線圈，二者相位關(guān)系同上，圖12（d）中30號(hào)槽相較于圖12（c）中19號(hào)槽距離激勵(lì)相更近，因此19號(hào)槽的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值下降更為明顯，故障線圈產(chǎn)生相同的漏磁通，2個(gè)槽感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值下降相同。圖12（e）中20號(hào)槽處于2個(gè)不同電流方向的激勵(lì)相繞組的交界處，因此其波形不穩(wěn)定，不易進(jìn)行故障診斷，同一線圈的圖12（f）中31號(hào)槽故障狀態(tài)下幅值下降較為顯著。

C相各槽故障時(shí)的開口變壓器繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相較于其正常狀態(tài)幅值下降比例圖如圖13所示。圖中，各槽初始故障1匝短路的開口變壓器繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相較于正常幅值下降均在3.5%以上（28號(hào)槽除外，該槽上層繞組為激勵(lì)相）。其中17～20號(hào)槽距離激勵(lì)相漸遠(yuǎn)，故障下降曲線逐漸上抬升高，29～31號(hào)槽同理。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證開口變壓器法檢測(cè)定子繞組匝間短路的有效性，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)三相異步電動(dòng)機(jī)鐵心加工了一臺(tái)原理樣機(jī)，樣機(jī)為4極48槽，如圖14所示。該電機(jī)的定子繞組為單層，單層繞組為50匝，A相和C相繞組連接如圖15所示，C相4號(hào)槽短路接頭分別為2、4、6、8匝。

圖16為實(shí)驗(yàn)檢測(cè)平臺(tái)，開口變壓器繞組匝數(shù)為150匝，定子A相連接單相調(diào)壓器，在電路中串入1 Ω電阻，對(duì)電流進(jìn)行采樣，調(diào)節(jié)單相調(diào)壓器將電流維持在1 A，信號(hào)采集儀收集電源電壓、A相電流、開口變壓器感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和短路匝電流等數(shù)據(jù)。

圖15中，A相相鄰四槽的電流方向相同，使用開口變壓器對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，分析感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的特征，圖15中選取5～8號(hào)槽進(jìn)行檢測(cè)，如圖17所示，隨后選取電流方向不同的5、17、29、41號(hào)槽，如圖18所示。

觀察圖17，與圖14相對(duì)應(yīng)，圖中4個(gè)槽繞組的電流流向相同、大小相等，其開口變壓器的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形重合度高，相位和幅值大致相等。而圖18中，4個(gè)槽波形的幅值大致相同，相同電流流向的槽兩兩重合（5號(hào)槽和29號(hào)槽，17號(hào)槽和41號(hào)槽），電流相反的槽相位相差180°（5號(hào)槽和17號(hào)槽，29號(hào)槽和41號(hào)槽）。

正常情況下C相開口變壓器繞組在1～4號(hào)槽的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如圖19所示。

圖19中，4個(gè)槽的相位相同，幅值則隨與激勵(lì)相的距離逐漸增大。以1和4號(hào)槽為例，1號(hào)槽距離激勵(lì)相較遠(yuǎn)，4號(hào)槽緊貼激勵(lì)相，4號(hào)槽幅值要大于1號(hào)槽。

故障狀態(tài)下（4號(hào)槽的短路接頭2、4、6、8匝依次短接），采集儀采集到短路匝短路電流如圖20所示。

圖20中不同短路程度的電流波形相位相同，幅值隨著短路程度加深而逐漸降低，這是因?yàn)槎搪吩褦?shù)增多，短路匝繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增速不及交流電抗增速快所致。

開口變壓器繞組在4號(hào)槽不同短路程度的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如圖21所示。

圖21中，開口變壓器繞組在4號(hào)槽正常狀態(tài)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值最高，隨短路程度加深逐漸降低，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在8匝短路時(shí)下降幅度最大，相較于正常下降了22.86%，初始2匝短路相較于正常下降了5.7%。這是由于短路匝所產(chǎn)生的漏磁通與激勵(lì)相產(chǎn)生的漏磁通方向相反，且隨短路程度的增加，短路電流下降不及短路匝數(shù)的增速快導(dǎo)致的。

4 結(jié) 論

本文對(duì)交流電機(jī)非激勵(lì)相匝間短路時(shí)開口變壓器的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化進(jìn)行理論分析規(guī)律，結(jié)合有限元仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到以下結(jié)論：

1）正常狀態(tài)下，開口變壓器繞組在非激勵(lì)相各槽的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與相鄰激勵(lì)相電流相關(guān)，相鄰激勵(lì)相電流方向相同，則相位相同，反之則相反；非激勵(lì)相線圈軸向距離與激勵(lì)相繞組軸線越遠(yuǎn)，開口變壓器繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越小。

2）定子繞組非激勵(lì)相發(fā)生匝間短路，該相內(nèi)部環(huán)流和短路回路電流均與激磁電流方向相反，隨短路程度的加深，非激勵(lì)相支路環(huán)流幅值增加，短路電流減小，都對(duì)激勵(lì)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)有去磁作用，導(dǎo)致故障槽槽口漏磁通減小。

3）定子繞組非激勵(lì)相發(fā)生匝間短路后，隨短路程度的加深，開口變壓器繞組在故障槽的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)降幅也逐漸增大。受同槽繞組影響，故障線圈2個(gè)邊所在槽在開口變壓器繞組上感應(yīng)電壓可能存在差異，如一側(cè)槽的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)降幅較小，另一側(cè)槽感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)降幅較大。

4）開口變壓器法能夠有效檢測(cè)交流電機(jī)定子非激勵(lì)相繞組故障，該方法簡(jiǎn)單易行，能夠精準(zhǔn)定位故障槽，縮短定子故障檢修時(shí)間，對(duì)防止故障惡化、提高電機(jī)可用性具有重要意義。

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（編輯：邱赫男）