运行经验表明,电机在发生定子绕组短路故障时,正确的进行故障诊断，及时采取措施,减小对设备损害 ，对保证电力系统稳定可靠的运行十分重要。本文提出的匝间短路在线诊断方法为电流分析法。
1.电流分析法概述
这种方法从着手于时域分析 ，寻找出新的判定定子绕组故障的特征参量——三相电流之间的相位差 。诊断时,以电流分析法为主,辅以多种特征参量进行诊断。
2.新的特征参量的提出
定子绕组一般均采用在时间及空间上相差120°的三相对称分布绕组,这样设计的绕组能使三相对称电流产生的气隙磁场达到基本正弦分布的要求 。这是因为, 当定子单个线圈或单个支路通电时,气隙磁场的分数次和低次谐波很强。而相绕组通电时,组成相绕组的各个线圈磁通势波形中的分数次和低次谐波相互抵消,使相绕组总磁通势的波形主要为基波 。
当电机处于正常状态时,对称的三相绕组的连接消除了3 倍数次谐波。电机定子电流特征频率表达式为
fs=(6k±1)fk=0，1，1 ，3…(1)
即在对称的三相绕组中,n=3k次谐波的合成磁势等于零, n=6k+1次谐波是正相旋转磁势,n=6k-1次谐波是反相旋转磁势[2] 。但是由于工艺和制造的原因,实际的电动机绕组不可能完全对称,或是由于电网的因素,导致电流谱图中会出现2 次和3次谐波。
当电机定子绕组发生匝间短路,这种对称性遭到破坏, 呈现在气隙磁场中的是较强的空间谐波,定子电流中的是较强的时间谐波，即高次谐波明显增强 。表现为定子电流的有效值的增大和三相电流的不对称性 。定子电流中的偶次谐波和奇次谐波会因三相绕组失去对称性而有所增强。定子绕组的故障势必会引起气隙磁场发生畸变 。
电机发生定子绕组匝间短路故障时,绕组的自感 、互感将发生变化。电感的大小一般随短路匝比的增加而降低。故障时 ，不能只考虑基波的影响 ，因为绕组分布和气隙磁场的不对称会使高次谐波的作用显著增强 。在故障状态下,电感参数的计算必须考虑高次谐波的影响 。
综上所述,电机定子绕组发生匝间短路时,定子电流中的高次谐波明显增强,绕组的自感、互感发生变化,从而最终导致三相电流之间的相位差亦发生变化 。因此提出新的判别定子绕组匝间短路故障的特征参量——三相电流之间的相位差 。
3.故障分析
本文采用互相关分析法测量定子电流之间的相位差 。因为互相关函数能刻划两个样本信号之间的相关或相似程度 。它不但提供频率信息,而且给出两信号之间的相位信息 。用互相关函数测量电流之间的相位差,测量精度高,时间短。但它要求有两路A/D 同步进行信号采集。
正常状态下,三相电流相位差在120°左右 ，但在故障时，这个角度会有所偏离 。因此可通过测量电机运行时的三相电流之间的相位差偏离120°的度数作为特征参量之一来判别定子绕组故障[3] 。
绕组匝间短路故障时：
3.1三相电流的对称性被打破, 故障相电流为最大值，大小与故障位置无关, 但非故障相电流的大小与故障位置有关[4];定子三相电流, 随着故障匝比的增大而增大, 所产生谐波的幅值也随故障程度的加深而增大 。
3.2三相功率因数得对称性遭到破坏, 它随着故障位置不同而变化,故障程度的加深 ，使两个非故障相的功率因数一个减小，另一个增大。
3.3三相电流之间的相位差随故障部位变化而变化，不再对称 。如果一相发生故障,随着这个故障的程度的加深 ，另外两个非故障相之间的相位差所偏离120°最大 ，而且非常明显。
3.4中性点电压与故障位置有关, 其大小随着故障匝比的增大而增大。
3.5在发生跨相故障时,所引起的不对称性将会更加严重。
4.故障分析结论
4.1选取三相电流之间的相位差作为特征参量判定定子绕组故障是可行的, 且它具有与故障状态相关性大 、反映灵敏的特点。
4.2如果电机运行正常, 不对称电源电压也会造成三相电流之间的相位差偏离120°，但并不十分严重 。
4.3可以通过监测三相电流和三相功率因数的不对称性、三相电流相位差的偏离120°的大小 、中性点电压等来判断电机定子绕组是否故障;根据不对称的程度可以判定故障的大小。
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