張立鵬，李忠徽

(1.國網(wǎng)冀北電力有限公司廊坊供電公司，河北 廊坊 065000；2.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003)

2017-06-07

張立鵬(1988-)，男，助理工程師，主要從事分布式并網(wǎng)、有序用電業(yè)務(wù)工作。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機繞組匝間短路故障診斷綜述

張立鵬1，李忠徽2

(1.國網(wǎng)冀北電力有限公司廊坊供電公司，河北 廊坊 065000；2.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003)

在風(fēng)電市場上雙饋風(fēng)力發(fā)電機(DFIG)憑借其卓越的性能，被廣泛投入使用。綜述了雙饋風(fēng)力發(fā)電機常見的一些故障類型，以及定、轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路的故障機理。同時針對這兩種故障展開分析研究，并提出了一系列相應(yīng)的故障診斷方法。最后對其繞組故障診斷的發(fā)展趨勢做了簡單闡述。

雙饋異步電機；繞組匝間短路；故障診斷

面對愈加嚴(yán)重的能源安全和環(huán)境惡化問題，大力發(fā)展風(fēng)電已成為我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要決策。隨著風(fēng)電技術(shù)和裝備水平的快速發(fā)展，風(fēng)電已經(jīng)成為目前技術(shù)最為成熟，最具有規(guī)?；_發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的新能源。如今清潔能源受到廣泛青睞，風(fēng)能作為其中的一種受到了各國的大力開發(fā)和利用。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機憑借其優(yōu)越的性能和卓越的條件在風(fēng)電市場上占據(jù)著重要的地位。但是雙饋風(fēng)機的工作環(huán)境又因一直處于野外，高溫，沙塵等環(huán)境下，導(dǎo)致其極易發(fā)生故障。因此及時的發(fā)現(xiàn)并對故障做出診斷,對雙饋風(fēng)機的穩(wěn)定運行以及整個國網(wǎng)大系統(tǒng)的安全有著重要的意義。

1 故障類型

常見的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機故障類型，一般可分為定、轉(zhuǎn)子故障，軸承故障以及氣隙偏心故障等。在眾多故障當(dāng)中以定、轉(zhuǎn)子故障最為常見，二者的故障率加起來高達(dá)48%，近乎占所有電機故障的一半。對于定、轉(zhuǎn)子故障而言，最常見的就是繞組短路故障。在繞組匝間短路故障的早期，如果不能發(fā)現(xiàn)故障的存在并及時的做出診斷，那么故障將有可能會進(jìn)一步的升級轉(zhuǎn)變?yōu)橄嚅g短路，將會給風(fēng)機甚至整個電網(wǎng)造成難以估量的損失，因此研究其繞組匝間短路故障具有良好的社會經(jīng)濟(jì)價值。

2 故障分析

雙饋異步電機處于正常運行狀態(tài)的時候，于定子端的定子電流是對稱的，相應(yīng)的此時定、轉(zhuǎn)子電流頻率為f和sf。然而在繞組發(fā)生匝間短路故障后，對稱就將不復(fù)存在。在定子端發(fā)生匝間短路故障后，定子電流中將會產(chǎn)生一個反向旋轉(zhuǎn)的磁場，使得轉(zhuǎn)子電流中產(chǎn)生了(2-s)f故障諧波分量。最終會分別在定子、轉(zhuǎn)子端產(chǎn)生一系列的諧波分量，即定子端為±kf，轉(zhuǎn)子端為(2k±s)kf。當(dāng)轉(zhuǎn)子側(cè)發(fā)生匝間短路故障時，轉(zhuǎn)子繞組的不對稱會產(chǎn)生一個正序的旋轉(zhuǎn)磁場和一個負(fù)序的旋轉(zhuǎn)磁場，這兩個反向的旋轉(zhuǎn)磁場同時交鏈定轉(zhuǎn)子繞組，將會在兩者的電壓電流中產(chǎn)生一系列的諧波分量。轉(zhuǎn)子側(cè)將會出現(xiàn)一系列奇數(shù)次諧波±ksf,k=1,3,5,…，定子側(cè)將會產(chǎn)生(1±2ks)f諧波。這些諧波也可以作為故障診斷的依據(jù)。

3 故障診斷方法

定、轉(zhuǎn)子的診斷方法目前有很多種，主要有解析計算法、數(shù)字仿真法以及實驗研究法。其中的數(shù)字仿真法又包含場路耦合法、坐標(biāo)變化法和多回路法等一系列方法。

3.1 定子匝間短路

3.1.1 數(shù)學(xué)模型法

通過建立雙饋電機的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合理論知識，根據(jù)模型參數(shù)的變化來尋找故障特征。文獻(xiàn)[1]根據(jù)多回路理論知識，建立了雙饋異步電機的多回路模型，電機定子側(cè)繞組為三角形鏈接，轉(zhuǎn)子側(cè)為星形鏈接，具體如圖1所示。

(a) 定子連接方式

(b) 轉(zhuǎn)子連接方式 圖1 DFIG三相繞組連接示意

利用模型分析故障后的電磁特性變化規(guī)律并對定、轉(zhuǎn)子電流側(cè)進(jìn)行頻譜分析，通過特定的頻譜信號來檢測電機并作出故障診斷。文獻(xiàn)[2]在多回路理論的基礎(chǔ)上利用MATLAB中的S函數(shù)建立了雙饋電機的的數(shù)學(xué)模型，并在考慮變流器控制策略同時，對雙饋電機定子匝間短路故障進(jìn)行分析。然而利用模型進(jìn)行故障診斷，它的準(zhǔn)確性將完全取決于該模型是否能夠準(zhǔn)確的建立。

3.1.2 信息融合法

利用單一的故障特征信息并不能完整的反映電機的真實情況，不確定性高，使得最后得出的結(jié)果可信度不高。所以提出利用信息融合的方法，綜合利用多種故障信息以提高故障診斷的精度，降低其不確定性。文獻(xiàn)[3]中利用D-S證據(jù)合成理論，將多種特征信息特征給予加權(quán)處理，如時域特征、頻域特征、軸心軌跡不變距特征，求得各證據(jù)體下的加權(quán)概率分配，然后進(jìn)行融合處理，會發(fā)現(xiàn)融合以后的診斷結(jié)果會大大降低診斷的不確定性，使得診斷準(zhǔn)確性得到進(jìn)一步的提高。文獻(xiàn)[4]中采用多源信息融合的方法，將電機的定子電壓以及電流的負(fù)序分量進(jìn)行融合，形成李薩茹圖形。通過觀察圖形的變化，將圖形的傾角θ作為故障特診量來進(jìn)行診斷，使其更具有魯棒性。

3.1.3 負(fù)序電流

當(dāng)雙饋異步電機發(fā)生定子匝間短路后，電機三相繞組不在對稱，此時的定子電流中將會出現(xiàn)負(fù)序電流。并且隨著短路匝數(shù)的增加，其負(fù)序分量的值也相應(yīng)變大。文獻(xiàn)[5]利用有限元搭建了雙饋異步電機的匝間短路模型，并通過設(shè)置其短路電阻的大小和短路匝數(shù)的多少來完成短路故障的研究，同時以定子電流負(fù)序分量為故障特征完成診斷研究。此方法受負(fù)載變化以及電機自身結(jié)構(gòu)的影響較大。

3.1.4 轉(zhuǎn)子瞬時功率譜法

文獻(xiàn)[6]利用PSCAD軟件進(jìn)行仿真，針對雙饋電機定子匝間短路提出一種基于轉(zhuǎn)子端瞬時功率譜的方法，并以2f(f為基頻)為特征頻率。該方法與常規(guī)的那些電流，電壓故障特征量相比，其可不受轉(zhuǎn)差率的影響并且具有較強的抗干擾能力。

3.1.5人工智能診斷

利用人工智能方法進(jìn)行診斷，就是在統(tǒng)計學(xué)的基礎(chǔ)上，利用大量的歷史數(shù)據(jù)來訓(xùn)練和學(xué)習(xí)。常用的有遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等方法。人工智能算法具有強大的包容性，能夠融合多個故障特診信息。但同時它的缺陷也非常明顯，即受到歷史樣本數(shù)據(jù)的選擇，具有一定的局限性。

3.2 轉(zhuǎn)子匝間短路

3.2.1 PARK矢量法及擴展PARK變換法

利用坐標(biāo)變換的思想，將轉(zhuǎn)子電流從三相坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)換到αβ坐標(biāo)系下，即：

3.2.2 數(shù)學(xué)模型法

文獻(xiàn)[7]以多回路理論為基礎(chǔ)，利用MATLAB中S函數(shù)對雙饋異步電機轉(zhuǎn)子匝間短路進(jìn)行仿真。通過對定子側(cè)電流進(jìn)行傅里葉分析，得出故障特征信息。文獻(xiàn)[8]在分析定子側(cè)電流變化的同時也考慮了繞組結(jié)構(gòu)對于諧波成分的影響。同定子匝間短路一樣，數(shù)學(xué)模型法準(zhǔn)確性取決于模型是否能夠正確的搭建。

3.2.3 失電殘壓法

在雙饋異步電機突然斷電后，轉(zhuǎn)子中的感生電流會在定子端產(chǎn)生一個感應(yīng)電壓，即為定子端失電殘壓。文獻(xiàn)[9]中通過對失電殘壓中的諧波成分進(jìn)行分析，會發(fā)現(xiàn)諧波的主要成分為：

I=6m±1 (m=0,1,2，…)

通過比對正常狀態(tài)和繞組故障后的情況，會發(fā)現(xiàn)在故障后5次，7次，13次等諧波會發(fā)生明顯變化，并以此作為故障特征量。用此方法進(jìn)行診斷，可以避免電源不平衡，電機負(fù)載波動的影響，但是此方法是利用斷電后電壓進(jìn)行，不可實現(xiàn)在線診斷，同時失電后信號衰減的非常快，不易采取。

3.2.4 探測線圈法

文獻(xiàn)[10-11]利用Ansoft軟件對雙饋異步電機進(jìn)行仿真，并從磁特性的角度展開研究。利用探測線圈和光電裝置，通過正常情況和轉(zhuǎn)子匝間短路故障下采集信號所存在的差值，可以實現(xiàn)故障所在位置的準(zhǔn)確定位。

4 實例分析

2013年，首都遷鋼公司在生產(chǎn)過程中2號開卷機主電機定子繞阻內(nèi)部內(nèi)部突然溫度急劇變化，其最高溫將近90 ℃，電機容量200 kW，F(xiàn)級絕緣等級，轉(zhuǎn)速也變?yōu)?88 r/min。通過采集關(guān)于電機的電流、電壓、電阻、電流倍頻等一系列電氣參數(shù)，以及對電機斷電后的電壓頻譜進(jìn)行分析，從而實現(xiàn)電機的診斷研究。通過綜合分析，電機內(nèi)部溫度發(fā)生顯著變化，而且電機的定子端電流發(fā)生變化，其定子電流中的負(fù)序電流含量明顯增大。還有對電機的電氣端電機前軸水平方向振動速度頻譜中，2倍頻有故障頻率，在電機斷電之后，2倍頻消失，從而斷定電機定子端發(fā)生匝間短路故障。但是在斷電后對定子端感應(yīng)電壓進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其電壓內(nèi)的5次、7次等故障諧波量并未明顯變換，所以電機轉(zhuǎn)子側(cè)正常。

5 結(jié)論

近些年雙饋異步電機繞組故障診斷方法已取得很大的發(fā)展，但是大多研究都是基于仿真或者實驗?zāi)M來完成故障診斷，不能考慮實際運行過程中的環(huán)境和其他相關(guān)因素的影響。利用模型的方法進(jìn)行分析診斷理論上是可行的，但是考慮到實際工作環(huán)境的各種因素，以及每個電機的不同結(jié)構(gòu)，要想準(zhǔn)確的建立模型非常困難，所以利用模型來進(jìn)行診斷得到的結(jié)果就有可能存在誤差，甚至是誤判。利用人工智能算法進(jìn)行診斷，局限于歷史數(shù)據(jù)的選取。利用電機的電壓，電流等信號進(jìn)行分析，由于采用的是非侵入式，操作比較簡單方便，能夠?qū)崿F(xiàn)對電機的在線監(jiān)測診斷，但是以電壓，電流信號為故障信息進(jìn)行處理，容易受到各種因素的干擾，例如負(fù)載變化，電機結(jié)構(gòu)不對稱，電源電壓不平衡等。這些都有可能使得最終的診斷結(jié)果不準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致誤判。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機繞組匝間短路的研究方向，應(yīng)該從現(xiàn)有的診斷方法基礎(chǔ)上深入考慮變流器本身以及其控制策略對整個雙饋異步風(fēng)機的影響，進(jìn)一步檢驗所提出的診斷方法在實際生產(chǎn)過程中的有效性。

[1] 李俊卿，王 棟，王喜梅.雙饋感應(yīng)發(fā)電機定子繞組匝間短路時電磁特征[J].華北電力大學(xué)學(xué)報,2015,42(1)：15-21.

[2] 李俊卿,王志興,王悅川.雙饋電機定子匝間短路的建模與穩(wěn)態(tài)分析[J].華北電力大學(xué)學(xué)報,2016,43(1)：39-45.

[3] 譚 青，向陽輝.加權(quán)證據(jù)理論信息融合方法在故障診斷中的應(yīng)用[J] .振動與沖擊,2008,27(4)：112-116.

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[7] 李俊卿，王志興.雙饋異步電機轉(zhuǎn)子匝間短路的建模與穩(wěn)態(tài)分析[J].電機與控制應(yīng)用，2015,42(8)：12-16，23.

[8] 李俊卿，王 棟.雙饋感應(yīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路時定子電流諧波分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2014，38(21)：71-75.

[9] 馬宏忠,李訓(xùn)銘,方瑞明，等.利用失電殘余電壓診斷異步電機轉(zhuǎn)子繞組故障[J].中國電機工程學(xué)報,2004,24(7):183-187.

[10] 李俊卿，張立鵬，于海波.基于探測線圈法的雙饋式發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路槽的定位研究[J].大電機技術(shù)，2015(3):20-23.

[11] 武玉才, 李永剛, 李和明, 等. 基于線圈探測的籠型異步電機轉(zhuǎn)子斷條故障診斷初探[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報, 2012, 39(3): 1-5.

Summarization on Fault Diagnosis of Turn-to-turn Short Circuit in DFIG

Zhang Lipeng1，Li Zhonghui2

(1.State Grid Jibei Electric Power Co., Ltd. Langfang Power Supply Company, Langfang 065000,China;2.North China Electric Power University, Baoding 071003,China)

In the wind power market,doubly fed wind turbines (DFIG) are widely used for their excellent performance.This paper reviews some common faults of the DFIG and the failure mechanism of stator and rotor turns short circuit.At the same time,this paper analyzes the two kinds of faults and puts presents a series of fault diagnosis methods.Finally,describes the development trend of winding fault diagnosis briefly .

DFIG;winding turn short circuit;fault diagnosis

TM315；TM346.2

B

1001-9898(2017)05-0032-03

本文責(zé)任編輯：王麗斌