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定子繞組匝間短路（Stator Interturn Short Circuit, SISC）是一種常見的電氣故障，進(jìn)一步發(fā)展可導(dǎo)致相間短路或接地故障。鑒于此類故障危害的嚴(yán)重性和修復(fù)的不便性，諸多學(xué)者和運(yùn)行人員投入了大量精力對其進(jìn)行研究。

早在1952年，A. W. W. Cameron采用繞組阻抗估測的無損測試方法對水輪發(fā)電機(jī)匝間短路和股間短路進(jìn)行了識別與診斷。此后針對發(fā)電機(jī)故障的電參數(shù)特征，如定子電壓、電流、繞組阻抗等被廣泛研究。

R. Roshanfekr考慮定、轉(zhuǎn)子繞組中的空間諧波，轉(zhuǎn)子和定子短路的差異及故障電流振幅的短路和負(fù)載水平，提出一種完全磁等效電路模型。Monia Ben Khader Bouzid等基于監(jiān)測三相線電流和相電壓的變化，提出了一種自動檢測和定位感應(yīng)電機(jī)定子匝間短路故障的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。

趙洪森等在對同步發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路故障負(fù)序電流分量的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了以負(fù)序電流作為故障特征量來對同步發(fā)電機(jī)定子內(nèi)部短路故障進(jìn)行監(jiān)測和診斷的方法。孫宇光等通過在發(fā)電機(jī)氣隙中裝設(shè)一種新型探測線圈，根據(jù)新型探測線圈端口電壓分析發(fā)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部故障。萬書亭等分析了定子匝間短路下定、轉(zhuǎn)子的徑向振動特性。戈寶軍等分析了定子匝間短路下轉(zhuǎn)子動態(tài)電磁力、定子并聯(lián)支路環(huán)流特性和電磁轉(zhuǎn)矩特性。

值得注意的是，雖然現(xiàn)有研究對定子匝間短路的監(jiān)測取得了有效的成果，但對此類故障下繞組本身的力學(xué)受載變化以及故障載荷激勵下繞組絕緣的磨損退化規(guī)律卻鮮有報道。現(xiàn)有對于繞組受載及其振動響應(yīng)的研究多集中于發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行工況。

例如，西安交通大學(xué)仲繼澤團(tuán)隊的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)定子鐵心或端部繞組有某階固有頻率接近100Hz，且主振型的周向行波數(shù)等于發(fā)電機(jī)的極數(shù)時，端部繞組的振動將超標(biāo)，導(dǎo)致絕緣破壞。

為獲取端部繞組的確切模態(tài)使其固有頻率避開100Hz附近，陳偉梁等提出了一種基于多重循環(huán)結(jié)構(gòu)攝動求解的模態(tài)分析識別方法。

劉明丹、萬書亭等的研究成果表明，在機(jī)組設(shè)計合理、定子鐵心與端部繞組不存在100Hz附近固有頻率情況下，繞組本身也將受到徑向、切向和軸向的交變電磁力作用而產(chǎn)生振動，在空間分布上，同一時刻定子不同周向位置的端部繞組所承受的電磁力方向有所不同，呈正負(fù)交替分布規(guī)律，且最大電磁力出現(xiàn)的位置呈規(guī)律性變化，徑向電磁力總體上大于切向電磁力，但最大值出現(xiàn)在切向電磁力上。由于交變電磁力與磁通密度及電流的乘積成正比，而磁通密度與電樞電流在正常情況下以基波為主，因此其電磁力激勵及振動響應(yīng)頻率以二倍頻（100Hz）為主。

此外，最新研究還表明，對汽輪發(fā)電機(jī)端部繞組進(jìn)行有限元建模分析和力學(xué)計算時，計及捆綁部件的影響，將比傳統(tǒng)簡化約束分析方法提高約5%的精度。對于端部繞組振動的監(jiān)測，目前較多采用均勻分布式光纖傳感器或光纖加速度傳感器，以監(jiān)測徑向振動為主。

而分析定子匝間短路故障下繞組電磁力變化規(guī)律，有助于摸索發(fā)現(xiàn)故障載荷激勵下繞組絕緣的磨損退化的危險位置點(diǎn)，從而有針對性地對這些危險位置作特殊工藝處理、改進(jìn)繞組的制造安裝工藝。

華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院的研究人員，對同步發(fā)電機(jī)定子匝間短路故障前后的電樞繞組電磁力特性進(jìn)行理論解析、有限元計算和動模實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，探索了定子匝間短路故障對繞組受載的影響。

圖 MJF-30-6型故障模擬機(jī)組實(shí)驗(yàn)設(shè)置及有限元計算模型

研究人員發(fā)現(xiàn)：1）正常情況下發(fā)電機(jī)定子繞組電磁力主要包含直流分量和二倍頻成分；2）定子匝間短路后發(fā)電機(jī)的氣隙磁通密度和機(jī)端電流將在一定程度上有所減小；3）定子匝間短路后電樞繞組電磁力將在原有直流分量和二倍頻成分基礎(chǔ)上額外產(chǎn)生四倍頻和六倍頻分量；4）隨著匝間短路程度的加劇，電樞繞組電磁力將增大，對應(yīng)地，繞組的二、四、六倍頻振動響應(yīng)幅值也將增大。

與現(xiàn)有大部分研究報道正常工況下定子端部繞組電磁力特性有所不同，本研究分析得到了發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行和定子匝間短路故障下的繞組電磁力解析表達(dá)式及相應(yīng)的影響因素，并通過動模實(shí)驗(yàn)和有限元計算進(jìn)行了驗(yàn)證；由于現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室繞組振動數(shù)據(jù)測取困難，所測得的故障下繞組振動響應(yīng)數(shù)據(jù)和定性研究結(jié)論可為后續(xù)的繞組振動磨損和絕緣保護(hù)提供重要的參考依據(jù)。

研究人員表示，下一步工作將進(jìn)一步分析繞組在電磁力激勵下振動響應(yīng)導(dǎo)致的絕緣磨損規(guī)律，找出絕緣破壞的危險位置點(diǎn)，以期在制造裝配過程中有針對性地對危險位置進(jìn)行特殊工藝處理，實(shí)現(xiàn)絕緣磨損的主動預(yù)防。

以上研究成果發(fā)表在2020年第13期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“發(fā)電機(jī)定子匝間短路對繞組電磁力的影響”，作者為何玉靈、張文、張鈺陽、徐明星、王曉龍。