关于《考虑电压不平衡下的同步发电机定子匝间短路故障诊断》的学术研究报告
一、 研究作者、机构及发表信息
本研究由李俊卿（通信作者）、余长亮、何玉灵、黄涛、滕思宇、尹乃钏、刘齐润共同完成。作者单位包括：华北电力大学电力与电子工程学院、华北电力大学能源动力与机械工程学院，以及国网冀北电力公司承德供电公司。该研究成果以论文形式发表于学术期刊《电机与控制学报》（Electric Machines and Control）2025年第29卷第8期（2025年8月出版）。
二、 学术背景与研究目的
本研究属于电气工程领域，具体聚焦于大型旋转电机（同步发电机）的状态监测与故障诊断技术。同步发电机是电力系统的核心设备，其定子绕组匝间短路（Stator Inter-turn Short Circuit, ITSC）是一种常见且危害严重的故障。短路点会产生巨大的短路电流和电磁力，若不及时处理，极易引发绕组烧毁、铁心损坏等灾难性后果，威胁电力系统的安全稳定运行。因此，对定子匝间短路，尤其是早期轻微故障的准确、可靠诊断，具有极其重要的工程意义。
然而，随着以光伏、风电为代表的新能源在新型电力系统中占比日益提高，电网的电压不平衡问题变得更为突出。电压不平衡本身就会在同步发电机中引入特定的电气特征（如负序磁场、三次谐波电流）。传统上用于诊断定子匝间短路的某些特征量（例如相电流的三次谐波分量），在电网电压不平衡的无故障状态下也会出现，这就导致了特征量的“交叉”或“混淆”，极易造成故障诊断系统的误判或漏判。
在此背景下，本研究旨在解决一个明确的工程难题：如何克服电网电压不平衡的干扰，实现同步发电机定子绕组匝间短路故障的准确、可靠诊断，特别是针对小匝数、高过渡电阻的轻微早期故障。 研究的目标是寻找一种对电压不平衡具有强鲁棒性（Robustness）且对轻微故障具有高灵敏度的新型故障诊断特征量。
三、 详细研究流程与方法
本研究遵循“理论分析-仿真验证-实验佐证”的完整科研范式，具体流程如下：
第一流程：故障特征理论建模与分析 本研究的核心是提出并论证一种新的故障诊断特征量——并联支路环流瞬时功率的直流分量。为此，研究首先从电机电磁场基本理论出发，进行了深入的理论推导。 1. 研究对象与模型：研究对象为每相具有两条并联支路的汽轮同步发电机。研究建立了同步发电机在正常（电压平衡/不平衡）和定子匝间短路故障状态下的气隙合成磁动势数学模型。 2. 分析过程： * 无故障状态分析：分别推导了电网电压平衡和电压不平衡条件下，同步发电机的气隙磁势。关键结论是：在电压不平衡时，无故障电机的气隙磁场会因负序分量而畸变，在定子绕组中感生三次谐波电势，但由于并联支路参数对称，两支路间不会产生环流。 * 故障状态分析：推导了定子绕组发生匝间短路后，短路电流产生的附加脉振磁场及其对气隙磁场的影响。分析表明，故障会在转子中感应出两倍频电势，并最终在气隙磁场中引入三次谐波分量。更重要的是，故障破坏了并联支路的参数对称性，导致两支路间出现电压差，从而产生环流。 * 特征量推导：聚焦于故障相（以a相为例）的并联支路环流 (i_{acf}(t))，理论推导出其表达式包含基波和三次谐波分量。进而，计算该环流在故障相端部产生的瞬时功率 (p_a(t))。理论公式明确显示，该瞬时功率包含一个直流分量、一个二次谐波分量和一个四次谐波分量。 3. 理论对比与创新点提出：通过对比发现，无论是电网电压不平衡（无故障）还是定子匝间短路（故障），相电流中都会出现三次谐波，因此以三次谐波作为特征量会导致误判。而环流瞬时功率，特别是其直流分量，在电压不平衡无故障时理论上应为零（无环流），仅在发生匝间短路时才会显著出现。这从理论上证明了将该直流分量作为诊断特征量，可以有效规避电压不平衡的干扰。
第二流程：基于有限元仿真的数值验证 为了验证理论分析的正确性，并探究各种工况下的规律，研究建立了详细的仿真模型。 1. 仿真对象与模型建立：以一台具体的300MW汽轮发电机（QFSn-300-2-20B）为研究对象，利用有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）软件建立了该发电机的二维电磁场仿真模型。论文中提供了模型图示及发电机的主要额定参数（如额定功率、电压、电流、极对数、槽数等），确保了模型的代表性和准确性。通过模拟额定工况下的对称三相电流，验证了模型的有效性。 2. 仿真实验设计：在模型中设置了定子绕组a相第一条支路（a1）发生匝间短路故障。设计了三组系统性仿真实验，以研究不同因素对 proposed 特征量的影响： * 实验1（故障基本特性验证）：设置1匝短路，过渡电阻为1Ω，模拟故障发生过程。观测并分析故障前后a相环流瞬时功率的波形及其频谱（FFT分析）。 * 实验2（不同故障严重程度影响）： * 子实验2a（不同过渡电阻）：固定短路匝数为1匝，依次将过渡电阻设置为1Ω、0.5Ω、0.1Ω，模拟故障点接触电阻变化（故障程度加深）。 * 子实验2b（不同短路匝数）：固定过渡电阻，依次将短路匝数设置为1匝、2匝、3匝，模拟故障范围扩大。 * 实验3（电网电压不平衡影响）：模拟电网电压不平衡条件。通过将a相电网电压设置为额定值的100%（平衡）、97%、94%，制造不同严重程度的电压不平衡。在此条件下，分别对比同步发电机无故障状态和发生1匝短路故障状态下，传统特征量（相电流三次谐波）与 proposed 特征量（环流瞬时功率直流分量）的表现。 3. 数据处理与分析：对每次仿真实验输出的环流瞬时功率信号进行快速傅里叶变换（FFT），提取其直流分量、二次谐波分量等幅值，进行定量比较和分析。
第三流程：基于实验平台的实物验证 为进一步佐证仿真结论，研究搭建了实物实验平台。 1. 实验对象：采用一台MJF-30-6型故障模拟同步电机。该电机定子绕组设有专门的抽头，可用于模拟不同位置和比例的匝间短路。 2. 实验方法： * 通过短接定子绕组C相的不同抽头（如C1C2、C2C3、C3C4），并串联可调滑动变阻器作为过渡电阻，来精确模拟不同短路匝数和不同过渡电阻的故障。 * 通过在线路中串联可变电阻来调节接入电机的电网电压，模拟不同等级的电网电压不平衡。 3. 实验内容：重复了与仿真类似的三组实验：a) 模拟轻微匝间短路（C1C2抽头短路），观察故障前后环流瞬时功率频谱变化；b) 改变过渡电阻值，观察特征量变化；c) 改变短接的抽头（即改变短路匝数），观察特征量变化；d) 在电压不平衡条件下，进行无故障与故障状态的对比实验。 4. 数据采集与分析：使用传感器和采集设备记录故障相（C相）的环流信号，计算其瞬时功率并进行FFT分析，提取直流分量幅值等数据。
四、 主要研究结果及其逻辑关联
理论分析结果：成功推导出同步发电机定子匝间短路后，故障相并联支路中将产生环流，且该环流瞬时功率包含直流分量和偶次谐波分量（主要为二次和四次）。这为后续的仿真和实验研究提供了明确的理论预测和目标特征量。
仿真结果： 1. 基本特性验证：仿真结果（图4，图5）清晰显示，在0.3秒发生1匝短路故障后，a相环流瞬时功率从零迅速增大，其频谱中以直流分量和二次谐波分量最为显著，与理论推导完全吻合。 2. 不同故障严重程度的影响： * 过渡电阻减小（故障程度加深）：如图6所示，当短路匝数固定为1匝，过渡电阻从1Ω降至0.5Ω、0.1Ω时，环流瞬时功率的直流分量幅值从1.215 MW显著增加至2.504 MW和9.769 MW，增幅分别达106%和704%。二次谐波分量也呈类似增长，但直流分量的增长幅度（变化率）更为显著。 * 短路匝数增加（故障范围扩大）：如图7所示，当过渡电阻固定，短路匝数从1匝增至2匝、3匝时，直流分量幅值从1.215 MW剧增至5.404 MW和12.919 MW，增幅高达345%和963%。同样，直流分量的变化率优于二次谐波。 * 结论：环流瞬时功率的直流分量对故障严重程度（无论是电阻减小还是匝数增加）都表现出极高的敏感性，且其相对变化率优于二次谐波分量，因此被选定为更优的诊断特征量。 3. 电压不平衡鲁棒性验证：这是本研究的核心验证点。如图8所示，仿真结果表明： * 当采用相电流三次谐波作为特征量时，在电压不平衡（94%电压）的无故障状态下，其幅值甚至超过了电压平衡时发生1匝短路故障的幅值。这直接证实了传统方法在电压不平衡下会导致严重误判。 * 当采用环流瞬时功率直流分量作为特征量时，在电压不平衡（94%， 97%）的无故障状态下，其幅值几乎为零；而在发生1匝短路故障时，无论电压是否平衡（100%， 97%， 94%），该直流分量均保持在高位且数值变化很小。 * 结论：仿真结果强有力地证明，所提出的基于环流瞬时功率直流分量的诊断方法，能够有效区分“电压不平衡无故障”和“定子匝间短路故障”这两种状态，对电网电压不平衡具有优异的鲁棒性。
实验结果： 1. 实验成功观测到了与理论、仿真一致的规律：电机发生匝间短路后，环流瞬时功率频谱中出现显著的直流和二次谐波分量（图11）。 2. 实验验证了故障程度（过渡电阻减小、图12）和故障范围（短路匝数增加、图13）加深时，直流分量幅值均单调递增，证明了该特征量的灵敏度。 3. 最关键的是，电压不平衡实验（图14）复现了仿真的核心结论：在无故障时，电压不平衡几乎不引起环流瞬时功率直流分量的变化；在发生故障时，不同程度的电压不平衡对该直流分量幅值的影响也很小。实验结果与仿真分析高度一致，从实践层面验证了所提方法的有效性和鲁棒性。
逻辑关联：理论分析指明了新的诊断特征量（环流瞬时功率直流分量）及其物理机理。仿真研究在可控的数字化环境中系统性地验证了该特征量的有效性（故障时出现）、敏感性（随故障加重而增强）和核心优势（抗电压不平衡干扰）。实验研究则利用实物平台，在更接近真实工程环境且存在各种非理想因素（如电机固有不对称）的情况下，最终证实了该方法的可行性和可靠性。三者层层递进，构成了一个完整的证据链。
五、 研究结论与价值
本研究得出以下核心结论： 1. 同步发电机发生定子绕组匝间短路故障后，会在故障相并联支路中产生显著的环流瞬时功率，该功率主要包含直流分量和偶次谐波分量。 2. 环流瞬时功率的直流分量作为故障诊断特征量，不仅对故障高度敏感（能有效检测小匝数轻微短路），而且对电网电压不平衡具有良好的鲁棒性，能够有效避免因电压不平衡导致的误判问题。 3. 该方法为同步发电机定子匝间短路故障诊断提供了一种新的、更可靠的解决方案。
研究价值： * 科学价值：深化了对电压不平衡工况下同步发电机内部电磁特性的理解，明确了传统故障特征量（如三次谐波电流）在该工况下的局限性，并提出了一个更具区分度的新物理量（环流瞬时功率直流分量）作为诊断依据。 * 应用价值：直接面向新型电力系统中新能源渗透率提高带来的电压质量问题，所提出的诊断方法具有重要的工程实用价值。它能够提高故障诊断系统的可靠性，减少误报警和漏报警，有助于实现发电设备的早期预警和预知性维护，保障电力系统的安全稳定运行。
六、 研究亮点
七、 其他有价值内容
研究在理论分析部分，详细对比了电压不平衡无故障和定子匝间短路故障两种状态下气隙磁场和电气量的异同，这部分内容非常有助于读者深入理解故障机理和特征量选择的根本原因。此外，研究选取的仿真对象（300MW大型汽轮发电机）和实验平台（专用故障模拟电机）都具有良好的代表性和工程相关性，增强了研究成果的推广价值。论文最后也将该方法的应用前景与“新型电力系统的发展”相联系，体现了其时代适应性。