抽水蓄能机组转子匝间短路故障多工况检测效果研究学术报告
第一， 研究作者、机构及发表信息 本研究由来自华北电力大学河北省绿色高效电工新材料与设备重点实验室的范轩杰和武玉才，以及国网新源控股有限公司技术经济研究院的卢伟甫共同完成。研究成果以论文《抽水蓄能机组多工况下转子匝间短路故障检测效果分析》的形式，发表于学术期刊《电机与控制学报》（Electric Machines and Control）2023年4月刊，即第27卷第4期。
第二， 研究的学术背景与目的 本研究属于电气工程领域，聚焦于大型旋转电机（特别是抽水蓄能发电电动机）的状态监测与故障诊断技术。抽水蓄能机组因其启停迅速、调节灵活等特点，在现代电力系统中扮演着调峰填谷、稳定电网的关键角色。然而，其转子为凸极、集中式绕组结构，在频繁启停和工况转换过程中，转子绕组易发生匝间短路（Inter-turn Short Circuit, ITSC）故障。该故障会引发不平衡磁拉力，是导致机组剧烈振动、威胁运行安全的重要诱因。因此，对转子匝间短路故障进行精准、实时的在线检测具有迫切的实际需求。
尽管针对汽轮发电机的转子匝间短路已有多种检测方法（如探测线圈法、气隙磁通法、轴电压分析、定子环流分析等），但抽水蓄能机组（属于水轮发电机的一种）具有极对数多、转速低、径向尺寸大的特点，导致单个磁极发生匝间短路时，故障特征信号（如磁场畸变）非常微弱，现有方法难以直接有效应用。因此，亟需一种适用于抽水蓄能机组多工况运行特点的在线故障检测方法。
本研究旨在探索一种适用于抽水蓄能机组转子匝间短路故障的在线检测方法。具体目标是：验证在定子铁心上安装U型检测线圈的方法，是否能够在抽水蓄能机组多种典型运行工况（如发电、电动、调相等）下，有效检测出不同严重程度的转子绕组匝间短路故障，并分析故障特征信号的规律，为该方法的工程应用奠定理论基础。
第三， 研究的详细工作流程 本研究主要采用理论分析与有限元仿真（Finite Element Simulation）相结合的研究方法，工作流程系统且严谨，包含以下几个核心步骤：
步骤一：故障特征理论建模与分析 首先，研究团队从电磁理论出发，对转子绕组正常和发生匝间短路时的励磁磁动势（Magnetomotive Force, MMF）进行了严格的数学推导。 1. 正常状态分析：推导出正常转子绕组产生的励磁磁动势波形为关于转子坐标轴对称的矩形波，通过傅里叶分解可知，其仅包含基波和一系列奇数次空间谐波（如3次、5次等）。 2. 故障状态分析：当某一磁极发生金属性匝间短路时，该磁极的有效安匝数减少，相当于叠加了一个由被短路匝反向电流产生的反向磁动势。对这个不对称的故障磁动势进行傅里叶分解后发现，除了原有的奇数次谐波外，磁动势中还会出现一系列分数次谐波（Fractional Harmonics），其谐波次数为 k/p（k=1,2,3…；p为电机极对数）。例如，对于一台9对极（p=9）的电机，将出现1/9次、2/9次、3/9次（即1/3次）等分数次谐波。 3. 磁场与感应电势推导：进一步，结合气隙磁导（Permeance）模型，分析了故障磁动势在气隙中产生的磁通密度。最终推导出，当这些包含分数次谐波的故障磁场被一个安装在定子侧的U型检测线圈切割时，线圈中感应的电动势（Electromotive Force, EMF）将同样包含这些分数次谐波分量。因此，检测线圈感应电压中的分数次谐波（如1/p次、2/p次谐波）可作为转子匝间短路故障的判据。理论分析表明，这一结论与机组是否带负载无关，为多工况检测提供了理论依据。
步骤二：建立研究对象仿真模型 研究选取了一台具体的SAV 620/27518型抽水蓄能机组作为研究对象，其额定功率为322 MW（电动工况），额定转速333.3 r/min，极对数p=9。研究团队使用ANSYS-Maxwell 2D软件建立了该机组的二维瞬态电磁场有限元模型，精确模拟了定子、转子铁心、绕组、气隙等结构。随后，将该模型导入ANSYS-Simplorer软件中搭建外电路，以便模拟机组在不同电气工况（空载、负载、调相）下的运行状态。这种场-路耦合的仿真方法能够更真实地复现机组的电磁行为。
步骤三：多工况故障仿真设计与实施 为了全面验证U型检测线圈法的有效性，研究设计了涵盖抽水蓄能机组五种典型运行工况的仿真实验： 1. 发电工况：包括发电空载和发电额定负载两种状态。 2. 发电调相工况：模拟机组发出或吸收无功功率的状态，分为过励和欠励两种情况。 3. 电动工况：模拟机组作为电动机运行，带额定机械负载（转矩为9,226,222.622 N·m）。 4. 电动调相工况。 在每一种工况下，均设置了四种转子状态进行对比仿真：正常状态、短路5匝、短路10匝和短路15匝。通过修改转子绕组相应支路的电阻参数来模拟不同程度的匝间短路故障。
步骤四：数据采集与处理 在每一次仿真中，研究团队主要采集安装在定子铁心上的U型检测线圈两端的感应电压波形。对采集到的时域电压信号进行快速傅里叶变换（FFT），得到其频谱图。重点关注频谱中与理论分析对应的低频分数次谐波分量（0-100 Hz范围内，特别是1/9次=5.56 Hz， 2/9次=11.11 Hz， 3/9次=16.67 Hz等）的幅值变化。同时，也观察了时域电压波形的脉冲幅值变化。
第四， 研究的主要结果及其逻辑关联 仿真结果全面验证了理论分析的准确性，并揭示了不同工况下故障特征的共性与差异：
结果一：故障特征谐波的普遍存在性 在所有五种仿真工况（发电空载、发电负载、发电调相、电动负载、电动调相）下，当转子绕组发生匝间短路后，U型检测线圈感应电压的频谱中均明确出现了理论预测的分数次谐波分量（如1/9次、2/9次、3/9次谐波）。而在正常状态下，这些分数次谐波的幅值极低或几乎为零。这一结果在所有工况下都得到了重复验证，强有力地证明了U型检测线圈法检测转子匝间短路故障的普适性，不受机组运行工况（发电/电动、空载/负载、调相）变化的显著影响。这是本研究最核心的发现。
结果二：故障程度与特征谐波幅值的关联性 研究发现，随着短路匝数的增加（从5匝到10匝再到15匝），检测线圈电压中多数分数次谐波的幅值呈现明显的单调递增趋势。例如，在发电空载工况下，1/9次谐波幅值从正常的0.0261 V增至0.1160 V（15匝短路）；3/9次谐波从0.0111 V增至0.1388 V。在电动负载工况下，7/9次谐波从0.1439 V增至0.8219 V；8/9次谐波从0.1440 V增至1.0067 V。这表明，特征谐波的幅值大小可以在一定程度上反映故障的严重程度，为故障的定量评估提供了潜在依据。
结果三：时域波形的辅助诊断价值 除了频域分析，时域波形也提供了有价值的信息。研究发现，故障磁极所对应的检测线圈感应电压脉冲的峰值幅值，随着短路匝数的增加而显著衰减。例如，在发电空载和电动负载工况的波形图中可以清晰看到这一规律。而与故障磁极相邻的磁极对应的电压脉冲幅值，虽然也可能有所减小，但衰减幅度远小于故障磁极。这一现象可以辅助定位发生匝间短路的故障磁极。
结果四：不同工况下检测效果的细微差异 研究也指出了不同工况下该方法性能的细微差别： 1. 空载与负载工况：在发电空载和电动负载工况下，分数次谐波幅值随故障程度加重的增长趋势最为清晰、规律性最强，最能有效反映故障的严重程度。 2. 负载与调相工况：在发电额定负载和发电/电动调相工况下，虽然故障后分数次谐波幅值相比正常状态有显著增大，足以用于故障的定性检测（即判断故障是否存在），但其幅值随短路匝数增加的增长比例（增幅）并不总是严格成比例，用于精确量化故障程度的性能略逊于空载和电动负载工况。
这些结果之间的逻辑关系清晰：理论推导预测了故障将引入分数次谐波磁场 → 仿真模型在多工况下复现了这一物理现象 → 频谱分析证实了分数次谐波电压的存在，且其幅值与故障程度正相关 → 时域分析补充了故障定位的信息 → 综合对比揭示了该方法在不同工况下的适用性与局限性。所有结果共同指向一个核心结论：U型检测线圈法是一种有效的多工况在线故障检测手段。
第五， 研究的结论与价值 本研究得出明确结论：基于U型检测线圈的检测方法，适用于抽水蓄能机组在各种典型运行工况下对转子绕组匝间短路故障进行在线诊断。 该方法通过捕捉由故障引起的、存在于气隙主磁场中的特征分数次谐波，并将其转化为可测量的感应电压信号，实现了故障的灵敏检测。
研究的价值体现在： 1. 科学价值：从理论上系统推导并仿真验证了多极对抽水蓄能机组转子匝间短路故障的磁场特征（分数次谐波），丰富了该类型电机故障诊断的理论体系。 2. 应用价值：提出并验证了一种具有工程应用潜力的在线监测方案。U型检测线圈结构简单，安装于定子铁心，无需对旋转的转子进行改动，易于实现且不影响机组运行，为抽水蓄能电站的状态监测与预警系统提供了一种新的、可靠的技术选项。 3. 工程指导价值：研究通过详尽的仿真，明确了该方法在不同工况（空载、负载、调相）下的检测效能，为工程人员在实际应用中制定诊断策略（如优先在何种工况下进行数据分析、如何设置报警阈值）提供了重要参考。
第六， 研究的亮点 1. 研究对象的针对性：专门针对极对数多、故障特征微弱的抽水蓄能机组（水轮发电机）转子匝间短路问题展开，填补了该领域在线检测方法研究的不足。 2. 工况覆盖的全面性：并非只研究单一运行状态，而是系统性地仿真了发电、电动、调相三大类共五种典型工况，全面评估了检测方法的鲁棒性和普适性，结论更具说服力和工程参考价值。 3. 故障模拟的梯度性：设置了从正常到5匝、10匝、15匝短路的梯度故障程度，不仅验证了故障检测的可行性，还初步探索了故障严重程度与特征信号幅值之间的量化关系，为故障分级预警提供了可能。 4. 方法的新颖性与实用性结合：所采用的U型检测线圈法原理清晰，实施简便，是对传统探测线圈法的优化与发展，特别适合在大型机组上实施永久性安装和在线监测。
第七， 其他有价值的内容 研究在引言部分对现有的转子匝间短路检测方法（如交流阻抗法、探测线圈法、漏磁通法、轴电压法、定子环流法、无功功率法等）进行了简要综述，并指出了这些方法应用于水轮发电机（抽水蓄能机组）时面临的挑战（如特征微弱、安装不便等），从而凸显了本研究工作的必要性和创新点。此外，文中提供的详细仿真参数（表1）和大量的谐波含量数据表（表2-7），为其他研究者进行对比或复现研究提供了宝贵的数据基础。