基于端口频域特性的水轮发电机转子绕组匝间短路故障诊断研究学术报告

一、 研究作者、机构及发表信息

本研究由孙士涛（华北电力科学研究院有限责任公司）、雷雨、卢毅、宋鹏、郝国文（国网新源控股有限公司）、张杰、狄洪伟（国网新源控股有限公司北京十三陵蓄能电厂）、朱守舵、梅军（北京华科同和科技有限公司）共同完成。研究成果以论文《基于端口频域特性的水轮发电机转子绕组匝间短路故障诊断》的形式，发表于《电机与控制应用》（EMCA）期刊2023年第50卷第4期。

二、 学术背景与研究目的

本研究属于电力设备状态监测与故障诊断领域，具体针对大型水轮发电机（包括抽水蓄能发电电动机）的转子绕组匝间短路故障诊断问题。

研究背景： 大型水轮发电机的转子为显极式转子，其绕组具有匝数多、长度长的特点。在运行中，转子绕组承受着巨大的离心力、热应力以及频繁起停的冲击，匝间短路故障发生概率较高。轻微的匝间短路故障特征微弱，难以早期发现，但若任其发展，可能导致绕组过热、机组振动加剧甚至转子接地等严重事故，造成非计划停机。因此，发展灵敏、可靠的早期诊断技术至关重要。

目前，针对显极式转子绕组的离线诊断主要依赖交流阻抗法。然而，该方法在整体测量时灵敏度不足，通常需要断开磁极间的电气连接进行分磁极测量，操作繁琐，便捷性差，且故障磁极会对相邻磁极的测量结果产生干扰。现有的在线诊断方法（如探测线圈法）或因水电机组磁极结构不同而应用受限，或存在特征量易受工况影响、指向性不强等问题。

研究目的： 针对传统交流阻抗法的不足，本研究旨在提出一种新型的、基于端口频域特性的水轮发电机转子绕组匝间短路离线诊断方法。该方法期望实现以下目标：1）高灵敏度，能够检测微小的匝间短路；2）高便捷性，无需断开磁极间连接或进行复杂的拆装工作，在集电环端口即可完成测试；3）具备故障定位能力，不仅能判断故障是否存在，还能识别故障发生的磁极位置。

三、 详细研究流程与方法

本研究遵循“理论建模-仿真分析-真机验证”的技术路线，具体流程如下：

1. 建立诊断模型（理论建模阶段） * 研究思路： 将水轮发电机转子绕组视为一个多匝耦合的传输线系统。在高频信号激励下，绕组的分布参数特性（电阻、电感、电容、电导）成为主导。匝间短路故障相当于在传输线中引入了阻抗突变点，会改变信号在绕组中的传播与反射特性，最终体现在端口阻抗随频率变化的关系（即频域特性）上。 * 模型构建： 基于多导体传输线（Multi-conductor Transmission Line, MTL）理论，建立了显极式转子绕组的端口频域特性解析模型。 * 参数矩阵建立： 首先，根据转子绕组结构（导体尺寸、匝间绝缘、对地绝缘等），构建了描述单位长度绕组特性的电容矩阵（C）、电感矩阵（L）、电导矩阵（G）和电阻矩阵（R）。这些矩阵考虑了匝间耦合以及对极身、极顶、极底的分布电容。 * 传输线方程求解： 将上述参数矩阵代入MTL理论的基本方程，通过矩阵对角化等数学变换，求解得到描述绕组始末端电压、电流关系的二端口链参数方程，进而推导出端口导纳/阻抗特性方程。该方程的求解结果即为绕组端口阻抗随频率ω变化的函数Z(ω)。 * 故障模拟： 在模型中，通过修改特定位置的链参数矩阵，引入一个代表短路点的电导G，即可模拟任意位置（第几磁极、第几匝）、任意程度（短路电阻大小）的匝间短路故障。 * 创新方法： 本研究将复杂的、多匝耦合的转子绕组抽象为MTL模型，并成功推导出其端口频域阻抗的解析表达式，为从原理上分析故障对频域特性的影响奠定了理论基础。

2. 提出诊断与定位方法（仿真分析阶段） * 研究对象与参数： 以北京某抽水蓄能电站的发电电动机转子（文中称为A转子）为仿真对象。其具体参数包括：磁极数12，每极匝数29，磁极等效周长6.685米，绕组尺寸，绝缘厚度等（详见表1）。 * 仿真流程： 基于上述建立的MTL模型，编写计算程序（流程图见图3），输入A转子的结构参数，分别计算其在正常状态以及在不同磁极（如1号、6号磁极）发生匝间短路时的端口阻抗频谱，频率扫描范围为5 kHz至200 kHz。 * 数据分析与特征提取： * 频谱特征观察： 仿真结果显示，正常绕组的阻抗频谱在特定高频段（本例中约147 kHz）存在一个峰值，之后频谱衰减。发生匝间短路时，阻抗频谱在中高频段（约40 kHz至截止频率fz之间）会出现明显的波动，且不同磁极发生故障时，波动的形态和幅度不同。故障点距离测量端口越近，对频谱的影响越大。 * 增益频谱法： 为了更清晰地凸显故障特征，研究者提出了增益频谱的概念。其定义为故障绕组阻抗频谱Z_f(f)与正常绕组阻抗频谱Z_n(f)比值的对数（以20lg表示）。正常状态下增益频谱应为0 dB的一条直线。发生短路时，增益频谱在截止频率fz之前会出现显著的波动。 * 故障诊断阈值： 提出以增益频谱在fz之前的最大负向峰值Gn作为故障诊断的阈值。短路越严重（匝数越多或电阻越小），Gn的绝对值越大。 * 故障定位方法： 研究发现，增益频谱的波动存在一个特征频宽f1。同时，阻抗频谱本身存在一个低频振荡的周波频段δf，它反映了绕组的全长信息。研究者创新性地提出利用这两个频率参数的比值来估算故障点位置：故障位置比例 Rf = δf / f1。Rf理论上代表了故障点距测量端口的长度占绕组全长的百分比。通过仿真计算不同磁极短路时的Rf，并与理论位置比较，验证了该定位方法的可行性，最大定位误差出现在靠近绕组中心的磁极，为-4.3%。

3. 真机应用与验证（实验验证阶段） * 研究对象与处理： 在真实的A转子上进行实验。该转子处于A级检修后，更换了全新磁极，可视为初始无故障状态。为了验证方法，研究人员采用了人工短路的方式，模拟了1、2、3、6号磁极发生匝间短路的情况。 * 实验方法： 使用HIOKI公司的阻抗分析仪，在转子集电环端口（无需断开磁极间连接）进行扫频测量，获取正常状态及各模拟故障状态下的端口阻抗频谱。测试频率范围与仿真一致。 * 数据处理与对比： * 将实测得到的正常与故障阻抗频谱进行对比，观察其变化趋势。 * 按照仿真分析中提出的方法，计算各故障状态下的增益频谱。 * 从实测增益频谱中提取特征频宽f1，结合从实测正常频谱中得到的δf（实测为19 kHz），计算故障位置比例Rf。 * 将计算得到的Rf换算为实际故障距离，并与人工短路点的真实位置进行对比，计算定位误差。

四、 主要研究结果

1. 仿真结果验证了模型与方法的有效性：

   • 仿真成功复现了转子绕组的端口阻抗频谱特性，并清晰展示了匝间短路导致的频谱畸变。
   • 增益频谱法能有效放大故障特征，使不同位置故障的差异更加直观。
   • 基于δf和f1的定位方法在仿真中取得了较好的精度，最大误差为-4.3%，证明了该原理的可行性。

2. 真机实验结果支持了诊断与定位方法：

   • 诊断有效性： 实测阻抗频谱与仿真结果规律一致。正常与故障状态下的增益频谱对比表明，在fz（实测为164 kHz）之前，故障状态的增益频谱均出现了明显的波动（见图8），而无故障时接近0 dB直线。这直接验证了基于端口频域特性进行故障诊断的有效性。
   • 定位准确性： 根据实测数据计算得到的各故障点定位结果与实际人工短路点位置对比如下：
     • 1号磁极短路：计算位置占比4.8%，实际占比7.7%，误差-2.9%。
     • 2号磁极短路：计算位置占比15.1%，实际占比16.0%，误差-0.9%。
     • 3号磁极短路：计算位置占比23.2%，实际占比24.3%，误差-1.1%。
     • 6号磁极短路：计算位置占比52.8%，实际占比49.3%，误差+3.5%。
   • 实验结果与仿真结论高度一致：定位误差较小（最大绝对误差3.5%），且误差较大的点同样出现在靠近绕组中心（6号磁极）的位置。这充分证明了所提故障定位方法的正确性和工程实用性。

3. 结果逻辑关系： 理论模型为仿真提供了基础，仿真结果预测了故障的频域特征并提出了具体的诊断（Gn阈值）与定位（Rf公式）方法。真机实验则是对仿真预测和所提方法的直接检验。实验结果与仿真预测相符，形成了从理论到实践的完整证据链，证实了整个研究逻辑的合理性。

五、 研究结论与价值

结论： 1. 基于多导体传输线（MTL）理论建立的端口频域阻抗模型，能够有效表征水轮发电机转子绕组的状态，并模拟匝间短路故障的影响。 2. 所提出的基于端口频域特性的诊断方法，能够在不断开磁极间电气连接的条件下，实现转子绕组匝间短路故障的检测与定位。 3. 增益频谱法能有效凸显故障特征，结合特征频率参数δf和f1的定位方法简单有效，误差在工程可接受范围内。

价值： * 科学价值： 将MTL理论成功应用于大型电机转子绕组这类复杂分布参数系统的故障建模，为电机绕组的状态监测提供了一种新的频域分析视角和方法论。 * 应用价值： * 高灵敏度： 该方法基于高频行波反射原理，对微小的匝间短路（如单匝短路）比传统交流阻抗法更敏感，有利于故障的早期发现。 * 高便捷性： 仅需在机组停运时，于集电环处施加低压（<5V）扫频信号即可完成测试，无需任何拆卸工作，实现了“随停随检”，大大提高了检测效率，降低了运维成本。 * 可定位： 不仅能判断故障有无，还能初步定位故障磁极，为后续检修提供了明确方向。 * 标准化潜力： 该方法依赖于绕组自身的固有频响特性，受人为操作和激励形式影响小，易于实现测试过程的标准化和自动化，适合用于设备全生命周期的状态跟踪与趋势分析。

六、 研究亮点

1. 方法创新： 首次将端口频域特性分析与多导体传输线（MTL）建模相结合，应用于水轮发电机转子绕组匝间短路诊断，提出了一种完全不同于传统阻抗或脉冲测试的新原理。
2. 诊断流程创新： 提出了增益频谱这一特征量来增强故障特征的可见度，并创造性地利用阻抗频谱自身的低频周期δf和故障增益频谱的波动频宽f1这两个参数来实现故障定位，原理清晰，计算简便。
3. 工程实用性突出： 研究不仅完成了理论推导和仿真，更重要的是在真实机组转子上进行了多位置的人工短路模拟实验，全面验证了方法的有效性、灵敏度和定位精度，完成了从理论到工程应用的闭环验证。
4. 解决了传统方法的痛点： 直接针对传统交流阻抗法灵敏度低、需分磁极测量、操作繁琐的不足，提供了一种更灵敏、更便捷的替代方案。

七、 其他有价值的要点

• 阈值设定策略： 研究者认识到不同机组参数差异大，难以制定统一阈值，因此提出了一个实用的工程建议：在机组新磁极安装后，通过人工短路模拟建立该机组独有的“故障图谱库”和基准阈值，后续以此为基础进行纵向比较。这体现了方法在实际应用中灵活、可靠的思路。
• 误差分析： 研究对定位误差（尤其是靠近绕组中心误差稍大）的原因进行了简要分析，指出这是由于高频信号在长距离传输中的衰减导致传播速度非线性变化所致，体现了研究的严谨性。
• 潜在扩展性： 所建立的MTL模型和频域分析方法，理论上也可应用于其他类型（如隐极式）的电机绕组故障诊断研究，具有方法上的扩展潜力。