本文档属于类型a，报告了一项单一的原创性研究。
基于开口变压器法的交流电机定子非激励相绕组匝间短路检测研究
一、 研究作者、机构与发表信息
本研究的作者是张龙和武玉才，两人均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。这项研究成果发表于《电机与控制学报》（Electric Machines and Control）2024年2月出版的第28卷第2期。
二、 学术背景与研究目的
本研究的核心科学领域是大型电气设备的状态监测与故障诊断，具体聚焦于交流电机（Asynchronous Motor）的定子绕组匝间短路（Inter-turn Short Circuit）故障检测。
研究背景： 定子绕组匝间短路是交流电机中最常见且最严重的故障之一，其发生率占总故障的38%。这种故障通常由绝缘破坏、机械振动和热应力等因素引发。在故障早期，短路匝数少、阻抗小，但短路电流大，会导致绕组迅速升温，进而可能演变为多匝短路、相间短路甚至单相接地等更严重的故障。因此，对匝间短路进行早期、准确的检测与定位至关重要。目前，已有大量研究关注在线诊断技术，如基于电流分析法、负序分量分析、Park矢量变换、空间矢量法、计算转矩脉动、信息融合等方法。这些方法能够实现实时监测，防止故障恶化。然而，对于数量众多、价格相对较低的中小型交流电机而言，在线诊断设备的性价比不高，且在线技术通常难以对故障点进行物理上的精确定位。因此，在故障定位阶段，仍需依赖可靠、抗干扰性强且能精确定位的离线检测方法。
研究目的： 为了解决交流电机定子绕组匝间短路故障无法快速、准确定位的问题，本研究提出将一种在检测转子绕组匝间短路中应用成熟、经验丰富且成本较低的离线方法——开口变压器法（Open Transformer Method）——移植到检测交流电机定子绕组的匝间短路故障中。研究旨在验证该方法用于定子非激励相绕组匝间短路离线检测的有效性，分析其检测机理，并通过仿真与实验揭示故障特征规律，为交流电机定子绕组匝间短路故障的离线检测与定位提供一种新的、可行的技术思路。
三、 详细研究流程
本研究遵循了从理论分析、仿真建模到实验验证的完整科研流程，具体步骤如下：
流程一：理论分析与特征推导 1. 研究对象与模型建立： 研究首先建立了一个交流电机定子绕组匝间短路的电路模型。该模型设定：定子三相绕组中，仅A相连接激励源（交流电压源），而C相绕组作为非激励相并人为设置故障点（例如通过短路接头c1~c5模拟不同匝数的短路）。检测工具为开口变压器，将其两端面贴合在待测槽的齿顶上。 2. 工作原理分析： 详细阐述了开口变压器检测定子非激励相的工作原理。当A相（激励相）通电时，产生交变磁场。该磁场穿过C相（非激励相）绕组，根据楞次定律，会在C相绕组中感应出环流，此环流产生的磁场与A相磁场方向相反（去磁作用）。通过开口变压器铁心的磁通主要由A相绕组的漏磁通和C相绕组感应电流产生的漏磁通叠加而成。 3. 数学建模与特征提取： 通过电磁感应定律，推导了正常状态下和故障状态下，通过开口变压器铁心的漏磁通表达式。进而，得到了开口变压器绕组感应电动势的表达式。理论分析表明：在正常状态下，感应电动势滞后于激励电流90°。当非激励相发生匝间短路时，故障点会产生短路电流，该电流产生的漏磁通与激励相产生的漏磁通方向相反。根据磁通叠加原理，通过开口变压器铁心的总漏磁通将减少，从而导致开口变压器绕组的感应电动势下降。故障程度（短路匝数）越深，这种去磁效应越显著，感应电动势的下降幅度也越大。这为后续仿真和实验提供了理论预测和判断依据。
流程二：有限元仿真建模与分析 1. 仿真对象与软件： 研究建立了一台Ykk3552-4型笼型异步电动机的二维电磁场有限元仿真模型。该电机的基本参数（如功率、电压、定子槽数、绕组连接方式等）均在论文中列出。仿真模型能够精确模拟电机内部的电磁场分布。 2. 仿真设置： 在仿真中，定子A相施加200V恒压源，电流设定为10A。将C相绕组中的第18号线圈（其两个有效边分别位于第18槽上层和第29槽下层）设置为故障线圈，模拟了从1匝到5匝（故障程度2.38%至11.90%）不同程度的短路情况。开口变压器的绕组匝数设置为20匝。 3. 仿真步骤与数据分析： * 正常状态分析： 首先模拟了仅A相通电的正常状态，观察了磁场分布（呈现以A相轴线为中心的四极脉振磁场）和C相绕组的感应环流（与A相电流基本反相），并计算了开口变压器在C相各槽的感应电动势。结果发现，感应电动势的幅值和相位与槽相对于激励相的位置密切相关：距离激励相轴线越远，电动势越小；相邻激励相电流方向不同，会导致感应电动势相位相反。 * 故障状态分析： 随后，依次模拟了C相18号线圈发生1至5匝短路的情况。仿真记录了：1）C相并联支路环流和短路回路电流的变化（环流增大，短路电流随匝数增加而下降）；2）开口变压器在故障线圈所在槽（第18槽和第29槽）的感应电动势波形。数据分析聚焦于感应电动势幅值随故障程度加深的变化趋势。 * 扩展分析： 为了探究该方法的普适性，研究还仿真了开口变压器在C相其他非故障槽（如17、19、20、28、30、31号槽）的感应电动势，并绘制了各槽感应电动势幅值相对于正常状态下降比例的曲线图。 4. 仿真结论： 仿真结果验证了理论分析。故障状态下，故障槽（18槽和29槽）的开口变压器感应电动势幅值均随短路匝数增加而单调下降。例如，18号槽1匝短路时，电动势幅值较正常下降6.30%。同时，研究也指出，由于同槽可能包含其他相绕组（如28号槽下层为激励相），故障线圈两个边所在槽的感应电动势下降幅度可能存在差异，但至少有一侧槽的下降特征明显，可用于诊断。
流程三：实验验证 1. 实验对象： 研究加工了一台4极48槽的三相异步电动机定子原理样机。定子绕组采用单层绕组，每槽50匝。实验接线中，A相连接激励源，C相绕组中预设了故障点（在4号槽设置了可连接2、4、6、8匝的短路接头）。 2. 实验平台与设备： 搭建了实验检测平台，主要包括：单相调压器（提供激励）、1Ω采样电阻（用于采集A相电流）、自制的150匝开口变压器、以及信号采集仪（用于同步采集电源电压、A相电流、开口变压器感应电动势和短路匝电流）。 3. 实验步骤： * 正常状态测试： 调节调压器使A相电流稳定在1A。首先，测量了电流方向相同的相邻槽（5-8号槽）的开口变压器感应电动势，验证其波形重合度高。其次，测量了空间上电流方向交替的槽（5、17、29、41号槽）的感应电动势，验证其相位关系（同向电流同相位，反向电流反相位）。最后，测量了C相待测的1-4号槽在正常状态下的感应电动势，确认其幅值随远离激励相而减小的规律。 * 故障状态测试： 保持A相激励电流不变，依次短接C相4号槽的2、4、6、8匝。实验记录了不同短路程度下的短路电流波形以及开口变压器在4号槽的感应电动势波形。 4. 实验数据处理： 重点分析了故障槽（4号槽）感应电动势幅值随短路匝数增加的变化情况，并计算了下降百分比。
四、 主要研究结果
五、 研究结论与价值
结论： 本研究通过理论分析、有限元仿真和原理样机实验，系统论证了将开口变压器法应用于交流电机定子非激励相绕组匝间短路离线检测的可行性。研究得出结论：当定子非激励相发生匝间短路时，故障点产生的短路电流会对激励磁场产生去磁作用，导致故障槽槽口的漏磁通减少，从而使放置于该槽的开口变压器绕组的感应电动势幅值下降。故障程度越深，感应电动势的下降幅度越大。因此，通过测量并比较定子各槽的开口变压器感应电动势，可以有效定位发生匝间短路的故障槽。
价值： 1. 科学价值： 将传统用于转子故障检测的开口变压器法创新性地拓展至定子绕组故障检测领域，丰富了交流电机故障诊断的方法体系。研究从电磁场理论层面阐明了该方法的物理机理，并通过仿真与实验揭示了故障特征量与故障程度之间的量化关系，为该方法提供了坚实的理论依据和数据支撑。 2. 应用价值： 该方法具有简单易行、成本低廉、抗干扰性强、能够精确定位故障槽等显著优点。它特别适用于对性价比敏感的中小型交流电机进行定期检修或故障排查，能够快速缩小故障范围，显著缩短检修时间，对于防止故障恶化、提高电机运行可靠性和可用性具有重要的工程实践意义。
六、 研究亮点
七、 其他有价值内容
研究在讨论部分对检测中的一些实际现象进行了分析，例如指出对于紧邻激励相或同槽包含激励相绕组的故障槽，其感应电动势下降可能不如远离激励相的槽明显，但通过检测故障线圈的另一侧边或结合相邻槽的测量结果，仍可实现有效诊断。这体现了研究对方法实际应用场景中复杂性的考虑。此外，文献综述部分较为全面地梳理了定子匝间短路在线诊断技术的各类方法，为读者了解该领域的研究现状提供了清晰的背景。