学术研究报告：基于阶跃激励响应的牵引电机定子早期匝间短路故障诊断方法

一、 研究团队与发表信息

本研究由耿民（中车唐山机车车辆有限公司动车检修部）、秦嘉翼、王喜莲（北京交通大学电气工程学院）、刘明杰（中国铁路济南局集团有限公司）和张川宝（唐山工业职业技术学院）共同完成。研究论文以《基于阶跃激励响应的牵引电机定子早期匝间短路故障诊断方法》为题，发表在期刊《electric drive for locomotives》（中文刊名：《机车电传动》）2024年第2期（3月出版）。

二、 学术背景与研究目的

本研究属于电气工程领域，具体聚焦于牵引电机状态监测与故障诊断技术。牵引电机作为轨道交通等交通运输领域的核心动力设备，其运行可靠性至关重要。统计数据表明，定子绕组匝间短路（Turn-to-Turn Short Circuit, TTSC）是牵引电机最常见的故障类型，占比高达38%。早期匝间短路故障不易察觉，但若不及时处理，可能发展为严重的相间或对地短路，导致电机烧毁、系统停机，造成巨大的安全风险和经济损失。因此，开发一种能够可靠、灵敏地检测牵引电机早期匝间短路故障的方法具有重大的理论意义和工程应用价值。

目前，针对定子匝间短路的诊断方法已有诸多研究，主要包括基于负序电流、序阻抗、信号频谱分析（如傅里叶分析、希尔伯特-黄变换、小波分析）以及Park矢量法等。然而，这些方法在实际应用中面临一些挑战：基于负序电流和阻抗的方法易受电网电压不平衡、负载波动以及电机固有不对称性的干扰；基于信号处理的方法往往算法复杂，存在频谱泄露、模态混叠或基函数选择困难等问题；而一些图像或轨迹分析方法则可能受识别精度影响，导致误判或漏判。此外，部分方法需要复杂的硬件支持或大量历史数据，在工程现场实施存在困难。

针对上述问题，本研究旨在提出一种操作简便、抗干扰能力强、且对早期故障灵敏的新型诊断方法。其核心思想是：在电机静止状态下，对定子绕组施加直流阶跃激励，通过分析不同相间串联连接时稳态响应电流的变化特征，构造出一个能够精确表征早期匝间短路故障及其严重程度，并能有效滤除电机固有不对称影响的故障特征分量。该方法期望为牵引电机的在线或离线预防性维护提供一种高效、可靠的技术手段。

三、 详细研究流程与方法

本研究遵循了理论建模、仿真验证与实验测试相结合的完整科研流程，具体步骤如下：

1. 理论建模与特征量推导 * 研究对象与模型： 研究以三相异步牵引电机为对象。首先建立了电机定子绕组发生匝间短路（以A相为例）后的等效电路模型。模型中考虑了短路匝数比例（短路系数μ）、短路支路电阻（rf）等关键故障参数，并利用绕组函数法推导了故障状态下各相绕组的电阻、自感及互感表达式。 * 激励方式与电路分析： 提出了独特的故障激励与检测方式：将电机三相绕组中的任意两相串联，另一相开路，然后对该串联回路施加一个直流电压阶跃激励。根据故障相是否包含在被激励的两相之中，分为两种情况： * 情况一（故障相为被激励相）： 例如A相故障，对A-B相或A-C相施加激励。通过基尔霍夫电压定律列写电路方程，求解微分方程组，最终推导出响应电流（如iab, iac）的时域表达式。理论分析表明，其稳态值（im - kf*if）与短路系数μ相关，且随μ增大而增大，但增长速率受短路电阻rf影响（rf越大，增长越平缓）。 * 情况二（非故障相为被激励相）： 例如A相故障，对B-C相施加激励。推导出的响应电流（ibc）稳态表达式（u/(2rs)）与故障参数无关，仅取决于电源电压和绕组电阻。 * 故障特征分量构建： 基于以上分析，定义了一个新的故障特征分量ik。以A相故障为例，ik = (iab - ibc) + (iac - ibc)。对于理想对称的电机，无故障时iab、iac、ibc三者相等，ik=0。发生故障后，iab和iac增大，ibc不变，ik随之增大。为了消除实际电机固有的轻微不对称性（导致无故障时ik不为零，记为ik0）带来的干扰，进一步定义了净故障特征分量ik1 = ik - ik0。ik1仅由故障引起，无故障时其值为0，从而实现了对电机本体不对称性的鲁棒性。

2. 仿真模型建立与验证 * 仿真平台与对象： 研究使用MATLAB/Simulink软件搭建仿真模型。仿真对象为一台YE2-100L1-4型三相异步电动机，其额定电压、功率、电阻、电感等参数均被详细列出并用于模型参数设置。 * 仿真方法： 利用Simulink中的S-Function模块，根据前述建立的匝间短路数学模型编写代码，采用四阶龙格-库塔法求解电机动态方程，以获取定、转子电流响应。 * 仿真内容与流程： * 有效性验证： 对比正常电机与设定匝间短路故障电机，在施加相同幅值（20V）、持续时间（3s）的阶跃电压激励后，响应电流（如iab）的波形。仿真结果清晰显示，故障后响应电流的稳态值显著高于正常状态，初步验证了方法的有效性。 * 灵敏度与鲁棒性分析： 系统性地改变短路系数μ（模拟故障严重程度）和短路电阻rf（模拟故障早期绝缘未完全击穿时的高阻状态），计算并观察故障特征分量ik的变化。仿真数据以表格形式列出，结果表明：在不同rf（0.5Ω, 1Ω, 5Ω）下，ik均随μ单调递增，且变化曲线几乎重合。这证明了ik1（理论上等于ik，因为仿真模型为理想对称）能够灵敏反映故障严重程度，且对短路电阻的变化不敏感，即对早期高阻故障同样有效。

3. 试验平台搭建与实证分析 * 试验对象与准备： 试验采用与仿真同型号的YE2-100L1-4电机，并对其进行了特殊改造以模拟真实匝间短路。在电机A相绕组的特定匝数位置（第2、3、5、7、12匝）引出抽头。通过短接不同抽头，可以精确模拟不同短路匝数（即不同μ）的故障状态。试验前测量确认该电机在无故障时三相绕组电阻即存在轻微不对称，这为验证方法抗不对称干扰能力提供了真实条件。 * 试验系统： 主要包括改造后的故障电机、可调直流电源（用于产生阶跃激励）、电流测量设备等。 * 试验流程： * 依次对电机的A-B、A-C、B-C相绕组串联对施加20V直流阶跃电压。 * 测量并记录每种连接方式下的稳态响应电流值（iab, iac, ibc）。 * 在电机无故障状态下，先测量并计算固有不对称分量ik0。 * 然后，设置不同的短路匝数（模拟不同μ），重复上述测量，得到总的ik。 * 根据公式ik1 = ik - ik0计算净故障特征分量。 * 数据处理与分析： 将试验测得的iab, iac, ibc稳态值随μ变化的曲线、以及计算得到的ik和ik1随μ变化的曲线，与仿真结果进行对比分析。

四、 主要研究结果

1. 理论推导结果： 成功推导了故障相参与激励和非故障相参与激励两种情况下，阶跃响应电流的稳态表达式。明确了故障相参与激励时的响应电流稳态值与短路系数正相关，是故障诊断的敏感指标；而非故障相参与激励时的响应电流与故障无关，可作为参考基准。由此构建的故障特征分量ik及其净化版本ik1，在理论上具备了故障指示和抗固有不对称干扰的能力。

2. 仿真结果：

   • 波形对比： 仿真波形直观显示，发生匝间短路后，故障相参与激励的响应电流稳态值明显上升，与理论分析一致。
   • 特征分量特性： 仿真数据表格（表2）是核心证据。数据显示，在短路电阻从0.5Ω变化到5Ω（覆盖了从低阻到较高阻的故障状态）的范围内，对于同一个短路系数μ，计算出的故障特征分量ik值几乎完全相同。例如，当μ=0.020时，rf为0.5Ω、1Ω、5Ω对应的ik值分别为0.039784, 0.039784, 0.039783。这强有力地证明了该方法对短路电阻变化不敏感，能够有效检测早期高阻匝间短路故障。同时，ik值随μ增大而稳定增长，显示了其对故障严重程度的良好指示性。

3. 试验结果：

   • 响应电流变化趋势： 试验测得的iab、iac、ibc稳态值变化曲线（图6）验证了理论预期：当A相发生故障时，涉及A相的激励回路（A-B, A-C）其响应电流随短路匝数增加而增大；而不涉及A相的激励回路（B-C）其响应电流基本不变。这直接证明了所选取的电流量是有效的故障敏感观测量。
   • 特征分量的抗干扰性能验证： 试验得到的ik和ik1随μ变化曲线（图7）与仿真结果的对比至关重要。由于试验电机存在固有不对称，直接计算的总特征分量ik的曲线与仿真（理想对称）曲线存在明显偏差。然而，通过减去无故障时的基准值ik0得到的净特征分量ik1，其变化曲线与仿真曲线高度吻合。这一结果直接证实了所提方法能够有效滤除电机固有不对称性的影响，提取出仅与故障相关的真实信号。
   • 故障诊断阈值设定： 基于试验数据，研究提出了具体的故障判定阈值。对于该试验电机，当ik1 > 0.005 A时，可判断发生了至少1匝及以上的短路故障（对应μ约0.004）。研究还将故障严重程度进行了初步分级（如表3所示），为工程应用中的预警和维修决策提供了量化依据。

五、 研究结论与价值

本研究提出并验证了一种基于直流阶跃激励稳态响应电流的牵引电机定子早期匝间短路故障诊断方法。主要结论如下： 1. 方法有效性： 该方法通过测量电机静止时特定相间串联回路的直流稳态电流，能够灵敏地检测出早期的匝间短路故障，并且故障特征分量ik1的大小可以反映故障的严重程度。 2. 方法鲁棒性： 该方法对故障初期的短路电阻变化不敏感，能够检测高阻状态的早期故障；同时，通过差分计算（ik1 = ik - ik0）有效消除了电机三相固有不对称对诊断结果的干扰，提高了可靠性。 3. 工程实用性： 该方法无需电机运行，在静止状态下即可实施；所需设备简单（主要是可调直流源和电流表）；操作便捷，无需复杂的信号处理算法；易于设定明确的故障预警阈值。

该研究的价值体现在： * 科学价值： 为电机故障诊断领域提供了一种新的思路，即利用离线/静态激励下的端口电气特性变化来诊断内部绕组故障，避免了在线监测中工况复杂多变的干扰问题。 * 应用价值： 特别适用于轨道交通领域牵引电机的日常检修和维护。可在机车、动车组每次出库前或回库后快速进行测试，实现早期故障的预防性诊断，对于保障牵引系统安全、防止故障扩大、降低维护成本具有极大的工程实践意义。

六、 研究亮点

1. 诊断原理新颖： 创新性地采用“直流阶跃激励”和“三相绕组两两串联测试”的静态测试模式，原理清晰，从根本上避免了电源不平衡、负载波动等运行工况的干扰。
2. 特征量构建巧妙： 提出的故障特征分量ik1通过简单的电流测量和代数运算获得，不仅对故障敏感，而且通过“差分”思想天然地补偿了电机固有的不对称性，设计巧妙，鲁棒性强。
3. 面向早期故障： 通过理论和仿真证明了该方法对表征早期故障特征的“高短路电阻”不敏感，专注于故障匝数本身，切实瞄准了工程实践中亟需解决的早期绝缘劣化检测难题。
4. 研究链条完整： 工作涵盖了从数学模型理论推导、仿真验证到物理实验验证的全过程，且仿真与试验结果相互印证，结论可信度高。

七、 其他有价值内容

研究在讨论部分对方法的应用场景给出了明确建议：通过在机车和动车组每次启动前和停车后测量故障特征值，即可监测牵引电机定子绕组的状态。这为该方法从实验室走向现场应用描绘了清晰、可行的路径。此外，论文对现有多种诊断方法进行了简要而全面的综述，为读者了解该领域的研究现状提供了很好的背景信息。