汽轮发电机转子绕组短路故障在线定位方法研究学术报告
一、 作者、机构与发表信息
本研究由浙江大学的陈锐（硕士研究生）与杨仕友（教授，博士生导师）共同完成。研究成果以题为《汽轮发电机转子绕组短路故障在线定位方法研究》的学术论文形式，发表于《电机与控制学报》（Electric Machines and Control）2023年2月第27卷第2期。
二、 研究背景与目标
本研究属于电气工程领域，具体聚焦于大型旋转电机（汽轮发电机）的状态监测与故障诊断方向。转子绕组短路是同步发电机最常见的故障之一，占比超过40%。故障初期会导致励磁电流增大、无功出力下降、气隙磁场畸变并引发定子环流，若未及时处理，可能进一步导致机座与轴磁化等严重问题，直接威胁发电机的长期安全稳定运行。因此，对转子绕组短路故障进行早期、准确的检测与定位具有重要的工程实际意义。
现有的故障检测方法主要分为离线与在线两类。离线检测（如重复脉冲法、交流阻抗法）虽灵敏度高，但需停机进行，经济成本高且无法捕捉动态故障。在线检测方法中，探测线圈法及其衍生方法（如双检测线圈法、穿心螺杆与支持筋协同诊断法）虽然有效，但通常需要在电机内部安装额外的传感装置，属于侵入式方法，对于已投运的发电机实施难度大、改造成本高。另一些基于电气或机械特征（如无功功率变化、励磁电流交流分量、振动特性）的在线方法，虽然实现了非侵入式检测，但大多只能判断故障是否存在，无法精确定位故障发生的具体槽位。
鉴于此，本研究旨在解决现有方法的局限性，提出一种非侵入式的在线故障检测与定位方法。其核心目标是：在不改变发电机原有结构、不安装内部传感器的前提下，仅通过分析发电机外部可测的电气信号，不仅能检测出转子绕组是否发生短路故障，还能精确定位短路发生在转子的哪一个具体槽位。为实现这一目标，研究首先需要深入分析转子短路故障的电磁机理，明确故障特征信号，并建立特征信号与故障位置之间的映射关系。
三、 详细研究流程与方法
本研究采用了“理论分析-建模仿真-特征提取-方法构建-实例验证”的系统性研究流程，具体步骤如下：
1. 故障电磁特性理论分析： 研究首先从气隙磁动势（Magnetomotive Force, MMF）的数学模型入手，对转子绕组短路故障的电磁本质进行了理论推导。分析指出，在正常无故障状态下，空载气隙磁动势仅由奇数次谐波构成。当转子某槽绕组发生短路时，其物理效应可等效为在正常励磁磁动势上叠加一个由短路匝形成的“反向电流”产生的磁动势。通过严格的傅里叶分解证明，这个反向电流磁动势不仅包含奇次谐波，还引入了偶数次谐波分量。这从理论上首次明确了转子绕组短路故障的一个关键电磁特征：会激发气隙磁场中的偶数次谐波。
2. 基于有限元（Finite Element Method, FEM）的精细化仿真建模与验证： 理论分析基于简化模型，未考虑磁饱和、电机齿槽结构、负载工况等复杂因素的影响。为此，研究团队建立了所研究汽轮发电机的二维瞬态场有限元模型。该模型能够精确模拟电机的几何结构、材料非线性（磁饱和）以及不同运行工况。 * 研究对象的建模：以一台典型汽轮发电机为对象，其定子绕组采用双Y接法（即每相有两条并联支路），建立了包含所有定转子槽、绕组细节的有限元模型。 * 模型准确性验证：在施加额定负载条件进行仿真后，将计算得到的额定线电压和相电流波形与预期值进行对比。结果显示仿真波形（如图13，图14所示）与实际工况高度吻合，证明了所建立有限元模型具有很高的计算精度，足以支持后续各种故障场景的仿真分析。 * 多工况、多故障场景模拟：利用该已验证的模型，系统性地模拟了多种情景： * 工况：包括空载和额定负载。 * 故障变量：在不同转子槽位（如1, 3, 5, 7, 10号槽）、不同短路匝数（2匝、6匝、10匝）下设置短路故障。 * 数据获取：对每一种故障情况，计算并提取故障前后的气隙径向磁密（Radial Magnetic Flux Density, *B_r*）分布。
3. 故障特征信号的深入分析与规律总结： 对仿真获得的海量数据进行深入处理和分析，是本研究的核心环节。 * 计算气隙径向磁密变化量（δ*B_r*）：为了凸显故障特征，将故障后的*B_r*减去同工况、同励磁电流下的正常*B_r*，得到纯由短路故障引起的气隙径向磁密变化量δ*B_r*。 * 波形与谐波分析：观察δ*B_r*的波形（如图8，图9）发现，其形状与理论分析中的反向电流磁动势波形相似但受齿槽和磁饱和影响而不完全相同。更重要的是，对不同短路匝数下的δ*B_r*进行归一化处理后（如图10），其波形基本重合。这揭示了一个关键规律：δ*B_r*的波形（形状）主要取决于故障槽的位置和当前运行工况，而与短路匝数的多少基本无关；短路匝数只影响δ*B_r*的幅值大小，两者成正比关系。 * 谐波分析验证：对δ*B_r*进行傅里叶分析（如图11），结果清晰显示，故障后δ*B_r*中出现了显著的偶数次谐波（2次、4次、6次等），且各次谐波幅值与短路匝数成正比。这完全印证了理论分析的结论，并将偶数次谐波确立为转子绕组短路故障的可靠特征谐波。
4. 非侵入式检测与定位方法的提出： 直接测量气隙磁密（δ*B_r*）需要安装内部探测线圈，不满足非侵入式要求。本研究创造性地将故障特征与发电机定子绕组的固有结构相结合，提出了基于定子并联支路环流的解决方案。 * 机理转换：分析指出，气隙径向磁密的偶数次谐波分量，会在定子每相的两条并联支路中感应出幅值相等但相位相反的电动势（如图12b等效电路所示）。由于电动势方向相反，它们无法在相电流中抵消，而是在两条并联支路之间形成环流（Circulating Current）。因此，故障引起的δ*B_r*中的偶数次谐波，会转化为定子并联支路环流中的同次偶数次谐波。 * 定位原理的建立：这是本研究的创新核心。基于第3步发现的规律：δ*B_r*的波形（谐波成分比例和相位）由故障槽位置决定。那么，由δ*B_r*感应出的环流，其各偶数次谐波的幅值比例关系（如2次谐波幅值/4次谐波幅值，4次谐波幅值/6次谐波幅值）以及各谐波的绝对相位，也必然与故障槽位置存在唯一对应的关系。这构成了故障定位的物理基础。 * 定位方法的完善：研究进一步指出，对于在空间上关于发电机交轴（q轴）对称的一对槽（例如7号槽和10号槽），它们短路产生的δ*B_r*波形可能具有相似的谐波幅值比例，仅凭幅值比可能无法区分。但此时，由于空间位置对称，它们产生的环流谐波（特别是2次谐波）的相位会相差大约180度。因此，综合运用环流偶数次谐波的幅值比值信息和相位信息，即可实现对转子任意槽位短路故障的唯一定位。
5. 故障实例仿真验证： 为验证所提方法的有效性，研究对建立的有限元模型设置了全面的测试案例。 * 故障检测验证：仿真了额定工况下1号槽发生不同匝数短路（2、6、10匝）的情况。提取定子并联支路环流并进行谐波分析（结果如表1）。数据显示，即使只有2匝短路（轻微故障），环流中的2次、4次谐波幅值相较于无故障状态也出现了数量级的增长（例如2次谐波从0.001kA增至0.218kA），而奇次谐波基本不变。这清晰地证明，通过监测环流中的偶次谐波，可以在故障初期实现有效检测。 * 故障定位验证： * 幅值比定位：表2展示了1、3、5号槽短路时，环流2次与4次谐波幅值比（*I{2m}/I{4m}*）和4次与6次谐波幅值比（*I{4m}/I{6m}*）。不同槽位对应的比值具有明显差异，且在同一槽位下，不同短路匝数对应的比值非常稳定。这证实了利用谐波幅值比值可以对一个极距内的故障槽进行区分和定位。 * 相位定位及对称槽区分：表3给出了1、3、5号槽短路时环流2次和4次谐波的相位，显示相位随槽位变化而变化。特别地，对于关于交轴对称的7号和10号槽，表4显示它们的谐波幅值比非常接近，难以区分。但表5显示，这两个槽短路时环流2次谐波的相位分别约为15°和-165°（即约-164°），两者相差接近180°。这完美验证了结合相位信息可以解决对称槽的定位模糊问题，从而实现全转子槽位的精确定位。
四、 主要研究结果
五、 研究结论与价值
本研究得出以下核心结论： 1. 汽轮发电机转子绕组短路故障的电磁本质特征是会激发气隙磁场中的偶数次谐波。 2. 故障引起的气隙径向磁密变化δ*B_r*的波形仅与运行工况和短路槽位置有关，其幅值与短路匝数成正比。 3. 通过检测定子并联支路环流中的偶数次谐波，可以实现故障的早期非侵入式检测。 4. 综合利用环流偶次谐波的幅值比值和相位信息，可以构建故障位置与电气信号特征之间的映射，最终实现对转子任意槽绕组短路故障的在线精确定位。
本研究的价值主要体现在： * 科学价值：深入揭示了转子绕组短路故障在多物理场（电磁场、电路）耦合下的谐波传递机理，明确了从故障源（转子短路）到可观测信号（定子环流）的完整特征传递路径，为基于谐波分析的电机故障诊断提供了新的理论依据。 * 应用价值：提出了一种完全非侵入式的在线故障定位方法。该方法仅需在发电机出口处或中性点测量定子分支电流（或通过计算得到支路环流），无需对发电机本体进行任何改造，实施方便、成本低，非常适合对已投运的大型汽轮发电机进行状态监测与智能诊断，具有极高的工程推广潜力和经济效益，能为发电机的安全、稳定、长期运行提供有力保障。
六、 研究亮点