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摘要：对风力发电用的双馈式感应发电机的绕组故障形式进行了分析。分析了定子匝间短路故障电流信号原理，指出了匝间短路的电流信号故障特征，定子匝间短路短路同样引起电机电磁转矩的变化，通过分析电机电磁转矩中的特征频率，可以监测电机的定子匝间短路故障。
关键词：双馈式感应电机；绕组故障；匝间短路
1、引言
风力发电系统一般由风机、传动装置（齿轮箱、传动轴）、风力发电机、变流器、变压器、以及驱动电路组成。目前风力发电机主要使用双馈式感应发电机。随着新能源的发展，其装机容量增长十分迅速。双馈感应发电机本质是一种绕线式异步电机。由于双馈式风力发电机在运行过程中，随着风速的变化，其发电机旋转速度也在不断随之变化，同时，区别于水力发电机和火力发电机，大规模风电基地往往建立在自然环境恶劣，昼夜温差较大的三北地区。因而相比于汽轮发电机和水力发电机，双馈式风力发电机的故障率普遍偏高。为满足能源合理开发利用的需求，必须提高风力发电机的稳定性和可靠性。
双馈感应电机是风力发电系统的核心，风能通过叶片和机械传动装置带动发电机转子，风能转化为机械能负责将机械能转化为电能。
风力发电机的运行状态对风力发电系统至关重要，风力发电机停运和故障会造成巨大经济损失和对电网稳定性造成影响。因此对风力发电机的故障进行研究具有重要的意义。双馈感应电机的电气故障中，绕组故障占大部分。定、转子绕组故障是其绕组故障的主要形式。其中定子匝间短路故障约占定子绕组故障的50%。
双馈电机的定转子匝间短路故障是一种典型的电机电气故障。它具有一些与其他故障不同的特点。这类故障在其故障早期故障现象不显著，长期往往引起更严重的短路故障，其故障演变时间一般较长。目前针对这一故障已有很多，从电机的阻抗参数出发研究匝间短路故障特征，指出匝间短路会影响电机的阻抗参数，利用有限元法分析电机匝间短路故障前后的电机电磁场，搭建了电机匝间短路的有限元模型，模拟分析电机匝间短路故障。针对双馈电机定子轻微匝间短路时时域特征变化不明显的问题，采用Park’矢量轨迹图对电机故障进行描绘，可以明显的观察到故障特征，有利于电机匝间短路故障的判断分析。有研究从数学算法角度和信号变换角度出发，针对电机故障信号提取与识别，提高信号处理的效率、识别能力和频谱分析精度等。针对传统fft算法存在频谱泄露和栅栏现象进行改进，采用基于差分算法相结合的Prony算法来对定子匝间短路故障进行数据分析，提高了故障数据分析的精度和速度。
双馈发电机绕组匝间短路的故障基本机理：以三相风力发电机为例，当双馈感应风力发电机正常运行，无匝间短路故障时，三相对称的定子绕组所产生的圆形旋转磁场与三相对称的转子绕组产生的圆形旋转磁场感应出三相对称的电动势。当发生定子或转子匝间短路故障后，风力发电机的气隙磁场不再对称，这导致电机的定、转子电压电流中感应出与匝间短路故障相关的特征谐波。有功功率、无功功率、电磁转矩等电气信号和转矩、振动等机械信号均发生改变。目前的研究主要是集中于对这些故障特征信号的识别与提取。
2、双馈电机定子绕组匝间短路分析研究
目前针对电机定子匝间短路的研究主要集中在：电气物理原理分析主要是电流故障特征谐波分析和电磁转矩特征谐波分析。
2.1基于定、转子电流特征频率的定子匝间短路分析
电机正常运行时，定、转子均为对称的三相电流，假设f1、f2分别为定、转子电流频率，n1、n2为定、转子磁场转速，nr为转子旋转速度，则：
n1 = n2+nr （2-1）
因f1 = n1 /60，f2 = n2 /60，有
■+f2 = f1
当转差率为时，定子匝间短路在转子电流中产生的谐波为：
f = （2-s）f （2-2）
式中f 为电网电压频率。在转子电流中感应出f "=（2+s）f次谐波。因此可以根据发电机的定子電流谐波中（2-s）f分量和转子电流谐波中的（2+s）f分量来识别电机定子绕组匝间短路故障。此外，定子匝间短路故障也会影响风机的有功功率和无功功率，引起发电机有功率减少，无功功率增加。
2.2基于定子匝间短路下的电磁转矩的特征频率分析
由于匝间短路发生后，本质上引起气隙磁场的不对称，电机的电磁转矩与气隙磁场息息相关，因此，匝间短路故障会在电磁转矩中引起相应的短路故障特征。从而分析故障下的电磁转矩对匝间短路故障的提取与识别具有重要意义。
双馈异步发电机正常运行时，其基波磁动势为：
F （α，t） = Fs （α，t） + Fr （α，t） （2-3）
电机发生匝间短路故障之后，磁场磁动势改变，此时：
Fs （α，t） = Fsicos （npα±ω1t） + Fr （α，t） （2-4）
其中：α为定子机械角度；
Fs为定子基波磁动势；
Fsi定子绕组谐波磁动势；
Fr为转子基波磁动势；
ω1定子频率，p为极对数；
n = 1，6k±1（k=1，2，3...）
由于高频谐波含量较少，主要考虑k取1，2时。
（2-5）
定子匝间短路，转子正常时，转子空间磁动势为：
（2-6）
ω转子旋转角速度，ω2转子电流频率， Fri转子绕组谐波磁动势。
文献[9]指出，双馈电机的电磁转矩公式为：
（2-7）
其中Λ0为单位面积气隙磁导，R为定子内圆半径，L为定子轴向长度。
由式（2-5）、（2-6）、（2-7）可得：
（2-8） 其中：
其中ω1=ω+ω2，由式（2-8）可知定子匝间短路时电磁转矩中的特征频率。当转差率为0.3时，ω2为15，ω为35，不论转差率为多少，ωT1100Hz。
并且其特征频率分别为：110Hz，210Hz，310Hz等。这些特征频率即为转差率为0.3时，双馈感应发电机定子匝间短路故障的特征频率。
3、结束语
（1）本文从定、转子电流出发研究了定子匝间短路故障的故障特征。分析了故障情况下定子匝间短路在转子中引起的故障特征频率。在电网频率确定的情况下，其主要由转差率决定。
（2）本文从风力发电机的气隙磁场出发，推导了定子匝间短路故障下，气隙磁动势的变化规律，进一步根据磁动势与电磁转矩的关系分析了定子匝间短路故障下，电磁转矩的变化其与定子电流频率、转子励磁电流频率，转子旋转频率相关。
（3）针对风力发电机的匝间短路故障早期故障特征不明显等问题，尚待进一步研究。
参考文献：
[1]马宏忠.电机状态监测与故障诊断[M]. 机械工业出版社， 2008.
[2]王悦川.双馈风力发电机绕组匝间短路故障的研究[D]. 华北电力大学， 2016.
[3]张志新，马宏忠，钱雅云，等.基于磁场变化的双馈异步风力发电机定子绕组匝间短路故障仿真分析[J]. 电网与清洁能源， 2012， 28（9）：68-72.
[4]魏书荣，符杨，马宏忠.双馈风力发电机定子绕组匝间短路诊断与实验研究[J]. 电力系统保护与控制， 2010， 38（11）：25-28.
[5]李俊卿，朱锦山.基于Prony算法的双馈异步发电机定子匝间短路特征分析[J]. 电机与控制应用， 2016， 43（7）：86-91.
[6]张立鹏，李忠徽.双馈风力发电机绕组匝间短路故障診断综述[J]. 河北电力技术， 2017（5）：32-34.
[7]李俊卿，王栋，王喜梅.双馈感应发电机定子绕组匝间短路时电磁特征[J]. 华北电力大学学报（自然科学版）， 2015， 42（1）：15-21.
[8]孙丽玲，邢东霞.弱电网下双馈感应发电机定子匝间短路故障时电网电压稳态分析[J]. 电机与控制应用， 2017， 44（1）：71-76.
[9]张艳，马宏忠，付明星，等.定子匝间短路时双馈异步发电机电磁转矩的研究[J]. 电机与控制应用， 2017， 44（9）：16-21.
（作者单位：中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司）
作者简介：王园（1991.06.25），性别：男；籍贯：陕西；民族：汉族；学历：本科；职称：助理工程师；职务：新能源发电运行专责。
关键词：双馈式感应电机；绕组故障；匝间短路
1、引言
风力发电系统一般由风机、传动装置（齿轮箱、传动轴）、风力发电机、变流器、变压器、以及驱动电路组成。目前风力发电机主要使用双馈式感应发电机。随着新能源的发展，其装机容量增长十分迅速。双馈感应发电机本质是一种绕线式异步电机。由于双馈式风力发电机在运行过程中，随着风速的变化，其发电机旋转速度也在不断随之变化，同时，区别于水力发电机和火力发电机，大规模风电基地往往建立在自然环境恶劣，昼夜温差较大的三北地区。因而相比于汽轮发电机和水力发电机，双馈式风力发电机的故障率普遍偏高。为满足能源合理开发利用的需求，必须提高风力发电机的稳定性和可靠性。
双馈感应电机是风力发电系统的核心，风能通过叶片和机械传动装置带动发电机转子，风能转化为机械能负责将机械能转化为电能。
风力发电机的运行状态对风力发电系统至关重要，风力发电机停运和故障会造成巨大经济损失和对电网稳定性造成影响。因此对风力发电机的故障进行研究具有重要的意义。双馈感应电机的电气故障中，绕组故障占大部分。定、转子绕组故障是其绕组故障的主要形式。其中定子匝间短路故障约占定子绕组故障的50%。
双馈电机的定转子匝间短路故障是一种典型的电机电气故障。它具有一些与其他故障不同的特点。这类故障在其故障早期故障现象不显著，长期往往引起更严重的短路故障，其故障演变时间一般较长。目前针对这一故障已有很多，从电机的阻抗参数出发研究匝间短路故障特征，指出匝间短路会影响电机的阻抗参数，利用有限元法分析电机匝间短路故障前后的电机电磁场，搭建了电机匝间短路的有限元模型，模拟分析电机匝间短路故障。针对双馈电机定子轻微匝间短路时时域特征变化不明显的问题，采用Park’矢量轨迹图对电机故障进行描绘，可以明显的观察到故障特征，有利于电机匝间短路故障的判断分析。有研究从数学算法角度和信号变换角度出发，针对电机故障信号提取与识别，提高信号处理的效率、识别能力和频谱分析精度等。针对传统fft算法存在频谱泄露和栅栏现象进行改进，采用基于差分算法相结合的Prony算法来对定子匝间短路故障进行数据分析，提高了故障数据分析的精度和速度。
双馈发电机绕组匝间短路的故障基本机理：以三相风力发电机为例，当双馈感应风力发电机正常运行，无匝间短路故障时，三相对称的定子绕组所产生的圆形旋转磁场与三相对称的转子绕组产生的圆形旋转磁场感应出三相对称的电动势。当发生定子或转子匝间短路故障后，风力发电机的气隙磁场不再对称，这导致电机的定、转子电压电流中感应出与匝间短路故障相关的特征谐波。有功功率、无功功率、电磁转矩等电气信号和转矩、振动等机械信号均发生改变。目前的研究主要是集中于对这些故障特征信号的识别与提取。
2、双馈电机定子绕组匝间短路分析研究
目前针对电机定子匝间短路的研究主要集中在：电气物理原理分析主要是电流故障特征谐波分析和电磁转矩特征谐波分析。
2.1基于定、转子电流特征频率的定子匝间短路分析
电机正常运行时，定、转子均为对称的三相电流，假设f1、f2分别为定、转子电流频率，n1、n2为定、转子磁场转速，nr为转子旋转速度，则：
n1 = n2+nr （2-1）
因f1 = n1 /60，f2 = n2 /60，有
■+f2 = f1
当转差率为时，定子匝间短路在转子电流中产生的谐波为：
f = （2-s）f （2-2）
式中f 为电网电压频率。在转子电流中感应出f "=（2+s）f次谐波。因此可以根据发电机的定子電流谐波中（2-s）f分量和转子电流谐波中的（2+s）f分量来识别电机定子绕组匝间短路故障。此外，定子匝间短路故障也会影响风机的有功功率和无功功率，引起发电机有功率减少，无功功率增加。
2.2基于定子匝间短路下的电磁转矩的特征频率分析
由于匝间短路发生后，本质上引起气隙磁场的不对称，电机的电磁转矩与气隙磁场息息相关，因此，匝间短路故障会在电磁转矩中引起相应的短路故障特征。从而分析故障下的电磁转矩对匝间短路故障的提取与识别具有重要意义。
双馈异步发电机正常运行时，其基波磁动势为：
F （α，t） = Fs （α，t） + Fr （α，t） （2-3）
电机发生匝间短路故障之后，磁场磁动势改变，此时：
Fs （α，t） = Fsicos （npα±ω1t） + Fr （α，t） （2-4）
其中：α为定子机械角度；
Fs为定子基波磁动势；
Fsi定子绕组谐波磁动势；
Fr为转子基波磁动势；
ω1定子频率，p为极对数；
n = 1，6k±1（k=1，2，3...）
由于高频谐波含量较少，主要考虑k取1，2时。
（2-5）
定子匝间短路，转子正常时，转子空间磁动势为：
（2-6）
ω转子旋转角速度，ω2转子电流频率， Fri转子绕组谐波磁动势。
文献[9]指出，双馈电机的电磁转矩公式为：
（2-7）
其中Λ0为单位面积气隙磁导，R为定子内圆半径，L为定子轴向长度。
由式（2-5）、（2-6）、（2-7）可得：
（2-8） 其中：
其中ω1=ω+ω2，由式（2-8）可知定子匝间短路时电磁转矩中的特征频率。当转差率为0.3时，ω2为15，ω为35，不论转差率为多少，ωT1100Hz。
并且其特征频率分别为：110Hz，210Hz，310Hz等。这些特征频率即为转差率为0.3时，双馈感应发电机定子匝间短路故障的特征频率。
3、结束语
（1）本文从定、转子电流出发研究了定子匝间短路故障的故障特征。分析了故障情况下定子匝间短路在转子中引起的故障特征频率。在电网频率确定的情况下，其主要由转差率决定。
（2）本文从风力发电机的气隙磁场出发，推导了定子匝间短路故障下，气隙磁动势的变化规律，进一步根据磁动势与电磁转矩的关系分析了定子匝间短路故障下，电磁转矩的变化其与定子电流频率、转子励磁电流频率，转子旋转频率相关。
（3）针对风力发电机的匝间短路故障早期故障特征不明显等问题，尚待进一步研究。
参考文献：
[1]马宏忠.电机状态监测与故障诊断[M]. 机械工业出版社， 2008.
[2]王悦川.双馈风力发电机绕组匝间短路故障的研究[D]. 华北电力大学， 2016.
[3]张志新，马宏忠，钱雅云，等.基于磁场变化的双馈异步风力发电机定子绕组匝间短路故障仿真分析[J]. 电网与清洁能源， 2012， 28（9）：68-72.
[4]魏书荣，符杨，马宏忠.双馈风力发电机定子绕组匝间短路诊断与实验研究[J]. 电力系统保护与控制， 2010， 38（11）：25-28.
[5]李俊卿，朱锦山.基于Prony算法的双馈异步发电机定子匝间短路特征分析[J]. 电机与控制应用， 2016， 43（7）：86-91.
[6]张立鹏，李忠徽.双馈风力发电机绕组匝间短路故障診断综述[J]. 河北电力技术， 2017（5）：32-34.
[7]李俊卿，王栋，王喜梅.双馈感应发电机定子绕组匝间短路时电磁特征[J]. 华北电力大学学报（自然科学版）， 2015， 42（1）：15-21.
[8]孙丽玲，邢东霞.弱电网下双馈感应发电机定子匝间短路故障时电网电压稳态分析[J]. 电机与控制应用， 2017， 44（1）：71-76.
[9]张艳，马宏忠，付明星，等.定子匝间短路时双馈异步发电机电磁转矩的研究[J]. 电机与控制应用， 2017， 44（9）：16-21.
（作者单位：中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司）
作者简介：王园（1991.06.25），性别：男；籍贯：陕西；民族：汉族；学历：本科；职称：助理工程师；职务：新能源发电运行专责。