电气故障诊断.doc

转
子
断
条
与
定
子
绕
组
匝
间
短
路
双
重
故
障
诊
断

摘 要： 针对笼型异步电动机转子断条与定子绕组匝间短路双重故障进行了仿真研究。研 究结果表明，笼型异步电动机发生转子断条与定子绕组匝间短路时的故障特征往往是相互交 织，相互影响的，仅仅应用对单一故障的检测方法来检测笼型异步电动机的绕组故障，可能 会导致故障误判。本文通过对仿真结果的详尽分析，系统地概括出了笼型异步电动机发生转 子断条与定子绕组匝间短路双重故障时的故障特征，明确揭示了二者之间的相互关系，为实 现转子断条与定子绕组匝间短路双重故障联合检测提供了重要的理论依据。 关键词：异步电动机; 多回路模型; 转子断条；匝间短路; 双重故障
1. 引 言

转子断条与定子绕组匝间短路均是笼型异步电动机的常见故障。根据文献[1~5]可知， 转子断条故障的发生概率约为 10% ，而定子绕组匝间短路及其相关故障的发生概率则达到
30% 左右。因此，对转子断条与定子绕组匝间短路故障进行分析及在线检测是十分必要的。
研究表明，笼型异步电动机发生转子断条故障时，在其定子电流中将出现 (1－2S ) f1 频

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率的附加电流分量（ S 为转差率， f1 为供电频率）
，该附加电流分量可作为转子断条故

障特征分量，因此定子电流信号频谱分析方法被广泛应用于转子断条故障的在线检测[8~11]。
至于定子绕组匝间短路故障的在线检测，则以定子电流信号频谱分析方法、定子三相电流相
位检测方法、定子负序电流检测方法最具代表性[12~14]。但是，这些方法均检测单一故障，
即分别检测转子断条故障或定子绕组匝间短路故障，而忽视了二者之间的相互影响。目前，
国内外还没有专家学者对转子断条故障或定子绕组匝间短路双重故障进行研究。
事实上，由于异步电动机定、转子间的电磁感应关系是双边的，转子断条与定子绕组匝
间短路故障特征往往相互交织，可能导致上述方法做出误判。邢台电厂就曾发生过类似事件。
这表明，对笼型异步电动机转子断条与定子绕组匝间短路故障进行仿真、实验分析及联合检
测是非常必要的。
本文以笼型异步电动机的多回路数学模型[15]为基础，针对转子断条及定子绕组匝间短
路双重故障进行仿真研究，为实现双重故障的联合检测提供了重要的理论依据。
1. 转子断条与定子绕组匝间短路故障特征的相互交织性

基于多回路数学模型，对一台 2 极、3 相、50Hz、 3 kW 笼型异步电动机（Y100L-2） 进行数字仿真。仿真结果表明，笼型异步电动机存在转子断条故障时，在定子电流中除了出 现频率分别为 (1－2S ) f1 、 (1 + 2S ) f1 的边频分量外，还将出现负序电流，且其数值随着转 子断条故障的进一步发展而增大；在相同形式的断条故障下，其数值随着电机负载的增加而 增大，参见图 1 与图 2。原因在于定子三相电流不同频率分量彼此之间的相互作用，例如， a 相电流 f1 频率分量、b 相电流 (1－2S ) f1 频率分量与 c 相电流 (1 + 2S ) f1 频率分量相互作用 即产生负序电流。这表明，文献[4]提出的定子绕组匝间短路在线检测方法——定子负序电 流方法可能将转子断条故障错误地诊断为定子绕组匝间短路故障。

(a) 正常 (b) 1 号导条断裂 (c) 1、2 号导条断裂 (d) 1、2、3 号导条断裂 图 1 电机空载且 1,2,3 号导条持续断裂情况下的定子负序电流

(a) 正常 (b) 1 号导条断裂 (c) 1、2 号导条断裂 (d) 1、2、3 号导条断裂 图 2 电机满载且 1,2,3 号导条持续断裂情况下的定子负序电流
另一方面，笼型异步电动机存在定子绕组匝间短路故障时，定子电流中除了出现负序分 量外，还将出现 (1－2S ) f1 、 (1 + 2S ) f1 边频分量，且其数值伴随匝间短路故障严重程度的 加剧而增大，这一点类似转子断条故障，参见图 3。这归因于异步电机定、转子之间的双边 电磁感应关系：以 (1－2S ) f1 分量为例，匝间短路故障发生后，定子三相负序电流（基波） 联合产生负序基波磁动势，它相对于转子以速度 Sn1 （ n1 为同步速）反向旋转，与之对应的 转子感应电流频率为 Sf1 ，它所产生的转子磁动势相对于转子以速度 Sn1 反向旋转，相对于 定子以速度 (1 − 2S )n1 正向旋转，于是在定子绕组中感应 (1－2S ) f1 电流分量。也正是基于 此因，该分量的数值甚小。但是，由于匝间短路形式众多，可以推断，某些形式的匝间短路 故障将引起较大的 (1－2S ) f1 、 (1 + 2S ) f1 边频分量。以上分析表明，文献[8~11]提出的转 子断条在线检测方法——定子电流信号频谱分析方法可能将定子绕组匝间短路故障错误地 解释为转子断条故障，在邢台电厂即发生过类似事件。

(a) 3 匝金属性短路 (b) 10 匝金属性短路
图 3 电机满载且定子 a 相绕组发生匝间短路情况下的 a 相电流自适应滤波频谱
以上分析表明，笼型异步电动机存在转子断条与定子绕组匝间短路故障时的故障征兆是 相互交织的，而转子断条与定子绕组匝间短路故障均属于渐进性故障，在工程实际中，笼型 异步电动机存在双重故障是有一定概率的，因此，对转子断条与定子绕组匝间短路双重故障 进行研究具有重要意义。
2. 转子断条与定子绕组匝间短路双重故障仿真分析

采用 Y100L-2 型异步电动机进行双重故障仿真研究，为分析方便，假设电机首先发生 转子断条故障，一段时间之后再发生定子绕组匝间短路故障。

图 5、图 6 分别表示电机空载且 1 号转子导条断裂时，定子a相绕组发生 1 匝、3 匝金属 性短路情况下的仿真结果，图 7、图 8 分别表示电机空载且 1，2 号转子导条断裂时，定子a 相绕组发生 1 匝、3 匝金属性短路情况下的仿真结果，与之对应的定子三相电流相位差示于 表 1。图 10、图 11 分别表示电机满载且 1 号转子导条断裂时，定子a相绕组发生 1 匝、3 匝 金属性短路情况下的仿真结果，图 12、图 13 分别表示电机满载且 1，2 号转子导条断裂时 定子a相绕组发生 1 匝、3 匝金属性短路情况下的仿真结果，与之对应的定子三相电流相位 差示于表 2。注：在以上各图中，定子a相电流频谱为自适应滤波频谱；在表 1、2 中，定子 三相电流相位差根据互相关函数方法[13]求出。

(a)定子负序电流 (b) a 相电流频谱 图 4 电机空载且正常情况下的仿真结果

(a) 定子负序电流 (b) a 相电流频谱 (c) a 相电流频谱 图 5 电机空载且 1 号导条断裂时定子 a 相绕组 1 匝金属性短路情况下的仿真结果

(a) 定子负序电流 (b) a 相电流频谱 (c) a 相电流频谱 图 6 电机空载且 1 号导条断裂时定子 a 相绕组 3 匝金属性短路情况下的仿真结果

(a) 定子负序电流 (b) a 相电流频谱 (c) a 相电流频谱 图 7 电机空载且 1,2 号导条断裂时定子 a 相绕组 1 匝金属性短路情况下的仿真结果

(a) 定子负序电流 (b) a 相电流频谱 (c) a 相电流频谱 图 8 电机空载且 1,2 号导条断裂时定子 a 相绕组 3 匝金属性短路情况下的仿真结果

表 1 电机空载且双重故障情况下定子三相电流之间的相位差

1 号导条 正
断裂 常
1 匝短路
1 号导条 断裂
3 匝短路
1,2 号导 条断裂
1 匝短路
1,2 号导 条断裂
3 匝短路

ia , ib 119.7° 128.7° 141.3° 126.9° 138.6° ib , ic 119.7° 116.1° 103.5° 117.9° 108.9° ic , ia -119.7° -114.3° -114.3° -114.3° -112.5°

(a) 定子负序电流 (b) a 相电流频谱
图 9 电机满载且正常情况下的仿真结果

(a) 定子负序电流 (b) a 相电流频谱 (c) a 相电流频谱 图 10 电机满载且 1 号导条断裂时定子 a 相绕组 1 匝金属性短路情况下的仿真结果

(a) 定子负序电流 (b) a 相电流频谱 (c) a 相电流频谱 图 11 电机满载且 1 号导条断裂时定子 a 相绕组 3 匝金属性短路情况下的仿真结果

(a) 定子负序电流 (b) a 相电流频谱 (c) a 相电流频谱 图 12 电机满载且 1,2 号导条断裂时定子 a 相绕组 1 匝金属性短路情况下的仿真结果

(a) 定子负序电流 (b) a 相电流频谱 (c) a 相电流频谱 图 13 电机满载且 1,2 号导条断裂时定子 a 相绕组 3 匝金属性短路情况下的仿真结果

表 2 电机满载且双重故障情况下定子三相电流之间的相位差

正
常
1 号导条
断裂
1 号导条
断裂
1,2 号导
条断裂
1,2 号导
条断裂

1 匝短路
3 匝短路
1 匝短路
3 匝短路
ia , ib
119.7°
123.3°
126.9°
123.3°
126.9°
ib , ic
119.7°
1161°
110.7°
117.0°
110.7°
ic , ia
-119.7°
-120.6°
-123.3°
-119.7°
-121.5°
通过对上述仿真结果的分析，可以概括出以下结论：
（1） 笼型异步电动机存在双重故障时，定子电流中将出现负序分量，参见图 5(a)～8(a)与
图 10(a)～13(a)；在相同负载、相同形式转子断条故障情况下，其数值（平均值）伴
随匝间短路故障严重程度的加剧而增大；在相同负载、相同形式匝间短路故障情况下，
数值（平均值）基本不受转子断条故障严重程度的影响；另外，在相同形式双重故障
下，数值（平均值）与电机负载状况基本无关；值得注意的是，不同于匝间短路单一
故障情况，双重故障下，定子负序电流为 2Sf1 频率调制信号，这一点在电机满载时尤 为明显。
（2） 笼型异 步电 动机存 在双 重故障 时， 在定子 电流 中将出 现频 率分别 为 (1－2S ) f1 、
(1 + 2S ) f1 的边频分量，参见图 5(b)～8(b)与图 10(b)～13(b)；在相同负载、相同形式 匝间短路故障情况下，其幅值随着转子断条故障的进一步发展而增大；在相同负载、 相同形式转子断条故障情况下，其幅值亦受匝间短路故障严重程度的影响，但这种影 响是不确定的；在相同形式双重故障情况下，其幅值随着电机负载的增加而增大。
3） 笼型异步电动机存在双重故障时，定子电流中将出现三次谐波边频分量，参见图 5(c)～
8(c)与图 10(c)～13(c)；在相同负载、相同形式转子断条故障情况下，其幅值伴随匝间
短路故障严重程度的加剧而增大；在相同负载、相同形式匝间短路故障情况下，其幅
值随转子断条故障严重程度的加剧而增大；另外，在相同形式双重故障下，其数值伴
随电机负载的增加而增加，这与单一匝间短路故障是不同的。
根据表 1、表 2 可知，笼型异步电动机存在双重故障时，定子三相电流相位对称性遭到破坏，

且其不对称程度伴随匝间短路故障严重程度的加剧而增大；在相同形式匝间短路故障下，这 种不对称程度与电机负载状况有关；另外，这种不对称程度基本不受转子断条故障严重程度 的影响。自然，定子三相电流幅值对称性也不再成立。

3. 结论
转子断条与定子绕组匝间短路故障是笼型异步电动机的多发性渐进故障，在工程实际
中，存在同时出现双重故障的可能性，仅仅采用诊断单一故障的方法可能会做出误判，因此，
研究转子断条与定子绕组匝间短路双重故障特征，进而实现双重故障的联合检测是十分必要
的。
本文通过对仿真结果的分析，系统地概括出了笼型异步电动机发生转子断条与定子绕组
匝间短路双重故障时的故障特征，明确揭示了二者之间的相互关系，为实现转子断条与定子
绕组匝间短路双重故障联合检测提供了重要的理论依据。需要指出，文中仿真结果均是针对
理想电机[16]而言的，实际电机在运行中，由于其本身固有的不对称性，即使其正常运行，
也必将在一定程度上体现内部故障特征，因此有必要对转子断条与定子绕组匝间短路双重
故障进一步进行实验研究。

参考文献

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