当电机处于正常状态时,对称的三相绕组的连接消除了3倍数次谐波[3]。电机定子电流特征频率表达式为fs= (6k±1)fk= 0,1,2,3…即在对称的三相绕组中,n=3k次谐波的合成磁势等于零,n=6k+1次谐波是正相旋转磁势,n=6k-1次谐波是反相旋转磁势。但是由于工艺和制造的原因,实际的电动机绕组不可能完全对称,或是由于电网的因素,导致电流谱图中会出现2次和3次谐波。

 

当电机定子绕组发生匝间或相间短路时,这种对称性遭到破坏,呈现在气隙磁场中的是较强的空间谐波,定子电流中的是较强的时间谐波。即高次谐波明显增强。表现为定子电流的有效值的增大和三相电流的不对称性。定子电流中的偶次谐波和奇次谐波会因三相绕组失去对称性而有所增强。

 

图1和图2分别为Y90L-4型电机在正常状态和绕组匝间短路状态时的电流谱图(定子绕组每槽图1　正常状态时的电流谱图Fig.1　The current spectrum of normal station图2　绕组匝间短路时的电流谱图Fig.2　The current spectrum of the statorwindings shorting station线数为63匝,短路匝数为5匝)。从图中可以看到,故障后1、3、5、7次谐波分别增加了6.92dB、14.99dB、5.92dB和16.44dB。此外,在基波两侧出现频率分别为25Hz和75Hz的边频带,它正对应气隙偏心故障特征分量(f′=f±(1-s)f/p,其中s为滑差,p为极对数)。这说明定子绕组故障时,将引起气隙磁场畸变,从而引起或多或少的动偏心。

 

电机发生定子绕组短路故障时,绕组的自感、互感将发生变化。电感的大小一般随短路匝比的增加而降低。由于故障时,绕组分布和气隙磁场已不再对称,高次谐波的作用大大增强,只考虑基波的影响是不行的[4]。在故障状态下,电感参数的计算必须考虑高次谐波的影响。表1为一台绕线式异步电机定子绕组在正常和有两匝线圈短路情况下,自感对应于不同的最高次谐波的计算数据。绕线式电机,定转子槽数比为Z1/Z2=36/24,极对数p=2,双层叠式绕组,每槽线数为81匝最高谐波次数1 3 5 7 17正常时相自感0.0804 0.0838 0.0837 0.0839 0.0845Ln∶L1 1 1.042 1.042 1.043 1.048短路时相自感0.0529 0.0606 0.0614 0.0615 0.0619Ln∶L1 1 1.146 1.160 1.162 1.170表中Ln为计及定子电流高次谐波作用时的定子绕组自感,L1为仅考虑定子基波电流作用时的定子绕组自感。

 

从表1可以看出,正常状态下的电感计算如果只考虑基波,影响并不会太大,但在故障状态下,如果仅考虑基波影响则会导致不能允许的误差。

 

综上所述,电机定子绕组发生匝间短路时,定子电流中的高次谐波明显增强,绕组的自感、互感发生变化,从而最终导致三相电流之间的相位差亦发生变化。因此提出新的判别定子绕组短路故障的特征参量——三相电流之间的相位差。