抽水蓄能电机作为关键电气设备，其运行连续性与可靠性对构建新型电力系统意义重大。针对抽水蓄能电机励磁绕组匝间短路故障的状态监测易受动/静偏心及电枢反应影响，早期故障特征难以有效辨识的问题，华北电力大学新能源电力系统与电气设备运行及监控团队提出一种基于环流时频图谱的励磁绕组匝间短路故障诊断方法。
该方法推导了动/静偏心及静偏心复合励磁绕组匝间短路状态下的同相多支路环流演变规律，并将仿真及实验所得同相支路电流数据用于环流时频图谱分析。实验结果证明了该方法可有效排除静偏心及电枢反应干扰，并以包含运行时间、特征频率及信号强度的三维图谱信息直观展示机组的运行状态。
研究背景
能源紧缺是当今世界面临的共同问题，为解决电力紧缺问题，实现节能减排，水电作为一种可再生的清洁能源，势必承担起大陆新型电力系统建设和能源结构调整的重任。抽水蓄能电机作为水电站关键电气设备，其启停迅速，负荷调整快速方便，在电网中承担了大量的调峰、调频、调压和事故备用任务。
伴随机组的工况切换愈加频繁，运行故障风险也随之增加，本团队结合现场实际情况，考虑到抽水蓄能电机受不平衡电磁力、热应力及机械应力等多重因素的影响，其励磁绕组极易发生匝间短路故障。当故障较为轻微时，机组可继续带病运行，随着故障程度的增加，造成机组停机检修的概率将大大增加，因此加强对机组关键风险点的故障机理分析、危害预测以及故障在线监测有着重要的经济社会价值。
研究所解决的问题及意义
鉴于现场运行过程中抽水蓄能电机励磁绕组受不平衡电磁力、热应力及机械应力等影响，匝间绝缘易损坏劣化，引发匝间短路故障。同时励磁绕组匝间短路初期故障特征不明显，如不及时处理故障可能会引发转子接地等更严重的故障，致使机组非计划停机。
而当前抽水蓄能电机故障诊断主要采用基于人工经验的现场诊断方法，随着机组复杂程度的增加，单纯依靠专业技术人员分析处理机组监测系统中得到的海量数据非常困难，因此亟待建立高效的特征信息故障诊断模型，提高机组在线监测的智能化程度，实现对设备高效、可靠的故障诊断。本团队研究成果将改善抽水蓄能电机相关故障的预防和在线诊断水平，提升水电站关键设备的运行安全性。
论文方法及创新点
（1）环流时频图谱理论
环流时频图谱检测法通过引入连续小波变换，可有效实现对待检环流信号的时频局部化分析，完成对分数次环流特征谐波信息的深度挖掘。该方法通过将小波母函数进行伸缩和平移，并与待检环流信号进行卷积积分运算，进而实现尺度域向频域的准确实时转换，从而有效捕捉不同频率信息在不同时刻的信号强度。
对于动/静偏心干扰，时频图谱特征频次处信号强度分布与匝间短路有较大不同；而对于较为微弱的匝间短路，图谱信号强度变化较小，不易直接据此进行判断，因此本文提出信号强度差值能量比算法，旨在进一步放大故障前后环流时频图谱信号强度变化，从而凸显微弱故障特征。
图1 环流时频图谱分析流程
（2）抽水蓄能电机仿真分析
本文根据国内某电机厂生产的抽水蓄能发电机参数搭建二维有限元模型，在某一时刻设置励磁绕组匝间短路故障程度分别为短路1匝、短路2匝，同时进行动/静偏心设置，最后进行有限元网格剖分，二维瞬态电磁场仿真模型如图2所示。
图2 抽水蓄能电机二维瞬态电磁场仿真模型
对负载工况下静偏心复合匝间短路的环流数据进行时频分析，构建静偏心复合短路1匝、静偏心复合短路2匝所对应的环流时频图谱。其中，负载工况环流时频图谱如图3所示。
图3 静偏心复合匝间短路-负载工况环流时频图谱
根据图3所示，环流时频图谱以故障特征频率处信号强度的变化，清晰反映机组发生匝间短路故障后的过渡过程，红框标记处可明显观察到发生匝间短路后的信号强度变化，为了防止故障误判，进一步计算信号强度差值能量比，负载匝间短路状态分别为8.28%、9.54%，据此可有效辨识匝间短路故障。
（3）故障模拟实验分析
实验采用电力系统动态模拟实验室一台型号为TZH-225-TH的凸极同步发电机来模拟抽水蓄能机组发电机状态，整体布置如图4所示。
图4 TZH-225-TH凸极同步发电机励磁绕组匝间短路实验平台
对负载工况下的环流数据进行时频分析，构建发电机静偏心复合短路1%、静偏心复合短路2.5%、静偏心复合短路4.9%的三维环流时频图谱，如图5所示。
图5 TZH-225-TH负载工况环流时频图谱（故障时刻t =1s）
根据频率分辨环流图谱中某一时刻与特征频率交叉点处信号强度变化（故障前后25 Hz处的信号强度差值分别为29.64、38.56、71.81 dB）及信号强度差值能量比（分别为2.28%、3.13%、15.68%，远大于0），可有效完成微弱匝间短路故障的模式识别。
结论
本团队提出了一种基于环流时频图谱的励磁绕组匝间短路智能故障诊断方法，并通过有限元仿真和模拟机组实验验证了该方法的有效性。该检测方法简单易行，抗干扰能力强，且不干扰机组的正常运行。将其应用抽水蓄能电机状态监测，可及时发现励磁绕组匝间短路的早期微弱故障，对防止故障恶化、提高新型电力系统的稳定性具有重要意义。
团队介绍
华北电力大学新能源电力系统与电气设备运行及监控团队由博士生导师李永刚教授负责，现有教师9名，其中教授4名，副教授2名，讲师3名。本团队长期致力于新能源电力系统、电气设备智能监测与故障诊断、电力电子技术及应用等研究方向，近五年承担国家自然科学基金项目5项，省部级基金项目10余项，横向科研课题50余项，发表相关科研论文200余篇，其中三大检索收录150余篇。
齐鹏，博士研究生，研究方向为旋转电力设备运行特性分析及故障诊断。
李永刚，教授，博士生导师，研究方向为旋转电力设备运行特性分析及故障诊断、新能源电力系统、电力电子技术及应用等。
马明晗，讲师，硕士生导师，研究方向为旋转电力设备运行特性分析及故障诊断、新型调相机系统研究等。
武玉才，副教授，博士生导师，研究方向为旋转电力设备运行特性分析及故障诊断、高速磁悬浮及驱动系统设计等。
纪旋，工程师，研究方向为旋转电力设备运行特性分析及故障诊断。
本工作成果发表在2023年第22期《电工技术学报》，论文标题为“基于环流时频图谱的抽水蓄能机组励磁绕组匝间短路故障诊断”。本课题得到国家自然科学基金和河北省自然科学基金的支持。