摘要
为了有效检测交流电机定子绕组匝间短路故障，应用多源信息融合理论将交流电机定子电压、电流负序分量通过李萨如方法进行融合，形成负序李萨如图形，提取并建立图形特征值与多个故障特征量之间的数学关系。
通过基于模型的仿真分析及故障电机试验，对负序李萨如图形中可以反映故障的特征 值的变化规律进行研究。
在此基础之上，论证了负序李萨如图 形倾角作为故障特征分量进行电机定子绕组匝间短路故障诊断的鲁棒性及准确性，从而形成图形化识别的故障诊断方法，为电机及其拖动系统的故障诊断提供新的思路和方法。
0 引言
异步电机定子绕组匝间短路故障是典型的异 步电机定子故障，其发生率占定子故障的 50%。轻微的匝间短路故障若不加以重视，会导致更为严重的多匝线圈间短路，甚至发生相间短路、单相接地等严重故障，因此，必须对定子绕组故障进行实时、可靠的检测。
多年来，学者们针对异步电机定子绕组匝间短路故障提出了多种诊断方法，主要有：
1）基于定子电流的负序分量法
该方法利用故障造成的三相不对称所产生的负序电流分量进行故障检测，但其容易受电源品质、电机结构等其他不平衡因素的影响；
2）负序阻抗法
该方法通过检测负序阻抗的变化对定子故障做出诊断，但在电机对称度较好时，负序阻抗的计算将出现很大误差，从而影响该方法的灵敏度；
3）瞬时功率分解法
该方法通过对电机瞬时功率的分解，可以排除电机固有因素和环境因素所产生的负序电流，从而得到仅由定子故障引起的负序电流，有较高的准确度，但必须保证电机固有参数计算的准确性；
4）坐标变换法
该方法将信号变换到不同坐标系下，对故障特征量提取的效果较好，但前提是需要确定基波频率的准确值。
目前，国内外学者在电机定子匝间短路的故障诊断方面取得了大量研究成果，但利用 融合技术将交流电机三相电压和电流的幅值、相位、相间和相序等信息进行融合，依此获取更多的能够反映故障状态特征信息的技术尚未见报道。
基于李萨如(Lissajous)方法将交流电机定子三相电流和电压提供的幅值、相位、相间和相序信息 融合成李萨如动态图形，可实现电机功率状态、拖动系统运行工况在线监测的图形识别技术。
本文在此图形识别技术基础之上，①应用多源信息融合理论，提出对电机定子电压、电流负序分量用李萨如方法进行融合，形成负序李萨如图形；②提取并分析了图形特征量与负序电参量之间的数学关系，通过 基于模型的仿真分析及故障电机试验论证，对负序李萨如图形可反映的故障特征量变化规律进行了研究；③提出并验证了负序李萨如图形倾角。
作为故障特征分量进行电机定子绕组匝间短路故障诊断的可行性及准确性，从而形成图形化识别的故障诊断方法，为电机及其拖动系统的故障诊断提供新的思路和方法。
1 负序分量融合的数学方法及图形特征
提取实际运行的电机由于制造工艺、现场供电电源 不平衡性等因素，导致正常运行的电机也会存在负序电流分量，因此定子匝间短路故障特征量的提取 均以对电机固有不对称度、电源不平衡度及负载变化等因素具有鲁棒性为原则。
本文通过对瞬时负序电压和电流标幺值的李萨如融合图形特征量进行提取，可以得到多个描述定子绕组匝间短路的故障特征量，其蕴含的信息更为丰富，将这些参量融合分析，可以得到比传统单一诊断方法更具鲁棒性的故障特征及判断方法。
设负序电压、电流分量的时域信号为
2 负序李萨如图形诊断方法仿真分析
根据 GB/T 1 5543-1995《三相电压允许不平衡度》的规定：三相电压的不平衡度允许值为2%， 短时不平衡度不得超过4%。
设正常时电机定子侧电源三相电压经过低通滤波之后的信号为
式(7)的电压不平衡度为 0.58%。分别仿真分析 电机满载及 1/3 负载运行时，正常、定子绕组3匝短路、5匝短路的情况，并对仿真结果进行负序电参量的李萨如融合，融合时以电机正常运行下的负 序电压和负序电流为基准值，分析结果如表1所示:
由于在融合过程中采取了标幺值的方法，也就消除了电机本身结构不对称的影响。因此，仿真分析中主要考虑电源品质变化时电机不同载荷运行下负序李萨如图形特征量的变化规律，将分析结果列入表 2 中:
由表2可见，随着电源不对称度的增大，椭圆外接矩形边长及椭圆面积均显著变化，不具备鲁棒性。而椭圆的外接矩形比值
，纵轴截距与纵轴最大值之比
及椭圆倾角
在电机正常运行时，随着供电电源不对称度的大幅增大，变 化率较小，因此这3个特征量均可作为故障特征量。
而实际在线监测系统中，观测负序李萨如图形的倾 角变化最为直观，且定子匝间短路时，李萨如图形倾角变化显著，对故障变化敏感，因此本文提出采用负序李萨如图形倾角作为故障特征量进行电机 定子绕组匝间短路故障的识别与诊断。
同时，由于李萨如融合图形中包含了负序电压的信息，通过负序电压的变化可以直接反映电源不对称度对电机运行状态的影响。
3 定子匝间短路试验及李萨如融合诊断
3.1 定子绕组匝间短路试验方案
3.2 定子绕组匝间短路试验及分析
定子绕组匝间短路试验的电压、电流信号，通 过低通滤波之后，应用对称分量的实时计算方法，求取正序、负序电压和正序、负序电流。为 了便于进行融合分析，以异步电机正常空载运行时 的负序电压和负序电流为基准，将其他工况下的电压、电流数据进行归一化处理，求取其标幺值进行李萨如融合。
通过课题组开发的基于虚拟仪器的液压系统 状态监测软件对试验数据进行分析，以 0.25 s 为一个检测周期，对负序电压、电流标幺值数据进行李萨如融合，形成负序分量李萨如图形，如图 3 所示:
由融合图形可见，随着定子匝间短路程度的加剧， 绕组负序电流分量大幅增大，而在相同的故障程度下，随着负载增大，负序电流分量略有减小，因此 负序电流对负载变化不具鲁棒性。
由负序李萨如图形特征计算方法可以得到表 3 所示的不同故障严重度下的李萨如图形主要特征参量:
由表 3 中负序李萨如图形所提取的故障特征量可见，对应于负序视在阻抗的特征量 Lxmax/Lymax 和对应于负序阻抗角的特征量 y0/Lymax 作为匝间短路 故障特征量时，均对负载变化具有一定的鲁棒性， 但是负序李萨如图形倾角随着故障严重度的增大 其变化更为显著，且基本不受负载变化的影响，与负序视在阻抗和阻抗角相比，Lxmax/Lymax 和 y0/Lymax 对负载变化具有更好的鲁棒性，与仿真分析的结论一致。
4 结论
提出基于电压、电流瞬时负序分量的李萨如融 合图形分析的电机定子匝间短路故障诊断方法。通过理论、仿真及试验分析，可以得出如下结论：
1）由于采用电压、电流标幺值进行融合，可 完全排除电机固有不对称的影响，同时更大程度上 减少了电源不对称的影响； 2）对负序分量李萨如融合图形特征量的提取， 可以得到多个描述定子绕组匝间短路的故障特征 量，其蕴含的信息更为丰富，使得到的结论更为准 确可靠； 3）通过图形特征量的提取，得到了比传统单 一诊断方法更具鲁棒性的新的故障特征量，即李萨 如图形倾角，不仅可对定子匝间短路故障进行诊 断，通过图形倾角的动态变化还可观测故障的演变 过程。
因此基于负序李萨如图形化识别的电机故障诊断方法为交流电机故障诊断提供了一个全新的途径和方法，使得电机功率状态、拖动系统运行工 况在线监测的图形识别技术更为完善。
—THE END—
参考文献：
刘沛津,谷立臣.异步电机负序分量融合方法及其在定子匝间短路故障诊断中的应用[J].中国电机工程学报, 2013, 33(15):119-123.
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