故障檢測(故障檢測技術有哪些)

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永磁同步電機定子繞組相鄰線圈之間絕緣的退化會導致匝間短路故障，而目前的研究較多集中于短路匝數辨識，較難在故障初期檢測到絕緣電阻的退化過程。湖南大學機械與運載工程學院、車輛傳動國家重點實驗室（中國北方車輛研究所）的魏東、劉侃、丁榮軍、胡偉、陳泳丹，在2022年第18期《電工技術學報》上撰文，基于匝間短路故障電機有限元聯合仿真模型分析了剩余絕緣電阻對定子電流的影響，提出一種基于電流9次諧波的故障檢測方法。

這種方法在時頻域內可有效提取故障特征，并可解耦轉速波動對故障檢測結果的影響，因而能在穩態和瞬態運行工況下對剩余絕緣電阻從故障初期到晚期的退化趨勢進行有效追蹤。實驗驗結果顯示，該方法對繞組剩余絕緣電阻衰減變化具有較高的監測精度，并且對于轉速突變擾動具有優異的魯棒性。

永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Machine, PMSM）由于其高效率、高功率和高轉矩密度的特點被廣泛使用。當電機頻繁工作在過熱、過電壓、沖擊環境下，可能會導致定子繞組匝間短路（Inter-Turn Short Circuit, ITSC）、永磁體永久性退磁、繞組開路、接地短路等多種電氣故障。其中ITSC故障占比最高且往往是其他故障的起因。

ITSC故障的最初形態為定子繞組內相鄰線圈之間絕緣的輕微退化，但短路電流產生的熱量會加快此進程，進一步導致更嚴重的絕緣下降。然而，目前關于ITSC初期故障的研究較多集中于短路匝數的評估，但匝間剩余絕緣電阻通常設置為接近于零，即絕緣幾乎完全失效。

在此實驗條件下，盡管短路匝數較少，短路支路中仍會產生遠超相電流幅值的短路電流，導致明顯的轉矩脈動和溫升。初期ITSC故障形成后，只有絕緣退化到一定程度才會產生足夠的熱量導致附近線圈的大面積短路。因此，能夠檢測出絕緣電阻的退化情況具有重要的學術意義和工程價值。

現有ITSC故障檢測主要可以分為三種類型，分別為基于模型、信號處理和數據驅動的方法。其中，基于模型的方法從故障機理出發，依據電磁場理論推導出故障模型，通過比較模型輸出和故障閾值得到診斷結果。該方法通常需要設置一個較高的閾值以防止錯誤診斷，但ITSC初期故障特征微弱，難以觸發故障預警。

此外，該方法高度依賴模型和電機參數的精度。基于數據驅動的方法利用大量實驗數據和深度學習算法識別出故障特征相關的信息。該方法要求數據服從獨立同分布的要求，而獲取所需不同故障程度和不同工況下的實驗數據存在一定難度，使得其難以應用于工程實際中。

考慮到電機內部的異常往往會在電流、電壓、轉矩、振動等信號中體現出來，湖南大學機械與運載工程學院等單位的研究人員采用基于信號的處理方法，通過在時頻聯合域內提取信號中和故障相關的特定諧波分量進行故障判定。他們建立了ITSC故障電機的有限元聯合仿真模型，分析了不同短路匝數和不同剩余絕緣電阻對于定子電流的影響，并在此基礎上提出了基于定子電流9次諧波的故障診斷方法。

研究人員指出，相比于3次諧波，9次諧波對于故障初期微弱特征更敏感。他們針對目前研究中匝間絕緣電阻往往設置為接近于0的實驗方法、而無法體現故障初期微弱特征的情況，提出了對于匝間剩余絕緣電阻的檢測方法。通過多重同步壓縮變換算法對剩余絕緣電阻退化程度進行精確提取，并提出將多重SST三維時頻矩陣重新映射到時域平面，得到特定階次諧波幅值的時變特性，最終建立不受轉速影響的故障指示器。該方法能夠在電機穩態和瞬態運行工況下檢測出故障發生的初期、晚期和故障程度的變化過程，相比基于3次諧波的方法具有更高的信噪比。

圖1 實驗平臺及示意圖

與以往的研究相比，該方法大幅降低了頻譜混疊現象，可以更加精確地提取出故障特征相關諧波分量并構建故障指示。他們在一臺24槽4極三相PMSM上進行了ITSC故障模擬檢測，結果顯示，該方法能夠有效檢測出故障程度由初期到晚期的變化過程，且在瞬態運行工況下對轉速具有較好的魯棒性，實現了對剩余絕緣電阻退化趨勢的有效追蹤。

另外，研究人員還對比了基于離散小波變換和變分模態分解的故障檢測方法，進一步證明了該方法的有效性和優越性。他們進一步表示，雖然該方法可通過比較三相的故障指示幅值大小來判定故障所在相，但是如何確定短路匝的空間位置（如故障所在槽、線圈等），依然是當前工作難點和未來努力方向。

本文編自2022年第18期《電工技術學報》，論文標題為“基于多重同步壓縮變換的永磁同步電機初期匝間短路故障檢測”。本課題得到國家自然科學基金項目和湖湘高層次人才聚集工程-創新人才項目資助的支持。

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