随着电力工业的迅猛发展，中国发电装机容量逐年增长，2013年首次跃居世界第一，达12.47亿千瓦。同步发电机作为主要发电设备，是电力系统的核心，其运行可靠性对发电机及其系统乃至社会经济安全都将产生重要影响。励磁绕组匝间短路故障是同步发电机常见故障之一，随着大机组、大联网技术的快速发展以及功率调节的影响，发生该故障的几率增加，近年来时有发生^{[1, 2, 3]}。发电机运行时的离心力、发热不均或负荷引起的热胀冷缩，使转子线圈发生移位变形和局部绝缘损坏等，是造成发电机励磁绕组匝间短路的主要原因。例如2002年某核电站2号发电机组由于转子绕组匝间短路，在主变事故冲击下发展为接地故障，机组被迫停机检修^[1]；2011年3月，贵州华电集团大龙电厂1号发电机组出现转子绕组匝间短路故障，引起机组剧烈振动^[2]；2012年3月印尼某电厂1台300MW汽轮发电机实际输出功率偏低，由于未能及时发现异常状态，导致机组继续运行直至功率的实际输出值与期望值相对偏差高达98%，发电机不得不停机拔护环检修，经检查为转子绕组端部发生严重变形和短接^[3]。

轻微的励磁绕组匝间短路故障对发电机运行影响不大。但若不及时切除，发电机长期故障运行将使励磁绕组电流和温度增加，输出无功功率减小，严重时将造成机组振动加剧、转子大轴磁化等严重后果，短路点局部过热将会导致转子出现接地故障，威胁机组运行的安全，并造成严重的经济损失^{[4, 5]}。发电机发生励磁绕组匝间短路故障一般是由于对早期征兆未能及时发现并采取有效措施来应对，从而在机组长期运行下故障发展成为严重事故。由故障的原因可知，发电机运行时励磁绕组出现的轻微匝间短路故障，在停机检查时往往不易被发现。因此，通过对励磁绕组匝间短路故障进行在线分析，既有利于发现早期故障并及时处理，也有利于合理安排机组检修时间，提高检修的针对性及故障处理的效率，降低机组维护成本^[6]。文献[7]全面评述了同步发电机转子励磁绕组匝间短路故障在线监测的研究进展，着重阐述了电气量在线监测法，但如何更清楚地描述不同分析方法之间的关系、如何更深入地归纳总结相关研究成果，尚需进一步讨论。

为此，笔者拟对基于电气量的在线分析方法进行深入分析与归纳，详细介绍几种常见的在线分析方法及其研究进展，并对几种分析方法进行比较。根据励磁绕组匝间短路在线分析方法高精度、低成本、强通用的发展要求，对未来的发展方向进行展望。

目前，针对同步发电机转子励磁绕组匝间短路故障在线分析的研究已取得不少的成果。励磁绕组短路故障导致了发电机气隙磁场、电流、电磁力等物理量发生异常变化，基于所研究的对象及其分析方法的不同，学者们分别进行了一系列的研究，达到了不同故障分析诊断效果。在此基础上，结合不同的研究对象及其分析方法，归纳总结出几种常见的故障在线分析方法，主要有磁场-电流谐波分析法、探测线圈法、多回路法、输出电气量分析法、振动分析法等，下面分别予以介绍。

利用发电机运行时磁动势和电流的谐波特性来进行故障分析检测，是目前研究的主要方向^{[8, 9]}。对于正常运行的同步发电机，励磁绕组仅产生基波及奇数次空间谐波磁动势。当励磁绕组出现匝间短路时，对于两极发电机，其磁动势中将包含奇数及偶数次空间谐波；对于多极发电机，其磁动势中还将含有分数次空间谐波。这些空间谐波磁动势的频率特征与短路匝数以及短路位置(尤其对于分布绕组)有关，而气隙中的谐波磁动势将在定子绕组内部支路及转子绕组中感应出谐波电流。研究上述磁动势及电流各次谐波的幅频特性，可对故障进行分析。

文献[10, 11]提出了一种通用的理论分析方法，以多对极发电机为例，匝间短路故障时励磁绕组产生的谐波磁动势将引起定子绕组并联支路中出现特定频率的分数次谐波环流，该谐波环流所产生的空间磁动势又将在励磁绕组中引起整数次谐波电流。上述谐波电流的频率特征是定子内部短路、转子偏心等故障所不具备的，可作为该故障及其严重程度的诊断判据，可用于负载时轻微的故障工况。文献[12]对这些包含谐波分量的励磁电流，利用小波变换法进行处理得到故障特征；文献[13, 14, 15]对故障下的磁动势进行了定量分析，研究了不同故障位置对磁动势波形的影响，并根据电枢反应磁场的作用来分析匝间短路故障时励磁电流的谐波特性。针对无刷励磁同步发电机励磁绕组匝间短路故障的在线分析检测，文献[16]提出了一条故障特征传递规律，即气隙谐波磁场引起励磁电流中出现谐波分量，其谐波特征可近似线性地从励磁绕组、励磁机电枢绕组，传递到励磁机励磁绕组中去，从而实现故障的诊断。

基于励磁绕组匝间短路故障时气隙磁场谐波特性的分析，在定子铁芯内圆槽口处安置探测线圈，也能检测出故障状态下气隙磁场感应的附加谐波电动势，从而为故障分析检测打开了新的思路。

基于转子齿谐波与槽内绕组有效安匝数的线性关系，文献[17, 18]提出利用转子齿谐波在探测线圈中感应的电动势波形是否发生畸变来进行故障分析诊断，通过小波变换处理，可判断故障的存在及其位置，但负载时受电枢反应、负载波动等因素的影响，灵敏度较低。通过对探测线圈进行特殊布置及联接，文献[19, 20]提出了一种新型探测线圈法，可屏蔽正常磁场，提取由故障引起的谐波磁场，通过分析线圈中感应电动势的特征频率，可进行故障诊断，适用于空载及负载一点处短路故障工况。但轻微短路时，线圈中感应电动势信号较弱，难以提取，检测灵敏度较低。此外，基于有限元法，通过比较正常及故障情况下探测线圈感应电压的偏差，也可进行故障严重程度的判断并进行故障定位，灵敏度较高^{[21, 22]}。值得一提的是，文献[2]提出将探测线圈套装在轴承座上，通过分析端部漏磁的故障特征分量以进行故障诊断。该方法简单方便，避免了在发电机内部安装线圈，但只初步实现了空载及负载工况下的故障诊断。

为了对同步发电机励磁绕组匝间短路故障时的电气量进行定量分析，掌握其稳态及暂态时的变化规律，基于交流电机多回路理论，建立发电机故障时的多回路数学模型，通过对仿真结果进行分析归纳来研究故障特征。文献[23, 24, 25, 26]分别建立了故障时凸极和隐极同步发电机改进的多回路模型，采用气隙磁导法和谐波分析法推导了各电感参数，通过求解并比较定转子稳态及暂态电流仿真和实验波形验证了模型的正确性，并归纳出不同于机端外部及定子内部短路等的故障特征，即定子绕组有特定频率的环流和励磁电流增大且包含谐波，适用于严重故障的检测。而对于故障定位问题，文献[27, 28]提出利用定子绕组并联支路的谐波电流进行故障定位及短路匝数估算的新方法，适用于所有的隐极同步发电机，进行了负载时一点处短路程度43%的仿真及模拟实验，并研究了定子绕组形式对故障时稳态电流特征的影响。同时，为解决该方法计算时间长的问题，还提出了求解稳态电气量的快速求解算法^[29]。

同步发电机主要的输出电气量包括定子绕组三相电流、励磁电流、有功功率、无功功率以及主保护中的电流等机端信号，励磁绕组出现匝间短路时，由于定子三相电压、三相电流仍保持对称，因此，同步发电机的时空矢量图仍适用。以上述机端信号为研究对象，采用时空矢量图及数学算法等方式，为励磁绕组匝间短路故障的分析诊断提供了新的研究思路^{[1, 3, 30, 31]}。文献[1]利用定子相电流、相电压及定子漏阻抗等参数，通过计算得到励磁磁动势，并根据测得的励磁电流计算出正常励磁绕组产生的磁动势，然后根据两者的对比结果来进行不同工况下故障及其严重程度的判断，但未考虑其他因素干扰、故障定位等问题；文献[3]则提出了功率期望原理，利用发电机运行时的电气量及已知参数，分别得到实际功率和期望功率并进行比较，以此进行故障检测，但亦未考虑其他因素干扰、故障定位等问题。文献[5]指出匝间短路故障时具有励磁电流增大、输出无功功率减小的特征，该特征是其他故障所没有的，可靠性较高，但仍不能解决故障定位等问题。

发电机转子匝间短路故障引起气隙磁场畸变，产生不同于正常运行时的电磁力波，进而激起发电机径向特定频率的电磁振动^{[32, 33, 34, 35]}。文献[33]指出，励磁绕组匝间短路故障将使两极发电机定子2倍频振动减弱，多极发电机定子1倍及2倍频的振动增加，根据以上特征可用于轻微匝间短路故障检测。文献[35]在分析故障时定转子绕组谐波电流的基础上，对谐波磁场之间相互作用所引起的定转子振动特性进行了分析，得出了不同于正常运行时的振动特征频率，但没有对故障检测灵敏度、定位等问题进行讨论。然而，引起发电机振动的因素众多，文献中少有对此进行分析。

磁场-电流谐波分析法的检测结果具有一定的精确度和灵敏度，基本上可实现空载及负载时故障检测及其严重程度的判断，但故障定位没有得到有效解决。

磁场-电流谐波分析法相当于以定转子绕组线圈为探测对象，探测线圈法作为前者的改进，只是在发电机内部新增了一个专用的探测线圈，因此，其故障检测机理大致相同，但可进行故障定位。探测线圈法不仅可对获取的信号进行处理，还可根据需求来对新增线圈进行特殊布置，操作灵活性更大。由于探测线圈中串有电压测量装置，相当于开路，因此，该方法并不影响发电机的正常运行。鉴于大型发电机可在定子槽部埋设测温元件，故今后在发电机定子槽内放置这种探测线圈是可行的。

多回路法则可方便地构建发电机故障模型并进行仿真，获得相关电气量的完整波形，为励磁绕组匝间短路故障的分析检测提供了更准确的定量分析依据，这是该方法的一大优势。目前已可对故障及其严重程度进行判断及故障定位，但其难点在于电感参数的准确计算，使得其检测精度及灵敏度不高，且已有的研究中均没有讨论电流变化引起的电阻温升问题。

与上述3种方法研究发电机内部电磁关系不同，输出电气量法直接利用发电机的机端信号，来进行匝间短路故障及其严重程度的判断，具有低成本、方便可行的优点，同时，由于其理论基础为同步发电机的时空矢量图以及一些数学处理方法，并不需要发电机的具体结构参数，因此，具有一定的通用性。但故障定位、排除干扰等问题还没得到有效解决。

振动分析法为故障检测提供了更多的特征信息，但目前尚未对引起发电机振动的众多因素进行深入研究，该方法目前还难以单独用来进行故障检测。

目前提出的多种研究方法，基本满足了励磁绕组匝间短路故障在线分析诊断的要求，但检测效果还有待进一步改善。为此，今后应充分考虑分析方法的先进性，使其满足高精度、低成本、强通用的要求。

由于发电机输出电气量信号容易获得，已逐渐成为一个研究热点，但目前仅初步实现了故障的诊断。在此，提出2条进一步研究的思路。

1)研究表明，对于隐极汽轮发电机，已知在发生励磁绕组匝间短路故障时，由定子三相电压、三相电流及定子漏阻抗，并依据同步发电机时空矢量图，可计算出故障情况下的基波励磁磁动势F^*₁，再假设励磁绕组正常，利用故障时测得的励磁电流的直流分量I_f，计算出假设绕组正常情况下的基波磁动势F₁^[1]。在此基础上，针对2极汽轮发电机，进行励磁磁动势定量分析，对各极下每个励磁线圈产生的矩形波磁动势进行傅里叶分解，再叠加可得到励磁磁动势的表达式^[13]：

只考虑基波磁动势，k=1，β_1j=β_2j，N_1j=N_2j，那么有：

这里，假设励磁绕组正常情况下与故障情况下基波磁动势的相对偏差为：f=|F₁-F^*₁|/I_f。

则由式(2)、(3)可得：

由式(4)可知，f的幅值大小不仅与短路匝数ΔN_1i有关，还与故障线圈的短距比β_1i有关，而β_1i反映了故障线圈的位置。当短路匝数相同时，故障线圈的位置越靠近大齿，β_1i越小，f幅值越小。

文献[5]指出，当励磁绕组匝间短路时，若正常励磁绕组匝数(N_f)很大，则ΔN_1i/N_f近似与励磁电流的相对变化率成线性关系，由此通过测量励磁电流的相对变化率和N_f或可估算出短路匝数ΔN_1i，然后由文献[1]的方法求得f的幅值，则可算出β_1i，以确定故障所在的线圈，实现故障的大致定位。这里仅尝试提出一个理论上可行的思路，欲得到精确的结果，尚需深入研究。

2)结合智能算法，基于输出电气量的分析方法固然具有方便、通用性较高的优点，但也正由于该方法忽略了发电机内部的电磁关系及具体结构参数，部分研究中仅结合同步发电机的时空矢量图来对采集的输出信号进行分析，并进行简单的求差等数学处理，无法解决故障定位等问题。因此，结合智能优化算法对输出电气量信号进行处理，不失为有价值的研究思路。

励磁绕组发生匝间短路故障，必然引起同步发电机一些输出量的变化，且考虑到实际运行时的复杂性，如随机波动或其他故障干扰，智能算法对处理这类缺乏精确数学模型的问题具有较大的优势。采用智能优化算法^{[36, 37, 38]}，如神经网络算法、小波分析及概率统计等，将变化的输出量联合起来加以考虑，如文献[5]联合考虑励磁电流和无功功率，在排除干扰、提高检测精度方面具有一定的优势，而小波分析在时域和频域方面具有良好的局部化性质，适用于处理畸变信号，通过分析信号波形的畸变位置，或可处理故障定位等问题，但也具有算法复杂、计算量大的缺点。

通过以上分析方法的对比可见，探测线圈法一般需要在发电机内埋设线圈，磁场-电流谐波分析法及多回路法大多是基于定子绕组分支电流来进行分析诊断。目前，中国大多数隐极汽轮发电机本身没有分支电流的引出端子，且发电机内部结构紧凑，不具备分支电流互感器的安装条件，因此，这些方法在工程实际应用中具有一定的局限性。而现有的同步发电机使用寿命比较长，更新换代成本高，励磁绕组匝间短路故障及其危害不容忽视，因此，研究实际可行的故障分析方法无疑具有重大的意义。

同步发电机的故障具有多种不同类型，若对每种故障都单独安装一套监测设备来进行分析，未免增加成本，造成整个监测系统过于复杂。因此，如何使分析方法适用于几种不同类型的故障，或使一个监测设备具有多个用途，也极具研究价值。在目前的一些研究中已实现了这一点，如文献[19]利用定转子绕组匝间短路可在同一个探测线圈中引起不同特征频率的感应电动势的特点，通过分析线圈中感应电动势的频谱来进行2种故障的分析，文献[31]利用主保护中不平衡电流来对转子匝间短路故障进行分析，避免了安装额外的传感器。另外，可在研究发电机输出信号并结合现代优化算法的基础上，建立智能专家库^[39]，以进行多类型的故障分析，这样同时满足了分析方法的可行性和多功能性。

目前，针对同步发电机励磁绕组匝间短路故障，提出了不少在线分析方法。笔者通过对现有分析方法的归纳对比，发现仍存在一些问题。基于输出电气量分析法，在既有的研究基础上尝试提出了2条新的研究思路，即定量分析基波励磁磁动势并结合智能算法，以提高故障检测效果，具有较高的通用性和可行性，并认为未来分析方法可朝着可行性和多用途的方向发展，以保证机组运行安全和简化发电机组的在线监测系统，降低成本。