南瑞继保：一种换流阀冷却系统异步电机高阻故障的识别与定位方法

摘要：异步电动机是阀冷系统中主循环泵的重要部件之一，提高其故障识别水平、迅速定位故障位置对于阀冷系统具有重要意义。南京南瑞继保电气有限公司、国家电网有限公司直流技术中心的董熙、江楠、张国华、高晟辅、刘东川，在2024年第11期《电气技术》上撰文采用对称向量法，提出基

异步电动机是阀冷系统中主循环泵的重要部件之一，提高其故障识别水平、迅速定位故障位置对于阀冷系统具有重要意义。南京南瑞继保电气有限公司、国家电网有限公司直流技术中心的董熙、江楠、张国华、高晟辅、刘东川，在2024年第11期《电气技术》上撰文采用对称向量法，提出基于电流不平衡度的定子高阻故障在线检测方法，并分析定子星接及角接条件下用于确定故障相别及故障严重程度的指标参数；通过合理设置电压监测位置，可以进一步缩小故障排查范围。最后，通过仿真测试和案例分析验证了所提方法的有效性。

在直流输电过程中，换流阀晶闸管因热损耗导致运行温度上升，为保证换流阀功率器件的有效散热，需要配置换流阀冷却系统。其中，主循环泵作为整个阀冷却系统的主要动力设备，一旦其内部电动机发生故障，轻则损坏机体本身，降低系统冗余度，重则导致整个直流输电系统跳闸。因此，对主泵电动机进行检测与诊断，保障其安全运行对于电力系统的稳定运行十分重要。

换流阀冷却系统主循环泵通常为交流异步电动机，其转子和基频旋转磁场并不是保持同步速旋转，而是存在转差率。在日常运行过程中，定子高阻故障是异步电动机的常见故障，此类故障可能发生在电源和电动机中间设备连接处的任意位置。

由于工艺不良、线路老化、连接松动及接触点异常等原因，连接处电阻逐渐增加，进而发展成为高阻电气连接故障。定子高阻故障具有渐进特征，在故障发生的初始阶段不会造成电动机严重故障，不需要立即停止运行，因而可以在故障初期进行预警，提醒运维人员合理计划、组织维修检查，从而避免停机跳闸，减少故障带来的损失。

现有文献开展的异步电动机定子故障研究大多针对绕组匝间及相间短路的分析及检测，较少涉及异步电动机定子高阻故障，且所提检测方法大多不适用于定子高阻故障的检测。对于高阻连接故障的检测，传统方法包括离线电阻不平衡测试、目测、电压降测量和红外热像仪检测。然而，上述传统方法存在检测设备昂贵、测量结果不准确、需要离线检测影响电动机运行等问题。近年来，国内外学者对定子高阻故障进行了研究。

COLBY R. S.提出利用神经网络结合对称分量法来完成对定子高阻故障的检测，研究结果表明该方法能够有效检测高阻连接故障，但训练神经网络的计算量非常大，实际工程中难以提供所需样本数量。DE LA BARRERA P. M.等提出一种基于直流信号注入的无电压传感器定子高阻故障在线诊断方法，该方法降低了检测成本，但对定子高阻故障的发生位置及故障严重程度并未进行讨论。YUN J.等利用负序电流及零序电压的幅值和相位，判断定子高阻故障位置及严重程度，但仅讨论了单相定子星型连接的异步电动机，未对定子角接及连接点（多相）故障情况展开分析。

本文采用对称向量法，提出基于电流不平衡度的定子高阻故障在线检测方法，并根据定子绕组的接线方式，分别分析定子绕组星接及角接条件下确定故障相别及故障严重程度的指标参数；针对故障易发生于连接点的特性，推导定子绕组角接条件下，两相连接点处发生高阻故障，电流不平衡度的大小与电阻比例系数k的关系；通过合理设置电压监测点位置，结合监测点是否存在负序电压，进一步缩小故障排查范围；最后，通过案例分析验证所提方法的有效性。

1 阀冷系统及主循环泵控制

1.1 阀冷系统结构

阀冷系统结构示意图如图1所示。在主泵作用下，冷却介质源源不断地流经换流阀，介质温度上升，将换流阀产生的热量带出，与外冷设备（空冷器、冷却塔或其组合）进行热量交换，使冷却介质温度降低至合理范围后再次流入换流阀，形成冷却介质的闭式循环。循环管路系统主要配置主泵止回阀、主泵出口蝶阀、三通阀、主过滤器等设备，测点配置主要有主泵温度、主泵电压电流、进阀压力、主循环流量、主泵入口压力、主泵出口压力等。

图1 阀冷系统结构示意图

1.2 主循环泵控制

在常规特高压直流阀冷系统中，通常使用单级卧式端吸离心泵作为主循环泵，如图2所示，泵由蜗壳、叶轮、轴、轴承箱、机械密封、联轴器及电动机等组成。阀冷系统一般配置两台冗余的主循环泵及其阀门管路，其中一台处于运行状态，另一台处于备用状态，且每台主泵都有工频及软起两条回路。

两条回路均无故障时，首先采用软起动器起动，晶闸管输出电压逐渐增加，降低起动电流，实现平滑起动；起动过程结束后，软起动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供电压，以降低晶闸管的热损耗，提高其工作效率。阀冷控制保护系统根据每个泵的故障等级进行切泵，或者切换运行回路。

图2 主循环泵

当两台主泵的电动机均发生故障导致主泵停运时，切换电气回路并不能使系统恢复正常，内冷水失去循环动力源，阀冷控制保护系统将根据系统的主循环流量及进阀压力延时跳闸。

因此，主泵的故障预警有利于提前识别风险，保障阀冷系统稳定运行，提升电网安全性。

2 高阻故障检测

2.1 定子星接高阻故障

对于定子高阻故障，可以简单建模为将电阻附加在某一相中。定子星接高阻故障接线如图3所示：

图3 定子星接高阻故障接线

通常采用旋转坐标变换的方法推导故障相的正、负序电压、电流，推导过程较为繁琐，本节采用对称向量法对故障相不平衡电压、电流进行讨论。

式（1）-（9）

2.2 定子角接高阻故障

相对于定子星接，定子角接的异步电动机起动电流较小，因而在工程实际中得到广泛使用。同样以单相高阻故障为例，其接线如图4所示。

图4 定子角接高阻故障接线

将整个电路划分为角内及角外两部分，考虑到角外电流更易测量，故选取角外电流对称分量作为判断依据。由正、负序电流公式可知：

式（10）-（16）

2.3 故障定位

图5为主循环泵的电气接线示意图，在水冷系统的主水路中配置两台冗余的主泵，其中一台主泵为运行状态，另一台为备用状态。每台主泵具有两个独立的工作回路：主泵工频旁路回路（包括主泵旁路进线断路器、主泵旁路接触器、主泵旁路接触器控制开关）和主泵软起回路（包括主泵软起回路进线断路器、主泵软起动器、主泵软起回路接触器、主泵软起回路接触器控制开关和主泵软起辅助电源开关）。其中，只要任一回路正常就可以保证主泵正常工作。

图5 主循环泵电气接线示意图

电源与电动机之间任意组件间的接触电阻都存在异常增大的可能性，例如图5中的进线断路器、软起动器、接触器、接线端子等。

经过前文分析可知，根据电流的不平衡度，即负序电流与正序电流的比值大小，可以确定是否发生定子高阻故障及故障的严重程度，并通过相位关系判断故障发生的相别。然而，当故障发生时，仍需依靠电压来定位故障位置，指导运维人员及时检修。所以，通过进一步合理设置电压互感器（potential transformer, PT）、电流互感器（current transformer, CT）位置，利用电压、电流波形可以更好地排查问题，实现高阻故障的迅速定位。

对于电流采样来说，同一条线路各点电流相同，所以CT安装在线路上任一位置均可以检测组件故障是否出现；对于电压采样来说，故障发生时，PT安装位置不同会出现不同的电压特性。PT位置及故障诊断范围见表1，即当组件出现高阻故障时，PT安装于图5所示5个位置处是否能够检测到异常。

表1 PT位置及故障诊断范围

目前，常规换流站主泵PT通常安装于进线处，即位置1处，由于测量电压被母线电压钳位，无论后续组件是否发生故障，测量电压始终等于母线电压，在该处设置PT采样只能起到测量作用；若PT安装于位置5，由式（6）可知，故障电阻之后的负序电压不为0，当测得位置5处出现负序电压时，则高阻故障发生于位置5至母线间。

从表1可以看到，PT安装位置越靠近电动机，其诊断范围越大。然而，若仅在位置1处设置PT，则运维人员仍需排查位置1至母线端的各组件，增加排查范围，同时使定位效率降低。建议采用多PT模式进行故障综合定位，在位置3及位置5分别设置一组PT，根据两组PT计算得到的负序电压值，至多只需排查两个元件间的高阻故障，再结合电流不平衡度相位关系，即可锁定高阻故障相别，实现快速故障定位。

3 仿真分析

在Matlab/Simulink仿真平台调取鼠笼型异步电动机模型，三相电源及异步电动机仿真参数分别见表2和表3。

搭建图6所示的定子高阻故障仿真电路，分别模拟定子角接和星接异步电动机的高阻故障。泵体运行使冷却介质在一定长度的管道内循环流动，系统中阀门的直径影响电动机的转速和电流，1s时，电动机稳定运转，4s时，阀门直径缩小到5cm，电动机停止运转。

表2 三相电源仿真参数