定子绕组匝间短路（Stator Interturn Short Circuit, SISC）是一种常见的电气故障，进一步发展可导致相间短路或接地故障。鉴于此类故障危害的严重性和修复的不便性，诸多学者和运行人员投入了大量精力对其进行研究。

早在1952年，A. W. W. Cameron采用绕组阻抗估测的无损测试方法对水轮发电机匝间短路和股间短路进行了识别与诊断。此后针对发电机故障的电参数特征，如定子电压、电流、绕组阻抗等被广泛研究。

R. Roshanfekr考虑定、转子绕组中的空间谐波，转子和定子短路的差异及故障电流振幅的短路和负载水平，提出一种完全磁等效电路模型。Monia Ben Khader Bouzid等基于监测三相线电流和相电压的变化，提出了一种自动检测和定位感应电机定子匝间短路故障的神经网络方法。

赵洪森等在对同步发电机定子绕组匝间短路故障负序电流分量的产生机理进行分析的基础上，提出了以负序电流作为故障特征量来对同步发电机定子内部短路故障进行监测和诊断的方法。孙宇光等通过在发电机气隙中装设一种新型探测线圈，根据新型探测线圈端口电压分析发电机的定、转子绕组内部故障。万书亭等分析了定子匝间短路下定、转子的径向振动特性。戈宝军等分析了定子匝间短路下转子动态电磁力、定子并联支路环流特性和电磁转矩特性。

值得注意的是，虽然现有研究对定子匝间短路的监测取得了有效的成果，但对此类故障下绕组本身的力学受载变化以及故障载荷激励下绕组绝缘的磨损退化规律却鲜有报道。现有对于绕组受载及其振动响应的研究多集中于发电机正常运行工况。

例如，西安交通大学仲继泽团队的研究发现，当定子铁心或端部绕组有某阶固有频率接近100Hz，且主振型的周向行波数等于发电机的极数时，端部绕组的振动将超标，导致绝缘破坏。

为获取端部绕组的确切模态使其固有频率避开100Hz附近，陈伟梁等提出了一种基于多重循环结构摄动求解的模态分析识别方法。

刘明丹、万书亭等的研究成果表明，在机组设计合理、定子铁心与端部绕组不存在100Hz附近固有频率情况下，绕组本身也将受到径向、切向和轴向的交变电磁力作用而产生振动，在空间分布上，同一时刻定子不同周向位置的端部绕组所承受的电磁力方向有所不同，呈正负交替分布规律，且最大电磁力出现的位置呈规律性变化，径向电磁力总体上大于切向电磁力，但最大值出现在切向电磁力上。由于交变电磁力与磁通密度及电流的乘积成正比，而磁通密度与电枢电流在正常情况下以基波为主，因此其电磁力激励及振动响应频率以二倍频（100Hz）为主。

此外，最新研究还表明，对汽轮发电机端部绕组进行有限元建模分析和力学计算时，计及捆绑部件的影响，将比传统简化约束分析方法提高约5%的精度。对于端部绕组振动的监测，目前较多采用均匀分布式光纤传感器或光纤加速度传感器，以监测径向振动为主。

而分析定子匝间短路故障下绕组电磁力变化规律，有助于摸索发现故障载荷激励下绕组绝缘的磨损退化的危险位置点，从而有针对性地对这些危险位置作特殊工艺处理、改进绕组的制造安装工艺。

华北电力大学能源动力与机械工程学院的研究人员，对同步发电机定子匝间短路故障前后的电枢绕组电磁力特性进行理论解析、有限元计算和动模实验验证，探索了定子匝间短路故障对绕组受载的影响。

图 MJF-30-6型故障模拟机组实验设置及有限元计算模型

研究人员发现：1）正常情况下发电机定子绕组电磁力主要包含直流分量和二倍频成分；2）定子匝间短路后发电机的气隙磁通密度和机端电流将在一定程度上有所减小；3）定子匝间短路后电枢绕组电磁力将在原有直流分量和二倍频成分基础上额外产生四倍频和六倍频分量；4）随着匝间短路程度的加剧，电枢绕组电磁力将增大，对应地，绕组的二、四、六倍频振动响应幅值也将增大。

与现有大部分研究报道正常工况下定子端部绕组电磁力特性有所不同，本研究分析得到了发电机正常运行和定子匝间短路故障下的绕组电磁力解析表达式及相应的影响因素，并通过动模实验和有限元计算进行了验证；由于现场和实验室绕组振动数据测取困难，所测得的故障下绕组振动响应数据和定性研究结论可为后续的绕组振动磨损和绝缘保护提供重要的参考依据。

研究人员表示，下一步工作将进一步分析绕组在电磁力激励下振动响应导致的绝缘磨损规律，找出绝缘破坏的危险位置点，以期在制造装配过程中有针对性地对危险位置进行特殊工艺处理，实现绝缘磨损的主动预防。

以上研究成果发表在2020年第13期《电工技术学报》，论文标题为“发电机定子匝间短路对绕组电磁力的影响”，作者为何玉灵、张文、张钰阳、徐明星、王晓龙。