感应电机具有成本低、易于维护的优点，是工业传动领域最常见的交流电机类型，一旦电机由于故障造成系统停机将引起较大的经济损失。据统计，匝间短路故障约占电机总故障的26 %～36 %，故障发生后会引起电机磁场、温度、振动噪声等多场量的变化，其中由于故障引发的过热问题会加速绕组绝缘恶化进而使故障扩散或程度加深。

许多专家学者针对电机匝间短路故障问题进行研究，提出了多种基于电机电气量与多场量的监测和故障诊断方法。例如，电机电流信号分析、气隙磁场与漏磁场探测、基于电机振动信号的诊断方法等，均取得了较好的结果。

电机的温度特征除了可以作为性能指标用于电机的设计过程，其也是匝间短路故障的明显特征，通过相应热特征的研究可以实现故障的监测与诊断以及对故障发展和电机寿命的预测。目前，对于故障引发电机热特征与温度场分布变化的研究主要集中于两方面：一方面是利用传感器等探测手段对故障电机温升进行测量；另一方面是利用集总参数热网络或有限元模型对故障电机进行建模与仿真研究。

目前针对匝间短路故障引发电机热特性变化的问题，从温度探测、故障识别、建模与仿真等角度的研究取得了良好的效果，但是多种研究手段仍存在缺点与不足。如槽内布置传感器受限于测温点数量与布置准确性，红外探测又会受到内部空间限制或者外部机壳表面温度与故障特征不敏感的影响。并且，对于封闭自扇冷式电机在不同负载条件下的匝间短路瞬态温度分布与故障温升特性仍缺乏相关研究。

哈尔滨理工大学电气与电子工程学院的陈鹏、谢颖、李道璐，充分考虑电机实际冷却结构特点，采用电机内部埋置热敏电阻进行多测温点温度测量与三维全域瞬态温度场仿真相结合的方法，对空载、轻载、满载三种工况下匝间短路故障对电机温升特性的影响进行研究。通过分析故障前后电机温度变化的时空特性与绕组温度差异，总结出故障相关热特征，为电机匝间短路故障监测与诊断提供依据。

图1 空载温升实验平台

他们通过电机内部多测温点温升测量与三维全域温度场仿真相结合的研究方法，得到了故障后电机各关键位置的温升情况与电机全域的温度分布特征，以及故障对电机不同工况下的温度场分布规律的影响。

图2 三维温度场仿真模型与散热边界

研究者发现，匝间短路故障会造成电机瞬态和稳态温度的差异性分布，即故障引发电机各部件温升速率不同引起的温升时间变化特性差异与各部件温升量不同导致的电机整体温度空间分布特性差异。故障发生后，绕组是温度变化最剧烈的部分，上述特征在绕组温度差异性方面体现得最为显著。

图3 绕组温度传感器位置排布方案

其次，电机绕组故障温度特征在不同工况下的变化趋势近似相同，故障槽绕组表现出剧烈变化的温升瞬态特性，即故障槽绕组温升速率的加快以及温升量的增大。此外，绕组间温度分布也从正常时各相绕组平均温度几乎一致变为故障后温度相差巨大，且该特征伴随从电机运行初期到稳态的全过程。

他们指出，电机温升特性在匝间短路故障后发生明显变化，利用该绕组温度监测与方差分析方法可以从电机温度场变化角度对电机进行有效诊断。后续工作也将针对电机不同故障程度时的温度差异特征进行研究，为电机实际运行监测与故障预警提供参考。

本工作成果发表在2023年第18期《电工技术学报》，论文标题为“感应电机定子匝间短路故障温升特性研究”。本课题得到国家自然科学基金项目、国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点支持项目和黑龙江省自然科学基金重点项目的支持。