重復脈沖法在發電機轉子繞組匝間短路檢測中的應用

王庚森， 李永剛， 張建忠

(1.華北電力大學，河北 保定 071003；2.河北省電力研究院，石家莊 050021)

隨著國民經濟的發展，對電力的需求越來越大。同時，隨著技術水平的提高，現代汽輪發電機的功率越來越大，因此對發電機組的穩定運行要求也越來越高。轉子繞組做為發電機組的主要部件，對其可靠性要求日益增高。轉子由于設計及制造上的不足發生的問題較多，而發電機轉子繞組匝間短路故障在發電機故障中占有較大比例。匝間短路故障在開始時對發電機影響不大，但是發展下去就會引起機組振動，短路點過熱燒毀絕緣，進而造成接地故障等惡性事故[1]，因此，盡早發現轉子繞組匝間短路尤為重要。以下介紹的重復脈沖法，即RSO(Repetitive Surge Oscilloscope)檢測方法對發電機轉子繞組匝間短路的檢測及定位有很高的靈敏度[2]。

1 繞組匝間短路傳統檢測方法

a. 微分繞組動測法。它是將探測繞組裝在定子鐵心的氣隙表面，把發電機氣隙中的旋轉磁場進行微分，然后將此微分信號引入示波器進行分析，根據信號微分后的波形差異來判斷轉子是否出現匝間短路故障，并準確顯示出故障槽的位置。微分繞組動測法只能在發電機空載和三相短路的情況下進行，在發電機帶負載條件下，由于電樞反應，探測效果并不明顯，且檢測準確度也較差。

b. 交流阻抗和功率損耗法。這是目前常用的靜態判斷轉子繞組匝間短路的方法，它應用轉子繞組的阻抗及損耗值的變化來判斷繞組有無匝間短路及其程度，具有簡便、實用和較為靈敏的優點，但影響其檢測結果的因素較多，如轉子轉速、短路電阻及其部位、試驗電壓高低、轉子結構等。因此該方法不能作為判斷匝間短路的主要依據，要結合其他方法才能得出結論。

c. 直流電壓降法。該方法要在轉子繞組中通入直流電，用接有毫伏表的探針來測量繞組中各匝間的電壓降，在短路線匝上所測得的電壓將明顯小于正常繞組匝間的電壓，且其電壓的減小值隨著靠近短路點的距離而增大。此方法對于匝間短路的測量比較靈敏，但其操作比較復雜，需要抽出轉子，拆下套箍才能測量。

d. 直流電阻法。向轉子通直流電流時，轉子繞組故障狀態的電阻測量值比正常狀態的測量值明顯偏低，但是如果短路匝數較少(如1～2匝)，其測量電阻變化會很小(少于1%)，靈敏度也會很低，因此，該方法雖然操作容易，但只能作為一種參考方法。

2 RSO法原理

RSO法是基于英國專家提出的波過程理論(行波技術)，主要應用于轉子匝間短路的早期發現及其短路位置的定位上。其主要原理是向轉子繞組發射一個低壓脈沖信號，當脈沖波沿著轉子繞組傳播時，遇到任何繞組上的阻抗突變點時，會有反射波和透射波的出現，這樣就會在檢測點檢測到與正常回路無阻抗突變點時不同的波形響應特征信號。

RSO法是基于轉子繞組的波阻抗變化來進行檢測，匝間短路的嚴重程度通過故障點處波阻抗的變化大小來反映，即檢測到的2個波形合成圖的突起程度來判斷，有突起的地方即說明匝間存在異常，而突起的幅值大小就表示匝間短路的嚴重程度[3]。

對于故障的定位可以在相減波形圖上看出，根據相減波形開始與突起波形之間的距離長短(時間的長短)即可判斷故障的位置。

RSO法試驗采用兩端波形相減的方法，這樣只要故障不在繞組的絕對中間，在示波器上檢測到的波形就不會完全相同，兩者疊加就會看到波形的不同，這樣就可以通過相減波形來分析匝間短路故障。

RSO法與其他匝間短路檢測方法比較有突出的優點，該方法靈敏度高，即使匝間絕緣有輕微變化也能檢測出來；操作簡便，設備簡單，現場測量容易，根據波形判斷清晰明了；能進行定位，可精確到1個繞組。

3 RSO法試驗及分析

3.1 試驗接線及發電機抽頭分布

發電機轉子RSO試驗接線示意見圖1。

圖1 RSO試驗接線示意

該試驗是在華北電力大學SDF-9型故障模擬試驗機組上進行的，圖2是模擬發電機轉子繞組抽頭的分布圖，抽頭L2、L3在發電機的某一極上，L4是在另一極上的抽頭，如圖所示，各短路點之間所占百分比L1-L3為15%、L2-L3為12%、L4-L5為6%。

圖2 模擬發電機轉子繞組抽頭的分布示意

3.2 試驗過程

調整信號發生器的功率為5 000 Hz，電壓為1 V，波形為方波；示波器采樣頻率是5 GS/s，精度是4 μs。

按圖1所示接線，轉子繞組抽頭分布如圖2所示，在發電機繞組無匝間短路情況下，在L1端加入輸入信號，從L5端輸出信號波形，并用示波器接收、顯示并記錄。采用同樣的方法，再在L5端加入輸入信號，L1端檢測輸出信號波形，記錄波形數據。這樣得到從兩端分別加入信號時的2組波形并將其進行相減得到特征波形，見圖3。

圖3 正常情況下的特征波形

當繞組存在匝間短路時，重復以上試驗步驟，即可得到匝間短路故障時的特征波形，如圖4所示。與圖3相比較，可以明顯看出當發電機轉子繞組存在匝間短路故障時得到的特征波形與正常情況下的特征波形相比有明顯的突起，這樣，通過觀察特征波形是否是一條直線(即是否存在突起)，即可判斷發電機匝間繞組是否存在短路故障。

圖4 某種短路情況下特征波形

3.3 試驗波形分析

由圖3可知當發電機轉子繞組沒有匝間短路時得到的特征波形基本上就是一條直線，沒有明顯的突起。由圖4可知當轉子繞組之間存在匝間短路時，特征波形上就會有明顯的突起，這樣根據測得的特征波形就可以判斷發電機轉子繞組之間是否存在匝間短路。為得到發電機轉子繞線在不同短路情況下RSO法特征波形的變化規律，依次在L1-L3(短路15%)、L2-L3(短路12%)、L4-L5(短路6%)的短路條件下，測量不同短路形式下的波形數據并記錄，然后將兩端輸入得到的波形數據相減，得到的不同短路情況下的特征波形圖，見圖5。

1-正常；2-L4、L5短路；3-L2、L3短路；4-L1、L3短路

從圖5中可以看出不同短路程度下其特征波形的突起不同，短路程度越大其波形突起也越大，因此可以根據特征波形突起程度來確定短路的程度。但是通過波形突起的程度來判斷短路程度只能判斷出一個大概情況，不好進行定量分析。通過仔細觀察，發現不同短路程度下，其波形突起程度反映在特征波形圖上可以用其突起所占時間的長短來判斷，如圖6所示。

1-正常；2-L4、L5短路；3-L2、L3短路；4-L1、L3短路

根據圖6在時間上對本臺機組短路程度進行分析，對于不同短路程度的特征波形，當其短路比例為6%(即L4-L5短路)時，對應的波形突起時間T1=2.07×10-5s；短路比例為12%(即L2-L3短路)時，對應的波形突起時間T2=2.53 ×10-5s；短路比例為15%(即L1-L3短路)時，波形突起時間T3=2.74×10-5s。其突起波形的時間長度T1

1-正常；2-L4、L5短路；3-L2、L3短路；4-L1、L3短路

由圖7可以看出對于L1-L3短路及L4-L5短路(即在轉子兩級繞組開始的地方開始短路)的情況下特征波形的突起的時間起始點是同一時刻，相距特征波形開始的時刻所用時間是P，而L2-L3短路所用時間相對從繞組兩級開始短路所用時間延后時長為T，這樣就可以根據波形信號在繞組中傳播的速度與時間來確定短路位置。但是對于不同機組繞組來說，波形信號在其中的傳播速度受到的影響因素太多而無法得出一個標準值，這樣可以針對不同的機組制定一個不同繞組短路時的標準圖形，將特征波形與標準圖形進行比對，即可確定短路點的位置。

4 結束語

RSO法是檢測發電機轉子繞組匝間短路的新方法，該方法可以靈敏的檢測出發電機繞組是否存在匝間短路，并且得到的特征波形還可以反映出短路點的位置及其短路程度，如果可以針對某臺機組制作不同繞組短路標準圖及不同短路程度標準圖，將特征波形與其進行比對，即可精準的判斷出短路點的位置及其程度，這樣RSO法對于匝間短路的早期發現及其檢測可以發揮重要作用。

參考文獻：

[1] 李偉清．汽輪發電機故障檢查分析及預防[M]．北京：中國電力出版社，2002.

[2] 郗常驥．汽輪發電機故障實例與分析[M]．北京：中國電力出版社，2002．

[3] 沈梁偉．大型汽輪發電機故障模式分析及對策[J]．大電機技術，1998(6)：1-9.