基于重復(fù)脈沖法的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障診斷

凌霜寒，黃立軍，米賢才，吳 進

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 518000）

基于重復(fù)脈沖法的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障診斷

凌霜寒，黃立軍，米賢才，吳 進

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 518000）

針對發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路故障的檢測方法眾多，但大多不夠靈敏，無法實現(xiàn)輕微匝間短路故障的檢測。介紹一種方便快捷、靈敏度高的匝間短路檢測技術(shù)—RSO試驗方法，說明了其基本工作原理及優(yōu)點，對某660 MW火電機組在交流阻抗試驗初步判斷轉(zhuǎn)子存在匝間絕緣缺陷的情況下，利用RSO試驗方法成功實現(xiàn)了故障診斷及定位，并通過內(nèi)窺鏡檢查驗證了判斷結(jié)果。

轉(zhuǎn)子繞組；匝間短路；RSO試驗方法；故障診斷

0 引言

發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路是較為常見且存在重大隱患的一種故障，繞組匝間短路會導致發(fā)電機的勵磁電流升高、無功功率相對下降、轉(zhuǎn)子振動增大；嚴重時會引起轉(zhuǎn)子一點甚至兩點接地故障，使得大軸磁化，甚至可能損壞軸頸和軸瓦。在已投運的大型發(fā)電機組中，發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障占故障總數(shù)的比重較大，故障發(fā)生頻率達到

11.46 %[1]。

引起故障主要原因有：線匝絕緣劣化，轉(zhuǎn)子繞組端部熱變形，線圈端部墊塊的松動或者護環(huán)絕緣襯墊的老化，導電微粒進入繞組端部或通風溝，油污等。轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的檢測方法較多，大多存在靈敏度不高、不易實施、不可定位故障點等不足[2]。

RSO（重復(fù)脈沖示波器法）試驗在檢測發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障方面具有準確靈敏、易于實施、可以進行故障定位等優(yōu)點。本文對不同的發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間故障診斷技術(shù)進行了介紹，重點闡述了RSO試驗方法基本原理，并結(jié)合在某火電機組上的應(yīng)用，對該試驗方法的現(xiàn)場實施進行了討論。

1 轉(zhuǎn)子繞組匝間短路檢測技術(shù)比較[2，3]

國內(nèi)外研究機構(gòu)在轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障檢測領(lǐng)域做了大量研究工作，提出了一些分析方法，具有一定的理論意義和實用價值的研究成果。常見的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路檢測方法的技術(shù)特點對比如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)子繞組匝間短路檢測方法技術(shù)特點比較

從表1可以看出，RSO方法具有靈敏度較高，易于實施，并能實現(xiàn)故障定位等技術(shù)特點。

2 RSO試驗方法

2.1 故障判斷原理

RSO試驗方法是英國專家J.W.Wood基于波過程理論提出的發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障診斷技術(shù)。

從繞組的兩端分別注入完全相同的低壓脈沖波，如果繞組正常，低壓脈沖波在繞組中的傳播過程對稱，繞組兩端的響應(yīng)波形也相同。如果繞組存在絕緣故障，低壓脈沖波沿繞組傳播到絕緣故障點的時候會產(chǎn)生反射波和折射波，導致繞組兩端的響應(yīng)波形不一致。將繞組兩端的響應(yīng)波形相減，得到的相減波就會在特定位置呈現(xiàn)突起或下陷，且其幅度與故障點的絕緣缺陷嚴重程度有密切聯(lián)系[4]。如圖1所示，注入的低壓脈沖波u1在波阻為Z1的線路傳播到故障點A時，線路的均勻性改變，設(shè)其等效波阻為Z2，則故障點A的電壓反射系數(shù)為[5]：

電壓折射系數(shù)為：

圖1 Z1＞Z2時波的折反射

RSO試驗方法存在一個局限：當故障點位于轉(zhuǎn)子繞組中心位置時，響應(yīng)波形一致，此時無法判斷是否存在絕緣缺陷。

2.2 故障定位

假設(shè)脈沖波從A端到B端所用時間是T，從A端到故障點所用時間為T1，而整個繞組的長度為XR，則可知故障點距離A端的長度為X=（T1/ T）×XR，定位示意見圖2。實際可以根據(jù)示波器上的相減波形中尖峰突起（正負均可）的時間來推出故障在第幾個線圈。由試驗可以得知脈沖波在轉(zhuǎn)子繞組上的傳播速度大約為1.11×108m/s，大約為光速的1/3，因此，根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組的長度可以得知在繞組中的傳播時間T，示波器上相減波的尖峰突起時間是2倍T1時間，這樣，就可以得出故障點的位置[6]。

圖2 故障定位示意

3 應(yīng)用案例

3.1 機組轉(zhuǎn)子

發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組采用含銀銅線制成，通過轉(zhuǎn)子引線、導電桿及導電螺釘與集電環(huán)相連接。轉(zhuǎn)子有2個磁極，每極有16個槽，槽內(nèi)有8個串聯(lián)線圈，轉(zhuǎn)子兩極之間是由繞線從端部串連接形成。其繞組接線見圖3。

圖3 轉(zhuǎn)子繞組接線

RSO試驗的連接方式如圖4所示。試驗儀器通過轉(zhuǎn)子滑環(huán)或旋轉(zhuǎn)整流器上的導電螺母連接到轉(zhuǎn)子，不需要額外安裝裝置。

圖4 典型RSO試驗連接方式

3.2 交流阻抗試驗

交流阻抗試驗的數(shù)據(jù)如表2所示，試驗條件：JLZ-2004交流阻抗測試儀，膛內(nèi)抽轉(zhuǎn)子前，環(huán)境溫度10℃，相對濕度97%，3 000 r/min，220 V測試電壓。出廠試驗交流阻抗4.191 Ω。

表2 交流阻抗試驗數(shù)據(jù)

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制出阻抗-轉(zhuǎn)速曲線（見圖5），從圖5中可以看到：隨著轉(zhuǎn)速的升高，阻抗存在階躍變化，在轉(zhuǎn)速從520 r/min升到1 200 r/min時，變化率達到10.5%。

圖5 阻抗-轉(zhuǎn)速曲線

雖然在全速狀態(tài)下測得交流阻抗數(shù)據(jù)為4.09 Ω，相比于出廠試驗數(shù)據(jù)的變化率為2.41%，遠沒有達到10%的警戒值。但是伴隨著升速過程，交流阻抗-轉(zhuǎn)速曲線存在階躍變化，且變化率超過10%，初步判斷轉(zhuǎn)子匝間絕緣可能存在缺陷。

由于交流阻抗試驗測試對輕微的匝間短路故障結(jié)果準確性不高，測試結(jié)果除受到轉(zhuǎn)子槽楔與槽壁接觸的緊密程度的影響之外，還受到轉(zhuǎn)子本體剩磁、試驗電源的幅值、頻率、諧波分量等多種因素影響，需要進一步驗證。

3.3 RSO試驗

由于不具備在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下進行測試的條件，某些匝間絕緣缺陷的表現(xiàn)可能和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時有差別，當轉(zhuǎn)子處于特定的角度時故障缺陷甚至可能會被隱蔽，所以應(yīng)在發(fā)電機出現(xiàn)轉(zhuǎn)子不同角度位置上進行多次測試，以避免故障缺陷的檢測盲區(qū)。依次在0°，90°，180°和270°位置測試，記錄相應(yīng)的響應(yīng)波形曲線與相減波測試波形。首先進行傳播時間測量，記錄相關(guān)波形數(shù)據(jù)。測試波形如圖6、圖7所示。

圖6 傳播時間測試

圖7 重疊波與相減波測試波形（270°測試結(jié)果）

RSO試驗結(jié)果表明，相減波波形存在一定突起（最大幅值約為200 mV），且在不同角度下測量時突起均存在，波形具有明顯差別，分析認為這是因為轉(zhuǎn)子匝間絕緣存在程度輕微的不穩(wěn)定絕緣缺陷，不同角度下缺陷對波阻的影響有所差異。

取轉(zhuǎn)子處于270°位置時的數(shù)據(jù)（如圖7）進行故障定位，該機組的脈沖相減波突起點在0.7 μs處（180°），脈沖波傳播速度取1.11×108m/s，由此可以計算出轉(zhuǎn)子匝間絕緣缺陷的位置大致在靠勵側(cè)的第2個線圈上。

3.4 內(nèi)窺鏡檢查

如圖8所示，使用內(nèi)窺鏡對轉(zhuǎn)子內(nèi)部進行檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子勵側(cè)端部護環(huán)處轉(zhuǎn)子匝間絕緣外觀存在缺陷。包括存在長毛刺、絕緣墊片邊緣不整齊有油污、線棒表面積有粉塵等現(xiàn)象。從內(nèi)窺鏡的檢查結(jié)果來看，屬于輕度的匝間絕緣缺陷，驗證RSO的測試結(jié)論是可信的。

圖8 內(nèi)窺鏡檢查

4 結(jié)語

RSO試驗方法是非破壞性的試驗，易于操作，靈敏度高，并且可以實現(xiàn)故障定位。同時，RSO試驗方法靈敏，對于發(fā)現(xiàn)發(fā)電機轉(zhuǎn)子絕緣早期故障，避免故障繼續(xù)發(fā)展具有重要意義。

基于RSO檢測方法的技術(shù)特點，為更準確地獲得發(fā)電機轉(zhuǎn)子絕緣狀態(tài)的實際數(shù)據(jù)，在應(yīng)用RSO方法對發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間絕緣進行檢測時應(yīng)關(guān)注以下問題：

（1）由于匝間短路故障的狀態(tài)可能不穩(wěn)定，RSO試驗應(yīng)在轉(zhuǎn)子處于低速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)和靜止下分別進行，并加以比對，如果不具備在低速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下進行測試的條件，需要對轉(zhuǎn)子進行盤車，在不同角度進行檢測。

（2）不同機組的轉(zhuǎn)子繞組對注入信號的響應(yīng)可能有略微差別，應(yīng)針對特定的機組進行長期的跟蹤試驗，建立歷史數(shù)據(jù)庫以縱向比對。

（3）在建立歷史數(shù)據(jù)庫的同時，可以人工模擬匝間短路故障，以不同的短路電阻在不同線圈位置模擬匝間短路，記錄相關(guān)波形作為參考資料。

（4）避免在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)情況下進行RSO試驗。由臟污、異物導致的輕微故障，可結(jié)合RSO的故障定位結(jié)果和內(nèi)窺鏡確認引起故障的原因。

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

[2]GREG C，STONE.旋轉(zhuǎn)電機的絕緣——設(shè)計、評估、老化、試驗、修理[M].北京：中國電力出版社，2011.

[3]李永剛.發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障特性分析與識別[M].北京：中國電力出版社，2009.

[4]范天明.基于重復(fù)脈沖法的汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路探測[D].北京：華北電力大學，2007.

[5]WOOD J W.Rotorwinding short detection[J]．IEE Proceedings，1986∶181-189．

[6]向成.大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組RSO試驗分析和探討[J].大電機技術(shù)，2008（1）∶16-17.

（本文編輯：徐 晗）

Diagnosis of Inter-turn Short Circuit Fault of Rotor Winding Based on Recurrent Surge Oscilloscope

LING Shuanghai，HUANG Lijun，MI Xiancai，WU Jin

（Suzhou Nuclear Power Research Institute，Suzhou Jiangsu 518000，China）

The detection methods for inter-turn short circuit fault of generator rotor are various,but most of them are not sensitive enough to detect small inter-turn short circuit faults.The paper introduces a convenient and sensitive method for inter-turn short circuit faults detection，namely the RSO technique，and it also introduces the operating principle and advantages.In an electrochemical impedance spectroscopy（EIS）test of 660 MW thermal power generating units，it is preliminarily determined that there is inter-turn insulation fault in the rotor；by using RSO test method，the fault is diagnosed and located，and the diagnosis result is verified through endoscope examination.

rotor winding；inter-turn short circuit；RSO technique；fault diagnosis

TM774

B

1007-1881（2016）08-0042-04

2016-06-21

凌霜寒（1986），男，工程師，從事電氣設(shè)備預(yù)防性試驗相關(guān)工作。