基于補(bǔ)償短路的汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路RSO測(cè)試方法

李 偉，楊曉輝，徐大鵬，3，趙宇昂，趙 俊，3

（1.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，呼和浩特 010010；2.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)高電壓與絕緣技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010020）

0 引言

汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈匝間絕緣部件松動(dòng)及絕緣老化等因素，很容易引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障[1-3]。而匝間短路會(huì)改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電路和磁路的對(duì)稱性，對(duì)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子造成擾動(dòng)，引起機(jī)組振動(dòng)加劇等問題。如果匝間短路情況逐步加劇，有可能引發(fā)轉(zhuǎn)子繞組局部過熱、轉(zhuǎn)子接地，甚至造成非正常停機(jī)[4-6]。因此，開展輕微匝間短路的早期診斷工作顯得非常必要。

通常情況下，發(fā)電機(jī)匝間短路故障的檢測(cè)手段包括在線監(jiān)測(cè)和離線檢測(cè)。近年來，轉(zhuǎn)子匝間短路在線監(jiān)測(cè)裝置在大型發(fā)電機(jī)上得到較廣泛應(yīng)用，可通過監(jiān)測(cè)氣隙波形分析匝間短路情況。但因采集信號(hào)的準(zhǔn)確性受探測(cè)線圈的影響較大，對(duì)匝間短路初期狀況的監(jiān)測(cè)不夠靈敏，且對(duì)分析人員的技術(shù)水平要求較高。常規(guī)的離線檢測(cè)手段主要包括直流電阻、交流阻抗和匝間壓降測(cè)試等，但直流電阻和交流阻抗測(cè)試很難發(fā)現(xiàn)早期的匝間短路故障，只能進(jìn)行定性分析，且不能定位故障點(diǎn)，而匝間壓降法操作比較復(fù)雜，需要抽出轉(zhuǎn)子進(jìn)行試驗(yàn)[7-9]。

近幾年，重復(fù)脈沖示波（Repetitive Surge Oscil?lograph，RSO）試驗(yàn)方法逐漸應(yīng)用于轉(zhuǎn)子匝間短路現(xiàn)場(chǎng)診斷。

1 RSO測(cè)試方法介紹

1.1 基本原理

該方法基于轉(zhuǎn)子繞組的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，依據(jù)行波傳輸理論，在轉(zhuǎn)子兩端輸入高頻脈沖信號(hào)，若轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路而引發(fā)其對(duì)稱性結(jié)構(gòu)改變，則兩端注入的高頻脈沖信號(hào)在轉(zhuǎn)子繞組上的傳輸對(duì)稱性也會(huì)發(fā)生變化。RSO方法通過檢測(cè)這種變化來反映轉(zhuǎn)子繞組的匝間短路情況，對(duì)轉(zhuǎn)子繞組對(duì)稱性短路或者轉(zhuǎn)子繞組絕對(duì)中點(diǎn)的匝間短路則不靈敏。

為了簡(jiǎn)化分析，忽略發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)互感與匝間電容的影響，并假設(shè)整個(gè)轉(zhuǎn)子繞組各部分的參數(shù)保持恒定且均勻分布，將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組近似等效為一條有損傳輸線。基于傳輸線理論，當(dāng)脈沖信號(hào)（行波）沿轉(zhuǎn)子繞組傳播到匝間短路故障點(diǎn)時(shí)，由于故障點(diǎn)波阻抗發(fā)生突變，行波會(huì)發(fā)生折射和反射現(xiàn)象[7-8]。若正常轉(zhuǎn)子繞組波阻抗為Z0，短路故障點(diǎn)波阻抗突變?yōu)閆1，則行波X1傳輸?shù)焦收宵c(diǎn)時(shí)（如圖1所示），折射波X11會(huì)繼續(xù)向前傳播，同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)反射波X12。可以用反射系數(shù)α與折射系數(shù)β來表示反射波和折射波的大小[10]，見式（1）、式（2）：

圖1 故障點(diǎn)波的反射和折射示意圖

當(dāng)反射波返回端點(diǎn)時(shí)，會(huì)與端點(diǎn)處注入波形相疊加，造成端點(diǎn)處檢測(cè)波形與正常回路無(wú)阻抗突變時(shí)相異。由式（1）可知，反射系數(shù)與波阻抗變化（Z1-Z0）成正比，波阻抗變化越大，反射現(xiàn)象越顯著，對(duì)端點(diǎn)處檢測(cè)的波形影響越大。一般而言，可將行波在短路故障處的傳播視為旁路增多，則波阻抗Z1小于Z0，反射波與注入波反相位，使得檢測(cè)波形峰值變小。將兩端檢測(cè)波形之差定義為特征波形，則正常轉(zhuǎn)子兩端檢測(cè)波形與注入波形一致，特征波形近似是一條平緩的直線；如果特征波形某部位有明顯的突起，就可以判斷出現(xiàn)了匝間短路，而該部位特征波形突起的大小可以反映該位置匝間短路的嚴(yán)重程度[11]。

1.2 定位機(jī)理

脈沖信號(hào)（行波）在轉(zhuǎn)子繞組上的傳播速度大約為光速的1/3，假設(shè)轉(zhuǎn)子兩端同時(shí)發(fā)出脈沖信號(hào)（行波），且匝間短路故障點(diǎn)位置距離繞組端點(diǎn)1比端點(diǎn)2近，行波X1從轉(zhuǎn)子繞組端點(diǎn)1傳輸?shù)蕉它c(diǎn)2所需時(shí)間為T，由端點(diǎn)1傳輸?shù)焦收宵c(diǎn)用時(shí)為T1，轉(zhuǎn)子繞組的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則可知故障點(diǎn)與端點(diǎn)1的距離為L(zhǎng)1=T1/TL。

故障點(diǎn)反射波回到端點(diǎn)1的時(shí)間也為T1，脈沖信號(hào)從發(fā)出到遇到故障點(diǎn)反射波返回端點(diǎn)1的時(shí)間為2T1。此時(shí)端點(diǎn)1檢測(cè)波形為反射波與注入波波形的疊加，因反射波與注入波反相位，使得檢測(cè)波形峰值變小。此時(shí)端點(diǎn)2發(fā)出行波還未傳輸?shù)焦收宵c(diǎn)，或者遇到故障點(diǎn)的反射波還未回到端點(diǎn)2，而端點(diǎn)1的折射波也未傳輸?shù)蕉它c(diǎn)2，端點(diǎn)2檢測(cè)波形依然是其注入波形。若將端點(diǎn)1與端點(diǎn)2的檢測(cè)波形之差定義為特征波形，此時(shí)特征波形會(huì)出現(xiàn)向下的突起，即明顯的波谷；反之，如果故障點(diǎn)距離端點(diǎn)2比距離端點(diǎn)1近，則特征波形會(huì)表現(xiàn)為波峰。

RSO測(cè)試同時(shí)從轉(zhuǎn)子繞組兩端發(fā)出激勵(lì)信號(hào)并檢測(cè)激勵(lì)端的波形，以傳播時(shí)間T為時(shí)間軸，將兩端的波形及特征波形在時(shí)間軸上顯示，波峰或波谷在時(shí)間軸的位置反映了脈沖波遇到故障點(diǎn)并反射回端點(diǎn)的時(shí)間，即時(shí)間軸的相對(duì)位置反映了故障位于繞組端點(diǎn)到繞組中間點(diǎn)的相對(duì)位置。

1.3 試驗(yàn)接線方法

RSO現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試很方便，只需將轉(zhuǎn)子大軸及儀器接地，斷開轉(zhuǎn)子兩級(jí)（集電環(huán)）與勵(lì)磁回路的連接，接上脈沖信號(hào)發(fā)生器（轉(zhuǎn)子匝間短路分析儀）的2根測(cè)試線，用電腦（示波器）同時(shí)采集波形即可。

2 基于補(bǔ)償短路的RSO測(cè)試方法

2.1 RSO測(cè)試

2.1.1 不存在匝間短路情況測(cè)試

選擇國(guó)內(nèi)某代表性發(fā)電機(jī)（型號(hào)QFSN-330-2）轉(zhuǎn)子進(jìn)行測(cè)試，為保證轉(zhuǎn)子不存在匝間短路情況，選擇在制造廠剛完成生產(chǎn)、尚未出廠的轉(zhuǎn)子開展測(cè)試，試驗(yàn)儀器采用哈爾濱物格電子技術(shù)有限公司的RD-1A型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路分析儀。

試驗(yàn)?zāi)Ｊ竭x擇靜態(tài)試驗(yàn)，激勵(lì)方式為兩端同步激勵(lì)，激勵(lì)信號(hào)為鋸齒波，重復(fù)頻率為1 kHz，脈沖寬度為1%（10μs），脈沖幅值12 V。端點(diǎn)1、端點(diǎn)2分別接于轉(zhuǎn)子內(nèi)滑環(huán)和外滑環(huán)。

（1）脈沖在轉(zhuǎn)子繞組的傳播時(shí)間測(cè)試。將激勵(lì)信號(hào)僅注入端點(diǎn)1（即繞組內(nèi)滑環(huán)），端點(diǎn)2無(wú)信號(hào)注入，標(biāo)定的傳播時(shí)間即為脈沖從端點(diǎn)1注入并在繞組中傳播，最終到達(dá)端點(diǎn)2的時(shí)間。在波形圖上傳播時(shí)間的起始點(diǎn)是端點(diǎn)1脈沖的注入時(shí)刻，到達(dá)點(diǎn)是脈沖傳輸?shù)蕉它c(diǎn)2的時(shí)刻。

（2）正式測(cè)試。試驗(yàn)?zāi)Ｊ竭x擇“兩端同步激勵(lì)”，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。圖2中上半部分波形為轉(zhuǎn)子兩端檢測(cè)RSO波形，端點(diǎn)1波形（E1）用紅色顯示，端點(diǎn)2波形（E2）用綠色顯示，下半部分波形為兩端波形之差，即特征波形，用黃色顯示。可見，兩端RSO測(cè)試波形幾乎重合，特征波形平直，無(wú)明顯畸變突起，說明轉(zhuǎn)子繞組的絕緣狀態(tài)良好，不存在匝間短路情況。

圖2 不存在匝間短路的RSO測(cè)試圖譜

2.1.2 短路模擬測(cè)試

RSO測(cè)試方法基于轉(zhuǎn)子繞組的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，本文測(cè)試的轉(zhuǎn)子繞組由8匝組成。在轉(zhuǎn)子繞組的直線部分設(shè)有若干通風(fēng)孔，現(xiàn)場(chǎng)利用這些通風(fēng)口進(jìn)行模擬短路設(shè)置。具體方法為：在截面積為4 mm2的金屬軟導(dǎo)線上纏繞絕緣層，導(dǎo)線兩端少許裸露并制作成倒鉤狀，在轉(zhuǎn)子軸向相應(yīng)的通風(fēng)口位置短接該繞組線圈相鄰的兩匝，將其作為研究對(duì)象。

測(cè)試模式設(shè)置與2.1.1節(jié)相同，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。由于短路點(diǎn)設(shè)置在相對(duì)靠近轉(zhuǎn)子繞組端點(diǎn)2（外滑環(huán)）的位置，所以端點(diǎn)1每次測(cè)試的圖譜沒有變化（圖3上半部分中的紅色線）。不同繞組相鄰匝間短路后的端點(diǎn)2的RSO測(cè)試圖譜均不相同，整體表現(xiàn)為相對(duì)應(yīng)位置的波形高度下降，在脈沖起始和到達(dá)的參考區(qū)間內(nèi)，依次出現(xiàn)從繞組1到8繞組的特征波形，特征波向上突起，以波峰的形式呈現(xiàn)。

圖3 不同繞組上短路后的RSO波形

各繞組中起始相鄰兩匝短路后，特征波高度并不相同，從繞組1到繞組8特征波高度呈下降趨勢(shì)，特征波大小受短路故障位置的影響。

對(duì)同一繞組相鄰兩匝1-2、3-4、5-6、7-8匝短路后進(jìn)行RSO測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。由圖4可見，同一繞組相鄰匝間短路的RSO特征波形整體的變化趨勢(shì)為：靠近端部的短路特征峰較高，在時(shí)間軸上偏向于脈沖起始點(diǎn)。

圖4 同一繞組相鄰匝間短路后的RSO波形

在傳輸時(shí)間T的時(shí)間軸上，由特征峰的相對(duì)位置可以大致定位短路位置，這種定位雖然可以精確到繞組，但是很難確定到繞組的某一匝。

2.2 基于補(bǔ)償短路的RSO測(cè)試方法

雖然上述方法可以憑借特征波形中波峰或波谷的相對(duì)位置判斷故障位置，但受測(cè)試線長(zhǎng)度、脈沖信號(hào)衰減等因素影響，并且特征波形的波峰和波谷又往往延伸到不存在故障的相鄰匝，使該方法較難定位到具體匝。若想精確定位到匝間，一種方法是通過對(duì)轉(zhuǎn)子繞組線圈不同位置進(jìn)行模擬短路，在特征波形上制造尖峰突起并保存其波形，形成一系列的短路點(diǎn)位置的圖譜。如果發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子保存有足夠數(shù)量的這樣的圖譜，當(dāng)實(shí)際測(cè)試的特征波上出現(xiàn)尖峰突起時(shí)，將該突起與圖譜中的波形逐一比較，即可定位短路所在的匝。

另一種方法即采用基于補(bǔ)償短路的RSO測(cè)試方法。因RSO測(cè)試方法的原理基于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，這也決定了其不適于發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子對(duì)稱的短路故障，對(duì)稱短路故障測(cè)試到的特征波形不會(huì)表現(xiàn)出波峰或波谷。轉(zhuǎn)子繞組存在對(duì)稱性故障的概率很小，可利用這個(gè)特點(diǎn)，對(duì)匝間短路的對(duì)稱位置設(shè)置一個(gè)程度相當(dāng)?shù)亩搪罚瑒t原來有突起的特征波形就會(huì)回歸為一條直線，這就是補(bǔ)償短路法的原理。用該方法可以精確定位故障位置，并判斷短路故障的嚴(yán)重程度。

現(xiàn)場(chǎng)分別在轉(zhuǎn)子兩端第三繞組的對(duì)稱位置設(shè)置對(duì)稱短路，對(duì)上述方法進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。與原始圖譜相比，單獨(dú)設(shè)置短路都對(duì)波形產(chǎn)生了影響，并且與對(duì)稱位置的短路測(cè)得波形一致，二者之差得到的特征波形仍然為一條直線。

圖5 對(duì)稱短路情況

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，基于RSO測(cè)試結(jié)果，對(duì)懷疑存在匝間短路故障的轉(zhuǎn)子，根據(jù)特征峰的位置初步確定短路點(diǎn)位置后，將其在繞組上的對(duì)稱位置作為補(bǔ)償短路的初始位置，使用事先準(zhǔn)備好的阻值在1～10Ω的一系列電阻進(jìn)行補(bǔ)償短路設(shè)置。期間應(yīng)根據(jù)特征波形的變化調(diào)整補(bǔ)償短路的阻值和位置，直至特征波形上的突起消失，此時(shí)使用的補(bǔ)償電阻即是短路的阻抗值，而實(shí)際的短路點(diǎn)即在補(bǔ)償點(diǎn)的對(duì)稱位置。

3 結(jié)語(yǔ)

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組在運(yùn)行中長(zhǎng)期承受離心力、電磁場(chǎng)和高溫的作用，隨著運(yùn)行年限增長(zhǎng)出現(xiàn)匝間短路的風(fēng)險(xiǎn)逐漸增大，直接影響到運(yùn)行安全。RSO測(cè)試方法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方便，不會(huì)損傷轉(zhuǎn)子絕緣，對(duì)于即使是相鄰兩匝短路的這種輕微故障也有較好的靈敏度。而基于補(bǔ)償短路的RSO測(cè)試方法可對(duì)故障位置進(jìn)行精確定位，判斷故障的嚴(yán)重程度，可以對(duì)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路狀況進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，為下一步的檢測(cè)或檢修工作提供指導(dǎo)。