大型水輪發(fā)電機轉子匝間短路在線監(jiān)測研究

鄧方雄，楊 東，劉 敏，賈興易，閻 明

（1.國電大渡河大崗山水電開發(fā)有限公司，四川雅安 625000；2.成都英孚德科貿(mào)有限公司，四川成都 610213）

1 背景描述

水輪發(fā)電機轉子繞組通常是可靠的，但繞組的匝間絕緣最終會因熱老化、負荷循環(huán)以及污染等原因逐步劣化而受損。雖然匝間短路不會直接導致電機跳閘，但可以引起軸振動增大，進而影響功率輸出。以前離線試驗方法可以探測轉子繞組匝間短路，但是需要停機，另外靜止狀態(tài)下的某些短路點在轉子旋轉起來以后可能就消失了，反之亦然。以前的在線監(jiān)測方案，由于測試時需要專業(yè)工具和有經(jīng)驗的專家分析來改變電機負荷以避開主磁通對測試數(shù)據(jù)的扭曲影響，測試程序復雜，不利于用戶自行掌握。

2 現(xiàn)有技術

轉子匝間短路一般采用離線探測或人工圖譜識別的方法，最常用是進行磁極壓降試驗。該方法需要一個交流電源在電動機停機時施加到正、負滑環(huán)之間，人工測量各極之間的電壓，有短路匝的磁極讀數(shù)將顯示比各讀數(shù)的平均值偏小。

（1）RSO（Repetitive Surge Oscillograph，重復脈沖試驗法）：發(fā)電機停止或空轉測量，勵磁系統(tǒng)在斷開狀態(tài)。在轉子正、負兩極施加一個高頻低壓的脈沖信號，同時用示波器觀察輸出響應信號，由于轉子繞組分布的對稱性，正常情況下正負兩極的脈沖響應信號應該完全一致，反映在波形圖上即兩條相應曲線應當完全重合，其相減波為一條直線。一旦不能完全重合、相減波出現(xiàn)凸起，就說明轉子繞組絕緣存在異常。

（2）傳統(tǒng)的在線監(jiān)測方式：在發(fā)電機處于不同的負荷下，通過安裝在定子鐵心上的磁通探頭，對旋轉經(jīng)過磁通探頭的各磁極感應的漏磁通信號進行測量，在總磁通密度的過零點位置檢測由于匝間短路而造成的漏磁通的大小。該方法需要在不同的負載條件下對不同磁極的漏磁通進行人工量測、比對，才可以確定是否有匝間短路現(xiàn)象及定位短路匝所在的槽。

現(xiàn)有的離線探測法和在線監(jiān)測方案有5 個明顯不足：①離線檢測只能在電機停機時進行試驗；②試驗費時，特別是大型轉子的極數(shù)非常多；③由于轉子是靜止的，沒有離心力的作用時某些在運行狀態(tài)下才能顯現(xiàn)的短路故障就可能檢測不出來，一些停機情況下的短路故障在運行中也可能檢測不出來；④RSO 方案需要專家對故障進行判斷，對經(jīng)驗要求較高；⑤在線監(jiān)測方案需要排除主磁通的干擾，所以需要調(diào)整負荷測量，現(xiàn)場操作難度大。

3 系統(tǒng)技術方案

3.1 設計原理及特點

本系統(tǒng)采用Guard ⅡFLUX-S 模塊化匝間短路在線監(jiān)測儀和全磁通探測法，在線檢測匝間短路。其工作原理為：全磁通探頭安裝在電機定子鐵心上，實時探測轉子匝間的相關信息，包括電機運行的主磁通和每一磁極通過磁通探頭的感應漏磁通。每磁極內(nèi)的漏磁通與該磁極的有效匝數(shù)是相關的，匝間短路將會導致特定級的漏磁通降低。將兩個不同極相對應的漏磁通數(shù)據(jù)進行比對，可以發(fā)現(xiàn)有匝間短路的繞組所在磁極。

全磁通探頭探測主磁通和漏磁通，主機通過內(nèi)置運算程序?qū)獦O的磁通量進行對比，主磁通相同的兩極如果探測到的全磁通有差異，差異值則會體現(xiàn)為漏磁通的差異，差異超過3%時磁通較低的那一級就會被系統(tǒng)自動判定為存在匝間短路的故障。

該在線監(jiān)測裝置的優(yōu)點：①無需調(diào)整負載；②不影響電機的正常工作；③沒有任何風險與破壞；④快速、實時獲得轉子匝間短路狀況分析；⑤現(xiàn)場可解讀數(shù)據(jù)，并能直觀地輸出轉子模擬圖、標出故障點；⑥數(shù)據(jù)可記錄、回放、對比，有助于驗證檢維修結果。

3.2 系統(tǒng)結構

轉子磁通在線監(jiān)測是將磁通探頭安裝于發(fā)電機定子上，用同軸電纜線將信號引到端子接線箱內(nèi)，再通過電纜線連接到監(jiān)測主機，鍵相傳感器的信號也通過線纜連接到監(jiān)測主機，形成監(jiān)測系統(tǒng)。

（1）磁通探頭。轉子磁通監(jiān)測為了判斷轉子磁極中是否已經(jīng)發(fā)生了繞組短路，就涉及到發(fā)電機或電機氣隙中的磁通測量。轉子的徑向磁通的監(jiān)測由磁通探頭實現(xiàn)，該探頭有數(shù)十匝線圈，用膠粘在定子鐵心的一個齒上。當每個磁極掃過磁通探頭的時候，該線圈中感應出來的電壓與正在掃過線圈的磁極磁通成正比，通過電子儀器就可以測量線圈的電壓。如果在一個磁極中存在有匝間短路就減少了該極的有效安匝數(shù)，而從磁通探頭得到的信號就與該磁通相關聯(lián)。

（2）端子箱。用于引出磁通探頭信號線的端子箱，同時可以將磁通信號有效傳遞給具有分析功能的磁通監(jiān)測儀Guard ⅡFLUX-S。

（3）磁通監(jiān)測儀及其軟件。磁通探頭采集到的信號并不能直接指示出匝間短路情況，因為還有影響磁通的其他因素，如磁極與定子之間的距離變化等。因此，Guard II FLUX-S 配合高分辨率的磁通探頭，可以得出數(shù)字化的電壓信號。除接收磁通探頭信號的一個輸入口外，該儀器還有一個軸同步傳感器的輸入口，配合在線磁通監(jiān)測軟件，將對應極或相鄰極磁通探頭測磁通量自動做對比，并以數(shù)據(jù)列表或圖形的方式呈現(xiàn)出來，故障部位將會被自動標注出來。

4 實驗案例

發(fā)電機運行于空載狀態(tài)，有功和無功均為零，測出的原始信號（藍色曲線）和未經(jīng)處理的電壓信號整合值（紅色曲線）兩者均呈對稱形狀（圖1）。電機在不同負荷情況下信號發(fā)生了變化，原始的數(shù)據(jù)將在進一步的處理過程中被整合。

圖1 電壓信號圖

某一穩(wěn)定負荷下，如果一個磁極的磁通截面因匝間短路發(fā)生變化，與另一個磁極的比較其變化量就能夠指示匝間短路。磁極與轉子或定子之間在偏心率上的差異將導致原完整的圓形圖產(chǎn)生一些變形。該電機有64 個磁極，無明顯匝間短路，徑向刻度是平均磁通強度，周向刻度為轉子磁極編號。圖2 為同一帶64 個磁極的轉子人為臨時性在8#和48#磁極施加匝間短路的試驗結果，有匝間短路的磁極可以從較低的磁通幅值上清晰地辨別出來。

圖2 64 極轉子極坐標圖

雖然轉子發(fā)生匝間短路并不會立刻導致發(fā)電機故障停機，但是轉子出現(xiàn)單匝短路、沒被及時發(fā)現(xiàn)并處理，可能會導致多匝短路、轉子接地，使發(fā)電機故障停運。此次電廠人員借助在線磁通監(jiān)測技術和裝置，在不停機、不改變負載條件下多次測試，準確地檢測出轉子發(fā)生匝間短路及發(fā)生短路的磁極，快速確認異常振動產(chǎn)生的原因，避免轉子絕緣進一步惡化。

5 總結

轉子繞組的匝間絕緣老化可以導致匝間短路，可能造成轉子的振動增大，如果有幾個磁極都存在大量匝間短路，將增大電機因振動停機的可能性。探測轉子匝間短路的最常用方法是離線RSO 法，但必須依賴于專家的分析和判斷。而且該試驗是在轉子靜止狀態(tài)下進行的，不適用于在運行中才呈現(xiàn)的匝間短路。本文的方案是在定子上安裝全磁通傳感器，可以在線測量轉子各磁極的磁通，系統(tǒng)將自動判讀存在匝間短路故障的磁極，從而實現(xiàn)在正常運行中探測轉子匝間短路。