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(jìn)

（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(jìn)

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 518000）

針對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障的檢測(cè)方法眾多，但大多不夠靈敏，無(wú)法實(shí)現(xiàn)輕微匝間短路故障的檢測(cè)。介紹一種方便快捷、靈敏度高的匝間短路檢測(cè)技術(shù)—RSO試驗(yàn)方法，說(shuō)明了其基本工作原理及優(yōu)點(diǎn)，對(duì)某660 MW火電機(jī)組在交流阻抗試驗(yàn)初步判斷轉(zhuǎn)子存在匝間絕緣缺陷的情況下，利用RSO試驗(yàn)方法成功實(shí)現(xiàn)了故障診斷及定位，并通過(guò)內(nèi)窺鏡檢查驗(yàn)證了判斷結(jié)果。

轉(zhuǎn)子繞組；匝間短路；RSO試驗(yàn)方法；故障診斷

0 引言

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路是較為常見(jiàn)且存在重大隱患的一種故障，繞組匝間短路會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流升高、無(wú)功功率相對(duì)下降、轉(zhuǎn)子振動(dòng)增大；嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起轉(zhuǎn)子一點(diǎn)甚至兩點(diǎn)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(yùn)的大型發(fā)電機(jī)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(dá)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(dòng)或者護(hù)環(huán)絕緣襯墊的老化，導(dǎo)電微粒進(jìn)入繞組端部或通風(fēng)溝，油污等。轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的檢測(cè)方法較多，大多存在靈敏度不高、不易實(shí)施、不可定位故障點(diǎn)等不足[2]。

RSO（重復(fù)脈沖示波器法）試驗(yàn)在檢測(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障方面具有準(zhǔn)確靈敏、易于實(shí)施、可以進(jìn)行故障定位等優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)不同的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間故障診斷技術(shù)進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)闡述了RSO試驗(yàn)方法基本原理，并結(jié)合在某火電機(jī)組上的應(yīng)用，對(duì)該試驗(yàn)方法的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施進(jìn)行了討論。

1 轉(zhuǎn)子繞組匝間短路檢測(cè)技術(shù)比較[2，3]

國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障檢測(cè)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(shí)用價(jià)值的研究成果。常見(jiàn)的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路檢測(cè)方法的技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)子繞組匝間短路檢測(cè)方法技術(shù)特點(diǎn)比較

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

2 RSO試驗(yàn)方法

2.1 故障判斷原理

RSO試驗(yàn)方法是英國(guó)專家J.W.Wood基于波過(guò)程理論提出的發(fā)電機(jī)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(guò)程對(duì)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(diǎn)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生反射波和折射波，導(dǎo)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(huì)在特定位置呈現(xiàn)突起或下陷，且其幅度與故障點(diǎn)的絕緣缺陷嚴(yán)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(diǎn)A時(shí)，線路的均勻性改變，設(shè)其等效波阻為Z2，則故障點(diǎn)A的電壓反射系數(shù)為[5]：

電壓折射系數(shù)為：

圖1 Z1＞Z2時(shí)波的折反射

RSO試驗(yàn)方法存在一個(gè)局限：當(dāng)故障點(diǎn)位于轉(zhuǎn)子繞組中心位置時(shí)，響應(yīng)波形一致，此時(shí)無(wú)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(shí)間是T，從A端到故障點(diǎn)所用時(shí)間為T1，而整個(gè)繞組的長(zhǎng)度為XR，則可知故障點(diǎn)距離A端的長(zhǎng)度為X=（T1/ T）×XR，定位示意見(jiàn)圖2。實(shí)際可以根據(jù)示波器上的相減波形中尖峰突起（正負(fù)均可）的時(shí)間來(lái)推出故障在第幾個(gè)線圈。由試驗(yàn)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(zhǎng)度可以得知在繞組中的傳播時(shí)間T，示波器上相減波的尖峰突起時(shí)間是2倍T1時(shí)間，這樣，就可以得出故障點(diǎn)的位置[6]。

圖2 故障定位示意

3 應(yīng)用案例

3.1 機(jī)組轉(zhuǎn)子

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組采用含銀銅線制成，通過(guò)轉(zhuǎn)子引線、導(dǎo)電桿及導(dǎo)電螺釘與集電環(huán)相連接。轉(zhuǎn)子有2個(gè)磁極，每極有16個(gè)槽，槽內(nèi)有8個(gè)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(jiàn)圖3。

圖3 轉(zhuǎn)子繞組接線

RSO試驗(yàn)的連接方式如圖4所示。試驗(yàn)儀器通過(guò)轉(zhuǎn)子滑環(huán)或旋轉(zhuǎn)整流器上的導(dǎo)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(yàn)連接方式

3.2 交流阻抗試驗(yàn)

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

表2 交流阻抗試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出阻抗-轉(zhuǎn)速曲線（見(jiàn)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?gòu)?20 r/min升到1 200 r/min時(shí)，變化率達(dá)到10.5%。

圖5 阻抗-轉(zhuǎn)速曲線

雖然在全速狀態(tài)下測(cè)得交流阻抗數(shù)據(jù)為4.09 Ω，相比于出廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化率為2.41%，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到10%的警戒值。但是伴隨著升速過(guò)程，交流阻抗-轉(zhuǎn)速曲線存在階躍變化，且變化率超過(guò)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(yàn)測(cè)試對(duì)輕微的匝間短路故障結(jié)果準(zhǔn)確性不高，測(cè)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(yàn)電源的幅值、頻率、諧波分量等多種因素影響，需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.3 RSO試驗(yàn)

由于不具備在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)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(shí)有差別，當(dāng)轉(zhuǎn)子處于特定的角度時(shí)故障缺陷甚至可能會(huì)被隱蔽，所以應(yīng)在發(fā)電機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子不同角度位置上進(jìn)行多次測(cè)試，以避免故障缺陷的檢測(cè)盲區(qū)。依次在0°，90°，180°和270°位置測(cè)試，記錄相應(yīng)的響應(yīng)波形曲線與相減波測(cè)試波形。首先進(jìn)行傳播時(shí)間測(cè)量，記錄相關(guān)波形數(shù)據(jù)。測(cè)試波形如圖6、圖7所示。

圖6 傳播時(shí)間測(cè)試

圖7 重疊波與相減波測(cè)試波形（270°測(cè)試結(jié)果）

RSO試驗(yàn)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(cè)量時(shí)突起均存在，波形具有明顯差別，分析認(rèn)為這是因?yàn)檗D(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(duì)波阻的影響有所差異。

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

3.4 內(nèi)窺鏡檢查

如圖8所示，使用內(nèi)窺鏡對(duì)轉(zhuǎn)子內(nèi)部進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子勵(lì)側(cè)端部護(hù)環(huán)處轉(zhuǎn)子匝間絕緣外觀存在缺陷。包括存在長(zhǎng)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(lái)看，屬于輕度的匝間絕緣缺陷，驗(yàn)證RSO的測(cè)試結(jié)論是可信的。

圖8 內(nèi)窺鏡檢查

4 結(jié)語(yǔ)

RSO試驗(yàn)方法是非破壞性的試驗(yàn)，易于操作，靈敏度高，并且可以實(shí)現(xiàn)故障定位。同時(shí)，RSO試驗(yàn)方法靈敏，對(duì)于發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)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(cè)方法的技術(shù)特點(diǎn)，為更準(zhǔn)確地獲得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣狀態(tài)的實(shí)際數(shù)據(jù)，在應(yīng)用RSO方法對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間絕緣進(jìn)行檢測(cè)時(shí)應(yīng)關(guān)注以下問(wèn)題：

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

（2）不同機(jī)組的轉(zhuǎn)子繞組對(duì)注入信號(hào)的響應(yīng)可能有略微差別，應(yīng)針對(duì)特定的機(jī)組進(jìn)行長(zhǎng)期的跟蹤試驗(yàn)，建立歷史數(shù)據(jù)庫(kù)以縱向比對(duì)。

（3）在建立歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的同時(shí)，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(jìn)行RSO試驗(yàn)。由臟污、異物導(dǎo)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(rèn)引起故障的原因。

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

[2]GREG C，STONE.旋轉(zhuǎn)電機(jī)的絕緣——設(shè)計(jì)、評(píng)估、老化、試驗(yàn)、修理[M].北京：中國(guó)電力出版社，2011.

[3]李永剛.發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障特性分析與識(shí)別[M].北京：中國(guó)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(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路探測(cè)[D].北京：華北電力大學(xué)，2007.

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

[6]向成.大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組RSO試驗(yàn)分析和探討[J].大電機(jī)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(yàn)相關(guān)工作。