數(shù)字式匝間檢測(cè)儀檢測(cè)盲區(qū)及風(fēng)力發(fā)電機(jī)匝間短路分析

摘 要：【目的】數(shù)字式匝間檢測(cè)儀可為匝間絕緣檢測(cè)提供直觀的數(shù)據(jù)反饋，但實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)顯示匝間絕緣不合格但解剖線圈后無(wú)法找出絕緣問(wèn)題或者檢測(cè)顯示合格但試驗(yàn)時(shí)匝間短路的情況，因此，急需排除檢測(cè)干擾因素，提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性?！痉椒ā磕M了3種不同的線圈安裝位置和2種不同的線圈安裝狀態(tài)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，并人為地制造線圈缺陷來(lái)測(cè)試設(shè)備的檢測(cè)盲區(qū)?！窘Y(jié)果】結(jié)果顯示，圈式線圈安裝位置和狀態(tài)差異會(huì)導(dǎo)致數(shù)字式匝間絕緣檢測(cè)儀的波形不重合度值升高，數(shù)字式匝間絕緣檢測(cè)設(shè)備對(duì)人為制造的匝間絕緣缺陷無(wú)反饋?！窘Y(jié)論】線圈附近的金屬部件狀態(tài)差異會(huì)對(duì)匝間波形不重合度值有很大影響，數(shù)字式匝間檢測(cè)儀不能檢測(cè)出未接觸短路的匝間絕緣缺陷。通過(guò)對(duì)電機(jī)匝間絕緣事故原因進(jìn)行分析，進(jìn)一步證明了這一結(jié)論，驗(yàn)證結(jié)果對(duì)電機(jī)制造行業(yè)規(guī)避匝間絕緣缺陷具有積極作用。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī);數(shù)字式匝間檢測(cè)儀;圈式線圈;匝間短路

中圖分類號(hào)：TM315" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號(hào)：1003-5168（2024）11-0014-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.11.003

Analysis of the Detection Blind Zone of Digital Inter-turn Insulation Detector and Inter-turn Short Circuit of Wind Turbine

DUAN Wenli

（Dongfang Electric Machinery，Deyang 618000，China）

Abstract： [Purposes] The digital inter-turn detector can provide intuitive data feedback for inter-turn insulation detection， but in the actual detection process， there will be cases where the detection shows unqualified inter-turn insulation but cannot find out the insulation problem after dissecting the coil or cases where the detection shows qualified but the inter-turn short circuit during the test. Therefore， it is urgent to eliminate the detection interference factors and improve the accuracy of the detection results. [Methods] Three different coil installation positions and two different coil installation states were simulated for verification， and coil defects were artificially manufactured to test the detection blind area of the equipment. [Findings] The results show that the difference of coil installation position and state will lead to the increase of waveform non-coincidence value of the digital inter-turn insulation detector， and the digital inter-turn insulation detection equipment has no feedback to the artificial inter-turn insulation defects. [Conclusions] The state difference of metal parts near the coil will have a great impact on the value of the turn-to-turn waveform non-coincidence， and the digital turn-to-turn detector cannot detect the turn-to-turn insulation defect without touching the short circuit. This conclusion is further proved by the analysis of the cause of the turn-to-turn insulation accident of the motor in this paper， and the verification results have a positive effect on the avoidance of turn-to-turn insulation defect in the motor manufacturing industry.

Keywords： wind turbine；digital inter-turn detector；circular coil；inter-turn short circuit

0 引言

2021年3月起，某公司連續(xù)發(fā)生多起永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在進(jìn)行整機(jī)出廠試驗(yàn)時(shí)，匝間短路燒損事件。根據(jù)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子絕緣試驗(yàn)要求，定子在嵌線完成后和接線前會(huì)對(duì)每支線圈的匝間進(jìn)行絕緣檢測(cè)，并在VPI后進(jìn)行相間匝間絕緣檢測(cè)。但在出廠試驗(yàn)過(guò)程中仍出現(xiàn)了匝間短路導(dǎo)致電機(jī)燒毀事件，因此，懷疑數(shù)字式匝間儀在檢測(cè)過(guò)程中存在檢測(cè)盲區(qū)。為摸清影響數(shù)字式匝間儀測(cè)試結(jié)果的主要因素及檢測(cè)盲點(diǎn)，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性，本研究進(jìn)行了一系列相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)設(shè)備及線圈

匝間絕緣試驗(yàn)與電機(jī)試驗(yàn)所用設(shè)備一致，均為德國(guó)SCHLEICH公司生產(chǎn)的MTC2-25 kV型數(shù)字式匝間絕緣檢測(cè)儀。

試驗(yàn)線圈數(shù)量為12支，且均為與匝間短路燒損電機(jī)裝配同型號(hào)的690 V級(jí)單排12匝圈式線圈，匝間絕緣單邊厚度為0.2 mm，匝間絕緣試驗(yàn)電壓73 000 V，線圈驗(yàn)證前波形不重合度均＜2%。試驗(yàn)線路示意，如圖1所示。

2 驗(yàn)證方案

2.1 線圈在不同安裝位置下其匝間波形不重合度的差異驗(yàn)證

將鐵心放置于空曠位置，鐵心外圓1 m范圍內(nèi)無(wú)遮擋，選取4支試驗(yàn)線圈，分別標(biāo)記A1～A4。從鐵心第1槽開(kāi)始嵌入，嵌入完成后進(jìn)行槽楔安裝，線圈引線不并頭，以A1為基準(zhǔn)波分別檢測(cè)A2～A4線圈匝間波形不重合度，記錄數(shù)據(jù)。

A1定子線圈不動(dòng)，取出其余3支線圈，在順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°的位置連續(xù)下入A2～A4線圈并安裝槽楔，以A1為基準(zhǔn)波再次檢測(cè)A2～A4線圈匝間波形不重合度，記錄數(shù)據(jù)。

按照上述步驟，將A2～A4線圈安裝位置依次旋轉(zhuǎn)120°、180°、240°、300°，重復(fù)上述試驗(yàn)，并記錄數(shù)據(jù)。

2.2 線圈在不同安裝狀態(tài)下其匝間波形不重合度的差異驗(yàn)證

另選4支試驗(yàn)線圈，分別標(biāo)記B1～B4，在空曠位置（檢測(cè)場(chǎng)地周圍1 m范圍內(nèi)無(wú)遮擋及金屬部件），以B1線圈為基準(zhǔn)檢測(cè)其余3支線圈的匝間波形不重合度，記錄數(shù)據(jù)。

將B1～B4線圈嵌入試驗(yàn)鐵心，在安裝槽楔前以B1為基準(zhǔn)檢測(cè)其余3支線圈的匝間波形不重合度，記錄數(shù)據(jù)，安裝完槽楔后，再次重復(fù)上述試驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)。

2.3 線圈在不同絕緣受損程度下對(duì)匝間波形不重合度影響驗(yàn)證

另取4支試驗(yàn)線圈，分別標(biāo)記C1～C4，將C2～C4線圈褪去部分主絕緣，用美工刀先剝?nèi)2線圈直線段第1匝股線10 mm長(zhǎng)的匝間絕緣，露出導(dǎo)線；再剝?nèi)3線圈第2匝股線10 mm長(zhǎng)的匝間絕緣，露出導(dǎo)線；然后剝?nèi)4線圈第1、第2匝股線10 mm長(zhǎng)匝間絕緣，露出導(dǎo)線（2匝股線剝除絕緣位置一致）；最后以C1為基準(zhǔn)檢測(cè)其余3支線圈匝間波形不重合度，記錄數(shù)據(jù)。

3 驗(yàn)證結(jié)果及分析

3.1 線圈因不同安裝位置導(dǎo)致的匝間波形不重合度差異

線圈在鐵心不同安裝位置的匝間波形不重合度數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由表1可知，線圈在不同安裝位置下的匝間波形不重合度有較大差異。在進(jìn)行匝間波形檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)設(shè)備對(duì)線圈施加7 300 V的脈沖沖擊電壓，由于線圈電感量和Q值的存在，構(gòu)成了一個(gè)RLC并聯(lián)諧振回路，如圖2所示。該回路將產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)于所施加放電脈沖的電壓衰減波形，數(shù)字式匝間儀通過(guò)比較不同波形的面積［1］，發(fā)現(xiàn)在單獨(dú)對(duì)線圈進(jìn)行匝間波形檢測(cè)時(shí)，測(cè)試結(jié)果只受線圈的自身電感和電容影響；在進(jìn)行線圈安裝在鐵心位置驗(yàn)證時(shí)，基準(zhǔn)線圈初始狀態(tài)與測(cè)試線圈相鄰，受其余線圈的互感影響，其余狀態(tài)均為獨(dú)立狀態(tài)，不受線圈互感影響。該數(shù)據(jù)說(shuō)明匝間耐壓測(cè)試結(jié)果受金屬互感影響較大，3支測(cè)試線圈之間的波形不重合度相對(duì)值并無(wú)較大變化，檢測(cè)結(jié)果不受線圈在鐵心中安裝的位置影響［2］。

3.2 線圈因不同安裝狀態(tài)導(dǎo)致的匝間波形不重合度差異

線圈不同安裝狀態(tài)的匝間波形不重合度數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。由表2可知，槽楔安裝對(duì)線圈匝間波形影響較小，根據(jù)實(shí)際安裝情況分析，槽楔安裝對(duì)線圈在鐵心中的位置變化影響在1毫米以內(nèi)，幾乎不影響測(cè)試線圈與周圍線圈的互感狀態(tài)。

3.3 線圈因不同絕緣受損程度導(dǎo)致的匝間波形不重合度差異

線圈匝間絕緣不同受損程度下匝間波形不重合度數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。由表3可知，單匝導(dǎo)線的匝間絕緣損壞不會(huì)造成匝間短路現(xiàn)象，甚至相鄰兩匝線圈的相鄰位置的匝間絕緣損壞都不一定能造成匝間短路。試驗(yàn)線圈的匝間絕緣為0.2 mm，剝除部分匝間絕緣后，兩相鄰導(dǎo)體之間的距離仍有0.4 mm，匝間絕緣檢測(cè)時(shí)，兩匝股線之間的電壓約為600 V，不足以擊穿0.4 mm的空氣絕緣，在后續(xù)人為減少兩匝受損導(dǎo)線的距離后，再次進(jìn)行匝間耐壓測(cè)試，則出現(xiàn)了匝間短路現(xiàn)象［3］。

在電機(jī)的生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)中還發(fā)現(xiàn)，若出現(xiàn)某支線圈匝間明顯短路（波形不重合度超過(guò)90%），則該線圈所在槽的同槽線圈及相鄰線圈的波形不重合度數(shù)據(jù)也會(huì)超過(guò)5%的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求（不重合度約在7%-30%之間）。但實(shí)際解剖超差線圈發(fā)現(xiàn)，只有波形不重合度超過(guò)90%的線圈內(nèi)部匝間絕緣存在損傷，其余線圈取下復(fù)測(cè)均顯示正常。該現(xiàn)象說(shuō)明短路線圈與相鄰線圈的互感狀態(tài)和正常線圈與相鄰線圈的互感狀態(tài)有較大差異［4］。另外，定子的中性點(diǎn)接線方式差異也會(huì)導(dǎo)致繞組匝間波形有一定程度的不重合度增加。

4 燒損的成品定子拆解結(jié)果及分析

對(duì)出廠試驗(yàn)中燒損的電機(jī)定子線圈進(jìn)行拆解，取出線圈端部，使用高溫爐分解線圈絕緣，盡量保持線圈導(dǎo)體形狀完整，發(fā)現(xiàn)燒損線圈的首匝引出線末端有約2 mm高的隆起鼓包現(xiàn)象，如圖3所示。通過(guò)對(duì)圈式線圈制造工藝過(guò)程的分析，發(fā)現(xiàn)線圈引出線的彎型為手工操作。在彎型過(guò)程中，若引出線與相鄰導(dǎo)線不貼合，則極易在R處出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象。由于鼓包現(xiàn)象在線圈出廠試驗(yàn)時(shí)不能被檢測(cè)出，從而造成對(duì)該現(xiàn)象的忽視導(dǎo)致了該批次線圈的批量問(wèn)題。

電磁線絕緣層由燒結(jié)亞胺薄膜及聚酯薄膜云母帶構(gòu)成。由于匝間絕緣燒結(jié)層及聚酯薄膜的延展性，電磁線的鼓包不會(huì)導(dǎo)致匝間絕緣的開(kāi)裂損壞，所以在線圈匝間絕緣檢測(cè)時(shí)不會(huì)顯示異常。但電磁線隆起鼓包會(huì)造成下線后匝間絕緣的單點(diǎn)受力，從而增大匝間絕緣受損概率。由于隆起部位跟相鄰匝有一定的接觸面積，非尖點(diǎn)接觸，在受力不足時(shí)并不會(huì)造成匝間絕緣貫穿式損傷，故單支線圈試驗(yàn)時(shí)，無(wú)法檢測(cè)出匝間絕緣異常。

從生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)結(jié)果分析，槽楔安裝完成后，接線前的線圈匝間耐壓檢測(cè)波形不重合度均＜3%，說(shuō)明匝間短路未出現(xiàn)在槽楔安裝完成后，極有可能出現(xiàn)在定子VPI烘焙過(guò)程中。定子由有硅鋼片、結(jié)構(gòu)鋼、銅導(dǎo)體、緊固件以及絕緣材料組成。定子VPI烘焙溫度為150℃，在升溫過(guò)程中，有內(nèi)外的熱傳導(dǎo)過(guò)程，且不同材料部件的膨脹系數(shù)不一致，受力情況極為復(fù)雜，不易分析。但可以確定的是，在這個(gè)過(guò)程中，匝間絕緣會(huì)受熱變軟，烘焙過(guò)程中更容易被損壞。電機(jī)試驗(yàn)時(shí)匝間電壓僅約50 V，只有導(dǎo)體間距離極近或者直接接觸才會(huì)導(dǎo)致匝間絕緣被擊穿而發(fā)生短路。如果鐵心與線圈導(dǎo)體膨脹量不一致或者外層線圈和內(nèi)層線圈膨脹量不一致，就會(huì)導(dǎo)致隆起部位的擠壓力增大，最終導(dǎo)致隆起部位匝間絕緣完全損壞，相鄰匝導(dǎo)體直接接觸，從而在試驗(yàn)過(guò)程中導(dǎo)致電機(jī)定子燒損［5］。

5 結(jié)論

圈式線圈匝間耐壓試驗(yàn)波形不重合度受線圈安裝狀態(tài)影響較大，包括線圈試驗(yàn)時(shí)周圍金屬物體的干擾及定子試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)線圈相鄰線圈狀態(tài)和接線方式等。

數(shù)字式匝間絕緣檢測(cè)設(shè)備只能對(duì)確切的匝間短路有明顯反饋（通常短路波形不重合度＞80%），不能對(duì)匝間絕緣損傷及缺陷狀況給出數(shù)據(jù)反饋。

圈式線圈導(dǎo)線上鈍化的局部隆起缺陷不會(huì)直接損傷匝間絕緣，導(dǎo)致在線圈試驗(yàn)時(shí)不易被檢測(cè)出。但由于電機(jī)制造過(guò)程中各種因素的作用，該缺陷可能會(huì)被放大，最終導(dǎo)致成品電機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)生匝間短路故障。

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收稿日期：2023-10-17

作者簡(jiǎn)介：段文利（1986—），男，本科，工程師，研究方向：風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造工藝。