潘劍南，李浩良

(廣州粵能電力科技開發(fā)有限公司，廣州 510075)

0 引 言

轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障是大型發(fā)電機(jī)的常見故障，其危害巨大，嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。首先，轉(zhuǎn)子繞組匝間短路會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流升高，無功功率下降，轉(zhuǎn)子振動(dòng)增大，迫使發(fā)電機(jī)降負(fù)荷運(yùn)行，造成發(fā)電廠電量損失。其次，匝間短路點(diǎn)局部過熱會(huì)導(dǎo)致繞圈絕緣燒毀接地，引起轉(zhuǎn)子繞組一點(diǎn)甚至兩點(diǎn)接地故障，使故障逐漸惡化。另外，匝間短路會(huì)使轉(zhuǎn)子大軸磁化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞軸頸和軸瓦，嚴(yán)重危及發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。因此，準(zhǔn)確診斷轉(zhuǎn)子繞組的匝間短路故障對(duì)于保證發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行具有重要意義[1-3]。

轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障比較復(fù)雜，可分為穩(wěn)定性短路和不穩(wěn)定性短路，又可分為金屬性短路和非金屬性短路。部分靜態(tài)下金屬性短路可能因?yàn)閯?dòng)態(tài)下電磁力、離心力作用而消失；反之亦然，動(dòng)態(tài)下的短路也可能因?yàn)檗D(zhuǎn)子靜止，狀態(tài)改變而消失，因此往往難以準(zhǔn)確判斷轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路故障。目前，轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的主要診斷方法有直流電阻法、交流阻抗及功率損耗法、極間電壓試驗(yàn)、電壓分布法、氣隙波形法、重復(fù)脈沖法(repetitive surge oscilloscope ,RSO)等。各種方法的適用性、靈敏度和準(zhǔn)確性各有差異。一些嚴(yán)重的匝間短路，交流阻抗及功率損耗法、極間電壓試驗(yàn)?zāi)軝z測出來。但對(duì)于一些故障癥狀不明顯的輕微匝間短路故障，尤其當(dāng)轉(zhuǎn)子處于定子膛內(nèi)，不便于進(jìn)行極間電壓試驗(yàn)和繞圈電壓分布試驗(yàn)，使用這些試驗(yàn)方法往往難以診斷故障。RSO試驗(yàn)是一種診斷轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣狀況的有效方法，與其他方法比較，RSO試驗(yàn)方便快捷，試驗(yàn)靈敏度高，能在匝間短路發(fā)生初期診斷出故障，并能對(duì)短路位置進(jìn)行定位[4-6]。

1 RSO試驗(yàn)原理和方法

RSO試驗(yàn)方法是英國專家J.W.Wood基于行波過程理論提出的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障診斷技術(shù)。其主要原理是在轉(zhuǎn)子繞組的兩端同時(shí)注入前沿陡峭的低電壓脈沖激勵(lì)信號(hào)，并通過分析注入點(diǎn)的波形來判斷轉(zhuǎn)子繞組中是否存在匝間短路故障及故障嚴(yán)重程度。由于轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，在沒有匝間短路時(shí)，在兩端注入同一激勵(lì)信號(hào)，兩個(gè)注入點(diǎn)波形高度一致，體現(xiàn)在特征波形(兩個(gè)注入點(diǎn)波形相減之差)上，表現(xiàn)為基本平直的直線。當(dāng)存在匝間短路或?qū)Φ囟搪窌r(shí)，短路造成的繞組阻抗不連續(xù)將產(chǎn)生較大的反射波。反射波到達(dá)轉(zhuǎn)子兩端的傳播時(shí)間不同，則兩端呈現(xiàn)不同的合成波形，二者不能完全重疊，在特征波形上將表現(xiàn)出波峰突起。突起在時(shí)間軸上的位置，對(duì)應(yīng)短路點(diǎn)在繞組上的位置匝數(shù)。突起的幅值，與匝數(shù)和短路電阻相關(guān)，匝數(shù)越大，即離注入點(diǎn)越遠(yuǎn)，幅值越??；短路的阻值越小，突起幅值越大。試驗(yàn)接線方式如圖1所示，試驗(yàn)儀器通過轉(zhuǎn)子滑環(huán)或?qū)щ娐輻U向轉(zhuǎn)子繞組發(fā)射脈沖信號(hào)。無論轉(zhuǎn)子在定子膛內(nèi)還是膛外，動(dòng)態(tài)或者靜態(tài)下均能連續(xù)測量，特別適合發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組絕緣狀況的跟蹤分析。

圖1 轉(zhuǎn)子繞組RSO試驗(yàn)接線圖

2 案例分析

A電廠1號(hào)發(fā)電機(jī)在小修前運(yùn)行狀態(tài)較為穩(wěn)定，機(jī)組軸系各軸瓦的振動(dòng)幅值都在安全運(yùn)行要求的范圍內(nèi)。2020年1號(hào)發(fā)電機(jī)定期停機(jī)進(jìn)行小修檢查，轉(zhuǎn)子在定子膛內(nèi)進(jìn)行各項(xiàng)電氣試驗(yàn)。

2.1 直流電阻測量

從表1可知，直流電阻測量值與出廠值比較，偏差小于2%，符合《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》要求。直流電阻測量結(jié)果并未表明轉(zhuǎn)子繞組存在匝間短路故障。但是，實(shí)際上只有轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生嚴(yán)重的匝間短路故障時(shí)，直流電阻值才顯著減少，因此直流電阻測量并不能作為轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的有效判斷依據(jù)。

表1 直流電阻測量結(jié)果

2.2 交流阻抗及功率損耗試驗(yàn)

從表2可知，在相同試驗(yàn)電壓下，交流阻抗最大減少6.09%，功率損耗最大增大7.53%，兩者的偏差不超過10%，符合《隱極同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障診斷導(dǎo)則》[7]的要求。交流阻抗及功率損耗試驗(yàn)結(jié)果并未表明轉(zhuǎn)子繞組存在匝間短路故障。同樣，只有轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生嚴(yán)重的匝間短路故障或者故障點(diǎn)較多時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組的交流阻抗才會(huì)明顯減少，功率損耗才能明顯增大。因此，交流阻抗及功率損耗試驗(yàn)也不能作為判斷轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的直接依據(jù)。

表2 交流阻抗及功率損耗試驗(yàn)結(jié)果

2.3 極間電壓試驗(yàn)

正常情況下，轉(zhuǎn)子兩極繞組的物理結(jié)構(gòu)具有良好的對(duì)稱性，兩極中點(diǎn)對(duì)于轉(zhuǎn)子兩極繞組的電位相同，兩極繞組對(duì)應(yīng)線圈的電位分布也相同。理想狀態(tài)下，兩極繞組的電位差應(yīng)為0 V。當(dāng)匝間短路時(shí)，轉(zhuǎn)子兩極繞組不再對(duì)稱，極間電位和兩極繞組對(duì)應(yīng)線圈的電位分布不再相等。極間電壓試驗(yàn)?zāi)茌^為準(zhǔn)確地判斷轉(zhuǎn)子繞組是否發(fā)生匝間短路故障，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

從表3可知，轉(zhuǎn)子繞組兩極間的電壓差為3.0 V，極間電壓為2.95%，偏差較大，但不超過《隱極同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障診斷導(dǎo)則》要求的3%。極間電壓試驗(yàn)結(jié)果表明轉(zhuǎn)子繞組可能存在匝間短路故障。為了進(jìn)一步判斷1號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路故障，對(duì)其進(jìn)行了RSO試驗(yàn)。

表3 極間電壓試驗(yàn)結(jié)果

2.4 RSO試驗(yàn)

1號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組兩極各有8個(gè)線圈，以內(nèi)滑環(huán)為起點(diǎn)的為極1線圈，以外滑環(huán)為起點(diǎn)的為極2線圈。轉(zhuǎn)子在膛外靜態(tài)下了進(jìn)行了4次不同角度的RSO試驗(yàn)；分別為轉(zhuǎn)子未旋轉(zhuǎn)角度、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)90°、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)180°、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)270°。各試驗(yàn)波形如圖2～5所示。

圖2 未旋轉(zhuǎn)角度的RSO試驗(yàn)波形

圖2～5中：紅色波形為極1線圈的激勵(lì)信號(hào)，綠色波形是極2線圈的激勵(lì)信號(hào)；游標(biāo)1線和游標(biāo)2線的功能是顯示激勵(lì)信號(hào)的時(shí)刻及時(shí)間差，圖8同。

由圖2可見，轉(zhuǎn)子未旋轉(zhuǎn)角度的RSO試驗(yàn)波形(黃色曲線)有一處明顯的畸變。該畸變位于傳播時(shí)間4.38 μs處，幅值為220 mV的波峰。對(duì)應(yīng)外滑環(huán)為起點(diǎn)的極2第2槽線圈。由于《隱極同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障診斷導(dǎo)則》僅對(duì)RSO試驗(yàn)方法進(jìn)行了說明，對(duì)判斷依據(jù)沒有明確規(guī)定。行業(yè)內(nèi)通常認(rèn)為特征波形峰值達(dá)到100 mV以上判斷轉(zhuǎn)子繞組存在匝間短路隱患[8]。判據(jù)線(粉色曲線)是對(duì)某型號(hào)1 000 MW發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行模擬短路，根據(jù)短路波形而確定的，當(dāng)畸變峰值超過判據(jù)線時(shí)，應(yīng)懷疑是否存在匝間短路故障。初步判斷該處存在一個(gè)高阻短路缺陷。

由圖3可見，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)90°后的RSO試驗(yàn)波形一致性較差；特征波形平直程度較差，但在判據(jù)線范圍內(nèi)。特征波形的波峰最大幅值為80 mV，波谷最大幅值為-50 mV，幅值較小。在該狀態(tài)下轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣狀態(tài)良好。

圖3 旋轉(zhuǎn)90°的RSO試驗(yàn)波形

由圖4可見，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)180°后的RSO試驗(yàn)波形有一處明顯的畸變。該畸變位于傳播時(shí)間4.35 μs處，幅值為-140 mV的波谷。對(duì)應(yīng)內(nèi)滑環(huán)為起點(diǎn)的極1第2槽線圈。

圖4 旋轉(zhuǎn)180°的RSO試驗(yàn)波形

由圖5可見，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)270°后的RSO試驗(yàn)波形一致性較好；特征波形在判據(jù)線范圍內(nèi)，特征波形的波峰最大幅值為50 mV，波谷最大幅值為-30 mV，幅值較小。在此狀態(tài)下轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣狀態(tài)良好。

圖5 旋轉(zhuǎn)270°的RSO試驗(yàn)波形

4次不同角度的RSO試驗(yàn)結(jié)果表明，1號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組存在和軸體角度有關(guān)系的匝間絕緣異常缺陷。分析認(rèn)為轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣存在輕微程度的不穩(wěn)定絕緣缺陷，不同角度下缺陷對(duì)波阻抗的影響有所差異，導(dǎo)致RSO試驗(yàn)結(jié)果不一致。該絕緣缺陷尚未發(fā)展成金屬性短路故障，直流電阻測量、極間電壓試驗(yàn)和交流阻抗及功率損耗試驗(yàn)尚未能有效診斷出該缺陷[9-12]。

2.5 交流電壓分布試驗(yàn)

為了準(zhǔn)確判斷轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路故障，同時(shí)驗(yàn)證RSO試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)電廠抽出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，對(duì)轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行交流電壓分布試驗(yàn)。通過轉(zhuǎn)子滑環(huán)對(duì)繞組施加200 V的工頻交流電壓。轉(zhuǎn)子兩極各線圈間的電壓分布如表4所示。

將表4中上、下極繞組各個(gè)線圈的電壓繪制成曲線，如圖6所示。

表4 交流電壓分布試驗(yàn)結(jié)果

圖6 轉(zhuǎn)子兩極繞組各個(gè)線圈電壓分布

從圖6可知，極1繞組2號(hào)線圈的電壓為9.20 V，極2繞組2號(hào)線圈的電壓為12.20 V，兩者的電壓差為2.92 V，電壓偏差高達(dá)24.09%?！峨[極同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障診斷導(dǎo)則》規(guī)定：對(duì)應(yīng)位置線間的電壓差超過最大電壓值的3%，判定為存在匝間短路。對(duì)于2號(hào)線圈，電壓偏差為4.45%，分析認(rèn)為可能由于2號(hào)線圈匝間短路引起的電壓畸變，不排除是高阻短路的可能。對(duì)于其他線圈，電壓值都比較接近，對(duì)稱性良好，電壓偏差都小于標(biāo)準(zhǔn)要求的3%。結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果，可以確定極1繞組2號(hào)線圈存在著匝間短路故障。

3 解體檢查及修后試驗(yàn)

3.1 解體檢查

將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子返回制造廠解體檢查。拆卸線圈，發(fā)現(xiàn)極1第2槽的第3和第4匝線圈間存在明顯的匝間短路點(diǎn)，如圖7所示。該短路點(diǎn)在汽側(cè)直線段與圓弧段交界處，匝間絕緣短路點(diǎn)處已碳化，第3匝和第4匝線圈短路點(diǎn)處有過熱痕跡。檢查短路點(diǎn)處沒有發(fā)現(xiàn)異物，只有絕緣材料和線圈過熱的痕跡。該故障位置與RSO試驗(yàn)結(jié)果一致。

圖7 極1第2槽線圈匝間短路

3.2 修后RSO試驗(yàn)

轉(zhuǎn)子維修后出廠前，對(duì)轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行了直流電阻測量、交流阻抗及功率損耗試驗(yàn)、極間電壓試驗(yàn)和RS0試驗(yàn)，各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果均符合相關(guān)規(guī)程要求。其修后RSO試驗(yàn)波形如圖8所示。

圖8 修后RSO試驗(yàn)波形

從圖8可知，轉(zhuǎn)子繞組修理后兩極的脈沖波形基本一致，未出現(xiàn)波峰突起，且特征波形基本為一條直線，試驗(yàn)結(jié)果表明轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣良好。

4 結(jié) 語

轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障初期或者輕微的匝間短路故障，故障癥狀不明顯、故障隱蔽、診斷困難。需要多種試驗(yàn)方法診斷，互相驗(yàn)證，綜合分析，才能最終確認(rèn)故障。

某些轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣缺陷的癥狀與轉(zhuǎn)子處在的角度和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)有差別。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于特定的角度，故障缺陷才會(huì)暴露出來。為了避免出現(xiàn)故障缺陷的檢測盲區(qū)，靜態(tài)的RSO試驗(yàn)，應(yīng)在轉(zhuǎn)子不同角度位置上進(jìn)行多次測試，可以依次旋轉(zhuǎn)90°至一圓周分別進(jìn)行測試。另外，應(yīng)在轉(zhuǎn)子盤車或者沖轉(zhuǎn)過程中進(jìn)行RSO動(dòng)態(tài)測試，以確定動(dòng)態(tài)下匝間絕緣狀況。

RSO試驗(yàn)操作便捷，適用場合廣。無論轉(zhuǎn)子繞組處于定子膛內(nèi)還是膛外，靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)都能進(jìn)行測試。尤其當(dāng)轉(zhuǎn)子處于定子膛內(nèi)，不能進(jìn)行線圈電壓分布試驗(yàn)，而又不能判斷轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路故障時(shí)，通過RSO試驗(yàn)?zāi)軠?zhǔn)確有效判斷轉(zhuǎn)子繞組的絕緣狀態(tài)。RSO試驗(yàn)不僅在故障初期就能檢測到匝間短路故障，而且還能有效檢測出不穩(wěn)定的匝間短路故障，從發(fā)電機(jī)制造、安裝、調(diào)試直至全周期運(yùn)行都適用，可推廣應(yīng)用。