重復脈沖法和電磁瞬態響應法在重水堆核電站備用柴油發電機的應用

鐘 駿，王天蔚

（中核核電運行管理有限公司 維修五處，浙江 嘉興 314300）

0 引言

重水堆核電站兩臺機組共有4臺備用柴油發電機，其具體參數見表1。

由于備用柴油發電機重達51t，其上方起重吊車最大起重限額為3.2t，使得起重條件受限。備用柴油發電機為半下沉式安裝方式，使得維修空間受限。重水堆核電站兩臺核電機組并網發電至今已有十五六年，從未對其中任何一臺備用柴油發電機進行過解體大修工作。從設備維修角度考慮，無法通過電機解體的方式確認備用柴油發電機定、轉子繞組的安全狀況，也無法對定、轉子槽楔是否存在松動做出準確的判斷。

在以往的備用柴油發電機常規檢查工作中，只能利用直流雙臂電橋測量備用柴油發電機定、轉子繞組直流電阻是否超過標準要求來判斷繞組是否存在匝間短路。然而測量每一相繞組的直流電阻需和其相連的接線端子、繞組連接線、繞組接頭部位一并測量，從而無法真實準確判斷每一相繞組本身是否存在隱患。根據重水堆核電站《維修手冊》中三相定子繞組直流電阻的標準要求為0.01102Ω～0.01218Ω，轉子繞組直流電阻的標準要求為0.36815Ω～0.42785Ω。在以往備用柴油發電機測量過程中，曾多次出現過三相定子繞組直流電阻不滿足標準要求的情況。而在備用柴油發電機常規檢查工作中更是無法檢測定、轉子槽楔的安全狀況，只有在備用柴油發電機轉子抽芯的條件下，通過目視檢查以及槽楔敲擊試驗的方式確認定、轉子槽楔是否存在松動。考慮到備用柴油發電機在整個核電站至關重要的地位。因此，急需在其無法轉子抽芯的情況下，準確、有效、可靠地判斷電機內部是否存在隱患。

表1 備用柴油發電機各主要參數Table 1 Main parameters of spare diesel generator

為解決此類情況，在重水堆核電站209大修期間，首次對2#機組1#備用柴油發電機采用重復脈沖法和電磁瞬態響應法兩種檢測方法，使得備用柴油發電機在常規檢查的條件下，檢測其定、轉子繞組性能，定、轉子槽楔性能成為可能。

1 備用柴油發電機繞組性能檢測

1.1 重復脈沖法工作原理

在一個風平浪靜的水面上，選擇一點A施加微小擾動，則會產生一個向四周擴散的波，見圖1。如果在不計能量損失的情況下，AB之間將產生正弦波信號波形，見圖2。而在考慮能量損失的情況下，AB之間將產生阻尼正弦波信號波形，見圖3。AB之間任何一點的能量，大部分作為入射信號向遠方傳播，另一小部分作為反射信號傳播回A點。因此，擾動點A不僅可以作為能量傳播的源頭，同樣也可以作為任何一點反射信號的接收點，由于A點接收任何一點傳播的反射信號時傳播距離翻倍。因此，A電機接收到的反射信號波形將是一個加速衰減的阻尼正弦波，見圖4。如果波在傳播的過程中遇到了障礙，則A點接收到的信號也將會出現畸變，接收到的信號將不再是個成規律變化的加速衰減阻尼正弦波。因此，可以通過波形產生畸變的位置，確認該位置存在障礙。

圖1 水面擾動波紋圖Fig.1 Surface disturbance ripple diagram

圖2 理想情況AB間波形圖Fig.2 Ideal case inter-AB waveform diagram

圖3 實際情況AB間波形圖Fig.3 Actual inter-AB waveform diagram

圖4 AB間發射信號波形圖Fig.4 Waveform of transmitting signal between AB

圖5 兩點同時擾動水波圖Fig.5 Two point simultaneous disturbance of water wave diagram

圖6 長導線路等值電路Fig.6 Equivalent circuit of long guide line

同理在一個風平浪靜的水面上，如果C點施加微小擾動，C點距離D點太遠，在能量沒有達到D點時，能量就已消失。因此，無法判斷C、D點之間是否存在障礙。在此情況下，可以選擇C、D兩點同時施加能量相同，方向相同的擾動，只要保證能量傳播到CD一半的距離E點能量不消失即可，見圖5。若C、D之間沒有任何障礙，則CE的反射波形與DE的反射波形將是完全重疊的兩列加速衰減的阻尼正弦波。

通過水波能量傳播的性質，可以將其與均勻線路能量傳播進行等效比對。根據《電力系統分析》中闡述的均勻線路等值電路可知，一個均勻的線路處處可以等效為相同的感抗并上容抗的等值電路，見圖6[1]。根據《電機學》中發電機定子繞組等效圖，可以等效為3個均勻展開并互差120°的等值電阻（分別為U、V、W相），見圖7。發電機轉子繞組等效圖，可以等效為一個長電阻，見圖8[2]。

定子繞組重復脈沖法：在備用柴油發電機定子繞組的任一相施加一個低電壓脈沖擾動，另一端接中性點，那么在該相接收到的信號也將是一個規律加速衰減的阻尼正弦波。若繞組不均勻，即繞組各處的阻抗值不相等或出現匝間短路，則該相所接受到的信號也將不規律，波形出現畸變的地方就是繞組存在匝間短路的地方。

轉子繞組重復脈沖法：由于轉子繞組過長，若對其中一端施加低電壓脈沖信號，波形無法完全傳播至另一端。因此，在備用柴油發電機轉子繞組的兩端同時施加一個大小相同，方向相同的低電壓脈沖，若所接收的信號完全重合，則說明轉子繞組情況良好，不存在匝間短路情況，否則波形畸變的地方就是轉子繞組存在匝間短路的地方。

圖7 定子繞組等效圖Fig.7 Equivalent diagram of stator winding

圖8 轉子繞組等效圖Fig.8 Equivalent diagram of rotor winding

圖9 U相重復脈沖法采集波形圖Fig.9 Acquisition of waveform graph by U phase repeated pulse method

1.2 備用柴油發電機定子繞組性能檢測

利用重復脈沖法對備用柴油發電機定子繞組檢測的條件為：備用柴油發電機停運，轉子靜止，定子繞組U、V、W相與相應的動力電纜線解開。

該方法需分別對U、V、W相分別進行檢測，即需進行3次波形信號的采集，第一次將信號發射點（采集點）接線接到U相，另一端接線接中性點，從電腦上采集的波形信號見圖9。

第二次將信號發射點（采集點）接線接到V相，另一端接線接中性點，從電腦上采集的波形信號見圖10。

第3次將信號發射（采集點）接線接到W相，另一端接線接中性點，從電腦上采集的波形見圖11。

將采集的3個信號波形重疊進行對比，見圖12，可以發現3個波形基本完全重合，未發現異常情況，證明備用柴油發電機的定子繞組情況良好，不存在匝間短路的現象。

圖10 V相重復脈沖法采集波形圖Fig.10 V phase repeated pulse method for collecting waveform diagram

圖11 W相重復脈沖法采集波形圖Fig.11 Waveforms acquired by the w-phase repeat pulse method

圖12 三相采集波形重合比較波形圖Fig.12 Waveform coincidence comparison of three-phase acquisition waveform

圖13 定子繞組兩端采集波形對比圖Fig.13 Comparison diagram of waveform acquisition at both ends of stator winding

圖14 UV相耦合磁場波形圖Fig.14 A UV phase coupled magnetic field waveform diagram

1.3 備用柴油發電機轉子繞組性能檢測

利用重復脈沖法對備用柴油發電機轉子繞組檢測的條件為：發電機停運，轉子靜止狀態，勵磁機整流輪二極管與轉子正負極連接處電氣完全絕緣。

檢測方法為：將備用柴油發電機轉子兩端引線拆除，采用轉子匝間短路測試儀分別接入繞組的兩端，再連一根接地線，此時從轉子兩端同時發射兩個大小相同，方向相同的低電壓脈沖，并在兩端采集反射信號，最終所得采集波形見圖13。由圖可知轉子繞組波形基本完全重合，說明轉子繞組對稱無變形，不存在匝間短路現象，轉子繞組情況良好。

2 備用柴油發電機槽楔性能檢測

2.1 電磁瞬態響應法工作原理

電磁瞬態響應法工作原理與重復脈沖法工作原理基本一致，將發射的電壓脈沖信號變成了電流脈沖信號，用于檢測定、轉子槽楔性能。

定子槽楔電磁瞬態響應法：在備用柴油發電機定子三相繞組中的兩相相鄰繞組之間施加瞬態電流脈沖信號，兩個繞組之間就會產生一個相對的耦合磁場，各對應繞組會產生諧振反射波，通過測試主機采集UV、VW、WU之間的耦合諧振磁場，從而分析發電機定子繞組磁場均勻度，耦合磁場健康狀況。由于磁場波形與定子繞組周圍的介質有關系，即槽楔有關。若磁場波形發生畸變，說明定子繞組周邊的介電常數發生了改變，即定子繞組周邊的槽楔存在松動現象。

轉子槽楔電磁瞬態響應法：在備用柴油發電機轉子繞組的兩端同樣施加瞬態電流脈沖信號，也會出現相應的磁場波形圖，若磁場波形出現畸變，說明波形畸變之處的轉子繞組存在槽楔松動現象。

2.2 備用柴油發電機定子槽楔性能檢測

備用柴油發電機定子槽楔電磁瞬態響應法測試條件與定子繞組重復脈沖法相同，根據電磁瞬態響應儀中對于定子繞組磁場波形的計算，前8個波形為有效波，后續產生的波形為無效波。同樣需進行3次信號采集，第一次將接線分別接到U相和V相，另一端接中性點，同時給U、V一個電流脈沖信號，從電腦上采集的磁場波形信號見圖14。根據波形圖可知UV相耦合的磁場波形是正常的。

第二次將接線分別接到V相和W相，另一端接中性點，同時給V、W一個電流脈沖信號，從電腦上采集的磁場波形信號見圖15。該圖第4個波形和第5個波形存在明顯的減小和變形，說明該處耦合的磁場波形存在問題。

第3次將接線分別接到W相和U相，另一端接中性點，同時給W、U一個電流脈沖信號，從電腦上采集的磁場波形信號見圖16。該圖第4個波形和第5個波形存在波峰波谷明顯減小，說明該處耦合的磁場存在問題。

圖15 VW相耦合磁場波形圖Fig.15 VW Phase coupled magnetic field waveform diagram

圖16 WU相耦合磁場波形圖Fig.16 WU Phase coupled magnetic field waveform diagram

圖17 UV、VW、WU相耦合磁場波形圖對比Fig.17 Contrast of UV, VW and WU phase coupled magnetic field waveform diagram

圖18 轉子槽楔耦合磁場波形圖Fig.18 Rotor groove wedge coupled magnetic field waveform diagram

表2 3種備用柴油發電機繞組性能檢測方法對比Table 2 3 Comparison of performance detection methods for spare diesel generator winding

將3個波形一起進行比較，見圖17。通過比較可以得出VW相耦合磁場的第4、5個波以及WU相耦合磁場的第4、5個波存在問題，說明W相在第4、5個波形處存在問題。因此，可以判斷W相在第4、5個波形處存在槽楔松動的現象。由于8個整波為繞組的有效長度，在第4、5個波形處存在畸形，意味著W相繞組在中間部位存在槽楔松動的現象[3]。

2.3 備用柴油發電機轉子槽楔性能檢測

備用柴油發電機轉子槽楔電磁瞬態響應法的測試條件和方法與轉子繞組重復脈沖法相同，接線完成后從備用柴油發電機轉子兩端同時發射兩個大小相同，方向相同的電流信號脈沖，產生的電磁波形圖，見圖18。根據電磁瞬態響應儀中對于轉子繞組波形的計算，前18個波形為有效波，后續的波形為無效波。由于備用柴油發電機轉子為凸極繞組，線棒細，磁場衰減大，受檢測儀器硬件條件限制，在檢測過程中使用了二次疊加電流脈沖信號，才能完全看到18個波形。從圖中可以看出波形周期基本一致，磁場不存在明顯畸變，說明轉子繞組未發現明顯的槽楔松動現象，但由于該方法是首次在線棒細的凸極繞組上進行檢測，不能進行多次電流脈沖信號的疊加。因此，針對轉子槽楔松動的準確性偏低，僅做參考。

3 檢測方法比較

3.1 備用柴油發電機繞組檢測方法比較

針對備用柴油發電機繞組性能檢測方法有目視檢測、直流電阻測量和重復脈沖法，分別從檢測條件、檢測對象、環境影響、檢測效率、檢測成本、檢測精度、檢測風險和直觀度8個方面進行比較見表2。

3.2 備用柴油發電機槽楔檢測方法比較

針對備用柴油發電機槽楔性能檢測方法有目視檢測、槽楔敲擊試驗、電磁瞬態響應法，分別從檢測條件、檢測對象、環境影響、檢測效率、檢測成本、檢測精度、檢測風險、直觀度8個方面進行比較見表3。

表3 3種備用柴油發電機槽楔性能檢測方法對比Table 3 Comparison of three groove wedge performance detection methods for standby diesel generator

4 結論

重復脈沖法與傳統繞組性能檢測方法比較，具有環境溫度影響小，檢測效率高，檢測精度高，檢測風險低的優點。電磁瞬態響應法與傳統槽楔性能檢測方法比較，具有環境影響小，檢測效率高，檢測成本低，檢測精度較高，檢測風險低的優點。重復脈沖法和電磁瞬態響應法是在重水堆核電站備用柴油發電機的首次應用。在檢測定、轉子繞組是否匝間短路，定、轉子槽楔是否松動方面有著較為準確的判斷和指導作用。此外，若在備用柴油發電機投產運行之初，進行重復脈沖法和電磁瞬態響應法進行檢測并記錄下原始波形數據。今后在備用柴油發電機的運維工作中，每隔一定年限再次進行使用重復脈沖法和電磁瞬態響應法檢測并記錄后續數據，再與原始波形數據進行對比，則可通過比較后續數據波形與原始數據波形存在差異之處，判斷定、轉子繞組匝間短路的趨勢，定、轉子槽楔松動的跡象，從而及早發現備用柴油發電機的內部安全隱患，采取相應解決措施，防患于未然。