一起基于重復(fù)脈沖法的發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障分析

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)電機的常見故障，其危害巨大，嚴重影響發(fā)電機的安全運行。首先，轉(zhuǎn)子繞組匝間短路會導(dǎo)致發(fā)電機的勵磁電流升高，無功功率下降，轉(zhuǎn)子振動增大，迫使發(fā)電機降負荷運行，造成發(fā)電廠電量損失。其次，匝間短路點局部過熱會導(dǎo)致繞圈絕緣燒毀接地，引起轉(zhuǎn)子繞組一點甚至兩點接地故障，使故障逐漸惡化。另外，匝間短路會使轉(zhuǎn)子大軸磁化，嚴重時會損壞軸頸和軸瓦，嚴重危及發(fā)電機的安全運行。因此，準確診斷轉(zhuǎn)子繞組的匝間短路故障對于保證發(fā)電機的安全運行具有重要意義[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為動態(tài)下電磁力、離心力作用而消失；反之亦然，動態(tài)下的短路也可能因為轉(zhuǎn)子靜止，狀態(tài)改變而消失，因此往往難以準確判斷轉(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、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、靈敏度和準確性各有差異。一些嚴重的匝間短路，交流阻抗及功率損耗法、極間電壓試驗?zāi)軝z測出來。但對于一些故障癥狀不明顯的輕微匝間短路故障，尤其當轉(zhuǎn)子處于定子膛內(nèi)，不便于進行極間電壓試驗和繞圈電壓分布試驗，使用這些試驗方法往往難以診斷故障。RSO試驗是一種診斷轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣狀況的有效方法，與其他方法比較，RSO試驗方便快捷，試驗靈敏度高，能在匝間短路發(fā)生初期診斷出故障，并能對短路位置進行定位[4-6]。

1 RSO試驗原理和方法

RSO試驗方法是英國專家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)子繞組的兩端同時注入前沿陡峭的低電壓脈沖激勵信號，并通過分析注入點的波形來判斷轉(zhuǎn)子繞組中是否存在匝間短路故障及故障嚴重程度。由于轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)的對稱性，在沒有匝間短路時，在兩端注入同一激勵信號，兩個注入點波形高度一致，體現(xiàn)在特征波形(兩個注入點波形相減之差)上，表現(xiàn)為基本平直的直線。當存在匝間短路或?qū)Φ囟搪窌r，短路造成的繞組阻抗不連續(xù)將產(chǎn)生較大的反射波。反射波到達轉(zhuǎn)子兩端的傳播時間不同，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。突起在時間軸上的位置，對應(yīng)短路點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，即離注入點越遠，幅值越小；短路的阻值越小，突起幅值越大。試驗接線方式如圖1所示，試驗儀器通過轉(zhuǎn)子滑環(huán)或?qū)щ娐輻U向轉(zhuǎn)子繞組發(fā)射脈沖信號。無論轉(zhuǎn)子在定子膛內(nèi)還是膛外，動態(tài)或者靜態(tài)下均能連續(xù)測量，特別適合發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組絕緣狀況的跟蹤分析。

圖1 轉(zhuǎn)子繞組RSO試驗接線圖

2 案例分析

A電廠1號發(fā)電機在小修前運行狀態(tài)較為穩(wěn)定，機組軸系各軸瓦的振動幅值都在安全運行要求的范圍內(nèi)。2020年1號發(fā)電機定期停機進行小修檢查，轉(zhuǎn)子在定子膛內(nèi)進行各項電氣試驗。

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，實際上只有轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生嚴重的匝間短路故障時，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

從表2可知，在相同試驗電壓下，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)生嚴重的匝間短路故障或者故障點較多時，轉(zhuǎn)子繞組的交流阻抗才會明顯減少，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結(jié)果

2.3 極間電壓試驗

正常情況下，轉(zhuǎn)子兩極繞組的物理結(jié)構(gòu)具有良好的對稱性，兩極中點對于轉(zhuǎn)子兩極繞組的電位相同，兩極繞組對應(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。當匝間短路時，轉(zhuǎn)子兩極繞組不再對稱，極間電位和兩極繞組對應(yīng)線圈的電位分布不再相等。極間電壓試驗?zāi)茌^為準確地判斷轉(zhuǎn)子繞組是否發(fā)生匝間短路故障，試驗結(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)電機轉(zhuǎn)子匝間短路故障診斷導(dǎo)則》要求的3%。極間電壓試驗結(jié)果表明轉(zhuǎn)子繞組可能存在匝間短路故障。為了進一步判斷1號發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路故障，對其進行了RSO試驗。

表3 極間電壓試驗結(jié)果

2.4 RSO試驗

1號發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組兩極各有8個線圈，以內(nèi)滑環(huán)為起點的為極1線圈，以外滑環(huán)為起點的為極2線圈。轉(zhuǎn)子在膛外靜態(tài)下了進行了4次不同角度的RSO試驗；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°。各試驗波形如圖2～5所示。

圖2 未旋轉(zhuǎn)角度的RSO試驗波形

圖2～5中：紅色波形為極1線圈的激勵信號，綠色波形是極2線圈的激勵信號；游標1線和游標2線的功能是顯示激勵信號的時刻及時間差，圖8同。

由圖2可見，轉(zhuǎn)子未旋轉(zhuǎn)角度的RSO試驗波形(黃色曲線)有一處明顯的畸變。該畸變位于傳播時間4.38 μs處，幅值為220 mV的波峰。對應(yīng)外滑環(huán)為起點的極2第2槽線圈。由于《隱極同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路故障診斷導(dǎo)則》僅對RSO試驗方法進行了說明，對判斷依據(jù)沒有明確規(guī)定。行業(yè)內(nèi)通常認為特征波形峰值達到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)是對某型號1 000 MW發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組進行模擬短路，根據(jù)短路波形而確定的，當畸變峰值超過判據(jù)線時，應(yīng)懷疑是否存在匝間短路故障。初步判斷該處存在一個高阻短路缺陷。

由圖3可見，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)90°后的RSO試驗波形一致性較差；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試驗波形

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

圖4 旋轉(zhuǎn)180°的RSO試驗波形

由圖5可見，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)270°后的RSO試驗波形一致性較好；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試驗波形

4次不同角度的RSO試驗結(jié)果表明，1號發(fā)電機轉(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，不同角度下缺陷對波阻抗的影響有所差異，導(dǎo)致RSO試驗結(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、極間電壓試驗和交流阻抗及功率損耗試驗尚未能有效診斷出該缺陷[9-12]。

2.5 交流電壓分布試驗

為了準確判斷轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路故障，同時驗證RSO試驗結(jié)果，發(fā)電廠抽出發(fā)電機轉(zhuǎn)子，對轉(zhuǎn)子繞組進行交流電壓分布試驗。通過轉(zhuǎn)子滑環(huán)對繞組施加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 交流電壓分布試驗結(jié)果

圖6 轉(zhuǎn)子兩極繞組各個線圈電壓分布

從圖6可知，極1繞組2號線圈的電壓為9.20 V，極2繞組2號線圈的電壓為12.20 V，兩者的電壓差為2.92 V，電壓偏差高達24.09%。《隱極同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路故障診斷導(dǎo)則》規(guī)定：對應(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。對于2號線圈，電壓偏差為4.45%，分析認為可能由于2號線圈匝間短路引起的電壓畸變，不排除是高阻短路的可能。對于其他線圈，電壓值都比較接近，對稱性良好，電壓偏差都小于標準要求的3%。結(jié)合上述試驗結(jié)果，可以確定極1繞組2號線圈存在著匝間短路故障。

3 解體檢查及修后試驗

3.1 解體檢查

將發(fā)電機轉(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，如圖7所示。該短路點在汽側(cè)直線段與圓弧段交界處，匝間絕緣短路點處已碳化，第3匝和第4匝線圈短路點處有過熱痕跡。檢查短路點處沒有發(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

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

圖8 修后RSO試驗波形

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。需要多種試驗方法診斷，互相驗證，綜合分析，才能最終確認故障。

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)時有差別。當轉(zhuǎn)子處于特定的角度，故障缺陷才會暴露出來。為了避免出現(xiàn)故障缺陷的檢測盲區(qū)，靜態(tài)的RSO試驗，應(yīng)在轉(zhuǎn)子不同角度位置上進行多次測試，可以依次旋轉(zhuǎn)90°至一圓周分別進行測試。另外，應(yīng)在轉(zhuǎn)子盤車或者沖轉(zhuǎn)過程中進行RSO動態(tài)測試，以確定動態(tài)下匝間絕緣狀況。

RSO試驗操作便捷，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)或者動態(tài)都能進行測試。尤其當轉(zhuǎn)子處于定子膛內(nèi)，不能進行線圈電壓分布試驗，而又不能判斷轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路故障時，通過RSO試驗?zāi)軠蚀_有效判斷轉(zhuǎn)子繞組的絕緣狀態(tài)。RSO試驗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)電機制造、安裝、調(diào)試直至全周期運行都適用，可推廣應(yīng)用。