數字式匝間檢測儀檢測盲區及風力發電機匝間短路分析

摘 要：【目的】數字式匝間檢測儀可為匝間絕緣檢測提供直觀的數據反饋，但實際檢測過程中會出現檢測顯示匝間絕緣不合格但解剖線圈后無法找出絕緣問題或者檢測顯示合格但試驗時匝間短路的情況，因此，急需排除檢測干擾因素，提高檢測結果的準確性。【方法】模擬了3種不同的線圈安裝位置和2種不同的線圈安裝狀態來進行驗證，并人為地制造線圈缺陷來測試設備的檢測盲區。【結果】結果顯示，圈式線圈安裝位置和狀態差異會導致數字式匝間絕緣檢測儀的波形不重合度值升高，數字式匝間絕緣檢測設備對人為制造的匝間絕緣缺陷無反饋。【結論】線圈附近的金屬部件狀態差異會對匝間波形不重合度值有很大影響，數字式匝間檢測儀不能檢測出未接觸短路的匝間絕緣缺陷。通過對電機匝間絕緣事故原因進行分析，進一步證明了這一結論，驗證結果對電機制造行業規避匝間絕緣缺陷具有積極作用。

關鍵詞：風力發電機;數字式匝間檢測儀;圈式線圈;匝間短路

中圖分類號：TM315" " 文獻標志碼：A" " "文章編號：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，某公司連續發生多起永磁直驅風力發電機在進行整機出廠試驗時，匝間短路燒損事件。根據永磁直驅風力發電機定子絕緣試驗要求，定子在嵌線完成后和接線前會對每支線圈的匝間進行絕緣檢測，并在VPI后進行相間匝間絕緣檢測。但在出廠試驗過程中仍出現了匝間短路導致電機燒毀事件，因此，懷疑數字式匝間儀在檢測過程中存在檢測盲區。為摸清影響數字式匝間儀測試結果的主要因素及檢測盲點，提高檢測的準確性，本研究進行了一系列相關試驗驗證。

1 試驗設備及線圈

匝間絕緣試驗與電機試驗所用設備一致，均為德國SCHLEICH公司生產的MTC2-25 kV型數字式匝間絕緣檢測儀。

試驗線圈數量為12支，且均為與匝間短路燒損電機裝配同型號的690 V級單排12匝圈式線圈，匝間絕緣單邊厚度為0.2 mm，匝間絕緣試驗電壓73 000 V，線圈驗證前波形不重合度均＜2%。試驗線路示意，如圖1所示。

2 驗證方案

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證

將鐵心放置于空曠位置，鐵心外圓1 m范圍內無遮擋，選取4支試驗線圈，分別標記A1～A4。從鐵心第1槽開始嵌入，嵌入完成后進行槽楔安裝，線圈引線不并頭，以A1為基準波分別檢測A2～A4線圈匝間波形不重合度，記錄數據。

A1定子線圈不動，取出其余3支線圈，在順時針旋轉60°的位置連續下入A2～A4線圈并安裝槽楔，以A1為基準波再次檢測A2～A4線圈匝間波形不重合度，記錄數據。

按照上述步驟，將A2～A4線圈安裝位置依次旋轉120°、180°、240°、300°，重復上述試驗，并記錄數據。

2.2 線圈在不同安裝狀態下其匝間波形不重合度的差異驗證

另選4支試驗線圈，分別標記B1～B4，在空曠位置（檢測場地周圍1 m范圍內無遮擋及金屬部件），以B1線圈為基準檢測其余3支線圈的匝間波形不重合度，記錄數據。

將B1～B4線圈嵌入試驗鐵心，在安裝槽楔前以B1為基準檢測其余3支線圈的匝間波形不重合度，記錄數據，安裝完槽楔后，再次重復上述試驗，記錄數據。

2.3 線圈在不同絕緣受損程度下對匝間波形不重合度影響驗證

另取4支試驗線圈，分別標記C1～C4，將C2～C4線圈褪去部分主絕緣，用美工刀先剝去C2線圈直線段第1匝股線10 mm長的匝間絕緣，露出導線；再剝去C3線圈第2匝股線10 mm長的匝間絕緣，露出導線；然后剝去C4線圈第1、第2匝股線10 mm長匝間絕緣，露出導線（2匝股線剝除絕緣位置一致）；最后以C1為基準檢測其余3支線圈匝間波形不重合度，記錄數據。

3 驗證結果及分析

3.1 線圈因不同安裝位置導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據見表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。在進行匝間波形檢測時，檢測設備對線圈施加7 300 V的脈沖沖擊電壓，由于線圈電感量和Q值的存在，構成了一個RLC并聯諧振回路，如圖2所示。該回路將產生一個對應于所施加放電脈沖的電壓衰減波形，數字式匝間儀通過比較不同波形的面積［1］，發現在單獨對線圈進行匝間波形檢測時，測試結果只受線圈的自身電感和電容影響；在進行線圈安裝在鐵心位置驗證時，基準線圈初始狀態與測試線圈相鄰，受其余線圈的互感影響，其余狀態均為獨立狀態，不受線圈互感影響。該數據說明匝間耐壓測試結果受金屬互感影響較大，3支測試線圈之間的波形不重合度相對值并無較大變化，檢測結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導致的匝間波形不重合度差異

線圈不同安裝狀態的匝間波形不重合度數據見表2。由表2可知，槽楔安裝對線圈匝間波形影響較小，根據實際安裝情況分析，槽楔安裝對線圈在鐵心中的位置變化影響在1毫米以內，幾乎不影響測試線圈與周圍線圈的互感狀態。

3.3 線圈因不同絕緣受損程度導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據見表3。由表3可知，單匝導線的匝間絕緣損壞不會造成匝間短路現象，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。試驗線圈的匝間絕緣為0.2 mm，剝除部分匝間絕緣后，兩相鄰導體之間的距離仍有0.4 mm，匝間絕緣檢測時，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，在后續人為減少兩匝受損導線的距離后，再次進行匝間耐壓測試，則出現了匝間短路現象［3］。

在電機的生產過程檢測中還發現，若出現某支線圈匝間明顯短路（波形不重合度超過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據也會超過5%的試驗標準要求（不重合度約在7%-30%之間）。但實際解剖超差線圈發現，只有波形不重合度超過90%的線圈內部匝間絕緣存在損傷，其余線圈取下復測均顯示正常。該現象說明短路線圈與相鄰線圈的互感狀態和正常線圈與相鄰線圈的互感狀態有較大差異［4］。另外，定子的中性點接線方式差異也會導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果及分析

對出廠試驗中燒損的電機定子線圈進行拆解，取出線圈端部，使用高溫爐分解線圈絕緣，盡量保持線圈導體形狀完整，發現燒損線圈的首匝引出線末端有約2 mm高的隆起鼓包現象，如圖3所示。通過對圈式線圈制造工藝過程的分析，發現線圈引出線的彎型為手工操作。在彎型過程中，若引出線與相鄰導線不貼合，則極易在R處出現鼓包現象。由于鼓包現象在線圈出廠試驗時不能被檢測出，從而造成對該現象的忽視導致了該批次線圈的批量問題。

電磁線絕緣層由燒結亞胺薄膜及聚酯薄膜云母帶構成。由于匝間絕緣燒結層及聚酯薄膜的延展性，電磁線的鼓包不會導致匝間絕緣的開裂損壞，所以在線圈匝間絕緣檢測時不會顯示異常。但電磁線隆起鼓包會造成下線后匝間絕緣的單點受力，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，非尖點接觸，在受力不足時并不會造成匝間絕緣貫穿式損傷，故單支線圈試驗時，無法檢測出匝間絕緣異常。

從生產過程檢測結果分析，槽楔安裝完成后，接線前的線圈匝間耐壓檢測波形不重合度均＜3%，說明匝間短路未出現在槽楔安裝完成后，極有可能出現在定子VPI烘焙過程中。定子由有硅鋼片、結構鋼、銅導體、緊固件以及絕緣材料組成。定子VPI烘焙溫度為150℃，在升溫過程中，有內外的熱傳導過程，且不同材料部件的膨脹系數不一致，受力情況極為復雜，不易分析。但可以確定的是，在這個過程中，匝間絕緣會受熱變軟，烘焙過程中更容易被損壞。電機試驗時匝間電壓僅約50 V，只有導體間距離極近或者直接接觸才會導致匝間絕緣被擊穿而發生短路。如果鐵心與線圈導體膨脹量不一致或者外層線圈和內層線圈膨脹量不一致，就會導致隆起部位的擠壓力增大，最終導致隆起部位匝間絕緣完全損壞，相鄰匝導體直接接觸，從而在試驗過程中導致電機定子燒損［5］。

5 結論

圈式線圈匝間耐壓試驗波形不重合度受線圈安裝狀態影響較大，包括線圈試驗時周圍金屬物體的干擾及定子試驗時試驗線圈相鄰線圈狀態和接線方式等。

數字式匝間絕緣檢測設備只能對確切的匝間短路有明顯反饋（通常短路波形不重合度＞80%），不能對匝間絕緣損傷及缺陷狀況給出數據反饋。

圈式線圈導線上鈍化的局部隆起缺陷不會直接損傷匝間絕緣，導致在線圈試驗時不易被檢測出。但由于電機制造過程中各種因素的作用，該缺陷可能會被放大，最終導致成品電機運行時發生匝間短路故障。

參考文獻：

［1］陳金剛，王強.電機繞組匝間試驗故障波形分析［J］.電機技術，2019（6）：44-47.

［2］ 高志剛.匝間沖擊試驗在發電機磁極線圈絕緣缺陷檢測中的運用［J］.機電信息，2019（32）：31-32.

［3］ 張立鵬，李忠徽.雙饋風力發電機繞組匝間短路故障診斷綜述［J］.河北電力技術，2017，36（5）：32-34，43.

［4］ 唐李冰.大型電機線圈匝間短路監測診斷系統的改進［J］.上海大中型電機，2013（4）：48-52.

［5］陳藍生.匝間沖擊耐壓測試儀校準方法初探和測試電壓測量不確定度CMC評定［C］//江蘇省計量測試學會.2013年江蘇省計量測試學會學術會議論文集.泰州市計量測試技術研究所；2013：3.

收稿日期：2023-10-17

作者簡介：段文利（1986—），男，本科，工程師，研究方向：風力發電機制造工藝。