重復脈沖法在發(fā)電機轉子繞組一點接地故障中的應用

金 泱 ， 王展宏 ， 呂嘉琛 ， 魯 競 ， 王 新

（1.浙江浙能技術研究院有限公司，杭州 311121；2.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術研究重點實驗室，杭州 311121；3.浙江浙能電力股份有限公司蕭山發(fā)電廠，杭州 311251）

0 引言

轉子的絕緣狀況對于發(fā)電機的安全運行至關重要[1-5]。轉子一點接地故障是發(fā)電機組常見的故障形式之一，當轉子繞組發(fā)生一點接地時，接地點不構成電流回路，無電流通過故障點，暫不影響發(fā)電機的正常運行，但當故障進一步演化形成二點接地時，兩個接地點間構成電流回路，故障點會流過相當大的故障電流，造成轉子振動加劇、轉子繞組發(fā)熱等一系列的問題[6-8]。因此，當轉子發(fā)生一點接地故障時，應立即采取措施，消除故障缺陷以保證機組安全運行。

RSO（重復脈沖法）是近些年來興起的檢測發(fā)電機轉子匝間短路故障的手段之一，該方法相較其他傳統(tǒng)方法具有靈敏度高、定位精確、接線簡單等優(yōu)點[9-11]。通過研究發(fā)現RSO同樣適用于發(fā)電機轉子繞組一點接地故障的檢測與定位。然而目前對于RSO應用在發(fā)電機轉子繞組一點接地故障檢測中的報道較少。因此下面將詳細論述RSO在發(fā)電機轉子繞組一點接地故障中的應用。

1RSO試驗原理

RSO的理論基礎是行波理論，即波在電力線路的傳播過程中遇到不同波阻抗的連接點或者集中參數阻抗連接點時會發(fā)生折射和反射現象[12-13]。當信號發(fā)生器發(fā)出的低壓脈沖傳輸到阻抗突變點發(fā)生折反射后，檢測點會測得與正常狀況下不同的響應曲線，2條響應曲線相減的合成特性曲線即可用來判定是否存在異常。

發(fā)電機轉子繞組可以近似的看成一根較長的銅導線。與轉子匝間短路類似，當轉子繞組發(fā)生一點接地故障時，故障點附近的波阻抗勢必會發(fā)生突變，波阻抗變化的大小與繞組接地故障的嚴重程度有關。由于繞組接地的位置及接地嚴重程度之間的差異，低壓脈沖在故障點產生的折反射的時刻及程度也不相同，因此檢測點所測得的響應波形信號必然包含了相應接地故障的信息，可根據合成特性曲線來確定繞組接地的位置及嚴重程度。

2 轉子模擬故障試驗

浙能技術研究院相關技術人員對部分火電廠發(fā)電機轉子分別進行了模擬匝間短路RSO試驗和模擬繞組接地RSO試驗，試驗接線如圖1所示。試驗使用儀器為哈爾濱物格公司生產RD-1A轉子匝間短路RSO分析儀，模擬匝間短路和轉子繞組接地的位置為各繞組槽勵側方向第二個通風口。

圖1 RSO試驗接線

2.1 轉子模擬匝間短路試驗

圖2為不同火電廠發(fā)電機轉子3號槽套組模擬匝間短路的試驗結果。圖中實線曲線為轉子正負極響應曲線相減的合成特性曲線，虛線特性曲線為廠家提供的判據線，用以判斷轉子繞組是否存在絕緣隱患（超出判據線即懷疑轉子繞組存在絕緣隱患）。判據線所占的時間跨度為低壓脈沖在繞組中傳播一個周期所用的時間（正負極其中一極），由于不同發(fā)電機其轉子內繞組長度不同，低壓脈沖在繞組中的傳播時間存在差異，因此不同轉子模擬匝間短路試驗結果中，其判據線的長短存在差異。從圖2中觀察發(fā)現，各轉子模擬匝間短路得到的合成特性曲線雖有所差異，但整體趨勢一致，且幅值最大點均超過了判據線。

圖2 各轉子3號槽繞組模擬匝間短路特性曲線

2.2 轉子模擬接地試驗

圖3為2臺同槽數轉子14槽繞組模擬一點接地的試驗結果。通過對比可以發(fā)現，除傳播時間有所差異外，2臺轉子其同槽繞組模擬一點接地的試驗圖形整體趨勢一致，且與模擬匝間短路試驗結果存在明顯差異。模擬一點接地的合成特性曲線其幅值要遠大于模擬匝間短路的合成特性曲線。

圖3 各轉子14號槽繞組模擬一點接地特性曲線

2.3 試驗結果分析

為了探究各轉子RSO模擬匝間短路試驗結果之間的共性，明確RSO試驗對各槽匝間短路故障的定位方法，浙能技術研究院技術人員對相關試驗結果進行處理，計算了各圖最大波峰出現時刻占整體低壓脈沖傳播時間的百分比（以下簡稱波峰占比），并統(tǒng)計了同槽數轉子各槽波峰占比之間的均方差，得到了如表1所示的結果（由于轉子繞組具有對稱性，大齒兩側計算結果相同，因此僅計算了大齒兩側其中一側的槽數）。如表1所示，A，B，C，D 4臺發(fā)電機轉子雖然型號不同，但槽數相同，其各槽之間計算結果相近，均方差均小于2。E轉子槽數少于前4臺，因此其相同槽號下波峰占比計算結果較前4臺轉子大。5臺轉子各槽的波峰占比隨著槽號的增加呈現對稱性，這是由于轉子陰陽兩極的對稱性所致，可根據合成特征波形幅值的正負判斷故障位于陰極或者陽極。

表1 各轉子模擬匝間短路波峰占比計算結果

與匝間短路分析類似，表2為模擬轉子繞組一點接地試驗的計算結果。由表2可知，2臺轉子各槽之間計算結果吻合度較高，均方差均小于2，且與表1具有相同的對稱性。與模擬匝間短路試驗不同，表2中每兩槽試驗計算結果相近，這是由于轉子結構及試驗方式所致。此外，同轉子同槽號下模擬匝間短路試驗的波峰占比與模擬接地試驗亦存在明顯差異，接地試驗其波峰占比較匝間短路大。綜合表1表2對比結果可知，在轉子繞組總槽數相同的前提下，同槽號轉子繞組發(fā)生匝間短路或接地的試驗結果相近，即在得到試驗結果后，可與同槽數轉子的歷史數據進行對比，確定故障類型和位置。

表2 各轉子模擬接地波峰占比計算結果

3 某發(fā)電機轉子接地試驗結果及驗證

2017年10月29日，某發(fā)電廠機組正常解列惰轉至47.98 r/min時，勵磁調節(jié)器“轉子接地故障”發(fā)信，顯示轉子存在接地故障。10月30日，在發(fā)電機停運轉子斷開勵磁回路的前提下，對該轉子進行了RSO試驗，得到了如圖4所示的特征波形。

圖4 故障后該轉子RSO波形

通過與圖2圖3的模擬波形比較可知，該波形反應的問題為該轉子繞組存在一點接地故障，與勵磁調節(jié)器發(fā)出的信號一致。由于該轉子之前沒有進行過模擬轉子一點接地RSO試驗，因此僅能參考其他已有模擬結果的轉子進行類比。圖4中合成特性曲線的波峰時刻占整個脈沖傳播時間的28.4%（圖4中的傳播時間為故障狀態(tài)下整定，可能與正常狀態(tài)下整定的傳播時間存在偏差，故該比值僅做初步估計）。該轉子大齒一側共有18槽，相較表2中轉子A和轉子B多，綜合考慮槽數對波峰占比的影響，對比表2后初步判斷該轉子接地范圍應在13號槽至16號槽之間。

為進一步定位轉子故障位置，11月12日抽出轉子后，采用直流電壓分布法，對該轉子分段進行檢測，最終確認接地部位為轉子14號槽，并利用內窺鏡在該槽勵側24號通風口處發(fā)現引起接地的金屬絲狀物（見圖5），其一端嵌入繞組通風孔，一端搭靠轉子本體。取出該金屬絲狀物，其表面覆蓋有油漆，材料為鐵質，分析為制造廠在轉子副槽（通風槽）加工時產生的飛邊毛刺，因未清理干凈而殘留。

之后對轉子全部36個槽的通風槽進行了內窺鏡反復檢查，在6號槽、8號槽的勵側以及30號槽的汽側各發(fā)現一根同樣金屬異物。為保證此次接地缺陷處理效果，徹底消除轉子接地及匝間短路隱患，在上述異物取出后，對轉子所有風孔進行了吹掃并用內窺鏡復查確保無異物。處理后的轉子絕緣電阻、交流阻抗、RSO等試驗結果均正常。

圖5 轉子繞組接地點

故障修復后對該轉子繞組進行了模擬接地RSO試驗，圖6為14號槽模擬接地的試驗結果。對比圖4可以發(fā)現兩圖特性曲線整體趨勢一致，其中圖 4 波峰時刻為 24.08 μs，圖 6 為 25.42 μs，而正常狀態(tài)下，該轉子繞組脈沖傳播時間為73.9 μs，兩圖波峰占比分別為32.58%和34.40%，兩者相差在試驗誤差范圍內，模擬試驗結果與直流電壓分布。

圖6 故障修復后該轉子14號槽繞組模擬接地

4 結論

從RSO的原理出發(fā)，結合RSO在實際轉子故障檢測中的應用，論證了RSO在轉子繞組一點接地故障檢測中的適用性，得到了如下結論：

（1）RSO試驗不僅可以用于檢測轉子匝間是否存在短路，還適用于轉子繞組一點接地故障的檢測，兩者之間僅從試驗圖形即可簡單區(qū)分。

（2）同槽數轉子其模擬匝間短路或模擬繞組一點接地試驗結果相似，可以進行類比來判斷故障位置。不同槽數轉子之間類比需根據轉子槽數的多少酌情類比。

基于上述結論及RSO自身檢測速度快、接線簡單等優(yōu)勢，建議各發(fā)電廠通過RSO法分別建立轉子匝間短路和轉子一點接地故障數據庫，為今后轉子故障判斷及定位提供參考。