基于重復(fù)脈沖法的發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路診斷實踐

張 利，孫士濤，王曉軍，張 婷，邵衛(wèi)超，張 杰，雷 雨，劉柏延

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司北京十三陵蓄能電廠，北京市 100037；2.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京市 100045）

0 引言

抽水蓄能電站在電網(wǎng)中承擔(dān)著峰谷調(diào)節(jié)的重要作用，發(fā)電電動機(jī)目前廣泛應(yīng)用于抽水蓄能機(jī)組。發(fā)電電動機(jī)的轉(zhuǎn)子為顯極式的磁極結(jié)構(gòu)，繞組匝數(shù)較多，匝間絕緣多為很薄的絕緣墊片，由于機(jī)組啟停頻繁、采用空氣間接冷卻、運行中巨大的離心力等因素，匝間短路故障發(fā)生頻次較高。雖然輕微的轉(zhuǎn)子匝間短路并不意味著機(jī)組無法運行，但如果繼續(xù)發(fā)展會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動增大、無功降低，甚至?xí)l(fā)轉(zhuǎn)子接地導(dǎo)致停機(jī)[1]。

目前，在水輪機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路的診斷上，有采用磁通探測線圈[2]的在線監(jiān)測方法，但該方法的診斷靈敏度容易受到機(jī)組有功、無功負(fù)荷的影響，并不能完全替代離線試驗手段，而目前主要的離線診斷手段是磁極的交流阻抗測試[3]，但該試驗一般只能在機(jī)組拆除機(jī)蓋或吊出轉(zhuǎn)子后進(jìn)行，不能做到隨停隨檢，在機(jī)坑內(nèi)進(jìn)行還會受到定子磁路的影響，診斷靈敏度比較低。近年來，重復(fù)脈沖法（以下簡稱RSO法）[4]在汽輪發(fā)電機(jī)等隱極式轉(zhuǎn)子上應(yīng)用較為廣泛，診斷效果明顯，已經(jīng)列入相關(guān)的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5]。由于RSO法屬于一種轉(zhuǎn)子繞組整體進(jìn)行而非單個磁極分別進(jìn)行測試的方法，若其能夠應(yīng)用至發(fā)電電動機(jī)，那么，結(jié)合抽水蓄能機(jī)組啟停靈活的特點和該方法測試快速簡捷的優(yōu)勢，可以根據(jù)需要做到轉(zhuǎn)子匝間短路的隨停隨檢，及時發(fā)現(xiàn)缺陷并進(jìn)行處理，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。但顯極式轉(zhuǎn)子與隱極式轉(zhuǎn)子在結(jié)構(gòu)上差別較大，RSO法在抽水蓄能發(fā)電電動機(jī)上的應(yīng)用甚少，其適用性以及診斷效果尚缺少深入的研究。

本文嘗試采用RSO法進(jìn)行發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路診斷，通過實驗平臺的搭建和真實機(jī)組上的測試，對該方法的適用性和關(guān)鍵因素進(jìn)行了研究。

1 RSO法

RSO法屬于一種時域脈沖反射方法，如圖1所示，其基本原理是將一對完全一致的具有快速上升邊沿的脈沖電壓注入轉(zhuǎn)子繞組兩極和地（軸）之間，通過對比兩極的響應(yīng)波形來判斷轉(zhuǎn)子有無匝間短路。如果轉(zhuǎn)子繞組沒有匝間短路，由于正負(fù)極繞組的高度對稱性，兩極電壓響應(yīng)是完全相同的。如果存在匝間短路，破壞了兩極繞組的阻抗對稱性，則兩極電壓響應(yīng)會出現(xiàn)差異。對于應(yīng)用較多的隱極同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，重復(fù)脈沖的形式有雙指數(shù)波、方波等形式，激勵脈沖頂值一般在10V左右。

圖1 RSO法測試示意圖Figure 1 Test sketch map of RSO

發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組雖然由多個分立的磁極組成，但各個磁極從結(jié)構(gòu)和參數(shù)上都是高度一致的[6]，因此，從轉(zhuǎn)子繞組首末兩端看，無論其極數(shù)是多少，其也應(yīng)是高度對稱的。因此，從原理上來說，重復(fù)脈沖法對于發(fā)電電動機(jī)也同樣適用。但是，由于顯極式轉(zhuǎn)子的極數(shù)、繞組匝數(shù)更多，繞組的長度更長，RSO法的脈沖形式和參數(shù)需要進(jìn)一步考慮。

2 實驗平臺

基于重復(fù)脈沖法的基本原理，本文采用方波重復(fù)脈沖，搭建通用的實驗平臺，并結(jié)合發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組特點確定平臺參數(shù)。該平臺由信號發(fā)生裝置、功率放大裝置、可調(diào)電阻、采集裝置組成。

信號發(fā)生裝置采用通用的信號發(fā)生器，能夠輸出標(biāo)準(zhǔn)方波脈沖，要求具備兩通道輸出同相位功能，保證兩路輸出盡量在同一時刻觸發(fā)，這是重復(fù)脈沖法的基本要求。另外，方波脈寬、占空比、幅值、直流偏置應(yīng)可調(diào)，保證脈沖的激勵與負(fù)載相匹配。

發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和尺寸對重復(fù)脈沖的能量提出更高的要求，信號發(fā)生器產(chǎn)生的方波幅值有限，一般最大為±5V，且?guī)лd能力有限，因此需要采用功率放大裝置對其進(jìn)行放大。功放要求為兩路，且應(yīng)滿足以下要求：

（1）可調(diào)而且足夠大的增益，以便研究不同脈沖幅值下的故障診斷效果。

（2）足夠的帶寬，防止對高頻上升沿的大幅衰減，導(dǎo)致功放次級輸出激勵信號的帶寬下降，影響診斷效果。

（3）足夠的容量，因為激勵脈沖幅值越高，負(fù)載脈沖電流有效值也越高。

（4）功放輸入阻抗要與信號發(fā)生器輸出阻抗相匹配，否則會導(dǎo)致輸出電壓產(chǎn)生誤差。

功率放大器對信號發(fā)生器的輸入信號放大后，對外是一種低阻輸出，目的是提高負(fù)載電壓，因此，需要可調(diào)電阻實現(xiàn)測試系統(tǒng)內(nèi)阻與繞組負(fù)載阻抗的匹配，最大限度地增強(qiáng)故障信號。本文選取0～2kΩ可調(diào)電阻。

采集裝置采用具備20M/S的采樣率和16位的采集精度的錄波儀，保證微小的故障差值能夠有效識別，減小采樣的背景噪聲。另外，采樣裝置的量程要滿足高幅值電壓的測量需要，并具備合理的自動觸發(fā)模式。由于重復(fù)脈沖法的原理為兩路信號作差，采集裝置最好還要具備通道作差功能，以便直觀地觀察故障特征。

本文搭建的試驗平臺如圖2所示。

圖2 平臺組成與接線Figure 2 Platform’s composition and wiring

3 現(xiàn)場測試與分析

本文利用上述試驗平臺在北京十三陵抽水蓄能電廠2號發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子上進(jìn)行測試。該機(jī)組容量為200MW，轉(zhuǎn)子有12個磁極，每個磁極有29匝線圈。由于該轉(zhuǎn)子磁極為返廠后的新磁極，因此，其本身的絕緣狀態(tài)是良好的，不存在任何形式的匝間短路或接地，通過在繞組上人為模擬各種類型和位置的匝間短路故障點，可以得到比較細(xì)致的真實故障數(shù)據(jù)。

3.1 繞組中波的傳播特性測試

在轉(zhuǎn)子繞組末端開路時，首端施加1kHz，占空比50%，0～8V的低幅值方波信號（無需功放放大），首端內(nèi)阻R=0，轉(zhuǎn)子首末兩端的電壓波形如圖3所示，其中，ChC1為首端電壓波形，ChC2為末端電壓波形，縱坐標(biāo)為電壓，橫坐標(biāo)為時間（圖4～圖8圖示與此相同）?？梢?，負(fù)載波形直接階躍至8V，且上升沿出現(xiàn)振蕩，說明內(nèi)阻的存在是必需的，內(nèi)阻為零會導(dǎo)致負(fù)載分壓直接等于空載輸出電壓，將觀察不到故障點導(dǎo)致的負(fù)載分壓的差異。另外，末端波形與首端波形起始處相比存在一定延時，可以認(rèn)為是方波脈沖在繞組中傳播的時間。

圖3 末端開路，R=0時的測試波形Figure 3 Test waveform at R=0Ω with open end

末端開路，調(diào)節(jié)首端R=1270Ω，此時內(nèi)阻過大，負(fù)載分壓很小，半周期內(nèi)脈沖難以達(dá)到穩(wěn)態(tài)又進(jìn)入下一個半周期，如圖4所示，說明內(nèi)阻過大會導(dǎo)致負(fù)載分壓及暫態(tài)過程延長，同樣會影響故障診斷效果。

圖4 末端開路，R=1270Ω時的測試波形Figure 4 Test waveform at R=1270Ω with open end

末端短路，首端R=200Ω時的波形如圖5所示。此時首端能觀察到明顯的末端反射，該反射使得輸入電壓出現(xiàn)跌落，證明轉(zhuǎn)子繞組對于具有高頻分量的脈沖波呈現(xiàn)傳輸線特性[7]。

圖5 末端短路，R=200Ω時的測試波形Figure 5 Test waveform at R=200Ω with short-circuit end

在末端并接電阻，調(diào)節(jié)末端電阻值，使得首端波形平滑上升至穩(wěn)態(tài)直流值，此時末端反射回波效應(yīng)基本消失，證明末端電阻與繞組阻抗達(dá)到匹配，得到匹配電阻約為475Ω，如圖6所示。

圖6 雙端匹配后單端測試波形Figure 6 Single - end test waveform when double-end matched

3.2 故障模擬與RSO法測試

首先，調(diào)節(jié)兩端內(nèi)阻為匹配值，提高方波脈沖的幅值進(jìn)行正常繞組的測試，得到繞組無故障狀態(tài)下的典型RSO波形如圖7所示，脈沖幅值為40V?？梢?，無故障狀態(tài)且阻抗匹配時，繞組兩端的負(fù)載電壓波形基本重合，且上升邊沿平穩(wěn)過渡至直流穩(wěn)態(tài)，無明顯過沖或跌落等反射現(xiàn)象，符合前述匹配規(guī)律。

圖7 雙端匹配后正常繞組RSO測試波形Figure 7 RSO test waveform of normal winding when double-end matched

通過各磁極人為模擬匝間短路，得到了繞組匝間短路時的故障響應(yīng)，其中典型故障波形如圖8所示。此時整體波形還是符合匹配規(guī)律，但在負(fù)載波形的上升階段，兩端響應(yīng)局部出現(xiàn)差異，不再重合，如圖8中虛線圓形標(biāo)記所示。

將各磁極末端匝（28匝與29匝）分別短路時測得的兩端差值波形匯總在圖9，波形0時刻對應(yīng)于圖8中方波脈沖起始時刻，各極故障時的差值峰值大小和出現(xiàn)時刻匯總在表1。

圖8 典型故障波形Figure 8 Typical fault waveform

作為對比，信號發(fā)生器輸出脈沖調(diào)整為±2.5V、±3V（未加偏置），不經(jīng)功放放大，直接注入轉(zhuǎn)子繞組兩端，進(jìn)行低幅值脈沖下的故障響應(yīng)測試，結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，采用5V峰峰值的方波激勵時，第2極28匝發(fā)生匝間短路時，故障差值為0.13V，十分微弱，而采用6V峰峰值的方波激勵時，第6極28匝發(fā)生匝間短路時，由于故障位置離測試端口更遠(yuǎn)，故障點引起的差值衰減嚴(yán)重，此時與正常繞組的響應(yīng)波形一樣已不存在明顯的故障差值，說明采用低幅值的脈沖激勵的診斷靈敏度較差，甚至無法有效檢出遠(yuǎn)端故障。對比表1和圖9，對于第2極28匝故障以及第6極28匝故障，提高脈沖幅值至40V后，故障特征差值提高至1.29V及0.4V，對于第6極故障，進(jìn)一步提高脈沖幅值至73.5V，故障特征差值提高至0.59V?？梢?，提高激勵脈沖幅值能夠有效增強(qiáng)故障特征，增大故障診斷靈敏度，尤其是對于遠(yuǎn)端故障，可以診斷出低幅值下無法檢出的故障。由于對12極的轉(zhuǎn)子繞組，第6極28匝位于繞組中心，發(fā)生一匝的匝間短路時產(chǎn)生的故障特征是最微弱的，此時診斷靈敏度已經(jīng)能夠保證，對于其他位置和更多匝數(shù)的匝間短路同樣能夠診斷。

圖9 各極故障差值Figure 9 Fault difference of each pole

圖10 低幅值脈沖下的故障波形Figure 10 Fault waveform under low-amplitude pulse

表1 不同磁極的故障特征數(shù)據(jù)Table 1 Fault characteristic data of different magnetic poles

從不同磁極位置的故障特征峰值時刻來看，隨著故障點越來越遠(yuǎn)離測試端，故障峰值出現(xiàn)的時刻也越來越晚，基本成比例增加，說明注入脈沖在繞組中的傳播速度近似為恒定值，因此，可以采用行波原理進(jìn)行故障的初步定位[8]，如式（1）所示，其中tn可以根據(jù)圖3中繞組首末端波形的延時得到，所謂近端指的是負(fù)載響應(yīng)波形中出現(xiàn)差值的部分中電壓較低的一端，如圖8中ChC2端，這是由于故障點的反射信號會導(dǎo)致更近的一端電壓波形率先出現(xiàn)跌落。

式中：Lf——故障點距近端端口的距離，m；

tf——故障差值峰值時刻，s；

tn——波在整個繞組中的傳播時間，s；

Ln——繞組長度，m。

根據(jù)圖9，不同磁極繞組發(fā)生匝間短路時，同樣的故障程度下，故障差值的大小隨故障點位置衰減非常明顯，因此，不能用一個統(tǒng)一的故障差值判據(jù)來對相同的故障嚴(yán)重程度做出判定，診斷時可以結(jié)合故障點位置，分磁極設(shè)定故障診斷閾值。

4 結(jié)論

本文搭建了發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路RSO法通用測試平臺，并針對真實轉(zhuǎn)子進(jìn)行了現(xiàn)場實踐，對重復(fù)脈沖在繞組中的傳播特性、診斷效果及適用性等進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

（1）在具有高頻分量的脈沖激勵下，發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組呈現(xiàn)傳輸線特性，存在端口反射、阻抗匹配等特征。

（2）采用高幅值的激勵脈沖能夠明顯提高RSO法的故障診斷靈敏度，增強(qiáng)波形的故障特征。

（3）RSO法通過選擇合理的脈沖形式和參數(shù)保證診斷靈敏度后，可以應(yīng)用于發(fā)電電動機(jī)等長繞組轉(zhuǎn)子，與隱極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子類似，以雙端的故障響應(yīng)差值為特征，可以對故障進(jìn)行診斷和初步定位。

另外，在實際應(yīng)用方面，高幅值的激勵形式對成型測試設(shè)備的容量、測量系統(tǒng)提出了更高的要求，需要在脈沖產(chǎn)生形式、重合度保證、帶載能力等方面做進(jìn)一步的考慮。