一起基于重復脈沖法的發(fā)電機轉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，轉子繞組匝間短路會導致發(fā)電機的勵磁電流升高，無功功率下降，轉子振動增大，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致繞圈絕緣燒毀接地，引起轉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]。

轉子繞組匝間短路故障比較復雜，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子靜止，狀態(tài)改變而消失，因此往往難以準確判斷轉子繞組是否存在匝間短路故障。目前，轉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、極間電壓試驗能檢測出來。但對于一些故障癥狀不明顯的輕微匝間短路故障，尤其當轉子處于定子膛內，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)電機轉子繞組匝間短路故障診斷技術。其主要原理是在轉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子繞組中是否存在匝間短路故障及故障嚴重程度。由于轉子繞組結構的對稱性，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。當存在匝間短路或對地短路時，短路造成的繞組阻抗不連續(xù)將產生較大的反射波。反射波到達轉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，匝數(shù)越大，即離注入點越遠，幅值越??；短路的阻值越小，突起幅值越大。試驗接線方式如圖1所示，試驗儀器通過轉子滑環(huán)或導電螺桿向轉子繞組發(fā)射脈沖信號。無論轉子在定子膛內還是膛外，動態(tài)或者靜態(tài)下均能連續(xù)測量，特別適合發(fā)電機轉子繞組絕緣狀況的跟蹤分析。

圖1 轉子繞組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。2020年1號發(fā)電機定期停機進行小修檢查，轉子在定子膛內進行各項電氣試驗。

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《電力設備預防性試驗規(guī)程》要求。直流電阻測量結果并未表明轉子繞組存在匝間短路故障。但是，實際上只有轉子繞組發(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)電機轉子匝間短路故障診斷導則》[7]的要求。交流阻抗及功率損耗試驗結果并未表明轉子繞組存在匝間短路故障。同樣，只有轉子繞組發(fā)生嚴重的匝間短路故障或者故障點較多時，轉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果

2.3 極間電壓試驗

正常情況下，轉子兩極繞組的物理結構具有良好的對稱性，兩極中點對于轉子兩極繞組的電位相同，兩極繞組對應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為0 V。當匝間短路時，轉子兩極繞組不再對稱，極間電位和兩極繞組對應線圈的電位分布不再相等。極間電壓試驗能較為準確地判斷轉子繞組是否發(fā)生匝間短路故障，試驗結果見表3。

從表3可知，轉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)電機轉子匝間短路故障診斷導則》要求的3%。極間電壓試驗結果表明轉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 極間電壓試驗結果

2.4 RSO試驗

1號發(fā)電機轉子繞組兩極各有8個線圈，以內滑環(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；分別為轉子未旋轉角度、轉子旋轉90°、轉子旋轉180°、轉子旋轉270°。各試驗波形如圖2～5所示。

圖2 未旋轉角度的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，轉子未旋轉角度的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)電機轉子匝間短路故障診斷導則》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)內通常認為特征波形峰值達到100 mV以上判斷轉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，轉子旋轉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。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)下轉子繞組匝間絕緣狀態(tài)良好。

圖3 旋轉90°的RSO試驗波形

由圖4可見，轉子旋轉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。對應內滑環(huán)為起點的極1第2槽線圈。

圖4 旋轉180°的RSO試驗波形

由圖5可見，轉子旋轉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，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)下轉子繞組匝間絕緣狀態(tài)良好。

圖5 旋轉270°的RSO試驗波形

4次不同角度的RSO試驗結果表明，1號發(fā)電機轉子繞組存在和軸體角度有關系的匝間絕緣異常缺陷。分析認為轉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，導致RSO試驗結果不一致。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

為了準確判斷轉子繞組是否存在匝間短路故障，同時驗證RSO試驗結果，發(fā)電廠抽出發(fā)電機轉子，對轉子繞組進行交流電壓分布試驗。通過轉子滑環(huán)對繞組施加200 V的工頻交流電壓。轉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果

圖6 轉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%?！峨[極同步發(fā)電機轉子匝間短路故障診斷導則》規(guī)定：對應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%。結合上述試驗結果，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試驗結果一致。

圖7 極1第2槽線圈匝間短路

3.2 修后RSO試驗

轉子維修后出廠前，對轉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，各項試驗結果均符合相關規(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，試驗結果表明轉子繞組匝間絕緣良好。

4 結 語

轉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。

某些轉子繞組匝間絕緣缺陷的癥狀與轉子處在的角度和轉子旋轉時有差別。當轉子處于特定的角度，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，應在轉子不同角度位置上進行多次測試，可以依次旋轉90°至一圓周分別進行測試。另外，應在轉子盤車或者沖轉過程中進行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。無論轉子繞組處于定子膛內還是膛外，靜態(tài)或者動態(tài)都能進行測試。尤其當轉子處于定子膛內，不能進行線圈電壓分布試驗，而又不能判斷轉子繞組是否存在匝間短路故障時，通過RSO試驗能準確有效判斷轉子繞組的絕緣狀態(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、調試直至全周期運行都適用，可推廣應用。