重复脉冲法在发电机转子绕组匝间短路检测中的应用

王庚森， 李永刚， 张建忠

(1.华北电力大学，河北 保定 071003；2.河北省电力研究院，石家庄 050021)

随着国民经济的发展，对电力的需求越来越大。同时，随着技术水平的提高，现代汽轮发电机的功率越来越大，因此对发电机组的稳定运行要求也越来越高。转子绕组做为发电机组的主要部件，对其可靠性要求日益增高。转子由于设计及制造上的不足发生的问题较多，而发电机转子绕组匝间短路故障在发电机故障中占有较大比例。匝间短路故障在开始时对发电机影响不大，但是发展下去就会引起机组振动，短路点过热烧毁绝缘，进而造成接地故障等恶性事故[1]，因此，尽早发现转子绕组匝间短路尤为重要。以下介绍的重复脉冲法，即RSO(Repetitive Surge Oscilloscope)检测方法对发电机转子绕组匝间短路的检测及定位有很高的灵敏度[2]。

1 绕组匝间短路传统检测方法

a. 微分绕组动测法。它是将探测绕组装在定子铁心的气隙表面，把发电机气隙中的旋转磁场进行微分，然后将此微分信号引入示波器进行分析，根据信号微分后的波形差异来判断转子是否出现匝间短路故障，并准确显示出故障槽的位置。微分绕组动测法只能在发电机空载和三相短路的情况下进行，在发电机带负载条件下，由于电枢反应，探测效果并不明显，且检测准确度也较差。

b. 交流阻抗和功率损耗法。这是目前常用的静态判断转子绕组匝间短路的方法，它应用转子绕组的阻抗及损耗值的变化来判断绕组有无匝间短路及其程度，具有简便、实用和较为灵敏的优点，但影响其检测结果的因素较多，如转子转速、短路电阻及其部位、试验电压高低、转子结构等。因此该方法不能作为判断匝间短路的主要依据，要结合其他方法才能得出结论。

c. 直流电压降法。该方法要在转子绕组中通入直流电，用接有毫伏表的探针来测量绕组中各匝间的电压降，在短路线匝上所测得的电压将明显小于正常绕组匝间的电压，且其电压的减小值随着靠近短路点的距离而增大。此方法对于匝间短路的测量比较灵敏，但其操作比较复杂，需要抽出转子，拆下套箍才能测量。

d. 直流电阻法。向转子通直流电流时，转子绕组故障状态的电阻测量值比正常状态的测量值明显偏低，但是如果短路匝数较少(如1～2匝)，其测量电阻变化会很小(少于1%)，灵敏度也会很低，因此，该方法虽然操作容易，但只能作为一种参考方法。

2 RSO法原理

RSO法是基于英国专家提出的波过程理论(行波技术)，主要应用于转子匝间短路的早期发现及其短路位置的定位上。其主要原理是向转子绕组发射一个低压脉冲信号，当脉冲波沿着转子绕组传播时，遇到任何绕组上的阻抗突变点时，会有反射波和透射波的出现，这样就会在检测点检测到与正常回路无阻抗突变点时不同的波形响应特征信号。

RSO法是基于转子绕组的波阻抗变化来进行检测，匝间短路的严重程度通过故障点处波阻抗的变化大小来反映，即检测到的2个波形合成图的突起程度来判断，有突起的地方即说明匝间存在异常，而突起的幅值大小就表示匝间短路的严重程度[3]。

对于故障的定位可以在相减波形图上看出，根据相减波形开始与突起波形之间的距离长短(时间的长短)即可判断故障的位置。

RSO法试验采用两端波形相减的方法，这样只要故障不在绕组的绝对中间，在示波器上检测到的波形就不会完全相同，两者叠加就会看到波形的不同，这样就可以通过相减波形来分析匝间短路故障。

RSO法与其他匝间短路检测方法比较有突出的优点，该方法灵敏度高，即使匝间绝缘有轻微变化也能检测出来；操作简便，设备简单，现场测量容易，根据波形判断清晰明了；能进行定位，可精确到1个绕组。

3 RSO法试验及分析

3.1 试验接线及发电机抽头分布

发电机转子RSO试验接线示意见图1。

图1 RSO试验接线示意

该试验是在华北电力大学SDF-9型故障模拟试验机组上进行的，图2是模拟发电机转子绕组抽头的分布图，抽头L2、L3在发电机的某一极上，L4是在另一极上的抽头，如图所示，各短路点之间所占百分比L1-L3为15%、L2-L3为12%、L4-L5为6%。

图2 模拟发电机转子绕组抽头的分布示意

3.2 试验过程

调整信号发生器的功率为5 000 Hz，电压为1 V，波形为方波；示波器采样频率是5 GS/s，精度是4 μs。

按图1所示接线，转子绕组抽头分布如图2所示，在发电机绕组无匝间短路情况下，在L1端加入输入信号，从L5端输出信号波形，并用示波器接收、显示并记录。采用同样的方法，再在L5端加入输入信号，L1端检测输出信号波形，记录波形数据。这样得到从两端分别加入信号时的2组波形并将其进行相减得到特征波形，见图3。

图3 正常情况下的特征波形

当绕组存在匝间短路时，重复以上试验步骤，即可得到匝间短路故障时的特征波形，如图4所示。与图3相比较，可以明显看出当发电机转子绕组存在匝间短路故障时得到的特征波形与正常情况下的特征波形相比有明显的突起，这样，通过观察特征波形是否是一条直线(即是否存在突起)，即可判断发电机匝间绕组是否存在短路故障。

图4 某种短路情况下特征波形

3.3 试验波形分析

由图3可知当发电机转子绕组没有匝间短路时得到的特征波形基本上就是一条直线，没有明显的突起。由图4可知当转子绕组之间存在匝间短路时，特征波形上就会有明显的突起，这样根据测得的特征波形就可以判断发电机转子绕组之间是否存在匝间短路。为得到发电机转子绕线在不同短路情况下RSO法特征波形的变化规律，依次在L1-L3(短路15%)、L2-L3(短路12%)、L4-L5(短路6%)的短路条件下，测量不同短路形式下的波形数据并记录，然后将两端输入得到的波形数据相减，得到的不同短路情况下的特征波形图，见图5。

1-正常；2-L4、L5短路；3-L2、L3短路；4-L1、L3短路

从图5中可以看出不同短路程度下其特征波形的突起不同，短路程度越大其波形突起也越大，因此可以根据特征波形突起程度来确定短路的程度。但是通过波形突起的程度来判断短路程度只能判断出一个大概情况，不好进行定量分析。通过仔细观察，发现不同短路程度下，其波形突起程度反映在特征波形图上可以用其突起所占时间的长短来判断，如图6所示。

1-正常；2-L4、L5短路；3-L2、L3短路；4-L1、L3短路

根据图6在时间上对本台机组短路程度进行分析，对于不同短路程度的特征波形，当其短路比例为6%(即L4-L5短路)时，对应的波形突起时间T1=2.07×10-5s；短路比例为12%(即L2-L3短路)时，对应的波形突起时间T2=2.53 ×10-5s；短路比例为15%(即L1-L3短路)时，波形突起时间T3=2.74×10-5s。其突起波形的时间长度T1

1-正常；2-L4、L5短路；3-L2、L3短路；4-L1、L3短路

由图7可以看出对于L1-L3短路及L4-L5短路(即在转子两级绕组开始的地方开始短路)的情况下特征波形的突起的时间起始点是同一时刻，相距特征波形开始的时刻所用时间是P，而L2-L3短路所用时间相对从绕组两级开始短路所用时间延后时长为T，这样就可以根据波形信号在绕组中传播的速度与时间来确定短路位置。但是对于不同机组绕组来说，波形信号在其中的传播速度受到的影响因素太多而无法得出一个标准值，这样可以针对不同的机组制定一个不同绕组短路时的标准图形，将特征波形与标准图形进行比对，即可确定短路点的位置。

4 结束语

RSO法是检测发电机转子绕组匝间短路的新方法，该方法可以灵敏的检测出发电机绕组是否存在匝间短路，并且得到的特征波形还可以反映出短路点的位置及其短路程度，如果可以针对某台机组制作不同绕组短路标准图及不同短路程度标准图，将特征波形与其进行比对，即可精准的判断出短路点的位置及其程度，这样RSO法对于匝间短路的早期发现及其检测可以发挥重要作用。

参考文献：

[1] 李伟清．汽轮发电机故障检查分析及预防[M]．北京：中国电力出版社，2002.

[2] 郗常骥．汽轮发电机故障实例与分析[M]．北京：中国电力出版社，2002．

[3] 沈梁伟．大型汽轮发电机故障模式分析及对策[J]．大电机技术，1998(6)：1-9.