基于重复脉冲法的转子绕组匝间短路故障诊断

凌霜寒，黄立军，米贤才，吴 进

（苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 518000）

基于重复脉冲法的转子绕组匝间短路故障诊断

凌霜寒，黄立军，米贤才，吴 进

（苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 518000）

针对发电机转子匝间短路故障的检测方法众多，但大多不够灵敏，无法实现轻微匝间短路故障的检测。介绍一种方便快捷、灵敏度高的匝间短路检测技术—RSO试验方法，说明了其基本工作原理及优点，对某660 MW火电机组在交流阻抗试验初步判断转子存在匝间绝缘缺陷的情况下，利用RSO试验方法成功实现了故障诊断及定位，并通过内窥镜检查验证了判断结果。

转子绕组；匝间短路；RSO试验方法；故障诊断

0 引言

发电机转子匝间短路是较为常见且存在重大隐患的一种故障，绕组匝间短路会导致发电机的励磁电流升高、无功功率相对下降、转子振动增大；严重时会引起转子一点甚至两点接地故障，使得大轴磁化，甚至可能损坏轴颈和轴瓦。在已投运的大型发电机组中，发生转子绕组匝间短路故障占故障总数的比重较大，故障发生频率达到

11.46 %[1]。

引起故障主要原因有：线匝绝缘劣化，转子绕组端部热变形，线圈端部垫块的松动或者护环绝缘衬垫的老化，导电微粒进入绕组端部或通风沟，油污等。转子绕组匝间短路的检测方法较多，大多存在灵敏度不高、不易实施、不可定位故障点等不足[2]。

RSO（重复脉冲示波器法）试验在检测发电机转子绕组匝间短路故障方面具有准确灵敏、易于实施、可以进行故障定位等优点。本文对不同的发电机转子绕组匝间故障诊断技术进行了介绍，重点阐述了RSO试验方法基本原理，并结合在某火电机组上的应用，对该试验方法的现场实施进行了讨论。

1 转子绕组匝间短路检测技术比较[2，3]

国内外研究机构在转子绕组匝间短路故障检测领域做了大量研究工作，提出了一些分析方法，具有一定的理论意义和实用价值的研究成果。常见的转子绕组匝间短路检测方法的技术特点对比如表1所示。

表1 转子绕组匝间短路检测方法技术特点比较

从表1可以看出，RSO方法具有灵敏度较高，易于实施，并能实现故障定位等技术特点。

2 RSO试验方法

2.1 故障判断原理

RSO试验方法是英国专家J.W.Wood基于波过程理论提出的发电机转子绕组匝间短路故障诊断技术。

从绕组的两端分别注入完全相同的低压脉冲波，如果绕组正常，低压脉冲波在绕组中的传播过程对称，绕组两端的响应波形也相同。如果绕组存在绝缘故障，低压脉冲波沿绕组传播到绝缘故障点的时候会产生反射波和折射波，导致绕组两端的响应波形不一致。将绕组两端的响应波形相减，得到的相减波就会在特定位置呈现突起或下陷，且其幅度与故障点的绝缘缺陷严重程度有密切联系[4]。如图1所示，注入的低压脉冲波u1在波阻为Z1的线路传播到故障点A时，线路的均匀性改变，设其等效波阻为Z2，则故障点A的电压反射系数为[5]：

电压折射系数为：

图1 Z1＞Z2时波的折反射

RSO试验方法存在一个局限：当故障点位于转子绕组中心位置时，响应波形一致，此时无法判断是否存在绝缘缺陷。

2.2 故障定位

假设脉冲波从A端到B端所用时间是T，从A端到故障点所用时间为T1，而整个绕组的长度为XR，则可知故障点距离A端的长度为X=（T1/ T）×XR，定位示意见图2。实际可以根据示波器上的相减波形中尖峰突起（正负均可）的时间来推出故障在第几个线圈。由试验可以得知脉冲波在转子绕组上的传播速度大约为1.11×108m/s，大约为光速的1/3，因此，根据转子绕组的长度可以得知在绕组中的传播时间T，示波器上相减波的尖峰突起时间是2倍T1时间，这样，就可以得出故障点的位置[6]。

图2 故障定位示意

3 应用案例

3.1 机组转子

发电机转子绕组采用含银铜线制成，通过转子引线、导电杆及导电螺钉与集电环相连接。转子有2个磁极，每极有16个槽，槽内有8个串联线圈，转子两极之间是由绕线从端部串连接形成。其绕组接线见图3。

图3 转子绕组接线

RSO试验的连接方式如图4所示。试验仪器通过转子滑环或旋转整流器上的导电螺母连接到转子，不需要额外安装装置。

图4 典型RSO试验连接方式

3.2 交流阻抗试验

交流阻抗试验的数据如表2所示，试验条件：JLZ-2004交流阻抗测试仪，膛内抽转子前，环境温度10℃，相对湿度97%，3 000 r/min，220 V测试电压。出厂试验交流阻抗4.191 Ω。

表2 交流阻抗试验数据

根据试验数据绘制出阻抗-转速曲线（见图5），从图5中可以看到：随着转速的升高，阻抗存在阶跃变化，在转速从520 r/min升到1 200 r/min时，变化率达到10.5%。

图5 阻抗-转速曲线

虽然在全速状态下测得交流阻抗数据为4.09 Ω，相比于出厂试验数据的变化率为2.41%，远没有达到10%的警戒值。但是伴随着升速过程，交流阻抗-转速曲线存在阶跃变化，且变化率超过10%，初步判断转子匝间绝缘可能存在缺陷。

由于交流阻抗试验测试对轻微的匝间短路故障结果准确性不高，测试结果除受到转子槽楔与槽壁接触的紧密程度的影响之外，还受到转子本体剩磁、试验电源的幅值、频率、谐波分量等多种因素影响，需要进一步验证。

3.3 RSO试验

由于不具备在旋转状态下进行测试的条件，某些匝间绝缘缺陷的表现可能和转子旋转时有差别，当转子处于特定的角度时故障缺陷甚至可能会被隐蔽，所以应在发电机出现转子不同角度位置上进行多次测试，以避免故障缺陷的检测盲区。依次在0°，90°，180°和270°位置测试，记录相应的响应波形曲线与相减波测试波形。首先进行传播时间测量，记录相关波形数据。测试波形如图6、图7所示。

图6 传播时间测试

图7 重叠波与相减波测试波形（270°测试结果）

RSO试验结果表明，相减波波形存在一定突起（最大幅值约为200 mV），且在不同角度下测量时突起均存在，波形具有明显差别，分析认为这是因为转子匝间绝缘存在程度轻微的不稳定绝缘缺陷，不同角度下缺陷对波阻的影响有所差异。

取转子处于270°位置时的数据（如图7）进行故障定位，该机组的脉冲相减波突起点在0.7 μs处（180°），脉冲波传播速度取1.11×108m/s，由此可以计算出转子匝间绝缘缺陷的位置大致在靠励侧的第2个线圈上。

3.4 内窥镜检查

如图8所示，使用内窥镜对转子内部进行检查，发现转子励侧端部护环处转子匝间绝缘外观存在缺陷。包括存在长毛刺、绝缘垫片边缘不整齐有油污、线棒表面积有粉尘等现象。从内窥镜的检查结果来看，属于轻度的匝间绝缘缺陷，验证RSO的测试结论是可信的。

图8 内窥镜检查

4 结语

RSO试验方法是非破坏性的试验，易于操作，灵敏度高，并且可以实现故障定位。同时，RSO试验方法灵敏，对于发现发电机转子绝缘早期故障，避免故障继续发展具有重要意义。

基于RSO检测方法的技术特点，为更准确地获得发电机转子绝缘状态的实际数据，在应用RSO方法对发电机转子匝间绝缘进行检测时应关注以下问题：

（1）由于匝间短路故障的状态可能不稳定，RSO试验应在转子处于低速旋转状态和静止下分别进行，并加以比对，如果不具备在低速旋转状态下进行测试的条件，需要对转子进行盘车，在不同角度进行检测。

（2）不同机组的转子绕组对注入信号的响应可能有略微差别，应针对特定的机组进行长期的跟踪试验，建立历史数据库以纵向比对。

（3）在建立历史数据库的同时，可以人工模拟匝间短路故障，以不同的短路电阻在不同线圈位置模拟匝间短路，记录相关波形作为参考资料。

（4）避免在转子高速旋转情况下进行RSO试验。由脏污、异物导致的轻微故障，可结合RSO的故障定位结果和内窥镜确认引起故障的原因。

[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]GREG C，STONE.旋转电机的绝缘——设计、评估、老化、试验、修理[M].北京：中国电力出版社，2011.

[3]李永刚.发电机转子绕组匝间短路故障特性分析与识别[M].北京：中国电力出版社，2009.

[4]范天明.基于重复脉冲法的汽轮发电机转子绕组匝间短路探测[D].北京：华北电力大学，2007.

[5]WOOD J W.Rotorwinding short detection[J]．IEE Proceedings，1986∶181-189．

[6]向成.大型发电机转子绕组RSO试验分析和探讨[J].大电机技术，2008（1）∶16-17.

（本文编辑：徐 晗）

Diagnosis of Inter-turn Short Circuit Fault of Rotor Winding Based on Recurrent Surge Oscilloscope

LING Shuanghai，HUANG Lijun，MI Xiancai，WU Jin

（Suzhou Nuclear Power Research Institute，Suzhou Jiangsu 518000，China）

The detection methods for inter-turn short circuit fault of generator rotor are various,but most of them are not sensitive enough to detect small inter-turn short circuit faults.The paper introduces a convenient and sensitive method for inter-turn short circuit faults detection，namely the RSO technique，and it also introduces the operating principle and advantages.In an electrochemical impedance spectroscopy（EIS）test of 660 MW thermal power generating units，it is preliminarily determined that there is inter-turn insulation fault in the rotor；by using RSO test method，the fault is diagnosed and located，and the diagnosis result is verified through endoscope examination.

rotor winding；inter-turn short circuit；RSO technique；fault diagnosis

TM774

B

1007-1881（2016）08-0042-04

2016-06-21

凌霜寒（1986），男，工程师，从事电气设备预防性试验相关工作。