大型水轮发电机转子匝间短路在线监测研究

邓方雄，杨 东，刘 敏，贾兴易，阎 明

（1.国电大渡河大岗山水电开发有限公司，四川雅安 625000；2.成都英孚德科贸有限公司，四川成都 610213）

1 背景描述

水轮发电机转子绕组通常是可靠的，但绕组的匝间绝缘最终会因热老化、负荷循环以及污染等原因逐步劣化而受损。虽然匝间短路不会直接导致电机跳闸，但可以引起轴振动增大，进而影响功率输出。以前离线试验方法可以探测转子绕组匝间短路，但是需要停机，另外静止状态下的某些短路点在转子旋转起来以后可能就消失了，反之亦然。以前的在线监测方案，由于测试时需要专业工具和有经验的专家分析来改变电机负荷以避开主磁通对测试数据的扭曲影响，测试程序复杂，不利于用户自行掌握。

2 现有技术

转子匝间短路一般采用离线探测或人工图谱识别的方法，最常用是进行磁极压降试验。该方法需要一个交流电源在电动机停机时施加到正、负滑环之间，人工测量各极之间的电压，有短路匝的磁极读数将显示比各读数的平均值偏小。

（1）RSO（Repetitive Surge Oscillograph，重复脉冲试验法）：发电机停止或空转测量，励磁系统在断开状态。在转子正、负两极施加一个高频低压的脉冲信号，同时用示波器观察输出响应信号，由于转子绕组分布的对称性，正常情况下正负两极的脉冲响应信号应该完全一致，反映在波形图上即两条相应曲线应当完全重合，其相减波为一条直线。一旦不能完全重合、相减波出现凸起，就说明转子绕组绝缘存在异常。

（2）传统的在线监测方式：在发电机处于不同的负荷下，通过安装在定子铁心上的磁通探头，对旋转经过磁通探头的各磁极感应的漏磁通信号进行测量，在总磁通密度的过零点位置检测由于匝间短路而造成的漏磁通的大小。该方法需要在不同的负载条件下对不同磁极的漏磁通进行人工量测、比对，才可以确定是否有匝间短路现象及定位短路匝所在的槽。

现有的离线探测法和在线监测方案有5 个明显不足：①离线检测只能在电机停机时进行试验；②试验费时，特别是大型转子的极数非常多；③由于转子是静止的，没有离心力的作用时某些在运行状态下才能显现的短路故障就可能检测不出来，一些停机情况下的短路故障在运行中也可能检测不出来；④RSO 方案需要专家对故障进行判断，对经验要求较高；⑤在线监测方案需要排除主磁通的干扰，所以需要调整负荷测量，现场操作难度大。

3 系统技术方案

3.1 设计原理及特点

本系统采用Guard ⅡFLUX-S 模块化匝间短路在线监测仪和全磁通探测法，在线检测匝间短路。其工作原理为：全磁通探头安装在电机定子铁心上，实时探测转子匝间的相关信息，包括电机运行的主磁通和每一磁极通过磁通探头的感应漏磁通。每磁极内的漏磁通与该磁极的有效匝数是相关的，匝间短路将会导致特定级的漏磁通降低。将两个不同极相对应的漏磁通数据进行比对，可以发现有匝间短路的绕组所在磁极。

全磁通探头探测主磁通和漏磁通，主机通过内置运算程序将对应极的磁通量进行对比，主磁通相同的两极如果探测到的全磁通有差异，差异值则会体现为漏磁通的差异，差异超过3%时磁通较低的那一级就会被系统自动判定为存在匝间短路的故障。

该在线监测装置的优点：①无需调整负载；②不影响电机的正常工作；③没有任何风险与破坏；④快速、实时获得转子匝间短路状况分析；⑤现场可解读数据，并能直观地输出转子模拟图、标出故障点；⑥数据可记录、回放、对比，有助于验证检维修结果。

3.2 系统结构

转子磁通在线监测是将磁通探头安装于发电机定子上，用同轴电缆线将信号引到端子接线箱内，再通过电缆线连接到监测主机，键相传感器的信号也通过线缆连接到监测主机，形成监测系统。

（1）磁通探头。转子磁通监测为了判断转子磁极中是否已经发生了绕组短路，就涉及到发电机或电机气隙中的磁通测量。转子的径向磁通的监测由磁通探头实现，该探头有数十匝线圈，用胶粘在定子铁心的一个齿上。当每个磁极扫过磁通探头的时候，该线圈中感应出来的电压与正在扫过线圈的磁极磁通成正比，通过电子仪器就可以测量线圈的电压。如果在一个磁极中存在有匝间短路就减少了该极的有效安匝数，而从磁通探头得到的信号就与该磁通相关联。

（2）端子箱。用于引出磁通探头信号线的端子箱，同时可以将磁通信号有效传递给具有分析功能的磁通监测仪Guard ⅡFLUX-S。

（3）磁通监测仪及其软件。磁通探头采集到的信号并不能直接指示出匝间短路情况，因为还有影响磁通的其他因素，如磁极与定子之间的距离变化等。因此，Guard II FLUX-S 配合高分辨率的磁通探头，可以得出数字化的电压信号。除接收磁通探头信号的一个输入口外，该仪器还有一个轴同步传感器的输入口，配合在线磁通监测软件，将对应极或相邻极磁通探头测磁通量自动做对比，并以数据列表或图形的方式呈现出来，故障部位将会被自动标注出来。

4 实验案例

发电机运行于空载状态，有功和无功均为零，测出的原始信号（蓝色曲线）和未经处理的电压信号整合值（红色曲线）两者均呈对称形状（图1）。电机在不同负荷情况下信号发生了变化，原始的数据将在进一步的处理过程中被整合。

图1 电压信号图

某一稳定负荷下，如果一个磁极的磁通截面因匝间短路发生变化，与另一个磁极的比较其变化量就能够指示匝间短路。磁极与转子或定子之间在偏心率上的差异将导致原完整的圆形图产生一些变形。该电机有64 个磁极，无明显匝间短路，径向刻度是平均磁通强度，周向刻度为转子磁极编号。图2 为同一带64 个磁极的转子人为临时性在8#和48#磁极施加匝间短路的试验结果，有匝间短路的磁极可以从较低的磁通幅值上清晰地辨别出来。

图2 64 极转子极坐标图

虽然转子发生匝间短路并不会立刻导致发电机故障停机，但是转子出现单匝短路、没被及时发现并处理，可能会导致多匝短路、转子接地，使发电机故障停运。此次电厂人员借助在线磁通监测技术和装置，在不停机、不改变负载条件下多次测试，准确地检测出转子发生匝间短路及发生短路的磁极，快速确认异常振动产生的原因，避免转子绝缘进一步恶化。

5 总结

转子绕组的匝间绝缘老化可以导致匝间短路，可能造成转子的振动增大，如果有几个磁极都存在大量匝间短路，将增大电机因振动停机的可能性。探测转子匝间短路的最常用方法是离线RSO 法，但必须依赖于专家的分析和判断。而且该试验是在转子静止状态下进行的，不适用于在运行中才呈现的匝间短路。本文的方案是在定子上安装全磁通传感器，可以在线测量转子各磁极的磁通，系统将自动判读存在匝间短路故障的磁极，从而实现在正常运行中探测转子匝间短路。