鄧方雄，楊 東，劉 敏，賈興易，閻 明

（1.國(guó)電大渡河大崗山水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川雅安 625000；2.成都英孚德科貿(mào)有限公司，四川成都 610213）

1 背景描述

水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組通常是可靠的，但繞組的匝間絕緣最終會(huì)因熱老化、負(fù)荷循環(huán)以及污染等原因逐步劣化而受損。雖然匝間短路不會(huì)直接導(dǎo)致電機(jī)跳閘，但可以引起軸振動(dòng)增大，進(jìn)而影響功率輸出。以前離線試驗(yàn)方法可以探測(cè)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路，但是需要停機(jī)，另外靜止?fàn)顟B(tài)下的某些短路點(diǎn)在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來(lái)以后可能就消失了，反之亦然。以前的在線監(jiān)測(cè)方案，由于測(cè)試時(shí)需要專(zhuān)業(yè)工具和有經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)家分析來(lái)改變電機(jī)負(fù)荷以避開(kāi)主磁通對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的扭曲影響，測(cè)試程序復(fù)雜，不利于用戶(hù)自行掌握。

2 現(xiàn)有技術(shù)

轉(zhuǎn)子匝間短路一般采用離線探測(cè)或人工圖譜識(shí)別的方法，最常用是進(jìn)行磁極壓降試驗(yàn)。該方法需要一個(gè)交流電源在電動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)施加到正、負(fù)滑環(huán)之間，人工測(cè)量各極之間的電壓，有短路匝的磁極讀數(shù)將顯示比各讀數(shù)的平均值偏小。

（1）RSO（Repetitive Surge Oscillograph，重復(fù)脈沖試驗(yàn)法）：發(fā)電機(jī)停止或空轉(zhuǎn)測(cè)量，勵(lì)磁系統(tǒng)在斷開(kāi)狀態(tài)。在轉(zhuǎn)子正、負(fù)兩極施加一個(gè)高頻低壓的脈沖信號(hào)，同時(shí)用示波器觀察輸出響應(yīng)信號(hào)，由于轉(zhuǎn)子繞組分布的對(duì)稱(chēng)性，正常情況下正負(fù)兩極的脈沖響應(yīng)信號(hào)應(yīng)該完全一致，反映在波形圖上即兩條相應(yīng)曲線應(yīng)當(dāng)完全重合，其相減波為一條直線。一旦不能完全重合、相減波出現(xiàn)凸起，就說(shuō)明轉(zhuǎn)子繞組絕緣存在異常。

（2）傳統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)方式：在發(fā)電機(jī)處于不同的負(fù)荷下，通過(guò)安裝在定子鐵心上的磁通探頭，對(duì)旋轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)磁通探頭的各磁極感應(yīng)的漏磁通信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，在總磁通密度的過(guò)零點(diǎn)位置檢測(cè)由于匝間短路而造成的漏磁通的大小。該方法需要在不同的負(fù)載條件下對(duì)不同磁極的漏磁通進(jìn)行人工量測(cè)、比對(duì)，才可以確定是否有匝間短路現(xiàn)象及定位短路匝所在的槽。

現(xiàn)有的離線探測(cè)法和在線監(jiān)測(cè)方案有5 個(gè)明顯不足：①離線檢測(cè)只能在電機(jī)停機(jī)時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)；②試驗(yàn)費(fèi)時(shí)，特別是大型轉(zhuǎn)子的極數(shù)非常多；③由于轉(zhuǎn)子是靜止的，沒(méi)有離心力的作用時(shí)某些在運(yùn)行狀態(tài)下才能顯現(xiàn)的短路故障就可能檢測(cè)不出來(lái)，一些停機(jī)情況下的短路故障在運(yùn)行中也可能檢測(cè)不出來(lái)；④RSO 方案需要專(zhuān)家對(duì)故障進(jìn)行判斷，對(duì)經(jīng)驗(yàn)要求較高；⑤在線監(jiān)測(cè)方案需要排除主磁通的干擾，所以需要調(diào)整負(fù)荷測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)操作難度大。

3 系統(tǒng)技術(shù)方案

3.1 設(shè)計(jì)原理及特點(diǎn)

本系統(tǒng)采用Guard ⅡFLUX-S 模塊化匝間短路在線監(jiān)測(cè)儀和全磁通探測(cè)法，在線檢測(cè)匝間短路。其工作原理為：全磁通探頭安裝在電機(jī)定子鐵心上，實(shí)時(shí)探測(cè)轉(zhuǎn)子匝間的相關(guān)信息，包括電機(jī)運(yùn)行的主磁通和每一磁極通過(guò)磁通探頭的感應(yīng)漏磁通。每磁極內(nèi)的漏磁通與該磁極的有效匝數(shù)是相關(guān)的，匝間短路將會(huì)導(dǎo)致特定級(jí)的漏磁通降低。將兩個(gè)不同極相對(duì)應(yīng)的漏磁通數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，可以發(fā)現(xiàn)有匝間短路的繞組所在磁極。

全磁通探頭探測(cè)主磁通和漏磁通，主機(jī)通過(guò)內(nèi)置運(yùn)算程序?qū)?duì)應(yīng)極的磁通量進(jìn)行對(duì)比，主磁通相同的兩極如果探測(cè)到的全磁通有差異，差異值則會(huì)體現(xiàn)為漏磁通的差異，差異超過(guò)3%時(shí)磁通較低的那一級(jí)就會(huì)被系統(tǒng)自動(dòng)判定為存在匝間短路的故障。

該在線監(jiān)測(cè)裝置的優(yōu)點(diǎn)：①無(wú)需調(diào)整負(fù)載；②不影響電機(jī)的正常工作；③沒(méi)有任何風(fēng)險(xiǎn)與破壞；④快速、實(shí)時(shí)獲得轉(zhuǎn)子匝間短路狀況分析；⑤現(xiàn)場(chǎng)可解讀數(shù)據(jù)，并能直觀地輸出轉(zhuǎn)子模擬圖、標(biāo)出故障點(diǎn)；⑥數(shù)據(jù)可記錄、回放、對(duì)比，有助于驗(yàn)證檢維修結(jié)果。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子磁通在線監(jiān)測(cè)是將磁通探頭安裝于發(fā)電機(jī)定子上，用同軸電纜線將信號(hào)引到端子接線箱內(nèi)，再通過(guò)電纜線連接到監(jiān)測(cè)主機(jī)，鍵相傳感器的信號(hào)也通過(guò)線纜連接到監(jiān)測(cè)主機(jī)，形成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

（1）磁通探頭。轉(zhuǎn)子磁通監(jiān)測(cè)為了判斷轉(zhuǎn)子磁極中是否已經(jīng)發(fā)生了繞組短路，就涉及到發(fā)電機(jī)或電機(jī)氣隙中的磁通測(cè)量。轉(zhuǎn)子的徑向磁通的監(jiān)測(cè)由磁通探頭實(shí)現(xiàn)，該探頭有數(shù)十匝線圈，用膠粘在定子鐵心的一個(gè)齒上。當(dāng)每個(gè)磁極掃過(guò)磁通探頭的時(shí)候，該線圈中感應(yīng)出來(lái)的電壓與正在掃過(guò)線圈的磁極磁通成正比，通過(guò)電子儀器就可以測(cè)量線圈的電壓。如果在一個(gè)磁極中存在有匝間短路就減少了該極的有效安匝數(shù)，而從磁通探頭得到的信號(hào)就與該磁通相關(guān)聯(lián)。

（2）端子箱。用于引出磁通探頭信號(hào)線的端子箱，同時(shí)可以將磁通信號(hào)有效傳遞給具有分析功能的磁通監(jiān)測(cè)儀Guard ⅡFLUX-S。

（3）磁通監(jiān)測(cè)儀及其軟件。磁通探頭采集到的信號(hào)并不能直接指示出匝間短路情況，因?yàn)檫€有影響磁通的其他因素，如磁極與定子之間的距離變化等。因此，Guard II FLUX-S 配合高分辨率的磁通探頭，可以得出數(shù)字化的電壓信號(hào)。除接收磁通探頭信號(hào)的一個(gè)輸入口外，該儀器還有一個(gè)軸同步傳感器的輸入口，配合在線磁通監(jiān)測(cè)軟件，將對(duì)應(yīng)極或相鄰極磁通探頭測(cè)磁通量自動(dòng)做對(duì)比，并以數(shù)據(jù)列表或圖形的方式呈現(xiàn)出來(lái)，故障部位將會(huì)被自動(dòng)標(biāo)注出來(lái)。

4 實(shí)驗(yàn)案例

發(fā)電機(jī)運(yùn)行于空載狀態(tài)，有功和無(wú)功均為零，測(cè)出的原始信號(hào)（藍(lán)色曲線）和未經(jīng)處理的電壓信號(hào)整合值（紅色曲線）兩者均呈對(duì)稱(chēng)形狀（圖1）。電機(jī)在不同負(fù)荷情況下信號(hào)發(fā)生了變化，原始的數(shù)據(jù)將在進(jìn)一步的處理過(guò)程中被整合。

圖1 電壓信號(hào)圖

某一穩(wěn)定負(fù)荷下，如果一個(gè)磁極的磁通截面因匝間短路發(fā)生變化，與另一個(gè)磁極的比較其變化量就能夠指示匝間短路。磁極與轉(zhuǎn)子或定子之間在偏心率上的差異將導(dǎo)致原完整的圓形圖產(chǎn)生一些變形。該電機(jī)有64 個(gè)磁極，無(wú)明顯匝間短路，徑向刻度是平均磁通強(qiáng)度，周向刻度為轉(zhuǎn)子磁極編號(hào)。圖2 為同一帶64 個(gè)磁極的轉(zhuǎn)子人為臨時(shí)性在8#和48#磁極施加匝間短路的試驗(yàn)結(jié)果，有匝間短路的磁極可以從較低的磁通幅值上清晰地辨別出來(lái)。

圖2 64 極轉(zhuǎn)子極坐標(biāo)圖

雖然轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路并不會(huì)立刻導(dǎo)致發(fā)電機(jī)故障停機(jī)，但是轉(zhuǎn)子出現(xiàn)單匝短路、沒(méi)被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，可能會(huì)導(dǎo)致多匝短路、轉(zhuǎn)子接地，使發(fā)電機(jī)故障停運(yùn)。此次電廠人員借助在線磁通監(jiān)測(cè)技術(shù)和裝置，在不停機(jī)、不改變負(fù)載條件下多次測(cè)試，準(zhǔn)確地檢測(cè)出轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路及發(fā)生短路的磁極，快速確認(rèn)異常振動(dòng)產(chǎn)生的原因，避免轉(zhuǎn)子絕緣進(jìn)一步惡化。

5 總結(jié)

轉(zhuǎn)子繞組的匝間絕緣老化可以導(dǎo)致匝間短路，可能造成轉(zhuǎn)子的振動(dòng)增大，如果有幾個(gè)磁極都存在大量匝間短路，將增大電機(jī)因振動(dòng)停機(jī)的可能性。探測(cè)轉(zhuǎn)子匝間短路的最常用方法是離線RSO 法，但必須依賴(lài)于專(zhuān)家的分析和判斷。而且該試驗(yàn)是在轉(zhuǎn)子靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行的，不適用于在運(yùn)行中才呈現(xiàn)的匝間短路。本文的方案是在定子上安裝全磁通傳感器，可以在線測(cè)量轉(zhuǎn)子各磁極的磁通，系統(tǒng)將自動(dòng)判讀存在匝間短路故障的磁極，從而實(shí)現(xiàn)在正常運(yùn)行中探測(cè)轉(zhuǎn)子匝間短路。