張 利，孫士濤，王曉軍，張 婷，邵衛(wèi)超，張 杰，雷 雨，劉柏延

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司北京十三陵蓄能電廠，北京市 100037；2.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京市 100045）

0 引言

抽水蓄能電站在電網(wǎng)中承擔(dān)著峰谷調(diào)節(jié)的重要作用，發(fā)電電動(dòng)機(jī)目前廣泛應(yīng)用于抽水蓄能機(jī)組。發(fā)電電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子為顯極式的磁極結(jié)構(gòu)，繞組匝數(shù)較多，匝間絕緣多為很薄的絕緣墊片，由于機(jī)組啟停頻繁、采用空氣間接冷卻、運(yùn)行中巨大的離心力等因素，匝間短路故障發(fā)生頻次較高。雖然輕微的轉(zhuǎn)子匝間短路并不意味著機(jī)組無(wú)法運(yùn)行，但如果繼續(xù)發(fā)展會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動(dòng)增大、無(wú)功降低，甚至?xí)l(fā)轉(zhuǎn)子接地導(dǎo)致停機(jī)[1]。

目前，在水輪機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路的診斷上，有采用磁通探測(cè)線圈[2]的在線監(jiān)測(cè)方法，但該方法的診斷靈敏度容易受到機(jī)組有功、無(wú)功負(fù)荷的影響，并不能完全替代離線試驗(yàn)手段，而目前主要的離線診斷手段是磁極的交流阻抗測(cè)試[3]，但該試驗(yàn)一般只能在機(jī)組拆除機(jī)蓋或吊出轉(zhuǎn)子后進(jìn)行，不能做到隨停隨檢，在機(jī)坑內(nèi)進(jìn)行還會(huì)受到定子磁路的影響，診斷靈敏度比較低。近年來(lái)，重復(fù)脈沖法（以下簡(jiǎn)稱RSO法）[4]在汽輪發(fā)電機(jī)等隱極式轉(zhuǎn)子上應(yīng)用較為廣泛，診斷效果明顯，已經(jīng)列入相關(guān)的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5]。由于RSO法屬于一種轉(zhuǎn)子繞組整體進(jìn)行而非單個(gè)磁極分別進(jìn)行測(cè)試的方法，若其能夠應(yīng)用至發(fā)電電動(dòng)機(jī)，那么，結(jié)合抽水蓄能機(jī)組啟停靈活的特點(diǎn)和該方法測(cè)試快速簡(jiǎn)捷的優(yōu)勢(shì)，可以根據(jù)需要做到轉(zhuǎn)子匝間短路的隨停隨檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷并進(jìn)行處理，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。但顯極式轉(zhuǎn)子與隱極式轉(zhuǎn)子在結(jié)構(gòu)上差別較大，RSO法在抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用甚少，其適用性以及診斷效果尚缺少深入的研究。

本文嘗試采用RSO法進(jìn)行發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路診斷，通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建和真實(shí)機(jī)組上的測(cè)試，對(duì)該方法的適用性和關(guān)鍵因素進(jìn)行了研究。

1 RSO法

RSO法屬于一種時(shí)域脈沖反射方法，如圖1所示，其基本原理是將一對(duì)完全一致的具有快速上升邊沿的脈沖電壓注入轉(zhuǎn)子繞組兩極和地（軸）之間，通過(guò)對(duì)比兩極的響應(yīng)波形來(lái)判斷轉(zhuǎn)子有無(wú)匝間短路。如果轉(zhuǎn)子繞組沒(méi)有匝間短路，由于正負(fù)極繞組的高度對(duì)稱性，兩極電壓響應(yīng)是完全相同的。如果存在匝間短路，破壞了兩極繞組的阻抗對(duì)稱性，則兩極電壓響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)差異。對(duì)于應(yīng)用較多的隱極同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，重復(fù)脈沖的形式有雙指數(shù)波、方波等形式，激勵(lì)脈沖頂值一般在10V左右。

圖1 RSO法測(cè)試示意圖Figure 1 Test sketch map of RSO

發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組雖然由多個(gè)分立的磁極組成，但各個(gè)磁極從結(jié)構(gòu)和參數(shù)上都是高度一致的[6]，因此，從轉(zhuǎn)子繞組首末兩端看，無(wú)論其極數(shù)是多少，其也應(yīng)是高度對(duì)稱的。因此，從原理上來(lái)說(shuō)，重復(fù)脈沖法對(duì)于發(fā)電電動(dòng)機(jī)也同樣適用。但是，由于顯極式轉(zhuǎn)子的極數(shù)、繞組匝數(shù)更多，繞組的長(zhǎng)度更長(zhǎng)，RSO法的脈沖形式和參數(shù)需要進(jìn)一步考慮。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

基于重復(fù)脈沖法的基本原理，本文采用方波重復(fù)脈沖，搭建通用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并結(jié)合發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組特點(diǎn)確定平臺(tái)參數(shù)。該平臺(tái)由信號(hào)發(fā)生裝置、功率放大裝置、可調(diào)電阻、采集裝置組成。

信號(hào)發(fā)生裝置采用通用的信號(hào)發(fā)生器，能夠輸出標(biāo)準(zhǔn)方波脈沖，要求具備兩通道輸出同相位功能，保證兩路輸出盡量在同一時(shí)刻觸發(fā)，這是重復(fù)脈沖法的基本要求。另外，方波脈寬、占空比、幅值、直流偏置應(yīng)可調(diào)，保證脈沖的激勵(lì)與負(fù)載相匹配。

發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和尺寸對(duì)重復(fù)脈沖的能量提出更高的要求，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的方波幅值有限，一般最大為±5V，且?guī)лd能力有限，因此需要采用功率放大裝置對(duì)其進(jìn)行放大。功放要求為兩路，且應(yīng)滿足以下要求：

（1）可調(diào)而且足夠大的增益，以便研究不同脈沖幅值下的故障診斷效果。

（2）足夠的帶寬，防止對(duì)高頻上升沿的大幅衰減，導(dǎo)致功放次級(jí)輸出激勵(lì)信號(hào)的帶寬下降，影響診斷效果。

（3）足夠的容量，因?yàn)榧?lì)脈沖幅值越高，負(fù)載脈沖電流有效值也越高。

（4）功放輸入阻抗要與信號(hào)發(fā)生器輸出阻抗相匹配，否則會(huì)導(dǎo)致輸出電壓產(chǎn)生誤差。

功率放大器對(duì)信號(hào)發(fā)生器的輸入信號(hào)放大后，對(duì)外是一種低阻輸出，目的是提高負(fù)載電壓，因此，需要可調(diào)電阻實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)阻與繞組負(fù)載阻抗的匹配，最大限度地增強(qiáng)故障信號(hào)。本文選取0～2kΩ可調(diào)電阻。

采集裝置采用具備20M/S的采樣率和16位的采集精度的錄波儀，保證微小的故障差值能夠有效識(shí)別，減小采樣的背景噪聲。另外，采樣裝置的量程要滿足高幅值電壓的測(cè)量需要，并具備合理的自動(dòng)觸發(fā)模式。由于重復(fù)脈沖法的原理為兩路信號(hào)作差，采集裝置最好還要具備通道作差功能，以便直觀地觀察故障特征。

本文搭建的試驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示。

圖2 平臺(tái)組成與接線Figure 2 Platform’s composition and wiring

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析

本文利用上述試驗(yàn)平臺(tái)在北京十三陵抽水蓄能電廠2號(hào)發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上進(jìn)行測(cè)試。該機(jī)組容量為200MW，轉(zhuǎn)子有12個(gè)磁極，每個(gè)磁極有29匝線圈。由于該轉(zhuǎn)子磁極為返廠后的新磁極，因此，其本身的絕緣狀態(tài)是良好的，不存在任何形式的匝間短路或接地，通過(guò)在繞組上人為模擬各種類型和位置的匝間短路故障點(diǎn)，可以得到比較細(xì)致的真實(shí)故障數(shù)據(jù)。

3.1 繞組中波的傳播特性測(cè)試

在轉(zhuǎn)子繞組末端開(kāi)路時(shí)，首端施加1kHz，占空比50%，0～8V的低幅值方波信號(hào)（無(wú)需功放放大），首端內(nèi)阻R=0，轉(zhuǎn)子首末兩端的電壓波形如圖3所示，其中，ChC1為首端電壓波形，ChC2為末端電壓波形，縱坐標(biāo)為電壓，橫坐標(biāo)為時(shí)間（圖4～圖8圖示與此相同）。可見(jiàn)，負(fù)載波形直接階躍至8V，且上升沿出現(xiàn)振蕩，說(shuō)明內(nèi)阻的存在是必需的，內(nèi)阻為零會(huì)導(dǎo)致負(fù)載分壓直接等于空載輸出電壓，將觀察不到故障點(diǎn)導(dǎo)致的負(fù)載分壓的差異。另外，末端波形與首端波形起始處相比存在一定延時(shí)，可以認(rèn)為是方波脈沖在繞組中傳播的時(shí)間。

圖3 末端開(kāi)路，R=0時(shí)的測(cè)試波形Figure 3 Test waveform at R=0Ω with open end

末端開(kāi)路，調(diào)節(jié)首端R=1270Ω，此時(shí)內(nèi)阻過(guò)大，負(fù)載分壓很小，半周期內(nèi)脈沖難以達(dá)到穩(wěn)態(tài)又進(jìn)入下一個(gè)半周期，如圖4所示，說(shuō)明內(nèi)阻過(guò)大會(huì)導(dǎo)致負(fù)載分壓及暫態(tài)過(guò)程延長(zhǎng)，同樣會(huì)影響故障診斷效果。

圖4 末端開(kāi)路，R=1270Ω時(shí)的測(cè)試波形Figure 4 Test waveform at R=1270Ω with open end

末端短路，首端R=200Ω時(shí)的波形如圖5所示。此時(shí)首端能觀察到明顯的末端反射，該反射使得輸入電壓出現(xiàn)跌落，證明轉(zhuǎn)子繞組對(duì)于具有高頻分量的脈沖波呈現(xiàn)傳輸線特性[7]。

圖5 末端短路，R=200Ω時(shí)的測(cè)試波形Figure 5 Test waveform at R=200Ω with short-circuit end

在末端并接電阻，調(diào)節(jié)末端電阻值，使得首端波形平滑上升至穩(wěn)態(tài)直流值，此時(shí)末端反射回波效應(yīng)基本消失，證明末端電阻與繞組阻抗達(dá)到匹配，得到匹配電阻約為475Ω，如圖6所示。

圖6 雙端匹配后單端測(cè)試波形Figure 6 Single - end test waveform when double-end matched

3.2 故障模擬與RSO法測(cè)試

首先，調(diào)節(jié)兩端內(nèi)阻為匹配值，提高方波脈沖的幅值進(jìn)行正常繞組的測(cè)試，得到繞組無(wú)故障狀態(tài)下的典型RSO波形如圖7所示，脈沖幅值為40V?？梢?jiàn)，無(wú)故障狀態(tài)且阻抗匹配時(shí)，繞組兩端的負(fù)載電壓波形基本重合，且上升邊沿平穩(wěn)過(guò)渡至直流穩(wěn)態(tài)，無(wú)明顯過(guò)沖或跌落等反射現(xiàn)象，符合前述匹配規(guī)律。

圖7 雙端匹配后正常繞組RSO測(cè)試波形Figure 7 RSO test waveform of normal winding when double-end matched

通過(guò)各磁極人為模擬匝間短路，得到了繞組匝間短路時(shí)的故障響應(yīng)，其中典型故障波形如圖8所示。此時(shí)整體波形還是符合匹配規(guī)律，但在負(fù)載波形的上升階段，兩端響應(yīng)局部出現(xiàn)差異，不再重合，如圖8中虛線圓形標(biāo)記所示。

將各磁極末端匝（28匝與29匝）分別短路時(shí)測(cè)得的兩端差值波形匯總在圖9，波形0時(shí)刻對(duì)應(yīng)于圖8中方波脈沖起始時(shí)刻，各極故障時(shí)的差值峰值大小和出現(xiàn)時(shí)刻匯總在表1。

圖8 典型故障波形Figure 8 Typical fault waveform

作為對(duì)比，信號(hào)發(fā)生器輸出脈沖調(diào)整為±2.5V、±3V（未加偏置），不經(jīng)功放放大，直接注入轉(zhuǎn)子繞組兩端，進(jìn)行低幅值脈沖下的故障響應(yīng)測(cè)試，結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，采用5V峰峰值的方波激勵(lì)時(shí)，第2極28匝發(fā)生匝間短路時(shí)，故障差值為0.13V，十分微弱，而采用6V峰峰值的方波激勵(lì)時(shí)，第6極28匝發(fā)生匝間短路時(shí)，由于故障位置離測(cè)試端口更遠(yuǎn)，故障點(diǎn)引起的差值衰減嚴(yán)重，此時(shí)與正常繞組的響應(yīng)波形一樣已不存在明顯的故障差值，說(shuō)明采用低幅值的脈沖激勵(lì)的診斷靈敏度較差，甚至無(wú)法有效檢出遠(yuǎn)端故障。對(duì)比表1和圖9，對(duì)于第2極28匝故障以及第6極28匝故障，提高脈沖幅值至40V后，故障特征差值提高至1.29V及0.4V，對(duì)于第6極故障，進(jìn)一步提高脈沖幅值至73.5V，故障特征差值提高至0.59V?？梢?jiàn)，提高激勵(lì)脈沖幅值能夠有效增強(qiáng)故障特征，增大故障診斷靈敏度，尤其是對(duì)于遠(yuǎn)端故障，可以診斷出低幅值下無(wú)法檢出的故障。由于對(duì)12極的轉(zhuǎn)子繞組，第6極28匝位于繞組中心，發(fā)生一匝的匝間短路時(shí)產(chǎn)生的故障特征是最微弱的，此時(shí)診斷靈敏度已經(jīng)能夠保證，對(duì)于其他位置和更多匝數(shù)的匝間短路同樣能夠診斷。

圖9 各極故障差值Figure 9 Fault difference of each pole

圖10 低幅值脈沖下的故障波形Figure 10 Fault waveform under low-amplitude pulse

表1 不同磁極的故障特征數(shù)據(jù)Table 1 Fault characteristic data of different magnetic poles

從不同磁極位置的故障特征峰值時(shí)刻來(lái)看，隨著故障點(diǎn)越來(lái)越遠(yuǎn)離測(cè)試端，故障峰值出現(xiàn)的時(shí)刻也越來(lái)越晚，基本成比例增加，說(shuō)明注入脈沖在繞組中的傳播速度近似為恒定值，因此，可以采用行波原理進(jìn)行故障的初步定位[8]，如式（1）所示，其中tn可以根據(jù)圖3中繞組首末端波形的延時(shí)得到，所謂近端指的是負(fù)載響應(yīng)波形中出現(xiàn)差值的部分中電壓較低的一端，如圖8中ChC2端，這是由于故障點(diǎn)的反射信號(hào)會(huì)導(dǎo)致更近的一端電壓波形率先出現(xiàn)跌落。

式中：Lf——故障點(diǎn)距近端端口的距離，m；

tf——故障差值峰值時(shí)刻，s；

tn——波在整個(gè)繞組中的傳播時(shí)間，s；

Ln——繞組長(zhǎng)度，m。

根據(jù)圖9，不同磁極繞組發(fā)生匝間短路時(shí)，同樣的故障程度下，故障差值的大小隨故障點(diǎn)位置衰減非常明顯，因此，不能用一個(gè)統(tǒng)一的故障差值判據(jù)來(lái)對(duì)相同的故障嚴(yán)重程度做出判定，診斷時(shí)可以結(jié)合故障點(diǎn)位置，分磁極設(shè)定故障診斷閾值。

4 結(jié)論

本文搭建了發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路RSO法通用測(cè)試平臺(tái)，并針對(duì)真實(shí)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，對(duì)重復(fù)脈沖在繞組中的傳播特性、診斷效果及適用性等進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

（1）在具有高頻分量的脈沖激勵(lì)下，發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組呈現(xiàn)傳輸線特性，存在端口反射、阻抗匹配等特征。

（2）采用高幅值的激勵(lì)脈沖能夠明顯提高RSO法的故障診斷靈敏度，增強(qiáng)波形的故障特征。

（3）RSO法通過(guò)選擇合理的脈沖形式和參數(shù)保證診斷靈敏度后，可以應(yīng)用于發(fā)電電動(dòng)機(jī)等長(zhǎng)繞組轉(zhuǎn)子，與隱極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子類似，以雙端的故障響應(yīng)差值為特征，可以對(duì)故障進(jìn)行診斷和初步定位。

另外，在實(shí)際應(yīng)用方面，高幅值的激勵(lì)形式對(duì)成型測(cè)試設(shè)備的容量、測(cè)量系統(tǒng)提出了更高的要求，需要在脈沖產(chǎn)生形式、重合度保證、帶載能力等方面做進(jìn)一步的考慮。