СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВИТКОВЫХ КЗ В ОБМОТКЕ РОТОРА
Е.Г. Глебов, В.А. Данилевич.

1.1 Традиционный метод диагностики

Для выявления витковых замыканий обмотки обычно проводятся измерения полного сопротивления обмотки ротора при питании переменным напряжением 220 В промышленной частоты при разных частотах вращения. При отсутствии витковых КЗ с изменением частоты вращения полное сопротивление ротора изменяется плавно, без скачков. Здесь важным является сопоставление полученных зависимостей с ранее снятыми при тех же условиях. Уточнение места замыкания может быть произведено измерением сопротивления между каждой парой витков в пазу с помощью щупов (при наличии вентиляционных отверстий). Данный метод связан со значительными затратами времени и сложностью применения при критических частотах вращения ротора, что представляется наиболее важным при диагностике витковых повреждений.

1.2 Метод выявления витковых КЗ с помощью датчиков магнитного поля

Как известно, магнитный поток в зазоре между ротором и статором турбогенератора можно рассматривать состоящим из основного потока (потока самоиндукции между статором иротором) и потоков рассеяния ротора и статора. Так как современные турбогенераторы характеризуются большой величиной воздушного зазора (порядка 100 мм и более), то с достаточной точностью можно пренебречь магнитной связью полей рассеяния ротора и статора. Если разместить датчик индукции в виде испытательной катушки в непосредственной близости от ротора, то при вращении ротора в датчике будет наводится ЭДС, пропорциональная основному потоку (радиальный магнитный поток) или потоку рассеяния , в основном по коронкам смежных зубцов (тангенциальный магнитный поток). ЭДС датчика прямо пропорциональна обьёму тока в пазу, и при наличии витковых КЗ в осцилограмме ЭДС будут наблюдатся пониженные значения амплитуд ЭДС датчика при прохождении паза с витковыми КЗ (рис. 1).

Рисунок 1 - Осцилограмма ЭДС, наводимой в испытательной катушке тангенциальным магнитным потоком в режиме установившегося КЗ.

Имеющийся опыт использования испытательных витков показывает, что более точные результаты могут быть получены при измерении тангенциального потока рассеяния между коронками зубцов ротора. В этом случае при наличии витковых замыканий ЭДС датчика при прохождении паза с витковым КЗ уменьшается симметрично, что позволяет более точно выявить факт и место КЗ (рис. 1). В режиме холостого хода наблюдается постепенное увеличение амплитуды ЭДС в витке; начиная с пазов, расположенных вблизи поперечной оси, максимальная ЭДС имеет место для катушки, расположенной у большого зуба (рис. 2). В условиях режима установившегося КЗ имеет место симметричный характер изменения магнитного поля рассеяния по головкам в зазоре и соответственно наводимой ЭДС.

Рисунок 2 - Изменение магнитного потока (а) и ЭДС (б) в испытательной катушке тангенциальным магнитным потоком ротора в режиме холостого хода.

При нагрузке результирующий магнитный поток статора и ротора несимметричен относительно осей симметрии ротора. Однако пазы, расположенные диаметрально друг относительно друга, характеризуются одинаковым изменением результирующего магнитного потока, что позволяет сравнивать ЭДС, обусловленные потоками рассеяния, по коронкам у этих пазов.

На первых этапах использования датчиков магнитного поля напряжение с выхода измерительной ктушки наблюдалось на экране осцилографа, а по осцилограммам анализировалось. Сравнивались магнитные поля, получаемые от двух половин обмотки ротора. При отсутствии витковых замыканий обе эти картины должны быть одинаковы, но противоположны по знаку.

Существует специальный прибор - монитор магнитного потока ротора, в котором используется аналоговая линия задержки на 10 мс; таким образом, разность напряжений, индуктируемых в зонах двух противоположных пазов ротора, может выводится и контролироватся на осцилографе.Измерительные катушки выполняются цилиндрическими или прямоугольными. Для радиального магнитного потока их диаметр или ширина определяется шириной паза ротора на поверхности бочки. Производительные площади измерительных катушек на число витков выбирается таким, чтобы обеспечивалась необходимая чувствительность. Типовые катушки имеют приблизительно 750 витков, выполненых из проволоки диаметром 0.0508 мм и намотанных на основание диаметром 9.5 мм. Катушки устанавливаются для измерения радиальной и тангенциальной составляющих магнитного поля рассеяния. Типовый датчик состоит из двух радиальных и двух тангенциальных катушек, прикрепляется к клину обмотки статора; конструктивные элементы датчика выполняются из стеклопластика.

Опыт использования датчиков поля показал, что их расположение относительно поверхности ротора не является критичным. Примерно одинаковая чувствительность достигается при расположении датчика на расстояниях от ротора, равных 0.4 - 0.6 величины воздушного зазора. Для уменьшения индуктивности выводные провода переплетаются.

Нилучшие результаты получаются при исследовании в режиме КЗ; в этом режиме лучшие результаты, по-видимому, обеспечивают радиальные катушки. В режиме холостого хода большая чувствительность достигается при применении тангенциальных катушек. Как правило, устанавливаются оба типа катушек. В оптимальном случае имеется возможность выявления КЗ между рядом расположенными витками. При наличии пазов на большом зубе и использовании магнитных клиньев на роторе отмечаются трудности в истолковании полученных данных. Измерения при полной нагрузке также могут привести к заметной погрешности при выявлении витковых КЗ.

1.3 Использование импульсного воздействия на обмотку ротора

При воздействии на обмотку ротора импульсного напряжения возникает бегущая волна, перемещающаяся вдоль обмотки со скоростью:

где l,c,k - соответственно индуктивность обмотки, ёмкость обмотки относительно земли, ёмкость между витками на единицу длины; a - средняя длина витка; w - угловая частота.

Из этого выражения следует, что существует критическая частота wk, при которой движение волны перенапряжения вдоль обмотки отсутствует. При более точном анализе с учётом вихревых токов и нелинейного характера изменения индуктивности скорость движения практически всех гармоник оказывается конечной, хотя и малой.

При обычно используемой импульсной технике крутизна фронта волны составляет 50 нс, что соответствует спектру гармоник весьма высоких частот. В результате бегущая волна имеет существенно более низкую крутизну - порядка 20 мкс. Обмотка ротора характеризуется сложной формой, в неё входят области с изменяющимися параметрами, что обуславливает появление отражённой волны. При наличии витковых КЗ отражённая волна оказывается существенной. Так как обмотка ротора симметрична, каждый вывод обмотки последовательно подвергается воздействию импульсной волны, формы кривых вместе с отражённой волной сравниваются. При отсутствии витковых КЗ формы кривых оказываются практически одинаковыми.

Фирма "Парсонс" использует промышленно выпускаемый генратор импульсов, который генерирует импульсы с крутизной фронта 75 нс. Хотя только относительно низкие частоты спектора проникают в обмотку с малым затуханием, полезная информация о наличии возможных витковых КЗ в первых катушках может быть получена и от проникновения гармоник высших частот в эти катушки. Пэтому электроскоп, работающий в комплекте с генератором импульсов, рассчитывается на полосу пропускания не менее 20 МГц. Генератор импульсов соединяется с выводами обмотки ротора с помощью экранированных кабелей.

На рис. 3 показаны типичные развёртки кривых напряжения, получаемые на осцилоскопе. Верхние кривые соответствуют подаваемым напряжениям, нижние - результирующим напряжением с учётом воздействия отражённой волны. На рис. 3,б приведена развёртка для случая, когда в катушке Е (ротор имеет 7 катушек, буквой "А" обозначается катушка, ближайшая к большому зубу ротора) ротора турбогенератора 500 МВт искусственно замкнуты 2 витка. Место нахождения витковых КЗ определяется по времени, когда наступает отклонение кривой, полученной для ротора, у которого витковые КЗ отсутствует.

Рисунок 3 - Развёртки напряжений на осциллоскопе.

Для каждого конструктивного исполнения ротора должны быть получены калибровочные кривые. Результаты исследований, приведенные на рис. 3, получены на неподвижной машине. Однако важным является также определение витковых КЗ при вращении. Здесь могут имется следующие трудности в истолковании полученных результатов. Первая из них связана с влиянием помех от работающего щёточного аппарата. Помехи могут быть исключены или существенно уменьшены при заземлении ротора. Другая трудность обусловлена влиянием внешних полей рассеяния, которые наводят в обмотке ротора паразитную ЭДС. Эта трудность, по мнению специалистов фирмы "Парсонс", может быть преодолена путём подбора частоты подачи импульсов в ротор.