0 引言

汽轮发电机转子线圈匝间绝缘部件松动及绝缘老化等因素，很容易引起发电机转子绕组匝间短路故障^[1-3]。而匝间短路会改变发电机转子电路和磁路的对称性，对旋转的转子造成扰动，引起机组振动加剧等问题。如果匝间短路情况逐步加剧，有可能引发转子绕组局部过热、转子接地，甚至造成非正常停机^[4-6]。因此，开展轻微匝间短路的早期诊断工作显得非常必要。

通常情况下，发电机匝间短路故障的检测手段包括在线监测和离线检测。近年来，转子匝间短路在线监测装置在大型发电机上得到较广泛应用，可通过监测气隙波形分析匝间短路情况。但因采集信号的准确性受探测线圈的影响较大，对匝间短路初期状况的监测不够灵敏，且对分析人员的技术水平要求较高。常规的离线检测手段主要包括直流电阻、交流阻抗和匝间压降测试等，但直流电阻和交流阻抗测试很难发现早期的匝间短路故障，只能进行定性分析，且不能定位故障点，而匝间压降法操作比较复杂，需要抽出转子进行试验^[7-9]。

近几年，重复脉冲示波（Repetitive Surge Oscillograph，RSO）试验方法逐渐应用于转子匝间短路现场诊断。

1 RSO测试方法介绍 1.1 基本原理

该方法基于转子绕组的对称结构，依据行波传输理论，在转子两端输入高频脉冲信号，若转子绕组发生匝间短路而引发其对称性结构改变，则两端注入的高频脉冲信号在转子绕组上的传输对称性也会发生变化。RSO方法通过检测这种变化来反映转子绕组的匝间短路情况，对转子绕组对称性短路或者转子绕组绝对中点的匝间短路则不灵敏。

为了简化分析，忽略发电机转子绕组内互感与匝间电容的影响，并假设整个转子绕组各部分的参数保持恒定且均匀分布，将发电机转子绕组近似等效为一条有损传输线。基于传输线理论，当脉冲信号（行波）沿转子绕组传播到匝间短路故障点时，由于故障点波阻抗发生突变，行波会发生折射和反射现象^[7-8]。若正常转子绕组波阻抗为Z₀，短路故障点波阻抗突变为Z₁，则行波X₁传输到故障点时（如图 1所示），折射波X₁₁会继续向前传播，同时也会出现反射波X₁₂。可以用反射系数α与折射系数β来表示反射波和折射波的大小^[10]，见式（1）、式（2）：

(1)

(2)

当反射波返回端点时，会与端点处注入波形相叠加，造成端点处检测波形与正常回路无阻抗突变时相异。由式（1）可知，反射系数与波阻抗变化（Z₁-Z₀）成正比，波阻抗变化越大，反射现象越显著，对端点处检测的波形影响越大。一般而言，可将行波在短路故障处的传播视为旁路增多，则波阻抗Z₁小于Z₀，反射波与注入波反相位，使得检测波形峰值变小。将两端检测波形之差定义为特征波形，则正常转子两端检测波形与注入波形一致，特征波形近似是一条平缓的直线；如果特征波形某部位有明显的突起，就可以判断出现了匝间短路，而该部位特征波形突起的大小可以反映该位置匝间短路的严重程度^[11]。

1.2 定位机理

脉冲信号（行波）在转子绕组上的传播速度大约为光速的1/3，假设转子两端同时发出脉冲信号（行波），且匝间短路故障点位置距离绕组端点1比端点2近，行波X₁从转子绕组端点1传输到端点2所需时间为T，由端点1传输到故障点用时为T₁，转子绕组的长度为L，则可知故障点与端点1的距离为L₁=T₁/TL。

故障点反射波回到端点1的时间也为T₁，脉冲信号从发出到遇到故障点反射波返回端点1的时间为2T₁。此时端点1检测波形为反射波与注入波波形的叠加，因反射波与注入波反相位，使得检测波形峰值变小。此时端点2发出行波还未传输到故障点，或者遇到故障点的反射波还未回到端点2，而端点1的折射波也未传输到端点2，端点2检测波形依然是其注入波形。若将端点1与端点2的检测波形之差定义为特征波形，此时特征波形会出现向下的突起，即明显的波谷；反之，如果故障点距离端点2比距离端点1近，则特征波形会表现为波峰。

RSO测试同时从转子绕组两端发出激励信号并检测激励端的波形，以传播时间T为时间轴，将两端的波形及特征波形在时间轴上显示，波峰或波谷在时间轴的位置反映了脉冲波遇到故障点并反射回端点的时间，即时间轴的相对位置反映了故障位于绕组端点到绕组中间点的相对位置。

1.3 试验接线方法

RSO现场测试很方便，只需将转子大轴及仪器接地，断开转子两级（集电环）与励磁回路的连接，接上脉冲信号发生器（转子匝间短路分析仪）的2根测试线，用电脑（示波器）同时采集波形即可。

2 基于补偿短路的RSO测试方法 2.1 RSO测试 2.1.1 不存在匝间短路情况测试

选择国内某代表性发电机（型号QFSN-330-2）转子进行测试，为保证转子不存在匝间短路情况，选择在制造厂刚完成生产、尚未出厂的转子开展测试，试验仪器采用哈尔滨物格电子技术有限公司的RD-1A型发电机转子匝间短路分析仪。

试验模式选择静态试验，激励方式为两端同步激励，激励信号为锯齿波，重复频率为1 kHz，脉冲宽度为1%（10 μs），脉冲幅值12 V。端点1、端点2分别接于转子内滑环和外滑环。

（1）脉冲在转子绕组的传播时间测试。将激励信号仅注入端点1（即绕组内滑环），端点2无信号注入，标定的传播时间即为脉冲从端点1注入并在绕组中传播，最终到达端点2的时间。在波形图上传播时间的起始点是端点1脉冲的注入时刻，到达点是脉冲传输到端点2的时刻。

（2）正式测试。试验模式选择“两端同步激励”，测试结果如图 2所示。图 2中上半部分波形为转子两端检测RSO波形，端点1波形（E1）用红色显示，端点2波形（E2）用绿色显示，下半部分波形为两端波形之差，即特征波形，用黄色显示。可见，两端RSO测试波形几乎重合，特征波形平直，无明显畸变突起，说明转子绕组的绝缘状态良好，不存在匝间短路情况。

2.1.2 短路模拟测试

RSO测试方法基于转子绕组的对称结构，本文测试的转子绕组由8匝组成。在转子绕组的直线部分设有若干通风孔，现场利用这些通风口进行模拟短路设置。具体方法为：在截面积为4 mm²的金属软导线上缠绕绝缘层，导线两端少许裸露并制作成倒钩状，在转子轴向相应的通风口位置短接该绕组线圈相邻的两匝，将其作为研究对象。

测试模式设置与2.1.1节相同，测试结果如图 3所示。由于短路点设置在相对靠近转子绕组端点2（外滑环）的位置，所以端点1每次测试的图谱没有变化（图 3上半部分中的红色线）。不同绕组相邻匝间短路后的端点2的RSO测试图谱均不相同，整体表现为相对应位置的波形高度下降，在脉冲起始和到达的参考区间内，依次出现从绕组1到8绕组的特征波形，特征波向上突起，以波峰的形式呈现。

各绕组中起始相邻两匝短路后，特征波高度并不相同，从绕组1到绕组8特征波高度呈下降趋势，特征波大小受短路故障位置的影响。

对同一绕组相邻两匝1-2、3-4、5-6、7-8匝短路后进行RSO测试，结果如图 4所示。由图 4可见，同一绕组相邻匝间短路的RSO特征波形整体的变化趋势为：靠近端部的短路特征峰较高，在时间轴上偏向于脉冲起始点。

在传输时间T的时间轴上，由特征峰的相对位置可以大致定位短路位置，这种定位虽然可以精确到绕组，但是很难确定到绕组的某一匝。

2.2 基于补偿短路的RSO测试方法

虽然上述方法可以凭借特征波形中波峰或波谷的相对位置判断故障位置，但受测试线长度、脉冲信号衰减等因素影响，并且特征波形的波峰和波谷又往往延伸到不存在故障的相邻匝，使该方法较难定位到具体匝。若想精确定位到匝间，一种方法是通过对转子绕组线圈不同位置进行模拟短路，在特征波形上制造尖峰突起并保存其波形，形成一系列的短路点位置的图谱。如果发电机转子保存有足够数量的这样的图谱，当实际测试的特征波上出现尖峰突起时，将该突起与图谱中的波形逐一比较，即可定位短路所在的匝。

另一种方法即采用基于补偿短路的RSO测试方法。因RSO测试方法的原理基于转子结构的对称性，这也决定了其不适于发现转子对称的短路故障，对称短路故障测试到的特征波形不会表现出波峰或波谷。转子绕组存在对称性故障的概率很小，可利用这个特点，对匝间短路的对称位置设置一个程度相当的短路，则原来有突起的特征波形就会回归为一条直线，这就是补偿短路法的原理。用该方法可以精确定位故障位置，并判断短路故障的严重程度。

现场分别在转子两端第三绕组的对称位置设置对称短路，对上述方法进行验证，试验结果如图 5所示。与原始图谱相比，单独设置短路都对波形产生了影响，并且与对称位置的短路测得波形一致，二者之差得到的特征波形仍然为一条直线。

实际应用时，基于RSO测试结果，对怀疑存在匝间短路故障的转子，根据特征峰的位置初步确定短路点位置后，将其在绕组上的对称位置作为补偿短路的初始位置，使用事先准备好的阻值在1~10 Ω的一系列电阻进行补偿短路设置。期间应根据特征波形的变化调整补偿短路的阻值和位置，直至特征波形上的突起消失，此时使用的补偿电阻即是短路的阻抗值，而实际的短路点即在补偿点的对称位置。

3 结语

发电机转子绕组在运行中长期承受离心力、电磁场和高温的作用，随着运行年限增长出现匝间短路的风险逐渐增大，直接影响到运行安全。RSO测试方法现场测试方便，不会损伤转子绝缘，对于即使是相邻两匝短路的这种轻微故障也有较好的灵敏度。而基于补偿短路的RSO测试方法可对故障位置进行精确定位，判断故障的严重程度，可以对转子绕组匝间短路状况进行准确评估，为下一步的检测或检修工作提供指导。