重复脉冲法和电磁瞬态响应法在重水堆核电站备用柴油发电机的应用

钟 骏，王天蔚

（中核核电运行管理有限公司 维修五处，浙江 嘉兴 314300）

0 引言

重水堆核电站两台机组共有4台备用柴油发电机，其具体参数见表1。

由于备用柴油发电机重达51t，其上方起重吊车最大起重限额为3.2t，使得起重条件受限。备用柴油发电机为半下沉式安装方式，使得维修空间受限。重水堆核电站两台核电机组并网发电至今已有十五六年，从未对其中任何一台备用柴油发电机进行过解体大修工作。从设备维修角度考虑，无法通过电机解体的方式确认备用柴油发电机定、转子绕组的安全状况，也无法对定、转子槽楔是否存在松动做出准确的判断。

在以往的备用柴油发电机常规检查工作中，只能利用直流双臂电桥测量备用柴油发电机定、转子绕组直流电阻是否超过标准要求来判断绕组是否存在匝间短路。然而测量每一相绕组的直流电阻需和其相连的接线端子、绕组连接线、绕组接头部位一并测量，从而无法真实准确判断每一相绕组本身是否存在隐患。根据重水堆核电站《维修手册》中三相定子绕组直流电阻的标准要求为0.01102Ω～0.01218Ω，转子绕组直流电阻的标准要求为0.36815Ω～0.42785Ω。在以往备用柴油发电机测量过程中，曾多次出现过三相定子绕组直流电阻不满足标准要求的情况。而在备用柴油发电机常规检查工作中更是无法检测定、转子槽楔的安全状况，只有在备用柴油发电机转子抽芯的条件下，通过目视检查以及槽楔敲击试验的方式确认定、转子槽楔是否存在松动。考虑到备用柴油发电机在整个核电站至关重要的地位。因此，急需在其无法转子抽芯的情况下，准确、有效、可靠地判断电机内部是否存在隐患。

表1 备用柴油发电机各主要参数Table 1 Main parameters of spare diesel generator

为解决此类情况，在重水堆核电站209大修期间，首次对2#机组1#备用柴油发电机采用重复脉冲法和电磁瞬态响应法两种检测方法，使得备用柴油发电机在常规检查的条件下，检测其定、转子绕组性能，定、转子槽楔性能成为可能。

1 备用柴油发电机绕组性能检测

1.1 重复脉冲法工作原理

在一个风平浪静的水面上，选择一点A施加微小扰动，则会产生一个向四周扩散的波，见图1。如果在不计能量损失的情况下，AB之间将产生正弦波信号波形，见图2。而在考虑能量损失的情况下，AB之间将产生阻尼正弦波信号波形，见图3。AB之间任何一点的能量，大部分作为入射信号向远方传播，另一小部分作为反射信号传播回A点。因此，扰动点A不仅可以作为能量传播的源头，同样也可以作为任何一点反射信号的接收点，由于A点接收任何一点传播的反射信号时传播距离翻倍。因此，A电机接收到的反射信号波形将是一个加速衰减的阻尼正弦波，见图4。如果波在传播的过程中遇到了障碍，则A点接收到的信号也将会出现畸变，接收到的信号将不再是个成规律变化的加速衰减阻尼正弦波。因此，可以通过波形产生畸变的位置，确认该位置存在障碍。

图1 水面扰动波纹图Fig.1 Surface disturbance ripple diagram

图2 理想情况AB间波形图Fig.2 Ideal case inter-AB waveform diagram

图3 实际情况AB间波形图Fig.3 Actual inter-AB waveform diagram

图4 AB间发射信号波形图Fig.4 Waveform of transmitting signal between AB

图5 两点同时扰动水波图Fig.5 Two point simultaneous disturbance of water wave diagram

图6 长导线路等值电路Fig.6 Equivalent circuit of long guide line

同理在一个风平浪静的水面上，如果C点施加微小扰动，C点距离D点太远，在能量没有达到D点时，能量就已消失。因此，无法判断C、D点之间是否存在障碍。在此情况下，可以选择C、D两点同时施加能量相同，方向相同的扰动，只要保证能量传播到CD一半的距离E点能量不消失即可，见图5。若C、D之间没有任何障碍，则CE的反射波形与DE的反射波形将是完全重叠的两列加速衰减的阻尼正弦波。

通过水波能量传播的性质，可以将其与均匀线路能量传播进行等效比对。根据《电力系统分析》中阐述的均匀线路等值电路可知，一个均匀的线路处处可以等效为相同的感抗并上容抗的等值电路，见图6[1]。根据《电机学》中发电机定子绕组等效图，可以等效为3个均匀展开并互差120°的等值电阻（分别为U、V、W相），见图7。发电机转子绕组等效图，可以等效为一个长电阻，见图8[2]。

定子绕组重复脉冲法：在备用柴油发电机定子绕组的任一相施加一个低电压脉冲扰动，另一端接中性点，那么在该相接收到的信号也将是一个规律加速衰减的阻尼正弦波。若绕组不均匀，即绕组各处的阻抗值不相等或出现匝间短路，则该相所接受到的信号也将不规律，波形出现畸变的地方就是绕组存在匝间短路的地方。

转子绕组重复脉冲法：由于转子绕组过长，若对其中一端施加低电压脉冲信号，波形无法完全传播至另一端。因此，在备用柴油发电机转子绕组的两端同时施加一个大小相同，方向相同的低电压脉冲，若所接收的信号完全重合，则说明转子绕组情况良好，不存在匝间短路情况，否则波形畸变的地方就是转子绕组存在匝间短路的地方。

图7 定子绕组等效图Fig.7 Equivalent diagram of stator winding

图8 转子绕组等效图Fig.8 Equivalent diagram of rotor winding

图9 U相重复脉冲法采集波形图Fig.9 Acquisition of waveform graph by U phase repeated pulse method

1.2 备用柴油发电机定子绕组性能检测

利用重复脉冲法对备用柴油发电机定子绕组检测的条件为：备用柴油发电机停运，转子静止，定子绕组U、V、W相与相应的动力电缆线解开。

该方法需分别对U、V、W相分别进行检测，即需进行3次波形信号的采集，第一次将信号发射点（采集点）接线接到U相，另一端接线接中性点，从电脑上采集的波形信号见图9。

第二次将信号发射点（采集点）接线接到V相，另一端接线接中性点，从电脑上采集的波形信号见图10。

第3次将信号发射（采集点）接线接到W相，另一端接线接中性点，从电脑上采集的波形见图11。

将采集的3个信号波形重叠进行对比，见图12，可以发现3个波形基本完全重合，未发现异常情况，证明备用柴油发电机的定子绕组情况良好，不存在匝间短路的现象。

图10 V相重复脉冲法采集波形图Fig.10 V phase repeated pulse method for collecting waveform diagram

图11 W相重复脉冲法采集波形图Fig.11 Waveforms acquired by the w-phase repeat pulse method

图12 三相采集波形重合比较波形图Fig.12 Waveform coincidence comparison of three-phase acquisition waveform

图13 定子绕组两端采集波形对比图Fig.13 Comparison diagram of waveform acquisition at both ends of stator winding

图14 UV相耦合磁场波形图Fig.14 A UV phase coupled magnetic field waveform diagram

1.3 备用柴油发电机转子绕组性能检测

利用重复脉冲法对备用柴油发电机转子绕组检测的条件为：发电机停运，转子静止状态，励磁机整流轮二极管与转子正负极连接处电气完全绝缘。

检测方法为：将备用柴油发电机转子两端引线拆除，采用转子匝间短路测试仪分别接入绕组的两端，再连一根接地线，此时从转子两端同时发射两个大小相同，方向相同的低电压脉冲，并在两端采集反射信号，最终所得采集波形见图13。由图可知转子绕组波形基本完全重合，说明转子绕组对称无变形，不存在匝间短路现象，转子绕组情况良好。

2 备用柴油发电机槽楔性能检测

2.1 电磁瞬态响应法工作原理

电磁瞬态响应法工作原理与重复脉冲法工作原理基本一致，将发射的电压脉冲信号变成了电流脉冲信号，用于检测定、转子槽楔性能。

定子槽楔电磁瞬态响应法：在备用柴油发电机定子三相绕组中的两相相邻绕组之间施加瞬态电流脉冲信号，两个绕组之间就会产生一个相对的耦合磁场，各对应绕组会产生谐振反射波，通过测试主机采集UV、VW、WU之间的耦合谐振磁场，从而分析发电机定子绕组磁场均匀度，耦合磁场健康状况。由于磁场波形与定子绕组周围的介质有关系，即槽楔有关。若磁场波形发生畸变，说明定子绕组周边的介电常数发生了改变，即定子绕组周边的槽楔存在松动现象。

转子槽楔电磁瞬态响应法：在备用柴油发电机转子绕组的两端同样施加瞬态电流脉冲信号，也会出现相应的磁场波形图，若磁场波形出现畸变，说明波形畸变之处的转子绕组存在槽楔松动现象。

2.2 备用柴油发电机定子槽楔性能检测

备用柴油发电机定子槽楔电磁瞬态响应法测试条件与定子绕组重复脉冲法相同，根据电磁瞬态响应仪中对于定子绕组磁场波形的计算，前8个波形为有效波，后续产生的波形为无效波。同样需进行3次信号采集，第一次将接线分别接到U相和V相，另一端接中性点，同时给U、V一个电流脉冲信号，从电脑上采集的磁场波形信号见图14。根据波形图可知UV相耦合的磁场波形是正常的。

第二次将接线分别接到V相和W相，另一端接中性点，同时给V、W一个电流脉冲信号，从电脑上采集的磁场波形信号见图15。该图第4个波形和第5个波形存在明显的减小和变形，说明该处耦合的磁场波形存在问题。

第3次将接线分别接到W相和U相，另一端接中性点，同时给W、U一个电流脉冲信号，从电脑上采集的磁场波形信号见图16。该图第4个波形和第5个波形存在波峰波谷明显减小，说明该处耦合的磁场存在问题。

图15 VW相耦合磁场波形图Fig.15 VW Phase coupled magnetic field waveform diagram

图16 WU相耦合磁场波形图Fig.16 WU Phase coupled magnetic field waveform diagram

图17 UV、VW、WU相耦合磁场波形图对比Fig.17 Contrast of UV, VW and WU phase coupled magnetic field waveform diagram

图18 转子槽楔耦合磁场波形图Fig.18 Rotor groove wedge coupled magnetic field waveform diagram

表2 3种备用柴油发电机绕组性能检测方法对比Table 2 3 Comparison of performance detection methods for spare diesel generator winding

将3个波形一起进行比较，见图17。通过比较可以得出VW相耦合磁场的第4、5个波以及WU相耦合磁场的第4、5个波存在问题，说明W相在第4、5个波形处存在问题。因此，可以判断W相在第4、5个波形处存在槽楔松动的现象。由于8个整波为绕组的有效长度，在第4、5个波形处存在畸形，意味着W相绕组在中间部位存在槽楔松动的现象[3]。

2.3 备用柴油发电机转子槽楔性能检测

备用柴油发电机转子槽楔电磁瞬态响应法的测试条件和方法与转子绕组重复脉冲法相同，接线完成后从备用柴油发电机转子两端同时发射两个大小相同，方向相同的电流信号脉冲，产生的电磁波形图，见图18。根据电磁瞬态响应仪中对于转子绕组波形的计算，前18个波形为有效波，后续的波形为无效波。由于备用柴油发电机转子为凸极绕组，线棒细，磁场衰减大，受检测仪器硬件条件限制，在检测过程中使用了二次叠加电流脉冲信号，才能完全看到18个波形。从图中可以看出波形周期基本一致，磁场不存在明显畸变，说明转子绕组未发现明显的槽楔松动现象，但由于该方法是首次在线棒细的凸极绕组上进行检测，不能进行多次电流脉冲信号的叠加。因此，针对转子槽楔松动的准确性偏低，仅做参考。

3 检测方法比较

3.1 备用柴油发电机绕组检测方法比较

针对备用柴油发电机绕组性能检测方法有目视检测、直流电阻测量和重复脉冲法，分别从检测条件、检测对象、环境影响、检测效率、检测成本、检测精度、检测风险和直观度8个方面进行比较见表2。

3.2 备用柴油发电机槽楔检测方法比较

针对备用柴油发电机槽楔性能检测方法有目视检测、槽楔敲击试验、电磁瞬态响应法，分别从检测条件、检测对象、环境影响、检测效率、检测成本、检测精度、检测风险、直观度8个方面进行比较见表3。

表3 3种备用柴油发电机槽楔性能检测方法对比Table 3 Comparison of three groove wedge performance detection methods for standby diesel generator

4 结论

重复脉冲法与传统绕组性能检测方法比较，具有环境温度影响小，检测效率高，检测精度高，检测风险低的优点。电磁瞬态响应法与传统槽楔性能检测方法比较，具有环境影响小，检测效率高，检测成本低，检测精度较高，检测风险低的优点。重复脉冲法和电磁瞬态响应法是在重水堆核电站备用柴油发电机的首次应用。在检测定、转子绕组是否匝间短路，定、转子槽楔是否松动方面有着较为准确的判断和指导作用。此外，若在备用柴油发电机投产运行之初，进行重复脉冲法和电磁瞬态响应法进行检测并记录下原始波形数据。今后在备用柴油发电机的运维工作中，每隔一定年限再次进行使用重复脉冲法和电磁瞬态响应法检测并记录后续数据，再与原始波形数据进行对比，则可通过比较后续数据波形与原始数据波形存在差异之处，判断定、转子绕组匝间短路的趋势，定、转子槽楔松动的迹象，从而及早发现备用柴油发电机的内部安全隐患，采取相应解决措施，防患于未然。