AP1000核电转子高压脉冲匝间冲击试验原理试分析
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在国内电机生产和检测中，匝间绝缘测试项目越来越受到广泛重视。以前，制造厂所用匝间绝缘测试仪均用目测波形差异测试法，匝间绝缘测试方法也从目测发展为用计算机进行分析和判断。脉冲冲击电路从闸流管发展到高压可控硅电路，电路稳定、可靠，不需预热，寿命长。匝间绝缘测试技术已发展到一个新水平。
匝间绝缘测试原理为用一个高压窄脉冲（根据现有标准脉冲上升沿为1.2μs、0.5μs两种）加于被测绕组两端，此脉冲能量在绕组与匹配电容之间产生一个并联自激振荡，由于绕组直流电阻的存在，此谐振为一衰减波并较快趋近于零，分析被测绕组振荡波形与标准绕组振荡波形之差异，即可判断被测绕组的优劣，判断其是否存在匝间短路或匝间绝缘不良问题。
传统的匝间绝缘判断方法是将标准绕组和被测绕组两振荡波加于双线示波器上，用肉眼观察两波形的幅值和频率的差异，并根据经验判断被测绕组是否合格，这种方法的根本缺点是判断主观随意性，没有量化指标考核，这种方法也经常引起制造者与检验人之间的分歧与矛盾。
随着计算机技术的发展与普及，匝间绝缘测试方法已大有改进，用一个高速A/D系统将绕组的脉冲电压冲击的衰减自激振荡波模拟信号进行数字化处理，然后由计算机对波形数据进行分析比较和计算，并由计算机对各参量的变化进行判断。
1.波形判断的参量，有很多形式，如利用被测绕组振荡波与X轴的面积和标准绕组振荡波与X轴的面积之差的百分数法、两个波的频率差的百分数法、用两个波面积差的百分数法、电晕放电法、电桥不平衡法等。使用较普遍的是面积差百分数法和频率差百分数法。
从上式可知RL、L都会影响f和ΔW0的变化。而L对f的影响较大，RL对ΔW0较大，亦即波形面积影响较明显。
2.由标准绕组建立一个标准波形，而若被测绕组存在匝间短路，被测绕组除由于圈数减少而引起L和RL变化外，更主要的由于短路圈内的感应电势将产生一个大的感生电流，造成绕组内能量损耗，波形衰减加快，其波形面积与标准绕组波形面积差ΔS加大则ΔS/S加大。即测试仪上dS增加，从而判别其匝间短路的存在。被测绕组短路匝数越多，能量损耗越大，dS亦越大，越能判别其短路状态。一般电机短路一匝，其dS达到8以上。若被测绕组仅一匝间短路，造成的L和RL变化很小，因此频率变化不明显。从这里我们知道在做产品匝间绝缘试验时被测产品的状态和标准产品的状态一定要一致，避免引起不必要的误差。
3、正确选择各检测参数
3.1峰值电压
测试峰值电压范围在500～3000V之间，由数字式电压表显示。绕组总圈数多的，峰值电压可选高一些，总匝数少的，可选峰值电压低一些。峰值电压由峰值保持电路和数显表指示实际值。因此只有在峰值脉冲发生那一瞬间才有显示，显示时间很短，操作者要注意观察。指针表指示的为高压端交流电压值，但已折算到脉冲峰值，在特定负载下与数显表指示一致，可以作为调整峰值电压时参考用。
3.2阀值dS
即被测电机绕组振荡波形与标准电机振荡波形面积差的百分数，dS=ΔS/S×100%，其阀值大小由被测绕组和标准绕组的电阻差异、电感量差异和匝间短路等诸多因素决定。由前面公式知道，谐振回路的等效阻抗Z0=ρ2/RL而ρ2=L/C，因此，RL和L的变化都影响损耗p0的大小，使ΔS、dS加大。
由公式还可知，p0与RL成正比而与L成反比，但这里dS取绝对值，与ΔS的正负无关。
从公式还可知损耗还与峰值U2成正比，要求测试电源稳定，否则电源波动对dS影响较大。
从前面检测原理可知，影响dS的最大因素还是匝间短路的发生，匝间短路使能量损耗迅速加大，波形衰减加快，dS增大。
3.3阀值df
被测绕组自激振荡频率与标准绕组自激振荡频率差df=Δf/f0×100%，影响df的主要因素是L，当Q值较小时RL变化才会影响频率变化。
影响L的因素有绕组总匝数、匝数分布、绕组的松紧、整形形状、铁芯材料变化、浸漆前后等等。
匝间短路数较小时，Δf变化不明显，只有当短路匝数较多，影响到L变化，才会使Δf增大。
当测试仪接上参数稳压电源电压稳定在1%以内时，df重覆盖精度0.5%，ds重覆盖精度1%。
一个标准绕组自激振荡波形建立以后，被测绕组波形与标准波形比较，其dS和df影响因素大致三类
①由于制造工艺，材料等影响使df有1%～2%的变化，dS有2～5%的变化，这一变化并非由匝间短路引起，应予分开。
②测试仪受温度、电源变化等影响，出现的重复精度误差dS为0.5%～1%，df为0.5%～1%。③匝间短路，电晕放电等，一匝短路，多匝短路或层间短路，将引起dS8%～15%的变化或更大。如何将1、2两项因素对dS、df的影响与第三项因素对dS、df的影响分开，这是确定阀值大小的目的
具体操作有以下几种方法：
（a）先将dS和df均设定为15%，测某种电机100～200台，从计算机“显示数据库”调出测试数据，观察dS和df范围，按90%～95%的电机的dS和df值，加大1%～2%定阀值。
（b）故意造成绕组短路一匝或二匝，测量其dS和df值，然后比检测值低1%～2%定阀值。
（c）各工厂质量控制部门根据长期生产实践和经验，定出一个合适的阀值。
总之，阀值设定没有一个统一的标准，根据电机类型和生产工艺来确定。
3.4周期T的选定
在测试台的阀值设定的匝间测试项目里，最后一项是T，T为被测绕组和标准组两波形比较的周期数。可视总的振荡周期数来定，一般选取1-3即可，选少了不会影响测试精度。这里还需要说明一点，测试台为提高检测灵敏度，比较的波形是从第二个波形开始的，也就是躲开了原始脉冲波，从真正开始自激振荡的波开始比较。这一措施极大的提高了检测灵敏度，使本设备匝间短路1‰匝能较方便分辨出来。
在综合测试中，绕组少绕一匝，能否通过匝间绝缘检测出来，答案是否定的。从前面的公式可知，绕组多或少一圈，对绕组的L和R变化很小，与绕组短路一匝的能量损失无法比拟。
对于电机转子绕组中有一组线圈反嵌了，能否用匝间绝缘测试方法来分辨。一般来说2极4极，6极，电机若一组反嵌，其对整个绕组的影响较大，Q值变小，DS可达到8%-10%左右，而8极，10极电机一组线圈反嵌，其DS和df变化较小，大致在5%-8%之间，若电机工艺稳定，材料稳定，产品参数一致性好，离散度小，那么DS在5%也可分辨，但手工嵌线八极电机在匝间绝缘测试时，DS的离散度已达到8%-10%，那么反嵌一组就无法用匝间绝缘测试来分辨了。
4.实际测量及判别方法
假定转子匝间绝缘完全短路的情况下，但在实际中，绝缘缺陷匝在很多情况下并没有完全短路，只有转子的匝电压超过绝缘缺陷所能承受的电压时，才能引起缺陷处绝缘的击穿而形成短路环，所以在实际匝间绝缘上施加电压幅值时必须达到一定要求。对不同电压等级的转子匝间绝缘检测试验的加压幅值可参照图纸及规范要求。
实际检测波形，很好的验证了分析结果，也说明脉冲电压谐振法对转子匝间绝缘缺陷检测的有效性。根据理论分析和实际测量，本文总结出判断转子匝间绝缘好坏的两种方法：
（1）在较低电压作用下，可认为转子匝间绝缘没有被击穿，在此情况下通过示波器可记下转子绝缘完好时的振荡波形，然后升高电压到所要求值，通过电容器的放电可得到高压下振荡波形，比较两个波形衰减快慢便可判断出转子匝间绝缘的好坏。
（2）在高压下，利用示波器同时对电抗器两个转子线圈进行测量，根据前面我们所分析的结果，比较两路信号幅值和相位的差异，便可判断转子匝间是否有绝缘缺陷，并由此对匝间绝缘缺陷所在的转子线圈和层间进行定位。
5.结论
对脉冲电压谐振法进行核电转子匝间绝缘缺陷检测的可行性进行了模拟分析，在此基础上设计了转子匝间绝缘缺陷检测电路。实测中，在转子不同位置认为的制造一些匝间绝缘缺陷点，并利用所设计电路对其进行了测量。从实际测得的波形来看，转子匝间绝缘缺陷出现不同位置时，其振荡波形衰减的规律与本文所得到的规律基本相同。足以保证核电转子匝间绝缘的优良性能。