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勵(lì)磁系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)不可或缺的組成部分，性能優(yōu)良的勵(lì)磁系統(tǒng)可以保證機(jī)端電壓的恒定，提高電機(jī)和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨著發(fā)電機(jī)容量的不斷增加，需要?jiǎng)?lì)磁系統(tǒng)提供的勵(lì)磁電流也越來越大。當(dāng)勵(lì)磁電流達(dá)到上千安培時(shí)，靜止勵(lì)磁系統(tǒng)的電刷與集電環(huán)結(jié)構(gòu)會(huì)引起火花、粉塵等嚴(yán)重問題，這限制了發(fā)電機(jī)容量的進(jìn)一步增長。而無刷勵(lì)磁系統(tǒng)由于取消了電刷和集電環(huán)，可減小設(shè)備維護(hù)的工作量，提高勵(lì)磁系統(tǒng)可靠性，因此已被廣泛應(yīng)用在大容量的核電機(jī)組中。

大容量的發(fā)電機(jī)通常都會(huì)配備功能完善的主保護(hù)、后備保護(hù)以及多種故障檢測裝置。核電機(jī)組單機(jī)容量大、轉(zhuǎn)速高，對(duì)安全可靠性的要求更高，但是從國外引進(jìn)的多相（環(huán)形繞組）無刷勵(lì)磁機(jī)一般僅配備非連續(xù)性的轉(zhuǎn)子繞組接地保護(hù)[5]和旋轉(zhuǎn)整流器（diode Non-Conduction, DNC）保護(hù)。多相無刷勵(lì)磁機(jī)“弱保護(hù)”的運(yùn)行現(xiàn)狀無法保障核電機(jī)組的安全，近年來已發(fā)生數(shù)起勵(lì)磁機(jī)故障導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組停機(jī)甚至反應(yīng)堆停堆的嚴(yán)重事故，有必要研究新的檢測方法。

11相環(huán)形繞組無刷勵(lì)磁系統(tǒng)的各種開路與短路故障示意圖如圖1所示。無刷勵(lì)磁機(jī)在運(yùn)行過程中，高速旋轉(zhuǎn)的電樞繞組和整流器隨時(shí)會(huì)發(fā)生各種故障，比如二極管（單管）開路、電樞繞組斷線（相當(dāng)于同一橋臂的兩個(gè)二極管同時(shí)開路）、電樞繞組內(nèi)部短路等；而同步發(fā)電機(jī)中常見的勵(lì)磁繞組匝間故障，也容易發(fā)生在無刷勵(lì)磁機(jī)中。

這些開路與短路故障的長期存在會(huì)給勵(lì)磁機(jī)以及整個(gè)核電機(jī)組帶來嚴(yán)重的安全隱患，其中電樞內(nèi)部短路特別危險(xiǎn)，有可能導(dǎo)致機(jī)組燒毀，所以有必要報(bào)警甚至立即停機(jī)。

圖1

由于取消了電刷和集電環(huán)，無刷勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子電樞繞組的電壓、電流及溫度都難以直接測量，給故障的及時(shí)檢測與保護(hù)帶來了很大難度。目前，對(duì)無刷勵(lì)磁機(jī)故障檢測及診斷的研究，主要有兩種途徑：一種是基于靜止側(cè)的勵(lì)磁電流；另一種是基于探測的線圈。

對(duì)11相無刷勵(lì)磁機(jī)的旋轉(zhuǎn)整流器故障，有學(xué)者分析了故障引起的勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流中各種交流分量的有效值，發(fā)現(xiàn)一相或兩相開路故障會(huì)引起勵(lì)磁電流4次諧波的明顯增大，可以將4次諧波有效值作為此類故障的判據(jù)。

有學(xué)者提出以勵(lì)磁機(jī)中勵(lì)磁電流4次諧波與22次諧波有效值之比作為整流器故障的檢測。有學(xué)者以任意相的核電環(huán)形繞組無刷勵(lì)磁機(jī)為研究對(duì)象，分別分析了正常運(yùn)行、旋轉(zhuǎn)二極管一管開路以及一相開路故障、定子勵(lì)磁繞組匝間短路故障及轉(zhuǎn)子電樞繞組內(nèi)部短路故障的勵(lì)磁機(jī)定子勵(lì)磁電流穩(wěn)態(tài)特征，為基于勵(lì)磁電流的故障監(jiān)測和保護(hù)提供了理論依據(jù)。

研究中也發(fā)現(xiàn)，這些故障引起的勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流各種交流分量，與直流分量相比還是比較小的，從勵(lì)磁電流中準(zhǔn)確提取這些故障特征量的難度很大。而且勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組一般由交流電源整流提供，正常運(yùn)行工況下也會(huì)從電源引入6次等固有諧波，還會(huì)受到自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的影響，這些因素都會(huì)影響故障判斷的準(zhǔn)確性。

基于探測線圈的檢測方法，是通過監(jiān)測定、轉(zhuǎn)子之間氣隙磁場的變化情況來估測運(yùn)行狀態(tài)或判斷故障，已經(jīng)應(yīng)用于三相無刷勵(lì)磁機(jī)中。圖2所示為在傳統(tǒng)的內(nèi)轉(zhuǎn)子型三相無刷勵(lì)磁機(jī)上安裝的q軸探測線圈，通常將工字形結(jié)構(gòu)的線圈支架安裝在定子相鄰的磁極之間，支架上有兩根沿勵(lì)磁機(jī)軸向分布的平行細(xì)柱。

在這兩根細(xì)柱之間繞制的多匝線圈就是q軸探測線圈。勵(lì)磁機(jī)電樞繞組產(chǎn)生的（非同步）空間諧波磁場會(huì)在靜止的q軸探測線圈中感應(yīng)出電動(dòng)勢，通過測量q軸探測線圈電壓可估測主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，解決勵(lì)磁機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器輸出電流（即提供給主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流）無法直接測量的問題；還可以用q軸探測線圈感應(yīng)電動(dòng)勢的幅頻特性作為故障特征量，對(duì)旋轉(zhuǎn)整流器的各類故障進(jìn)行檢測與識(shí)別。

圖2

有學(xué)者分析了三相無刷勵(lì)磁機(jī)正常運(yùn)行和故障運(yùn)行下電樞電流各種頻率分量產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁場及其在q軸探測線圈中感應(yīng)的電動(dòng)勢，用q軸探測線圈中各種諧波電動(dòng)勢來識(shí)別旋轉(zhuǎn)整流器半導(dǎo)體元件的工作狀態(tài)。

核電常用的11相、39相無刷勵(lì)磁機(jī)，通常是外轉(zhuǎn)子、內(nèi)定子的結(jié)構(gòu)，不同于圖2所示的三相勵(lì)磁機(jī)，目前還沒見到涉及q軸探測線圈的研究文獻(xiàn)。對(duì)39相無刷勵(lì)磁機(jī)，有學(xué)者提出了在內(nèi)定子的鐵心磁軛上打孔、安裝U型探測線圈（其元件邊沿徑向插入定子鐵心）的設(shè)想，并根據(jù)探測線圈感應(yīng)電動(dòng)勢的變化對(duì)二極管開路故障進(jìn)行監(jiān)測。但是，僅通過仿真計(jì)算分析了基于U型探測線圈監(jiān)測二極管故障的判據(jù)，在實(shí)際實(shí)施方面尚存在較大難度。

數(shù)十年前，探測線圈就已經(jīng)應(yīng)用于同步發(fā)電機(jī)，通過監(jiān)視探測線圈電壓波形來檢測勵(lì)磁繞組匝間短路故障。有學(xué)者提出了應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)故障檢測的兩種新型探測線圈，其結(jié)構(gòu)不同于繞在小支架上的傳統(tǒng)探測線圈。

整數(shù)槽繞組電機(jī)中新型探測線圈布置方法示意圖如圖3所示，在一臺(tái)2對(duì)極、定子48槽的同步發(fā)電機(jī)中，aa' 為節(jié)距等于兩倍極距（24槽距）的單個(gè)線圈，bb' 由相距1個(gè)極距的兩個(gè)節(jié)距相等的線圈正向串聯(lián)構(gòu)成，這兩種新型探測線圈在電機(jī)正常運(yùn)行及機(jī)端外部故障情況下，端口電壓的理論值都為0。轉(zhuǎn)子匝間短路會(huì)在探測線圈中引起1/p（p為極對(duì)數(shù)）次等分?jǐn)?shù)次諧波感應(yīng)電動(dòng)勢；而定子內(nèi)部短路情況會(huì)引起探測線圈的基波及奇數(shù)次諧波感應(yīng)電動(dòng)勢，可根據(jù)探測線圈端口電壓的大小判斷內(nèi)部故障，并根據(jù)電壓頻率區(qū)分定子和轉(zhuǎn)子故障。

圖3

新型電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（清華大學(xué)電機(jī)系）、中廣核核電運(yùn)營有限公司、北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員孫宇光、杜威、桂林、段賢穩(wěn)、郝亮亮，借鑒了這種新型探測線圈的結(jié)構(gòu)和原理，他們?cè)?022年第14期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，設(shè)計(jì)了用于多相環(huán)形繞組無刷勵(lì)磁機(jī)故障檢測的磁極探測線圈，并探討了幾種組合聯(lián)結(jié)方式。他們的理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用新設(shè)計(jì)的組合磁極探測線圈，可根據(jù)探測線圈端口電壓的頻率特征，檢測并區(qū)分各種故障，為提高多相無刷勵(lì)磁機(jī)的安全可靠性提供了新思路。

圖4 模擬樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)物

本文編自2022年第14期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“用于多相無刷勵(lì)磁機(jī)開路與短路故障檢測的磁極探測線圈設(shè)計(jì)”。本課題得到基礎(chǔ)加強(qiáng)計(jì)劃重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目和中廣核集團(tuán)公司科技項(xiàng)目的支持。