核电无刷励磁机的常见故障及检测方法的研究进展

励磁系统是发电机不可或缺的组成部分，性能优良的励磁系统可以保证机端电压的恒定，提高电机和电力系统的稳定性。随着发电机容量的不断增加，需要励磁系统提供的励磁电流也越来越大。当励磁电流达到上千安培时，静止励磁系统的电刷与集电环结构会引起火花、粉尘等严重问题，这限制了发电机容量的进一步增长。而无刷励磁系统由于取消了电刷和集电环，可减小设备维护的工作量，提高励磁系统可靠性，因此已被广泛应用在大容量的核电机组中。

大容量的发电机通常都会配备功能完善的主保护、后备保护以及多种故障检测装置。核电机组单机容量大、转速高，对安全可靠性的要求更高，但是从国外引进的多相（环形绕组）无刷励磁机一般仅配备非连续性的转子绕组接地保护[5]和旋转整流器（diode Non-Conduction, DNC）保护。多相无刷励磁机“弱保护”的运行现状无法保障核电机组的安全，近年来已发生数起励磁机故障导致发电机组停机甚至反应堆停堆的严重事故，有必要研究新的检测方法。
11相环形绕组无刷励磁系统的各种开路与短路故障示意图如图1所示。无刷励磁机在运行过程中，高速旋转的电枢绕组和整流器随时会发生各种故障，比如二极管（单管）开路、电枢绕组断线（相当于同一桥臂的两个二极管同时开路）、电枢绕组内部短路等；而同步发电机中常见的励磁绕组匝间故障，也容易发生在无刷励磁机中。
这些开路与短路故障的长期存在会给励磁机以及整个核电机组带来严重的安全隐患，其中电枢内部短路特别危险，有可能导致机组烧毁，所以有必要报警甚至立即停机。
由于取消了电刷和集电环，无刷励磁机的转子电枢绕组的电压、电流及温度都难以直接测量，给故障的及时检测与保护带来了很大难度。目前，对无刷励磁机故障检测及诊断的研究，主要有两种途径：一种是基于静止侧的励磁电流；另一种是基于探测的线圈。
对11相无刷励磁机的旋转整流器故障，有学者分析了故障引起的励磁机励磁电流中各种交流分量的有效值，发现一相或两相开路故障会引起励磁电流4次谐波的明显增大，可以将4次谐波有效值作为此类故障的判据。
有学者提出以励磁机中励磁电流4次谐波与22次谐波有效值之比作为整流器故障的检测。有学者以任意相的核电环形绕组无刷励磁机为研究对象，分别分析了正常运行、旋转二极管一管开路以及一相开路故障、定子励磁绕组匝间短路故障及转子电枢绕组内部短路故障的励磁机定子励磁电流稳态特征，为基于励磁电流的故障监测和保护提供了理论依据。
研究中也发现，这些故障引起的励磁机励磁电流各种交流分量，与直流分量相比还是比较小的，从励磁电流中准确提取这些故障特征量的难度很大。而且励磁机的励磁绕组一般由交流电源整流提供，正常运行工况下也会从电源引入6次等固有谐波，还会受到自动励磁调节器的影响，这些因素都会影响故障判断的准确性。
基于探测线圈的检测方法，是通过监测定、转子之间气隙磁场的变化情况来估测运行状态或判断故障，已经应用于三相无刷励磁机中。图2所示为在传统的内转子型三相无刷励磁机上安装的q轴探测线圈，通常将工字形结构的线圈支架安装在定子相邻的磁极之间，支架上有两根沿励磁机轴向分布的平行细柱。
在这两根细柱之间绕制的多匝线圈就是q轴探测线圈。励磁机电枢绕组产生的（非同步）空间谐波磁场会在静止的q轴探测线圈中感应出电动势，通过测量q轴探测线圈电压可估测主发电机的励磁电流，解决励磁机旋转整流器输出电流（即提供给主发电机的励磁电流）无法直接测量的问题；还可以用q轴探测线圈感应电动势的幅频特性作为故障特征量，对旋转整流器的各类故障进行检测与识别。
有学者分析了三相无刷励磁机正常运行和故障运行下电枢电流各种频率分量产生的电枢反应磁场及其在q轴探测线圈中感应的电动势，用q轴探测线圈中各种谐波电动势来识别旋转整流器半导体元件的工作状态。
核电常用的11相、39相无刷励磁机，通常是外转子、内定子的结构，不同于图2所示的三相励磁机，目前还没见到涉及q轴探测线圈的研究文献。对39相无刷励磁机，有学者提出了在内定子的铁心磁轭上打孔、安装U型探测线圈（其元件边沿径向插入定子铁心）的设想，并根据探测线圈感应电动势的变化对二极管开路故障进行监测。但是，仅通过仿真计算分析了基于U型探测线圈监测二极管故障的判据，在实际实施方面尚存在较大难度。
数十年前，探测线圈就已经应用于同步发电机，通过监视探测线圈电压波形来检测励磁绕组匝间短路故障。有学者提出了应用于旋转磁极式发电机故障检测的两种新型探测线圈，其结构不同于绕在小支架上的传统探测线圈。
整数槽绕组电机中新型探测线圈布置方法示意图如图3所示，在一台2对极、定子48槽的同步发电机中，aa' 为节距等于两倍极距（24槽距）的单个线圈，bb' 由相距1个极距的两个节距相等的线圈正向串联构成，这两种新型探测线圈在电机正常运行及机端外部故障情况下，端口电压的理论值都为0。转子匝间短路会在探测线圈中引起1/p（p为极对数）次等分数次谐波感应电动势；而定子内部短路情况会引起探测线圈的基波及奇数次谐波感应电动势，可根据探测线圈端口电压的大小判断内部故障，并根据电压频率区分定子和转子故障。
新型电力系统运行与控制全国重点实验室（清华大学电机系）、中广核核电运营有限公司、北京交通大学电气工程学院的研究人员孙宇光、杜威、桂林、段贤稳、郝亮亮，借鉴了这种新型探测线圈的结构和原理，他们在2022年第14期《电工技术学报》上撰文，设计了用于多相环形绕组无刷励磁机故障检测的磁极探测线圈，并探讨了几种组合联结方式。他们的理论分析与实验结果表明，应用新设计的组合磁极探测线圈，可根据探测线圈端口电压的频率特征，检测并区分各种故障，为提高多相无刷励磁机的安全可靠性提供了新思路。