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核能發(fā)電無碳排放，發(fā)電成本穩(wěn)定，其安全性亦在不斷提升，是一種有前途的清潔能源。隨著核電單機發(fā)電容量的不斷提升，發(fā)電機的運行可靠性越來越受到人們的關注。

勵磁系統(tǒng)是大型發(fā)電機組的重要組成部分，性能優(yōu)異、可靠性高的勵磁系統(tǒng)是保證發(fā)電機正常運行及電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的基礎。雖然靜止勵磁系統(tǒng)是現(xiàn)代發(fā)電機組常見的一種勵磁方式，但是電刷和集電環(huán)已成為限制勵磁容量進一步提升的瓶頸。與靜止勵磁系統(tǒng)相比，無刷勵磁取消了電刷及集電環(huán)，顯著提高了勵磁系統(tǒng)的可靠性，已成為大容量核電機組的一種主流勵磁方式。

勵磁機作為無刷勵磁系統(tǒng)的重要組成單元，現(xiàn)場卻以一種“弱保護”的狀態(tài)運行，一般僅配置簡單的定子勵磁過電流保護，而對于定、轉子內部故障均無相應的保護或監(jiān)測手段。

近年來，已發(fā)生多起由勵磁機故障引起的事件，例如，2015年5月17日，某核電廠2號發(fā)電機組由于勵磁機的嚴重短路故障，造成發(fā)電機失磁保護動作；在關閉汽輪機主汽門程序跳閘過程中引起發(fā)電機失步保護動作，跳開主變壓器500kV開關，最終導致2號反應堆自動停堆。勵磁機故障未得到及時保護是此次事件的導火索，這使人們注意到勵磁機已成為無刷勵磁機組可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。

電樞繞組短路故障是電機最常見的危害性嚴重的故障之一，也有可能發(fā)生在核電大容量無刷勵磁機中。針對電機電樞繞組短路故障診斷這一課題，國內外專家學者針對不同類型電機進行了大量研究，主要有三相同步發(fā)電機、感應電動機、雙饋感應電機、永磁電機等。

雖然電機類型不同，但提出的故障診斷方法相似，主要有以故障前后電磁轉矩、定子和轉子的電磁力及振動特性、電樞電流負序分量、氣隙磁場諧波、定子和轉子電流諧波特性等為特征量的診斷方法。

除了常規(guī)的三相勵磁機外，近年來還出現(xiàn)了一種多相電樞通過環(huán)形連接形成的大容量無刷勵磁機，該勵磁機提升了系統(tǒng)的容錯性及可靠性，是原法國Alstom公司的專有技術。我國的紅沿河和寧德等核電站均采用此種結構。由于核電多相無刷勵磁機為旋轉電樞式結構，且電樞繞組采用多相環(huán)形分布形式，其故障特征分析方法及結論與上述電機類型相比有很大不同。目前對于核電多相環(huán)形無刷勵磁機轉子電樞繞組短路故障的研究，國內外尚屬空白。

圖1 m相環(huán)形無刷勵磁系統(tǒng)示意圖

北京交通大學、中廣核核電運營有限公司、電力系統(tǒng)及發(fā)電設備控制和仿真國家重點實驗室的研究人員，以核電多相環(huán)形無刷勵磁機為研究對象，分別從正常運行及電樞繞組短路時勵磁機定、轉子繞組產生的磁動勢性質及其在氣隙磁場中的相互作用入手，得到了兩種運行情況下定、轉子電流的諧波特性，并進行了相應的動模實驗驗證，得到電機的運行特征如下：

圖2 實驗線路

1）正常運行情況下，由于轉子電樞繞組的對稱性，電樞反應合成磁場只存在與m的倍數次相關的諧波磁場，只會在定子勵磁繞組中感應出2m及其倍數次諧波電流。

2）發(fā)生轉子電樞繞組短路故障后的暫態(tài)過程中，定、轉子繞組中均會出現(xiàn)相應的非周期分量，由于轉子電樞繞組不再對稱，電樞繞組將會產生各次空間諧波磁場，定、轉子繞組中非周期分量將會引起定、轉子繞組中感應出一系列諧波電流，包括基波和2、3、4等次諧波電流。

3）隨著故障達到穩(wěn)態(tài)，轉子電樞繞組中非周期分量衰減為零，恒值勵磁電流將會引起轉子電樞繞組中感應出基波和奇數次諧波電流，定子勵磁繞組中感應出偶數次諧波電流。

研究人員提出的方法適用于任意核電多相環(huán)形無刷勵磁機任意形式的轉子電樞繞組短路故障的特征分析，為核電多相環(huán)形無刷勵磁機轉子故障的監(jiān)測和保護提供了依據，可應用到核電多相環(huán)形無刷勵磁機轉子繞組短路故障保護的進一步研究中。

以上研究成果發(fā)表在2020年第6期《電工技術學報》，論文標題為“核電多相環(huán)形無刷勵磁機轉子繞組短路故障特征分析”，作者為郝亮亮、李佳慧、段賢穩(wěn)、郭立雄、孫宇光、桂林。