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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(jī)發(fā)電容量的不斷提升，發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可靠性越來越受到人們的關(guān)注。

勵磁系統(tǒng)是大型發(fā)電機(jī)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(jī)正常運(yùn)行及電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)。雖然靜止勵磁系統(tǒng)是現(xiàn)代發(fā)電機(jī)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(jìn)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(jī)組的一種主流勵磁方式。

勵磁機(jī)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(hù)”的狀態(tài)運(yùn)行，一般僅配置簡單的定子勵磁過電流保護(hù)，而對于定、轉(zhuǎn)子內(nèi)部故障均無相應(yīng)的保護(hù)或監(jiān)測手段。

近年來，已發(fā)生多起由勵磁機(jī)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(jī)組由于勵磁機(jī)的嚴(yán)重短路故障，造成發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動作；在關(guān)閉汽輪機(jī)主汽門程序跳閘過程中引起發(fā)電機(jī)失步保護(hù)動作，跳開主變壓器500kV開關(guān)，最終導(dǎo)致2號反應(yīng)堆自動停堆。勵磁機(jī)故障未得到及時保護(hù)是此次事件的導(dǎo)火索，這使人們注意到勵磁機(jī)已成為無刷勵磁機(jī)組可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。

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

雖然電機(jī)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(zhuǎn)矩、定子和轉(zhuǎn)子的電磁力及振動特性、電樞電流負(fù)序分量、氣隙磁場諧波、定子和轉(zhuǎn)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(jī)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(jī)，該勵磁機(jī)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(shù)。我國的紅沿河和寧德等核電站均采用此種結(jié)構(gòu)。由于核電多相無刷勵磁機(jī)為旋轉(zhuǎn)電樞式結(jié)構(gòu)，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(jié)論與上述電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子電樞繞組短路故障的研究，國內(nèi)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(xué)、中廣核核電運(yùn)營有限公司、電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)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(jī)為研究對象，分別從正常運(yùn)行及電樞繞組短路時勵磁機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的磁動勢性質(zhì)及其在氣隙磁場中的相互作用入手，得到了兩種運(yùn)行情況下定、轉(zhuǎn)子電流的諧波特性，并進(jìn)行了相應(yīng)的動模實驗驗證，得到電機(jī)的運(yùn)行特征如下：

圖2 實驗線路

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

2）發(fā)生轉(zhuǎn)子電樞繞組短路故障后的暫態(tài)過程中，定、轉(zhuǎn)子繞組中均會出現(xiàn)相應(yīng)的非周期分量，由于轉(zhuǎn)子電樞繞組不再對稱，電樞繞組將會產(chǎn)生各次空間諧波磁場，定、轉(zhuǎn)子繞組中非周期分量將會引起定、轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)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(dá)到穩(wěn)態(tài)，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子電樞繞組中感應(yīng)出基波和奇數(shù)次諧波電流，定子勵磁繞組中感應(yīng)出偶數(shù)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(jī)任意形式的轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)子故障的監(jiān)測和保護(hù)提供了依據(jù)，可應(yīng)用到核電多相環(huán)形無刷勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組短路故障保護(hù)的進(jìn)一步研究中。

以上研究成果發(fā)表在2020年第6期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“核電多相環(huán)形無刷勵磁機(jī)轉(zhuǎn)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。