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)

孫宇光 杜 威 桂 林 段賢穩(wěn) 郝亮亮

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)

孫宇光1杜 威1桂 林1段賢穩(wěn)2郝亮亮3

（1. 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） 北京 100084 2. 中廣核核電運(yùn)營有限公司 深圳 518172 3. 北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 北京 100044）

多相無刷勵(lì)磁機(jī)已廣泛應(yīng)用于大容量核電機(jī)組，但現(xiàn)階段對常見故障缺乏可靠的檢測及保護(hù)措施。該文設(shè)計(jì)了一種用于無刷勵(lì)磁機(jī)故障檢測的磁極探測線圈，并研究了不同磁極下探測線圈的組合聯(lián)結(jié)方式。針對多相環(huán)形繞組無刷勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組匝間短路、二極管開路、電樞繞組斷線和內(nèi)部短路等常見故障，分析了正常運(yùn)行和各種故障工況下多相電流及其產(chǎn)生的合成電樞反應(yīng)磁場的特點(diǎn)，推導(dǎo)出各種故障在磁極探測線圈端口引起的電壓諧波特征，并通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用該文設(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。

多相無刷勵(lì)磁機(jī) 磁極探測線圈 勵(lì)磁繞組匝間短路 二極管開路故障 電樞繞組斷線故障 電樞繞組內(nèi)部短路

0 引言

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[1-2]。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[3]，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)及多種故障檢測裝置。核電機(jī)組單機(jī)容量大、轉(zhuǎn)速高，對安全可靠性的要求更高[4]，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)[6-7]。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[4, 8-11]，有必要研究新的檢測方法。

1 無刷勵(lì)磁機(jī)的常見故障及現(xiàn)有檢測方法

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)[11]。

圖1 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

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；另一種是基于探測線圈。

對11相無刷勵(lì)磁機(jī)的旋轉(zhuǎn)整流器故障[12-14]，文獻(xiàn)[13]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)。文獻(xiàn)[14]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。文獻(xiàn)[9-11]以任意相的核電環(huán)形繞組無刷勵(lì)磁機(jī)為研究對象，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[15]，已經(jīng)應(yīng)用于三相無刷勵(lì)磁機(jī)中[16]。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[17]；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，對旋轉(zhuǎn)整流器的各類故障進(jìn)行檢測與識別。文獻(xiàn)[18]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)勢來識別旋轉(zhuǎn)整流器半導(dǎo)體元件的工作狀態(tài)。

圖2 三相無刷勵(lì)磁機(jī)的q軸探測線圈

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)[19]，不同于圖2所示的三相勵(lì)磁機(jī)[17]，目前還沒見到涉及q軸探測線圈的研究文獻(xiàn)。對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)勢的變化對二極管開路故障進(jìn)行監(jiān)測[20]。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[21]。而文獻(xiàn)[22]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/（為極對數(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 整數(shù)槽繞組電機(jī)中新型探測線圈布置方法示意圖

本文借鑒了這種新型探測線圈的結(jié)構(gòu)和原理，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，可利用組合磁極探測線圈端口電壓的頻率特征來檢測并區(qū)分各種故障。

2 磁極探測線圈結(jié)構(gòu)及其端口電壓的故障特征機(jī)理分析

2.1 磁極探測線圈的布置及聯(lián)結(jié)方法

無刷勵(lì)磁機(jī)可看成反裝式的同步發(fā)電機(jī)，實(shí)際生產(chǎn)中只能在無刷勵(lì)磁機(jī)靜止的磁極上安裝探測線圈，否則還需通過集電環(huán)和電刷引出探測線圈的信號，會(huì)因集電環(huán)接觸電阻而降低探測線圈的可靠性?？紤]到安裝的可行性，本文嘗試了在磁極上繞制探測線圈的方法，單個(gè)探測線圈的結(jié)構(gòu)與每極勵(lì)磁繞組類似、匝數(shù)為其1/10左右，為無源的開路線圈，磁極探測線圈安裝示意圖如圖4所示。這樣布置的磁極探測線圈一般是短距線圈，但由于其節(jié)距非常接近整距，對空間中偶數(shù)次諧波磁場會(huì)有較大的削弱作用。

多相無刷勵(lì)磁機(jī)的環(huán)形電樞繞組，一般是分?jǐn)?shù)槽繞組，而且極對數(shù)為奇數(shù)，如常見的5對極11相無刷勵(lì)磁機(jī)[8, 14]和11對極39相無刷勵(lì)磁機(jī)[19]。已有研究表明，正常運(yùn)行工況下電樞電流在氣隙中除了產(chǎn)生基波磁場以外，還會(huì)產(chǎn)生1/次等各種分?jǐn)?shù)次諧波磁場[9-11]。無刷勵(lì)磁機(jī)的磁極探測線圈，無法像旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)中的新型探測線圈那樣選擇節(jié)距，本文借鑒了圖3中新型探測線圈bb的結(jié)構(gòu)，并且考慮到分?jǐn)?shù)槽繞組無刷勵(lì)磁機(jī)整個(gè)2個(gè)極的圓周就是一個(gè)單元電機(jī)（而圖3中整數(shù)槽繞組電機(jī)由個(gè)單元電機(jī)構(gòu)成，每個(gè)單元電機(jī)由相鄰的2極構(gòu)成），將相距個(gè)極距的兩個(gè)磁極探測線圈相連。由于1/次、3/次等奇分?jǐn)?shù)次諧波磁場在這兩個(gè)節(jié)距、繞向都相同的磁極探測線圈中產(chǎn)生磁鏈大小相等而方向相反，而2/次、4/次等偶分?jǐn)?shù)次諧波磁場產(chǎn)生的磁鏈則完全相同，將這兩個(gè)探測線圈串聯(lián)組合后，能夠屏蔽部分空間磁場的作用，某些故障在組合探測線圈端口電壓中引起的特征量會(huì)比單個(gè)磁極探測線圈的更加明顯。

圖4 磁極探測線圈安裝示意圖

除了單個(gè)磁極探測線圈以外，本文將主要分析相距個(gè)極下的兩個(gè)磁極探測線圈反向串聯(lián)的組合形式，如圖5所示的=5對極勵(lì)磁機(jī)示意圖，只有1/次、3/次等奇分?jǐn)?shù)次諧波磁場（也包括基波和3次等奇數(shù)次諧波磁場）會(huì)在這種組合磁極探測線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。受篇幅所限，對其他連接形式的組合磁極探測線圈，本文只給出端口電壓的諧波特征而不進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖5 相距p個(gè)極下的兩磁極探測線圈反向串聯(lián)示意圖（p=5）

2.2 多相無刷勵(lì)磁機(jī)正常運(yùn)行工況的磁極探測線圈端口電壓諧波特征

不失一般性，下面以相無刷勵(lì)磁機(jī)為分析對象，其極對數(shù)與電樞槽數(shù)一般為互質(zhì)的奇數(shù)，每相繞組由=/個(gè)線圈串聯(lián)組成。

式中，F為單個(gè)線圈產(chǎn)生的次諧波磁動(dòng)勢幅值，與該相電流瞬時(shí)值成正比、與線圈節(jié)距也有關(guān)；為電樞繞組的合成節(jié)距；為建立在電樞上的空間坐標(biāo)；0為該相繞組在電樞坐標(biāo)系的空間位置。

那么，相繞組的次諧波電流產(chǎn)生的次空間諧波合成磁動(dòng)勢為

合成磁動(dòng)勢式（3）包含一個(gè)正轉(zhuǎn)分量（見式（4））和一個(gè)反轉(zhuǎn)分量（見式（5）），分別為

2.3 定子勵(lì)磁繞組匝間短路引起的磁極探測線圈端口電壓諧波特征

當(dāng)勵(lì)磁機(jī)發(fā)生勵(lì)磁繞組匝間短路故障后，故障的勵(lì)磁繞組除了產(chǎn)生基波和奇數(shù)次諧波磁場以外，還會(huì)產(chǎn)生1/次、2/次等分?jǐn)?shù)次諧波磁場，繼而在電樞繞組中產(chǎn)生分?jǐn)?shù)次諧波電流[10]，這是勵(lì)磁繞組匝間短路故障區(qū)別于正常運(yùn)行的一個(gè)重要特點(diǎn)。

2.4 旋轉(zhuǎn)整流器二極管開路故障引起的磁極探測線圈端口電壓諧波特征

需要說明的是，本節(jié)不考慮同一橋臂上、下兩個(gè)二極管同時(shí)開路的情況，如圖1中VD6up和VD6down同時(shí)開路，故障引起的電樞相電流仍然是正負(fù)對稱的、沒有直流分量和偶數(shù)次諧波。事實(shí)上，那種二極管故障的電路拓?fù)浼肮收咸卣?，都等效于?.5節(jié)分析的電樞繞組與整流器之間的斷線故障。而本節(jié)分析也適用于發(fā)生在不同橋臂的兩個(gè)及以上二極管開路故障。

那么，單個(gè)磁極探測線圈電動(dòng)勢中的任一種偶分?jǐn)?shù)次諧波分量（即2/次諧波）中，既有為奇數(shù)次諧波的電樞電流產(chǎn)生的=1/次、3/次等奇分?jǐn)?shù)次諧波磁場引起的分量，也有為偶數(shù)次諧波的電樞電流產(chǎn)生的=2/次、4/次等偶分?jǐn)?shù)次諧波磁場引起的分量，所以相距極的兩個(gè)磁極探測線圈的2/次諧波電動(dòng)勢既不相等也不相反，反向串聯(lián)的組合線圈中仍包含2/次諧波電動(dòng)勢。類似的原因，組合探測線圈中也包含(2-1)/次這樣的奇分?jǐn)?shù)次諧波電動(dòng)勢。所以，二極管開路故障后組合探測線圈也產(chǎn)生各種分?jǐn)?shù)次諧波感應(yīng)電動(dòng)勢，即/次電動(dòng)勢，與單個(gè)磁極探測線圈的諧波特征相同。

2.5 電樞繞組斷線故障引起的磁極探測線圈端口電壓諧波特征

電樞繞組與整流器之間的斷線故障，與同一橋臂上、下兩個(gè)二極管同時(shí)開路的電路拓?fù)浼坝绊懸粯樱荚斐蓴嗑€涉及的兩相繞組電流相同、多相電流不再對稱。如圖1所示的電樞第3線斷路故障，也可看成該線所連接橋臂的兩個(gè)二極管VD3up和VD3down同時(shí)開路，造成了電樞c相與d相合并、相繞組變成-1相不對稱運(yùn)行的情況。

由于電樞電流中只有為奇數(shù)次諧波分量，單個(gè)磁極探測線圈中(2-1)/次這樣的奇分?jǐn)?shù)次諧波電動(dòng)勢，都是由=2/次、4/次等偶分?jǐn)?shù)次諧波磁場產(chǎn)生的，在相距極的兩個(gè)磁極探測線圈中完全相等，所以反向串聯(lián)的組合探測線圈中沒有(2-1)/次諧波電動(dòng)勢，只有2/次諧波電動(dòng)勢。

2.6 電樞繞組內(nèi)部短路故障引起的磁極探測線圈端口電壓諧波特征

當(dāng)無刷勵(lì)磁機(jī)發(fā)生電樞繞組內(nèi)部短路故障達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，電樞電流中只含有基波及奇數(shù)次諧波分 量[11]，由于繞組不再像正常結(jié)構(gòu)那樣具有對稱性，電樞電流會(huì)產(chǎn)生各種分?jǐn)?shù)次諧波的合成磁場，這些故障特征與電樞繞組斷線所引起的特征類似。所以，電樞繞組內(nèi)部短路故障穩(wěn)態(tài)的單個(gè)磁極探測線圈中有/次電動(dòng)勢，包含各種分?jǐn)?shù)次諧波；相距個(gè)極下兩磁極探測線圈反向串聯(lián)會(huì)只出現(xiàn)2/等偶分?jǐn)?shù)次諧波，與第2.5節(jié)中分析的電樞繞組斷線故障特征類似。

3 各種開路與短路故障引起的磁極探測線圈端口電壓故障特征

本文提出的磁極探測線圈，都是無源的開路線圈，很容易測量其端口電壓，也就是第2節(jié)分析的探測線圈感應(yīng)電動(dòng)勢。表1總結(jié)了多相無刷勵(lì)磁機(jī)在各種故障情況下，單個(gè)磁極探測線圈及組合探測線圈的端口電壓諧波特征。表1中的后兩列，由相距極的兩個(gè)磁極探測線圈正向串聯(lián)構(gòu)成的組合探測線圈，以及由所有奇數(shù)極（或偶數(shù)極）下的個(gè)磁極探測線圈正向串聯(lián)構(gòu)成的組合探測線圈，可按照第2節(jié)的思路分析出它們在各種故障情況下的端口電壓諧波特征，本文不再贅述而直接給出理論分析的結(jié)果。

表1 多相無刷勵(lì)磁機(jī)在不同工況下的磁極探測線圈端口電壓諧波特征

Tab.1 Harmonic characteristics of pole detection coil port voltage of multiphase brushless exciter under different operation conditions

注：表中和分別為多相無刷勵(lì)磁機(jī)的極對數(shù)和電樞繞組相數(shù)，為任意自然數(shù)。

4 磁極探測線圈端口電壓故障特征的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本文定制了一臺(tái)11相無刷勵(lì)磁機(jī)模擬樣機(jī)，主要參數(shù)見表2，其極對數(shù)、電樞繞組分布和聯(lián)結(jié)方式，都與北重-Alstom公司合作生產(chǎn)的TKJ91-35型無刷勵(lì)磁機(jī)完全一致，國內(nèi)11相無刷勵(lì)磁機(jī)幾乎都采用這種結(jié)構(gòu)的電樞繞組。在模擬樣機(jī)的第1個(gè)和第6個(gè)磁極各安裝了一個(gè)探測線圈，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，串聯(lián)匝數(shù)均為10，分別稱為det1和det6。這兩個(gè)磁極探測線圈的繞向相同，首、末端都引出至外部接線板，便于測量探測線圈的端口電壓。為進(jìn)行各種故障實(shí)驗(yàn)，在勵(lì)磁繞組和電樞繞組內(nèi)部也引出了抽頭。

表2 11相無刷勵(lì)磁機(jī)樣機(jī)的主要參數(shù)

Tab.2 Main parameters of the model prototype of 11-phase brushless exciter

實(shí)驗(yàn)中，11相勵(lì)磁機(jī)模擬樣機(jī)由另一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速可由直流調(diào)速裝置控制。模擬樣機(jī)的勵(lì)磁電流由直流開關(guān)電源提供，電樞繞組輸出側(cè)經(jīng)11相二極管全波整流器與負(fù)載電阻相連。整流器由11個(gè)單橋臂分立元件組成，也可實(shí)現(xiàn)任意二極管的開路實(shí)驗(yàn)。用一臺(tái)24路數(shù)字錄波器，可存儲(chǔ)模擬樣機(jī)系統(tǒng)中各元件的電壓及電流采樣數(shù)據(jù)，包括兩個(gè)磁極探測線圈的端口電壓。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及裝置如圖6所示。

圖6 11相無刷勵(lì)磁機(jī)模擬樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)物

4.2 正常工況實(shí)驗(yàn)

首先，進(jìn)行了勵(lì)磁機(jī)模擬樣機(jī)系統(tǒng)的正常工況實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，勵(lì)磁電壓fd=10V，負(fù)載電阻=10W，轉(zhuǎn)速=960r/min，相應(yīng)的電樞基波頻率為/60= 80Hz。實(shí)測的第1個(gè)磁極探測線圈det1的端口電壓波形如圖7a所示，圖7b為其諧波分解結(jié)果；將第1個(gè)磁極探測線圈det1與第6個(gè)磁極探測線圈det6反向串聯(lián)，其端口電壓波形及諧波分解結(jié)果如圖7c、圖7d所示。

從圖7的實(shí)測結(jié)果可以看出，磁極探測線圈在11相無刷勵(lì)磁機(jī)正常運(yùn)行中存在交流電壓。從圖7b可以看到，單個(gè)磁極探測線圈的固有電壓中主要是11/5（2.2）次、22/5（4.4）次等11/5的整數(shù)倍次諧波分量；其中11次諧波的幅值非常小，是因?yàn)殡姌泄?jié)距（等于8槽矩）接近于整距，電樞基波電流產(chǎn)生的偶數(shù)次諧波磁場比較小，而且磁極探測線圈的節(jié)距也接近于整距，那么電樞基波電流產(chǎn)生的較小的10次（正轉(zhuǎn)）和12次（反轉(zhuǎn)）磁場在磁極探測線圈中產(chǎn)生的交變磁鏈更小，所以感應(yīng)出的11次諧波電動(dòng)勢非常小。而固有電壓的1/5次、基波、2次諧波等其他分量，幅值都比較小，是由勵(lì)磁機(jī)難以避免的轉(zhuǎn)子偏心等制造安裝誤差及機(jī)械擾動(dòng)導(dǎo)致的分量，理論上正常運(yùn)行中并不存在。

對比圖7b與圖7d可以看到，將第1個(gè)磁極探測線圈det1與第6個(gè)磁極探測線圈det6反向串聯(lián)后，11/5次、33/5次等諧波電壓被抵消了，而22/5次、44/5次等諧波電壓幅值加倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了第2.2節(jié)的理論分析。

4.3 整流器和電樞繞組各種故障實(shí)驗(yàn)

在與圖7相同工況的下，進(jìn)行了單個(gè)二極管開路、電樞繞組斷線及相繞組內(nèi)部70%匝間短路故障實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖8～圖10所示。從圖8b看到，單個(gè)二極管開路故障，會(huì)在單個(gè)磁極探測線圈中引起各種分?jǐn)?shù)次諧波電壓，除了正常運(yùn)行固有的11/5的整數(shù)倍次諧波分量以外，還出現(xiàn)了明顯的13/5次、14/5次、19/5次等諧波分量；從圖8d看到，組合探測線圈中也有這些分量。

從圖9b看到，電樞繞組斷線故障也會(huì)在單個(gè)磁極探測線圈中引起各種分?jǐn)?shù)次諧波電壓，包括8/5次、9/5次、13/5次、14/5次等諧波分量；將第1個(gè)磁極探測線圈與第6個(gè)磁極探測線圈反向串聯(lián)后（見圖9d），9/5次、13/5次等奇分?jǐn)?shù)次諧波電壓被抵消了，而8/5次、14/5次等偶分?jǐn)?shù)次諧波電壓幅值加倍，出現(xiàn)在組合探測線圈中。圖10為電樞繞組內(nèi)部匝間短路引起的磁極探測線圈端口電壓實(shí)驗(yàn)波形，與電樞斷線的故障諧波特征類似，在組合探測線圈中也只引起偶分?jǐn)?shù)次諧波電壓。這兩種故障引起的組合探測線圈端口電壓區(qū)別主要體現(xiàn)在具體數(shù)值上，如圖10d中相繞組匝間短路引起的2次、4次、6次等偶數(shù)次諧波分量，明顯大于圖9d中電樞繞組斷線所引起的；而且相繞組匝間短路還會(huì)導(dǎo)致正常特征分量的明顯減小?？筛鶕?jù)這些諧波分量的幅值特征，進(jìn)一步區(qū)分電樞繞組斷線與相繞組匝間短路故障（將另外撰文探討）。

4.4 勵(lì)磁繞組匝間短路故障實(shí)驗(yàn)

仍然保持勵(lì)磁電壓fd=10V，轉(zhuǎn)速=960r/min，把負(fù)載換成2W，又進(jìn)行了勵(lì)磁繞組15%匝間短路故障實(shí)驗(yàn)。為節(jié)約篇幅，在表3列出該工況下正常運(yùn)行與勵(lì)磁故障穩(wěn)態(tài)的磁極探測線圈端口電壓各種交流分量幅值，而省略了各種實(shí)驗(yàn)波形。

表3 11相勵(lì)磁機(jī)模擬樣機(jī)在勵(lì)磁繞組15%匝間短路故障前后的磁極探測線圈穩(wěn)態(tài)實(shí)測電壓諧波分解結(jié)果（故障前勵(lì)磁電壓fd=10V，負(fù)載=2W）

Tab.3 Harmonic characteristics of pole detection coil port voltage of multiphase brushless exciter before and after 15% inter-turn short-circuit in the field winding (voltage of field winding Ufd=10V, load resistance R=2W)

從表3可以看到，勵(lì)磁繞組匝間短路故障后，單個(gè)磁極探測線圈端口電壓中的主要成分仍是11/5的整數(shù)倍次諧波分量；與正常時(shí)固有電壓相比，11次諧波分量幅值明顯增大，這是因?yàn)殡姌须娏鞒霈F(xiàn)了分?jǐn)?shù)次諧波，而電樞分?jǐn)?shù)次諧波電流產(chǎn)生的分?jǐn)?shù)次諧波磁場會(huì)在磁極探測線圈中感應(yīng)出11次、33次等11的奇數(shù)倍次諧波電動(dòng)勢。組合磁極探測線圈的諧波特征與單個(gè)磁極探測線圈的類似，而各分量的幅值不同。故障后組合磁極探測線圈端口電壓中出現(xiàn)了正常運(yùn)行中幾乎不存在的11/5的奇數(shù)倍諧波分量，不過44/5次諧波電壓比正常時(shí)略有減??；而且不會(huì)出現(xiàn)1/5次、2/5次等其他分?jǐn)?shù)次諧波分量，可據(jù)此與整流器及電樞繞組故障相區(qū)分。

5 基于磁極探測線圈端口電壓的故障檢測可行性初探

第4節(jié)各種故障（見圖8～圖10和表3）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，均符合第2節(jié)理論分析的結(jié)果，也驗(yàn)證了表1所總結(jié)規(guī)律的正確性。

前面的理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（見表1），如果僅在一個(gè)磁極安裝探測線圈，根據(jù)其端口電壓的諧波特征，只能判斷出勵(lì)磁繞組匝間短路（因?yàn)檫@種故障引起的磁極探測線圈次、3次等奇數(shù)次諧波電壓，明顯高于正常工況），但無法區(qū)分二極管故障和電樞繞組故障。

如果能在相距極的兩個(gè)磁極安裝同樣的探測線圈并將其反向串聯(lián)，就可根據(jù)組合探測線圈的端口電壓諧波特征，判斷勵(lì)磁繞組匝間短路與二極管開路故障，也能將電樞繞組斷線或內(nèi)部短路作為一類故障進(jìn)行初步判斷。當(dāng)然對電樞繞組斷線與內(nèi)部短路故障，還需要從2次等偶數(shù)次諧波電壓幅值等方面加以區(qū)分，將另外撰文闡述。

而相距極的兩個(gè)磁極探測線圈正向串聯(lián)的組合（見表1），理論上也能區(qū)分上述開路與短路故障。不過考慮到其端口固有電壓包括/次（以及3/次等）諧波分量，其幅值一般會(huì)大于反向串聯(lián)的端口固有電壓（從圖7b可以看出，11/5次諧波幅值大于22/5次諧波），在實(shí)際判據(jù)中往往需要設(shè)定更高的故障動(dòng)作（或報(bào)警）門檻值，相應(yīng)的靈敏度會(huì)有所降低。另外，由所有奇數(shù)極（或偶數(shù)極）下的個(gè)磁極探測線圈正向串聯(lián)構(gòu)成的組合探測線圈，對二極管開路、電樞繞組斷線和內(nèi)部短路故障都無法區(qū)分，安裝的磁極探測線圈雖然多，但只能達(dá)到單個(gè)探測線圈的故障檢測效果。

當(dāng)然，除了本文研究的各種開路、短路等電氣故障以外，無刷勵(lì)磁機(jī)還可能發(fā)生偏心等機(jī)械故障。如偏心故障，會(huì)引起無刷勵(lì)磁機(jī)氣隙磁場的畸變，即使繞組和整流器都正常，勵(lì)磁繞組和多相電樞繞組共同產(chǎn)生的磁場也會(huì)包含除式（4）、式（5）以外的所有分?jǐn)?shù)次諧波磁場，那么單個(gè)磁極探測線圈和各種組合的磁極探測線圈端口電壓也包含1/次等各種分?jǐn)?shù)次諧波。事實(shí)上，圖7b和圖7d中正常運(yùn)行時(shí)磁極探測線圈電壓就包含所有分?jǐn)?shù)次諧波分量（也包括基波和各種整數(shù)次諧波），如勵(lì)磁機(jī)難以避免的轉(zhuǎn)子偏心等誤差因素引起的1/5次、基波、2次諧波等非正常運(yùn)行特征分量。雖然偏心故障在磁極探測線圈中引起電壓的頻率特征與二極管開路故障類似，但磁場畸變引起的各種分?jǐn)?shù)次諧波電壓幅值比較小，即使偏心程度加劇，探測電壓各種分?jǐn)?shù)次諧波一般仍小于電氣故障所引起的。只要根據(jù)這些固有諧波合理設(shè)置檢測門檻值，就能避免將偏心等其他機(jī)械故障誤判為二極管開路等電氣故障，具體診斷判據(jù)將另外撰文探討。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種安裝在多相無刷勵(lì)磁機(jī)定子磁極上的探測線圈，并研究了不同極下探測線圈的聯(lián)接組合效果。在正常運(yùn)行和各種開路與短路故障情況下，分析了多相電流及其產(chǎn)生的合成電樞反應(yīng)磁場的特點(diǎn)，由此推導(dǎo)出各種開路與短路故障在單個(gè)磁極探測線圈及其組合線圈端口引起的故障特征電壓，并通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在對極的相環(huán)形繞組無刷勵(lì)磁極中，相距個(gè)極下的兩個(gè)磁極探測線圈反向串聯(lián)的組合線圈，正常運(yùn)行工況下端口電壓中只有/的偶數(shù)次諧波電壓，勵(lì)磁繞組匝間短路故障還會(huì)引起/的奇數(shù)次諧波電壓，二極管開路故障則會(huì)引起1/次等各種分?jǐn)?shù)次諧波電壓，而電樞繞組斷線與內(nèi)部短路故障只會(huì)引起2/次等偶分?jǐn)?shù)次諧波電壓，可利用這種組合磁極探測線圈端口電壓的頻率特征來檢測并區(qū)分各種故障。

[1] 任泰安, 闞超豪, 胡楊, 等. 極對數(shù)組合形式對繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)性能的影響[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(3): 509-519.

Ren Taian, Kan Chaohao, Hu Yang, et al. Influence of pole-pairs combination on the performance of wound- rotor brushless double-fed machine[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(3): 509- 519.

[2] 許國瑞, 胡一平, 李偉力, 等. 雙軸勵(lì)磁同步電機(jī)同步電抗隨運(yùn)行工況的變化規(guī)律[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(2): 236-245.

Xu Guorui, Hu Yiping, Li Weili, et al. The variation law of synchronous reactance along with the operation condition of dual-excited synchronous generator[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(2): 236-245.

[3] 付興賀, 江政龍, 呂鴻飛, 等. 電勵(lì)磁同步電機(jī)無刷勵(lì)磁與轉(zhuǎn)矩密度提升技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2022, 37(7): 1689-1702.

Fu Xinghe, Jiang Zhenglong, Lü Hongfei, et al. Review of the blushless excitation and torque density improvement in wound field synchronous motors[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(7): 1689-1702.

[4] 趙冬梅, 王浩翔, 陶然. 計(jì)及風(fēng)電-負(fù)荷不確定性的風(fēng)-火-核-碳捕集多源協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2022, 37(3): 707-718.

Zhao Dongmei, Wang Haoxiang, Tao Ran. A multi- source coordinated optimal scheduling model con- sidering wind-load uncertainty[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(3): 707-718.

[5] 王光, 陳俊, 張琦雪, 等. 無刷旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁繞組接地保護(hù)系統(tǒng)研制和工程應(yīng)用[J]. 中國電力, 2017, 50(7): 159-163.

Wang Guang, Chen Jun, Zhang Qixue, et al. Research and project application of field winding ground fault protection system on brushless rotating excitation generator[J]. Electric Power, 2017, 50(7): 159-163.

[6] 陳宇鋒. 發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)二極管非導(dǎo)通檢測系統(tǒng)DNC故障分析[J]. 廣西電力, 2004(4): 43-44.

Chen Yufeng. Analysis about DNC failure in generator rotating diode non conduction detection system[J]. Guangxi Electric Power, 2004(4): 43-44.

[7] 袁金, 劉國強(qiáng), 陳曉義, 等. 霍爾元件用于無刷勵(lì)磁旋轉(zhuǎn)二極管故障在線監(jiān)測[J]. 電機(jī)技術(shù), 2013(1): 22-26, 34.

Yuan Jin, Liu Guoqiang, Chen Xiaoyi, et al. Hall elements used in online monitoring to the default of rotating rectifier in the large-size brushless exciter[J]. Electrical Machinery Technology, 2013(1): 22-26, 34.

[8] 朱榮, 孫暉. 阿爾斯通TKJ型無刷勵(lì)磁機(jī)磁極線圈燒損原因及處理對策[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2008(5): 56-58.

Zhu Rong, Sun Hui. The causes of countermeasures against the burnt accidents of the magnetic pole coils of the TKJ-type blushless exciter of Alstom[J]. Large Electric Machine and Hydraulic Turbine, 2008(5): 56-58.

[9] 郝亮亮, 李佳慧, 李洪學(xué), 等. 核電多相角形無刷勵(lì)磁系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)二極管開路故障特征分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2019, 43(11): 112-120.

Hao Liangliang, Li Jiahui, Li Hongxue, et al. Characteristic analysis of open-circuit fault of rotating diode in nuclear multi-phase angular brush- less excitation system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2019, 43(11): 112-120.

[10] 郝亮亮, 常江, 李洪學(xué), 等. 核電多相角形無刷勵(lì)磁機(jī)定子匝間短路故障特征分析[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2019, 39(22): 6726-6736.

Hao Liangliang, Chang Jiang, Li Hongxue, et al. Characteristics analysis of stator inter-turn short circuits in nuclear power multi-phase angular brush- less exciter[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(22): 6726-6736.

[11] 郝亮亮, 李佳慧, 段賢穩(wěn), 等. 核電多相環(huán)形無刷勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組短路故障特征分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(6): 1251-1261.

Hao Liangliang, Li Jiahui, Duan Xianwen, et al. Characteristic analysis of short-circuit fault in rotor winding of nuclear power multi-phase annular brush- less exciter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(6): 1251-1261.

[12] Zouaghi T, Poloujadoff M. Modeling of polyphase brushless exciter behaviour for failing diode oper- ation[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 1998, 13(3): 214-220.

[13] 劉為群, 吳龍, 牟偉. 多相無刷勵(lì)磁系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)整流器故障檢測新方法[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2010(6): 61-65.

Liu Weiqun, Wu Long, Mu Wei. New fault detection method for rotary rectifier of multi-phase brushless excitation system[J]. Large Electric Machine and Hydraulic Turbine, 2010(6): 61-65.

[14] 郝亮亮, 王善銘, 邱阿瑞, 等. 多相無刷勵(lì)磁系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)整流器故障的仿真與識別[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2012, 27(4): 138-144.

Hao Liangliang, Wang Shanming, Qu Arui, et al. Simulation and recognition for rotary rectifier fault in multiphase brushless excitation system[J]. Transa- ctions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(4): 138-144.

[15] Kumar P N, Isha T B. FEM based electromagnetic signature analysis of winding inter-turn short-circuit fault in inverter fed induction motor[J]. CES Transa- ctions on Electrical Machines and Systems, 2019, 3(3): 309-315.

[16] 曾德純, 蘭安秀, 廖正菁, 等. 無刷同步電機(jī)轉(zhuǎn)子電流測量及旋轉(zhuǎn)整流器故障檢測[J]. 東方電機(jī), 1995(4): 125-128.

Zeng Dechun, Lan Anxiu, Liao Zhengjing, et al. Field current measurement and rotary rectifier faults detecting of brushless excitation synchronous machine[J]. Dongfang Electrical Machine, 1995(4): 125-128.

[17] 史德利, 王庭山, 胡建波. 配核電百萬千瓦級發(fā)電機(jī)5800kW無刷勵(lì)磁機(jī)研制[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2014(1): 69-71, 80.

Shi Deli, Wang Tingshan, Hu Jianbo. Developing and manufacturing summary of 5800kW brushless exciter[J]. Large Electric Machine and Hydraulic Turbine, 2014(1): 69-71, 80.

[18] 劉念. 旋轉(zhuǎn)整流器故障的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別研究[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 1998, 22(10): 31-33.

Liu Nian. Study on a neural network recognition to faults of rotating rectifiers[J]. Automation of Electric Power Systems, 1998, 22(10): 31-33.

[19] 胡德劍, 王建立, 王黔. 寧德核電廠無刷勵(lì)磁機(jī)原理、結(jié)構(gòu)和運(yùn)行監(jiān)測[J]. 東方電氣評論, 2013, 27(4): 60-64.

Hu Dejian, Wang Jianli, Wang Qian. Principle structure and operating inspection of brushless exciter for Ningde nuclear power station[J]. Dongfang Electric Review, 2013, 27(4): 60-64.

[20] Wu Yucai, Cai Bochong, Ma Qianqian. An online diagnostic method for rotary diode open-circuit faults in brushless exciters[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2018, 33(4): 1677-1685.

[21] Albright D R. Interturn short-circuit detector for turbine-generator rotor windings[J]. IEEE Transa- ctions on Power Apparatus and Systems, 1971, 90(2): 478-483.

[22] 孫宇光, 余錫文, 魏錕, 等. 發(fā)電機(jī)繞組匝間故障檢測的新型探測線圈[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014, 34(6): 917-924.

Sun Yuguang, Yu Xiwen, Wei Kun, et al. A new type of search coil for detecting inter-turn faults in synchronous machines[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(6): 917-924.

Design of Pole Detection Coils for Open-Circuit and Short-Circuit Faults in Multiphase Brushless Exciter

11123

（1. State Key Laboratory of Power System Operation and Control Department of Electrical Engineering Tsinghua University Beijing 100084 China 2. China Nuclear Power Operations Co. Ltd Shenzhen 518172 China 3. School of Electrical Engineering Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China）

Multiphase brushless exciters have been widely used in large-capacity nuclear power units, but there is a lack of reliable measures for detection and protection of common faults at present. In this paper, a new type of fault detecting coil installed on the field pole of the brushless exciter, named as pole detection coil, was designed, and the connection ways of the detection coils was also studied. Characteristics of the phase current and armature reaction magnetic field were analyzed under normal operation and various fault conditions such as inter-turn short-circuit of field windings, open-circuit of diode, line break fault and internal short-circuit of armature windings in the multiphase brushless exciters with polygon connection armature. And then, the harmonic characteristics of the open-circuit voltage generated in the detection coil port were theoretically analyzed, and were verified by experiments on a model prototype of 11-phase brushless exciter. Theoretical analysis and experimental results show that, common faults in the multiphase brushless exciters could be detected and distinguished by the pole detection coil with the proposed connection ways, which provides a new idea to improve the operation safety and reliability of the multiphase brushless exciter.

Multiphase brushless exciter, pole detection coil, inter-turn short-circuits in field windings, open-circuit of diode, line break fault of armature windings, internal short-circuit of armature windings

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210199

TM341

基礎(chǔ)加強(qiáng)計(jì)劃重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（2019-JCJQ-ZD-015-00）和中廣核集團(tuán)公司科技項(xiàng)目（百萬千瓦級核電機(jī)組無刷勵(lì)磁機(jī)故障特征分析和繼電保護(hù)配置研究及實(shí)施）資助。

2021-02-09

2021-04-19

孫宇光 女，1975年生，副教授，研究方向?yàn)殡姍C(jī)故障的定量分析與監(jiān)測保護(hù)。E-mail: sunyuguang98@mails.tsinghua.edu.cn（通信作者）

杜 威 男，1995年生，碩士，研究方向?yàn)榛谔綔y線圈的多相無刷勵(lì)磁機(jī)故障診斷。E-mail: 396694659@qq.com

（編輯 崔文靜）