勵磁系統(tǒng)是發(fā)電機不可或缺的組成部分，性能優(yōu)良的勵磁系統(tǒng)可以保證機端電壓的恒定，提高電機和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨著發(fā)電機容量的不斷增加，需要勵磁系統(tǒng)提供的勵磁電流也越來越大。當勵磁電流達到上千安培時，靜止勵磁系統(tǒng)的電刷與集電環(huán)結構會引起火花、粉塵等嚴重問題，這限制了發(fā)電機容量的進一步增長。而無刷勵磁系統(tǒng)由于取消了電刷和集電環(huán)，可減小設備維護的工作量，提高勵磁系統(tǒng)可靠性，因此已被廣泛應用在大容量的核電機組中。
大容量的發(fā)電機通常都會配備功能完善的主保護、后備保護以及多種故障檢測裝置。核電機組單機容量大、轉速高，對安全可靠性的要求更高，但是從國外引進的多相（環(huán)形繞組）無刷勵磁機一般僅配備非連續(xù)性的轉子繞組接地保護[5]和旋轉整流器（diode Non-Conduction, DNC）保護。多相無刷勵磁機“弱保護”的運行現(xiàn)狀無法保障核電機組的安全，近年來已發(fā)生數(shù)起勵磁機故障導致發(fā)電機組停機甚至反應堆停堆的嚴重事故，有必要研究新的檢測方法。
11相環(huán)形繞組無刷勵磁系統(tǒng)的各種開路與短路故障示意圖如圖1所示。無刷勵磁機在運行過程中，高速旋轉的電樞繞組和整流器隨時會發(fā)生各種故障，比如二極管（單管）開路、電樞繞組斷線（相當于同一橋臂的兩個二極管同時開路）、電樞繞組內(nèi)部短路等；而同步發(fā)電機中常見的勵磁繞組匝間故障，也容易發(fā)生在無刷勵磁機中。
這些開路與短路故障的長期存在會給勵磁機以及整個核電機組帶來嚴重的安全隱患，其中電樞內(nèi)部短路特別危險，有可能導致機組燒毀，所以有必要報警甚至立即停機。
圖1
由于取消了電刷和集電環(huán)，無刷勵磁機的轉子電樞繞組的電壓、電流及溫度都難以直接測量，給故障的及時檢測與保護帶來了很大難度。目前，對無刷勵磁機故障檢測及診斷的研究，主要有兩種途徑：一種是基于靜止側的勵磁電流；另一種是基于探測的線圈。
對11相無刷勵磁機的旋轉整流器故障，有學者分析了故障引起的勵磁機勵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引起勵磁電流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)。
有學者提出以勵磁機中勵磁電流4次諧波與22次諧波有效值之比作為整流器故障的檢測。有學者以任意相的核電環(huán)形繞組無刷勵磁機為研究對象，分別分析了正常運行、旋轉二極管一管開路以及一相開路故障、定子勵磁繞組匝間短路故障及轉子電樞繞組內(nèi)部短路故障的勵磁機定子勵磁電流穩(wěn)態(tài)特征，為基于勵磁電流的故障監(jiān)測和保護提供了理論依據(jù)。
研究中也發(fā)現(xiàn)，這些故障引起的勵磁機勵磁電流各種交流分量，與直流分量相比還是比較小的，從勵磁電流中準確提取這些故障特征量的難度很大。而且勵磁機的勵磁繞組一般由交流電源整流提供，正常運行工況下也會從電源引入6次等固有諧波，還會受到自動勵磁調(diào)節(jié)器的影響，這些因素都會影響故障判斷的準確性。
基于探測線圈的檢測方法，是通過監(jiān)測定、轉子之間氣隙磁場的變化情況來估測運行狀態(tài)或判斷故障，已經(jīng)應用于三相無刷勵磁機中。圖2所示為在傳統(tǒng)的內(nèi)轉子型三相無刷勵磁機上安裝的q軸探測線圈，通常將工字形結構的線圈支架安裝在定子相鄰的磁極之間，支架上有兩根沿勵磁機軸向分布的平行細柱。
在這兩根細柱之間繞制的多匝線圈就是q軸探測線圈。勵磁機電樞繞組產(chǎn)生的（非同步）空間諧波磁場會在靜止的q軸探測線圈中感應出電動勢，通過測量q軸探測線圈電壓可估測主發(fā)電機的勵磁電流，解決勵磁機旋轉整流器輸出電流（即提供給主發(fā)電機的勵磁電流）無法直接測量的問題；還可以用q軸探測線圈感應電動勢的幅頻特性作為故障特征量，對旋轉整流器的各類故障進行檢測與識別。
圖2
有學者分析了三相無刷勵磁機正常運行和故障運行下電樞電流各種頻率分量產(chǎn)生的電樞反應磁場及其在q軸探測線圈中感應的電動勢，用q軸探測線圈中各種諧波電動勢來識別旋轉整流器半導體元件的工作狀態(tài)。
核電常用的11相、39相無刷勵磁機，通常是外轉子、內(nèi)定子的結構，不同于圖2所示的三相勵磁機，目前還沒見到涉及q軸探測線圈的研究文獻。對39相無刷勵磁機，有學者提出了在內(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）的設想，并根據(jù)探測線圈感應電動勢的變化對二極管開路故障進行監(jiān)測。但是，僅通過仿真計算分析了基于U型探測線圈監(jiān)測二極管故障的判據(jù)，在實際實施方面尚存在較大難度。
數(shù)十年前，探測線圈就已經(jīng)應用于同步發(fā)電機，通過監(jiān)視探測線圈電壓波形來檢測勵磁繞組匝間短路故障。有學者提出了應用于旋轉磁極式發(fā)電機故障檢測的兩種新型探測線圈，其結構不同于繞在小支架上的傳統(tǒng)探測線圈。
整數(shù)槽繞組電機中新型探測線圈布置方法示意圖如圖3所示，在一臺2對極、定子48槽的同步發(fā)電機中，aa' 為節(jié)距等于兩倍極距（24槽距）的單個線圈，bb' 由相距1個極距的兩個節(jié)距相等的線圈正向串聯(lián)構成，這兩種新型探測線圈在電機正常運行及機端外部故障情況下，端口電壓的理論值都為0。轉子匝間短路會在探測線圈中引起1/p（p為極對數(shù)）次等分數(shù)次諧波感應電動勢；而定子內(nèi)部短路情況會引起探測線圈的基波及奇數(shù)次諧波感應電動勢，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)分定子和轉子故障。
