核能发电无碳排放，发电成本稳定，其安全性亦在不断提升，是一种有前途的清洁能源。随着核电单机发电容量的不断提升，发电机的运行可靠性越来越受到人们的关注。

励磁系统是大型发电机组的重要组成部分，性能优异、可靠性高的励磁系统是保证发电机正常运行及电力系统安全稳定的基础。虽然静止励磁系统是现代发电机组常见的一种励磁方式，但是电刷和集电环已成为限制励磁容量进一步提升的瓶颈。与静止励磁系统相比，无刷励磁取消了电刷及集电环，显著提高了励磁系统的可靠性，已成为大容量核电机组的一种主流励磁方式。

励磁机作为无刷励磁系统的重要组成单元，现场却以一种“弱保护”的状态运行，一般仅配置简单的定子励磁过电流保护，而对于定、转子内部故障均无相应的保护或监测手段。

近年来，已发生多起由励磁机故障引起的事件，例如，2015年5月17日，某核电厂2号发电机组由于励磁机的严重短路故障，造成发电机失磁保护动作；在关闭汽轮机主汽门程序跳闸过程中引起发电机失步保护动作，跳开主变压器500kV开关，最终导致2号反应堆自动停堆。励磁机故障未得到及时保护是此次事件的导火索，这使人们注意到励磁机已成为无刷励磁机组可靠性的薄弱环节。

电枢绕组短路故障是电机最常见的危害性严重的故障之一，也有可能发生在核电大容量无刷励磁机中。针对电机电枢绕组短路故障诊断这一课题，国内外专家学者针对不同类型电机进行了大量研究，主要有三相同步发电机、感应电动机、双馈感应电机、永磁电机等。

虽然电机类型不同，但提出的故障诊断方法相似，主要有以故障前后电磁转矩、定子和转子的电磁力及振动特性、电枢电流负序分量、气隙磁场谐波、定子和转子电流谐波特性等为特征量的诊断方法。

除了常规的三相励磁机外，近年来还出现了一种多相电枢通过环形连接形成的大容量无刷励磁机，该励磁机提升了系统的容错性及可靠性，是原法国Alstom公司的专有技术。我国的红沿河和宁德等核电站均采用此种结构。由于核电多相无刷励磁机为旋转电枢式结构，且电枢绕组采用多相环形分布形式，其故障特征分析方法及结论与上述电机类型相比有很大不同。目前对于核电多相环形无刷励磁机转子电枢绕组短路故障的研究，国内外尚属空白。

图1 m相环形无刷励磁系统示意图

北京交通大学、中广核核电运营有限公司、电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室的研究人员，以核电多相环形无刷励磁机为研究对象，分别从正常运行及电枢绕组短路时励磁机定、转子绕组产生的磁动势性质及其在气隙磁场中的相互作用入手，得到了两种运行情况下定、转子电流的谐波特性，并进行了相应的动模实验验证，得到电机的运行特征如下：

图2 实验线路

1）正常运行情况下，由于转子电枢绕组的对称性，电枢反应合成磁场只存在与m的倍数次相关的谐波磁场，只会在定子励磁绕组中感应出2m及其倍数次谐波电流。

2）发生转子电枢绕组短路故障后的暂态过程中，定、转子绕组中均会出现相应的非周期分量，由于转子电枢绕组不再对称，电枢绕组将会产生各次空间谐波磁场，定、转子绕组中非周期分量将会引起定、转子绕组中感应出一系列谐波电流，包括基波和2、3、4等次谐波电流。

3）随着故障达到稳态，转子电枢绕组中非周期分量衰减为零，恒值励磁电流将会引起转子电枢绕组中感应出基波和奇数次谐波电流，定子励磁绕组中感应出偶数次谐波电流。

研究人员提出的方法适用于任意核电多相环形无刷励磁机任意形式的转子电枢绕组短路故障的特征分析，为核电多相环形无刷励磁机转子故障的监测和保护提供了依据，可应用到核电多相环形无刷励磁机转子绕组短路故障保护的进一步研究中。

以上研究成果发表在2020年第6期《电工技术学报》，论文标题为“核电多相环形无刷励磁机转子绕组短路故障特征分析”，作者为郝亮亮、李佳慧、段贤稳、郭立雄、孙宇光、桂林。