大型进口旋转无刷励磁机组旋转二极管不导通监测系统技术研发及应用

大型进口旋转无刷励磁机组旋转二极管不导通监测系统技术研发及应用彭劲涛1，牟伟2，向明1，白亮1，罗彬11.华能重庆珞璜发电有限责任公司，重庆市江津区珞璜镇4022832.南京南瑞继保工程技术有限公司，江苏南京江宁经济技术开发区211106摘要：我国上世纪八十年代，为了满足社会日益增长的电力需求，同时尽快提高国产的发电设备生产技术，成套进口了很多国外进口发电机组及其控制系统，这些机组的技术先进、运行可靠性高，在当时发挥了很重要的作用。

经过二十多年的运行后，这些机组的辅机及控制系统，因元器件老化，故障率越来越高。

但因年代久远，很多元件国外厂家也已停产，如需向国外原厂采购，外方的条件非常苛刻，首先必须到达一定的采购数量，其次专门组织生产，单价非常高，甚至高达当时工程价的数十倍。

本文针对法国阿尔斯通公司的300MW旋转无刷励磁机组，其旋转二极管不导通监测系统，国内没有现成的能够替代它的产品。

跟阿尔斯通联系购买备件，价格非常昂贵。

在这种形势下，电厂只能进行该系统的国产化技术研发，与有很强研发实力的公司联合，以便能够研发并生产出替代进口系统的产品。

本文介绍了华能重庆珞璜发电有限责任公司与南京南瑞继保工程技术有限公司合作，对法国阿尔斯通进口旋转无刷励磁机组旋转二极管不导通监测系统进行研发，介绍了研发思路和研发过程，解析了谐波分析原理，最终形成了定型产品，产品通过动模试验。

最终的研发成果在华能重庆珞璜发电有限责任公司的#2机组上得到应用，经过近一年的使用，证明运行稳定可靠。

关键字：无刷励磁；旋转二极管不导通监测；谐波分析1引言随着大功率电力电子技术的发展，简单、耐用、高效、可靠的不可控硅整流器和可控硅整流器为大功率的现代励磁系统提供了可行性。

半导体励磁就是为适应电力系统的发展而出现的励磁方式。

随着励磁技术的发展，无刷励磁方式取消了静止励磁方式中的碳刷和滑环，不存在滑动接触导致的发热和磨损问题，也就不需要进行这些元件的维护工作；不易产生火花，也消除了碳粉、铜沫引起的电机绕组污染问题；无刷励磁技术较好地解决了大容量机组励磁电流过高所带来的一系列问题，在大中型机组或工矿环境复杂的中小机组励磁中存在优势。

无刷励磁系统主要由交流励磁机、旋转整流器、交流励磁机的励磁源以及检测保护装置组成。

在无刷励磁系统中，核心部分就是旋转整流器，其主要器件是整流二极管。

为了保证无刷励磁系统能正常工作，必须保证旋转整流器工作在正常状态，当旋转整流器的二极管发生故障，如二极管支路熔断器熔断、二极管断路，二极管直通导致熔断器熔断，旋转整流器故障检测装置应能够迅速将故障检测出来，并且能快速准确地诊断出故障类型，使保护动作快速准确，避免整个发电系统故障扩大。

2国内外研究水平综述为保证发电机的安全可靠运行，最近二十余年来世界很多国家都致力于在线检测和诊断技术的研究，并逐步推广到实际的应用。

自八十年代以来的国际大电网会议的历届年会中，发电机的故障检测和诊断一直列为旋转电机委员会的中心议题之一。

自上世纪后期以来，发电设备的在线检测与故障诊断系统的研究、开发有了长足发展。

目前国内外实现旋转二极管故障检测的主要技术方案有以下几种：一、在励磁机定子励磁绕组与旋转电枢绕组极间加装感应电势探测线圈。

旋转整流器在正常及故障运行情况下，均会在探测线圈中产生相应谐波次数及幅值的感应电势。

通过对探测线圈感应电势信号的分析处理，识别旋转整流器处于正常或故障状态。

但是探测线圈需嵌放在励磁机的内部，甚至需对励磁机进行改造。

在安装探测线圈时，会比较困难，工艺要求较高，而且在运输过程中也容易造成探测线圈的错位松动、损坏线圈，故在实际应用中较少采用。

二、突变量检测方法。

突变量检测方法通常采用检测故障旋转整流二极管电流的突变量对电机铁心磁通的影响，检测出铁心磁通的突变量，从而判断旋转整流二极管故障。

这种方法适用范围小。

对于多相整流旋转二极管，由于相数较多，当某一相故障时，对电机铁心磁通影响较小，通常无法区分故障工况引起的磁通变化与励磁电流正常调节引起的磁通变化，因而无法正确判断旋转整流二极管故1障。

三、脉冲计数方法。

脉冲计数方法采用在电机底座上安装感应器，旋转整流二极管支路有电流流过且旋转经过感应器时，在感应器中感生脉冲波形，对感应器的脉冲进行计数，从而判断出旋转二极管故障后没有电流流过的情况的发生。

因为感应器稳定性差，包括感应器受碰撞而移位导致测量不准确，感应器（霍尔器件）本身受油污、灰尘污染而造成信号失真等等，因而该方法误动率或拒动率都较高。

国外无刷励磁机组中的旋转二极管非导通检测系统DNC即采用该方法。

四、基于励磁机励磁电流频谱分析的旋转整流器故障特征识别方法。

该方法直接采集励磁机励磁电流，通过对旋转整流器不同工作状态下励磁电流频谱分布特征来识别旋转整流器故障状态，此方法诊断结果准确、可靠。

但是励磁电流中含有很大的直流分量，在正常运行时，高次谐波相对于直流分量的量值很小。

当采取此方法进行故障诊断，对信号隔直采集处理等检测方法需细致研究。

3现有DNC系统的不足法国阿尔斯通公司（ALSTOM）的旋转二极管非导通检测系统（DNC），采用在励磁机内定子侧安装的霍尔传感探头，对流过旋转二极管支路的电流进行检测，3个检测通道采取“三取二”的逻辑判断模式。

当发生一个二极管开路故障时，检测系统发信；两个二极管故障时检测系统跳机。

该检测系统存在以下缺点或不足：1）二极管非导通检测系统（DNC）的薄弱环节在于其传感器探头（CAPT），在长期运行过程中传感器输出信号波形会逐渐劣化畸变，国内已有多次见于文献报道的DNC报警或误动的情况；必须要定期的对传感探头进行动态情况下的输出波形分析，以便及时发现和更换有波形劣化畸变趋势的传感器，防止检测系统误判。

造成维护工作量较大。

2）传感器探头的接头处有油污渗入时也会影响传感器输出信号质量，这也对传感器的维护检修提出较高的要求；3）在励磁机检修安装中，也需要对传感器探头非常小心，否则在转子拉出和推进过程中很容易碰撞损坏探头；4）备品备件价格昂贵、更换维护成本高。

4研发新DNC的理论依据4.1理论依据概述新研发的旋转整流二极管故障检测技术是采用基于励磁机励磁电流谐波频谱的分析方法检测旋转整流二极管的运行状态。

该方法的主要原理是以励磁机定子励磁绕组本身作为探测线圈，通过检测励磁机励磁电流谐波成分及大小，实时计算励磁机励磁电流谐波特征量，判断旋转整流二极管的运行状态。

检测系统通过分流器通道与感应线圈通道同时检测计算励磁电流谐波特征，提高了对旋转整流器状态检测的可靠性。

珞璜电厂同南瑞继保公司合作，借助清华大学的仿真平台，对无刷励磁机及旋转整流二极管系统进行了理论分析，分析了正常运行状态和典型故障状态下的谐波磁势、谐波电流的原理特征，并建立了数学模型进行计算机仿真。

通过理论分析和仿真计算结果分析，可以掌握旋转整流二极管在正常状态下和不同故障发生后的行为和特征；这些行为和特征为检测方法的实现和检测判据的设计提供了理论依据和指导，也从理论上证明了基于励磁机励磁电流谐波频谱的分析方法以实现旋转整流二极管的运行状态检测研究的可行性。

由于励磁机励磁电流含有很大的直流电流分量，且电流中特定次数的谐波成分含量非常小，准确提取出励磁电流中的谐波成分是该课题研究所面临的技术难点；另外找出正常和故障状态下的故障特征量，设计出可靠的故障判据，准确区分正常运行状态和不同的故障状态，也是该项目的技术特点。

4.2谐波特征的理论分析理论分析以多相旋转整流器－无刷励磁机系统为研究对象，首先以电枢电流为基础分别对旋转整流器正常运行以及故障运行情况下的多相励磁机电枢电流进行分析，其次对旋转整流器正常运行以及故障运行情况下励磁绕组感应电势的谐波进行分析，得到其谐波特征，为识别旋转整流器故障提供了理论依据。

下图1所示为多相无刷励磁机及旋转整流系统示意图。

无刷励磁系统的交流励磁机与旋转整流器相联，整流器的负载是发电机的励磁绕组，可以看作是一个大电感，直流电流可以看成是恒定的直流。

二极管作为整流器件时，如果忽略换相过程，在理想状况下，交流励磁机的电枢电流是矩形波。

23图1多相无刷励磁机及旋转整流系统示意图对旋转整流器正常运行时各相电枢电流进行分析，可知正常运行时，励磁机电枢电流波形对称于横轴，为2π周期，经傅立叶分解可知，不含偶次谐波分量以及直流分量。

由于电枢绕组为对称的11相绕组，电枢电流不含11次谐波分量。

因此正常运行时的励磁机电枢电流只存在基波以及除11次以外的奇数次谐波分量。

4.3系统仿真模型建立多相无刷励磁机及其旋转整流系统数学模型的阶数比较高，数学模型比较复杂。

多回路方法以单个线圈为参数计算单元，可以对磁场谐波进行比较准确的计算，适合作为计算机仿真的数学模型。

准确计算磁场谐波是对多相无刷励磁机及其旋转整流系统正确仿真的关键，而传统的分析方法一般主要考虑气隙磁场的空间基波，特别是当整流绕组的每极每相槽数为分数次时，气隙磁场的空间谐波比较大，因此主要考虑气隙磁场基波的传统分析方法不适合于以谐波计算为主要目标的研究。

多回路方法以单个线圈为参数计算单元，可以考虑各次磁场谐波，还可以组成以相绕组为基础的电磁关系。

多相无刷励磁机可以看作具有相对运动的定子回路和转子回路,而电机的绕组是由单个线圈组成的电路。

4.4系统仿真结果下面给出多相无刷励磁机及整流系统在旋转整流器正常以及几种典型故障情况下的仿真结果。

1）旋转二极管整流器正常运行时的仿真结果如图2所示为旋转二极管整流器正常运行时的励磁电流波形。

由图可知，在旋转整流器正常运行时，励磁电流波动非常小，这对励磁机本身以及主发电机励磁都有好处。

对其进行FFT 分析后可知：励磁机正常运行时励磁电流中主要含有22次谐波，而奇数次谐波几乎不存在，22次谐波也远远高出2、4等偶数次谐波分量。

图2整流器正常运行时的励磁电流波形2）旋转二极管整流器一臂断路运行时的仿真结果旋转整流器一臂断路故障是常见的一种故障，如图3所示为一臂断路运行时的励磁电流波形。

从图3可知，一臂断路时励磁电流发生了小的畸变，一个周期出现一个畸变波头。

畸变波头主要是由于断路的二极管引起的。

另外，对比正常时以及一臂断路时的负载电流可以得知，一臂断路后，励磁机仍可以正常供给主发电机提供所需要的励磁电流。

对图3波形进行FFT 分析后可知：励磁机一臂断路运行时励磁电流中除了含有22次谐波外，还主要含有基波以及2、3、4、5、6、7、8等次谐波分量。

同旋转整流器正常运行时不同，基波以及1、2、3等次谐波含量接近或大于22次谐波含量。

分析结果同前述3.2.3的理论分析结果完全一致。

图3旋转整流器一臂断路运行时的励磁电流波形3）旋转整流器一臂短路运行时的仿真结果旋转整流器一臂短路故障也是常见的一种故障，如图4所示为一臂短路运行时的励磁电流波形。