汽輪發電機斷股故障情況下電磁場和溫度場的計算與分析

【摘 要】本文就主要依據實例對汽輪發電機斷股故障情況下的電磁場和溫度場進行了計算和分析。采用構建模型和有限元法來對電磁場和溫度場的參數進行合理的計算，通過對前后斷股的情況進行分析，可以了解到交直軸的變化具體情況，將電磁分析作為計算的基礎，對熱源的分布情況進行合理的探究，從而得出斷股故障出現后，會對電機的溫度以及位置產生怎樣的影響。希望本文的探究能夠為相關的人員提供一定的參考。

【關鍵詞】汽輪發電機；斷股故障；電磁場；溫度場；計算

在汽輪發電機運行的過程中，會因為各種因素的影響，而導致其出現斷股的故障問題，而斷股故障的類型主要分為定子斷股以及定子繞組斷股等，在出現斷股故障的過程中，其會對汽輪發電機的安全運行產生較為嚴重的影響。本文就主要依據一個150MW的全空冷氣汽輪發電機在汽輪發電機斷股故障情況下的電磁場和溫度場的參數進行了計算研究，希望能夠通過建立模型的方式，得出電磁場和溫度場所具有的具體參數值。

1.定子斷股情況下的二維穩態電磁場

1.1汽輪發電機參數計算求解域的物理模型和數學模型

就這一150ME空冷氣汽輪電機而言，其內部的定子主要分為上下兩層繞組，并且應用的結構形式為不等股以及不等截面結構，在這一結構中，上部的繞組定子的纏繞方向主要是順著直徑的方向進行纏繞，所使用的股線達到了50根。而下部繞組中，定子的纏繞方向與上部相同，但是其所使用的股線僅有34根，在對該汽輪發電機參數進行計算和求解的過程中，需要在滿足實際情況的前提下，對出現的問題進行有效的轉化，如將三維的問題轉化為二維的問題，盡可能的將問題進行簡化處理，從而可以方便分析，針對電機電磁場進行分析和計算的過程中，就完全可以此阿勇有限元法進行分析和計算。

1.2不同股線斷股后電機內的電磁場

要想可以得出在股線出現斷股現象后，電機內部的電磁場會受到何種影響，就需要在電壓、功率額定的情況下，進行區域性的計算和求解。在對不同股線斷股后電機內的電磁場進行計算和分析時，本文主要選取了兩種方案，其一是電機內部上層的線棒出現了10根股斷裂的現象，其二就是電機內部的上層線棒上出現了15根股斷裂的現象。依據這兩種方案來展開計算，經過比較之后可以得出，無論是斷15根股還是斷10根骨，其對電機內部電磁場的影響都相同，而且磁場的分布情況也一致。另外，依據氣隙中心處的徑向磁通密度分布圖來進行探究，將氣隙中心位置的半徑當做是磁通的密度，利用諧波對其進行分解處理，在分解過后，可以得出在股線斷裂3根的時候基波的幅值參數。接下來，在對斷10根股以及15根股進行基波幅值的計算，可以得出無論是斷多少股，基波幅值都處于相似的狀態。

一般來說，進入槽口的徑向磁通密度對上層線棒頂部股線的影響可以不計。但是，對于大容量同步發電機，徑向磁通密度在上層線棒的頂部股線產生的損耗不可忽略，它會明顯地影響這些股線的局部溫升。因此，本文對進入定子齒槽的徑向磁通密度進行計算與分析。

根據相關文獻所述，斷3股時，進入斷股區域的兩個齒和相鄰的三個槽的徑向磁通密度的分布圖，由此可以清晰地顯示出進入齒部的磁力線多于進入槽部的磁力線。因為從氣隙進入定子齒槽的磁力線，有向著磁導率相對較大的齒部方向偏的趨勢。

1.3斷股后直交軸同步電抗的計算

在求出給定磁場的基礎上，得到各單元的磁阻率νe，保持所有單元的νe值不變，定子依次加上直軸和交軸磁動勢，分別求出對應的直軸、交軸磁場和相應的電抗，再加上定子端部漏抗，即可得到該工況下的xd和xq。根據文獻所述，電機工作時各相的飽和程度不同，進而各相的電抗值會有所差異。計算得到定子繞組斷3根股線時的直、交軸電抗值，交軸電抗的標準值為1.61。

表1給出了斷3股、10股、15股和不斷股情況下的直交軸同步電抗。

從表1中可以看出，斷股時直軸同步電抗相等，交軸同步電抗相等，且和額定狀態下的直交軸同步電抗近似相等。這種現象是由于定、轉子的電流值也基本不變，而電抗是與磁路結構有關系的量，所以電抗值基本不變。

2.定子繞組斷股狀態下定子溫度場的計算和分析

2.1基本假設和定子溫度場求解域的確定

本文主要是依據一個150MW的空冷汽輪發電機展開探究，該電機所采用的通風冷卻方式就是軸徑向通風冷卻，在對該通風系統進行設置的過程中，主要此阿勇的就是軸對稱的方式展開的設置，通過對軸向的半個鐵心段進行求解，可以有效的計算出汽輪發電機的定子溫度場以及定子三維溫度場周邊的齒距安置的范圍。依據這一點可以做出如下的假設：①在同一個定子槽中，上下兩個部分的繞組在溫度場上是相等的，而且通過的電流也是相同的；②可以將槽楔的寬度當做槽的寬度，在同一槽內部的熱性能和主絕緣處于相等的情況；③通風溝中齒和軛的表面、槽絕緣的外表面及軛背部與空氣接觸面的散熱系數分別取其分區域平均值。

2.2斷股狀態定子溫度場的數值計算與分析

在考慮斷股后基本鐵耗和空載時鐵心中附加損耗不變的情況下，參考150MW汽輪發電機電磁計算公式及相關文獻，確定變化后的渦流損耗和環流損耗，對電機定子溫度場進行計算與分析。根據相關文獻進行入風口風速計算，計算出的入風口風速為15.8m/s，將通風溝內流體的流速按線性變化處理，求出每段齒部和軛部的平均風速，根據相關文獻確定電機各部分的散熱系數。把上述散熱系數代入相關溫度場方程中，通過求解即可確定電機定子溫度的分布。就分析的結果可以了解到，額定情況下，線棒內排間絕緣兩側溫度對稱分布，斷股狀態下溫度分布與額定時溫度分布相比有一定的變化。斷股數越多，斷股狀態下線棒內溫度分布較額定時溫度分布變化更為明顯。上述現象主要是由于斷股后股線的銅耗和渦流損耗均發生了變化，且排間絕緣的導熱性不強，使斷股區域的股線沿周向方向的溫度出現了明顯變化。

對比各種情況下定子各部件的溫度，可以得出，斷股時股線的最高溫度和最低溫度均比未斷股時的要高，隨著斷股數的增多最低溫度也有可能出現在上層線棒，如斷15股的情況，而齒部和軛部的溫度變化不是很明顯。

3.結語

綜上所述，在汽輪發動機出現斷股故障問題的時候，其氣隙磁場的分布情況以及額定狀態不會出現較大的改變，而在不斷股的區域內部，飽和的程度相對來說要低一些，而電力抵抗值的大小卻無變化，而在出現斷股故障的情況下，溫度的分布會出現很大的改變，其會出現不對稱的分布現象，并且上層線棒的最高溫度值也會出現相應的變化，而且斷股的數量越多，則溫度值的變化越大，最高溫度的位置也會不斷的向槽底偏移。由此可以看出，對在斷股故障狀況下的汽輪發電機電磁場和溫度場進行分析和計算是尤為必要的。

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