大型燃气透平发电机绕组端部事故的预防措施

徐佩伟

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

发电机的容量比较大时，定子绕组内的电流也很大。定子绕组端部是复杂的渐开线结构形式，使端部产生很大的漏磁场。这个旋转的漏磁场与定子电流相互作用，产生很大的交变力。尤其是在发电机发生三相短路时，所受到的电动力冲击远大于额定状态，经常引起发电机定子绕组“线棒”端部的振动并导致绝缘的磨损和绝缘击穿事故，给发电机的安全运行带来很大的隐患。在国内外有关大型发电机发生事故的调查分析报告中，特别强调了这种端部振动故障模式是事故发生率最多的。因此，大型汽轮发电机绕组端部的设计及端部电动力的准确计算、优化和精确的预测，是预防事故发生的重要措施。由于采用三维有限元法对350 MW大型燃气轮发电机定子绕组端部磁场进行了准确的计算分析，并在此基础上精确地计算了定子绕组端部所受到的电动力，解决了在几何建模、有限元离散等方面的困难，提高了端部电动力的计算精度，更为大型透平发电机定子绕组端部的结构设计提供了依据，为实现该机的全部国产化打下基础，最重要的还是能够防止运行事故的发生。

1 计算分析方法

额定功率为350 MW的这种大型燃气轮发电机，主要参数如下:额定容量为411.764 MVA;额定电压为20 kV;额定电流为11.886 kA;额定频率为50 Hz;功率因数为0.85;极数为2;并联支路数为3;定子“槽数”为72;接线形式为Y;节距为1－30。

大型透平发电机定子绕组端部承受电动力的计算，曾经先后采用过下述3种方法:(1)经验公式法:计算切向力时，主要取决于电流 、周期和定子铁心“槽数”。(2)数值积分法:即“毕奥－萨伐”定律。(3)三维有限元法:即本文采用的数值分析方法。

计算分析的步骤如下:(1)前处理:即建立端部磁场的数学模型和物理模型，并充分考虑了各种结构的具体形式和材料特性的影响。(2)磁场计算:采用数值法对端部磁场进行计算。(3)后处理:利用麦克斯韦应力法对定子绕组端部电动力进行分析计算。

在研究过程中，充分考虑到了端部“线棒”的实际形状以及各种结构件非线性电磁特性的影响，建立了端部磁场的数学模型与物理模型，并利用数值法对燃气轮发电机的三维端部“涡流场”、“静态场”以及三相“突然短路”时的电动力进行了计算，取得了精确的数字结果。此外，还以三相交变的电流源作为激励源，分析计算了在该激励源的作用下，上述产品的定子绕组端部的磁场分布、端部截面的磁场分布、“压指”的磁通密度分布、铜屏蔽内表面的磁通密度、铜屏蔽涡流的电流密度等(见图1)。

图1 透平发电机定子端部轴向截面的磁通密度分布

2 “涡流场”电动力

采用“涡流场”计算时，所求出的损耗和电动力等结果均表现为1个周期内的平均值，而且涡流场中还考虑到了结构件的涡流对端部磁场的影响，使端部磁场的计算分析结果更接近于实际情况。下面提供了在“涡流场”作用下的定子绕组端部承受电动力最大值(绝对值)的计算结果。

2.1 最大值

上层和下层“线棒”端部电动力的计算结果表明:上层“线棒”端部的电动力最大值约为300 N，而下层约为220 N。上层和下层的最大峰值都是位于定子内圆的1/6处，均匀分布。

2.2 上层的分量

上层定子线棒“端部”的电动力各分量最大值如下:径向约为(－100 N+0 N);切向约为(－120 N+170 N);轴向约为(－45 N+190 N)。各分量的最大峰值和谷值也是发生在位于定子内圆的1/6处，均匀分布，而且3个分量最大值的位置相同。

2.3 下层的分量

下层定子线棒“端部”的电动力各分量最大值如下:径向约为(－20 N+150 N);切向约为(－150 N+60 N);轴向约为(－40 N+150 N)。各分量的最大峰值和谷值也是位于定子内圆的1/6处，均匀分布，而且3个分量最大值的位置相同。但是其幅值要比上层的小。

2.4 上层A相

在上层定子绕组端部A“相带”的第一个“线棒”，沿轴向伸出约为220 mm处，承受的电动力约为460 kN(以“电流密度与磁通密度之积”计算时)。

2.5 下层 A相

在下层定子绕组端部A“相带”的第一个“线棒”，沿轴向伸出约为1080 mm处，承受的电动力要比上层的小，约为200 kN(以“电流密度与磁通密度之积”计算时)。

计算结果证明，各个“线棒”端部所承受的电动力平均值如下:上层“线棒”在21～291 N之间，而下层“线棒”为25～211 N。上层“线棒”的受力远大于下层。

3 静态磁场电动力

采用静磁场计算时，激励源为某一时刻绕组电流的瞬时值，因此，电动力应为瞬时值，它可以反映某一时刻定子绕组端部电动力的情况。

根据前面建立的实体模型，采用有限元法求解了发电机在额定负载电流下三维定子绕组端部的静态磁场，并进一步求取端部“线棒”所受到的瞬时电动力。

3.1 最大值

定子上、下层“线棒”端部的电动力如下:上层定子线棒“端部”的电动力最大值约为900 N;下层定子线棒“端部”的电动力最大值约为750 N。上层和下层的最大峰值都是发生在位于定子内圆的1/2处，也是均匀分布。但是应当注意:在静态磁场下的这个“1/2”处，与前面“涡流场”时的“1/6”处不同。

3.2 上层的分量

上层定子线棒“端部”的电动力各分量 最大值如下:径向约为(－20 N+270 N);切向约为(－390 N+680 N);轴向约为(－340 N+580 N)。各分量的最大峰值和谷值也是位于定子内圆的1/2处，均匀分布，而且承受3个分量最大值的位置相同。

3.3 下层的分量

下层定子线棒“端部”的电动力各分量最大值如下:径向约为(－20 N+240 N);切向约为(－580 N+320 N);轴向约为(－300 N+480 N)。各分量的最大峰值和谷值也是位于定子内圆的1/2处，均匀分布，而且承受3个分量最大值的位置相同。

3.4 上层A相

在上层定子绕组端部A“相带”的第一个“线棒”，沿轴向伸出约为210 mm处，承受的电动力约为600 kN(以“电流密度与磁通密度之积”计算时)。

3.5 下层 A相

在下层定子绕组端部A“相带”的第一个“线棒”，沿轴向伸出约为1000 mm处，承受的电动力要比上层的小，约为175 kN(以“电流密度与磁通密度之积”计算时)。

计算结果表明，当额定负载时所有线棒的电动力瞬时值:上层“线棒”在102～880 N之间，下层“线棒”在90～751 N之间。

4 突然短路电动力

空冷350 MW汽轮发电机发生三相突然短路时，其短路电流可达额定负载下的8.586倍。定子绕组端部承受电动力的“短时”冲击很大，给发电机的安全运行带来很大的隐患，为给电机设计提供准确的理论依据，计算了当发电机定子发生三相突然短路时，定子各线棒的端部电动力情况。

4.1 最大值

定子上、下层“线棒”端部的电动力如下:上层定子线棒“端部”的电动力最大值约为38 kN;下层定子线棒“端部”的电动力最大值约为34500 N。上层和下层的最大峰值都是发生在位于定子内圆的1/2处，也是均匀分布。

4.2 上层的分量

上层定子线棒“端部”的电动力各分量最大值如下:径向约为(－5 kN+2 kN);切向约为(－16 kN+28 kN);轴向约为(－16 kN+26 kN)。各分量的最大峰值和谷值也是位于定子内圆的1/2处，均匀分布，而且承受3个分量最大值的位置相同。

4.3 下层的分量

下层定子线棒“端部”的电动力各分量最大值如下:径向约为(－4 kN+2 kN);切向约为(－25 kN+16 kN);轴向约为(－17 kN+24 kN)。各分量的最大峰值和谷值也是位于定子内圆的1/2处，均匀分布，而且承受3个分量最大值的位置相同。

4.4 上层A“相带”

在上层定子绕组端部A“相带”的第一个“线棒”沿轴向伸出约为210 mm处，承受的电动力约为22500 kN(以“电流密度与磁通密度之积”计算时)。

4.5 上层 A相分量

在上层定子绕组端部A“相带”的第一个“线棒”承受的电动力分量如下:径向约为－5 MN(绕组端部沿轴向伸出约为1250 mm处)+7 MN(沿轴向伸出约为210 mm处);切向约为 －12.5(沿轴向伸出约为210 mm处)～+23 MN(沿轴向伸出约为210 mm处);轴向约为 －7 MN(沿轴向伸出约为1000 mm处，以“电流密度与磁通密度之积”计算时)。

计算结果表明:当定子绕组发生三相突然短路时，绕组端部承受的电动力最大值可达额定负载时的43倍。

5 结语

(1)大型透平发电机端部的非线性电磁特性、端部磁场的数学模型与物理模型的建立，取得端部电动力的精确计算结果。

(2)大型透平发电机定子绕组端部受力状况的精确预测，能够预防运行事故的发生。

(3)开发的计算程序、数学模型、物理模型、计算结果等，虽然是针对燃气轮发电机的，但是它们同样也适用于火电站的汽轮发电机和蒸汽－燃气联合循环电站的透平发电机。