【摘 要】本文就主要依據(jù)實例對汽輪發(fā)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(gòu)建模型和有限元法來對電磁場和溫度場的參數(shù)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(chǔ)，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(xiàn)后，會對電機的溫度以及位置產(chǎn)生怎樣的影響。希望本文的探究能夠為相關(guān)的人員提供一定的參考。

【關(guān)鍵詞】汽輪發(fā)電機；斷股故障；電磁場；溫度場；計算

在汽輪發(fā)電機運行的過程中，會因為各種因素的影響，而導(dǎo)致其出現(xiàn)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(xiàn)斷股故障的過程中，其會對汽輪發(fā)電機的安全運行產(chǎn)生較為嚴重的影響。本文就主要依據(jù)一個150MW的全空冷氣汽輪發(fā)電機在汽輪發(fā)電機斷股故障情況下的電磁場和溫度場的參數(shù)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(shù)值。

1.定子斷股情況下的二維穩(wěn)態(tài)電磁場

1.1汽輪發(fā)電機參數(shù)計算求解域的物理模型和數(shù)學(xué)模型

就這一150ME空冷氣汽輪電機而言，其內(nèi)部的定子主要分為上下兩層繞組，并且應(yīng)用的結(jié)構(gòu)形式為不等股以及不等截面結(jié)構(gòu)，在這一結(jié)構(gòu)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(fā)電機參數(shù)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(xiàn)的問題進行有效的轉(zhuǎn)化，如將三維的問題轉(zhuǎn)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(nèi)的電磁場

要想可以得出在股線出現(xiàn)斷股現(xiàn)象后，電機內(nèi)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(qū)域性的計算和求解。在對不同股線斷股后電機內(nèi)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(nèi)部上層的線棒出現(xiàn)了10根股斷裂的現(xiàn)象，其二就是電機內(nèi)部的上層線棒上出現(xiàn)了15根股斷裂的現(xiàn)象。依據(jù)這兩種方案來展開計算，經(jīng)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(nèi)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(jù)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(shù)。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(tài)。

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(fā)電機，徑向磁通密度在上層線棒的頂部股線產(chǎn)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(jù)相關(guān)文獻所述，斷3股時，進入斷股區(qū)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(dǎo)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(chǔ)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(yīng)的直軸、交軸磁場和相應(yīng)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(jù)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(tài)下的直交軸同步電抗近似相等。這種現(xiàn)象是由于定、轉(zhuǎn)子的電流值也基本不變，而電抗是與磁路結(jié)構(gòu)有關(guān)系的量，所以電抗值基本不變。

2.定子繞組斷股狀態(tài)下定子溫度場的計算和分析

2.1基本假設(shè)和定子溫度場求解域的確定

本文主要是依據(jù)一個150MW的空冷汽輪發(fā)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(tǒng)進行設(shè)置的過程中，主要此阿勇的就是軸對稱的方式展開的設(shè)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(fā)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(jù)這一點可以做出如下的假設(shè)：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(nèi)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(shù)分別取其分區(qū)域平均值。

2.2斷股狀態(tài)定子溫度場的數(shù)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(fā)電機電磁計算公式及相關(guān)文獻，確定變化后的渦流損耗和環(huán)流損耗，對電機定子溫度場進行計算與分析。根據(jù)相關(guān)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(nèi)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(jù)相關(guān)文獻確定電機各部分的散熱系數(shù)。把上述散熱系數(shù)代入相關(guān)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(jié)果可以了解到，額定情況下，線棒內(nèi)排間絕緣兩側(cè)溫度對稱分布，斷股狀態(tài)下溫度分布與額定時溫度分布相比有一定的變化。斷股數(shù)越多，斷股狀態(tài)下線棒內(nèi)溫度分布較額定時溫度分布變化更為明顯。上述現(xiàn)象主要是由于斷股后股線的銅耗和渦流損耗均發(fā)生了變化，且排間絕緣的導(dǎo)熱性不強，使斷股區(qū)域的股線沿周向方向的溫度出現(xiàn)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(shù)的增多最低溫度也有可能出現(xiàn)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(jié)語

綜上所述，在汽輪發(fā)動機出現(xiàn)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(tài)不會出現(xiàn)較大的改變，而在不斷股的區(qū)域內(nèi)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(xiàn)斷股故障的情況下，溫度的分布會出現(xiàn)很大的改變，其會出現(xiàn)不對稱的分布現(xiàn)象，并且上層線棒的最高溫度值也會出現(xiàn)相應(yīng)的變化，而且斷股的數(shù)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(fā)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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