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【摘 要】本文就主要依据实例对汽轮发电机断股故障情况下的电磁场和温度场进行了计算和分析。采用构建模型和有限元法来对电磁场和温度场的参数进行合理的计算，通过对前后断股的情况进行分析，可以了解到交直轴的变化具体情况，将电磁分析作为计算的基础，对热源的分布情况进行合理的探究，从而得出断股故障出现后，会对电机的温度以及位置产生怎样的影响。希望本文的探究能够为相关的人员提供一定的参考。
【关键词】汽轮发电机；断股故障；电磁场；温度场；计算
在汽轮发电机运行的过程中，会因为各种因素的影响，而导致其出现断股的故障问题，而断股故障的类型主要分为定子断股以及定子绕组断股等，在出现断股故障的过程中，其会对汽轮发电机的安全运行产生较为严重的影响。本文就主要依据一个150MW的全空冷气汽轮发电机在汽轮发电机断股故障情况下的电磁场和温度场的参数进行了计算研究，希望能够通过建立模型的方式，得出电磁场和温度场所具有的具体参数值。
1.定子断股情况下的二维稳态电磁场
1.1汽轮发电机参数计算求解域的物理模型和数学模型
就这一150ME空冷气汽轮电机而言，其内部的定子主要分为上下两层绕组，并且应用的结构形式为不等股以及不等截面结构，在这一结构中，上部的绕组定子的缠绕方向主要是顺着直径的方向进行缠绕，所使用的股线达到了50根。而下部绕组中，定子的缠绕方向与上部相同，但是其所使用的股线仅有34根，在对该汽轮发电机参数进行计算和求解的过程中，需要在满足实际情况的前提下，对出现的问题进行有效的转化，如将三维的问题转化为二维的问题，尽可能的将问题进行简化处理，从而可以方便分析，针对电机电磁场进行分析和计算的过程中，就完全可以此阿勇有限元法进行分析和计算。
1.2不同股线断股后电机内的电磁场
要想可以得出在股线出现断股现象后，电机内部的电磁场会受到何种影响，就需要在电压、功率额定的情况下，进行区域性的计算和求解。在对不同股线断股后电机内的电磁场进行计算和分析时，本文主要选取了两种方案，其一是电机内部上层的线棒出现了10根股断裂的现象，其二就是电机内部的上层线棒上出现了15根股断裂的现象。依据这两种方案来展开计算，经过比较之后可以得出，无论是断15根股还是断10根骨，其对电机内部电磁场的影响都相同，而且磁场的分布情况也一致。另外，依据气隙中心处的径向磁通密度分布图来进行探究，将气隙中心位置的半径当做是磁通的密度，利用谐波对其进行分解处理，在分解过后，可以得出在股线断裂3根的时候基波的幅值参数。接下来，在对断10根股以及15根股进行基波幅值的计算，可以得出无论是断多少股，基波幅值都处于相似的状态。
一般来说，进入槽口的径向磁通密度对上层线棒顶部股线的影响可以不计。但是，对于大容量同步发电机，径向磁通密度在上层线棒的顶部股线产生的损耗不可忽略，它会明显地影响这些股线的局部温升。因此，本文对进入定子齿槽的径向磁通密度进行计算与分析。
根据相关文献所述，断3股时，进入断股区域的两个齿和相邻的三个槽的径向磁通密度的分布图，由此可以清晰地显示出进入齿部的磁力线多于进入槽部的磁力线。因为从气隙进入定子齿槽的磁力线，有向着磁导率相对较大的齿部方向偏的趋势。
1.3断股后直交轴同步电抗的计算
在求出给定磁场的基础上，得到各单元的磁阻率νe，保持所有单元的νe值不变，定子依次加上直轴和交轴磁动势，分别求出对应的直轴、交轴磁场和相应的电抗，再加上定子端部漏抗，即可得到该工况下的xd和xq。根据文献所述，电机工作时各相的饱和程度不同，进而各相的电抗值会有所差异。计算得到定子绕组断3根股线时的直、交轴电抗值，交轴电抗的标准值为1.61。
表1给出了断3股、10股、15股和不断股情况下的直交轴同步电抗。
从表1中可以看出，断股时直轴同步电抗相等，交轴同步电抗相等，且和额定状态下的直交轴同步电抗近似相等。这种现象是由于定、转子的电流值也基本不变，而电抗是与磁路结构有关系的量，所以电抗值基本不变。
2.定子绕组断股状态下定子温度场的计算和分析
2.1基本假设和定子温度场求解域的确定
本文主要是依据一个150MW的空冷汽轮发电机展开探究，该电机所采用的通风冷却方式就是轴径向通风冷却，在对该通风系统进行设置的过程中，主要此阿勇的就是轴对称的方式展开的设置，通过对轴向的半个铁心段进行求解，可以有效的计算出汽轮发电机的定子温度场以及定子三维温度场周边的齿距安置的范围。依据这一点可以做出如下的假设：①在同一个定子槽中，上下两个部分的绕组在温度场上是相等的，而且通过的电流也是相同的；②可以将槽楔的宽度当做槽的宽度，在同一槽内部的热性能和主绝缘处于相等的情况；③通风沟中齿和轭的表面、槽绝缘的外表面及轭背部与空气接触面的散热系数分别取其分区域平均值。
2.2断股状态定子温度场的数值计算与分析
在考虑断股后基本铁耗和空载时铁心中附加损耗不变的情况下，参考150MW汽轮发电机电磁计算公式及相关文献，确定变化后的涡流损耗和环流损耗，对电机定子温度场进行计算与分析。根据相关文献进行入风口风速计算，计算出的入风口风速为15.8m/s，将通风沟内流体的流速按线性变化处理，求出每段齿部和轭部的平均风速，根据相关文献确定电机各部分的散热系数。把上述散热系数代入相关温度场方程中，通过求解即可确定电机定子温度的分布。就分析的结果可以了解到，额定情况下，线棒内排间绝缘两侧温度对称分布，断股状态下温度分布与额定时温度分布相比有一定的变化。断股数越多，断股状态下线棒内温度分布较额定时温度分布变化更为明显。上述现象主要是由于断股后股线的铜耗和涡流损耗均发生了变化，且排间绝缘的导热性不强，使断股区域的股线沿周向方向的温度出现了明显变化。
对比各种情况下定子各部件的温度，可以得出，断股时股线的最高温度和最低温度均比未断股时的要高，随着断股数的增多最低温度也有可能出现在上层线棒，如断15股的情况，而齿部和轭部的温度变化不是很明显。
3.结语
综上所述，在汽轮发动机出现断股故障问题的时候，其气隙磁场的分布情况以及额定状态不会出现较大的改变，而在不断股的区域内部，饱和的程度相对来说要低一些，而电力抵抗值的大小却无变化，而在出现断股故障的情况下，温度的分布会出现很大的改变，其会出现不对称的分布现象，并且上层线棒的最高温度值也会出现相应的变化，而且断股的数量越多，则温度值的变化越大，最高温度的位置也会不断的向槽底偏移。由此可以看出，对在断股故障状况下的汽轮发电机电磁场和温度场进行分析和计算是尤为必要的。
【参考文献】
[1]王红宇，罗应立，李和明，苏鹏声，王祥珩.耦合网络模型和有限元模型计算巨型水轮发电机定子温度场的比较研究[J].中国电机工程学报，2013（11）.
[2]刘书学，魏景生，蒋卫东，杨泽录，梁兆智，张健.220MW空冷汽轮发电机定子嵌线工艺研究[J].大电机技术，2012（04）.
[3]温志伟，傅德平，顾国彪.浸润式混合强迫内冷的蒸发冷却汽轮发电机定子三维温度场的仿真分析[J].电工电能新技术，2012（03）.
【关键词】汽轮发电机；断股故障；电磁场；温度场；计算
在汽轮发电机运行的过程中，会因为各种因素的影响，而导致其出现断股的故障问题，而断股故障的类型主要分为定子断股以及定子绕组断股等，在出现断股故障的过程中，其会对汽轮发电机的安全运行产生较为严重的影响。本文就主要依据一个150MW的全空冷气汽轮发电机在汽轮发电机断股故障情况下的电磁场和温度场的参数进行了计算研究，希望能够通过建立模型的方式，得出电磁场和温度场所具有的具体参数值。
1.定子断股情况下的二维稳态电磁场
1.1汽轮发电机参数计算求解域的物理模型和数学模型
就这一150ME空冷气汽轮电机而言，其内部的定子主要分为上下两层绕组，并且应用的结构形式为不等股以及不等截面结构，在这一结构中，上部的绕组定子的缠绕方向主要是顺着直径的方向进行缠绕，所使用的股线达到了50根。而下部绕组中，定子的缠绕方向与上部相同，但是其所使用的股线仅有34根，在对该汽轮发电机参数进行计算和求解的过程中，需要在满足实际情况的前提下，对出现的问题进行有效的转化，如将三维的问题转化为二维的问题，尽可能的将问题进行简化处理，从而可以方便分析，针对电机电磁场进行分析和计算的过程中，就完全可以此阿勇有限元法进行分析和计算。
1.2不同股线断股后电机内的电磁场
要想可以得出在股线出现断股现象后，电机内部的电磁场会受到何种影响，就需要在电压、功率额定的情况下，进行区域性的计算和求解。在对不同股线断股后电机内的电磁场进行计算和分析时，本文主要选取了两种方案，其一是电机内部上层的线棒出现了10根股断裂的现象，其二就是电机内部的上层线棒上出现了15根股断裂的现象。依据这两种方案来展开计算，经过比较之后可以得出，无论是断15根股还是断10根骨，其对电机内部电磁场的影响都相同，而且磁场的分布情况也一致。另外，依据气隙中心处的径向磁通密度分布图来进行探究，将气隙中心位置的半径当做是磁通的密度，利用谐波对其进行分解处理，在分解过后，可以得出在股线断裂3根的时候基波的幅值参数。接下来，在对断10根股以及15根股进行基波幅值的计算，可以得出无论是断多少股，基波幅值都处于相似的状态。
一般来说，进入槽口的径向磁通密度对上层线棒顶部股线的影响可以不计。但是，对于大容量同步发电机，径向磁通密度在上层线棒的顶部股线产生的损耗不可忽略，它会明显地影响这些股线的局部温升。因此，本文对进入定子齿槽的径向磁通密度进行计算与分析。
根据相关文献所述，断3股时，进入断股区域的两个齿和相邻的三个槽的径向磁通密度的分布图，由此可以清晰地显示出进入齿部的磁力线多于进入槽部的磁力线。因为从气隙进入定子齿槽的磁力线，有向着磁导率相对较大的齿部方向偏的趋势。
1.3断股后直交轴同步电抗的计算
在求出给定磁场的基础上，得到各单元的磁阻率νe，保持所有单元的νe值不变，定子依次加上直轴和交轴磁动势，分别求出对应的直轴、交轴磁场和相应的电抗，再加上定子端部漏抗，即可得到该工况下的xd和xq。根据文献所述，电机工作时各相的饱和程度不同，进而各相的电抗值会有所差异。计算得到定子绕组断3根股线时的直、交轴电抗值，交轴电抗的标准值为1.61。
表1给出了断3股、10股、15股和不断股情况下的直交轴同步电抗。
从表1中可以看出，断股时直轴同步电抗相等，交轴同步电抗相等，且和额定状态下的直交轴同步电抗近似相等。这种现象是由于定、转子的电流值也基本不变，而电抗是与磁路结构有关系的量，所以电抗值基本不变。
2.定子绕组断股状态下定子温度场的计算和分析
2.1基本假设和定子温度场求解域的确定
本文主要是依据一个150MW的空冷汽轮发电机展开探究，该电机所采用的通风冷却方式就是轴径向通风冷却，在对该通风系统进行设置的过程中，主要此阿勇的就是轴对称的方式展开的设置，通过对轴向的半个铁心段进行求解，可以有效的计算出汽轮发电机的定子温度场以及定子三维温度场周边的齿距安置的范围。依据这一点可以做出如下的假设：①在同一个定子槽中，上下两个部分的绕组在温度场上是相等的，而且通过的电流也是相同的；②可以将槽楔的宽度当做槽的宽度，在同一槽内部的热性能和主绝缘处于相等的情况；③通风沟中齿和轭的表面、槽绝缘的外表面及轭背部与空气接触面的散热系数分别取其分区域平均值。
2.2断股状态定子温度场的数值计算与分析
在考虑断股后基本铁耗和空载时铁心中附加损耗不变的情况下，参考150MW汽轮发电机电磁计算公式及相关文献，确定变化后的涡流损耗和环流损耗，对电机定子温度场进行计算与分析。根据相关文献进行入风口风速计算，计算出的入风口风速为15.8m/s，将通风沟内流体的流速按线性变化处理，求出每段齿部和轭部的平均风速，根据相关文献确定电机各部分的散热系数。把上述散热系数代入相关温度场方程中，通过求解即可确定电机定子温度的分布。就分析的结果可以了解到，额定情况下，线棒内排间绝缘两侧温度对称分布，断股状态下温度分布与额定时温度分布相比有一定的变化。断股数越多，断股状态下线棒内温度分布较额定时温度分布变化更为明显。上述现象主要是由于断股后股线的铜耗和涡流损耗均发生了变化，且排间绝缘的导热性不强，使断股区域的股线沿周向方向的温度出现了明显变化。
对比各种情况下定子各部件的温度，可以得出，断股时股线的最高温度和最低温度均比未断股时的要高，随着断股数的增多最低温度也有可能出现在上层线棒，如断15股的情况，而齿部和轭部的温度变化不是很明显。
3.结语
综上所述，在汽轮发动机出现断股故障问题的时候，其气隙磁场的分布情况以及额定状态不会出现较大的改变，而在不断股的区域内部，饱和的程度相对来说要低一些，而电力抵抗值的大小却无变化，而在出现断股故障的情况下，温度的分布会出现很大的改变，其会出现不对称的分布现象，并且上层线棒的最高温度值也会出现相应的变化，而且断股的数量越多，则温度值的变化越大，最高温度的位置也会不断的向槽底偏移。由此可以看出，对在断股故障状况下的汽轮发电机电磁场和温度场进行分析和计算是尤为必要的。
【参考文献】
[1]王红宇，罗应立，李和明，苏鹏声，王祥珩.耦合网络模型和有限元模型计算巨型水轮发电机定子温度场的比较研究[J].中国电机工程学报，2013（11）.
[2]刘书学，魏景生，蒋卫东，杨泽录，梁兆智，张健.220MW空冷汽轮发电机定子嵌线工艺研究[J].大电机技术，2012（04）.
[3]温志伟，傅德平，顾国彪.浸润式混合强迫内冷的蒸发冷却汽轮发电机定子三维温度场的仿真分析[J].电工电能新技术，2012（03）.