发电机定子铁芯损伤假齿修复边界条件研究.docx

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1、定子铁芯是水轮发电机组的关键部件，它的状态直接影响发电机组的安全稳定运行，是水轮发电机长期安全稳定运行的重要保证。水轮发电机定子铁芯故障产生的原因较为复杂，它涉及到发电机的设计、制造、运行以及电磁力、机械力、热应力等多种因素。给发电机的安全运行带来隐患，甚至造成机组被迫停运，造成重大安全事故，给用户带来巨大损失。本文以发电机定子铁芯故障为切入点，对发电机定子铁芯损伤类型进行了详细的分类和研究。对定子铁芯故障可能带来的影响进行了分析，对当前主要的定子修复目标进行了总结并对定子铁芯的主要修复方式进行了介绍。在此基础上，针对当前水轮发电机组定子铁芯损伤后，采用假齿修复时的边界条件模糊的问题开展研究。

2、本文以某大型空冷水轮发电机组为例，采用有限元仿真计算的方法对定子铁芯假齿修复边界条件进行研究，建立了该发电机定子的二维电磁场整机分析模型和局部三维电磁场分析模型，研究了定子铁芯在不同损伤模型下对发电机定子磁场、定子绕组电压和电流等的影响，得到了不同铁芯损伤对设备相关参数的影响范围和趋势。以电磁场计算结果作为输入边界条件，对不同定子铁芯断齿情况进行了仿真分析，得到了故障对整体温度场的影响。对发电机定子铁芯在不同故障下的受力情况、励磁系统容量进行了仿真和复核，得到了铁芯故障对应力场和励磁系统的影响情况。最后，结合前述计算结果并进行归纳总结，得到了了定子铁芯齿部损伤的可修复边界条件，为水轮发电机组定

3、子铁芯损伤假齿修复边界提供了理论依据。关键词：水轮发电机，铁芯故障，修复条件。Keywords：ABSTRACT1.1 课题的研究背景与意义定子铁芯是水轮发电机的关键部件，也是水轮发电机主磁通的主要通路，定子铁芯的状态直接影响发电机的安全稳定运行，也是水轮发电机长期安全稳定运行的重要保证。近年来，随着水电行业的不断发展和装机容量的大幅增长，发电机电磁负荷和热负荷也随之提高，进而引起发电机振动以及温度升高，进一步加剧了发电机定子铁芯故障的发生。发电机铁芯故障发生较为复杂，它涉及到发电机设计、制造、运行以及电磁力、机械力、热应力等等多种因素。正常情况下，发电机在运行初期一般较少出现故障；但随着设备

4、的长期运行，定子铁芯在长期外力作用下逐渐出现铁芯松动和绝缘磨损，逐渐发展下去就会出现片间绝缘松动、局部损伤或铁芯片间短路等故障。进一步的，短路将会使得铁芯局部产生的涡流与主磁场交链，在一些极端情况下，很容易造成严重铁芯烧损事故。所以定子铁芯松动和片间短路是运行年久发电机的常见故障，其严重时甚至可能会导致铁芯烧损、断齿、割伤绕组绝缘以致引发定子绕组对地短路等严重事故。对于铁芯故障的处理，主要有以下几种方式。铁芯故障较轻的发电机仅需对局部铁芯作简单修复处理，检修工作相对容易。但如果故障比较严重或己经造成了绕组和铁芯的局部严重损坏，以当前的主要处理方式来看，就不得不更换一部分铁芯片，其检修工作量非常

5、大，涉及到拆除定子绕组和齿压板、重新叠片和下线等工作；此外，其造成的经济损失和修复难度远比单纯绝缘事故要严重得多。若能针对铁芯不同程度的损伤，采用相应且有效的修复措施，就能大大缩短抢修时间，大幅减少事故带来的影响。现在世界各国都积极研究延长发电机的使用寿命，而发电机的寿命不仅取决于绕组状况还取决于铁芯状况。由于铁芯不容易更换，它的故障、老化常常意味着更长的检修周期。定子铁芯故障的修复主要有以下几种方式。定子扫膛或定子绕组轻微短路故障对定子铁芯的损伤一般主要在齿部，可对铁芯齿部进行较为快速的修复。但是对于稍微严重一些的铁芯烧损故障，工程上通常有两种修复方式可供选择。一种是停机后整体更换铁芯，这种

6、方式修复效果好，但是周期长。另一种方式主要采用假齿或真齿代替被损坏的铁芯齿部，即进行铁芯的局部更换修复；这种方式主要用于应急修复，可通过切割故障部位后填充相同尺寸的假齿或真齿进行替代修复。但对于大型水轮发电机而言，定子铁芯的损伤后采用假齿或真齿修复对机组运行影响较大，其可修复的边界条件（损伤尺寸）也并不明确，因此有必要进行定子铁芯修复技术的可行性研究、铁芯可修复边界条件研究，为可能出现的故障处理决策提供可靠依据，为实现发电机定子铁芯故障快速处理能力提供技术储备。1.2 国内外研究现状1.2.1 水轮发电机定子铁芯常见损伤及其修复方法近年来，随着水力发电机技术的不断发展，相关新型结构、绝缘材料等

7、的应用和智能化技术的广泛普及，水轮发电机组已经由当初的几个兆瓦提高到几百兆瓦，目前最大的水轮发电机组已经达到100万千瓦。其中，现代大型水轮发电机定子线圈冷却方式有空气冷却、水冷却和蒸发冷却等类型；水冷却和蒸发冷却的定子线圈的冷却及散热条件较好，相应的定子电密可设计的更高。而且，随着绝缘性能的提升，发电机额定电压已经可达25万伏。大型水轮发电机的定子铁芯是由几十万片相互绝缘厚约0.30.5mm厚的硅钢片叠压而成，定子铁芯通过穿心螺杆和端部齿压板并借助定位筋等进行固定。通常的，定子铁芯损伤按损伤形式可分为机械损伤和烧熔损伤两种，其中机械损伤包括铁芯片断裂、表面擦刮、表面撞击，烧熔损伤可分为表面烧

8、熔、齿部烧熔、加部烧熔三类。对于常规的较为轻微的机械损伤或浅表性烧损等，这类损伤集中在定子铁芯齿部内圆表面及定子铁芯槽部表面，其修复方式较为简单，其核心的修复方法是通过物理剥离的方式使定子铁芯损伤处铁芯片不再相互粘连即可。对于严重的烧熔损伤（含齿部烧熔与枕部烧熔），由于其损毁严重，铁芯大多已经不具备前述简易修复条件。例如对于铁芯粗部损伤，由于其位置特殊，不便于手工处理，局部修复基本不可行。目前的公开案例中均采取了拆除旧铁芯并重新装压的方法进行修复。对于齿部烧熔损伤，指齿部截面完全熔掉或齿部长度方向损伤严重的情况，可考虑采取真齿修复（铁磁材料）与假齿修复（非铁磁材料）两种修复方式。1.2.2 水

9、轮发电机定子铁芯故障仿真研究情况国内外学者在发电机定子绕组故障仿真方面作了大量的工作，其中由于有限元仿真结果更加直观和精细，因此有限元法得到了越来越多的青睐。学者们通过不同的有限元分析软件研究了正常运行时不同电机结构参数和运行参数下，以及相间短路故障下多种电机对象的电磁力仿真结果。V.S.Lazams等的研究比较了比奥萨法尔法、2D有限元和3D有限元方法在发电机端部漏磁场分析中的结果，对比分析表明2D有限元法在结构优化方面性能更加优越，但2D有限元无法解决结构复杂的端部绕组受力问题。Ki-ChanKim等对比分析了比奥萨法尔法与3D有限元方法在端部绕组电磁力计算方面的性能，发现3D有限元对于分

10、析饱和磁场的端部绕组电磁力更加适用。目前，用于电磁分析的3D有限元软件种类繁多，借助有限元软件，学者们研究了不同电机对象的磁场及绕组电磁力。其中，YLiang等采用有限元方法计算了交流电机的定子绕组电磁力；文献16-19分析了大型水轮发电机的阻尼绕组、核能发电机端部绕组、变压器绕组、汽轮发电机端部绕组的电磁力密度场。仿真结果显示，电机运行状态和参数均会影响端部绕组的电磁力特性。而且，设备运行状态、转子转速、功率因素、定子饱和度、磁场分布、绕组连接方式和形状等也会影响端部绕组电磁力的数值。孔维星等的研究则分析发现相电流达到峰值时，汽轮发电机定子端部绕组电磁力在根部最大。与正常运行相比，故障状态下

11、的电磁力特性将产生变化，目前此方面的研究集中于对相间短路时定子绕组的电磁力特性分析。例如，文献23进行了电磁-结构耦合的三维有限元模型数值仿真分析，计算了三相突然短路时定子绕组最大电流，通过积分公式获得了端部绕组的电磁力密度分布；文献24以AnSyS为平台，以600MW发电机为仿真对象，分析了在三相短路电流激励下，端部绕组电磁力随绕组位置的变化。关于故障下的机械响应研究，主要集中于相间短路状态下的绕组应力、变形和振动。例如，陈伟梁等利用电机绕组结构、电流、磁场等的对称特性和矩阵摄动法，分析了定子绕组端部在各种相间短路时的平动、转动位移和模态；文献26将三相短路情况下随时间和空间变化的电磁力应用

12、于ABAQUS/CAE中建立的端部绕组三维有限元模型，分析了绕组的结构和材料参数对其应力、位移和模态的影响；吴疆等对汽轮发电机三相短路时定子绕组振动变形进行了数值计算；文献23则通过仿真得到了三相短路时端部绕组的静态应力和变形分布。以上的研究表明，采用有限元分析方法解决水轮发电机定子铁芯故障仿真是具备较高的可行性的。1.3 定子铁芯的典型损伤类型定子铁芯损伤按损伤原因可分为机械损伤和烧熔损伤两种，其中机械损伤包括断齿、表面擦刮和表面撞击等；烧熔损伤可分为表面烧熔、齿部烧熔和枕部烧熔三类。1.3.1 定子铁芯机械损伤介绍铁芯齿部断裂（断齿）由于铁芯片制造时漆膜质量偏差以及装压过程控制不完善，部分

13、机组在长期运行后，在发电机交变电磁力作用下，铁芯会出现松动现象。而由于铁芯受基频振动及倍频振动的影响，松动后会加剧铁芯片的振幅，导致铁芯片齿部产生疲劳断裂。断裂的铁芯片既有可能割破绕组造成定子接地，也有可能径向滑出割伤转子造成严重的扫膛事故。定子铁芯表面擦刮损伤定子铁芯表面擦刮损伤发生在机组扫膛时转动部件（如磁极铁芯，阻尼环、极间联接片拉紧螺杆或极间撑块等）与定子铁芯内表面发生剧烈摩擦，导致定子铁芯内圆齿部表面粘连、变形。定子铁芯表面撞击损伤定子铁芯表面撞击损伤也发生在扫膛过程中，该类损伤可能由转子上小部件脱落进入气隙而引起，由于机组高速旋转，脱落部件在气隙中反复弹跳，对定、转子表面造成大量局

14、部凹坑，直到脱落部件被甩出气隙。1.3.2 定子铁芯烧熔损伤介绍定子铁芯的烧熔多由定子绕组接地引起，由于机组绕组内电流大小及绕组接地原因的不同，其对定子铁芯的烧熔损伤程度也有差异。此外，定子铁芯片间粘连，穿心螺杆接地等都可能引起定子铁芯局部过热，最终造成定子铁芯烧熔的事故。按照铁芯烧损程度，可分为以下几种损伤类型。定子铁芯表面烧熔损伤定子铁芯表面烧熔发生在齿部的内圆或槽部表面，该类损伤属于烧熔损伤中较轻微的一种，多由绕组接地引起，损伤过程大致归纳为绕组接地，接地点烧熔,熔融物吹出造成通风槽和铁芯内圆表面污染。定子铁芯齿部烧熔损伤定子铁芯齿部烧熔多出现在容量较大的机组，该类机组定子绕组电流大，单

15、相接地或相间短路时破坏威力巨大，往往造成接地点及附近铁芯齿部大部或全部烧熔。定子铁芯扰部烧熔损伤定子铁芯钝部烧熔一般伴随着齿部烧熔出现，不过也有例外，近几年以抽水蓄能及灯泡贯流式机组为主的案例更多的是因穿心螺杆多点接地而引起。该类损伤发展过程为定位筋处铁芯片接通，穿心螺杆因振动或结构原因导致与定子铁芯间绝缘失效而发生接地，从而与定位筋、定子铁芯间形成回路，此外由于旋转磁场切割穿心螺杆而产生一定电势，从而在回路中产生有害电流，导致铁芯飘部严重发热，最终造成定子铁芯辗部烧熔事故。1.4 定子铁芯损伤影响1.4.1 支路环流及相间不平衡度铁芯损伤尤其是齿部局部损伤，会使烧损部位磁阻增大，通过损伤部位

16、槽中的磁通会相应减少，该部位定子绕组的感应电势也会较其他绕组低，由于支路电势的不平衡，则会在支路间引起环流并导致定子绕组的附加损耗增大，从而引起绕组发热。当铁芯损伤区域足够大时，相间电势的不平衡度也会超过相应标准规定的范围，进而导致横差保护动作并引起机组跳机，直接影响机组的安全稳定运行。1.4.2 局部铁芯磁密增加引起的损耗发热铁芯齿部局部损伤，会使铁芯的有效体积减小，从而使定子铁芯磁负荷增加,尤其是靠近损伤部位的铁芯。这也势必会引起局部铁芯损耗的增加，从而引起铁芯局部过热。1.4.3 电抗参数变化铁芯齿部局部损伤，会使相应部位磁路发生变化，引起局部磁通的变化，可能使电抗参数发生变化，这将进一步影响机组的稳定性，以及机组非正常运行时产生的冲击电流和转矩等。1.4.4 损耗增加铁芯局部损伤会产生新的磁场谐波，可