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【摘要】大型汽轮发电机定子端部绕组及其结构的安全性与可靠性直接影响着整个机组和电网的工作状况而电磁力激发下绕组结构的振动是导致端部事故的主要原因因此对定子端部绕组的振动问题进行研究以便为工程实际提供更加合理的设计方案具有非常重要的意义。
【关键词】汽轮发电机 定子端部绕组 振动 电磁固体效应 主共振
【中图分类号】0327 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）04-0436-01
在现代社会中，电能是人们生产和生活中最必需、最重要的能源。因此，机电耦联系统涉及到广泛的工农业生产和科学技术领域，在国民经济发展中占有重要的地位。
1、背景
目前，火力发电和水力发电是电能的主要来源，约占全社会总动力能源的90以上，而原子能发电等高新技术也在逐渐引起人们的重视。随着现代科技的发展，为了合理地利用能源、提高经济效益、保护环境、更好地满足人们生产生活的需要，国内外电力系统日益向大机组、超高压和远距离输电方向发展。因此，电网容量不断增大，单机容量也在随之加大，发展迅速。五十年代，汽轮发电机的单机容量为10-20万千瓦，六十年代就发展到30、50万千瓦；最近几年，140万千瓦的大型汽轮发电机在国外已投产运行。我国的电力行业发展也很迅速，到1998年发电机组总装机容量和年发电量均居世界第二位，60万千瓦的汽轮发电机也已投产运行；此外，正在研制世界上最大的70万千瓦水轮发电机，2003年将在长江三峡水电站并网运行。可见，发电机的大容量、大输出是未来发展的必然趋势，必将推动国民经济的迅速发展。
电站的规模在扩大，电网的结构变得越来越复杂，保证机组、电网等安全稳定运行问题就显得尤为重要。世界上一些大电网曾相继发生过以电压崩溃为特征的电网瓦解事故，导致大面积停电，造成巨大的经济损失和社会紊乱。因此，电力系统及其机组的稳定问题引起了世界各国的广泛关注。
随着汽轮发电机组及水轮发电机组向超大型发展，特别是高压、大电流的进一步提高，会产生强大的磁场和电场。机组在强大的磁场、电场作用下会使定转子系统的机电耦联振动、稳定性及动强度出现新问题，同时也使得发电机定子端部绕组的磁固耦合振动和动力稳定性等问题尤为突出。
大型汽轮发电机端部绕组是一组庞大的载电流体，运行时这种载流导体在端区强大电磁场环境中将产生很大的电磁力，进而产生相应的振动。若发电机设计、制造工艺、安装及运行中存在问题，会带来安全生产的隐患，严重时会导致事故的发生。
汽轮发电机定子端部绕组及其结构件引发的事故在国内外时有发生。50年代末到60年代初，美、英、法、苏等国在20万千瓦级机组投入运行后，首次检修时均陆续发现定子端部绕组由于松动引起绝缘磨损甚至漏铜击穿等事故，引起人们很大震动，迫使几个主要制造厂家花了很大本钱对定子绕组的固定问题进行了研究。新南威尔士电厂在1971-1973年投入运行的4台汽轮发电机，其中3台在1981年的8个月内相继在端部发生事故，随后的试验中发现频谱中含有100Hz的固有频率成分，该频率是导致端部铜线疲劳断裂和损伤绝缘的主要原因。1987年10月我国哈尔滨某发电厂的20万千瓦1号机在运行中突然短路，定子端部线圈绝缘被击穿；短路部位在汽机侧c相9号线圈与A相10号线圈的鼻部接头绝缘盒处，9号线圈烧断实心导线10股，10号线圈烧断铜线25股。此外，非短路相的B相25号线圈对内端盖放电，c相20号线圈绝缘盒局部脱落，漏出铜线。该机于1988年3月又出现汇水管处20几个螺帽在运行中退扣，致使氢漏至内冷水内。1988年1月该电厂的2号机在运行中发生B、c相相间短路事故；其中B相25、26号线圈水接头烧毁。故障修复后仅十余天，事故再次发生，且励磁机侧汇水管烧出一个洞。1987年1月陡河发电厂的20万千瓦7号机在励磁机侧端部A、B两相引线处发生相间短路；运行后于同年5月再次出现相间短路；定子端部线圈被烧坏。1989年6月，该机多次发现内冷水箱中含有氢气，之后发现汽机侧3、4号线棒因绑扎及垫块松动，绝缘磨损几乎漏铜，并且3号上线棒端头铜箍内一根空心导线断裂等现象。
近些年来，事故的发生仍在不断进行。陕西渭河电厂的30万千瓦双水内冷汽轮发电机曾发生定子绕组端部的压板螺杆和固定支架松动，以及引线间绝缘垫块脱落卡入线棒间而振动磨损线棒绝缘等现象。该厂还有一台发电机才运行5、6年，就出现端部空心导线振裂喷水，造成三相短路、烧损线棒等现象。类似的定子端部事故在国内其它一些电厂中也时有发生。
2、发电机定子端区电磁特性与绕组动力学问题研究概述
2.1 端区磁场的研究
因定子端部结构比较复杂，对其磁场问题的研究还没有非常精确的解法。经过学者们几十年的研究工作，在对端部磁场的求解方法上主要形成了两大类，即解析法和数值计算法。
2.2 端部绕组电磁力的研究
随着发电机单机容量的增加，定子端部绕组所受的电磁力也在随之增大。在正常运行时，电磁力将导致绕组的振动和绝缘的磨损，而在发生短路时，电磁力将成倍增大，危及电网的安全。
因此，人们对绕组所受电磁力的研究工作一直在进行着，力求从中找到解决问题的办法。
2.3 端部绕组的振动问题
大型汽轮发电机在稳态运行时，定子端部绕组的振动主要由两部分组成，最主要的是载电流绕组在端区磁场中受到电磁力的作用，从而激发两倍系统频率100Hz的振动；另外还有绕组随定子铁心承受转子磁拉力而引起的振动，该振动的频率仍以两倍系统频率为主。可见，若定子绕组端部的固有频率接近于100Hz，将会在运行中产生共振现象或比较大的振动。众多事故分析表明，发电机定子绕组端部的振动是导致线圈绝缘磨损、绕组疲劳断裂、结构件破坏等现象，进而引发事故的主要原因。
由于大型汽轮发电机端部绕组及其固定结构极为复杂，又处于复杂的端部空间磁场中，其振动的力学模型及电磁场描述的模型都是较复杂的问题。多年来，国内外学者一直致力于这方面的理论与实验研究工作，为此问题的解决做了不懈的努力。
3、电磁固体动力学及应用
随着现代高新科学技术的迅速发展，电磁结构在众多高科技装置与设备中得到了广泛的应用。如：航空航天、化工和核工业装置的防护系统，超导发电机和超导蓄能装置，大型发电机装置，高速磁悬浮列车，微电子集成电路和电磁传感器等。在这些装置中，各结构件在电磁场环境中的力学行为直接影响着系统运行的安全性与可靠性，正是为解决这些工程实际问题的需要，在近三十年中形成了一门新兴的交叉学科，即电磁固体力学。电磁固体力学是研究电磁场同变形场的耦合，即研究在弹性固态物质中，电磁场和变形场相互作用的理论。该理论是在弹性理论和电动力学理论的基础上发展起来的。当弹性体位于电磁场环境中时，一方面弹性体在所受电磁力的作用下将产生相应的变形；另一方面弹性体的变形又导致体内及周围电磁场的改变，进而影响着弹性体本身的变形。两个场相互作用、相互影响，有时还会出现热效应等现象，形成了机械、磁、电、热相互作用的耦合机制。
结束语
本文概述了大型汽轮发电机定子端区电磁特性与绕组动力学问题研究的成果和存在的问题以及电磁固体动力学理论的研究及工程应用。
【关键词】汽轮发电机 定子端部绕组 振动 电磁固体效应 主共振
【中图分类号】0327 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）04-0436-01
在现代社会中，电能是人们生产和生活中最必需、最重要的能源。因此，机电耦联系统涉及到广泛的工农业生产和科学技术领域，在国民经济发展中占有重要的地位。
1、背景
目前，火力发电和水力发电是电能的主要来源，约占全社会总动力能源的90以上，而原子能发电等高新技术也在逐渐引起人们的重视。随着现代科技的发展，为了合理地利用能源、提高经济效益、保护环境、更好地满足人们生产生活的需要，国内外电力系统日益向大机组、超高压和远距离输电方向发展。因此，电网容量不断增大，单机容量也在随之加大，发展迅速。五十年代，汽轮发电机的单机容量为10-20万千瓦，六十年代就发展到30、50万千瓦；最近几年，140万千瓦的大型汽轮发电机在国外已投产运行。我国的电力行业发展也很迅速，到1998年发电机组总装机容量和年发电量均居世界第二位，60万千瓦的汽轮发电机也已投产运行；此外，正在研制世界上最大的70万千瓦水轮发电机，2003年将在长江三峡水电站并网运行。可见，发电机的大容量、大输出是未来发展的必然趋势，必将推动国民经济的迅速发展。
电站的规模在扩大，电网的结构变得越来越复杂，保证机组、电网等安全稳定运行问题就显得尤为重要。世界上一些大电网曾相继发生过以电压崩溃为特征的电网瓦解事故，导致大面积停电，造成巨大的经济损失和社会紊乱。因此，电力系统及其机组的稳定问题引起了世界各国的广泛关注。
随着汽轮发电机组及水轮发电机组向超大型发展，特别是高压、大电流的进一步提高，会产生强大的磁场和电场。机组在强大的磁场、电场作用下会使定转子系统的机电耦联振动、稳定性及动强度出现新问题，同时也使得发电机定子端部绕组的磁固耦合振动和动力稳定性等问题尤为突出。
大型汽轮发电机端部绕组是一组庞大的载电流体，运行时这种载流导体在端区强大电磁场环境中将产生很大的电磁力，进而产生相应的振动。若发电机设计、制造工艺、安装及运行中存在问题，会带来安全生产的隐患，严重时会导致事故的发生。
汽轮发电机定子端部绕组及其结构件引发的事故在国内外时有发生。50年代末到60年代初，美、英、法、苏等国在20万千瓦级机组投入运行后，首次检修时均陆续发现定子端部绕组由于松动引起绝缘磨损甚至漏铜击穿等事故，引起人们很大震动，迫使几个主要制造厂家花了很大本钱对定子绕组的固定问题进行了研究。新南威尔士电厂在1971-1973年投入运行的4台汽轮发电机，其中3台在1981年的8个月内相继在端部发生事故，随后的试验中发现频谱中含有100Hz的固有频率成分，该频率是导致端部铜线疲劳断裂和损伤绝缘的主要原因。1987年10月我国哈尔滨某发电厂的20万千瓦1号机在运行中突然短路，定子端部线圈绝缘被击穿；短路部位在汽机侧c相9号线圈与A相10号线圈的鼻部接头绝缘盒处，9号线圈烧断实心导线10股，10号线圈烧断铜线25股。此外，非短路相的B相25号线圈对内端盖放电，c相20号线圈绝缘盒局部脱落，漏出铜线。该机于1988年3月又出现汇水管处20几个螺帽在运行中退扣，致使氢漏至内冷水内。1988年1月该电厂的2号机在运行中发生B、c相相间短路事故；其中B相25、26号线圈水接头烧毁。故障修复后仅十余天，事故再次发生，且励磁机侧汇水管烧出一个洞。1987年1月陡河发电厂的20万千瓦7号机在励磁机侧端部A、B两相引线处发生相间短路；运行后于同年5月再次出现相间短路；定子端部线圈被烧坏。1989年6月，该机多次发现内冷水箱中含有氢气，之后发现汽机侧3、4号线棒因绑扎及垫块松动，绝缘磨损几乎漏铜，并且3号上线棒端头铜箍内一根空心导线断裂等现象。
近些年来，事故的发生仍在不断进行。陕西渭河电厂的30万千瓦双水内冷汽轮发电机曾发生定子绕组端部的压板螺杆和固定支架松动，以及引线间绝缘垫块脱落卡入线棒间而振动磨损线棒绝缘等现象。该厂还有一台发电机才运行5、6年，就出现端部空心导线振裂喷水，造成三相短路、烧损线棒等现象。类似的定子端部事故在国内其它一些电厂中也时有发生。
2、发电机定子端区电磁特性与绕组动力学问题研究概述
2.1 端区磁场的研究
因定子端部结构比较复杂，对其磁场问题的研究还没有非常精确的解法。经过学者们几十年的研究工作，在对端部磁场的求解方法上主要形成了两大类，即解析法和数值计算法。
2.2 端部绕组电磁力的研究
随着发电机单机容量的增加，定子端部绕组所受的电磁力也在随之增大。在正常运行时，电磁力将导致绕组的振动和绝缘的磨损，而在发生短路时，电磁力将成倍增大，危及电网的安全。
因此，人们对绕组所受电磁力的研究工作一直在进行着，力求从中找到解决问题的办法。
2.3 端部绕组的振动问题
大型汽轮发电机在稳态运行时，定子端部绕组的振动主要由两部分组成，最主要的是载电流绕组在端区磁场中受到电磁力的作用，从而激发两倍系统频率100Hz的振动；另外还有绕组随定子铁心承受转子磁拉力而引起的振动，该振动的频率仍以两倍系统频率为主。可见，若定子绕组端部的固有频率接近于100Hz，将会在运行中产生共振现象或比较大的振动。众多事故分析表明，发电机定子绕组端部的振动是导致线圈绝缘磨损、绕组疲劳断裂、结构件破坏等现象，进而引发事故的主要原因。
由于大型汽轮发电机端部绕组及其固定结构极为复杂，又处于复杂的端部空间磁场中，其振动的力学模型及电磁场描述的模型都是较复杂的问题。多年来，国内外学者一直致力于这方面的理论与实验研究工作，为此问题的解决做了不懈的努力。
3、电磁固体动力学及应用
随着现代高新科学技术的迅速发展，电磁结构在众多高科技装置与设备中得到了广泛的应用。如：航空航天、化工和核工业装置的防护系统，超导发电机和超导蓄能装置，大型发电机装置，高速磁悬浮列车，微电子集成电路和电磁传感器等。在这些装置中，各结构件在电磁场环境中的力学行为直接影响着系统运行的安全性与可靠性，正是为解决这些工程实际问题的需要，在近三十年中形成了一门新兴的交叉学科，即电磁固体力学。电磁固体力学是研究电磁场同变形场的耦合，即研究在弹性固态物质中，电磁场和变形场相互作用的理论。该理论是在弹性理论和电动力学理论的基础上发展起来的。当弹性体位于电磁场环境中时，一方面弹性体在所受电磁力的作用下将产生相应的变形；另一方面弹性体的变形又导致体内及周围电磁场的改变，进而影响着弹性体本身的变形。两个场相互作用、相互影响，有时还会出现热效应等现象，形成了机械、磁、电、热相互作用的耦合机制。
结束语
本文概述了大型汽轮发电机定子端区电磁特性与绕组动力学问题研究的成果和存在的问题以及电磁固体动力学理论的研究及工程应用。