空冷水轮发电机端部电磁场分析计算
高压水轮发电机定子绕组端部电晕产生原因分析和电场计算
高压水轮发电机定子绕组端部电晕产生原因分析和电场计算文章对高压水轮发电机长期运行后发现的定子绕组端部电晕产生原因进行了分析，并通过有限元方法对定子绕组端部电场进行了数值计算。
模拟计算了定子绕组端部在机组实际安装过程中表面绑扎结构及表面绝缘漆不规则形状对局部电场强度的增强作用，并提出消除定子端部绕组电晕的方法。
标签：紫外成像技术；定子绕组端部；电晕放电；不均匀电场计算大型水轮发电机机组容量不断增大，定子绕组额定电压不断升高。
已经建成运行的大型空冷水轮发电机容量达到700MW，额定电压达到18-20kV。
空冷机组定子绕组端部绝缘为定子线棒主绝缘，定子绕组端部绑扎结构及定子绕组周围空气共同组成，因为空气的介电常数小于定子绕组端部其它绝缘材料，所以定子绕组端部电压的升高将首先在空气中产生放电现象。
空气中放电的初始状态一般称为电晕发电。
GB/T 7894-2009中规定额定电压为6000V及以上的水轮发电机，当使用地点在海拔高度为4000m及以下时，其定子单个线棒（线圈）应在 1.5倍额定线电压下不起晕；整机耐电压时，在1.05倍额定线电压下，端部应无明显的金黄色亮点和连续晕带。
近年来国内外开展用紫外线成像技术检测电晕放电状况，紫外成像技术的应用可以避免传统方法引入的肉眼误差，使测量结果更加精确，便于定量分析放电强度。
大型高压水轮发电机设计、制造、安装、运行、维护过程中定子绕组绝缘表面状态不规则的电场分布，都可能形成电晕放电。
空气中局部电场场强大于其起始放电场强，空气中产生电晕放电。
1 定子绕组端部电晕实例及原因分析水电站700MW大型水轮发电机在运行一年后，检修时发现其定子绕组端部表面出现不同程度的放电情况，每隔八根线棒中有两根线棒放电较严重。
在定子绕组上分相施加19.8kV工频交流电压并采用紫外成像仪对定子绕组进行了检测，可见明显紫外线发生，局部产生紫外线强烈。
由于定子绕组出现放电痕迹部位集中在线棒间电位差较大处，说明定子绕组电晕产生前提是线棒间电位差达到一定值。
水轮发电机定子绕组内部故障暂态电流的计算方法分析
水轮发电机定子绕组内部故障暂态电流的计算方法分析摘要：内部故障暂态仿真计算对于快速继电保护而言是非常重要的，直接影响着继电保护设备功能的及时发挥，关系着设备的运行安全。
本文主要针对水轮发电机定子绕组内部故障暂态电流的计算问题，采用场路耦合法对其进行了讨论和阐述。
关键词：水轮发电机；定子绕组；内部故障；暂态电流；计算方法1 前言水轮发电机是指以水轮机为原动机，将水能转化为电能的发电机，是水电站生产的主要动力设备。
伴随着经济全球化的发展，能源危机成为各国关注的重点问题，我国作为一个人口大国，能源形势尤其严峻。
对此，政府部门提出了可持续发展的理念，加大了对于绿色可再生能源的开发力度，水能也因此成为一种重要的能源形式，受到了社会各界的广泛关注。
需要注意的是，水轮发电机作为水电站生产的主要动力设备，其定子绕组一旦出现内部故障，会造成巨大的破坏力，不仅会影响发电机的正常运行，甚至可能影响整个电力系统的稳定和发展。
因此，在水轮发电机组，必须配置合理有效的主保护方案，及时对机组的内部故障进行检测和处理。
一般来讲，要求发电机主保护在故障后一个周波左右动作，而此时电机的正处于过渡过程中，因此，需要对定子绕组内部故障暂态电流进行准确计算，以保证主保护的正常动作。
2 水轮发电机定子绕组内部故障场路耦合模型水轮发电机一般情况下结构相对庞大，要想建立切合实际的三维电磁场有限元模型几乎是不可能的，因此，在对其定子绕组内部故障进行分析时，通常都会建立场路耦合模型，将求解区域分割为场、路两个部分，在方便计算的同时，也可以使得计算结果更加准确真实。
2.1 电路方程这里结合发电机惯例，假定定子各相绕组通过正向电流，产生负值磁链，励磁绕组通过正向电流，产生正值磁链，则电机回路电压方程为：（1）其中，U、I、分别代表回路电压、电流以及磁链，是N维列向量（N表示总回路数），R表示回路电阻矩阵，是N阶方阵。
回路电流与线圈电流满足下列关系Ib=GI （2）其中G代表所有线圈支路与回路的关联矩阵。
700MW全空冷水轮发电机定子三维流场和温度场特征分析
分 布 。 其 对 固体 导 热 微 分 方 程 的 求 解 可 以 归 为
一
发 电机 全 空 冷冷 却 方 式 以其 简 单 可靠 的结 构 、 方 便 的维护 检修 和低 廉 丰富 的冷 却介质 而 受到 越来 越 多业 主 的青 睐 。就 水 轮 发 电机 而 言 ， 全 空冷 方 式 已经 在 ６ ０ ０～ ７ ０ ０ ＭＷ 等级 水 轮 发 电机 上 得 到 了成
设 计 与 研 究
上 海 大 中 型 电机
７ ０ ０ ＭＷ 全 空冷 水 轮 发 电机 定 子 三 维 流 场 和 温 度 场 特征 分 析
王 超， 刘 传 坤
６ １ ８ ０ ０ ０ ）
（ 东 方 电机有 限公 司 ， 四川 德 阳
摘
要 ：根据某 ７ ０ ０ ＭＷ 全空冷 水轮发电机定子实际结构 和尺寸 ， 基于有 限体 积法 ， 对其 三维 流场和温
度场进行 了数值仿真计算 ， 并对定子风沟 内速度 、 表面传热 系数及压 力分布和定子各部件 问的热量传 递
规律等重要特征作 了分析 ， 得到 了一些有规律 的结论 。 关键词 ：全空冷水轮发 电机 ； 定子流场 ； 温度场 ； 速度； 表面传热 系数 ； 压力 ； 热量传 递
０ 引言
位 置 上 的基 本 物 理 量 （ 如速 度 、 压力、 温 度等 ） 的
一
致性 ， 在 此基 础 上 就 定 子 风 沟 内速 度 、 表 面 传 热
基 于 有 限 体 积 法 的 数 值 仿 真 在 发 电 机 通 风 冷 却 分 析 中 的 应 用 可 以 帮 助 电 机 工 程 师 在 产 品
设 计 阶段 对 冷 却 系 统 进 行 仿 真 模 拟 和 结 构 优 化
大型水轮发电机空载电压波形及谐波分析方法研究
大型水轮发电机空载电压波形及谐波分析方法研究王韬;李金香;张春莉【摘要】利用运动时变场路耦合方法分析了一台水轮发电机的空载电压.该种方法相对于传统解析法更为精确,并能考虑定、转子间的运动,也能考虑转子阻尼条的涡流.这种方法对大型水轮发电机空载电压波形的分析和谐波分析有很重要的价值.【期刊名称】《上海大中型电机》【年(卷),期】2018(000)002【总页数】5页(P1-5)【关键词】水轮发电机;空载电压波形;谐波分析;场路耦合【作者】王韬;李金香;张春莉【作者单位】水力发电设备国家重点实验室,黑龙江哈尔滨 150040;哈尔滨电机厂有限责任公司,黑龙江哈尔滨 150040;水力发电设备国家重点实验室,黑龙江哈尔滨150040;哈尔滨电机厂有限责任公司,黑龙江哈尔滨 150040;水力发电设备国家重点实验室,黑龙江哈尔滨 150040;哈尔滨电机厂有限责任公司,黑龙江哈尔滨150040【正文语种】中文0 引言在大型水轮发电机中，由于凸极同步电机的凸极效应，定转子间的偏小气隙以及每极每相槽数较少等原因，造成了发电机的空载电压中往往包含高次谐波。
这就需要设计人员合理的设计，避免高次谐波影响电压波形，从而保证电能的质量。
空载线电压全谐波畸变因数(THD)是水轮发电机的重要性能指标，它直接反映了电压波形的正弦性和谐波情况。
谐波不仅会在电机中产生损耗、影响效率，还会在用电设备上产生附加损耗，使其效率降低及对临近的通讯设备产生干扰。
国家标准GB/T 7894《水轮发电机基本技术条件》和GB/T 1029《同步电机试验方法》中对空载线电压全谐波畸变因数(谐波次数为100次)进行了说明并明确了限值不大于5%，空载线电压电话谐波因数(谐波次数为100次)限值不大于1.5%。
对于空载电压波形的研究，开始一直是采用解析法进行计算[1]，这种方法从机理上解释了对空载电压波形的影响因素，但是对于阻尼条涡流效应以及偏心磁极和定子斜槽等因素是比较难考虑的。
巨型全空冷水轮发电机的实践和体会
第 ３ 卷 第 ５期 Ｏ
２０ ０ ７年 １ Ｏ月
水 电 站 机 电 技 术
Ｍｅｈｎ ａ ＆ Ｅｅｔｃｌ ｅｈ ｉ ｅｏ Ｈｙｒｐｗ ｒ ｔｔｎ ｃａｉｌ ｃ ｌ ｒａ Ｔ ｃｎ ｕ ｆ ｄｏｏ ｅ ａｏ ｃｉ ｑ Ｓ ｉ
Ｖ ｏ１ Ｏ Ｎ Ｏ ．３ ．５ ０ｃ ． ０７ ｔ ２０
０ 前 言
２０ ０ ７年是 ， 继龙 滩水 电站首 台 ７ ０ＭＷ 全 空 冷 巨 型水 ０
式 在该 容量 等级 时 的冷 却 效 果 ， 于 国外 制 造 厂家 鉴 的经验 和 已有 的制造 工 艺 ， 终 确定 采 用 半 水冷 却 最 方 式 而不考 虑全 空冷方 式 。这是受 当时 技术水 平和 全 世界 为数 不 多 的工 程 实 践 （ 大 古 力 Ⅲ厂 、 泰 如 伊 普 、 彦舒 申斯 克 、 拉 斯 诺 雅 尔 斯 克 等 电站 发 电 萨 克
立 研 发 、 进 技 术 消 化 吸 收 再 创 新 ， 上 中 国 人 的 勤 引 加
奋和智 慧 ， 国水轮 发 电机 制 造业 终 于实 现 了跨 越 我
的成 功之路 ， 得 了三 峡 右 岸和 龙 滩 电站全 空 冷 电 获 机投 运成 功 的丰硕 成 果 。 当前 在 中 国 ， 除三 峡 右 岸
出 了 一 条 中 国 特 色 的 全 空 冷 电 机 设 计 、 造 与 安 装 制
明 ， 中国 已开 创 了世 界 上 单机 容 量 最 大 的全 空 冷 在 水 轮发 电机运行 的新 时代 。 上 述投 产 的全 空 冷 电机 ， 过一 段 时 间 的运行 经 考核 ， 尤其 是 三 峡 右 岸 ２ ６号 机 经 较 全 面 的 电气 参 数、 温升 、 通风 、 振动 、 度及 主要 结构部 件 变形等 测 摆 试试 验 ， 明其设 计 、 造 和 安装 是 成 功 的 ， 过 自 表 制 通
汽轮发电机断股故障情况下电磁场和温度场的计算与分析
《汽轮发电机断股故障情况下电磁场和温度场的计算与分析》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。
大型水轮发电机温度场与热应力分析
大型水轮发电机温度场与热应力分析摘要：当前水轮发电机单机发电容量不断增大，其热负荷以及电磁负荷也越来越大。
因此对水轮发电机热应力和温度场的分析研究成为当务之急。
水轮发电机产生短路故障后转子磁极热应力交变也更为复杂，研究发现与短路发生位置以及短路匝数之间都存在较大关系。
文章分析了大型水轮发电机转子磁极热应力，以期帮助相关工作人员分析水轮发电机匝间短路问题，为优化解决方案提供参考。
关键词：水轮发电机；热应力；电磁损耗大型水轮发电机往往热负荷较大、磁通密度较高。
过高的温度会对绕组造成影响，导致绕组损坏和发电机结构件热应力增加,对机组的运行有着直接影响，当热应力超出合理范围会导致机组安全运行受到威胁。
为此对水轮发电机不同工况下热应力与温度分布的研究，能够帮助相关工作人员预测大型水轮发电机热应力对结构的损害程度,方便对其进行优化。
对探究大型水轮发电机的散热系统的设计以及排查故障方面具有重要作用。
一、大型水轮发电机电磁建模及温度场分析（一）水轮发电机的电磁建模以某大型水轮发电机为例，其发电机参数如表1所示。
大型水轮发电机组有着径向宽度大、轴向高度低的特点，通常我们忽略水轮发电机的机组电磁场顶端效应,沿轴向进行均匀分布则能够将其简化为2D结构模型进行研究。
表1水轮发电机参数机组周期为对称结构，最小周期的对称数为4个磁极，相对应33个定子绕组与齿槽子。
为了达到简化计算增强其仿真精确程度，仅仅只选择这中间最小的单位完成仿真计算。
从而建立起周期最小的对称单元的2D仿真电磁分析模型。
（二）边界以及激励设置水轮发电机模型是电磁分析中最小的单元模型，仅仅占据了全部水轮发电机模型的十六分之一。
仿真全模型的电磁特性要在小单元模型的两侧扇形部分增设主从边界，因此在进行仿真边界计算的过程中，主从边界可以使计算的最终结果沿轴自动向周期性进行对称分布。
发电机的定子外径设有边界-诺依曼边界,这种边界能够限制电机内部的磁通密度。
直流电流对发动机的转子绕组进行激励，其输出端能够使用外接电路进行激励，定子绕组的外接电路可应对两种不同工况。
百万千瓦级汽轮发电机内电磁场的有限元分析计算
百万千瓦级汽轮发电机内电磁场的有限元计算分析赵伟1，咸哲龙2，李立军2（1上海电气电站设备有限公司发电机厂；2上海电气电站技术研究与发展中心）摘要：本文首先介绍了有限元的基本原理，然后以上海发电机厂QFSN型1000 MW级隐极式汽轮发电机作为分析模型，应用有限元分析软件ANSYS对其进行了磁场分析，其结果与设计值比较吻合。
关键词：汽轮发电机；电磁场；有限元引言电机是机械能转换为电能或电能转换为机械能的主要设备。
为了进行能量转换，电机内必须要有磁场或电场作为耦合场。
当转子旋转时，耦合场受到扰动，磁场及其贮能发生变化，电枢绕组内就会产生感应电势，转子上则将受到电磁力的作用，于是机械能就转换为电能或电能转换为机械能。
要研究电机内的能量转换机制，必须清楚电机内的磁场分布。
因此，研究电机中的电磁场对电机的分析和设计非常重要。
随着科学技术的发展，发电设备的容量不断增加，设备不断大型化。
目前，国内二极汽轮发电机最大单机容量已经达到1000MW。
为进一步提高发电机设计的可靠性，要求对电机中电磁场进行更深入的分析和计算。
目前，随着电子计算机发展，以有限元方法为代表的数值分析方法有了很大的进步，其使用范围超过了以往其他各种方法。
1 有限元法有限元法是近似求解数理边值问题的一种数值技术。
这种方法大约有40年的历史。
它首先在上世纪40年代被提出，在50年代开始用于飞机设计。
目前，作为广泛应用于工程和数学问题的一种通用方法，有限元方法已相当著名[1]。
有限元法是以变分原理为基础的一种数值计算方法。
应用变分原理把要求解的边值问题转化为相应的变分问题，利用对区域D的剖分、插值，将变分问题离散化为普通多元函数的极值问题。
进一步得到一组多元的代数方程组，求解得到所求边值问题的数值解。
电机中电磁场问题一般归结为偏微分方程的边值问题。
有限元法首先从偏微分方程的边值问题出发找出一个称为能量泛函的积分式，令其在满足第一类边界条件的前提下取极值，构成条件变分问题。