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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
17、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，可能会使电压电流波形产生畸变，并使电机内的附加损耗增加，进而影响电机的运行效率。1.4.5 定子绕组发热铁芯局部损伤，会导致气隙磁阻分布不均匀，从而在定子绕组内产生环流附加损耗，引起绕组发热。此外，若采用假齿填充修复，对于空冷机组，会使铁芯损伤部位定子绕组的传热环境变差，引起定子绕组过热；对于定子水冷机组，则影响较小。1.4.6 影响出力铁芯局部损伤，会导致气隙磁阻变大，从而使定子绕组感应电势降低，机组出力相应会有所减小。如果要维持机组出力，则需要增加励磁电流，若励磁电流增加过多
18、，则会引起转子绕组过热或超过励磁系统的设计容量。1.4.7 结构异常铁芯局部损伤会引起局部磁路发生变化，进而引起铁芯局部受力发生变化，进而引起定子绕组和铁芯的受力异常及形变。1.5 损伤修复方法发电机定子铁芯的状态直接影响到整台发电机组的安全可靠运行。出现定子铁芯损伤后，如果对定子铁芯进行完全更换将需要200天左右时间，其社会影响和经济损失都是巨大的。出于减少社会影响及经济损失的目的，国内的检修及制造厂家均针对不同类型的铁芯事故进行过不同方式的修复。从修复工艺角度而言,所有定子铁芯损伤修复均需实现如下三个目标，即定子铁芯片间不粘连，定子铁芯片间压力不降低，定子绕组槽部可有效固定。修复方法主要分
19、为铁芯表面修复、假齿修复及真齿修复三种。1.5.1 铁芯表面修复当转子上小型金属部件飞出或副蹭定子铁芯时，会在发电机定子铁芯表面形成小坑陷及摩擦痕迹，此时，采用铁芯表面修复，铁损试验合格即可。铁芯表面修复一般应用于直径在56mm（阶梯铁芯阶梯高度）以下的铁芯表面损伤，即对损伤铁芯进行局部整型，主要修复过程为使用小刀或前端锋利的工具挑开片间粘连的毛刺，使铁芯片间明显分开，再将片间清理干净并重新处理片间绝缘。1.5.2 假齿修复当转子上大型部件飞出，或定子绕组与定子铁芯间产生接地电弧电流时，会使铁芯齿部严重损毁或烧蚀。针对此种情况，结合以往机组事故处理经验，可采用假齿修复的方案。假齿修复一般用于齿
20、部严重损伤的修复：在对损坏部位切割、去毛刺并重新处理片间绝缘后，为了加固铁芯，采用绝缘材料对割去的定子铁芯进行粘贴修补。假齿一般采用高强度层压玻璃布板压制而成，由于本身就是绝缘件，所以不存在将上下侧铁芯片导通的风险。此外，层压玻璃布板强度约200300MPa,加工难度低，获取方便且已广泛应用于定子铁芯松动的工程处理中，是较为理想的假齿制作材料。1.5.3 真齿修复当铁芯齿部损伤部位过大，采用假齿修复后局部磁密过高，导致铁损试验无法合格时，需要进行安装真齿并重新拆叠装铁芯片。只有损伤部位在最上端时，可以利用真齿块进行修复。该方法优点是材质与定子铁芯一致，电磁上影响较假齿更小。缺点是真齿修复块与其
21、余铁芯间有间隙，若固定不好会发生摩擦，导致片间短路。此外，公开文献中尚无成功应用的工程案例可以参考，未知风险较大。当定子铁芯损伤极为严重，或者经评估无法采取其他方式进行修复时，可进行定子拆解并重新叠片与装压。该方法要求拆除所有定子绕组，松开所有定子上齿压板与拉紧螺杆，拆除所有已损伤定子铁芯片，之后重新进行装压与下线。该方法可以彻底清除定子铁芯损伤部位，确保机组无隐患运行，只是处理周期较长,且定子绕组、定子铁芯及测温电阻等众多零部件损坏风险较高。1.6 水轮发电机组定子铁芯损伤假齿修复边界条件研究提出结合前述研究可知，对于铁芯较为轻微的损伤，采用2.3.1所述的铁芯表面修复方法即可完成定子铁芯修
22、复，该修复方法较为简单也较为成熟。对于铁芯损伤极为严重且不能采用其它修复方式时就只能采取真齿修复方式，这种方式施工时间长，工作量大，不利于机组的快速修复。相对于真齿修复，采用假齿修复的最大优势就是修复时间短，可以快速完成铁芯修复并可再次投入运行，可极大缩短检修工期，创造更大的经济价值。但是,对于采用假齿修复的边界条件，当前行业中都没有相关的研究成果和经验可供借鉴。因此，本文后续将对水轮发电机组定子铁芯损伤假齿修复边界条件进行研究。通过研究定子铁芯损伤对电磁场、温升、应力场、励磁系统影响等的影响，结合相关机组设计要求，提出采用假齿修复的最大边界。1.7 本文的主要工作对于大型水轮发电机而言，其定
23、子铁芯表面简单修复，由于损伤区域较小且对机组的运行影响较小，仅需对损伤铁芯进行局部清理、整型并重新处理片间绝缘，因此没有必要进行系统的对比分析计算。对于真齿修复，由于铁芯损伤部位的填充物与定子铁芯材质一致，发电机的主磁路基本没有变化，定性分析对机组的电磁性能几乎没有影响，本文不再做过多赘述。但对于大型水轮发电机的假齿修复，由于铁芯损伤部位的填充物一般为非导磁材料，且导热性能相对较差，会对机组的电抗参数、电气性能和散热等产生较常大的影响。而且，行业中也没有相关大型水轮发电机假齿修复相关经验或研究可供参考。因此，本研究主要针对大型水轮发电机组定子铁芯的假齿修复边界条件进行分析和探索，具体包括以下内
24、容：首先，本文对不同铁芯损伤程度对发电机性能及运行安全的潜在影响进行了研究。分析了发电机定子铁芯的典型损伤类型，对发电机定子铁芯损伤对发电机的影响进行了详细的阐述，并就不同损伤的修复方法进行了简要的总结和说明。其次，以典型大型水轮发电机作为研究对象。使用有限元分析方法开展发电机定子铁芯故障下的仿真探索，并主要基ANSYS、FLUX、JMAG等仿真软件建立了铁芯故障仿真模型，针对性地对铁芯不同损伤部位（同相槽、异相槽）和不同损伤程度（周向、径向、轴向）对发电机电磁性能（环流及不平衡度、电抗参数及稳定性、谐波等）的影响进行研究，结合电磁场的计算结果，对定子温度场及温升情况进行对比分析计算，对发电机
25、定子铁芯在不同故障状态下的应力进行核算,对发电机组励磁系统容量进行复核。以不超过机组技术协议规定的相关性能指标为限制条件，最终得出该机型定子铁芯故障后可采用假齿替代修复的边界条件。1.8 本章小结本章结合水轮发电机定子铁芯工程实际，对定子铁芯损伤类型进行了较为详细的分类和研究。对定子铁芯故障可能带来的影响进行了分析。在此基础上，对修复的目标进行了总结。对定子铁芯的主要修复方式进行了较为详细的介绍。对定子铁芯假齿修复研究的原因进行了说明。2铁芯局部损伤对电磁场的影响分析2.1铁芯损伤于电磁场的理论分析铁芯损伤是指铁芯在高强度电磁场作用下受到的损伤。电磁场对铁芯的作用是通过电磁感应引起的电动势在铁
26、芯内产生的磁场。如果电磁场的强度足够高，铁芯就会产生电热效应，导致铁芯的温度升高，从而可能导致铁芯的损伤。分析铁芯损伤的原因，需要考虑电磁场的强度、时间和频率，以及铁芯的材料和结构等因素。为了更好地了解铁芯损伤的特征，需要进行实验和数值模拟，以确定铁芯在不同的电磁场条件下的反应情况。铁芯损伤是指在电磁场作用下铁芯的物理或化学变化，可能导致铁芯的功能丧失。电磁场的强度、频率、时间等因素都会影响铁芯的损伤情况。首先，电磁场强度是影响铁芯损伤的重要因素。强度越高，对铁芯的损伤也就越严重。其次，电磁场的频率也很重要，因为不同频率的电磁场会对铁芯产生不同的影响。频率越高，对铁芯的影响也就越大。此外，电磁
27、场的持续时间也会影响铁芯的损伤情况，因此在分析铁芯损伤的原因时，需要考虑电磁场的持续时间。铁芯磁导变化率公式：BB=(r-l)H其中，AB表示铁芯在电磁场作用下的磁感应强度变化量，B表示原始磁感应强度，r表示铁芯的磁导率，H表示电磁场强度。电动势公式：W=(O2)H2其中，W表示电动势，表示真空磁导率，H表示电磁场强度。通过以上两个公式，可以得知，当电磁场强度增大时，铁芯磁感应强度的变化量和电动势也随之增大。当这种变化量和电动势超过铁芯的极限承受能力时，铁芯就会发生损伤。铁芯的材料和结构也是影响铁芯损伤的因素。不同的材料有不同的导电性、热导率和热稳定性等特征，这些特征将直接影响铁芯在电磁场作用
28、下的反应情况。铁芯的结构，如尺寸、形状和位置等，也会影响铁芯的损伤情况。为了更好地了解铁芯损伤的特征，需要进行实验和数值模拟。实验可以通过测量铁芯在电磁场作用下的物理和化学变化，从而对铁芯损伤的特征进行评估。数值模拟则可以通过对铁芯在电磁场作用下的电学、热学和力学行为进行数学建模,从而更直观地了解铁芯损伤的机理。在分析铁芯损伤于电磁场方面，可以使用一些物理公式来模拟和预测铁芯在电磁场作用下的行为。以下是一个简单的公式：强度矩阵的Frobenius范数（简称F范数）可以通过以下公式计算:=J忡2其中，Eij是强度矩阵的第i行第j列元素，ij表示对所有i和j求和。F范数可以用来衡量电磁场对铁芯的影
29、响强度。如果F范数较大，则表示电磁场的影响较强，铁芯的损伤可能较严重。最后，为了预防铁芯损伤，可以采取一些措施，例如：选择高质量的铁芯材料,设计合理的铁芯结构，减少电磁场强度和持续时间，增加铁芯的热稳定性等。总的来说，铁芯损伤于电磁场是一个复杂的问题，需要从多方面全面考虑。2.2计算模型及边界条件设置2.2.1设备基础参数本文研究所选择的水轮发电机组额定功率MA,额定电压kV,额定电流为A,定子线圈为双层叠绕组结构，共有槽数槽。机组主要电磁参如表3.1所示。表3.1设备主要电磁参数序号名称单位参数序号名称单位参数1额定功率Pn15每相串联匝数2额定电压Un16直轴同步电抗Xd3额定电流In17
30、交轴同步电抗Xq4功率因数COS18直轴瞬变电抗Xd,5额定励磁电压Ufn19直轴超瞬变电抗XcT6额定励磁电流Ifn20交轴超瞬变电抗Xq”7空载励磁电压UfO21直轴瞬变开路时间常数TdO,8空载励磁电流IfO22直轴超瞬变短路时间常数Td9额定转速n23负序电抗X210槽数Z24零序电抗XO11每极每相槽数q25定子铁芯外径DA12极数2P26定子铁芯内径DI13节距yl27定子铁芯长度LT14并联支路数AA28铁芯铁芯片材料2.2.2二维电磁场分析模型FLUX软件是针对电机、传感器、变压器等电磁设备的专业二维及三维仿真软件，它基于有限元法，主要用于电磁设备、热装置、热处理的分析与设计。
31、已被广泛地应用于电机、电器、传感器分析等各类工程领域。本研究中，其主要用于二维发电机模型的静态和瞬态电磁场的分析计算、谐波分析，场路耦合（外部电路连接）分析计算等。首先建立发电机定子二维整机电磁场的计算模型，其定子绕组并联支路数为8,因此在场路耦合电路设置时，将定子每相绕组按真机绕组的实际接线进行定义。图3.1发电机定子二维电磁场整机计算模型假定铁芯齿部损伤区域位于C相绕组第4个支路和B相绕组第4个支路部位。为了准确评估、分析铁芯齿部损伤对定子空载感应电势的影响，对于定子铁芯齿部损伤区域的相带绕组，按单根绕组进行设置。其计算模型场路耦合电路如图3.2所示。图3.2场路耦合电路将铁芯齿部损伤区域
32、设置为高磁阻的空气，以实现对铁芯齿部局部损伤的模拟，如图3.3红色圆圈区域所示。JMAG软件是一款应用广泛的电磁场分析软件。软件可以对包括电机和变压器在内的机电产品设计、仿真提供很大的帮助，它提供了强大的耦合计算功能如磁场一热耦合分析，磁场一结构耦合分析等，为电机仿真构建了一个最为完善的物理模型。JMAG软件可以支持多种画图软件导入，如AutocadSolidworksPro/e、UG、Catia等，也可以导入IGES、Sat等格式，还可以导入其它有限元软件模型，如NaStran等。JMAG软件有着丰富的材料库和更多的磁铁充磁方式，如有日本JFE、NiPPOn等硅钢片厂商产品的磁化曲线和损耗曲
33、线；有TDK、HitaChi等磁铁厂商磁铁性能数据；而且还可以考虑到材料与压力和温度等有关的特性。软件提供了多种网格剖分方法，如自动和手动剖分、自适应剖分、表层剖分、集肤效应剖分等；还可以通过探针、磁力线分布和响应图形查看产品内部复杂的物理现象并会生成分析报告。现已较为广泛的应用于电机基本性能分析、转速转矩曲线、cogging效率、启动性能、电感、涡流、永磁体充磁和退磁、离心力、电磁噪声、温升等分析计算。本文主要采用JMAG软件开展发电机定子三维模型的瞬态电磁场分析计算。由于全三维计算可以更好地模拟真机的实际运行情况，但全三维建模非常复杂，计算周期也相对较长。因此，本文采取建立局部三维电磁计算
34、模型来对铁芯不同轴向损伤程度进行仿真分析。结合电站机组实际可能会发生的铁芯损伤程度，建立了单元电机三维模型，该模型轴向（竖直方向）包含10段定子铁芯（周向包含26个完整铁芯齿部）、定子线圈、两个转子磁极及转子线圈。图3.4三维电磁计算物理模型图3.5三维电磁计算模型网格剖分2.3铁芯周向损伤后电压和支路环流分析假设在故障铁芯的齿部全部完整断开的前提下，采用二维电磁场分析模型对铁芯周向不同损伤程度（断1齿至断10齿）的支路环流进行仿真分析。图3.6-3.11是铁芯齿部周向断5齿和正常铁芯的电磁仿真结果的对比图，通过对比分析可知，断5齿处的磁密云图明显减弱、磁力线明显稀疏，在空载状态下，对应的绕组
35、空载电动势和电流波形的畸变均明显加重，发电机机端空载线电压波形影响并不明显，但是发电机机端电压最大值有一定降低。(a)铁芯无损伤(b)铁芯周向断5齿图3.6空载磁密云图对比(a)铁芯无损伤（a）铁芯无损伤（b）周向断5齿图3.9B相单根绕组空载电势波形对比（a）铁芯无损伤（b）周向断5齿图3.10C相单根绕组空载电势波形对比（a）铁芯无损伤（b）周向断5齿图3.11A相空载支路环流电流波形对比2.3.1空载下线电压、相电压及支路电流不平衡度分析按以上仿真方法，分别对周向断1齿至断5齿、断10齿进行仿真，分别计算出发电机空载下的线电压、相电压和支路电流仿真结果，分别分析如下。空载线电压分析空载情
36、况下，周向不同损伤程度的空载线电压仿真结果见表3.2所示。表3.2周向不同损伤程度的空载线电压计算结果图3.12铁芯不同断齿故障与线电压对图3.13断齿数与线电压幅值关系图比图图3.14断齿数与线电压不平衡度关系图根据数据透视图（图3.123.14所示）可知，随着断齿数的增加，空载线电压逐渐减小，最大不平衡度逐渐增大,变化规律均呈非线性，且梯度越来越大；在周向断10齿的情况下，线电压较正常工况减小约2.51%,最大不平衡度为0.31%o空载相电压分析空载情况下，定子铁芯周向不同损伤程度下，各相绕组不同支路的空载相电压分析计算结果如表3.3所示。表3.3周向不同损伤程度的空载相电压计算结果右图C
37、相左图B相图3.15空载绕组电势计算结果透视图从周向不同损伤程度的对比计算结果来看，随着断齿数的增加，空载绕组电压逐渐减小；在周向断10齿的情况下，相电压较正常工况减小约2.73%,B相绕组空载电势最大不平衡度为8.73%,C相绕组空载电势最大不平衡度为10.63%o空载支路电流分析在空载情况下，定子铁芯周向不同损伤情况下的空载支路电流计算结果见表3.4所示。表3.4周向不同损伤程度的空载支路电流计算结果图3.16周向损伤与空载支路电流趋势图3.17周向损伤与空载支路环流趋势图图根据周向不同损伤程度的空载支路电流，结合基尔霍夫电流定律，可以轻易算出周向不同损伤程度下的空载环流，再进行归一化处理
38、，即得到图3.17所示的铁芯不同损伤下的定子支路环流图。结合数据图3.16和图3.17分析,并从周向不同损伤程度的对比计算结果来看,随着断齿数的增加，空载支路电流逐渐增大；在周向断10齿的情况下，A相4支路空载支路环流最大为2369.81A,为额定支路电流的76.76%o以上分析表明，在空载情况下，铁芯周向不同损伤对各相线电压影响较小，对支路环流影响最大。2.3.2额定负载下线电压、线电流及支路电流不平衡度分析按以上相同的仿真方法，分别对断1齿至断5齿、断10齿进行仿真，分别计算出发电机空载下的线电压、相电压和支路电流仿真结果，分别分析如下。定子线电压分析表3.5周向不同损伤程度的定子线电压负
39、载线电压定子线电压(V)正常断1齿断2齿断3齿断5齿断10齿Uab20633.320623.620602.720569.720475.520262Ubc20595.120588.320576.120551.720500.620249.7Uca20625.120623.720608.720589.120492.120179平均值20617.820611.920595.820570.220489.420230.2最大不平衡度-0.11%-0.11%-0.10%-0.09%-0.07%-0.25%从周向不同损伤程度的对比计算结果来看，随着断齿数的增加，定子线电压均逐渐降低；线电压的三相不平衡度均较小
40、，在周向断10齿时为0.25%。定子线电流分析表3.6周向不同损伤程度的定子线电流负载线电流定子线电流（八）正常断1齿断2齿断3齿断5齿断10齿IA25340.125333.725309.325276.325140.824812.6IB25343.225330.325309.425270.425191.224937.8IC25298.82529625282.225259.925176.924802.3平均值25327.425320.025300.325268.925169.624850.9最大不平衡度-0.11%-0.09%-0.07%-0.04%-0.11%0.35%从周向不同损伤程度的对比
41、计算结果来看，随着断齿数的增加，定子线电流均逐渐减小；线电流的三相不平衡度均较小，在周向断10齿时为0.35%。负载支路电流分析表3.7周向不同损伤程度的定子支路电流（额定负载）图3.18周向不同损伤程度与定子支路电流图3.19周向损伤与负载环流关系图从周向不同损伤程度的对比计算结果来看，随着断齿数的增加，定子支路电流均逐渐减小，支路间的环流逐渐增大；在断10齿的情况下，支路环流最大为717.83A,约为额定值的23.25%以上分析表明：在额定负载情况下，铁芯周向不同损伤对各相线电压和线电流的影响均较小，但对支路环流影响较大。2.4铁芯周向损伤后线电压谐波分析为进一步分析不同铁芯损伤程度对发电
42、机线电压波形质量及谐波的影响，采用二维电磁场分析模型进行仿真，在空载情况下对不同工况的谐波对比分析如表3.8所示。表3.8不同铁芯损伤程度的空载线电压谐波分析注：THD,英文全称totalharmonicdistortion,中文全称总谐波失真，下同。图3.20不同铁芯损伤程度空载线电压图3.21铁芯损伤与空载线电压全谐波谐波分析畸变关系图结合表3.8及其数据透视图（图3.203.21）分析，随着铁芯损伤齿数的增加，5、7次谐波逐渐增加且增加较为明显，但一阶齿谐波（27和29次）和其它高次谐波含量基本不变。而且，随着铁芯损伤齿数的增加，发电机定子线电压全谐波畸变率逐渐增加，但变化幅度不大，即使
43、在周向断10齿的情况下，THD仅0.459%,优于国家标准（V5%）和设计技术文件（Wl%）的要求。因此铁芯损伤对电压谐波畸变的影响较为有限。2. 5铁芯周向损伤后电抗参数分析电抗参数的变化将直接影响机组的静态稳定性，以及机组非正常运行的冲击电流和转矩。结合电站机组可能会发生的铁芯损伤程度实际情况，分析不同铁芯损伤程度对发电机电抗参数的影响如表3.9所示。表3.9电抗参数的对比分析结果图3.22铁芯周向损伤电抗参数对比分析从对比计算结果来看，Xd、Xq、XdXqXd等电抗参数均变化不大。在断10齿且齿部径向全断的情况下，Xd变化最大，仅1.61%,对机组的运行稳定性影响较小。因此，铁芯损伤对电
44、抗参数的影响较为有限。2.6铁芯径向损伤后电压和支路环流分析为了了解铁芯在不同径向损伤程度时对机组的影响，结合工况实际需求，在发电机定子铁芯周向断2齿的故障工况下，分别选取齿部径向全断、断1/2齿、断1/4齿、断14mm和断2mm的情况开展对比分析计算。2.6.1空载下线电压及支路环流分析发电机空载工况下，定子铁芯径向不同损伤程度的空载线电压、支路电流结果及其结果分别分析如下。空载线电压分析结果见表3.10所示。其结果表明，在发电机定子铁芯断2齿的典型故障工况下，铁芯齿部损伤越深，定子空载线电压越低，但总体减幅较小;空载线电压的最大不平衡度均较小。表3.10径向不同损伤程度的空载线电压计算结果
45、空载线电压（V）断2mm断14mm断1/4齿断1/2齿齿全断Uab20366.320377.320361.420355.720352.4Ubc20366.520379.520368.320365.320363.8Uca20366.320379.020366.320362.520360.5平均值20366.420378.620365.320361.220358.9最大不平衡度I0.00%I0.01%I0.02%I-0.03%I-0.03%空载支路电流计算结果如表3.11和图3.23图3.24所示。分析表明，在发电机定子铁芯周向断2齿的典型故障工况下，铁芯齿部径向损伤越深，定子空载支路环流越大。环
46、流与断齿深度的关系存在“饱和”效应，断齿深度在50%约为“拐点”，当超过50%后，增加断齿深度，环流的增幅已不明显。表3.11径向不同损伤程度的空载支路电流计算结果图3.23径向不同损伤程度的空载支路图3.24铁芯断齿深度与空载支路电流电流（断2齿）关系图2.6.2负载下线电压及支路环流分析发电机额定负载工况下，定子铁芯径向不同损伤程度的额定负载线电压、支路电流结果及其结果分别分析如下。额定负载线电压、线电流、支路电流的计算结果见表3.12表3.14及其数据透视图（图3.253.26）所示。表3.2径向不同损伤程度的额定负载线电压计算结果电压相别线电压（V）断2mm断14mm断1/4齿断1/2齿齿全断Uab20629.420626.9206122060620602.7Ubc20591.520590.120580.120577.320576.1Uca20621.120620.520612.
