电磁场数值分析在大型间接氢冷汽轮发电机上的应用

近年来，世界对全球环境的关注明显提高，这推动了电力生产系统更效率化和环保化。提高效率的一个主要方法就是采用高效联合循环电站。目前用于这种电站的间接氢冷汽轮发电机的可用容量已达到550MVA级，降低在这些系统中使用的汽轮发电机的能量损失仍有紧迫的需求。本文主要研究汽轮发电机的铁心损耗和杂散损耗，并辨别各种损耗产生的机理，到目前为止这些也仅仅是模糊的理解。另外，我们定量分析了汽轮发电机每个部件的损耗，并且研究了用来减少这些损耗的防范措施。更进一步地，为了计算这些损耗，我们论述了适合大型系统的电磁场分析技术。在考虑通风沟的情况下，利用三维数值分析方法对有取向和无取向硅钢片的主要铁心损耗进行了计算。通过对通风沟附近进行分析，我们发现使用不导磁的通风槽钢和减小通风沟的宽度，可以将损耗减小到10％。用三维数值方法分析计算了机座端部的涡流损耗，明确了损耗密度的分布，计算结果表明端盖和护环使用非磁性材料可以将为总损耗减小20％。而就铁心端部来说，计算结果表明，损耗主要集中在磁屏蔽和定子边段铁心等端部结构件的内圆上。我们也给出了计算定子线圈股线涡流损耗的场路耦合数值分析方法用以计算环流。这些分析清楚地表明了定子线圈股线中的损耗分布。我们将这些电磁场分析技术应用到一台550MVA级间接氢冷汽轮发电机上，并将计算的损耗结果与铁损和杂损散损耗的测量值进行了比较。这些值之间微小的差异证明了这些分析方法的可行性。另外，我们确定了通过优化定子铁心、通风槽钢和机座端部的材料以及铁心端部的结构设计，总计将这些损耗减少20％。

通过监测电机轴电压与对地电流实现潜在故障的早期预警

轴状态监测（Shaft Condition Monitoring，SCM）是监测旋转机器状况的一门独特的技术。它通过对轴电压与接地电流的监测与分析，对将要发生的故障做出预警。这个过程从捕获和确定原始信号数据的趋势开始，该原始信号通过轴上的高可靠性电刷获得。通过对这些关键信息进行分析，可以探测到旋转机器开始出现故障的时刻，或者在传统仪器检测到故障之前的一段时间。有了这些信息，一个预防式的监测与维护计划就变得简单易行，并能极大地减小由于故障和强迫停机造成的损失。

评估同步发电机内部故障和保护的扩展模型

电力系统故障研究是其规划和运行的主要方面：意外事件的分析结果，如保护系统设计中的具体应用、安全评估和对经济性影响的评估。 发电量的减少的确是对电力系统影响最严重的停电事故之一，上面提出的所有方面与整个电网的发电量有关。尤其对保护系统，有效地消除发电机故障、防止电网连锁事故发生，并避免严重损坏发电机与相关设备是特别重要的。 电网故障分析的标准方法已众所周知，但对发电机故障模拟和检测还要做进一步研究。从这一点看，由于未预料到的故障路径和有时出现的电流而引起的保护误动作或误检测，内部故障备受关注。在文献中，已经建立了一些模型，但所关心的输入参数（不是总容易得到）和故障位置的灵敏度还需进一步研究。 本文提出了一个普遍适用于内部故障分析的同步电机扩展模型，其定子绕组每相有多个并联支路。 本文提出的仿真模型的主要目的和特点是： ●输入参数来自于发电机电磁设计或试验； ●对内部（一个或多个）相对地、相对中性点或相对相故障，沿一个绕组路径不同位置故障电流的计算； ●从定子绕组不同路径对故障电流作用大小作为依据； ●内部故障电流和常规保护方案检测的故障电流的比较和联系。

叠片式凸极同步发电机空载电压波形计算

本文提出了采用解析法和有限元（FE）法相结合的方法来计算叠片式凸极同步发电机空载电压波形。此方法考虑了饱和及槽脉动磁场感生的阻尼条电流的影响。这种方法首先计算了阻尼条电流并把其考虑在空载电压计算中。 计算电机绕组问磁耦合的静磁场二维（2．D）有限元法和解析法相结合能够精确地预测空载电压。同时，与暂态磁场二维有限元法相比大大减少了计算时间。通过将获得的结果（阻尼条电流和空载电压）与暂态磁场有限元计算的结果进行对比，并与测量的空载电压进行比较，这种方法在很多例子上得到了验证。

定子斜槽的大型凸极同步电机电磁场的仿真研究

本文对一台定子斜槽的大型凸极同步电机进行研究，旨在帮助理解定子斜槽的分数槽绕组电机电磁场分如、阻尼绕组电流以及磁极表面铁耗等有关现象。在一台水轮发电机上装设特殊的装置，来测量电机沿轴向长度方向上磁场的变化以及转子阻尼条中的感应电流的变化。同时建立了计算模型，对气隙磁密、阻尼绕组电流以及转子铁心损耗进行计算，并将测量结果与仿真结果进行了对比。

汽轮发电机和水轮发电机转子绕组匝间短路的检测

同步电动机和发电机的隐极和凸极转子绕组由于绝缘损坏会导致匝间短路，这种匝间短路经常会引起转子很大的振动，可能会限制发电机的输出功率。实际上，较大的轴承振动是发生匝间短路的早期标志之一，然而，由于较大的轴承振动可能会由许多种原因引起，操作者想单单判断这种振动是否确实由转子绝缘问题而引起。有许多种离线式直接检测匝间短路的手段，比如对地电压检测、抽出磁极检测或RSO检测。这些离线检测由于在静止工况下转子不再旋转，故障可能消失（但实际却是存在的），检测结果经常不可靠。另外，这些检测方法需要机组停机或进行一些拆卸。用户更愿意选择在线检测，此时机组的旋转应力和热应力处于正常运行的水平。对于匝间短路这种直接检测方法仅涉及气隙磁通的测量，最初的“气隙磁通”检测法是由GE公司30年前研发的，目前广泛应用于全世界的2极和4极汽轮发电机上，采用永久安装在定子槽楔上的小线圈。转子旋转时，当每一个转子槽掠过传感器时，传感器就会对其漏磁通进行检测。如果一个槽内有匝间短路，该槽内的漏磁通就会减小，可通过配套装置检测出。由于漏磁通与气隙主磁通相比非常小，利用传统的检测方法时，必须使发电机的负荷在空载和满载之间改变几个等级，以确保在每一个转子槽内都有一个主磁通的‘零交叉点”（zero-crossmg）。这样，对于大多数线圈，在测量较小的漏磁通时都具有一定的灵敏度。传统的气隙磁通测量有两个主要缺点，第一个是只有把汽轮发电机转子从定子中抽出以后才能将传感器安装上；第二个是必须在很大的范围内以一定的等级改变负载，对于受控于ISO（独立系统运行机构）的电厂，减少负荷会减少电厂的收入，这样做会引起一系列问题。过去五年里的研究，产生了两个创新，克服了这些局限性。第一个创新是带着转子可随时安装的新型探测器，探测器是一个非常薄的印刷电路板传感器，把它粘在定子齿上（而非槽楔上），测量主磁通（或全部磁通）；第二个创新是一种新型诊断算法和装置，这种装置和算法对主磁通进行测量，当发电机运行在满负荷时，对任何槽内的匝间短路都很敏感。对于传统的粘在槽楔上的传感器，采用这种新的装置和算法看起来也是有效的，而且这种新的方法稍作修改，就能用在水轮发电机的凸极转子上。

采用先进技术完成的大型水轮发电机设计

一项功能强大的优化技术最近已开发出来，该技术扩大了设计空间，优化了设计，并进一步实现了设计过程的自动化。它用于发电机设计时优化由定子温升所限制的总损耗，采用本技术有可能将总损耗减少20％。对于整数槽和分数槽电机的有限元网格自动生成器已研制出来，以模拟单极和多极发电机的电磁场问题。最近已经证明，采用解析法和静磁场有限元法的磁导模型开发出来的单磁极模型在分析振动频率的来源和模态方面特别有用。

一种弱耦合算法在大型同步电机罗贝尔线棒的电磁和机械有限元分析中的应用

嵌入电机槽内的罗贝尔线棒的变形主要取决于载流区域所受的电磁力以及槽楔紧量所加的机械预应力。对于全耦合的电磁机械问题，线棒固紧和线棒松动时的情况完全不一样。为了准确地包含导电区域的体积力以及材料边界的表而力，可以采用电磁和机械有限元的弱耦合分级算法。此外，这种算法可以有效地描述线棒固紧时和线棒松动时与线棒电流的关系的过渡情形。