淺析大型汽輪發電機定子端部繞組的電磁同體振動的相關問題

李海燕　安利軍

【摘要】大型汽輪發電機定子端部繞組及其結構的安全性與可靠性直接影響著整個機組和電網的工作狀況而電磁力激發下繞組結構的振動是導致端部事故的主要原因因此對定子端部繞組的振動問題進行研究以便為工程實際提供更加合理的設計方案具有非常重要的意義。

【關鍵詞】汽輪發電機 定子端部繞組 振動 電磁固體效應 主共振

【中圖分類號】0327 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）04-0436-01

在現代社會中，電能是人們生產和生活中最必需、最重要的能源。因此，機電耦聯系統涉及到廣泛的工農業生產和科學技術領域，在國民經濟發展中占有重要的地位。

1、背景

目前，火力發電和水力發電是電能的主要來源，約占全社會總動力能源的90以上，而原子能發電等高新技術也在逐漸引起人們的重視。隨著現代科技的發展，為了合理地利用能源、提高經濟效益、保護環境、更好地滿足人們生產生活的需要，國內外電力系統日益向大機組、超高壓和遠距離輸電方向發展。因此，電網容量不斷增大，單機容量也在隨之加大，發展迅速。五十年代，汽輪發電機的單機容量為10-20萬千瓦，六十年代就發展到30、50萬千瓦；最近幾年，140萬千瓦的大型汽輪發電機在國外已投產運行。我國的電力行業發展也很迅速，到1998年發電機組總裝機容量和年發電量均居世界第二位，60萬千瓦的汽輪發電機也已投產運行；此外，正在研制世界上最大的70萬千瓦水輪發電機，2003年將在長江三峽水電站并網運行。可見，發電機的大容量、大輸出是未來發展的必然趨勢，必將推動國民經濟的迅速發展。

電站的規模在擴大，電網的結構變得越來越復雜，保證機組、電網等安全穩定運行問題就顯得尤為重要。世界上一些大電網曾相繼發生過以電壓崩潰為特征的電網瓦解事故，導致大面積停電，造成巨大的經濟損失和社會紊亂。因此，電力系統及其機組的穩定問題引起了世界各國的廣泛關注。

隨著汽輪發電機組及水輪發電機組向超大型發展，特別是高壓、大電流的進一步提高，會產生強大的磁場和電場。機組在強大的磁場、電場作用下會使定轉子系統的機電耦聯振動、穩定性及動強度出現新問題，同時也使得發電機定子端部繞組的磁固耦合振動和動力穩定性等問題尤為突出。

大型汽輪發電機端部繞組是一組龐大的載電流體，運行時這種載流導體在端區強大電磁場環境中將產生很大的電磁力，進而產生相應的振動。若發電機設計、制造工藝、安裝及運行中存在問題，會帶來安全生產的隱患，嚴重時會導致事故的發生。

汽輪發電機定子端部繞組及其結構件引發的事故在國內外時有發生。50年代末到60年代初，美、英、法、蘇等國在20萬千瓦級機組投入運行后，首次檢修時均陸續發現定子端部繞組由于松動引起絕緣磨損甚至漏銅擊穿等事故，引起人們很大震動，迫使幾個主要制造廠家花了很大本錢對定子繞組的固定問題進行了研究。新南威爾士電廠在1971-1973年投入運行的4臺汽輪發電機，其中3臺在1981年的8個月內相繼在端部發生事故，隨后的試驗中發現頻譜中含有100Hz的固有頻率成分，該頻率是導致端部銅線疲勞斷裂和損傷絕緣的主要原因。1987年10月我國哈爾濱某發電廠的20萬千瓦1號機在運行中突然短路，定子端部線圈絕緣被擊穿；短路部位在汽機側c相9號線圈與A相10號線圈的鼻部接頭絕緣盒處，9號線圈燒斷實心導線10股，10號線圈燒斷銅線25股。此外，非短路相的B相25號線圈對內端蓋放電，c相20號線圈絕緣盒局部脫落，漏出銅線。該機于1988年3月又出現匯水管處20幾個螺帽在運行中退扣，致使氫漏至內冷水內。1988年1月該電廠的2號機在運行中發生B、c相相間短路事故；其中B相25、26號線圈水接頭燒毀。故障修復后僅十余天，事故再次發生，且勵磁機側匯水管燒出一個洞。1987年1月陡河發電廠的20萬千瓦7號機在勵磁機側端部A、B兩相引線處發生相間短路；運行后于同年5月再次出現相間短路；定子端部線圈被燒壞。1989年6月，該機多次發現內冷水箱中含有氫氣，之后發現汽機側3、4號線棒因綁扎及墊塊松動，絕緣磨損幾乎漏銅，并且3號上線棒端頭銅箍內一根空心導線斷裂等現象。

近些年來，事故的發生仍在不斷進行。陜西渭河電廠的30萬千瓦雙水內冷汽輪發電機曾發生定子繞組端部的壓板螺桿和固定支架松動，以及引線間絕緣墊塊脫落卡入線棒間而振動磨損線棒絕緣等現象。該廠還有一臺發電機才運行5、6年，就出現端部空心導線振裂噴水，造成三相短路、燒損線棒等現象。類似的定子端部事故在國內其它一些電廠中也時有發生。

2、發電機定子端區電磁特性與繞組動力學問題研究概述

2.1 端區磁場的研究

因定子端部結構比較復雜，對其磁場問題的研究還沒有非常精確的解法。經過學者們幾十年的研究工作，在對端部磁場的求解方法上主要形成了兩大類，即解析法和數值計算法。

2.2 端部繞組電磁力的研究

隨著發電機單機容量的增加，定子端部繞組所受的電磁力也在隨之增大。在正常運行時，電磁力將導致繞組的振動和絕緣的磨損，而在發生短路時，電磁力將成倍增大，危及電網的安全。

因此，人們對繞組所受電磁力的研究工作一直在進行著，力求從中找到解決問題的辦法。

2.3 端部繞組的振動問題

大型汽輪發電機在穩態運行時，定子端部繞組的振動主要由兩部分組成，最主要的是載電流繞組在端區磁場中受到電磁力的作用，從而激發兩倍系統頻率100Hz的振動；另外還有繞組隨定子鐵心承受轉子磁拉力而引起的振動，該振動的頻率仍以兩倍系統頻率為主。可見，若定子繞組端部的固有頻率接近于100Hz，將會在運行中產生共振現象或比較大的振動。眾多事故分析表明，發電機定子繞組端部的振動是導致線圈絕緣磨損、繞組疲勞斷裂、結構件破壞等現象，進而引發事故的主要原因。

由于大型汽輪發電機端部繞組及其固定結構極為復雜，又處于復雜的端部空間磁場中，其振動的力學模型及電磁場描述的模型都是較復雜的問題。多年來，國內外學者一直致力于這方面的理論與實驗研究工作，為此問題的解決做了不懈的努力。

3、電磁固體動力學及應用

隨著現代高新科學技術的迅速發展，電磁結構在眾多高科技裝置與設備中得到了廣泛的應用。如：航空航天、化工和核工業裝置的防護系統，超導發電機和超導蓄能裝置，大型發電機裝置，高速磁懸浮列車，微電子集成電路和電磁傳感器等。在這些裝置中，各結構件在電磁場環境中的力學行為直接影響著系統運行的安全性與可靠性，正是為解決這些工程實際問題的需要，在近三十年中形成了一門新興的交叉學科，即電磁固體力學。電磁固體力學是研究電磁場同變形場的耦合，即研究在彈性固態物質中，電磁場和變形場相互作用的理論。該理論是在彈性理論和電動力學理論的基礎上發展起來的。當彈性體位于電磁場環境中時，一方面彈性體在所受電磁力的作用下將產生相應的變形；另一方面彈性體的變形又導致體內及周圍電磁場的改變，進而影響著彈性體本身的變形。兩個場相互作用、相互影響，有時還會出現熱效應等現象，形成了機械、磁、電、熱相互作用的耦合機制。

結束語

本文概述了大型汽輪發電機定子端區電磁特性與繞組動力學問題研究的成果和存在的問題以及電磁固體動力學理論的研究及工程應用。