汽轮发电机定子绕组端部电磁固体振动

摘要：汽轮发电机定子绕组端部的可靠性和安全性与整个电网和机组的正常运行有着十分密切的关系。电磁固体振动与端部事故的发生有着十分密切的关系。所以，为了给汽轮发电机的实际施工提供一个较为合理的设计方案，应该对其定子绕组端部电磁固体震动进行相应的研究，从而解决相应的问题。

关键词：汽轮发电机；定子端部绕组；电磁振动

中图分类号：TK26 文献标识码：A

前言：

目前，经济高速发展，人们对于生活的要求越来越高，电力是人们现代生活中必需的能源。国家的工农业生产和一系列的科学技术的发展都离不开电力的发展，总之机电偶联系统在我国的国民经济扮演着十分重要的角色。因此应该加强汽轮发电机定子绕组端部电磁固体震动的研究，并且解决相应的问题，减少事故的发生和经济的损失。

1.背景

在经济高速发展的今天，电能主要来自水力和火力的发电供应，整个世界百分之九十的能源都囊括在其中，随着科技的不断进步，人们对于原子能这样的高科技越来越高度重视。当今世界是科技的世界，当今世界是信息化的世界，为了使人们的工作生活的需要得到一定的满足，为了使人类赖以生存的环境得到保护，为了使全社会的经济效益和资源得到提高和合理的应用，世界各个国家大力开发远距离运输电力、超高压运输和大机组运输电能。从1950年之后，汽轮机发电机的单机容量不断在增加，而且每十年增加的幅度很大。2000年之后，国外发电机单机容量快速发展到140万千瓦，并且已经投入正常的运行使用中。我国各个城市电力行业如雨后春笋般涌现，进入21世纪后，无论是年发电量还是总装机容量都位居世界前列，目前50万千瓦的发电机已经在某些城市投入运行使用。而且现在，一些专家正在研究更高千瓦的水轮发电机，有望成为世界上最大千瓦的发电机，现在已经在三峡水电站投入应用。因此，发电机未来发展的趋势就是大输出和大容量，而且他们对于我国经济的发展起到很大的催化作用。

随着人们生活水平的日益提高，电站的规模正在不断的扩大，电网的结构也在变得更加复杂，因此现在急迫解决的问题就是电网和机组安全运行。从世界电网史上来看，一些因为电压崩溃的电网瓦解事件时有发生，发生相当大范围的停电，给企业和人们的生活造成很大的不便，并且造成的经济损失不容估计。所以人们越来越关注发电系统和发电机组的安全稳定运行问题。

汽轮发电机定子绕组端部属于一种载电流体比较庞大的流体，当这种导体在比较强大的电磁场运行时会产生比较大的电磁力，这样会发生相应的震动。一般来说一些事故的发生，尤其是关于安全生产的事件，他们多与发电机的安装、发电机的制造工艺和发电机的设计有很大的关系。

在国内外，汽轮发电机定子绕组端部安全事故的发生时有发生，1950年到1960年，西方国家将20万千瓦的机组投入使用，但是首次的使用检修就引发了较大的事故，引发了很多人的重视，并且花费了较大的资金对其进行探讨。这样的事故时有发生，70年代初期，国外有一家电厂投入的四台汽轮发电机，有三台机器在80年代出发生了端部安全事故，之后的相应研究表明，频谱中的固有频率有100Hz这种成分，使得汽轮发电机定子绕组端部的铜线发生破损和断裂等现象。20世纪80年代末，中国哈尔滨市一个发电厂由于发电机发生短路，使得汽轮发电机定子绕组端部的线圈被击穿，绝缘破损，使得铜线暴露出来。这台机子，在88年由于螺帽的退扣，使得氢气发生一定的泄漏。此电厂的2号机子，由于两个相发生了短路，使得线圈的接头发生烧毁现象，而且维护不到一年又发生相应的事故，使得测汇水管被烧出一个洞。这样的事故在每年都会发生，造成很多事故，严重时造成很大的经济损失和人员伤亡。

现在，这样的安全事故总是发生。陕西一家电厂汽轮发电机定子绕组端部的固定支架和压板的螺杆发生松动，使得震动引发了绝缘棒的松动现象。除此之外，这家电厂的发电机，历经几年的时间就出现了绝缘棒破损的现象。

2.绕组动力学与电磁特性研究概述

2.1端区磁场

汽轮发电机定子绕组端部的结构比较复杂，而且对于电磁场的研究还不是十分精确，很多专家经过多年的研究总结出，其端部磁场的解法可以分为数值计算法和解析方法两大类。

2.2绕组电磁力

汽轮发电机定子绕组端部受到的电磁力与发电机的单机容量有很大的关系，一般来说成正相关关系。当发电机正常运作时，绝缘的磨损和绕组的震动会受到电磁力的影响，并且当系统发生短路的现象时，电磁力会发生很大的变化，进而造成很大的安全事故。所以人们对于电磁力的工作十分重视，尤其是汽轮发电机定子绕组端部受到的电磁力是研究的重中之重，力争找到这些问题的解决方案。

2.3绕组振动

汽轮发电机定子绕组端部在正常运行的时候，其震动通常是由两部分构成的，其中最重要的就是在端区磁场中载电流绕组因为受到一种电磁力的作用，会产生很大频率的震动。除此之外，随着定子铁心受到转子的一种电磁拉力，使得绕组发生相应的震动，这种震动和上述的震动频率一致，基本上都是两倍的频率。如果汽轮发电机定子绕组端部的频率接近100Hz的话，系统在运行时会发生相应的震动或者共振的现象。很多研究发现，汽轮发电机定子绕组端部震动会造成很多事故的发生，这些事故的发生多是由结构部件的破坏、绕组疲劳断裂和线圈绝缘磨损等有关。

汽轮发电机定子绕组端部和相应的结构十分的复杂，并且其端部空间磁场也十分的复杂，使得电磁场描述的模型和汽轮发电机定子绕组端部震动的力学模型也变得十分复杂。很多年来，许多专家很重视汽轮发电机定子绕组端部相应的研究实验，并且做出了很多的努力，力争使其问题得到很好的解决。

3.电磁固体力学应用

当今时代是科学信息化的时代，随着高新技术的发展，电磁结构被广泛应用于很多高科技的设备和高科技的装置中，像一些要求较高的防护设置：核工业、化学工业、航天业；像一些大型的发电机装置、超导蓄能装置和超导发电机；像电磁传感器、微电子集成电路和高铁。在上述举的这些装置中，系统的可靠性和安全性运行与电磁场中各个结构部件的力学行为有很大的关系，使得很多实际问题都得到了有效的解决。目前在全世界新兴了一门电磁固体力学，属于一种交叉性很强的学科。电磁场同变形场的耦合是电磁固体力学研究内容，这门学科主要涉及的是变形场和电磁场在弹性固态物质中交互作用的一种理论，这门学科的基础是电动力学和弹性理论，并且随着科技的发展逐步发展起来。如果电磁场中有弹性体，从某一方面来说，弹性体的变形会使得周围电磁场和其内部发生一些变化，从而使得弹性体发生一些变形；从另一方面来说，在电磁力的直接作用下， 弹性体会发生直接的变形。这种电、热、磁和机械的耦合机制伴随着热效应现象，两个磁场相互影响和相互作用的结果。

4.结语

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。人们应该继续加强汽轮发电机定子绕组端部的研究，对其问题加以重视，并且寻求解决的办法，使得事故的发生率有所降低，使得经济的损失最小化，从而在一定程度上促进国民经济的发展。

参考文献：

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