哈尔滨理工大学戈宝军等：大型核电汽轮发电机定子内部短路故障时局部电磁力分布研究
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赵洪森 戈宝军 陶大军 吕品 辛鹏
DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.170163
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导语
定子内部短路故障是核电汽轮发电机典型的故障之一，故障后极易出现定转子损坏，槽楔和绕组断裂等严重问题。因此，掌握定子绕组内部短路故障后发电机电磁力的分布特点并找出其集中位置是非常重要的。本文基于场路耦合理论，建立二维场-多回路-运动耦合数学模型，结合麦克斯韦张量法和洛伦兹力原理，对一台核电汽轮发电机局部电磁力进行计算，进一步研究了定转子电磁力的分布特点，确定了电磁力相对集中的区域，最后探讨了计算结果的合理性。
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研究背景所
目前，全世界共有31个国家在使用核能发电，在运核电机组达到448个，总净装机容量已超过390 GW，另外有超过60个核电机组正在建设中，计划建造的核电机组则超过160个，这些核电机组的发电量占全球总发电量的11%。作为核电站的核心设备，核电汽轮发电机的单机容量已经达到千兆瓦级，未来将提升到 1 700 MW等级甚至更高。定子匝间短路故障是一种常见的电气故障，故障发生后机体内部的电磁力会加剧槽内绕组和端部绕组表面绝缘层与发电机之间的摩擦，增大机组振动程度，是故障进一步恶化，最终导致铁心、绕组、槽楔等局部构件损坏，造成机组瘫痪。
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论文所解决的问题及意义所解决的问题及意义
本文通过解决大型核电汽轮发电机定子内部短路故障局部电磁力计算问题，得到了核电汽轮发电机定转子局部电磁力的分布特点，确定了发电机定转子齿槽壁和绕组所受电磁力相对集中的位置，为优化大型核电汽轮发电机提供了参考，同时为定子内部短路故障结构静力学和瞬态动力学分析奠定了基础。
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本文针对大型核电汽轮发电机内部短路故障局部电磁力的研究，提出二维场-多回路-运动耦合的计算方法，结合麦克斯韦张量法与洛伦兹力原理，首次揭示了定子内部短路故障后转子径向、定转子齿槽和绕组电磁力的分布特点，同时得到了转子切向、定转子齿槽电磁力的变化规律，并确定了故障后局部受力严重的危险位置。
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结论
定子绕组内部短路故障后，转子平稳的切向电磁力变成大小和方向随时间交替变化的脉动切向电磁力，在故障中某一时刻达到最大，此时转子外表面径向电磁力呈非对称分布，最大径向电磁力位于定子故障区域对应的转子表面。
定子绕组内部短路故障后，定转子槽齿壁不同位置的电磁力在故障后的瞬间相继达到最大值，电磁力较大区域集中于槽口和槽楔处，沿着齿壁从槽底到槽口逐渐增大。定子槽齿壁最大受力处在两侧槽楔，转子槽齿壁最大受力处在槽齿壁前侧槽口。
定子绕组内部短路故障后，定转子绕组受到的电磁力呈非对称分布。励磁绕组受力较大的位置位于大齿后侧，定子故障区域对励磁绕组的受力分布也有一定的影响，故障区域对应大齿后侧绕组受到的电磁力最大；定子短路区域的上下层绕组受到的电磁力明显大于其他位置的绕组，是故障后最易受损的位置。
赵洪森, 戈宝军, 陶大军, 等. 大型核电汽轮发电机定子内部短路故障时局部电磁力分布研究[J]. 电工技术学报, 2018,,33(7): 1497-1507.
Zhao Hongsen, Ge Baojun, Tao Dajun, et al. Local electromagnetic force distribution studyon giant nuclear turbo-generators with stator short-circuit fault[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(7): 1497-1507.
作者简介
戈宝军 教授，中共党员，工学博士，电气工程学科博士生导师。国家级精品课和国家级精品资源共享课“电机学”课程负责人，国家级精品视频公开课“电气工程及其自动化专业导论”，第二讲“电气工程及其自动化专业的使命”的主讲人。获国家级高等教育教学成果二等奖1项，黑龙江省高等教育教学成果一等奖3项，获黑龙江省级教学名师奖，编著“十二五”国家级规划教材1部。长期从事大型机电能量转换装置基础理论与应用技术研究，主持完成国家重点攻关项目、国家科技重大专项、国家科技支撑计划项目、国家自然科学基金项目、国家科技部国际合作项目、省市及企业科技和委托项目30余项。发表论文150余篇，SCI、EI检索150余篇。
教育部高等学校电气类教学指导委员会副主任委员
中国电工技术学会大电机专委会副主任委员
全国高等学校教学研究会电气工程及其自动化专业委员会副主任委员
中国机械工业教育协会电气工程与自动化学科教学委员会副主任委员
中国电工技术学会电气工程教育专委会副理事长
《电机与控制学报》主编
大型电机电气与传热技术国家地方联合工程研究中心主任
电机及系统研究所所长
陶大军 副教授，男，1982 年生，博士，研究方向为大型发电机动态过渡过程及稳定性的研究，主持国家自然科学基金等项目四项。
赵洪森 讲师，男，1987年生，博士，研究方向为大型同步发电机定子内部短路故障数值计算、诊断与保护。