何玉靈，張文，王爍，武鈺，王曉龍

(華北電力大學(xué) 機(jī)械工程系暨河北省電力機(jī)械裝備健康維護(hù)與失效預(yù)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003)

0 引 言

定子匝間短路是一種常見的繞組電氣故障，相較于其他故障，其危害較為嚴(yán)重，修復(fù)費(fèi)用較高[1]。對(duì)于大容量汽輪發(fā)電機(jī)而言，這種故障惡化會(huì)變得更快，直至發(fā)展到接地故障，對(duì)電機(jī)構(gòu)成嚴(yán)重?fù)p壞[2]。

鑒于定子匝間短路故障的危害性，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其做了許多研究[3-9]。戈寶軍[3]等人對(duì)定子繞組不同位置短路下的三相電流變化做了分析，發(fā)現(xiàn)短路位置不同三相電流大小有所差異。郝亮亮[4]對(duì)多相角勵(lì)磁機(jī)的定子繞組短路故障進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)故障后勵(lì)磁電流中出現(xiàn)了多倍的特征諧波。M.B.K.Bouzid[5]與S. He[6]通過研究發(fā)現(xiàn)定子匝間短路破壞了定子電壓與相電流的對(duì)稱性。何玉靈[7-8]等人分析了定子匝間短路故障下氣隙磁密變化特性，發(fā)現(xiàn)短路后磁密將會(huì)產(chǎn)生額外的三倍頻成分。肖士勇[9]則探究了定子繞組短路對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心電磁力的影響，發(fā)現(xiàn)最大電磁力在磁極兩側(cè)邊緣處和槽口位置。

受制造安裝工藝和多種運(yùn)行因素的影響[10-11]，發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙很難嚴(yán)格保持均勻?qū)ΨQ狀態(tài)，這種不均勻狀態(tài)有靜態(tài)(最小氣隙位置不變，靜偏心)和動(dòng)態(tài)(最小氣隙位置隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而改變，動(dòng)偏心)兩種[12-14]。幾乎所有發(fā)電機(jī)都或多或少存在氣隙靜偏心的情況。所以，當(dāng)定子匝間短路發(fā)生時(shí)，發(fā)電機(jī)本質(zhì)上處于氣隙靜偏心與定子匝間短路的復(fù)合狀態(tài)。因此，短路匝所在處與最小氣隙的相對(duì)位置會(huì)對(duì)電機(jī)內(nèi)部的電磁分布構(gòu)成影響[7-8]。

在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中，一方面，鐵心損耗和繞組損耗會(huì)降低發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率[15]，另一方面，損耗的增加會(huì)使鐵心和繞組的溫度升高，加速繞組絕緣老化[16]，從而引起繞組短路故障。目前，對(duì)發(fā)電機(jī)損耗和發(fā)熱的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：

1)發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的影響：研究發(fā)現(xiàn)定子槽型尺寸和定子槽楔尺寸[17]、端部壓板與壓指結(jié)構(gòu)尺寸[18]、永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)套[19]、轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝結(jié)構(gòu)[20]等關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)、尺寸差異等都會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部的損耗和溫升特性構(gòu)成影響；

2)材料差異的影響：研究表明永磁發(fā)電機(jī)中的轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁導(dǎo)電槽楔材料[21]、汽輪機(jī)中的壓板材料[22]等也會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部損耗構(gòu)成影響；

3)載荷及冷卻介質(zhì)的影響：研究人員發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的負(fù)載變化[23-24]和冷卻介質(zhì)差異[25-27]均會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)的損耗和溫升構(gòu)成影響。

然而，已有研究對(duì)于鐵心的損耗分析及溫升研究大多建立在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行前提下，較少考慮實(shí)際運(yùn)行中較高頻率出現(xiàn)的氣隙偏心、定子匝間短路故障，以及兩者的復(fù)合故障對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心損耗與溫升特性的影響。本文對(duì)發(fā)電機(jī)不同定子匝間短路位置下的轉(zhuǎn)子鐵心損耗特性進(jìn)行分析，探究定子匝間短路位置差異對(duì)轉(zhuǎn)子溫升特性的影響規(guī)律，為后續(xù)國產(chǎn)大型發(fā)電機(jī)冷卻散熱結(jié)構(gòu)的逆向優(yōu)化和制造工藝的針對(duì)性改良提供參考。

1 理論分析

1.1 定子匝間短路位置對(duì)磁密影響

發(fā)電機(jī)氣隙磁密取決于氣隙磁勢(shì)和單位面積磁導(dǎo)的乘積，氣隙靜偏心主要影響的是單位面積磁導(dǎo)。如圖1所示，徑向氣隙長(zhǎng)度[7]可寫為

(1)

式中：g0是平均氣隙長(zhǎng)度；αm為用于表征氣隙位置的周向角度；δs為相對(duì)靜偏心值。

發(fā)電機(jī)氣隙靜偏心前后氣隙磁導(dǎo)可由徑向氣隙長(zhǎng)度的倒數(shù)按冪級(jí)數(shù)[7]展開得到

(2)

式中：μ0為空氣磁導(dǎo)率；Λ0為單位面積氣隙磁導(dǎo)常值。

與氣隙靜偏心不同，定子匝間短路主要影響氣隙磁勢(shì)。定子匝間短路模型如圖2所示，短路后將會(huì)在短路位置產(chǎn)生一個(gè)短路環(huán)電流Id，此短路環(huán)電流將形成一個(gè)以短路匝中心位置為軸線的脈振磁場(chǎng)fd。這一脈振磁勢(shì)在空間中呈余弦規(guī)律分布[7]，可以表達(dá)為

fd(αm,t)=Fdmaxξcosωtcosαm=Fd+ξcos(ωt-αm)+

Fd-ξcos(ωt+αm)。

(3)

式中：脈振磁場(chǎng)fd將會(huì)形成兩個(gè)方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其中：第一行Fdmax表示脈振磁勢(shì)最大值；第二行第一項(xiàng)表示磁勢(shì)幅值為Fd+的正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；第二項(xiàng)中Fd-表示與主磁場(chǎng)反向旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)幅值；ξ為當(dāng)前短路位置下脈振磁勢(shì)幅值與所有短路位置中最大脈振磁勢(shì)幅值的比值[1,7]。由于正向磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向和頻率與轉(zhuǎn)子相同，因此不會(huì)在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。但是對(duì)于反向磁場(chǎng)來說，因?yàn)樗c轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速差為兩倍，所以它將在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生一個(gè)新的頻率為2ω的電動(dòng)勢(shì)。因此，短路后的等效勵(lì)磁電流[7]可以表達(dá)為

If(t)=If0-ξIf2cos2ωt。

(4)

式中：If0為系統(tǒng)原勵(lì)磁電流；If2為短路匝感應(yīng)產(chǎn)生的二倍頻電流幅值?？紤]不同短路位置影響時(shí)，發(fā)電機(jī)氣隙合成磁勢(shì)可表達(dá)為

(5)

式中：γ為諧波次數(shù)(奇數(shù))；fNγ和fFγ為短路前后發(fā)電機(jī)氣隙合成磁勢(shì)；Fγ和Fcγ為短路前后第γ次諧波氣隙合成磁勢(shì)；ψ為發(fā)電機(jī)內(nèi)功角；η為定子磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)比值；K為與勵(lì)磁繞組匝數(shù)相關(guān)的系數(shù)?；谑?2)和式(5)可得不同匝間短路位置下發(fā)電機(jī)氣隙磁密表達(dá)式為：

(6)

此外，定子匝間短路后發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓將會(huì)下降，這是由于有效切割磁力線的繞組匝數(shù)減少與脈振磁場(chǎng)抵消主磁勢(shì)的雙重因素影響。特別地，當(dāng)發(fā)電機(jī)處于氣隙靜偏心與定子匝間短路復(fù)合故障時(shí)，相同偏心程度下，短路位置越靠近氣隙最小處則機(jī)端電壓下降得越多。為提高發(fā)電機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性，機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)在檢測(cè)到機(jī)端電壓下降時(shí)進(jìn)行強(qiáng)勵(lì)，強(qiáng)勵(lì)動(dòng)作后發(fā)電機(jī)磁密的各諧波幅值將會(huì)增加,當(dāng)短路位置越靠近氣隙最小位置時(shí)其幅值增加越明顯，如表1所示。

表1 不同匝間短路位置故障下磁密各頻率成分幅值及影響因素

1.2 轉(zhuǎn)子鐵心損耗計(jì)算

發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵心發(fā)熱主要來自鐵心損耗，包括渦流損耗、磁滯損耗和附加損耗。對(duì)于轉(zhuǎn)子來說，由于轉(zhuǎn)子與主磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向相同，其渦流損耗主要由諧波磁場(chǎng)引起。同樣地，諧波磁場(chǎng)也會(huì)在轉(zhuǎn)子鐵心引起磁滯損耗，但數(shù)值較小一般可以忽略[28]。因此本文轉(zhuǎn)子鐵心損耗主要考慮渦流損耗，其表達(dá)式[29]為:

(7)

式中：Ke為渦流損耗系數(shù)；f為磁場(chǎng)頻率；Bn為n次磁密諧波幅值。

進(jìn)一步將式(6)代入式(7)中可得不同匝間短路位置下轉(zhuǎn)子鐵心渦流損耗表達(dá)式為

(8)

如表1與式(8)所示，當(dāng)強(qiáng)勵(lì)動(dòng)作后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心渦流損耗隨著各諧波磁密幅值的增加而增加。特別地，短路位置越靠近氣隙最小處鐵心損耗越大，轉(zhuǎn)子鐵心發(fā)熱越明顯，溫升越明顯。

2 有限元計(jì)算

2.1 仿真設(shè)置

本文以華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室CS-5型故障模擬發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示，基本參數(shù)如表2所示。

表2 CS-5發(fā)電機(jī)參數(shù)

一般情況下，定子匝間短路故障發(fā)生后，短路電流過大，發(fā)電機(jī)會(huì)迅速停機(jī)。但本文為了清楚地展示出發(fā)電機(jī)定子短路故障對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心損耗及溫升所產(chǎn)生的影響，在仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)設(shè)置時(shí)，在短路回路中串聯(lián)電阻來限制短路電流，保證模擬機(jī)組能夠在故障條件下運(yùn)行。

從公式(2)可以退出，熔體溫度越高，熔體的粘度越小。而熔體粘度小表示熔體的表面張力變小。再根據(jù)公式(1)，金屬熔體表面張力變小，在其余條件不變的條件下，霧化粉體的平均粒徑D也隨之減小，表現(xiàn)出來的結(jié)果熔體破碎充分，細(xì)粉率提高。但是熔體溫度的提高意味著霧化能耗提高，同時(shí)溫度過高易造成金屬熔體氧化及損失。

發(fā)電機(jī)三維有限元模型如圖4所示，在Ansys Electromagnetics中將轉(zhuǎn)子、內(nèi)部求解域、Band和轉(zhuǎn)子繞組沿x軸偏移0.1 mm來模擬氣隙靜偏心故障，如圖4(a)所示。為了更形象地模擬定子匝間短路，在三維物理模型中將發(fā)生短路的定子繞組分為正常部分和短路部分,如圖4(b)所示，然后再分配短路部分與正常部分繞組中的匝數(shù)來實(shí)現(xiàn)物理模型中的短路設(shè)置，最后在外部耦合電路中，改變短路部分繞組阻值完成外部耦合短路設(shè)置，如圖4(c)所示。

仿真共計(jì)4組工況，具體方案如下：

1)偏心0.1 mm；

2)復(fù)合故障CF1(偏心0.1 mm+短路6%∠105°)；

3)復(fù)合故障CF2(偏心0.1 mm+短路6%∠90°)；

4)復(fù)合故障CF3(偏心0.1 mm+短路6%∠70°)。

定子匝間短路位置仿真中短路繞組中心位置的機(jī)械角αsm分別為105°、90°和70°，對(duì)應(yīng)的不同匝間短路位置為復(fù)合故障CF1、復(fù)合故障CF2和復(fù)合故障CF3，如圖5所示。仿真中偏心工況下勵(lì)磁電流為7.5 A，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，仿真周期為600 s，步長(zhǎng)為0.2 ms。仿真強(qiáng)勵(lì)動(dòng)作后勵(lì)磁電流分別為7.8、7.85、7.88 A，對(duì)應(yīng)故障分別為復(fù)合故障CF1、復(fù)合故障CF2、復(fù)合故障CF3。

將Ansys Electromagnetics18.2軟件中計(jì)算的電磁瞬態(tài)場(chǎng)轉(zhuǎn)子鐵心損耗作為熱源導(dǎo)入Ansys Workbench平臺(tái)中的溫度瞬態(tài)場(chǎng)中，獲得轉(zhuǎn)子鐵心熱載荷如圖6(a)所示，可以看出轉(zhuǎn)子鐵心損耗密度最大瞬時(shí)值可達(dá)6.68×105W/m3,損耗密度最大值集中在齒身區(qū)域，最小瞬時(shí)值為1.59×104W/m3，損耗密度最小值集中在鐵軛區(qū)域。結(jié)合式(10)、式(11)計(jì)算出轉(zhuǎn)子鐵心氣隙表面換熱系數(shù)αδ為122.03 W/m2·℃，轉(zhuǎn)子鐵心端面散熱系數(shù)αr為50.28 W/m2·℃，如圖6(b)所示。

2.2 有限元仿真結(jié)果與分析

2.2.1 電磁場(chǎng)結(jié)果分析

不同短路位置下氣隙磁密和相電壓變化的有限元計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可以看出，定子匝間短路后發(fā)電機(jī)氣隙磁密與相電壓將減小。此外，當(dāng)短路位置越接近最小氣隙位置處時(shí)，氣隙磁密和相電壓下降得越多，這與前面的理論分析相吻合。

發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵(lì)前后氣隙磁密諧波分析結(jié)果如圖8所示，定子匝間短路后發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)未強(qiáng)勵(lì)，氣隙磁密的基波、五次諧波和七次諧波磁密幅值均下降，而三次諧波上升，這與前面表2的理論分析一致。特別地，氣隙靜偏心與定子匝間短路復(fù)合故障下，短路位置將是影響氣隙磁密各諧波幅值的關(guān)鍵因素，短路位置越靠近最小氣隙位置影響就越大。強(qiáng)勵(lì)后發(fā)電機(jī)各諧波幅值呈上升趨勢(shì)，這與前面的理論分析結(jié)果相一致。

為了進(jìn)一步對(duì)比分析，將不同短路位置下發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵(lì)前后氣隙磁密各諧波幅值進(jìn)行整理，結(jié)果如表3所示。發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵(lì)前，短路位置越靠近氣隙最小處則基波幅值下降越多，五次諧波與七次諧波與基波有相同的變化趨勢(shì)。相反地，對(duì)于三次諧波，短路位置越靠近氣隙最小處，其幅值增加越多，這一結(jié)果與前面的理論分析相吻合。發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵(lì)后，磁密的各諧波幅值均呈上升趨勢(shì)。以基波幅值為例，復(fù)合故障CF3相對(duì)于氣隙靜偏心0.1mm時(shí)幅值增加了4.68%，復(fù)合故障CF2時(shí)增加了3.65%，復(fù)合故障CF1時(shí)則增加了2.28%。短路位置越靠近氣隙最小處，強(qiáng)勵(lì)后基波幅值增加越多，三次、五次與七次諧波有相同變化趨勢(shì)。

表3 發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵(lì)前后氣隙磁密諧波幅值

實(shí)際的發(fā)電機(jī)組均裝有自動(dòng)控制系統(tǒng)，在檢測(cè)到發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓下降時(shí)會(huì)進(jìn)行強(qiáng)制性強(qiáng)勵(lì)。強(qiáng)勵(lì)后不同匝間短路位置下的轉(zhuǎn)子鐵心損耗如圖9和表4所示?？梢钥闯?，短路后由于強(qiáng)勵(lì)的作用轉(zhuǎn)子鐵心損耗呈增加趨勢(shì)，其中復(fù)合故障CF1相比氣隙靜偏心0.1 mm時(shí)增加了71.36%，復(fù)合故障CF2相比復(fù)合故障CF1增加了4.57%，復(fù)合故障CF3則相比復(fù)合故障CF2增加了3.36%；短路位置越靠近氣隙最小處，轉(zhuǎn)子損耗越大，這一變化趨勢(shì)驗(yàn)證了前面公式(8)的理論分析結(jié)果。

表4 不同短路位置下轉(zhuǎn)子鐵心損耗

2.2.2 三維溫度場(chǎng)結(jié)果分析

發(fā)電機(jī)運(yùn)行中的各類損耗大多將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚瑥亩鴮?dǎo)致發(fā)電機(jī)各部分的溫度升高。轉(zhuǎn)子鐵心發(fā)熱主要是因?yàn)樵诖艌?chǎng)中所產(chǎn)生的鐵耗所致，是典型的磁熱源。該熱量一部分通過熱傳導(dǎo)作用傳遞到轉(zhuǎn)子繞組，大部分通過熱對(duì)流作用(也有熱傳導(dǎo))將熱量傳送到冷卻介質(zhì)中。本文參考文獻(xiàn)[30]針對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心區(qū)域建立了三維傳熱數(shù)學(xué)模型，參考文獻(xiàn)[31]對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心表面換熱系數(shù)αδ和轉(zhuǎn)子鐵心端面散熱系數(shù)αr進(jìn)行設(shè)置，限于篇幅具體的模型建立和系數(shù)設(shè)置過程不再贅述。

基于瞬態(tài)電磁場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果，仿真額定負(fù)載運(yùn)行10 min后的瞬態(tài)溫度場(chǎng)，溫度場(chǎng)環(huán)境參考溫度為22 ℃。圖10為氣隙靜偏心0.1 mm、復(fù)合故障CF1、復(fù)合故障CF2和復(fù)合故障CF3的轉(zhuǎn)子鐵心溫度云圖。從圖可以看出，轉(zhuǎn)子鐵心溫度最高區(qū)域處于轉(zhuǎn)子鐵心與轉(zhuǎn)軸接觸的內(nèi)表面，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子鐵心內(nèi)表面散熱條件較差；而由于外表面與空氣接觸散熱條件最好且轉(zhuǎn)子的高速轉(zhuǎn)動(dòng)加強(qiáng)了與空氣的對(duì)流換熱，最低區(qū)域處于轉(zhuǎn)子鐵心外表面。

為了更清楚地展現(xiàn)不同工況下的轉(zhuǎn)子鐵心溫升變化規(guī)律，將不同匝間短路位置下的鐵心溫度列出，如表5所示。從表5中可看出，短路后轉(zhuǎn)子鐵心溫度呈上升趨勢(shì)(其中“↑”表示溫度相對(duì)于氣隙靜偏心0.1 mm工況的增長(zhǎng))，并且短路位置越靠近氣隙最小處其溫度越高。特別地，復(fù)合故障CF1轉(zhuǎn)子鐵心溫升為6.6 ℃，復(fù)合故障CF2轉(zhuǎn)子鐵心溫升為8.8 ℃，復(fù)合故障CF3轉(zhuǎn)子鐵心溫升為11.4 ℃。

不同匝間短路位置下轉(zhuǎn)子鐵心溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖11所示。由圖可看出，復(fù)合故障CF3對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子鐵心溫度上升速度最快且溫度數(shù)值最高，偏心0.1 mm對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子鐵心溫度上升速度相對(duì)其他工況來說最慢且溫度數(shù)值最低；復(fù)合故障CF2與復(fù)合故障CF1在前100 s溫度的上升速度和數(shù)值相近，但從整個(gè)計(jì)算時(shí)長(zhǎng)來看，復(fù)合故障CF2對(duì)應(yīng)的溫度上升速度和數(shù)值要高于復(fù)合故障CF1。這是由于復(fù)合故障CF2短路位置更靠近最小氣隙處，其磁密幅值下降得更多，為了保持機(jī)端電壓，系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)對(duì)復(fù)合故障CF2的磁密補(bǔ)償更多，鐵心損耗增加得也更多，這與前面的理論分析相一致。

表5 仿真中不同短路位置下轉(zhuǎn)子鐵心溫度

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在CS-5型故障模擬發(fā)電機(jī)組上進(jìn)一步對(duì)理論分析和仿真結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如圖12所示。實(shí)驗(yàn)工況與參數(shù)設(shè)置與有限元仿真相一致。

發(fā)電機(jī)氣隙靜偏心設(shè)置方法：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過軸承座固定在基礎(chǔ)上保持不動(dòng)，定子系統(tǒng)可通過調(diào)整前后各兩枚螺釘來實(shí)現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)子的水平徑向移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)量由兩個(gè)千分表控制。

發(fā)電機(jī)定子匝間短路設(shè)置方法：發(fā)電機(jī)上設(shè)有接線盤，在A相設(shè)有多個(gè)短路抽頭，連接不同的短路抽頭可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同程度和不同位置的匝間短路故障模擬。

復(fù)合故障模擬方法：同時(shí)設(shè)置0.1 mm氣隙靜偏心故障和不同位置的匝間短路故障。本文共設(shè)置了三組復(fù)合故障，對(duì)應(yīng)短接抽頭A-A2(CF3)、A1-A3(CF2)和A2-A4(CF1)，對(duì)應(yīng)的繞組中心線位置與氣隙最小位置機(jī)械夾角αsm分別為105°、90°和70°。

實(shí)驗(yàn)過程中采用DT8300BX紅外探頭和?？低旸S-2TPH10-3AUF熱成像儀來測(cè)量轉(zhuǎn)子鐵心溫度。

發(fā)電機(jī)運(yùn)行600 s后，4種工況下轉(zhuǎn)子鐵心溫度與溫升如表6和圖13所示，表中“↑”表示溫度相對(duì)于氣隙靜偏心0.1 mm的增長(zhǎng)。可以看出短路后，轉(zhuǎn)子鐵心溫度呈上升趨勢(shì)且短路位置越靠近氣隙最小處鐵心溫升越大，這與前面理論分析和有限元仿真結(jié)果相一致。

表6 熱成像儀測(cè)得的不同短路位置下轉(zhuǎn)子鐵心溫度

不同短路位置下轉(zhuǎn)子鐵心溫度隨時(shí)間變化曲線如圖14所示。從圖中可以看出偏心0.1 mm工況下轉(zhuǎn)子鐵心溫度最低且溫升最小，發(fā)生短路故障后，復(fù)合故障CF3下的轉(zhuǎn)子鐵心溫度最高且溫升最大，復(fù)合故障CF1下的轉(zhuǎn)子鐵心溫度在不同短路位置故障類型中溫度最低且溫升最小，復(fù)合故障CF2居于二者之間，這與有限元仿真結(jié)果相一致。

根據(jù)表5和表6，將不同短路位置下轉(zhuǎn)子鐵心溫度與溫升的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比列出，如圖15所示。定子匝間短路后轉(zhuǎn)子鐵心溫度呈上升趨勢(shì)，且不同短路位置對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心溫升造成影響有差異，其中短路位置越靠近氣隙最小處溫度越高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果的誤差較小，在工程可接受范圍內(nèi)。

需要說明的是，在實(shí)際的機(jī)組中由于安裝了自動(dòng)檢測(cè)保護(hù)裝置，在檢測(cè)到定子匝間短路后保護(hù)裝置會(huì)自動(dòng)動(dòng)作跳閘，故實(shí)際機(jī)組無法像本文實(shí)驗(yàn)這樣保持短路狀態(tài)的較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，但不論時(shí)間長(zhǎng)短其短路后對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心損耗與溫升作用的客觀規(guī)律是相同的，研究這一共性規(guī)律有助于對(duì)實(shí)際機(jī)組轉(zhuǎn)子鐵心和繞組等關(guān)鍵部件的針對(duì)性保護(hù)和改進(jìn)。

4 結(jié) 論

本文對(duì)不同定子匝間短路位置下的轉(zhuǎn)子鐵心損耗和溫升特性進(jìn)行了理論分析、有限元仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，主要結(jié)論如下：

1)發(fā)電機(jī)發(fā)生定子匝間短路后，氣隙磁密的基波、五次諧波和七次諧波幅值均下降，而三次諧波幅值上升。氣隙靜偏心與定子匝間短路復(fù)合下，保持相同短路程度時(shí)，短路位置越靠近氣隙最小處，則氣隙磁密整體幅值下降越多，各諧波幅值變化越明顯。

2)定子匝間短路故障發(fā)生后，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓下降，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)勵(lì)，短路位置越靠近氣隙最小位置時(shí)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)勵(lì)電流越大，磁密各諧波幅值增加越多，轉(zhuǎn)子鐵心渦流損耗越大。

3)短路位置越靠近氣隙最小處，轉(zhuǎn)子鐵心溫度越高，溫升越大，短路位置越遠(yuǎn)離氣隙最小處，轉(zhuǎn)子鐵心溫度越低，溫升越小。