下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
随着电力需求的增加，电机的容量和尺寸也在逐渐增加。发电机的稳定运行对电力的可靠供应尤为关键，保障大容量机组的安全运行意义重大。
发电机转子转动时便会产生旋转的磁场，定子绕组的直线段通过切割磁力线产生电压和电流。定子端部绕组在周期性电流和磁场的综合作用下会产生电磁力，从而激发出相应的交变应力和振动。当发电机的容量增大时，端部磁场和定子电流也随之变化，导致作用在定子绕组上的电磁力迅速增大。因此其交变应力数值也会增大，相应地端部绕组的股线疲劳断裂风险随之升高；同时，电磁力的增大还会加剧端部绕组振动，极易造成绕组和引线的绝缘磨损。实际工作过程中，这些疲劳断裂和振动磨损普遍存在，当它们发展到一定程度，会造成线圈短路，最终导致电压波形畸变，造成机组的振动，还可能进一步发展为极为恶劣的接地故障，损坏铁心，甚至烧伤轴颈轴瓦，带来巨大的经济损失。
定子端部绕组或其结构件一旦损坏，就会引发事故，这种情况在国内外经常出现。1987年1月，陡河发电厂的20万kW某机组的励磁机侧出现了定子绕组端部引线处烧坏的现象，进而造成了相间短路故障。两年后该机又多次发现端部线圈振动磨损、空心导线疲劳断裂、内冷水箱氢气泄漏等现象。新昌电厂在2011年对某机组进行检修时，定子绕组端部绑扎结构出现松动，甚至部分螺纹连接出现脱落现象。针对此情况，工作人员及时采用绑绳进行了加固。两年后在对同一机组进行检修时，紧固件松动现象再次出现，多根定子线棒磨损严重，于是将全部端部绑绳和部分线棒进行了更换。如果在机组等级检修时不能及时发现问题并进行正确的维护，将对设备造成重大的损伤。20世纪50、60年代，法英等国投入运行的大容量机组后，在第一次检修时就发现了定子绕组绝缘的磨损现象。分析后发现，事故的发生是由定子端部绕组的固定不良引起的。于是，端部绕组的固定约束成为了各大厂商的重点研究课题。20世纪70年代，澳大利亚新南威尔士电厂投入运行的发电机，仅运行十年后就频繁发生端部绕组事故。经过多次试验，最终得出导致端部绕组疲劳断裂和绝缘磨损的主要因素是二倍频成分。图1.2-1展示了几种不同的电机端部绕组破坏情况，端部绕组的破坏主要发生在鼻端、渐开线中部及根部。
图1.2-1 端部绕组破坏
发电机定子绕组端部损坏造成的故障不易监测，一般情况下会突然出现。而且一旦出现端部故障，需要大量的人力和时间进行修复。因此，此类故障会造成巨大的维修成本及停机损失，需要采取有效措施进行预防。传统的方法是通过提高端部绕组绝缘支架的刚度和强度，或增加绑扎件数量来减小端部绕组的疲劳破坏和振动磨损，从而保障发电机运行的稳定性和安全性。但是这种做法容易造成材料的浪费，增加生产安装的复杂程度，导致发电机加工成本的增高。通过精确计算发电机端部绕组在各种运行状态下产生的电磁力及由此激发的机械响应，获得各部位的最大应力和振动特性，用于端部绕组结构的优化设计、加工工艺改进、明确检修关键位置，可以在一定程度上降低发电机的制造及维修成本。
总之，发电机端部绕组在变化的电磁力激励下，会产生相应的交变应力和振动。经过较长时间的频繁反复作用，将造成端部绕组的疲劳破坏和绝缘磨损，并进一步引发事故。而气隙静偏心和转子绕组匝间短路是发电机常见的两种机电故障。这两种机电故障在早期轻微时不会严重影响机组的运行，发电机可以带病工作，但它们会造成气隙磁场的畸形分布，并进一步影响端部绕组的电磁力及机械响应，部分绕组的疲劳破坏和振动磨损会加剧。因此，对发电机在这两种故障前后端部绕组的电磁力及机械响应特性进行分析，可以获取绕组疲劳破坏和绝缘磨损的相应规律，从而为绕组的失效预防和磨损监测提供依据。因此这方面研究具有重要的学术价值和实际指导意义。