发电机铜损研究现状

对于额定工况下汽轮发电机定子绕组损耗的研究，其难点主要集中在附加铜耗的计算方面。传统的解析计算方法在工程实际当中存在一定的局限性，尤其是对于大型汽轮发电机定子绕组采用的空实心混合排列且上下层不等截面的结构，无法考虑空实心股线排列方式、不等截面等因素的影响，且无法对单根股线的损耗进行计算。因此，有必要采用数值计算的方法对定子绕组损耗，尤其是附加铜耗进行准确计算。国内的汤蕴谬、梁艳萍学者对矩形槽内股线受集肤效应影响下电阻增大系数的数值计算做了详细的分析，谢德馨学者对电机内涡流场的计算方面提供了许多理论支持，为大型汽轮发电机定子绕组附加铜耗的数值计算奠定了基础。有学者提出了受集肤效应影响的导体电流密度数值计算方法，提高了电流密度计算的精度和便捷性；还有学者采用有限元分析的方法对定子绕组上下层绕组电阻增大系数进行了数值计算，验证了数值计算具有一定的优越性。

从国内外学者对于定子绕组附加损耗的研究以及大型汽轮发电机定子绕组的特殊结构来看，基于有限元分析的数值计算在附加损耗计算方面具有一定的优越性，但是其结构使得附加损耗的影响因素较多，仍需在充分考虑各种影响因素的基础上，对这种空实心混合排列且上下层不等截面的定子绕组损耗进行分析。

发电机的损耗大致可分为五大类，即定子铜损，铁损，励磁损耗，电气附加损耗，机械损耗。发电机运行中，所有的损耗几乎都以发热的形式表现出来。

（1）定子铜损即定子电流流过定子绕组所产生的所有损耗。

（2）铁损即发电机磁通在铁芯内产生的损耗，主要是主磁通在定子铁芯内产生的磁滞损耗和涡流损耗，还包括附加损耗。

（3）励磁损耗即转子回路所产生的损耗，主要是励磁电流在励磁回路中产生的铜损。

（4）电气附加损耗则比较复杂，主要有端部漏磁通在其附近铁质构件中产生的损耗，各种谐波磁通产生的损耗，齿谐波和高次谐波在转子表层产生的铁损等。

（5）机械损耗主要包括通风损耗，轴承摩擦损耗等。

发电机铜损包括基本铜损耗和附加铜损耗两部分。基本铜损耗是电流流过定子绕组和转子绕组在导线电阻上产生的损耗；附加铜损耗为交流电在定子绕组上因趋肤效应和邻近效应作用引起的额外损耗以及定子绕组各股线之间的循环电流引起的杂散铜损耗。

作为发电机能量转换、输出电能的关键部件，定子绕组是发电机定子侧发热损耗最严重的地方。单机容量增加使得汽轮发电机定子绕组电流很大，槽内漏磁通严重，引起定子绕组附加损耗增大，造成绕组温度过高，制约单机容量的增加。为增强冷却效果，大型汽轮发电机每个定子槽内通常为两个导体，由空心和实心绕组混合排列组成。对于这种特殊的绕组结构，传统解析计算具有一定的局限性，无法计及股线不规则排列方式、股线高度等因素对附加损耗的影响。因此，采用基于有限元分析的方法对定子绕组铜耗进行数值计算是十分必要的。

汽轮发电机定子绕组铜耗包括基本铜耗和附加铜耗，其中附加铜耗是电机领域学者的研究重点，主要通过定子绕组电阻增大系数计算。

汽轮发电机定子绕组基本铜耗是定子绕组的直流电阻损耗，计算公式如下：

式中：

定子绕组附加铜耗计算公式为：

定子上下层绕组空实心股线铜耗的分布特点，主要结论如下：

1、与下层绕组相比，上层绕组受槽漏磁影响较大，而且越靠近槽口位置，集肤效应越明显，股线电阻增大系数越大，附加损耗越大；

2、受股线截面积影响，在相同磁场分布情况下，空心股线电阻增大系数较大；

3、上下层绕组损耗相比，上层绕组总损耗比下层绕组总损耗大15%，上层绕组附加损耗较大，是下层绕组附加损耗的7.03倍；

4、同相槽与异相槽相比，下层绕组损耗分布相同，上层绕组异相槽较小，这是由于电流相位的影响造成的。

发电机定子铁损试验主要用于检验定子铁芯装配质量，是发电机最重要的电气试验之一 。发电机定子铁芯装配完毕，必须进行定子铁损试验。定子铁损试验是检验发电机定子铁芯装配质量的重要方法，也是检验铁芯自身绝缘性能的重要工序 。

发电机部件在电站内组装和调试的施工过程。包括定子装配与安装、转子装配、机架安装、推力轴承和导轴承安装、机组轴线检查和调整。在现场组装的机组交接时，下线前应进行定子铁损试验。通过试验，可以检查定子铁芯安装、制造质量，测定定子的单位功率损耗，铁芯有否局部发热，铁芯及表面绝缘有否局部损伤 。

对于在役运行的发电机，发生了不少由于定子绝缘问题造成的事故。 而其中相当一部分是由于铁芯松动或其它原因造成硅钢片片间绝缘损伤而引发的局部过热造成的 。通过铁损试验可较为容易地发现铁芯中片间绝缘磨损的问题，从而避免引发定子绝缘故障 。

根据国标《发电机定子铁心磁化试验导则GB/T20835-2007》规定以及厂家《铁损试验守则（61417）》，试验合格标准，按1T折算：实测单位铁损不大于标准铁损1.15W/Kg的1.3倍，即1.495 W/Kg，齿(铁芯)最高温升不超过25℃，最大温差不超过15℃；单位铁损应符合制造厂规定；检查定子铁芯压紧螺栓无松动现象 。

铜损电量一般通过变压器短路试验测得其满载时的铜损电量，再按其运行时间和负载特性折算得到；铁损电量一般通过变压器空载试验测得 。