电气与电子信息学院范镇南教授团队突破贯流式机组阻尼系统故障防治技术瓶颈

近日，我校电气与电子信息学院范镇南教授、董秀成教授、古世甫老师主研的“大型贯流式水轮发电机阻尼系统健康状态优化关键技术及应用”项目获得2021年度四川省科学技术进步奖二等奖。该项目关键技术，成功应用于一带一路重点工程巴西杰瑞水电站22台世界最大75MW贯流机组、世界最高海拔的西藏多布电站4台30MW贯流机组、四川沙坪二级电站6台国内最大58MW贯流机组等国内外数十个大型水电站上百台机组，提高了阻尼系统与贯流式机组健康质量，强化了清洁电能供给，切实助力碳达峰与碳中和，提升了我国贯流式机组设计制造水平与国际市场竞争能力，为实现国家重大国策，提供了重要基础工业技术保障。阻尼系统由阻尼绕组与极靴铁芯构成，是保障水轮发电机安全可靠运行的核心部件，在保证发电机同步运行、防御负序及谐波危害方面，起着关键作用。其健康状态，对于发电机乃至电力系统运行安全，有着重要影响。然而长期以来，作为开发低水头大流量水电资源的关键机型，国内外许多贯流式水轮发电机，由于存在技术缺陷，频繁发生阻尼系统过热损坏、空载电压波形恶化等严重故障，不但造成巨大损失，更使阻尼系统故障防治与健康优化成为电机领域的技术瓶颈。范镇南教授、董秀成教授、古世甫老师与东方电机有限公司周光厚教授级高级工程师、重庆大学韩力教授密切合作，自2006年以来，组成联合攻关团队，在国家重大科技专项、国家自然科学基金、四川省科技计划重点研发等课题支持下，突破了阻尼系统故障多物理场分析与针对性防治设计的技术瓶颈，消除了此类故障非接触实时监测技术短板，取得了“大型贯流式水轮发电机阻尼系统健康状态优化关键技术及应用”成果，并在实际应用中成效显著。主要创新点如下：1.创建了大型贯流式水轮发电机阻尼系统损耗发热的“机-电-磁-热”强耦合分析模型，提出了区域细分并行求解算法和“损耗数值分析+温度改进热网络分析”快速工程分析方法，突破了阻尼系统损耗发热难以精准高效分析的技术瓶颈，已成功应用于国内外百余台机组阻尼系统优化设计。2.提出了一种消除阻尼系统故障的结构优化设计方法和削弱不良齿谐波的不对称磁极结构，解决了阻尼条熔断、磁极铁心烧蚀、空载电压谐波严重等阻尼系统故障的防治设计技术缺失的痛点。应用于国内外百余台机组，提高了空载电压波形质量，有效降低了阻尼系统损耗发热，实现了故障消除与电能质量优化的协调设计。3.基于直接风压采样与非接触测量技术，提出了一套大电机风压风速风温与转子磁极过热监测方法，研制成功国内首套大电机风速、风压与发热监测专门设备。应用于百余台机组，风压与发热监测精度分别达1‰、1%，消除了阻尼系统健康状态在线监测与预警短板，实现了阻尼系统故障的有效监测与预防。图1.水轮发电机阻尼系统图2.贯流式水轮发电机图3.过热熔断与烧蚀变形的阻尼系统及磁极铁芯

1. 电磁场求解区域细分建模（端部3D，直线部分准3D多层建模）

(b)电磁场求解区域细分建模之后并行求解（端部3D，直线部分准3D多层模型，并行求解）图4 电磁场区域细分快速并行求解算法（端部纯3D，直线部分准3D分层，并行求解）图5 阻尼条直线部分涡流发热三维分析图6阻尼绕组端部涡流发热三维分析图7 设计特殊磁极结构优化发电机空载电压波形质量
图8.发电机风速、风压、风温监测装置
图9.成功修复故障阻尼绕组与转子磁极

作者简介范镇南，电气与电子信息学院教授，博士，四川省学术和技术后备人选，国家自然科基金网络评审专家，中国通信学会能源互联网委员会委员，China Communications（中国通信，英文版）客座编辑与助理编辑，中国电工技术学会电气工程教育委员会理事，四川省电力企业协会技能竞赛裁判专家，国网公司四川省电力公司企业培训师、国家职业技能鉴定考评员。研究方向为大型发电机物理场分析与故障治理、电力设备状态检修。承担和主研国家自然科学基金、国家重大科技专项、四川省科技计划重点研发、教育部课题等近20项；以第一及通讯作者身份，发表SCI/EI论文50余篇，获权及公开专利近20项；成果“大型贯流式水轮发电机阻尼系统健康状态优化关键技术及其应用”获2021年四川省科技进步二等奖，“大型贯流式水轮发电机阻尼系统故障抑制关键技术及其应用”获2021年中国机械工业科学技术奖科技进步三等奖；获得“中共四川省委统战部2020年度四川省统战理论研究创新成果三等奖”“西华大学优秀共产党员”“西华大学第五届教学优秀奖二等奖”“西华大学就业创业工作突出贡献个人”“西华大学第五届教学优秀奖二等奖”“国网四川省电力公司优秀课题研究二等奖”“国网四川省电力公司优秀课题研究三等奖”“国网四川省电力公司管理创新优秀奖”等荣誉。董秀成，二级教授，硕士研究生导师，享受国务院政府特殊津贴专家，四川省突出贡献优秀专家，四川省教学名师，四川省杰出青年学科带头人，四川省科普工作先进个人，四川省优秀党务工作者，四川省高校"信号与信息处理"重点实验室主任，四川省高校"通信信息处理与智能控制"重点实验室主任，四川省高校“机器视觉与智能控制”科研创新团队负责人，智能系统与控制工程研究所所长，西华大学-技研新阳机器人联合实验室主任，四川省科技进步奖、专利奖等专业评审专家，《西华大学学报》（自然科学版）、《四川电力技术》等学术期刊编委。 长期从事智能控制、数字化智能测控装置与系统、机器视觉与机器人技术、现代电力电子与控制技术等领域的科研和教学工作。曾先后主持和参与国家自然科学基金、国家重大仪器设备开发专项、省部级科技项目和研究院所及企业合作科研项目 60 余项。获四川省科技进步二等奖1项、四川省科技进步三等奖1项、中国机械工业科学技术奖三等奖1项、四川省电教科研成果一等奖1项、成都市科技进步三等奖1项，授权国家发明专利20余项，在国内外重要学术期刊上发表论文150余篇，SCI、EI收录60余篇。已培养毕业硕士研究生80余名。主持国家级专业综合改革项目“电气工程与(及其)自动化”，电气工程及其自动化国家级一流本科专业建设，担任省级教学团队负责人，西华大学学术委员会委员，西华大学学位委员会委员，获四川省优秀教学成果一等奖3项、二等奖3项、三等奖2项。古世甫，实验师，全国大学生电子设计竞赛优秀指导教师，全国大学生智能汽车竞赛优秀指导教师，四川省大学生机器人大赛优秀指导教师。长期从事智能控制、数字化智能测控装置与系统、机器视觉与机器人技术、现代电力电子与控制技术等领域的科研和教学工作。曾先后支持和参与国家自然科学基金、国家重大仪器设备开发专项、省部级科技项目和研究院所及企业合作科研项目40余项。获四川省科技进步二等奖1项、中国机械工业科学技术奖三等奖1项，授权国家发明专利4项，参编教材2部。