2016年底,国家发展改革委、国家能源局发布电力发展“十三五”规划,提出优化能源供给结构,着力推动能源生产利用方式变革,提高能源利用效率,发展清洁、高效的电源结构。燃气-蒸汽联合循环发电是以天然气为燃料的发电方式,具有燃烧低、热值高等显著优点,可以最大限度节煤,同时具有良好的经济、环境效益,“十三五”期间全国气电新增投产5000万千瓦,2020年达到1.1亿千瓦以上。现已计划在京津冀、珠三角和长三角地区等分批建设供电效率高、比投资低、建设周期短、起停灵活、运行自动化程度高的大型燃气-蒸汽联合循环发电项目。高效率、低污染的大型空冷汽轮发电机作为电力生产中主要的电力设备,堪比燃气-蒸汽联合循环电站的心脏,其设计关键技术,运行特性及故障特征是学术界和工程界的重点研究方向。空冷汽轮发电机具有起停方便、系统简单、比较容易维护等优点,使其在常用于调峰运行的联合循环系统中与燃气轮机配用特别适宜。然而,当发电机长期处于频繁起停的过程中,容易发生各种机端短路故障,甚至是严重的发电机误同期并网事故。各类事故的发生,会对发电机组和电网的运行稳定性产生较大影响,严重时发电机甚至会失去同步,并在系统中引起强烈的功率振荡。故障发生瞬间,汽轮发电机的定、转子绕组中会产生强大的冲击电流,加速定、转子绕组绝缘老化。另一方面,故障过程中在发电机端部绕组或者定、转子铁心上产生的较大的电磁力可能会引起机械振动,导致定子端部绕组及引出线的绝缘磨损或是转子轴系的疲劳断裂破坏,引发安全事故。因此,为了减小故障对空冷汽轮发电机造成巨大损害而带来的经济损失,本文围绕上述问题开展了深入研究,全文的主要内容如下:建立了计及空冷汽轮发电机磁场饱和、非线性等因素,并包含非理想输电线路的机网动态分析用时步有限元数学模型,同时考虑机电耦合的相互作用,给出了考虑发电机转轴的各轴段的传递扭矩、阻尼转矩及每个质量块转速的不同变化等因素的多质量块弹簧系统模型。针对空冷汽轮发电机发生不同角度的误同期并网故障,对比分析了不同角度误同期并网故障下,发电机定、转子铁心磁场的饱和程度和发电机各特征量的时变规律。研究了发电机转子槽分度数变化对误同期故障中转子励磁电流最大振荡倍数和转子铁心磁密分布的影响,并提出在转子局部槽设置Fe-Cu合金槽楔,以解决误同期并网故障时发电机转子齿局部磁密的过饱和及冗聚问题。由于大型空冷汽轮发电机端部结构十分复杂,端部边端铁心及各结构件上漏磁较大,端部定子绕组在各类故障中十分容易受到损伤,为解决难以计算各类故障下汽轮发电机端部复杂电磁场的问题,本文提出一种计及铁心饱和、非线性,并综合考虑发电机直线段与端部的双域瞬态电磁场的机网耦合数值计算方法,能够更加准确地计算各类复杂工况或各种机网故障下的端部瞬态电磁场。基于该方法计算了发电机空载和稳态短路情况下的端部电磁场,并与端部电磁场测量点的实测值进行比较,结果表明,该理论方法的计算结果与实际测量值相比误差较小,满足工程要求。研究了发电机发生不同角度误同期并网故障及不同短路故障下的端部时变电磁场,定量给出了各类故障过程中端部绕组所受到的电磁力幅值随时间变化的规律,深入分析了不同故障发生时发电机端部绕组不同位置的受力分布情况,揭示了定子边端铁心最大磁密随故障时间增加的漂移及衰减规律,为大容量空冷汽轮发电机的设计提供了技术支撑。为了降低全空冷汽轮发电机端部各结构件上的涡流损耗与进入定子边端铁心齿部的轴向漏磁通,本文提出将不同组分的导磁导电的铜铁合金代替传统汽轮发电机常采用的铜屏蔽、磁屏蔽或是同时加装铜屏蔽与磁屏蔽的复合结构的设计思路。基于数值方法研究了采用不同金属屏蔽材料时发电机端部区域轴向漏磁的分布规律和各结构件上的涡流分布。通过调节导磁导电铜铁合金中铜元素与铁元素的配比,改变合金材料的电磁特性,揭示了合金材料电磁特性与发电机端部区域漏磁和涡流损耗的关系机理,提出抑制发电机端部涡流损耗的策略。研究了不同组分的导磁导电铜铁合金材料在发电机工作在不同深度的进相工况下对端部轴向漏磁的抑制程度,保证全空冷汽轮发电机在不同工况下的安全稳定运行。根据全空冷汽轮发电机端部区域漏磁的分布规律和进入金属屏蔽后轴向漏磁的流通路径与衰减量,为了保证金属屏蔽对轴向漏磁的屏蔽效果并尽量减少金属屏蔽上的涡流损耗,通过理论分析金属屏蔽上涡流的流通路径及透入深度,构建了多厚度、异结构的金属屏蔽优化集。对发电机金属屏蔽厚度及形状结构进行优化设计,减少金属屏蔽上的涡流损耗,并增加金属屏蔽上的散热面积,来降低发电机运行时端部金属屏蔽上的温度。此外,针对发电机端部定子边端铁心齿部聚磁效应较为严重的问题,从进入各边端铁心齿内的轴向漏磁分布规律出发,提出新型锥形阶梯段定子边端铁心结构,改变定子阶梯型铁心的倾斜角度,使得进入定子边端铁心齿顶的轴向漏磁重新分布,将发电机端部结构设计从以往的实际工程经验指导上升到采用数值计算的方法进行预测设计。