相较于传统的轴流式电机,灯泡贯流式水轮发电机的总体投资较省、建设周期较短、发电机尺寸较小、转轮的效率较高,更适合于低水头大流量水电资源的开发与利用,因此在我国河流落差较小的地区,特别是20m及以下水头端的大中型水电站中,得到极为广泛的装机应用。然而,近年来,国内外多个水电站的灯泡贯流式机组,相继发生一类共性规律较强的转子极靴表面过热烧蚀新型故障,且国内外多个制造厂家,都曾对烧蚀极靴进行打磨、酸洗与刷胶处理,但仍无法阻止此类故障的再次发生,给机组设计制造厂家和用户带来了严重的经济损失。为有效防治此类故障,很有必要针对此类故障,研究、建立相关电磁场、温度场分析模型,并结合相关工程现场资料,分析、揭示其发生机理,提出改进和防治措施,为故障机组改造与发电机优化设计,提供更为有效可靠的指导依据。首先,为求取水轮发电机极靴区域热源及损耗,以电磁场理论和电路理论为基础,建立了水轮发电机三维分层场-路耦合模型,并进一步建立了空载电压波形与极靴区域损耗分析模型。又以传热学理论为基础,通过磁极系统热传导与热对流分析,建立了水轮发电机转子磁极三维稳态温度场模型,为后续故障机理分析奠定了理论基础。其次,在上述理论模型的基础上,运用计算软件分析了不同结构参数对铁芯、阻尼绕组等极靴构件损耗、发热,以及机组空载电压波形质量的影响,进而合理推断、揭示了此类故障发生成因,为故障真机改造,提供了切实可靠的理论支持和参考。最后,本文基于上述的研究结果,在综合考虑空载电压波形质量等因素影响的基础上,提出了真机改造方案,并根据该方案,实施了真机改造施工与转子极靴表面温度实测试验。试验结果表明,该方案有效的降低了磁极表面温度,对抑制水轮发电机磁极极靴烧蚀故障起到了很好的作用,进而说明了本文的研究成果具有较好的准确合理性与工程实用性。