CN104269953B - 基于电场分析的高压电机定子线圈防晕结构优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于电场分析的高压电机定子线圈防晕结构优化方法，方法包括的步骤如下：确定定子线圈防晕结构分析建模部位；针对步骤(1)中确定的建模部位结构与尺寸获取建模参数；根据步骤(2)中获取的模型参数建立线圈防晕部位的三维有限元模型；定义计算模型中线圈及绝缘防晕部分各种材料的性质；确定针对定子线圈计算模型上施加的激励类型和边界条件；对线圈计算模型进行有限元计算及电场分析，判断防晕结构设计存在的问题。本发明的基于电场分析的高压电机定子线圈防晕结构优化方法通过对实际模型的合理简化与假设，建立三维有限元分析模型，从而得到直观、准确的防晕层电场分布结果，并可有效降低仿真计算量，提高仿真效率。

Description

基于电场分析的高压电机定子线圈防晕结构优化方法
技术领域
本发明涉及一种基于电场分析的高压电机定子线圈防晕结构的优化设计方法。
背景技术
在高压电机运行过程中，由于在通风槽口及出槽口处电场集中，使高压电机定子绕组线圈端部槽口处绝缘表面电位梯度很高，电场分布极不均匀，额定电压6kV及以上电机的定子绕组相端线圈的槽口已处于起晕状态。当局部场强达到一定数值时，气体发生局部游离，在电窝处出现蓝色晕光，产生电晕。电晕的发生伴随着产生热、臭氧及氮的氧化物，这将加速绝缘结构老化，缩短线圈使用寿命，并严重制约着电机额定电压与单机容量的提升。另外由于热固性绝缘表面与槽壁接触不良或不稳定时，在电磁振动的作用下，将引起槽内间隙火花放电。这种火花放电造成的局部温升将使绝缘表面受到严重侵蚀。耐压实验时，若试验电压超过30kV，线圈端部若未进行防晕处理，将会产生严重的沿表面放电甚至闪络，使耐压试验无法进行，因此，高压电机定子绕组线圈端部表面必须进行防晕处理。
电晕的产生与线棒所处部位的电位和电场分布有关。电位越高越容易起晕，电场分布越不均匀越容易起晕。为改善这种状况，线圈端部一股采用多段非线性碳化硅防晕结构，其目的是使槽口外线圈端部表面电位梯度尽量均匀。碳化硅(SiC)是一种具有非线性导电机理的半导体材料，其电阻能够随场强的增加而自动降低，起到自动调节场强的作用，增强定子线圈的耐压等级。
目前线圈端部防晕层电场计算主要采用阻容链方法，即将防晕层结构简化为阻容链模型，然后推导并采用数值计算方法求解相应的非线性常微分方程。此方法具有建模简单、求解快速，且无须考虑空间电场状态的优点，但是算法较难得到转角和宽窄边等处的三维电场状况，以及对主绝缘层的简化会导致计算出现一定误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种针对高压电机定子线圈防晕层表面电场分布的分析计算方法，以判断防晕结构设计是否有效及定位易产生电晕位置。
为实现上述目的，本发明的基于电场分析的高压电机定子线圈防晕结构优化方法包括的步骤如下：
(1)确定定子线圈防晕结构分析建模部位；
(2)针对步骤(1)中确定的建模部位结构与尺寸获取建模参数；
(3)根据步骤(2)中获取的模型参数建立线圈防晕部位的三维有限元模型；
(4)定义计算模型中线圈及绝缘防晕部分各种材料的性质；
(5)确定针对定子线圈计算模型上施加的激励类型和边界条件；
(6)对线圈计算模型进行有限元计算及电场分析，判断防晕结构设计存在的问题。
根据线圈防晕部位，并考虑到线圈各槽口参数的对称性，所述步骤(1)中的建模部位选取为定子线圈槽部至端部一段，并根据这段线圈在位置、尺寸、形状及绝缘结构方面的不同，将其进一步细分为槽内低阻带部分、槽口高低阻带过渡部分以及端部高阻带部分。
步骤(2)中确定的结构参数包括定子线圈中绕包线、少胶带、低阻带、高阻带和无碱玻璃丝带的形状、尺寸、实际所处的位置以及所有部件的材料属性。
步骤(3)中对绝缘防晕材料作如下假设：绝缘材料材质均匀；绝缘结构理想，即绝缘防晕材料中无杂质、绝缘层之间无气泡等；绝缘防晕材料的电导率不随温度变化。
步骤(3)中在保证分析结果的准确性基本不受影响的前提下对模型进行一定程度的简化，然后建立适合于线圈表面电场分布计算的三维有限元模型。
对实际模型进行的简化包括，多股铜导线简化为单股铜导线，导电面积不变；低阻带与高阻带过渡部分简化为斜面重叠方式。
步骤(4)中材料属性包括体积电导率和相对介电常数等，准确数值可以通过实际测量获得。
步骤(5)中的激励类型为静态最大直流电压激励，电压幅值为定子线圈极端工况或防晕测试条件下的设定值。
所述步骤(6)中对线圈模型进行电场分析是指防晕层表面场强分布均匀程度、各部位幅值大小以及确认可能发生电晕现象的位置。
本发明的基于电场分析的高压电机定子线圈防晕结构优化方法通过对实际模型的合理简化与假设，建立三维有限元分析模型，从而得到直观、准确的防晕层电场分布结果，并可有效降低仿真计算量，提高仿真效率。
附图说明
通过参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例，本发明的以上和其它方面及优点将变得更加易于清楚，在附图中：
图1是定子线圈建模部位示意图；
图2是定子线圈防晕结构分析流程图。
具体实施方式
在下文中，现在将参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了各种实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，且不应该解释为局限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。
在下文中，将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。
如图2所示，基于电场分析的高压电机定子线圈防晕结构优化方法包括以下步骤：
A、根据较易发生电晕现象的线圈位置，确定定子线圈防晕结构分析建模部位为定子线圈槽部至端部一段，并获取这段线圈位置、尺寸、形状及绝缘结构等参数；其中包括所有部件的材料属性，如介电常数和体积电导率。
B、对模型设定合理假设及简化，建立合适的线圈防晕层电场分布模型；
C、定义计算模型中线圈及绝缘防晕部分各种材料的属性；
D、根据定子线圈极端工况或防晕测试条件下的电压幅值，设定定子线圈计算模型上施加的最大静态直流电压激励，并根据实际情况确定计算边界条件；
E、对线圈计算模型进行有限元计算，通过显示三维场图对电晕层表面进行电场分析，观测电场分布均匀状况以及表面各点的电场强度大小，以此判断防晕结构设计是否存在问题，以及如何改进防晕层设计。
如图1所示是定子线圈建模部位，根据这段模型在位置、尺寸、形状及防晕结构方面的不同分为槽内低阻带部分、槽口高低阻带过渡部分以及端部高阻带部分。
定子线圈防晕部位及处理：(1)槽部：将含碳黑和石墨的低阻防晕带包扎在线圈直线表面；或将低阻漆涂喷在线圈直线段表面和铁心槽表面，形成完整的低电阻防晕层，避免发生局部放电，减少通风槽处的电晕。(2)端部：即槽口防晕，因槽口电场集中引起电晕，采用SiC非线性导电基材料构成的高阻防晕层。
在经过假设与简化后的定子线圈三维有限元分析模型中，高低阻带长度、线圈转角度数和方向均保持原有实际线圈参数。
防晕结构参数，如高低阻带位置、长度、防晕材料参数对计算结果影响较大，均需要保证与实际设计参数一致。线圈其他参数，如转角度数也必须与实际线圈保持一致。
定子线圈绝缘防晕结构模型，包括绕包线、少胶带、低阻带、高阻带和无碱玻璃丝带，其中高阻带与低阻带为防晕层。
在线圈绝缘与防晕材料参数不确定的情况下，为提高分析的准确性可对各种材料参数进行实际测量。
基于电场分析的高压电机定子线圈防晕结构优化设计方法具有如下优点：
1.采用三维有限元分析方法建模过程简单，模型准确，分析结果直观，且在不影响分析结果的情况下对模型进行简化，有助于减少分析的计算量，提高分析效率；
2.分析模型选取了全部电晕可能产生部位，保留了影响分析结果的重要部件，保证了有限元分析的准确性；
采用有限元建模分析方法便于根据仿真结果针对性地修改和优化线圈的防晕结构，且后期模型修改方便，有效提高了分析和优化效率。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于电场分析的高压电机定子线圈防晕结构优化方法，其特征在于：
方法包括的步骤如下：
（1）确定定子线圈防晕结构分析建模部位；
（2）针对步骤（1）中确定的建模部位结构与尺寸获取建模参数；
（3）根据步骤（2）中获取的模型参数建立线圈防晕部位的三维有限元模型；
（4）定义计算模型中线圈及绝缘防晕部分各种材料的性质；
（5）确定针对定子线圈计算模型上施加的激励类型和边界条件；
（6）对线圈计算模型进行有限元计算及电场分析，判断防晕结构设计存在的问题；
所述步骤（2）中确定的结构参数包括定子线圈中绕包线、少胶带、低阻带、高阻带和无碱玻璃丝带的形状、尺寸、实际所处的位置以及所有部件的材料属性。
2.如权利要求1所述的基于电场分析的高压电机定子线圈防晕结构优化方法，其特征在于：
所述步骤（1）中的建模部位选取为定子线圈槽部至端部一段，并根据这段线圈在位置、尺寸、形状及绝缘结构方面的不同，将其进一步细分为槽内低阻带部分、槽口高低阻带过渡部分以及端部高阻带部分。
3.如权利要求1所述的基于电场分析的高压电机定子线圈防晕结构优化方法，其特征在于：
步骤（3）中对绝缘防晕材料作如下假设：绝缘材料材质均匀；绝缘结构理想，即绝缘防晕材料中无杂质、绝缘层之间无气泡；绝缘防晕材料的电导率不随温度变化。
4.如权利要求1所述的基于电场分析的高压电机定子线圈防晕结构优化方法，其特征在于：
步骤（3）中在保证分析结果的准确性基本不受影响的前提下对模型进行一定程度的简化，然后建立适合于线圈表面电场分布计算的三维有限元模型。
5.如权利要求1所述的基于电场分析的高压电机定子线圈防晕结构优化方法，其特征在于：
对实际模型进行的简化包括，多股铜导线简化为单股铜导线，导电面积不变；低阻带与高阻带过渡部分简化为斜面重叠方式。
6.如权利要求1所述的基于电场分析的高压电机定子线圈防晕结构优化方法，其特征在于：
步骤（4）中材料属性包括体积电导率和相对介电常数，准确数值可以通过实际测量获得。
7.如权利要求1所述的基于电场分析的高压电机定子线圈防晕结构优化方法，其特征在于：
步骤（5）中的激励类型为静态最大直流电压激励，电压幅值为定子线圈极端工况或防晕测试条件下的设定值。
8.如权利要求1所述的基于电场分析的高压电机定子线圈防晕结构优化方法，其特征在于：
所述步骤（6）中对线圈模型进行电场分析是指防晕层表面场强分布均匀程度、各部位幅值大小以及确认可能发生电晕现象的位置。
9.如权利要求1所述的基于电场分析的高压电机定子线圈防晕结构优化方法，其特征在于：
所述方法进一步包括如下步骤：定子线圈防晕部位及处理：（1）槽部：将含碳黑和石墨的低阻防晕带包扎在线圈直线表面；或将低阻漆涂喷在线圈直线段表面和铁心槽表面，形成完整的低电阻防晕层，避免发生局部放电，减少通风槽处的电晕；（2）端部：即槽口防晕，因槽口电场集中引起电晕，采用SiC非线性导电基材料构成的高阻防晕层。
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