CN112287546A - 基于多节点阻容网式模型的高压电机防晕结构优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于多节点阻容网式模型的高压电机防晕结构优化方法，设定定子线圈的空气域范围，将空气域、防晕结构和主绝缘划分为多个电阻单元和多个电容单元，根据划分的电阻单元和电容单元建立高压电机定子线圈端部的多节点阻容网式模型，并确定多节点阻容网式模型的阻值、电容参数和边界条件，并在定子线圈端部铜导体不同的运行条件下，进行防晕结构沿面电位、电场以及电流暂态计算分析，确定防晕结构的缺陷并对其进行优化；相比基于传统的阻容链式模型的绕组端部防晕优化设计方法，该优化方法建立的模型更加完整，将线圈外部的空气域以及主绝缘内部电场均考虑在内，从建模原理上避免了传统方法因简化模型而引入的计算误差，从划分方法上提高了计算精度。

Description

基于多节点阻容网式模型的高压电机防晕结构优化方法

技术领域

本发明涉及高压电机绝缘结构设计领域，具体为基于多节点阻容网式模型的高压电机防晕结构优化方法。

背景技术

随着国内外对电力需求的不断增长，以及对绿色和清洁能源的越来越青睐，各种发电机的容量和电压等级也在逐步提高。在发电机电压等级方面，当前800～1300MW发电机的电压等级基本在24～27kV范围，而限制电压等级进一步提高的根因就是高压电机的绝缘技术，其关键技术之一便是定子绕组端部绝缘的均压防晕技术。高压电机防晕结构的设计往往从两方面入手，试验测定和仿真计算，前者是挑选现有的线棒进行防晕层沿面电位或电场分布测定后分析优化，后者则是通过建立模型计算优化。

高压电机绕组端部的均压防晕结构的电场计算优化，计算方法可分为两种：一种是采用传统阻容链式模型计算法，另一种是采用有限元计算法。传统阻容链式模型虽计算简单，但一贯采用的节点划分仅是从防晕长度上去考虑，省略了整个防晕结构表面之外空气域分布电容电流对外法向电场分量的影响，以及存在主绝缘厚度与沿面长度划分单元尺寸相差过大问题，这些一直采用的简化手段在高压电机端部电场计算时都会引入计算误差。而有限元法比较成熟，但存在实施较复杂，计算资源需求较大，时间成本较高的缺点。

发明内容

针对应用现有高压电机绕组端部的均压防晕结构的电场计算优化误差大或实施复杂的问题，本发明提供一种基于多节点阻容网式模型的高压电机定子线圈防晕结构优化方法，能够快速准确的计算高压电机定子线圈端部电场。

本发明是通过以下技术方案来实现：

基于多节点阻容网式模型的高压电机防晕结构优化方法，包括以下步骤：

步骤1、确定防晕结构的防晕材料非线性伏安特性；

步骤2、预设定子线圈的空气域范围，将空气域以及定子线圈端部的防晕结构和主绝缘依据各自阻容特性划分为多个电阻单元和多个电容单元，根据划分的电阻单元和电容单元建立高压电机定子线圈端部的多节点阻容网式模型；

步骤3、确定电阻单元的阻值参数、电容单元的电容参数，以及高压电机定子线圈端部多节点阻容网式模型的边界条件；

步骤4、根据步骤3得到的高压电机定子线圈端部多节点阻容网式模型，在定子线圈端部铜导体不同的运行条件下，进行防晕结构沿面电位、电场以及电流暂态计算分析，确定防晕结构的缺陷并进行优化。

优选的，步骤1中所述防晕结构包括低阻防晕层以及多段随电场强度变化呈不同非线性特性的高阻防晕层，对每段高阻防晕层进行非线性伏安特性测试。

优选的，非线性伏安特性测试采用试样进行测试，试样的制备方法如下，在绝缘管表面半叠包绕高阻带，再沿绝缘管轴向依次缠绕多段低阻带后经绝缘浸渍成型。

优选的，步骤2中划分方法具体如下：

将防晕结构沿定子线圈轴向划分为多个电阻单元，将主绝缘和空气域沿定子线圈轴向划分为多个电容单元，沿线圈截面径向将主绝缘与空气域划分为多个电容单元。

优选的，步骤3中电容单元的电容参数依据平板电容原理计算确定电容值；边界条件包括，设定铜导体的高电位和定子铁芯电位为零，所述铜导体的高电位为线圈额定运行电压或耐压试验电压。

优选的，将多个电阻单元按照阻值分为线性电阻单元与非线性电阻单元；所述线性电阻单元为防晕结构上低阻防晕层对应的电阻单元，所述非线性电阻单元为防晕结构上多段高阻防晕层对应的电阻单元。

优选的，所述线性电阻单元的电阻特性按照材料实际阻值确定；所述非线性电阻单元的电阻特性根据步骤1的非线性伏安特性换算确定。

优选的，所述非线性伏安特性换算方法如下：

U_def＝U/d×d_e

I_def＝I/l×L

式中，U_def为用于定义每个高阻防晕层单元的电压，U为步骤1测试时施加在电极间的电压，d为电极间的间距，d_e为每个高阻防晕层单元沿轴向长度，I_def为对应每个U_def的电流，I为步骤1所测表面电流，l为电极长度，L为防晕层截面周长。

优选的，步骤4中防晕结构沿面电位、电场以及电流暂态计算分析，包括防晕结构沿面不同位置电位、电场、电流的时域变化分析，以及防晕结构沿面电位、电场以及体积损耗密度幅值分布分析。

优选的，步骤4中所述优化方法如下，调整防晕结构尺寸参数或/和防晕材料的非线性电阻参数，重复步骤1-4，直至防晕结构达到预定目标。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种基于多节点阻容网式模型的高压电机防晕结构优化方法，相比基于传统的阻容链式模型的绕组端部防晕优化设计方法，该优化方法建立的多节点阻容模型更加完整，可将线圈外部空气域考虑在内，从建模原理上避免了传统阻容链式方法因简化模型而引入的计算误差，同时采用沿线圈截面径向与线圈轴向将主绝缘与空气域划分为多个电容单元以及沿定子线圈轴向将防晕结构划分为多个电阻单元的结构划分方法，充分考虑了空气域与主绝缘内部的电位分布状态对防晕结构均压表现的影响，大大提高了计算精度，能够据此实现对防晕结构均压作用有效性的准确评估与优化验证。具备原理清楚、建模与计算成本低、精度高和分析全面的优点，可应用于当下高压电机定子线圈端部防晕结构的优化与设计。

附图说明

图1为本发明定子线圈端部防晕结构优化方法流程图；

图2为本发明定子线圈防晕材料非线性特性测试用试样示意图；

图3为本发明沿定子线圈截面径向划分示意图；

图4为本发明定子线圈端部多节点阻容网式模型(以具有三段高阻防晕层的防晕结构为例)。

图中：1-低阻带，2-绝缘管，3-高阻带，4-防晕结构，5-铜导体，6-主绝缘，7-空气域，8-定子线圈截面径向，9-空气域单元等效电容，10-铁芯接地，11-线性电阻单元，12-第一非线性电阻单元，13-第二非线性电阻单元，14-第三非线性电阻单元，15-空气域模型，16-主绝缘模型，17-定子线圈轴向，18-主绝缘单元等效电容，19-铜导体高电位。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1和3所示，基于多节点阻容网式模型的高压电机防晕结构优化方法，定子线圈端部设置有铜导体5，其表面形成有主绝缘6，防晕结构4包覆在主绝缘6的表面，优化方法包括以下步骤：

步骤1、明确定子线圈端部的防晕结构，对防晕结构的防晕材料进行非线性伏安特性测试。

针对新研发或投运过程中存在防晕问题的防晕结构，明确该防晕结构类型以及所用防晕材料，对所用防晕材料进行非线性伏安特性测试。

防晕结构包括定子槽外低阻防晕层以及多段非线性电阻特性不同的高阻防晕层，制备对应防晕材料试样，进行非线性伏安特性测试。

一般采用的方法是直接在成型防晕层试样表面粘贴一定间距的导体作为电极进行测量，但高压电机定子线圈经热压或真空压力浸渍成型后，成型的防晕层表面会覆盖一层浸渍树脂，若直接粘贴电极，表面存在的树脂会影响测量结果的准确性。因此本发明了提供了一种防晕材料非线性特性的准确测量方法。

如图2所示，所述防晕材料试样制作方式为，在直径数十毫米的绝缘管2表面半叠包绕高阻带3，再沿绝缘管2轴向依次缠绕多段间距十毫米的低阻带1后经绝缘浸渍成型，测试前应对试样进行预烘处理确保试样完全固化，测试时在缠绕低阻带1的位置依次粘贴与低阻带1等宽的铜箔作为测试电极。

防晕材料的非线性伏安特性测试场强范围应涵盖防晕材料工作场强范围，采用高压直流电源和微电流计进行测试，测试方法依据绝缘材料的表面电阻率测量原理。

步骤2、设定定子线圈的空气域范围，将定子线圈端部和空气域划分为多个电阻单元和多个电容单元，根据划分的电阻单元和电容单元建立高压电机定子线圈端部的多节点阻容网式模型。

具体的，设定高压电机定子线圈的空气域7范围，即确定对定子线圈外多大空间进行建模，根据防晕结构与主绝缘的尺寸参数将防晕结构4、主绝缘6和空气域7沿定子线圈的轴向17划分为多个单元，防晕结构4的每个单元沿线圈轴向17等效为一个电阻单元，主绝缘6和空气域7的每个单元沿线圈轴向17等效为一个电容单元，同时，沿定子线圈截面径向8将主绝缘6与空气域7划分为多个单元，每个单元沿定子线圈截面径向8等效为一个电容单元。沿定子线圈截面径向8对主绝缘6与空气域7的划分原则为越靠近防晕结构4，划分单位越小。

例如，依据实际结构将防晕结构4沿定子线圈轴向17以一个或多个毫米为单位划分为多个单元，对主绝缘6与空气域7沿定子线圈轴向17的划分单位尺寸与防晕结构4保持一致，同时沿定子线圈截面径向8将主绝缘6与空气域7以一个或多个毫米为单位划分为多个单元。

如图3所示，虚线标注部分为沿定子线圈截面径向的划分区域；如图4所示，根据材料阻容特性，划分后的防晕结构4单元用电阻单元表示，据各段防晕层阻值特性分别对应为线性电阻单元11、第一非线性电阻单元12、第二非线性电阻单元13和第三非线性电阻单元14，划分后的每一个主绝缘6与空气域7单元均用两个电容单元表示，分别对应主绝缘单元等效电容18和空气域单元等效电容9，一个用于等效沿定子线圈轴向17的容性阻抗，一个用于等效沿定子线圈截面径向8的容性阻抗，各单元之间的电气连接关系以实际线圈端部结构为准，各段防晕层之间的搭接采用电阻单元并联的形式等效，因此，可建立得到高压电机定子线圈端部多节点阻容网式模型，其中主绝缘6对应的主绝缘模型16与空气域7对应的空气域模型15均为包含更多内部节点的电容网络，防晕结构4的完整模型为线性电阻单元11以及多段非线性电阻单元构成的电阻链。

所述防晕结构尺寸参数包括各段防晕长度、厚度以及搭接长度，所述端部主绝缘参数包括主绝缘的厚度、内圈长宽以及外圈长宽。

步骤3、确定电阻单元的阻值参数、电容单元的电容参数，以及高压电机定子线圈端部多节点阻容网式模型的边界条件。

根据防晕材料固有属性，将多个电阻单元按照阻值分为线性电阻单元11与第一非线性电阻单元12、第二非线性电阻单元13和第三非线性电阻单元14，线性电阻单元的阻值参数按照防晕材料的实际阻值设定，第一非线性电阻单元12、第二非线性电阻单元13和第三非线性电阻单元14，根据步骤1测试所得非线性伏安特性换算后设定，换算公式为：

U_def＝U/d×d_e

I_def＝I/l×L

式中，U_def为用于定义每个高阻防晕层单元的电压，U为步骤1测试时施加在电极间的电压，d为电极间的间距，d_e为每个高阻防晕层单元沿轴向长度，I_def为对应每个U_def的电流，I为步骤1所测表面电流，l为电极长度，L为防晕层截面周长。

如图4所示，所述线性电阻单元为槽外低阻防晕单元11，所述非线性电阻单元为多段高阻防晕单元，也就是说，线性电阻单元11对应的低阻防晕层，非线性电阻单元对应的是几段阻值更高(彼此之间阻值也有差异)的防晕层，高压电机通常是三段，按阻值大小一般称为中阻防晕层、中高阻防晕层和高阻防晕层，依次对应第一非线性电阻单元12、第二非线性电阻单元13和第三非线性电阻单元14，所述阻值与非线性伏安特性均由试验测量数据换算可得。

所述用来定义电阻单元的非线性伏安特性为离散的点集合，未经测试得到的数据点由离散点插值拟合得到。

主绝缘6与空气域7划分后对应电容单元的电容值依据平板电容原理计算确定，具体的，每个沿定子线圈轴向17等效的电容单元由单元截面积、沿定子线圈轴向17厚度以及相对介电常数确定，每个沿定子线圈截面径向8等效的电容单元由单元等效截面积(单元内圈与外圈面积之和的一半)、沿定子线圈截面径向8厚度以及相对介电常数确定。主绝缘所需相对介电常数由试验测定，主绝缘的工频下相对介电常数可采用宽带介电谱测试系统或西林电桥测试。

边界条件包括，设定铜导体高电位和定子铁芯的电位为零，也就是铁芯接地10，其中铜导体高电位19选择为额定运行电压或耐压试验电压。

所述铜导体高电位19为高压电机正常运行时定子线圈中铜导体的交流电压(1倍额定相电压)或耐压试验时的交流试验电压(3倍额定相电压)。

步骤4、根据步骤3得到的已进行单元参数定义和边界条件设定的高压电机定子线圈端部多节点阻容网式模型，在铜导体不同的运行条件下，进行防晕结构沿面电位、电场以及电流暂态计算分析，对铜导体不同运行条件下的计算结果进行统计分析，确定防晕结构设计上存在的缺陷。

具体的，铜导体5的运行条件包括额定运行电压和耐压试验电压，也就是说，在铜导体5不同的运行电压和耐压试验电压下分别进行防晕结构沿面电位、电场以及电流暂态计算分析，得到稳态时在一个完整交流周期内防晕结构沿面的电位、电场和电流数据。

然后，将得到的所以防晕结构沿面的电位、电场和电流数值进行统计分析，提取一个完整交流周期内防晕结构沿面每一个位置(节点)上电位、电场最大值，得到防晕结构沿面电位和电场幅值分布，将一个完整交流周期内每一个数据采集时刻的防晕结构沿面电流和电场换算为防晕结构沿面体积损耗密度后提取防晕结构沿面体积损耗密度幅值分布，依据防晕结构设计目标或标准，判断当前防晕结构的缺陷，尤其是各段防晕之间的搭接区域与各段防晕的起始位置的最大电场与最大体积损耗密度。

所述电位、电场和电流计算分析包括防晕结构沿面不同位置电位、电场、电流的时域变化分析，以及经数据处理后所得防晕层沿面电位、电场以及体积损耗密度幅值分布分析，其中任意时刻体积损耗密度Q计算公式为：

Q＝E×I/S

式中，E为某一时刻电阻单元上的电场强度，I为对应时刻流经电阻单元上的电流，S为防晕层截面面积。

所述防晕结构设计目标或标准包括额定电压和耐压试验电压下各段防晕搭接或起始位置最大场强满足不起晕，防晕结构沿面最大体积损耗密度不导致热击穿，且额定电压下前一段或两段防晕主要起均压作用，耐压试验电压下各段防晕均应起到明显均压作用；所述防晕结构缺陷依据防晕结构设计标准判定。

步骤5、对防晕结构缺陷进行优化并验证。

依据步骤4中所得额定电压和耐压试验电压下防晕结构沿面电位、电场以及体积损耗密度幅值分布，优化调整防晕结构尺寸参数或/和防晕材料的属性参数，再次计算验证优化后的防晕结构电位、电场是否达到预期目标。所述优化调整基本原则是优先在防晕结构总长度不变的情况下调整各段防晕长度，其次改变防晕结构总长度，最后调整防晕材料的固有电阻率或非线性系数。

试验验证过程如下：制备带有优化完成后防晕结构的定子线圈，采用发电机定子线棒端部表面电位非接触式测量系统，或依据现有其它测量原理的接触式或非接触式测量系统对制备的定子线圈进行防晕沿面电位或电场分布测量，监测防晕结构沿面稳态温度分布，以进一步验证计算优化后的防晕结构是否达到预期效果。

所述发电机定子线棒端部表面电位非接触式测量系统(CN201721021408.2)，其是一种基于现有防晕材料场致发光效应的非接触式测量方法，能够更准确地测量防晕结构沿面电位或电场。

所述试验验证中模拟试验线棒是否起晕，采用日盲型紫外成像仪或在黑暗环境下目测判断，防晕结构沿面稳态温度为已施加电压的定子线棒达到热平衡时的温度分布，表征了防晕结构沿面的损耗分布，可采用红外测温仪进行监测。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于多节点阻容网式模型的高压电机防晕结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、确定防晕结构的防晕材料非线性伏安特性；

步骤2、预设定子线圈的空气域范围，将空气域以及定子线圈端部的防晕结构和主绝缘依据各自阻容特性划分为多个电阻单元和多个电容单元，根据划分的电阻单元和电容单元建立高压电机定子线圈端部的多节点阻容网式模型；

步骤3、确定电阻单元的阻值参数、电容单元的电容参数，以及高压电机定子线圈端部多节点阻容网式模型的边界条件；

步骤4、根据步骤3得到的高压电机定子线圈端部多节点阻容网式模型，在定子线圈端部铜导体不同的运行条件下，进行防晕结构沿面电位、电场以及电流暂态计算分析，确定防晕结构的缺陷并进行优化。

2.根据权利要求1所述的基于多节点阻容网式模型的高压电机防晕结构优化方法，其特征在于，步骤1中所述防晕结构包括低阻防晕层以及多段随电场强度变化呈不同非线性特性的高阻防晕层，对每段高阻防晕层进行非线性伏安特性测试。

3.根据权利要求2所述的基于多节点阻容网式模型的高压电机防晕结构优化方法，其特征在于，非线性伏安特性测试采用试样进行测试，试样的制备方法如下，在绝缘管(2)表面半叠包绕高阻带，再沿绝缘管轴向依次缠绕多段低阻带(1)后经绝缘浸渍成型。

4.根据权利要求1所述的基于多节点阻容网式模型的高压电机防晕结构优化方法，其特征在于，步骤2中划分方法具体如下：

将防晕结构(4)沿定子线圈轴向(17)划分为多个电阻单元，将主绝缘(6)和空气域(7)沿定子线圈轴向(17)划分为多个电容单元，沿线圈截面径向(8)将主绝缘(6)与空气域(7)划分为多个电容单元。

5.根据权利要求1所述的基于多节点阻容网式模型的高压电机防晕结构优化方法，其特征在于，步骤3中电容单元的电容参数依据平板电容原理计算确定电容值；边界条件包括，设定铜导体高电位，以及设定子铁芯电位为零，所述铜导体的高电位为线圈额定运行电压或耐压试验电压。

6.根据权利要求4所述的基于多节点阻容网式模型的高压电机防晕结构优化方法，其特征在于，将多个电阻单元按照阻值分为线性电阻单元与非线性电阻单元；所述线性电阻单元为防晕结构上低阻防晕层对应的电阻单元，所述非线性电阻单元为防晕结构上多段高阻防晕层对应的电阻单元。

7.根据权利要求6所述的基于多节点阻容网式模型的高压电机防晕结构优化方法，其特征在于，所述线性电阻单元的电阻特性按照材料实际阻值确定；所述非线性电阻单元的电阻特性根据步骤1的非线性伏安特性换算确定。

8.根据权利要求6所述的基于多节点阻容网式模型的高压电机防晕结构优化方法，其特征在于，所述非线性伏安特性换算方法如下：

U_def＝U/d×d_e

I_def＝I/l×L

式中，U_def为用于定义每个高阻防晕层单元的电压，U为步骤1测试时施加在电极间的电压，d为电极间的间距，d_e为每个高阻防晕层单元沿轴向长度，I_def为对应每个U_def的电流，I为步骤1所测表面电流，l为电极长度，L为防晕层截面周长。

9.根据权利要求1所述的基于多节点阻容网式模型的高压电机防晕结构优化方法，其特征在于，步骤4中防晕结构沿面电位、电场以及电流暂态计算分析，包括防晕结构沿面不同位置电位、电场、电流的时域变化分析，以及防晕结构沿面电位、电场以及体积损耗密度幅值分布分析。

10.根据权利要求1所述的基于多节点阻容网式模型的高压电机防晕结构优化方法，其特征在于，步骤4中所述优化方法如下，调整防晕结构尺寸参数或/和防晕材料的非线性电阻参数，重复步骤1-4，直至防晕结构达到预定目标。

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