CN112699578A - 针对电机线棒表面电场与温度的快速检验方法 - Google Patents
针对电机线棒表面电场与温度的快速检验方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112699578A CN112699578A CN202011064285.7A CN202011064285A CN112699578A CN 112699578 A CN112699578 A CN 112699578A CN 202011064285 A CN202011064285 A CN 202011064285A CN 112699578 A CN112699578 A CN 112699578A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- bar
- motor
- electric field
- temperature
- simulation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000005684 electric field Effects 0.000 title claims abstract description 26
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 238000007689 inspection Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 25
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 23
- 238000013461 design Methods 0.000 claims abstract description 16
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 17
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 14
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 8
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 claims 1
- 238000013101 initial test Methods 0.000 claims 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 abstract description 6
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 abstract description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 11
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 5
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 2
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000010445 mica Substances 0.000 description 2
- 229910052618 mica group Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 2
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical group [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 125000001475 halogen functional group Chemical group 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical group [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000010408 sweeping Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
Abstract
本发明涉及大型发电机线棒性能仿真分析领域，特别涉及一种针对水轮发电机线棒端部表面电场与温度的快速检验方法。该方法在COMSOL Multiphysics软件中建立参考电机线棒设计数据的结构模型、设置电机线棒模型参数、进行电热耦合仿真计算、获取电机线棒表面电场分布以及电机运行温度，评估电机结构设计是否合理。本发明解决了实体电机线棒测试成本高、操作危险性高、实验周期长、灵活性差等问题，具有加快设计的实验进程、参数设置灵活等优点，可对电机线棒结构设计方案进行快速检验。
Description
技术领域
本发明涉及大型发电机线棒性能仿真分析领域，特别涉及针对水轮发电机线棒端部表面电场与温度的快速检验方法。
背景技术
随着大型水轮发电机单机容量的不断增大和额定电压等级的不断提高，对大型发电机定子线棒绝缘结构和材料的要求也越来越高。由于定子线棒端部的电场分布十分集中，容易发生电晕放电影响发电机的稳定运行。
在发电机定子线棒的生产过程中，需要根据发电机的额定容量、额定电压、使用环境等因素进行设计制造。线棒出厂前需进行各种绝缘检测，项目包括：工频耐压试验、介质损耗因数测试、端部起晕电压测试等。目前对线棒测试大多为破坏性试验，完成全部参数的测量所需成本很高且效率低下，影响电机线棒的设计进度。
针对以上问题，本发明提出了快速检测电机线棒设计效果的仿真方法，通过仿真试验可以即时分析线棒结构设计的性能，而且仿真试验的建模时间短，可以实现快速检验，从而节省设备成本、减少人为操作的危险性与误差。
发明内容
本发明的目的在于，提出针对水轮发电机线棒端部表面电场与温度的快速检验方法，用于实现电机线棒设计效果的快速检验，解决实体试验成本高、危险性高、周期长、灵活性差等问题。
针对水轮发电机线棒端部表面电场与温度的快速检验方法，包括如下步骤：
(1)选定COMSOL Multiphysics作为电机线棒仿真软件，根据电机线棒几何数据建立满足规格的单根电机线棒模型。
(2)确定电机线棒额定电压与额定容量，获取电机线棒各个组成部分的材料类型及参数，包括电机线棒导体、主绝缘、低阻防晕层、中阻防晕层、高阻防晕层的材料属性，将所有参数输入电机线棒模型中；
(3)在电机线棒系统模型中设置工频试验电压与环境温度，开始进行电热耦合仿真；
(4)计算获得仿真数据，即电机线棒表面的切向电场强度，电机线棒的温度分布情况等。
所述COMSOL Multiphysics是一款可应用于各个领域的有限元分析软件，它使用数值分析的方法，结合电流与固体传热模块进行电热耦合分析计算，可以对线棒运行状况进行准确的评估，仿真数据具有高度的可靠性和精确性。
所述电缆系统模型参数包括电机线棒结构参数、主绝缘材料属性、防晕层材料属性；电机线棒结构参数包括线棒端部长度、低阻防晕层长度、中阻防晕层长度、中高阻防晕层长度、高阻防晕层长度、导体截面面积、主绝缘与防晕层厚度等；主绝缘材料属性和防晕层材料属性包括材料的电导率、恒压热容、相对介电常数、密度、导热系数五个参数。
本发明的有益效果：1、本发明充分利用数值分析方法的特点，可准确地获取电机线棒在试验电压下电场、温度场、表面损耗等表征参数的变化；2、本发明克服了实体试验成本高、周期长、灵活性差、污染环境等缺点；3、本发明的建模周期短，可实现对电机线棒设计方案性能的即时检验。
附图说明
图1为针对水轮发电机线棒端部表面电场与温度的快速检验方法流程图；
图2为电机线棒结构示意图；
图3为利用COMSOL Multiphysics建立的单根线棒仿真模型；
图4利用COMSOL Multiphysics建立的单根线棒仿真模型的网格划分；
图5为电机线棒表面电位测量实验中的电极分布图；
图6为仿真模型得到的单根线棒电位分布与实际测量值的比较；
图7为仿真模型得到的单根线棒电场分布结果；
图8为仿真模型得到的单根线棒纵向切面温度场分布结果；
图9为仿真模型得到的单根线棒沿纵向防晕层表面的切向电场线图；
图10为仿真模型得到的单根线棒表面损耗分布结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的针对水轮发电机线棒端部表面电场与温度的快速检验方法的具体实施方式作详细描述。
图1示出了针对水轮发电机线棒端部表面电场与温度的快速检验方法流程图，主要包括如下步骤：
步骤S1，根据几何结构设计数据建立三维线棒模型：
根据现有设计图纸尺寸要求得到电机线棒尺寸，包括线棒端部长度、线棒导体截面面积、导体截面圆角尺寸、主绝缘厚度、防晕层厚度、低阻防晕层长度、中阻防晕层厚度、中高阻防晕层厚度、高阻防晕层厚度，电机线棒端部结构示意图见图2。
步骤S2，设置电机线棒导体与绝缘材料参数：
确定电机线棒额定电压，获取线棒导体与绝缘材料参数，通常电机线棒导体为铜，主绝缘为云母，防晕层为碳化硅掺杂的环氧树脂，需要获得电导率、恒压热容、相对介电常数、密度、导热系数五个参数，将所有参数填入模型中；
步骤S3，对发电机线棒进行电热耦合仿真：
在线棒系统模型中设置线棒导体电压，环境温度等，计算不同电压等级下的电场与温度分布；
步骤S4，获取其他相关性能表征参数：
利用COMSOL Multiphysics的后处理功能获取表面损耗、防晕层切向电场，绝缘温度等参数。
为了更清晰本发明的技术，下面阐述较佳实施例。
对于步骤S1，主要是根据电机设计规格，建立三维几何模型并进行网格划分。
本步骤可以通过以下方式实现：
第一，如图3所示，建立三维线棒模型；在COMSOL Multiphysics的几何窗口中分别创建导体、主绝缘、防晕层截面，由布尔运算差集形式创建截面三层嵌套结构。建立线棒基线，以截面为起点，延基线进行扫掠，形成线棒主体。
第二，使用自由四面体进行网格划；防晕层区域进行细网格划分，对主绝缘和导体其他区域进行粗网格划分，网格划分结果见图4。
网格划分从原理上来说是为了将复杂几何变成有限元，将所求的微分方程转化为相应的变分问题，由划分网格的节点将变分问题转化为普通多元函数的极值问题，最终归结为一组多元的代数方程组。网格的划分直接影响着后续数值分析结果的准确性。尤其对于像防晕层这种较薄的结构，细化网格有助于获得更为精确的解。
对于步骤S2，主要是确定电机线棒额定电压，获取线棒导体与绝缘材料参数，需要获得电导率、恒压热容、相对介电常数、密度、导热系数五个参数，将所有参数填入模型中。
下面以额定电压为24kV，额定容量为1000MW的水轮发电机定子线棒端部结构为例进行阐述，步骤S2包括如下步骤：
第一，确定选定发电机定子线棒各个结构的材料：
根据水轮机线棒的性能要求，通常选取方案是电机线棒导体为铜，主绝缘为云母，防晕层为碳化硅掺杂的环氧树脂。
第二，确定各材料的参数：
根据对各材料的实体试验，分别测定电导率、恒压热容、相对介电常数、密度、导热系数，其中四段防晕层应使用具有不同电导率的材料。材料的五个参数均可由相应仪器测出。
对于步骤S3，主要在电机线棒模型中设置初始环境温度、电机线棒运行电压，设定电机线棒导体为电磁热源。电压设置为电机单相电压
kV，环境温度为323.15K。为了验证仿真结果，用一根相同尺寸的线棒在表面缠绕14个电位测试点，用高压测试探头依次测量测试点的电位，测试电极位置如图5所示。使用comsol进行有限元仿真，得到电机线棒表面电位分布，与真实电机线棒测量结果比较，见图6。
在结果中获取电场与温度场的分布情况，分别如图7、8所示。
对于步骤S4，主要在仿真后利用后处理，对物理场的解析解进行计算，获取其余衍生数据，常用的如沿线棒表面的切向电场与电机线棒的表面损耗，分别如图9、10所示。
本发明同时考虑了电机线棒结构、绝缘和防晕层属性、试验电压与温度对电机线棒的影响，克服了实体试验成本高、危险性高、周期长、灵活性差、污染环境等缺点，具有建模流程简单，节约成本，电机线棒结构与材料参数能够灵活修改等优点，能够实现对电机线棒设计性能的快速检验。在上述实施方式中，电机线棒的多层结构、电机线棒绝缘和电机线棒防晕层材料属性等，可对参数进行部分修改，可见本发明具有良好的机动性和交互性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“实施例”的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含与本发明的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表达不一定指的是相同的实施例或示例。
以上所述实施例表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (3)
1.针对水轮发电机线棒端部表面电场与温度的快速检验方法，其特征在于，包括以下步骤：
电机端部结构复杂，线棒数量较多仿真难度大，经测试单根线棒的电场与温度分布受线棒间的影响不大，为了简化模型建立单根电机线棒的结构、设置电机线棒模型参数、进行电热耦合仿真计算、获取电机线棒表面电场分布以及电机运行温度等数据，具体方法如下：
(1)选定COMSOL Multiphysics作为电机线棒仿真软件，根据电机线棒几何数据建立满足规格的单根电机线棒模型；(2)确定电机线棒额定电压与额定容量，获取电机线棒各个组成部分的材料类型及参数，包括电机线棒导体、主绝缘、低阻防晕层、中阻防晕层、高阻防晕层的材料属性，将所有参数输入电机线棒模型中；(3)在电机线棒模型中设置初始试验电压与环境温度，开始进行电热耦合仿真；(4)计算获得仿真数据，即电机线棒表面的切向电场强度，电机线棒的温度分布情况等。
2.根据权利要求1所述的针对电机线棒表面电场与温度的快速检验方法，其特征在于，可以随时根据电机线棒设计方案进行建模，即时查看线棒性能。
3.根据权利要求1所述的针对水轮发电机线棒端部表面电场与温度的快速检验方法，其特征在于，电机线棒仿真系统中可以灵活修改结构尺寸、设定材料属性、环境温度、试验电压并能得到每种设计结构对应的电场与温度分布情况。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011064285.7A CN112699578A (zh) | 2020-09-30 | 2020-09-30 | 针对电机线棒表面电场与温度的快速检验方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011064285.7A CN112699578A (zh) | 2020-09-30 | 2020-09-30 | 针对电机线棒表面电场与温度的快速检验方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112699578A true CN112699578A (zh) | 2021-04-23 |
Family
ID=75506982
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011064285.7A Pending CN112699578A (zh) | 2020-09-30 | 2020-09-30 | 针对电机线棒表面电场与温度的快速检验方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112699578A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114239338A (zh) * | 2021-11-24 | 2022-03-25 | 南方电网调峰调频发电有限公司检修试验分公司 | 一种发电机定子线棒电场计算模型边界确定方法及装置 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11234937A (ja) * | 1998-02-16 | 1999-08-27 | Mitsubishi Electric Corp | 回転電機の固定子コイルエンド構造 |
| CN104269953A (zh) * | 2014-09-24 | 2015-01-07 | 湖南科技大学 | 基于电场分析的高压电机定子线圈防晕结构优化方法 |
| CN106845044A (zh) * | 2017-04-11 | 2017-06-13 | 哈尔滨理工大学 | 一种水轮发电机定子绕组端部的精确建模方法 |
| CN106919773A (zh) * | 2017-04-25 | 2017-07-04 | 哈尔滨理工大学 | 一种用于大电机定子线棒端部模型的数值计算app |
-
2020
- 2020-09-30 CN CN202011064285.7A patent/CN112699578A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11234937A (ja) * | 1998-02-16 | 1999-08-27 | Mitsubishi Electric Corp | 回転電機の固定子コイルエンド構造 |
| CN104269953A (zh) * | 2014-09-24 | 2015-01-07 | 湖南科技大学 | 基于电场分析的高压电机定子线圈防晕结构优化方法 |
| CN106845044A (zh) * | 2017-04-11 | 2017-06-13 | 哈尔滨理工大学 | 一种水轮发电机定子绕组端部的精确建模方法 |
| CN106919773A (zh) * | 2017-04-25 | 2017-07-04 | 哈尔滨理工大学 | 一种用于大电机定子线棒端部模型的数值计算app |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| 刘伟;刘爽;刘学忠;张跃;刘枰;梁智明;胡波;: "高压电机定子线棒端部沿面电位梯度分布的非接触式测量方法", 绝缘材料, no. 10 * |
| 刘枰;刘学忠;张跃;: "高压电机定子绕组端部表面电场测量技术进展", 大电机技术, no. 05 * |
| 孙永鑫;胡春秀;刘东;: "大型电机定子线棒防晕层电场的有限元研究", 大电机技术, no. 03 * |
| 孙永鑫等: "定子线棒防晕区温升机理和检测分析方法", 《大电机技术》, no. 5, pages 9 - 14 * |
| 胡海涛: "大型水轮发电机定子绝缘电场分布的数值仿真与结构优化", 《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑（月刊）》, no. 08, pages 15 - 27 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114239338A (zh) * | 2021-11-24 | 2022-03-25 | 南方电网调峰调频发电有限公司检修试验分公司 | 一种发电机定子线棒电场计算模型边界确定方法及装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lusuardi et al. | Insulation design of low voltage electrical motors fed by PWM inverters | |
| Saha | Review of time-domain polarization measurements for assessing insulation condition in aged transformers | |
| Florkowski et al. | Detection of transformer winding deformations based on the transfer function—Measurements and simulations | |
| CN107609251B (zh) | 一种基于fds的油纸电容式套管串联极化模型建模方法 | |
| Palangar et al. | Improved flashover mathematical model of polluted insulators: A dynamic analysis of the electric arc parameters | |
| CN108646152B (zh) | 一种极化/去极化电流法检测评估定子线棒绝缘老化状态的方法 | |
| Babel et al. | Condition-based monitoring and prognostic health management of electric machine stator winding insulation | |
| CN112699578A (zh) | 针对电机线棒表面电场与温度的快速检验方法 | |
| Florkowski et al. | Detection of winding faults in electrical machines using the frequency response analysis method | |
| CN111650479A (zh) | 基于irc和电热加速老化试验方法 | |
| Rizzo et al. | Partial discharges in hvdc cables-the effect of the temperature gradient during load transients | |
| Arikan et al. | Prediction of dielectric parameters of an aged MV cable: A comparison of curve fitting, decision tree and artificial neural network methods | |
| CN111337797A (zh) | 基于修正Debye模型的XLPE电力电缆主绝缘不均匀热老化状态评估方法 | |
| Rizk et al. | AC source-insulator interaction in HV pollution tests | |
| Cimbala et al. | Determination of thermal ageing influence on rotating machine insulation system using dielectric spectroscopy | |
| Linde et al. | Comparison of Dielectric Loss Measuring Methods on Epoxy Samples under Harmonic Distorted Voltages | |
| Tamus et al. | Comparison of voltage response and return voltage measurements of a transformer insulation model | |
| Sharma et al. | Development of reference SFRA plot of transformer at design stage using high frequency modelling | |
| RU2743110C1 (ru) | Устройство контроля изоляций обмотки статора турбогенератора | |
| CN112287546B (zh) | 基于多节点阻容网式模型的高压电机防晕结构优化方法 | |
| Yuan et al. | Transformer bushing insulation defect detection method based on 3D surface map | |
| Haering et al. | Evaluation of extruded hvdc cable systems | |
| KR100805872B1 (ko) | 코일의 여수명 추정 방법 및 코일의 여수명 추정 장치 | |
| Tang et al. | Cable insulation detection based on coplanar capacitive sensor | |
| RU2708685C1 (ru) | Способ определения распределения электрического напряжения по слоям изоляции электрической машины |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |