CN114239338A - 一种发电机定子线棒电场计算模型边界确定方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发电机定子线棒电场计算模型边界确定方法及装置，该方法包括如下步骤：步骤S1，按实际尺寸建立单根线棒的三维模型；步骤S2，根据单根线棒的三维模型建立三根线棒的三维模型；步骤S3，建立所述三根线棒的三维模型的边界条件；步骤S4，选定三维瞬态电场，利用有限元仿真软件进行电场仿真，通过后处理确定模型各处电场分布特性。
Description
技术领域
本发明涉及输配电技术领域，特别是涉及一种发电机定子线棒电场计算模型边界确定方法及装置。
背景技术
大型水轮发电机的定子部分由定子铁芯和定子线圈组成，定子铁芯由导磁性能好的硅钢片叠加而成，定子铁芯内圆均匀分布着大量的槽，用来嵌放定子线圈，定子线圈嵌放在定子槽内以组成三相绕组，定子线圈结构通常是多根定子线棒按照一定的规则首尾相连形成，单根定子线棒的端部位于铁心外空气中，中间部分的直线段嵌放在铁心槽中。
发电机定子线棒按照芯棒外面缠绕屏蔽层的电气特性不同分为三部分：低阻带、高阻带、高低组搭接带(中间带)，其中低阻带位于铁心槽内，与直接接地的铁心相接触，不亦发生放电；高阻带位于发电机定子端部暴露于空气中；中间带是位于线棒的低阻带和高阻带的中间位置，中间带的屏蔽层是由先缠绕低阻层然后缠绕高阻层形成，若中间层的外屏蔽材料在长期运行过程中老化，就容易引起放电。
高阻层为电阻随电场增加而自动降低的碳化硅非线性半导体防电晕层，可以使电场分布更均匀，有效抑制电晕放电的发生。为了研究高阻层在线棒各段发挥的屏蔽作用，需要开展非线性导体的电场计算。
通常定子线棒端部电场比较集中，电压越大槽口场强越大，越容易产生电晕放电，在设备检修过程中经常可以发现放电痕迹。因此，准确地计算定子线棒场强分布尤其是线棒端部场强分布并提出线棒端部防晕措施，是大型发电机定子线棒端部防晕设计的关键。
由于大型发电机定子线棒数量多达数百根，每根线棒的绝缘层和屏蔽层尺寸很薄，达0.1mm级，所以建立整体线棒的计算模型网格剖分量和计算量巨大，极易导致计算结果不收敛，考虑到单根线棒结构的轴对称性，往往建立二维计算模型，或者单根线棒的三维计算模型，这样虽然计算量大为减少，但边界条件难以确定，因为空气外边界即相邻线棒的边界电位值同样需要通过数值计算确定。现有技术方案往往是建立单根定子线棒端部横截面的二维计算模型(胡建林，大型水轮发电机定子线棒绝缘参数对槽部表面电位分布及电场分布的影响，《绝缘材料》，2020年第4期39-46)或端部三维计算模型(孙永鑫，大型电机线棒端部电场的有限元计算方法，黑龙江科技学院学报，2012年第002期182-186)，外包空气边界尺寸根据有限元计算收敛和容许误差规则确定，取2-5倍模型尺寸，通过施加空气层外边界电位为0开展计算，但这个空气模型尺寸取值与各线棒之间的实际空气间隙大小不相符合，会给计算带来一定的误差，难以获取实际线棒的电位分布情况。具体地，现有技术中构建的模型如下：
1)单根线棒二维模型。为了弄清楚线棒在某一横截面上的电场分布特性，先建立发电机定子线棒的横截面的二维计算模型对软件求解的适应性进行验证，并找出横截面上的电场分布特点、评估高阻带屏蔽层的屏蔽效果。横截面结构图如图1所示，分别由线棒导体、绝缘带层、内屏蔽层、主绝缘层、外屏蔽层组成。图2为基于线棒各层实际尺寸建立的计算模型，外加空气包开展计算。此时空气包约取模型2-5倍尺寸大小。
2)单根线棒三维模型。为研究沿着线棒轴向由低阻带到中间带，然后到高阻带的这条路径的电场分布规律，需要开展三维计算，进行线棒各段电场分布横向对比，该单根线棒三维计算模型如图3所示，根据有限元计算方法，取2-5倍模型尺寸作为空气包的大小模拟无穷远处零电位为0开展计算，由此得到线棒各段表面的电场分布规律。许多研究学者采用这个计算方法，但这个方法的边界的确定和边界条件的施加与发电机本身结构存在这差别。主要差别表现在：2-5倍空气尺寸远大于与线棒相邻的空气间隙；线棒相邻的空气间隙的外边界，也是相邻线棒的外边界，其电位并不为0，实际电位需要通过数值计算得到，因此采用单根线棒建立三维计算模型得到的结果准确性有待修正。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种发电机定子线棒电场计算模型边界确定方法及装置，建立了一种更符合实际线棒结构的发电机定子线棒电场计算模型，解决了模型边界难以确定或边界值难以确定的问题，计算结果更贴近真实值，能满足发电机定子线棒的瞬态场仿真分析，从而提升定子线棒计算准确性和分析效率。
为达上述目的，本发明提出一种发电机定子线棒电场计算模型边界确定方法，包括如下步骤：
步骤S1，按实际尺寸建立单根线棒的三维模型；
步骤S2，根据单根线棒的三维模型建立三根线棒的三维模型；
步骤S3，建立所述三根线棒的三维模型的边界条件；
步骤S4，选定三维瞬态电场，利用有限元仿真软件进行电场仿真，通过后处理确定模型各处电场分布特性。
优选地，于步骤S1中，所述单根线棒的三维模型包括线棒导体、主绝缘层和屏蔽层，其屏蔽层由两段搭接而成。
优选地，于步骤S2中，通过拷贝所述单根线棒的三维模型建立所述三根线棒的三维模型，仅在线棒末端的连接方式有差异，线棒之间的距离为发电机的线棒实际距离。
优选地，按发电机的实际情况依次排列三根线棒，按发电机线棒间距的实际尺寸建立三根线棒中相邻线棒之间的空气层，并在该三根线棒的最外层建立空气包。
优选地，所述空气包尺寸为所述三根线棒的三维模型的2-5倍。
优选地，于步骤S3中，分别在三根线棒上施加实际的相电压，在所述空气包的外边界处设置零电位。
优选地，所施加的相电压相序根据设计给定，相角相差120°或者相同。
为达到上述目的，本发明还提供一种发电机定子线棒电场计算模型边界确定装置，包括：
模型建立单元，勇于按实际尺寸建立单根线棒的三维模型，并根据单根线棒的三维模型建立三根线棒的三维模型；
边界条件确定单元，用于建立所述三根线棒的三维模型的边界条件；
仿真处理单元，用于选定三维瞬态电场，利用有限元仿真软件进行电场仿真，通过后处理确定模型各处电场分布特性。
优选地，所述模型建立单元通过拷贝所述单根线棒的三维模型建立所述三根线棒的三维模型，仅在线棒末端的连接方式有差异，线棒之间的距离为发电机的线棒实际距离。
优选地，所述边界条件确定单元通过分别在三根线棒上施加实际的相电压，在三根线棒最外层的空气包的外边界处设置零电位建立所述三根线棒的三维模型的边界条件。
与现有技术相比，本发明一种发电机定子线棒电场计算模型边界确定方法及装置，通过建立三根定子线棒三维计算模型，将中间线棒两侧的空气边界取线棒之间空气实际尺寸，两侧空气边界不施加边界条件，并通过在相邻线棒设置相电压作为边界条件，仅在相邻线棒导体部分设置实际电压值，进行有限元仿真计算，实现了一种更符合实际线棒结构的发电机定子线棒电场计算模型，解决了模型边界难以确定或边界值难以确定的问题，计算结果更贴近真实值，能满足发电机定子线棒的瞬态场仿真分析，从而提升定子线棒计算准确性和分析效率。
附图说明
图1为现有技术中单根线棒横截面示意图；
图2为现有技术中单根线棒的二维计算模型示意图；
图3为现有技术中单根线棒三维计算模型的示意图；
图4为本发明一种发电机定子线棒电场计算模型边界确定方法的步骤流程图；
图5为本发明具体实施例中建立的三根线棒三维计算模型的示意图；
图6为本发明一种发电机定子线棒电场计算模型边界确定装置的系统架构图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图4为本发明一种发电机定子线棒电场计算模型边界确定方法的步骤流程图。如图4所示，本发明一种发电机定子线棒电场计算模型边界确定方法，包括如下步骤：
步骤S1，按线棒的实际尺寸建立发电机的单根线棒的三维模型。
在本发明具体实施例中，采用建模软件，按实际尺寸建立发电机的单根线棒的三维模型，其包括线棒导体、绝缘带层、内屏蔽层、主绝缘层和外屏蔽层，所述单根线棒的屏蔽层是由两段搭接而成，其三维模型包含低阻带、中间带和高阻带，由于采用建模软件建立单根线棒的三维模型已是前述的现有技术，在此不予赘述。
步骤S2，根据单根线棒的三维模型建立三根线棒的三维模型。
在本发明具体实施例中，通过拷贝单根线棒的三维模型建立三根线棒的三维模型，仅在线棒末端的连接方式有差异，线棒之间的距离为发电机的线棒实际距离，如图5所示，在本发明中，该三根线棒相当于线圈的三相，电位可以各不相同，具体地，按发电机的实际情况依次排列三根线棒，按发电机线棒间距的实际尺寸建立三根中相邻线棒之间的空气层，并在该三根线棒的最外层建立空气包，该空气包尺寸为该三根线棒三维模型的2-5倍，以确保计算结果精度要求即可。
由于三个线棒之间是有空气间隙的，这个空气间隙就是实际的空气间隙尺寸。一般在开展有限元计算时，设备最外面要包一层空气层，模拟无穷远处的空气外边界为地电位0，这个空气层的外边界尺寸相对随意，大概是设备尺寸的2～5倍，确保计算结果精度要求即可。而每根线棒周围的实际空气间隙并没有那么多，只能按照实际的空气间隙建模，并将另外两根的实际电位值作为外边界。
步骤S3，建立三根线棒之三维模型的边界条件。
具体地，分别在三根线棒上施加实际的相电压值，电压相序根据设计给定，相角相差120°或者相同；在空气包的外边界处设置0电位，中间线棒两侧的空气层不需要处理，不强制施加0电位。
步骤S4，选定三维瞬态电场，利用有限元仿真软件进行电场仿真，通过后处理确定模型各处电场分布特性。
通过仿真，本发明通过建立三根线棒的三维模型，并在相邻线棒设置实际相电压作为边界条件进行仿真，其仿真计算结果与单根的三维模型的计算结果相比更贴合实际模型，计算结果更准确。其原因在于，对于中间线棒模型而言，两侧的线棒为中间线棒的边界，各线棒施加的电压为发电机实际电压值，其计算结果并不受外边界条件的影响。而两侧的线棒的表面电场计算结果因空气包外边界强制设置电位为0而与实际值存在差异，但这并不影响中间线棒的计算结果。
图6为本发明一种发电机定子线棒电场计算模型边界确定装置的系统架构图。如图6所示，本发明一种发电机定子线棒电场计算模型边界确定装置，包括：
模型建立单元601，用于按线棒的实际尺寸建立单根线棒的三维模型，并根据单根线棒的三维模型建立三根线棒的三维模型
在本发明具体实施例中，模型建立单元601首先通过建模软件，按实际尺寸建立发电机的单根线棒的三维模型，其包括线棒导体、绝缘带层、内屏蔽层、主绝缘层和外屏蔽层，该屏蔽层是由两段搭接而成，该单根线棒的三维模型包含低阻带、中间带和高阻带；在建立好单根线棒的三维模型后，通过拷贝单根线棒的三维模型建立三根线棒的三维模型，仅在线棒末端的连接方式有差异，线棒之间的距离为发电机的线棒实际距离，在本发明中，三根线棒相当于线圈的三相，电位可以各不相同，按发电机的实际情况依次排列三根线棒，按发电机线棒间距的实际尺寸建立三根线棒中相邻线棒之间的空气层，并在该三根线棒的最外层建立空气包，该空气包尺寸为该三根线棒三维模型的2-5倍，以确保计算结果精度要求即可。
边界条件确定单元602，用于建立所述三根线棒的三维模型的边界条件。
具体地，边界条件确定单元602通过分别在三根线棒上施加实际的相电压值，电压相序根据设计给定，相角相差120°或者相同；在空气包的外边界处设置0电位，中间线棒两侧的空气层不需要处理，不强制施加0电位。
仿真处理单元603，用于选定三维瞬态电场，利用有限元仿真软件进行电场仿真，通过后处理确定模型各处电场分布特性。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
Claims (10)
1.一种发电机定子线棒电场计算模型边界确定方法，包括如下步骤：
步骤S1，按实际尺寸建立单根线棒的三维模型；
步骤S2，根据单根线棒的三维模型建立三根线棒的三维模型；
步骤S3，建立所述三根线棒的三维模型的边界条件；
步骤S4，选定三维瞬态电场，利用有限元仿真软件进行电场仿真，通过后处理确定模型各处电场分布特性。
2.如权利要求1所述的一种发电机定子线棒电场计算模型边界确定方法，其特征在于：于步骤S1中，所述单根线棒的三维模型包括线棒导体、主绝缘层和屏蔽层，其屏蔽层由两段搭接而成。
3.如权利要求1所述的一种发电机定子线棒电场计算模型边界确定方法，其特征在于：于步骤S2中，通过拷贝所述单根线棒的三维模型建立所述三根线棒的三维模型，仅在线棒末端的连接方式有差异，线棒之间的距离为发电机的线棒实际距离。
4.如权利要求3所述的一种发电机定子线棒电场计算模型边界确定方法，其特征在于：按发电机的实际情况依次排列三根线棒，按发电机线棒间距的实际尺寸建立三根线棒中相邻线棒之间的空气层，并在该三根线棒的最外层建立空气包。
5.如权利要求4所述的一种发电机定子线棒电场计算模型边界确定方法，其特征在于：所述空气包尺寸为所述三根线棒的三维模型的2-5倍。
6.如权利要求4所述的一种发电机定子线棒电场计算模型边界确定方法，其特征在于：于步骤S3中，分别在三根线棒上施加实际的相电压，在所述空气包的外边界处设置零电位。
7.如权利要求6所述的一种发电机定子线棒电场计算模型边界确定方法，其特征在于：所施加的相电压相序根据设计给定，相角相差120°或者相同。
8.一种发电机定子线棒电场计算模型边界确定装置，包括：
模型建立单元，勇于按实际尺寸建立单根线棒的三维模型，并根据单根线棒的三维模型建立三根线棒的三维模型；
边界条件确定单元，用于建立所述三根线棒的三维模型的边界条件；
仿真处理单元，用于选定三维瞬态电场，利用有限元仿真软件进行电场仿真，通过后处理确定模型各处电场分布特性。
9.如权利要求8所述的一种发电机定子线棒电场计算模型边界确定装置，其特征在于，所述模型建立单元通过拷贝所述单根线棒的三维模型建立所述三根线棒的三维模型，仅在线棒末端的连接方式有差异，线棒之间的距离为发电机的线棒实际距离。
10.如权利要求8所述的一种发电机定子线棒电场计算模型边界确定装置，其特征在于，所述边界条件确定单元通过分别在三根线棒上施加实际的相电压，在三根线棒最外层的空气包的外边界处设置零电位建立所述三根线棒的三维模型的边界条件。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220325 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |