CN114578225B - 一种模拟定子绕组绝缘磨损的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种模拟定子绕组绝缘磨损的装置，包括底部固定板以及可拆卸安装于所述底部固定板上的驱动电机、模拟发电机组件和激振器组件；所述驱动电机通过联轴器与所述模拟发电机组件相连接，所述激振器组件分别对称安装在所述模拟发电机组件的轴向侧两端和径向侧两端。本发明方案可靠、易于实现，可对发电机定子绕组绝缘磨损故障进行有效模拟，弥补当前空白，为发电机定子绕组绝缘磨损故障的研究和实验分析提供有效思路。

Description

一种模拟定子绕组绝缘磨损的装置及方法
技术领域
本发明涉及发电技术实验装置领域，更具体地说，涉及一种模拟定子绕组绝缘磨损的装置及方法。
背景技术
大型发电机在运行过程中，其绕组必然会受到电场力、磁场力、热应力、机械应力的影响，加之工作环境的不确定性，发电机长期运行后很容易绝缘损坏出现绕组匝间短路的故障。随着机组使用年限的增长，这种故障发生的机率也越来越大。因此，大型发电机绝缘磨损一直是众多科研人员及企业技术员工研究的热点问题。
发电机在正常运行时定子就有一定的振动，而发电机转子偏心(机械故障)与绕组短路(电气故障)会造成更加剧烈的定子振动。实际运行的发电机几乎都有偏心情况，长期运行后偏心程度加剧，振动更加明显，这会造成绕组之间的摩擦破坏，而绕组的磨损会造成发电机匝间短路故障，这更加剧了发电机的振动。因发电机振动造成绕组绝缘磨损会进一步加剧发电机的机电耦合故障，严重时会发生机毁人亡的重大事故，故对于此类故障的深入研究刻不容缓，设计一种模拟机电交叉故障下定子绕组绝缘磨损的装置及实验方法势在必行。
一般发电机定子绕组采用双层叠绕组排布方式，这样的排布可以选择最有利的节距，在得到较多的并联支路数的同时可使电动势与磁动势波形接近正弦波，并且相同的线圈尺寸一致、线圈端部排列整齐有利于散热和增强机械强度。如此一般会产生两种绝缘破坏，分别是：单层绕组中每根导线间的绝缘破坏(匝间磨损)、上下层绕组间的层间绝缘破坏(层间磨损)。
单层绕组中每根导线间的绝缘破坏最常出现在梨形槽中，这种铁芯槽型由于其开口较小，安放线圈的时候只能少量多次下放，每根导线相对独立彼此相互摩擦，故易发生单层绕组中每根导线间的绝缘破坏。上下层绕组间的层间绝缘破坏比较常发生在矩形槽中，这种铁芯槽型开口宽度与槽内有效宽度相差不多，下线时往往采用整个线棒下线，故易发生层间绝缘破坏。
本发明的主要设计是将发电机定子绕组绝缘破坏的故障这一长期过程，按实际发生规律以人工方式合理加剧，缩短其周期进行研究，通过分析实验取得数据预测实际破坏发生的部位，从而达到防患于未然的目的。
发明内容
为了充分克服现有技术的上述缺陷，充实绕组绝缘磨损实验的手段，提供一种短检测周期实验室内的绕组绝缘破坏实验装置，它可以依照实际绕组受力规律，模拟绕组绝缘磨损情况，从而为永磁同步发电机定子绕组绝缘破坏故障的分析、研究和预防提供依据。
具体的，本发明提供了一种模拟定子绕组绝缘磨损的装置及方法，一方面，本发明提供了一种模拟定子绕组绝缘磨损的装置，包括底部固定板以及可拆卸安装于所述底部固定板上的驱动电机、模拟发电机组件和激振器组件；所述驱动电机通过联轴器与所述模拟发电机组件相连接，所述激振器组件分别对称安装在所述模拟发电机组件的轴向侧两端和径向侧的一端。
进一步的，所述模拟发电机组件包括发电机转子、转子转轴、发电机定子及绕组和定子支架，所述定子支架下端与所述底部固定板通过螺栓紧固。
进一步的，所述转子转轴两端分别通过轴承与电机支架转动连接，所述电机支架下端分别与所述底部固定板固定连接。
进一步的，所述激振器组件包括两个对称设置的轴向激振器，还包括两个对称设置的径向激振器。
进一步的，所述轴向激振器和所述径向激振器结构相同，包括激振器支架、激振器外壳、激振器推头组成，所述激振器推头上带有调整激振器与绕组间距的紧定螺钉，所述激振器推头上还开有2mm小孔；所述小孔可穿过尼龙扎带，实现往复振动的功能；所述激振器支架开设有腰型孔，便于调整激振器的相对位置。
进一步的，所述轴向激振器对称安装在所述模拟发电机组件两侧，并与所述电机支架相固定连接，所述径向激振器安装在定子绕组伸出部分的下方，并且靠近定子的一侧，所述径向激振器通过激振器支架固定在所述底部固定板之上，且相对于模拟发电机组件对称设置。
进一步的，所述定子绕组配备有多种型号，分别针对绕组匝间磨损的定子绕组及定子铁芯和层间磨损的定子绕组及定子铁芯，所述多型号定子绕组除槽型和下线方式不同外，并无其他区别。
另一方面，本发明还公开了一种模拟定子绕组绝缘磨损的方法，包括以下步骤：
(1)模块的准备：选择实验的定子槽型；
(2)模块的安装：将定子及定子绕组整体模块穿过转轴置于固定在固定底座的定子支架；
(3)轴向振动模拟：将所待实验的定子及其绕组穿过转子转轴安装在发电机定子支架上，确保驱动电机轴与转子转轴同心对中，连接联轴器；调整轴向激振器支架位置进行轴向粗调，就位后拧紧紧定螺栓；调整激振头进行轴向精调，就位后上紧紧定螺栓并系上捆扎带。流程完毕后检查无误即可开始实验；
(4)径向振动模拟：将所待实验的定子及其绕组穿过转子转轴安装在发电机定子支架上，确保驱动电机轴与转子转轴同心对中，连接联轴器；调整轴向激振器支架位置进行轴向粗调，就位后拧紧紧定螺栓；调整激振头进行轴向精调，就位后上紧紧定螺栓并系上捆扎带。流程完毕后检查无误即可开始实验；
(5)停机并记录实验结构，实验完成。
更为具体的，所述步骤(1)中选择实验的定子槽型，按短距系数在布线槽中先垫入绝缘纸；将成型的上层/下层绕组放入对应槽中，梨形槽需要将线棒挤扁从槽口塞入并在槽中恢复原形，矩形槽直接放入成型线棒；在上下层绕组安放完毕后加装槽楔封住槽口，这样可以既避免线匝脱出也可以保证绕组一定的机械强度。
更为具体的，所述步骤(2)中将定子及定子绕组整体模块穿过转轴置于固定在固定底座的定子支架槽中，从两侧分别加装垫片及定子支架外壳，上紧紧定螺栓即可完成安装。
更为具体的，所述步骤(3)和所述步骤(4)中，实验开始前，尝试转动模拟发电机转子，与定子内壁无擦碰后连接电气线路；检查无误后在确保实验安全的情况下即可开始实验。
与现有技术相比，本发明取得了以下技术成果：
本发明方案可靠、易于实现，可对发电机定子绕组绝缘磨损故障进行有效模拟，弥补当前空白，为发电机定子绕组绝缘磨损故障的研究和实验分析提供有效思路。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对本领域技术人员来说，还可根据本附图获得其他附图。
图1为本发明模拟定子绕组绝缘磨损装置的组装示意图；
图2为本发明模拟定子绕组绝缘磨损装置中激振器结构示意图；
图3为本发明模拟定子绕组绝缘磨损装置的另一视角示意图；
图4为本发明模拟定子绕组绝缘磨损装置的中两种不同绕组的示意图。
附图标记说明：1、底部固定板；2、驱动电机；3、模拟发电机组件；3-1、发电机转子；3-2、转子转轴；3-3、发电机定子及绕组；3-4、定子支架；4、激振器组件；4-1、轴向激振器；4-2、径向激振器；5、联轴器；6、轴承；7、电机支架；8、激振器支架；9、激振器外壳；10、激振器推头。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种模拟定子绕组绝缘磨损的装置，包括底部固定板1以及可拆卸安装于所述底部固定板上的驱动电机2、模拟发电机组件3和激振器组件4；所述驱动电机2通过联轴器5与所述模拟发电机组件3相连接，所述激振器组件4分别对称安装在所述模拟发电机组件3的轴向侧两端和径向侧两端。
进一步的，所述模拟发电机组件包括发电机转子3-1、转子转轴3-2、发电机定子及绕组3-3和定子支架3-4，所述定子支架3-4下端与所述底部固定板1通过螺栓紧固。
进一步的，所述转子转轴3-2两端分别通过轴承6与电机支架7转动连接，所述电机支架7下端分别与所述底部固定板1固定连接。
进一步的，所述激振器组件4包括两个对称设置的轴向激振器4-1，还包括两个对称设置的径向激振器4-2。
进一步的，所述轴向激振器和所述径向激振器结构相同，包括激振器支架8、激振器外壳9、激振器推头10组成，所述激振器推头10上带有调整激振器与绕组间距的紧定螺钉，所述激振器推头10上还开有2mm小孔；所述小孔可穿过尼龙扎带，实现往复振动的功能；所述激振器支架8开设有腰型孔，便于调整激振器的相对位置。
进一步的，所述轴向激振器4-1对称安装在所述模拟发电机组件3两侧，并与所述电机支架7相固定连接，所述径向激振器4-2安装在定子绕组伸出部分的下方，并且靠近定子的一侧，所述径向激振器4-2通过激振器支架8固定在所述底部固定板1之上，且相对于模拟发电机组件3径向对称。
进一步的，所述定子绕组配备有多种型号，分别针对绕组匝间磨损的定子绕组及定子铁芯和层间磨损的定子绕组及定子铁芯，所述多型号定子绕组除槽型和下线方式不同外，并无其他区别。
需要说明的是，一般情况下，定子支架3-4还包括两侧盖板、垫片和支架主体，支架主体通过四对螺栓螺母固定在底部固定板上，以上结构未在图纸中单独标示出来。本发明通过轴向激振机构、径向激振机构实现合理加速绕组磨损的目的，通过调整定子槽型模拟匝间与层间绝缘磨损故障，激振机构和不同定子的搭配组合更加拓宽了模拟绝缘磨损的范围。
如图2所示，这里取单侧轴向激振器4-1解释说明，轴向激振器4-1由激振器支架8、激振器外壳9、激振器推头10，激振器推头上带有紧定螺栓可用作调整与绕组的间距；激振器推头上开有2mm小孔可以穿过尼龙扎带，实现轴向往复振动的功能。
激振器外壳9将激振器包裹，内部有数道拉伸筋限制激振器的窜动。同时，激振器外壳两侧开口，可将激振器正反两向安装，可以作为一个组件在多个地方使用，激振器支架上对应外壳的三个螺栓槽均设计为两端圆口直槽的形状，方便整体上下移动来调节激振头对准鼻端。
如图3所示，作为本发明的优选方案，径向激振器4-2与轴向激振器4-1结构类似，安装在定子绕组伸出部分下方靠近定子侧，这里同样取单侧说明；径向激振器4-2及其固定支架通过紧定螺钉固定在底部固定板之上，两侧伸出横臂放置径向激振器，固定槽为双圆头直槽可以满足一定的位移需要；径向激振器上同样安装有激振器长推头及调节的螺钉，可以调节与绕组鼻端的距离；长推头上开有2mm小孔可以穿过尼龙扎带，实现径向往复振动的功能。
图4为具体的布线示意图及槽形放大图，从图中我们可以清楚地看到两种开口方式及槽形区别对绕组的限制和影响，较为直观的表达了绕组在槽内的真实情况；与理想中的绕组-槽壁均匀接触不同，实际中的接触形式往往差强人意，这里我们夸大了绕组单匝线径以便更好的看出接触关系；梨形槽一般安置的是圆柱形导线并采用少量多次的下线方式，因而其上下两层之间的接触较少而导线与导线之间的接触较多，故多发生匝间磨损，其效果如图4(a)所示；矩形槽一般有两种开口方式，即全开口式和半开口式，两者对下线区别并不明显，本实施例选用全开式进行演示，如图4(b)所示，矩形槽中可直接放入多匝导线组成的扁平线棒，振动时产生的磨损就集中在了层间绝缘磨损上。
另外，本发明还公开了一种模拟定子绕组绝缘磨损的方法，包括以下步骤：
(1)模块的准备：选择实验的定子槽型；
(2)模块的安装：将定子及定子绕组整体模块穿过转轴置于固定在固定底座的定子支架；
(3)轴向振动模拟：将所待实验的定子及其绕组穿过转子转轴安装在发电机定子支架上，确保驱动电机轴与转子转轴同心对中，连接联轴器；调整轴向激振器支架位置进行轴向粗调，就位后拧紧紧定螺栓；调整激振头进行轴向精调，就位后上紧紧定螺栓并系上捆扎带。流程完毕后检查无误即可开始实验；
(4)径向振动模拟：将所待实验的定子及其绕组穿过转子转轴安装在发电机定子支架上，确保驱动电机轴与转子转轴同心对中，连接联轴器；调整轴向激振器支架位置进行轴向粗调，就位后拧紧紧定螺栓；调整激振头进行轴向精调，就位后上紧紧定螺栓并系上捆扎带。流程完毕后检查无误即可开始实验；
(5)停机并记录实验结构，实验完成。
更为具体的，所述步骤(1)中选择实验的定子槽型，按短距系数在布线槽中先垫入绝缘纸；将成型的上层/下层绕组放入对应槽中，梨形槽需要将线棒挤扁从槽口塞入并在槽中恢复原形，矩形槽直接放入成型线棒；在上下层绕组安放完毕后加装槽楔封住槽口，这样可以既避免线匝脱出也可以保证绕组一定的机械强度。
更为具体的，所述步骤(2)中将定子及定子绕组整体模块穿过转轴置于固定在固定底座的定子支架槽中，从两侧分别加装垫片及定子支架外壳，上紧紧定螺栓即可完成安装。
更为具体的，所述步骤(3)和所述步骤(4)中，实验开始前，尝试转动模拟发电机转子，与定子内壁无擦碰后连接电气线路；检查无误后在确保实验安全的情况下即可开始实验。
需要注意的是，发电机定子绕组绝缘磨损可大致归为两种，即绕组匝间绝缘磨损与绕组层间绝缘磨损。而绕组匝间绝缘磨损多出现在梨形槽的铁芯中，绕组层间绝缘磨损多出现在矩形槽的铁芯中，所以有必要提前区分不同开口槽形。
具体的，本实施例详细说明了具体的操作步骤：
(1)模块的准备：首先，选择实验的定子槽型，按短距系数在布线槽中先垫入绝缘纸；然后，将成型的上层/下层绕组(短路情况需要再替换短路绕组)放入对应槽中，梨形槽需要将线棒挤扁从槽口塞入并在槽中恢复原形，矩形槽直接放入成型线棒；最后，在上下层绕组安放完毕后加装槽楔封住槽口，这样可以既避免线匝脱出也可以保证绕组一定的机械强度。
(2)模块的安装：将定子及定子绕组整体模块穿过转轴置于固定在固定底座的定子支架槽中，从两侧分别加装垫片及定子支架外壳，上紧10个紧定螺栓即可完成安装。
在本发明上述技术方案中，将定子及定子绕组视作可替换的模块，大大拓宽了本实验机组可模拟的范围，具有较高的实用价值。
(3)轴向振动的模拟(由于机构两侧对称功能一致，故取单侧叙述)。
首先，依照底部固定板的开孔位置安装好驱动电机及驱动电机支脚、轴承座及轴承座支脚和发电机定子支架，上紧其对应的所有紧定螺栓螺母。
然后将所待实验的定子及其绕组穿过转子转轴安装在发电机定子支架上，确保驱动电机轴与转子转轴同心对中，连接联轴器；调整轴向激振器支架位置进行轴向粗调，就位后拧紧紧定螺栓；调整激振头进行轴向精调，就位后上紧紧定螺栓并系上捆扎带。流程完毕后检查无误即可开始实验。
具体操作步骤为：(下述的紧定螺栓初始状态均为放松状态)
a、将轴承座上的紧定螺栓螺母松下，将发电机定子及绕组穿过转子转轴安装在发电机定子支架上，两侧分别安两个垫片及一个外壳，上紧定子支架固定定子的10个紧定螺栓(每侧有五个)。
b、确保驱动电机轴与转子转轴同心对中，上紧轴承座的两对紧定螺栓螺母，连接联轴器；
c、调整轴向激振器支架位置进行轴向粗调，调至激振头距绕组鼻端1到2毫米时，拧紧支架紧定螺栓；调整激振器外壳三个紧定螺栓进行径向精调，使激振头正对鼻端圆弧圆心后上紧螺栓；调整激振头进行轴向精调，使其顶住鼻端后上紧激振头紧定螺栓并用尼龙扎带将绕组和激振头系在一起；
d、尝试转动模拟发电机转子，与定子内壁无擦碰后连接电气线路；
e、检查无误后在确保实验安全的情况下即可开始实验。
(2)径向振动的模拟
首先，依照底部固定板的开孔位置安装好驱动电机及驱动电机支脚、轴承座及轴承座支脚和发电机定子支架，上紧其对应的所有紧定螺栓螺母。
然后将所待实验的定子及其绕组穿过转子转轴安装在发电机定子支架上，确保驱动电机轴与转子转轴同心对中，连接联轴器；调整轴向激振器支架位置进行轴向粗调，就位后拧紧紧定螺栓；调整激振头进行轴向精调，就位后上紧紧定螺栓并系上捆扎带。流程完毕后检查无误即可开始实验。
具体操作步骤为：(下述的紧定螺栓初始状态均为放松状态)
a、将轴承座上的紧定螺栓螺母松下，将发电机定子及绕组穿过转子转轴安装在发电机定子支架上，两侧分别安两个垫片及一个外壳，上紧定子支架固定定子的10个紧定螺栓(每侧有五个)。
b、确保驱动电机轴与转子转轴同心对中，上紧轴承座的两对紧定螺栓螺母，连接联轴器；
c、将径向激振器安装至支架之上，通过紧定螺钉将径向激振器支架安装到底部固定板上；调整径向激振器长推头位置，调至推头距绕组鼻端接触时，拧紧紧定螺栓，用尼龙扎带将绕组和推头系在一起；
d、尝试转动模拟发电机转子，与定子内壁无擦碰后连接电气线路；
e、检查无误后在确保实验安全的情况下即可开始实验。
本发明方案可靠、易于实现，可对发电机定子绕组绝缘磨损故障进行有效模拟，弥补当前空白，为发电机定子绕组绝缘磨损故障的研究和实验分析提供有效思路。
以上仅是本技术的优选实施方式，本技术的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本技术思路下的技术方案均属于本技术的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理前提下的若干改进和润饰，应视为本技术的保护范围。本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种模拟定子绕组绝缘磨损的装置，其特征在于，所述装置包括底部固定板以及可拆卸安装于所述底部固定板上的驱动电机、模拟发电机组件和激振器组件；所述驱动电机通过联轴器与所述模拟发电机组件相连接，所述激振器组件分别对称安装在所述模拟发电机组件的轴向侧两端和径向侧的一端；
所述激振器组件包括两个对称设置的轴向激振器，还包括两个对称设置的径向激振器；
所述轴向激振器和所述径向激振器结构相同，包括激振器支架、激振器外壳、激振器推头组成，所述激振器推头上带有调整激振器与绕组间距的紧定螺钉，所述激振器推头上还开有2mm小孔；所述小孔穿过尼龙扎带，实现往复振动的功能；所述激振器支架开设有腰型孔，便于调整激振器的相对位置；
所述定子绕组配备有多种型号，分别针对绕组匝间磨损的定子绕组及定子铁芯和层间磨损的定子绕组及定子铁芯，多型号定子绕组除槽型和下线方式不同外，并无其他区别；
利用所述模拟定子绕组绝缘磨损的装置的模拟方法，包括以下步骤：
（1）模块的准备：选择实验的定子槽型；
（2）模块的安装：将定子及定子绕组整体模块穿过转轴置于固定在固定底座的定子支架；
（3）轴向振动模拟：将所待实验的定子及其绕组穿过转子转轴安装在发电机定子支架上，确保驱动电机轴与转子转轴同心对中，连接联轴器；调整轴向激振器支架位置进行轴向粗调，就位后拧紧紧定螺栓；调整激振头进行轴向精调，就位后上紧紧定螺栓并系上捆扎带，流程完毕后检查无误即可开始实验；
（4）径向振动模拟：将所待实验的定子及其绕组穿过转子转轴安装在发电机定子支架上，确保驱动电机轴与转子转轴同心对中，连接联轴器；调整轴向激振器支架位置进行轴向粗调，就位后拧紧紧定螺栓；调整激振头进行轴向精调，就位后上紧紧定螺栓并系上捆扎带，流程完毕后检查无误即可开始实验；
（5）停机并记录实验结构，实验完成。
2.如权利要求1所述的模拟定子绕组绝缘磨损的装置，其特征在于：所述模拟发电机组件包括发电机转子、转子转轴、发电机定子及绕组和定子支架，所述定子支架下端与所述底部固定板通过螺栓紧固。
3.如权利要求2所述的模拟定子绕组绝缘磨损的装置，其特征在于：所述转子转轴两端分别通过轴承与电机支架转动连接，所述电机支架下端分别与所述底部固定板固定连接。
4.如权利要求3所述的模拟定子绕组绝缘磨损的装置，其特征在于：所述轴向激振器对称安装在所述模拟发电机组件两侧，并与所述电机支架相固定连接，所述径向激振器安装在定子绕组伸出部分的下方，所述径向激振器通过激振器支架固定在所述底部固定板之上，且相对于模拟发电机组件对称设置。
5.如权利要求1所述的模拟定子绕组绝缘磨损的装置，其特征在于：所述步骤（1）中选择实验的定子槽型，按短距系数在布线槽中先垫入绝缘纸；将成型的上层/下层绕组放入对应槽中，梨形槽需要将线棒挤扁从槽口塞入并在槽中恢复原形，矩形槽直接放入成型线棒；在上下层绕组安放完毕后加装槽楔封住槽口，这样可以既避免线匝脱出也可以保证绕组一定的机械强度。
6.如权利要求1所述的模拟定子绕组绝缘磨损的装置，其特征在于：所述步骤（2）中将定子及定子绕组整体模块穿过转轴置于固定在固定底座的定子支架槽中，从两侧分别加装垫片及定子支架外壳，上紧紧定螺栓即可完成安装。
7.如权利要求1所述的模拟定子绕组绝缘磨损的装置，其特征在于：所述步骤（3）和所述步骤（4）中，实验开始前，尝试转动模拟发电机转子，与定子内壁无擦碰后连接电气线路；检查无误后在确保实验安全的情况下即可开始实验。
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