基于電場分析的高壓電機定子線圈防暈結構優化方法
【專利摘要】本發明涉及基于電場分析的高壓電機定子線圈防暈結構優化方法，方法包括的步驟如下：確定定子線圈防暈結構分析建模部位；針對步驟(1)中確定的建模部位結構與尺寸獲取建模參數；根據步驟(2)中獲取的模型參數建立線圈防暈部位的三維有限元模型；定義計算模型中線圈及絕緣防暈部分各種材料的性質；確定針對定子線圈計算模型上施加的激勵類型和邊界條件；對線圈計算模型進行有限元計算及電場分析，判斷防暈結構設計存在的問題。本發明的基于電場分析的高壓電機定子線圈防暈結構優化方法通過對實際模型的合理簡化與假設，建立三維有限元分析模型，從而得到直觀、準確的防暈層電場分布結果，并可有效降低仿真計算量，提高仿真效率。
【專利說明】
基于電場分析的高壓電機定子線圈防暈結構優化方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于電場分析的高壓電機定子線圈防暈結構的優化設計方法。

【背景技術】
[0002]在高壓電機運行過程中，由于在通風槽口及出槽口處電場集中，使高壓電機定子繞組線圈端部槽口處絕緣表面電位梯度很高，電場分布極不均勻，額定電壓6kV及以上電機的定子繞組相端線圈的槽口已處于起暈狀態。當局部場強達到一定數值時，氣體發生局部游離，在電窩處出現藍色暈光，產生電暈。電暈的發生伴隨著產生熱、臭氧及氮的氧化物，這將加速絕緣結構老化，縮短線圈使用壽命，并嚴重制約著電機額定電壓與單機容量的提升。另外由于熱固性絕緣表面與槽壁接觸不良或不穩定時，在電磁振動的作用下，將引起槽內間隙火花放電。這種火花放電造成的局部溫升將使絕緣表面受到嚴重侵蝕。耐壓實驗時，若試驗電壓超過30kV，線圈端部若未進行防暈處理，將會產生嚴重的沿表面放電甚至閃絡，使耐壓試驗無法進行，因此，高壓電機定子繞組線圈端部表面必須進行防暈處理。
[0003]電暈的產生與線棒所處部位的電位和電場分布有關。電位越高越容易起暈，電場分布越不均勻越容易起暈。為改善這種狀況，線圈端部一股采用多段非線性碳化硅防暈結構，其目的是使槽口外線圈端部表面電位梯度盡量均勻。碳化硅(SiC)是一種具有非線性導電機理的半導體材料，其電阻能夠隨場強的增加而自動降低，起到自動調節場強的作用，增強定子線圈的耐壓等級。
[0004]目前線圈端部防暈層電場計算主要采用阻容鏈方法，即將防暈層結構簡化為阻容鏈模型，然后推導并采用數值計算方法求解相應的非線性常微分方程。此方法具有建模簡單、求解快速，且無須考慮空間電場狀態的優點，但是算法較難得到轉角和寬窄邊等處的三維電場狀況，以及對主絕緣層的簡化會導致計算出現一定誤差。


【發明內容】

[0005]本發明的目的是提供一種針對高壓電機定子線圈防暈層表面電場分布的分析計算方法，以判斷防暈結構設計是否有效及定位易產生電暈位置。
[0006]為實現上述目的，本發明的基于電場分析的高壓電機定子線圈防暈結構優化方法包括的步驟如下:
[0007](I)確定定子線圈防暈結構分析建模部位；
[0008](2)針對步驟(I)中確定的建模部位結構與尺寸獲取建模參數；
[0009](3)根據步驟(2)中獲取的模型參數建立線圈防暈部位的三維有限元模型；
[0010](4)定義計算模型中線圈及絕緣防暈部分各種材料的性質；
[0011](5)確定針對定子線圈計算模型上施加的激勵類型和邊界條件；
[0012](6)對線圈計算模型進行有限元計算及電場分析，判斷防暈結構設計存在的問題。
[0013]根據線圈防暈部位，并考慮到線圈各槽口參數的對稱性，所述步驟(I)中的建模部位選取為定子線圈槽部至端部一段，并根據這段線圈在位置、尺寸、形狀及絕緣結構方面的不同，將其進一步細分為槽內低阻帶部分、槽口高低阻帶過渡部分以及端部高阻帶部分。
[0014]步驟(2)中確定的結構參數包括定子線圈中繞包線、少膠帶、低阻帶、高阻帶和無堿玻璃絲帶的形狀、尺寸、實際所處的位置以及所有部件的材料屬性。
[0015]步驟(3)中對絕緣防暈材料作如下假設:絕緣材料材質均勻；絕緣結構理想，即絕緣防暈材料中無雜質、絕緣層之間無氣泡等；絕緣防暈材料的電導率不隨溫度變化。
[0016]步驟(3)中在保證分析結果的準確性基本不受影響的前提下對模型進行一定程度的簡化，然后建立適合于線圈表面電場分布計算的三維有限元模型。
[0017]對實際模型進行的簡化包括，多股銅導線簡化為單股銅導線，導電面積不變；低阻帶與高阻帶過渡部分簡化為斜面重疊方式。
[0018]步驟(4)中材料屬性包括體積電導率和相對介電常數等，準確數值可以通過實際測量獲得。
[0019]步驟(5)中的激勵類型為靜態最大直流電壓激勵，電壓幅值為定子線圈極端工況或防暈測試條件下的設定值。
[0020]所述步驟￠)中對線圈模型進行電場分析是指防暈層表面場強分布均勻程度、各部位幅值大小以及確認可能發生電暈現象的位置。
[0021]本發明的基于電場分析的高壓電機定子線圈防暈結構優化方法通過對實際模型的合理簡化與假設，建立三維有限元分析模型，從而得到直觀、準確的防暈層電場分布結果，并可有效降低仿真計算量，提高仿真效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]通過參照附圖更詳細地描述本發明的示例性實施例，本發明的以上和其它方面及優點將變得更加易于清楚，在附圖中:
[0023]圖1是定子線圈建模部位示意圖；
[0024]圖2是定子線圈防暈結構分析流程圖。

【具體實施方式】
[0025]在下文中，現在將參照附圖更充分地描述本發明，在附圖中示出了各種實施例。然而，本發明可以以許多不同的形式來實施，且不應該解釋為局限于在此闡述的實施例。相反，提供這些實施例使得本公開將是徹底和完全的，并將本發明的范圍充分地傳達給本領域技術人員。
[0026]在下文中，將參照附圖更詳細地描述本發明的示例性實施例。
[0027]如圖2所示，基于電場分析的高壓電機定子線圈防暈結構優化方法包括以下步驟:
[0028]A、根據較易發生電暈現象的線圈位置，確定定子線圈防暈結構分析建模部位為定子線圈槽部至端部一段，并獲取這段線圈位置、尺寸、形狀及絕緣結構等參數；其中包括所有部件的材料屬性，如介電常數和體積電導率。
[0029]B、對模型設定合理假設及簡化，建立合適的線圈防暈層電場分布模型；
[0030]C、定義計算模型中線圈及絕緣防暈部分各種材料的屬性；
[0031]D、根據定子線圈極端工況或防暈測試條件下的電壓幅值，設定定子線圈計算模型上施加的最大靜態直流電壓激勵，并根據實際情況確定計算邊界條件；
[0032]E、對線圈計算模型進行有限元計算，通過顯示三維場圖對電暈層表面進行電場分析，觀測電場分布均勻狀況以及表面各點的電場強度大小，以此判斷防暈結構設計是否存在問題，以及如何改進防暈層設計。
[0033]如圖1所示是定子線圈建模部位，根據這段模型在位置、尺寸、形狀及防暈結構方面的不同分為槽內低阻帶部分、槽口高低阻帶過渡部分以及端部高阻帶部分。
[0034]定子線圈防暈部位及處理:(I)槽部:將含碳黑和石墨的低阻防暈帶包扎在線圈直線表面；或將低阻漆涂噴在線圈直線段表面和鐵心槽表面，形成完整的低電阻防暈層，避免發生局部放電，減少通風槽處的電暈。(2)端部:即槽口防暈，因槽口電場集中引起電暈，采用SiC非線性導電基材料構成的高阻防暈層。
[0035]在經過假設與簡化后的定子線圈三維有限元分析模型中，高低阻帶長度、線圈轉角度數和方向均保持原有實際線圈參數。
[0036]防暈結構參數，如高低阻帶位置、長度、防暈材料參數對計算結果影響較大，均需要保證與實際設計參數一致。線圈其他參數，如轉角度數也必須與實際線圈保持一致。
[0037]定子線圈絕緣防暈結構模型，包括繞包線、少膠帶、低阻帶、高阻帶和無堿玻璃絲帶，其中高阻帶與低阻帶為防暈層。
[0038]在線圈絕緣與防暈材料參數不確定的情況下，為提高分析的準確性可對各種材料參數進行實際測量。
[0039]基于電場分析的高壓電機定子線圈防暈結構優化設計方法具有如下優點:
[0040]1.采用三維有限元分析方法建模過程簡單，模型準確，分析結果直觀，且在不影響分析結果的情況下對模型進行簡化，有助于減少分析的計算量，提高分析效率；
[0041]2.分析模型選取了全部電暈可能產生部位，保留了影響分析結果的重要部件，保證了有限元分析的準確性；
[0042]采用有限元建模分析方法便于根據仿真結果針對性地修改和優化線圈的防暈結構，且后期模型修改方便，有效提高了分析和優化效率。
[0043]以上所述僅為本發明的實施例而已，并不用于限制本發明。本發明可以有各種合適的更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.基于電場分析的高壓電機定子線圈防暈結構優化方法，其特征在于: 方法包括的步驟如下: (1)確定定子線圈防暈結構分析建模部位； (2)針對步驟(1)中確定的建模部位結構與尺寸獲取建模參數； (3)根據步驟(2)中獲取的模型參數建立線圈防暈部位的三維有限元模型； (4)定義計算模型中線圈及絕緣防暈部分各種材料的性質； (5)確定針對定子線圈計算模型上施加的激勵類型和邊界條件； (6)對線圈計算模型進行有限元計算及電場分析，判斷防暈結構設計存在的問題。
2.如權利要求1所述的基于電場分析的高壓電機定子線圈防暈結構優化方法，其特征在于: 所述步驟(1)中的建模部位選取為定子線圈槽部至端部一段，并根據這段線圈在位置、尺寸、形狀及絕緣結構方面的不同，將其進一步細分為槽內低阻帶部分、槽口高低阻帶過渡部分以及端部高阻帶部分。
3.如權利要求1所述的基于電場分析的高壓電機定子線圈防暈結構優化方法，其特征在于: 步驟(2)中確定的結構參數包括定子線圈中繞包線、少膠帶、低阻帶、高阻帶和無堿玻璃絲帶的形狀、尺寸、實際所處的位置以及所有部件的材料屬性。
4.如權利要求1所述的基于電場分析的高壓電機定子線圈防暈結構優化方法，其特征在于: 步驟(3)中對絕緣防暈材料作如下假設:絕緣材料材質均勻；絕緣結構理想，即絕緣防暈材料中無雜質、絕緣層之間無氣泡等；絕緣防暈材料的電導率不隨溫度變化。
5.如權利要求1所述的基于電場分析的高壓電機定子線圈防暈結構優化方法，其特征在于: 步驟(3)中在保證分析結果的準確性基本不受影響的前提下對模型進行一定程度的簡化，然后建立適合于線圈表面電場分布計算的三維有限元模型。
6.如權利要求1所述的基于電場分析的高壓電機定子線圈防暈結構優化方法，其特征在于: 對實際模型進行的簡化包括，多股銅導線簡化為單股銅導線，導電面積不變；低阻帶與高阻帶過渡部分簡化為斜面重疊方式。
7.如權利要求1所述的基于電場分析的高壓電機定子線圈防暈結構優化方法，其特征在于: 步驟(4)中材料屬性包括體積電導率和相對介電常數等，準確數值可以通過實際測量獲得。
8.如權利要求1所述的基于電場分析的高壓電機定子線圈防暈結構優化方法，其特征在于: 步驟(5)中的激勵類型為靜態最大直流電壓激勵，電壓幅值為定子線圈極端工況或防暈測試條件下的設定值。
9.如權利要求1所述的基于電場分析的高壓電機定子線圈防暈結構優化方法，其特征在于: 所述步驟￠)中對線圈模型進行電場分析是指防暈層表面場強分布均勻程度、各部位幅值大小以及確認可能發生電暈現象的位置。
10.如權利要求1所述的基于電場分析的高壓電機定子線圈防暈結構優化方法，其特征在于: 所述方法進一步包括如下步驟:定子線圈防暈部位及處理:(1)槽部:將含碳黑和石墨的低阻防暈帶包扎在線圈直線表面；或將低阻漆涂噴在線圈直線段表面和鐵心槽表面，形成完整的低電阻防暈層，避免發生局部放電，減少通風槽處的電暈；(2)端部:即槽口防暈，因槽口電場集中引起電暈，采用SiC非線性導電基材料構成的高阻防暈層。
【文檔編號】H02K3/40GK104269953SQ201410493704
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月24日 優先權日:2014年9月24日
【發明者】張小平, 張鑄 申請人:湖南科技大學