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

发布时间：2020-09-04 17:07

　　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。由于定子线棒角部和端部的电场分布十分集中,容易发生电晕放电,损坏绝缘材料,导致水轮发电机的使用寿命大大降低。为了有效均化定子线棒的电场,大容量水轮发电机定子线棒常采用内部屏蔽结构、外部防晕结构和具有非线性电导特性的机敏材料,该结构和材料的合理设计取决于定子线棒在不同内屏蔽和防晕结构下电场及损耗的准确计算。本文以1000MW水轮发电机为研究对象,对其定子线棒的参数化建模及仿真、槽部结构优化、端部结构优化以及非线性电导材料的制备等问题进行了研究。本文运用PTC Creo软件构建了定子线棒的槽部及端部的参数化几何模型,然后通过Livelink for PTC Creo模块将comsol与PTC Creo相连,再使用comsol软件中的APP开发器,创建了定子线棒槽部和端部结构电场分布的自动仿真系统。当使用该仿真系统时,只需输入发电机线棒的结构尺寸、材料属性和电动势等相关参数即可实现自动建模与仿真计算。该系统为大电机定子线棒绝缘结构的设计提供了一种便捷的新方法。本文以0°/360°/0°全换位结构为例,在考虑各股线额定电动势与漏感电动势联合作用的基础上,对槽内定子线棒模型进行了数值分析,结果表明:4种内屏蔽类型的最大电场强度都随着圆角半径的增大而减小,其中全屏蔽结构均化电场的效果最好,而层压板结构均化电场的效果最差;当内屏蔽层的厚度为0.4mm时,其电阻率应选择在0.1至100?·m之间;当内屏蔽层的电阻率为1?·m时,接触点的距离在6?18倍的换位节距(接触的个数在4?10个)之间最为适宜。将3级防晕结构的计算结果与无防晕结构和线性防晕结构的计算结果进行比较,发现3级防晕结构的最大表面切向电场强度最小,与相同防晕段长度的另外两种结构相比,分别降低了90%和65%,这说明3级防晕结构对端部场强的改善效果更明显。再以防晕层的长度和电阻值作为自变量、最大切向电场强度作为函数值,创建了一组训练样本空间和一组测试样本空间。利用训练样本空间对神经网络模型进行训练。通过测试样本空间验证训练后的神经网络模型,得到了较好的拟合精度和预测精度曲线。将训练后的神经网络模型与遗传算法相结合,得到6组防晕结构的优化方案。通过损耗密度和3倍额定电压下电场强度进行校验,确定了最优防晕结构,即中阻层、中高阻层和高阻层的长度分别为200mm、100mm和90mm;电阻率分别为10~6?·m、10~8?·m和10~(10)?·m。当采用最优防晕结构时,在额定电压下最大切向场强为2.3kV/cm、最大损耗密度为0.097W/cm~3,在3倍额定电压下最大切向场强为3.56kV/cm。最后按照最佳优化方案的防晕结构建立了3槽定子线棒模型,以3槽模型代替整机模型验证了最佳优化方案在整机运行时的可靠性。为了探讨微纳米复合材料对改善线棒绝缘中场强分布的作用,本文以EP为基体,分别制备了不同质量分数的纳米SiC/EP,纳米ZnO/EP,微米ZnO/EP,纳米SiC/纳米ZnO/EP和纳米SiC/微米ZnO/EP等非线性电导特性的复合材料。实验研究了不同复合材料电导率随场强的变化,结果表明,复合材料的电导率都随着无机填料含量的增加而增加;当微米ZnO与纳米SiC的比例为2:3时(总含量为5wt%),复合材料的非线性系数为0.07cm/kV,这与具有相同含量的SiC/EP,微米ZnO/EP和纳米ZnO/EP复合材料相比,非线性系数分别增大了1.06,2.48和4.83倍。将此微-纳米复合材料添加到内屏蔽层与主绝缘之间,构成了双层屏蔽结构,通过仿真计算和实验研究发现:在三倍额定电压下定子线棒角部最大电场强度与单层内屏蔽结构相比下降了17%,而且在额定电压下其介质损耗变化不大。
【学位单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM312
【部分图文】：

电场分布,屏蔽结构,种内,内屏蔽

面上各加一层厚度为 0.5mm 的半导体层压板。为了使层压板上的电位与股线保持一致，需要在层压板上每隔一定的距离钻一个直径约为 5mm 的孔，并用相同电导率的半导体腻子填充，从而均化了定子线棒窄面换位处的电场分布；加拿大 GE 公司也是先将线芯压制成型，然后在成型线芯的四个角部打磨倒角，并在倒角处均匀地涂刷一层厚度约为 0.1mm~0.2mm 的半导体漆，最后再包环氧云母带作为主绝缘；奥地利 ELIN 公司是先在成型线芯的窄面上各焊接一片厚度约为 0.05mm 的铜片，然后在整体包绕一层半导体带，最后再包绕主绝缘云母带并将线棒整体加热固化成型。各种内屏蔽结构如图 1-1 所示。(a) SIMENS 公司的内屏蔽结构 (b) ABB 公司的内屏蔽结构

示意图,双层模型,介电,示意图

物形成大量的界面相互作用区域，大多数学区别于纳米粒子和聚合物基体的特殊性能，。mersley 在 1957 年首次提出了渗流理论，主的流动。后来的研究表明，复合型导电高分复合材料的电阻率随场强的变化有两个阶段率随外加场强的增大基本不变；第二个阶段，复合材料的电导率会急剧增加，这种现象为阈值场强[91,92]。94]和 J.K.Nelson[95,96]等研究学者提出，界面ouble layer)。纳米粒子受到电场的作用，在由于极化作用在纳米粒子外部积聚，形成屏子受到库仑力的作用会发生一定程度的迁移 1-3 所示的介电双层结构。相比于聚合物基当复合材料中纳米粒子相邻太近，发生介部分也就是具有较好导电能力的导电通道。，复合材料的绝缘能力也会随之发生改变。

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图 1-4 纳米复合材料中的多核模型Fig.1-4 Multi-nuclear model in nanocomposites究的主要内容的文献资料，发现目前大型水轮发电机主绝缘和端部电场的计算，以及通过调构，本文针对目前国内外大电机主绝缘屏蔽结构与材料对主绝缘电场分布的影结构，并开发研制出新型的微-纳米复具体研究内容如下：reo 软件构建定子线棒槽部及端部的参的 APP 开发器与 PTC Creo 联合创建，从而实现定子线棒全参数建模及数值子线棒自动仿真系统建立仿真模型，以各股线的漏感电动势，并将其施加在对种内屏蔽结构均化场强的效果。从电场

【参考文献】