高压电机线棒槽部防晕结构的研究
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇高压电机线棒槽部防晕结构的研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘 要： 采用有限元计分析方法建立高压电机定子线棒槽部结构的三维模型，计算了槽部侧面垫条绝缘结构中的电场分布以及防晕层的面电阻率、气隙长度和线棒的额定电压等几种因素对防晕层上槽电位的影响。研究表明：防晕层上的最高电位与防晕层所用材料的电阻率和线棒的额定电压基本呈线性关系，较高的电阻率取值或较高的线棒电压会导致槽电位的升高；槽部侧面气隙轴向长度较小时，防晕层上的电位能够大幅度降低；对于特定型号的电机，选用对应特定的电阻率取值范围以及结构参数，是限制过高槽电位的产生，改善电机的绝缘性能的更好措施。
关键词： 定子线棒； 防晕层； 有限元法； 电腐蚀
中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）24?0164?04
Research on anti?corona structure in slot of high?voltage motor
TIAN Xiao?lei， LI Xu?guang
（School of Electronic Information and Electrical Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China）
Abstract： A 3?D model of the slot structure of high?voltage motor stator bar is built with FEM. The electric field distribution in the filler strip insulation structure beside the slot， and the influence of the in anti?corona layer sheet resistivity， air?gap length and rated voltage of stator bar on the electric potential in anti?corona layer are calculated. The results show that the highest potential on the anti?corona layer always keeps linear relation with the resistivity of anti?corona layer and the rated voltage， and the potential can be reduced obviously when the length of the air?gap becomes smaller. As for different types of motor， theselection of corresponding resistivity and structure parameters is the effective measure to limit the potential and improve the insulation performance of the motor.
Keywords： stator bar； anti?corona layer； finite element method； galvano?cautery
随着电力需求的不断增加，大型发电机组的容量和电压等级大幅度地提高，对发电机内部绝缘结构的可靠性的要求也随之提高[1?2]。特别是额定电压20 kV以上的发电机数量的增加，更是对电机绝缘结构尤其是其耐电晕的能力提出了更严格的要求。研究表明，电机槽部线棒结构中绝缘措施薄弱处容易发生电晕放电，局部还会出现“爬电现象”，长期积累则可能发生“电腐蚀”，导致绝缘的损坏，对电机的安全运行造成不利影响[3]。
定子线棒的主绝缘一般采用环氧云母材料，整根线棒采用VPI（真空压力浸漆工艺）方法固化成型，此工艺有效地减少了整根线棒中空气隙的数量；而采用在定子槽底、槽楔与定子铁芯之间的间隙填入半导电胶固定于槽部，以尽量减小线棒和定子铁芯的间隙。然而，下线时侧面气隙无法完全消除，通常需要塞入半导体垫条（或称垫片）以改善铁芯和线棒之间的接触。为了确定线棒槽部防晕的垫条绝缘结构的材料参数和结构参数，有必要对此结构中的电场分布做详细的研究。传统的基于阻容链模型的计算方法，是将线棒槽部的各层结构分别等效为电阻或电容[4?6]。该方法的优点是建模简单，但并不能对特定的空间区域进行局部分析，计算结果也不能够直观地反应电场在各层结构中的分布情况。由于有限元数值研究方法的高精度和灵活性，在工程中得到广泛的应用。因此，本文以某大型发电机定子线棒作为对象，在有限元计算软件COMSOL Multiphisics中建立了定子线棒槽部局部结构的三维模型，计算了此绝缘结构中的电场分布，以及防晕层表面电阻率此材料参数和气隙长度等结构参数对防晕结构中电场的影响。
1 计算模型
高压电机线棒侧面绝缘结构主要包括四个部分：主绝缘、防晕层、空气隙和半导体垫条。因线棒的实际长度相对较长，且线圈的内部结构也较为复杂，为了提高求解效率和减少对计算机性能的依赖，本文在建立模型时做了以下简化：一是取了线棒的其中一段建模，并且忽略了此段线圈外表面轴向上的压降，将定子线圈外表面和主绝缘内表面的接触曲面作为等势面来处理；二是对于复杂的内屏蔽结构，其对主绝缘外部的电场的影响并不大，故在本文中不做分析，建立模型时直接将线圈外表面作为第一类边界来处理。所建三维模型横截面示意图如图1所示。
图1 线棒槽部模型侧面结构示意图
电机在正常运行时，槽内各层结构中的电场为时变电场，而在其电场分析中，总的电流密度为：
[J=σE+?D?t] （1）
工频交流稳态情况下，电流密度与电场强度的关系又可表示为：
[J=σE+?εE?t=（σ+jωε）E] （2）
此外，电场强度可以表示为电位的负梯度：
[E=-?φ] （3）
而电流密度的连续性方程为：
[?·J=-?ρ?t] （4）
根据式（2）～式（4）三个方程联立可以得到电位的拉普拉斯方程：
[?·（σ+jωε）?φ=0] （5）
式中：D为电位移矢量；σ是材料的电导率；φ是电位；ω是电源角频率；E是电场强度。
2 参数设置
该型号电机内部各层绝缘结构的材料属性，有关的参数取值见表1。主绝缘和空气部分，其电导率非常小，在多数情况下均可以取值为0，但考虑到两者电导率之间的差异，为了使得计算更准确，主绝缘的电导率取值为1×10-17 S/m，干燥空气的电导率取值为1×10-15 S/m；其中防晕层和垫条的相对介电常数由工频下测试值为25，半导体垫条的电导率由实验数据测得，取值为8.77×10-4 S/m。
表1 材料的电气参数
3 计算结果及分析
3.1 结构中的电场分布
用来填充定子槽侧面的半导体垫条将槽侧面的空气隙分隔为狭长的长方体结构，垫条在侧面的空间位置各异，故上述长方体的结构参数对电场的影响必然也有所不同。为了得到此类近似长方体的空气隙的大小对防晕层上电位分布的影响，本文建立了两根半导体垫条，中间为一个气隙的组合结构分析。图1为当电机的额定电压取值为10 kV时的计算结果。图中红色区域为电位较高的区域，蓝色为电压较低的区域。此绝缘结构中的电位分布依次从主绝缘到防晕层再到气隙和半导体垫条，其数值依次降低，且电压降主要降落在主绝缘中。
图2 绝缘结构中的电位分布
若取气隙长度30 cm，电阻率分别取值为1 kΩ，5 kΩ，10 kΩ，50 kΩ，100 kΩ时，所得的电位分布如图3所示。其中横坐标为气隙轴向长度，单位为m；纵坐标为电位值，单位为V。计算结果表明，不论垫条位置间隔及电阻率的所取数值大小如何，与气隙接触的防晕层上电位数值的最高点均位于气隙轴方向上的中点，而垫条处附近的电位数值则迅速降低。图中的气隙长度的横坐标区间为（0，0.3），单位为m。如图，最大电位的位置均分布在x=0.15 m处。防晕层上的电位x=0.15 m为对称轴，电位分布呈现似抛物线的曲线。跟垫条完全接触的防晕层上的电位值则基本为零，这说明防晕层和垫条的这种组合结构较好地改善了线棒和铁芯的接触，每个垫条相当于增加了防晕层对铁芯的一个接触面。
图3 防晕层和气隙接触区轴向上的电位分布
要降低此中点上的电位，原则上可以在气隙中间位置，再嵌入适当尺寸的垫条，实际上线棒侧面存在的空气隙有些过于狭小，并没有办法用垫片完全塞满，总会存在一些无法消除的气隙，故就会在与气隙接触的部位产生相对较高的电位。因此要提高线棒槽部的防晕性能，关键是要采取实际可行的措施降低气隙中点的电位值，使得最高电位数值低于此间隙空气游离放电所需要的最低电位值。
3.2 防晕层电阻率对最高电位的影响
防晕层结构，一种是在线圈绝缘处理完之后，在绝缘外侧刷的一层低阻半导体漆；另一种是包在主绝缘外，和主绝缘一次成型。这层防晕低阻带将主绝缘的电容电流由半导体垫条传至接地的定子铁芯，可以起到改善线棒绝缘表面电场的作用[7]。防晕层自身材料取不同的电阻率数值，会对线棒防晕层上的电位大小及分布有不同的影响。在本文计算中，对防晕层的电阻率的取值为1～100 kΩ，在此范围内计算了防晕层的表面电阻率对气隙接触面的最高电位值。计算结果如图4所示，图中横坐标为防晕层面电阻率，单位为Ω；纵坐标为防晕层和气隙接触面中点的电位值，单位为V。随着防晕层的电阻率逐渐增大的过程中，防晕层与气隙接触面上的最高电位其数值也不断增高，且两者之间保持较好的线性关系。此外，随着线棒的额定电压从10 kV增大到20 kV的过程中，直线的斜率也随之明显增大。根据《水轮发电机组安装技术规范》的说明，对于额定电压在10.5 kV以上的电机，槽电位要控制在10 V以下[8]。通过以上计算分析，在合理的范围内采用相对较低电阻率的防晕层，是一种可以降低线棒外表面电位的方法。
3.3 气隙轴向长度对防晕层电位的影响
定子槽内的垫条通常采用的也是低阻半导体材料，其材料参数见表1。不同宽度的垫条被塞入线棒槽部的侧面间隙，使得气隙的长度并不是均匀分布的。对于这样的结构，则两个垫条的间隔距离，即气隙的轴向长度，对防晕层表面电位的影响，也是非常重要的。本文分别取10 cm，20 cm，30 cm，60 cm的作为气隙的轴向长度，计算其对防晕层上电位数值的影响。
图4 防晕层上的最高电位随防晕层电阻率的变化规律
图5 防晕层上的最高电位值随气隙长度变化规律
如图5所示，防晕层的电位将随着气隙的轴向长度，即垫条的间距增大而升高；在防晕层电阻率较高的区间，直线的斜率较大，对电位的影响更为突出。这表明，在实际的线棒槽部结构加工过程中，如果不能将轴向过长的间隙用垫条填充，就会在防晕层上产生高电位。对于额定电压为20 kV的电机，如果防晕层电阻率取值为10 kΩ时，当气体间隙小于30 cm时，防晕层最高电位为5.6 V；若间隙大于60 cm，最高电位则迅速增加到23 V。经过进一步计算，若间隙超过90 cm，则最高电位可以达到50 V以上。可见，在线棒加工以及下线的过程中，通过低阻垫条来避免较长的气隙间隔，则是可以将槽电位控制在10 V以下的有效的途径。
3.4 线棒的额定电压对防晕层电位分布的影响
定子线棒的额定电压作为槽部绝缘结构的激励，对槽电位的影响是必然的。电腐蚀的发生的情况，往往集中在额定电压10 kV以上的电机，而对于10 kV以下的电机，电腐蚀发生的现象相比较则少很多。在研究的过程中，可设定气隙长度均为30 cm，取额定电压数值分别为10 kV，15 kV，20 kV，25 kV的计算其对槽电位的影响。
图6中的三条曲线分别描述了不同的电阻率时，线棒的额定电压对于线棒槽部防晕层上的电位的影响。可看出，线棒额定电压和防晕层上的最高电位同样基本呈线性的关系，而且随着电阻率取值的增加，用来描述最高电位随额定电压变化规律的近似直线的斜率也随之增大。当电阻率取值为10 kΩ时，直线的斜率还较小，在额定电压为10 kV时，电位数值在5 V以下，即便额定电压为25 kV时，其数值也不超过10 V，完全可以符合相关要求。但电阻率如果取值为50 kΩ时，则最高电位的数值可达到35 V；取100 kΩ时，最高电位则可以超过70 V。如此高的电位在电机的运行过程中，容易在狭小的空气隙中产生电晕，从而损坏绝缘。
图6 线棒额定电压对防晕层的电位的影响
3.5 降低防晕层高电位的措施
对于特定型号的电机，像额定电压，主绝缘的厚度等对槽电位有着重要影响的基本参数都已经确定，故在防电晕的措施中，主要还是通过采用阻值合理的防晕层材料、减小气隙长度以及提高线圈和铁芯接触的稳定性和可靠性来降低线棒槽部的表面电位 [8?9]。通过上述分析，可知较低的电阻率的防晕层可以有效降低防晕层表面的电位，但实际上防晕层的电阻率并不能无限制的降低，由于过低的电阻率（低于103 Ω）会给绝缘结构带来较大的损耗，引起绝缘发热，加速老化，从而损坏绝缘结构，不利于电机的安全运行[10]。此外，笼统限定电阻率取值为103 ～105 Ω也是不准确的，如分析第3.1节所示，对于额定电压超过20 kV的电机，防晕层若取105 Ω的电阻率就很难将绕组的槽电位限制在规定的范围内。因此，对于不同的型号和不同额定电压的电机，须通过采用对应合理的电阻率取值范围、严格控制气隙长度及提高线棒和铁芯接触的可靠性，共同作用才能将槽电位控制的10 V以下。
4 结 语
本文利用有限元研究软件COMSOL Mulitiphyics 建立定子线棒槽部防晕结构三维模型，计算分析防晕层电阻率、气隙长度和电机额定电压在取不同数值时对防晕层上电位的影响，并提出限制过高槽电位一些可行措施。研究表明：线棒侧面垫条（或垫片）的结构，能够有效降低防晕层表面电位，提高线棒绝缘结构的性能；且防晕层上最高电位与防晕层自身电阻率及线棒的额定电压基本呈线性关系，其数值随防晕层的电阻率的增大或者线棒额定电压的升高而升高。防晕层上的最高电位均位于与其接触的气隙中点位置，且其电位值随着气隙长度的增大而迅速升高。仅限定防晕层电阻率取值为103～105 Ω为并不是准确的，对额定电压较高的电机，同样会导致较高槽电位的产生。故应针对不同型号或不同电压等级的电机，应该采用特定的防晕层电阻率取值范围、同时改善线圈和铁芯接触的稳定性，以及限制最大气隙长度等措施，才能避免过高槽电位的产生。
参考文献
[1] 张瑞钧，刘上椿.高压大型汽轮发电机定子线圈主绝缘结构优化设计[J].大电机技术，1997（4）：31?36.
[2] 张晓晗.烟岗电站水轮机设计[J].电网与清洁能源，2009，25（3）：64?66.
[3] YU K， NING S， ZHAO L， et al. Study of the effects of thickness and carborundum content on the non?linear property of carborundum anti?corona coat [J]. Insulating Materials， 2005 （3）： 9?18.
[4] 孙永鑫，胡春秀.大型电机线棒端部电场的有限元计算方法[J].黑龙江科技学院学报，2012（2）：182?186.
[5] LI Zhen?hai. Applying stady of anti?corona structure and materials for HV?machine [J]. Insulating Materials， 2004 （6）： 3?6.
[6] 蔡政权，卫志农，孙国强，等.计及灵敏度影响的水电站主接线可靠性分析[J].电网与清洁能源，2011，27（1）：79?83.
[7] PHILLIPS D B， OLSEN R G， PEDROW P D. Corona onset as a design optimization criterion for high voltage hardware [J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation， 2000， 7（6）： 744?751.
[8] 吴晓蕾，朱慧盈，付岚贵.发电机定子绕组槽电位稳定性研究[C]//第十届绝缘材料与绝缘技术学术会议论文集.北京：中国电工技术学会，2008：97?101.
[9] 包蕾.高压电机定子绕组绝缘结构的设计[J].硅谷，2008（9）：16?17.
[10] 苏其荣，蒋琛.关于高压电机槽部防电腐蚀问题的分析[J].大电机技术，1979（4）：5?8.