畢業(yè)論文-發(fā)電機(jī)定子端部防暈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 52 -哈 爾 濱 理 工 大 學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題 目： 發(fā)電機(jī)定子端部防暈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 院、 系： 電氣工程及其自動(dòng)化 姓 名： 指導(dǎo)教師： 系 主 任： 2012 年 6 月哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文PAGE IV發(fā)電機(jī)定子端部防暈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，單機(jī)容量更大的發(fā)電機(jī)顯得迫切需要。然而單機(jī)容量的增大勢(shì)必會(huì)使得發(fā)電機(jī)的工作電壓的提高，電壓的提高同時(shí)也對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部的絕緣結(jié)構(gòu)有了更高的要求，而且內(nèi)部繞組端部的防暈性能也要求進(jìn)一步提高。由于運(yùn)行電壓高，發(fā)電機(jī)定子端部的周圍存在著固體與空氣介質(zhì)，導(dǎo)致電場(chǎng)分布極不均勻，電場(chǎng)強(qiáng)度很大，容易產(chǎn)生電暈，因此對(duì)防暈

2、結(jié)構(gòu)的要求很高。本文分析了發(fā)電機(jī)端部場(chǎng)強(qiáng)分布不均勻的原因，對(duì)防暈材料進(jìn)行了研究，主要分析了多級(jí)防暈技術(shù)，例舉了三峽發(fā)電機(jī)繞組端部的防暈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。從防暈層長(zhǎng)度、相對(duì)介電常數(shù)以及鐵芯形狀等角度考慮，對(duì)防暈結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以更好地改變端部電場(chǎng)分布，達(dá)到更好的防暈效果。本文主要通過兩個(gè)方面對(duì)防暈結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，一是通過學(xué)習(xí)理論知識(shí)與舉例中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較，得出較為合理的結(jié)構(gòu)；二是通過運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)繞組端部防暈結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，包括建模過程與結(jié)果處理，證明該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，以滿足實(shí)際的需要。關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)；防暈；絕緣材料；電場(chǎng)分析The Anti-corona Structure Design of t

3、he End of the Generator Stator AbstractWith the rapid development of the national economy, Greater generator of the single-machine capacity is urgent need. However, the unit capacity increases is bound to make the improvement of the working voltage of the generator, Voltage increase is also greater

4、demands on the generator internal insulation structure, and internal winding end of the anti-corona performance to improve further. Because of the high operating voltage, around the end of generator stator exist the solid and gaseous dielectric, the electric field distribution is extremely uneven, t

5、he electric field strength, and easy to generate corona, so the requirements of the anti-halo structure is very high. This article analysis the reasons for the higher field strength of the end of the stator . This article studies anti-corona materials and analysis the multi-level anti-corona technol

6、ogy. Examples of the anti-halo structure design of the end winding of the Three Gorges generator. From the length of the anti-corona layer, the relative permittivity and the core shape of the point of view, optimize the structure of the anti-corona, in order to better change the distribution of the

7、end of the electric field, to achieve better anti-halo effect. It designs the structure of the anti-corona by two aspects. First, through the study of theoretical knowledge and compares the test data of the examples to arrive at a more reasonable structure; the second is through the use of ANSYS sof

8、tware to simulate the anti-halo structure of the end of the winding, including the handling of the results and modeling process , prove the rationality of the design of the structure, in order to meet actual needs.Keywords: generators; anti-corona; insulating materials; electric field analysis目錄 TOC

9、 o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc327953260 摘要 PAGEREF _Toc327953260 h I HYPERLINK l _Toc327953261 Abstract PAGEREF _Toc327953261 h II HYPERLINK l _Toc327953262 第1章緒論 PAGEREF _Toc327953262 h 1 HYPERLINK l _Toc327953263 1.1 發(fā)電機(jī)定子端部防暈技術(shù)的歷史發(fā)展背景 PAGEREF _Toc327953263 h 1 HYPERLINK l _Toc327953264 1.2 發(fā)電機(jī)定子端部

10、防暈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的意義 PAGEREF _Toc327953264 h 1 HYPERLINK l _Toc327953265 第2章 發(fā)電機(jī)定子端部防暈結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc327953265 h 2 HYPERLINK l _Toc327953266 2.1 發(fā)電機(jī)定子端部電暈的產(chǎn)生與危害 PAGEREF _Toc327953266 h 2 HYPERLINK l _Toc327953267 2.1.1 定子端部的電場(chǎng)分布 PAGEREF _Toc327953267 h 3 HYPERLINK l _Toc327953268 2.1.2 發(fā)電機(jī)定子端部電場(chǎng)的理論分析 PAGEREF _

11、Toc327953268 h 5 HYPERLINK l _Toc327953269 2.2 發(fā)電機(jī)定子端部防暈結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc327953269 h 7 HYPERLINK l _Toc327953270 2.2.1 發(fā)電機(jī)定子端部防暈原理 PAGEREF _Toc327953270 h 7 HYPERLINK l _Toc327953271 2.2.2 發(fā)電機(jī)定子端部防暈結(jié)構(gòu)類型 PAGEREF _Toc327953271 h 8 HYPERLINK l _Toc327953272 2.3 碳化硅防暈層 PAGEREF _Toc327953272 h 10 HYPERLINK

12、 l _Toc327953273 2.3.1 碳化硅（SiC）防暈材料 PAGEREF _Toc327953273 h 10 HYPERLINK l _Toc327953274 2.3.2 碳化硅防暈層厚度對(duì)防暈層電學(xué)性能的影響 PAGEREF _Toc327953274 h 11 HYPERLINK l _Toc327953275 2.3.3 碳化硅含量對(duì)防暈層電學(xué)性能的影響 PAGEREF _Toc327953275 h 12 HYPERLINK l _Toc327953276 2.4 其他防暈材料 PAGEREF _Toc327953276 h 13 HYPERLINK l _Toc32

13、7953277 2.5 本章小結(jié) PAGEREF _Toc327953277 h 13 HYPERLINK l _Toc327953278 第3章 防暈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn) PAGEREF _Toc327953278 h 15 HYPERLINK l _Toc327953279 3.1 定子端部防暈結(jié)構(gòu)仿真 PAGEREF _Toc327953279 h 15 HYPERLINK l _Toc327953280 3.2 發(fā)電機(jī)定子端部防暈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc327953280 h 22 HYPERLINK l _Toc327953281 3.3 發(fā)電機(jī)定子端部防暈結(jié)構(gòu)仿真 PAGERE

14、F _Toc327953281 h 25 HYPERLINK l _Toc327953283 3.3.1 防暈層相對(duì)介電常數(shù)對(duì)電場(chǎng)分布的影響 PAGEREF _Toc327953283 h 30 HYPERLINK l _Toc327953284 3.3.2 防暈層長(zhǎng)度對(duì)電場(chǎng)分布和電位分布的影響 PAGEREF _Toc327953284 h 31 HYPERLINK l _Toc327953285 3.3.3 其他優(yōu)化設(shè)計(jì)方向 PAGEREF _Toc327953285 h 31 HYPERLINK l _Toc327953286 3.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc327953286

15、 h 38 HYPERLINK l _Toc327953287 結(jié)論 PAGEREF _Toc327953287 h 39 HYPERLINK l _Toc327953288 致謝 PAGEREF _Toc327953288 h 40 HYPERLINK l _Toc327953289 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc327953289 h 41 HYPERLINK l _Toc327953290 附錄 PAGEREF _Toc327953290 h 42PAGE 52緒論1.1 發(fā)電機(jī)定子端部防暈技術(shù)的歷史發(fā)展背景 隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電機(jī)工業(yè)已經(jīng)持續(xù)多年高速增長(zhǎng)。目前世界上工業(yè)發(fā)達(dá)的

16、幾個(gè)國(guó)家發(fā)電設(shè)備制造商已具備24kV、26kV級(jí)絕緣系統(tǒng)的制造技術(shù)，并不向中國(guó)轉(zhuǎn)讓技術(shù)，而國(guó)內(nèi)最高電壓等級(jí)的絕緣系統(tǒng)水平只能達(dá)到22kV級(jí)，其關(guān)鍵的絕緣及防暈技術(shù)還沒有進(jìn)行深入的研究，與國(guó)外先進(jìn)公司相比還有一定的差距，滿足不了市場(chǎng)的需求。在我國(guó)約有10億臺(tái)電機(jī)在運(yùn)行，每年被燒毀的電機(jī)數(shù)量在20萬臺(tái)次以上，大部分是絕緣事故，僅維修費(fèi)用就達(dá)20億元左右，造成的停工停產(chǎn)損失高達(dá)數(shù)百億元，所造成的經(jīng)濟(jì)損失是相當(dāng)大的。因此隨著大型發(fā)電機(jī)組單臺(tái)容量的增長(zhǎng)和電壓等級(jí)的提高，對(duì)定子線圈的絕緣結(jié)構(gòu)和防暈措施提出了新的要求。60年代由炭黑或石墨與瀝青混合配制成防暈漆, 涂在線圈槽內(nèi)部位的石棉帶表面, 使定子槽口處

17、線圈端部表面電位梯度減小, 消除線圈端部電暈放電。70年代初期哈爾濱大電機(jī)研究所成功開發(fā)“一次成型”防電暈結(jié)構(gòu), 這種防暈結(jié)構(gòu)是在定子線棒主絕緣包扎后,直接包扎防暈帶,一次固化成型,無需二次處理,即減少污染又極大地提高了生產(chǎn)效率。目前,國(guó)內(nèi)研制的一次成型防暈技術(shù)可滿足 27 kV 百萬千瓦汽輪發(fā)電機(jī)防電暈技術(shù)要求。1.2 發(fā)電機(jī)定子端部防暈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的意義因?yàn)檫\(yùn)行電壓高，周圍存在固體與空氣介質(zhì)，導(dǎo)致電場(chǎng)分布不均勻，所以在定子線棒端部產(chǎn)生電暈是極為常見的。電暈會(huì)導(dǎo)致線棒局部溫度急劇升高、帶電粒子的高速碰撞和化學(xué)損傷，會(huì)縮短定子線棒的使用壽命甚至破壞線棒1-3。電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了它常用的是固體絕緣

18、，或者可看成是固體氣體絕緣。氣體既可能存在于固體絕緣之外，也可能存在于絕緣內(nèi)部。在不太高的電壓下，氣體上分到的場(chǎng)強(qiáng)較高時(shí)就可能發(fā)生局部放電或電暈，它們對(duì)絕緣有強(qiáng)烈的腐蝕作用。因而需從選擇材料、改善工藝、優(yōu)化結(jié)構(gòu)等多方面來設(shè)法減少電暈及其危害。從節(jié)省資源、減少排放、保護(hù)環(huán)境角度看, 發(fā)展高電壓、大容量、高性能的百萬千瓦級(jí)以上大型發(fā)電機(jī)組, 是今后發(fā)展的趨勢(shì)。三峽左岸機(jī)組防暈材料及技術(shù)的成功開發(fā),為進(jìn)一步開發(fā)大容量機(jī)組的防暈材料和技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。第2章 發(fā)電機(jī)定子端部防暈結(jié)構(gòu)對(duì)于高壓電機(jī)來說，定子線棒主絕緣采用的是固體絕緣，確切的說是固體-氣體絕緣。這些氣體既存在于固體絕緣之外，也存在于絕緣內(nèi)部，

19、在交流電壓作用下，這些氣體因?yàn)槌惺芟鄬?duì)較高的電場(chǎng)強(qiáng)度就有可能發(fā)生局部放電或電暈4。發(fā)電機(jī)定子端部電暈是指繞組端部出槽口處電暈，其產(chǎn)生的原因是由于定子線棒端部絕緣表面的泄漏電流向鐵心方向遞增，因此出槽口處絕緣表面的電壓降最大，也就最容易先起電暈，這一點(diǎn)可以由定子端部結(jié)構(gòu)示意圖及等效電路電路圖看出。2.1 發(fā)電機(jī)定子端部電暈的產(chǎn)生與危害在很不均勻的電場(chǎng)中，電壓還比較低的時(shí)候，尖端處的場(chǎng)強(qiáng)就已經(jīng)超過臨值，尖端處即出現(xiàn)自持放電。由于離尖端稍遠(yuǎn)處場(chǎng)強(qiáng)已大大減小，故游離放電只能局限在尖端附近的空間而不能擴(kuò)散出去。該區(qū)域內(nèi)所形成的離子在復(fù)合時(shí)將輻射出光子，其中一部分在可見光的頻譜范圍（其他大部分為紫光），人

20、們看見均勻的發(fā)光層籠罩在電極周圍，這就是電暈。當(dāng)電壓再提高時(shí)，如電極間距離不大，則可能從電暈放電直接轉(zhuǎn)變成間隙的火花擊穿；如電極距離增大時(shí)，則從電暈到擊穿之間還有刷形放電的國(guó)過渡階段，刷形放電是氣隙的不完全擊穿。當(dāng)電壓繼續(xù)增大時(shí)，刷形放電增長(zhǎng)到達(dá)對(duì)面的電極，就轉(zhuǎn)化為火花擊穿。當(dāng)電源功率足夠大時(shí)，火花擊穿就迅速轉(zhuǎn)變成電弧。 在高壓發(fā)電機(jī)內(nèi)，有一些部分是很容易產(chǎn)生電暈的，如（1）線棒出槽口處：繞組出槽口處屬典型的套管型結(jié)構(gòu)，槽口電場(chǎng)非常集中，是最易產(chǎn)生電場(chǎng)的地方；（2）鐵芯段通風(fēng)口處：通風(fēng)槽口處屬于尖銳邊緣，易造成電場(chǎng)局部不均勻；（3）線棒表面與鐵芯槽內(nèi)接觸不良或有氣隙處；（4）端箍包扎處、端部異

21、相線棒間：繞組端部電場(chǎng)分布復(fù)雜，特別是線圈與端箍，綁繩與墊塊的接觸部位和邊緣，由于工藝的原因往往很難消除氣隙，在這些氣息間很容易產(chǎn)生電暈。本文講述的就是定子端部出槽口處的電暈分析及防暈措施5。 電暈的產(chǎn)生會(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)重的后果，對(duì)高壓設(shè)備的絕緣性能造成嚴(yán)重的損壞。電暈放電產(chǎn)生的暈光是電極表面游離區(qū)域的放電過程造成的。游離區(qū)域內(nèi)的分子，在電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生激發(fā)、游離，形成大量的電子崩，并且不斷復(fù)合，在復(fù)合過程中，產(chǎn)生輻射，從而產(chǎn)生暈光。從發(fā)生電暈的物理過程分析，高壓裝置產(chǎn)生電暈光是有害的。首先，產(chǎn)生電暈時(shí)，回路中將有電暈電流流過，同時(shí)發(fā)出光、聲、熱，會(huì)引起電暈功率損失；其次，電暈放電還能使空氣發(fā)生化

22、學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生臭氧及氧化氮等產(chǎn)物，引起絕緣腐蝕；另外，在電暈放電過程中，流注會(huì)不斷熄滅和重新爆發(fā)，出現(xiàn)放電的脈動(dòng)現(xiàn)象，產(chǎn)生高頻電磁波，引起對(duì)無線電信號(hào)的干擾、電視干擾以及噪聲干擾；高壓電氣設(shè)備，發(fā)生電暈放電會(huì)逐漸破壞設(shè)備絕緣性能，使電氣設(shè)備損壞。因此，高壓裝置要采取工藝措施，限制電暈的形成6。發(fā)電機(jī)電暈的產(chǎn)生與以下因素有關(guān)：(1) 與海拔高度有關(guān)，海拔越高,空氣越稀薄,則起暈放電電壓越低。(2) 與濕度有關(guān)，濕度增加,表面電阻率降低,起暈電壓下降。(3) 端部高阻防暈層與溫度有關(guān)，如常溫下高阻防暈層阻值高,則溫度升高其起暈電壓也提高。常溫下如高阻防暈層阻值偏低,起暈電壓隨溫度升高而下降。(4)

23、槽部電暈與槽壁間隙有關(guān)，線棒與鐵芯線槽壁間的間隙會(huì)使槽部防暈層和鐵芯間產(chǎn)生電火花放電。環(huán)氧粉云母絕緣最易產(chǎn)生局部放電的危險(xiǎn)間隙在是0.20.3mm左右。目前我國(guó)高壓大電機(jī)采用的環(huán)氧粉云母絕緣的線膨脹系數(shù)很小,在正常運(yùn)行條件下,環(huán)氧粉云母絕緣的線棒的膨脹量不能填充線棒和鐵芯間的間隙.這是與黑絕緣區(qū)別比較大的地方。(5) 與線棒所處部位的電位和電場(chǎng)分布有關(guān)，2.1.1定子線棒至鐵芯間的電場(chǎng)在槽內(nèi)的分布比較均勻，而端部卻十分不均勻。如圖2-1所示。圖2-1 出槽口處電場(chǎng)分布示意圖圖2-2 出槽口處等值電路-體積電容，-導(dǎo)線對(duì)地電容。由圖2-2可以看出，絕緣層的泄漏電流不是均勻分布的，假設(shè)導(dǎo)線對(duì)鐵心的

24、電位為U，那么在它的作用下，等效的對(duì)地電容有電流流過，并通過絕緣層流入地電位的鐵心，離鐵芯越近該電流越大。也就說明越靠近鐵心一端，電壓降就越大，即場(chǎng)強(qiáng)越高。若用X表示出線端的向外延伸長(zhǎng)度，電壓隨X的增大將越來越高，而電場(chǎng)強(qiáng)度隨X的增大將越來越小。如圖2-3（a）和2-3（b）所示。圖2-3出槽口處電位U與電場(chǎng)強(qiáng)度E隨距離X的變化示意圖可知，端部不采取防暈措施，泄漏電流的存在會(huì)導(dǎo)致端部的電場(chǎng)分布極其不均勻，容易產(chǎn)生電暈。防暈工作就是從改善極不均勻電場(chǎng)入手的。改變電場(chǎng)分布，在電工上是經(jīng)常遇到的問題，但在發(fā)電機(jī)中，由于場(chǎng)合不同，所用的措施也有所不同。這樣的電場(chǎng)分布就像套管法蘭、電纜終端那樣具有很強(qiáng)的

25、沿表面的切向和垂直分量，因而改善電場(chǎng)分布、提高起暈電壓的措施也相似。2.1.2分析出槽口處點(diǎn)位分布、設(shè)計(jì)半導(dǎo)體層時(shí)的等值電路中，由于在計(jì)算過程中對(duì)電位計(jì)算影響較小，就忽略了材料的體積電阻和表面電容。出槽口處半導(dǎo)體層的等值回路如圖2-4所示。圖 2-4 出槽口半導(dǎo)體層的等值回路 圖中1為鐵芯，2為絕緣，3為導(dǎo)線。L為出槽口處半導(dǎo)體層的長(zhǎng)度， RS、及RS0、分別為涂及未涂半導(dǎo)體層時(shí)的表面電阻、電阻率?？闪谐鲭x槽口x處對(duì)導(dǎo)線的電位差UX的方程 （2-1）因此 （2-2）式中 出槽口處的表面對(duì)導(dǎo)線間的電位差； 系數(shù)，。沿面電位分布中的最大場(chǎng)強(qiáng)常出現(xiàn)于出槽口處 （2-3）通常，因此，則 （2-4）而在

26、半導(dǎo)體層終端處，導(dǎo)線與絕緣表面的電位差可按式（2-2）求得 （2-5）因而在選取半導(dǎo)體層的電阻率及長(zhǎng)度時(shí)必須兼顧E0及U1。如果取得很低，E0固然很小，這里不再發(fā)生電暈；但小、又不大，將近于1，使U1接近U0，將出槽口處的電暈轉(zhuǎn)移到低阻值半導(dǎo)體層的終端去了。為此，一般是使E020kV/cm(有效值），又使U1330V,以便兩處同時(shí)滿足要求。電機(jī)的防暈方法，按照原理的不同可分為電容分壓與電阻均壓兩大類型。按結(jié)構(gòu)方式的不同，可分為內(nèi)屏型和表面型兩大類。可以采取以下措施：（1） 增大表面電導(dǎo)電流，以相應(yīng)的減小因體積電容電流所導(dǎo)致的表面電位不均勻分布，如常在此涂半導(dǎo)體漆、包繞半導(dǎo)體帶的方法，但在端部用

27、的半導(dǎo)體層的表面電阻率比槽部用的高，最好將半導(dǎo)體層分為幾級(jí)，離槽口遠(yuǎn)處用的阻值應(yīng)增大。級(jí)數(shù)越過均勻電場(chǎng)分布的效果越好，但由于受工藝和經(jīng)濟(jì)條件的限制，對(duì)于不同電壓等級(jí)的防暈結(jié)構(gòu)要選擇合理的級(jí)數(shù)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于高壓電機(jī)繞組端部采用的是五級(jí)防暈結(jié)構(gòu)（2） 像電容式電流互感器里一樣，于電機(jī)出槽口處的絕緣層中加入一些內(nèi)屏蔽，通過控制出槽口處絕緣內(nèi)部電場(chǎng)來改善沿面的電場(chǎng)分布，但仍宜配合表面半導(dǎo)體層（外屏蔽）共同使用。圖2-5為一18kV繞組在出槽口處采取的一種兩級(jí)半導(dǎo)體層方案7。近槽口處用涂半導(dǎo)體漆的玻璃絲帶4，表面電阻率=107109，而在其終端處蓋以阻值高些的半導(dǎo)體漆層5，=1091011圖2-5 1

28、8kV繞組出槽口處防暈結(jié)構(gòu)圖中 1-導(dǎo)體，2-主絕緣，3-低阻層，4-中阻層，5-高阻層，6-絕緣覆蓋層，7-鐵芯。2.2 發(fā)電機(jī)定子端部防暈結(jié)構(gòu)由于槽口處電場(chǎng)集中，使定子繞組線圈端部出槽口處絕緣表面電位梯度很高，額定電壓6kV及以上電機(jī)的定子繞組出槽口處已處于起暈狀態(tài)。耐壓試驗(yàn)時(shí)，若試驗(yàn)電壓超過30kV，線圈端部若未進(jìn)行防暈處理，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的沿表面放電甚至閃絡(luò)，使耐壓試驗(yàn)無法進(jìn)行，因此，高壓電機(jī)定子繞組線圈端部表面必須進(jìn)行防暈處理。要求單只線棒耐壓試驗(yàn)時(shí)，防暈層不能過熱冒煙，無滑閃放電現(xiàn)象。2.2.1 防暈的原理是使槽口外線圈端部表面電位梯度盡量均勻。其方法（1）內(nèi)屏法，在線圈槽口絕緣內(nèi)部

29、適當(dāng)部位插入電極（通?？刹迦雮€(gè)內(nèi)屏，電極材料是箔或者網(wǎng)狀導(dǎo)體或半導(dǎo)體），以形成套管型結(jié)構(gòu)，通過電容分壓原理來達(dá)到表面電位梯度均勻化。其缺點(diǎn)是工藝太復(fù)雜，而且要考慮主絕緣層在線棒成型時(shí)的收縮或應(yīng)力，可能導(dǎo)致埋入的內(nèi)屏電極起皺或開裂，引起新的電場(chǎng)集中甚至極間短路，使線棒成品率降低，因此較少采用。（2）線性電阻調(diào)解法，通過降低線圈端部的電場(chǎng)集中處的恒定表面電阻來達(dá)到電場(chǎng)均勻化。即在電場(chǎng)集中處涂電阻率不同的半導(dǎo)體漆，其缺點(diǎn)是起暈電壓不高，而且不大穩(wěn)定。（3）非線性電阻調(diào)節(jié)法8，以電阻具有非線性特性的碳化硅為基礎(chǔ)制作防暈材料，其電阻率能隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而自動(dòng)降低，因而能自動(dòng)調(diào)節(jié)場(chǎng)強(qiáng)的分布，是端部表面場(chǎng)強(qiáng)

30、的分布比較均勻。目前國(guó)內(nèi)外均廣泛采用9。2.2.2 目前世界各電機(jī)廠廣泛采用的端部防暈方案有兩種：涂刷型和一次成型兩大類。(1)涂刷性防暈結(jié)構(gòu)用含碳化硅的高阻防暈漆，涂刷或包繞在線圈低電阻防暈層末端到線圈端部表面80300mm 長(zhǎng)度范圍內(nèi)。高、低電阻防暈層搭接長(zhǎng)度2030mm，隨額定電壓的不同，涂刷層數(shù)和每層的涂層長(zhǎng)度有所不同。多膠模壓線圈采用涂刷型防暈工藝，使防暈層的阻值不受主絕緣膠的影響。半固化的半導(dǎo)體帶采用一次成型工藝，一般用半疊包繞式，缺點(diǎn)是其阻值受模壓是主絕緣膠的影響而達(dá)不到預(yù)期值。另外半導(dǎo)體漆浸入主絕緣使得介電強(qiáng)度下降，介質(zhì)損耗增大。全固化型半導(dǎo)體帶（包括PAN半導(dǎo)體帶）采用一次成

31、型工藝可克服上述不足，但線圈固化成型后軸向阻值不連續(xù)。解決這個(gè)問題的辦法是，在主絕緣與防暈層之間加墊較窄的半導(dǎo)體帶，半導(dǎo)體帶一般應(yīng)加墊在線圈的大面，而且防暈層可采用并繞方式，以降低防暈層厚度。(2)一次成型防暈結(jié)構(gòu)少膠整浸體系的線圈一般采用全固化型半導(dǎo)體帶的一次成型工藝。采用這種材料與工藝能夠保證防暈層阻值不受主絕緣及浸漬膠的影響，而且防暈層的材料也不會(huì)污染主絕緣及浸漬膠。但要求防暈層具有良好的滲透性，以便在抽真空時(shí)（VPI工藝）主絕緣中的氣體能夠排出，同時(shí)在浸膠時(shí)浸漬膠能浸入主絕緣。聚丙烯腈（PAN）碳纖維半導(dǎo)體帶由純纖維組成，具有網(wǎng)孔，能夠很好地滿足滲透性的要求。而全固化型半導(dǎo)體帶本身滲透

32、性較差，只能在結(jié)構(gòu)上采取措施加以解決。試驗(yàn)結(jié)果表明，全固化型半導(dǎo)體帶并繞結(jié)構(gòu)具有良好的滲透性。這種結(jié)構(gòu)一再產(chǎn)品中應(yīng)用。其原理是浸漬膠可以從并繞的帶間浸入主絕緣，非整浸的線圈則可以采用涂刷性工藝，也可以采用一次成型工藝。 對(duì)大電機(jī)線棒端部進(jìn)行防暈處理的辦法通常是在線棒熱壓型后在線棒端部表面涂刷漆,這就是“兩次成型”工藝。如果發(fā)電機(jī)工作電壓不高,只要涂刷一段電阻值適當(dāng)?shù)钠峋托辛?即“一段處理”；如果發(fā)電機(jī)工作電壓較高,就要分段刷漆,緊靠槽口刷一阻值較低的防暈漆,而緊挨著第一段防暈漆,刷電阻值較高的防暈漆,即“兩段處理”。刷漆時(shí),為了便于控制電阻值并使涂刷牢靠,往往要按一定工藝要求纏上玻璃絲帶或石棉

33、這種辦法的優(yōu)點(diǎn)是便于返修,但其缺點(diǎn)很多:1.整體性差 ,防暈層與主絕緣層間容易分層,如果線棒成型后表面不平,那么加防暈層后很難避免在主絕緣與防暈層間存在氣隙,運(yùn)行后可能出現(xiàn)內(nèi)腐蝕現(xiàn)象；2.可靠性差,在電機(jī)強(qiáng)烈振動(dòng)、高速風(fēng)力以及電暈放電下,膠粘劑逐漸老化,防暈層逐漸粉化而剝落,出現(xiàn)嚴(yán)重的外腐蝕現(xiàn)象；3.影響工人健康,這是由于防暈漆中有大量溶劑,而操作要求十分細(xì)心,不可避免會(huì)吸入大量溶劑；4.結(jié)構(gòu)、工藝都比較繁瑣。 因此 ,哈爾濱電機(jī)廠、德陽東方電機(jī)廠等單位很早就主張?jiān)诠に嚿习选岸纬尚汀备臑椤耙淮纬尚汀?把涂刷防暈漆改為包繞碳化硅防暈帶,即在銅排上包繞主絕緣后包繞防暈帶,外面 再包三層附加絕緣,

34、然后整個(gè)線棒進(jìn)行熱壓成型(模壓或液壓)。這種結(jié)構(gòu)工藝的優(yōu)點(diǎn)是1.整體性好；2 .牢靠；3.改善了工人操作條件；4 .工藝結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。試驗(yàn)表明 ,這種防暈結(jié)構(gòu)能滿足18、20千伏電壓等級(jí)電機(jī)防暈要求10。上述兩種結(jié)構(gòu)都可以是一段或多段式，各段的和要求相互配合，才能取得較好的防暈效果。一般靠近槽口的防暈段其較低，較高，而遠(yuǎn)離槽口的防暈段其較高，較低。線棒包完主絕緣及低電阻防暈層以后，在低電阻防暈層末端延伸到線棒端部部表面上，包繞150300mm長(zhǎng)的高電阻防暈帶，外面再包繞保護(hù)層，然后同主絕緣一起固化成型。對(duì)高電阻防暈帶的性能要求與高電阻防暈漆相同。線棒成型時(shí)，線棒主絕緣中的膠可能與防暈帶中的膠相

35、互滲透，從而破壞了原來的防暈結(jié)構(gòu)，降低了防暈性能，因此該結(jié)構(gòu)防暈參數(shù)較難控制，但這種結(jié)構(gòu)的線棒在運(yùn)行中的防暈性能相當(dāng)穩(wěn)定。為了有效地均勻端部電場(chǎng)，一般采用多級(jí)防暈結(jié)構(gòu)（包括防暈層的延伸，稱為低阻層）。但級(jí)數(shù)不應(yīng)過多，因?yàn)榧?jí)數(shù)過多會(huì)給級(jí)間參數(shù)配合帶來困難，而且工藝也比較復(fù)雜。低阻層的線性阻值與槽部一樣為機(jī)的額定電壓及非有效鐵芯的形狀尺寸有關(guān)。中低阻層搭接層、中阻層、中高阻層搭接層及高阻層的長(zhǎng)度和非線性參數(shù)可根據(jù)計(jì)算機(jī)優(yōu)化程序來確定，也可以用試驗(yàn)的方法來確定，圖2-6為一高、低阻防暈結(jié)構(gòu)圖示。圖2-6 端部防暈結(jié)構(gòu)示例2.3 碳化硅防暈層 端部采取防暈措施的目的是，是使端部電場(chǎng)分布均勻，使得在1.

36、5UN(額定電壓)下不產(chǎn)生電暈，在耐壓試驗(yàn)過程中不放電，不過熱。對(duì)端部防暈材料的要求與槽部類似，不同的是要求具有良好的非線性。而對(duì)碳化硅（SiC）的研究證明出其電阻隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而降低的非線性半導(dǎo)體材料，可使表面電場(chǎng)的分布曲線從鋸齒狀曲線變成比較平整的分布。2.3.1 碳化硅（對(duì)于線棒端部防暈，人們希望得到這樣一種材料：其電阻值隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而自動(dòng)降低，從未達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)場(chǎng)強(qiáng)的目的。碳化硅材料具有非線性導(dǎo)電特性，其電阻率隨外施場(chǎng)強(qiáng)的增大而下降，可以作為防暈材料。1976年，巫松楨、陳壽田等人通過大量實(shí)踐認(rèn)為，對(duì)于電機(jī)防暈用碳化硅材料其非線性主要考慮電阻率和場(chǎng)強(qiáng)兩個(gè)因素，二者符合如下規(guī)律11

37、,式中 為場(chǎng)強(qiáng)，是未加電場(chǎng)的電阻率，為碳化硅的非線性系數(shù)，表征碳化硅的電阻隨場(chǎng)強(qiáng)提高而下降的能力。對(duì)于碳化硅防暈材料， 和是兩個(gè)十分重要的參數(shù)。研究中發(fā)現(xiàn) ,當(dāng)改變防暈厚度，以及改變漆中碳化硅的含量時(shí)，可大幅的改變防暈層的表面電阻率和非線性系數(shù) ,這可為實(shí)際生產(chǎn)中控制防暈層的電學(xué)性能提供理論依據(jù)。2.3.2碳化硅防暈層厚度對(duì)防暈層電學(xué)性能的影響,規(guī)定同樣的碳化硅含量的防暈帶，對(duì)不同層數(shù)的防暈帶進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，得出結(jié)果如圖2-7和表2-1所示。表2-1 防暈層厚度對(duì)其表面電學(xué)性能的影響層數(shù)1層2.2310122.732層1.110112.763層3.9310102.894層2.6210102.91

38、5層1.9610102.96圖2-7 改變防暈層厚度時(shí)的曲線可見，隨著涂層層數(shù)的增加 (即涂層厚度的增加)，防暈層的非線性系數(shù)由1層時(shí)的2.73cm/kV提高到 5層時(shí)的2.96cm/kV；而表面電阻率由一層時(shí)的2.231012cm,下降低至五層時(shí)的1.這主要是因?yàn)?雖然電流主要經(jīng)線棒表面的防暈層流過，但當(dāng)加到一定的電壓時(shí)，部分電流也會(huì)從涂層內(nèi)部流過，形成體電流。當(dāng)涂層厚度增加時(shí)，從體內(nèi)流過的電流增加，此時(shí)相當(dāng)于電阻并聯(lián)，從而使得線棒涂層的表面電阻率減小，非線性系數(shù)增大。然而當(dāng)防暈層厚度增大到一定值時(shí)，表面的電學(xué)性能變化就不是很明顯了，例如從一層增加到二層時(shí)，防暈層表面電阻率由2.231012

39、cm減小到1.11011cm，變化幅度較大。而從四層增加到五層時(shí)，電阻率僅由2.621010cm減小到1.962.3.在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在防暈層中樹脂與碳化硅比例發(fā)生變化時(shí)，防暈層表面的電學(xué)性能也會(huì)出現(xiàn)變化。防暈層中樹脂與碳化硅比例變化對(duì)防暈層表面的電學(xué)性能影響如圖2-8和表2-2所示。表2-2 防暈層中樹脂與碳化硅比例變化對(duì)防暈層表面的電學(xué)性能影響樹脂漆與碳化硅比例1:29.17310101.351:42.7510101.531:61.3110101.741:87.8621092.031:106.881092.421:126.111092.63圖2-8 改變防暈層中漆與碳化硅比例時(shí)的曲線可見，隨

40、著碳化硅在防暈層中所占的比例增大時(shí)，防暈層的表面電阻率由比例是1:2時(shí)的9.1731010cm減小到1:12時(shí)的6.11109cm；非線性系數(shù)由1:2時(shí)的1.35cm/kV增大到1:12時(shí)的當(dāng)碳化硅的含量增大到某一值時(shí)，防暈層表面的電阻率變化減小。這是由于碳化硅顆粒分散于樹脂中，在碳化硅含量較小時(shí)，顆粒之間存在較厚的樹脂膜，能直接接觸的碳化硅顆粒較少，接觸面積也較小。當(dāng)碳化硅含量提高時(shí)可大幅提高碳化硅顆粒相互接觸的數(shù)量和接觸面積，因而可大幅降低防暈涂層的電阻率，并增大其非線性系數(shù)；當(dāng)防暈層中碳化硅含量超過一定值時(shí)，碳化硅顆粒間已充分接觸，在增加碳化硅的含量不能大幅度地增加碳化硅顆粒間的接觸面積

41、，因而也不能大幅地改變防暈層的電學(xué)性能13。由上可以看出：（1）隨著碳化硅防暈層厚度的增加，碳化硅防暈層的非線性系數(shù)提高，表面電阻率下降；（2）隨著碳化硅粉料對(duì)防暈漆的比例的增大，碳化硅防暈層的非線性系數(shù)提高，表面電阻率下降?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)的SiC產(chǎn)品主要用作磨料和耐火材料，生產(chǎn)中使用的是天然礦物原料，組成波動(dòng)大，加之生產(chǎn)工藝比較粗放，對(duì)SiC的電學(xué)性質(zhì)不考核不控制，使碳化硅的電學(xué)性能很難穩(wěn)定，各個(gè)碳化硅生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的碳化硅，其電學(xué)性能有很大差別，即使同一廠家，各個(gè)批次生產(chǎn)的產(chǎn)品其性能也有較大的差別。這一情況給電機(jī)防暈用碳化硅粉料的正常使用帶來許多困難。研制電阻率和非線性系數(shù)處于特定數(shù)值范圍的，穩(wěn)

42、定的電機(jī)防暈專用碳化硅粉料已迫在眉睫，并且要制定相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)方法。2.4 其他防暈材料 目前使用的防暈漆有醇酸半導(dǎo)體漆、聚酯半導(dǎo)體漆及環(huán)氧半導(dǎo)體漆等。環(huán)氧半導(dǎo)體漆的韌性較差，但組織較為穩(wěn)定。半導(dǎo)體帶有固化型環(huán)氧半導(dǎo)體石棉帶、半固化型環(huán)氧半導(dǎo)體玻璃絲帶、全防暈層固化型聚酯半導(dǎo)體玻璃絲帶、聚丙烯腈（PAN）碳纖維半導(dǎo)體帶等。石棉帶的厚度較厚，已逐漸被玻璃絲帶所取代，但在一些定型的老產(chǎn)品中仍有使用14。 防暈材料的選擇是根據(jù)國(guó)內(nèi)對(duì)防暈帶的電阻率及非線性系數(shù)的測(cè)定，根據(jù)幾種對(duì)高壓電機(jī)定子線棒端部電場(chǎng)分布計(jì)算，如遺傳計(jì)算法和打靶法對(duì)邊界條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果。2.5 本章小結(jié)本章首先對(duì)電暈的含義，

43、產(chǎn)生的危害和影響因素進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，進(jìn)而強(qiáng)調(diào)了防暈的重要性。隨后對(duì)本文研究的問題進(jìn)行了理論性的分析，基于對(duì)現(xiàn)有防暈結(jié)構(gòu)技術(shù)的了解，想要進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化防暈結(jié)構(gòu)，對(duì)防暈材料的特性進(jìn)行了講述，希望通過材料性能的改變來提高防暈技術(shù)。第3章 防暈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)對(duì)防暈結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有一定的要求， 各級(jí)防暈層（包括各級(jí)間的搭接層）的始端電位梯度，在試驗(yàn)時(shí)不超過8.1kV/cm； 各級(jí)防暈層（包括各級(jí)間的搭接層）的始端單位表面損耗在同一數(shù)量級(jí)內(nèi)，且不超過0.6W/cm2； 最后一級(jí)防暈層末端對(duì)導(dǎo)體的電壓在規(guī)定的相應(yīng)電壓等級(jí)指標(biāo)（如表3-1）； 1min耐壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn):（1.5UN+2.25）kV；交流耐壓試驗(yàn)時(shí)防

44、暈層表面溫度不超過45。3.1 定子端部防暈結(jié)構(gòu)仿真利用有限元法對(duì)繞組端部電場(chǎng)進(jìn)行分析求解， 使用ANSYS軟件建立繞組端部模型，選額定電壓為20kV的繞組進(jìn)行仿真。建模主要過程包括：參數(shù)定義，實(shí)體建模，網(wǎng)格剖分，計(jì)算求解和結(jié)果處理。對(duì)繞組端部未加防暈層時(shí)進(jìn)行仿真，建立模型，如圖3-1。圖 3-1 未加防暈層的定子端部模型1鐵芯，2主絕緣，3導(dǎo)體，4空氣端部電場(chǎng)分析對(duì)于導(dǎo)體和鐵芯不需要進(jìn)行剖分，主要是對(duì)空氣和絕緣部分進(jìn)行剖分，剖分結(jié)果如圖3-2。圖3-2 未加防暈層定子端部剖分結(jié)果由于絕緣層厚度相對(duì)較小，對(duì)其剖分局部放大可以看出，剖分單元由四邊形和三角形構(gòu)成，單一的四邊形不能再進(jìn)行剖分。圖3-

45、3為絕緣層局部剖分圖。圖3-4所示區(qū)域雖然曲率半徑小，但是電力線不向鐵芯側(cè)匯集，場(chǎng)強(qiáng)并不高。圖 3-3 未加防暈層定子端部絕緣層局部剖分圖圖3-4 未加防暈層定子端部絕緣層局部剖分圖之后加載邊界條件，鐵芯設(shè)置為零電位，導(dǎo)體加20kV電壓，其余邊界條件屬于第二類邊界條件，選擇默認(rèn)，系統(tǒng)自動(dòng)滿足，進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖3-5。圖3-5 未加防暈層時(shí)定子端部仿真計(jì)算結(jié)果 最后進(jìn)行后處理，分別給出未加防暈層時(shí)端部的電位分布和電場(chǎng)分布圖，如圖3-6和圖3-7?？梢钥闯?，端部的電位梯度較大，電場(chǎng)值較高。最大電場(chǎng)值出現(xiàn)在端部附近，一些關(guān)鍵點(diǎn)已經(jīng)在圖中標(biāo)出。其中電場(chǎng)最大值為3693.92V/mm,坐標(biāo)為（20

46、0,85,0），鐵芯端部橫坐標(biāo)為200，則最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在鐵芯端部。圖3-6 未加防暈層定子端部電位分布圖圖3-7 未加防暈層定子端部電場(chǎng)分布圖圖3-8未加防暈層定子端部場(chǎng)強(qiáng)分布放大圖 從圖3-8中可以看出絕緣層內(nèi)電場(chǎng)分布和空氣中的電場(chǎng)分布在端部有明顯的變化，越靠近端部，場(chǎng)強(qiáng)越高。對(duì)結(jié)果進(jìn)行后處理，制作端部電位變化曲線和端部電場(chǎng)變化曲線，如圖對(duì)結(jié)果進(jìn)行后處理，制作端部電位變化曲線和端部電場(chǎng)變化曲線，如圖3-9與圖3-10所示，電位和電場(chǎng)隨遠(yuǎn)離端部距離的變化曲線與前面理論分析所述的情況（圖2-3）一致。橫軸表示遠(yuǎn)離繞組端部向外的長(zhǎng)度，縱軸表示對(duì)應(yīng)的防暈結(jié)構(gòu)表面的電位與電場(chǎng)強(qiáng)度。越靠近端部，電位梯度

47、越大，場(chǎng)強(qiáng)越高，而且端部的電場(chǎng)強(qiáng)度超過了8.1kV/cm，容易產(chǎn)生電暈，對(duì)此要進(jìn)行防暈處理。圖中所示均為合成場(chǎng)強(qiáng)（包括X軸方向和Y軸方向）。圖3-9 未加防暈層定子端部電位變化曲線圖3-10 未加防暈層定子端部電場(chǎng)變化曲線3.2 發(fā)電機(jī)定子端部防暈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從整體段數(shù)的多少來對(duì)防暈結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，以三峽發(fā)電機(jī)防暈結(jié)構(gòu)舉例，通過兩段防暈結(jié)構(gòu)與三段防暈結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。利用傳統(tǒng)的防暈結(jié)構(gòu)進(jìn)行三峽主要防暈材料及結(jié)構(gòu)的選擇和優(yōu)化選擇。傳統(tǒng)防暈結(jié)構(gòu)示意圖見圖3-11，圖中B為防暈層末端至引線的放電距離。圖3-11 傳統(tǒng)半截防暈結(jié)構(gòu)表3-1 各等級(jí)防暈層末端臨界電壓U額定電壓，kV2022242627單面絕緣

48、厚度d，mm5.35.86.36.87.01min試驗(yàn)電壓，kV6267737881高阻末端允許最大電壓U，kV353637.53939.5哈爾濱電機(jī)廠根據(jù)優(yōu)化原則對(duì)FB系列防暈帶的電阻率及非線性系數(shù)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和不同電阻值的防暈進(jìn)行優(yōu)化搭配，所以本例用兩段和三段防暈進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化試驗(yàn)，確定最佳的材料和結(jié)構(gòu)。選擇哈爾濱電機(jī)廠的高阻防暈帶FB-3，F(xiàn)B-4，F(xiàn)B-5和新開發(fā)研制的26kV高阻防暈帶HDY系列進(jìn)行三峽發(fā)電機(jī)定子線棒防暈結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)。防暈結(jié)構(gòu)試驗(yàn)線棒采用多膠模壓“一次成型”工藝，通過大量的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，在保證起暈電壓、交流耐壓試驗(yàn)等指標(biāo)達(dá)到ABB-ALSTOM要求后確定采用兩段防暈結(jié)構(gòu)

49、和材料，具體尺寸如表3-2所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3-3所示。表3-2 兩段防暈材料及尺寸圖3-10中代號(hào)低阻層AL1L2L3材料低阻帶FB-4FB-3尺寸130140160表3-3 兩段防暈結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)項(xiàng)目起暈電壓，kV交流耐壓試驗(yàn)80閃絡(luò)擊穿電壓，kV平均值33.67通過89.17對(duì)于高壓電機(jī)定子線棒端部防暈結(jié)構(gòu)，從理論上講防暈級(jí)數(shù)越多防暈效果越好，但是防暈級(jí)數(shù)越多線棒的制造工藝越復(fù)雜，容易出現(xiàn)不合格產(chǎn)品，所以對(duì)三段防暈結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，確定了表3-4所示的結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3-5所示。3-4 三段防暈材料及尺寸圖3-10中代號(hào)低阻層AL1L2L3材料低阻帶FB-5FB-4FB-3尺寸mm130

50、50120150表3-5 三段防暈結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)項(xiàng)目起暈電壓，kV交流耐壓試驗(yàn)80閃絡(luò)擊穿電壓，kV平均值33.5通過112.5試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，三段防暈結(jié)構(gòu)比兩段防暈結(jié)構(gòu)效果好，交流耐壓和閃絡(luò)擊穿電壓水平得到提高，防暈帶電阻率FB-5，非線性系數(shù)；防暈帶電阻率FB-4,非線性系數(shù)；防暈帶電阻率FB-3,非線性系數(shù)。國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的兩段和三段防暈結(jié)構(gòu)可以滿足三峽定子繞組單根線棒的防暈要求，但對(duì)于三峽定子繞組水內(nèi)冷，傳統(tǒng)的防暈結(jié)構(gòu)就滿足不了防暈要求，由于定子繞組并頭絕緣和內(nèi)無填充絕緣，所以防暈結(jié)構(gòu)必須按ABB-ALSTOM公司標(biāo)準(zhǔn)對(duì)三峽結(jié)構(gòu)進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化研究。結(jié)構(gòu)的改進(jìn)是在傳統(tǒng)的三段防暈結(jié)構(gòu)的外表面包一層高

51、阻帶直至引線處。用FB系列防暈帶與進(jìn)口ABB-ALSTOM防暈帶搭配進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)，即內(nèi)層防暈采用國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的三段結(jié)構(gòu)，在其外面包三層F級(jí)環(huán)氧玻璃粉云母帶附加絕緣，最外層包繞一層217.55（國(guó)外牌號(hào)）高阻帶至引線處，模壓一次成型。 圖3-12 三峽發(fā)電機(jī)定子線棒的最終防暈結(jié)構(gòu)各項(xiàng)防暈技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到ABB-ALSTOM的要求，見表3-6。因此，三峽發(fā)電機(jī)定子線棒的最終防暈結(jié)構(gòu)15如圖3-12。表3-6三峽發(fā)電機(jī)定子線棒最終防暈性能起暈電壓，kV交流耐壓80閃絡(luò)擊穿電壓，kVABB-ALSTOM標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證結(jié)果ABB-ALSTOM標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證結(jié)果ABB-ALSTOM標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證結(jié)果50通過通過139接下來對(duì)端部

52、防暈層各段電位進(jìn)行測(cè)試，其端部電位測(cè)試圖如圖3-13，電位分布數(shù)據(jù)結(jié)果如表3-7，電位分布曲線如圖3-14。 3-13 三峽真機(jī)線棒端部電位測(cè)試圖表3-7 哈電制造的三峽真機(jī)線棒端部電位（kV）試驗(yàn)電壓，kV2002.512.2515.3514.014.114.6514.853003.015.222.3522.2522.022.422.85由圖3-14可以看出，端部電位分布趨于平緩，即電場(chǎng)分布較為均勻，達(dá)到了均勻電場(chǎng)，預(yù)防電暈產(chǎn)生的效果。上述端部防暈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)滿足了使用要求,合理性與經(jīng)濟(jì)性也都滿足要求。圖3-14三峽定子線圈端部電位分布曲線3.3 發(fā)電機(jī)定子端部防暈結(jié)構(gòu)仿真利用ANSYS軟件

53、對(duì)20kV級(jí)定子線棒利用ANSYS軟件進(jìn)行端部電場(chǎng)分析，額定電壓為20kV；主絕緣層厚度5mm，相對(duì)介電常數(shù)=5，防暈層相厚度為10mm，相對(duì)介電常數(shù)=3，空氣：相對(duì)介電常數(shù)=1；低阻層長(zhǎng)度180mm，中阻層長(zhǎng)度110mm，高阻層長(zhǎng)度160mm；鐵芯高度775mm，端部寬度取200mm，線棒外伸彎角選擇30。端部防暈結(jié)構(gòu)模型如圖3-15所示，對(duì)空氣、防暈層和主絕緣區(qū)域進(jìn)行電場(chǎng)分析。圖3-15 定子端部防暈結(jié)構(gòu)模型1鐵芯，2導(dǎo)體，3主絕緣，4低阻層，5中阻層，6高阻層，7空氣根據(jù)圖3-15進(jìn)行建模，對(duì)分析區(qū)域進(jìn)行剖分，得出圖3-16。圖3-17為剖分局部放大圖，剖分單元有四邊形和三角形，兩者可以

54、搭配選擇。圖3-17對(duì)防暈層和主絕緣進(jìn)行了三角形單元剖分。圖3-16 加防暈層定子端部防暈結(jié)構(gòu)仿真剖分圖圖3-17加防暈層定子端部防暈結(jié)構(gòu)仿真剖分局部放大圖加載邊界條件進(jìn)行計(jì)算，得出圖3-18，對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理，得出圖3-19端部電位分布圖。圖3-18 加防暈層定子端部防暈結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果圖3-19 加防暈層定子端部電位分布圖圖3-20 加防暈層定子端部沿X軸方向的電場(chǎng)分布圖3-21加防暈層定子端部沿Y軸方向的電場(chǎng)分布圖3-22 加防暈層定子端部合成場(chǎng)強(qiáng)分布圖圖3-23 加防暈層定子端部電場(chǎng)分布放大圖圖3-20最大場(chǎng)強(qiáng)點(diǎn)坐標(biāo)為（279.891,95），大小為96.8167V/mm,最小點(diǎn)坐標(biāo)為（20

55、0,95），大小為-700.351V/mm；圖3-21最大場(chǎng)強(qiáng)點(diǎn)坐標(biāo)為（200,95），大小為1538.77V/mm,最小點(diǎn)坐標(biāo)為（257.367,88.3571），大小為88.3571V/mm；圖3-22最大場(chǎng)強(qiáng)點(diǎn)坐標(biāo)為（200,95），大小為701.009V/mm,最小點(diǎn)坐標(biāo)為（692.082,870），大小為0.0311V/mm。圖3-24為定子端部電場(chǎng)變化曲線，調(diào)處數(shù)據(jù)輸出，顯示在遠(yuǎn)離端部的防暈層表面有兩個(gè)小的峰值出現(xiàn)，坐標(biāo)為（478,105）和（498,105），大小分別為49.894V/mm和47.581V/mm，分別處于防暈層的搭接處。圖3-24 定子端部電場(chǎng)變化曲線3.3.建立

56、模型，假定絕緣層的介電常數(shù)及其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，設(shè)定五組不同的介電常數(shù)，用于改變防暈層的參數(shù)，分別進(jìn)行分析計(jì)算，得出下列數(shù)據(jù)。取=3，進(jìn)行建模舉例。表3-8 不同介電常數(shù)的防暈層所對(duì)應(yīng)的最高場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)介電常數(shù)34567912最高場(chǎng)強(qiáng)值E，kV/cm8.0298.2558.3278.3498.3418.2778.127上表選定主絕緣和空氣的相對(duì)介電常數(shù)，分別為5和1，在不改變其他的條件下得出的結(jié)果。可以看出，當(dāng)防暈層的相對(duì)介電常數(shù)接近主絕緣的相對(duì)介電常數(shù)時(shí)，最高場(chǎng)強(qiáng)變大，而當(dāng)防暈層的相對(duì)介電常數(shù)向兩端取值時(shí)，最高場(chǎng)強(qiáng)在下降。當(dāng)由3612變化時(shí)，最高場(chǎng)強(qiáng)E由8.0298.3498.217 V/

57、mm變化。但是相對(duì)介電常數(shù)過大，導(dǎo)致防暈層的體積電容增大，儲(chǔ)能會(huì)相應(yīng)的增加，所以介電常數(shù)應(yīng)該從小的方向取值，其中=3時(shí)對(duì)應(yīng)的最高場(chǎng)強(qiáng)值就符合8.1kV/cm的要求。3.3.2 防暈層長(zhǎng)度對(duì)電場(chǎng)分布各個(gè)防暈層搭接處位置的變化有可能改變電場(chǎng)分布或者電位分布，因此改變防暈層的長(zhǎng)度來進(jìn)行分析，選擇低阻層長(zhǎng)度作為變量，整體的防暈結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度不變，得出下列數(shù)據(jù)。表3-9 不同長(zhǎng)度的防暈層所對(duì)應(yīng)的最高場(chǎng)強(qiáng)和防暈層末端電位低阻層長(zhǎng)度，mm100160180200最高場(chǎng)強(qiáng)值E，V/mm1126.59827.244701.009664.893防暈層末端電位U,V20000204772038320802可以看出，隨著低

58、阻防暈層長(zhǎng)度的增加，端部最高場(chǎng)強(qiáng)逐漸降低，而防暈層末端電位在逐漸升高。增大低阻層的長(zhǎng)度可以降低最高場(chǎng)強(qiáng)值，但是防暈結(jié)構(gòu)性能要求對(duì)防暈層末端電位有一定的限制（表3-1），同時(shí)長(zhǎng)度的增加也增大了成本的投入，所以低阻層的長(zhǎng)度不能取得太長(zhǎng)，長(zhǎng)度為180mm時(shí)場(chǎng)強(qiáng)小于8.1kV/mm,已經(jīng)滿足了要求。3.3.3 其他優(yōu)化設(shè)計(jì)方向改變電極的曲率半徑也可以改變電場(chǎng)的分布。發(fā)電機(jī)定子繞組的鐵芯端部為直角形式，如果將其變成圓弧形會(huì)影響到端部場(chǎng)強(qiáng)的分布。選取曲率半徑為100mm的圓角定子端部進(jìn)行仿真。建立模型，選擇三角單元，進(jìn)行剖分，剖分結(jié)果如圖3-25所示。圖3-25 圓角定子端部結(jié)構(gòu)剖分圖圖3-26為剖分局部

59、放大圖，隨后加載邊界條件，進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖3-27所示。圖3-26 圓角定子端部結(jié)構(gòu)剖分局部放大圖圖3-27 計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)果處理，調(diào)出端部電位分布圖和電場(chǎng)分布圖，如圖3-28所示。圖3-28 圓角定子端部結(jié)構(gòu)電位分布圖圖3-29 圓角定子端部沿X軸方向電場(chǎng)分布圖圖3-30 圓角定子端部沿Y軸方向電場(chǎng)分布圖圖3-31圓角定子端部合成電場(chǎng)分布圖圖3-29最大場(chǎng)強(qiáng)點(diǎn)坐標(biāo)為（386,105），大小為20.263V/mm,最小點(diǎn)坐標(biāo)為（155.087,111.541），大小為-387.349V/mm；圖3-30最大場(chǎng)強(qiáng)點(diǎn)坐標(biāo)為（100,95），大小為1843V/mm,最小點(diǎn)坐標(biāo)為（201.516,1

60、92.414），大小為-33.1495V/mm；圖3-31最大場(chǎng)強(qiáng)點(diǎn)坐標(biāo)為（100,95），大小為1844V/mm,最小點(diǎn)坐標(biāo)為（692.082,865.64），大小為0.0591V/mm。圖3-32為鐵芯端部為圓弧形（曲率半徑為100）時(shí)所對(duì)應(yīng)的定子端部電場(chǎng)分布。圖中標(biāo)出幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，其中1,2,3為防暈層與空氣接觸面，即防暈層外表面上的點(diǎn)，4為鐵芯與防暈層接觸點(diǎn)。圖3-32 圓角定子端部結(jié)構(gòu)場(chǎng)強(qiáng)分布放大圖取不同的曲率半徑，分別對(duì)圖中相應(yīng)四點(diǎn)進(jìn)行仿真，得出表3-10的數(shù)據(jù)。曲率半徑單位：mm，場(chǎng)強(qiáng)單位：V/mm。表3-10 不同曲率半徑所對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)關(guān)關(guān)鍵點(diǎn)曲率半徑123460208.8