畢業(yè)論文-發(fā)電機定子端部防暈結構設計

1、哈爾濱理工大學學士學位論文 52 -哈 爾 濱 理 工 大 學畢 業(yè) 設 計 題 目： 發(fā)電機定子端部防暈結構設計 院、 系： 電氣工程及其自動化 姓 名： 指導教師： 系 主 任： 2012 年 6 月哈爾濱理工大學學士學位論文PAGE IV發(fā)電機定子端部防暈結構設計摘要隨著國民經濟的迅速發(fā)展，單機容量更大的發(fā)電機顯得迫切需要。然而單機容量的增大勢必會使得發(fā)電機的工作電壓的提高，電壓的提高同時也對發(fā)電機內部的絕緣結構有了更高的要求，而且內部繞組端部的防暈性能也要求進一步提高。由于運行電壓高，發(fā)電機定子端部的周圍存在著固體與空氣介質，導致電場分布極不均勻，電場強度很大，容易產生電暈，因此對防暈

2、結構的要求很高。本文分析了發(fā)電機端部場強分布不均勻的原因，對防暈材料進行了研究，主要分析了多級防暈技術，例舉了三峽發(fā)電機繞組端部的防暈結構設計。從防暈層長度、相對介電常數(shù)以及鐵芯形狀等角度考慮，對防暈結構進行優(yōu)化，以更好地改變端部電場分布，達到更好的防暈效果。本文主要通過兩個方面對防暈結構進行設計，一是通過學習理論知識與舉例中的試驗數(shù)據(jù)的比較，得出較為合理的結構；二是通過運用ANSYS軟件對繞組端部防暈結構進行仿真，包括建模過程與結果處理，證明該結構設計的合理性，以滿足實際的需要。關鍵詞：發(fā)電機；防暈；絕緣材料；電場分析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)電機定子端部防暈技術的歷史發(fā)展背景 PAGEREF _Toc327953263 h 1 HYPERLINK l _Toc327953264 1.2 發(fā)電機定子端部

10、防暈結構設計的意義 PAGEREF _Toc327953264 h 1 HYPERLINK l _Toc327953265 第2章 發(fā)電機定子端部防暈結構 PAGEREF _Toc327953265 h 2 HYPERLINK l _Toc327953266 2.1 發(fā)電機定子端部電暈的產生與危害 PAGEREF _Toc327953266 h 2 HYPERLINK l _Toc327953267 2.1.1 定子端部的電場分布 PAGEREF _Toc327953267 h 3 HYPERLINK l _Toc327953268 2.1.2 發(fā)電機定子端部電場的理論分析 PAGEREF _

11、Toc327953268 h 5 HYPERLINK l _Toc327953269 2.2 發(fā)電機定子端部防暈結構 PAGEREF _Toc327953269 h 7 HYPERLINK l _Toc327953270 2.2.1 發(fā)電機定子端部防暈原理 PAGEREF _Toc327953270 h 7 HYPERLINK l _Toc327953271 2.2.2 發(fā)電機定子端部防暈結構類型 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防暈層電學性能的影響 PAGEREF _Toc327953274 h 11 HYPERLINK l _Toc327953275 2.3.3 碳化硅含量對防暈層電學性能的影響 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 PAGEREF _Toc327953277 h 13 HYPERLINK l _Toc327953278 第3章 防暈結構設計與改進 PAGEREF _Toc327953278 h 15 HYPERLINK l _Toc327953279 3.1 定子端部防暈結構仿真 PAGEREF _Toc327953279 h 15 HYPERLINK l _Toc327953280 3.2 發(fā)電機定子端部防暈結構設計 PAGEREF _Toc327953280 h 22 HYPERLINK l _Toc327953281 3.3 發(fā)電機定子端部防暈結構仿真 PAGERE

14、F _Toc327953281 h 25 HYPERLINK l _Toc327953283 3.3.1 防暈層相對介電常數(shù)對電場分布的影響 PAGEREF _Toc327953283 h 30 HYPERLINK l _Toc327953284 3.3.2 防暈層長度對電場分布和電位分布的影響 PAGEREF _Toc327953284 h 31 HYPERLINK l _Toc327953285 3.3.3 其他優(yōu)化設計方向 PAGEREF _Toc327953285 h 31 HYPERLINK l _Toc327953286 3.4 本章小結 PAGEREF _Toc327953286

15、 h 38 HYPERLINK l _Toc327953287 結論 PAGEREF _Toc327953287 h 39 HYPERLINK l _Toc327953288 致謝 PAGEREF _Toc327953288 h 40 HYPERLINK l _Toc327953289 參考文獻 PAGEREF _Toc327953289 h 41 HYPERLINK l _Toc327953290 附錄 PAGEREF _Toc327953290 h 42PAGE 52緒論1.1 發(fā)電機定子端部防暈技術的歷史發(fā)展背景 隨著中國經濟的快速發(fā)展，電機工業(yè)已經持續(xù)多年高速增長。目前世界上工業(yè)發(fā)達的

16、幾個國家發(fā)電設備制造商已具備24kV、26kV級絕緣系統(tǒng)的制造技術，并不向中國轉讓技術，而國內最高電壓等級的絕緣系統(tǒng)水平只能達到22kV級，其關鍵的絕緣及防暈技術還沒有進行深入的研究，與國外先進公司相比還有一定的差距，滿足不了市場的需求。在我國約有10億臺電機在運行，每年被燒毀的電機數(shù)量在20萬臺次以上，大部分是絕緣事故，僅維修費用就達20億元左右，造成的停工停產損失高達數(shù)百億元，所造成的經濟損失是相當大的。因此隨著大型發(fā)電機組單臺容量的增長和電壓等級的提高，對定子線圈的絕緣結構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研究所成功開發(fā)“一次成型”防電暈結構, 這種防暈結構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效率。目前,國內研制的一次成型防暈技術可滿足 27 kV 百萬千瓦汽輪發(fā)電機防電暈技術要求。1.2 發(fā)電機定子端部防暈結構設計的意義因為運行電壓高，周圍存在固體與空氣介質，導致電場分布不均勻，所以在定子線棒端部產生電暈是極為常見的。電暈會導致線棒局部溫度急劇升高、帶電粒子的高速碰撞和化學損傷，會縮短定子線棒的使用壽命甚至破壞線棒1-3。電機的結構特點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部。在不太高的電壓下，氣體上分到的場強較高時就可能發(fā)生局部放電或電暈，它們對絕緣有強烈的腐蝕作用。因而需從選擇材料、改善工藝、優(yōu)化結構等多方面來設法減少電暈及其危害。從節(jié)省資源、減少排放、保護環(huán)境角度看, 發(fā)展高電壓、大容量、高性能的百萬千瓦級以上大型發(fā)電機組, 是今后發(fā)展的趨勢。三峽左岸機組防暈材料及技術的成功開發(fā),為進一步開發(fā)大容量機組的防暈材料和技術奠定了基礎。第2章 發(fā)電機定子端部防暈結構對于高壓電機來說，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，也存在于絕緣內部，

19、在交流電壓作用下，這些氣體因為承受相對較高的電場強度就有可能發(fā)生局部放電或電暈4。發(fā)電機定子端部電暈是指繞組端部出槽口處電暈，其產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，這一點可以由定子端部結構示意圖及等效電路電路圖看出。2.1 發(fā)電機定子端部電暈的產生與危害在很不均勻的電場中，電壓還比較低的時候，尖端處的場強就已經超過臨值，尖端處即出現(xiàn)自持放電。由于離尖端稍遠處場強已大大減小，故游離放電只能局限在尖端附近的空間而不能擴散出去。該區(qū)域內所形成的離子在復合時將輻射出光子，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。當電壓再提高時，如電極間距離不大，則可能從電暈放電直接轉變成間隙的火花擊穿；如電極距離增大時，則從電暈到擊穿之間還有刷形放電的國過渡階段，刷形放電是氣隙的不完全擊穿。當電壓繼續(xù)增大時，刷形放電增長到達對面的電極，就轉化為火花擊穿。當電源功率足夠大時，火花擊穿就迅速轉變成電弧。 在高壓發(fā)電機內，有一些部分是很容易產生電暈的，如（1）線棒出槽口處：繞組出槽口處屬典型的套管型結構，槽口電場非常集中，是最易產生電場的地方；（2）鐵芯段通風口處：通風槽口處屬于尖銳邊緣，易造成電場局部不均勻；（3）線棒表面與鐵芯槽內接觸不良或有氣隙處；（4）端箍包扎處、端部異

21、相線棒間：繞組端部電場分布復雜，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。 電暈的產生會產生很嚴重的后果，對高壓設備的絕緣性能造成嚴重的損壞。電暈放電產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)域內的分子，在電場的作用下，產生激發(fā)、游離，形成大量的電子崩，并且不斷復合，在復合過程中，產生輻射，從而產生暈光。從發(fā)生電暈的物理過程分析，高壓裝置產生電暈光是有害的。首先，產生電暈時，回路中將有電暈電流流過，同時發(fā)出光、聲、熱，會引起電暈功率損失；其次，電暈放電還能使空氣發(fā)生化

22、學反應，產生臭氧及氧化氮等產物，引起絕緣腐蝕；另外，在電暈放電過程中，流注會不斷熄滅和重新爆發(fā)，出現(xiàn)放電的脈動現(xiàn)象，產生高頻電磁波，引起對無線電信號的干擾、電視干擾以及噪聲干擾；高壓電氣設備，發(fā)生電暈放電會逐漸破壞設備絕緣性能，使電氣設備損壞。因此，高壓裝置要采取工藝措施，限制電暈的形成6。發(fā)電機電暈的產生與以下因素有關：(1) 與海拔高度有關，海拔越高,空氣越稀薄,則起暈放電電壓越低。(2) 與濕度有關，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，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，線棒與鐵芯線槽壁間的間隙會使槽部防暈層和鐵芯間產生電火花放電。環(huán)氧粉云母絕緣最易產生局部放電的危險間隙在是0.20.3mm左右。目前我國高壓大電機采用的環(huán)氧粉云母絕緣的線膨脹系數(shù)很小,在正常運行條件下,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分布有關，2.1.1定子線棒至鐵芯間的電場在槽內的分布比較均勻，而端部卻十分不均勻。如圖2-1所示。圖2-1 出槽口處電場分布示意圖圖2-2 出槽口處等值電路-體積電容，-導線對地電容。由圖2-2可以看出，絕緣層的泄漏電流不是均勻分布的，假設導線對鐵心的

24、電位為U，那么在它的作用下，等效的對地電容有電流流過，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，即場強越高。若用X表示出線端的向外延伸長度，電壓隨X的增大將越來越高，而電場強度隨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與電場強度E隨距離X的變化示意圖可知，端部不采取防暈措施，泄漏電流的存在會導致端部的電場分布極其不均勻，容易產生電暈。防暈工作就是從改善極不均勻電場入手的。改變電場分布，在電工上是經常遇到的問題，但在發(fā)電機中，由于場合不同，所用的措施也有所不同。這樣的電場分布就像套管法蘭、電纜終端那樣具有很強的

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

26、半導體層終端處，導線與絕緣表面的電位差可按式（2-2）求得 （2-5）因而在選取半導體層的電阻率及長度時必須兼顧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移到低阻值半導體層的終端去了。為此，一般是使E020kV/cm(有效值），又使U1330V,以便兩處同時滿足要求。電機的防暈方法，按照原理的不同可分為電容分壓與電阻均壓兩大類型。按結構方式的不同，可分為內屏型和表面型兩大類?？梢圆扇∫韵麓胧海?） 增大表面電導電流，以相應的減小因體積電容電流所導致的表面電位不均勻分布，如常在此涂半導體漆、包繞半導體帶的方法，但在端部用

27、的半導體層的表面電阻率比槽部用的高，最好將半導體層分為幾級，離槽口遠處用的阻值應增大。級數(shù)越過均勻電場分布的效果越好，但由于受工藝和經濟條件的限制，對于不同電壓等級的防暈結構要選擇合理的級數(shù)。目前國內外對于高壓電機繞組端部采用的是五級防暈結構（2） 像電容式電流互感器里一樣，于電機出槽口處的絕緣層中加入一些內屏蔽，通過控制出槽口處絕緣內部電場來改善沿面的電場分布，但仍宜配合表面半導體層（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半導體層方案7。近槽口處用涂半導體漆的玻璃絲帶4，表面電阻率=107109，而在其終端處蓋以阻值高些的半導體漆層5，=1091011圖2-5 1

28、8kV繞組出槽口處防暈結構圖中 1-導體，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)電機定子端部防暈結構由于槽口處電場集中，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及以上電機的定子繞組出槽口處已處于起暈狀態(tài)。耐壓試驗時，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。要求單只線棒耐壓試驗時，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）內屏法，在線圈槽口絕緣內部

29、適當部位插入電極（通常可插入個內屏，電極材料是箔或者網狀導體或半導體），以形成套管型結構，通過電容分壓原理來達到表面電位梯度均勻化。其缺點是工藝太復雜，而且要考慮主絕緣層在線棒成型時的收縮或應力，可能導致埋入的內屏電極起皺或開裂，引起新的電場集中甚至極間短路，使線棒成品率降低，因此較少采用。（2）線性電阻調解法，通過降低線圈端部的電場集中處的恒定表面電阻來達到電場均勻化。即在電場集中處涂電阻率不同的半導體漆，其缺點是起暈電壓不高，而且不大穩(wěn)定。（3）非線性電阻調節(jié)法8，以電阻具有非線性特性的碳化硅為基礎制作防暈材料，其電阻率能隨電場強度的增加而自動降低，因而能自動調節(jié)場強的分布，是端部表面場強

30、的分布比較均勻。目前國內外均廣泛采用9。2.2.2 目前世界各電機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)涂刷性防暈結構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 長度范圍內。高、低電阻防暈層搭接長度2030mm，隨額定電壓的不同，涂刷層數(shù)和每層的涂層長度有所不同。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。半固化的半導體帶采用一次成型工藝，一般用半疊包繞式，缺點是其阻值受模壓是主絕緣膠的影響而達不到預期值。另外半導體漆浸入主絕緣使得介電強度下降，介質損耗增大。全固化型半導體帶（包括PAN半導體帶）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)。解決這個問題的辦法是，在主絕緣與防暈層之間加墊較窄的半導體帶，半導體帶一般應加墊在線圈的大面，而且防暈層可采用并繞方式，以降低防暈層厚度。(2)一次成型防暈結構少膠整浸體系的線圈一般采用全固化型半導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（VPI工藝）主絕緣中的氣體能夠排出，同時在浸膠時浸漬膠能浸入主絕緣。聚丙烯腈（PAN）碳纖維半導體帶由純纖維組成，具有網孔，能夠很好地滿足滲透性的要求。而全固化型半導體帶本身滲透

32、性較差，只能在結構上采取措施加以解決。試驗結果表明，全固化型半導體帶并繞結構具有良好的滲透性。這種結構一再產品中應用。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。 對大電機線棒端部進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)電機工作電壓不高,只要涂刷一段電阻值適當?shù)钠峋托辛?即“一段處理”；如果發(fā)電機工作電壓較高,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,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)點是便于返修,但其缺點很多: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,運行后可能出現(xiàn)內腐蝕現(xiàn)象；2.可靠性差,在電機強烈振動、高速風力以及電暈放電下,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,而操作要求十分細心,不可避免會吸入大量溶劑；4.結構、工藝都比較繁瑣。 因此 ,哈爾濱電機廠、德陽東方電機廠等單位很早就主張在工藝上把“二次成型”改為“一次成型”,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、然后整個線棒進行熱壓成型(模壓或液壓)。這種結構工藝的優(yōu)點是1.整體性好；2 .牢靠；3.改善了工人操作條件；4 .工藝結構比較簡單。試驗表明 ,這種防暈結構能滿足18、20千伏電壓等級電機防暈要求10。上述兩種結構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長的高電阻防暈帶，外面再包繞保護層，然后同主絕緣一起固化成型。對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，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構，降低了防暈性能，因此該結構防暈參數(shù)較難控制，但這種結構的線棒在運行中的防暈性能相當穩(wěn)定。為了有效地均勻端部電場，一般采用多級防暈結構（包括防暈層的延伸，稱為低阻層）。但級數(shù)不應過多，因為級數(shù)過多會給級間參數(shù)配合帶來困難，而且工藝也比較復雜。低阻層的線性阻值與槽部一樣為機的額定電壓及非有效鐵芯的形狀尺寸有關。中低阻層搭接層、中阻層、中高阻層搭接層及高阻層的長度和非線性參數(shù)可根據(jù)計算機優(yōu)化程序來確定，也可以用試驗的方法來確定，圖2-6為一高、低阻防暈結構圖示。圖2-6 端部防暈結構示例2.3 碳化硅防暈層 端部采取防暈措施的目的是，是使端部電場分布均勻，使得在1.

36、5UN(額定電壓)下不產生電暈，在耐壓試驗過程中不放電，不過熱。對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。而對碳化硅（SiC）的研究證明出其電阻隨電場強度的增加而降低的非線性半導體材料，可使表面電場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：其電阻值隨電場強度的增加而自動降低，從未達到自動調節(jié)場強的目的。碳化硅材料具有非線性導電特性，其電阻率隨外施場強的增大而下降，可以作為防暈材料。1976年，巫松楨、陳壽田等人通過大量實踐認為，對于電機防暈用碳化硅材料其非線性主要考慮電阻率和場強兩個因素，二者符合如下規(guī)律11

37、,式中 為場強，是未加電場的電阻率，為碳化硅的非線性系數(shù)，表征碳化硅的電阻隨場強提高而下降的能力。對于碳化硅防暈材料， 和是兩個十分重要的參數(shù)。研究中發(fā)現(xiàn) ,當改變防暈厚度，以及改變漆中碳化硅的含量時，可大幅的改變防暈層的表面電阻率和非線性系數(shù) ,這可為實際生產中控制防暈層的電學性能提供理論依據(jù)。2.3.2碳化硅防暈層厚度對防暈層電學性能的影響,規(guī)定同樣的碳化硅含量的防暈帶，對不同層數(shù)的防暈帶進行試驗測量，得出結果如圖2-7和表2-1所示。表2-1 防暈層厚度對其表面電學性能的影響層數(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層時的2.73cm/kV提高到 5層時的2.96cm/kV；而表面電阻率由一層時的2.231012cm,下降低至五層時的1.這主要是因為:雖然電流主要經線棒表面的防暈層流過，但當加到一定的電壓時，部分電流也會從涂層內部流過，形成體電流。當涂層厚度增加時，從體內流過的電流增加，此時相當于電阻并聯(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。然而當防暈層厚度增大到一定值時，表面的電學性能變化就不是很明顯了，例如從一層增加到二層時，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，電阻率僅由2.621010cm減小到1.962.3.在試驗中發(fā)現(xiàn)，在防暈層中樹脂與碳化硅比例發(fā)生變化時，防暈層表面的電學性能也會出現(xiàn)變化。防暈層中樹脂與碳化硅比例變化對防暈層表面的電學性能影響如圖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防暈層表面的電學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的曲線可見，隨

40、著碳化硅在防暈層中所占的比例增大時，防暈層的表面電阻率由比例是1:2時的9.1731010cm減小到1:12時的6.11109cm；非線性系數(shù)由1:2時的1.35cm/kV增大到1:12時的當碳化硅的含量增大到某一值時，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，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。當碳化硅含量提高時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)；當防暈層中碳化硅含量超過一定值時，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)階段國內的SiC產品主要用作磨料和耐火材料，生產中使用的是天然礦物原料，組成波動大，加之生產工藝比較粗放，對SiC的電學性質不考核不控制，使碳化硅的電學性能很難穩(wěn)定，各個碳化硅生產廠家生產的碳化硅，其電學性能有很大差別，即使同一廠家，各個批次生產的產品其性能也有較大的差別。這一情況給電機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、定的電機防暈專用碳化硅粉料已迫在眉睫，并且要制定相關質量標準和檢測方法。2.4 其他防暈材料 目前使用的防暈漆有醇酸半導體漆、聚酯半導體漆及環(huán)氧半導體漆等。環(huán)氧半導體漆的韌性較差，但組織較為穩(wěn)定。半導體帶有固化型環(huán)氧半導體石棉帶、半固化型環(huán)氧半導體玻璃絲帶、全防暈層固化型聚酯半導體玻璃絲帶、聚丙烯腈（PAN）碳纖維半導體帶等。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品中仍有使用14。 防暈材料的選擇是根據(jù)國內對防暈帶的電阻率及非線性系數(shù)的測定，根據(jù)幾種對高壓電機定子線棒端部電場分布計算，如遺傳計算法和打靶法對邊界條件進行優(yōu)化設計的結果。2.5 本章小結本章首先對電暈的含義，

43、產生的危害和影響因素進行了簡單的介紹，進而強調了防暈的重要性。隨后對本文研究的問題進行了理論性的分析，基于對現(xiàn)有防暈結構技術的了解，想要進一步改進優(yōu)化防暈結構，對防暈材料的特性進行了講述，希望通過材料性能的改變來提高防暈技術。第3章 防暈結構設計與改進對防暈結構的設計有一定的要求， 各級防暈層（包括各級間的搭接層）的始端電位梯度，在試驗時不超過8.1kV/cm； 各級防暈層（包括各級間的搭接層）的始端單位表面損耗在同一數(shù)量級內，且不超過0.6W/cm2； 最后一級防暈層末端對導體的電壓在規(guī)定的相應電壓等級指標（如表3-1）； 1min耐壓試驗標準:（1.5UN+2.25）kV；交流耐壓試驗時防

44、暈層表面溫度不超過45。3.1 定子端部防暈結構仿真利用有限元法對繞組端部電場進行分析求解， 使用ANSYS軟件建立繞組端部模型，選額定電壓為20kV的繞組進行仿真。建模主要過程包括：參數(shù)定義，實體建模，網格剖分，計算求解和結果處理。對繞組端部未加防暈層時進行仿真，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導體，4空氣端部電場分析對于導體和鐵芯不需要進行剖分，主要是對空氣和絕緣部分進行剖分，剖分結果如圖3-2。圖3-2 未加防暈層定子端部剖分結果由于絕緣層厚度相對較小，對其剖分局部放大可以看出，剖分單元由四邊形和三角形構成，單一的四邊形不能再進行剖分。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匯集，場強并不高。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，鐵芯設置為零電位，導體加20kV電壓，其余邊界條件屬于第二類邊界條件，選擇默認，系統(tǒng)自動滿足，進行計算，計算結果如圖3-5。圖3-5 未加防暈層時定子端部仿真計算結果 最后進行后處理，分別給出未加防暈層時端部的電位分布和電場分布圖，如圖3-6和圖3-7?？梢钥闯?，端部的電位梯度較大，電場值較高。最大電場值出現(xiàn)在端部附近，一些關鍵點已經在圖中標出。其中電場最大值為3693.92V/mm,坐標為（20

46、0,85,0），鐵芯端部橫坐標為200，則最大場強出現(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分布圖圖3-8未加防暈層定子端部場強分布放大圖 從圖3-8中可以看出絕緣層內電場分布和空氣中的電場分布在端部有明顯的變化，越靠近端部，場強越高。對結果進行后處理，制作端部電位變化曲線和端部電場變化曲線，如圖對結果進行后處理，制作端部電位變化曲線和端部電場變化曲線，如圖3-9與圖3-10所示，電位和電場隨遠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。橫軸表示遠離繞組端部向外的長度，縱軸表示對應的防暈結構表面的電位與電場強度。越靠近端部，電位梯度

47、越大，場強越高，而且端部的電場強度超過了8.1kV/cm，容易產生電暈，對此要進行防暈處理。圖中所示均為合成場強（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變化曲線3.2 發(fā)電機定子端部防暈結構設計從整體段數(shù)的多少來對防暈結構進行優(yōu)化試驗，以三峽發(fā)電機防暈結構舉例，通過兩段防暈結構與三段防暈結構進行比較。利用傳統(tǒng)的防暈結構進行三峽主要防暈材料及結構的選擇和優(yōu)化選擇。傳統(tǒng)防暈結構示意圖見圖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)半截防暈結構表3-1 各等級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試驗電壓，kV6267737881高阻末端允許最大電壓U，kV353637.53939.5哈爾濱電機廠根據(jù)優(yōu)化原則對FB系列防暈帶的電阻率及非線性系數(shù)進行了大量的試驗和不同電阻值的防暈進行優(yōu)化搭配，所以本例用兩段和三段防暈進行結構的優(yōu)化試驗，確定最佳的材料和結構。選擇哈爾濱電機廠的高阻防暈帶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系列進行三峽發(fā)電機定子線棒防暈結構的試驗。防暈結構試驗線棒采用多膠模壓“一次成型”工藝，通過大量的結構試驗，在保證起暈電壓、交流耐壓試驗等指標達到ABB-ALSTOM要求后確定采用兩段防暈結構

49、和材料，具體尺寸如表3-2所示。試驗數(shù)據(jù)如表3-3所示。表3-2 兩段防暈材料及尺寸圖3-10中代號低阻層AL1L2L3材料低阻帶FB-4FB-3尺寸130140160表3-3 兩段防暈結構試驗結果試驗項目起暈電壓，kV交流耐壓試驗80閃絡擊穿電壓，kV平均值33.67通過89.17對于高壓電機定子線棒端部防暈結構，從理論上講防暈級數(shù)越多防暈效果越好，但是防暈級數(shù)越多線棒的制造工藝越復雜，容易出現(xiàn)不合格產品，所以對三段防暈結構進行試驗，確定了表3-4所示的結構，實驗結果如表3-5所示。3-4 三段防暈材料及尺寸圖3-10中代號低阻層AL1L2L3材料低阻帶FB-5FB-4FB-3尺寸mm130

50、50120150表3-5 三段防暈結構實驗結果試驗項目起暈電壓，kV交流耐壓試驗80閃絡擊穿電壓，kV平均值33.5通過112.5試驗數(shù)據(jù)表明，三段防暈結構比兩段防暈結構效果好，交流耐壓和閃絡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)。國內傳統(tǒng)的兩段和三段防暈結構可以滿足三峽定子繞組單根線棒的防暈要求，但對于三峽定子繞組水內冷，傳統(tǒng)的防暈結構就滿足不了防暈要求，由于定子繞組并頭絕緣和內無填充絕緣，所以防暈結構必須按ABB-ALSTOM公司標準對三峽結構進行國產化研究。結構的改進是在傳統(tǒng)的三段防暈結構的外表面包一層高

51、阻帶直至引線處。用FB系列防暈帶與進口ABB-ALSTOM防暈帶搭配進行應用試驗，即內層防暈采用國內傳統(tǒng)的三段結構，在其外面包三層F級環(huán)氧玻璃粉云母帶附加絕緣，最外層包繞一層217.55（國外牌號）高阻帶至引線處，模壓一次成型。 圖3-12 三峽發(fā)電機定子線棒的最終防暈結構各項防暈技術指標均達到ABB-ALSTOM的要求，見表3-6。因此，三峽發(fā)電機定子線棒的最終防暈結構15如圖3-12。表3-6三峽發(fā)電機定子線棒最終防暈性能起暈電壓，kV交流耐壓80閃絡擊穿電壓，kVABB-ALSTOM標準認證結果ABB-ALSTOM標準認證結果ABB-ALSTOM標準認證結果50通過通過139接下來對端部

52、防暈層各段電位進行測試，其端部電位測試圖如圖3-13，電位分布數(shù)據(jù)結果如表3-7，電位分布曲線如圖3-14。 3-13 三峽真機線棒端部電位測試圖表3-7 哈電制造的三峽真機線棒端部電位（kV）試驗電壓，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，即電場分布較為均勻，達到了均勻電場，預防電暈產生的效果。上述端部防暈結構設計已經滿足了使用要求,合理性與經濟性也都滿足要求。圖3-14三峽定子線圈端部電位分布曲線3.3 發(fā)電機定子端部防暈結構仿真利用ANSYS軟件

53、對20kV級定子線棒利用ANSYS軟件進行端部電場分析，額定電壓為20kV；主絕緣層厚度5mm，相對介電常數(shù)=5，防暈層相厚度為10mm，相對介電常數(shù)=3，空氣：相對介電常數(shù)=1；低阻層長度180mm，中阻層長度110mm，高阻層長度160mm；鐵芯高度775mm，端部寬度取200mm，線棒外伸彎角選擇30。端部防暈結構模型如圖3-15所示，對空氣、防暈層和主絕緣區(qū)域進行電場分析。圖3-15 定子端部防暈結構模型1鐵芯，2導體，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進行建模，對分析區(qū)域進行剖分，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對防暈層和主絕緣進行了三角形單元剖分。圖3-16 加防暈層定子端部防暈結構仿真剖分圖圖3-17加防暈層定子端部防暈結構仿真剖分局部放大圖加載邊界條件進行計算，得出圖3-18，對結果進行處理，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構計算結果圖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軸方向的電場分布圖3-21加防暈層定子端部沿Y軸方向的電場分布圖3-22 加防暈層定子端部合成場強分布圖圖3-23 加防暈層定子端部電場分布放大圖圖3-20最大場強點坐標為（279.891,95），大小為96.8167V/mm,最小點坐標為（20

55、0,95），大小為-700.351V/mm；圖3-21最大場強點坐標為（200,95），大小為1538.77V/mm,最小點坐標為（257.367,88.3571），大小為88.3571V/mm；圖3-22最大場強點坐標為（200,95），大小為701.009V/mm,最小點坐標為（692.082,870），大小為0.0311V/mm。圖3-24為定子端部電場變化曲線，調處數(shù)據(jù)輸出，顯示在遠離端部的防暈層表面有兩個小的峰值出現(xiàn)，坐標為（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)及其他結構參數(shù)不變的情況下，設定五組不同的介電常數(shù)，用于改變防暈層的參數(shù)，分別進行分析計算，得出下列數(shù)據(jù)。取=3，進行建模舉例。表3-8 不同介電常數(shù)的防暈層所對應的最高場強相對介電常數(shù)34567912最高場強值E，kV/cm8.0298.2558.3278.3498.3418.2778.127上表選定主絕緣和空氣的相對介電常數(shù)，分別為5和1，在不改變其他的條件下得出的結果?？梢钥闯?，當防暈層的相對介電常數(shù)接近主絕緣的相對介電常數(shù)時，最高場強變大，而當防暈層的相對介電常數(shù)向兩端取值時，最高場強在下降。當由3612變化時，最高場強E由8.0298.3498.217 V/

57、mm變化。但是相對介電常數(shù)過大，導致防暈層的體積電容增大，儲能會相應的增加，所以介電常數(shù)應該從小的方向取值，其中=3時對應的最高場強值就符合8.1kV/cm的要求。3.3.2 防暈層長度對電場分布各個防暈層搭接處位置的變化有可能改變電場分布或者電位分布，因此改變防暈層的長度來進行分析，選擇低阻層長度作為變量，整體的防暈結構長度不變，得出下列數(shù)據(jù)。表3-9 不同長度的防暈層所對應的最高場強和防暈層末端電位低阻層長度，mm100160180200最高場強值E，V/mm1126.59827.244701.009664.893防暈層末端電位U,V20000204772038320802可以看出，隨著低

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

59、放大圖，隨后加載邊界條件，進行計算，結果如圖3-27所示。圖3-26 圓角定子端部結構剖分局部放大圖圖3-27 計算結果進行結果處理，調出端部電位分布圖和電場分布圖，如圖3-28所示。圖3-28 圓角定子端部結構電位分布圖圖3-29 圓角定子端部沿X軸方向電場分布圖圖3-30 圓角定子端部沿Y軸方向電場分布圖圖3-31圓角定子端部合成電場分布圖圖3-29最大場強點坐標為（386,105），大小為20.263V/mm,最小點坐標為（155.087,111.541），大小為-387.349V/mm；圖3-30最大場強點坐標為（100,95），大小為1843V/mm,最小點坐標為（201.516,1

60、92.414），大小為-33.1495V/mm；圖3-31最大場強點坐標為（100,95），大小為1844V/mm,最小點坐標為（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）時所對應的定子端部電場分布。圖中標出幾個關鍵點，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，4為鐵芯與防暈層接觸點。圖3-32 圓角定子端部結構場強分布放大圖取不同的曲率半徑，分別對圖中相應四點進行仿真，得出表3-10的數(shù)據(jù)。曲率半徑單位：mm，場強單位：V/mm。表3-10 不同曲率半徑所對應的關鍵點的場強關關鍵點曲率半徑123460208.8