電機(jī)絕緣系統(tǒng)仿真分析技術(shù)規(guī)范

1電機(jī)絕緣系統(tǒng)電場仿真分析技術(shù)規(guī)范本文件規(guī)定了電機(jī)絕緣系統(tǒng)電場仿真分析基本原理與流程、繞組瞬態(tài)電壓仿真分析、絕緣結(jié)構(gòu)電場仿真分析及報告編寫。本文件適用于變頻電機(jī)成型繞組絕緣系統(tǒng)的電場仿真分析，其他類型電機(jī)可參考應(yīng)用。本文件不適用于帶防暈結(jié)構(gòu)的高壓電機(jī)、散繞組電機(jī)絕緣系統(tǒng)的電場仿真分析。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB3100國際單位制及其應(yīng)用GB/T3102.5電學(xué)和磁學(xué)的量和單位GB/T17948.4旋轉(zhuǎn)電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)功能性評定成型繞組試驗(yàn)規(guī)程電壓耐久性評定GB/T22720.2—2019旋轉(zhuǎn)電機(jī)電壓型變頻器供電的旋轉(zhuǎn)電機(jī)耐局部放電電氣絕緣結(jié)構(gòu)(Ⅱ型）的鑒定試驗(yàn)GB/T31054機(jī)械產(chǎn)品計算機(jī)輔助工程有限元數(shù)值計算術(shù)語GB/T41635—2022高海拔電氣設(shè)備電場分布有限元計算導(dǎo)則3術(shù)語和定義GB/T31054、GB/T17948.4界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1電機(jī)絕緣系統(tǒng)motorinsulationsystem電機(jī)中用于隔離導(dǎo)電部位的一種或多種電氣絕緣材料的絕緣組合。3.2等效銅損電阻equivalentcopperlossresistance電機(jī)在空載或低功率運(yùn)行中產(chǎn)生的銅耗所等效的電阻。3.3等效鐵損電阻equivalentironlossresistance電機(jī)在空載或低功率運(yùn)行中產(chǎn)生的鐵耗所等效的電阻。3.4材料性能materialproperty2電機(jī)絕緣系統(tǒng)所用材料的電磁學(xué)等性能參數(shù)，如介電常數(shù)、電導(dǎo)率等。[來源：GB/T31054-2014，2.2.8，有修改]3.5分布電容distributedcapacitance由兩個相互絕緣的導(dǎo)體而產(chǎn)生的電容。3.6分布電感distributedinductance由于線圈繞制及在鐵心中的分布而存在的電感。3.7匝間絕緣interturninsulation用以隔離線圈/線棒中導(dǎo)體線匝之間的電氣絕緣。[來源：GB/T17948.4—2016,3.3]3.8主絕緣mainwallinsulation主要的電氣絕緣，用以隔離電機(jī)繞組中導(dǎo)體和接地定子/轉(zhuǎn)子鐵芯。[來源：GB/T17948.4—2016,3.1，有修改]4仿真分析基本原理與流程4.1仿真分析基本原理電機(jī)絕緣系統(tǒng)電場仿真分析分為繞組瞬態(tài)電壓仿真分析和絕緣結(jié)構(gòu)電場仿真分析。繞組瞬態(tài)電壓仿真分析通過等效電阻、分布電容、分布電感組成的等效電路模型進(jìn)行分析，主要分析繞組內(nèi)部對地和匝間電壓分布情況，以繞組對地最高電壓波形為電場分析的邊界條件。電機(jī)空載或低功率運(yùn)行時，電機(jī)繞組高頻下的感抗較大，繞組電流較小，在上升沿與下降沿脈沖波的沖擊下，電壓分布更不均勻；電機(jī)全功率運(yùn)行時，電機(jī)繞組感抗較小，電機(jī)繞組電流較大，電壓分布相比空載或低功率下相對均勻。因此繞組瞬態(tài)電壓仿真分析時，考慮更為嚴(yán)酷的空載或低功率狀態(tài)。絕緣結(jié)構(gòu)電場仿真分析通過建立絕緣結(jié)構(gòu)三維幾何模型使用有限元軟件進(jìn)行仿真，主要計算絕緣結(jié)構(gòu)和空氣中的最大電場，用于判斷電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)中的場強(qiáng)是否滿足要求，空氣中的電場是否造成空氣放電。4.2仿真分析流程繞組瞬態(tài)電壓分析包括分布參數(shù)計算、繞組等效電路模型搭建、邊界條件加載、電壓分布分析、結(jié)果評估與輸出。絕緣結(jié)構(gòu)電場分析包括幾何模型構(gòu)建、有限元網(wǎng)格剖分、材料性能設(shè)置、邊界條件加載、電場分析、結(jié)果評估與輸出。電機(jī)絕緣系統(tǒng)電場仿真分析流程見附錄A。5繞組瞬態(tài)電壓仿真分析35.1分布參數(shù)計算5.1.1等效電阻5.1.1.1等效銅損電阻等效銅損電阻通過有限元分析方法和解析法計算。其中，解析法見公式（1）。式中：R—繞組導(dǎo)體電阻，單位為歐姆(Ω);Ld—導(dǎo)體長度，單位為米（mα—導(dǎo)體截面周長，單位為米（mσ—銅的電導(dǎo)率，單位為西門子每米（S/mδ—集膚深度，單位為米（m）。集膚深度用公式（2）表示。式中：μ0—真空磁導(dǎo)率，單位為亨每米（H/m），值為4π×10-7；μr—導(dǎo)體的相對磁導(dǎo)率；f—頻率，單位為赫茲（Hz）；σ—導(dǎo)體的電導(dǎo)率,單位為西門子每米（S/m）。5.1.1.2等效鐵損電阻等效鐵損電阻通過公式(3)得出。Re...........................................................................(1)式中：Re—勵磁支路為并聯(lián)時的單相鐵損電阻，單位為歐姆(Ω);Rm—磁支路為串聯(lián)時的單相鐵損電阻，單位為歐姆(Ω);Xm—勵磁支路為串聯(lián)時的單相勵磁電抗，單位為歐姆(Ω)。其中Rm通過空載損耗與空載電流求出，由公式（4）計算得出；Xm由公式（5）和公式（6）計算得出。RP0.........................................................................(2)m3I式中：P0—電機(jī)空載損耗，單位為瓦（W）；I0—電機(jī)空載電流，單位為安（A）。Zm...........................................................................(3)Xm..........................................................................(4)4式中：Zm—勵磁支路為串聯(lián)時的單相勵磁阻抗，單位為歐姆(Ω);U0—電機(jī)空載電壓，單位為伏（V）。5.1.2分布電容分布電容包括匝間電容和對地電容，通過有限元分析與解析法計算，對于復(fù)雜的絕緣結(jié)構(gòu)推薦使用有限元分析方法，按照6.1中a)建模。電容的解析法見公式（7）。C...........................................................................(7)式中：C—電容，單位為法拉（F）；εr—絕緣的相對介電常數(shù)；A—極板面積，單位為平方米（m2k—靜電力常量，單位為法每米（F/m），值為9×109；d—極板間距離，單位為米（m）。5.1.3分布電感分布電感包括鐵芯線圈分布電感與端部線圈分布電感。鐵芯線圈分布電感采用有限元分析方法，計算高頻下的電感，建立包括繞組、絕緣、鐵芯等三維或二維幾何模型，以額定電流作為載荷，鐵芯材料性能設(shè)置為不同頻率下的B-H曲線,其他材料性能使用軟件材料庫中數(shù)據(jù)，計算單匝線圈的自感，匝間互感用公式（8）表示，鐵芯線圈分布電感等于線圈自感與匝間互感之和。附錄A列出了某一種規(guī)格硅鋼片的不同頻率下的B-H值，可供參考。M=k、.....................................................................(8)式中：M—兩導(dǎo)體間的互感，單位為亨（H）；k—互感系數(shù)，一般取0.8~0.9；La—導(dǎo)體a的自感,單位為亨（H）；Lb—導(dǎo)體b的自感,單位為亨（H）。端部線圈分布電感應(yīng)在高頻下計算，建立包括繞組、絕緣、空氣等三維或二維幾何模型，以額定電流作為載荷，計算單匝線圈的自感，端部線圈分布電感等于自感與匝間互感之和。5.2繞組等效電路模型搭建5.2.1模型簡化繞組模型宜以匝為單位，建立完整的繞組等效電路模型，如圖1所示。當(dāng)線圈總匝數(shù)≥960匝時，應(yīng)對模型進(jìn)行適當(dāng)簡化：a)當(dāng)并聯(lián)支路為1支時，繞組首支線圈以匝為單位建模，其余繞組以線圈為單位建模；b)當(dāng)并聯(lián)支路等于或大于2時，應(yīng)取并聯(lián)支路的其中1支建模。5.2.2模型搭建繞組等效電路模型要求如下：a)建立三相電路模型；5b)鐵芯接地；c)進(jìn)行等效電阻值的參數(shù)計算；d)絕緣電阻推薦不小于1GΩ。Lc—單匝（支）線圈電感；Rc—高頻下單匝（支）等效銅損電阻；Re—空載單匝（支）等效鐵損電阻；Cn—單匝（支）對地電容；C(n-1)n—兩匝匝間電容；Rg—單匝（支）絕緣電阻。圖1繞組等效電路模型示意圖5.3邊界條件加載以電機(jī)端PWM（脈寬調(diào)制）控制的三相脈沖電壓波形作為邊界條件加載，電壓波形按照GB/T22720.2—2019中的圖1執(zhí)行。若計算瞬態(tài)、雷電、操作等沖擊過電壓時，應(yīng)以實(shí)際沖擊過電壓波形作為邊界條件加載。5.4電壓分布分析5.4.1三相電路中首支線圈的各匝分別設(shè)置電壓表。5.4.2三相電路中每支線圈對地電壓設(shè)置電壓表。5.4.3計算步長應(yīng)不大于電壓上升沿時間的1/10。5.4.4計算時間應(yīng)至少包沖擊全波電壓時間。5.5結(jié)果評估5.5.1評估方法5.5.1.1表象評估法通過結(jié)果表象進(jìn)行定性評估，具體原則如下:a)提取線圈對地電壓波形及匝間電壓波形，確認(rèn)電壓波形的收斂性；b)分析最大電壓位置的合理性；c)分析電壓幅值大小的合理性。5.5.1.2數(shù)值評估法6多次試算調(diào)整電路模型的邊界條件和分布參數(shù)，數(shù)值評估分析電路模型的可靠性。5.5.1.3物理樣機(jī)法進(jìn)行物理樣機(jī)試驗(yàn)，對比電壓分布計算和試驗(yàn)結(jié)果，若仿真分析得到的數(shù)據(jù)趨勢與實(shí)測結(jié)果一致，且誤差在雙方約定范圍內(nèi)，則認(rèn)為仿真分析結(jié)果可信。5.5.2方法的選擇應(yīng)采用表象和數(shù)值兩種評估方法對分析結(jié)果進(jìn)行評價，必要時，采用物理樣機(jī)法進(jìn)行評估。評估后，分析結(jié)果與預(yù)計結(jié)果誤差不在雙方約定范圍內(nèi)，對電路模型、分布參數(shù)及邊界條件進(jìn)行檢查修正，并重新計算和評估，直到結(jié)果滿足評估要求。5.6結(jié)果輸出繞組瞬態(tài)電壓分析的結(jié)果提取和輸出包括但不限于以下信息：a)三相繞組首支線圈的各匝瞬態(tài)電壓波形及最高峰值電壓；b)三相繞組線圈對地瞬態(tài)電壓波形及最高峰值電壓；c)三相繞組線圈相間瞬態(tài)電壓波形及最高峰值電壓。6絕緣結(jié)構(gòu)電場仿真分析6.1幾何模型構(gòu)建電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)電場仿真分析幾何模型應(yīng)符合GB/T41635—2022中7.1規(guī)定。不同部位的電場分析模型應(yīng)滿足以下要求：a)匝間絕緣電場仿真分析幾何模型如圖2所示，采用二維幾何模型，模型中應(yīng)保留與匝間電場分布相關(guān)的重要特征，如電磁線倒角、匝間墊條等；7圖2匝間絕緣電場分析幾何模型示意圖b)槽口絕緣電場仿真分析幾何模型如圖3所示，采用三維幾何模型，將主絕緣建成一體結(jié)構(gòu)；模型中應(yīng)保留與槽口絕緣電場分布相關(guān)的重要特征，如槽形、倒角尺寸等。模型簡化宜將單支線圈多匝導(dǎo)體結(jié)構(gòu)簡化為單根導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，且至少保證3個槽內(nèi)線圈結(jié)構(gòu)；圖3槽口絕緣電場分析幾何模型示意圖c)繞組端部電場仿真分析可根據(jù)需求采用二維或三維幾何模型，模型應(yīng)包括主絕緣、導(dǎo)體和空氣；d)相間電場仿真分析可根據(jù)需求采用二維或三維幾何模型，模型應(yīng)包括鐵芯、主絕緣、空氣、層間絕緣、槽楔等；e)槽內(nèi)絕緣層間仿真電場分布采用二維幾何模型，根據(jù)絕緣層的厚度進(jìn)行等比例建模。注：繞組端部電場與相間電場可單獨(dú)分析，也可與槽口6.2有限元網(wǎng)格剖分6.2.1網(wǎng)格剖分按照GB/T41635—2022中7.4的規(guī)定剖分，對不同的部位采用對應(yīng)的剖分方法，具體要求如下：a)對于等電位分布的導(dǎo)體、接地鐵芯等對電場分布影響較小部件可采用低階單元進(jìn)行剖分；b)對于電場集中的部位應(yīng)加密處理，該部位尺寸大于1mm時，網(wǎng)格層數(shù)最少為2層，可采取高階單元剖分提高計算精度。6.2.2網(wǎng)格質(zhì)量檢查提取有限元網(wǎng)格剖分模型，對網(wǎng)格應(yīng)進(jìn)行質(zhì)量檢查，檢查要求如下：a)確認(rèn)小尺寸（如絕緣層）、電場集中部件（如槽口部位）及接觸面位置無畸變網(wǎng)格；b)次要結(jié)構(gòu)部件網(wǎng)格質(zhì)量要求可適當(dāng)降低，計算結(jié)果誤差以不超過5%為網(wǎng)格質(zhì)量合格。86.3材料性能設(shè)置材料性能的單位應(yīng)和有限元模型單位保持一致，應(yīng)符合GB3100、GB/T3102.5的要求。若計算高溫、高頻下的電場分布，應(yīng)輸入該工況下對應(yīng)的材料參數(shù)。6.4邊界條件加載6.4.1靜電場分析時，應(yīng)加載線圈最大電壓值，接地點(diǎn)設(shè)為零電位。6.4.2瞬態(tài)電場分析時，應(yīng)加載最大脈沖電壓波形，接地點(diǎn)設(shè)為零電位。6.5電場分析6.5.1靜電場結(jié)果分析按照GB/T41635-2022中7.6.1執(zhí)行。6.5.2瞬態(tài)電場結(jié)果分析按照GB/T41635-2022中7.6.2執(zhí)行。6.6結(jié)果評估按照GB/T41635—2022中第11章中的規(guī)定對計算結(jié)果的偏差進(jìn)行評估。6.7結(jié)果輸出絕緣結(jié)構(gòu)電場分析結(jié)果的提取和輸出包含但不限于以下信息：a)顯示或輸出絕緣結(jié)構(gòu)和空氣中最大電場幅值及波形；b)顯示或輸出絕緣結(jié)構(gòu)和空氣中最大電場位置。7報告編寫報告編寫可參考附錄C，報告內(nèi)容包含但不限于以下內(nèi)容：a)電機(jī)參數(shù)：繞組連接方式、繞組線圈數(shù)、并聯(lián)支路數(shù)、線匝數(shù)等；b)電路模型及有限元模型（如有特殊工況需要加以說明）；c)分布參數(shù)計算：分布電容、分布電感和等效電阻；d)材料性能參數(shù)：相對介電常數(shù)、體積電導(dǎo)率等；e)邊界條件；f)仿真分析結(jié)果；g)結(jié)果分析。（資料性）電機(jī)絕緣系統(tǒng)電場仿真分析基本原理與流程電機(jī)絕緣系統(tǒng)電場仿真分析流程見圖A.1。圖A.1電機(jī)絕緣系統(tǒng)電場仿真分析流程（資料性）某硅鋼片B-H特性數(shù)據(jù)表某硅鋼片B-H特性見表B.1。表B.1硅鋼片B-H特性數(shù)據(jù)表H(A/m)B（50Hz）B（60Hz）B（100Hz）B（200Hz）B（400Hz）B（700Hz）0.0140.0140.0140.0130.0120.01200.0330.0330.0320.030.0270.023300.0590.0590.0560.0510.0450.038400.0940.0930.0900.080.0670.054500.1490.1480.1370.1150.0940.073600.2410.2340.2080.1650.1260.094700.3570.3370.2950.2230.1640.12800.4790.4540.3880.2870.2050.149900.6030.5730.480.3550.250.1780.7210.6810.5710.4180.2950.210.940.9280.7790.5650.3970.291.0851.0760.9590.6960.4910.361.1631.1591.1090.8140.5750.4222001.2141.2121.1980.9220.6510.4832501.2861.2841.2781.1120.7840.5863501.3641.3621.3581.3481.0070.7545001.4241.4211.4201.4181.2450.9547501.4741.4731.4721.4721.4611.1910001.5051.5051.5041.5041.5021.34615001.5481.5491.5481.5481.54