DB14-T 3028-2024 電機(jī)絕緣系統(tǒng)電場(chǎng)仿真分析技術(shù)規(guī)范

ICS29.160CCSK2014IDB14/T3028—2024前言 2規(guī)范性引用文件 3術(shù)語(yǔ)和定義 4仿真分析基本原則與流程 24.1仿真分析基本原則 24.2仿真分析流程 25繞組瞬態(tài)電壓仿真分析 25.1分布參數(shù)計(jì)算 25.2繞組等效電路模型搭建 45.3邊界條件加載 55.4電壓分布分析 55.5結(jié)果評(píng)估 55.6結(jié)果輸出 66絕緣結(jié)構(gòu)電場(chǎng)仿真分析 66.1幾何模型構(gòu)建 66.2有限元網(wǎng)格剖分 76.3材料性能設(shè)置 76.4邊界條件加載 86.5電場(chǎng)分析 86.6結(jié)果評(píng)估 86.7結(jié)果輸出 87報(bào)告編寫 8附錄A（資料性）電機(jī)絕緣系統(tǒng)電場(chǎng)仿真分析基本原理與流程 9附錄B（資料性）某硅鋼片B-H特性數(shù)據(jù)表 10附錄C（資料性）電機(jī)絕緣系統(tǒng)電場(chǎng)仿真分析報(bào)告格式 11圖1繞組等效電路模型示意圖 5圖2匝間絕緣電場(chǎng)分析幾何模型示意圖 6圖3槽口絕緣電場(chǎng)分析幾何模型示意圖 7DB14/T3028—2024本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。本文件由山西省工業(yè)和信息化廳提出、組織實(shí)施和監(jiān)督檢查。山西省市場(chǎng)監(jiān)督管理局對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的組織實(shí)施情況進(jìn)行監(jiān)督檢查。本文件由山西省裝備制造業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SXS/TC07）歸口。本文件起草單位：中車永濟(jì)電機(jī)有限公司、西安交通大學(xué)、太原理工大學(xué)、中車大同電力機(jī)車有限公司、山西電機(jī)制造有限公司、永濟(jì)通用電機(jī)制造有限責(zé)任公司。本文件主要起草人：李丹、劉冠芳、黃曉云、劉學(xué)忠、白崟儒、高生嵐、李思思、景剛、楊杰、樊潔心、吳有龍、郭大鵬。1DB14/T3028—2024電機(jī)絕緣系統(tǒng)電場(chǎng)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(chǎng)仿真分析的基本原則與流程、繞組瞬態(tài)電壓仿真分析、絕緣結(jié)構(gòu)電場(chǎng)仿真分析及報(bào)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(chǎng)仿真分析，其他類型電機(jī)可參考應(yīng)用。本文件不適用于具有防暈結(jié)構(gòu)的高壓電機(jī)、散嵌繞組電機(jī)絕緣系統(tǒng)的電場(chǎng)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(duì)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(guó)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(píng)定成型繞組試驗(yàn)規(guī)程電壓耐久性評(píng)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(jì)算機(jī)輔助工程有限元數(shù)值計(jì)算術(shù)語(yǔ)GB/T41635—2022高海拔電氣設(shè)備電場(chǎng)分布有限元計(jì)算導(dǎo)則3術(shù)語(yǔ)和定義GB/T31054、GB/T17948.4界定的以及下列術(shù)語(yǔ)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materialproperty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(lái)源：GB/T31054-2014，2.2.8，有修改]3.5分布電容distributedcapacitance2DB14/T3028—2024由兩個(gè)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)體線匝間的電氣絕緣。[來(lái)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)子鐵心。[來(lái)源：GB/T17948.4—2016,3.1，有修改]4仿真分析基本原則與流程4.1基本原則電機(jī)空載或低功率運(yùn)行時(shí)，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(shí)，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(duì)均勻。因此繞組瞬態(tài)電壓仿真分析時(shí)，考慮更為嚴(yán)酷的空載或低功率狀態(tài)。4.2分析流程電機(jī)絕緣系統(tǒng)電場(chǎng)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(chǎng)仿真分析，具體內(nèi)容如下：a)繞組瞬態(tài)電壓仿真分析通過計(jì)算等效電阻、分布電容、分布電感參數(shù)，搭建等效電路模型，分析繞組內(nèi)部匝間、對(duì)地、相間和層間電壓分布。b)絕緣結(jié)構(gòu)電場(chǎng)仿真分析通過建立絕緣結(jié)構(gòu)三維有限元模型，以繞組匝間、對(duì)地、相間和層間最高電壓波形為電場(chǎng)分析的邊界條件，計(jì)算絕緣結(jié)構(gòu)和空氣中的最大電場(chǎng)，判斷電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)場(chǎng)強(qiáng)是否滿足要求。電機(jī)絕緣系統(tǒng)電場(chǎng)仿真分析流程見附錄A。5繞組瞬態(tài)電壓仿真分析5.1分布參數(shù)計(jì)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(jì)算。其中，解析法見公式（1）。RcR式中：LdLd3DB14/T3028—2024Rc—繞組導(dǎo)體電阻，單位為歐姆(Ω);Ld—導(dǎo)體長(zhǎng)度，單位為米（mα—導(dǎo)體截面周長(zhǎng)，單位為米（mδ—集膚深度，單位為米（mσ—銅的電導(dǎo)率，單位為西門子每米（S/m）。集膚深度用公式（2）表示。式中：f—頻率，單位為赫茲（Hz）；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(duì)磁導(dǎo)率；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。R廣Xm2............................................................................(3)eRm式中：Re—?jiǎng)?lì)磁支路為并聯(lián)時(shí)的單相鐵損電阻，單位為歐姆(Ω);Rm—?jiǎng)?lì)磁支路為串聯(lián)時(shí)的單相鐵損電阻，單位為歐姆(Ω);Xm—?jiǎng)?lì)磁支路為串聯(lián)時(shí)的單相勵(lì)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(jì)算得出；Xm由公式（5）和公式（6）計(jì)算得出。Rm廣..........................................................................(4)式中：P0—電機(jī)空載損耗，單位為瓦（WI0—電機(jī)空載電流，單位為安（A）。0Zm廣...........................................................................(5)0 XmZEQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up3(2),m)阡REQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up3(2),m)..........................................................................(6)式中：Zm—?jiǎng)?lì)磁支路為串聯(lián)時(shí)的單相勵(lì)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(duì)地電容，通過有限元分析與解析法計(jì)算，對(duì)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廣..........................................................................(7)式中：4DB14/T3028—2024C—電容，單位為法拉（Fεr—絕緣的相對(duì)介電常數(shù)；A—極板面積，單位為平方米（m2ε0—真空介電常數(shù)，單位為法每米（F/m值為8.85×10-12；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心槽部線圈分布電感與端部線圈分布電感。鐵心線圈分布電感采用有限元分析方法，計(jì)算高頻下的電感，建立包括繞組、絕緣、鐵心等三維或二維幾何模型，以額定電流作為載荷，鐵心材料性能設(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(kù)中數(shù)據(jù)，計(jì)算單匝線圈的自感，匝間互感用公式（8）表示，鐵心線圈分布電感等于線圈自感與匝間互感之和。附錄B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。式中：.....................................................................M—兩導(dǎo)體間的互感，單位為亨（Hk—互感系數(shù)，一般取0.8~0.9；La—導(dǎo)體a的自感,單位為亨（HLb—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(jì)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(jì)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(jiǎn)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(shí)，應(yīng)對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化：a)當(dāng)并聯(lián)支路為1支時(shí)，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(shí)，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；b)鐵心接地；c)進(jìn)行等效電阻、分布電容和分布電感計(jì)算；d)絕緣對(duì)地電阻推薦不小于電機(jī)絕緣電阻值。5DB14/T3028—2024Lc—單匝（支）線圈電感；Re—空載單匝（支）等效鐵損電阻；C(n-1)n—兩匝匝間電容；Rg—單匝（支）絕緣對(duì)地電阻。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(jì)算瞬態(tài)、雷電、操作等沖擊過電壓時(shí)，應(yīng)以實(shí)際沖擊全波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(duì)地電壓設(shè)置電壓表。5.4.3三相電路中的相間線圈設(shè)置電壓表。5.4.4計(jì)算步長(zhǎng)應(yīng)不大于電壓上升沿時(shí)間的1/10。5.4.5計(jì)算時(shí)間應(yīng)不少于2個(gè)基波周期。5.5結(jié)果評(píng)估5.5.1評(píng)估方法5.5.1.1表象評(píng)估法通過結(jié)果表象進(jìn)行定性評(píng)估，具體原則如下:a)提取線圈對(duì)地電壓、匝間和相間電壓波形，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(píng)估法多次試算調(diào)整電路模型的邊界條件和分布參數(shù)，數(shù)值評(píng)估分析電路模型的可靠性。5.5.1.3物理樣機(jī)法6DB14/T3028—2024進(jìn)行物理樣機(jī)試驗(yàn)，對(duì)比電壓分布計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果，若仿真分析得到的數(shù)據(jù)趨勢(shì)與實(shí)測(cè)結(jié)果一致，且誤差在預(yù)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(píng)估方法對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，必要時(shí)，采用物理樣機(jī)法進(jìn)行評(píng)估。評(píng)估后，分析結(jié)果與預(yù)計(jì)結(jié)果誤差不在預(yù)定范圍內(nèi)，對(duì)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(jì)算和評(píng)估，直到結(jié)果滿足評(píng)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(duì)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(chǎng)仿真分析6.1幾何模型構(gòu)建電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)電場(chǎng)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(chǎng)分析模型應(yīng)滿足以下要求：a)匝間絕緣電場(chǎng)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(chǎng)分布相關(guān)的重要特征，如電磁線倒角、匝間墊條等。圖2匝間絕緣電場(chǎng)分析幾何模型示意圖7DB14/T3028—2024b)槽口絕緣電場(chǎng)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(chǎng)分布相關(guān)的重要特征，如槽形、倒角尺寸等。模型簡(jiǎn)化宜將單支線圈多匝導(dǎo)體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為單根導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，且至少保證3個(gè)相鄰槽的線圈結(jié)構(gòu)。圖3槽口絕緣電場(chǎng)分析幾何模型示意圖c)繞組端部電場(chǎng)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(chǎng)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)包括鐵心、主絕緣、空氣、層間絕緣、槽楔等。e)槽內(nèi)絕緣層間仿真電場(chǎng)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(chǎng)與相間電場(chǎng)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(duì)不同的部位采用對(duì)應(yīng)的剖分方法，具體要求如下：a)對(duì)于等電位分布的導(dǎo)體、接地鐵芯等對(duì)電場(chǎng)分布影響較小部件可采用低階單元進(jìn)行剖分；b)對(duì)于電場(chǎng)集中的部位應(yīng)加密處理，該部位尺寸大于1mm時(shí)，網(wǎng)格層數(shù)最少為2層，可采取高階單元剖分提高計(jì)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(duì)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(chǎng)集中部件（如槽口部位）及接觸面位置無(wú)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，確認(rèn)無(wú)畸變網(wǎng)格。6.3材料性能設(shè)置8DB14/T3028—2024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(jì)算高溫、高頻下的電場(chǎng)分布，應(yīng)輸入該工況下對(duì)應(yīng)的材料性能參數(shù)。6.4邊界條件加載6.4.1靜電場(chǎng)分析時(shí)，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(chǎng)分析時(shí)，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(chǎng)分析6.5.1靜電場(chǎng)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(chǎng)結(jié)果分析按照GB/T41635-2022中7.6.2執(zhí)行。6.6結(jié)果評(píng)估按照GB/T41635—2022中第11章中的規(guī)定對(duì)計(jì)算結(jié)果的偏差進(jìn)行評(píng)估。6.7結(jié)果輸出絕緣結(jié)構(gòu)電場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)位置。7報(bào)告編寫報(bào)告編寫可參考附錄C，報(bào)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(shuō)明）；c)分布參數(shù)計(jì)算：分布電容、分布電感和等效電阻；d)材料性能參數(shù)：相對(duì)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。9DB14/T3028—2024電機(jī)絕緣系統(tǒng)電場(chǎng)仿真分析流程電機(jī)絕緣系統(tǒng)電場(chǎng)仿真分