[发明专利]一种用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及高电压绝缘设计领域，具体涉及一种用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法。

背景技术

大型高压电机端部出槽口处容易引起电场集中而引发局部电晕甚至放电，电晕的产生不仅使得电机在运行过程产生不稳定因素，效率降低，还会破坏电机绝缘层的结构，影响定子线圈的使用寿命，这也成为了大型高压电机提升自身容量的一个限制条件。传统电机绝缘防晕结构设计主要有三种方法：经验与工程近似法、链路模型法和有限元法，其中有限元法在近几年不断发展完善的过程中越发地被广泛应用于电机设计当中，但由于高压电机主绝缘防晕层结构参数之间相关度较高，单纯考虑其中一个参数变化对于电机端部电场分布的影响毫无意义，而且人工修改计算过程中的参数重复计算会消耗过多的人工物力，更加不便于分析。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的上述问题，提供一种能够避免防晕结构优化过程中重复建模、设置材料属性、仿真计算、分析等繁琐过程，节省了人力物力，能够提高电机端部防晕结果的设计效率，计算精度高、工作流程简单的用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法，步骤包括：

1)利用有限元多物理场耦合仿真软件对高压电机的主绝缘防晕结构进行物理建模、定义材料属性、添加边界条件及激励源、剖分网格、设置求解器频率并求解，求解完成后将计算过程转存为脚本文件；

2)将所述脚本文件修改为仿真计算函数文件，将待优化计算的防晕结构参数引入变量向量p作为仿真计算函数的输入变量，删除脚本文件中原有的云图后处理语句并采取仿真计算得到的物理模型中防晕层末端相对线棒的电位、防晕层表面的电场强度和表面损耗密度，并建立用于评价防晕结构效果优劣的目标函数；

3)设置待优化计算的防晕结构参数的变化范围，根据变化范围生成多组变量向量p，将多组变量向量p分别循环调用仿真计算函数进行计算，并在循环计算完成后输出目标函数最优解所对应的变量向量p。

优选地，所述步骤1)的详细步骤包括：

1.1)在有限元多物理场耦合仿真软件中选择3D频域静态电场求解器，将待优化计算的防晕结构参数进行参数化处理，选择一组参数进行物理建模，得到的物理模型为嵌入铁心的单根直的线棒，所述线棒外的体域包括主绝缘、空气域以及由低阻防晕层、中阻防晕层、高阻防晕层依次搭接形成的防晕层；所述待优化计算的防晕结构参数包括各个防晕层的长度、电阻率和非线性系数；

1.2)将所述物理模型中线棒、铁心、空气三个体域的材料属性由有限元多物理场耦合仿真软件内部自带的系统材料库内调用，根据3D频域静态电场求解器的类型选择输入主绝缘及防晕层的电阻率及介电常数，其中防晕层的电阻率如式(1)所示；

ρ＝ρ_se^-β|dU/dx|           (1)

式(1)中，ρ表示各防晕层的电阻率，ρ_s表示各防晕层的初始电阻率，β表示各防晕层的非线性系数，dU表示各防晕层上某一处的电位增量，dx表示各防晕层上某一处的位移增量；

1.3)在添加边界条件时，将所述物理模型中线棒铜导体所有外表面设置为高压源，高压源的电位值输入高压电机的一分钟耐压正弦电压峰值，将铁心所有外表面设置为接地条件，添加边界条件后，对所述物理模型进行剖分网格；

1.4)设置3D频域静态电场求解器的频率并进行求解；

1.5)在求解完成后，将整个计算过程另存为脚本文件编译软件能够识别的脚本文件，在语言编译软件环境下运行脚本文件可以重现有限元仿真软件所有操作过程，记录防晕层所有表面在有限元多物理场耦合仿真软件内所相对应的面域编号、高阻防晕层末端所有线段在有限元多物理场耦合仿真软件内所对应的线域编号。

优选地，所述步骤1.1)得到的物理模型中，所述线棒、主绝缘、防晕层及铁心四者中相邻两者之间无气隙或介质，各防晕层之间忽略搭接的影响且搭接处的等效电阻率等同于电阻率较低一侧防晕层的电阻率；所述线棒采用直线化处理来取代真实情况中的线圈，所述低阻防晕层覆盖端部线圈直线及转角部分，且所述物理模型中曲线部分的曲率及周围其他线圈所带来的影响忽略不计。

优选地，所述步骤2)的详细步骤包括：

2.1)在所述脚本文件的首行引入函数名以及需要进行编译的变量向量p，将所述脚本文件修改为将变量向量p作为输入参数的仿真计算函数文件；