[发明专利]一种发电机定子线棒电场计算模型边界确定方法及装置

说明书

本发明公开了一种发电机定子线棒电场计算模型边界确定方法及装置，该方法包括如下步骤：步骤S1，按实际尺寸建立单根线棒的三维模型；步骤S2，根据单根线棒的三维模型建立三根线棒的三维模型；步骤S3，建立所述三根线棒的三维模型的边界条件；步骤S4，选定三维瞬态电场，利用有限元仿真软件进行电场仿真，通过后处理确定模型各处电场分布特性。

技术领域

本发明涉及输配电技术领域，特别是涉及一种发电机定子线棒电场计算模型边界确定方法及装置。

背景技术

大型水轮发电机的定子部分由定子铁芯和定子线圈组成，定子铁芯由导磁性能好的硅钢片叠加而成，定子铁芯内圆均匀分布着大量的槽，用来嵌放定子线圈，定子线圈嵌放在定子槽内以组成三相绕组，定子线圈结构通常是多根定子线棒按照一定的规则首尾相连形成，单根定子线棒的端部位于铁心外空气中，中间部分的直线段嵌放在铁心槽中。

发电机定子线棒按照芯棒外面缠绕屏蔽层的电气特性不同分为三部分：低阻带、高阻带、高低组搭接带(中间带)，其中低阻带位于铁心槽内，与直接接地的铁心相接触，不亦发生放电；高阻带位于发电机定子端部暴露于空气中；中间带是位于线棒的低阻带和高阻带的中间位置，中间带的屏蔽层是由先缠绕低阻层然后缠绕高阻层形成，若中间层的外屏蔽材料在长期运行过程中老化，就容易引起放电。

高阻层为电阻随电场增加而自动降低的碳化硅非线性半导体防电晕层，可以使电场分布更均匀，有效抑制电晕放电的发生。为了研究高阻层在线棒各段发挥的屏蔽作用，需要开展非线性导体的电场计算。

通常定子线棒端部电场比较集中，电压越大槽口场强越大，越容易产生电晕放电，在设备检修过程中经常可以发现放电痕迹。因此，准确地计算定子线棒场强分布尤其是线棒端部场强分布并提出线棒端部防晕措施，是大型发电机定子线棒端部防晕设计的关键。

由于大型发电机定子线棒数量多达数百根，每根线棒的绝缘层和屏蔽层尺寸很薄，达0.1mm级，所以建立整体线棒的计算模型网格剖分量和计算量巨大，极易导致计算结果不收敛，考虑到单根线棒结构的轴对称性，往往建立二维计算模型，或者单根线棒的三维计算模型，这样虽然计算量大为减少，但边界条件难以确定，因为空气外边界即相邻线棒的边界电位值同样需要通过数值计算确定。现有技术方案往往是建立单根定子线棒端部横截面的二维计算模型(胡建林，大型水轮发电机定子线棒绝缘参数对槽部表面电位分布及电场分布的影响，《绝缘材料》，2020年第4期39-46)或端部三维计算模型(孙永鑫，大型电机线棒端部电场的有限元计算方法，黑龙江科技学院学报，2012年第002期182-186)，外包空气边界尺寸根据有限元计算收敛和容许误差规则确定，取2-5倍模型尺寸，通过施加空气层外边界电位为0开展计算，但这个空气模型尺寸取值与各线棒之间的实际空气间隙大小不相符合，会给计算带来一定的误差，难以获取实际线棒的电位分布情况。具体地，现有技术中构建的模型如下：

1)单根线棒二维模型。为了弄清楚线棒在某一横截面上的电场分布特性，先建立发电机定子线棒的横截面的二维计算模型对软件求解的适应性进行验证，并找出横截面上的电场分布特点、评估高阻带屏蔽层的屏蔽效果。横截面结构图如图1所示，分别由线棒导体、绝缘带层、内屏蔽层、主绝缘层、外屏蔽层组成。图2为基于线棒各层实际尺寸建立的计算模型，外加空气包开展计算。此时空气包约取模型2-5倍尺寸大小。

2)单根线棒三维模型。为研究沿着线棒轴向由低阻带到中间带，然后到高阻带的这条路径的电场分布规律，需要开展三维计算，进行线棒各段电场分布横向对比，该单根线棒三维计算模型如图3所示，根据有限元计算方法，取2-5倍模型尺寸作为空气包的大小模拟无穷远处零电位为0开展计算，由此得到线棒各段表面的电场分布规律。许多研究学者采用这个计算方法，但这个方法的边界的确定和边界条件的施加与发电机本身结构存在这差别。主要差别表现在：2-5倍空气尺寸远大于与线棒相邻的空气间隙；线棒相邻的空气间隙的外边界，也是相邻线棒的外边界，其电位并不为0，实际电位需要通过数值计算得到，因此采用单根线棒建立三维计算模型得到的结果准确性有待修正。

发明内容