抽水蓄能发电机定子线棒端部电磁屏蔽研究_聂靓靓.pdf

doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2023.01.019抽水蓄能发电机定子线棒端部电磁屏蔽研究聂靓靓1，陶诗迪1，厉天威2，刘磊2，李斌2，王琪3(1 南方电网调峰调频发电有限公司检修试验分公司，广东 广州 511493;2 南方电网科学研究院有限责任公司，广东 广州 510663;3 澳汰尔工程软件(上海)有限公司，上海 200070)摘要:针对发电机定子线棒电磁屏蔽问题的瞬态电磁场分析，从理论上选择能够同时兼顾计算速度和计算精度的模型边界，分别建立同槽两根线棒、不同槽多根线棒计算模型，计算相邻线棒对电场分布的影响。同时建立单根线棒三维计算模型，计算分析线棒在轴向和法向上的场强分布特性。研究表明线棒在离开槽口后端部表面电位接近相电位，最大场强出现在高低阻带的搭接处。为改善场强和电位分布，提出改进表面场强分布的措施，在原高低阻搭接层增加敷设高阻材料和原设计方案保持一致，而原线棒高阻层涂敷低阻材料，可以大大抑制线棒端部的场强和电位。关键词:抽水蓄能发电机;定子线棒端部;电磁屏蔽;非线性半导体中图分类号:TV734.2;TM312文献标志码:B文章编号:1008-0198(2023)01-0110-06基金项目:南方电网公司科技项目(022200KK52190008)收稿日期:2022-10-25修回日期:2022-11-11esearch on Stator Bar End Electromagnetic Shielding forPumped Storage GeneratorNIE Liangliang1，TAO Shidi1，LI Tianwei2，LIU Lei2，LI Bin2，WANG Qi3(1 China Southern Power Grid Power Generation Co，Ltd，Maintenance and Test Branch，Guangzhou 511493，China;2 China Southern Power Grid Electric Power esearch Institute，CSG，Guangzhou 510663，China;3 Altair Engineering Software(Shanghai)Co，Ltd，Shanghai 200070，China)Abstract:Based on the analysis of the transient electromagnetic field for the electromagnetic shielding ofgenerator stator bar，the model boundary is selected in theory，which can take into account both the calculationspeed and the calculation precision The calculation models of two wire rods in the same slot and multiple wirerods in different slots are established to calculate the influence of adjacent wire rods on the electric fielddistribution At the same time，the three dimensional calculation model of a single bar is established tocalculate and analyze the distribution characteristics of the axial and normal field intensity of the bar The resultsshow that the surface potential of the end of the bar after leaving the notch is close to the phase potential，andthe maximum field strength appears at the lap of the high and low stopbands In order to improve the distributionof field strength and potential，this paper puts forward measures to improve the distribution of field strength onthe surface，adding highresistance materials to the original highlow resistance overlap layer to keep the sameas the original design scheme，while the original highresistance layer is coated with lowresistance materials，which can greatly suppress the field strength and potential at the end of the wire rodKey words:pumped storage generator;stator bar end;electromagnetic shielding;nonlinear semiconductor011第 43 卷第 1 期湖南电力HUNAN ELECTIC POWE2023 年 2 月0引言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1。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。发电机定子线棒外表面缠绕的屏蔽层分为低阻带、高低阻搭接带(中间带)和高阻带。低阻带位于铁芯槽内与直接接地的铁芯相接触，高阻带位于发电机定子线棒端部并暴露于空气中。高阻层材料是随着电场强度的增加，电导率自动降低的碳化硅非线性半导体防电晕层，可以使电场强度迅速下降，有效抑制电晕放电的发生2。文献 34 建立了单槽计算模型，但没有阐述相邻槽线棒的相互影响。文献 56 对非线性材料的配方进行研究并测试材料电导率和电场强度之间的非线性关系。文献 7 采用电磁测量方法对定子线棒表面电场进行了测量。但尚未有文献对槽间线棒的相互影响进行分析，本文将根据抽水蓄能发电机定子线棒的实际排列方式，开展相关研究。为准确计算分析线棒表面场强分布及材料的屏蔽效果，分别建立多槽多根线棒仿真二维计算模型及单根线棒的三维计算模型，从模型边界条件设置分析、荷载施加、电场仿真计算、屏蔽性能分析和屏蔽效果改进措施等方面进行详细研究。1定子线棒电场理论分析1.1 线棒端部电场理论分析发电机定子线棒及端部结构如图 1 和图 2 所示，线棒导体由内至外分别是绝缘带层、内屏蔽层、主绝缘层和外屏蔽层等。(a)模型正视图(b)模型前视图图 1发电机定子线棒图 2定子线棒多层结构为计算线棒表面场强，可在实际结构模型基础上简化仿真计算模型，形成线棒导体主绝缘层外屏蔽层空气层，由内到外新的串联结构特性。对于非线性瞬态电场的计算可以从 Maxwell 连续电流方程出发，得到交流电场理论模型:(V)/t+(E)V)=0(1)式中，V 为电位;(E)为非线性电导率;为介质介电常数。1.2介质材料参数和载荷线棒的计算涉及主绝缘材料、半导体和半导体非线性材料，其介电常数和体积电导率见表 1。表 1导体和绝缘介质电气参数材质主成分相对介电常数体积电导率/(Sm1)非线性半导体SiC101.14107e9.62106E半导体SiO2121.13主绝缘云母6注:表中 E 表示电场强度，单位 V/m。根据 Flux 软件参数输入方式，采用表格分段输入电流密度和电场强度非线性关系曲线。发电机的输电电压为 18 kV，发电机单相电压为18/3 kV，单根线棒的载荷取发电机相电压的峰值电压:18/32sin t kV。2定子线棒端部电场计算开展线棒端部防电晕电场计算，需要建立仿真计算模型。考虑到线棒很长而绝缘层和屏蔽层厚度非常薄，需要加密剖分的结构特性，建立发电机全111第 43 卷第 1 期聂靓靓等:抽水蓄能发电机定子线棒端部电磁屏蔽研究2023 年 2 月部数百根定子线棒模型会导致有限元网格数量和计算量巨大。通常根据线棒沿着定子铁芯圆周上分段重复性排列布置的特性来建立相对简化的分段计算模型。分段计算模型涉及边界设置问题，与线棒槽内部分最外层和定子铁芯紧密相连并被钳制为地电位不同，发电机定子线棒端部完全暴露在相对开放的空间中，分段计算模型的空气外边界选取方案需要进行准确性验证。发电机相邻线棒运行相电压不完全相同，同槽线棒运行相电压也不尽相同，有必要按多相线棒和同槽两相线棒模型两种工况开展计算分析。同时，线棒轴向表面电场分布存在不均匀性，需建立三维模型进行计算分析。2.1线棒端部模型边界选取2.1.1多相线棒模型边界根据发电机定子线圈绕线布置，相邻三根线棒对应三相可分为 AAA/BBB/CCC 或 AAB/AAC 或BBC/BBA 或 CCA/CCB 等多种情况，但对于开展线棒端部场强计算而言，根据各相间相互关联特性，可以概括为 AAA 和 AAB 两种计算工况。下面分别对这两种工况在选取不同边界条件情况下计算准确性进行对比。如图 3 所示，三根相邻线棒相位分别为 AAA，中间线棒为研究对象，红线为其外边界，外边界设置分为两种方案。方案 1 的边界位置为两线棒间的中间线，边界电位为 A 相电位;方案 2 以左右相邻的线棒作为边界，边界电位为实际相电压。(a)方案 1(b)方案 2图 3AAA 线棒外边界条件设置方案如图 4 所示，三根线棒相位分别为 AAB，外边界设置方案 1 的边界位置仍为两线棒间的中间线，左边界电位为 A 相电位，右边界电位是 AB 两相电压的平均值;方案 2 以左右相邻的线棒作为边界，边界电位为实际相电压。(a)方案 1(b)方案 2图 4AAB 线棒外边界条件设置方案综合考虑计算量和计算精度等，对于二维仿真计算模型，边界设置采用方案 2。2.1.2同槽线棒模型边界同槽线棒模型分为两层 AAA/BBB，模型边界设置也可采用两种方案，如图 5 所示。方案 1 左右边界位置为两线棒间的中间线，左右边界电位设置为 0;方案 2 以左右相邻的线棒作为边界，边界电位等于实际相电压。综合考虑计算量和计算精度等，边界设置采用方案 2。(a)方案 1(b)方案 2图 5同槽线棒边界设置方案2.2多相线棒仿真计算根据每根线棒在结构上具有轴对称性和发电机定子线棒的电压相序在定子铁芯所在圆周上分段反复的特点，按照线棒实际结构和空气间隙等建立三相定子线棒并列布置的仿真计算模型，如图 6 所示，目标是准确分析中间线棒电场分布特性。(a)三相线棒模型(b)模型网格剖分图 6三相线棒计算模型和网格剖分211第 43 卷第 1 期湖南电力2023 年 2 月采用多相线棒模型边界设置方案 2，在中间线棒左右线棒加载对应的相电压作为边界条件。在定子线棒高阻带依次施加三相电压 AAA 相，对中间线棒表面场强和相间场强进行计算，由于各线棒间无电位差，中间线棒表面及各线棒间的场强可忽略不计。在定子线棒高阻带依次施加三相电压 AAB 相，对中间线棒表面场强和相间场强进行计算。通过图7 计算结果可知，场强集中在 A 和 B 相之间，两相线棒倒角处出现场强最大值。采用高低阻屏蔽带的屏蔽作用下最大场强仅为 5.66 kV/cm，小于线棒表面起晕场强 8.1 kV/cm，说明采用屏蔽措施后不同槽的相同位置线棒表面场强对绝缘造