孫春梅

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈主絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

孫春梅

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

本文主要通過數(shù)值計(jì)算法來(lái)對(duì)大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈主絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以促進(jìn)絕緣運(yùn)行壽命的提升，從而維護(hù)大型汽輪發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，僅供相關(guān)人員參考。

大型汽輪發(fā)電機(jī)；定子線圈；主絕緣結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

就大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈主絕緣結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況來(lái)看，其大多沿用以往的瀝青云母真空浸膠絕緣的設(shè)計(jì)規(guī)范來(lái)開展設(shè)計(jì)，并隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的有效應(yīng)用，B級(jí)和F級(jí)環(huán)氧粉云母絕緣的研制和應(yīng)用，一定程度上提高了定子線圈主絕緣的機(jī)電性能，為其運(yùn)行壽命的提升奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，促使絕緣厚度減薄以及槽滿率提升得以實(shí)現(xiàn)。在此種情況下，加大力度對(duì)大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈主絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有助于提高單機(jī)出力，促進(jìn)大型汽輪發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.定子線圈截面電場(chǎng)的計(jì)算

就大型汽輪發(fā)電機(jī)的實(shí)際情況來(lái)看，其定子線棒截面主要是由4個(gè)圓角的矩形面所組成，具有一定的特殊性，在四邊平板電容以及四圓角同心圓電容的相互影響和作用下，其電場(chǎng)分布更加復(fù)雜，此種情況下，必須采用有限原法或者有限差分法來(lái)對(duì)定子線圈截面電場(chǎng)進(jìn)行科學(xué)地計(jì)算，從而為大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈主絕緣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。就定子鐵心的實(shí)際情況來(lái)看，其長(zhǎng)度比較特殊，因此可以通過徑向斷面二維場(chǎng)的方式來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。在此基礎(chǔ)上通過有限差分法結(jié)合等差技術(shù)來(lái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動(dòng)劃分，通過標(biāo)準(zhǔn)的線性方程來(lái)進(jìn)行計(jì)算，最終在數(shù)理統(tǒng)計(jì)處理后，得出不同圓角半徑和不同絕緣厚度下的最大場(chǎng)強(qiáng)和角部電場(chǎng)集中系數(shù)。

2.主絕緣介電強(qiáng)度與擊穿電壓

在大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈主絕緣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，定子線圈主絕緣介電強(qiáng)度與其分布電場(chǎng)的最大值之間存在著密切的聯(lián)系，隨著分布電場(chǎng)最大值的增大，主絕緣介電強(qiáng)度會(huì)隨之增大。與此同時(shí)，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度會(huì)隨著定子鐵心的長(zhǎng)度變化而變化，定子鐵心長(zhǎng)度增大的情況下，介電強(qiáng)度有所下降，由此可以對(duì)擊穿電壓進(jìn)行精準(zhǔn)的計(jì)算，并明確變換數(shù)學(xué)模型，為大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈主絕緣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的支撐。

3.材料利用率與材料的消耗指數(shù)計(jì)算

在大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈主絕緣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，在標(biāo)準(zhǔn)的槽型下，絕緣材料越少，其有效材料的實(shí)際利用率越高，此種情況下的消耗指數(shù)越低。在實(shí)際絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造過程中，通過對(duì)股線原有圓角半徑進(jìn)行科學(xué)化利用的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，促進(jìn)其絕緣強(qiáng)度的提升，并提高有效材料的實(shí)際利用率，切實(shí)保證大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈主絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)效果。

4.目標(biāo)函數(shù)

在大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈主絕緣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，以提高絕緣強(qiáng)度的條件下，需要對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行加權(quán)處理，增大其儲(chǔ)備系數(shù)，從而促進(jìn)目標(biāo)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。就標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型來(lái)看，絕緣厚度不可能增大到銅線寬度，但在實(shí)際運(yùn)算過程中，可能會(huì)出現(xiàn)非連續(xù)的情況，那么在對(duì)目標(biāo)函數(shù)的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)適度增加約束條件來(lái)對(duì)變量的實(shí)際變化范圍進(jìn)行科學(xué)化限制，明確銅線的圓角半徑以及絕緣內(nèi)部起始游離場(chǎng)強(qiáng)，從而為大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈主絕緣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

5.計(jì)算方法

在對(duì)定子線圈主絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)當(dāng)積極提高計(jì)算的精準(zhǔn)性，在明確標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)的基礎(chǔ)上，在規(guī)范的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)可微，在極值必要條件下出發(fā)，可以得出相關(guān)的線形近似公式，以保證計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)性和可靠性。

表1　優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

6.計(jì)算結(jié)果

通過標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方式來(lái)對(duì)目標(biāo)函數(shù)及其相關(guān)導(dǎo)數(shù)方程組來(lái)進(jìn)行求解，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見表1，以此作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈主絕緣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，促進(jìn)大型汽輪發(fā)電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的提升。

在精準(zhǔn)計(jì)算和可靠分析的基礎(chǔ)上，可以發(fā)現(xiàn)在對(duì)大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈主絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，不同型號(hào)的電機(jī)的實(shí)際利用率得到了不同程度的提升，主絕緣擊穿電壓分別提高了5%左右。就實(shí)際情況來(lái)看，由于200MW的機(jī)組原有設(shè)計(jì)相對(duì)比較保守，此種情況下，其擊穿電壓明顯高于其應(yīng)用的水平，此種情況下，在對(duì)大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈主絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，不應(yīng)將重點(diǎn)放在強(qiáng)度的提高上，而是應(yīng)當(dāng)加大力度提高槽滿率，以保證大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈主絕緣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)效果。

針對(duì)300MW以及600MW的機(jī)組，在絕緣厚度的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的有效應(yīng)用，促進(jìn)其利用率的提升，將擊穿電壓控制在15kV～20kV，以保證大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈主絕緣結(jié)構(gòu)的社會(huì)效益的提升。

結(jié)論

在本次大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈主絕緣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究過程中，主要通過數(shù)值法來(lái)對(duì)角部場(chǎng)強(qiáng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的建立，并在明確多目標(biāo)函數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈主絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)化的設(shè)計(jì)，降低其實(shí)際絕緣厚度，并保證擊穿電壓的實(shí)際水平條件，促進(jìn)槽滿率的提升，通過精確的計(jì)算來(lái)得出優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)，切實(shí)提高電機(jī)出力，促進(jìn)大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈主絕緣結(jié)構(gòu)得以優(yōu)化的設(shè)計(jì)，維護(hù)大型汽輪發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定高效運(yùn)行。

大電機(jī)定子線圈羅貝爾線棒圓角化不但能提高擊穿水平，而且由于電場(chǎng)分布均勻化，可提高絕緣內(nèi)部起始游離場(chǎng)強(qiáng)，減弱運(yùn)行過程中內(nèi)部局部放電量，提高絕緣運(yùn)行壽命。

汽輪發(fā)電機(jī)是與汽輪機(jī)配套的發(fā)電機(jī)。其轉(zhuǎn)速通常為3000轉(zhuǎn)/分（頻率為50Hz）或3600轉(zhuǎn)/分（頻率為60Hz）。高速汽輪發(fā)電機(jī)為了減少因離心力而產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力以及降低風(fēng)磨耗，轉(zhuǎn)子直徑一般較小，長(zhǎng)度較大（即細(xì)長(zhǎng)轉(zhuǎn)子）。這種細(xì)長(zhǎng)轉(zhuǎn)子使大型高速汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子尺寸受到限制。20世紀(jì)70年代以后，汽輪發(fā)電機(jī)的最大容量達(dá)130～150萬(wàn)kW。

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［4］張洪良.淺談大型汽輪發(fā)電機(jī)的非正常運(yùn)行及維護(hù)［J］.科技創(chuàng)業(yè)家，2013（7）：158.

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