胡 波，張 躍，黃紹波，何明鵬，周 進(jìn)

(東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川德陽(yáng) 618000)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)電力行業(yè)陸續(xù)設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行了一批高電壓、大容量高壓電機(jī)組，而機(jī)組的額定電壓和容量的提高與機(jī)組結(jié)構(gòu)尺寸的增加不成比例，這對(duì)定子繞組絕緣和防暈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。同時(shí)一些運(yùn)行年限不長(zhǎng)的水火電機(jī)組都陸續(xù)發(fā)現(xiàn)定子繞組端部起暈電壓偏低甚至電腐蝕的跡象[1-3]。

我國(guó)發(fā)電設(shè)備制造企業(yè)自二十世紀(jì)五十年代開(kāi)始對(duì)電機(jī)定子線棒與繞組防暈技術(shù)開(kāi)展研究[4]并具有數(shù)十年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但是業(yè)內(nèi)對(duì)定子繞組端部電暈及電腐蝕問(wèn)題與定子繞組絕緣壽命是否存在必然聯(lián)系尚無(wú)定論。目前這一行業(yè)普遍性問(wèn)題已引起越來(lái)越多的重視，迫切需要深入研究。

對(duì)大型空冷高壓電機(jī)定子繞組端部電暈及電腐蝕典型區(qū)域進(jìn)行了梳理并逐一進(jìn)行了原因分析，同時(shí)基于有限元方法仿真研究了低介電常數(shù)新型防電暈結(jié)構(gòu)，研究了新型防電暈結(jié)構(gòu)的相對(duì)介電常數(shù)和厚度對(duì)端部斜邊間隙電場(chǎng)強(qiáng)度的影響，為大容量、高電壓的空冷高壓電機(jī)定子繞組防暈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 定子繞組端部電暈及電腐蝕分析

端部電腐蝕的產(chǎn)生是端部表面或氣隙局部放電達(dá)到一定程度的結(jié)果。在大型高壓電機(jī)定子繞組端部表面不可避免地存在各種氣隙和雜質(zhì)，在高壓電機(jī)運(yùn)行中當(dāng)這些區(qū)域發(fā)生放電時(shí)，產(chǎn)生的帶電粒子以及硝酸、亞硝酸等產(chǎn)物作用在絕緣材料上，使材料的介電強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致絕緣腐蝕[5]。

1.1 典型區(qū)域

經(jīng)驗(yàn)表明，高壓電機(jī)定子繞組端部電暈及電腐蝕的典型區(qū)域包括：定子繞組槽口高低阻搭接位置、槽口墊塊與線棒接觸位置、端頭槽楔綁繩與線棒接觸位置、槽口外上下層線棒之間位置、襯墊毛氈與線棒接觸位置、端部綁繩與線棒接觸位置、斜邊墊塊與線棒接觸位置、絕緣支架與高壓引線或跨線接觸位置等。

1.2 原因

高壓電機(jī)定子繞組端部電暈及電腐蝕的原因非常復(fù)雜，發(fā)展過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，影響因素大致包括內(nèi)外兩方面。

(1) 內(nèi)部原因

內(nèi)部原因包括線棒本身防暈結(jié)構(gòu)、防暈材料和防暈工藝，繞組防放電結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)、繞組綁扎固定材料和綁扎固定工藝。

(2) 外部原因

外部原因主要是機(jī)組運(yùn)行環(huán)境，例如粉塵、油污、濕度、溫度等。

1.3 處理措施

一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)根據(jù)定子繞組端部電暈及電腐蝕的原因、位置及損傷程度，高壓電機(jī)制造企業(yè)依據(jù)各自技術(shù)特點(diǎn)建議業(yè)主采取相應(yīng)的處理措施，包括優(yōu)化繞組防暈設(shè)計(jì)、加強(qiáng)定子裝配質(zhì)量控制、改善運(yùn)行環(huán)境、加強(qiáng)監(jiān)控等。

總之，定子繞組端部電暈及電腐蝕問(wèn)題為行業(yè)普遍性問(wèn)題，檢查和處理都比較麻煩，需要高壓電機(jī)制造企業(yè)大力提高定子繞組防電暈和耐運(yùn)行環(huán)境的性能。

2 仿真模型與計(jì)算

針對(duì)定子繞組端部電暈及電腐蝕問(wèn)題的原因，特別是定子繞組端部斜邊間隙局部電場(chǎng)強(qiáng)度集中引起的電暈和電腐蝕問(wèn)題，在繞組結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下預(yù)防端部電暈及電腐蝕的根本辦法是降低絕緣表面或間隙的最大電場(chǎng)強(qiáng)度，優(yōu)化絕緣與間隙之間的電壓分布，使氣隙承受的最大電場(chǎng)強(qiáng)度低于空氣放電閾值。

因此，在定子繞組端部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，開(kāi)展繞組端部最外面的防暈保護(hù)層的優(yōu)化仿真計(jì)算。假設(shè)定子繞組主絕緣和防暈保護(hù)層的相對(duì)介電常數(shù)均為4.0，高阻防暈層的相對(duì)介電常數(shù)為10.0，低介電常數(shù)涂層的相對(duì)介電常數(shù)可變，斜邊間隙中空氣的相對(duì)介電常數(shù)為1.0。定子繞組端部新型防電暈結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.導(dǎo)線；2.主絕緣；3.高阻防暈層和保護(hù)層；4.低介涂層

2.1 模型建立

以定子繞組端部斜邊間隙作為研究對(duì)象，該位置二維模型的建立基于UG NX軟件，線圈端部模型如圖2所示。圖中左右對(duì)稱分布兩支線棒截面(包括導(dǎo)線、主絕緣、高阻防暈層和防暈保護(hù)層)，兩支線棒截面距離為20 mm。

2.2 仿真計(jì)算

2.2.1 涂層厚度的電場(chǎng)強(qiáng)度仿真

圖2 繞組端部斜邊間隙仿真模型圖

電場(chǎng)仿真基于ANSYS Maxwell 3D有限元分析計(jì)算軟件。在斜邊間隙20 mm不變的條件下，將低介電常數(shù)涂層(相對(duì)介電常數(shù)設(shè)為2.5)逐漸代替部分防暈保護(hù)層。圖3(a)～3(d)分別顯示出不同的低介電常數(shù)涂層厚度對(duì)間隙中電場(chǎng)強(qiáng)度分布的影響。

圖3 不同的低介涂層厚度對(duì)繞組端部斜邊間隙電場(chǎng)強(qiáng)度分布的影響

圖3(a)～3(d)給出了低介涂層厚度分別為0 mm、0.2 mm、0.5 mm和1.0 mm時(shí)繞組端部斜邊間隙電場(chǎng)強(qiáng)度的分布情況，可以看出線棒棱角電場(chǎng)強(qiáng)度最高，而端部綁扎固定材料與線棒棱角極易形成小三角區(qū)域[6]，極易發(fā)生電暈放電。同時(shí)在間隙中心位置電場(chǎng)強(qiáng)度最低，通常無(wú)污染累積或已被固定材料填實(shí)，不易發(fā)生電暈放電。

斜邊間隙電場(chǎng)強(qiáng)度分布隨低介涂層厚度變化而略有差異。

2.2.2 涂層相對(duì)介電常數(shù)的電場(chǎng)強(qiáng)度仿真

在斜邊間隙20 mm不變的條件下，將厚度為1.0 mm的低介電常數(shù)涂層代替部分防暈保護(hù)層，瞬態(tài)電場(chǎng)分析計(jì)算結(jié)果如圖4所示。圖4(a)～4(d)分別顯示出低介電常數(shù)涂層的相對(duì)介電常數(shù)對(duì)間隙中電場(chǎng)強(qiáng)度分布的影響。

圖4 低介涂層的相對(duì)介電常數(shù)對(duì)繞組端部斜邊間隙電場(chǎng)強(qiáng)度分布的影響

圖4(a)～4(d)給出了低介涂層相對(duì)介電常數(shù)分別為4.0、3.0、2.0和1.5時(shí)繞組端部斜邊間隙電場(chǎng)強(qiáng)度的分布情況，可以看出線棒棱角電場(chǎng)強(qiáng)度最高而間隙中心位置電場(chǎng)強(qiáng)度最低。同時(shí)斜邊間隙電場(chǎng)強(qiáng)度分布隨低介涂層介電常數(shù)變化而略有差異。

3 仿真結(jié)果討論

3.1 涂層厚度對(duì)斜邊間隙電場(chǎng)強(qiáng)度分布的影響

如圖5所示，從低介涂層的四種厚度對(duì)比曲線組可以看出：在斜邊間隙距離不變的條件下，當(dāng)?shù)徒橥繉硬牧喜糠痔娲罆灡Ｗo(hù)層時(shí)，斜邊間隙電場(chǎng)強(qiáng)度分布隨之改變；當(dāng)?shù)徒橥繉釉胶瘢刺娲罆灡Ｗo(hù)層的厚度越大時(shí)，斜邊間隙電場(chǎng)強(qiáng)度的降低程度就越顯著。

取路徑線中點(diǎn)(圖5中橫坐標(biāo)43 mm)處電場(chǎng)強(qiáng)度值進(jìn)行對(duì)比，設(shè)定低介涂層厚度為0 mm時(shí)的斜邊間隙電場(chǎng)強(qiáng)度作為基準(zhǔn)，其余涂層厚度的斜邊間隙電場(chǎng)強(qiáng)度依次相比，涂層厚度對(duì)斜邊間隙電場(chǎng)強(qiáng)度的相對(duì)影響如圖6所示。

1.低介涂層厚度為0 mm；2.低介涂層厚度為0.2 mm；3.低介涂層厚度為0.5 mm；4.低介涂層厚度為1.0 mm

圖6 涂層厚度對(duì)斜邊間隙電場(chǎng)強(qiáng)度影響的對(duì)比圖

圖6中，涂層厚度越大，則斜邊間隙電場(chǎng)強(qiáng)度越低，斜邊間隙越不易發(fā)生放電。當(dāng)涂層厚度為1.0 mm時(shí)，斜邊間隙電場(chǎng)強(qiáng)度與基準(zhǔn)值之比為96.1%，即斜邊間隙電場(chǎng)強(qiáng)度降低了3.9%。

3.2 涂層相對(duì)介電常數(shù)對(duì)斜邊間隙電場(chǎng)強(qiáng)度分布的影響

如圖7所示，從低介涂層的四種相對(duì)介電常數(shù)對(duì)比曲線組可以看出：在斜邊間隙距離不變的條件下，當(dāng)?shù)徒橥繉硬牧舷鄬?duì)介電常數(shù)變化時(shí)，斜邊間隙電場(chǎng)強(qiáng)度分布隨之改變；當(dāng)?shù)徒橥繉酉鄬?duì)介電常數(shù)越小，即低介涂層與空氣的相對(duì)介電常數(shù)越接近時(shí)，斜邊間隙電場(chǎng)強(qiáng)度的降低程度就越顯著。

取路徑線中點(diǎn)(圖7中橫坐標(biāo)43 mm)處電場(chǎng)強(qiáng)度值進(jìn)行對(duì)比，設(shè)定低介涂層相對(duì)介電常數(shù)為4.0時(shí)的斜邊間隙電場(chǎng)強(qiáng)度作為基準(zhǔn)，涂層其余相對(duì)介電常數(shù)的斜邊間隙電場(chǎng)強(qiáng)度依次相比，涂層相對(duì)介電常數(shù)對(duì)斜邊間隙電場(chǎng)強(qiáng)度的相對(duì)影響如圖8所示。

1.相對(duì)介電常數(shù)為4.0；2.相對(duì)介電常數(shù)為3.0；3.相對(duì)介電常數(shù)為2.0；4.相對(duì)介電常數(shù)為1.5

圖8 涂層相對(duì)介電常數(shù)對(duì)斜邊間隙電場(chǎng)強(qiáng)度影響對(duì)比圖

圖8中，涂層相對(duì)介電常數(shù)越小，則斜邊間隙電場(chǎng)強(qiáng)度越低，斜邊間隙越不易發(fā)生放電。當(dāng)涂層相對(duì)介電常數(shù)為1.0時(shí)，斜邊間隙電場(chǎng)強(qiáng)度與基準(zhǔn)值之比為90.9%，即斜邊間隙電場(chǎng)強(qiáng)度降低了9.1%。

4 結(jié)論

(1) 建立了高壓電機(jī)定子繞組斜邊間隙仿真模型并開(kāi)展了仿真計(jì)算。

(2) 涂層厚度越大，則斜邊間隙電場(chǎng)強(qiáng)度越低，斜邊間隙越不易發(fā)生放電。

(3) 涂層相對(duì)介電常數(shù)越小，則斜邊間隙電場(chǎng)強(qiáng)度越低，斜邊間隙越不易發(fā)生放電。