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大型水轮发电机定子绝缘电场分布的数值仿真与结构优化

胡海涛  
【摘要】:随着大型水轮发电机单机容量的不断增大和额定电压等级的不断提高,对大型发电机定子线棒绝缘结构和材料的要求也越来越高。由于定子线棒角部和端部的电场分布十分集中,容易发生电晕放电,损坏绝缘材料,导致水轮发电机的使用寿命大大降低。为了有效均化定子线棒的电场,大容量水轮发电机定子线棒常采用内部屏蔽结构、外部防晕结构和具有非线性电导特性的机敏材料,该结构和材料的合理设计取决于定子线棒在不同内屏蔽和防晕结构下电场及损耗的准确计算。本文以1000MW水轮发电机为研究对象,对其定子线棒的参数化建模及仿真、槽部结构优化、端部结构优化以及非线性电导材料的制备等问题进行了研究。本文运用PTC Creo软件构建了定子线棒的槽部及端部的参数化几何模型,然后通过Livelink for PTC Creo模块将comsol与PTC Creo相连,再使用comsol软件中的APP开发器,创建了定子线棒槽部和端部结构电场分布的自动仿真系统。当使用该仿真系统时,只需输入发电机线棒的结构尺寸、材料属性和电动势等相关参数即可实现自动建模与仿真计算。该系统为大电机定子线棒绝缘结构的设计提供了一种便捷的新方法。本文以0°/360°/0°全换位结构为例,在考虑各股线额定电动势与漏感电动势联合作用的基础上,对槽内定子线棒模型进行了数值分析,结果表明:4种内屏蔽类型的最大电场强度都随着圆角半径的增大而减小,其中全屏蔽结构均化电场的效果最好,而层压板结构均化电场的效果最差;当内屏蔽层的厚度为0.4mm时,其电阻率应选择在0.1至100?·m之间;当内屏蔽层的电阻率为1?·m时,接触点的距离在6?18倍的换位节距(接触的个数在4?10个)之间最为适宜。将3级防晕结构的计算结果与无防晕结构和线性防晕结构的计算结果进行比较,发现3级防晕结构的最大表面切向电场强度最小,与相同防晕段长度的另外两种结构相比,分别降低了90%和65%,这说明3级防晕结构对端部场强的改善效果更明显。再以防晕层的长度和电阻值作为自变量、最大切向电场强度作为函数值,创建了一组训练样本空间和一组测试样本空间。利用训练样本空间对神经网络模型进行训练。通过测试样本空间验证训练后的神经网络模型,得到了较好的拟合精度和预测精度曲线。将训练后的神经网络模型与遗传算法相结合,得到6组防晕结构的优化方案。通过损耗密度和3倍额定电压下电场强度进行校验,确定了最优防晕结构,即中阻层、中高阻层和高阻层的长度分别为200mm、100mm和90mm;电阻率分别为10~6?·m、10~8?·m和10~(10)?·m。当采用最优防晕结构时,在额定电压下最大切向场强为2.3kV/cm、最大损耗密度为0.097W/cm~3,在3倍额定电压下最大切向场强为3.56kV/cm。最后按照最佳优化方案的防晕结构建立了3槽定子线棒模型,以3槽模型代替整机模型验证了最佳优化方案在整机运行时的可靠性。为了探讨微纳米复合材料对改善线棒绝缘中场强分布的作用,本文以EP为基体,分别制备了不同质量分数的纳米SiC/EP,纳米ZnO/EP,微米ZnO/EP,纳米SiC/纳米ZnO/EP和纳米SiC/微米ZnO/EP等非线性电导特性的复合材料。实验研究了不同复合材料电导率随场强的变化,结果表明,复合材料的电导率都随着无机填料含量的增加而增加;当微米ZnO与纳米SiC的比例为2:3时(总含量为5wt%),复合材料的非线性系数为0.07cm/kV,这与具有相同含量的SiC/EP,微米ZnO/EP和纳米ZnO/EP复合材料相比,非线性系数分别增大了1.06,2.48和4.83倍。将此微-纳米复合材料添加到内屏蔽层与主绝缘之间,构成了双层屏蔽结构,通过仿真计算和实验研究发现:在三倍额定电压下定子线棒角部最大电场强度与单层内屏蔽结构相比下降了17%,而且在额定电压下其介质损耗变化不大。


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