大型汽輪發電機定子線圈主絕緣結構優化設計

孫春梅

（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

大型汽輪發電機定子線圈主絕緣結構優化設計

孫春梅

（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

本文主要通過數值計算法來對大型汽輪發電機定子線圈主絕緣結構進行優化設計，以促進絕緣運行壽命的提升，從而維護大型汽輪發電機的穩定運行，僅供相關人員參考。

大型汽輪發電機；定子線圈；主絕緣結構；優化設計

就大型汽輪發電機定子線圈主絕緣結構的實際情況來看，其大多沿用以往的瀝青云母真空浸膠絕緣的設計規范來開展設計，并隨著現代科學技術的有效應用，B級和F級環氧粉云母絕緣的研制和應用，一定程度上提高了定子線圈主絕緣的機電性能，為其運行壽命的提升奠定了堅實的基礎，促使絕緣厚度減薄以及槽滿率提升得以實現。在此種情況下，加大力度對大型汽輪發電機定子線圈主絕緣結構進行優化設計，有助于提高單機出力，促進大型汽輪發電機的穩定運行。

1.定子線圈截面電場的計算

就大型汽輪發電機的實際情況來看，其定子線棒截面主要是由4個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，其電場分布更加復雜，此種情況下，必須采用有限原法或者有限差分法來對定子線圈截面電場進行科學地計算，從而為大型汽輪發電機定子線圈主絕緣結構的優化設計提供可靠的數據支撐。就定子鐵心的實際情況來看，其長度比較特殊，因此可以通過徑向斷面二維場的方式來進行準確計算。在此基礎上通過有限差分法結合等差技術來對網絡進行自動劃分，通過標準的線性方程來進行計算，最終在數理統計處理后，得出不同圓角半徑和不同絕緣厚度下的最大場強和角部電場集中系數。

2.主絕緣介電強度與擊穿電壓

在大型汽輪發電機定子線圈主絕緣結構的優化設計過程中，定子線圈主絕緣介電強度與其分布電場的最大值之間存在著密切的聯系，隨著分布電場最大值的增大，主絕緣介電強度會隨之增大。與此同時，節點強度會隨著定子鐵心的長度變化而變化，定子鐵心長度增大的情況下，介電強度有所下降，由此可以對擊穿電壓進行精準的計算，并明確變換數學模型，為大型汽輪發電機定子線圈主絕緣結構的優化設計提供可靠的支撐。

3.材料利用率與材料的消耗指數計算

在大型汽輪發電機定子線圈主絕緣結構的優化設計過程中，在標準的槽型下，絕緣材料越少，其有效材料的實際利用率越高，此種情況下的消耗指數越低。在實際絕緣結構設計和制造過程中，通過對股線原有圓角半徑進行科學化利用的基礎上，加強設計創新，促進其絕緣強度的提升，并提高有效材料的實際利用率，切實保證大型汽輪發電機定子線圈主絕緣結構的設計效果。

4.目標函數

在大型汽輪發電機定子線圈主絕緣結構的優化設計過程中，以提高絕緣強度的條件下，需要對目標函數進行加權處理，增大其儲備系數，從而促進目標函數的實現。就標準的數學模型來看，絕緣厚度不可能增大到銅線寬度，但在實際運算過程中，可能會出現非連續的情況，那么在對目標函數的設計過程中，應當適度增加約束條件來對變量的實際變化范圍進行科學化限制，明確銅線的圓角半徑以及絕緣內部起始游離場強，從而為大型汽輪發電機定子線圈主絕緣結構的優化設計提供可靠的數據支撐。

5.計算方法

在對定子線圈主絕緣結構進行優化設計的過程中，應當積極提高計算的精準性，在明確標準函數的基礎上，在規范的區域內實現連續可微，在極值必要條件下出發，可以得出相關的線形近似公式，以保證計算結果的精準性和可靠性。

表1　優化設計結果

6.計算結果

通過標準的計算方式來對目標函數及其相關導數方程組來進行求解，詳細計算結果見表1，以此作為數據基礎來實現大型汽輪發電機定子線圈主絕緣結構的優化設計，促進大型汽輪發電機的實際應用價值的提升。

在精準計算和可靠分析的基礎上，可以發現在對大型汽輪發電機定子線圈主絕緣結構進行優化設計后，不同型號的電機的實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。就實際情況來看，由于200MW的機組原有設計相對比較保守，此種情況下，其擊穿電壓明顯高于其應用的水平，此種情況下，在對大型汽輪發電機定子線圈主絕緣結構進行優化設計的過程中，不應將重點放在強度的提高上，而是應當加大力度提高槽滿率，以保證大型汽輪發電機定子線圈主絕緣結構的優化設計效果。

針對300MW以及600MW的機組，在絕緣厚度的設計過程中，應當實現其結構設計與現代化科學技術的有效應用，促進其利用率的提升，將擊穿電壓控制在15kV～20kV，以保證大型汽輪發電機定子線圈主絕緣結構的社會效益的提升。

結論

在本次大型汽輪發電機定子線圈主絕緣結構的優化設計研究過程中，主要通過數值法來對角部場強數學模型進行標準的建立，并在明確多目標函數的基礎上，對大型汽輪發電機定子線圈主絕緣結構進行科學化的設計，降低其實際絕緣厚度，并保證擊穿電壓的實際水平條件，促進槽滿率的提升，通過精確的計算來得出優化設計相關數據，切實提高電機出力，促進大型汽輪發電機定子線圈主絕緣結構得以優化的設計，維護大型汽輪發電機的穩定高效運行。

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

汽輪發電機是與汽輪機配套的發電機。其轉速通常為3000轉/分（頻率為50Hz）或3600轉/分（頻率為60Hz）。高速汽輪發電機為了減少因離心力而產生的機械應力以及降低風磨耗，轉子直徑一般較小，長度較大（即細長轉子）。這種細長轉子使大型高速汽輪發電機的轉子尺寸受到限制。20世紀70年代以后，汽輪發電機的最大容量達130～150萬kW。

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