高壓電機定子繞組絕緣涂層仿真研究

胡 波，張 躍，黃紹波，何明鵬，周 進

(東方電氣集團東方電機有限公司，四川德陽 618000)

0 引言

近年來，我國電力行業陸續設計、制造和運行了一批高電壓、大容量高壓電機組，而機組的額定電壓和容量的提高與機組結構尺寸的增加不成比例，這對定子繞組絕緣和防暈結構設計提出了更高的要求。同時一些運行年限不長的水火電機組都陸續發現定子繞組端部起暈電壓偏低甚至電腐蝕的跡象[1-3]。

我國發電設備制造企業自二十世紀五十年代開始對電機定子線棒與繞組防暈技術開展研究[4]并具有數十年的應用經驗，但是業內對定子繞組端部電暈及電腐蝕問題與定子繞組絕緣壽命是否存在必然聯系尚無定論。目前這一行業普遍性問題已引起越來越多的重視，迫切需要深入研究。

對大型空冷高壓電機定子繞組端部電暈及電腐蝕典型區域進行了梳理并逐一進行了原因分析，同時基于有限元方法仿真研究了低介電常數新型防電暈結構，研究了新型防電暈結構的相對介電常數和厚度對端部斜邊間隙電場強度的影響，為大容量、高電壓的空冷高壓電機定子繞組防暈結構的優化設計提供了理論依據。

1 定子繞組端部電暈及電腐蝕分析

端部電腐蝕的產生是端部表面或氣隙局部放電達到一定程度的結果。在大型高壓電機定子繞組端部表面不可避免地存在各種氣隙和雜質，在高壓電機運行中當這些區域發生放電時，產生的帶電粒子以及硝酸、亞硝酸等產物作用在絕緣材料上，使材料的介電強度和機械強度降低，最終導致絕緣腐蝕[5]。

1.1 典型區域

經驗表明，高壓電機定子繞組端部電暈及電腐蝕的典型區域包括：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

高壓電機定子繞組端部電暈及電腐蝕的原因非常復雜，發展過程時間較長，影響因素大致包括內外兩方面。

(1) 內部原因

內部原因包括線棒本身防暈結構、防暈材料和防暈工藝，繞組防放電結構尺寸設計、繞組綁扎固定材料和綁扎固定工藝。

(2) 外部原因

外部原因主要是機組運行環境，例如粉塵、油污、濕度、溫度等。

1.3 處理措施

一般來說，應根據定子繞組端部電暈及電腐蝕的原因、位置及損傷程度，高壓電機制造企業依據各自技術特點建議業主采取相應的處理措施，包括優化繞組防暈設計、加強定子裝配質量控制、改善運行環境、加強監控等。

總之，定子繞組端部電暈及電腐蝕問題為行業普遍性問題，檢查和處理都比較麻煩，需要高壓電機制造企業大力提高定子繞組防電暈和耐運行環境的性能。

2 仿真模型與計算

針對定子繞組端部電暈及電腐蝕問題的原因，特別是定子繞組端部斜邊間隙局部電場強度集中引起的電暈和電腐蝕問題，在繞組結構尺寸不變的情況下預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強度，優化絕緣與間隙之間的電壓分布，使氣隙承受的最大電場強度低于空氣放電閾值。

因此，在定子繞組端部結構基礎上，開展繞組端部最外面的防暈保護層的優化仿真計算。假設定子繞組主絕緣和防暈保護層的相對介電常數均為4.0，高阻防暈層的相對介電常數為10.0，低介電常數涂層的相對介電常數可變，斜邊間隙中空氣的相對介電常數為1.0。定子繞組端部新型防電暈結構如圖1所示。

1.導線；2.主絕緣；3.高阻防暈層和保護層；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。圖中左右對稱分布兩支線棒截面(包括導線、主絕緣、高阻防暈層和防暈保護層)，兩支線棒截面距離為20 mm。

2.2 仿真計算

2.2.1 涂層厚度的電場強度仿真

圖2 繞組端部斜邊間隙仿真模型圖

電場仿真基于ANSYS Maxwell 3D有限元分析計算軟件。在斜邊間隙20 mm不變的條件下，將低介電常數涂層(相對介電常數設為2.5)逐漸代替部分防暈保護層。圖3(a)～3(d)分別顯示出不同的低介電常數涂層厚度對間隙中電場強度分布的影響。

圖3 不同的低介涂層厚度對繞組端部斜邊間隙電場強度分布的影響

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時繞組端部斜邊間隙電場強度的分布情況，可以看出線棒棱角電場強度最高，而端部綁扎固定材料與線棒棱角極易形成小三角區域[6]，極易發生電暈放電。同時在間隙中心位置電場強度最低，通常無污染累積或已被固定材料填實，不易發生電暈放電。

斜邊間隙電場強度分布隨低介涂層厚度變化而略有差異。

2.2.2 涂層相對介電常數的電場強度仿真

在斜邊間隙20 mm不變的條件下，將厚度為1.0 mm的低介電常數涂層代替部分防暈保護層，瞬態電場分析計算結果如圖4所示。圖4(a)～4(d)分別顯示出低介電常數涂層的相對介電常數對間隙中電場強度分布的影響。

圖4 低介涂層的相對介電常數對繞組端部斜邊間隙電場強度分布的影響

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

3 仿真結果討論

3.1 涂層厚度對斜邊間隙電場強度分布的影響

如圖5所示，從低介涂層的四種厚度對比曲線組可以看出：在斜邊間隙距離不變的條件下，當低介涂層材料部分替代防暈保護層時，斜邊間隙電場強度分布隨之改變；當低介涂層越厚，即替代防暈保護層的厚度越大時，斜邊間隙電場強度的降低程度就越顯著。

取路徑線中點(圖5中橫坐標43 mm)處電場強度值進行對比，設定低介涂層厚度為0 mm時的斜邊間隙電場強度作為基準，其余涂層厚度的斜邊間隙電場強度依次相比，涂層厚度對斜邊間隙電場強度的相對影響如圖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 涂層厚度對斜邊間隙電場強度影響的對比圖

圖6中，涂層厚度越大，則斜邊間隙電場強度越低，斜邊間隙越不易發生放電。當涂層厚度為1.0 mm時，斜邊間隙電場強度與基準值之比為96.1%，即斜邊間隙電場強度降低了3.9%。

3.2 涂層相對介電常數對斜邊間隙電場強度分布的影響

如圖7所示，從低介涂層的四種相對介電常數對比曲線組可以看出：在斜邊間隙距離不變的條件下，當低介涂層材料相對介電常數變化時，斜邊間隙電場強度分布隨之改變；當低介涂層相對介電常數越小，即低介涂層與空氣的相對介電常數越接近時，斜邊間隙電場強度的降低程度就越顯著。

取路徑線中點(圖7中橫坐標43 mm)處電場強度值進行對比，設定低介涂層相對介電常數為4.0時的斜邊間隙電場強度作為基準，涂層其余相對介電常數的斜邊間隙電場強度依次相比，涂層相對介電常數對斜邊間隙電場強度的相對影響如圖8所示。

1.相對介電常數為4.0；2.相對介電常數為3.0；3.相對介電常數為2.0；4.相對介電常數為1.5

圖8 涂層相對介電常數對斜邊間隙電場強度影響對比圖

圖8中，涂層相對介電常數越小，則斜邊間隙電場強度越低，斜邊間隙越不易發生放電。當涂層相對介電常數為1.0時，斜邊間隙電場強度與基準值之比為90.9%，即斜邊間隙電場強度降低了9.1%。

4 結論

(1) 建立了高壓電機定子繞組斜邊間隙仿真模型并開展了仿真計算。

(2) 涂層厚度越大，則斜邊間隙電場強度越低，斜邊間隙越不易發生放電。

(3) 涂層相對介電常數越小，則斜邊間隙電場強度越低，斜邊間隙越不易發生放電。