毕业论文-高压电机端屏蔽对线圈表面电场分布的影响

1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文哈尔滨理工大学学士学位论文- PAGE II - PAGE II -高压电机端屏蔽对线圈表面电场分布的影响摘要发电机绝缘是发电机可靠运行和使用寿命的关键所在。电晕放电是发电机绝缘老化的一个重要问题。随着定子线棒电压等级的提高，对其定子线棒端部防晕结构也提出了很高的要求。因此，有必要研究发电机端部电场理论，计算端部电场的分布，提出改善措施。本文介绍了研究的目的和现状，并叙述了电机电场有限元计算基本理论。从气体放电入手，对高压发电机的电晕特性进行了详细的机理分析，明确了高压电机端部的防晕技术。最后采用Ansoft软件对电机定子绕组端部进行了有限元分析，计算端部电场分布

2、。然后对简化的端部模型再次采用有限元的方法分析，了解了置入电极板在端部出槽口防止电晕起到的重要作用，并进而分析防晕结构中电极板的改变对防晕效果的影响。比较和整理结果数据，改善和优化防晕结构，提高防晕效果。通过多次试验，得到了一个最佳方式。这对发电机端部防晕结构的设计有重要指导意义。关键词高压发电机；端部电场；防晕；电极板；Ansoft High-voltage motor side shield on the coil surface electric field distribution AbstractGenerator insulation is a key generator of r

3、eliable operation and service life. The corona discharge is an important issue of the generator insulation aging. With the improvement of the stator bar voltage level, the stator rod end anti-halo structure of a very high demand. Therefore, it is necessary to study the generator end of the electric

4、field theory to calculate the end of the distribution of the electric field, and recommendations on improvement measures. This article describes the purpose of the study and the status quo, and a description of the motor electric field of finite element calculation of the basic theory. Start from th

5、e gas discharge, a detailed mechanistic analysis of the corona characteristics of high-voltage generator, clear the technology of high-voltage motor end of the anti-halo. Finally, the Ansoft software to the motor stator winding end of the finite element analysis to calculate the electric field distr

6、ibution of the end. And then end on a simplified model again using the finite element method analysis to understand the changes placed the electrode plates at the end of the notch to prevent the important role played by the corona, and thus that analysis of the structure of the anti-corona electrode

7、 plates on the anti-corona effect. And organize the resulting data to improve and optimize the anti-halo structure, improve the anti-halo effect. By numerous experiments, has been one of the best ways. Important guiding significance for the design of the generator end of the anti-halo structure.Keyw

8、ords High voltage generator，Ends electric field, anti-corona, conductive foils , Ansoft PAGE II- - PAGE III -目录摘要 = 1 * ROMAN IAbstract = 2 * ROMAN II TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc327951268 第1章 绪论 PAGEREF _Toc327951268 h 1 HYPERLINK l _Toc327951269 1.1 发电机内产生的局部放电及电晕的相关介绍 PAGEREF _Toc327951269 h

9、1 HYPERLINK l _Toc327951270 1.1.1 局部放电 PAGEREF _Toc327951270 h 1 HYPERLINK l _Toc327951271 1.1.2 电晕 PAGEREF _Toc327951271 h 1 HYPERLINK l _Toc327951272 1.2 课题研究工作的目的和国内外现状 PAGEREF _Toc327951272 h 3 HYPERLINK l _Toc327951273 1.2.1 研究目的 PAGEREF _Toc327951273 h 3 HYPERLINK l _Toc327951274 1.2.2 国内外现状 P

10、AGEREF _Toc327951274 h 4 HYPERLINK l _Toc327951275 1.3 论文研究的主要内容和应用的软件 PAGEREF _Toc327951275 h 5 HYPERLINK l _Toc327951276 1.3.1研究内容 PAGEREF _Toc327951276 h 5 HYPERLINK l _Toc327951277 1.3.2应用软件 PAGEREF _Toc327951277 h 6 HYPERLINK l _Toc327951278 第2章 电场有限元计算基本理论理论 PAGEREF _Toc327951278 h 7 HYPERLINK

11、 l _Toc327951279 2.1 有限元法的概述 PAGEREF _Toc327951279 h 7 HYPERLINK l _Toc327951280 2.2 电场的计算问题 PAGEREF _Toc327951280 h 7 HYPERLINK l _Toc327951281 2.2.1电场的基本形态 PAGEREF _Toc327951281 h 7 HYPERLINK l _Toc327951282 2.2.2 静电场解析计算 PAGEREF _Toc327951282 h 8 HYPERLINK l _Toc327951283 2.2.3 静电场数值计算方程 PAGEREF

12、_Toc327951283 h 10 HYPERLINK l _Toc327951284 2.3 Ansoft有限元软件 PAGEREF _Toc327951284 h 11 HYPERLINK l _Toc327951285 2.4 小结 PAGEREF _Toc327951285 h 12 HYPERLINK l _Toc327951286 第3章 发电机端部电场分布及改善控 PAGEREF _Toc327951286 h 13 HYPERLINK l _Toc327951287 3.1 发电机端部防晕技术的发展 PAGEREF _Toc327951287 h 13 HYPERLINK l

13、 _Toc327951288 3.1.1 定子端部防晕方法 PAGEREF _Toc327951288 h 13 HYPERLINK l _Toc327951289 3.1.2 防晕材料种类 PAGEREF _Toc327951289 h 15 HYPERLINK l _Toc327951290 3.2发电机端部防晕结构及电位分布 PAGEREF _Toc327951290 h 16 HYPERLINK l _Toc327951291 3.2.1端部防晕结构 PAGEREF _Toc327951291 h 16 HYPERLINK l _Toc327951292 3.2.2电场分布 PAGER

14、EF _Toc327951292 h 17 HYPERLINK l _Toc327951293 3.3分析电极板置入方式的不同对电场的影响 PAGEREF _Toc327951293 h 20 HYPERLINK l _Toc327951294 结论 PAGEREF _Toc327951294 h 34 HYPERLINK l _Toc327951295 致谢 PAGEREF _Toc327951295 h 35 HYPERLINK l _Toc327951296 参考文献 PAGEREF _Toc327951296 h 36 HYPERLINK l _Toc327951297 附录A PAG

15、EREF _Toc327951297 h 39 HYPERLINK l _Toc327951298 附录B PAGEREF _Toc327951298 h 43- PAGE 10 - PAGE 54 -绪论发电机内产生的局部放电及电晕的相关介绍局部放电在电场的作用下，绝缘系统中因有气隙或其它杂质造成绝缘体局部区域的电场强度达到击穿场强，在部分区域发生放电，这种现象称为局部放电(Partial Discharge)。局部放电只发生在绝缘局部，而没有贯穿整个绝缘。发电机中的局部放电主要有绕组主绝缘内部放电、端部电晕放电及槽电晕(及槽放电)三种。电晕常温常压下的气体在较低电场强度下，由外界电离因素使

16、气体分子离解而产生的离子和电子作为载流子在外电场作用下迁移，只形成很微弱的电流，是优良的绝缘体。在电场增加到一定的强度时，气体中出现碰撞电离，载流子浓度增大，电流迅速上升，如果再稍微提高电压，载流子数剧增，气体中的电流无限增大，即达到di/du，从而丧失绝缘性能，即发生了气体击穿，又称气体放电。气体发生击穿时除电流剧增外，通常还伴随有发光及发声等现象。根据气体压力、电源功率、电极形状等因素的不同，气体击穿后的放电现象很不相同，大致可以分为以下几种放电形式：在气压低、电源功率很小时，放电表现为整个间隙的辉光放电；在气压不太低(大气压附近)时，放电表现为放电通道收细的火花放电或电弧放电；当电极曲率

17、半径很小，即电场极不均匀时，表现为电极尖端附近局部高场强区的电晕放电。发电机内的电晕是发电机定子高压绕组绝缘表面某些部位由于电场分布不均匀，局部场强过强，导致附近空气电离，而引起的辉光放电。1、电晕危害电晕本身的放电强度(Wcm2)并不是很高，但电晕的存在大大的降低了绝缘材料的性能。表面电晕使绝缘表面局部温度升高，电晕的热效应及其产生的O3和N2的化合物(O3极易分解与空气中的氮N2及水分化合生成酸)会损坏局部绝缘，对黄绝缘来说是将绝缘层变成白色粉末, 其程度的深浅与电晕作用时闻有关，材料表面损坏后，放电集中于凹坑并向绝缘材料内部发展，严重对发展为树枝放电直到击穿。电晕放电对发电机绝缘的危害呈

18、现多样性，主要表现在以下几个方面： （1）热效应：使发电机局部温度升高，绝缘变质、炭化，股线松散、短路，绝缘老化。 （2）机械损坏：放电途径上被加速的离子和电子对放电点周围绝缘的碰撞，造成绝缘层机械强度降低，放电区域绝缘发现麻点、麻坑，甚至孔眼，边缘如蚕蚀。 （3）化学损坏：电晕放电使空气发生化学反应，产生臭氧及氧化氮等产物。臭氧的化学性能很不稳定，与氮化合物生成一氧化氮和二氧化氮，再与气隙中水蒸气反应生成硝酸。从而使绝缘腐蚀损伤。（4）功率损失：发电机产生电晕放电时，回路中将有电晕电流流过，同时发出光、声、热，会引起电晕功率损失。 发电机的电晕放电与发电机定子绕组绝缘状况有着密切的联系，由于

19、发电机绝缘介质长期承受热、电、机械应力及环境的影响，导致绝缘发生劣化，使得发电机在运行时绝缘产生电晕放电。反过来，电晕放电又加速了绝缘的劣化，若电晕放电继续扩大与发展，最终导致绝缘被破坏，对高压发电机绕组来说，电晕放电是一个绝缘老化的重要症状。2、容易发生电晕的位置对采用黄绝缘的发电机，一般在发电机内可能产生外部电晕的部位有：a)线棒出槽口处。绕组出槽口处属典型的套管型结构，槽口电场非常集中，是最易产生电机电晕的地方。槽口电晕给电机大容量、高电压带来了较大困难。因此槽口电晕防护也是大容量、高电压发电机的关键技术之一。b)铁心段通风沟处。通风槽钢处属尖锐边缘，易造成电场局部不均匀。c)线棒表面与

20、铁心槽内接触不良处或有气隙处。d)端箍包扎处。e)端部异相线棒间。绕组端部电场分布复杂，特别是线圈与端箍、绑绳、垫块的接触部位和边缘，由于工艺的原因往往很难完全消除气隙，在这些气隙中也容易产生电晕。高压电机定子绕组中的电晕按发生的部位主要分为槽部电晕和端部电晕。槽部电晕是由于线圈表面与槽壁之间有间隙造成的。众所周知，为了使发电机定子线棒便于嵌到槽里，槽内必须留有一定的间隙，而这空隙正是产生电晕的根源。而端部电晕是由于高压电机定子线圈槽口至端部电压分布不均匀所致。当高压电机可能发生电晕的部位局部场强达到一定数值时，气体发生局部游离，在电离处出现兰色晕光，产生电晕，电晕的产生伴随着热、臭氧、氮的氧

21、化物的产生，这些气体对电机绝缘具有很强的侵蚀作用，长期作用会使绝缘层呈现麻坑、绝缘变薄，最后导致整个绝缘体损坏掉，严重时还会导致闪络放电。从而直接影响电机的运行寿命及可靠性：另外由于热固性绝缘表面与槽壁接触不良或不稳定时，在电磁振动的作用下，将引起槽内间隙火花放电造成的局部温升，使绝缘表面受到严重侵蚀。因此，设法消除这种电晕现象，必须对其端部作防晕处理。本文正是针对此而进行的研究 。本文中介绍的是发电机端部的防晕措施。端部电晕放电：发电机定子绕组端部，是绝缘的薄弱环节，尽管采取了一系列的措施(防晕漆涂层和分级防晕层)，仍是大型电机绝缘事故的多发区。通常大型电机绕组端部采用绑扎或压板结构固定，当

22、电机冷却气体湿度过大，击穿电压降低时，可导致相间放电。在运行中由于振动和摩擦使防晕层损坏时，会引起端部表面放电。由于电机端部电场局部集中，一旦发生端部表面电晕，将对电机的绝缘产生很大的破坏作用。课题研究工作的目的和国内外现状研究目的随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，电力被全世界广泛应用。由于地理环境的差异以及资源的局限性，汽轮发电机很快成为供应电力的最主要设备。汽轮发电机诞生以来，仅仅一百多年，到 1997 年，世界总发电量已达到约为11.8PWh，单机容量在逐步增大。但为了保证大型汽轮发电机的安全运行，还是有很多关键性的问题需要解决，例如定子端部磁场计算方法，定子损耗分析方法，定子线棒

23、换位技术等。在大型同步发电机运行中，在其构件中作用着电磁场、流体场、温度场和应力场。这些场的求解问题涉及到电磁场、流体力学、传热学和数值方法等各方面的理论知识。近年来，随着国民经济的持续快速发展，我国电力工业正处于大电网与大机组平行发展的新阶段，全国总装机容量不断提高且不断有新电厂投建和运行。在火电方面，虽然有 200 兆瓦、300 兆瓦、600 兆瓦等级汽轮发电机组已相续成为电网的主力机组，但随着我国现代电机制造工业的发展，1000 兆瓦汽轮发电机组已经研制成功，并已经投入运行。随着 1000 兆瓦特大容量汽轮发电机的研制成功及投入运行，对特大容量发电机的端部电场问题研究等一系列关键技术问题

24、，在当前大电网、大电机安全、稳定和可靠运行的紧迫工程需求背景下，再一次列入电机制造行业的前瞻性研究专题，以推进“挑战与机遇”并存的现代大电机设计与制造的新技术。当前，我国已经制造成单机容量百万千瓦级大型发电机。其定子线棒电压等级达到 27 千伏，对其定子线棒端部防晕结构提出了很高的要求，要求起晕电压更高、防晕长度更短。随着电压等级的提高，如何防止定子绕组产生电晕的问题日益被人们所重视。定子线棒是大电机最重要的部件之一。电机容量的提高在一定程度上取决于定子线棒的制造水平的提高。由于大电机定子线棒绝缘采用的是固体绝缘，或者说是固体气体绝缘，这些气体即存在于固体绝缘之外，也可能局部存在于绝缘内部，这

25、样，在交流电压的作用下，这些气体上因为相对较高的电场强度就有可能发生局部放电或电晕1 -3在定子线棒的出槽口、定子铁芯通风沟边缘以及定子线棒与槽壁间隙处，线棒绝缘表面的电场分布是不均匀的。当上述部位的局部电场强度达到临界场强时，附近气体的带电粒子发生局部游离，出现蓝色的荧光，并伴有放电响声，同时产生臭氧。这种现象叫做电晕4。对于定子线棒而言，最常见的是槽部电晕和端部电晕。随着我国经济的发展，能源问题日益严重。目前，只有核电，才是一种可以大规模使用的工业能源。大型核电机组将会出现一个长期、稳定和持续发展的新局面。核电机组设备制造的主要关键技术之一就是汽轮发电机 27kv以上定子绕组主绝缘及防晕层

26、的设计开发。而发电机定子绕组端部的连接处，更是绝缘的薄弱环节，尽管采取了一系列措施(如防晕漆涂层和分级防晕层等)仍是绝缘事故的多灾区。通常发电机绕组端部采用绑扎或压板结构固定，在运行中由于振动和摩擦使防晕层损坏时，会引起端部表面放电。由于发电机端部电场局部集中，一旦发生端部放电，将对发电机的绝缘产生很大的破坏作用。因此，有必要研究发电机端部电场理论，计算端部电场的分布，为进一步采取合理的绝缘结构和改进现有绝缘结构奠定基础。发电机防晕结构采用外防晕的形式，就是用不同电阻率的防晕带使线圈表面的电位梯度分布均匀。并且线圈不同部位，所用防晕带也不同。因为线棒出槽口处电场十分集中，最易发生电晕。因此，从

27、槽口低阻层开始包扎一定长度的防晕层，改善槽口的电场分布提高槽口起晕电压。因此，有必要针对不同种类的防晕结构计算端部电场，调整防晕层的布置，优化电位分布。反过来，端部电场计算的结果也能指导防晕层的改进和优化。国内外现状在大电机定子端部防晕结构的研究设计工作中，对端部一些容易发生电晕放电的区域可以用有限元法等方法计算其电场分布特性5 7，或用统计方法找出外界因素对电晕放电影响的规律8 9，从而来指导实际生产。但对于定子端部防晕层的理论研究来说，长期以来，都是用套管型结构电场的线性电容链或阻容链等效电路图，然后采用相量法10，根据一定的边界条件，用解二阶线性常微分方程解析解的形式来解决带有固定阻值的

28、防晕结构11 17。而对于 SiC 防晕结构，一般是从上述方法的基础上定性地说明 SiC 防晕涂层比固定阻值涂层的优越性。A.Kelen 在 1967 年推出了确定非线性防晕层结构的经验公式，但比较粗糙18。1977 年平林庄司等用半导体二极管（Diode）非线性特性模拟 SiC 的电阻特性得出一定的结论19 20。19801981 年，哈尔滨大电机研究所刘上椿、李景富21 23用二分打靶法24 25在 DJS-21 计算机上计算了一段和多段 SiC 防晕表面电位、电场分布的数值解，并用图解法完成了对防晕层的优化设计；1986 年，谢恒堃等人用龙格库塔法结合牛顿拉夫逊法对用包含碳化硅在内的几种

29、非线性材料做一段防晕处理的套筒型绝缘结构进行了电场数值计算26，和二分打靶法相类似，属于相量法范畴，即此种方法的出发点是认为如果激励源是交流正弦量，那么沿面各点的相应也是正弦量，且角频率和激励源相同；这种方法对大电机端部防晕结构理论设计有过很大的贡献，现在国内计算 SiC 防晕层的电位分布的数值解基本都是沿用此类方法27；但是这种方法还是有不足的，由于属于相量法范畴，那么就没有充分考虑到碳化硅材料的非线性电阻特性，存在一定的方法误差。1984 年，原武久28等人应用时间周期法对 SiC 防晕层进行求解，考虑了时间因素，也即考虑了碳化硅材料的非线性，在方法上很合理。1998 年，刘瑛岩29等人在

30、总结了电机定子线棒端部防晕层电场现行计算方法的不足基础上，解决了如何计算表面电场非线性控制的问题。采用暂态差分法求解防晕层电路模型，考虑了电路模型中碳化硅的非线性，比相量法更为合理，并在此基础上研讨了带有内屏蔽模型的端部防晕结构的电场计算，以解决对于带有内屏蔽结构的端部防晕结构的定量计算分析问题，用离散节点法解决带内屏蔽防晕结构电场的计算问题。进入二十一世纪后，随着对发电机防晕研究的不断深入，由哈尔滨大电机研究所李振海等人进行的对三峡水轮发电机定子线棒防晕材料及防晕结构的研究，其防晕效果达到了 ABB-ALSTOM的技术要求30,31,32如今对于发电机电晕产生的原理及防治技术已相当成熟了，但

31、是由于各类发电机采用的材料、结构及工艺不同，加之运行条件和维护技术等多方面情况的差异，高压发电机虽然均经过防晕技术处理，正常运行中电晕现象仍屡见不鲜。因此，只有根据高压发电机额定电压、运行条件、绝缘结构等情况，采取恰当的防晕措施，才能有效地防晕33。论文研究的主要内容和应用的软件1.3.1本文工作及研究内容本论文根据Ansoft软件对电机端部进行模拟仿真，通过改变端屏蔽的数量、位置来研究高压电机端屏蔽对线圈表面电场分布的影响。研究内容：（1）从理论上分析电晕放电的机理 （2）了解电机端部防晕技术的发展 （3）提出发电机的防晕措施，并建立模型，通过所选取的软件计算电场分布。 （4）通过改变尺寸和

32、位置等来得出不同结果。 （5）将试验的结果放在一起比较，找出最佳的方案。1.3.2应用软件目前用于有限元分析的商用软件种类很多，在电磁场分析方面比较流行的软件有 Ansys 和 Ansoft。本文在进行电场分析时采用 Ansoft 公司开发的 Ansoft Maxwel4 作为分析软件对发电机建立二维模型，通过Ansoft软件的二维电场分析来计算发电机端部电场分布，并最终绘制曲线。电场有限元计算基本理论理论有限元法的概述随着科学技术的发展，对电气设备要求不断提高，尤其对电机内的电磁场的分析和计算要求从细、深、精方面提高34。以往对电磁场分析的方法，由于其准确性、可靠性以及经济性等方面的不足而逐

33、渐被取代。随着电子计算机在工业各个领域被广泛的应用，以有限元计算方法为代表的数值计算方法有了较大的发展，使用范围超过了以往各种方法，现已成为电磁场问题的主要求解方法之一。有限元法是在差分法和变分法的基础上发展起来的一种数值方法，它吸取了差分法对求解域进行离散处理的启示，又继承了变分法选择试探函数的合理方法，所以大多数电磁场问题的有限元求解方程都是利用变分的方法的原理建立起来的，并且有限元法是将所研究的工程系统转变成一个结构上近似的有限元系统35。其具体地的求解特点，剖分等问题在文献36均已做出详细的介绍，在此不再赘述。电场的计算问题工频交流电气设备中，不同电位导体间的电位差随时间的变化比较缓慢

34、，导体间距离远小于相应电磁场的波长，所以在任一瞬间工频交流电气设备中的电场可近似视作为静电场。静电场的计算分为解析计算和数值计算两大类。解析计算适用于电极和介质形状比较简单的电场，以及某些形状稍为复杂的结构的近似计算。数值计算则可解决边界条件复杂的电场问题。随着计算机技术的发展，数值计算的应用日益广泛。本文的电场计算也采用数值计算的有限单元法。2.2.1电场的基本形态当绝缘材料作为电介质承受一定的电场强度超过规定的界定值时就会丧失绝缘能力而被破坏。若电场强度相对较小，则电介质可能发生局部损坏现象。若电场强度区域范围很大，则电介质将会造成电极间短路并且失去绝缘性能。电介质耐受电场的限度称为临界电

35、场强度E，它除与材料、工艺有关外，还与电极形状、电极间距离、电场不均匀程度、散热条件等因素有关。电场的形态可分为均匀电场与不均匀电场375-6，均匀电场如图 2-1a)所示平板电容器中间部分的电场，除此以外的电场都是不均匀电场，如图 2-1 所示。现代工业和生活中所用的电气设备中电场大多为不均匀电场。为充分利用绝缘材料，提高绝缘结构的击穿电压，必须设法减小电场的不均匀程度。电极表面的电场强度与其表面电荷密度成正比。在电极尖端或边缘曲率半径小，表面电荷密度大，电力线密集，电场强度高，容易发生局部放电，如图2-1a)与图 2-1e)所示。这种现象称为尖端效应或边缘效应，是极不均匀电场的重要标志。所

36、以改善电场的不均匀分布性，需改善电极的形状，避免电极表面曲率过大或出现尖锐边缘。图 2-1 均匀电场与不均匀电场示意图2.2.2 静电场解析计算从电机定子线圈槽部电场理论讲38，在线圈的宽面和窄面的电场为平板电容器电场，而电场情况较复杂的角部可近似的看成同心圆柱电容器的一部分，其计算方法与同轴圆柱间电场相似。图 2-2 所示同轴圆柱电极间电场是不均匀电场377-8，内电极表面电力线最密，场强最大；离内电极越远场强越小；外电极内表面场强最小。离圆柱轴线距离为x处的电场强度为。 （2-1）式中 Q在长度l的电极上的电荷；A 半径 x 、长度 l 的圆柱面面积。式中 Q在长度l的电极上的电荷；A 半

37、径 x 、长度 l 的圆柱面面积。图 2-2 同轴圆柱极间的电场由于内、外电极间电压U 为 （2-2）所以长度为l的电极间电容C 为 C= (2-3) 将(2-1)带入(2-3)，可得 (2-4) 最大场强出现在内圆柱表面，其值为 (2-5) 当 R 为常数，且外施电压变化，改变r ， Er 将有一极小值Er min 。由式(2-5)找出分母出现极大值的条件，解得 r = Re，代入式(2-5)，得 Er min= (2-6)图 2-3 是外半径R 恒定，改变内半径r 时。最大场强量Er 变化情况。如电极间介质为气体，而Er 超过临界场强，则内电极表面发生电晕（气体中的局部放电），可以认为这相

38、当于内电极半径增大。当 r R/e时，由于电晕层表面场强更大，它将不断增大直至间隙击穿，即不会发生稳定的电晕。当 rR/e时，由于电晕层表面场强下降，它可以稳定在某一半径处，所以在电压比较低、气体击穿前会出现稳定的电晕。此后，随着电压升高电晕层不断扩大，当电晕层半径达到 R/e时，再升高电压就发生击穿了。如以击穿前是否出现稳定电晕为电场不均匀程度的划分标志，则同轴圆柱电极间电场的不均匀程度与r R 1/e时为稍不均匀电场。图 2-3 外圆柱半径 R 恒定，变化内圆柱半径r 时，最大场强的变化情况实际绝缘结构中，为满足多方面的要求，并不总是使 r = R/e，常见情况是 r R/e。由图 2-3

39、 可知。 r/ R略大于 1 /e时，Er比Er min 大的并不多。2.2.3 静电场数值计算方程静电场问题在均匀、线性、各向同性煤质中可归结为泊松方程或拉普拉斯方程。泊松方程和拉普拉斯方程表达了场中各点电位的空间变化与该点自由电荷体密度之间的普遍关系，是电位函数应当满足的微分方程。所有静电场问题的求解都可归结为在一定条件下寻求泊松方程或拉普拉斯方程的求解过程39。2.2.3.1二维电场的标量位表述一般情况下，在电机绝缘结构中对二维电场的求解，可归结为如下的边值问题34,36,40： （2-7） 式中，G 为定解场域，1 为电势已知的边界，2 为电势的法向导数等于零的边界，in 为不同介质的

40、分界线。边值问题可化为下列的变分问题：(2-8)2.2.3.2 三维电势的标量位表述 三维有限元法是处理三维场问题的一种十分有效的方法。三维有限元法和二维有限元法在分析过程和解题步骤上基本相似，只是变量由二维增加到三维，在元素形状，剖分等方面具有一定的复杂性。对于三维场，它的边值问题是与二维相似的。与三维场边值问题等价的变分问题是： （2-9) (Ansoft有限元软件高压发电机在出槽口处的机械应力集中，电晕强烈，绝缘常易于损坏，而产生电晕的原因就是电场分布不均匀，因此对对端部电场进行二维分析是必要的。通过建立高压发电机数学模型和对发电机端部的电场Ansoft分析，对高压发电机的防电晕措施进行

41、研究。利用 Ansoft 进行电场分析：第一步：根据电机的参数绘制模型，分别为主绝缘模块，空气模块，铁芯模块。第二步：选择求解的类型。第三步：根据电机的参数设置材料属性，并分别赋予相应的模块。第四步：对模型施加边界条件，同时进行网格剖分。第五步：分析自检，然后对有限元模块进行求解运算。第六步：绘制电压分布场图和曲线。小结本章首先介绍了求解电场的基本方法、电场基本形态等问题，其中重点介绍了电场的解析计算和有限元计算法；然后对电场问题的有限元法，从二维和三维两个方面进行了阐述；最后对本文使用的ansoft软件进行分析，为计算电机端部电场做准备。发电机端部电场分布及改善控发电机端部防晕技术的发展定子

42、端部防晕方法气体发生击穿时除电流剧增外，通常还伴随有发光及发声等现象。根据气体压力、电源功率、电极形状等因素的不同，气体击穿后的放电现象很不相同，大致可以分为以下几种放电形式：在气压低、电源功率很小时，放电表现为整个间隙的辉光放电；在气压不太低(大气压附近)时，放电表现为放电通道收细的火花放电或电弧放电；当电极曲率半径很小，即电场极不均匀时，表现为电极尖端附近局部高场强区的电晕放电15,41。在电气设备绝缘结构中，电场分布大多是不均匀的，如各种带电金属件的尖角、高压架空输电线等，发电机定子绕组槽部和端部电场就是这种情况，尤其是端部电场的分布往往是极不均匀的。均匀电场中，在电压低于击穿电压时，间

43、隙中的电离过程实际上是可以忽略不计的，因此可以认为放电是在事先没有积聚空间电荷的情况下开始发展的。而在极不均匀电场中，在电压还不足以导致击穿前，大曲率电极电场最强处，已发展起相当强烈的电离现象，大量空间电荷的集聚使间隙中电场畸变，对放电过程的发展有很大影响。对放电过程的发展有很大影响。在发电机定子绕组端部电场中，随着电压逐渐升高，在端部尖角附近出现薄薄紫色晕光层，随着电压继续升高，电晕层扩大，电晕电流增大，最终导致整个间隙击穿。电晕放电是极不均匀电场所持有的一种自持放电形式，开始发生电晕时的电压称为电晕起始电压。由此可知，从产生机理上讲，发电机电晕放电的根本原因是发电机绝缘系统中因有气隙或其它

44、杂质造成某些部位电场分布不均匀、局部场强过强，导致附近空气电离而引起的辉光放电。电场分布越不均匀，就越容易发生电晕放电，电晕起始电压就越低。当工作电压在 6kv 以上的电机就有可能出现电晕，电晕在空气中出现臭氧及N2O ，当潮气和上述氧化物结合时形成对绝缘物具有腐蚀作用的酸类，为了防止电晕损坏定子线棒绝缘，应设法消除电晕。对于套管型结构的电场调整，有很多种方法14,15,42，但由于电机内部空间的限制，只能采取有限的几种方法。(1)利用电阻分压来调整电场电机主绝缘的电阻尽管很大，但还是有一定数值的。在直流电压的情况下，电场的分布实际上完全由漏电电阻的影响决定。在交流电压的情况下，电机主绝缘的电

45、阻系数就可以假设成为无穷大，因为此时定子铁心和线圈导体之间的电容电流要比介质的电导电流大的多。如果将某一部分的介质改用半导体，人为地增大其电导系数，电场就可以得到调整。(2)利用内屏蔽来调整电场导体在静电场中是一个等位面，如果将适当的中间电极安置在电场中，那么原来的等位面就要发生变化，从而可以达到调整电场的目的。一般大电机可以在出槽口处的绝缘层中放置半导电层或金属层，形成电容式套管那样的电场结构，以改善出槽口绝缘表面的电位分布。70 年代前，大电机定子端部的防晕主要是采用出槽口处涂固定电阻率的半导电漆，或者以涂半导电漆和内屏蔽相结合的形式。进入七十年代以来，新材料的出现推动了防晕技术的发展。各

46、国普遍采用了含有碳化硅高阻材料取代固定电阻值的电阻层而使防晕水平得到进一步的提高。碳化硅(SiC)是一种高稳定性的半导体材料，碳化硅粉料的电阻率随着电场的增大而变小的特性，所以应用到大电机端部防晕方面效果比固定电阻率的材料更好。目前，大电机的主绝缘体系有两大体系43,44：以美国西屋公司(WestingHouse)为代表的少胶连续绝缘体系，为连续绕包少胶云母带绝缘，经真空压力浸渍无溶剂树脂，再经过模压固化成型，少胶绝缘体系使用的少胶云母片，在线棒上连续包扎云母带后，通过真空将层间的空气排除，然后用高压力将浸渍树脂注入绝缘层中，再置于模具中经过高温固化使得绝缘成为一整体。一般认为该生产生产的电机

47、绕组绝缘可做无气隙绝缘，提高线棒绝缘的整体性，消除线棒内部空气间隙的气体游离放电，电晕发热，提高绝缘寿命。少胶绝缘体系根据绝缘成型工艺方式的不同，分为机组绕组整体浸渍和单只线棒浸渍。以 GE(美国通用电气)为代表的多胶云母连续绝缘，该绝缘体系连续包扎多胶云母带，经过真空干燥处理，再经过热压固化形成绝缘整体。多胶绝缘体系使用多胶云母带，在线棒上连续包扎云母带后，可以根据采用真空干燥，除去绝缘层中和云母带中的空气，挥发成分，再置于模具中加热，加压，迫使云母带中多余树脂流动，填充绝缘层中的空隙，经过树脂的固化，制造出工作电压在 6kv 以上的电机就有可能出现电晕，电晕在空气中出现臭氧空气隙比较少的绝

48、缘线棒。由于多胶绝缘树脂固化过程中树脂是从里往外流动，这为线棒的电晕或局部放电防护处理提供了条件，即可以将防晕层与主绝缘云母带一次包扎，一起固化，使得防晕层与主绝缘形成无气隙的一体，有效提高防晕效果。定子线棒防晕层结构的成型与主绝缘体系有关，主绝缘体系分为多胶模压体系和少胶 VPI 体系两种：涂刷型防晕结构，最初这种电阻层的制造是通过在线圈绝缘上涂漆，包带再涂漆来实现的，涂层所用的漆，经历了沥青，醇酸到环氧为漆基的发展过程。衡量漆的标准主要是它的机械性能，粘合性能和耐温等级。涂层所用的包带材料最初是石棉带。石棉带构成的涂层具有良好的机械性能和粘结性能，它的耐温系数也是其他材料无法比拟的。此外，

49、石棉带作为电阻漆的载体具有稳定的电阻系数。随着电机工业的发展，石棉带作为主要防晕材料不足也为人们逐渐认识。首先，石棉纤维对操作者的健康有较大的影响，其次是石棉带的厚度较大，不能满足先进的电机设计要求。此后它就被较薄的玻璃纤维带所替代，最后由于定子线圈在槽内固定结构设计的改进以及漆基机械性能的改进，定子线圈绝缘设计者干脆取消了漆的载体，这样，槽部和端部防晕层就是完全由漆构成的低阻或高阻层。一次成型防晕结构，是预先将导电漆或半导电漆涂在作为载体的编织带上，在绝缘包扎工序之后，将预刷的低阻带和高阻带包在绝缘上，再转入热压成型工序，防晕层和主绝缘一起热压成型。热压成型后，防晕层是一个固化后带有补强材料

50、的电阻层与主绝缘粘合在一起。用于一次成型预制带漆的载体与涂漆型结构载体的发展相似，开始是石棉带，接着是玻璃带或者人工纤维带，最后是极薄的编织带。目前用于预制带的漆基也有了突破，它能保证低阻带具有 0.07mm，高阻带具有 0.1mm 的厚度，此外，它还具有满足制造和允许要求的其他各种性能，如包扎的工艺性，防晕层的粘结性，电阻稳定性等。一次成型防晕层结构中使用的防晕预制带由专业厂机械化生产，在定子线圈主绝缘包扎完成之后，直接包预制带作防晕层，从生产程序中取消了防晕处理工序，从而缩短了工艺时间，不污染环境，对操作者的危害小，此外，一次成型防晕结构防晕层的表面质量，机械强度都明显优于涂漆型的防晕结构

51、。缺点是造价比涂刷型防晕结构贵，对于半固化型的半导体带子来说，在固化成型过程中半导体漆会浸入主绝缘，从而降低主绝缘的介电强度并造成介损的增大，另一个方面主绝缘的胶也会浸入防晕层而改变防晕层结构的参数。防晕材料种类1、防电晕漆：防电晕漆是防电晕的主要材料，按其电阻值高低可分为低阻、中阻、高阻漆，按漆基不同可分为醇酸防晕漆、环氧防晕漆，前者目前已淘汰。防晕漆的表面电阻率应符合要求，低阻漆表面电阻率应为l10的三次方10的五次方，高阻漆表面电阻率应为10的九次方10的十二次方。非线性高阻漆还要要求阻值能随场强变化。2、防晕带：低阻部分主要有含铁石棉带和浸半导体低阻漆的无碱玻璃纤维带。铁质石棉带由石棉

52、纤维纱编织而成：端部高阻部分采用浸半导体高阻漆的无碱玻璃纤维带。3、低阻材料：如乙炔黑，是气态、液态或固态有机物不完全燃烧时析出的碳。常用作防电晕漆的导电基。此外还有石墨，是碳的一种结晶体，具有耐高温，导热、导电、润滑性好和耐腐蚀等性能。4、碳化硅，用于配制高阻非线性漆。碳化硅具有非线形电阻特性，其电阻率隧外施场强下降，也即具有调节场强的能力。由于碳化硅工艺简单，性能稳定，所以得到了广泛地应用。对于端部采用的碳化硅涂层，中电阻采用320400目碳化硅配制，高电阻采用16001800目碳化硅配制。5、半导体槽衬材料；如半导体布、纸；半导体硅橡胶、橡皮；半导体玻璃布板；现场配制的半导体适形毡、半导

53、体胶等，各厂家的材料区别较大。3.2发电机端部防晕结构及电场分布3.2.1端部防晕结构发电机端部模型如图3-1：图 3-1发电机端部模型其中：1、蓝色为铁芯 2、黑色为铜导体3、绿色为主绝缘4、黄色半导电防晕层本文中发电机防晕结构和参数如下：防晕层长度L=5mm 半导体电阻率 =10的四次方m主绝缘介电常数=4.3 绝缘厚度d =4mm外加电压U =13.8KV 发电机端部模型的电场分布如图3-2：图 3-2发电机端部模型的电场分布3.2.2电场分布采用内屏蔽，即在绝缘内部置入端屏蔽，材料为半导体。（1）置入一个端屏蔽模型如图3-3所示：图 3-3 一个端屏蔽的发电机端部模型电场分布曲线如图3

54、-4所示：图 3-4 一个端屏蔽发电机端部模型的电场分布（2）置入两个端屏蔽模型如图3-5所示：图 3-5 二个端屏蔽的发电机端部模型电场分布曲线如图3-6所示：图 3-6二个端屏蔽的发电机端部模型的电场分布（3）置入三个端屏蔽模型如图3-7所示：图 3-7 三个端屏蔽的发电机端部模型电场分布曲线如图3-8所示：图 3-8 三个端屏蔽的发电机端部模型的电场分布3.3分析端屏蔽置入方式的不同对电场的影响一、长度不变，位置改变（1）置入一个端屏蔽模型如图3-9所示：图 3-9一个端屏蔽的发电机端部模型电场分布曲线如图3-10所示：图 3-10 一个端屏蔽的发电机端部模型的电场分布图 3-11一个端

55、屏蔽的发电机端部模型图 3-12 一个端屏蔽的发电机端部模型的电场分布 图 3-13一个端屏蔽的发电机端部模型图 3-14一个端屏蔽的发电机端部模型的电场分布（2）置入两个端屏蔽模型如图3-15所示：图 3-15 二个端屏蔽的发电机端部模型电位分布曲线如图3-16所示：图 3-16二个端屏蔽的发电机端部模型的电位分布 图 3-17 二个端屏蔽的发电机端部模型图 3-18 二个端屏蔽的发电机端部模型的电位分布（3）置入三个电端屏蔽模型如图3-19所示：图 3-19三个端屏蔽的发电机端部模型电位分布曲线如图3-20所示：图 3-20三个端屏蔽的发电机端部模型的电位分布图 3-21三个端屏蔽的发电机

56、端部模型图 3-22 三个端屏蔽的发电机端部模型的电位分布二、长度改变，位置不变 （1）置入一个端屏蔽模型如图3-23所示： 图 3-23 一个端屏蔽的发电机端部模型电位分布曲线如图3-24所示：图 3-24一个端屏蔽的发电机端部模型的电位分布（2）置入两个端屏蔽模型如图3-25所示：图 3-25 二个端屏蔽的发电机端部模型电位分布曲线如图3-26所示：图 3-26一个端屏蔽的发电机端部模型的电位分布图 3-27 二个端屏蔽的发电机端部模型图 3-28一个端屏蔽的发电机端部模型的电位分布（3）置入三个端屏蔽模型如图3-29所示：图 3-29 三个端屏蔽的发电机端部模型电位分布曲线如图3-30所

57、示：图 3-30三个端屏蔽的发电机端部模型的电位分布图 3-31三个端屏蔽的发电机端部模型图 3-32 三个端屏蔽的发电机端部模型的电位分布三、最佳方案分析：从图中我们可以看出，置入端屏蔽防晕时，首先可以发现发电机端部电场明显减小，同时电场随着端屏蔽数量的增加而减小；其次端屏蔽置入方式的不同对电场也会产生影响，即端屏蔽的长度、位置都是影响电场的因素。最后经过反复试验得出：以坐标轴交点为（0,0），当第一个极板坐标为（1.5,3.8），长度为4mm，当第二个极板坐标为（3.0,3.0），长度为5mm，当第三个极板坐标为（4.9,1.4），长度为6mm时（图3-33），电机端部电场最小（图3-34

58、）。图3-33图3-34结论电晕放电是高压发电机绝缘老化的主要原因之一，通过选择适当的防晕材料和设计合理的防晕结构对高压发电机进行有效地防晕是高压发电机可靠运行和使用寿命的重要手段。本论文对高压电机端屏蔽对线圈表面电场分布的影响进行试验研究，主要得到了以下结论：(1)分析说明了高压电机电晕放电与发电机绝缘之间的联系。由于发电机绝缘介质长期承受着电、热、机械应力以及环境的影响，导致绝缘发生劣化，加之发电机绝缘结构本身存在的缺陷，使得其电场强度分布不均匀而发生电晕放电；反过来，电晕放电又加速了绝缘的劣化，电晕放电继续扩大与发展，最终会导致发电机绝缘被破坏。高压发电机的防晕是高压发电机设计和制造的关

59、键技术之一。(2)对高压电机防晕的根本措施在于尽可能使发电机定子线棒表面的电场强度分布均匀。本论文利用专业的有限元分析软件Ansoft对高压发电机定子线棒端部进行了电场强度分布分析，得到的电场分布曲线图直观地显示了线圈表面的电场分布，为高压发电机有效地防晕提供了依据。(3)通过试验了解了内屏蔽对高压电机端部防晕较为有效，电极板的长度，位置等参数对防晕的影响，从而更好的设计出合理有效的防晕结构。致谢本文是在导师张沛红教授的悉心指导下完成的。张老师渊博的知识，丰富的实践经验，一丝不苟的求是学风，质朴谦和的长者风范，勇于创新的精神等均给我留下了深刻的印象;同时张老师关爱学生，处处为学生着想，体谅我们

60、的难处，让我感到无比温暖，这一切都将对我以后的工作和生活产生深远的影响。一学期以来，我在毕业设计上所取得的每一点成就，无不浸透着导师的心血。在论文完成之际，向我的导师致以深深的谢意。从本篇论文的选题、理论研究和计算机软件分析，一直到论文的撰写与修改，都得到了导师的精心指导和巨大的帮助。导师渊博的知识、严谨的治学态度和崇高的敬业精神，使我受益匪浅，受用终生。在此，谨以此文对尊敬的导师表达一份诚挚的感激之情！在进行本论文的研究工作与撰写的过程中，在读研究生的师兄给了很大的帮助，在此表示真诚的谢意！在做毕业设计的这一个学期，得到了家人和亲朋好友的大力支持与帮助，在论文完成之际，真诚地向他们表示感谢！