毕业论文-发电机定子端部防晕结构设计

1、哈尔滨理工大学学士学位论文 52 -哈 尔 滨 理 工 大 学毕 业 设 计 题 目： 发电机定子端部防晕结构设计 院、 系： 电气工程及其自动化 姓 名： 指导教师： 系 主 任： 2012 年 6 月哈尔滨理工大学学士学位论文PAGE IV发电机定子端部防晕结构设计摘要随着国民经济的迅速发展，单机容量更大的发电机显得迫切需要。然而单机容量的增大势必会使得发电机的工作电压的提高，电压的提高同时也对发电机内部的绝缘结构有了更高的要求，而且内部绕组端部的防晕性能也要求进一步提高。由于运行电压高，发电机定子端部的周围存在着固体与空气介质，导致电场分布极不均匀，电场强度很大，容易产生电晕，因此对防晕

2、结构的要求很高。本文分析了发电机端部场强分布不均匀的原因，对防晕材料进行了研究，主要分析了多级防晕技术，例举了三峡发电机绕组端部的防晕结构设计。从防晕层长度、相对介电常数以及铁芯形状等角度考虑，对防晕结构进行优化，以更好地改变端部电场分布，达到更好的防晕效果。本文主要通过两个方面对防晕结构进行设计，一是通过学习理论知识与举例中的试验数据的比较，得出较为合理的结构；二是通过运用ANSYS软件对绕组端部防晕结构进行仿真，包括建模过程与结果处理，证明该结构设计的合理性，以满足实际的需要。关键词：发电机；防晕；绝缘材料；电场分析The Anti-corona Structure Design of t

3、he End of the Generator Stator AbstractWith the rapid development of the national economy, Greater generator of the single-machine capacity is urgent need. However, the unit capacity increases is bound to make the improvement of the working voltage of the generator, Voltage increase is also greater

4、demands on the generator internal insulation structure, and internal winding end of the anti-corona performance to improve further. Because of the high operating voltage, around the end of generator stator exist the solid and gaseous dielectric, the electric field distribution is extremely uneven, t

5、he electric field strength, and easy to generate corona, so the requirements of the anti-halo structure is very high. This article analysis the reasons for the higher field strength of the end of the stator . This article studies anti-corona materials and analysis the multi-level anti-corona technol

6、ogy. Examples of the anti-halo structure design of the end winding of the Three Gorges generator. From the length of the anti-corona layer, the relative permittivity and the core shape of the point of view, optimize the structure of the anti-corona, in order to better change the distribution of the

7、end of the electric field, to achieve better anti-halo effect. It designs the structure of the anti-corona by two aspects. First, through the study of theoretical knowledge and compares the test data of the examples to arrive at a more reasonable structure; the second is through the use of ANSYS sof

8、tware to simulate the anti-halo structure of the end of the winding, including the handling of the results and modeling process , prove the rationality of the design of the structure, in order to meet actual needs.Keywords: generators; anti-corona; insulating materials; electric field analysis目录 TOC

9、 o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc327953260 摘要 PAGEREF _Toc327953260 h I HYPERLINK l _Toc327953261 Abstract PAGEREF _Toc327953261 h II HYPERLINK l _Toc327953262 第1章绪论 PAGEREF _Toc327953262 h 1 HYPERLINK l _Toc327953263 1.1 发电机定子端部防晕技术的历史发展背景 PAGEREF _Toc327953263 h 1 HYPERLINK l _Toc327953264 1.2 发电机定子端部

10、防晕结构设计的意义 PAGEREF _Toc327953264 h 1 HYPERLINK l _Toc327953265 第2章 发电机定子端部防晕结构 PAGEREF _Toc327953265 h 2 HYPERLINK l _Toc327953266 2.1 发电机定子端部电晕的产生与危害 PAGEREF _Toc327953266 h 2 HYPERLINK l _Toc327953267 2.1.1 定子端部的电场分布 PAGEREF _Toc327953267 h 3 HYPERLINK l _Toc327953268 2.1.2 发电机定子端部电场的理论分析 PAGEREF _

11、Toc327953268 h 5 HYPERLINK l _Toc327953269 2.2 发电机定子端部防晕结构 PAGEREF _Toc327953269 h 7 HYPERLINK l _Toc327953270 2.2.1 发电机定子端部防晕原理 PAGEREF _Toc327953270 h 7 HYPERLINK l _Toc327953271 2.2.2 发电机定子端部防晕结构类型 PAGEREF _Toc327953271 h 8 HYPERLINK l _Toc327953272 2.3 碳化硅防晕层 PAGEREF _Toc327953272 h 10 HYPERLINK

12、 l _Toc327953273 2.3.1 碳化硅（SiC）防晕材料 PAGEREF _Toc327953273 h 10 HYPERLINK l _Toc327953274 2.3.2 碳化硅防晕层厚度对防晕层电学性能的影响 PAGEREF _Toc327953274 h 11 HYPERLINK l _Toc327953275 2.3.3 碳化硅含量对防晕层电学性能的影响 PAGEREF _Toc327953275 h 12 HYPERLINK l _Toc327953276 2.4 其他防晕材料 PAGEREF _Toc327953276 h 13 HYPERLINK l _Toc32

13、7953277 2.5 本章小结 PAGEREF _Toc327953277 h 13 HYPERLINK l _Toc327953278 第3章 防晕结构设计与改进 PAGEREF _Toc327953278 h 15 HYPERLINK l _Toc327953279 3.1 定子端部防晕结构仿真 PAGEREF _Toc327953279 h 15 HYPERLINK l _Toc327953280 3.2 发电机定子端部防晕结构设计 PAGEREF _Toc327953280 h 22 HYPERLINK l _Toc327953281 3.3 发电机定子端部防晕结构仿真 PAGERE

14、F _Toc327953281 h 25 HYPERLINK l _Toc327953283 3.3.1 防晕层相对介电常数对电场分布的影响 PAGEREF _Toc327953283 h 30 HYPERLINK l _Toc327953284 3.3.2 防晕层长度对电场分布和电位分布的影响 PAGEREF _Toc327953284 h 31 HYPERLINK l _Toc327953285 3.3.3 其他优化设计方向 PAGEREF _Toc327953285 h 31 HYPERLINK l _Toc327953286 3.4 本章小结 PAGEREF _Toc327953286

15、 h 38 HYPERLINK l _Toc327953287 结论 PAGEREF _Toc327953287 h 39 HYPERLINK l _Toc327953288 致谢 PAGEREF _Toc327953288 h 40 HYPERLINK l _Toc327953289 参考文献 PAGEREF _Toc327953289 h 41 HYPERLINK l _Toc327953290 附录 PAGEREF _Toc327953290 h 42PAGE 52绪论1.1 发电机定子端部防晕技术的历史发展背景 随着中国经济的快速发展，电机工业已经持续多年高速增长。目前世界上工业发达的

16、几个国家发电设备制造商已具备24kV、26kV级绝缘系统的制造技术，并不向中国转让技术，而国内最高电压等级的绝缘系统水平只能达到22kV级，其关键的绝缘及防晕技术还没有进行深入的研究，与国外先进公司相比还有一定的差距，满足不了市场的需求。在我国约有10亿台电机在运行，每年被烧毁的电机数量在20万台次以上，大部分是绝缘事故，仅维修费用就达20亿元左右，造成的停工停产损失高达数百亿元，所造成的经济损失是相当大的。因此随着大型发电机组单台容量的增长和电压等级的提高，对定子线圈的绝缘结构和防晕措施提出了新的要求。60年代由炭黑或石墨与沥青混合配制成防晕漆, 涂在线圈槽内部位的石棉带表面, 使定子槽口处

17、线圈端部表面电位梯度减小, 消除线圈端部电晕放电。70年代初期哈尔滨大电机研究所成功开发“一次成型”防电晕结构, 这种防晕结构是在定子线棒主绝缘包扎后,直接包扎防晕带,一次固化成型,无需二次处理,即减少污染又极大地提高了生产效率。目前,国内研制的一次成型防晕技术可满足 27 kV 百万千瓦汽轮发电机防电晕技术要求。1.2 发电机定子端部防晕结构设计的意义因为运行电压高，周围存在固体与空气介质，导致电场分布不均匀，所以在定子线棒端部产生电晕是极为常见的。电晕会导致线棒局部温度急剧升高、带电粒子的高速碰撞和化学损伤，会缩短定子线棒的使用寿命甚至破坏线棒1-3。电机的结构特点决定了它常用的是固体绝缘

18、，或者可看成是固体气体绝缘。气体既可能存在于固体绝缘之外，也可能存在于绝缘内部。在不太高的电压下，气体上分到的场强较高时就可能发生局部放电或电晕，它们对绝缘有强烈的腐蚀作用。因而需从选择材料、改善工艺、优化结构等多方面来设法减少电晕及其危害。从节省资源、减少排放、保护环境角度看, 发展高电压、大容量、高性能的百万千瓦级以上大型发电机组, 是今后发展的趋势。三峡左岸机组防晕材料及技术的成功开发,为进一步开发大容量机组的防晕材料和技术奠定了基础。第2章 发电机定子端部防晕结构对于高压电机来说，定子线棒主绝缘采用的是固体绝缘，确切的说是固体-气体绝缘。这些气体既存在于固体绝缘之外，也存在于绝缘内部，

19、在交流电压作用下，这些气体因为承受相对较高的电场强度就有可能发生局部放电或电晕4。发电机定子端部电晕是指绕组端部出槽口处电晕，其产生的原因是由于定子线棒端部绝缘表面的泄漏电流向铁心方向递增，因此出槽口处绝缘表面的电压降最大，也就最容易先起电晕，这一点可以由定子端部结构示意图及等效电路电路图看出。2.1 发电机定子端部电晕的产生与危害在很不均匀的电场中，电压还比较低的时候，尖端处的场强就已经超过临值，尖端处即出现自持放电。由于离尖端稍远处场强已大大减小，故游离放电只能局限在尖端附近的空间而不能扩散出去。该区域内所形成的离子在复合时将辐射出光子，其中一部分在可见光的频谱范围（其他大部分为紫光），人

20、们看见均匀的发光层笼罩在电极周围，这就是电晕。当电压再提高时，如电极间距离不大，则可能从电晕放电直接转变成间隙的火花击穿；如电极距离增大时，则从电晕到击穿之间还有刷形放电的国过渡阶段，刷形放电是气隙的不完全击穿。当电压继续增大时，刷形放电增长到达对面的电极，就转化为火花击穿。当电源功率足够大时，火花击穿就迅速转变成电弧。 在高压发电机内，有一些部分是很容易产生电晕的，如（1）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，是最易产生电场的地方；（2）铁芯段通风口处：通风槽口处属于尖锐边缘，易造成电场局部不均匀；（3）线棒表面与铁芯槽内接触不良或有气隙处；（4）端箍包扎处、端部异

21、相线棒间：绕组端部电场分布复杂，特别是线圈与端箍，绑绳与垫块的接触部位和边缘，由于工艺的原因往往很难消除气隙，在这些气息间很容易产生电晕。本文讲述的就是定子端部出槽口处的电晕分析及防晕措施5。 电晕的产生会产生很严重的后果，对高压设备的绝缘性能造成严重的损坏。电晕放电产生的晕光是电极表面游离区域的放电过程造成的。游离区域内的分子，在电场的作用下，产生激发、游离，形成大量的电子崩，并且不断复合，在复合过程中，产生辐射，从而产生晕光。从发生电晕的物理过程分析，高压装置产生电晕光是有害的。首先，产生电晕时，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；其次，电晕放电还能使空气发生化

22、学反应，产生臭氧及氧化氮等产物，引起绝缘腐蚀；另外，在电晕放电过程中，流注会不断熄灭和重新爆发，出现放电的脉动现象，产生高频电磁波，引起对无线电信号的干扰、电视干扰以及噪声干扰；高压电气设备，发生电晕放电会逐渐破坏设备绝缘性能，使电气设备损坏。因此，高压装置要采取工艺措施，限制电晕的形成6。发电机电晕的产生与以下因素有关：(1) 与海拔高度有关，海拔越高,空气越稀薄,则起晕放电电压越低。(2) 与湿度有关，湿度增加,表面电阻率降低,起晕电压下降。(3) 端部高阻防晕层与温度有关，如常温下高阻防晕层阻值高,则温度升高其起晕电压也提高。常温下如高阻防晕层阻值偏低,起晕电压随温度升高而下降。(4)

23、槽部电晕与槽壁间隙有关，线棒与铁芯线槽壁间的间隙会使槽部防晕层和铁芯间产生电火花放电。环氧粉云母绝缘最易产生局部放电的危险间隙在是0.20.3mm左右。目前我国高压大电机采用的环氧粉云母绝缘的线膨胀系数很小,在正常运行条件下,环氧粉云母绝缘的线棒的膨胀量不能填充线棒和铁芯间的间隙.这是与黑绝缘区别比较大的地方。(5) 与线棒所处部位的电位和电场分布有关，2.1.1定子线棒至铁芯间的电场在槽内的分布比较均匀，而端部却十分不均匀。如图2-1所示。图2-1 出槽口处电场分布示意图图2-2 出槽口处等值电路-体积电容，-导线对地电容。由图2-2可以看出，绝缘层的泄漏电流不是均匀分布的，假设导线对铁心的

24、电位为U，那么在它的作用下，等效的对地电容有电流流过，并通过绝缘层流入地电位的铁心，离铁芯越近该电流越大。也就说明越靠近铁心一端，电压降就越大，即场强越高。若用X表示出线端的向外延伸长度，电压随X的增大将越来越高，而电场强度随X的增大将越来越小。如图2-3（a）和2-3（b）所示。图2-3出槽口处电位U与电场强度E随距离X的变化示意图可知，端部不采取防晕措施，泄漏电流的存在会导致端部的电场分布极其不均匀，容易产生电晕。防晕工作就是从改善极不均匀电场入手的。改变电场分布，在电工上是经常遇到的问题，但在发电机中，由于场合不同，所用的措施也有所不同。这样的电场分布就像套管法兰、电缆终端那样具有很强的

25、沿表面的切向和垂直分量，因而改善电场分布、提高起晕电压的措施也相似。2.1.2分析出槽口处点位分布、设计半导体层时的等值电路中，由于在计算过程中对电位计算影响较小，就忽略了材料的体积电阻和表面电容。出槽口处半导体层的等值回路如图2-4所示。图 2-4 出槽口半导体层的等值回路 图中1为铁芯，2为绝缘，3为导线。L为出槽口处半导体层的长度， RS、及RS0、分别为涂及未涂半导体层时的表面电阻、电阻率。可列出离槽口x处对导线的电位差UX的方程 （2-1）因此 （2-2）式中 出槽口处的表面对导线间的电位差； 系数，。沿面电位分布中的最大场强常出现于出槽口处 （2-3）通常，因此，则 （2-4）而在

26、半导体层终端处，导线与绝缘表面的电位差可按式（2-2）求得 （2-5）因而在选取半导体层的电阻率及长度时必须兼顾E0及U1。如果取得很低，E0固然很小，这里不再发生电晕；但小、又不大，将近于1，使U1接近U0，将出槽口处的电晕转移到低阻值半导体层的终端去了。为此，一般是使E020kV/cm(有效值），又使U1330V,以便两处同时满足要求。电机的防晕方法，按照原理的不同可分为电容分压与电阻均压两大类型。按结构方式的不同，可分为内屏型和表面型两大类。可以采取以下措施：（1） 增大表面电导电流，以相应的减小因体积电容电流所导致的表面电位不均匀分布，如常在此涂半导体漆、包绕半导体带的方法，但在端部用

27、的半导体层的表面电阻率比槽部用的高，最好将半导体层分为几级，离槽口远处用的阻值应增大。级数越过均匀电场分布的效果越好，但由于受工艺和经济条件的限制，对于不同电压等级的防晕结构要选择合理的级数。目前国内外对于高压电机绕组端部采用的是五级防晕结构（2） 像电容式电流互感器里一样，于电机出槽口处的绝缘层中加入一些内屏蔽，通过控制出槽口处绝缘内部电场来改善沿面的电场分布，但仍宜配合表面半导体层（外屏蔽）共同使用。图2-5为一18kV绕组在出槽口处采取的一种两级半导体层方案7。近槽口处用涂半导体漆的玻璃丝带4，表面电阻率=107109，而在其终端处盖以阻值高些的半导体漆层5，=1091011图2-5 1

28、8kV绕组出槽口处防晕结构图中 1-导体，2-主绝缘，3-低阻层，4-中阻层，5-高阻层，6-绝缘覆盖层，7-铁芯。2.2 发电机定子端部防晕结构由于槽口处电场集中，使定子绕组线圈端部出槽口处绝缘表面电位梯度很高，额定电压6kV及以上电机的定子绕组出槽口处已处于起晕状态。耐压试验时，若试验电压超过30kV，线圈端部若未进行防晕处理，将会产生严重的沿表面放电甚至闪络，使耐压试验无法进行，因此，高压电机定子绕组线圈端部表面必须进行防晕处理。要求单只线棒耐压试验时，防晕层不能过热冒烟，无滑闪放电现象。2.2.1 防晕的原理是使槽口外线圈端部表面电位梯度尽量均匀。其方法（1）内屏法，在线圈槽口绝缘内部

29、适当部位插入电极（通常可插入个内屏，电极材料是箔或者网状导体或半导体），以形成套管型结构，通过电容分压原理来达到表面电位梯度均匀化。其缺点是工艺太复杂，而且要考虑主绝缘层在线棒成型时的收缩或应力，可能导致埋入的内屏电极起皱或开裂，引起新的电场集中甚至极间短路，使线棒成品率降低，因此较少采用。（2）线性电阻调解法，通过降低线圈端部的电场集中处的恒定表面电阻来达到电场均匀化。即在电场集中处涂电阻率不同的半导体漆，其缺点是起晕电压不高，而且不大稳定。（3）非线性电阻调节法8，以电阻具有非线性特性的碳化硅为基础制作防晕材料，其电阻率能随电场强度的增加而自动降低，因而能自动调节场强的分布，是端部表面场强

30、的分布比较均匀。目前国内外均广泛采用9。2.2.2 目前世界各电机厂广泛采用的端部防晕方案有两种：涂刷型和一次成型两大类。(1)涂刷性防晕结构用含碳化硅的高阻防晕漆，涂刷或包绕在线圈低电阻防晕层末端到线圈端部表面80300mm 长度范围内。高、低电阻防晕层搭接长度2030mm，随额定电压的不同，涂刷层数和每层的涂层长度有所不同。多胶模压线圈采用涂刷型防晕工艺，使防晕层的阻值不受主绝缘胶的影响。半固化的半导体带采用一次成型工艺，一般用半叠包绕式，缺点是其阻值受模压是主绝缘胶的影响而达不到预期值。另外半导体漆浸入主绝缘使得介电强度下降，介质损耗增大。全固化型半导体带（包括PAN半导体带）采用一次成

31、型工艺可克服上述不足，但线圈固化成型后轴向阻值不连续。解决这个问题的办法是，在主绝缘与防晕层之间加垫较窄的半导体带，半导体带一般应加垫在线圈的大面，而且防晕层可采用并绕方式，以降低防晕层厚度。(2)一次成型防晕结构少胶整浸体系的线圈一般采用全固化型半导体带的一次成型工艺。采用这种材料与工艺能够保证防晕层阻值不受主绝缘及浸渍胶的影响，而且防晕层的材料也不会污染主绝缘及浸渍胶。但要求防晕层具有良好的渗透性，以便在抽真空时（VPI工艺）主绝缘中的气体能够排出，同时在浸胶时浸渍胶能浸入主绝缘。聚丙烯腈（PAN）碳纤维半导体带由纯纤维组成，具有网孔，能够很好地满足渗透性的要求。而全固化型半导体带本身渗透

32、性较差，只能在结构上采取措施加以解决。试验结果表明，全固化型半导体带并绕结构具有良好的渗透性。这种结构一再产品中应用。其原理是浸渍胶可以从并绕的带间浸入主绝缘，非整浸的线圈则可以采用涂刷性工艺，也可以采用一次成型工艺。 对大电机线棒端部进行防晕处理的办法通常是在线棒热压型后在线棒端部表面涂刷漆,这就是“两次成型”工艺。如果发电机工作电压不高,只要涂刷一段电阻值适当的漆就行了,即“一段处理”；如果发电机工作电压较高,就要分段刷漆,紧靠槽口刷一阻值较低的防晕漆,而紧挨着第一段防晕漆,刷电阻值较高的防晕漆,即“两段处理”。刷漆时,为了便于控制电阻值并使涂刷牢靠,往往要按一定工艺要求缠上玻璃丝带或石棉

33、这种办法的优点是便于返修,但其缺点很多:1.整体性差 ,防晕层与主绝缘层间容易分层,如果线棒成型后表面不平,那么加防晕层后很难避免在主绝缘与防晕层间存在气隙,运行后可能出现内腐蚀现象；2.可靠性差,在电机强烈振动、高速风力以及电晕放电下,胶粘剂逐渐老化,防晕层逐渐粉化而剥落,出现严重的外腐蚀现象；3.影响工人健康,这是由于防晕漆中有大量溶剂,而操作要求十分细心,不可避免会吸入大量溶剂；4.结构、工艺都比较繁琐。 因此 ,哈尔滨电机厂、德阳东方电机厂等单位很早就主张在工艺上把“二次成型”改为“一次成型”,把涂刷防晕漆改为包绕碳化硅防晕带,即在铜排上包绕主绝缘后包绕防晕带,外面 再包三层附加绝缘,

34、然后整个线棒进行热压成型(模压或液压)。这种结构工艺的优点是1.整体性好；2 .牢靠；3.改善了工人操作条件；4 .工艺结构比较简单。试验表明 ,这种防晕结构能满足18、20千伏电压等级电机防晕要求10。上述两种结构都可以是一段或多段式，各段的和要求相互配合，才能取得较好的防晕效果。一般靠近槽口的防晕段其较低，较高，而远离槽口的防晕段其较高，较低。线棒包完主绝缘及低电阻防晕层以后，在低电阻防晕层末端延伸到线棒端部部表面上，包绕150300mm长的高电阻防晕带，外面再包绕保护层，然后同主绝缘一起固化成型。对高电阻防晕带的性能要求与高电阻防晕漆相同。线棒成型时，线棒主绝缘中的胶可能与防晕带中的胶相

35、互渗透，从而破坏了原来的防晕结构，降低了防晕性能，因此该结构防晕参数较难控制，但这种结构的线棒在运行中的防晕性能相当稳定。为了有效地均匀端部电场，一般采用多级防晕结构（包括防晕层的延伸，称为低阻层）。但级数不应过多，因为级数过多会给级间参数配合带来困难，而且工艺也比较复杂。低阻层的线性阻值与槽部一样为机的额定电压及非有效铁芯的形状尺寸有关。中低阻层搭接层、中阻层、中高阻层搭接层及高阻层的长度和非线性参数可根据计算机优化程序来确定，也可以用试验的方法来确定，图2-6为一高、低阻防晕结构图示。图2-6 端部防晕结构示例2.3 碳化硅防晕层 端部采取防晕措施的目的是，是使端部电场分布均匀，使得在1.

36、5UN(额定电压)下不产生电晕，在耐压试验过程中不放电，不过热。对端部防晕材料的要求与槽部类似，不同的是要求具有良好的非线性。而对碳化硅（SiC）的研究证明出其电阻随电场强度的增加而降低的非线性半导体材料，可使表面电场的分布曲线从锯齿状曲线变成比较平整的分布。2.3.1 碳化硅（对于线棒端部防晕，人们希望得到这样一种材料：其电阻值随电场强度的增加而自动降低，从未达到自动调节场强的目的。碳化硅材料具有非线性导电特性，其电阻率随外施场强的增大而下降，可以作为防晕材料。1976年，巫松桢、陈寿田等人通过大量实践认为，对于电机防晕用碳化硅材料其非线性主要考虑电阻率和场强两个因素，二者符合如下规律11

37、,式中 为场强，是未加电场的电阻率，为碳化硅的非线性系数，表征碳化硅的电阻随场强提高而下降的能力。对于碳化硅防晕材料， 和是两个十分重要的参数。研究中发现 ,当改变防晕厚度，以及改变漆中碳化硅的含量时，可大幅的改变防晕层的表面电阻率和非线性系数 ,这可为实际生产中控制防晕层的电学性能提供理论依据。2.3.2碳化硅防晕层厚度对防晕层电学性能的影响,规定同样的碳化硅含量的防晕带，对不同层数的防晕带进行试验测量，得出结果如图2-7和表2-1所示。表2-1 防晕层厚度对其表面电学性能的影响层数1层2.2310122.732层1.110112.763层3.9310102.894层2.6210102.91

38、5层1.9610102.96图2-7 改变防晕层厚度时的曲线可见，随着涂层层数的增加 (即涂层厚度的增加)，防晕层的非线性系数由1层时的2.73cm/kV提高到 5层时的2.96cm/kV；而表面电阻率由一层时的2.231012cm,下降低至五层时的1.这主要是因为:虽然电流主要经线棒表面的防晕层流过，但当加到一定的电压时，部分电流也会从涂层内部流过，形成体电流。当涂层厚度增加时，从体内流过的电流增加，此时相当于电阻并联，从而使得线棒涂层的表面电阻率减小，非线性系数增大。然而当防晕层厚度增大到一定值时，表面的电学性能变化就不是很明显了，例如从一层增加到二层时，防晕层表面电阻率由2.231012

39、cm减小到1.11011cm，变化幅度较大。而从四层增加到五层时，电阻率仅由2.621010cm减小到1.962.3.在试验中发现，在防晕层中树脂与碳化硅比例发生变化时，防晕层表面的电学性能也会出现变化。防晕层中树脂与碳化硅比例变化对防晕层表面的电学性能影响如图2-8和表2-2所示。表2-2 防晕层中树脂与碳化硅比例变化对防晕层表面的电学性能影响树脂漆与碳化硅比例1:29.17310101.351:42.7510101.531:61.3110101.741:87.8621092.031:106.881092.421:126.111092.63图2-8 改变防晕层中漆与碳化硅比例时的曲线可见，随

40、着碳化硅在防晕层中所占的比例增大时，防晕层的表面电阻率由比例是1:2时的9.1731010cm减小到1:12时的6.11109cm；非线性系数由1:2时的1.35cm/kV增大到1:12时的当碳化硅的含量增大到某一值时，防晕层表面的电阻率变化减小。这是由于碳化硅颗粒分散于树脂中，在碳化硅含量较小时，颗粒之间存在较厚的树脂膜，能直接接触的碳化硅颗粒较少，接触面积也较小。当碳化硅含量提高时可大幅提高碳化硅颗粒相互接触的数量和接触面积，因而可大幅降低防晕涂层的电阻率，并增大其非线性系数；当防晕层中碳化硅含量超过一定值时，碳化硅颗粒间已充分接触，在增加碳化硅的含量不能大幅度地增加碳化硅颗粒间的接触面积

41、，因而也不能大幅地改变防晕层的电学性能13。由上可以看出：（1）随着碳化硅防晕层厚度的增加，碳化硅防晕层的非线性系数提高，表面电阻率下降；（2）随着碳化硅粉料对防晕漆的比例的增大，碳化硅防晕层的非线性系数提高，表面电阻率下降。现阶段国内的SiC产品主要用作磨料和耐火材料，生产中使用的是天然矿物原料，组成波动大，加之生产工艺比较粗放，对SiC的电学性质不考核不控制，使碳化硅的电学性能很难稳定，各个碳化硅生产厂家生产的碳化硅，其电学性能有很大差别，即使同一厂家，各个批次生产的产品其性能也有较大的差别。这一情况给电机防晕用碳化硅粉料的正常使用带来许多困难。研制电阻率和非线性系数处于特定数值范围的，稳

42、定的电机防晕专用碳化硅粉料已迫在眉睫，并且要制定相关质量标准和检测方法。2.4 其他防晕材料 目前使用的防晕漆有醇酸半导体漆、聚酯半导体漆及环氧半导体漆等。环氧半导体漆的韧性较差，但组织较为稳定。半导体带有固化型环氧半导体石棉带、半固化型环氧半导体玻璃丝带、全防晕层固化型聚酯半导体玻璃丝带、聚丙烯腈（PAN）碳纤维半导体带等。石棉带的厚度较厚，已逐渐被玻璃丝带所取代，但在一些定型的老产品中仍有使用14。 防晕材料的选择是根据国内对防晕带的电阻率及非线性系数的测定，根据几种对高压电机定子线棒端部电场分布计算，如遗传计算法和打靶法对边界条件进行优化设计的结果。2.5 本章小结本章首先对电晕的含义，

43、产生的危害和影响因素进行了简单的介绍，进而强调了防晕的重要性。随后对本文研究的问题进行了理论性的分析，基于对现有防晕结构技术的了解，想要进一步改进优化防晕结构，对防晕材料的特性进行了讲述，希望通过材料性能的改变来提高防晕技术。第3章 防晕结构设计与改进对防晕结构的设计有一定的要求， 各级防晕层（包括各级间的搭接层）的始端电位梯度，在试验时不超过8.1kV/cm； 各级防晕层（包括各级间的搭接层）的始端单位表面损耗在同一数量级内，且不超过0.6W/cm2； 最后一级防晕层末端对导体的电压在规定的相应电压等级指标（如表3-1）； 1min耐压试验标准:（1.5UN+2.25）kV；交流耐压试验时防

44、晕层表面温度不超过45。3.1 定子端部防晕结构仿真利用有限元法对绕组端部电场进行分析求解， 使用ANSYS软件建立绕组端部模型，选额定电压为20kV的绕组进行仿真。建模主要过程包括：参数定义，实体建模，网格剖分，计算求解和结果处理。对绕组端部未加防晕层时进行仿真，建立模型，如图3-1。图 3-1 未加防晕层的定子端部模型1铁芯，2主绝缘，3导体，4空气端部电场分析对于导体和铁芯不需要进行剖分，主要是对空气和绝缘部分进行剖分，剖分结果如图3-2。图3-2 未加防晕层定子端部剖分结果由于绝缘层厚度相对较小，对其剖分局部放大可以看出，剖分单元由四边形和三角形构成，单一的四边形不能再进行剖分。图3-

45、3为绝缘层局部剖分图。图3-4所示区域虽然曲率半径小，但是电力线不向铁芯侧汇集，场强并不高。图 3-3 未加防晕层定子端部绝缘层局部剖分图图3-4 未加防晕层定子端部绝缘层局部剖分图之后加载边界条件，铁芯设置为零电位，导体加20kV电压，其余边界条件属于第二类边界条件，选择默认，系统自动满足，进行计算，计算结果如图3-5。图3-5 未加防晕层时定子端部仿真计算结果 最后进行后处理，分别给出未加防晕层时端部的电位分布和电场分布图，如图3-6和图3-7。可以看出，端部的电位梯度较大，电场值较高。最大电场值出现在端部附近，一些关键点已经在图中标出。其中电场最大值为3693.92V/mm,坐标为（20

46、0,85,0），铁芯端部横坐标为200，则最大场强出现在铁芯端部。图3-6 未加防晕层定子端部电位分布图图3-7 未加防晕层定子端部电场分布图图3-8未加防晕层定子端部场强分布放大图 从图3-8中可以看出绝缘层内电场分布和空气中的电场分布在端部有明显的变化，越靠近端部，场强越高。对结果进行后处理，制作端部电位变化曲线和端部电场变化曲线，如图对结果进行后处理，制作端部电位变化曲线和端部电场变化曲线，如图3-9与图3-10所示，电位和电场随远离端部距离的变化曲线与前面理论分析所述的情况（图2-3）一致。横轴表示远离绕组端部向外的长度，纵轴表示对应的防晕结构表面的电位与电场强度。越靠近端部，电位梯度

47、越大，场强越高，而且端部的电场强度超过了8.1kV/cm，容易产生电晕，对此要进行防晕处理。图中所示均为合成场强（包括X轴方向和Y轴方向）。图3-9 未加防晕层定子端部电位变化曲线图3-10 未加防晕层定子端部电场变化曲线3.2 发电机定子端部防晕结构设计从整体段数的多少来对防晕结构进行优化试验，以三峡发电机防晕结构举例，通过两段防晕结构与三段防晕结构进行比较。利用传统的防晕结构进行三峡主要防晕材料及结构的选择和优化选择。传统防晕结构示意图见图3-11，图中B为防晕层末端至引线的放电距离。图3-11 传统半截防晕结构表3-1 各等级防晕层末端临界电压U额定电压，kV2022242627单面绝缘

48、厚度d，mm5.35.86.36.87.01min试验电压，kV6267737881高阻末端允许最大电压U，kV353637.53939.5哈尔滨电机厂根据优化原则对FB系列防晕带的电阻率及非线性系数进行了大量的试验和不同电阻值的防晕进行优化搭配，所以本例用两段和三段防晕进行结构的优化试验，确定最佳的材料和结构。选择哈尔滨电机厂的高阻防晕带FB-3，FB-4，FB-5和新开发研制的26kV高阻防晕带HDY系列进行三峡发电机定子线棒防晕结构的试验。防晕结构试验线棒采用多胶模压“一次成型”工艺，通过大量的结构试验，在保证起晕电压、交流耐压试验等指标达到ABB-ALSTOM要求后确定采用两段防晕结构

49、和材料，具体尺寸如表3-2所示。试验数据如表3-3所示。表3-2 两段防晕材料及尺寸图3-10中代号低阻层AL1L2L3材料低阻带FB-4FB-3尺寸130140160表3-3 两段防晕结构试验结果试验项目起晕电压，kV交流耐压试验80闪络击穿电压，kV平均值33.67通过89.17对于高压电机定子线棒端部防晕结构，从理论上讲防晕级数越多防晕效果越好，但是防晕级数越多线棒的制造工艺越复杂，容易出现不合格产品，所以对三段防晕结构进行试验，确定了表3-4所示的结构，实验结果如表3-5所示。3-4 三段防晕材料及尺寸图3-10中代号低阻层AL1L2L3材料低阻带FB-5FB-4FB-3尺寸mm130

50、50120150表3-5 三段防晕结构实验结果试验项目起晕电压，kV交流耐压试验80闪络击穿电压，kV平均值33.5通过112.5试验数据表明，三段防晕结构比两段防晕结构效果好，交流耐压和闪络击穿电压水平得到提高，防晕带电阻率FB-5，非线性系数；防晕带电阻率FB-4,非线性系数；防晕带电阻率FB-3,非线性系数。国内传统的两段和三段防晕结构可以满足三峡定子绕组单根线棒的防晕要求，但对于三峡定子绕组水内冷，传统的防晕结构就满足不了防晕要求，由于定子绕组并头绝缘和内无填充绝缘，所以防晕结构必须按ABB-ALSTOM公司标准对三峡结构进行国产化研究。结构的改进是在传统的三段防晕结构的外表面包一层高

51、阻带直至引线处。用FB系列防晕带与进口ABB-ALSTOM防晕带搭配进行应用试验，即内层防晕采用国内传统的三段结构，在其外面包三层F级环氧玻璃粉云母带附加绝缘，最外层包绕一层217.55（国外牌号）高阻带至引线处，模压一次成型。 图3-12 三峡发电机定子线棒的最终防晕结构各项防晕技术指标均达到ABB-ALSTOM的要求，见表3-6。因此，三峡发电机定子线棒的最终防晕结构15如图3-12。表3-6三峡发电机定子线棒最终防晕性能起晕电压，kV交流耐压80闪络击穿电压，kVABB-ALSTOM标准认证结果ABB-ALSTOM标准认证结果ABB-ALSTOM标准认证结果50通过通过139接下来对端部

52、防晕层各段电位进行测试，其端部电位测试图如图3-13，电位分布数据结果如表3-7，电位分布曲线如图3-14。 3-13 三峡真机线棒端部电位测试图表3-7 哈电制造的三峡真机线棒端部电位（kV）试验电压，kV2002.512.2515.3514.014.114.6514.853003.015.222.3522.2522.022.422.85由图3-14可以看出，端部电位分布趋于平缓，即电场分布较为均匀，达到了均匀电场，预防电晕产生的效果。上述端部防晕结构设计已经满足了使用要求,合理性与经济性也都满足要求。图3-14三峡定子线圈端部电位分布曲线3.3 发电机定子端部防晕结构仿真利用ANSYS软件

53、对20kV级定子线棒利用ANSYS软件进行端部电场分析，额定电压为20kV；主绝缘层厚度5mm，相对介电常数=5，防晕层相厚度为10mm，相对介电常数=3，空气：相对介电常数=1；低阻层长度180mm，中阻层长度110mm，高阻层长度160mm；铁芯高度775mm，端部宽度取200mm，线棒外伸弯角选择30。端部防晕结构模型如图3-15所示，对空气、防晕层和主绝缘区域进行电场分析。图3-15 定子端部防晕结构模型1铁芯，2导体，3主绝缘，4低阻层，5中阻层，6高阻层，7空气根据图3-15进行建模，对分析区域进行剖分，得出图3-16。图3-17为剖分局部放大图，剖分单元有四边形和三角形，两者可以

54、搭配选择。图3-17对防晕层和主绝缘进行了三角形单元剖分。图3-16 加防晕层定子端部防晕结构仿真剖分图图3-17加防晕层定子端部防晕结构仿真剖分局部放大图加载边界条件进行计算，得出图3-18，对结果进行处理，得出图3-19端部电位分布图。图3-18 加防晕层定子端部防晕结构计算结果图3-19 加防晕层定子端部电位分布图图3-20 加防晕层定子端部沿X轴方向的电场分布图3-21加防晕层定子端部沿Y轴方向的电场分布图3-22 加防晕层定子端部合成场强分布图图3-23 加防晕层定子端部电场分布放大图图3-20最大场强点坐标为（279.891,95），大小为96.8167V/mm,最小点坐标为（20

55、0,95），大小为-700.351V/mm；图3-21最大场强点坐标为（200,95），大小为1538.77V/mm,最小点坐标为（257.367,88.3571），大小为88.3571V/mm；图3-22最大场强点坐标为（200,95），大小为701.009V/mm,最小点坐标为（692.082,870），大小为0.0311V/mm。图3-24为定子端部电场变化曲线，调处数据输出，显示在远离端部的防晕层表面有两个小的峰值出现，坐标为（478,105）和（498,105），大小分别为49.894V/mm和47.581V/mm，分别处于防晕层的搭接处。图3-24 定子端部电场变化曲线3.3.建立

56、模型，假定绝缘层的介电常数及其他结构参数不变的情况下，设定五组不同的介电常数，用于改变防晕层的参数，分别进行分析计算，得出下列数据。取=3，进行建模举例。表3-8 不同介电常数的防晕层所对应的最高场强相对介电常数34567912最高场强值E，kV/cm8.0298.2558.3278.3498.3418.2778.127上表选定主绝缘和空气的相对介电常数，分别为5和1，在不改变其他的条件下得出的结果。可以看出，当防晕层的相对介电常数接近主绝缘的相对介电常数时，最高场强变大，而当防晕层的相对介电常数向两端取值时，最高场强在下降。当由3612变化时，最高场强E由8.0298.3498.217 V/

57、mm变化。但是相对介电常数过大，导致防晕层的体积电容增大，储能会相应的增加，所以介电常数应该从小的方向取值，其中=3时对应的最高场强值就符合8.1kV/cm的要求。3.3.2 防晕层长度对电场分布各个防晕层搭接处位置的变化有可能改变电场分布或者电位分布，因此改变防晕层的长度来进行分析，选择低阻层长度作为变量，整体的防晕结构长度不变，得出下列数据。表3-9 不同长度的防晕层所对应的最高场强和防晕层末端电位低阻层长度，mm100160180200最高场强值E，V/mm1126.59827.244701.009664.893防晕层末端电位U,V20000204772038320802可以看出，随着低

58、阻防晕层长度的增加，端部最高场强逐渐降低，而防晕层末端电位在逐渐升高。增大低阻层的长度可以降低最高场强值，但是防晕结构性能要求对防晕层末端电位有一定的限制（表3-1），同时长度的增加也增大了成本的投入，所以低阻层的长度不能取得太长，长度为180mm时场强小于8.1kV/mm,已经满足了要求。3.3.3 其他优化设计方向改变电极的曲率半径也可以改变电场的分布。发电机定子绕组的铁芯端部为直角形式，如果将其变成圆弧形会影响到端部场强的分布。选取曲率半径为100mm的圆角定子端部进行仿真。建立模型，选择三角单元，进行剖分，剖分结果如图3-25所示。图3-25 圆角定子端部结构剖分图图3-26为剖分局部

59、放大图，随后加载边界条件，进行计算，结果如图3-27所示。图3-26 圆角定子端部结构剖分局部放大图图3-27 计算结果进行结果处理，调出端部电位分布图和电场分布图，如图3-28所示。图3-28 圆角定子端部结构电位分布图图3-29 圆角定子端部沿X轴方向电场分布图图3-30 圆角定子端部沿Y轴方向电场分布图图3-31圆角定子端部合成电场分布图图3-29最大场强点坐标为（386,105），大小为20.263V/mm,最小点坐标为（155.087,111.541），大小为-387.349V/mm；图3-30最大场强点坐标为（100,95），大小为1843V/mm,最小点坐标为（201.516,1

60、92.414），大小为-33.1495V/mm；图3-31最大场强点坐标为（100,95），大小为1844V/mm,最小点坐标为（692.082,865.64），大小为0.0591V/mm。图3-32为铁芯端部为圆弧形（曲率半径为100）时所对应的定子端部电场分布。图中标出几个关键点，其中1,2,3为防晕层与空气接触面，即防晕层外表面上的点，4为铁芯与防晕层接触点。图3-32 圆角定子端部结构场强分布放大图取不同的曲率半径，分别对图中相应四点进行仿真，得出表3-10的数据。曲率半径单位：mm，场强单位：V/mm。表3-10 不同曲率半径所对应的关键点的场强关关键点曲率半径123460208.8