高压电机定子绕组绝缘涂层仿真研究

胡 波，张 跃，黄绍波，何明鹏，周 进

(东方电气集团东方电机有限公司，四川德阳 618000)

0 引言

近年来，我国电力行业陆续设计、制造和运行了一批高电压、大容量高压电机组，而机组的额定电压和容量的提高与机组结构尺寸的增加不成比例，这对定子绕组绝缘和防晕结构设计提出了更高的要求。同时一些运行年限不长的水火电机组都陆续发现定子绕组端部起晕电压偏低甚至电腐蚀的迹象[1-3]。

我国发电设备制造企业自二十世纪五十年代开始对电机定子线棒与绕组防晕技术开展研究[4]并具有数十年的应用经验，但是业内对定子绕组端部电晕及电腐蚀问题与定子绕组绝缘寿命是否存在必然联系尚无定论。目前这一行业普遍性问题已引起越来越多的重视，迫切需要深入研究。

对大型空冷高压电机定子绕组端部电晕及电腐蚀典型区域进行了梳理并逐一进行了原因分析，同时基于有限元方法仿真研究了低介电常数新型防电晕结构，研究了新型防电晕结构的相对介电常数和厚度对端部斜边间隙电场强度的影响，为大容量、高电压的空冷高压电机定子绕组防晕结构的优化设计提供了理论依据。

1 定子绕组端部电晕及电腐蚀分析

端部电腐蚀的产生是端部表面或气隙局部放电达到一定程度的结果。在大型高压电机定子绕组端部表面不可避免地存在各种气隙和杂质，在高压电机运行中当这些区域发生放电时，产生的带电粒子以及硝酸、亚硝酸等产物作用在绝缘材料上，使材料的介电强度和机械强度降低，最终导致绝缘腐蚀[5]。

1.1 典型区域

经验表明，高压电机定子绕组端部电晕及电腐蚀的典型区域包括：定子绕组槽口高低阻搭接位置、槽口垫块与线棒接触位置、端头槽楔绑绳与线棒接触位置、槽口外上下层线棒之间位置、衬垫毛毡与线棒接触位置、端部绑绳与线棒接触位置、斜边垫块与线棒接触位置、绝缘支架与高压引线或跨线接触位置等。

1.2 原因

高压电机定子绕组端部电晕及电腐蚀的原因非常复杂，发展过程时间较长，影响因素大致包括内外两方面。

(1) 内部原因

内部原因包括线棒本身防晕结构、防晕材料和防晕工艺，绕组防放电结构尺寸设计、绕组绑扎固定材料和绑扎固定工艺。

(2) 外部原因

外部原因主要是机组运行环境，例如粉尘、油污、湿度、温度等。

1.3 处理措施

一般来说，应根据定子绕组端部电晕及电腐蚀的原因、位置及损伤程度，高压电机制造企业依据各自技术特点建议业主采取相应的处理措施，包括优化绕组防晕设计、加强定子装配质量控制、改善运行环境、加强监控等。

总之，定子绕组端部电晕及电腐蚀问题为行业普遍性问题，检查和处理都比较麻烦，需要高压电机制造企业大力提高定子绕组防电晕和耐运行环境的性能。

2 仿真模型与计算

针对定子绕组端部电晕及电腐蚀问题的原因，特别是定子绕组端部斜边间隙局部电场强度集中引起的电晕和电腐蚀问题，在绕组结构尺寸不变的情况下预防端部电晕及电腐蚀的根本办法是降低绝缘表面或间隙的最大电场强度，优化绝缘与间隙之间的电压分布，使气隙承受的最大电场强度低于空气放电阈值。

因此，在定子绕组端部结构基础上，开展绕组端部最外面的防晕保护层的优化仿真计算。假设定子绕组主绝缘和防晕保护层的相对介电常数均为4.0，高阻防晕层的相对介电常数为10.0，低介电常数涂层的相对介电常数可变，斜边间隙中空气的相对介电常数为1.0。定子绕组端部新型防电晕结构如图1所示。

1.导线；2.主绝缘；3.高阻防晕层和保护层；4.低介涂层

2.1 模型建立

以定子绕组端部斜边间隙作为研究对象，该位置二维模型的建立基于UG NX软件，线圈端部模型如图2所示。图中左右对称分布两支线棒截面(包括导线、主绝缘、高阻防晕层和防晕保护层)，两支线棒截面距离为20 mm。

2.2 仿真计算

2.2.1 涂层厚度的电场强度仿真

图2 绕组端部斜边间隙仿真模型图

电场仿真基于ANSYS Maxwell 3D有限元分析计算软件。在斜边间隙20 mm不变的条件下，将低介电常数涂层(相对介电常数设为2.5)逐渐代替部分防晕保护层。图3(a)～3(d)分别显示出不同的低介电常数涂层厚度对间隙中电场强度分布的影响。

图3 不同的低介涂层厚度对绕组端部斜边间隙电场强度分布的影响

图3(a)～3(d)给出了低介涂层厚度分别为0 mm、0.2 mm、0.5 mm和1.0 mm时绕组端部斜边间隙电场强度的分布情况，可以看出线棒棱角电场强度最高，而端部绑扎固定材料与线棒棱角极易形成小三角区域[6]，极易发生电晕放电。同时在间隙中心位置电场强度最低，通常无污染累积或已被固定材料填实，不易发生电晕放电。

斜边间隙电场强度分布随低介涂层厚度变化而略有差异。

2.2.2 涂层相对介电常数的电场强度仿真

在斜边间隙20 mm不变的条件下，将厚度为1.0 mm的低介电常数涂层代替部分防晕保护层，瞬态电场分析计算结果如图4所示。图4(a)～4(d)分别显示出低介电常数涂层的相对介电常数对间隙中电场强度分布的影响。

图4 低介涂层的相对介电常数对绕组端部斜边间隙电场强度分布的影响

图4(a)～4(d)给出了低介涂层相对介电常数分别为4.0、3.0、2.0和1.5时绕组端部斜边间隙电场强度的分布情况，可以看出线棒棱角电场强度最高而间隙中心位置电场强度最低。同时斜边间隙电场强度分布随低介涂层介电常数变化而略有差异。

3 仿真结果讨论

3.1 涂层厚度对斜边间隙电场强度分布的影响

如图5所示，从低介涂层的四种厚度对比曲线组可以看出：在斜边间隙距离不变的条件下，当低介涂层材料部分替代防晕保护层时，斜边间隙电场强度分布随之改变；当低介涂层越厚，即替代防晕保护层的厚度越大时，斜边间隙电场强度的降低程度就越显著。

取路径线中点(图5中横坐标43 mm)处电场强度值进行对比，设定低介涂层厚度为0 mm时的斜边间隙电场强度作为基准，其余涂层厚度的斜边间隙电场强度依次相比，涂层厚度对斜边间隙电场强度的相对影响如图6所示。

1.低介涂层厚度为0 mm；2.低介涂层厚度为0.2 mm；3.低介涂层厚度为0.5 mm；4.低介涂层厚度为1.0 mm

图6 涂层厚度对斜边间隙电场强度影响的对比图

图6中，涂层厚度越大，则斜边间隙电场强度越低，斜边间隙越不易发生放电。当涂层厚度为1.0 mm时，斜边间隙电场强度与基准值之比为96.1%，即斜边间隙电场强度降低了3.9%。

3.2 涂层相对介电常数对斜边间隙电场强度分布的影响

如图7所示，从低介涂层的四种相对介电常数对比曲线组可以看出：在斜边间隙距离不变的条件下，当低介涂层材料相对介电常数变化时，斜边间隙电场强度分布随之改变；当低介涂层相对介电常数越小，即低介涂层与空气的相对介电常数越接近时，斜边间隙电场强度的降低程度就越显著。

取路径线中点(图7中横坐标43 mm)处电场强度值进行对比，设定低介涂层相对介电常数为4.0时的斜边间隙电场强度作为基准，涂层其余相对介电常数的斜边间隙电场强度依次相比，涂层相对介电常数对斜边间隙电场强度的相对影响如图8所示。

1.相对介电常数为4.0；2.相对介电常数为3.0；3.相对介电常数为2.0；4.相对介电常数为1.5

图8 涂层相对介电常数对斜边间隙电场强度影响对比图

图8中，涂层相对介电常数越小，则斜边间隙电场强度越低，斜边间隙越不易发生放电。当涂层相对介电常数为1.0时，斜边间隙电场强度与基准值之比为90.9%，即斜边间隙电场强度降低了9.1%。

4 结论

(1) 建立了高压电机定子绕组斜边间隙仿真模型并开展了仿真计算。

(2) 涂层厚度越大，则斜边间隙电场强度越低，斜边间隙越不易发生放电。

(3) 涂层相对介电常数越小，则斜边间隙电场强度越低，斜边间隙越不易发生放电。