大型发电机定子线棒端部热 -电场仿真系统的建立

吴潇峰 何鑫 褚葓坤 马海涛 杨长青

哈尔滨理工大学荣成学院 山东省威海市 264300

摘 要：大型电机端部的电场和电场分布极不均匀，极易出现发生电晕放电等破坏绝缘的现象。随着电机容量不断增大，额定电压不断升高，对大型电机的绝缘的设计提出了更高的要求。定子线棒作大型发电机的重要部件，在发电机长期的运行过程中，其健康程度对于发电机至关重要。而设计时若能对端部的结构、材料等提前进行温度场和电场的分析，对电机结构的优化、寿命的延长有很大的帮助。本文介绍了建立发电机定子线棒端部热-电场数值仿真的一套系统。

关键词：发电机 定子线棒 热电场 仿真系统

一、热—电耦合场理论分析

1.1电场理论分析

在电导率为非线性的材料中，根据麦克斯韦方程组中连续电流出发

其中 是电荷密度， 为传导电流密度， 、 和 分别满足以下方程

_； ；

联立 得到电位的非线性方程

1.2温度场理论分析

在交流电压作用下，主绝缘控制方程为准静态时谐电场控制方程，温度场采用稳态温度控制方程

_；

_{在线棒端部，防晕层的表面损耗为温度场的热源。由于防晕材料为阻性材料，损耗密度表示为：}

_{导体、主绝缘和防晕材料所组成的复合系统，传热过程较为复杂。除线棒主绝缘和导体的热传导外，在线棒表面同时存在着对流和辐射影响。主绝缘和防晕材料为非金属材料，表面发射率较高，辐射的影响不能忽略}^[1]_{，其边界条件为：}

二、模型建立步骤

利用COMSOL Multiphysics有限元分析过程主要有以下几个步骤：分析问题、确定PDE方程及相关参数、选择模型方程、创建或导入几何模型、设定材料属性及PDE系数项、设定边界条件、生成网格、求解（设定Solver参数）、后处理，结果可视化，动画，输出。

在软件中，先进行二维平面的图形建立，画点连线，选择xz平面进行构建，分别设置x、y、z轴参数，并以绘制的第一个点为中心，绘制铜芯矩形，先通过已定义的参数确定平面几何点的位置，将其依次连线而后进行转换曲线,添加各层截面，对不同的工作平面进行扫掠，通过阵列、镜像、移动变换形成联合体。在实际发电机中定子铁芯是接地的，但在仿真时可以将低阻防晕层的外表面接地如图所示，为了与实际情况更为接近，在整根线棒外部包覆一定体积的空气域^[2]。

对相应部分添加对应的材料；选择电磁热多物理场，对导体电压、外部接地、环境温度、传热系数等参数进行设置；添加稳态/频域研究。

网格剖分是有限元分析中非常重要的一步，它直接影响模型在计算时的精度与效率。网格剖分的越细致，模型的计算结果与真实结果就越接近。但网格过于细致时，会导致模型的计算时间大大增加，而计算精度并不会明显提高。所以，一般在电场集中或要求计算精度高的区域剖分网格数要多，而其他区域的剖分网格数尽量要尽量的少，避免产生大量多余的计算量^[3]。

在模型中由于计算量过大节省计算时间，故网格尺寸选择常规剖分，剖分效果图如下

三、App的构建

使用 COMSOL Multiphysics软件中的 APP 开发器，将模型封装到一个用户界面中，只需输入模型的几何、材料和电位等参数，就可以自动建立定子线棒模型并输出电场和损耗等计算结果。

通过构建完成的App界面里面的项目，调整其对应的参数实现模型变化。App界面如上图所示

四、电场和温度的仿真结果

为了验证仿真结果的正确性，对真机线棒的温度分布进行了测量。在使用红外热像仪测试线棒的温度时，距离对精度的影响较为明显，尽量在距离线棒较近的位置测试。真机线棒在电老化试验时允许的测试距离较远，而在电热老化试验时允许的测试距离较近。所以本文在线棒电热老化试验时测试其温度的分布情况如图所示，可知建立的定子线棒端部热电场仿真系统与实测温度结果相吻合^[4]。

五、结论

项目基于多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics建立了一套电机三槽定子端部热-电场耦合分析APP，用户可通过该APP界面输入定子的模型三维参数（防晕层厚度，主绝缘厚度，导体的高度宽度等）、防晕层材料的电阻率、导体电压、电压倍数、定子线棒所处的环境温度等数据来对定子端部的温度场和电场进行分析。

本项目建立的系统着眼于定子温度-电场变化大的端部，通过电热联合耦合分析和便捷的参数化输入界面，提高了工程人员对所需定子型号温度分布情况的了解情况，减少了单独建模的时间和精力^[6]。

参考文献

[1]大电机线棒端部电场分布的测定及其改善方法[J]. 东方电机厂、西安交通大学绝缘组. 大电机技术. 1976(Z2)

[2]王洪波. 非线性防电晕结构的电—热场耦合仿真分析[D].哈尔滨理工大学,2010.

[3]贺景运. 水轮发电机定子流体场和温度场建模方法与冷却结构研究[D].哈尔滨理工大学,2019.

[4]孙永鑫,付强.定子线棒防晕区温升机理和检测分析方法[J].大电机技术,2019(05):9-14.

[5]胡海涛. 大型水轮发电机定子绝缘电场分布的数值仿真与结构优化[D].哈尔滨理工大学,2019.

[6]曹铁男. 大电机定子线棒的参数化建模及数值仿真系统的开发[D].哈尔滨理工大学,2018.