大型干式潛水電機定子電場分布特性對絕緣的影響*

程曉巍， 鮑曉華， 方 勇， 單 麗

(1.合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院，安徽合肥 230009;

2.合肥恒大江海泵業(yè)股份有限公司，安徽合肥 231131)

0 引言

高壓潛水電機廣泛應(yīng)用于江河湖泊中取水、農(nóng)業(yè)排灌、城市或工廠的污水處理、礦山給排水、海上采油平臺抽取海水等關(guān)系到國民經(jīng)濟的重要場合，特別是在國家排澇、搶險救災(zāi)中，潛水電機發(fā)揮了不可替代的作用。礦山水災(zāi)一直是制約我國資源開采的瓶頸，而由大型潛水電機組成的潛水電泵是礦井水災(zāi)搶險的唯一有效設(shè)備。由于具有性能優(yōu)良、安全可靠、可節(jié)約基建投資等優(yōu)點，潛水電機受到越來越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。但絕緣問題一直是制約潛水電機長期運行的重要因素之一。對于潛水電機而言，長期運行實踐表明，電機常見故障為定子繞組故障、轉(zhuǎn)子繞組故障和軸承故障，分別占電機故障的51%、7%和35%，而在定子繞組故障中由絕緣問題引起的故障占74%［1］。由于潛水電機的特殊性所引起的定子絕緣問題比較突出，因此研究定子絕緣對于潛水電機定子絕緣的優(yōu)化設(shè)計具有重要的理論意義及較大的實用價值。

目前，國內(nèi)外的專家學者對電機的定子絕緣進行了較為廣泛的研究，文獻［2-3］研究了局部放電對電機主絕緣的影響。文獻［2］分析了在高頻脈沖電壓作用下局部放電統(tǒng)計量和定子絕緣老化機理之間的關(guān)系。文獻［3］通過試驗驗證了不同的老化因子對局部放電統(tǒng)計參考量隨時間變化規(guī)律的影響，并以此作為評估主絕緣老化的依據(jù);文獻［4］運用有限元方法研究了發(fā)電機暫態(tài)過電壓對定子槽部絕緣介質(zhì)的破壞機理;文獻［5-6］分別討論了溫度場對定子主絕緣的損壞和運用熱分析方法研究主絕緣的老化特性;文獻［7］中，R.Bartnikas等人探討了在電壓、溫度、機械應(yīng)力等多重因素作用下對定子繞組絕緣壽命的影響，并且通過試驗進行了論證。文獻［8］針對低電壓異步電機定子絕緣問題提出了檢測和監(jiān)控的方法，用來診斷匝與匝之間，匝與地之間的絕緣破壞。文獻［9］在高壓同步電機的基礎(chǔ)上研究了當定子絕緣層出現(xiàn)空隙時，利用FEM軟件計算并分析了電場強度在定子槽部及開口處的大小和分布狀況。文獻［10］結(jié)合熱重和紅外光譜分析研究了定子絕緣中環(huán)氧的老化特性，僅從絕緣材料方面對定子絕緣進行了研究。文獻［11］通過測量介質(zhì)損耗因數(shù)、電容量和電流激增點作為評估高壓電機定子絕緣破壞的重要依據(jù)。但是很少有文獻就潛水電機電場分布對定子槽內(nèi)和端部繞組絕緣破壞提出相應(yīng)的研究方法。

本文針對干式潛水電機(800 kW/10 kV)，運用有限元分析方法，建立電機定子槽部模型及定子繞組模型，計算分析了槽內(nèi)絕緣介質(zhì)中存在氣隙時電場強度的分布，以及繞組端部場強的大小和分布狀況。通過對仿真結(jié)果的分析，有助于對電暈現(xiàn)象及局部放電進行監(jiān)控預(yù)測，并且對于定子絕緣的優(yōu)化設(shè)計提供了有力的依據(jù)。

1 定子槽部絕緣的分析

1.1 定子槽部模型的建立

定子槽部絕緣是定子主絕緣的重要組成部分，槽部絕緣的好壞直接影響到定子的絕緣壽命，而電場強度的不均勻分布則是槽部絕緣破壞的主要因素，因此分析計算電場強度在定子槽部的分布具有重要的實踐意義。

干式潛水電機(800 kW/10 kV)定子槽部的絕緣結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 定子槽部絕緣結(jié)構(gòu)

定子槽內(nèi)電磁場可由Maxwell方程表示:

另外有:

從式(4)可知，B可表示為另一矢量的旋度，引入矢量A:

綜合以上各式可得

式中:E——電場強度;

D——電位移;

B——磁感應(yīng)強度;

H——磁場強度;

A——槽內(nèi)矢量磁位;

φ——槽內(nèi)標量磁位;

ε0和 μ ——導磁率和介電常數(shù)［12］。定子槽的長度遠遠大于槽截面的長和寬，因此槽內(nèi)三維電場的計算可簡化為二維電場處理，提高了分析計算的速度。另外，在計算定子槽內(nèi)電場強度分布時，可忽略槽內(nèi)介質(zhì)位移電流、邊界效應(yīng)、集膚效應(yīng)、鐵心齒部的渦流效應(yīng)及端部效應(yīng)。當忽略端部效應(yīng)時，電流密度矢量J和磁位矢量A只有軸向分布，因此式(8)可簡化為

任意ti時刻槽內(nèi)電場滿足如下偏微分方程:

式中:Ω——電機定子某槽在軸向某位置處沿徑向橫截面的電場區(qū)域;

Ut——槽內(nèi)場域電位函數(shù);

ε——槽內(nèi)場域介電常數(shù);

Jt——槽內(nèi)場域中累積的電荷密度;

L1和L2圍成場域邊界并具有在時間t=ti瞬時的第一、二類邊界條件［13］。

將定子槽內(nèi)場域剖分成離散的三角單元Ωi，則電機定子槽內(nèi)有限單元中任意時刻的電場強度大小為

因此定子橫截面絕緣介質(zhì)中任意一點P中的暫態(tài)場強為

1.2 槽部電場的仿真分析

首先通過FEM分析軟件計算電場強度在電機定轉(zhuǎn)子內(nèi)部的分布狀況，如圖2所示。

圖2 電場強度在電機定轉(zhuǎn)子內(nèi)部的分布

從圖2可看出電場強度在電機內(nèi)部的分布情況，在定子槽開口處電場強度分布很大，另外在定子槽內(nèi)部，上下層繞組在相位上相差120°時，電場強度主要集中分布于槽內(nèi)上下層繞組之間，因此在設(shè)計定子槽口絕緣和層間絕緣時，必須充分考慮到電場強度的分布在其中的影響。

電機長期運行的過程中，由于各種因素的影響，在定子槽內(nèi)的絕緣介質(zhì)中會產(chǎn)生氣隙或缺陷，如圖3所示，而氣隙或缺陷又會影響到電場強度在定子槽內(nèi)的分布，因此分析氣隙存在時電場強度在槽內(nèi)的分布情況，對于研究槽內(nèi)局部放電對絕緣的破壞具有重要的理論意義。定子槽內(nèi)上下層繞組在相位上相差0°、120°，兩種情況下在氣隙存在時電場強度在槽內(nèi)的分布不相同，當上下層繞組相位差為120°時，經(jīng)有限元分析軟件仿真如圖4、圖5所示。

當上下層繞組同相位時經(jīng)仿真分析，定子槽內(nèi)氣隙電場分布如圖6、圖7所示。

從圖4～圖7可看出，電場在繞組角部分布極不均勻，另外氣隙的存在影響電場強度在槽內(nèi)的分布，氣隙內(nèi)部的電場強度比氣隙外部的電場強度大，因此當槽內(nèi)絕緣介質(zhì)中存在氣隙時，很容易發(fā)生局部放電，造成定子主絕緣和槽絕緣的破壞，從而影響電機的絕緣壽命。表1為潛水電機定子槽內(nèi)絕緣配合。

表1 潛水電機定子槽內(nèi)絕緣配合

從圖5和圖7中可看出，上下層繞組相位差不相同時，氣隙內(nèi)部的電場強度分布也不相同。同一槽內(nèi)的繞組相位差為120°時，氣隙內(nèi)部電場強度比同相位時氣隙內(nèi)部電場強度大，因此當槽內(nèi)氣隙存在于絕緣層時，槽內(nèi)異相繞組比同相繞組更易發(fā)生局部放電現(xiàn)象，導致絕緣層被破壞。

2 定子端部繞組絕緣的分析

2.1 繞組端部模型的建立

干式潛水電機定子端部繞組電場分布不均勻，容易引起電暈和局部放電現(xiàn)象，導致繞組端部的絕緣性能劣化，甚至損壞，乃至可能引起繞組端部相間短路，造成電機運行事故。因此，分析定子繞組電場分布對于電機的正常運行及端部絕緣設(shè)計具有重要的意義。但是由于繞組結(jié)構(gòu)復雜，二維有限元分析難以達到實際的工程要求，因此必須通過計算機建立三維有限元模型才可以精確地進行計算和仿真。

在計算三維電場時一般采用T-Ψ方法，其中T為矢量位函數(shù)，Ψ為標量位函數(shù)，然后運用有限元局部剖分法計算電場分布。由電流連續(xù)性方程:

可引入矢勢T，定義:

歐姆定律的微分形式:

因此:

式中:J——傳導電流密度;

T——電矢位;

γ——電導率。

在三維有限元網(wǎng)格剖分中，剖分單元是有限元理論中最為穩(wěn)定的四面體單元。每個四面體單元的電矢位T可定義為

插值函數(shù)Ni可表示為

式中:Ve——每個小四面體單元的體積;

下標i——每個單元中的節(jié)點數(shù)。

2.2 端部電場的仿真分析

干式潛水電機在運行過程中，由于電磁力的作用［13-14］，定子繞組的振動是不可避免的。繞組的長期振動會在繞組絕緣層內(nèi)產(chǎn)生氣隙，如圖8所示。氣隙的存在又會影響電場在其中的分布。通過有限元方法可計算出氣隙存在時電場強度在繞組絕緣層內(nèi)部的分布情況。在計算端部繞組的場強時，由于繞組四個角部是對稱的，其中的場強分布也是對稱的，因此可選擇繞組截面的1/4進行有限元分析。

圖8 氣隙存在時的1/4繞組結(jié)構(gòu)圖

從圖9三維電場分布云圖中可看出，電場強度在定子繞組絕緣層的分布極不均勻，電場強度主要分布于絕緣層的角部，另外氣隙的存在影響了電場強度在絕緣層中的分布。從圖10絕緣層內(nèi)氣隙的電場分布云圖中可知，氣隙內(nèi)部的場強比氣隙周圍的場強大，因此氣隙存在時極易發(fā)生局部放電，破壞絕緣層，影響電機的絕緣壽命。因此在對端部繞組絕緣設(shè)計時，必需充分考慮到電場強度對絕緣機理失效的影響。

由電機的實際運行結(jié)果可知，定子繞組是極易發(fā)生絕緣故障的部位，由于繞組端部長期承受高強度電場的作用而導致局部放電現(xiàn)象的發(fā)生，進而對繞組絕緣材料破壞。

圖9 氣隙存在時電場強度在絕緣層內(nèi)部的分布

3 結(jié)語

本文在干式潛水電機(800 kW/10 kV)的基礎(chǔ)上，通過有限元方法建立定子槽部和定子繞組模型，并通過軟件對電場強度在其中的分布狀況進行了仿真分析，可以得到以下結(jié)論:

圖10 電場強度在氣隙內(nèi)部的分布

(1)電場強度在定子槽內(nèi)絕緣層中的分布極不均勻，當氣隙存在于槽部絕緣層時會極大地影響電場在其中的分布，很容易引發(fā)局部放電現(xiàn)象，同時同一個槽內(nèi)異相繞組比同相繞組更易發(fā)生局部放電。

(2)電場強度在定子槽開口處和定子繞組絕緣層角部分布很大，很容易在這些部位引發(fā)電暈現(xiàn)象，破壞絕緣結(jié)構(gòu)。另外繞組絕緣層氣隙內(nèi)部電場強度也不均勻，遠大于其周圍的場強，因此更易引發(fā)局部放電現(xiàn)象。從以上結(jié)果可知，在對定子進行絕緣設(shè)計時，必須充分考慮到電場強度對絕緣的影響，同時也為高壓潛水電機定子的絕緣優(yōu)化設(shè)計提供了重要的理論依據(jù)。

［1］李圣年.潛水電泵與泵用電動機修理［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.

［2］周凱，吳廣寧.基于局部放電統(tǒng)計參量的脈沖電壓下絕緣老化分析［J］.電工技術(shù)學報，2008，23(4):6-12.

［3］張曉紅，張亮.基于局部放電的矩陣分析大電機主絕緣的老化［J］.中國電機工程學報，2002，22(5):94-98.

［4］劉念，謝馳，滕福生.基于FEM的大型發(fā)電機快速暫態(tài)過電壓分析［J］.高電壓技術(shù)，2003，29(4):21-23.

［5］丁樹業(yè)，孫兆瓊，苗立杰，等.大型發(fā)電機主絕緣溫度場數(shù)值研究［J］.電機與控制學報，2010，14(7):53-58.

［6］鮑棋銘，高乃奎，馬小琴，等.大型發(fā)電機主絕緣老化的熱分析研究［J］.中國電機工程學報，2003，23(7):99-106.

［7］BARTNIKAS R，MORIN R.Multi-stress aging of stator bars with electrical，thermal，and mechanical stresses as simultaneous acceleration factors［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2004，19(4):702-714.

［8］STEFAN G，JOSE M A，BIN L，et al.A survey on testing and monitoring methods for stator insulation systems of low-voltage induction machines focusing on turn insulation problems［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，55(12):4127-4136.

［9］ZHANG J，WANG S H，QIU J，et al.Finite element analysis and evaluation of stator insulation in high voltage synchronous motor［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2012，48(2):955-958.

［10］郝艷捧.紅外光譜法研究運行23年大電機定子絕緣中環(huán)氧的老化機理［J］.電工技術(shù)學報，2008，23(3):19-23.

［11］樂波，張曉紅，盧勝偉，等.電機定子線圈絕緣多因子老化特性的研究［J］.高電壓技術(shù)，2000，26(2):3-7.

［12］馮慈璋，馬西奎.工程電磁場導論［M］.北京:高等教育出版社，2008.

［13］胡宇達，邱家俊，卿光輝，等.大型汽輪發(fā)電機定子端部繞組整體結(jié)構(gòu)的電磁振動［J］.中國電機工程學報，2003，23(7):93-98.

［14］RANRAN L，ANTTI N L.End-winding vibrations caused by steady-state magnetic forces in an induction machine［J］. IEEE Transactions on Magnetics，2010，46(7):2665-2674.