隨著大型水輪發(fā)電機單機容量的不斷增大和額定電壓等級的不斷提高,對大型發(fā)電機定子線棒絕緣結構和材料的要求也越來越高。由于定子線棒角部和端部的電場分布十分集中,容易發(fā)生電暈放電,損壞絕緣材料,導致水輪發(fā)電機的使用壽命大大降低。為了有效均化定子線棒的電場,大容量水輪發(fā)電機定子線棒常采用內部屏蔽結構、外部防暈結構和具有非線性電導特性的機敏材料,該結構和材料的合理設計取決于定子線棒在不同內屏蔽和防暈結構下電場及損耗的準確計算。本文以1000MW水輪發(fā)電機為研究對象,對其定子線棒的參數(shù)化建模及仿真、槽部結構優(yōu)化、端部結構優(yōu)化以及非線性電導材料的制備等問題進行了研究。本文運用PTC Creo軟件構建了定子線棒的槽部及端部的參數(shù)化幾何模型,然后通過Livelink for PTC Creo模塊將comsol與PTC Creo相連,再使用comsol軟件中的APP開發(fā)器,創(chuàng)建了定子線棒槽部和端部結構電場分布的自動仿真系統(tǒng)。當使用該仿真系統(tǒng)時,只需輸入發(fā)電機線棒的結構尺寸、材料屬性和電動勢等相關參數(shù)即可實現(xiàn)自動建模與仿真計算。該系統(tǒng)為大電機定子線棒絕緣結構的設計提供了一種便捷的新方法。本文以0°/360°/0°全換位結構為例,在考慮各股線額定電動勢與漏感電動勢聯(lián)合作用的基礎上,對槽內定子線棒模型進行了數(shù)值分析,結果表明:4種內屏蔽類型的最大電場強度都隨著圓角半徑的增大而減小,其中全屏蔽結構均化電場的效果最好,而層壓板結構均化電場的效果最差;當內屏蔽層的厚度為0.4mm時,其電阻率應選擇在0.1至100?·m之間;當內屏蔽層的電阻率為1?·m時,接觸點的距離在6?18倍的換位節(jié)距(接觸的個數(shù)在4?10個)之間最為適宜。將3級防暈結構的計算結果與無防暈結構和線性防暈結構的計算結果進行比較,發(fā)現(xiàn)3級防暈結構的最大表面切向電場強度最小,與相同防暈段長度的另外兩種結構相比,分別降低了90%和65%,這說明3級防暈結構對端部場強的改善效果更明顯。再以防暈層的長度和電阻值作為自變量、最大切向電場強度作為函數(shù)值,創(chuàng)建了一組訓練樣本空間和一組測試樣本空間。利用訓練樣本空間對神經網絡模型進行訓練。通過測試樣本空間驗證訓練后的神經網絡模型,得到了較好的擬合精度和預測精度曲線。將訓練后的神經網絡模型與遺傳算法相結合,得到6組防暈結構的優(yōu)化方案。通過損耗密度和3倍額定電壓下電場強度進行校驗,確定了最優(yōu)防暈結構,即中阻層、中高阻層和高阻層的長度分別為200mm、100mm和90mm;電阻率分別為10~6?·m、10~8?·m和10~(10)?·m。當采用最優(yōu)防暈結構時,在額定電壓下最大切向場強為2.3kV/cm、最大損耗密度為0.097W/cm~3,在3倍額定電壓下最大切向場強為3.56kV/cm。最后按照最佳優(yōu)化方案的防暈結構建立了3槽定子線棒模型,以3槽模型代替整機模型驗證了最佳優(yōu)化方案在整機運行時的可靠性。為了探討微納米復合材料對改善線棒絕緣中場強分布的作用,本文以EP為基體,分別制備了不同質量分數(shù)的納米SiC/EP,納米ZnO/EP,微米ZnO/EP,納米SiC/納米ZnO/EP和納米SiC/微米ZnO/EP等非線性電導特性的復合材料。實驗研究了不同復合材料電導率隨場強的變化,結果表明,復合材料的電導率都隨著無機填料含量的增加而增加;當微米ZnO與納米SiC的比例為2:3時(總含量為5wt%),復合材料的非線性系數(shù)為0.07cm/kV,這與具有相同含量的SiC/EP,微米ZnO/EP和納米ZnO/EP復合材料相比,非線性系數(shù)分別增大了1.06,2.48和4.83倍。將此微-納米復合材料添加到內屏蔽層與主絕緣之間,構成了雙層屏蔽結構,通過仿真計算和實驗研究發(fā)現(xiàn):在三倍額定電壓下定子線棒角部最大電場強度與單層內屏蔽結構相比下降了17%,而且在額定電壓下其介質損耗變化不大。
【學位單位】：哈爾濱理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TM312
【部分圖文】：

面上各加一層厚度為 0.5mm 的半導體層壓板。為了使層壓板上的電位與股線保持一致，需要在層壓板上每隔一定的距離鉆一個直徑約為 5mm 的孔，并用相同電導率的半導體膩子填充，從而均化了定子線棒窄面換位處的電場分布；加拿大 GE 公司也是先將線芯壓制成型，然后在成型線芯的四個角部打磨倒角，并在倒角處均勻地涂刷一層厚度約為 0.1mm~0.2mm 的半導體漆，最后再包環(huán)氧云母帶作為主絕緣；奧地利 ELIN 公司是先在成型線芯的窄面上各焊接一片厚度約為 0.05mm 的銅片，然后在整體包繞一層半導體帶，最后再包繞主絕緣云母帶并將線棒整體加熱固化成型。各種內屏蔽結構如圖 1-1 所示。(a) SIMENS 公司的內屏蔽結構 (b) ABB 公司的內屏蔽結構

物形成大量的界面相互作用區(qū)域，大多數(shù)學區(qū)別于納米粒子和聚合物基體的特殊性能，。mersley 在 1957 年首次提出了滲流理論，主的流動。后來的研究表明，復合型導電高分復合材料的電阻率隨場強的變化有兩個階段率隨外加場強的增大基本不變；第二個階段，復合材料的電導率會急劇增加，這種現(xiàn)象為閾值場強[91,92]。94]和 J.K.Nelson[95,96]等研究學者提出，界面ouble layer)。納米粒子受到電場的作用，在由于極化作用在納米粒子外部積聚，形成屏子受到庫侖力的作用會發(fā)生一定程度的遷移 1-3 所示的介電雙層結構。相比于聚合物基當復合材料中納米粒子相鄰太近，發(fā)生介部分也就是具有較好導電能力的導電通道。，復合材料的絕緣能力也會隨之發(fā)生改變。

圖 1-4 納米復合材料中的多核模型Fig.1-4 Multi-nuclear model in nanocomposites究的主要內容的文獻資料，發(fā)現(xiàn)目前大型水輪發(fā)電機主絕緣和端部電場的計算，以及通過調構，本文針對目前國內外大電機主絕緣屏蔽結構與材料對主絕緣電場分布的影結構，并開發(fā)研制出新型的微-納米復具體研究內容如下：reo 軟件構建定子線棒槽部及端部的參的 APP 開發(fā)器與 PTC Creo 聯(lián)合創(chuàng)建，從而實現(xiàn)定子線棒全參數(shù)建模及數(shù)值子線棒自動仿真系統(tǒng)建立仿真模型，以各股線的漏感電動勢，并將其施加在對 種內屏蔽結構均化場強的效果。從電場

【參考文獻】

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