百万千瓦级发电机端部电场研究.pdf

上海交通大学 硕士学位论文 百万千瓦级发电机端部电场研究 姓名：欧阳鹏 申请学位级别：硕士 专业：电机与电器 指导教师：王建辉 20090101 上海交通大学硕士学位论文 I 百万千瓦级发电机端部电场研究百万千瓦级发电机端部电场研究 摘摘 要要 目前我国的能源问题已经成为关系到可持续发展战略顺利进 行的关键电力是一种应用很广泛的能源，它既可以集中大量生 产，又可以经济方便地长距离输送，也能高效地应用于国民经济 各部门和日常生活当前，我国已经制造成单机容量百万千瓦级 大型发电机其定子线棒电压等级达到 27 千伏，对其定子线棒端 部防晕结构提出了很高的要求，要求起晕电压更高、防晕长度更 短因此，有必要研究发电机端部电场理论，计算端部电场的分 布，为进一步采取合理的绝缘结构和改进现有绝缘结构奠定基础 本文首先介绍了研究的目的和意义，并叙述了发电机端部电 场计算的发展史，针对在设计防晕结构中存在影响因素多，考核 指标多的难点，简化端部复杂模型，利用有限元的优点，根据理 论知识简化模型，验证了碳化硅半导体材料在端部出槽口防止电 晕起到了重要的作用，并进而分析防晕结构中防晕带长度、所加 电压、主绝缘厚度、防晕层段数的选择等各要素对防晕效果的影 响。

通过试算防晕结构中的各个参数，改变介质材料性质和尺寸 安排，得出不同的结果比较和整理结果数据，改善和优化防晕 结构，提高防晕效果 本文还提出了汽轮发电机端部电场的数学模型，得到了汽轮 发电机的计算区域利用计算机技术的发展，采用 EXCEL/VBA 语言编写程序，并结合应用 Infolytica/ElecNet 软件，先建立单根 线棒的模型，进而建立三维电场的时谐场（相量）模型，利用有 限元分析计算大型发电机的端部电场，从而得到了汽轮发电机的 上海交通大学硕士学位论文 II 三维端部电场分布它首次考虑了二维电场不能考虑的三维匝间、 相间的具体结构，考虑了每根线棒的不同电压激励，考虑了线圈 的渐开线结构等 通过反复试算和比较，得到了一个能够满足起晕标准能达到 27KV 级发电机定子线棒的要求的三段防晕层结构， 这对汽轮发电 机的防晕结构的设计有重要指导意义 关键字：关键字：汽轮发电机，端部电场，防晕，有限元，ELECNET 上海交通大学硕士学位论文 III RESEARCH ON 1000MW TURBINE GENERATOR STATOR END WINDINGS ELECTRIC FIELD ABSTRACT Energy problem is playing a key role in sustainable development in the world. To be an energy widely used in each section of national economy and daily life, electricity could also be produced in large number and transmitted over long distance conveniently. As the rapid pace of national economy, high capacity grid and generator receive parallel development. The capacity of domestic generator has come up to 1000 MW, of which the stator bar endures voltage up to 27KV. So, the standard of anti-corona structure of stator end becomes tough, to speak in a detail way, the target is higher corona-commencing voltage and shorter anti-corona distance. So, In order to take appropriate insulation structure and improve existing anti-corona structure ,it is necessary to research in the end electric field theory of generator and calculate the distribution of the end electric field. Firstly ,this paper will introduce the research meanings and purpose, and the history of the electric field theory in the turbine generator. By simplifying the calculating model and utilizing the finite element method’s advantage for the reason of many factors in designing the anti-corona structure, we get the conclusion SiC semiconductor material can improve the electric field distribution in the stator end winding. Further more , analyze the effect by changing the voltage, L and d of the anti-corona and other parameters. Lots of results can be got after many tries. The result is very important to improve and optimize the anti-corona structure. This paper also will give the Mathematical model and the calculation area of turbine generator. As the development of computer, with the EXCEL/VBA and Electric field analysis software Infolytica/ElecNet’s help ,build the single bar model and 3D end 上海交通大学硕士学位论文 IV winding model and calculate the electric field distribution of the stator end winding. the Distance among turn, Concrete structure between the two phase, different voltage , Involutes structure could be considered in the analysis. After many tries, a relatively ideal anti-corona structure ,which can reached the criterion of the 27KV rating generator stator coils, is got. This is an important guiding significance for designing the anti-corona structure of the turbine generator. Key words: Turbine generator, Ends electric field, anti-corona, Finite element, ELECNET 上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名：欧阳鹏 日期： 2009 年 2 月 2 日 上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅本人授权上海交通大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密□，在_____年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密√ （请在以上方框内打“√” ） 学位论文作者签名：欧阳鹏 指导教师签名：王建辉 日期： 2009 年 2 月 2 日 日期： 2009 年 2 月 2 日 上海交通大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题研究目的与意义课题研究目的与意义 随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，电力被全世界广泛应用。

由于地理环境的差异以及资源的局限性，汽轮发电机很快成为供应电力的最 主要设备汽轮发电机诞生以来，仅仅一百多年，到 1997 年，世界总发电量 已达到约为11.8PW h⋅，单机容量在逐步增大但为了保证大型汽轮发电机的 安全运行， 还是有很多关键性的问题需要解决， 例如定子端部磁场计算方法， 定子损耗分析方法，定子线棒换位技术等在大型同步发电机运行中，在其 构件中作用着电磁场、流体场、温度场和应力场这些场的求解问题涉及到 电磁场、流体力学、传热学和数值方法等各方面的理论知识近年来，随着 国民经济的持续快速发展，我国电力工业正处于大电网与大机组平行发展的 新阶段， 全国总装机容量不断提高且不断有新电厂投建和运行 在火电方面， 虽然有 200 兆瓦、 300 兆瓦、 600 兆瓦等级汽轮发电机组已相续成为电网的主 力机组，但随着我国现代电机制造工业的发展，1000 兆瓦汽轮发电机组已经 研制成功，并已经投入运行 随着 1000 兆瓦特大容量汽轮发电机的研制成功及投入运行， 对特大容量 发电机的端部电场问题研究等一系列关键技术问题，在当前大电网、大电机 安全、稳定和可靠运行的紧迫工程需求背景下，再一次列入电机制造行业的 前瞻性研究专题，以推进“挑战与机遇”并存的现代大电机设计与制造的新 技术。

当前，我国已经制造成单机容量百万千瓦级大型发电机其定子线棒电 压等级达到 27 千伏， 对其定子线棒端部防晕结构提出了很高的要求， 要求起 晕电压更高、防晕长度更短随着电压等级的提高，如何防止定子绕组产生 电晕的问题日益被人们所重视 定子线棒是大电机最重要的部件之一电机容量的提高在一定程度上取 决于定子线棒的制造水平的提高由于大电机定子线棒绝缘采用的是固体绝 缘，或者说是固体－气体绝缘，这些气体即存在于固体绝缘之外，也可能局 部存在于绝缘内部，这样，在交流电压的作用下，这些气体上因为相对较高 的电场强度就有可能发生局部放电或电晕 [1 3]− 在定子线棒的出槽口、 定子铁芯通风沟边缘以及定子线棒与槽壁间隙处， 上海交通大学硕士学位论文 2 线棒绝缘表面的电场分布是不均匀的当上述部位的局部电场强度达到临界 场强时，附近气体的带电粒子发生局部游离，出现蓝色的荧光，并伴有放电 响声，同时产生。