大型汽轮发电机定子线圈主绝缘结构优化设计

孙春梅

（哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150000）

大型汽轮发电机定子线圈主绝缘结构优化设计

孙春梅

（哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150000）

本文主要通过数值计算法来对大型汽轮发电机定子线圈主绝缘结构进行优化设计，以促进绝缘运行寿命的提升，从而维护大型汽轮发电机的稳定运行，仅供相关人员参考。

大型汽轮发电机；定子线圈；主绝缘结构；优化设计

就大型汽轮发电机定子线圈主绝缘结构的实际情况来看，其大多沿用以往的沥青云母真空浸胶绝缘的设计规范来开展设计，并随着现代科学技术的有效应用，B级和F级环氧粉云母绝缘的研制和应用，一定程度上提高了定子线圈主绝缘的机电性能，为其运行寿命的提升奠定了坚实的基础，促使绝缘厚度减薄以及槽满率提升得以实现。在此种情况下，加大力度对大型汽轮发电机定子线圈主绝缘结构进行优化设计，有助于提高单机出力，促进大型汽轮发电机的稳定运行。

1.定子线圈截面电场的计算

就大型汽轮发电机的实际情况来看，其定子线棒截面主要是由4个圆角的矩形面所组成，具有一定的特殊性，在四边平板电容以及四圆角同心圆电容的相互影响和作用下，其电场分布更加复杂，此种情况下，必须采用有限原法或者有限差分法来对定子线圈截面电场进行科学地计算，从而为大型汽轮发电机定子线圈主绝缘结构的优化设计提供可靠的数据支撑。就定子铁心的实际情况来看，其长度比较特殊，因此可以通过径向断面二维场的方式来进行准确计算。在此基础上通过有限差分法结合等差技术来对网络进行自动划分，通过标准的线性方程来进行计算，最终在数理统计处理后，得出不同圆角半径和不同绝缘厚度下的最大场强和角部电场集中系数。

2.主绝缘介电强度与击穿电压

在大型汽轮发电机定子线圈主绝缘结构的优化设计过程中，定子线圈主绝缘介电强度与其分布电场的最大值之间存在着密切的联系，随着分布电场最大值的增大，主绝缘介电强度会随之增大。与此同时，节点强度会随着定子铁心的长度变化而变化，定子铁心长度增大的情况下，介电强度有所下降，由此可以对击穿电压进行精准的计算，并明确变换数学模型，为大型汽轮发电机定子线圈主绝缘结构的优化设计提供可靠的支撑。

3.材料利用率与材料的消耗指数计算

在大型汽轮发电机定子线圈主绝缘结构的优化设计过程中，在标准的槽型下，绝缘材料越少，其有效材料的实际利用率越高，此种情况下的消耗指数越低。在实际绝缘结构设计和制造过程中，通过对股线原有圆角半径进行科学化利用的基础上，加强设计创新，促进其绝缘强度的提升，并提高有效材料的实际利用率，切实保证大型汽轮发电机定子线圈主绝缘结构的设计效果。

4.目标函数

在大型汽轮发电机定子线圈主绝缘结构的优化设计过程中，以提高绝缘强度的条件下，需要对目标函数进行加权处理，增大其储备系数，从而促进目标函数的实现。就标准的数学模型来看，绝缘厚度不可能增大到铜线宽度，但在实际运算过程中，可能会出现非连续的情况，那么在对目标函数的设计过程中，应当适度增加约束条件来对变量的实际变化范围进行科学化限制，明确铜线的圆角半径以及绝缘内部起始游离场强，从而为大型汽轮发电机定子线圈主绝缘结构的优化设计提供可靠的数据支撑。

5.计算方法

在对定子线圈主绝缘结构进行优化设计的过程中，应当积极提高计算的精准性，在明确标准函数的基础上，在规范的区域内实现连续可微，在极值必要条件下出发，可以得出相关的线形近似公式，以保证计算结果的精准性和可靠性。

表1　优化设计结果

6.计算结果

通过标准的计算方式来对目标函数及其相关导数方程组来进行求解，详细计算结果见表1，以此作为数据基础来实现大型汽轮发电机定子线圈主绝缘结构的优化设计，促进大型汽轮发电机的实际应用价值的提升。

在精准计算和可靠分析的基础上，可以发现在对大型汽轮发电机定子线圈主绝缘结构进行优化设计后，不同型号的电机的实际利用率得到了不同程度的提升，主绝缘击穿电压分别提高了5%左右。就实际情况来看，由于200MW的机组原有设计相对比较保守，此种情况下，其击穿电压明显高于其应用的水平，此种情况下，在对大型汽轮发电机定子线圈主绝缘结构进行优化设计的过程中，不应将重点放在强度的提高上，而是应当加大力度提高槽满率，以保证大型汽轮发电机定子线圈主绝缘结构的优化设计效果。

针对300MW以及600MW的机组，在绝缘厚度的设计过程中，应当实现其结构设计与现代化科学技术的有效应用，促进其利用率的提升，将击穿电压控制在15kV～20kV，以保证大型汽轮发电机定子线圈主绝缘结构的社会效益的提升。

结论

在本次大型汽轮发电机定子线圈主绝缘结构的优化设计研究过程中，主要通过数值法来对角部场强数学模型进行标准的建立，并在明确多目标函数的基础上，对大型汽轮发电机定子线圈主绝缘结构进行科学化的设计，降低其实际绝缘厚度，并保证击穿电压的实际水平条件，促进槽满率的提升，通过精确的计算来得出优化设计相关数据，切实提高电机出力，促进大型汽轮发电机定子线圈主绝缘结构得以优化的设计，维护大型汽轮发电机的稳定高效运行。

大电机定子线圈罗贝尔线棒圆角化不但能提高击穿水平，而且由于电场分布均匀化，可提高绝缘内部起始游离场强，减弱运行过程中内部局部放电量，提高绝缘运行寿命。

汽轮发电机是与汽轮机配套的发电机。其转速通常为3000转/分（频率为50Hz）或3600转/分（频率为60Hz）。高速汽轮发电机为了减少因离心力而产生的机械应力以及降低风磨耗，转子直径一般较小，长度较大（即细长转子）。这种细长转子使大型高速汽轮发电机的转子尺寸受到限制。20世纪70年代以后，汽轮发电机的最大容量达130～150万kW。

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