金属杂质侵蚀下的大型发电机定子线棒绝缘劣化机理

大型发电机作为电力系统运行的重要设备,其结构复杂、造价昂贵,发生故障后检验周期长、成本高。在影响发电机正常运行的安全问题中,有超过60%是由定子主绝缘系统引发的

。定子绕组的主绝缘系统采用环氧-云母有机复合材料叠压而成。主绝缘的劣化因素可归结为热、电、机械和环境应力的耦合作用

。由热应力导致的绝缘劣化是因在电机运行中,温度突然超过临界值后,绝缘材料内部发生化学反应,高分子电介质的导电率增大,大分子链的构造遭到破坏而引发了绝缘层脆化分离

。由电气应力引起绝缘劣化是由于在高场强下,绝缘内部由气泡或表面污秽导致的局部放电破坏效应,以及极高场强下导致空间电荷从铜表面缺陷处放射电子进入绝缘膜,破坏了膜绝缘的化学键

。由机械应力导致的绝缘损坏主要是因为电机本体的机械疲劳损伤使绝缘产生缺陷与分层

。

国际上对于大型发电机绝缘破坏的分析与研究多集中于以上3个方面,而对于环境应力所引起的绝缘失效还未展开深入研究。尤其是对由于电机运行环境中带入的金属磨蚀性杂质颗粒、工业侵蚀性粉末、金属焊瘤颗粒等随机介质在电场力/磁场力等耦合作用力下造成的电机绝缘的劣化影响机理尚不清楚

。附着于发电机绕组间的金属颗粒物在交变磁场作用下可等效为单个动子。当金属颗粒同时受耦合电磁力作用时,在定子绕组间将呈现随机摩擦运动并可能侵入绝缘防晕层导致主绝缘失效并产生击穿。这类环境应力下的绝缘劣化现象在实际运行的电机机组间时有发生,且严重威胁大型发电机的安全运行。因此,开展对这类现象的研究与探索具有重要的工程意义。

他开始在清华养起了猫。小猫初次上树，不敢下来，他设法把它救下。小猫下来后，用爪子轻轻软软地在他腕上一搭，表示感谢。钱钟书常爱引用西方谚语：“地狱里尽是不知感激的人。”小猫知感激，钱钟书说它有灵性，特别宝贝。

文献[16]对金属颗粒侵蚀发电机定子绝缘做了现象分析,但没有具体对物理行为进行研究和实验论证;文献[17]通过编程计算分析了大型发电机定子端部绕组的电磁特性,但未进行多场对比分析;文献[18-21]通过有限元仿真的方法对发电机定子线棒绝缘进行了电磁场分析;文献[22-25]仿真分析了运行中的发电机的温度特性和力学特性。但是,目前国内外尚未报道针对这类金属杂质对发电机定子主绝缘的侵蚀和劣化影响的研究。

本文针对大型发电机内部金属杂质对定子线棒绝缘侵蚀现象,采用非线性有限元平台构建耦合精细化模型展开研究。得到叠加场下的有限元瞬态映射关系。研究金属杂质颗粒在定子绕组交变磁场作用下的全维度受力特征及迁移现象及施力行为。通过搭建可控柔性磁场研磨实验平台,对金属颗粒的受力特征进行分析及扫描电镜观测,验证了有限元分析金属杂质颗粒对定子线棒环氧绝缘层的侵蚀研磨机理。

1 多物理场数学模型的构建

1.1 电磁场有限元理论

正中神经、尺神经SCV、MCV与自主神经病变存在广泛相关性，差异有统计学意义（P＜0.05）。正中神经与心脏自主神经功能关系更为密切，SCV与心脏自主神经功能关系更为密切。见表2。

1.2 电磁力的数值计算

式中:

为单元线应变;

为单元切应变;

为材料的弹性模量;

为材料的泊松比;

为材料的弹性系数。

=

×

(1)

式中:

为金属颗粒受到的电磁力;

为电流密度;

为磁通密度。

电机空间数学模型的单元力微分方程为

(2)

式中:

为对热换流系数(W/(m

·K)),表示单位面积在单位温差作用下通过的热流量;

为周围流体温度。

应力和应变之间的关系为

(3)

为了分析金属颗粒在电磁场中的受力、形变情况,采用电磁-结构耦合分析,将电磁力密度作为载荷加载到结构场,并添加位移约束边界条件进行求解。金属杂质所受电磁力为

时至今日，“泰诺”投毒案仍未告破，强生公司的10万美元奖金还无人领取。但我们相信在安保体系更加完善的今天，恐怖袭击的阴霾终将消散。

设置与温度场耦合的电磁场求解器类型为涡流场。设置与结构场耦合的电磁场求解器类型为瞬态磁场,求解时间为20 ms,金属杂质损坏定子主绝缘的破坏源是发电机的输出电流(频率为50 Hz),取一个周期的仿真时间足以反映破坏源的幅值和频率两大主要特征。不考虑硅钢片的涡流效应,仿真计算得到两种不同位置下的类球形金属杂质在磁场作用下第一个运行周期内的受力情况,如图2所示,图中显示了类球形杂质受到的合力的模|

|以及在

、

、

方向上的分量

、

、

。

(4)

1.3 温度场计算的原理

物体间的热能传递机理通常通过热传导、热辐射和热对流3种形式。发电机定子上的热交换主要涉及热传导和热对流,工程上通常忽略热辐射的影响。

热传导基本定律称为傅里叶定律,其数学表达式可以表示为

电磁场分析问题等同于求解一定边界条件下的麦克斯韦方程问题。通过有限元法解决分析发电机内各处的电磁问题时需要从麦克斯韦方程组的微分形式入手,分析时需要设定相应的边界条件,以电场强度、磁场强度作为待求量进行求解,也可以以电磁位作为待求量进行求解。电磁场主要分为图解法、模拟法、解析法和数值法4种分析方法。本文采用数值法中的有限元法研究了金属杂质对发电机定子绝缘的破坏机理。

(5)

式中:

为热流密度(W/m

);

为物体温度(K);

为材料导热系数(W/(m·K));

为法向标识。

距离直接影响到声音的清晰度和直达声与混响声的比例，而角度关系到声音的音色。在使用传声器语言拾音一般拾音距离为20～30cm，但录制中还要根据室内混响时间的长短进行调整，必须控制好直达声和混响声的比例，混响时间长，可近一点；混响时间短，则稍远些。另外，拾音的距离与传声器的指向性也有关系，使用者根据传声器不同的指向性调整好拾音的距离。一般拾音的距离不宜过近（特殊需求除外）。对于现场节目主持人形式的拾音要注意掌握嘴部与传声器的距离和角度，不宜过近，避免出现“喷话筒”和“抽气声”。

(2) 红土镍矿-硫酸铵焙烧熟料铁溶出过程受外扩散控制，动力学方程为：1-(1-α)2/3=0.208 5 exp(-7 234/RT)t，表观活化能E=7.23 kJ·mol-1。

热对流发生在流体中,是液体和气体热传递的特有方式,正常运行的发电机存在空气对流和液体冷却对流。对流换热基本定律即当物体的温度高于周围环境温度时会通过向周围媒介传递热量的方式进行冷却的规律,数学表达式为

=

(

-

)

(6)

式中:

为正应力;

为切应力;

、

、

为均匀分布的体力分量。

2 耦合模型有限元建模与分析

单个金属杂质的形状较为复杂,属于多维刚体结构。因此,为了简化建模过程并进行有效分析,本文将不规则形状的单个金属颗粒设计成球形结构。建立含金属杂质颗粒的水轮发电机定子线棒等效模型,简化外部防晕层结构。建立的几何模型如图1所示。

对于球形金属杂质颗粒,在两种不同位置下对其进行数值分析计算,以观察杂质对定子主绝缘的劣化影响。位置1表示类球形杂质一半在定子主绝缘外部、另外一半嵌在定子主绝缘内的仿真模型;位置2表示类球形杂质全部嵌在定子主绝缘内且靠近定子线棒,处于临近击穿状态时的仿真模型。

观察两种不同位置下的类球形金属杂质受力曲线图可得以下结论。

党的十八大提出要“推动信息化与工业化深度融合”，紧跟现代企业发展步伐，胜利油田也把信息化提升作为“标准化设计、模块化建设、标准化采购、信息化提升”的“四化”管理模式的一项重要内容。采油矿信息化建设取得了丰硕成果，但与信息技术的飞速发展、企业依靠信息化提高劳动生产率的需求相比，还存在着巨大的提升空间和挖掘潜力。

2.1 电磁场仿真结果分析

对结构场施加位移边界条件

,可表示为

不同温度水热预处理对普通小球藻生物质水解效果明显。如图1所示，在30 min水热处理时间的条件下，与未经水热预处理的对照组相比，120、150、180℃水热预处理使得普通小球藻生物质的VSS水解率分别增加了10.8%、36.7%和56.5%，在180℃时，普通小球藻生物质的VSS水解率最大。和对照组相比，120、150、180℃水热预处理使得普通小球藻生物质的VDS浓度分别增加了90%、311%和413%。这与之前的研究结果一致，在140、160、180℃水热预处理条件下，普通小球藻生物质固相的COD去除率平均为46.4%［9］。水热预处理使得有机物从固相到液相的转移效果明显。

(1)金属杂质在8 ms左右时受力达到最大,该时刻既不是定子线棒电流最大值时刻,也不是定子线棒电流为0的时刻。这是因为当定子电流最大的时候,其变化率最小,故金属杂质中感应的涡流最小,即便杂质周围的磁场此时最强,其受力也不大。当定子电流为0时,其变化率最大,杂质感应的涡流最大,但是由于杂质周围磁场最弱,所以杂质的受力仍然不大。

以知觉压力、应对方式中的积极应对与消极应对为自变量，以心理健康状况为应变量，进行多元线性回归分析，结果显示：知觉压力、应对方式中的积极应对与消极应对是脑卒中病人家庭照顾者心理健康状况影响因素，其决定系数R2=0.473，说明脑卒中病人家庭照顾者心理健康状况变异的47.3%可由知觉压力、积极应对与消极应对解释，详见表4。

(2)金属杂质在磁场作用下所受电磁力在

、

、

方向上的分力有正有负,说明在三相定子电流引起的交变磁场作用下,金属杂质在

、

、

这3个方向的受力方向都是变化的。

(3)金属杂质第一个运行周期内所受分力的最大值约为1.96 mN,进而计算得出其在电磁场中

轴方向上运动的加速度为19.98 m/s

,此为重力加速度的两倍,该结果表明无序运动的金属杂质对绝缘层将造成一定研磨侵蚀。这是金属杂质在一个方向上的加速度,而杂质在全维度均有受力,金属异物颗粒的运动轨迹为旋转研磨趋势。

(4)在仿真的第一个周期内,类球形金属杂质所受合力初始值为0,而末值不为0。说明在运行一个周期后,金属杂质受力的初始状态发生改变。虽然定子电流具有周期性、重复性,但是对于杂质,其受力具有随机性,且金属杂质对定子绝缘造成的破坏不是瞬时产生的,而是一定时间尺度内累积的击穿效应。

图3为类球形金属杂质在磁场作用下受到的电磁力密度矢量图,图中观察角度为正视。可以得出:从场的角度来看,类球形金属杂质的两端涡流明显,呈现出来的受力效果为外端往外拉,内端往内拉,合力效果表现为类球形金属杂质向绝缘层方向挤压。此图再次验证了金属杂质对定子绝缘层有旋转研磨和钻的趋势。

2.2 结构场仿真结果分析

在对金属杂质进行结构场分析时,由于金属杂质仅影响其附近的定子主绝缘,故本文只对金属杂质和与其匝链的定子绝缘进行分析。由图2可得,金属杂质在8 ms左右时所受电磁力达到最大值,将8 ms时刻的电磁力密度导入结构场进行分析。两种不同位置下的类球形金属杂质在磁场作用下的形变和受力情况如图4～7所示。为了更清晰地观察金属杂质的形变趋势,本文所示图像为放大一定倍数的形变和应力结果。

图4为放大130倍的类球形金属杂质形变特征云图,图中最大形变的特征值发生在金属杂质上,金属杂质的形变量计算阈值范围为28～63 μm。图5为放大32倍的类球形杂质形变特征云图,图中最大形变特征值发生在金属杂质周围的定子绝缘部分,该部位形变阈值范围为84～252 μm。说明金属杂质在单次作用于定子绝缘时引起的形变量并不大。

图6为放大130倍的类球形金属杂质应力云图,图中最大应力发生在金属杂质上,其值为139.51 MPa。图7为放大32倍的类球形金属杂质应力云图,图中最大应力发生在金属杂质上,其值为964.01 MPa,此值远大于大气压强(0.1 MPa),说明微小杂质受到的电磁力是很大的。比较两种不同位置下类球形金属杂质在磁场作用下的形变和应力结果,可以发现:类球形金属杂质在磁场作用下产生的形变量很小,但是最大应力值较大,表明金属杂质在大时间尺度内的研磨作用能裂解并磨穿环氧绝缘层。

四十二岁那年，李白游到了京城，拜见了文坛高士贺知章。贺知章出于礼貌，随手翻阅着李白呈上的诗文。读到《蜀道难》时，老头登时被惊住，连呼“天纵奇才，下凡的谪仙！”。

2.3 温度场仿真结果分析

同结构场分析一样,进一步对金属杂质和与其匝链的定子绝缘层进行温度场分析。将电磁场分析计算得出的热生成率即金属杂质的焦耳损耗导入温度场进行分析。研究定子线棒分别在80、100和120 ℃时的含金属杂质温度分布特征,分析定子散热最差条件下由金属杂质导致的温升情况。不同定子线棒温度下,金属杂质在电磁场作用下的温度分布情况相同。因此,给出定子线棒在100 ℃时两种不同位置下的类球形金属杂质在电磁场作用下的温度分布,如图8所示。

从图8可以看出,在存在金属杂质的情况下,定子绝缘层上的温度分布是由内层到外层逐渐降低,绝缘层的温度都不超过定子线棒温度,即使有金属杂质产生热量,其附近的温度也是低于定子线棒温度的。说明金属杂质产生的焦耳损耗不严重,在散热条件最差的情况下也没有导致其匝链的定子绝缘产生很高的温升。

3 实验验证

依据有限元分析结果,搭建金属杂质颗粒在全维度耦合场力研磨模拟平台,验证金属颗粒对定子线棒主绝缘的研磨侵蚀作用。

3.1 平台搭建

以某型水轮发电机真机定子线棒切面为分析对象,发电机主要电气参数及定子线棒结构设计参数分别如表1和表2所示。

定子线棒主绝缘为环氧云母绝缘体系,截取一段线棒进行研究,图9为实验用定子线棒。

式中，Wij(d)表示距离为d的空间相邻权重矩阵。类似地，如果i和j相邻，Wij(d)的值为1；如果i和j不相邻，则Wij(d)的值为0。

为了直观地获取研磨作用下主绝缘材料老化及受损的物理表征,并验证有限元数值模型中金属颗粒在磁场作用下对定子线棒绝缘破坏性的研磨的数值结果,通过柔性交变磁场下的金属颗粒研磨定子线棒实验平台进行模拟实验。通过该平台实现了金属异物颗粒对线棒主绝缘样本环氧云母表面破坏性摩擦力模拟。图10为定子线棒研磨实验平台。图11为金属杂质研磨后的定子线棒绝缘层表面劣化图。

3.2 样本观测与分析

为对样本进行进一步观测,采用扫描电镜(SEM)观测金属颗粒表面及金属异物颗粒侵入定子绝缘式样环氧表面微观本征结构,结果如图12和13所示。对不同放大倍数下的微观摩擦-断裂表面进行了特征观测,结果表明,基于有限元分析的金属颗粒在绝缘表面的破坏结果与实验观测结果较为一致。

4 结 论

本文针对运行中的大型发电机受金属颗粒异物侵蚀而造成定子线棒主绝缘劣化的现象,建立了含金属颗粒的定子线棒非线性有限元模型。分析了金属杂质颗粒在电磁场作用下对定子线棒绝缘层的施力变形和温升的耦合影响,通过搭建模拟研磨验证平台进行了线棒绝缘层切面耦合受力分析,采用扫描电镜进行了线棒环氧绝缘层沿面劣化观测。本文结果表明,金属杂质颗粒在电磁场作用下对定子线棒绝缘环氧沿面的机械研磨应力侵蚀大于涡流产生的热作用破坏。

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