（电机与电器专业论文）powerer电磁设计及参数的有限元计算.pdf

墅竺堡矍三查兰三兰竺圭兰堡丝兰 t h e e l e c t r o m a g n e t i cd e s i g na n dp a r a m e t e r c a l c u l a t i o no fp o w e r f o r m e rb yf e m a b s t r a c t p o w e r f o r m e ri san e wt y p eo fh i g hv o l t a g eg e n e r a t o r ，o fw h i c ht h es t a t o r w i n d i n gc o n s i s t so fx l p ec a b l e s t h e s ec a b l e sh a v ec y l i n d r i c a lc r o s s s e c t i o n t h ec i r c u l a rc o n d u c t o ry i e l d sa ne v e ne l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o na r o u n di t se n t i r e c i r c u m f e r e n c e ，w h i c hm a k e st h a tt h eo u t p u tv o l t a g ec a l lr e a c ht h ep o w e rg r i d v o l t a g el e v e l s op o w e r f o r m e ro f r e r s ad i r e c tc o n n e c t i o nt ot h ep o w e rg r i d w i t h o u tt h eh e l pf o ras t e p u pt r a n s f o r m e r i to f f e r st h ep o w e rp l a n ts e v e r a l a d v a n t a g e ss u c ha se n h a n c e dr e l i a b i l i t y , h i g h e re f f i c i e n c ye t c a san e wt y p eo f e n e r g yc o n v e r s i o nd e v i c e p o w e r f o r m e ri s d i f f e r e n tf r o mt h ec o n v e n t i o n a l g e n e r a t o ri ns t a t o rs t r u c t u r ea n dp o w e r f o r m e r p e r f o r m a n c ei sa l s oi n f l u e n c e db y t h em e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lc h a r a c t e ro fc a b l e t h e r e f o r ei ti sd i f f i c u l tt od e s i g n t h ep o w e r f o r m e re x a c t l yw i t ht h ec o n v e n t i o n a le l e c t r o m a g n e t i cd e s i g nm e t h o d f i r s t l y , t h e o r y , s t r u c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i c s a n d d e v e l o p m e n ts u r v e y o f p o w e r f o r m e ra r ei n t r o d u c e da sw e l ja sh i g hv o l t a g ec a b l e t h ed e s i g nm e t h o do f s t a t o rp r i m a r yd i m e n s i o na n ds l o ts h a p ei np o w e r f o r m e ri sd e t e r m i n e da c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e ra n ds i z eo fc a b l e t h es t a t o ri n n e rd i a m e t e ro fp o w e r f o r m e ri s c a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h eb e n dr a d i u so fc a b l ea n dt h es l o ts h a p ei sd e t e r m i n e d b yt h eo u t e rd i a m e t e ro fc a b l e ，ar a t e dv o l t a g e3 5 k va n dr a t e dp o w e r2 5 5 0 k w p o w e r f o r m e ri sd e s i g n e do nt h eb a s i so ft h i sd e s i g nm e t h o d s e c o n d l y , t h ee n dr e g i o nl e a k a g er e a c t a n c ea n ds l o tl e a k a g er e a c t a n c ea r e c a l c u l a t e db yt h ef e ms o f t w a r e a n s y s m o d e l i n ga n dr e s o l v i n gp r o c e s so fe n d r e g i o nl e a k a g er e a c t a n c ei si n t r o d u c e dd e t a i l e d l y t h r e et y p eo fs l o ts h a p ea r c d i s c u s s e dr e s p e c t i v e l yw h e nc a l c u l a t e dt h es l o tr e a c t a n c e ，w h i c hi n c l u d i n gr o u n d s h a p es l o t ，s e m i c i r c u l a rs h a p es l o ta n dr e c t a n g l es l o t ，t h ec a l c u l a t i o nm e t h o do f s e m i c i r c u l a rs h a p es l o tl e a k a g er e a c t a n c ei sd e t e r m i n e db yt h ea n a l y t i cs o l u t i o n o f r o u n d 。s h a p es l o ta n dr e c t a n g l es l o tl e a k a g er e a c t a n c e f i n a l l y , t h et h e o r yo f2 df i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，w i t hw h i c hr e a c t a n c e - - 坠玺鎏矍三奎兰三兰堡主兰些鎏兰 p a r a m e t e r sw e r ec a l c u l a t e d i si n t r o d u c e di nd e t a i l t h ep a r a m e t e r si n c l u d et h e s t e a d yr e a c t a n c e ，t r a n s i e n ta n ds u b t r a n s i e n tr e a c t a n c eo fp o w e r f o i t n e r t h e2 d m o d e lw a se s t a b l i s h e da n dt h es t e a d yr e a c t a n c e t r a n s i e n ta n ds u b t r a n s i e n t r e a c t a n c ea r ec a l c u l a t e dw i t ht h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e a n s y s t h e e l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e ro fp o w e r f o r m e rw i t hf e ma n dt h ed e s i g nr e s u l tw e r e c o m p a r e di no r d e rt od e t e r m i n et h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fs t e a d yp a r a m e t e r k e yw o r d s s l o tl e a k a g er e a c t a n c e ；e n dr e g i o nl e a k a g er e a c t a n c e ；s t e a d y r e a c t a n c e ：t r a n s i e n ta n ds u b - t r a n s i e n tr e a c t a n c e ；f e m i i t 錾玺鎏矍三查兰三耋罂圭兰堡丝兰 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 9 9 8 年，a b b 公司提出了一种全新的高压发电机，它能够直接和电 网相连，即没有升压变压器和发电机回路断路器，融合了发电机和变压 器的功能，这种新型发电机被称为p o w e r f o r m e r ( f l 量变换器) ”。 p o w e r f o r m e r 理念的独特之处是用已成型的高压交联聚乙烯( x l p e ) 电缆做 定子绕组，因此其发展受到高压电缆的绝缘水平的影响”。 自从1 9 世纪旋转发电机发明以来，电机的主体结构和使用材料没有本质 的改变。在传统发电机的设计中以矩形电枢槽和矩形导体为基础，由于受电晕 影响，最大输出电压等级被限制在2 5 3 5k v 左右。发电机额定容量的提高要 通过电流的提高来获得，而电压等级却是固定不变的。结果使装备传统发电机 的电厂通常需要升压变压器。同时，电流的提高会增加电机的损耗和发热，因 此通风冷却技术约束了发电机容量的发展。 1 2 p o w e r f o r m e r 的原理 图卜1p o w e f f o r m e r 能源系统 f i g 卜1p o w e f f o r m e r e n e r g ys y s t e m p o w e r f o r m e r 与传统发电机的主要区别是采用x l p e 电缆代替传统的绝缘 矩形导线，绕制定子绕组，从麦克斯韦方程可知，圆柱形导体产生均匀分布的 电场，而且电场完全被限制在电缆的内部。这样可以大大提高发电机的输出电 压。从电缆技术的发展水平看”1 ，当今世界上最高电压等级约5 0 0 k v ，我国目 前也能生产2 2 0 k v 的高压电缆，这使p o w e r f o r m e r 的发展成为可能。 p o w e r f o r m e r 与传统发电机系统的区别，如图卜1 所示。常规电厂中的发电 机、冲击电压保护器、发电机侧开关、母线和升压变压器，可全部出一台 p o w e r f o r m e r 来代替。1 。p o w e r f o r m e r 可以做成凸极式，也可以做成隐极式，适 于水利和热力发电”。考虑高压x l p e 电缆的特点，p o w e r f o r m e r 定子采用多层 同心式绕组。p o w e r f o r m e r 与传统发电机相比，定子槽很深。为产生高电压， 气隙磁密、定转子外径也较大。p o w e r f o r m e r 与同容量的发电机相比比体积 大，产生的定子铁耗也较大，但由于其输出电压高，定子电流大大降低，铜耗 也降低了，定子侧采用直接轴向水冷，不采用传统的径向通风沟冷却j 定子铁 心通风损耗较低，降低的定子铜耗和通风损耗完全可以补偿增加的定子铁耗。 1 3 p o w e r f o r m e r 的结构特点 1 3 1 定子绕组和电缆结构 p o w e r f o r m e r 绕组与常规发电机绕组不同之处是它使用圆形导体代替矩形 导体作为定子绕组。图卜2 说明了圆形导体和矩形导体的电场分布，矩形导体 的周围产生不均匀的电场，拐角处的电场强度相对高些，而直线边侧相对低 些：圆形导体产生均匀的电场分布。而且，由于电缆的结构特点，电场完全限 制在电缆内部。这样不需要控制末端绕组区的电场，并且事实上电晕和放电的 危险完全被消除了。 图卜2p o w e r f o r m e r 屯缆和常规矩形导体的对比 f i g 1 2 e l e c t r i c a l f i e l dd i s t r i b u t i o n i nar e c t a n g u l a rs t a t o r b a ra n d i na c y l i n d r i c a lc a b l e 哈尔滨埋工大学t 学硕士学位论文 p o w e f f o i t n e r 中的电缆绕组和常规电缆略有不同。它是由导体，内部半导 体层，绝缘层，外部半导体层组成，如图卜3 所示。它没有常规电缆中的金属 壳，”部半导体层和地电势相连。这使得电场全部限制在电缆内部，不需要像 传统电机那样控莉末端绕组区的电场，这样便解决了高压中的电晕和放电问 题，其制造工艺和传输电缆的工艺基本相同。这样做有三个优点。第一，不必 像在常规发电机中那样，控制端部线圈区域中的电场，简化了电场控制。第 二，在绕组的任何区域，都没有局部放电或电晕的危险。第三，由于线圈端部 区域处于地电势，人身安全得到了保障“。 定予绕组电缆的绝缘采用的是步进绝缘，这是因为发电机中的感应电压从 定子绕组中性点到线末端逐渐增加，使得电缆沿着绕组方向产生不同的电应 力。因此，在绕组的前几匝使用较薄的绝缘，随后的匝数依次增加绝缘厚度， 使用步进绝缘还可以确保定子齿宽的恒定，这种步进式绝缘使叠压铁心也得到 优化利用。电缆的绝缘材料是在高压能源电缆中使用的交链聚乙烯( x l p e ) 。电 缆穿过定子槽就可以形成绕组，它的尺寸由系统电压和电功率的最大值决定。 为了降低p o w e r f o r m e r 中的涡流损耗，需要把导体分为相互绝缘的多殷线。但 最外层的股线应该有一个或几个不绝缘，以便确保股线和内部半导体层的电势 相等。因为电场全部局限于电缆内部，使得电缆外部半导体层在电缆绕组全长 上都保持地电势，故没有必要控制线圈端部区域中的电场，消除了铁心内部、 绕组端部和电缆线圈中的场域集中。p o w e r f o r m e r 绕组的圆形结构提供了一个 均匀分布的电场，并使电场强度达到1 0 k v m m ，远远高于常规发电机绕组中 的3 k v m m 。由于p o w e f f o r m e r 的定子电压大幅度提高，那么它的定子电流远 远低于同功率常规发电机的定予电流。低电流就意味着端部绕组的机械力降低 了，绕组端部的固定问题相对于常规发电机也简单了。 卜用于p o w e r f o r m e r 定子绕组的导体：2 一内部半导体层 3 一硅电介质( 交联聚乙烯) ；4 - 外部3 f 导体层 图l 一3 电缆结构 f i g 卜3s t r u c t u r eo fc a b l e 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 常规发电机定子绕组是双层绕组，齿较短，而p o w e r f o r m e r 是多层绕组， 定子槽很深且齿很长，机械上容易造成齿的弯曲刚度降低，产生低频共振。为 了确保电缆和叠压铁心之间有良好的电接触，也为了减少电缆在槽中振动而引 起外部半导体层磨损，必须把电缆固定于槽中。当前，a b b 采用的一种方法 是在电缆和槽壁之间插入一个三角形硅橡胶管，如图卜4 所示，通过这种固定 方式，可以消除外部半导体层的放电问题。并且外部半导体层的阻抗影响电缆 和定子铁心间的电压，对地阻抗越小，电缆和定子铁心之间的电压越低。 图1 4p o w e r f o r m e r 槽内的电缆固定 f 迦1 4f i x a t i o no f t h ec a b l e si nt h es l o t so f p o w e r f o r m e r 1 3 2 定子铁心 p o w e r f o r m e r 的转子结构与传统电机基本相同，只是定子结构有很大的变 化。在旋转电机的优化过程中，磁路中的槽和齿的设计具有至关重要的作用。 由于p o w e r f o r m e r 是高压发电机，需要更多的串联绕组匝数，所以它有一个很 深的槽，同时，齿应该尽可能的宽，这可以降低电机内的损耗和励磁量。由于 靠近转子的电缆线圈所需的绝缘层较薄，所以向着转子方向槽的横截面较小； 远离转子的电缆线圈所需的绝缘层较厚，所以背着转子方向槽的横截面较大。 每个槽由一串逐渐增大的圆形孔组成，在圆形孔之间形成窄的腰，像“车链 条”一样，如图卜5 所示。总之，与常规发电机定子相比，p o w e r f o r m e r 定子 齿长，槽深。 1 3 3 冷却系统 p o w e r f o r m e r 中定子铁心的冷却系统也是以新的理念为基础的。大多数的 热在定子铁心中产生，定子铁心被限制在地电势。新型冷却系统是间接系统， 它通过轴向插入的水管冷却定子铁心。水管也是由交联聚乙烯制成，和绝缘材 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 料本质上相同，图卜6 是p o w e r f o r m e r 的定子铁心水冷却系统。不具有辐射性 风道的轴向冷却系统的一个优点是定子铁心变得均匀，这就缩短了总的铁一t l , 长 度而且提高了效率。由于水冷系统被限制在地电势，所以就没必要用传统水冷 定子绕组中的去离子水。因此，普通自来水可以用作p o w e r f o r m e r 定子铁心的 冷却。塑料管的使用可以消除管子和铁心间短路的危险，也可以消除在接头和 管子中产生涡流的问题。而转子和端部用空气冷却方式。 图卜5p o w e r f o r m e r 定子铁心叠片 f i g 1 5t y p i c a lc r o s ss e c t i o no f t h e s t a t o rc o r eo f p o w e r f o r m e r 1 4p o w e r f o r m e r 的优点 图卜6p o w e r f o r m e r 定子铁心水冷却 f i g 1 6t h ew a t e rc o o l i n gs y s t e mo f p a r to f t h es t a t o ro f p o w e r f o r m e rw i t hi t sx l p ep i p e s 1 p o w e r f o r m e r 的运行效率一般情况下，一个具有p o w e r f o r n l e r 的电厂 的效率比一个常规电厂的效率高0 5 2 o 。对于一个1 2 0 m w 的电厂这个数字 是1 5 。这意味着具有p o w e r f o r m e r 的电厂将比常规电厂多产1 8 m w 的电。 很明显，这多产的电将提高电厂的经济效益。 2 p o w e r f o r n l e r 的无功功率为了弥补输配电网中的无功功率的损耗，电 厂需要产生无功功率。对于p o w e r f o r m e r 没有了无功功率在升压变压器中的损 耗。随着p o w e r f o r m e r 具有更多的无功功率，它将对传统的无功功率补偿器构 成了挑战。这是由 于p o w e r f o r m e r 的耐用设计使得它能比无功功率补偿器更长 时间的处在过载情况下。这点在高压传输网络的扰动情况下是非常有利的。 晴尔演理工大学 ：= 学硕士学位论文 3 p o w e r f o r m e r 的维护和可利用p o w e r f o r m e r 组建的电厂在操作上是非常 简单的，这是因为它相对于常规电厂有更少的元件。举例说，p o w e r f o r l t l e r 技 术消除了升压变压器、油的处理、发电机电路保护器和母线系统的一部分。 p o w e r f o r m e r 在高电压低电流的情况下工作，因此，定子绕组上产生的热量将 比同级别的常规发电机的定子绕组产生的热量低。由此p o w e r f o r m e r 在低温下 得以操作使得定予绕组的材料承受较低的压力，这样将使它产生更少的故障和 更高的可利用率。 4 p o w e r f o r m e r 故障电流比较安装p o w e r f o r m e r 电厂的故障电流和安装 传统发电机与升压变压器的故障电流，p o w e f f o r m e r 、传统发电机和升压变压 器的电抗和外部网络电抗要已知。另外，接地故障电流的大小也取决于同步发 电机、升压变压器和外部网络中性点的接地方式。p o w e r f o r m e r 的电抗值随设 计数据改变。因此，p o w e r f o r m e r 的瞬态电抗可咀与传统发电机的瞬态电抗相 近，也可以接近于传统发电机的瞬态电抗和升压变压器的短路电抗之和。实际 经验表明，用于热力发电厂的p o w e r f o i t n e r 瞬态电抗比传统汽轮发电机瞬态电 抗低。作为实际例子，比较两个容量都为9 0 m v a 的水电站。其中一个电站装 育常规发电枫和升压变压器。另一个电站装有p o w e f f o r m e r 。p o w e r f o r m e r 的瞬 态电抗接近于传统发电机瞬态电抗和升压变压器瞬态电抗之和。有趣的是 p o w e f f o r m e r 与常规机比较，突然短路电流比预计的要小很多，见表卜1 。 表l lt g 与p o w e r f o r m e r 内部短路时的故障电流对比 t a b l e 卜1t h ec o m p a r i s o no f t h ei n t e r i o rs h o r tc i r c u i td e f a u l tc u t t e n t o f c o n v e n t i o n n lg e n e r a t o ra n dp o w e r f o r r a e r t g p o w e r f o r m e r 1 5 k v 外部网1 5 0 k v 外部网 短路电流 短路电流 三相对地 ；，5 3 k a 三相对地 1 7 k a 二鞠对地 4 5 k a 二相对地 1 6 k a 二相间 4 5 k a二相间1 4 k a 一相对地 0 1 k a 一相对地 1 6 k a 5 p o w e r f o r m e r 投资比较与常规发电机比较，建设p o w e f f o r m e r 电站比 建设常规发电机电站的总投资也有减少，设备造价可节约1 0 左右。 哈尔滨理丁大学工学硕上学位论文 i ，5p o w e r 南r m e r 的发展展望 p o w e r f o r m e r 的全新设计除了在发电机领域引发了场革命，同时也带动 了与旋转电机相关的领域的发展。到目前，高压电缆绕组技术已应用到风力发 电、干式变压器、交流电动机和调压器中。 1 w i n d f o r m e r 将高压电缆绕组技术应用在风力发电上也有专用名词叫 w i n d f o r m e r “”，第一台w i n d f o r m e r 正在瑞典n a s s u d d e n 电站安装。发电机为 同步电机，定子绕组由电缆绕成，额定电压为2 0 k v ，转子为永久磁铁。转子 与透平机直接耦合，取消了常规风力发电机的齿轮变速箱。频率随风速而变的 高压交流电流经整流器变成直流电，经逆变器和升压变压器并网。一个 w i n d f o r m e r 包括若干个风力发电机组，总容量为4 0 m w 。 2 d r y f o r m e l d r y f o r m e r 是高压电缆绕组技术在干式变压器中的应用。 第一台d r y f o r m e r 机组是5 2 1 7 k v ，1 0 m v a 的单相变压器，其用途是概念演示 和验证设计思想。第二台为商业用途，容量为2 0 m v a ，1 4 0 6 ，6 k v , 被安装在 l o t t e f o r s 水电站。d r y f o r m e r 的优点为不含油、不用纸、不存在与可燃性油有 关的危险，也不需要昂贵的完全干透过程等。 3 其他应用 除此之外，高压电缆绕组技术目前还应用在交流电动机和 调压器上。用在电动机上qm o t o r f o r m e r ，用在调压器上叫b o o s t e r f o r m e r ，不 久还会出现许多新的f o r m e r 。 1 6p o w e r f 0 1 t r i e r 电磁设计的意义 p o w e r f o r m e r 是一种新型的高压发电机，定子绕组由高压电缆构成。因此 定子结构与传统发电机明显不同，从而在磁路计算和参数计算时，都有自身的 设计特点，并且电磁设计肘，还应该考虑高压电缆的工作温度、弯曲半径对电 缆性能的影响。随着p o w e r f o r m e r 理论研究的深入，国内相关的研究机构对 p o w e r f o r m e r 也表现了极大的兴趣，对p o w e r f o r m e r 的可行性表示认同。因 此，如何根据设计要求，进行电磁设计，得到合理的技术参数和主要尺寸，有 一定的实际意义。? 1 6 1 同步电机磁路计算的意义 磁路计算的目的就是确定产生主磁场所必需的磁化力或励磁磁动势，并计 呤尔滨理工大学丁学硕士学位论文 算励磁电流及电机的空载特性，通过磁路计算校核电机各部分磁通密度是否合 理。 1 6 2 同步电机参数计算的意义 同步发电机作为主要大型发电设备，它可以调节电力系统功率因数。它的 性能的好坏直接影响生产效益，直接影响到电力系统稳定。同时考虑到近年来 生产发展对同步电机各种性能要求的提高，所以合理的、准确的计算同步发电 机参数变得越来越重要。 众所周知，在分析电机的性能时，是以同步发电机的各种参数作为基本 量。所以只有在参数计算达到一定的准确度时，才能够精确地达到分析和处理 问题的目的。 随着电力系统容量与规模的闩益增大，同步发电机在电力系统中的运行稳 定性问题e t 渐突出，对于容量大的同步发电机和具有高阻抗的远距离输电线路 问题尤为明显，减小稳定性裕度，可以使同步发电机和电力系统的设计更为合 理。要做到这一点，就必须提高对电机和系统在受到不同的干扰后所表现出来 的特性下所进行的数字仿真的精度。要提高模拟计算精度，则必须提高同步发 电机参数计算的准确度。 随着现代化生产规模的日益增大，对同步发电机运行的连续性的要求提高 了。无论是工作在电力系统中的大型同步发电机，还是工作在各种生产线中的 同步电动机，一亘计划外突然中断运行，其可能造成的经济损失是惊人的。而 这些都是由同步电机参数决定的。 总之，同步电机参数计算的研究具有非常重要的意义。 l 。7 本论文研究的主要内容 本论文在国家自然基金资助项目“凸极能量变换器定转子结构、电磁理论 与计算研究”( 编号：5 0 0 7 7 0 0 4 ) 和第一台p o w e r f o r m e r 样机制作的基础上，设 计一台容量只= 2 5 5 0 k w , u 。= 3 5 k vp o w e r f o r m e r 。 i 按额定数据，确定电机的定、转子尺寸，进行电磁设计。 2 用有限元法对p o w e r f o r l n e r 的端部漏抗、槽漏抗进行计算。 3 用有限元法对p o w e r f o r l _ n e r 稳态电抗进行计算。 4 用有限元法对p o w e r f o r m e r 瞬态电抗和超瞬态电抗进行计算。 5 传统计算方法和有限元法计算结果比较，确定参数的计算方法二 第2 章p o w e r f o r m e r 的电磁设计 2 1 p o w e r f o r m e r 主要尺寸的确定 确定p o w e r f o r m e r 主要尺寸时，除要考虑传统电机的设计要求外，还要考 虑到定子电缆绕组弯曲半径，根据电缆的弯曲半径确定定子内径，并且定子槽 能够牢固的安放定子绕组，定子齿应该尽可能的宽。同时，考虑到电缆嵌线的 方便。定子铁心长度也不宣过长。 2 1 1p o w e r f o r m e r 定子尺寸的确定 p o w e r f o r m e r 绕组一般采用同心式绕组，令每极每相槽数为口， 则用槽数 表示时极距是3 9 ，同心式绕组最内层线圈的跨距是2 9 + 2 。则极距 r = 袅坟z 考巩= 吾坟 ( 2 _ ) 式中玩同心式绕组的端部连接圆弧直径 定子内径d j = 2 p r ( 2 - 2 ) 毛2 4 4 4 f 二k a p n b s r ( 2 - 3 ) p o w e r f o r m e r 链子绕组采用高压交联聚乙烯( x l p e ) 电缆做定子绕组，为保 证电缆的绝缘强度，电缆的弯曲直径是电缆直径的3 0 4 0 倍。 d 。= ( 3 0 4 0 ) 吼( 2 - 4 ) 1 9 i = 3 p o d( 2 - 5 ) b = ( 9 0 1 2 0 ) p 峻( 2 6 ) 式中哆广一交联聚乙烯电缆直径 p o w e r f o r m e r 电磁设计时，气隙磁密风一般在o 7 0 8 t 之间。设电势系数 为1 0 5 ，定子铁心长度根据式( 2 7 ) 确定。 b = 蔬而1 0 5 u 幻2 丽面丽 晴尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 1 2p o w e r f o r m e r 定子槽形的确定 p o w e r f o l q t l e r 定子绕组一般采用同心式绕组。发电机中的感应电势从定子 绕组中性点到线末端逐渐增加，因此，在绕组的前几匝使用较薄的绝缘，随后 的匝数依次增加绝缘厚度，即采用步进绝缘，同时采用步进绝缘还可以确保定 子齿宽的恒定，这种步进式绝缘使叠片铁心也彳导到优化利用。采用步进绝缘 时，定子绕组电缆外径不同，从而使槽型成为沿半径方向，从定子内圆开始， 半径逐步增大的一系列相连接的圆。 2 1 2 1 电缆的尺寸定子槽形的确定有赖于定子电缆尺寸。下面介绍一下国 内电缆的情况。 交联聚乙烯绝缘电力电缆是利用化学交联或物理交联的方 式，使聚乙烯分子直链状线型分子结构变为三度空间网状结构。交联后，大幅 度提高机械性能、热老化性能和耐环境应力的能力，使电缆具有优良的电气性 能和耐化学腐蚀性。电缆导体温度为9 0 。c ，因而设计时要考虑定子铁心的温 升，保证电缆的工作温度。 电缆绝缘和导线截面积关系。采用变径绕组时，根据绕组的电势确定绝缘 层厚度。p o w e r f o r m e r 定子电流较低，因此设计时定子电密选择的较低，再根 据定子电流和电密选择电缆截面积，电缆数据见表2 1 所示。 表2 - i 电缆数据 t a b l e2 1c a b l ed a t a 导体截面额定电压下的标称绝缘厚度 积 3 6 6 ( 7 2 ) k v 6 1 0 k v 8 6 1 5 ( 1 7 5 ) k v1 2 2 0 ( 2 4 ) k v1 8 3 6 ( 3 6 ) k v l o2 5 1 62 53 4 2 52 53 44 5 3 52 53 44 55 5 5 0 1 8 52 53 44 55 58 。o 2 4 02 63 44 55 5 8 o 3 0 02 83 4 4 5 5 ，5 8 0 4 0 03 03 4 4 55 58 0 5 0 0 - 1 0 0 03 2 3 44 55 58 0 通过对5 k v 电缆进行酬压试验和击穿试验，验证国产交联聚乙烯绝缘的绝 特尔滨理工大学t 学硕士学位论文 缘水平，5 k v 电缆尺寸见表2 2 所示。 表2 2 电缆尺寸 t a b l e2 2c a b l es i z e 测量导线直径m m绝缘外径m m电缆外径r r l n l 11 8 0 4 5 0 6 1 8 21 8 244 86 2 0 31 8 44 5 26 2 0 d 1 8 84 5 i6 1 7 51 8 4 4 4 76 1 0 电缆耐压试验见表2 3 所示，击穿试验数据见表2 4 所示。 表2 - 3 耐压试验 t a b l e2 - 3v o l t a g e w i t h s t a n dt e s t 、时间( 分钟) 5555555 电压( k v ) 试验一2 02 5 2 62 72 82 93 0 试验二 1 2 72 8 2 93 03 l3 23 3 试验三2 83 0 53 1 5 表2 - 4 高压电缆击穿实验 t a b l e2 - 4h i g hv o l t a g ec a b l eb r e a k d o w nt e s t 试验 试验二试验三试验四 试验五 击穿电压0 0 k v ) 7 。58 57 47 67 o 从耐压试验和击穿试验的结果，可以看出其绝缘等级，可以满足 p o w e r f o r m e r 定子绕组的绝缘水平。从电缆技术的发展水平看，当今世界上最 高电压等级约5 0 0 k v ，我国目前也能生产2 2 0 k v 的高压电缆，这为 p o w e r f o r m e r 在我国的发展提供了条件。 2 1 2 2 定子槽形的尺寸p o w e r f o r m e r 额定电压比传统电机高，因此其额定电 流比同容量的发电机低，设计时，绕组电密比传统发电机也低，根据绕组的电 密，确定电缆导线的截面积，根据电压等级，确定变径绕组的绝缘厚度和半导 体厚度。得到电缆的外径尺寸。为便于绕组嵌线，定子实际槽形尺寸比电缆外 径大1 5m l - n 左右。考虑到在电缆和稽壁之间插入了一个三角形硅橡胶管， 以保证电缆的固定，所以放置硅橡胶一侧，两个圆弧之问采用直线联接，同时 为避免破坏电缆的外部半导体层，另一侧两个圆弧之间用平滑的圆弧进行联 接。槽1 3 宽和槽1 ：5 高度，应考虑到对槽漏抗的影响和冲片加工工艺的要求。槽 高根据每槽导体数和槽口高度确定。根据电缆外径确定定子槽宽： r 2 = r ，2 + 0 7 5 ，r l = r + 0 7 5 ( 2 8 ) 式中r r 。上吧窭径电缆外径 定子槽深： 只= h + 2 n 2 r 2 + 2 l r l ( 2 9 ) 式中2 ，n 。半径为r ：，蜀的槽形数目； 爿槽1 3 高度 定子槽形状见图2 1 ，槽口宽度。 2 1 2 3 定子齿距 j幽2 - ip o w e r f o r m e r 定子槽形 f i g 2 1s l o ls h a p eo f s t a t o ri np o w e f f o r m e r 式中且定子齿磁密 扣! ：垒：鱼 1 b l b 5 ( 2 1o ) 砖气隙磁密 p o w e r f o r m e r 设计时，气隙磁密在0 7 o 8 之间，与普通同步发电机相差不 大。定子齿磁密设计时，要考虑到p o w e r f o r m e r 定子齿部的铁耗，齿部磁密比 传统发电机相对要小一些。另外，p o w e r f o r m e r 新型冷却系统是间接系统，它 通过辅向插入的水管冷却定子铁心齿部开有安放冷却水管的圆孔，齿部应该 有足够的宽度。同时p o w e r f o r m e r 每槽导体数较多，定子齿较长，为保证齿部 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 的机械强度，应使齿部有足够的宽度。 2 1 2 4 定子外径 日：堡：堡 4 - p - b ， 式中p 极对数； ( 2 - 1 1 ) b 定子轭磁密 j 轭部磁密一般在1 0 1 i t 之间，而且轭部应保证一定的高度，以确保定子 铁心压装。 d 1 = d j + 2 t ( h ；+ h ，) 式中d l 定子外径 2 1 1 3 定子每极每相槽数 口：至：刍：1 1 3 6 0 f t l 式中玎同步转速 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 2 1 4 每槽导体数 ：j p o w e r f o r m e r 输出电压，可以达到电网电压。因此每相串联导体数要比传 统发电机多，才能达到产生高压的目的，而且确定每槽导体数时，还要考虑定 予齿部长度对定子铁心压装的影响，以及齿部过长，会产生机械振动。所以每 槽导体数一般在满足输出电压的基础上，在6 1 2 根之间。 2 1 5 气隙的选择 p o w e r f o r m e r 定子电流比同容量传统电机低，电枢反应比传统发电机小 所以气隙可以比传统发电机小。选择气隙时，主要考虑安装运行。 氏，。o 1 5 ( 1 + d j ) c n l 式中口以米计 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 1 6 转子和阻尼绕组设计 采用传统方法和经验公式进行设计”“。 2 2 磁路计算 由于槽形的特殊性，定子齿部宽度分布不均匀，所以在齿上选择三点，按 辛普森公式确定齿部磁压降。 定子轭部磁路，气隙以及转子磁路计算与传统磁路计算方法相同。 2 3 设计结果 根据以上介绍的方法，并结合传统发电机电磁设计程序。设计一台额定电 压为3 5 k v 的p o w e r f o r m e r 。铜导体截面2 5 m m 2 ，导体直径5 6 m m ，并采用步 进绝缘，电缆尺寸见表2 7 ，电磁设计方案见表2 - 8 。 表2 - 7 电缆绕组尺寸 t a b l e2 - 7c a b l ew i n d i n gs i z e 内、外半导体层厚度主绝缘厚度导体直径电缆尺寸 1 0 k v 电缆 0 85 5 6 1 4 2 0 k v 电缆 o ，895 61 8 表2 - 8 电磁设计方案 t a b l e2 - 8e l e c t r o m a g n e td e s i g n i n gp r o j e c t 方案一方案二方案三 额定功率( k w ) 2 5 5 02 5 5 02 5 5 0 额定电压( k 3 53 53 5 额定功率因数0 8 5 o 8 5o 8 5 额定电流( a ) 4 9 54 9 54 9 5 极数 666 定子槽数1 4 4 1 4 41 4 4 每极每相槽数 888 每槽导体数 1 21 08 堕尘鋈矍三奎兰三：至圭兰丝篁兰 续表2 - 8 定子外径( m m ) 2 4 0 02 3 2 02 2 5 0 定子内径( m 1 ) 1 5 0 0 】5 0 01 5 0 0 铁心长度( m 耐 7 8 09 6 01 2 5 0 最小气隙( m m ) 6 55 定子槽e l 宽( r a m ) 555 定子槽口高( m m ) 555 气隙磁密( t )0 7 1 6o 7 00 6 7 3 定子齿磁密 1 5 4 2 1 5 4 71 5 3 2 定子轭磁密( t ) 1 1 7 81 1 6 51 1 2 7 极身磁密m 1 4 4 21 3 7 i1 2 9 2 短路比1 0 91 1 41 3 4 直轴同步电抗如 1 2 6 31 2 2 8 0 9 9 8 直轴瞬态电抗x 。 0 2 1 3o ，1 6 70 1 1 5 直轴超瞬态电抗粕” 0 1 8 5o 1 4 30 0 9 5 交轴同步电抗n 0 6 4 50 6 0 70 4 8 2 交轴超瞬态电抗x 。“ 0 1 90 1 4 6 0 0 9 7 定予漏抗x 。0 1 6 4o 1 2 60 0 8 l 负序电抗算，0 1 8 7o 1 4 40 0 9 6 零序电抗 0 1 0 40 0 8 20 0 6 0 定子电负荷( a ic m ) 1 8 11 5 1 1 2 l 定子电流密度( a ，h i m 2 ) 2 o2 02 0 转子电流密度( a tm m 2 ) 3 8 73 。0 l2 4 3 转子绕组线规( m m l 2 5 x 3 5 52 5 x 3 5 52 5 x 3 5 5 转子绕组匝数3 8 3 8 3 8 每极阻尼条根数 1 01 0 1 0 阻尼条直径( r a m ) 55 5 额定励磁电流( a ) 3 3 82 6 32 1 2 空载励磁电流( a ) 1 7 01 4 313 1 额定励磁电压( v ) 5 】4 6 4 5 空载励磁电压( v ) 1 7 61 7 11 92 - 1 5 - 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 续表2 - 8 硅钢片净重( t ) l o 5 1 1 61 3 8 电缆长( m ) 3 1 2 82 8 8 02 6