一种用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高电压绝缘设计领域，具体涉及一种用于高压电机的主绝缘防晕结构 优化计算方法。
【背景技术】
[0002] 大型高压电机端部出槽口处容易引起电场集中而引发局部电晕甚至放电，电晕的 产生不仅使得电机在运行过程产生不稳定因素，效率降低，还会破坏电机绝缘层的结构，影 响定子线圈的使用寿命，这也成为了大型高压电机提升自身容量的一个限制条件。传统电 机绝缘防晕结构设计主要有三种方法：经验与工程近似法、链路模型法和有限元法，其中有 限元法在近几年不断发展完善的过程中越发地被广泛应用于电机设计当中，但由于高压电 机主绝缘防晕层结构参数之间相关度较高，单纯考虑其中一个参数变化对于电机端部电场 分布的影响毫无意义，而且人工修改计算过程中的参数重复计算会消耗过多的人工物力， 更加不便于分析。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的上述问题，提供一种能够避免防晕 结构优化过程中重复建模、设置材料属性、仿真计算、分析等繁琐过程，节省了人力物力，能 够提高电机端部防晕结果的设计效率，计算精度高、工作流程简单的用于高压电机的主绝 缘防晕结构优化计算方法。
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
[0005] -种用于高压电机的主绝缘防晕结构优化计算方法，步骤包括：
[0006] 1)利用有限元多物理场耦合仿真软件对高压电机的主绝缘防晕结构进行物理建 模、定义材料属性、添加边界条件及激励源、剖分网格、设置求解器频率并求解，求解完成后 将计算过程转存为脚本文件；
[0007] 2)将所述脚本文件修改为仿真计算函数文件，将待优化计算的防晕结构参数引入 变量向量P作为仿真计算函数的输入变量，删除脚本文件中原有的云图后处理语句并采取 仿真计算得到的物理模型中防晕层末端相对线棒的电位、防晕层表面的电场强度和表面损 耗密度，并建立用于评价防晕结构效果优劣的目标函数；
[0008] 3)设置待优化计算的防晕结构参数的变化范围，根据变化范围生成多组变量向量 P，将多组变量向量P分别循环调用仿真计算函数进行计算，并在循环计算完成后输出目标 函数最优解所对应的变量向量P。
[0009] 优选地，所述步骤1)的详细步骤包括：
[0010] 1. 1)在有限元多物理场耦合仿真软件中选择3D频域静态电场求解器，将待优化 计算的防晕结构参数进行参数化处理，选择一组参数进行物理建模，得到的物理模型为嵌 入铁心的单根直的线棒，所述线棒外的体域包括主绝缘、空气域以及由低阻防晕层、中阻防 晕层、高阻防晕层依次搭接形成的防晕层；所述待优化计算的防晕结构参数包括各个防晕 层的长度、电阻率和非线性系数；
[0011] 1. 2)将所述物理模型中线棒、铁心、空气三个体域的材料属性由有限元多物理场 耦合仿真软件内部自带的系统材料库内调用，根据3D频域静态电场求解器的类型选择输 入主绝缘及防晕层的电阻率及介电常数，其中防晕层的电阻率如式（1)所示；
[0012] p=pse-p|du/dx| (1)
[0013] 式⑴中，P表示各防晕层的电阻率，P3表示各防晕层的初始电阻率，0表示各 防晕层的非线性系数，dU表示各防晕层上某一处的电位增量，dx表示各防晕层上某一处的 位移增量；
[0014] 1. 3)在添加边界条件时，将所述物理模型中线棒铜导体所有外表面设置为高压 源，高压源的电位值输入高压电机的一分钟耐压正弦电压峰值，将铁心所有外表面设置为 接地条件，添加边界条件后，对所述物理模型进行剖分网格；
[0015] 1. 4)设置3D频域静态电场求解器的频率并进行求解；
[0016] 1. 5)在求解完成后，将整个计算过程另存为脚本文件编译软件能够识别的脚本文 件，在语言编译软件环境下运行脚本文件可以重现有限元仿真软件所有操作过程，记录防 晕层所有表面在有限元多物理场耦合仿真软件内所相对应的面域编号、高阻防晕层末端所 有线段在有限元多物理场耦合仿真软件内所对应的线域编号。
[0017] 优选地，所述步骤1. 1)得到的物理模型中，所述线棒、主绝缘、防晕层及铁心四者 中相邻两者之间无气隙或介质，各防晕层之间忽略搭接的影响且搭接处的等效电阻率等同 于电阻率较低一侧防晕层的电阻率；所述线棒采用直线化处理来取代真实情况中的线圈， 所述低阻防晕层覆盖端部线圈直线及转角部分，且所述物理模型中曲线部分的曲率及周围 其他线圈所带来的影响忽略不计。
[0018] 优选地，所述步骤2)的详细步骤包括：
[0019] 2. 1)在所述脚本文件的首行引入函数名以及需要进行编译的变量向量p，将所述 脚本文件修改为将变量向量P作为输入参数的仿真计算函数文件；
[0020] 2. 2)在所述脚本文件内将变量向量p内的各个变量赋值给脚本文件中的参数化 数据；
[0021] 2. 3)删除所述脚本文件后的原后处理程序语句以及涉及模型的可视操作，利用脚 本文件编译软件的采取函数对物理模型中记录的防晕层所有表面在有限元多物理场耦合 仿真软件内所相对应的面域编号的表面电场强度和表面损耗密度、高阻防晕层末端所有线 段在有限元多物理场耦合仿真软件内所对应的线域编号的电位进行采取，在采取完毕后分 别获取防晕层末端的电位、表面电场强度和表面损耗密度的数据结构；
[0022] 2. 4)根据高压电机对于防晕层表面的电位、表面电场强度和表面损耗密度的要求 建立用于评价防晕结构效果优劣的目标函数。
[0023] 优选地，所述步骤2. 4)中建立的目标函数的内容如下：
[0024] 2. 4. 1)针对防晕层末端相对线棒的电位、表面电场强度和表面损耗密度的数据结 构，判断所述防晕层末端相对线棒的电位的最大值Uend小于预设的高压电机对于防晕层 表面相对线棒的电位要求值Uendd、所述表面电场强度的最大值Emax小于预设的高压电机 对于防晕层表面的表面电场强度要求值Emaxp所述表面损耗密度的最大值Wmax小于预设 的高压电机对于防晕层表面的表面损耗密度要求值WmaX(lS个条件是否同时成立，如果同 时成立则跳转执行步骤2.4.2);否则，目标函数输出结果为目标函数默认值；
[0025] 2. 4. 2)目标函数输出结果为所述表面电场强度的最大值Emax除以预设的高压电 机对于防晕层表面的电场强度要求值EmaX(l、所述表面损耗密度的最大值Wmax除以预设的 高压电机对于防晕层表面的表面损耗密度要求值WmaX(l、所述电位的最大值Uend除以预设 的高压电机对于防晕层表面相对线棒的电位要求值Uenc^的结果再加上目标函数默认值减 1三者的乘积。
[0026] 优选地，所述预设的高压电机对于防晕层表面的表面电场强度的要求值EmaX(lS 8.Ie5,预设的高压电机对于防晕层表面的表面损耗密度的要求值WmaX(lS6e6,预设的高压 电机对于防晕层表面相对线棒的电位的要求值Uenc^S3. 9e4。
[0027] 优选地，所述步骤3)的详细步骤如下：
[0028] 3. 1)初始设置目标函数最优解、迭代次数、输出向量零矩阵、输入变量零矩阵以及 待优化计算的防晕结构参数的离散变化范围；
[0029] 3. 2)将所有待优化计算的防晕结构参数的离散变化范围构成多层循环结构来生 成变量向量P，每一次迭代对应一个变量向量P;每生成一组变量向量P，循环调用仿真计算 函数进行计算变量向量P的目标函数值，并将变量向量P的目标函数值和上一次循环后的 目标函数最优解进行比较，如果变量向量P的目标函数值比上一次循环后的目标函数最优 解小，则将变量向量P的目标函数值赋值给目标函数最优解并将变量向量P赋值给输出向 量零矩阵；如果循环调用仿真计算函数过程中由于变量向量P的参数结构导致有限元计算 结果无法收敛而出错被强