高海拔空冷电机定子绕组端部柔性绝缘结构及设计方法与流程

本发明涉及电气行业，更具体的是涉及高海拔空冷电机定子绕组端部柔性绝缘结构及设计方法。

背景技术：

1、定子绕组端部绝缘结构(包括同槽上下层线圈之间的出槽口间隙、同相线圈的斜边间隙、异相线圈的斜边间隙、线圈端部与接地部件之间的距离、汇流排绝缘表面之间的距离)是高压电机端部绝缘设计的关键技术，对于高海拔运行的空气冷却发电机组，定子绕组端部绝缘除了承受常规的电、热、机械等应力因子的影响，还会因为高海拔空气密度降低而使定子绕组端部绝缘的对地电气强度和耐局部放电能力下降、导致电晕腐蚀现象的经常发生，因此需要对高海拔空冷电机定子绕组端部绝缘结构根据海拔高度进行特殊设计。

2、目前，国内针对高海拔空冷电机定子绕组端部绝缘结构的设计方案是当海拔高度超过1000m时，按照gb 311.1《绝缘配合第1部分：定义、原则和规则》和jb/t 8439《使用于高海拔地区的高压交流电机防电晕技术要求》进行修正和设计。例如，额定电压18kv、海拔3000m的高海拔空冷机组，折算后直接采用额定电压26kv的定子绕组端部绝缘结构，简单地直接用高电压等级的定子绕组端部绝缘结构进行覆盖，大幅增加了定子绕组端部尺寸和电机重量，没有综合定子绕组端部绝缘实际的对地电气强度和耐局部放电能力去开展精细化设计。

3、按传统方法设计的高海拔空冷电机定子绕组端部绝缘结构的对地电气强度和耐局部放电能力裕量大，降本增效空间较大；因此，需要开发出一种高海拔空冷定子绕组端部绝缘结构，在保证高海拔气候条件下定子绕组端部绝缘电气性能和耐局部放电性能的前提下，综合高海拔参数和定子绕组端部绝缘电气裕度，对定子绕组端部绝缘结构(包括同槽上下层线圈之间的出槽口间隙、同相线圈的斜边间隙、异相线圈的斜边间隙、线圈端部与接地部件之间的距离、汇流排绝缘表面之间的距离)进行柔性设计，缩短定子绕组端部长度、减小端部对地距离，降低定子绕组材料成本和电机重量。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：为了解决现有方法设计的高海拔空冷电机定子绕组端部绝缘结构的对地电气强度和耐局部放电能力裕量大、降本增效空间较大、体积较大的技术问题，本发明提供高海拔空冷电机定子绕组端部柔性绝缘结构。本方案原理清晰、实用高效。

2、本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

3、本发明的第一个方面提供高海拔空冷电机定子绕组端部柔性绝缘结构的设计方法，包括如下步骤：

4、s1、高海拔空冷电机定子绕组端部柔性绝缘结构包括同槽上下层线圈、若干同相定子线圈、若干异相定子线圈、线圈端部、接地部件、若干相同汇流排以及若干异相汇流排；

5、s2、同槽上下层线圈之间存在的电位差小于空气间隙的击穿电压，可防止同槽上下层线圈之间的表面会产生局部放电，同槽上下层线圈之间的出槽口间隙是定子绕组端部线圈之间的最小间隙，则需要设计同槽上下层线圈之间的出槽口间隙为d1；

6、s3、设计相邻同相定子线圈之间具有最小电位差，防止出现局部放电现象，该最小电位差由相邻同相定子线圈之间的斜边间隙确定，则需要设计相邻同相定子线圈之间的斜边间隙为d2；

7、s4、邻异相定子线圈之间的电位差达到机组额定线电压值，相邻异相定子线圈之间的斜边间隙会出现局部放电现象，则需要设计相邻异相定子线圈的斜边间隙为d3；

8、s5、由于高海拔空气密度下降，高压试验时定子绕组端部的高电位区域容易对接地部件放电而损伤定子绕组端部绝缘，则需设计定子绕组端部与接地部件之间的距离为l1；

9、s6、单独设计相邻同相汇流排绝缘表面之间的距离为l2；

10、s7、相邻异相汇流排之间的电位差达到机组额定线电压值，相邻异相汇流排之间会出现局部放电现象，则需设计相邻异相汇流排绝缘表面之间的距离l3。

11、在一个实施方式中，步骤s2中，定义同槽上下层线圈之间的出槽口间隙为d1，则d1的计算公式如下：

12、

13、其中，c1为为0.28～0.32mm/kv，根据电机运行特性和绝缘寿命要求进行取值；

14、un为电机额定线电压，6kv≤un≤30kv；

15、h1为定子线圈制造厂的海拔；

16、h2为定子线圈嵌装地的海拔；

17、k为随海拔升高的递减率，k＝0.1。

18、具体来说，机组运行时，定子绕组同槽上下层线圈承受的电压不同，当同槽上下层线圈之间存在的电位差大于空气间隙的击穿电压时，同槽上下层线圈之间的表面会产生局部放电，对机组安全稳定运行产生隐患。同槽上下层线圈之间的出槽口间隙d1是定子绕组端部线圈之间的最小间隙(此处的存在的电位差最大)，故需要设计同槽上下层线圈之间的出槽口间隙d1距离(即需要设计定子绕组端部线圈之间的最小间隙)。

19、在一个实施方式中，步骤s3中，定义相邻同相定子线圈的斜边间隙为d2，d2的计算公式如下：

20、

21、其中，c2为0.55～0.66mm/kv，根据电机运行特性和绝缘寿命要求进行取值；

22、un为电机额定线电压，6kv≤un≤30kv；

23、h1为定子线圈制造厂的海拔；

24、h2为定子线圈嵌装地的海拔；

25、k为随海拔升高的递减率，k＝0.1。

26、具体来说，机组运行时，定子绕组端部相邻同相定子线圈之间的电位差小，较小的斜边间隙也不会出现局部放电现象，因此，可以将定子绕组端部相邻同相定子线圈的斜边间隙设计的较小。

27、在一个实施方式中，步骤s4中，定义相邻异相定子线圈的斜边间隙为d3，d3的计算公式如下：

28、

29、其中，c3为0.83～0.90mm/kv，根据电机运行特性和绝缘寿命要求进行取值；

30、un为电机额定线电压，6kv≤un≤30kv；

31、h1为定子线圈制造厂的海拔；

32、h2为定子线圈嵌装地的海拔；

33、k为随海拔升高的递减率，k＝0.1。

34、具体来说，机组运行时，定子绕组端部相邻异相定子线圈之间的电位差最大，达到机组额定线电压值，相邻异相定子线圈之间的斜边间隙容易出现局部放电现象，因此，需要将定子绕组端部相邻异相定子线圈的斜边间隙进行精细化设计。

35、在一个实施方式中，步骤s5中，定义定子绕组端部与接地部件之间的距离l1，l1的计算公式如下：

36、其中，c4为4.2～4.6mm/kv，根据电机运行特性和绝缘寿命要求进行取值；

37、un为电机额定线电压，6kv≤un≤30kv；

38、h1为定子线圈制造厂的海拔；

39、h2为定子线圈嵌装地的海拔；

40、k为随海拔升高的递减率，k＝0.1。

41、具体来说，定子绕组在高海拔工地嵌线时，下层定子绕组嵌线完成后，根据标准要求对定子绕组进行交流耐电压试验，由于高海拔空气密度下降，高压试验时定子绕组端部的高电位区域容易对接地的金属部件放电而损伤定子绕组端部绝缘，需要对定子绕组端部与接地部件之间的距离进行精细化设计。

42、在一个实施方式中，步骤s6中，定义相邻同相汇流排绝缘表面之间的距离l2，l2的计算公式如下：

43、

44、其中，c5为0.9～1.1mm/kv，根据电机运行特性和绝缘寿命要求进行取值；

45、un为电机额定线电压，6kv≤un≤30kv；

46、h1为定子线圈制造厂的海拔；

47、h2为定子线圈嵌装地的海拔；

48、k为随海拔升高的递减率，k＝0.1。

49、具体来说，机组运行时，定子绕组端部相邻同相汇流排之间没有电位差，没有间隙也不会出现局部放电现象，传统方法没有针对相邻同相、异相汇流排开展单独设计，均按相邻异相汇流排绝缘表面之间的距离进行设计，无效增加了定子绕组端部空间尺寸，为了对相邻同相汇流排进行机械绑扎固定，只需要适当考虑一定的表面距离。

50、在一个实施方式中，步骤s7中，定义相邻异相汇流排绝缘表面之间的距离为l3，l3的计算公式如下：

51、

52、其中，c6为1.9～2.1mm/kv，根据电机运行特性和绝缘寿命要求进行取值；

53、un为电机额定线电压，6kv≤un≤30kv；

54、h1为定子线圈制造厂的海拔；

55、h2为定子线圈嵌装地的海拔；

56、k为随海拔升高的递减率，k＝0.1。

57、具体来说，机组运行时，定子绕组端部相邻异相汇流排之间的电位差达到机组额定线电压值，相邻异相汇流排之间容易出现局部放电现象，传统方法用高电压等级的绝缘结构直接覆盖，设计的空间距离裕度较大，因此，需要将定子绕组端部相邻异相汇流排绝缘表面之间的距离进行精细化设计。

58、本发明的第二个方面提供高海拔空冷电机定子绕组端部柔性绝缘结构，由上述高海拔空冷电机定子绕组端部柔性绝缘结构的设计方法，设计得到。

59、在一个实施方式中，还包括绝缘外壳，同槽上下层线圈、若干同相定子线圈、若干异相定子线圈、线圈端部、接地部件、若干相同汇流排以及若干异相汇流排均设置在绝缘外壳内。

60、本发明的第三个方面提供定子绕组，包括上述高海拔空冷电机定子绕组端部柔性绝缘结构。

61、本发明的有益效果如下：

62、1、本发明根据高海拔气候条件下空冷电机定子绕组端部绝缘实际承受的电应力、热应力和机械应力等应力因子，结合机组运行额定电压、绕组端部绝缘电气裕度，首次创造高海拔空冷电机定子绕组端部绝缘结构的柔性设计方法。

63、2、在保证高海拔空冷电机定子绕组绝缘结构的电气性能前提下，根据实际海拔高度进行精细化设计，同槽上下层线圈之间的出槽口间隙比传统电机减少13％～18％，减少电机槽部高度尺寸。

64、3、在保证高海拔空冷电机定子绕组绝缘结构的电气性能前提下，根据实际海拔高度进行精细化设计，相邻同相线圈的斜边间隙比传统电机缩减19％～32％，缩短定子线圈长度尺寸、有效减少线圈铜料和绝缘材料成本。

65、4、保证高海拔空冷电机定子绕组绝缘结构的电气性能前提下，根据实际海拔高度进行精细化设计，相邻异相定子线圈之间的斜边间隙比传统电机缩减15％～22％，缩短定子线圈长度尺寸、有效减少线圈铜料和绝缘材料成本。

66、5、在保证高海拔空冷电机定子线圈防晕结构的防电晕性能前提下，根据实际海拔高度进行精细化设计，定子绕组端部与接地部件之间的距离比传统电机缩减16％～25％，缩短定子线圈长度尺寸、有效减少线圈铜料和绝缘材料成本。

67、6、在保证高海拔空冷电机定子线圈防晕结构的防电晕性能前提下，根据实际海拔高度进行精细化设计，定子绕组端部相邻同相汇流排绝缘表面之间的距离比传统电机缩减100％～150％，大幅缩短定子绕组端部空间尺寸、有效减少电机长度和重量。

68、7、在保证高海拔空冷电机定子线圈防晕结构的防电晕性能前提下，根据实际海拔高度进行精细化设计，定子绕组端部相邻异相汇流排绝缘表面之间的距离比传统电机缩减17％～29％，缩短定子绕组端部空间尺寸、减少电机长度和重量。