1 000 MW汽轮发电机定子出线套管屏蔽电极设计

任 晓，王 军，方春恩，李 伟， 彭 云，苏育均，李先敏

(1. 西华大学电气与电子信息学院、先进计算研究中心，四川 成都610039；2.东方电气集团东方电机有限公司，四川 德阳 61800；3.国网四川省电力公司凉山供电公司，四川 西昌 615000；4.国网雅安电力(集团)公司，四川 雅安 62500)

·机电工程·

1 000 MW汽轮发电机定子出线套管屏蔽电极设计

任 晓1，王 军1，方春恩1，李 伟1， 彭 云2，苏育均3，李先敏4

(1. 西华大学电气与电子信息学院、先进计算研究中心，四川 成都610039；2.东方电气集团东方电机有限公司，四川 德阳 61800；3.国网四川省电力公司凉山供电公司，四川 西昌 615000；4.国网雅安电力(集团)公司，四川 雅安 62500)

屏蔽电极设计是定子出线套管设计的最核心问题，屏蔽电极能否满足设计要求，对定子出线套管的安全运行十分重要。设计了1 000 MW汽轮发电机定子出线套管的双层屏蔽电极结构，采用有限元软件进行了仿真分析：改变中间屏蔽电极和接地屏蔽电极的位置，比较不同位置时电场强度最大值的大小，从而确定中间屏电极和接地屏蔽电极的半径、长度及轴向上的位置。所设计汽轮发电机定子出线套管双层屏蔽电极结构有效改善了接地法兰附近电场分布过分集中的问题，满足相关标准的绝缘设计要求，为1 000 MW汽轮发电机定子出线套管屏蔽电极设计的实际应用提供参考。

1 000 MW；出线套管；双屏蔽电极；有限元方法；电场强度

复合绝缘套管作为电力系统中高压电器设备的引线绝缘部件，是电力系统配套的关键设备之一。复合绝缘材料具有憎水性好，抗污能力强等优点，近些年来在电力系统中得到广泛的应用[1-7]。

由于套管的结构比较特殊，电场分布很不均匀，同时存在轴向电场和径向电场；因此，在靠近极板和法兰附近电场比较集中，容易发生沿面放电和滑闪放电[8-12]。电场强度在法兰和导体间分布相对比较集中，从而很容易引起绝缘击穿。电压等级越高，导体和法兰之间电场强度的不均匀性分布就表现得更为突出。通过接地屏蔽电极和中间悬浮电极的设计，可以达到有效改善电场分布的目的[4，13-20]。

本文通过有限元分析方法设计了27 kV 1 000 MW汽轮发电机定子出线套管的双层屏蔽电极结构。中间悬浮屏蔽电极和接地屏蔽电极，有效改变了接地法兰周围电场分布不均和局部电场过高的问题，降低了在正常工作状态下的局部放电量，缓解了电介质老化的过程，从而延长了电气设备的电寿命。1 000 MW汽轮发电机定子出线套管屏蔽电极的设计采用有限元分析方法来确定，为1 000 MW汽轮发电机定子出线套管样机试制提供了参考。

1 技术参数

所设计的1 000 MW汽轮发电机定子出线套管主要由高压导体、复合绝缘套管、屏蔽电极和法兰4大部件构成。1 000 MW汽轮发电机定子出线套管的技术参数[4，21]如表1所示。

2 电场计算

由于汽轮发电机定子出线套管的场域近似为稳定，所以采用稳态电场来分析[4，22-26]。定子出线套管是一种标准的轴对称绝缘结构，其电场强度分析是一种典型的轴对称结构分析，在静电场中可归为二维轴对称旋转场的边值问题来进行求解，其电位的位势方程[27-29]为：

(1)

相应的变分问题为

(2)

式中：p为边界面；φ为电位；εr为相对介电常数。联立有限元方程(1)和方程(2)，求得不同节点的电势分布和电场强度分布。

3 有限元模型建立

1 000 MW汽轮发电机定子出线套管的结构为双层屏蔽电极结构，由高压导电杆、复合绝缘管、中间悬浮电极、接地屏蔽电极和接地法兰组成。中间悬浮电极和接地屏蔽电极设置在复合绝缘管内部，起着改善电场在法兰周围分布过分集中的作用。屏蔽电极材料为纯铝，厚度为0.02 mm，此厚度值为汽轮发电机定子出线套管生产厂家的工程经验数值。

由于汽轮发电机定子出线套管的模型是典型的轴对称结构；因此,建模时，选择旋转坐标系统(即RZ坐标系统)，以点O(0，0)为轴旋转坐标系的坐标原点，在Z≥0部分建立模型，旋转轴为Z轴，径向方向为R轴，1 000 MW汽轮发电机定子出线套管导电杆端部的径向平面与Z=0所在平面重合。利用有限元分析软件包建立的1000 MW汽轮发电机定子出线套管的二维有限元模型，如图1所示。

对所建立的1 000 MW汽轮发电机定子出线套管的有限元模型的材料属性如表2所示。

考虑汽轮发电机定子出线套管在实际工程中的运行情况，离场源足够远处，其电场强度矢量近似为0，为此模拟时采用扩大场仿真域的方法来解决场域不封闭的问题[27,30-31]。指定源及边界条件如表3所示。

对于不同介质的分界面，其边界条件满足关系式[31]

ε1En1=ε2En2。

(3)

在对1 000 MW汽轮发电机定子出线套管进行有限元建模、指定材料、赋电源、赋边界条件后，进行静电场自适应求解分析，然后经过有限元分析软件的后处理可以找到电场强度最大值及其出现的位置，从而确定1 000 MW汽轮发电机定子出线套管的屏蔽电极。

4 屏蔽电极的设计

文中设计的1 000 MW汽轮发电机定子出线套管的中间屏蔽电极和接地屏蔽电极，均用于改善接地法兰附近电场强度分布过分集中的问题，屏蔽电极的厚度均为0.02 mm。以汽轮发电机定子出线套管长期运行的额定电压27 kV为激励源进行分析。

4.1 中间屏蔽电极

选定一个合适的接地屏蔽电极的长度(300 mm)和位置并固定不变，其最优长度及位置经分析后再确定。

根据工程经验数据，选取中间屏蔽电极的长度为585 mm。文中接地法兰下端面距Z=0平面为546.5 mm，中间屏蔽电极下端面超出法接地法兰85 mm，即中间电极左下端(R，Z)坐标为(x，461.5)，左上端坐标为(x，1046.5)。

通过改变中间屏蔽电极的半径来考察最大电场强度，最大电场强度随中间屏蔽电极半径变化曲线如图2所示。

通过电场后处理可知，最大电场强度的位置为中间屏蔽电极最下端左侧(R，Z)坐标(x, 461.5)与复合绝缘接触处。从图2可知，当中间屏蔽电极的半径为95 mm时，最大电场强度值最小。由此，所设计的中间屏蔽电极(R，Z)坐标分别为(95，461.5)和(95.02，1046.5)。

4.2 接地屏蔽电极

维持中间悬浮屏蔽电极长度及位置不变，改变接地屏蔽电极位置：接地屏蔽电极的半径、长度及轴向上、下的位置。

1)确定接地屏蔽电极半径。

通过改变接地屏蔽电极半径，模拟接地屏蔽电极半径变化对电场强度最大值及出现位置分布情况的影响，其结果如图3所示。

从图3可以看出，当接地屏蔽电极半径为103 mm时，最大电场强度值最小，其值为2.6745 kV/mm，因此可以初步确定接地屏蔽电极半径。

2)确定接地屏蔽电极的位置。

保持中间悬浮屏蔽电极径向和轴向位置、固定接地屏蔽电极半径R=103 mm，并保持接地屏蔽电极上端位置不变，通过改变接地屏蔽电极下端位置，达到改变接地屏蔽电极长度的目的。其考察的最大电场强度值分布情况如图4所示。

从图4可以看出，当接地屏蔽电极下端处于(103，500)处时，所得最大电场强度值为最小2.6745 kV/mm。当接地屏蔽电极轴向下端继续向下加长时，随距离增大，最大电场强度值迅速增大，所以接地屏蔽电极往下，不宜超出500 mm的位置；当接地屏蔽电极轴向上端(在500mm处)往上，随距离减小，最大电场强度值呈缓慢增大趋势，如果达到546.5 mm处，即与接地法兰下端沿平齐时，此时接地屏蔽电极达不到屏蔽作用：所以接地屏蔽电极要超出接地法兰一定距离。为此，可初步确定接地屏蔽电极轴向下端在(103，500)位置处较好。

3)确定接地屏蔽电极上端位置。

通过1)和2)分析可知，接地屏蔽电极下端(R，Z)坐标为(103，500)和(103.02，500)时，1 000 MW汽轮发电机定子出线套管的最大电场强度值为最小。为此，保持接地屏蔽电极下端位置不变，通过改变接地屏蔽电极上端位置，从而达到改变接地屏蔽电极的长度。电场强度最大值随接地屏蔽电极轴向上端位置变化曲线如图5所示。

从图5可知，当接地屏蔽电极上端轴向长度变化时，最大电场强度发生变化。在800 mm和950 mm时，最大电场强度值基本一致，分别为2.674 45 kV/mm和2.680 88 kV/mm，相对于其他位置最小，且产生最大电场强度的位置不发生变化，在中间屏蔽电极下端左侧边缘；当接地屏蔽电极轴向上端在(R，Z)坐标位置分别为(103，1 000)和(103，1 046.5)时，最大电场强度值的位置发生变化，变为中间极的上端即(R，Z)坐标为(95，1 046.5)处，原最大电场强度位置(在中间屏蔽电极下端左侧边缘)处的电场强度均比较大，在4.5 kV/mm左右。

综上可知，中间屏蔽电极内半径为95 mm，长度为585 mm，在汽轮发电机定子出线套管的(R，Z)位置坐标分别为(95，461.5)和(95.02，1 046.5)；接地屏蔽电极内半径为103 mm，长度为300 mm，其(R，Z)坐标位置分别(103，500)和(103.02，800)。所得电场强度最大值位于中间屏蔽电极下端左侧边缘，最大电场强度值Emax=2.674 5 kV/mm，远小于复合绝缘管环氧树脂的击穿场强20～30 kV/mm。

27 kV 1 000 MW汽轮发电机定子出线套管局部电场强度分布云如图6所示。

从图6可知，1 000 MW汽轮发电机定子出线套管电场强度最大值出现在中间屏蔽电极下端，而不是出现在接地法兰附近，且最大值为2.674 5 kV/mm，远小于环氧树脂的击穿场强。双层屏蔽电极的设置，有效改善了电场强度过分集中分布的情况。

5 结束语

1)通过有限元分析方法改变屏蔽电极的半径、长度，并比较电场强度最大值大小，确定了屏蔽电极的半径、长度及位置，得到屏蔽电极最优设置位置，避免反复加工、试验，有利于节约各项成本，为新产品的开发赢得时间。

2)通过对1 000 MW汽轮发电机定子出线套管屏蔽电极的设计，给出汽轮发电机定子出线套管屏蔽电极设计的一般方法，同时对汽轮发电机定子出线套管样机试制具有现实的指导意义。

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(编校：饶莉)

Shielding Electrode Design of Stator Bushing of 1000MW Turbo-generator

REN Xiao1, WANG Jun1, FANG Chun-en1, LI Wei1,PENG Yun2, SU Yu-jun3, LI Xian-min4

(1.SchoolofElectricalEngineeringandElectronicInformation,ResearchCenterforAdvancedComputation,XihuaUniversity,Chengdu610039China; 2.DongfangElectricGroup,DongfangElectricalMachineryCo.Ltd.,Deyang61800China;3.StateGridSichuanElectricPowerCompany,LiangshanPowerSupplyCompany,Xichang61500China;4.StateGridYa’anElectricPower(Group)Company,Ya’an625000China.)

As for stator bushing design, shielding electrode is core . It is very important for the safe operation of the stator bushing that shielding electrode can meet the design requirements. Double-shielded electrode structure of stator bushing of 1 000 MW turbo-generator is designed. The position of the intermediate shield electrode and the grounded shield electrode are changed by use of finite element software for simulation analysis. Thus the maximum of electric field strength are compared at different locations. Then the radius, length and axial location of the intermediate shield electrode and the ground electrode are determined. It effectively improves the over-concentration problems of the electric field distribution near the ground flange. It meets the insulation design requirements of relevant standards. It provides a theoretical basis for shielding electrodes of stator outgoing line bushing of 1 000 MW turbo-generator.

1 000 MW; outgoing line bushing; double-shielded electrode; finite element method; electric field strength

2014-06-16

四川省教育厅项目(12ZB131、14ZB0123)；四川电力电子重点学科项目(SZD0503)；1000MW级汽发定子出线套管合作研制项目(10209213)。

任晓(1976—)男，实验师，硕士，主要研究方向为智能化电器。E-mail:renxiao_118@163.com

TM303

A

1673-159X(2015)05-0051-04

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.05.009