金屬雜質(zhì)侵蝕下的大型發(fā)電機定子線棒絕緣劣化機理

大型發(fā)電機作為電力系統(tǒng)運行的重要設(shè)備,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價昂貴,發(fā)生故障后檢驗周期長、成本高。在影響發(fā)電機正常運行的安全問題中,有超過60%是由定子主絕緣系統(tǒng)引發(fā)的

。定子繞組的主絕緣系統(tǒng)采用環(huán)氧-云母有機復(fù)合材料疊壓而成。主絕緣的劣化因素可歸結(jié)為熱、電、機械和環(huán)境應(yīng)力的耦合作用

。由熱應(yīng)力導(dǎo)致的絕緣劣化是因在電機運行中,溫度突然超過臨界值后,絕緣材料內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng),高分子電介質(zhì)的導(dǎo)電率增大,大分子鏈的構(gòu)造遭到破壞而引發(fā)了絕緣層脆化分離

。由電氣應(yīng)力引起絕緣劣化是由于在高場強下,絕緣內(nèi)部由氣泡或表面污穢導(dǎo)致的局部放電破壞效應(yīng),以及極高場強下導(dǎo)致空間電荷從銅表面缺陷處放射電子進入絕緣膜,破壞了膜絕緣的化學(xué)鍵

。由機械應(yīng)力導(dǎo)致的絕緣損壞主要是因為電機本體的機械疲勞損傷使絕緣產(chǎn)生缺陷與分層

。

國際上對于大型發(fā)電機絕緣破壞的分析與研究多集中于以上3個方面,而對于環(huán)境應(yīng)力所引起的絕緣失效還未展開深入研究。尤其是對由于電機運行環(huán)境中帶入的金屬磨蝕性雜質(zhì)顆粒、工業(yè)侵蝕性粉末、金屬焊瘤顆粒等隨機介質(zhì)在電場力/磁場力等耦合作用力下造成的電機絕緣的劣化影響機理尚不清楚

。附著于發(fā)電機繞組間的金屬顆粒物在交變磁場作用下可等效為單個動子。當(dāng)金屬顆粒同時受耦合電磁力作用時,在定子繞組間將呈現(xiàn)隨機摩擦運動并可能侵入絕緣防暈層導(dǎo)致主絕緣失效并產(chǎn)生擊穿。這類環(huán)境應(yīng)力下的絕緣劣化現(xiàn)象在實際運行的電機機組間時有發(fā)生,且嚴重威脅大型發(fā)電機的安全運行。因此,開展對這類現(xiàn)象的研究與探索具有重要的工程意義。

他開始在清華養(yǎng)起了貓。小貓初次上樹，不敢下來，他設(shè)法把它救下。小貓下來后，用爪子輕輕軟軟地在他腕上一搭，表示感謝。錢鐘書常愛引用西方諺語：“地獄里盡是不知感激的人。”小貓知感激，錢鐘書說它有靈性，特別寶貝。

文獻[16]對金屬顆粒侵蝕發(fā)電機定子絕緣做了現(xiàn)象分析,但沒有具體對物理行為進行研究和實驗論證;文獻[17]通過編程計算分析了大型發(fā)電機定子端部繞組的電磁特性,但未進行多場對比分析;文獻[18-21]通過有限元仿真的方法對發(fā)電機定子線棒絕緣進行了電磁場分析;文獻[22-25]仿真分析了運行中的發(fā)電機的溫度特性和力學(xué)特性。但是,目前國內(nèi)外尚未報道針對這類金屬雜質(zhì)對發(fā)電機定子主絕緣的侵蝕和劣化影響的研究。

本文針對大型發(fā)電機內(nèi)部金屬雜質(zhì)對定子線棒絕緣侵蝕現(xiàn)象,采用非線性有限元平臺構(gòu)建耦合精細化模型展開研究。得到疊加場下的有限元瞬態(tài)映射關(guān)系。研究金屬雜質(zhì)顆粒在定子繞組交變磁場作用下的全維度受力特征及遷移現(xiàn)象及施力行為。通過搭建可控柔性磁場研磨實驗平臺,對金屬顆粒的受力特征進行分析及掃描電鏡觀測,驗證了有限元分析金屬雜質(zhì)顆粒對定子線棒環(huán)氧絕緣層的侵蝕研磨機理。

1 多物理場數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建

1.1 電磁場有限元理論

正中神經(jīng)、尺神經(jīng)SCV、MCV與自主神經(jīng)病變存在廣泛相關(guān)性，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。正中神經(jīng)與心臟自主神經(jīng)功能關(guān)系更為密切，SCV與心臟自主神經(jīng)功能關(guān)系更為密切。見表2。

1.2 電磁力的數(shù)值計算

式中:

為單元線應(yīng)變;

為單元切應(yīng)變;

為材料的彈性模量;

為材料的泊松比;

為材料的彈性系數(shù)。

=

×

(1)

式中:

為金屬顆粒受到的電磁力;

為電流密度;

為磁通密度。

電機空間數(shù)學(xué)模型的單元力微分方程為

(2)

式中:

為對熱換流系數(shù)(W/(m

·K)),表示單位面積在單位溫差作用下通過的熱流量;

為周圍流體溫度。

應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系為

(3)

為了分析金屬顆粒在電磁場中的受力、形變情況,采用電磁-結(jié)構(gòu)耦合分析,將電磁力密度作為載荷加載到結(jié)構(gòu)場,并添加位移約束邊界條件進行求解。金屬雜質(zhì)所受電磁力為

時至今日，“泰諾”投毒案仍未告破，強生公司的10萬美元獎金還無人領(lǐng)取。但我們相信在安保體系更加完善的今天，恐怖襲擊的陰霾終將消散。

設(shè)置與溫度場耦合的電磁場求解器類型為渦流場。設(shè)置與結(jié)構(gòu)場耦合的電磁場求解器類型為瞬態(tài)磁場,求解時間為20 ms,金屬雜質(zhì)損壞定子主絕緣的破壞源是發(fā)電機的輸出電流(頻率為50 Hz),取一個周期的仿真時間足以反映破壞源的幅值和頻率兩大主要特征。不考慮硅鋼片的渦流效應(yīng),仿真計算得到兩種不同位置下的類球形金屬雜質(zhì)在磁場作用下第一個運行周期內(nèi)的受力情況,如圖2所示,圖中顯示了類球形雜質(zhì)受到的合力的模|

|以及在

、

、

方向上的分量

、

、

。

(4)

1.3 溫度場計算的原理

物體間的熱能傳遞機理通常通過熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對流3種形式。發(fā)電機定子上的熱交換主要涉及熱傳導(dǎo)和熱對流,工程上通常忽略熱輻射的影響。

熱傳導(dǎo)基本定律稱為傅里葉定律,其數(shù)學(xué)表達式可以表示為

電磁場分析問題等同于求解一定邊界條件下的麥克斯韋方程問題。通過有限元法解決分析發(fā)電機內(nèi)各處的電磁問題時需要從麥克斯韋方程組的微分形式入手,分析時需要設(shè)定相應(yīng)的邊界條件,以電場強度、磁場強度作為待求量進行求解,也可以以電磁位作為待求量進行求解。電磁場主要分為圖解法、模擬法、解析法和數(shù)值法4種分析方法。本文采用數(shù)值法中的有限元法研究了金屬雜質(zhì)對發(fā)電機定子絕緣的破壞機理。

(5)

式中:

為熱流密度(W/m

);

為物體溫度(K);

為材料導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m·K));

為法向標識。

距離直接影響到聲音的清晰度和直達聲與混響聲的比例，而角度關(guān)系到聲音的音色。在使用傳聲器語言拾音一般拾音距離為20～30cm，但錄制中還要根據(jù)室內(nèi)混響時間的長短進行調(diào)整，必須控制好直達聲和混響聲的比例，混響時間長，可近一點；混響時間短，則稍遠些。另外，拾音的距離與傳聲器的指向性也有關(guān)系，使用者根據(jù)傳聲器不同的指向性調(diào)整好拾音的距離。一般拾音的距離不宜過近（特殊需求除外）。對于現(xiàn)場節(jié)目主持人形式的拾音要注意掌握嘴部與傳聲器的距離和角度，不宜過近，避免出現(xiàn)“噴話筒”和“抽氣聲”。

(2) 紅土鎳礦-硫酸銨焙燒熟料鐵溶出過程受外擴散控制，動力學(xué)方程為：1-(1-α)2/3=0.208 5 exp(-7 234/RT)t，表觀活化能E=7.23 kJ·mol-1。

熱對流發(fā)生在流體中,是液體和氣體熱傳遞的特有方式,正常運行的發(fā)電機存在空氣對流和液體冷卻對流。對流換熱基本定律即當(dāng)物體的溫度高于周圍環(huán)境溫度時會通過向周圍媒介傳遞熱量的方式進行冷卻的規(guī)律,數(shù)學(xué)表達式為

=

(

-

)

(6)

式中:

為正應(yīng)力;

為切應(yīng)力;

、

、

為均勻分布的體力分量。

2 耦合模型有限元建模與分析

單個金屬雜質(zhì)的形狀較為復(fù)雜,屬于多維剛體結(jié)構(gòu)。因此,為了簡化建模過程并進行有效分析,本文將不規(guī)則形狀的單個金屬顆粒設(shè)計成球形結(jié)構(gòu)。建立含金屬雜質(zhì)顆粒的水輪發(fā)電機定子線棒等效模型,簡化外部防暈層結(jié)構(gòu)。建立的幾何模型如圖1所示。

對于球形金屬雜質(zhì)顆粒,在兩種不同位置下對其進行數(shù)值分析計算,以觀察雜質(zhì)對定子主絕緣的劣化影響。位置1表示類球形雜質(zhì)一半在定子主絕緣外部、另外一半嵌在定子主絕緣內(nèi)的仿真模型;位置2表示類球形雜質(zhì)全部嵌在定子主絕緣內(nèi)且靠近定子線棒,處于臨近擊穿狀態(tài)時的仿真模型。

觀察兩種不同位置下的類球形金屬雜質(zhì)受力曲線圖可得以下結(jié)論。

黨的十八大提出要“推動信息化與工業(yè)化深度融合”，緊跟現(xiàn)代企業(yè)發(fā)展步伐，勝利油田也把信息化提升作為“標準化設(shè)計、模塊化建設(shè)、標準化采購、信息化提升”的“四化”管理模式的一項重要內(nèi)容。采油礦信息化建設(shè)取得了豐碩成果，但與信息技術(shù)的飛速發(fā)展、企業(yè)依靠信息化提高勞動生產(chǎn)率的需求相比，還存在著巨大的提升空間和挖掘潛力。

2.1 電磁場仿真結(jié)果分析

對結(jié)構(gòu)場施加位移邊界條件

,可表示為

不同溫度水熱預(yù)處理對普通小球藻生物質(zhì)水解效果明顯。如圖1所示，在30 min水熱處理時間的條件下，與未經(jīng)水熱預(yù)處理的對照組相比，120、150、180℃水熱預(yù)處理使得普通小球藻生物質(zhì)的VSS水解率分別增加了10.8%、36.7%和56.5%，在180℃時，普通小球藻生物質(zhì)的VSS水解率最大。和對照組相比，120、150、180℃水熱預(yù)處理使得普通小球藻生物質(zhì)的VDS濃度分別增加了90%、311%和413%。這與之前的研究結(jié)果一致，在140、160、180℃水熱預(yù)處理條件下，普通小球藻生物質(zhì)固相的COD去除率平均為46.4%［9］。水熱預(yù)處理使得有機物從固相到液相的轉(zhuǎn)移效果明顯。

(1)金屬雜質(zhì)在8 ms左右時受力達到最大,該時刻既不是定子線棒電流最大值時刻,也不是定子線棒電流為0的時刻。這是因為當(dāng)定子電流最大的時候,其變化率最小,故金屬雜質(zhì)中感應(yīng)的渦流最小,即便雜質(zhì)周圍的磁場此時最強,其受力也不大。當(dāng)定子電流為0時,其變化率最大,雜質(zhì)感應(yīng)的渦流最大,但是由于雜質(zhì)周圍磁場最弱,所以雜質(zhì)的受力仍然不大。

以知覺壓力、應(yīng)對方式中的積極應(yīng)對與消極應(yīng)對為自變量，以心理健康狀況為應(yīng)變量，進行多元線性回歸分析，結(jié)果顯示：知覺壓力、應(yīng)對方式中的積極應(yīng)對與消極應(yīng)對是腦卒中病人家庭照顧者心理健康狀況影響因素，其決定系數(shù)R2=0.473，說明腦卒中病人家庭照顧者心理健康狀況變異的47.3%可由知覺壓力、積極應(yīng)對與消極應(yīng)對解釋，詳見表4。

(2)金屬雜質(zhì)在磁場作用下所受電磁力在

、

、

方向上的分力有正有負,說明在三相定子電流引起的交變磁場作用下,金屬雜質(zhì)在

、

、

這3個方向的受力方向都是變化的。

(3)金屬雜質(zhì)第一個運行周期內(nèi)所受分力的最大值約為1.96 mN,進而計算得出其在電磁場中

軸方向上運動的加速度為19.98 m/s

,此為重力加速度的兩倍,該結(jié)果表明無序運動的金屬雜質(zhì)對絕緣層將造成一定研磨侵蝕。這是金屬雜質(zhì)在一個方向上的加速度,而雜質(zhì)在全維度均有受力,金屬異物顆粒的運動軌跡為旋轉(zhuǎn)研磨趨勢。

(4)在仿真的第一個周期內(nèi),類球形金屬雜質(zhì)所受合力初始值為0,而末值不為0。說明在運行一個周期后,金屬雜質(zhì)受力的初始狀態(tài)發(fā)生改變。雖然定子電流具有周期性、重復(fù)性,但是對于雜質(zhì),其受力具有隨機性,且金屬雜質(zhì)對定子絕緣造成的破壞不是瞬時產(chǎn)生的,而是一定時間尺度內(nèi)累積的擊穿效應(yīng)。

圖3為類球形金屬雜質(zhì)在磁場作用下受到的電磁力密度矢量圖,圖中觀察角度為正視?？梢缘贸?從場的角度來看,類球形金屬雜質(zhì)的兩端渦流明顯,呈現(xiàn)出來的受力效果為外端往外拉,內(nèi)端往內(nèi)拉,合力效果表現(xiàn)為類球形金屬雜質(zhì)向絕緣層方向擠壓。此圖再次驗證了金屬雜質(zhì)對定子絕緣層有旋轉(zhuǎn)研磨和鉆的趨勢。

2.2 結(jié)構(gòu)場仿真結(jié)果分析

在對金屬雜質(zhì)進行結(jié)構(gòu)場分析時,由于金屬雜質(zhì)僅影響其附近的定子主絕緣,故本文只對金屬雜質(zhì)和與其匝鏈的定子絕緣進行分析。由圖2可得,金屬雜質(zhì)在8 ms左右時所受電磁力達到最大值,將8 ms時刻的電磁力密度導(dǎo)入結(jié)構(gòu)場進行分析。兩種不同位置下的類球形金屬雜質(zhì)在磁場作用下的形變和受力情況如圖4～7所示。為了更清晰地觀察金屬雜質(zhì)的形變趨勢,本文所示圖像為放大一定倍數(shù)的形變和應(yīng)力結(jié)果。

圖4為放大130倍的類球形金屬雜質(zhì)形變特征云圖,圖中最大形變的特征值發(fā)生在金屬雜質(zhì)上,金屬雜質(zhì)的形變量計算閾值范圍為28～63 μm。圖5為放大32倍的類球形雜質(zhì)形變特征云圖,圖中最大形變特征值發(fā)生在金屬雜質(zhì)周圍的定子絕緣部分,該部位形變閾值范圍為84～252 μm。說明金屬雜質(zhì)在單次作用于定子絕緣時引起的形變量并不大。

圖6為放大130倍的類球形金屬雜質(zhì)應(yīng)力云圖,圖中最大應(yīng)力發(fā)生在金屬雜質(zhì)上,其值為139.51 MPa。圖7為放大32倍的類球形金屬雜質(zhì)應(yīng)力云圖,圖中最大應(yīng)力發(fā)生在金屬雜質(zhì)上,其值為964.01 MPa,此值遠大于大氣壓強(0.1 MPa),說明微小雜質(zhì)受到的電磁力是很大的。比較兩種不同位置下類球形金屬雜質(zhì)在磁場作用下的形變和應(yīng)力結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn):類球形金屬雜質(zhì)在磁場作用下產(chǎn)生的形變量很小,但是最大應(yīng)力值較大,表明金屬雜質(zhì)在大時間尺度內(nèi)的研磨作用能裂解并磨穿環(huán)氧絕緣層。

四十二歲那年，李白游到了京城，拜見了文壇高士賀知章。賀知章出于禮貌，隨手翻閱著李白呈上的詩文。讀到《蜀道難》時，老頭登時被驚住，連呼“天縱奇才，下凡的謫仙！”。

2.3 溫度場仿真結(jié)果分析

同結(jié)構(gòu)場分析一樣,進一步對金屬雜質(zhì)和與其匝鏈的定子絕緣層進行溫度場分析。將電磁場分析計算得出的熱生成率即金屬雜質(zhì)的焦耳損耗導(dǎo)入溫度場進行分析。研究定子線棒分別在80、100和120 ℃時的含金屬雜質(zhì)溫度分布特征,分析定子散熱最差條件下由金屬雜質(zhì)導(dǎo)致的溫升情況。不同定子線棒溫度下,金屬雜質(zhì)在電磁場作用下的溫度分布情況相同。因此,給出定子線棒在100 ℃時兩種不同位置下的類球形金屬雜質(zhì)在電磁場作用下的溫度分布,如圖8所示。

從圖8可以看出,在存在金屬雜質(zhì)的情況下,定子絕緣層上的溫度分布是由內(nèi)層到外層逐漸降低,絕緣層的溫度都不超過定子線棒溫度,即使有金屬雜質(zhì)產(chǎn)生熱量,其附近的溫度也是低于定子線棒溫度的。說明金屬雜質(zhì)產(chǎn)生的焦耳損耗不嚴重,在散熱條件最差的情況下也沒有導(dǎo)致其匝鏈的定子絕緣產(chǎn)生很高的溫升。

3 實驗驗證

依據(jù)有限元分析結(jié)果,搭建金屬雜質(zhì)顆粒在全維度耦合場力研磨模擬平臺,驗證金屬顆粒對定子線棒主絕緣的研磨侵蝕作用。

3.1 平臺搭建

以某型水輪發(fā)電機真機定子線棒切面為分析對象,發(fā)電機主要電氣參數(shù)及定子線棒結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)分別如表1和表2所示。

定子線棒主絕緣為環(huán)氧云母絕緣體系,截取一段線棒進行研究,圖9為實驗用定子線棒。

式中，Wij(d)表示距離為d的空間相鄰權(quán)重矩陣。類似地，如果i和j相鄰，Wij(d)的值為1；如果i和j不相鄰，則Wij(d)的值為0。

為了直觀地獲取研磨作用下主絕緣材料老化及受損的物理表征,并驗證有限元數(shù)值模型中金屬顆粒在磁場作用下對定子線棒絕緣破壞性的研磨的數(shù)值結(jié)果,通過柔性交變磁場下的金屬顆粒研磨定子線棒實驗平臺進行模擬實驗。通過該平臺實現(xiàn)了金屬異物顆粒對線棒主絕緣樣本環(huán)氧云母表面破壞性摩擦力模擬。圖10為定子線棒研磨實驗平臺。圖11為金屬雜質(zhì)研磨后的定子線棒絕緣層表面劣化圖。

3.2 樣本觀測與分析

為對樣本進行進一步觀測,采用掃描電鏡(SEM)觀測金屬顆粒表面及金屬異物顆粒侵入定子絕緣式樣環(huán)氧表面微觀本征結(jié)構(gòu),結(jié)果如圖12和13所示。對不同放大倍數(shù)下的微觀摩擦-斷裂表面進行了特征觀測,結(jié)果表明,基于有限元分析的金屬顆粒在絕緣表面的破壞結(jié)果與實驗觀測結(jié)果較為一致。

4 結(jié) 論

本文針對運行中的大型發(fā)電機受金屬顆粒異物侵蝕而造成定子線棒主絕緣劣化的現(xiàn)象,建立了含金屬顆粒的定子線棒非線性有限元模型。分析了金屬雜質(zhì)顆粒在電磁場作用下對定子線棒絕緣層的施力變形和溫升的耦合影響,通過搭建模擬研磨驗證平臺進行了線棒絕緣層切面耦合受力分析,采用掃描電鏡進行了線棒環(huán)氧絕緣層沿面劣化觀測。本文結(jié)果表明,金屬雜質(zhì)顆粒在電磁場作用下對定子線棒絕緣環(huán)氧沿面的機械研磨應(yīng)力侵蝕大于渦流產(chǎn)生的熱作用破壞。

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