一種用于高壓電機的主絕緣防暈結構優(yōu)化計算方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及高電壓絕緣設計領域，具體涉及一種用于高壓電機的主絕緣防暈結構 優(yōu)化計算方法。
【背景技術】
[0002] 大型高壓電機端部出槽口處容易引起電場集中而引發(fā)局部電暈甚至放電，電暈的 產(chǎn)生不僅使得電機在運行過程產(chǎn)生不穩(wěn)定因素，效率降低，還會破壞電機絕緣層的結構，影 響定子線圈的使用壽命，這也成為了大型高壓電機提升自身容量的一個限制條件。傳統(tǒng)電 機絕緣防暈結構設計主要有三種方法：經(jīng)驗與工程近似法、鏈路模型法和有限元法，其中有 限元法在近幾年不斷發(fā)展完善的過程中越發(fā)地被廣泛應用于電機設計當中，但由于高壓電 機主絕緣防暈層結構參數(shù)之間相關度較高，單純考慮其中一個參數(shù)變化對于電機端部電場 分布的影響毫無意義，而且人工修改計算過程中的參數(shù)重復計算會消耗過多的人工物力， 更加不便于分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明要解決的技術問題是：針對現(xiàn)有技術的上述問題，提供一種能夠避免防暈 結構優(yōu)化過程中重復建模、設置材料屬性、仿真計算、分析等繁瑣過程，節(jié)省了人力物力，能 夠提高電機端部防暈結果的設計效率，計算精度高、工作流程簡單的用于高壓電機的主絕 緣防暈結構優(yōu)化計算方法。
[0004] 為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案為：
[0005] -種用于高壓電機的主絕緣防暈結構優(yōu)化計算方法，步驟包括：
[0006] 1)利用有限元多物理場耦合仿真軟件對高壓電機的主絕緣防暈結構進行物理建 模、定義材料屬性、添加邊界條件及激勵源、剖分網(wǎng)格、設置求解器頻率并求解，求解完成后 將計算過程轉存為腳本文件；
[0007] 2)將所述腳本文件修改為仿真計算函數(shù)文件，將待優(yōu)化計算的防暈結構參數(shù)引入 變量向量P作為仿真計算函數(shù)的輸入變量，刪除腳本文件中原有的云圖后處理語句并采取 仿真計算得到的物理模型中防暈層末端相對線棒的電位、防暈層表面的電場強度和表面損 耗密度，并建立用于評價防暈結構效果優(yōu)劣的目標函數(shù)；
[0008] 3)設置待優(yōu)化計算的防暈結構參數(shù)的變化范圍，根據(jù)變化范圍生成多組變量向量 P，將多組變量向量P分別循環(huán)調(diào)用仿真計算函數(shù)進行計算，并在循環(huán)計算完成后輸出目標 函數(shù)最優(yōu)解所對應的變量向量P。
[0009] 優(yōu)選地，所述步驟1)的詳細步驟包括：
[0010] 1. 1)在有限元多物理場耦合仿真軟件中選擇3D頻域靜態(tài)電場求解器，將待優(yōu)化 計算的防暈結構參數(shù)進行參數(shù)化處理，選擇一組參數(shù)進行物理建模，得到的物理模型為嵌 入鐵心的單根直的線棒，所述線棒外的體域包括主絕緣、空氣域以及由低阻防暈層、中阻防 暈層、高阻防暈層依次搭接形成的防暈層；所述待優(yōu)化計算的防暈結構參數(shù)包括各個防暈 層的長度、電阻率和非線性系數(shù)；
[0011] 1. 2)將所述物理模型中線棒、鐵心、空氣三個體域的材料屬性由有限元多物理場 耦合仿真軟件內(nèi)部自帶的系統(tǒng)材料庫內(nèi)調(diào)用，根據(jù)3D頻域靜態(tài)電場求解器的類型選擇輸 入主絕緣及防暈層的電阻率及介電常數(shù)，其中防暈層的電阻率如式（1)所示；
[0012] p=pse-p|du/dx| (1)
[0013] 式⑴中，P表示各防暈層的電阻率，P3表示各防暈層的初始電阻率，0表示各 防暈層的非線性系數(shù)，dU表示各防暈層上某一處的電位增量，dx表示各防暈層上某一處的 位移增量；
[0014] 1. 3)在添加邊界條件時，將所述物理模型中線棒銅導體所有外表面設置為高壓 源，高壓源的電位值輸入高壓電機的一分鐘耐壓正弦電壓峰值，將鐵心所有外表面設置為 接地條件，添加邊界條件后，對所述物理模型進行剖分網(wǎng)格；
[0015] 1. 4)設置3D頻域靜態(tài)電場求解器的頻率并進行求解；
[0016] 1. 5)在求解完成后，將整個計算過程另存為腳本文件編譯軟件能夠識別的腳本文 件，在語言編譯軟件環(huán)境下運行腳本文件可以重現(xiàn)有限元仿真軟件所有操作過程，記錄防 暈層所有表面在有限元多物理場耦合仿真軟件內(nèi)所相對應的面域編號、高阻防暈層末端所 有線段在有限元多物理場耦合仿真軟件內(nèi)所對應的線域編號。
[0017] 優(yōu)選地，所述步驟1. 1)得到的物理模型中，所述線棒、主絕緣、防暈層及鐵心四者 中相鄰兩者之間無氣隙或介質(zhì)，各防暈層之間忽略搭接的影響且搭接處的等效電阻率等同 于電阻率較低一側防暈層的電阻率；所述線棒采用直線化處理來取代真實情況中的線圈， 所述低阻防暈層覆蓋端部線圈直線及轉角部分，且所述物理模型中曲線部分的曲率及周圍 其他線圈所帶來的影響忽略不計。
[0018] 優(yōu)選地，所述步驟2)的詳細步驟包括：
[0019] 2. 1)在所述腳本文件的首行引入函數(shù)名以及需要進行編譯的變量向量p，將所述 腳本文件修改為將變量向量P作為輸入?yún)?shù)的仿真計算函數(shù)文件；
[0020] 2. 2)在所述腳本文件內(nèi)將變量向量p內(nèi)的各個變量賦值給腳本文件中的參數(shù)化 數(shù)據(jù)；
[0021] 2. 3)刪除所述腳本文件后的原后處理程序語句以及涉及模型的可視操作，利用腳 本文件編譯軟件的采取函數(shù)對物理模型中記錄的防暈層所有表面在有限元多物理場耦合 仿真軟件內(nèi)所相對應的面域編號的表面電場強度和表面損耗密度、高阻防暈層末端所有線 段在有限元多物理場耦合仿真軟件內(nèi)所對應的線域編號的電位進行采取，在采取完畢后分 別獲取防暈層末端的電位、表面電場強度和表面損耗密度的數(shù)據(jù)結構；
[0022] 2. 4)根據(jù)高壓電機對于防暈層表面的電位、表面電場強度和表面損耗密度的要求 建立用于評價防暈結構效果優(yōu)劣的目標函數(shù)。
[0023] 優(yōu)選地，所述步驟2. 4)中建立的目標函數(shù)的內(nèi)容如下：
[0024] 2. 4. 1)針對防暈層末端相對線棒的電位、表面電場強度和表面損耗密度的數(shù)據(jù)結 構，判斷所述防暈層末端相對線棒的電位的最大值Uend小于預設的高壓電機對于防暈層 表面相對線棒的電位要求值Uendd、所述表面電場強度的最大值Emax小于預設的高壓電機 對于防暈層表面的表面電場強度要求值Emaxp所述表面損耗密度的最大值Wmax小于預設 的高壓電機對于防暈層表面的表面損耗密度要求值WmaX(lS個條件是否同時成立，如果同 時成立則跳轉執(zhí)行步驟2.4.2);否則，目標函數(shù)輸出結果為目標函數(shù)默認值；
[0025] 2. 4. 2)目標函數(shù)輸出結果為所述表面電場強度的最大值Emax除以預設的高壓電 機對于防暈層表面的電場強度要求值EmaX(l、所述表面損耗密度的最大值Wmax除以預設的 高壓電機對于防暈層表面的表面損耗密度要求值WmaX(l、所述電位的最大值Uend除以預設 的高壓電機對于防暈層表面相對線棒的電位要求值Uenc^的結果再加上目標函數(shù)默認值減 1三者的乘積。
[0026] 優(yōu)選地，所述預設的高壓電機對于防暈層表面的表面電場強度的要求值EmaX(lS 8.Ie5,預設的高壓電機對于防暈層表面的表面損耗密度的要求值WmaX(lS6e6,預設的高壓 電機對于防暈層表面相對線棒的電位的要求值Uenc^S3. 9e4。
[0027] 優(yōu)選地，所述步驟3)的詳細步驟如下：
[0028] 3. 1)初始設置目標函數(shù)最優(yōu)解、迭代次數(shù)、輸出向量零矩陣、輸入變量零矩陣以及 待優(yōu)化計算的防暈結構參數(shù)的離散變化范圍；
[0029] 3. 2)將所有待優(yōu)化計算的防暈結構參數(shù)的離散變化范圍構成多層循環(huán)結構來生 成變量向量P，每一次迭代對應一個變量向量P;每生成一組變量向量P，循環(huán)調(diào)用仿真計算 函數(shù)進行計算變量向量P的目標函數(shù)值，并將變量向量P的目標函數(shù)值和上一次循環(huán)后的 目標函數(shù)最優(yōu)解進行比較，如果變量向量P的目標函數(shù)值比上一次循環(huán)后的目標函數(shù)最優(yōu) 解小，則將變量向量P的目標函數(shù)值賦值給目標函數(shù)最優(yōu)解并將變量向量P賦值給輸出向 量零矩陣；如果循環(huán)調(diào)用仿真計算函數(shù)過程中由于變量向量P的參數(shù)結構導致有限元計算 結果無法收斂而出錯被強