ICS29.16014CCSK2014山 西 省 地 方 標(biāo) 準(zhǔn)DB14/T3028—2024電機(jī)絕緣系統(tǒng)電場仿真分析技術(shù)規(guī)范Specificationforelectricfieldsimulationanalysisofmotorinsulationsystems20242024061220240910山西省市場監(jiān)督管理局??發(fā)布DB14/T3028DB14/T3028—2024DB14/T3028DB14/T3028—2024目 次前言 II范圍 1規(guī)范性引用文件 1術(shù)語和定義 1仿真分析基本原則與流程 2仿真分析基本原則 2仿真分析流程 2繞組瞬態(tài)電壓仿真分析 2分布參數(shù)計算 2繞組等效電路模型搭建 4邊界條件加載 5電壓分布分析 5結(jié)果評估 5結(jié)果輸出 6絕緣結(jié)構(gòu)電場仿真分析 6幾何模型構(gòu)建 6有限元網(wǎng)格剖分 7材料性能設(shè)置 7邊界條件加載 8電場分析 8結(jié)果評估 8結(jié)果輸出 8報告編寫 8附錄A（資料性）電機(jī)絕緣系統(tǒng)電場仿真分析基本原理與流程 9附錄B（資料性）某硅鋼片B-H特性數(shù)據(jù)表 10附錄C（資料性）電機(jī)絕緣系統(tǒng)電場仿真分析報告格式 11圖1繞組等效電路模型示意圖 5圖2匝間絕緣電場分析幾何模型示意圖 6圖3槽口絕緣電場分析幾何模型示意圖 7I前 言本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。本文件由山西省工業(yè)和信息化廳提出、組織實施和監(jiān)督檢查。山西省市場監(jiān)督管理局對標(biāo)準(zhǔn)的組織實施情況進(jìn)行監(jiān)督檢查。本文件由山西省裝備制造業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SXS/TC07）歸口。II電機(jī)絕緣系統(tǒng)電場仿真分析技術(shù)規(guī)范范圍本文件適用于變頻電機(jī)成型繞組絕緣系統(tǒng)的電場仿真分析，其他類型電機(jī)可參考應(yīng)用。本文件不適用于具有防暈結(jié)構(gòu)的高壓電機(jī)、散嵌繞組電機(jī)絕緣系統(tǒng)的電場仿真分析。規(guī)范性引用文件（包括所有的修改單適用于本文件。GB3100國際單位制及其應(yīng)用GB/T3102.5電學(xué)和磁學(xué)的量和單位GB/T17948.4旋轉(zhuǎn)電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)功能性評定成型繞組試驗規(guī)程電壓耐久性評定GB/T22720.2—2019（Ⅱ型的鑒定試驗GB/T31054機(jī)械產(chǎn)品計算機(jī)輔助工程有限元數(shù)值計算術(shù)語GB/T41635—2022高海拔電氣設(shè)備電場分布有限元計算導(dǎo)則術(shù)語和定義GB/T31054、GB/T17948.4界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1電機(jī)絕緣系統(tǒng)motorinsulationsystem電機(jī)中用于隔離導(dǎo)電部位的一種或多種電氣絕緣材料的絕緣組合。3.2等效銅損電阻equivalentcopperlossresistance電機(jī)在空載或低功率運(yùn)行中產(chǎn)生的銅耗所等效的電阻。3.3等效鐵損電阻equivalentironlossresistance電機(jī)在空載或低功率運(yùn)行中產(chǎn)生的鐵耗所等效的電阻。3.4材料性能materialproperty電機(jī)絕緣系統(tǒng)所用材料的電磁學(xué)等性能參數(shù)，如介電常數(shù)、電導(dǎo)率等。[來源：GB/T31054-2014，2.2.8，有修改]3.5分布電容distributedcapacitance1由兩個相互絕緣的導(dǎo)體而產(chǎn)生的電容。3.6分布電感distributedinductance由于線圈繞制及在鐵心中的分布而存在的電感。3.7匝間絕緣interturninsulation用以隔離線圈/線棒中導(dǎo)體線匝間的電氣絕緣。[來源：GB/T17948.4—2016,3.3]3.8主絕緣mainwallinsulation主要的電氣絕緣，用以隔離電機(jī)繞組中導(dǎo)體和接地定子/轉(zhuǎn)子鐵心。[來源：GB/T17948.4—2016,3.1，有修改]仿真分析基本原則與流程基本原則分析流程電機(jī)絕緣系統(tǒng)電場仿真分析分為繞組瞬態(tài)電壓仿真分析和絕緣結(jié)構(gòu)電場仿真分析，具體內(nèi)容如下：繞組瞬態(tài)電壓仿真分析通過計算等效電阻、分布電容、分布電感參數(shù)，搭建等效電路模型，分析繞組內(nèi)部匝間、對地、相間和層間電壓分布。絕緣結(jié)構(gòu)電場仿真分析通過建立絕緣結(jié)構(gòu)三維有限元模型，以繞組匝間、對地、相間和層間最高電壓波形為電場分析的邊界條件，計算絕緣結(jié)構(gòu)和空氣中的最大電場，判斷電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)場強(qiáng)是否滿足要求。電機(jī)絕緣系統(tǒng)電場仿真分析流程見附錄A。繞組瞬態(tài)電壓仿真分析分布參數(shù)計算等效電阻等效銅損電阻等效銅損電阻通過有限元分析方法和解析法計算。其中，解析法見公式（1）。式中：2

L

·······················································(1)Rc—繞組導(dǎo)體電阻，單位為歐姆（Ω）；Ld—導(dǎo)體長度，單位為米（m）；α—導(dǎo)體截面周長，單位為米（m）；δ—集膚深度，單位為米（m）；σ—銅的電導(dǎo)率，單位為西門子每米（S/m）。集膚深度用公式（2）表示。（πf0r）（πf0r）式中：f—頻率，單位為赫茲（Hz）；0μ—Hm，值為4π10；0μ—σ—導(dǎo)體的電導(dǎo)率,單位為西門子每米（S/m）。等效鐵損電阻等效鐵損電阻通過公式(3式中：

Re

Xm2 (3)RmRe—勵磁支路為并聯(lián)時的單相鐵損電阻，單位為歐姆（Ω）；Rm—勵磁支路為串聯(lián)時的單相鐵損電阻，單位為歐姆（Ω）；Xm—勵磁支路為串聯(lián)時的單相勵磁電抗，單位為歐姆（Ω）。45（式中：P0—電機(jī)空載損耗，單位為瓦I0—電機(jī)空載電流，單位為安（A）。

R(4)0m 3I20ZU0m I

...........................................................................(5)式中：

Xm

0Z2Z2R2m mZm—勵磁支路為串聯(lián)時的單相勵磁阻抗，單位為歐姆（Ω）；U0—電機(jī)空載電壓，單位為伏（V）。分布電容式中：

C0rAd

..........................................................................(7)3C —電容，單位為法拉（F）；εr —絕緣的相對介電常數(shù)；A —極板面積，單位為平方米（m2）；ε0 —真空介電常數(shù)，單位為法每米（F/m），值為8.85×10-12；d —極板間距離，單位為米（m）。分布電感分布電感包括鐵心槽部線圈分布電感與端部線圈分布電感。B-H曲線,其他材料性能使用軟件材料庫中數(shù)據(jù)，計算單匝線圈的自感，匝間互感用公式（8）表示，鐵心線圈分布電感等于線圈自感與匝間互感之和。附錄B列出了某一種規(guī)格硅鋼片的不同頻率下的B-H值，可供參考。.....................................................................(8)式中：M—兩導(dǎo)體間的互感，單位為亨（H）；k —互感系數(shù)，一般取0.8~0.9；La—導(dǎo)體a的自感,單位為亨（H）；Lb—導(dǎo)體b的自感,單位為亨（H）。流作為載荷，計算單匝線圈的自感，端部線圈分布電感等于自感與匝間互感之和。繞組等效電路模型搭建模型簡化流作為載荷，計算單匝線圈的自感，端部線圈分布電感等于自感與匝間互感之和。繞組等效電路模型搭建模型簡化1960121模型搭建繞組等效電路模型要求如下：建立三相電路模型；鐵心接地；進(jìn)行等效電阻、分布電容和分布電感計算；絕緣對地電阻推薦不小于電機(jī)絕緣電阻值。4說明：Lc —單匝（支）線圈電感；Rc —高頻下單匝（支）等效銅損電阻Re —空載單匝（支）等效鐵損電阻；Cn —單匝（支）對地電容；C(n-1)n—兩匝匝間電容；Rg —單匝（支）絕緣對地電阻。圖1繞組等效電路模型示意圖邊界條件加載以電機(jī)端脈寬調(diào)制GB/T22720.2—2019中的圖1執(zhí)行。若計算瞬態(tài)、雷電、操作等沖擊過電壓時，應(yīng)以實際沖擊全波電壓波形作為邊界條件加載。電壓分布分析三相電路中首支線圈的各匝分別設(shè)置電壓表。三相電路中每支線圈對地電壓設(shè)置電壓表。三相電路中的相間線圈設(shè)置電壓表。1/10。2結(jié)果評估評估方法表象評估法通過結(jié)果表象進(jìn)行定性評估，具體原則如下:提取線圈對地電壓、匝間和相間電壓波形，確認(rèn)電壓波形的收斂性；分析最大電壓位置的合理性；分析電壓幅值大小的合理性。數(shù)值評估法多次試算調(diào)整電路模型的邊界條件和分布參數(shù)，數(shù)值評估分析電路模型的可靠性。物理樣機(jī)法5進(jìn)行物理樣機(jī)試驗，對比電壓分布計算和試驗結(jié)果，若仿真分析得到的數(shù)據(jù)趨勢與實測結(jié)果一致，且誤差在預(yù)定范圍內(nèi)，則認(rèn)為仿真分析結(jié)果可信。方法的選擇結(jié)果輸出繞組瞬態(tài)電壓分析的結(jié)果提取和輸出包括但不限于以下信息：三相繞組首支線圈的各匝瞬態(tài)電壓波形及最高峰值電壓；三相繞組線圈對地瞬態(tài)電壓波形及最高峰值電壓；三相繞組線圈相間瞬態(tài)電壓波形及最高峰值電壓。絕緣結(jié)構(gòu)電場仿真分析幾何模型構(gòu)建電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)電場仿真分析幾何模型應(yīng)符合GB/T41635—2022中7.1規(guī)定。不同部位的電場分析模型應(yīng)滿足以下要求：分布相關(guān)的重要特征，如電磁線倒角、匝間墊條等。標(biāo)引序號說明：1—楔下墊條；2—匝間絕緣；3—層間絕緣；4—槽底墊條；分布相關(guān)的重要特征，如電磁線倒角、匝間墊條等。標(biāo)引序號說明：1—楔下墊條；2—匝間絕緣；3—層間絕緣；4—槽底墊條；5—槽楔；6—導(dǎo)體；7—主絕緣。圖2匝間絕緣電場分析幾何模型示意圖63模型中應(yīng)保留與槽口絕緣電場分布相關(guān)的重要特征，如槽形、倒角尺寸等。模型簡化宜將單3標(biāo)引序號說明：1—鐵心；4—導(dǎo)體；5—齒壓板。圖3槽口絕緣電場分析幾何模型示意圖繞組端部電場仿真分析可根據(jù)需求采用二維或三維幾何模型，模型應(yīng)包括主絕緣、導(dǎo)體和空氣。相間電場仿真分析可根據(jù)需求采用二維或三維幾何模型，模型應(yīng)包括鐵心、主絕緣、空氣、層間絕緣、槽楔等。槽內(nèi)絕緣層間仿真電場分布采用二維幾何模型，根據(jù)絕緣層的厚度進(jìn)行等比例建模。注：繞組端部電場與相間電場可單獨(dú)分析，也可與槽口絕緣電場合并分析。有限元網(wǎng)格剖分網(wǎng)格剖分按照GB/T41635—2022中7.4的規(guī)定剖分，對不同的部位采用對應(yīng)的剖分方法，具體要求如下：對于等電位分布的導(dǎo)體、接地鐵芯等對電場分布影響較小部件可采用低階單元進(jìn)行剖分；1mm2網(wǎng)格質(zhì)量檢查提取有限元網(wǎng)格剖分模型，對網(wǎng)格應(yīng)進(jìn)行質(zhì)量檢查，檢查要求如下：確認(rèn)小尺寸（如絕緣層）、電場集中部件（如槽口部位）及接觸面位置無畸變網(wǎng)格；次要結(jié)構(gòu)部件網(wǎng)格質(zhì)量要求可適當(dāng)降低，確認(rèn)無畸變網(wǎng)格。材料性能設(shè)置7GB3100GB/T3102.5邊界條件加載靜電場分析時，應(yīng)加載線圈最大電壓值，接地點設(shè)為零電位。瞬態(tài)電場分析時，應(yīng)加載最大脈沖電壓波形，接地點設(shè)為零電位。電場分析GB/T41635-20227.6.1GB/T41635-20227.6.2結(jié)果評估按照GB/T41635—2022中第11章中的規(guī)定對計算結(jié)果的偏差進(jìn)行評估。結(jié)果輸出絕緣結(jié)構(gòu)電場分析結(jié)果的提取和輸出包含但不限于以下信息：顯示或輸出絕緣結(jié)構(gòu)和空氣中最大電場幅值及波形；顯示或輸出絕緣結(jié)構(gòu)和空氣中最大電場位置。報告編寫報告編寫可參考附錄C，報告內(nèi)容包含但不限于以下內(nèi)容：報告編寫可參考附錄C，報告內(nèi)容包含但不限于以下內(nèi)容：電機(jī)參數(shù)：繞組連接方式、繞組線圈數(shù)、并聯(lián)支路數(shù)、線匝數(shù)等；電路模型及有限元模型（如有特殊工況需要加以說明）；分布參數(shù)計算：分布電容、分布電感和等效電阻；材料性能參數(shù)：相對介電常數(shù)、體積電導(dǎo)率等；邊界條件；仿真分析結(jié)果；結(jié)果分析。8附錄 A（資料性）電機(jī)絕緣系統(tǒng)電場仿真分析流程電機(jī)絕緣系統(tǒng)電場仿真分析流程見圖A.1。圖A.1電機(jī)絕緣系統(tǒng)電場仿真分析流程910附錄 B（資料性）某硅鋼片B-H特性數(shù)據(jù)表某硅鋼片B-H特性見表B.1。表B.1硅鋼片B-H特性數(shù)據(jù)表H(A/m)B（50Hz）B（60Hz）B（100Hz）B（200Hz）B（400Hz）B（700Hz）100.0140.0140.0140.0130.0120.01200.0330.0330.0320.030.0270.023300.0590.0590.0560.0510.0450.038400.0940.0930.0900.080.0670.054500.1490.1480.1370.1150.0940.073600.2410.2340.2080.1650.1260.094700.3570.3370.2950.2230.1640.12800.4790.4540.3880.2870.2050.149900.6030.5730.480.3550.250.1781000.7210.6810.5710.4180.2950.211250.940.9280.7790.5650.3970.291501.0851.0760.9590.6960.4910.361751.1631.1591.1090.8140.5750.4222001.2141.2121.1980.9220.6510.4832501.2861.2841.2781.1120.7840.5863501.3641.3621.3581.3481.0070.7545001.4241.4211.4201.4181.2450.9547501.4741.4731.4721.4