CH661620A5 - Elektrische maschine mit einer aus ganzformspulen aufgebauten statorwicklung. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine mit einer aus Ganzformspulen aufgebauten Statorwicklung, deren einzelne Windungsleiter aus gegeneinander mittels einer Windungsisolation isolierten Profildrähten bestehen, wobei mehrere neben- und/oder übereinanderliegende Windungsleiter in Serie geschaltet und von einer gemeinsamen Hauptisolation umgeben sind. Aufbau und Herstellung derartiger Ganzformspulen sind beispielsweise in dem Buch «Herstellung der Wicklungen elektrischer Maschinen» von H. Sequenz, Springer Verlag Wien-New York 1973, S. 107 bis 120, eingehend beschrieben.

Die Statorwicklungen von Motoren und Generatoren bis zu Leistungen von mehreren MW bestehen praktisch ausschliesslich aus sogenannten Ganzformspulen, wobei unter Ganzformspulen solche zu verstehen sind, die bereits vor ihrem Einbau in die Nuten ihre endgültige Gestalt besitzen. Die isolationstechnisch schwächste Stelle ist bei Ganzformspulen die Windungsisolation, da diese beim Auftreten von Überspannungen aus dem Netz, vor allem an den Wicklungseingängen, mit im Vergleich zum Normalbetrieb um ein Vielfaches höheren Spannung beansprucht wird. Die meisten der heute auftretenden Wicklungsschäden bei diesen Wicklungsarten sind daher auf Windungsschlüsse zurückzuführen. Um derartigen Schäden zu begegnen, werden die Wicklungen durch Überspannungsabieiter oder Schutzkondensatoren vor hohen Stossspannungsbeanspru-chungen geschützt [vgl. Moses, G.L. und Alke, R.J.: Studies of impulse strength and impulse testing problems high-voltage ge-nerators. Trans. Amer. Inst, electr. Eng. III 72(1953), 123 bis 131]. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass mit Überspan-nungsableitern allein meist nur ein unzureichender Schutz gegenüber Stossspannungen erreicht werden kann, da diese in ihrem Ansprechverhalten, insbesondere bei Auftreten von Stoss-wellen mit steilen Anstiegsflanken keinen zuverlässigen Schutz bieten. Zudem beanspruchen Überspannungsabieiter Raum unmittelbar an der Maschine — dies schon aus isolationstechnischer Sicht — und verteuern die Maschine, was sich insbesondere bei Maschinen mit kleinerer Einheitsleistung auswirkt.

Einmal aufgetretene Schäden an der Windungsisolation, insbesondere im Aktivteil, lassen sich nur mit erheblichem zeitlichen und finanziellem Aufwand beseitigen.

So hat es in der Vergangenheit nicht an Vorschlägen gefehlt, Windungsschlüsse durch einen speziellen Aufbau der Windungsisolation zu verhindern oder die daraus resusltierenden Sekundärschäden möglichst klein zu halten. Ein allerdings wenig wirtschaftlicher Vorschlag bestand darin, die Windungsisolation dem Verlauf der Stossspannung anzupassen, z.B. durch Überdimensionierung der Windungsisolation oder durch Abstufung der Windungsisolation (abnehmende Isolationsdicke von der Einspeisung zum Sternpunkt).

Ein weiterer Vorschlag (CH-PS 559 455) besteht darin, ausserhalb des Aktivteils und somit an einer leicht zugänglichen Stelle der Maschine eine Art Reparaturstelle vorzusehen. Bei erfolgter Beschädigung der Wicklung kann die Wicklung dort mit vergleichsweise kleinem Aufwand aufgetrennt und beschädigte Spulen oder Spulenseiten gesamthaft entfernt werden, sofern der Wicklungsdefekt nicht zu grosse Sekundärschäden, z.B. am Blechkörper im Nutbereich verursacht hat.

Die Erfindung greift diesen Vorschlag nach der CH-PS 559 455 insofern auf, als sie darauf abzielt, Beschädigungen der Windungsisolation zwar nicht zu verhindern, aber mit Sicherheit Folgeschäden auf ein technisch und wirtschaftlich tragbares Minimum zu beschränken.

Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, einen einfachen und zuverlässigen Überspannungsschutz für eine elektrische Maschine der eingangs genannten Gattung zu schaffen, der Schäden infolge Stossspan-nungsbeanspruchungen und daraus resultierende Folgeschäden auf lokalisierte Teile der Wicklung zu begrenzen ermöglicht.

Durch den in die Wicklung integrierten Überspannungsschutz wird beim Auftreten einer übermässigen Stossspannung zwar die Windungsisolation ausserhalb des Avktivteils lokal beschädigt, infolge des sich zwischen den beiden Windungsleitern ausbildenden Lichtbogens spricht jedoch der Maschinenschutz an, was zur Abschaltung der Maschine führt. Folgeschäden elektrischer Art bleiben daher gering und auf einen genau definierten Bereich beschränkt.

Die nunmehr vorzunehmende Reparatur ist bezüglich des Ortes genau bestimmt. Durch die erfindungsgemässe Anordnung der «künstlichen Schwachstelle» im Wickelkopf gestaltet sich auch die Reparatur einfach, da eine optimale Zugänglichkeit gewährleistet ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 die Prinzipschaltung der Statorwicklung einer dreiphasigen elektrischen Maschine,

Fig. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Spannungsverteilung entlang einer Wicklung im Normalbetrieb und bei Stossbeanspruchung,

Fig. 3 den prinzipiellen Aufbau einer Ganzformspule,

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Fig. 4 einen Schnitt durch eine Spulenseite im Statorblechpaket gemäss Fig. 3 längs deren Linie A-A,

Fig. 5 einen Schnitt durch einen Stirnbügel im Wickelkopf gemäss Fig. 3 deren Linie B-B in vergrösserem Masssatab,

Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine Spule gemäss Fig. 5 längs deren Linie C-C,

Fig. 7 eine alternative Ausführungsform zu Fig. 5 bzw. 6.

Bevor die Erfindung anhand der Fig. 5 näher beschrieben wird, sollen zunächst in kurzer Form die physikalischen Grundlagen ihres technologischen Hintergrundes in Erinnerung gerufen werden.

Die Statorwicklung 1 einer elektrischen Maschine (Motor oder Generator) gemäss Fig. 1 weist drei Phasenwicklungen 2, 3 und 4 auf. Die Wicklungseingänge sind mit a2, a.3, a4, die im geerdeten Sternpunkt zusammengeschalteten Wicklungsausgänge mit e2, e3, e4 bezeichnet. Die Fig. 2 veranschaulicht die Spannungsverteilung entlang der Wicklung 2. Sie gilt sinngemäss auch für die Wicklungen 3 und 4. Im Normalbetrieb (Kurve N) ist die Spannungsverteilung linear. Die Spannungsdifferenz AUn zwischen zwei aufeinanderliegenden (in Serie geschalteten) Windungen ist entlang der ganzen Windungslänge zwischen U und X konstant. Bei Stossspannungsbeanspruchung (Kurve S) nehmen dagegen die Spannungsdifferenzen (Windungsspannung AUs) vom Wicklungsausgang X zum Wicklungseingang U ständig zu und betragen je nach Steilheit der Front der Stossspannung ein Vielfaches der normalen Windungsspannung. Daraus erhellt, dass die Belastung der Windungsisolation und der Nutisolation am Wicklungseingang wesentlich höher ist als gegen Wicklungsende hin. Während «normale» Windungsspannungen in der Grössenordnung zwischen wenigen Volt und 150 Volt liegen, können am Wicklungseingang bei Stossspannungsbeanspruchung Windungsspannungen in der Grösse mehrerer Kilovolt auftreten. Wie eingangs ausgeführt lassen sich mit Überspannungsableitern allein derart hohe Stossspannungsbe-anspruchungen nicht in allen Fällen und nur mit besonderem Aufwand beherrschen. Auch die Dimensionierung der Windungsisolation auf die maximal zu erwartenden Windungsspannungen ist in hohem Masse unwirtschaftlich.

Die vorliegende Erfindung zeigt hingegen einen Weg auf, wie die Auswirkungen derart hoher Windungsspannungen bei Ganzformspulen zwar nicht eliminiert werden, so doch in ihrem Ausmass optimal begrenzt werden.

Zu den Wicklungen mit Profildrähten gehören alle Wicklungen mit Ganzformspulen. Kennzeichnend für diese Gruppe ist, dass die Spulen in einer Nut mehrere in Serie geschaltete Windungen aufweisen und bereits vor dem Einbau in die Nuten ihre endgültige Form besitzen. Der prinzipielle Aufbau einer Ganzformspule geht aus Fig. 3 und Fig. 4 hervor. Daraus ist ersichtlich, dass die Spule aus mehreren, in Serie geschalteten Windungen 6 bis 12 besteht. Jede einzelne Windung ist mit einer (in Fig. 4 nicht gezeichneten) Windungsisolation (Vgl. Pos. 13 in Fig. 5) versehen. Der Potentialunterschied beträgt im Normalbetrieb zwischen benachbarten Windungen, je nach Maschinentyp, wenige Volt. Die Windungen 5 bis 12 sind von einer gemeinsamen Isolierhülse 14, der Hauptisolation, umgeben. Diese ist wesentlich stärker bemessen, da zwischen den Windungen und dem Ständereisen 15 je nach Lage der Spule im Wicklungsstrang Spannungsdifferenzen bis zur Höhe der Phasenspannung auftreten. Die Spulen selbst bestehen aus einem im Ständereisen 15 gelegenen Abschnitt 16, den Spulenseiten, und den Stirnbügeln 17 und 18 im Wickelkopf. In Anlehnung an Fig. 2 sind Wicklungseingang mit a2 und Wicklungsausgang mit e2 bezeichnet. Wie aus Fig. 3 und Fig. 4 hervorgeht, handelt es sich bei der dargestellten Wicklung um eine Zweischichtenwicklung mit in der Nut übereinanderliegenden Spulenseiten, die üblicherweise getrennt in die Statornuten eingelegt und anschliessend verschaltet werden. Der Vollständigkeit halber sind in Fig. 4 die

Zwischenlage 19 zwischen Ober- und Unterschichtspulenseite, der Nutkeil 20 und der Nutfüllstreifen 21 eingezeichnet.

In dem dem Wicklungseingang U unmittelbar folgenden Abschnitt des Stirnbügels 18 — markiert durch die Bezugsziffer 22 — ist die Spule mit einem integrierten Überspannungsschutz versehen, der in der Schnittzeichnung gemäss Fig. 5 in vergrös-sertem Massstab veranschaulicht ist. In einem kurzen Abschnitt von wenigen Millimetern ist zwischen die Hauptisolation und das Leiterbündel ein Überspannungsschutz in Form eines von der untersten 12 zur obersten Windung 5 reichenden Spaltes 23 eingebaut. Dieser Spalt wird im Zuge der Aufbringung der Hauptisolation 14 dadurch erzeugt, dass an einer Breitseite der Spule Füllstücke 24, 25 mit einer der gewünschten Spaltbreite d entsprechenden Dicke eingelegt werden, bevor die Hauptisolation 14 aufgebracht wird. Diese Füllstücke 24, 25 bestehen aus Isoliermaterial und liegen auf der Höhe der untersten 12 bzw. obersten Windung 5 unterhalb bzw. oberhalb der Trennflächen zwischen den Windungen 11, 12 bzw. 5, 6. Ihre Länge in Spulenlängsrichtung entspricht der gewünschten Länge des Überspannungsschutzes .

Die Dicke der Füllstücke 24, 25, die letztlich die Spaltbreite d bestimmen ist so bemessen, dass im Zuge der Herstellung der Isolation und deren Imprägnierung mit Isolierharz der Spalt bei Anwendung der heute bekannten Isolierverfahren erhalten bleibt. Die Praxis hat gezeigt, dass diese Bedingung mit Spaltbreiten zwischen 1 und 2 mm erfüllt werden kann. Zwar füllt sich zunächst der Spalt mit Imprägnierharz, doch läuft dieses Harz — unabhängig von der momentanen Lage der Spule beim Tränken bzw. Aushärten unter Zurücklassen einer dünnen Harzschicht an den Spaltwänden aus dem Spalt wieder heraus.

Wie aus dem Längsschnitt nach Fig. 6 hervorgeht, sind die Enden der Füllstücke 24, 25 zur Anpassung der Hauptisolation abgeschrägt.

Der Längsschnitt nach Fig. 7 veranschaulicht eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung eines Überspannungsschutzes zwischen Hauptisolation und den Windungsleitern. Dort ist zwischen der Hauptisolation 14 und den Windungsleitern ein Füllstück 26 in Gestalt einer dünnen Wellfeder aus Isoliermaterial angeordnet, wobei die Wellen des Füllstückes 26 in Spulenlängsrichtung verlaufen und somit luftgefüllte Kanäle zwischen dem untersten 12 und obersten Windungsleiter 5 bilden. Bezüglich Bemessung von Länge und Höhe dieser Füllstücke 26 gelten die im Zusammenhang mit Fig. 5 genannten Bedingungen: Die Höhe des Füllstückes entspricht praktisch der Spulenhöhe abzüglich Hauptisolation, seine Breite (in Spulenlängsrichtung) richtet sich nach der gewünschten Länge des Überspannungsschutzes. Die lichte Weite der auf diese Weise gebildeten Kanäle 27 liegt in derselben Grössenordnung wie bei der Ausführung nach Fig. 5.

Im normalen Betriebszustand (vgl. Kurve N in Fig. 2) betragen die Spannungsdifferenzen zwischen benachbarten Windungen wenige Volt. Zwischen der obersten 5 und der untersten Windung 12 im Falle von acht übereinanderliegenden Windungen entsprechend siebenmal höher, typisch weniger als 1000 Volt. Die elektrische Festigkeit an der Stelle des integrierten Überspannungsschutzes ist weit höher als die im Normallfall auftretende Potendialdifferenz. Bei den üblichen Spannungsprüfungen an der eingebauten Wicklung wird sich die in erfin-dungsgemässer Weise mit einem Überspannungsschutz versehene Wicklung demgemäss normal verhalten.

Beim Auftreten von hohen Stossspannungen hingegen entsteht jedoch in diesem isolationstechnisch bewusst geschwächten Bereich ein Wicklungsdefekt infolge eines sich zwischen der untersten 12 und obersten Windung 5 ausbildenden Lichtbogens, da die DK des Mediums (Luft) im Spalt 23 bzw. in den Kanälen 27 kleiner (etwa V4 bis V5) der DK des Isolationsmaterials der Hauptisolation 14 ist. Dies äusserst sich als Windungs-

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schluss der vom (vorhandenen) Maschinenschutz erfasst und zum Abschalten der Maschine führt.

Die sich nunmehr anschliessende Reparatur der defekten Wicklung gestaltet sich insofern einfach, als einerseits die Stelle des Defekts lokalisiert ist, andererseits die Reparaturstelle in einem gut zugänglichen Teil der Wicklung, nämlich in dem Stirnbügel im Wickelkopf, gelegen ist. Zur Erleichterung der Lokalisierung des Wicklungsdefekts kann es zweckmässig sein, die Stellen der Wicklung mit einer besonderen Markierung zu versehen, z.B. farbig einzufärben, und/oder dort den Aufbau der Hauptisolation für eine spätere Reparatur in besonderer Weise vorzubereiten, wie es aus der CH-Patentschrift 559 455 der Anmelderin ausführlich beschrieben ist.

Die erfindungsgemässe Präparierung einer oder mehrerer Stellen der Stirnbügel im Wickelkopf zur Schaffung eines in die Hauptisolation integrierten Überspannungsschutzes eignet sich sowohl für Wicklungen, die nach dem Ganztränkverfahren hergestellt werden [vgl. Brown Boveri Mitt. 54 (1967), S. 531-538], also solche, bei denen die durchgehend bewickelten Spulen trocken in die Nuten eingelegt werden und die Imprägnierung durch Überfluten des ganzen Ständers im Vakuumkessel erfolgt, als auch dort, wo Einzelspulen in Vorrichtungen imprägniert und ausgehärtet werden oder die Spulen mit vorimprägnierten Bändern isoliert werden, die der endgültigen Spulenform nachgebildet sind, und erst danach in den Ständer eingebaut werden.

Weiterhin ist die Erfindung nicht auf «Schwachstellen» der beschriebenen Form und Aufbaus beschränkt. Wichtig ist nur, dass zwischen den Windungsleitungen mit maximaler Potentialdifferenz ein Kanal oder ein Kanalsystem ausgebildet ist, dessen dielektrische Festigkeit weit unter derjenigen der Wicklungsteile ausserhalb der «Schwachstelle» liegt. So kann ein Kanal zwischen dem obersten 5 und untersten Windungsleiter 12 auch 5 durch Einbau eines gas- oder luftgefüllten Kissens aus Isoliermaterial, das sich zwischen den genannten Leitern erstreckt, geschaffen werden. Hierbei ist selbstverständlich zu beachten,

dass dieses Kissen beim Aufbringen der Hauptisolation und der anschliessenden Imprägnierung und Aushärtung der Wicklung io nicht ganz zusammengedrückt wird, damit die angestrebte Kanalbildung erhalten bleibt.

Selbstverständlich beschränkt sich die Erfindung nicht auf Spulen der dargestellten Art, sondern kann auch für Wicklungen benutzt werden, bei denen im Spulenquerschnitt Windungs-15 leiter paarweise nebeneinanderliegen, wobei die Serienschaltung der einzelnen Windungsleiter entweder durch eine sogenannte Zick-Zackschaltung erfolgt, oder nebeneinanderliegende Windungsleiter parallel und jeweils übereinanderliegenden in Serie geschaltet sind (vgl. Sequenz a.a./.S.109, Abb. 47). In jedem Fall ist es möglich, die beschriebenen Spalten oder Kanäle zwischen Windungsleitern mit maximalem Potendialunterschied anzubringen, welche die beschriebene Wirkung zeigen.

Normalerweise genügt es, die Spulen nur an den Wicklungs-25 eingängen in erfindungsgemässer Weise mit einem vorstehend beschriebenen Überspannungsschutz zu versehen. Aus Gründen einer rationellen Fertigung und im Hinblick auf die spätere Austauschbarkeit können aber auch alle Spulen im Bereich der Stirnbügel mit einem derartigen Schutz versehen werden.

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2 Blätter Zeichnungen

Claims (8)

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1. Elektrische Maschine mit einer aus Ganzformspulen aufgebauten Statorwicklung (2, 3, 4), deren einzelne Windungsleiter (5-12) aus gegeneinander mittels einer Windungsisolation (13) isolierten Profildrähten bestehen, wobei neben- und/oder übereinanderliegende Windungsleiter in Serie geschaltet und von einer gemeinsamen Hauptisolation (14) umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Stirnbügel (18) im Wickelkopf zumindest in dem sich an den Wicklungseingang (a2, a.3, a*) anschliessenden Bereich (22) eine Überspannungsschutzeinrich-tung (23) elektrisch parallel zu der Windungsisolation (13) in diese integriert ist, welche Schutzeinrichtung innerhalb der Hauptisolation (14) der Spule gelegen ist.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Hauptisolation (14) mindestens ein Kanal (27) oder Spalt (23) gebildet ist, der quer zur Spulenlängsrichtung verläuft und sich mindestens über zwei übereinanderliegende Windungsleiter (5-12) erstreckt, und dessen dielektrische Festigkeit wesentlich kleiner als diejenige der Hauptisolation (14) ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (23) durch in die Hauptisolation (14) integrierte Füllstücke (24, 25) gebildet ist.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstücke (24, 25) in Spulenlängsrichtung verlaufen und seitlich dem untersten (12) und obersten Windungsleiter (5) der Spule angeordnet sind.

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Füllstücke (24, 25) grösser als 1 mm in Spulenquerrichtung beträgt, welche Dicke im wesentlichen die Breite (d) des Spaltes (23) bestimmt.

6. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Kanäle (27) durch Ausnehmungen, Rillen oder Rinnen eines sich über die Spulenhöhe erstreckenden Füllstückes (26) gebildet sind, welche entlang der Spulenbreitseite und annähernd senkrecht zur Spulenlängsrichtung verlaufen.

7. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt oder Kanal durch ein die Spulenbreitseite einnehmendes gasgefülltes Kissen gebildet ist.

8. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Überspannungsschutzeinrichtung ausserhalb der Hauptisolation durch eine Markierung gekennzeichnet ist.