CN104205246B - 双层的高压绝缘系统和电机 - Google Patents

Abstract

通过使用能导电的PTFE织物，高压绝缘系统简化并且能够更薄地实施，其中也改进了导热性。

Description

双层的高压绝缘系统和电机

技术领域

本发明涉及一种高压绝缘系统和一种电机。

背景技术

高压绝缘系统尤其用于旋转电机的外电势控制。

在旋转电机中、如马达或发电机中，绝缘系统的可靠性决定性地对于其运行安全负责。绝缘系统具有下述目的：将电导体(导线、线圈、棒)持久地相对于彼此且相对于定子叠片铁芯或者环境绝缘。外电势控制具有下述目的：实现位于接地电势上的定子叠片铁芯和主绝缘装置的外侧之间的电接触。由此确保：在绝缘装置和叠片铁芯的边界层的区域中的空腔中不出现部分放电。

在此能够区分：

·用于根据单棒生产来制造(AGS-E)的发电机绕组棒的外电晕防护(AGS)，

·用于借助于GVPI工艺来制造(AGS-G)的发电机绕组棒的外电晕防护(AGS)。

在定子绕组被完全浸渍的情况下(整体真空压力浸渍，GlobalVacuum Pressure Impregnation GVPI)，整个叠片铁芯与完整装入的绕组一起浸渍并且硬化。由此，绕组在叠片铁芯的槽中的粘贴是牢固的，使得由于铜、铁和绝缘装置的不同的膨胀系数在铜、绝缘装置和铁之间产生高的热机械应力，所述热机械应力在一定数量的热循环(发电机的启动和停止)之后引起边界面的裂开。为了防止裂口位于电场中并且在那点燃的部分放电破坏绝缘装置，使用内电势控制装置(IPS)，所述内电势控制装置在图1中结合双层的外电晕防护装置(AGS)示出。

IPS：

在通过铜导体部件40构成的引导电流的罗贝尔线棒之上施加由细云母带构成的绝缘的基础缠绕物70，所述基础缠绕物平滑和增大薄的铜导体部件40的棱边半径。在其之上缠绕含石墨的第一导电无纺织物带100，所述第一导电无纺织物带经由接触条带130在仅一个部位上与铜导体部件40的高压电势连接。

AGS：

只有在其上才缠绕由细云母玻璃制成的主绝缘装置160。此时，用第一导电无纺织物带100而非铜导体部件形成高压电极。第一导电无纺织物带持久地与主绝缘装置粘贴。内部的外电晕防护缠绕物110、最外的分隔带190和外部的外电晕防护缠绕物200紧随主绝缘装置160。交织在最外的分隔带190中的外电晕防护带连接内部的外电晕防护缠绕物110和外部的外电晕防护缠绕物200。

在发电机起动和停止时在铜导体组合件和绝缘装置之间产生的热机械应力在一定的运行时间之后会导致绝缘套与导体局部地脱开，而在所形成的间隙中不会点燃所担忧的部分放电。脱层区域是无电势的，因为高压电势已经传输到牢固结合在主绝缘装置上的导电无纺织物上。在导体和绝缘装置之间的高负荷的内部边界面的这种IPS设计允许涡轮发电机的数十年长的尖峰负荷运行，而不会有显著的部分放电老化。

根据单棒生产的技术实现的发电机绕组棒应用导电带或漆形式的外电晕防护装置。在该技术中，将金属形式的浸渍的绝缘装置硬化，以便实现绝缘装置的期望的几何形状。在此，导电漆在硬化之后应用并且导电带在硬化之前应用。

发明内容

因此，本发明的目的是解决上述问题。

所述目的通过一种高压绝缘系统和一种电机来实现，所述高压绝缘系统在至少一个绝缘层中由仅两个层构成，其中两个所述层分别具有上部区域，所述上部区域具有与所述层的下部区域不同的物理特性，一个所述层的上部区域和另一所述层的下部区域亲水地构成并且一个所述层的下部区域和另一所述层的上部区域疏水地构成，所述电机具有所述高压绝缘系统。

在实施方式中列出其他有利的措施，所述措施能够彼此任意地组合，以便实现另外的优点。

附图说明

附图示出：

图1示出根据现有技术的发电机绕组棒的外电势控制装置，

图2、3示出根据本发明的绝缘系统，

图4示出发电机。

附图和描述仅为本发明的实施例。

具体实施方式

图2示出绝缘装置50的、尤其是针对层190、200的示例的布置。在该实施例中，围绕金属棒4存在绝缘层19，以便使该金属棒相对于叠片铁芯16绝缘。绝缘层19优选具有两个层7、10。层7、10优选以带形来缠绕并且共同形成绝缘层19。层7、10优选具有织物，所述织物又优选具有纤维。

在层7、10之间存在接触面13。优选地，层7、10通过缠绕的带、优选由织物构成的带形成。

在图3中详细示出层7、10的横截面。层7、10具有不同的物理特性、尤其分别具有疏水区域7’、10”和非疏水的(亲水的)区域(7”，10’)。层10的上部区域10’是亲水的，其中下部区域10”是疏水的。与此相反地构造层7，其中上部区域7’是疏水的。这就是说，如果这两个层7、10或带7、10彼此相叠地缠绕，那么疏水区域7’、10”彼此贴靠并且能够有利地相对彼此移动。

由于亲水部分，浸渍如在上文中所描述的那样是极其良好可行的并且在接触面13的区域中是不可行的，使得确保所述带在接触面13的区域中相对彼此的相对移动以平衡机械应力。

层7、10的材料优选是PTFE，所述材料针对亲水区域10’、7”相应地改变。这例如通过PTFE、纤维或织物的局部的覆层来实现，或者在由PTFE构成的疏水区域10”、7’上施加亲水材料并且形成区域7”、10’。

经由所使用的带7、10的宽度的比例可以在宽的范围中调整环绕的叠片铁芯的表面和外侧绝缘装置之间的粘附。这同样能够通过改变这两个带7、10的搭叠程度来实现。

这两个织物类型的组合保证了热机械应力的出现减少并且保证了总系统的充足的粘附，而棒4不会在槽的内部打滑。同时，总是保证电接触。

具有亲水区域和疏水区域7’、7”、10’、10”的层7、10(图2、3)的各个区域的厚度分别优选具有10μm至50μm的厚度并且优选为发电机结构中的数值。与此相应地，层7、10的层厚度在20μm至100μm之间。

疏水区域10”、7’的材料优选是含PTFE的，优选是PTFE层或PTFE覆层的织物或无纺织物(图2、3)。也能够将PTFE理解为基于PTFE的所有其他的研发方案。

亲水区域7’、7”、10’、10”的材料从发电机结构和已知的高压绝缘系统中得知并且优选是石墨覆层的织物或无纺织物，其中织物或无纺织物为玻璃织物或玻璃无纺织物(图2、3)。

AGS-E的目的是(E＝端部电晕防护)：

·改进的压力浸渍

·降低的层厚度

·与浸渍无关的、限定的并且恒定的表面阻力

·改进的寿命和可靠性

·改进的粘附性和温度稳定性

·简化的应用，因为生产步骤的数量减少。

AGS-E的要求：

·在应用之后2至50kOhm的面电阻(表面方阻)

·层厚度<＝100μm

·最大的宽度30mm

·良好的可加工性：在切割时的充足的强度以及稳定性(没有散开)、用于缠绕的充足的抗拉强度。

此外，本发明在于：应用能导电的PTFE(特氟龙)作为绝缘装置，尤其是用于这种高压绝缘系统的绝缘装置。这能够是如图1中的较复杂的系统或简单的系统。PTFE是复合材料。

高压绝缘系统1具有由PTFE构成的织物，其中这构造成，使得织物或高压绝缘系统具有能够如在上文中一样根据所描述的方法来渗透的孔。

因此，优选地，高压绝缘系统具有由PTFE制成的纤维，其中为了实现不能导电的PTFE的导电性，纤维优选与能导电的材料、优选石墨混合。

织物优选由这种纤维形成。

同样地，PTFE纤维能够包含能导电的材料、如石墨。

该织物优选以带形的形式存在并且为了应用而缠绕到要绝缘的面上。

这优选通过使用能导电的PTFE织物来实现，其具有下述优点：

·良好的可浸透性，因为其为多孔的织物进而能够在硬化之前应用。

·在浸渍之前和之后不改变的电阻，因为导电性源自纤维并且不像如在AGS带中那样源自颗粒。(所述颗粒由于在浸渍之后包裹颗粒的塑料基体而具有与初始值不同的电阻值)。

·由于根据本发明应用具有疏水特性的能导电的材料，用于完全浸渍的旋转机器的外电晕防护系统的简化的并且更薄的结构是可行的。这基于：不必再使用云母片。所述云母片在现有技术中具有借助于部分脱层降低可能的热机械应力的目的。

·由于根据本发明应用具有导电特性的疏水材料，用于完全浸渍的旋转机器的外电晕防护系统的简化的并且更薄的结构是可行的。这基于：不必再将交织导电带用于接触云母片的叠片铁芯的外侧和绝缘装置的外侧。这在现有技术中具有在出现脱层时补偿电势差的目的。

AGS-G的目的是：

·简化的应用/成本降低

·双重AGS由于更薄的替选方案而降低的层厚度

·放弃云母片

·绝缘装置和叠片铁芯的外侧的区域中的持久的电接触，即使在热引发的脱层之后也是如此。

·无空腔的AGS

·改进的导热性。

用于AGS-G的方法途径为：

·通过使用分隔层降低层厚度，所述分隔层实现限定的机械退耦，而不引起电阻改变。这应当通过用疏水性织物类型或薄膜替代双层的云母片来实现。这尤其能够是特氟龙织物。

图4示例地示出作为电机的发电机。根据图4，旋转机器装置、尤其是发电机装置2沿着纵轴线3从涡轮机侧的端部区域6延伸至激励器侧的端部区域8。发电机装置2具有壳体10。在涡轮机侧的端部区域6中设置有冷却设备12。更确切地说，在为壳体15的一部分的冷却器头部14中设有两个冷却器16并且设有呈具有风扇毂20的风扇18形式的压缩机。风扇毂20位于转子22上，所述转子沿着纵轴线3延伸穿过发电机装置2。原本的发电机区域23设置为沿纵轴线3的方向紧随冷却设备12。在该区域中，转子22由定子24在形成气隙26的条件下包围。定子24具有带有涡轮机侧的定子绕组头28A和激励器侧的定子绕组头28B的定子绕组。在这两个定子绕组头28A、28B之间设置有所谓的叠片铁芯30。类似于定子24，转子22具有涡轮机侧的转子绕组头32A和激励器侧的转子绕组头32B。

由于在涡轮发电机中普遍的高的功率密度，需要在发电机区域23中对发电机装置2进行冷却。在此，定子绕组头28A、28B以及转子绕组头32A、32B具有尤其高的冷却需求。为了冷却发电机区域23，该发电机区域具有冷却系统34，所述冷却系统由冷却设备12供应冷却气体。冷却系统34具有多个冷却气体通道36A、D、48，经由所述冷却气体通道在循环中引导冷却气体。第一冷却气体通道36A在此沿轴向方向延伸并且设置在定子24和壳体10之间。第二冷却气体通道36B由气隙26形成。其他的沿轴向方向延伸的冷却气体通道36C引导穿过叠片铁芯30。为了冷却转子22，引导冷却气体通道36D穿过该转子。发电机区域23中以及冷却设备12中的冷却气体流分别通过箭头来表示，其中虚线箭头表示冷的冷却气体的流动路径并且实线箭头表示加热的冷却气体(热气)的流动路径。

为了冷却定子绕组头28A、28B，来自冷却器16的冷却气体流在涡轮机侧的端部区域6中划分开。一个子流用于冷却涡轮机侧的定子绕组头28A并且另一子流经由冷却气体通道36A被转送到激励器侧的定子绕组头28B并且再次被划分。一部分用于冷却定子绕组头28B并且从那里作为热气经由气隙26再次流回。另一部分被引导通过叠片铁芯30的冷却气体通道36C并且在涡轮机侧的端部区域6中作为热气排出并且被输送给冷却器16。为了冷却转子绕组头32A、32B，冷却气体不仅从涡轮机侧的端部区域6中而且从激励器侧的端部区域8中被导入到冷却气体通道36D中。冷却气体的子流穿流过相应的转子绕组头32A、32B并且随后作为热气导入到气隙26中并且输送给冷却器16。余下的子流在冷却气体通道36D中被继续引导穿过转子22，更确切地说，使得冷却气体从这两个转子绕组头32A、32B向彼此流动并且大致在发电机区域23的中部区域38中导入到气隙26中。

Claims (27)

1.一种高压绝缘系统(1)，所述高压绝缘系统在至少一个绝缘层(19，70，160，200，190)中由仅两个层(7，10)构成，

其中两个所述层(7，10)分别具有上部区域(7’，10’)，所述上部区域具有与所述层(7，10)的下部区域(7”，10”)不同的物理特性，一个所述层(10)的上部区域(10’)和另一所述层(7)的下部区域(7”)亲水地构成并且

一个所述层(10)的下部区域(10”)和另一所述层(7)的上部区域(7’)疏水地构成。

2.根据权利要求1所述的高压绝缘系统(1)，其中两个所述层(7，10)具有不同的物理特性。

3.根据权利要求1或2所述的高压绝缘系统(1)，其中两个所述层(7，10)中的各层具有局部不同的物理特性。

4.根据权利要求1或2所述的高压绝缘系统(1)，其中两个所述层(7，10)中的各层沿着其厚度(h)具有局部不同的物理特性。

5.根据权利要求1所述的高压绝缘系统(1)，其中疏水区域(10”，7’)通过PTFE形成。

6.根据权利要求1或5所述的高压绝缘系统(1)，其中所述层(7，10)的所述疏水区域(7’，10”)直接彼此相叠地设置。

7.根据权利要求1或2所述的高压绝缘系统(1)，其中所述高压绝缘系统具有用于所述层(7，10)的能导电的PTFE。

8.根据权利要求1或2所述的高压绝缘系统(1)，其中各所述层(7，10)通过缠绕的带形成。

9.根据权利要求8所述的高压绝缘系统(1)，其中用于层(190，200)的带的宽度是不同的。

10.根据权利要求8所述的高压绝缘系统(1)，其中所述带(7，10)的搭叠程度确定机械强度。

11.根据权利要求8所述的高压绝缘系统(1)，所述高压绝缘系统具有作为带的织物。

12.根据权利要求1或2所述的高压绝缘系统(1)，所述高压绝缘系统具有孔。

13.根据权利要求12所述的高压绝缘系统(1)，所述孔是渗透的。

14.根据权利要求1或2所述的高压绝缘系统(1)，所述高压绝缘系统在所述层(7，10)中具有纤维。

15.根据权利要求14所述的高压绝缘系统(1)，所述纤维由PTFE构成。

16.根据权利要求14所述的高压绝缘系统(1)，所述纤维形成织物。

17.根据权利要求中1或2所述的高压绝缘系统(1)，其中用于所述层(7，10)的织物或纤维与能导电的材料混合。

18.根据权利要求17所述的高压绝缘系统(1)，其中所述能导电的材料是石墨。

19.根据权利要求1或2所述的高压绝缘系统(1)，其中所述疏水区域(7’，10”)的厚度和所述亲水区域(7”，10’)的厚度在10μm和50μm之间。

20.根据权利要求1或2所述的高压绝缘系统(1)，其中用于所述疏水区域(7’，10”)的材料具有含PTFE的材料。

21.根据权利要求20所述的高压绝缘系统(1)，其中所述含PTFE的材料是用PTFE覆层的材料。

22.根据权利要求20所述的高压绝缘系统(1)，其中所述含PTFE的材料是PTFE覆层的织物或PTFE覆层的无纺织物。

23.根据权利要求1或2所述的高压绝缘系统(1)，其中所述亲水区域(7”，10’)的材料是含石墨的。

24.根据权利要求23所述的高压绝缘系统(1)，其中所述亲水区域(7”，10’)的材料是石墨覆层的织物或无纺织物。

25.根据权利要求23所述的高压绝缘系统(1)，其中所述亲水区域(7”，10’)的材料是石墨覆层的玻璃织物或玻璃无纺织物。

26.一种具有根据上述权利要求中的任一项所述的高压绝缘系统(1)的电机。

27.根据权利要求26所述的电机，所述电机是发电机。