CN104937673B

CN104937673B - 用于高压设备的绝缘装置

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Publication number: CN104937673B
Application number: CN201480005679.1A
Authority: CN
Inventors: F.埃德; S.兰; M.普赖比施
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-01-23
Filing date: 2014-01-03
Publication date: 2017-05-03
Anticipated expiration: 2034-01-03
Also published as: WO2014114472A1; US20150381004A1; JP2016513443A; CN104937673A; EP2915170A1; DE102013201053A1; JP6234479B2; EP2915170B1

Abstract

本发明涉及一种用于高压设备(1)的绝缘装置(4)，具有线圈杆(5)，所述线圈杆具有具备第一层(14)和第二层(15)的主绝缘件(6)，其中，所述第一层(14)具有片状的云母颗粒，并且所述第二层(15)具有片状的氧化铝颗粒(16)。本发明还涉及一种具有绝缘装置(6)的发电机(1)以及用于制造绝缘装置(6)的方法。

Description

用于高压设备的绝缘装置

本发明涉及一种用于高压设备的绝缘装置，所述绝缘装置具有线圈杆，线圈杆具有具备第一层和第二层的主绝缘件。本发明还涉及具有绝缘装置的发电机以及用于制造绝缘装置的方法。

为了产生电能，通常使用发电机形式的高压设备。EP 1981150A2描述了一种具有可旋转的转子和绕着转子布置的机架的发电机。机架具有旋转对称的叠片组，导电的线圈杆在机架中延伸。在叠片组上两侧连接有线圈头，线圈头通过连接片将线圈杆与闭合的线圈连接。

在具有功率高于500MVA的高压设备运行时，测定电压能够大于10kV。部件相应地承载较高的机械、热力学、和电学的负载。在叠片组中延伸的线圈杆因此尤其配备电绝缘件，该绝缘件应该防止由于部分放电和由此产生的“释放通道”发生的腐蚀。

在US 2007/014132 A1中示例性描述了一种具有云母颗粒的主绝缘件，它具有配备横纵比至少50的片状。亦即，长度和在一侧上宽度和在另一侧上的厚度的横纵比至少为50。这样的主绝缘件起到电学和热学绝缘的作用。

在高压设备运行时，在线圈杆的导体内产生热量，它由于主绝缘件较差的热导率(通常小于0.25W/mK)而不能被导出。结果是局部过热，这尤其发生在叠片组内部。此外，由于在主绝缘件内的不均匀性和缺陷可能产生局部的部分放电条件下的温度升高(热点)，这会使得主绝缘件的部件老化。在老化后期时可能出现导体的接地，这会导致高压设备的完全失效。

因此，需要设置必需的器件，它用于冷却发电机和尤其冷却线圈杆。因此已知，根据功率等级利用空气、氢气或者水来冷却发电机。

为了进一步改进主绝缘件的热导率，由US 2007/014132 A1还已知，在真空压力浸渍工艺(VPI)的范围内向主绝缘件内加入导热的颗粒。在VPI过程中，在线圈杆上缠绕透气的带。线圈杆被单独地(单VPI)或者全部(全局VPI)在真空条件下浸入树脂中，施加压力并且随后硬化。

其它方法具有数值富集技术(Resin-Rich-Technology)，其中，具有聚合的绝缘材料的透气带在运行状态下被施加在单独的线圈带上。在此，绝缘材料不是完全地成网状，并且随后能够被再次加热、挤压和硬化。US 777,639,2B2描述了一种复合绝缘带，它包括导热的部件，其中，这种部件添加了树脂混合物，并且渗入该复合带。

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有线圈杆的绝缘装置，该绝缘装置除了电绝缘性外还具有导热性。此外，这种绝缘装置应该可以被简单和成本低廉地制造，并且能够不耗费地集成在现有的制造过程中。

建议一种用于高压设备的绝缘装置，其具有线圈杆，该线圈杆具有具备第一层和第二层的主绝缘件。在此，第一层具有片状的云母颗粒，并且第二层具有片状的氧化铝颗粒。

此外，还建议一种制造用于高压设备的绝缘装置的方法，所述绝缘装置具有线圈杆。在此，所述方法包括如下步骤：

-制备线圈杆、至少一层具有片状的云母颗粒的第一层和至少一层具有片状的氧化铝颗粒的第二层；和

-使用第一层和第二层以便在所述线圈杆上构成主绝缘件。

通过在主绝缘件内安置具有片状的氧化铝颗粒的第二层，在绝缘装置内集成了一种传导热量的层。因此，在高压设备运行时实现了更好的热量分布，并且这种热量分布与纯云母颗粒为基础的绝缘装置相比更均匀。例如绝缘强度或耐压强度、渗透性或者部分放电电阻等性质被相同地保留。因此，制备了一种绝缘装置，它除了电绝缘性外还具有希望的导热性。

此外，具有线圈杆的所建议的绝缘装置能够被简单地和成本低廉地制造。第一层和第二层的构造尤其能够在不耗费地情况下被集成在现有的制造过程中，因为第二层的集成只需要不明显地改变。

在本发明的范围内，高压设备尤其理解为发电机、例如涡轮发电机，具有例如高于50MVA的电功率。优选发电机具有高于500MVA的功率，并且具有高于1kv、优选高于10kv的测量电压。

对于高压设备，线圈杆能够具有由多个电导体构成的复合体，该电导体能够导引高于10kA的电流。作为电导体例如使用铜导体。

线圈杆的绝缘件能够是在分导体之间(即在各个电导体之间)的部分绝缘件、或者在电导体的复合体和处于地电位的具有叠片组和线圈头的区域之间的主绝缘件。此外，主绝缘件能够完全地包裹线圈杆。在此主绝缘件构成围绕线圈杆的环，它具有外部圆周侧和内部圆周侧。主绝缘环的厚度与高压设备的测量电压以及制造条件和运行条件有关。

除了主绝缘件之外，线圈杆还能够具有内部电势控制装置和外部电势控制装置，它在高压设备运行时产生在主绝缘件内部的电势。在此，在线圈杆和主绝缘件之间安置内部电势控制装置。因此，内部电势控制装置被安置在主绝缘环的内部圆周侧上。外部电势控制装置在处于地势的一侧上围绕主绝缘件。因此，外部电势控制装置被安置在主绝缘环的外部圆周侧上。

还能够设置多个第一层和/或第二层。

“轴向”和“径向”在本发明中总是关于线圈杆的中轴线。

在实施方式中，这样设置第二层，使得能够沿着线圈杆的轴向传导热量。因此，在主绝缘件内实现了各向异性的热量传导，该热量基本上轴向而非径向地传导。因为在高压设备运行时热量的变化在轴向上沿着线圈杆在中部达到最大，所以热量通过第二层从线圈杆的中部沿着轴向向端部传导。

在另一个实施方式中，片状的氧化铝颗粒具有横纵比10至100优选从40至80。在此，横纵比涉及相应长度和宽度与厚度的比例。氧化铝颗粒在此以化学式Al₂O₃的氧化铝为基础地构成。

片状的氧化铝颗粒优选平面地铺设在第二层内。由此降低了在主绝缘件内的部分放电感应的腐蚀和尤其“释放通道”的构成。除了提高电学性能外，通过平面的铺设还附加地提高了第二层的机械强度。

在另一个实施方式中，片状的氧化铝颗粒相互触碰。这种在氧化铝颗粒之间的接触实现了在各个氧化铝颗粒之间的更好的热传递，并且由此改进了第二层的热导率。

为此，相邻的片状的氧化铝颗粒沿着轴向能够相互碰触或者至少部分重叠。由此在轴向上实现了在片状的氧化铝颗粒之间的接触，因此第二层在轴向上的热导率被提高。

为了在第二层内避免腐蚀通道或者释放通道的构成，片状的氧化铝颗粒能够在第二层内部以多层形式布置。在此，片状的氧化铝颗粒在相邻的层内相互错移地布置。

在另一个实施方式中，片状的氧化铝颗粒设在基质内。该基质能够尤其包括聚合的基质，例如以聚硅氮烷、聚酯酰亚胺或者聚醚性多元醇为基础。

在另一个实施方式中，第二层具有大于40％体积百分比的嵌入基质中的片状的氧化铝颗粒。在此，体积是第二层的总体体积。在氧化铝颗粒具有较高的体积百分比的情况下，颗粒能够相互触碰，并且构成相应的导热路径。由此将热导率提升至饱和。氧化铝颗粒的部分优选在跨区的区域内，即热导率处于饱和。因此，能够实现绝缘装置的轴向热导率，它大于2W/mK、优选大于3W/mK。

在另一个实施方式中，主绝缘件具有至少两层第一层，在它们之间安置至少一层第二层。主绝缘件尤其能够具有5至50、优选10至25或更大的因数，即第一层的数量除以第二层的数量所得的商。主绝缘件的热导率因此借助第二层较低的数量而被明显地改进，这实现了材料成本的降低并节约成本。

在另一个实施方式中，第二层在主绝缘件内轴向和周向地延伸。第一层和第二层优选完全地包裹线圈杆。由此在主绝缘件内部保证了线圈杆的完全绝缘和热量均匀的分布。

在另一个实施方式中，第二层居中地布置在主绝缘件内和/或朝向主绝缘件的圆周侧错移地布置。由此在绝缘装置中，第二层能够在厚度方向上位于主绝缘件内部的中间。因此，实现了热量分布在主绝缘件内部轴向上的均匀性。附加地或者备选地，第二层在绝缘装置内在厚度方向上能够从主绝缘件的中部向线圈杆或者向主绝缘件的处于地电位的一侧错移地布置。通过第二层在主绝缘件内部错移的布置可实现用于具有电导体的或者用于叠片组的线圈杆的冷却功能，该叠片组在构造状态下被限定在主绝缘件的一侧上，这一侧处于地电位。

片状的氧化铝颗粒还能够设在支承带上，利用支承带包裹线圈杆。织物尤其适用于作为支承带，该织物例如由聚酯物、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或者玻璃制成。为了构成绝缘带，能够将包含在基质中的片状的氧化铝颗粒例如粘粘在支承带上。由此形成单个层的渗透性，因而现有的制造过程能够以VPI过程或者树脂富集技术为基础被使用。

片状的氧化铝颗粒能够具有10至100、并且优选40至80的横纵比。云母颗粒以层硅酸盐为基础地构成。云母颗粒优选在被包含在基质中、尤其聚合的基质中、例如以聚硅氮烷、聚酯酰亚胺或者聚醚性多元醇为基础。

此外，片状的云母颗粒能够平面地铺设在第一层内，并且以多层的方式重叠地布置。通过片状形态能够将云母颗粒相互定向。表面的相互影响由与相邻的云母颗粒的接触面直接相关的连接力而产生。理论上尤其由于云母颗粒的相互影响通过范德华力或者氢键产生。由此提高了绝缘装置的电学稳定性和机械强度。

云母颗粒在基质中由此构成了可承载机械负荷的云母薄层，它能够包裹线圈杆，借助反应性树脂能够被浸渍，并且具有用于释放通道的良好屏障。同时，相对于部分放电实现较高的稳定性。

为了进一步改进机械强度能够将云母薄层施加在例如由玻璃或者聚合织物组成的支承带上。随后能够转换在复合材料中的部件。这是如此实现的，借助VPI过程用液体的和反应的聚合物浸渍云母薄层，并且在随后的步骤中实施硬化。备选地还能够使用树脂富集技术。用环氧树脂浸渍的云母薄层在作为支承带的玻璃织物或者聚合织物上的热导率例如可在环境温度下是0.2W/mk至0.25W/mK。

在另一个实施方式中，在支承带上制备云母颗粒和氧化铝颗粒，并且第一层和第二层通过对线圈杆的包裹而产生。因此，被包裹的线圈杆能够在VPI过程的范围内或者以树脂富集技术为基础被继续加工。因此，第二层的设置能够简单地和无其它耗费地集成在现有的制造过程中。

此外，建议一种发电机，它包括前面所述的线圈杆。在此，该线圈杆能够通过发电机的叠片组来导引，并且在两侧具有突出的端部，该端部为了构成导体回线而在线圈头上转向。

在发电机中或者在叠片组内部会出现较强的热量汇集，这通过绝缘装置的导热的第二层而得到均衡。因此，第二层能够在发电机运行时将热量有效地导向线圈头。由此降低了在绝缘装置内的温度最大值以及温度平均值。这种效果延缓了主绝缘件的老化，并且提高了击穿强度。

此外，能够较低地保持额外费用，因为只需要一层或几层第二层就实现了这种效果。因此，还能够将发电机的冷却装置的尺寸缩减。例如可以使用对于发电机具有较小功率等级的冷却装置。因此，虽然提高了用于绝缘装置的材料成本，但是降低了总体成本，因为降低了用于冷却的外围设备成本。

下面结合所附的视图详细地阐述本发明。

在附图中：

图1示出具有叠片组和绝缘装置的发电机架的局部纵剖面图；

图2示出具有示例性主绝缘件的绝缘装置的纵剖面图；

图3示出在图2所示的绝缘装置中的具有片状的氧化铝颗粒的第二层的放大截面图；

图4示出在图2所示的主绝缘件内部的轴向的温度曲线；

图5示出具有另一个示例性的主绝缘件的绝缘装置的纵剖面图；

图6示出具有另一个示例性的主绝缘件的绝缘装置的纵剖面图；和

图7示出以流程图方式的用于制造根据本发明的绝缘装置的方法的流程图。

图1示出发电机1的截面图，它包括具有叠片组3和绝缘装置4的发电机架2，该绝缘装置具有线圈杆5。

绝缘装置4连同线圈杆5被导引穿过叠片组3。绝缘装置4从叠片组3中伸出。线圈杆5为了构造导体回线在线圈头(未示出)上转向。在图1中示出的装置典型地关于线圈杆5端部对称地构造在叠片组的两端上。

线圈杆5被主绝缘件6包裹。为了避免在发电机架2的部件之间的边界面部分放电，因此主绝缘件6还被层7、8包围。

因此，在线圈杆5和主绝缘件6之间安置作为内部电势控制的层7。在叠片组3和主绝缘件6之间还存在另一层8，它设计为放电保护层8。这种放电保护层包括在第一部段10内的端部放电保护层9和在第二部段12内的外侧放电保护层11。外侧放电保护层11与地面13相连接。外侧放电保护层11包裹在叠片组3内部的主绝缘件6，并且在线圈杆5从叠片组3伸出后在部分长度12上继续导引。端部放电保护层9直接地连接在外侧放电保护层11上。通过层7、8从内部的电势控制件7到放电保护层8降低主绝缘件6内的电场强度。在线圈杆5的端部上(它的两端从叠片组3中伸出)设有端部放电保护层9，它从外侧放电保护层11开始降低电势。

根据其中一名发明人内部已知的结构，主绝缘件6由在以聚醚型多元醇为基础、例如以环氧树脂为基础的基质内的片状的云母颗粒构成。这种云母片还设在支承带上、例如玻璃或者聚酯织物，它作为主绝缘件6绕着绝缘装置4的线圈杆5缠绕。

在这样的装置中，主绝缘件6的热导率在环境温度下大约是0.2至0.25W/mk。因此，在叠片组3内部尤其可能导致过热，这会加速主绝缘件6的老化过程。此外，由于在主绝缘件6内的不均匀性和缺陷可能出现局部的部分放电条件下的温度升高(热点)，这会使得主绝缘件6的部件老化。在老化后期的情况下可能出现线圈杆5的接地，这会导致发电机1的整体失效。

图2示出具有线圈杆5和主绝缘件6的绝缘装置4的纵剖面图。

主绝缘件6包括两层具有片状的云母颗粒的第一层14和具有片状的氧化铝颗粒的第二层15。在此，氧化铝颗粒具有比云母颗粒更好的热导率。但是，电学特性基本相同。因此，通过装入第二层15将导热层集成在了主绝缘件6中，能够传送主绝缘件6内的热量。

具有层14、15的主绝缘件6完全地包裹线圈杆5。因此，在横截面中绕着线圈杆5构成主绝缘环，线圈杆具有内圆周侧和外圆周侧。在所示的实施方式中，第二层15相对于主绝缘环厚度居中地安置在主绝缘件内两个第一层14之间。由此实现了在主绝缘件6内部的热量分布的均匀性。

第二层15在此轴向延伸，并且周向地在主绝缘件6的第一层之间。在主绝缘件6的另一个实施方式中，第一层14的数量与第二层15的数量的比例在5至50的区间内，并且优选在10至25的区间内。主绝缘件6例如能够一共具有22层第一层15和一层或两层第二层15。绝缘装置4的热导率因此借助第二层15的较低数量而被明显地改善，这明显地降低了材料耗费。

图3示出在图2中所示的具有片状氧化铝颗粒16的第二层15在绝缘装置4的主绝缘件6内的放大截面图A。

片状的氧化铝颗粒16具有数值为10至100的横纵比，并且在以聚醚型多元醇、例如环氧树脂为基础的聚合基质内被包含在织物上。在此，片状的氧化铝颗粒16平面地铺在第二层15内，以便提高第二层15的机械强度和电学的稳定性。此外，片状的氧化铝颗粒16相互触碰。邻近的片状氧化铝颗粒16沿着轴向方向17相互碰触，或者至少部分重叠。因此，沿着轴向方向17在各个氧化铝颗粒16之间实现更好的热传递，并且在第二层15内提高热导率。

此外，为了在第二层15内尤其沿着径向方向20针对线圈杆5避免形成腐蚀通道或者释放通道，将片状的氧化铝颗粒16在第二层15内部以多层19形式布置。在相邻的层19中，氧化铝颗粒16相互错开地布置。

为了实现第二层15的导热的封装，第二层包括50至75体积百分比的片状的氧化铝颗粒16。因为从氧化铝颗粒16的指定的体积百分比开始热导率达到饱和。因此，主绝缘件6的轴向热导率能够到达高于2W/mK、优选高于3W/mK。

图4示出在根据图2所示的具有和没有第二层15的主绝缘件6内部的轴向温度曲线21、22。

图4示出在主绝缘件6内的具有和没有第二层15的温度曲线21、22，其中，温度T相对于轴向位置1沿着线圈杆5的变化曲线。温度曲线21、22显示出，在发电机1运行时的热量变化在线圈杆5的中间达到最大。因此，温度曲线21从线圈杆5的端部23到中间24不断升高，并且在那达到它的最大值25。

如果第二层15设在主绝缘件内，则温度曲线22示出，热量均匀地分布并且温度曲线22的最大值26小于温度曲线21的最大值。这说明，在发电机1运行时热量在轴向方向18从线圈杆5的中间24传送到线圈杆5的端部23。因此，在主绝缘件6内的热量传导是各向异性的，因为热量主要轴向和非径向地被传导。

图5示出具有线圈杆5和另一种示例性的主绝缘件6的绝缘装置4的纵剖面。

在图5所示的具有线圈杆5和主绝缘件6的绝缘装置4的实施方式基本上与图2相一致。与图2不同的地方在于，在图5中的第二层15从主绝缘环的中间沿径向20错移地布置。在发电机1的使用状态中，这意味着，第二层15靠近线圈杆5布置。通过在主绝缘件6内部的第二层15的错移布置在运行时实现用于线圈杆5的冷却作用。

图6示出具有线圈杆5和另一种示例性的主绝缘件6的绝缘装置4的纵剖面。

在图6所示的具有主绝缘件6的线圈杆5的实施方式基本上与图2相一致。与图2不同的地方在于，在图6中的第二层15从主绝缘环的中间沿径向20错移地布置。在发电机1的使用状态中，这意味着，第二层15靠近叠片组2布置。通过在主绝缘件内部的第二层15的错移布置在运行时实现用于叠片组3的冷却作用。

图7示出用于制造绝缘装置4的以流程图方式的方法的流程。

在第一步骤S1中，制备线圈杆5、至少一层具有片状的云母颗粒的第一层14和至少一层具有片状的氧化铝颗粒16的第二层15。片状的氧化铝颗粒16设在支承带上，使用支承带缠绕线圈杆5。在此，聚酯织物、PET织物或者玻璃适用作为支承带。因此，还给出各个层的浸渍性，并且能够使用以VPI过程为基础的已有的制造过程。此外，还在支承带上制备云母颗粒。

在第二步骤S2中，按照第一层14和第二层15的顺序在线圈杆5进行布置，以便构成主绝缘件6。因此，例如能够上下重叠地包裹十层第一层14、接着一层第二层并且随后再十层第一层。在此，第一层和第二层14、15的次序通过对线圈杆5的包裹而产生。因此，能够简单地实现制造过程，并且在已知的制造过程中没有进一步耗费地集成第二层16。

虽然根据不同的实施例描述了本发明，但是本发明并不局限于此，而是能够被不同地改变。

Claims

1.一种用于高压设备(1)的绝缘装置(4)，其具有线圈杆(5)，所述线圈杆具有具备第一层(14)和第二层(15)的主绝缘件(6)，其中，所述第一层(14)具有片状的云母颗粒，并且所述第二层(15)具有片状的氧化铝颗粒(16)，其中，所述片状的氧化铝颗粒(16)平面地设在第二层(15)的内部并且相互接触。

2.根据权利要求1所述的绝缘装置，其特征在于，这样设置所述第二层(15)，使得热量沿着线圈杆(5)的轴向传导。

3.根据权利要求1或2所述的绝缘装置，其特征在于，所述片状的氧化铝颗粒(16)具有10至100的横纵比。

4.根据权利要求1或2所述的绝缘装置，其特征在于，相邻的片状的氧化铝颗粒(16)在轴向(17)上相互碰触或者至少部分重叠。

5.根据权利要求1或2所述的绝缘装置，其特征在于，所述片状的氧化铝颗粒(16)在第二层(16)的内部以多层(19)形式布置。

6.根据权利要求5所述的绝缘装置，其特征在于，所述片状的氧化铝颗粒(16)在相邻的层(19)中相互错移地布置。

7.根据权利要求1或2所述的绝缘装置，其特征在于，所述第二层(15)具有嵌入在基质内的高于20％体积百分比的片状的氧化铝颗粒(16)。

8.根据权利要求1或2所述的绝缘装置，其特征在于，所述第二层(15)具有嵌入在基质内的高于35％体积百分比的片状的氧化铝颗粒(16)。

9.根据权利要求1或2所述的绝缘装置，其特征在于，所述主绝缘件(6)具有至少两层第一层(14)，在第一层(14)之间安置至少一层第二层(15)。

10.根据权利要求1或2所述的绝缘装置，其特征在于，所述第二层(15)在主绝缘件(6)内轴向地和周向地延伸。

11.根据权利要求1或2所述的绝缘装置，其特征在于，所述第二层(15)居中地布置在主绝缘件(6)内和/或朝向主绝缘件(6)的圆周侧错移地布置。

12.根据权利要求1或2所述的绝缘装置，其特征在于，所述片状的氧化铝颗粒(16)设在支承带(27)上，使用所述支承带包裹线圈杆(5)。

13.一种发电机(1)，具有根据权利要求1至12之一所述的绝缘装置(4)。

14.一种制造用于高压设备(1)的绝缘装置(4)的方法，所述绝缘装置(4)具有线圈杆(5)，所述方法包括如下步骤：

-制备线圈杆(5)、至少一层具有片状的云母颗粒的第一层(14)和至少一层具有片状的氧化铝颗粒(16)的第二层(15)，和

-使用第一层(14)和第二层(15)以便在所述线圈杆(5)上构成主绝缘件(6)，其中，所述片状的氧化铝颗粒(16)平面地设在第二层(15)的内部并且相互接触。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在支承带(27)上制备片状的云母颗粒和片状的氧化铝颗粒(16)，并且第一层(14)和第二层(15)通过对线圈杆(5)的缠绕而产生。