CN1101612C - 用于高压绕组的绝缘导体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电机中高压绕组的绝缘导体(10)。绝缘导体(10)包括：一个或多个股线(12)，一个围绕股线(12)的处于内部的第一导电层(14)，一个围绕 第一导电层(14)的第一绝缘层(16)，及一个围绕第一绝缘层(16)的处于外部的第二导电层(18)。第二导电层(18)具有一方面使第二导电层(18)中电气损耗最小、而另一方面有助于第二导电层(18)中感应的电压使辉光放电危险最小的电阻率。

Description

用于高压绕组的绝缘导体

本发明在第一方面涉及一种用于电机中高压绕组的绝缘导体。

本发明的第二方面涉及一种包括上述类型的绝缘导体的旋转电机或静态电机。

本发明可用于诸如同步电机或异步电机之类的旋转电机、以及作为电力变压器和电力电抗器的静态电机中。本发明还可用于诸如双路馈电电机之类的其他电机中、和异步静态换流器诸级、外极电机和同步流动电机(flow machine)中，条件是其绕组包括引言中描述类型的绝缘电导体，并且最好在高压下。“高压”这里是指超过10kV的电压。对于用于根据本发明的高压绕组的绝缘导体，典型工作范围可以是1至800kV。

为了能够解释和描述电机，将首先给出旋转电机的简要描述，以同步电机为基础举例说明。描述的第一部分基本上涉及这样一种电机的磁路、和根据传统技术如何建造它。由于在大多数情况下提及的磁路位于定子中，所以下文通常把磁路描述为带有层叠铁心的定子，其绕组将称作定子绕组，并且绕组层叠铁心中的槽称作定子槽或简单地称作槽。

定子绕组位于叠片铁心中的槽内，诸槽通常具有象矩形或梯形的矩形或梯形横截面。每个绕组相包括多个串联连接的串联连接线圈组，并且每个线圈组包括多个串联连接的串联连接线圈。线圈的不同部分是指安置在定子内的部分的线圈侧、和位于定子外部的部分的末端线圈端部。一个线圈包括一个或多个在高度和/或宽度方向放在一起的导体。

在每个导体之间有一层薄绝缘物，例如环氧树脂/玻璃纤维。

线圈由槽用线圈绝缘物来绝缘，就是说，绝缘物用来承受电机对地的额定电压。作为绝缘材料，可以使用各种塑料、漆和玻璃纤维材料。通常，使用所谓的云母带，云母带是云母与硬塑料的混合物，专门生产以提供对局部放电的耐受性，局部放电能迅速击穿绝缘。通过把云母带缠绕到线圈上数层而把绝缘物施加到线圈上。浸渍绝缘物，并随后用石墨基油漆涂敷线圈侧，以改进与接地电位连接的周围定子的接触。

绕组的导体面积由讨论中的电流强度和所用的冷却方法确定。导体和线圈通常以矩形形状形成，以使槽中的导体材料量最大。典型的线圈由所谓的Roebel杆形成，其中一些杆为了冷却剂可以制成空心的。Roebel杆包括多个矩形的、并联连接的并联连接铜导体，这些导体沿槽变换360度。还出现了具有540度变换和其他变换的Ringland杆。进行变换以避免环流的发生，环流产生于导体材料的横截面内，如由磁场所看到的那样。

因为机械和电气原因，电机不能以任意大小制造。电机功率基本上由三个因素确定：

-绕组的导体面积。在正常温度下，例如铜具有3-3.5A/mm²的最大值。

-在定子和转子材料中的最大磁通密度(磁通)。

-在绝缘材料中的最大电场强度，所谓的介电强度。

多相ac绕组设计成单层或双层绕组。在单层绕组的情况下，每一个槽只有一个线圈侧，而在双层绕组的情况下，每个槽有两个线圈侧。双层绕组通常设计成菱形绕组，而在这种连接中有关的单层绕组可以设计成菱形绕组或设计成同心绕组。在菱形绕组的情况下，只出现一个线圈跨距(或者可能两个线圈跨距)，而平绕组设计成同心绕组，即具有明显变化的线圈跨距。所谓线圈跨距是指在两个属于同一线圈的线圈侧之间的弧度距离，与涉及的极间距或中间槽间距的数量有关。通常，使用弦的不同变量，例如短倾斜间距，以给出希望性能的绕组。

基本描述线圈如何在槽中的类型的绕组，即线圈侧，在定子外部即在末端绕组的端部，连接在一起。

在定子叠片的外面，线圈没有涂敷的导电地电位层。末端绕组端部通常装有一个E场控制，E场控制具有所谓的电晕保护油漆的形式，用于把径向场转换成轴向场，这意味着末端绕组端部上的绝缘出现在相对于地的高电位下。这有时在末端绕组端部区域中产生电晕，这可能是损坏性的。在末端绕组端部处的所谓场控制点带来旋转电机的诸问题。

通常，所有大型电机都设计成具有双层绕组和等效的大线圈。每个线圈以一侧在层的一个中、而另一侧在另一层中安置。这意味着所有线圈在末端绕组端部中彼此交叉。如果使用的层数多于两层，则这些交叉使缠绕工作变得困难，并且损坏末端绕组端部。

一般都知道，同步电机/发电机与电力网的连接必须经一个E/YD连接的所谓升压变压器来进行，因为电力网的电压通常处于比旋转电机的电压高的级中。与同步电机一起，这个变压器因而构成电厂的整体部分。该变压器造成额外的成本，并且还具有降低系统总效率的缺点。如果有可能制造相当高电压的电机，则因而能省去该升压变压器。

在最近几十年期间，对比以前能设计的电压高的旋转电机的需要不断增加。根据已有技术状态对于同步电机以良好的线圈生产率所能达到的最大电压级约是25-30kV。

尤其在J.Elektrotechnika标题为“水和油冷涡轮发电机TVM-300”，1970年11月1日，第6-8页的文章中，在US-4,429,244的“发电机的定子”中，及在苏联专利文件CCCP Patent 955369中，描述了对关于同步发电机设计的一种新方法的一些尝试。

在J.Elektrotechnika中描述的水和油冷同步发电机打算用于高达20kV的电压。文章描述了一种由油/纸绝缘物组成的新绝缘系统，这有可能把定子完全浸入油中。油然后能用作冷却剂，并同时用作绝缘物。为防止定子中的油向转子外漏，一个介电油隔离环提供在铁心的内表面处。定子绕组由具有椭圆空心形状，装有油和纸绝缘物的导体制造。带有绝缘的线圈侧借助于楔固定在制成矩形横截面的槽中。油既在空心导体中又在定子壁内的孔中用作冷却剂。然而，这样的冷却系统在线圈末端处需要大量油和电的连接。厚绝缘还导致导体的弯曲半径增大，这又使线圈突出部分的尺寸增大。

上述的US专利涉及一种同步电机的定子部分，该同步电机包括带有用于定子绕组的梯形槽的叠片磁芯。由于定子绕组所需的绝缘朝转子的内部方向减弱，转子处设置有最靠近中性点布置的绕组部分，所以诸槽是锥形的。此处，定子部分包括最靠近铁心内表面的介电油隔离筒。相对于没有这个环的电机，这部分可以增大激励要求。定子绕组由对于每个油层具有相同直径的油浸透的电缆制造。诸层借助于槽中的垫片彼此隔开，并且用楔固定。绕组的特征在于，它包括串联连接的两个所谓半绕组。两个半绕组之一安置、对中在绝缘套内。定子绕组的导体由周围的油冷却。有这么多油在系统中的缺点是，有泄漏的危险，并且由故障状态可能导致大量的清理工作。绝缘套位于槽外部的部分带有一个圆柱部分和一个用载流层加强的锥形终端，锥形终端的目的是控制电缆进入末端绕组处的区域中的电场强度。

由CCCP 955369显见，在增大同步电机的额定电压的另一种尝试中，油冷却的定子绕组包括对于所有层具有相同尺寸的常规高压电缆。电缆置于形成为圆形的、对应于电缆的横截面积及固定和冷却剂所需的空隙而径向设置开口的定子槽中。绕组不同径向布置层由绝缘管包围，并且固定在其中。绝缘垫片元件把管固定在定子槽中。因为油冷却，所以这里还需要一个内介电环，以把油冷却剂同内气隙封离开。上述油在系统中的缺点也适用于这种结构。该结构在不同的定子槽之间呈现出非常窄的、径向腰部，这意味着显著影响电机的激励要求的大量槽泄漏磁通。

从1984年来自电力研究院(Electric Power Research Institute)EPRI的报告，EL-3391，对发电机概念进行了回顾，以便实现旋转电机的高电压，目的是能把电机连接到电力网上而不用中间变压器。通过调查判断，这样一种方案提供了良好的效率增益和财政优点。在1984年认为有可能开始开发直接连接到电力网上的发电机的主要原因是，在这时已经开发了超导转子。超导场相当大的激励容量使使用具有足够厚度的气隙绕组来承受电应力成为可能。通过把根据项目、设计磁路的最有希望的概念，与绕组相组合，一种所谓的单块筒形电枢，一种其中把两个导体筒放入在三个绝缘壳体内且整个结构不用齿固定到一个铁心上的概念，认为用于高压的旋转电机能直接连接到电力网上。这种方案意味着主绝缘必须制造得足够厚，以对付网对网和网对地电位。在回顾当时已知的所有技术后，认为设法增大到较高电压所必需的绝缘系统是，该系统通常用于电力变压器，并且该系统包括介电流体浸渍的纤维素压板。提出方案的明显缺点是，除了需要超导转子外，还需要非常厚的绝缘，这增大了电机尺寸。末端线圈端部必须用油或氟利昂绝缘和冷却，以便控制在端部中的电场。整个电机要气密地封闭，以防液态介电介质从大气中吸收水分。

当根据已有技术状态制造旋转电机时，分几个步骤制造带有导体和绝缘系统的绕组，因此在安装到磁路上之前必须进行缠绕。在把绕组安装在磁路上之后，进行用来制备绝缘系统的浸渍。

本发明的目的在于，能够制造一种用于高压的旋转电机，而不用进行任何复杂的缠绕且在绕组安装之后不必浸渍绝缘系统。

为了增大旋转电机的功率，人们知道增大ac线圈中的电流。这通过优化导电材料的量，即通过矩形导体在矩形转子槽中的紧密包装来实现。目的是通过增大绝缘材料的量和使用更耐温的因而更昂贵的绝缘材料来处理由此造成的温度升高。绝缘上的高温和场负载还导致与绝缘寿命有关的问题。在用于高压设备的厚壁绝缘层中，例如在浸渍的云母带层中，局部放电，PD，造成严重问题。在制造这些绝缘物层时，容易产生空穴、气孔等，其中当绝缘物经受高电场强度时，产生内部电晕放电。这些电晕放电逐渐使材料变质，并且可能导致穿过绝缘物的电击穿。

本发明基于这样的认识，能够以技术和经济上合理的方式增大旋转电机的功率，这必须通过保证由所述现象不击穿绝缘来实现。根据本发明，通过把以这种方式制造的、从而空穴和气孔危险最小的例如适当固体绝缘材料的挤压层用作绝缘层，能实现这一点，适当固体绝缘材料是诸如热塑性树脂、交联的热塑性树脂、诸如硅橡胶之类的橡胶等之类的材料。此外，重要的是，绝缘层包括一个围绕着导体、具有半导体性能的内层，并且绝缘还带有至少一个另外的围绕着绝缘物的、具有半导体性能的外层。所谓半导体性能在本文中是指，具有远比电导体低的导电性、但没有绝缘体那样低的导电性的材料。通过仅使用可以以最少缺陷制造的绝缘层、此外还为内外导电层提供绝缘，能保证减小热和电负载。带有至少一个相邻导电层的绝缘部分应该具有基本相同的热膨胀系数。在温度梯度下，不应该产生在绝缘物和周围层中由不同温度膨胀导致的缺陷。因为围绕绝缘物的导电层将构成等电位表面、且绝缘部分中的电场将相当均匀地分布在绝缘物的整个厚度上的事实，减小材料上的电负载。外导电层可以连接到选择的电位上，例如地电位。这意味着，对于这样一种电缆，绕组在其整个长度内的外壳体可以保持在例如地电位下。在沿导体长度的适当位置处还可以切去绕组的外层，并且可以把每个切去部分长度的导体直接连接到选择的电位上。绕外导电层可以布置有其他层、壳体等，如金属屏蔽和保护套。

联系本发明得到的进一步知识是，增大的电流负载导致在线圈横截面的棱角处有电(E)场集中的问题，并且这还在那里的绝缘上带来大的局部负载。同样，定子齿中的磁(B)场也将集中在棱角处。这意味着局部产生磁饱和，并且没有充分利用磁心，产生的电压/电流流波形也将失真。此外，因为导体与B场有关的几何形状而产生的、由导体中的感应涡流引起的涡流损耗，将在增大电流强度时带来另外的缺点。通过使线圈和其中放置线圈的槽基本上是圆形的而不是矩形，来实现本发明的进一步改进。通过使线圈的横截面是圆形的，这些线圈将由恒定的B场包围，而在可以产生磁饱和的地方没有集中。而且，线圈中的E场将均匀地分布在整个横截面上，并且显著减小了绝缘上的局部负载。此外，较容易把圆形线圈以这种方式安置在槽中，从而每个线圈组的线圈侧数量可以增大，并且电压升高可能发生而不必增大导体中的电流。如此之原因是，一方面通过较低的电流密度并因而通过跨过绝缘物的较低温度梯度、及另一方面通过在整个横截面上带来更均匀温度分布的圆形槽，有助于导体的冷却。另外的改进也可以通过由较小部分，所谓的股线，组成导体来实现。诸股线可以彼此绝缘，并且可以留下少量股线不绝缘且与内导体层接触，以保证与导体处于相同的电位。

使用根据本发明的旋转电机的优点在于，该电机能比通常的这样的电机过载运行明显长的时间段，而不被损坏。这是电机组成和绝缘受限的热负载的结果。例如，有可能用100％的过载加载电机超过15分钟的时间，甚至高达两小时。

根据本发明的一个实施例是，旋转电机的磁路包括一个穿过电缆的绕组，该电缆带有一个或多个带有固体绝缘的挤压绝缘导体，固体绝缘在导体和壳体处都带有一个导电层。外导电层可以连接到地电位。为了能够处理在把旋转电机直接连接到所有类型的高压电力网上的情况下产生的问题，根据本发明的电机具有区别于已有技术状态的多个特征。

如上所述，旋转电机的绕组可以由一种电缆制造，这种电缆带有一个或多个带有固体绝缘的挤压绝缘导体，固体绝缘在导体和壳体处都带有一个导电层。

绝缘材料一些典型的例子是热塑性塑料，象LDPE(低密度聚乙烯)、HDPE(高密度聚乙烯)、PP(聚丙烯)、PB(聚丁烯)、PMP(聚甲基戊烯)，或者是交联材料，象XLPE(交联的聚乙烯)，或者是橡胶绝缘物，象EPR(乙烯丙烯橡胶)或硅橡胶。

进一步开发由股线组成的导体的可能性在于，有可能彼此相对地绝缘诸股线，以便因而减小导体中的涡流损耗量。可以留下一股线或多股线不绝缘，以保证围绕导体的导电层与导体处于相同的电位。

众所周知，用于电能传输的高压电缆由带有固体挤压绝缘物的导体组成，绝缘物带有内外导电部分。在传输电能的过程中，要求绝缘应该没有缺陷。在电能传输期间，绝缘应该没有缺陷的开始点已经很长时间了。当把高压电缆用于电能传输时，目的不是使通过电缆的电流最大，因为对于输电电缆空间没有限制。

可以以一些其他方式而不是借助于挤压，来施加用于旋转电机的导体绝缘，例如通过喷涂等。然而，重要的是，绝缘在整个横截面中不应该有缺陷，并且应该具有类似的热性能。结合施加到导体上的绝缘，可以给导电层提供绝缘。

最好使用具有圆形横截面的电缆。尤其是，为了得到较好的包装密度，可以使用具有不同横截面的电缆。为了在旋转电机中建立电压，电缆以几个连续匝布置在磁心内的槽中。绕组能设计成多层同心电缆绕组，以减小末端端部交叉的数量。电缆可以制成带有锥形绝缘物，以便以较好的方式利用磁心，在这种情况下，槽的形状可以适于绕组的锥形绝缘。

根据本发明的旋转电机的显著优点是，E场在外导电层外面的末端端部区域中接近零，并且对于地电位下的外壳体，电场不需要控制。这意味着在片内、在末端端部区域中或其之间的过渡区中，都不存在场集中。

本发明还涉及制造磁路，及特别是制造绕组的方法。制造方法包括，通过把电缆穿入磁心内槽中的开口中而把绕组置于槽中。由于电缆是软的，所以能弯曲，并且这允许以数匝安置在线圈中的一定长度的电缆。末端绕组端部然后将包括电缆中的弯曲区域。电缆可以以这种方式接合，从而使其性能在整个电缆长度上保持恒定。这种方法与已有状态相比带来大量简化。所谓的Roebel杆是不可弯的，而且必须做成希望的形状。今天制造旋转电机，线圈的浸渍也是一项非常复杂和昂贵的技术。

这借助于在如权利要求1中所定义的旋转电机中用于高压绕组的绝缘导体、还借助于根据权利要求7包括上述类型的绝缘导体的旋转电机来实现。根据本发明的高压电缆包括由第一导体层围绕的一股线或多股线。这个第一导体层又由一个第一绝缘层围绕着，第一绝缘层由一个第二导电层围绕着。这个第二导体层沿高压电缆至少在两个不同点处接地，即在定子的进口和出口处。第二导电层具有一方面使第二导电层中电气损耗最小、而另一方面有助于第二导电层中感应的电压使辉光放电危险最小的电阻率。

借助于根据本发明的、上述的高压电缆，得到一种高压电缆，其中能避免在外导电层中由感应电压引起的电气损耗。还得到一种高压电缆，其中使放电的危险最小。另外，这借助于制造简单的电缆得到。

现在参照附图，在最佳实施例的如下描述中将更详细地解释本发明。

图1表示根据本发明的高压电缆的横截面；

图2表示一个基本图，解释什么影响导电表面与地之间的电压；

图3表明在导电表面上与接地点之间的距离有关的电位。

图1表示根据本发明的一种高压电缆10的横截面。所示的高压电缆10包括一个导电体，该导电体由一个或多个例如由铜(Cu)的、具有圆形横截面的股线部分12组成。这些股线部分12布置在高压电缆10的中央。绕股线12的是一个第一导电层14，而绕第一导电层14的是一个第一绝缘层16，例如XLPE绝缘。绕第一绝缘层16的是一个第二导电层18。

图2表示一个基本图，解释什么影响导电表面与地之间的电压。在第二导电层18与地之间生成的电压U_S可以按如下表示： $U_S=\sqrt{{U^2}_{\max }+{U^2}_{\mathrm{ind}}}---\left(1\right)$

其中U_max是表面中电容性电流的结果，而其中U_ind是由磁通感应的电压。为了避免表面放电，U_S必须＜250V，最好U_S＜130-150V。

在原理上假定在两定子端部接地U_ind不产生问题。因而U_S≈U_max，其中在导体中部处的最大值U_max由下式给出 $U_{\max }\≈{\left(2\mathrm{\πf}{C}_I{U}_f\right)}^2\frac{{\mathrm{\ρ}}_s{I}^2}{A_S}$

其中f＝频率；C_I＝每长度单位的横向电容；U_f＝相对地电压；ρ_S＝导电层18的电阻率；A_S＝导电层18的横截面积及I＝定子的长度。

一种防止由第二导电层18中的感应电压引起的损耗的方法是增大其电阻。因为由于与电缆和定子制造有关的技术原因不能减小层的厚度，所以能通过选择具有较高电阻率的涂层或化合物来增大电阻。

如果电阻率增大得太多，则第二导电层18在接地点之间的中途(即，在定子内部)上的电压如此之高，以致于有辉光放电的危险，并因此腐蚀导电层和绝缘。

第二导电层18的电阻率ρ_S因此应该位于区间：

ρ_min＜ρ_S＜ρ_max                (2)

其中ρ_min由允许的涡流损耗引起的功率损耗确定，而U_ind·ρ_max引起的电阻损耗由没有辉光放电的要求确定。

试验已经表明第二导电层18的电阻率ρ_s应该在10-500欧姆·厘米之间。为了对于所有尺寸的电机都得到良好的结果，ρ_S应该在10-100欧姆·厘米之间。

图3表明在导电表面上与接地点之间的距离有关的电位。

作为适当导电层18的一个例子，是由EPDM与碳黑混合的材料制造的。通过改变基础聚合物的类型、和/或改变碳黑的类型和/或碳黑的性能，能确定电阻率。

下面是使用基础聚合物和碳黑的各种混合物得到的不同电阻率值的多个例子。基础聚合物      碳黑                      碳黑量      体积电阻率

            类型                      ％          欧姆·厘米乙烯乙酸乙烯酯  EC碳黑                    约15        350-400共聚物/腈橡胶″″            P碳黑                     约37        70-10″″            额外的导电碳黑，类型I     约35        40-50″″            额外的导电碳黑，类型II    约33        30-60丁基接枝聚乙烯  ″″                      约25        7-10乙烯丁基丙烯    乙炔碳黑                  约35        40-50酸盐共聚物″″            P碳黑                     约38        5-10乙烯丙烯橡胶    额外的导电碳黑            约35        200-400

本发明不限于所示的实施例。在从属权利要求的范围内几种变更是可行的。

Claims (19)

1.一种用于电机中高压绕组的绝缘导体(10)，其特征在于，绝缘导体(10)包括：一个或多个股线(12)，一个围绕股线(12)的处于内部的第一导电层(14)，一个围绕第一导电层(14)的第一绝缘层(16)，及围绕第一绝缘层(16)的处于外部的第二导电层(18)，并且第二导电层(18)的电阻率在10-500欧姆·厘米之间。

2.根据权利要求1所述的绝缘导体(10)，其特征在于，导电层(18)沿绝缘导体(10)至少在两个不同点处接地。

3.根据权利要求2所述的绝缘导体(10)，其特征在于，第二导电层(18)的电阻率低于绝缘层(16)的电阻率，但高于股线(12)的材料的电阻率。

4.根据权利要求3所述的绝缘导体(10)，其特征在于，第二导电层(18)的电阻率在50-100欧姆·厘米之间。

5.根据权利要求1所述的绝缘导体(10)，其特征在于，第二导电层(18)的每轴向长度单位的电阻在5-50000欧姆/米之间。

6.根据权利要求1所述的绝缘导体(10)，其特征在于，第二导电层(18)的每轴向长度单位的电阻在500-25000欧姆/米之间。

7.根据权利要求1所述的绝缘导体(10)，其特征在于，第二导电层(18)的每轴向长度单位的电阻在2500-5000欧姆/米之间。

8.根据权利要求1所述的绝缘导体(10)，其特征在于，第二导电层(18)的电阻率通过改变基础聚合物的类型、和改变碳黑的类型和碳黑的比例来确定。

9.根据权利要求7所述的绝缘导体(10)，其特征在于，从EP橡胶的乙烯丁基丙烯酸盐共聚物中选择基础聚合物。

10.根据权利要求7所述的绝缘导体(10)，其特征在于，第二导电层(18)通过过氧化物交联。

11.根据权利要求8所述的绝缘导体(10)，其特征在于，第二导电层(18)通过过氧化物交联。

12.根据权利要求1所述的绝缘导体(10)，其特征在于，绝缘层(16)与第二导电层(18)之间的粘结，与绝缘材料的固有强度具有相同量级的数值。

13.根据权利要求1所述的绝缘导体(10)，其特征在于，第一导电层(14)、绝缘层(16)和第二导电层(18)挤压在导电股线(12)上。

14.根据权利要求12所述的绝缘导体(10)，其特征在于，所有层通过经一个多层头的挤压来施加。

15.根据权利要求1所述的绝缘导体(10)，其特征在于，绝缘层(16)是交联的聚乙烯，XLPE。

16.根据权利要求1所述的绝缘导体(10)，其特征在于，绝缘层(16)由乙烯丙烯橡胶或硅橡胶制成。

17.根据权利要求1所述的绝缘导体(10)，其特征在于，绝缘层(16)由诸如LDPE、HDPE、PP、PB、PMP之类的热塑性材料制成。

18.一种包括根据权利要求1-17任一项所述的绝缘导体的电机。

19.一种包括根据权利要求1-17任一项所述的绝缘导体的旋转电机。

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