CN1220049A - 包括高压绕组和支撑该绕组的浇铸化合物的旋转电机及用来制造这种电机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带有一个定子(1)的旋转电机,绕组通过定子中的槽(5)引入。根据本发明,绕组包括高压电缆(6),电缆引入段由每个槽(5)中的浇铸化合物包围着。本发明还涉及一种制造这样一种电机的方法,其中首先用高压电缆缠绕定子,此后把流体或半流体状态的浇铸化合物引入槽中。

Description

包括高压绕组和支撑该绕组的浇铸化合物的 旋转电机及用来制造这种电机的方法
本发明在第一方面涉及一种在权利要求1的前序部分中所描述类型的旋转电机，例如，同步电机、标准同步电机以及双路馈电电机，还涉及在异步静态换流器诸级、外极电机和同步流动电机(flow machine)中的应用。
本发明的第二方面涉及一种在权利要求10的前序部分中所描述类型的方法。
在本中请中，术语“径向”、“轴向”和“圆周向”构成相对于电机定子定义的方向指示，除非另有明显地说明。术语“电缆引入段(cablelead-through)”在本申请中是指穿过一个槽延伸的每段各自长度的电缆。
主要打算把该电机作为电站中的发电机，用来产生电力。打算把该电机用于高电压。高电压这里应理解成是指超过10kV的电压。用于根据本发明的电机的典型操作范围可以是36至800kV。
对于在范围6-30kV内的电压，常规已经设计了类似的电机，并且30kV通常被认为是上限。这一般意味着发电机要经变压器连接到电力网上，变压器把电压升压到电力网级，即在约100-400kV的范围内。
通过使用高压绝缘导电体，在如下命名的、在定子绕组中带有与用来传送电力的电缆中所用的类似的固体绝缘的电缆(例如XLPE电缆)中，可以把电机的电压增大到这样的级，从而使它可以直接连接到电力网上而不用中间变压器。XLPE=交联的聚乙烯。
这个概念一般意味着要求在定子中把电缆置于其中的槽比常规技术的深(由较高电压和绕组的较多匝数造成较厚的绝缘)。这带来与在线圈端部、齿和绕组的区域中的冷却、振动和固有频率有关的新问题。
把电缆固定在槽中也是一个问题-电缆要插入到槽中而其外层不受损坏。电缆经受具有100Hz频率的、引起振动倾向的电流，并且除与外径有关的制造公差外，其尺寸还随温度变化(即负载变化)而改变。
尽管当把电流供给到用于输电、变电和配电的高压网上时的主要技术，是把变压器插入在发电机与电力网之间，如在前言中所述的那样，但已经知道尽力通过直接产生电网级的电压来消除变压器。在US-4429244、US-4164672和US-3743867中描述了这样一种发电机。
认为能制造用于旋转电机的线圈，在高达10-20 kV的电压范围内具有良好的效果。
开发比这更高电压的发电机的努力已经进行了一段时间，例如由“电气世界(Electrical World)”,1932年10月15日，第524-525页得到证实。这篇文章描述了如何对于33kV建造由Parson1929年设计的发电机。还描述了在比利时Langerbrugge产生36kV电压的发电机。尽管该文还推测了进一步增大电压级的可能性，但这些发电机所基于的概念的发展却停止不前。这主要是因为其中使用数个隔离层的浸漆云母箔和纸的绝缘系统中的缺陷。
在J.Elektrotechnika标题为“水和油冷涡轮发电机TVM-300”,1970年11月1日，US-4,429,244的第6-8页“发电机的定子”的文章中，及在苏联专利说明书CCCP Patent 955369中，描述了在同步发电机设计时联想到的一些尝试。
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，使得有可能把定子完全浸入油中。油然后可以用作冷却剂，并同时构成绝缘。一个介电油隔离环提供在铁心的内表面处，以防止定子中的油向转子外漏。定子绕组由具有椭圆的、空心形状的、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保持在具有矩形横截面的槽中。油既在空心导体中又在定子壁的空腔中用作冷却剂。然而，这样的冷却系统在线圈端部处需要大量用于油和电的连接。厚绝缘还引起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心。由于定子绕组所需的绝缘朝转子向内减弱，转子处设置有最靠近中性点布置的绕组部分，所以诸槽是阶梯形的。定子部分还包括最靠近铁心内表面的介电油隔离筒。与缺少这个环的电机相比，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“半绕组”。两个半绕组之一对中地安置在绝缘套内部。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造成大范围的清理作业。绝缘套位于槽外部的部分带有一个圆柱部分和一个锥形屏蔽电极，锥形屏蔽电极的任务是控制电缆离开板处的区域的电场强度。
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带有用于中高压绝缘的导体，该导体对于所有层具有相同的尺寸。导体置于圆形的、对应于导体的横截面面积及固定和冷却剂所要求的必需空隙而径向设置开口的定子槽中。绕组的各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。由油冷却看来，这里还需要一个内部介电环，以把油冷却剂同内部气隙封离开。所示的结构没有表示阶梯的绝缘或定子槽。该结构在各定子槽之间显示出非常窄的、径向腰部，带来显著影响电机磁化要求的大量槽泄漏流。
在从1984年4月来自电力研究院(Electric Power Research Institute)EPRI的报告，EL-3391中，对发电机概念加以说明，其中借助于把这样一种发电机连接到电力网上，而不用中间变压器的目的，实现了发电机中的较高电压。该报告认为这样一种方案在效率方面是有益的而在经济上是有利的。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，到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。
通过把激励电路的结构、这种设计最有希望的概念、与绕组相组合，一种所谓的“单块柱形电枢”，一种其中把两个导体筒封入在三个绝缘筒内且整个结构不用齿连接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，以承受网对网和网对地电位。除了它需要超导转子外，提出方案的一个明显缺点是需要非常厚的绝缘，由此增大了电机尺寸。线圈端部必须用油或氟利昂绝缘和冷却，以便把强电场引入端部。整个电机要气密地封闭，以防止液态介电介质从大气中吸收水分。
本发明涉及与避免插入定子槽时对电缆表面的损坏、和避免在运行期间由振动产生的相对于表面的磨损有关的上述问题。电缆经其插入的槽较不平或粗糙，因为在实际中足够精确地控制板的位置而得到完全均匀的表面极为困难。粗糙表面带有可能刮去包围电缆的半导体层的部分的锋利棱边。这导致在运行电压下的电晕和击穿。
当把电缆置于槽内并适当夹持时，在运行期间没有损坏的危险。适当夹持意味着施加的力(主要在径向作用的具有两倍主频率的电流力)不引起在半导体表面上导致磨损的振动。由此在运行期间保护半导体免受机械损坏。
在运行期间电缆还经受热负载，从而XLPE材料膨胀。比如，在温度从20到70℃增大时145kV XLPE电缆的的直径增大了约1.5mm。因此由于热膨胀必须允许电缆有必需的空隙。
相对于这样的背景，本发明的目的在于，解决与实现研究中类型的电机有关的问题，从而电缆在运行期间不会由于振动受到机械损坏，并且允许电缆的热膨胀。实现这一点就能使用不带有机械保护外层的电缆。在这样一种情况下，电缆外层包括对机械损坏敏感的薄半导体材料。
根据本发明的第一方面，通过给出在权利要求1的前序部分中所描述类型的电机，已经解决了这个问题，具体特征在该权利要求的特征部分中定义。
由于浇铸化合物，高压电缆沿其长度被夹持，从而减小振动问题。然后能保证振动不产生在一定临界频率范围内的固有频率。100Hz的固有频率特别应该避免。
由于专门设计的固体绝缘，电机可以用于非常高的电压。
根据本发明的一个最佳实施例，至少一个半导体层具有等于中间固体绝缘物的热膨胀系数。因而在电缆中有热运动时避免缺陷、裂缝等。
本发明主要打算与一种高压电缆一起使用，并且本发明的优点变得特别明白，这种高压电缆由一个带有多股部分的内芯、一个内半导体层、一个围绕该半导体层的绝缘层、及一个围绕绝缘层的外半导体层构成，特别是电缆具有20-200mm的直径和40-3000mm2的导电面积。
就这样的电缆而论，该应用因而构成本发明的最佳实施例。
在本发明的一个最佳实施例中，浇铸化合物是弹性的。由此在运行期间可以为电缆的热膨胀提供空隙，而化合物没有塑性变形。
在一个有效的实施例中，由制造的观点看来，便利的是通过含有气泡的化合物实现弹性。
在一个最佳实施例中，化合物包括具有适于弹性目的、和能够产生孔隙的硅或聚胺基甲酸乙酯化合物。
槽应该在定子一个或两个端部表面处提供有密封件，以便防止浇铸化合物在固化之前漏出。
根据本发明的电机的以上和其他有利的实施例在权利要求1的从属权利要求中定义。
在本发明的第二方面，通过给出在权利要求10的前序部分中所描述类型的一种方法，来实现该目的，具体特征在这个权利要求的特征部分中定义。该方法便利地使希望的浇铸化合物能够实现围绕着槽中的电缆。
根据本发明的一个最佳实施例，引入具有一会儿后固化性能的浇铸化合物，最好同时产生气孔。因而在浇铸化合物中能容易地实现希望的弹性。
在一个最佳实施例中，槽还提供有布置在定子端表面处的密封件。因此能避免在插入期间轴向漏出化合物的危险。
在另一个最佳实施例中，把化合物经一个向内指向套表面、与一根径向导管连通的径向注入口注入每个槽中，该径向导管与槽连通。
在权利要求10的从属权利要求中，限定了根据本发明方法的以上和其他有利的实施例。
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示意地表示在根据本发明的一种电机中的定子扇区的端视图；
图2表示在根据本发明的电机中所用电缆的横截面；
图3表示在根据本发明的电机中的定子细节的径向截面；
图4表示沿图3中线Ⅳ-Ⅳ的部分截面。
在图1中通过电机定子1的扇区的示意轴向视图中，其转子指定为2。定子由常规形式的钢板叠片铁心组成。该图表示电机的一个扇区，对应于一个极段。从位于径向最外端的铁心的一个磁轭部分3，多个齿4朝转子2径向延伸，并且由其中布置定子绕组的槽5隔开。绕组中的电缆6是高压电缆，这些高压电缆大体上与用于配电的高压电缆，所谓的交联聚乙烯(XLPE)电缆，可以具有相同类型。一种差别在于，已经除去通常围绕着这样的电缆的外机械保护套和金属屏蔽层。电缆因而仅由导体、一个内半导体层、一个绝缘层和一个外半导体层组成。对机械损坏敏感的半导体层因而暴露在电缆的表面上。
在附图中，示意地表明电缆6，仅插进电缆引入段的导电中心部分或线圈侧。如能看到的那样，每个槽5具有带有交替宽部分7和窄部分8的变化横截面。宽部分7基本上是圆形的，并且围绕着电缆引入段，而在这些之间的腰部形成窄部分8。腰部用来径向定位每个电缆引入段。作为整体的槽的横截面还在径向向内稍微变窄。这是因为电缆引入段越靠近定子的径向内部安置，电缆引入段中的电压就越低。因此这里能使用较细的电缆段，而越靠外要求电缆引入段越粗。在所示的例子中，使用三种不同尺寸的电缆，布置在槽5三种相应尺寸截面的9、10、11中。
图2表示根据本发明的一种高压电缆6的横截面。高压电缆6包括多个例如由铜(Cu)制成的、且具有圆形横截面的股部分31。这些股部分31布置在高压电缆6的中央。绕股部分31的是一个第一半导体层32。绕第一半导体层32的是一个绝缘层33，例如XLPE绝缘。绕绝缘层33的是一个第二半导体层34。在本申请中的概念“高压电缆”因而不需要包括通常包围着用于配电的这样一种电缆的金属屏蔽层和外保护套。
图3是槽的径向内部分的径向截面，该截面经定子的一个端部板15取出。一个通道12沿端部板中的槽5的一个壁延伸。它沿槽的整个径向延伸部分延伸，并且向槽开口，从而它与形成在电缆引入段之间的所有中间空隙连通。槽5和通道12填充有泡沫硅或聚胺基甲酸乙酯化合物，其中气孔约占化合物体积的50-60％。因而电缆6牢固地固定在槽5中，并且其热膨胀可以由化合物吸收，化合物由于孔隙所以是弹性的。
图4是沿图3中线Ⅳ-Ⅳ的截面，经过其端部板15和叠片层16的相邻部分。
如在图4中能看到的那样，槽5提供有当电缆6离开定子时绕电缆6密封的一个密封件14。一个径向孔13形成在端部板15中，该孔与通道12连通，并且向朝内指向定子的套表面17开口。
浇铸化合物以流体或半流体状态经径向孔13注入，或者经这个孔出去进入径向导管12。
径向导管12把浇铸化合物分配到槽中的所有电缆引入段，并且浇铸化合物从导管12在箭头A的方向上沿电缆轴向流动，以充满槽的整个轴向延伸部分。浇铸化合物由密封件14、和一个在定子另一端处类似地布置在端部板中的密封件防止漏出。当槽充满浇铸化合物时，允许固化，于是形成给它希望的弹性的气泡。

Claims (17)

1．一种包括一个定子的旋转电机，绕组(6)通过定子(1)中的槽(5)引入，其特征在于，至少一个绕组(6)包括一个绝缘系统，该绝缘系统包括至少两个半导体层(32、34)，每层本质上构成一个等电位表面，并且还包括在这些层(32、34)之间的固体绝缘物(33)；并且，诸槽至少部分填充有浇铸化合物。
2．根据权利要求1所述的旋转电机，其中所述层(32、34)的至少一个具有与固体绝缘物(33)基本相同的热膨胀系数。
3．根据权利要求1或权利要求2所述的旋转电机，其中一种类型的电缆(6)包括带有多股部分(31)的芯、一个围绕着芯的内半导体层(32)、一个围绕着内半导体层的绝缘层(33)、及一个围绕着绝缘层(33)的外半导体层(34)。
4．根据权利要求1-3任一项所述的旋转电机，其中电缆(6)具有在20-200mm范围内的直径和在40-3000mm2范围内的导电面积。
5．根据权利要求1-4任一项所述的旋转电机，其中所述浇铸化合物是弹性的。
6．根据权利要求5所述的旋转电机，其中浇铸化合物包含气泡以便实现所述弹性。
7．根据权利要求6所述的旋转电机，其中气泡构成浇铸化合物总体积的40-70％，最好是50-60％。
8．根据权利要求1-7任一项所述的旋转电机，其中浇铸化合物由硅或聚胺基甲酸乙酯化合物组成。
9．根据权利要求1-8任一项所述的旋转电机，其中定子(1)的槽(5)的至少一个端部表面提供有密封件(14)。
10．一种用于制造根据权利要求1所述类型的旋转电机的方法，其特征在于用高压电缆缠绕定子，其特征还在于，此后把浇铸化合物以流体或半流体状态引入槽中。
11．根据权利要求10所述的方法，其中化合物在已经引入槽中之后使之固化。
12．根据权利要求11所述的方法，其中使化合物固化，同时气泡形成在其中。
13．根据权利要求10-12任一项所述的方法，其中至少在定子一个端部表面处的槽中施加密封件。
14．根据权利要求13所述的方法，其中在缠绕定子之前施加密封件。
15．根据权利要求10-14任一项所述的方法，其中经至少一个靠近每个槽的一个壁布置的、且与槽连通的一个径向导管注入。
16．根据权利要求15所述的方法，其中所述径向导管布置在定子上的一块端部板中。
17．根据权利要求15或权利要求16所述的方法，其中化合物经一个向定子朝内指向的套表面打开的径向注入口注入，所述口与所述导管连通。
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