CN1272238A - 具有磁路的旋转电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种供高压用的具有磁路的电机。该电机具有定子(11)和转子(9),定子(11)的绕组包括高压电缆(1),转子(9)环绕定子(11)。

Description

具有磁路的旋转电机
这里所指的旋转电机包括同步电机，主要用作发电机，与下文称为电力网的配电网和输电网连接。这些同步电机还用作电动机，以及用作相位补偿和电压控制，并且在这种情况下用作机械开路的电机。本技术领域还包括双端馈电电机，异步静态换流器级，外极电机，和同步流量电机。这些电机预定用于高压。这里高压应该理解为是指超过10kV的电压。根据本发明的电机的典型操作范围可能是36kV到800kV。
在定子绕组中使用高压绝缘导电体，使得电机的电压能够增加到这样等级，以至电机能不用中间变压器而直接与电力网连接，这些导体在下文称为电缆，它们具有和电力传输电缆(例如PEX电缆)中所使用的绝缘类似的固体绝缘。因此，为了处理系统稳定性和/或转动质量的相关性，以及高压直流输电附近的电动势，或选择地，为了产生或消耗与次输电级或输电级直接连接的高压交流，直接与次输电级或输电级连接，则满足了对快速连续调节无功功率的需求。电站可以是几MVA到几千MVA。
明显优点是其中电抗消耗无功功率的变压器不必要，传统的高功率断路器也不必要。由于获得旋转补偿，所以对电网质量也有好处，而且关于过负荷容量，在这样的电机中可以为+100％。对于无功功率控制范围可以为+100％。
然而，由于在这样的高压电机中，应用所述类型电缆的定子绕组获得相当大的径向尺寸，所以可能出现问题。在电机的空气间隙的给定直径下，直径和绕组的匝数成比例地增加，并且定子叠层中承载电缆的槽必须很深，而且定子叠层为数众多。
本发明的目的是为了解决上述问题，并且提供一种具有较小定子的电机和这样一种布置，它尺寸较小但功率不小。这个目的是由根据本发明的电机来实现的，其特征在权利要求书中限定。
参考附图，将更详细地叙述本发明，其中：
图1表示用于本发明的电缆的截面；
图2表示根据本发明作为水力发电机设计的电机的轴向断面；
图3类似地表示根据本发明的电机的第二实施例的轴向断面；
图4类似地表示根据本发明的电机的第三实施例的轴向断面；和
图5类似地表示根据本发明的电机的第四实施例的轴向断面。
本发明就第一方面来说预定用于图1类型的高压电缆1，这种电缆由一个具有多条股线部分2的芯，一个环绕内半导电层的绝缘层4，和一个外半导电层5所构成。本发明的优点在这里特别讲述，本发明特别是指这样的电缆，它具有20-200mm区间之内的直径，和80-3000mm2区间之内的导电面积。该电缆因此不包括通常环绕配电电缆的外护皮。
用于本发明的绝缘导体或高压电缆是柔性的，并且是WO 97/45919和WO 97/45847中更详细叙述的类型。该绝缘导体或电缆在WO97/45918，WO 97/45930和WO 97/45931中进一步叙述。
因此，在根据本发明的布置中，绕组优选地为这样类型，它对应于那些具有固体挤压绝缘的电缆，这些电缆类型为现今用于配电的电缆类型，例如XLPE-电缆或具有EPR绝缘的电缆。这样的电缆包括一个由一条或多条股线部分构成的内导体，一个环绕该导体的内半导电层，一个环绕该半导电层的固体绝缘层，和一个环绕该绝缘层的外半导电层。这样的电缆是柔性的，这一点在这里是重要的特性，因为根据本发明的布置的技术主要基于绕组系统，其中绕组由组装期间被弯曲的电缆形成。XLPE电缆的柔性通常对应于30mm直径的电缆约20cm的曲率半径，以及80mm直径的电缆约65cm的曲率半径。在本应用中，术语“柔性”用来指绕组可弯曲到电缆直径的约四倍，优选地为电缆直径的八到十二倍的曲率半径。
绕组应该保持其特性，即使当它被弯曲时，或当它在操作期间经受热应力或机械应力时。在这里各层相互之间保持它们的粘附极端重要。层的材料特性在这里是决定性的，特别是它们的弹性和相对热膨胀系数。例如，在XLPE电缆中，绝缘层由交联低密度聚乙烯构成，而半导电层由其中混合碳黑和金属微粒的聚乙烯构成。由温度波动所引起的体积变化完全作为电缆半径变化被吸收，并且由于相对这些材料的弹性，层中热膨胀系数之间有比较微小的差别，所以径向膨胀能在不失去层间粘附的情况下发生。
上述材料组合应该认为只是作为例子。实现规定条件及半导电条件的其他组合自然也属于本发明的范围，半导电即具有10-1-106ohm-cm范围之内，例如1-500ohm-cm或10-200ohm-cm的电阻率。
绝缘层例如可以由固体热塑材料、交联材料或橡胶构成，固体热塑材料例如有低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、聚丁烯(PB)、聚甲基戊烯(“TXP”)，交联材料例如有交联聚乙烯(XLPE)，橡胶例如有乙烯丙烯橡胶(EPR)或硅橡胶。
内和外半导电层可以为相同的基本材料，但是其中混合导电材料的微粒，例如碳黑和金属粉末。
这些材料的机械特性，特别是它们的热膨胀系数，相对来说很少受到是否混合碳黑或金属粉末的影响，这些材料至少以实现根据本发明所需的导电率而要求的比例混合碳黑或金属粉末。因此绝缘层和半导电层具有大致相同的热膨胀系数。
乙烯-醋酸乙烯酯共聚物/丁腈橡胶(EVA/NBR)、丁基接枝聚乙烯、乙烯-丁基丙烯酸酯共聚物(EBA)和乙烯-乙基丙烯酸酯共聚物(EEA)也可以构成半导电层的适当聚合物。
即使当用不同类型的材料作为各种层的基础时，也希望它们的热膨胀系数大致相同。这是组合以上所列材料的情况。
以上所列材料具有相对优良的弹性，具有E＜500MPa，优选地＜200Mpa的E模量。该弹性足以使层中材料的热膨胀系数之间的任何微小差别在弹性的径向得到吸收，以便无破裂或任何其他损坏出现，以及层相互之间不脱开。层中的材料具有弹性，并且层之间的粘附至少和材料中最弱处具有相同强度。
两个半导电层的导电率足以使沿各层的电位大致相等。外半导电层的导电率足够高，以使电场封闭在电缆之内，但是又足够低，以不会在层的纵向由于感应电流而引起相当大的损耗。
因此，两个半导电层各自实质上构成一个等电位表面，并且这些层将大致上使电场封闭在它们之间。
当然，不妨碍在绝缘层中安排一个或多个其他半导电层。
在图1中，说明绝缘导体或电缆，它实现了三层，以便这些层即使在电缆弯曲时也相互粘附。所示电缆是柔性的，并且这个特性在电缆的整个寿命期间得到保持。
图2以轴向断面表示根据本发明的旋转高压电机的第一实施例，在这种情况下取水力发电机的形式。转子幅条8附在涡轮机轴6上，涡轮机轴6在这种情况下轴颈支承在单导引轴承7中。这些幅条支持具有其激励绕组10的转子9。定子11从下面支持在固定底座12上，并且定子绕组13的线圈端14从定子11突出。
因此，与较早提出的高压电机比较，定子和转子在空气间隙15的各侧交换了位置。这意味着供定子绕组13用的槽深16将较小，而且对于给定的空气间隙直径17，定子叠层数将很少。
18表示转子9的制动器，安排在固定底座12上，与转子摩擦啮合。图2中箭头表示通过定子11的冷空气流。
转子上的磁极21是明显的，并且由于它们安排在转子9的内侧，对着定子11，所以转子环能以高速运转，对于其强度无危险问题，否则在较高速记录器下可能为这种情况。
图3至图5表示根据本发明的电机的三个其他实施例，它们作为水力发电机设计。这些图揭示了以不同成功度利用发电机坑22的各种方式。图3表示定子11悬挂在固定梁19上，而转子9由安排在定子之下的幅条8支持。然而，在这种情况下，轴8要求两个导引轴承7和20。
图4表示电机的一个实施例，如图3所示，其中转子幅条8安排在定子1之下。发电机坑22得到较好地利用，并且总高度较小，因为幅条8稍微向上倾斜。然而，仍然要求两个导引轴承7和20。
图5表示一个甚至更压缩的实施例，使幅条8更进一步倾斜。该电机因此压缩到这样程度，以至一个导引轴承7足够。
转子9和定子11可以这样定尺寸，以便在额定电压、额定功率因数和过激操作下，同时近似超过基于热的定子电流极限和转子电流极限。然而，它们也可以这样定尺寸，以便在额定电压、额定功率因数和过激操作下，在超过基于热的转子电流极限之前，超过基于热的定子极限。在额定电压、额定功率因数和过激操作下，电机优选地具有两小时100％过负荷容量。横轴同步电抗适当地显著小于直轴同步电抗。电机适当地备有激励系统，能够起动负激励和正激励。
电机中定子绕组相优选地Y连接。定子绕组的Y点于是能被绝缘，并且受到电涌分流器保护免受过电压。然而，定子绕组的Y点可以借助于一个三次谐波滤波器，即Y点与地之间的抑制滤波器接地。抑制滤波器可以这样设计，以便它大大减小或甚至消去流过电机的三次谐波电流，而同时这样定尺寸，以便即使系统中发生故障，也使电压和电流得到限制。利用与三次谐波滤波器并联连接的电涌分流器，可以保护三次谐波滤波器免受过电压。

Claims (7)

1.一种供高压用的具有磁路的旋转电机，其特征在于定子(11)和转子(9)，定子(11)的绕组包括高压电缆(1)，而转子(9)环绕定子(11)，电缆(1)包括柔性导体，柔性导体由固体绝缘环绕，而固体绝缘具有一个半导电特性的内层，一个绝缘部分，和一个半导电特性的外层。
2.如权利要求1所述的电机，其特征在于各层安排为即使当电缆弯曲时也相互粘附。
3.如权利要求1或2所述的电机，其特征在于转子(9)与电机轴(6)刚性地连接，以通过伸过定子(11)的幅条(17)输出或输入动能。
4.如权利要求3所述的电机，其特征在于定子(11)从下面支持在固定底座(12)上，以及在于转子(9)由从电机轴(6)延伸于定子(11)之上的幅条(8)从上面支持。
5.如权利要求3所述的电机，其特征在于定子(11)由固定径向梁(19)从上面支持，以及在于转子(9)由从电机轴(6)延伸于定子(11)之下的幅条(8)从下面支持。
6.如权利要求4或5所述的电机，其特征在于转子的制动器(18)安排在固定底座(12)上，以与转子(9)摩擦啮合。
7.如权利要求1至6中任何一项所述的电机，其特征在于转子(9)具有明显的磁极(21)。
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