CN1272241A - 旋转电机 - Google Patents

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Abstract

一种带有旋转场电路的类型的旋转电机,是用来直接连接到一个配电或输电网上。电机的至少一个电气绕组包括至少一个导电体、一个围绕着该导体具有半导体性能的第一层、一个围绕着第一层的固体绝缘层、及一个围绕着该绝缘层具有半导体性能的第二层。一个检测电路(16)也布置成检测在旋转场电路中的接地故障。还描述了在这样一种电机中监视场绕组对地电阻和确定转子温度的方法。

Description

旋转电机
本发明涉及一种带有旋转场电路的类型的旋转电机，该电机是用来直接连接到配电或输电网上。本发明也涉及监视场绕组对地电阻和确定转子温度的方法。
根据本发明的旋转电机例如可以是同步电机、双路馈电电机、异步静态换流器级联、外极电机或同步流电机。
为了把这种类型的电机连接到配电或输电网上，在随后所谓的电力网中，以前一直使用变压器把电压升高到电网级，即130-400kV的范围。
由Paul R.Siedler在标题为“由绝缘研究产生的36kV发电机”的文章中，Electrical World(电气世界)，1932年10月15日，第524-427页，描述了具有高达36kV额定电压的发电机。这些发电机包括其中把绝缘物划分成具有不同介电常数各种层的高压电缆绕组。使用的绝缘材料包括三种成分云母-箔-云母、漆和纸的各种组合。
现在已经发现，通过用带有与用于输电的电缆相似的类型的固体绝缘物的绝缘高压导电体制造介绍中描述的用于电机的绕组，能把电机电压增大到这样的级，从而电机能直接连接到任何电力网上，而不用中间变压器。对于这些电机的典型工作范围是30至300kV。
而且，例如在基于用于同步电机激励的无刷激励器的系统方案中，对于接地故障通常不监视同步电机的转子绕组。
本发明的目的在于提供这样一种用来直接连接到电力网上的旋转电机，具有检测在旋转场电路中的接地故障的能力。
该目的借助于在引言部分中描述类型的、其特征在于在权利要求1中定义的特性的一种旋转电机实现。
在本发明中使用的绝缘导体或高压电缆是可弯曲的，并且具有在WO 97/45919和WO 97/45847中更详细描述的类型。在WO97/45918、WO97/45930和WO97/45931中进一步描述了绝缘导体或电缆。
因而，在根据本发明的装置中，绕组最好具有与带有固体、挤压绝缘物的电缆相对应的类型，象现在用于配电的那些，例如XPLE电缆或带有EPR绝缘物的电缆。这样一种电缆包括：由一股或多股部分组成的一个内导体、一个围绕着该导体的内半导体层、一个围绕着该内半导体层的固体绝缘层、及一个围绕着该绝缘层的外半导体层。这样的电缆是可弯曲的，这在该上下文中是一种重要的性质，因为用于根据本发明的电机的技术，主要基于其中绕组由在装配期间挠曲的导体形成的绕组系统。XPLE电缆的柔性通常对于直径30毫米的电缆对应于约20厘米的弯曲半径，而对于直径80毫米的电缆，弯曲半径约为65厘米。在本申请中，术语“可弯曲”用来指示对低到四倍电缆直径量级，最好是电缆直径的八至十二倍，的弯曲半径而可弯曲的绕组。
绕组应该建造成能保持其性质，即使当它弯曲时和在工作期间受到热或机械应力时也是如此。在该上下文中重要的是诸层保持其彼此粘结。诸层的材料性质，特别是其弹性和相对热膨胀系数，在这里是决定性的。在XPLE电缆中，例如，绝缘层包括交联、低密度聚乙烯，而诸半导体层由有碳黑和金属颗粒混合在其中的聚乙烯组成。作为温度波动结果的体积变化，作为电缆半径的变化被完全吸收，并且由于在诸层中热膨胀系数相对于这些材料的弹性有比较轻微的差别，所以能发生径向膨胀而不失去诸层之间的粘结。
上述材料组合应该仅作为例子考虑。其他实现规定条件、还有作为半导体的条件，即具有在10-1-106欧姆-厘米，例如1-500欧姆-厘米、或10-200欧姆-厘米范围内的电阻率，的组合自然也落入本发明的范围内。
例如，绝缘层可以由如下材料组成，诸如低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、聚丁烯(PB)、聚甲基戊烯(PMP)之类的固体热塑性材料，诸如交联聚乙烯(XLPE或PEX)之类的交联材料，或诸如二元乙丙橡胶(EPR)或硅橡胶之类的橡胶。
内和外半导体层可以具有相同的基础材料，但带有诸如混合在其中的碳黑或金属粉末之类的导电材料颗粒。
这些材料的机械性质，特别是其热膨胀系数，受碳黑或金属粉末是否混合在其中的影响较小-至少在要求的比例下是如此，以实现根据本发明必需的导电性。绝缘层和半导体层因而具有基本相同的热膨胀系数。
乙烯乙酸乙烯共聚物/腈橡胶、丁基接枝聚乙烯(butylymppolyethylene)、乙烯丙烯酸酯共聚物及乙烯丙烯酸乙酯共聚物也可以构成用于半导体层的适当聚合物。
即使当把不同类型材料用作各层中的基础时，也希望其热膨胀系数具有相同的数值量级。这是关于以上列出的材料组合的情形。
以上列出的材料具有较好的弹性，具有E＜500MPa的E模量，最好＜200MPa。该弹性对于诸层中材料的热膨胀系数之间的任何较小差值，足以在弹性的径向被吸收，从而不会出现裂纹、或其他损坏，并从而诸层不会彼此分离。诸层中的材料是弹性的，并且诸层之间的粘结力至少与材料最弱中的数值相同。
两个半导体层的导电性足以基本上使电位沿每层相等。外半导体层的导电性大得足以把电场包含在电缆内，而且同时低得足以不会由于层纵向感应的电流引起显著损耗。
因而，两个半导体层的每一个基本上构成一个等电位表面，并且带有这些层的绕组将基本包围其中的电场。
当然，没有东西能防止一个或多个辅助半导体层布置在绝缘层中。
根据按照本发明的电机的便利实施例，用来提供场电路的激励系统包括随场电路旋转的部分，并且用于接地故障的检测电路的部分布置在所述旋转部分中。检测电路包括：一个旋转注入电路，用来施加在经场绕组与地之间的阻抗闭合的一个测量电路上；一个注入电压和和一个测量单元，用来由注入电压测量在所述测量电路中产生的误差电流；整流器单元，布置成形成注入电压和误差电流的整流绝对值；也提供一个无线通信单元，把所述绝对值传送到用来监视场绕组对地电阻的一个静止计算单元。这意味着，只有两个过程信号，即用于注入电压和误差电流的整流绝对值，需要传送到静止部分以确定对地的电阻值。这导致在静止与旋转部分之间的极限信号接口，对无滑环传送有较少的要求。用于注入和测量的旋转单元的数量也受到限制。计算单元适当地包括一个用来实现要求计算算法的计算机设备。
根据按照本发明的电机的另一个便利实施例，其中激励系统从带有旋转定子侧的一个激励器供电，注入电路从激励器的旋转定子侧供电。然后能借助于计算机设备中的软件功能补偿电压波动。这些功能基于与RC电路中的移相和实与虚电流分量的计算有关的已知环境、及用于极限值确定的绝对值。
根据按照本发明的电机的又一个便利实施例，滤波器电路布置在所述测量电路中，以便滤除谐波和堵塞直流电压。用来滤除谐波的滤波器时间常数在该情况下对应于注入电压的周期时间，以便使谐波被有效的滤除。
根据按照本发明的电机的又一个便利实施例，换算电路布置在用于误差电流的所述绝对值与预定极限值相比较的一个比较器之前，该换算电路布置成在把误差电流供给到比较器之前，对于注入电压的变化来校正和补偿测量的误差电流。这是有意义的，因为注入电压随激励改变。
根据按照本发明的电机的另一个便利实施例，上述问题由从一个恒压源供电的注入电路解决。
根据按照本发明的电机的又一个便利实施例，一个静压源布置成经一个环形变压器向注入电路供电。这能使即使当转子静止时也能检测接地故障。
为了进一步解释本发明，现在参照附图将更详细地描述通过例子选择的本发明的实施例，在附图中
图1表示对在根据本发明的电机中的绕组使用的绝缘导体的横截面，
图2表示在根据本发明的旋转电机的一个实施例中带有用来检测场电路中的接地故障的电路、和带有用来确定转子温度的装置的激励系统的图，
图3-6表示在不同误差情况下用于包括在用于接地故障的检测电路中的测量电路的等效电路，及
图7表明用来校正和补偿测量信号的换算电路的一个实施例。
图1表示打算用在按照本发明的电机绕组的至少一个中的一种绝缘导体11的横截面。绝缘导体11因而包括多个例如由铜(Cu)制成的且具有圆形横截面的股35。这些股35布置在绝缘导体11的中部。围绕股35的是一个第一半导体层13。围绕第一半导体层13的是一个绝缘层37，例如XLPE绝缘物。围绕绝缘层37的是一个第二半导体层15。所述三层13、37、15是这样的，从而即使当绝缘导体挠曲时他们也彼此粘结。绝缘导体具有在20-250毫米间隔内的直径和在80-3000平方毫米间隔内的导电面积。
图2表示在带有图1中所示的绝缘导体的一个或多个绕组以能够直接连接到电力网上的旋转电机中激励系统的电路图。激励系统包括用来检测接地故障和用来计算转子温度的一个旋转注入和供电电路16和一个静止单元20。
激励系统因而包括一个装有一个旋转激励器G3的旋转部分1，旋转激励器G3从旋转定子侧向通过其直流侧连接到电机的场绕组14上的一个二极管或闸流管桥12供电。当检测场电路中的接地故障时为了使用也提供一个注入和测量电路16、和一个确定用于温度计算的场电压的测量装置18。旋转部分1也包括一个向旋转部分的电子设备供电的供电装置5，及还带有一个通信单元3。为了测量场电流IF还提供一个测量装置25。借助于通信单元3和一个静止通信单元4，实现在旋转部分1与静止设备20之间的无线通信。
借助于包括一个用于电压调节和电流隔离的变压器8的注入电路，测量电路经一个注入变压器9供有适当的电压U，所述电压因而从激励器G3的交流侧抽出。测量电路包括两个并联RC支路，并且经场绕组14对地的阻抗闭合。RC支路起限流和直流隔离的作用。
在测量电路中由注入电压U产生的电流I由一个检测电路22经一个测量变压器11检测，并且转换成一个在滤波器电路24中滤波和在整流器26中整流的相应电压信号。在整流器26的输出上得到的电压信号UI，因而代表用于测量电路中的电流I的基调的振幅值。
注入电压U也以类似的方式在滤波器电路28和整流器30中滤波和整流，在整流器的输出上得到一个电压信号UU，它代表用于注入电压U的基调的振幅值。
用于滤波器24、28的滤波器时间常数T与注入电压U和测量电流I的周期时间相对应，以高效地滤除所有谐波。
电压信号UU、UI由通信单元3、4传送到静止部分20，以便在计算单元17中由这些信号计算场绕组14对地的电阻。
计算单元17因而能够使场绕组14中的接地故障被监视，并且当场绕组14对地的电阻下降低于预定值时，启动警报。
Ri指示场绕组14对地的电阻，即在实际中对旋转部分的铁块的电阻，而Cj指示绕组14对地的电容。电阻Rj在理论上可以从无限大变到零。
图3表明一种如果Rj＝0，即场绕组14对地短路的“最坏”情形，用于测量电路的等效电路。使用对于电阻R、电容C和注入电压U的已知值能计算电路中的生成电流I1，并且按照结合下面图7描述的原理能确定适当的校正常数。电流I1的绝对值与传送到计算单元17的测量信号U1的值相对应，如结合图2在以上描述的那样。
在图3中等效电路右边的图表明由一个电阻性分量Ur和一个电容性分量Uc组成的注入电压U、和电流I1的数值和相位位置。
图4表示在无故障状态下，即对地接触电阻Rj＝∞时，一种相应的等效电流。使用对于注入电压U、电阻R和电容C的已知值，且测量电流I2，能确定绕组14对地的电容Cj。
如图3中所示，电路右边的图表示由一个与电流I2同相的电阻性分量Ur、和包括电容器C上的电压降Uc和在电容Cj上的电压降Uj的一个电容性分量组成的注入电压U，和电流I2的数值和相位位置。
图5表示在绕组14与地之间的电阻Rj的情况下，其中0＜Rj＜∞，即在图3和4中所示状态之间的一种状态下，的一种相应等效电路。如结合图2描述的那样，使用对于电阻R、电容C、接地电容Cj、注入电压U、及来自图3和4中所示情形的电流I1和I2的已知值，以及为对地接触电阻Rj预定的极限值，能计算用于对警报和启动的电流I3的不同极限值。
跨过每条包含与2C串联的2R的并联支路的阻抗Z1，因而是 Z 1 = R - J 1 wC
并且在绕组14与地之间的过渡阻抗Z2是 Z 2 = R j 1 + Jw R j C j
电流I3由下式得到
I3＝U/(Z1+Z2)
图5中电路右边的图以与图3和4中相对应的方式表明电压和电流的数值和相位位置。根据该图，显然电流I3与图4中的电流I2同相，并且包括通过过渡电容Cj的电流分量Icj和通过接触电阻Rj的电流分量Irj，后两个电流分量在图中彼此成直角，即相位移动90°。
图3和5表示在从激励器G3至场绕组的电源的直流侧有误差的情形，见图2。图6表示在整流器桥12的交流侧有故障的情形。在交流侧的故障的特征在于添加了额外的电源Uac，并且特征在于电流的绝对值由两个分量-由普通注入电压U引起的一个和由故障点对地电位值引起的一个组成，由电压Uac代表。因此，在交流侧有故障的情况下，误差电流的总绝对值将超过在图5中所示的情况下计算的极限值-常常超过适当裕量-导致警报被启动。
图6中右边的相应相位图与图5中的图相对应。
在注入电压U变化的情形下，必须通过换算补偿测量信号。另外，在比较器中用于警报启动或释放的预定极限值等必须改变，这会相当复杂。
图7表示包括在图2中计算单元17中的一个换算电路32、34。在该换算电路32、34中，代表电流I的绝对值的测量值UI通过把它乘以一个校正常数K1校正。借助于按照图3的测量程序能确定用于校正常数K1的适当数值。类似地，对于注入电压U变化的测量信号UU通过用一个补偿常数K2换算来补偿，其中在校正测量信号UI时K2＝UU。相对于注入电压U的变化校正和补偿的电流In，供给到一个比较器38，在该比较器中，把该电流In与用来启动警报、发出启动信号等的各种预定极限值Lim1、Lim2、Lim3相比较。
测量装置18测量场电压，而测量装置25测量场电流，并且相应测量信号UF和IF经无线通信单元3、4传送到在静止设备20中的一个单元40，以便由这些测量信号计算转子温度，见图2。在测量装置18中的滤波器42中，借助于一个与0.3倍的场绕组14的无负载时间常数相对应的时间常数T1，滤波场电压信号。当在网上没有使电机同步时，网具有与无负载时间常数相对应的时间常数，而如果把电机连接到网上，则该时间常数改变近似0.3的因数，这取决于网的电感。
单元40又可以连接到用于转子温度或警报的指示装置、例如或启动装置上，以根据用于转子温度的预定值启动这些装置。
当然在本发明的范围内，上述实施例的多种修改和变更是可能的。本发明因而适用于诸如静态激励器的静止方案，并且借助于一个环形变压器能把至注入单元的电源电压转换到旋转部分，从而当电机静止时也能检测接地故障。

Claims (27)

1.一种带有旋转场电路的类型的旋转电机，该电机是用来直接连接到一个配电或输电网上，该电机的特征在于：电机的至少一个电气绕组包括至少一个导电体、一个围绕着该导体具有半导体性能的第一层、一个围绕着第一层的固体绝缘层、及一个围绕着该绝缘层具有半导体性能的第二层，并且提供一个用来检测在旋转场电路中的接地故障的检测电路。
2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于：第一层的电位基本类似于导体的电位。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的电机，其特征在于：第二层布置成形成一个围绕导体的基本等电位表面。
4.根据权利要求3所述的电机，其特征在于：第二层连接到一个预定电位上。
5.根据权利要求4所述的电机，其特征在于：所述预定电位是地电位。
6.根据以上权利要求任一项所述的电机，其特征在于：电机绕组的至少两个相邻层具有基本上相同的热膨胀系数。
7.根据以上权利要求任一项所述的电机，其特征在于：导体包括多股，其至少一些彼此电气接触。
8.根据以上权利要求任一项所述的电机，其特征在于：所述三层的每一层基本上沿其整个接触表面牢固地接合到相邻层上。
9.根据以上权利要求任一项所述的电机，其特征在于：所述层布置成即使当绝缘导体挠曲时也彼此粘结。
10.一种带有旋转场电路的类型的旋转电机，该电机是用来直接连接到一个配电或输电网上，其特征在于：电机的至少一个绕组由一根电缆形成，该电缆包括一个或多个载流导体，每个导体有多股，一个内半导体层绕每个导体布置，一个固体绝缘材料的绝缘层绕所述内半导体层布置，及一个外半导体层绕绝缘层布置，并且一个检测电路布置成检测旋转场电路中的接地故障。
11.根据权利要求10所述的电机，其特征在于：所述电缆包括一个壳层。
12.根据以上权利要求任一项所述的电机，其特征在于：用来供电场电路的一个激励系统包括一个随场电路旋转的部分，并且用于所述检测电路的一个注入和测量单元布置在所述旋转部分中。
13.根据以上权利要求任一项所述的电机，其特征在于：检测电路包括：一个用来施加到经场绕组与地之间的阻抗闭合的测量电路上的注入电路、一个注入电压单元、及一个用来测量误差电流的测量单元，该误差电流在所述测量电路中由注入电压产生，并且整流器单元布置成形成注入电压和误差电流的整流绝对值，还提供一个无线通信单元，以把所述绝对值传送到用来监视场绕组对地电阻的一个静止计算单元。
14.根据权利要求13所述的电机，其中从一个带有旋转定子侧的激励器向激励系统供电，该电机的特征在于：注入电路从激励器的旋转定子侧供电。
15.根据权利要求13或权利要求14所述的电机，其特征在于：滤波器电路布置在所述测量电路中，以便滤除谐波和堵塞直流电压。
16.根据权利要求13-15任一项所述的电机，其特征在于：一个比较器布置成把误差电流的所述绝对值与预定极限值相比较，并且依据比较的结果启动警报。
17.根据权利要求16所述的电机，其特征在于：换算电路布置在比较器之前，以便在把误差电流供给到比较器之前对于注入电压的变化校正和补偿测量的误差电流。
18.根据以上权利要求任一项所述的电机，其特征在于：测量装置布置成测量场绕组的电压和电流，并且把这些值传送到一个用来计算转子温度的单元。
19.根据权利要求18所述的电机，其特征在于：用来计算转子温度的单元是静止的，并且能把对于场绕组的所述测量电压和电流值经无线通信单元传送到所述计算单元。
20.根据权利要求18或权利要求19所述的电机，其特征在于：把一个警报器连接到计算单元上，当温度超过一个预定极限值时，启动该警报器。
21.根据权利要求13所述的电机，其特征在于：把一个静止电压源布置成经一个环形变压器向注入电路供电。
22.根据权利要求13所述的电机，其特征在于：注入电路从一个恒压源供电。
23.一种用于带有旋转场电路的类型的旋转电机的方法，该电机是用来直接连接到一个配电或输电网上，其中电机的至少一个电气绕组包括至少一个导电体、一个围绕着该导体具有半导体性能的第一层、一个围绕着第一层的固体绝缘层、及一个围绕着该绝缘层具有半导体性能的第二层，该方法的特征在于：把一个注入电压供给到一个经场绕组与地之间的阻抗闭合的测量电路，并且测量在测量电路中的生成误差电流，由此形成注入电压和误差电流的整流绝对值，并且传送到用来监视场绕组对地电阻的一个计算单元。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于：滤除测量电路中的谐波。
25.根据权利要求23或权利要求24所述的方法，其特征在于：把误差电流的所述绝对值与预定极限值相比较，并且依据比较结果启动一个警报器。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于：在比较之前，对于注入电压的变化校正和补偿测量的误差电流。
27.一种用于带有旋转场电路的类型的旋转电机的方法，该电机是用来直接连接到一个配电或输电网上，其中电机的至少一个电气绕组包括至少一个导电体、一个围绕着该导体具有半导体性能的第一层、一个围绕着第一层的固体绝缘层、及一个围绕着该绝缘层具有半导体性能的第二层，该方法的特征在于：测量场绕组的电压和电流，并且由这些测量值计算转子温度。
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