CN1279838A - 高压电机绕组用的绝缘导线 - Google Patents

Abstract

电机高压绕组用的绝缘导线(10)包括许多股(12),包围股(12)的第一半导体层(14),包围第一半导体层(14)的第一绝缘层(16),包围第一绝缘层(16)的第二半导体层(18)和包围第二半导体层(18)的第三半导体层(19)。第二半导体层(18)沿绝缘导线(30)在至少两个不同点接地。在第对接地点之间第三半导体层(19)的导电性中断(20)。

Description

高压电机绕组用的绝缘导线

技术领域

本发明在第一方面涉及旋转电机中以及也可能是变压器中的高压绕组用的绝缘导线。

本发明的第二方面涉及包括上述形式绝缘导线的旋转电机。

本发明的一个特别实用的用途是应用于发电站的发电机中用于发电。

本发明可应用于旋转电机如同步电机中。如果它们的绕组由本发明的绝缘导线组成，并且最好处于高压，本发明就还可应用于其它电机如双端馈电的电机中，以及应用于异步静态电流格栅(cascade)、外部电极电机和同步流电机中。“高压”在这里指超过10千伏的电压，特别是超过36千伏的电压，最好是超过72．5千伏一直到非常高的电压如400千伏到800千伏或更高的电压。

背景技术：

为能够解释和描述该电机，首先以同步电机为例简要描述旋转电机。描述的第一部分主要涉及这种电机的磁路以及根据传统技术电机是如何构造的。由于所提及的磁路在大多数情况下位于定子中，所以在下面磁路通常被描述为带有叠片铁心的定子，其绕组被称为定子绕组，在叠片铁心中供绕组使用的槽被称为定子槽或简称为槽。

定子绕组位于薄板铁心内的槽中，槽通常具有矩形或梯形横截面。每个绕组相包括许多串联的线圈组，每个线圈组包括许多串联的线圈。位于定子内的线圈部分称为线圈边，位于定子外的线圈部分称为绕组端部。线圈包括在高度和／或宽度上集合在一起的一根或多根导线。

每根导线之间具有薄的绝缘材料，例如环氧／玻璃纤维。

通过线圈绝缘材料，即用于承受电机对地额定电压的绝缘材料使线圈与槽绝缘。作为绝缘材料，可以使用各种塑料、清漆和玻璃纤维材料。通常，使用所谓的云母带，云母带是云母与硬塑料的混合物，特别制造以提供抗局部放电作用，局部放电可迅速破坏绝缘材料。通过围绕线圈缠绕几层云母带来将绝缘材料施加在线圈上。绝缘材料被浸渍，然后用石墨基油漆涂抹线圈边以改善与周围定子的接触，定子与地电势相连。

绕组的导线面积由被考虑的电流强度和使用的冷却方法决定。导线和线圈通常形成为矩形，以使槽内的导线材料量最大。典型的线圈是由所谓的Roebel杆构成，其中某些杆可做成中空的以供冷却剂用。Roebel杆包括许多矩形的、平行连接的铜导线，这些导线沿槽交叉360°。也可使用交叉540°或其它交叉的Ringland杆。从磁场观点来看，进行交叉以避免出现环行电流，环行电流产生于导线材料的横截面中。

由于机械和电气方面的原因，电机不能随便做成任何尺寸。电机动力主要由三个因素决定：

—绕组的导线面积。在正常操作温度下，例如铜具有的最大值为3－3．5安／平方毫米。

－定子和转子材料中的最大磁通密度(磁通)。

－绝缘材料中的最大电场强度，所谓的绝缘强度。

多相交流绕组设计成单层或双层绕组。在单层绕组情况下，每个槽只有一个线圈边，在双层绕组情况下，每个槽有两个线圈边。双层绕组通常设计成菱形绕组，而在该连接中有关的单层绕组可设计为菱形绕组或同心绕组。在菱形绕组情况下，只有一个线圈跨距(或者也可能出现两个线圈跨距)，而平面绕组设计为同心绕组，即带有变化很大的线圈跨距。线圈跨距的意思是属于同一线圈的两个线圈边之间的圆周距离，或者表示为与有关极距的关系或者表示为中间槽距的倍数。通常，使用不同的调谐变量(variants of chording)，例如短节距节距，以给予绕组理想的特性。

绕组的形式主要决定槽内的线圈，即线圈边在定子外部，即在绕组端部是如何连接在一起的。

在定子的叠放薄板外部，线圈不带有涂抹的半导体地电势层。末端的绕组端部通常备有所谓的防电晕清漆形式的电场控制，用于将径向场转换成轴向场，这意味着在末端的绕组端部的绝缘发生在相对地面的高电势。这有时会在绕组端部区域产生电晕，这可能是具有破坏性的。对于旋转电机，位于绕组端部的所谓的场控制点会产生问题。

通常，所有的大型电机都设计为带有双层绕组和同样大的线圈。每个线圈的一个边位于一个层内，另一个边位于另一个层内。这意味着所有的线圈在绕组端部相互交叉。如果使用了两个以上的层，则这些交叉就会给缠绕工作造成困难并且损坏绕组端部。

公知的是，同步电机／发电机与电力网的连接必须通过AE／YD连接的所谓的升压变压器实现，因为电力网的电压通常处于比旋转电机的电压高的水平。从而该变压器与同步电机一起构成电站的组成部分。变压器构成了额外的成本并且具有这样的缺点，即系统的整体效率下降。如果能够制造电压相当高的电机，则可省去升压变压器。

在过去的几十年中，对具有比以前可设计的高的额定电压的旋转电机的需要逐渐增加。根据技术现状，对于在线圈生产中产量较好的同步电机可获得的最大电压水平约为25－30千伏。

对于有关同步电机设计的新方法的某些尝试尤其描述在J．Elektrotechnika，No．1，1970，pp．6－8中的题目为“Water－and－oil－cooled Turbogenerator TVM－300”文章中，在US4，429，244“Statorof Generator”中和在苏联专利No．955369中。

在J．Elektrotechnika中描述的水和油冷却的同步电机用于一直到20千伏的电压。该文章描述了由油／纸绝缘材料组成的新型绝缘系统，其使得能够将定子完全浸入在油中。然后油同时可用作冷却剂和绝缘体。为防止定子中的油向转子泄漏，在铁心的内表面备有绝缘的油分离环。定子绕组用备有油和纸绝缘材料的椭圆中空形导线制造。通过楔块将线圈边及其绝缘材料固定在矩形横截面的槽内。作为冷却剂的油应用在中空导线中和定子壁内的孔中。但是，这种冷却系统在线圈端部需要大量的油和电连接。厚绝缘材料需要增大导线的曲率半径，这又导致绕组伸出部的尺寸增加。

上述美国专利涉及同步电机的定子部分，该定子部分包括层叠薄板组成的磁心，磁心带有供定子绕组用的梯形槽。槽逐渐减小，因为在靠近转子内部的地方对定子绕组绝缘材料的需要较少，最靠近中性点的绕组部分位于该处。此外，在最靠近磁心内表面的地方，定子部分包括绝缘的油分离圆柱体。与不具有该环的电机相比，该部分可增加磁化要求。定子绕组用油浸的电缆制造，每个线圈层具有相同的直径。这些层通过槽内的间隔物相互分开并通过楔块固定。该绕组的特殊之处是其包括串联的两个所谓半绕组。两个半绕组之一位于绝缘套管内部的中心位置。定子绕组的导线通过周围的油冷却。系统中具有如此多油的缺点是会有泄漏的危险以及可能由故障状态导致的相当多的清洗工作。位于槽外部的绝缘套管部分具有圆柱形件和用载流层增强的圆锥形终端，其目的是控制在电缆进入端部绕组的区域内的电场强度。

从苏联955369中清楚地看到，在另一个提高同步电机额定电压的尝试中，油冷却的定子绕组包括传统的高压电缆，所有的层具有相同的尺寸。电缆位于定子槽内，定子槽构成与电线横截面面积对应的圆形径向定位的开口和供目定和冷却剂用的必要空间。绕组的不同径向定位层由绝缘管包围并固定在绝缘管内。绝缘间隔物将绝缘管固定在定子槽内。因为油冷却，所以这里还需要内绝缘环以密封油冷却剂，防止其进入内部气隙。上述系统中油的缺点也适用这种设计。该设计在不同定子槽之间的径向腰部非常窄，这意味着大的槽泄漏通量，这会显著影响电机的磁化要求。

1984年的E1ectric Power Research Institute，EPRI，EL－3391的报告描述了对用于获得较高电压旋转电机的电机概念的回顾，其目的是能够将电机连接到电力网上，而不使用中间的变压器。该研究认为这种解决方案能够提供良好的效率增加和巨大的经济优点。在1984年的报告中认为可以开始开发用于直接连接在电力网上的发电机的主要原因是当时已经生产出了超导转子。超导场的大磁化能力使得能够使用具有足够绝缘厚度的气隙绕组以承受电应力。根据该计划，通过组合设计带绕组磁路的最有前途的概念，即所谓的单块鼓形电枢，也就是这样一个概念，其中绕组包括同心封闭在三个圆柱形绝缘壳体内的两个导线圆柱体，并且整个结构固定在无齿的铁芯上，认为用于高压的旋转电机可以直接连接到电力网上。该解决方案意味着，主绝缘体必须做得足够厚以克服网到网和网到地的电势。在回顾了当时已知的所有技术后，被认为是实现增加到较高电压所必需的绝缘系统是通常用于电力变压器的并且由绝缘流体浸渍的纤维素压制板组成。对于提出的解决方案，除需要超导转子外，明显的缺点是其需要非常厚的绝缘材料，这会增加电机的尺寸。端部绕组必须绝缘并用油或氟利昂冷却以控制端部中的大电场。整体电机必须密封以防止液态绝缘体从大气中吸收潮气。

JP－A－8－195129描述了一种高压电缆，特别是长超高压CV电缆，其具有两个外部半导体层，其中内层的电阻率比外层的高。但是，由于该电线的外金属屏，其根本不合适应用于旋转电机或变压器中并且是危险的。

更通常地说，公知的是用于传输电能的高压电缆由导线组成，导线带有固体挤压的绝缘体，绝缘体带有内外半导体部分。在传输电能的过程中，需要绝缘体没有缺陷。在电能的传输过程中，开始点很早就要求绝缘体没有缺陷。当利用高压电缆传输电能时，目的不是要使穿过电缆的电流最大，因为对于传输电缆来说，在空间上不存在限制。

当制造根据现有技术的旋转电机时，绕组是用导线和绝缘系统经过几个步骤制造的，其中绕组必须在安装到磁路上之前完成。在将绕组安装到磁路上之后，进行浸渍以制备绝缘系统。

为提高旋转电机的动力，公知的是增加交流线圈中的电流。这是通过使导电材料数量最佳化，即通过在矩形转子槽内紧密塞装导线来实现的。其目的是通过增加绝缘材料的数量和使用更耐高温从而更昂贵的绝缘材料来应会由此产生的温度上升。高温和对绝缘体的场载荷还对绝缘体的寿命产生影响。在用于高压设备的壁较厚的绝缘层中，例如浸渍的云母带层，局部放电，PD，构造严重的问题。当制造这些绝缘层时，很容易出现空穴、孔及类似物，其中当绝缘全受到高电场强度时就会产生内部电晕放电。这些电晕放电使材料逐渐退化，并可导致穿过绝缘体的电击穿。

发明综述：

本发明的一个目的是能够制造用于高压的旋转电机，而不用对绕组进行任何的复杂操作并且在安装完绕组后无需浸渍绝缘系统。

本发明是基于这样的认识的，即为能够以技术上和经济上可行的方式增加旋转电机的动力，必须保证绝缘体不会被上述现象破坏。这可通过利用以使产生空穴和孔的危险最小的方法制造的层作为绝缘体来实现，例如适当固体绝缘材料的挤压层，如热塑树脂、交联热塑树脂、橡胶如硅橡胶，等等。此外，重要的是绝缘层包括具有半导体特性的包围导线的内层，而且绝缘体还备有至少一个具有半导体特性的包围绝缘体的附加外层。在该上下文中“有半导体特性”是指这样的材料，即其所具有的导电性比电导体低得多，但其导电性没有低到使其成为绝缘体。通过只使用可能制造得只有最小缺陷的绝缘层并且还为绝缘体提供内外半导体层，可以保证热和电负荷降低。带有至少一个邻接半导体层的绝缘部分应具有基本相同的热膨胀系数。在温度梯度上，不应产生由绝缘体和包围层内的不同温度膨胀造成的缺陷。由于绝缘体周围的半导体层构成等电势表面并且绝缘部分内的电场在绝缘体厚度上比较均匀地分布，所以作用在材料上的电负荷下降。外半导体层可连接在选定的电势上，例如地电势。对于这种电缆，这意味着绕组的外壳在其整个长度上可保持在例如地电势。还可沿导线长度在适当位置切断外层，并且每个被切断的局部长度可直接连接到选定的电势上。

本发明提供了如权利要求1中限定的供旋转电机高压绕组用的绝缘导线和包括这种绝缘导线的旋转电机。根据本发明的高压电线由被第一半导体层包围的一股或多股组成。该第一半导体层又被第一绝缘层包围，该第一绝缘层被第二和第三半导体层包围。第二半导体层的电阻率比第三半导体层高，第三半导体层沿高压电缆在至少两个不同点接地。位于定子槽内的电缆部分应与定子的钢电绝缘。在沿高压电缆的每对接地点之间，第三半导体层内的电接触连续性中断。在第三半导体层内的每个这种中断处可以布置装置以减少在所述中断处的电场强度放大。

由于根据本发明的高压电缆，外半导体层内的感应电压不会造成任何热损失。获得了其中的电击穿危险最小的高压电缆。当在第三半导体层中形成中断处时，避免了任何切割至绝缘层的危险，第二半导体层保持基本完整。

关于本发明获得的其它知识是增加的电流负荷会在线圈横截面的转角处导致与电场集中有关的问题，并且这会使该处的导线承受大的局部负荷。同样，在定子齿内的磁场在转角处也会集中。此外，由于导线相对磁场的几何结构，导线内的感应涡流会造成感应涡流损失，这会产生增加电流密度的额外缺点。对本发明的进一步改进是通过将线圈和其中布置有线圈的槽做成基本圆形，而不是矩形。通过将线圈的横截面做成圆形，它们将被没有磁场集中的恒定磁场包围，在磁场集中处会出现磁饱和。而且线圈中的电场在横截面上也将均匀分布，并且作用在绝缘体上的局部负荷也大大减小。此外，更容易以这样的方式将圆形线圈放置到槽内，即使得可增加每个线圈组的线圈边数量，并且在不必增加导线内电流的情况下可提高电压。其原因是一方面通过较低的电流密度和因而横穿绝缘体的较低温度梯度促进了导线的冷却，另一方面通过在横截面上产生更均匀的温度分布的槽的圆形形状促进了导线的冷却。其它的改进还可通过用许多较小的部分，所谓的股来组成导线来实现。这些股可相互绝缘，并且只保留少数股不绝缘并与内半导体层接触，以保证内半导体层与导线处于相同的电势。

使用根据本发明的旋转电机的一个优点是，与这种电机中承受的通常情况相比，本发明电机可以过载操作更长的时间而不会损坏。这是由于电机的组成和绝缘体的有限热负荷。例如，可使电机过载达100％地运行15分钟以上和一直到两个小时。

根据本发明的一个实施例是，旋转电机的磁路包括带有一个或多个挤压绝缘导线的螺纹电缆绕组，电缆具有固体绝缘体，导线和壳体上都有半导体层。外半导体层可连接在地电势上。为能够应付在旋转电机直接连接到所有形式的高压电力网上时出现的问题，根据本发明的电机具有使其与现有技术区别开的许多特征。

如上所述，用于旋转电机的绕组可用带有一个或多个挤压绝缘导线的电缆制造，电缆带有固体绝缘体，导线和壳体上都有半导体层。固体绝缘体的某些实例包括交联聚乙烯(XLPE)和乙烯丙烯橡胶。由许多股组成的导线的进一步发展可能在于，可以使这些股彼此绝缘以减少导线贩的涡流损失量。可以保留一股或几股不绝缘以保证包围导线的半导体层与导线处于相同的电势。

可以通过除挤压以外的其它方式施加旋转电机用导线的绝缘体，例如通过喷射等。但是重要的是，在整个横截面上绝缘体应没有缺陷并具有类似的热特性。可向半导体层提供与施加给导线的绝缘体相连的绝缘体。

有利的是，使用具有圆形横截面的电缆。尤其是，为获得较好的塞装密度，使用具有不同横截面的电缆。为在旋转电机内增大电压，电缆在磁心的槽内布置成几个连续的圈。绕组可设计为多层同心电缆绕组以减少端部—绕组—端部交叉。可以用逐渐减小的绝缘体制造电线以更好地利用磁心，在这种情况下可以根据绕组的逐渐减小的绝缘体来改变槽的形状。

根据本发明的旋转电机的一个明显的优点在于，在外半导体外部的绕组端部区域电场接近零，并且由于外壳体处于地电势而无需控制电场。这意味着无论是在薄板内、在绕组端部区域还是在其间的过渡区域，都没有场集中。

通过将电缆穿入到磁心槽内的开口中来将根据本发明的绕组放置到槽内。由于电缆是弹性的，所以其可被弯曲，而且这允许将电缆长度放置到线圈内的几个圈中。因而绕组端部将由电缆内的弯曲区域组成。电缆还可以这种方式连接，即使其特性在整个电线长度上保持不变。与现有技术相比，这种方法实现了重大简化。所谓的Roebel杆不能弯曲，而是必须做成理想的形状。目前在制造旋转电机时，线圈的浸渍也是极其复杂和昂贵的技术。

通过参考附图，在下面对优选实施例的描述中更详细地解释本发明。

附图简要描述：

图1所示为高压电缆的横截面；

图2为第三半导体层内具有中断处的高压电缆的侧视图。

本发明优选实施例详细描述：

图1所示为高压电缆10的横截面视图，电缆10与传统上用于传输电力的电缆类似。所述高压电缆10可与JP－A－8－195129(145千伏)中所示的类似，但不带护套或屏。高压电缆10由导电体组成，导电体由例如圆形横截面的一股或多股铜(Cu)线12组成。这些股12布置在高压电缆10的中间。包围股12的是第一半导体层14，包围第一半导体层14的是第一绝缘层16，例如XLPE绝缘体。包围第一绝缘层16的是第二半导体层18，第二半导体层18的外面是第三半导体层19，第三半导体层19的电阻率比第二半导体层低。半导体层14、18、19都是用填充碳黑的基础聚合体形成的，如乙烯醋酸乙烯酯共聚物／乙烯醋酸乙烯酯丁腈橡胶，丁基接枝聚乙烯，乙烯丙烯酸乙酯共聚物，乙烯丙烯橡胶和高密度或低密度的聚乙烯。

图2所示为在第三半导体层19中带有中断处的高压电缆一部分的侧视图。如图2中所示，围绕高压电缆10以细长环去除了第三半导体层19以形成中断处20。因此在中断处20中暴露出第二半导体层18。中断处20的轴向长度1为5到30厘米。在两个接地点之间的第三半导体层19内电接触连续性的中断保证只流过有限的电流，从而感应电压基本上不会产生热损失。

我们的国际专利申请No．WO97／45918描述了这样一种电缆，其中只是不存在第三半导体层19并且中断处形成在第二半导体层18上。在该先前发明中，第二半导体层18内的所有中断都会在中断处边缘造成电场强度增加。电场强度在凹槽的边缘急剧增加，这令人遗憾地增加了电击穿的危险。所示的本发明实施例减轻了该缺点，因为在中断处20下面的区域某些电流仍可流过第二半导体层18。

根据图1的高压电缆10包括由一股或多股12组成的导电体、第一半导体层14、第一绝缘层16、第二半导体层18和第三半导体层19，该电缆10可通过用适当的模具进行挤压加工来生产。第三半导体层19沿高压电缆至少在两个不同点接地。下一步是在每个接地点之间在第三半导体层19的电接触连续性中形成中断处20。如果沿高压电缆有N个接地点，则在半导体层19中将会有N－1个中断处20。

根据本发明的导电体的电绝缘体是为了能够处理非常高的电压，例如800千伏或更高的电压，以及在这些电压可能产生的电负荷和热负荷。例如，根据本发明的导电体可以构成额定功率从几百千伏安到大于1000千伏安、额定电压从3－4千伏到400－800千伏或更高的非常高的传输电压的电力变压器的绕组。在高操作电压，局部放电，或PD，对已知的绝缘系统会造成严重的问题。如果绝缘体中存在空穴或孔，则可能出现内部电晕放电，从而绝缘材料会逐渐退化，最终导致绝缘体被击穿。在根据本发明的导电体的使用中，通过保证绝缘系统半导体材料的内层和其所包围的中心导电装置的导线处于基本相同的电势并且半导体外层处于受控电势例如地电势来减少作用在电绝缘体上的电负荷。因此，内外层之间的电绝缘层内的电场在中间层厚度上基本均匀地分布。通过使用具有类似热特性并且在绝缘系统的这些层内只有少数缺陷的材料，减少了在一定的操作电压下发生局部放电的可能性。因此，该导电体可设计为承受非常高的操作电压，通常可达800千伏或更高。

本发明不局限于所示的实施例。在后附权利要求范围内可以进行各种变化。

Claims (9)

1、电机中高压绕组用的绝缘导线(10)，其特征在于，绝缘导线包括一股或多股(12)；包围股(12)的内部第一半导体层(14)；包围内部第一半导体层(14)的第一绝缘层(16)；包围第一绝缘层(16)的第二半导体层(18)；包围第二半导体层(18)的外部第三半导体层(19)，其中第三半导体层(19)沿绝缘导线在至少两个不同点接地，在两个连续的接地点之间第三半导体层(19)中的电接触连续性被中断(20)。

2、根据权利要求1中所述的绝缘导线(10)，其特征在于，第三半导体层(19)中的电接触连续性是这样中断的，即围绕绝缘导线(30)的周边去除第三半导体层(19)，一直达到第二半导体层(18)，使得第三半导体层(19)的侧面形成中断(20)。

3、根据权利要求2中所述的绝缘导线，其特征在于，每个中断(20)的轴向长度为5到30厘米。

4、根据前述权利要求中任一项所述的导线，其特征在于，绝缘层和半导体层是为高压设计的，适宜的是超过10千伏，特别是超过36千伏，更可取的是超过72．5千伏一直到非常高的传输电压，如400千伏到800千伏或更高。

5、根据前述权利要求中任一项所述的导线，其特征在于，绝缘层和半导体层是为超过0．5兆伏安，更可取的是超过30兆伏安一直到1000兆伏安的功率范围设计的。

6、包括根据权利要求1至5的任一项所述的绝缘导线(10)的电机。

7、根据权利要求6中所述的旋转电机。

8、根据权利要求6中所述的大型发电机。

9、根据权利要求7或8中所述的电机，其特征在于，在定子槽内第三半导体层(19)与定子电绝缘，对于电缆穿过的每个定子槽，第三半导体层(19)在伸出部都具有至少一个中断和一个接地点。

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