CN211456845U

CN211456845U - 一种核能发电用汽轮发电机中的定子线棒绝缘结构

Info

Publication number: CN211456845U
Application number: CN202020173851.7U
Authority: CN
Inventors: 徐煜文; 艾萌萌; 刘金辉; 范金铭; 薛向峰
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2020-02-14
Filing date: 2020-02-14
Publication date: 2020-09-08
Anticipated expiration: 2030-02-14

Abstract

一种核能发电用汽轮发电机中的定子线棒绝缘结构，它属于电机冷却技术领域。以解决由于定子线棒散热能力差，导致的电机运行效率、线棒结构及整机可靠性低的问题。线径部分和线端部分绝缘层采用各侧面不等厚度的方式，绝缘层厚度按照温度梯度走向设计，使得发热较为严重的线径部分散热能力改善，同时绕组端面处，考虑到电机装配过程中存在由于机械磕碰所造成的绝缘损伤，设计的绝缘层的厚度分布使绕组具有一定的耐磨损能力，从而使电机运行过程中定子线棒的温升现象得到缓解，使得电机的工作效率得到提高，电机能更加可靠的运行，增加绝缘材料的使用寿命。本实用新型用于电机冷却技术领域。

Description

一种核能发电用汽轮发电机中的定子线棒绝缘结构

技术领域

本实用新型涉及一种核能发电用汽轮发电机中的定子线棒绝缘结构，属于电机冷却技术领域。

背景技术

核能发电用的高电压大容量汽轮发电机工作在高温环境中，发电机定子线棒的温升问题尤为显著。常用的解决办法是改变定子线棒周围绝缘材料的导热系数，定子线棒周围的绝缘材料一般为有机高分子聚合物和云母带、半导体涂层等无机材料。这些材料的导热系数不高，导热效果不明显。电机内温度较高时，其绝缘材料的电性能以及机械性能将会受到影响，导致电机的工作效率和工作可靠性降低，影响电机的使用寿命。

核能发电用汽轮发电机定子线棒的热量主要由定子线棒的线径部分产生，因此主要需要考虑线径部分的散热问题。同时定子线棒在安装过程中可能与定子槽之间存在碰撞或摩擦，由于线棒的左右和底面与定子槽接触面积大，而线棒顶端与定子槽接触较少，因此定子线棒的左右侧面和底面磨损较为严重。为了使定子线棒绝缘可靠，应该增加绝缘层的厚度。但是绝缘层厚度增加后，会占用定子槽过多空间，导致下线难度增加。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种核能发电用汽轮发电机中的定子线棒绝缘结构，以解决由于定子线棒散热能力差，导致的电机工作效率和工作可靠性低的问题。

本实用新型为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种核能发电用汽轮发电机中的定子线棒绝缘结构，所述定子线棒绝缘结构包括定子线棒和包绕在定子线棒外部的第一绝缘层、第二绝缘层、第三绝缘层，其中：

所述定子线棒分为线径和线端两个部分，线径和线端包括若干根互相平行排列的导体铜线，每根导体铜线互相绝缘；

在所述线径的外部，由内而外依次包覆有第一绝缘层和第二绝缘层；在所述线端的外部，由内而外依次包覆有第三绝缘层和第二绝缘层。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供了一种核能发电用汽轮发电机中的定子线棒绝缘结构，线径部分和线端部分绝缘层采用各侧面不等厚度的方式，使得发热较为严重的线径部分散热能力改善，同时还具有一定的耐磨损能力，从而使电机运行过程中定子线棒的温升现象得到缓解，使得电机的工作效率得到提高，电机能更加可靠的运行，增加绝缘材料的使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型所述的应用在核能发电汽轮发电机中的定子线棒绝缘结构截面示意图；

图2为汽轮发电机中定子线棒绝缘结构示意图；

图3为图2沿径向剖视图；

图4为图2中的AA处截面图，AA处导体铜线间利用聚酯粘带互相绝缘；

图5为图2中的BB处截面图，BB处导体铜线间利用聚酯粘带互相绝缘。

其中：1，线径部分；2、线端部分；3、第二绝缘层；4、第一绝缘层；5、第三绝缘层；6、导体铜线；7、第四绝缘层；8、定子槽。

具体实施方式

具体实施方式一、本实施方式所述的一种核能发电用汽轮发电机中的定子线棒绝缘结构，所述定子线棒绝缘结构包括定子线棒和包绕在定子线棒外部的第一绝缘层4、第二绝缘层3、第三绝缘层5，其中：

所述定子线棒分为线径1和线端2两个部分，线径1和线端2包括若干根互相平行排列的导体铜线6，每根导体铜线6互相绝缘；

在所述线径1的外部，由内而外依次包覆有第一绝缘层4和第二绝缘层3；在所述线端2的外部，由内而外依次包覆有第三绝缘层5和第二绝缘层3。

线径部分和线端部分绝缘层采用各侧面不等厚度的方式，绝缘层厚度按照温度梯度走向设计，使得发热较为严重的线径部分散热能力改善，同时绕组端面处，考虑到电机装配过程中存在由于机械磕碰所造成的绝缘损伤，设计的绝缘层的厚度分布使绕组具有一定的耐磨损能力，从而使电机运行过程中定子线棒的温升现象得到缓解，使得电机的工作效率得到提高，电机能更加可靠的运行，增加绝缘材料的使用寿命。

具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述导体铜线6外部包覆有第四绝缘层7，第四绝缘层7为聚酯粘带。

具体实施方式三、本实施方式与具体实施方式二不同的是：经过固化成型后，定子线棒四周顶角α倒为圆角。

经过固化成型后，定子线棒四周顶角倒为圆角，可以避免尖端放电现象，圆角曲率比直角曲率小，使表面放电现象缓解，能够起到保护绝缘层的作用。

具体实施方式四、本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述第一绝缘层4在线径每面的厚度不同，其中：两个侧面的厚度相同，且两个侧面比顶端面厚2-3mm，底端面比顶端面厚1-2mm。

本实施方式设置顶端面的厚度比侧面和底端面的厚度薄，保证顶端面的散热效果，以及侧面和底端面的抗磨损效果。

具体实施方式五、本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述第三绝缘层5在各侧面上的厚度与第一绝缘层4在各侧面上的厚度相同。

具体实施方式六、本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述第二绝缘层3在每个侧面上的厚度相同，且第二绝缘层3的厚度比第一绝缘层4的顶端面厚度薄0-0.5mm。

具体实施方式七、本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述第一绝缘层4的材料为云母带，所述第二绝缘层3的材料为芳纶纤维纸；

所述第三绝缘层(5)由裸铜线和云母带通过半叠绕的形式构成。

在本实用新型中，导体铜线是指定子线棒中通电导体，裸铜线是第三绝缘层的一部分。第一绝缘层为高导热云母带；

第二绝缘层为低介层：所述低介层是由具有防晕保护功能的低介电常数的材料构成，其中低介电常数的材料选择芳纶纤维纸；

第三绝缘层为等电位层：所述等电位层是由云母带和裸铜线混合而成，其中云母带选择与第一绝缘层相同的高导热云母带，其半叠绕在裸铜线和导体之间，与电磁线接触构成等电位层。

将第一绝缘层、第二绝缘层和第三绝缘层分别采用不同的材料进行设计，充分考虑了线径部分的散热和线端部分的绝缘，有效提升散热效果和绝缘效果，保证电机的工作效率和运行可靠性。

具体实施方式八、本实施方式与具体实施方式六不同的是：定子线棒工作时，所述第二绝缘层3的底端面和两个侧面置于定子槽8内部。

实施例

为了更加清楚明白的展示本实用新型的目的、技术方案和特点，以下结合附图，对本实用新型进一步详细说明。

如图1-5所示，一种核能发电用汽轮发电机中的定子线棒绝缘结构包括定子线棒和包绕在定子线棒外层的绝缘结构。所述定子线棒包括互相平行排列在绝缘结构内的导体电磁线，所述电磁线采用铜导线，并且每根电磁线互相绝缘，电磁股线经过固化成型后，四个顶角倒为圆角，所述定子线棒包括线径部分和线端部分，所述线棒绝缘结构包括高导热云母带包绕在定子线棒线径内层构成的第一绝缘层、由铜线和云母带通过半叠绕的形式构成的第三绝缘层、由相对介电常数较低的绝缘涂料构成的低介层附着在第一和第三绝缘层外形成的第二绝缘层，线径部分依次由第一绝缘层和第二绝缘层包绕，线端部分依次由第三绝缘层和第二绝缘层包绕。

本实例中第一绝缘层和第三绝缘层每个侧面的厚度不完全相同，第一绝缘层左右两侧面的比顶端厚2mm，底面比顶端厚1mm。绝缘层顶端厚度不小于1mm，第三绝缘层情况与第一绝缘层相同。第二绝缘层每个面的厚度均相同，且比第一、第三绝缘层顶端薄0.5mm。

本实用新型采用定子线棒绝缘层各面不完全等厚度的处理办法来解决定子线棒散热问题。由于热量主要有定子线棒的线径部分产生，因此用高导热云母带作为线径部分的主绝缘。并且定子线棒在安装过程中，线棒的左右侧面和底面易与定子槽发生摩擦，线棒所述的部位易发生磨损影响线棒的电性能。因此定子线棒绝缘层左右侧面的厚度以及底面的厚度要略厚于顶端绝缘层的厚度。本实例中线棒顶端高导热云母带的厚度不少于1mm，云母带左右侧面比顶端厚2mm，底端比顶端厚1mm。所述为第一绝缘层各侧面的厚度情况。本实例中第三绝缘层厚度情况与第一绝缘层相同。由于第二绝缘层分布在第一和第三绝缘层外侧，其作用为防电晕放电，因此第二绝缘各侧面厚度均相同，本例中第二绝缘层的各个侧面厚度为1mm。

本实例中采取所述绝缘结构后，定子线棒散热情况包括以下内容：单位时间内，线棒导体铜线向单位面积绝缘层释放的热流密度dq为：

本实例中只认为热量

沿绝缘层法线方向传出,设绝缘层法线方向为x轴,由铜线指向绝缘层x轴正方向，故：

x轴上单位长度传递的热量为：

k为绝缘层的导热系数，设单位体积绝缘体内内能增量为ΔΕ：

ρ为绝缘层的密度，C为绝缘层的比热容，根据能量守恒定律，可得：

经过整理可得：

对等式两边进行二重积分可得：

D、H为积分常数，令

则(7)式可化简为：

令

则(8)式可化简为：

求解可得：

N为积分常数。

(10)式结合边界条件和初始条件，可得绝缘层温度分布的方程组：

将方程组(11)中四式联立求解，可得到x轴方向上绝缘层中每一点，每时的温度分布。若对不同方向上的温度进行分析计算，同理可得该方向上绝缘层中每一点、每时的温度分布。从(11)中可以分析出，本实用新型采用的绝缘材料的厚度分布按照温度梯度设计且k值较大，因此绝缘层的热阻较小，绝缘材料热传导现象剧烈，定子线棒的散热能力强。通过计算可得，优化后，定子线棒温度降低约4-5℃。

绝缘层中各点在每个时刻的温度满足如下方程：

N、D、H为积分常数，ρ为绝缘层的密度，C为绝缘层的比热容，k为绝缘层的导热系数；

汽轮发电机中常用的冷却方式为轴向或径向水冷，电机内部较为潮湿。增加绝缘层层数用于避免由于电机内部潮湿使电机的绝缘能力下降。

本实用新型使电场集中的电机定子绕组端部局部放电能力降低，同时具有较高的耐压能力。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种核能发电用汽轮发电机中的定子线棒绝缘结构，其特征在于，所述定子线棒绝缘结构包括定子线棒和包绕在定子线棒外部的第一绝缘层(4)、第二绝缘层(3)、第三绝缘层(5)，其中：

所述定子线棒分为线径(1)和线端(2)两个部分，线径(1)和线端(2)包括若干根互相平行排列的导体铜线(6)，每根导体铜线(6)互相绝缘；

在所述线径(1)的外部，由内而外依次包覆有第一绝缘层(4)和第二绝缘层(3)；在所述线端(2)的外部，由内而外依次包覆有第三绝缘层(5)和第二绝缘层(3)。

2.根据权利要求1所述的核能发电用汽轮发电机中的定子线棒绝缘结构，其特征在于：所述导体铜线(6)外部包覆有第四绝缘层(7)，第四绝缘层(7)为聚酯粘带。

3.根据权利要求2所述的核能发电用汽轮发电机中的定子线棒绝缘结构，其特征在于，经过固化成型后，定子线棒四周顶角α倒为圆角。

4.根据权利要求1所述的核能发电用汽轮发电机中的定子线棒绝缘结构，其特征在于，所述第一绝缘层(4)在线径每个面的厚度不同，其中：两个侧面的厚度相同，且两个侧面比顶端面厚2-3mm，底端面比顶端面厚1-2mm。

5.根据权利要求4所述的核能发电用汽轮发电机中的定子线棒绝缘结构，其特征在于，所述第三绝缘层(5)在各侧面上的厚度与第一绝缘层(4)在各侧面上的厚度相同。

6.根据权利要求5所述的核能发电用汽轮发电机中的定子线棒绝缘结构，其特征在于，所述第二绝缘层(3)在每个侧面上的厚度相同，且第二绝缘层(3)的厚度比第一绝缘层(4)的顶端面厚度薄0-0.5mm。

7.根据权利要求1所述的核能发电用汽轮发电机中的定子线棒绝缘结构，其特征在于，所述第一绝缘层(4)的材料为云母带，所述第二绝缘层(3)的材料为芳纶纤维纸；

8.根据权利要求6所述的核能发电用汽轮发电机中的定子线棒绝缘结构，其特征在于，定子线棒工作时，所述第二绝缘层(3)的底端面和两个侧面置于定子槽(8)内部。