CS251165B1

CS251165B1 - High-voltage insulation system of stator winding conductors of electrical rotating machines of the order of hundreds of megawatts

Info

Publication number: CS251165B1
Application number: CS8410546A
Authority: CS
Inventors: Josef Mrazek
Original assignee: Josef Mrazek
Priority date: 1984-12-28
Filing date: 1984-12-28
Publication date: 1987-06-11
Also published as: CS1054684A1

Abstract

fiešení se týká oboru konstrukce a stavby vysokonapěfových elektrických točivých strojů o výkonu řádově stovek megawatů. Problém řešení se týká provedení vysokonapěfové izolace vodičů statorového vinutí se zvláštním zaměřením na omezení výboje, vzniklého v místě lokální nehomogenity elektrického pole a/nebo lokální porušení kompaktnosti izolantu. Podstatou je rozdělení vrstvy elektrického izolantu obklopujícího vodiče statorového vinutí nejméně jednou plochou protínající silokřivky elektrického pole na dílčí vrstvy, mezi něž je vložena vrstva obsahující materiál, jehož hodnota elektrické vodivosti je větší než hodnota elektrické vodivosti dílčích vrstev izolantu. fiešení může být využito v elektrotechnickém průmyslu, v těžkém strojírenství, v hutnictví a podobně.The solution relates to the field of design and construction of high-voltage electrical rotating machines with an output of hundreds of megawatts. The problem of the solution relates to the implementation of high-voltage insulation of stator winding conductors with a special focus on limiting the discharge that occurs at the location of local inhomogeneity of the electric field and/or local violation of the compactness of the insulator. The essence is the division of the layer of electrical insulator surrounding the stator winding conductors with at least one surface intersecting the electric field lines into partial layers, between which a layer containing a material whose electrical conductivity value is greater than the electrical conductivity value of the partial layers of the insulator is inserted. The solution can be used in the electrical industry, in heavy engineering, in metallurgy and the like.

Description

Vynález se týká vysokonapětového izolačního systému vodičů statorového vinutí elektrických točivých strojů o výkonu řádově stovek megawatů, to znamená generátorů v energetických blocích a motorů užitých v pohonech v těžkém strojírenství a v hutnictví.The present invention relates to a high voltage insulation system of stator winding wires of electric rotating machines of the power of hundreds of megawatts, i.e. generators in power blocks and motors used in heavy mechanical and metallurgical drives.

Dosud známé a používané vysokonapětové izolační systémy vodičů statorového vinuti, užívané všemi výrobci, používají vrstvení páskových nebo foliových izolantů, které obvykle obsahují nosný materiál, například skleněnou tkaninu nebo polymerní folii, a dále slídové šupinky a pojivo, jímž je obvykle vytvrditelná pryskyřice. Dnes užívaný izolační materiál je běžně označován jako reaktoplast a nahradil předtím užívané termoplasty, V tomto popise používaný termín izolant má naznačit, že je užito materiálu splňujícího především požadavek spolehlivé elektrické izolace elektrických točivých strojů na vysoké napětí, Z povahy řešeného problému zřejmě vyplývá, že izolantem může být také heterogenní dielektrikum složené z různých materiálů. Podle jmenovitého napětí elektrických točivých strojů je určena tlouštka vrstvy elektrického izo-. lantu vodičů statorového napětí. Elektrická pevnost takového vysokonapětového izolačního systému - pokud nedošlo k poruše - několikanásobně překračuje nejvyšší provozní napětí, které může izolační systém namáhat, K ohrožení požadované dlouhodobé trvanlivosti tohoto systému může však dojít tím způsobem, že částečný výboj, vznikající v místě lokální nehomogenity elektrického pole a/nebo lokálního porušení kompaktnosti izolantu může vést k postupnému zeslabení vrstvy izolantu prorůstá jícími výbojovými kanálky. Rychlost prodlužování kanálků je nelineárně závislá na velikosti přiloženého elektrického napětí, jímž je izolant namáhán. Významnou úlohu má přitom velikost kritické zóny v okolí konce kanálku; v této kritické zóně je velikost intenzity elektrického pole rovna průrazné intenzitě použitého pojidla. Úbytek napětí podél kritické zóny tvoří značnou část napětí přiloženého na izolant.The known and used high voltage stator winding wire insulation systems used by all manufacturers employ layering of tape or foil insulators that typically contain a carrier material, such as glass fabric or polymeric film, and mica flakes and a binder, which is usually a curable resin. The insulating material used today is commonly referred to as thermosetting plastics and has replaced the previously used thermoplastics. In this specification, the term insulator is intended to indicate that a material meeting primarily the requirement of reliable electrical insulation of high-voltage electric rotating machines is obvious. it may also be a heterogeneous dielectric composed of different materials. Depending on the rated voltage of the electrical rotating machines, the thickness of the electrical iso-layer is determined. of the stator voltage conductor. The electrical strength of such a high-voltage insulating system - if there is no failure - exceeds several times the highest operating voltage that the insulating system can stress. However, the required long-term durability of this system may be compromised by the partial discharge occurring at or local failure of the insulator compactness may lead to a gradual weakening of the insulator layer through the penetrating discharge channels. The channel elongation rate is non-linearly dependent on the magnitude of the applied electrical voltage at which the insulator is subjected to stress. The size of the critical zone around the end of the channel plays an important role; in this critical zone, the magnitude of the electric field intensity is equal to the breakdown intensity of the binder used. The voltage drop along the critical zone forms a significant part of the voltage applied to the insulator.

Dosud známé a užívané konstrukce vysokonapětového izolačního systému vodičů statorového vinutí elektrických točivých strojů vykazují závažnou nevýhodu, jež spočívá v tom, žeThe hitherto known and used designs of the high-voltage insulation system of the stator winding wires of electric rotating machines have the serious disadvantage of the fact that

- 2 251 IBS v místě lokální nehomogenity elektrického pole nebo lokálního porušení kompaktnosti izolantu vznikne částečný výboj, který může vést k postupnému zeslabeni izolantu prorůstajícími výbojovými kanálky· Rozhodujícím činitelem pro rychlost růstu výbojového kanálku je velikost kritické zóny v okolí konce kanálku, jež je dána velikostí napětí a není nijak dále omezena· Právě tak není nijak omezen vývoj prorůstání kanálku ani jeho zastaveni případně omezení ještě předtím, nežli se izolant zeslabí natolik, že je ohrožena jeho. elektrická pevnost·- 2,251 IBS at local inhomogeneity of electric field or local failure of insulator compactness will result in partial discharge which may lead to gradual attenuation of insulator through ingressing discharge channels · The critical factor for the discharge channel growth rate is the size of the critical zone around the end of the channel · There is no restriction on the development of the canal ingrowth or its stoppage or restriction before the insulator is weakened to the point that its is compromised. electrical strength ·

Popsaná nevýhoda známých konstrukcí vysokonapětového izolačního systému vodičů statorového vinutí elektrických točivých strojů o výkonu řádově stovek megawatů je do značné míry potlačena vynálezem, jehož podstatou je rozdělení vrstvy izolantu obklopujícího vodiče statorového vinutí nejméně jednou plochou protínající silokřivky elektrického pole na dílčí vrstvy, mezi něž je vložena vrstva obsahující materiál, jehož hodnota elektrické vodivosti je větší nežli hodnota elektrické vodivosti dílčích vrstev izolantu.The described disadvantage of the known designs of high-voltage insulation system of the stator winding conductors of electric rotating machines of the power of hundreds of megawatts is largely suppressed by the invention which consists in dividing the insulator layer surrounding the stator winding conductors by at least a layer comprising a material whose electrical conductivity value is greater than the electrical conductivity value of the partial insulator layers.

Účelem řešení podle vynálezu je omezit velikost kritické zóny, zpomaleni a případné zastavení dalšího vývoje prorůstajícího kanálku,a to dříve nežli se izolant zeslabí natolik, že jeho elektrická pevnost je ohrožena. V geometrickém uspořádání hrot - deska je pro vytvoření kritické zóny určitého rozsahu zapotřebí potenciálního rozdílu mezi hrotem a deskou, který závisí na vzdálenosti hrotu a desky. Tento vztah je nelineární také v případě dvou paralelních desek a hrotu vyčnívajícího z jedné z nich. 3e tedy patrné, že při vhodném uspořádání ekvipotenciálních vložek lze dosáhnout toho, že nelineárnost rozložení elektrického pole, způsobená hrotem» se týká jen části celkové vrstvy izolantu a potom tedy rozsah kritické zóny při stejném celkovém napětí, přiloženém na izolant, je omezen.The purpose of the solution according to the invention is to limit the critical zone size, to slow down and possibly stop the further development of the penetrating channel, before the insulator has weakened to such an extent that its electrical strength is compromised. In a point-to-plate geometric configuration, a potential difference between the point and the plate, which depends on the distance between the point and the plate, is needed to create a critical zone of some extent. This relationship is also non-linear in the case of two parallel plates and a tip protruding from one of them. 3e, it can therefore be seen that by suitable arrangement of equipotential inserts, the non-linear distribution of the electric field caused by the spike can only be achieved with only part of the total insulator layer and hence the critical zone range at the same total voltage applied to the insulator.

□estliže se rozdělí celková vrstva izolantu na dvě nebo vice vrstev, mezi něž se vloží zcela nebo částečně vodivá mezivrstva, dojde při střídavém napětí ke kapacitnímu rozdě3□ although the total insulator layer is divided into two or more layers, between which a fully or partially conductive interlayer is inserted, a capacitive separation occurs at AC voltage3

251 165 lení elektrického pole, to znamená k rozdělení elektrického pole podle velikostí kapacit dílčích vrstev. Lokální nehomogenita v některé vrstvě má na toto rozdělení elektrického pole malý vliv. Tato úprava tedy zpomalí růst vodivého kanálku z případného místa poruchy, zastaví růst vodivého kanálku po dosažení ekvipotenciální vložky, a tím je tedy možno dosáhnout zvýšení trvanlivosti a spolehlivosti izolačního sys ternu.251 165 the electric field, i.e. to divide the electric field according to the capacitance of the sub-layers. Local inhomogeneity in a layer has little effect on this electric field distribution. Thus, this treatment slows the growth of the conductive duct from a possible failure point, stops the growth of the conductive duct after reaching the equipotential liner, and thus increases the durability and reliability of the insulating system.

Zvýšení trvanlivosti izolačního systému úpravou podle vyná^lezu je dosaženo stejnými příčinami jako v případě prak tické zkušenosti, že tenčí vrstva téhož izolantu vykazuje při konvenční zkoušce větší elektrickou pevnost nežli tlustší vrstva. Při konvenčním zjištování střídavého průrazného napětí bývá dosaženo průrazných intenzit podstatně nižších nežli čistě elektrická pevnost příslušného izolantu v homogenním elektrickém poli. K průrazu při zkoušce dochází postupným růstem vodivého kanálku z místa lokální nehomogenity, způsobené částečným výbojem nebo vadou materiálu. Tlouštkcv vzorku ovlivňuje dynamiku tohoto pochodu tak, že při menší vrstvě izolantu, t.j. při slabší vrstvě je třeba urychlit pochod zvý šením napětí, aby došlo k průrazu v době doporučené normou. Při stejné střední intenzitě elektrického pole by bylo naopak nutno, aby napětí působilo ná tenčí vzorek déle. To znamená, že by se jevila větší trvanlivost tak, jako je tomu z obdobných důvodů v případě vysokonapětového izolačního systému pod le vynálezu.The increase in durability of the insulation system by the treatment according to the invention is achieved by the same reasons as in the practical experience that a thinner layer of the same insulator exhibits a greater electrical strength than a thicker layer in a conventional test. In the conventional detection of alternating breakdown voltage, breakdown intensities substantially lower than the purely electrical strength of the respective insulator in a homogeneous electric field are achieved. The breakdown in the test is caused by the gradual growth of the conductive channel from the site of local inhomogeneity due to partial discharge or material defect. The thickness of the sample affects the dynamics of this process so that with a smaller insulator layer, i.e., with a thinner layer, it is necessary to accelerate the march by increasing the voltage to break through at the time recommended by the standard. At the same mean electric field intensity, on the other hand, it would be necessary for the voltage to act longer on the thinner sample. That is, it would appear to be more durable, as is the case with the high-voltage insulation system of the invention for similar reasons.

Při konstrukci vysokonapětového izolačního systému podle vynálezu se využívá ekvipotenciálních vložek k jinému účelu, v jiném uspořádání a v jiném typu izolantu nežli je tomu u kondenzátorových průchodek, u nichž je hlavním účelem dosažení příznivého rozložení napětí podél povrchu tělesa průchod ky .In the construction of the high voltage insulation system according to the invention, equipotential pads are used for a different purpose, in an arrangement and in a different type of insulator than the capacitor bushings, where the main purpose is to achieve a favorable stress distribution along the surface of the bushing body.

V případě řešení podle vynálezu je hlavním účelem zvětše ní trvanlivosti a spolehlivosti vysokonapětového izolačního systému. Taktéž jsou jiné požadavky na vodivost ekvipotenciál nich vložek. Vložka z dobře vodivého a proti výbojům odolného materiálu je dobrou bariérou, která blokuje další postupIn the present invention, the main purpose is to increase the durability and reliability of the high voltage insulation system. There are also other requirements for the conductivity of equipotential liners. A liner made of a good conductive and shock-resistant material is a good barrier that blocks further progress

251 185 systému výbojových kanálků. Při proraženi narušené vrstvičky by však porušeným místem protékal značný proud nabíjející a vybíjející kapacitu této dílčí vrstvy, a to by mohlo vést k lokálnímu přehřátí. Z tohoto důvodu je třeba volit vodivost vložky na vhodné minimální úrovni tak, aby zpomalení elektrické degradace a blokující účinek vrstvy zůstaly ještě zachovány.251 185 discharge channel system. However, if a broken layer is pierced, a considerable current flowing through the breakage would charge and discharge the capacity of the sublayer and this could lead to local overheating. For this reason, the conductivity of the liner should be selected at a suitable minimum level so that the retardation of the electrical degradation and the blocking effect of the layer are still maintained.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

High voltage insulating system of stator winding wires of electric rotating machines of the order of hundreds of megawatts, characterized in that the insulator layer surrounding the stator winding wires is divided by at least one surface intersecting the electric field electric lines into sub-layers interposed with a layer containing material whose electrical conductivity is greater than the electrical conductivity value of the insulator partial layers.