DE102014219439A1

DE102014219439A1 - Glimmschutzsystem für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102014219439A1
Application number: DE102014219439.3A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Klaussner; Jiri Lang; Steffen Lang; Alexander Litinsky; Guido Schmidt; Christian Schulz-Drost; Klaus Schäfer; Christian Staubach
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2016-03-31
Also published as: EP3172817A1; CN106716788A; RU2017113770A3; CN106716788B; US11081923B2; RU2686680C2; RU2017113770A; JP2017536791A; WO2016045844A1; US20170294817A1

Abstract

Bei dem Glimmschutzsystem für eine elektrische Maschine mit einem Außenglimmschutz und einem Endenglimmschutz sind sowohl der Außenglimmschutz als auch der Endenglimmschutz mit dem gleichen Glimmschutzmaterial, das einen nichtlinear feldstärkeabhängigen elektrischen Widerstand aufweist, gebildet. Die elektrische Maschine weist ein solches Glimmschutzsystem auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Glimmschutzsystem für eine elektrische Maschine mit einem Außenglimmschutz und einem Endenglimmschutz. Insbesondere ist die elektrische Maschine eine Hochspannungsmaschine, vorzugsweise ein Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie und/oder ein elektrischer Motor und/oder ein anderes elektrisches Betriebsmittel mit einer höheren Bemessungsspannung wie insbesondere ein Trafo, eine Durchführung oder ein Kabel.
Es werden immer leistungsstärkere Maschinen, wie beispielsweise Generatoren, entwickelt, da die fortschreitende Technik immer höhere Leistungsdichten verlangt. Ein leistungsstarker Generator, wie beispielsweise ein Turbogenerator, weist insbesondere einen Ständer (Stator) mit einem (Ständer-)Blechpaket und einer Mehrzahl an Generatornuten, in denen sich die Generatorwicklung befindet, auf.
Die Hauptisolisierung dieser Generatorwicklung gegen das Blechpaket ist ein elektrisch hochbeanspruchtes System. Im Betrieb entstehen hohe Spannungen, welche in dem Isoliervolumen zwischen dem auf Hochspannung befindlichen Leiterstab und dem auf Erdpotential liegenden Blechpaket abgebaut werden müssen. An den Kanten der Bleche im Blechpaket entstehen dabei Feldüberhöhungen, die ihrerseits Teilentladungen hervorrufen. Diese Teilentladungen führen bei Auftreffen auf das Isolationssystem lokal zu sehr starken Erhitzungen. Dabei werden die organischen Materialien des Isoliersystems inklusive der Materialien des Außenglimmschutzsystems sukzessive in niedermodekulare, volatile Produkte, beispielsweise in Kohlendioxid, zersetzt.
Ein wichtiger Bestandteil des Isolationssytems ist der sogenannte Außenglimmschutz (AGS). Er wird bei größeren Generatoren und Elektromotoren direkt auf die Oberfläche der Generatorwicklungsisolation appliziert. Der Außenglimmschutz umfasst gegenwärtig Ruß und Graphit enthaltende Bänder oder Lacke.
Der Außenglimmschutz muss einen gewissen Quadratwiderstand aufweisen, welcher in einem bestimmten Bereich liegt. Ist er zu gering, können die Blechpakete elektrisch kurzgeschlossen werden, was zu hohen induzierten Kreisströmen führen kann, welche sich über die Enden des Blechpakets und den Außenglimmschutz schließen und zu stromstarken Lichtbögen führen. Bei zu hohem Widerstand hingegen kann es zu Hochspannungsfunkenerosion kommen.
Zur Reduzierung der Feldstärkeüberhöhung im Bereich des Endes/der Enden des Glimmschutzes wird eine kapazitiv-resistive Feldsteuerung eingesetzt. Die kapazitive Steuerung wird durch die isolierenden Materialien des Isoliersystems bewerkstelligt, während die resistive Steuerung durch den Endenglimmschutz (EGS) bewerkstelligt wird. Beim Endenglimmschutz handelt es sich um leitfähige Oberflächenbeläge an den Austritten der Leiterstäbe aus dem Blechpaket. Die Oberflächenbeläge weisen typischerweise einen quadratischen elektrischen Widerstand von ca. 10⁸ bis 10¹⁰ Ohm auf. Mittels des Endenglimmschutzes wird eine homogenere elektrische Feldverteilung erreicht. Mit Hilfe einer starken Nichtlinearität des Widerstandes der eingesetzten Materialien im Endenglimmschutz wird versucht, das elektrische Feld aus den Bereichen hoher Feldstärken zu verdrängen. Diese Nichtlinearität führt zu einer Verringerung des spezifischen Widerstandes mit steigender elektrischer Feldstärke. Solche Oberflächenbelege können entweder als Anstriche mit trocknenden und härtbaren Harzen, welche unmittelbar auf die Isolierstoffoberfläche ausgebracht werden, oder zusammen mit Bändern realisiert werden.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Glimmschutzsystem für eine elektrische Maschine zu schaffen; insbesondere soll das Glimmschutzsystem besonders unaufwendig zu fertigen sein. Zudem sollen Endenglimmschutz und Außenglimmschutz zweckmäßiger Weise elektrisch besonders gut aneinander angepasst sein. Insbesondere soll das Glimmschutzsystem zudem eine hohe Lebensdauer aufweisen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine mit einem solchen Glimmschutzsystem zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit einem Glimmschutzsystem mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einer elektrischen Maschine mit den in Anspruch 11 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Das erfindungsgemäße Glimmschutzsystem ist ein Glimmschutzsystem, welches vorteilhafterweise für eine elektrische Maschine, vorzugsweise einen Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie und/oder einen elektrischer Motor und/oder ein anderes elektrisches Betriebsmittel mit einer höheren Bemessungsspannung wie insbesondere einen Trafo, eine Durchführung oder ein Kabel, ausgebildet ist. Das erfindungsgemäße Glimmschutzsystem weist einen Außenglimmschutz und einen Endenglimmschutz auf. Bei dem erfindungsgemäßen Glimmschutzsystem sind sowohl der Außenglimmschutz als auch der Endenglimmschutz mit demselben Glimmschutzmaterial, das einen nichtlinear feldstärkeabhängigen elektrischen Widerstand aufweist, gebildet.
Zweckmäßiger Weise ist das einen nichtlinear feldstärkeabhängigen elektrischen Widerstand aufweisende Glimmschutzmaterial ein Teilentladungs-resistentes EGS-Band, wie es insbesondere aus der Offenlegungsschrift DE 10 2010 009 462 A1 bekannt ist. Vorteilhafterweise ist dieses EGS-Band über die gesamte ursprüngliche Länge des AGS und EGS auf eine Hauptisolierung einer Ständerwicklung der elektrischen Maschine aufgebracht, insbesondere um die Hauptisolierung gewickelt. So besitzt das EGS-Band normalerweise eine nichtlineare elektrische Widerstandcharakteristik, um eine effiziente Potentialsteuerung am Ende des Außenglimmschutzes zu ermöglichen. Besonders bevorzugt beträgt der elektrische Widerstand in einem Arbeitsbereich von 0,1 bis 0,3 kV/mm 10⁴ bis 10⁷ Ωm. Aufgrund des ausgeprägt nichtlinear feldstärkeabhängigen elektrischen Widerstands des EGS-Bandes lässt sich dieses auch im Nutbereich der Ständerwicklung einsetzen. Im Bereich des Blechpakets und/oder eines gegebenenfalls vorhandenen äußeren AGS-Leitvlieses beträgt die Radialfeldstärke über der Hauptisolierung der Ständerwicklung bis zu ca. 3 kV/mm, abhängig von einer Position der Ständerwicklung innerhalb des Blechpakets. Vorteilhafterweise wird folglich das EGS-Band bei hohen Betriebsfeldstärken und damit nahe den Phasenanschlüssen sehr leitfähig und fungiert als zusätzliche AGS-Lage. Bei niedrigen Betriebsfeldstärken, insbesondere fern dem Blechpaket, ist das EGS-Band sehr hochohmig und wirkt als zusätzliche Isolierlage. Es versteht sich, dass das EGS-Material auch als EGS-Lack anstelle eines EGS-Bandes ausgebildet sein kann. Das erfindungsgemäße Glimmschutzsystem ist folglich besonders einfach ausbildbar. Insbesondere kann mittels desselben Glimmschutzmaterials sowohl der Außenglimmschutz als auch der Endenglimmschutz gebildet werden. Das erfindungsgemäße Glimmschutzsystem ist folglich besonders einfach aufgebaut. Zudem ist mittels der Bildung sowohl des Außenglimmschutzes als auch des Endenglimmschutzes mit demselben Glimmschutzmaterial eine besonders enge elektrische Ankopplung zwischen Endenglimmschutz und Außenglimmschutz realisiert. Vorzugsweise ist eine AGS-Leitvlieslage gemeinsam mit dem Endenglimmschutz ausgebildet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Glimmschutzsystems sind Außenglimmschutz, zumindest zum Teil, und Endenglimmschutz, zumindest zum Teil, aus demselben Glimmschutzmaterial gebildet. Gerade in dieser Weiterbildung ist eine besonders einfache Fertigung und eine besonders enge elektrische Ankopplung von Außenglimmschutz und Endenglimmschutz gewährleistet. Zweckmäßigerweise ist bei dem erfindungsgemäßen Glimmschutzsystem zumindest ein Teil des Außenglimmschutzes sowie zumindest ein Teil des Endenglimmschutzes mit einem EGS-Band und/oder mit einem EGS-Lack wie zuvor beschrieben, gebildet.
Zweckmäßig ist bei dem erfindungsgemäßen Glimmschutzsystem zumindest ein Teil des Außenglimmschutzes und zumindest ein Teil des Endenglimmschutzes einstückig handhabbar ausgebildet. Vorzugsweise in der Ausbildung zumindest eines Teils des Außenglimmschutzes und eines Teils des Endenglimmschutzes als EGS-Band sind Fertigung und Handhabbarkeit während des Fertigungsprozesses erleichtert.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Glimmschutzsystems weist das Glimmschutzmaterial einen umso geringeren elektrischen Widerstand auf, je stärker ein elektrisches Betriebsfeld der elektrischen Maschine ist, in welchem das Glimmschutzmaterial, insbesondere im Betrieb, befindlich ist.
Gerade im Bereich des Außenglimmschutzes herrscht im Betrieb ein besonders starkes elektrisches Betriebsfeld. Bei einer starken Nichtlinearität des Glimmschutzmaterials ist der elektrische Widerstand des Glimmschutzmaterials im Bereich des Außenglimmschutzes hinreichend gering, um Potentialspitzen entlang der Länge eines Leiterstabs der Ständerwicklung zu vermeiden oder zu verringern. Im Bereich der Enden eines solchen Leiterstabs hingegen ist der elektrische Widerstand des Glimmschutzmaterials hinreichend hoch, so dass das Glimmschutzmaterial eine zusätzliche Isolierlage bildet, welche Potentialspitzen in diesem Bereich wirksam verringert oder vermeidet.
Geeigneterweise weist bei dem erfindungsgemäßen Glimmschutzsystem das Glimmschutzmaterial eine Matrix und einen innerhalb der Matrix angeordneten Füllstoff auf. Zweckmäßigerweise ist die Matrix eine polymere Matrix, insbesondere eine Kunststoffmatrix und/oder Harz. Zweckmäßigerweise ist die polymere Matrix ein Thermoplast und/oder ein Doromer und/oder ein Elastomer.
Geeigneterweise ist der Füllstoff mit Partikeln mit Abmessungen von, zumindest im (insbesondere arithmetischen) Mittel, höchstens einem Millimeter und vorzugsweise von, zumindest im (insbesondere arithmetischen) Mittel, höchstens 100 Mikrometern gebildet. Zweckmäßig umfasst der Füllstoff teilladungsresistente und elektrisch leitfähige Partikel. Geeigneterweise umfassen die Partikel einen teilladungsresistenten Kern und eine teilladungsresistente Beschichtung, welche leitfähig ist.
Geeigneterweise umfasst bei dem erfindungsgemäßen Glimmschutzsystem der Füllstoff globulare und/oder planare Partikel. Insbesondere sind unter globularen Partikeln solche Partikel zu verstehen, bei welchen sich die Abmessungen in verschiedenen Raumrichtungen um weniger als einen Faktor von höchstens 3, zweckmäßig höchstens 1.5, unterscheiden. Zweckmäßigerweise sind unter planaren Partikeln solche Partikel zu verstehen, deren Abmessung sich in zumindest einer Raumrichtung um einen Faktor von zumindest 3, vorzugsweise zumindest 5, von den Abmessungen in einer, vorzugsweise zwei, dazu senkrechten Richtungen unterscheidet.
Bei dem erfindungsgemäßen Glimmschutzsystem ist der Füllstoff vorteilhafterweise mit Glimmer gebildet.
Zweckmäßigerweise weist bei dem erfindungsgemäßen Glimmschutzsystem die Matrix Glasfasern auf.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung bildet bei dem Glimmschutzsystem zumindest ein Teil des Glimmschutzmaterials ein Band und/oder einen Lack.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist ein Glimmschutzsystem wie zuvor beschrieben auf. Geeigneterweise ist die elektrische Maschine eine Hochspannungsmaschine. Bevorzugt ist die elektrische Maschine ein Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie und/oder ein elektrischer Motor und/oder ein anderes elektrisches Betriebsmittel mit einer höheren Bemessungsspannung wie insbesondere ein Trafo, eine Durchführung oder ein Kabel.
Idealerweise ist bei der elektrischen Maschine das Glimmschutzmaterial, zumindest zum Teil, an einer Hauptisolierung der elektrischen Maschine angeordnet. Zweckmäßigerweise ist die Hauptisolierung an einem Leiterstab und/oder an einer Ständerwicklung der elektrischen Maschine angeordnet.
Idealerweise weist die erfindungsgemäße elektrische Maschine zumindest einen Leiterstab und ein Glimmschutzsystem wie zuvor beschrieben auf, wobei das Glimmschutzmaterial des Glimmschutzsystems zumindest zum Teil auf den oder zumindest einen der Leiterstäbe und/oder dessen/deren elektrischer Isolierung aufgebracht oder an dem Wicklungsstab oder zumindest an zumindest einem der Leiterstäbe und/oder dessen/deren elektrischer Isolierung angeordnet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010009462 A1 [0010]

Claims

Glimmschutzsystem für eine elektrische Maschine mit einem Außenglimmschutz und einem Endenglimmschutz, bei dem sowohl der Außenglimmschutz als auch der Endenglimmschutz mit demselben Glimmschutzmaterial, das einen nichtlinear feldstärkeabhängigen elektrischen Widerstand aufweist, gebildet sind.
Glimmschutzsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welchem Außenglimmschutz, zumindest zum Teil und Endenglimmschutz, zumindest zum Teil, aus demselben Glimmschutzmaterial gebildet sind.
Glimmschutzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem zumindest ein Teil des Außenglimmschutzes und zumindest ein Teil des Endenglimmschutzes einstückig handhabbar ausgebildet sind.
Glimmschutzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Glimmschutzmaterial einen umso geringeren elektrischen Widerstand aufweist, je stärker ein elektrisches Betriebsfeld der elektrischen Maschine ist, in welchem das Glimmschutzmaterial, zumindest im Betrieb, befindlich ist.
Glimmschutzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Glimmschutzmaterial eine Matrix und einen innerhalb der Matrix angeordneten Füllstoff aufweist.
Glimmschutzsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welchem die Matrix eine polymere Matrix ist.
Glimmschutzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Füllstoff globulare und/oder planare Partikel umfasst.
Glimmschutzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Füllstoff mit Glimmer gebildet ist.
Glimmschutzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Matrix Glasfasern aufweist.
Glimmschutzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem zumindest ein Teil des Glimmschutzmaterials ein Band und/oder einen Lack bildet.
Elektrische Maschine mit einem Glimmschutzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Elektrische Maschine nach dem vorhergehenden Anspruch, welche eine Hochspannungsmaschine ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Glimmschutzmaterial, zumindest zum Teil, an einer Hauptisolierung der elektrischen Maschine angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit zumindest einem Leiterstab und mit einem Glimmschutzsystem, insbesondere nach Anspruch 10, bei welcher das Glimmschutzmaterial, zumindest zum Teil, auf den oder zumindest einen der Leiterstäbe und/oder dessen/deren elektrischer Isolierung aufgebracht oder an dem oder zumindest an einem der Leiterstäbe und/oder dessen/deren elektrischer Isolierung angeordnet ist.