DE2050674C3 - Anordnung zur Vermeidung von Glimmentladungen zwischen den Spulenköpfen einer rotierenden elektrischen Maschine und diesen gegenüberliegenden, geerdeten Maschinenteilen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art zur Vermeidung von Glimmentladungen zwischen den Spulenköpfen einer rotierenden elektrischen Maschine und diesen gegenüberliegenden, geerdeten Maschinenteilen. Eine solche Anordnung ist bekannt aus der FR-PS 6 98 373.

Bei der Herstellung von Hochspannungsmaschinen werden in verschiedenen Herstellungsstadien der Statorwicklung Spannungsproben vorgenommen, um eventuelle Isolationsfehler aufzudecken. Es ist auch üblich, bei Abnahme der fertigen Maschine eine solche Prüfung der Wicklung mit einer Prüfspannung durchzuführen, die etwa 3,5mal so hoch wie die Spannung bei normalem Betrieb ist. Die hohe Prüfspannung macht es schwer, ein Glimmen und eine Lauffunkenbildung zwischen den Spulenköpfen und den benachbarten geerdeten Maschinenteilen, wie z. B. den Bolzenköpfen, Kühlrohren oder Versteifungsteilen, zu vermeiden. Solche Entladungen führen oft zu direkten Oberschlägen oder rufen mittelbar Überschläge hervor, indem sie unkontrollierbare, transiente Spannungen in der bei der Prüfung verwendeten Spannungsquelle verursachen. Die Schwierigkeiten nehmen bei der Prüfung von großen wassergekühlten Maschinen zu, da in diesen oft nicht isolierte, unter Spannung gesetzte Wicklungsteile vorkommen.

Es ist bekannt, dem Glimmen eines Leiters in einer Wicklungsnut dadurch entgegenzuwirken, daß man die Isolation der in der Nut liegenden Spulenseite mit einer geerdeten Schicht aus leitendem Lack versieht, wobei die Erdung durch direkten Kontakt zwischen der Schicht und dem geerdeten Statorkern hergestellt wird.

■ίο Untersucht man die Möglichkeit, auf ähnliche Weise ein Glimmen an den Spulenköpfen der Spule zu vermeiden, d. rL, versieht man die Spulenkopfisolation mit einer geerdeten leitenden Schicht, so findet man, daß eine solche Maßnahme wesentliche Nachteile hat Dies häng: damit zusammen, daß es ziemlich schwierig ist, an den Spulenköpfen eine genauso hohe Isolationsqualität zu erreichen wie an dem geraden, in der Nut liegenden Spulenteil. Bei Isolierung einer Hochspannungsspule wird nämlich der gerade Teil der Spule mit Hilfe einer besonderen Preßanordnung gepreßt, wobei das Imprägnierungsmittel unter hohem Druck erstarrt und eine Hohlraumbildung vermieden wird. Es ist nicht möglich, mit üblichen Mitteln einen gleich hohen Kompressionsgrad der Isolation an den übrigen Teilen der Spule zu erreichen, weshalb man gewöhnlich damit rechnet, daß die Spannung, der die letztgenannte Isolation längere Zeit widerstehen kann, nur einen Bruchteil der entsprechenden Isolationsfestigkeit der geraden Spulenteiie ausmacht. Aber da die Fläche der schwach komprimierten Spulenisolation auf Grund des relativ großen Abstandes zur Erde ein Potential hat, das nur geringfügig von dem Potential des innenliegenden Leiterstab&s abweicht, besteht gewöhnlich nicht die Gefahr, daß diese Isolation dieselbe Rolle spielt, wie ein schwaches Glied in einer im übrigen starken Kette. Dies würde jedoch der Fall sein, wenn man die schwache Spulenkopfisolation ohne weiteres mit einer geerdeten leitenden Schicht umgeben würde.

Aus eier eingangs genannten FR-PS 6 98 373 ist es bekannt, den als isolierten Leiterstab ausgeführten Wickelkopf bei einer elektrischen Maschine im Bereich eines geerdeten Bolzens mit einer elektrisch leitenden Oberflächenschicht zu überziehen. Der Bolzen seinerseits ist ebenfalls mit einer Isolierhülse umgeben, in welcher eine elektrisch leitende Schicht eingelegt ist. Diese elektrisch leitende Schicht ist über ein metallisches Abstandshalterstüc^ mit der leitenden Schicht auf dem Spulenkopf elektrisch leitend verbunden. Hierdurch wird eine Äquipotentialfläche geschaffen, die sich von der Spulenkopfisolation bis zur Bolzenisolation erstreckt. Die elektrische Spannung verteilt sich auf zwei Kapazitäten, von denen die eine zwischen dem Spulenkopfleiter und der ihn umgebenden leitenden Schicht gebildet wird und die andere zwischen dem geerdeten Bolzen und der in seine Isolation eingelegten leitenden Schicht. Das bedeutet, daß das Verhältnis der Spannung auf der Oberfläche des Leiters zur Gesamtspanhung von der einmal gewählten Bemessung der beiden Kapazitäten abhängt und für alle Spannungsbeanspruchungen der Wicklung gleich groß ist. Die Isolierung des geerdeten Bolzens ist bei dieser Anordnung sehr aufwendig, insbesondere wenn ein großer Teil der Spannung von der Bolzenisolierung aufgenommen werden soll. Wo dies nicht geschieht, hat man praktisch dieselben Schwierigkeiten, wie sie oben für die Belegung der Spulenköpfe mit einer unmittelbar geerdeten Schicht beschrieben wurden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 derart weiterzuentwickeln, daß die Isolation der Spulenköpfe, die gegenüber der Isolation der in den Nuten liegenden Wicklungsteile eine geringere Spannungsfestigkeit hat, gegen Glimmen bei hohen Prüfspannungen und sporadisch auftretenden Überspannungen geschützt ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Anordnung der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art

vorgeschlagen, die erfindungsgemäß das im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches genannte Merkmal aufweist Die Bemessung der spannungsabhängigen Impedanz erfolgt in der Weise, daß bei normalem Betrieb keine wesentliche Zunahme der dielektrischen ^r> Beanspruchung verursacht wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt

Durch die Erfindung ist erreichbar, daß das Potential ι ο der leitenden Schicht bei normalem Betrieb nur unwesentlich von dem Leiterpoiential des Spulenkopfes abweicht Bei hohen Prüfspannungen dagegen wird das Potential der Schicht nur unwesentlich erhöht Dadurch wird zwar die Spulenisolation einem stärkeren elektrisehen Feld ausgesetzt, aber mit Rücksicht auf die kurze Prüfzeit hat diese Beanspruchung keine schädlichen Folgen.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung näher beschrieben.

In dieser zeigen

Fig. 1, 2 und 3 drei verschiedene Ausführungen der Erfindung in tangentialer Ansicht,

Fig. la einen Schnitt durch ein Leiterbündel mit Wickelkopfisolierung entlang der Linie B-B in Fig. 1 >-, und

Fig.4 eine grafische Darstellung der Potentialver hältnisse der in F i g. 3 gezeigten Ausführungsform.

In der Zeichnung bezeichnet 1 ein Stirnende des Statorkerns einer elektrischen Maschine, 2 ein Stirn- w ende eines vom Statorkern umschlossenen Rotors und 3 den Luftspalt zwischen Stator und Rotor. Eine gestrichelte Linie 4 zeigt den Boden einer Wicklungsnut. Der außerhalb des Statorkerns liegende Teil einer in der Wicklungsnut angeordneten Spulenseite ist mit 5 π bezeichnet. Mit 6 ist in Fig. 1 die Verbindung zweier Spulenseiten bezeichnet. Der gerade, mit komprimierter Isolation versehene Teil der Spulenseite umfaßt außer dem Nutenteil einen kurzen, axial außerhalb des Statorkerns liegenden Teil, der an der Linie A-A in den _w schwächer isolierten Teil der Spulenköpfe übergeht. Ein in der Nähe des letztgenannten Spulenteils angeordneter und auf Erdpotential liegender Maschinenteil, z. B. ein Teil einer Wicklungsstütze, ist mit 7 bezeichnet. Eine im Verhältnis zum Maschinenteil 7 nahe liegender Teil _4i der Spulenseite 5 ist mit einer leitenden Schicht 9 versehen, die in F i g. 1 mit einem kleinkarierten Muster markiert ist. In Fig. la bezeichnen 5a den Kupferleiter der Spulenseite und 5b die umgebende Spulenisolation. Die leitende Außenschicht 9 ist über einen Widerstand 8 _w geerdet, der auf solche Weise spannungsabhängig ist, daß er abnimmt, wenn die Spannung über dem Widerstand zunimmt.

Wenn der Ausdruck »leitend« in vorliegendem Text in Verbindung mit einer auf der Spulenisolation .-,-, angeordneten Schicht, z. B. der Schicht 9, verwendet wird, bedeutet dies nicht, daß die Schicht absolut aus einem Material mit niedrigem ohmschem Widerstand bestehen muß. Sie kann z. B. aus einem Lack mit relativ geringem Zusatz von Graphitpulver bestehen, auch eine _h() solche Schicht kann bereits die vorgesehene Funktion erfüllen.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ist der Widerstand 8 mit einer solchen Widerstands-Spannungscharakteristik gewählt, daß er bei einer Spannung, _b-, die bei normalem Betrieb dem maximalen Potential der Wicklung zur Erde entspricht, um ein Mehrfaches größer ist als die ImDedanz. die aus der KaDazität zwischen der Schicht 9 und dem Leiter der Spulenseite gebildet wird, z. B. um ein Sechsfaches. Dies bedeutet daß das Potential der leitenden Schicht bei normalem Betrieb nur unbedeutend von dem Leiterpotential der Spulenseite abweicht

Wenn dem Leiter der Spule, z. B. beim Prüfen, ein Potential irr. Verhältnis zur Erde gegeben wird, das bedeutend größer ist als das normale Betriebspotential, z. B. 3,5mal so groß, sinkt die Resistanz des Widerstandes 8 auf z. B. 10% seines vorherigen Wertes, was bedeutet daß die hohe Prüfspannung keine wesentliche Erhöhung des Potentials der Schicht 9 im Verhältnis zur Erde bewirkt wodurch die Glimmgefahr beim Prüfen beseitigt ist Zwar wird die Spulenisolation hierbei dem größeren Teil der Prüfspannung ausgesetzt, aber mit Rücksicht auf die kurze Prüfzeit kann dies ohne weiteres zugelassen werden.

Wenn die leitende Schicht 9 mit sehr hohem ohmschem Widerstand ausgeführt ist können innerhalb der Schicht gewisse Potentialunterschiede auftreten. Wenn erwünscht, können diese Unterschiede dadurch reduziert werden, daß der Widerstand 8 mit seinem einen Ende mittels mehrerer, mit bestimmtem Abstand voneinander angeordneter Kontaktpunkte an die leitende Schicht angeschlossen wird. Wenn der Übergang zwischen den Enden der leitenden Schicht und nicht belegter Spulenisolation ohne Potentialsteuerungen erfolgt, kann es vorteilhaft sein, wenn die Schichtenden bei der Prüfung ein etwas höheres Potential bekommen als der mittlere Teil des Belages. Das ist bei der in F i g. 1 gezeigten Anordnung erreicht, wenn der ohmsche Widerstand der Schicht 9 hoch ist. Wenn die leitende Schicht nur an ihrem einen Ende mit einem potentialsteuernden Mittel (z. B. gemäß der schwedischen Patentschrift 1 64 598) versehen ist, kann es vorteilhaft sein, die Schicht mit relativ hohem ohmschem Widerstand auszuführen und den Widerstand 8 an demselben Ende anzuschließen.

In F i g. 2 ist 12 eine leitende Schicht, die sich von der entsprechenden Schicht 9 dadurch unterscheidet, daß sie Spulenkopfteile zweier verschiedener Spulenseiten und auch dazwischenliegende Spulenkopfteile umfaßt. Ein nahe liegender geerdeter Maschinenteil ist in F i g. 2 mit 10 bezeichnet. Natürlich kann man auch bei dieser Ausführungsform eine außerhalb der Spulenoberfläche angeordnete Impedanz verwenden, z. B. von demselben Typ wie der Widerstand 8 in Fig. 1. Vorteilhafter ist aber, jede Spulenseite 5 mit einem über der Spulenisolation angeordneten Belag 11 zu versehen, dessen ohmscher Widerstand auf ähnliche Weise spannungsabhängig ist wie der Widerstand 8. Ein leitender Belag 13 umschließt außerdem auf bekannte Weise den in der Wicklungsnut liegenden Teil jeder Spulenseite und erstreckt sich bis etwas außerhalb der Nut. Der Belag 11 hat die in der schwedischen Patentschrift 1 64 598 beschriebene potentialsteuernde Funktion und gleichzeitig die gemäß der Erfindung bezweckte und in F i g. 1 mittels des Widerstandes 8 erreichte Wirkung. Wenn der äußerste Teil der Spulenköpfe wie in Fig. 1 ausgeführt ist, d. h. mit einer Anordnung entsprechend 6 in Fig. 1, die zum Zusammenkuppeln der Leiter der Spulenseiten vorgesehen ist, soll auch diese von der leitenden Schicht 12 umschlossen werden. Voraussetzung hierfür ist natürlich, daß auch die Anordnung 6 mit einer Isolation versehen ist. Sollte sie es nicht sein, was oft vorkommt, darf der Schirm nicht bis in die Nähe des nicht isolierten Teils vorgezogen werden.

Bei einer WicklunssDrüfune mit erhöhter Spannunc

ist es oft erforderlich, daß bestimmte Teile der Wicklung dieser ausgesetzt werden, während die übrigen Teile geerdet sind. Das bedeutet, daß eine Spule beim Prüfen ein Potential zur Erde haben kann, das z. B. 3,5mal höher ist als das normale, während eine Spule, die mit ihrem freien Wicklungsteil unmittelbar neben der erstgenannten Spule liegt, Erdpotential hat. In solchen Fällen ist es vorteilhaft, daß der leitende Belag 12, der in Fig. 2 gezeigt ist, den ganzen relativ schwach isolierten, aber immerhin isolierten Teil der Spulenköpfe bedeckt.

Bei der in Fig.3 gezeigten Ausführungsform der Erfindung entspricht der Belag A\ dem leitenden, geerdeten Belag 13 in F i g. 2. B\ bezeichnet einen Belag aus demselben spannungsabhängigen Material wie der Belag 11 in F i g. 2, A₂ ist eine gut leitende Schicht und B₂ ein Belag aus Materia! mit spannungsabhängigem Widerstand. Die Funktion geht aus F i g. 4 hervor, in der die voll ausgezogene Kurve die Potentialverteilung auf dem in F i g. 3 gezeigten Teil einer Wicklungsspule bei normalem Betrieb der Maschine zeigt und die gestrichelte Kurve die Potentialverteilung bei Prüfung mit erhöhter Spannung. Der Abstand X vom Ende der Wicklungsnut ist entlang der Abszisse und das Potential der Spulenoberfläche im Verhältnis zur Erde längs der Ordinate aufgetragen. Das Potential im Verhältnis zur Erde, das bei Prüfung an den Leiter der Spule gelegt wird, ist mit U_p bezeichnet, während das Potential der Leiter bei Normalbetrieb mit Ud bezeichnet ist. Die gut leitende Schicht A₂ kann durch geeignete Dimensionierung (Zusammensetzung, Länge) des Belages B\ dazu gebracht werden, bei der Spannungsprüfung ein

beliebiges Potential U_n, zwischen Null und Prüfspannung anzunehmen. Dies liegt daran, daß das Leiterpotential, das grundsätzlich in etwa gleicher Höhe auch an der Oberfläche der Spulenkopfisolation herrscht, über die Schicht Si etwa linear auf das Erdpotential, das am Belag A\ liegt, abgebaut wird. Bei sehr hohen Spannungen genügt eine gegebene Länge der Schicht Si nicht, das volle Potential abzubauen. Vielmehr wird nur das Potential U_n, abgebaut. Das Potential U_n, liegt dann auch an der Schicht A₂, so daß der restliche Abbau der Potentialdifferenz U_p — U_n, an der Schicht B₂ erfolgt. Die Schicht B\ ist so bemessen, daß eine Spannung in Höhe der Betriebsspannung voll abgebaut werden kann, so daß bei Betriebsspannung an der Kapazität zwischen Leiter und Oberfläche der Spulenkopfisoiation, also auch in den Bereichen der Schichten A₂ und B₂, nur eine geringe Spannung liegt. Es liegt daher bei Betriebsspannung an den Belägen A₂ und B₂ ungefähr das Potential des Leiters, so daß eine Erhöhung der dielektrischen Beanspruchung der Spulenisolation nicht eintritt.

Bei den in Verbindung mit der Zeichnung beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung hat man vorausgesetzt, daß die für die Erfindung charakteristische, spannungsabhängige Impedanz im wesentlichen ohmscher Art ist. Eine Anordnung gemäß der Erfindung kann jedoch auch mit verschiedenen Typen spannungsabhängiger Impedanzen ausgeführt werden, es ist z. B. auch möglich, spannungsabhängige Impedanzen kapazitiver oder induktiver Art anzuwenden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   L Anordnung zur Vermeidung von Glimmentladungen zwischen den Spulenköpfen einer rotieren- "> den elektrischen Maschine und diesen gegenüberliegenden, geerdeten Maschinenteilen, bei welcher elektrischen Maschine die Spannungsfestigkeit der Spulenkopfisolation schwächer als die Spannungsfestigkeit der Isolation der in den Wicklungsnuten ao liegenden Wicklungsteile ist, bestehend aus einer elektrisch leitenden Oberflächenschicht auf den den Maschinenteilen zugewandten Spulenabschnitten, welche Schicht über eine Impedanz geerdet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz (8) derart spannungsabhängig ist, daß sie mit zunehmender Spannung kleiner wird.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Impedanz aus einem auf dem Spulenkopf zwischen der leitenden >o Schicht (12) und dem Ende der Wicklungsnut angeordneten Belag (11) besteht.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht (12) einer Spule kontinuierlich in eine entsprechende Schicht einer in _> > der Stromrichtung folgenden Spule übergeht.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht (A2) an ihrem axial äußeren Ende mit einer axial außerhalb dieser Schicht und auf derselben Spule angeordneten Schicht (lh) aus Widerstandsmaterial verbunden ist.