DE2516998B2

DE2516998B2 - Einrichtung zur Verhinderung von Kriechentladungen

Info

Publication number: DE2516998B2
Application number: DE2516998A
Authority: DE
Inventors: Syoji Hirabayashi; Takatoshi Ishikawa; Takeshi Kawakami; Tsutomu Tani
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1974-04-17
Filing date: 1975-04-17
Publication date: 1978-12-21
Also published as: DE2516998A1; CH607413A5; SE7504392L; SE420878B; FR2268379A1; US3975653A; DE2516998C3; FR2268379B1; JPS5515935B2; GB1479545A; JPS50135502A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verhinderung von Kriechentladungen am Nutaustritt einer Ständerwicklung einer elektrischen Maschine mit einer Erdungselektrode auf einer isolierenden Schicht, mit einer sich wickelkopfseitig an die Erdungselektrode anschließenden, das Ende der Erdungselektrode überlappenden ersten Beschichtung mit einem spannungsabhängigen Widerstand, mit einer Abschirmisolierung über der Beschichtung mit spannungsabhängigem Widerstand und über einen Endbereich der Erdungselektrode und mit einer elektrisch mit der Erdungselektrode verbundenen und die Abschirmisolierung bedekkenden zweiten Beschichtung mit spannungsabhängigem Widerstand.

Eine Einrichtung dieser Art ist aus der DE-OS 63 783 bekannt.

Wenn die Ständerwicklung auf einem Eisenkern eines geerdeten Ständers vorgesehen ist, so hat die Oberfläche des Eisenkerns und der Wicklung des Ständers ein höheres Potential als Erdpotential, und zwar aufgrund des durch den Widerstand der leitfähigen Schicht auf der Oberfläche der Wicklung hervorgerufenen Potentialabfalls, Die Potentialdifferenz ist jedoch recht gering, so daß das Potential der leitfähigen Beschichtung im wesentlichen gleich dem Erdpotential ist.

Wenn nun an den Leitungsdraht der Ständerwicklung Spannung angelegt wird, so bilden der Leitungsdraht der V/icklung und die Erdungselektrode der leitfähigen Schicht ein Elektrodenpaar, wobei die elektrischen Kraftlinien die Oberfläche des Isolators am Wicklungsende kreuzen. Die elektrostatische Kapazität zwischen dem Elektrodenpaar ist recht hoch und demgemäß ist der Potentialgradient an der Oberfläche des Isolators in Kriechstromrichtung der Wicklung ebenfalls recht hoch. Der Potentialgradient ist insbesondere hoch am Ende der Erdungselektrode und es findet somit in Bereichen mit einem hohen Potentialgradienten leicht eine Kriechstromentladung statt Der Potentialgradient nimmt mit zunehmender an die Wicklung angelegter Spannung zu, so daß solche Entladungen leichter bei Wicklungen mit höherer Nennspannung als bei Wicklungen mit niedrigerer Nennspannung auftreten. Wenn die Nennbelastungsfähigkeit der umlaufenden elektrischen Maschine 1OiX)OkW oder mehr beträgt und wenn die Nennspannung Foberhalb 60Ό0 V liegt, so sollte die Wicklung bei Prüfung der Durchschlagfestigkeit der Isolatorschicht unter Anwendung einer Testspannung Ei während 1 min, wobei

J-t = 2 E + 3000 V

(Effektivwert) gilt, befriedigende Ergebnisse liefern. Bei der Herstellung umlaufender elektrischer Maschinen ist es üblich, den Durchschlagfestigkeitstest in der Weise durchzuführen, daß man während des Herstellungsprozesses eine Testspannung von etwa 1,1 bis etwa 2,0 Et anlegt, um so die Zuverlässigkeit des Isolatorteils der umlaufenden elektrischen Maschine zu prüfen. Demgemäß muß die Testspannung bei umlaufenden elektrischen Maschinen mit einer Nennspannung von 20 kV bis 30 kV sehr hoch sein. Wegen der hohen an die Wicklung angelegten Spannung ergibt sich ein bemerkenswert hoher Potentialgradient. Somk ^;st es manchmal schwierig, die Prüfung der Durchschlagfestigkeit vorzunehmen, da schon bei einer Spannung unterhalb der Testspannung eine Kriechentladung stattfindet.

Fig. 1 zeigt einen Teilschnitt des Endbereichs einer herkömmlichen Ständerwicklung. Diese umfaßt gemäß F i g. 1 einen Leitungsdraht 1 der Wicklung, einen Isolator 2 und eine Erdungselektrode 3, z. B. eine aufgetragene leitfähige Lackschicht. Wenn der Leitungsdraht 1 der Wicklung mit einer hohen Spannung beaufschlagt wird, so bilden der Leitungsdraht 1 und die Erdungselektrode 3 ein Elektrodenpaar und der Potentialgradient ist am Ende der Erdungselektrode 3 in Kriechstromrichtung der Wicklung sehr hoch. Um eine Zunahme des Potentialgradienten zu verhindern, wird gemäß DE-OS 14 63 783 die Oberfläche des Isolators 2 einschließlich des Endbereichs der Erdungselektrode 3 mit einer Lackschicht 4 mit spannungsabhängigem Widerstand beschichiet. Diese Lackschicht 4, welche die elektrische Beanspruchung allmählich gestaltet oder abstuft, hat im elektrischen Feld eine nicht-lineare Widerstandscharakteristik, d. h. sie hat bei niedrigen Feldstärken den Widerstand eines Isolators und bei hohen Feldstärken den Widerstand eines Halbleiters.

Wenn eine solche Beschichtung 4 mit nicht-linearem Widerstand am Ende der Ständerwicklung vorgesehen wird und der Leitungsdraht 1 mit einer Spannung V (Effektivwert) beaufschlagt wird, so fließt durch die

Beschichtung 4 ein Strom, welcher vom Ladungsstrom abhängt, so daß ein Leistungsverbrauch bewirkt wird. Die Beziehung der Spannung V zum maximalen Leistungsverbrauch Wm in der Beschichtung 4 ist durch die folgende Gleichung gegeben:

Wm = Uuc|/^![W/m^!],
wobei ω = 2 π /gilt und wobei

/ die Frequenz der Stromquelle (Hz)una c die elektrostatische Kapazität pro Flächeneinheil des Isolators der Wicklung (F/m²) bedeuten.

Der Leistungsverbrauch ist somit proportional dem Quadrat der angelegten Spannung. Ein solcher Leistungsverbrauch durch Joulesche Wärme (eine Grundeigenschaft üblicher Beschichtungen zur allmählichen Gestaltung der elektrischen Beanspruchung) beträgt beim Durchbruch etwa 1 χ 10⁴ bis etwa 2 χ 1 (r¹ (W/m²).

Wenn somit der die Feldstärke mindernde Beschichtungsfilm am Ende der Ständerwicklung vorgesehen ist, so ist der Leistungsverbrauch Wm gemäß Gleichung (2) begrenzt und die angelegte Spannung V ist begrenzt. Das heißt, die Beschichtung 4 wird aufgrund der Jouleschen Wärme gemäß Gleichung (2) bei Wicklungen mit hoher Nennspannung verbrannt. Diese Verbrennung der Beschichtung 4 bewirkt eine Verschlechterung der Isolierwicklung des Isolators 2 oder einen Verlust der Nichtlinearität des Widerstandes der Beschichtung 4 unter Ausbildung einer linearen Widerstandscharakteristik, d. h. eines Isolatorwiderstandes. Wenn die Beschichtung 4 zur allmählichen Gestaltung der elektrischen Beanspruchung die nicht-lineare Widerstandscharakteristik verliert, so bedeutet dies, daß bei hohen elektrischen Feldstärken ein Isolatorwiderstand vorliegt.

Somit wird der Potentialgradient am Ende der Erdungselektrode 3 erhöht und bewirkt Kriechentladungen. Somit ist die anwendbare Spannung V bei Verwendung von solchen Beschichtungen zur allmählichen Gestaltung der elektrischen Beanspruchung begrenzt.

Um die oeschriebenen Nachteile zu vermeiden, kann man versuchen, durch Erhöhung der Dicke des Isolators 2 die anlegbare Spannung zu erhöhen. Diesa Maßnahme ist jedoch nicht besonders wirksam wie unten erläutert wird. Dabei wird der Leistungsverbrauch Wm durch Senkung der elektrostatischen Kapazität c (Gleichung [2]) herabgesetzt. Es ist bekannt, daß die anwendbare Spannung erhöht werden kann, wenn man den Leistungsverbrauch Wm, welcher von der Isolaiordicke abhängt, senkt. Auch durch Aufbringung einer weiteren Isolatorschicht auf die Beschichtung 4 und Aufbringung einer weiteren Beschichtung mit nicht-linearem Widerstand auV diese Isolatorschicht (DE-OS 14 63 783) wird im wesentlichen nicht mehr bewirkt als mit einer Vergrößerung der Isolatordicke.

Bei einer anderen herkömmlichen Technik zur Herabminderung der Kriechstromfeldstärke an der Oberfläche der Wicklung werden Spannungsteilerelektroden in dem Isolator 2 am Wicklungsende vorgesehen (Spannungsteilungsmethode). Dabei müssen jedoch bestimmte Spannungsteilerelektroden in den Isolator eingebracht werden. Es ist recht schwierig, die Positionen der Elektroden genau festzulegen, so daß die Leistungsfähigkeit eines solchen Verfahrens zur Herstellung einer Wicklung gering ist. Darüber hinaus wurde bei solL-h^n im Isolator 2 vorgesehenen Elektroden eine wesentlichen Verschlechterung der Isolationswirkung des Isolators 2 gegen Erde fesige stellt.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Einrichtung zur Verhinderung von Kriechentladmipen am Ende einer Ständerwicklung mit hoher Nennspannung zu schaffen, bei der ein hoher Leistungsverbrauch und somit eine Beschädigung der Beschichtung mit spannungsabhängigem Widerstand vermieden wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zweite Beschichtung über eine die Abschirrnisolierung teilweise bedeckende Abschirmelektrode elektrisch mit der Erdungselektrode verbunden ist und daß die Abschirmelektrode in Leiterlängsrichtung über das Ende der Erdungselektrode hinausragt. Auf diese Weise wird der elektrische Strom, welcher durch die Beschichtungen zur allmählichen Gestaltung der elektrischen Beanspruchung fließt, herabgesetzt, so daß der Leistungsverbrauch der Beschichtung herabgesetzt wird.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

im folgenden wird die Eriinuurji anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Teilschnitt durch das Ende einer herkömmlichen Ständerwicklung,

Fit 2 einen Teilschnitt durch eine erste Ausführungsform einer mit der erfindungsgemäßen Einrichtung versehenen Ständerwicklung,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Leistungsverbrauch Wm einer Beschichtung zur allmählichen Gestaltung der elektrischen Beanspruchung der Länge / des überstehenden Endes der Abschirmelektrode.

F i g. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung der Durchbruchspannung eines Beschichtungsfilms zur Herabsetzung der Feldstärke und der Länge / des überstehenden Endes der Abschirmelektrode,

Fig. 5 bis 7 Teilschnitte durch weitere Ausführungsformen der mit der erfindungsgemäßei. Einrichtung versehenen Ständerwicklung.

Im folgenden wird eine typische Ausführungsform der E.iindung anhand der Fig. 2 erläutert. Die Ständerwicklung umfaßt eine Erdungselektrode 3 und einen ersten Beschichtungsfilm 4 zur Herabsetzung der Feldstärke auf die Oberfläche einer isolierenden Schicht 2. Die erste Beschichtung 4 und das Ende der Erdungselektrode 3 sind von einer Abschirmisolierung 5 bedeckt. Diese besteht aus dem gleichen Isolationsmaterial wie die isolierende Schicht 2 und hat eine geeignete Dicke. Sie ist von einer Abschirmelektrode 6 teilweise bedeckt, welche die Erdungselektrode 3 um eine Länge / überragt. Eine zweite Beschichtung 7 zur allmählichen Gestaltung der elektrschen Beanspruchung ist auf die Ab'chirmisolierung 5 und auf das Ende der Abschirmelektrode 6 aufgebracht. Diese Beschichtung 7 erstreckt sich ebenso weil'. ie die Beschichtung 4.

Die Länge der Beschichtung 7 und die Länge der Beschichtung 4 hängen vom Steuerfeld der Beschichtung zur allmählichen Gestaltung der elektrischen Belastung ab. Der Potentialgradient der ersten Beschichtung 4 und der zweiten Beschichtung 7 in Wicklungsrichtung, d. h. der Leistungsverbrsuch der Beschichtung soll im folgenden für die Ausführungsform gemäß Fig. 2 erläutert werden. Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung des berechneten maximalen Leistungsverbrauchs Wmder ersten Beschichtung^ und der zweiten Beschichtung 7, aufgetragen gegen die

Lange /des überstehenden Endes der Abschirmelcktrode 6 gemäß F i g. 2. In F-" i g. 3 bezeichnet die Kurve 11 den maximalen Leistungsverbrauch der ersten Beschichtung 4 und die Kurve 12 den maximalen Leistungsverbrauch der zweiten Beschichtung 7. Im Bereich einer geringen Länge / ist der Leistungsverbrauch der Beschichtung 4 höher als derjenige der Beschichtung 7. Bei einer bestimmten Länge /(in F i g. 3: /= L) ist der Leistungsverbrauch in beiden Beschichtungen gleich. Bei einer erhöhten Länge / ist andererseits in der Leistungsverbrauch in der ersten Beschichtung 4 kleiner als derjenige in der /weiten Beschichtung 7. Die Kurvenform gemäß F i g. 3 kann man folgendermaßen erklären. Im Bereich einer geringen Länge / hat das Potential der Erdungselektrode 3 einen erheblichen < , Einfluß, so daß die Potentialverteilungen der isolierenden Schicht 2 und der Abschirmisolierung 5 von der Nichtlinearität der ersten Beschichtung 4 abhängt. Im Bereich großer Endlänge / hat das Potential der Abschirmelektrode 6 einen großen Einfluß, so daß die :< i'otentiaiverteüungen der isolierenden Schicht 2 und der Abschirmisolierung 5 von der Nichtlinearität des Widerstandes der zweiten Beschichtung 7 abhängen. Im Falle /= L haben die beiden Potentiale der Erdungselektrode 3 und der Abschirmelektrode 6 den gleichen j Einfluß, so daß der Widerstand der ersten Beschichtung 4 gleich dem Widerstand der zweiten Beschichtung 7 ist und demgemäß der Leistungsverbrauch in beiden Beschichtungen gleich ist.

Die Durchbruchspannung der ersten Beschichtung 4 in und der zweiten Beschichtung 7 wird aus der Charakteristik der Länge / und des Leistungsverbrauches Wm gemäß F i g. 3 berechnet. Die Ergebnisse sind in Fig. 4 dargestelllt. Bei der Berechnung wird die Beziehung des maximalen Leistungsverbrauchs Wmder η Beschichtung zur allmählichen Gestaltung der elektrischen Beanspruchung und der angelegten Spannung V gemäß Gleichung (2) berücksichtigt. Dabei ergibt sich

Der Leistungsverbrauch Wm beim Durchbruch aufgrund Joulescher Wärme ist konstant. Bei Werten der Endlänge / im Bereich von Null bis L ist der Leisiungsverbrauch der ersten Beschichtung 4 höher als derjenige der zweiten Beschichtung 7. so daß der :, Durchbruch in der ersten Beschichtung 4 stattfindet. Bei Werten der Endlänge /im Bereich oberhalb L findet der Durchbruch in der zweiten Beschichtung 7 statt. Gemäß Fig. 4 beträgt die Spannung beim Durchbruch der Beschichtung 4 bei der herkömmlichen Ausführungs- m form (Fig. 1) 100%. Die Kurve 13 der Fi g.4 zeigt, daß das Maximum der Durchbruchspannung (BDV) der Beschichtung zur allmählichen Gestaltung der elektrischen Beanspruchung bei /= L liegt. Im Bereich /> L ist die Durchbruchspannung (BDV) im wesentlichen konstant Diese konstante Durchbnichspannung (BDV) ist ein spezielles Merkmal der zweiten Beschichtung 7, welche über der Abschirmisolierung 5 angeordnet ist. Im Bereich /> L entspricht die zweite Beschichtung 7 der ersten Beschichtung 4 bei der herkömmlichen t,o Einrichtung und der erzielte Effekt entspricht der Summe der Dicke der Abschirmisolierung 5 und der Dicke des Isolators 2.

Die elektrostatische Kapazität c pro Flächeneinheit (Gleichung [2]) nimmt ab mit zunehmendem Einfluß der Isolatordicke, so daß der durch die Beschichtung zur allmählicher! Gestaltung der elektrischen Beanspruchung fließende Strom abnimmt Somit wird der Lcistungsverbraiich der Beschichtung zur allmählicher Gestaltung der elektrischen Beanspruchung gescnki und die Spannung V(Gleichung[3]) wird erhöht. 11 icrbe handelt es sich um die Zunahme der Durchbruchspannung (BDV) aufgrund der Isolatordicke. Es ist eir wesentliches Merkmal der Erfindung, daß eine Durch bruchspannung (BDV) erzielt wird, welche höher ist al; diejenige Durchbruchspannung, welche sich aufgrüne der Zunahme der Isolatordicke ergibt. Wie F-" i g. 4 zeigt steigt die Durchbruchspannung (BDV) aufgrund de; Effektes der Isolierungsdicke etwa auf 110%. Demge genüber kann erfindungsgemäß die Durchbruchspan nung (BDV) durch Wahl der Länge ' gemäß dei Beziehung /=/. auf etwa 130% gesteigert werden Somit wird eine Sicherung gegen Krieehentladunger oder eine teilweise Sicherung gegen Kriechentladunj einer Wicklung erzielt, deren Nennspannung etwi 130% der Nennspannungen herkömmlicher Wicklun gen mit herkömmlichen Einrichtungen zur Sicherung gegen Kriecheritladungen beträgt.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 2 erstreckt sicl· das Ende der zweiten Beschichtung 7 ebenso weit wie das Ende der ersten Beschichtung 4. Der gleiche Effekl kann jedoch gemäß F i g. 5 auch bei Verkürzung der Länge der ersten Beschichtung 4 erreicht werden, und zwar unter der Bedingung, daß die zweite Beschichtung 7 die gleiche Länge hat wie in Fig. 2. Dieser Effekt ist abhängig von der Endlänge /und von dem Steuerfeld der Beschichtung. Der gleiche Effekt kann erzielt werdei;. wenn man die Abschirmisolierung 5 verkürzt (F ig. 6).

Ferner kann man gemäß F i g. 7 die zweite Beschichtung 7 mit der ersten Beschichtung 4 zur allmählichen Gestaltung der elektrischen Beanspruchung elektrisch verbinden. Bei Wahl der Ausführtngsform gemäß den Fig. 6 und 7 kommt man mit einer minimalen Menge Isolatormaterial für die Abschirmisolierung 5 aus. Bei einer typischen Ausführungsform der Erfindung gemäß F i g. 2 besteht die Abschirmisolierung 5 aus dem gleichen Material wie die isolierende Schicht 2. Es ist günstig, die Dicke der Abschirmisolierung 5 zu erhöhen. Die spezifische Dielektrizitätskonstante und die Dicke der Abschirmisolierung 5 können unter den genannten Gesichtspunkten frei gewählt werden. Der Wert der optimalen Endlänge L hänge ab von der elektrostatischen Kapazität der isolierenden Schicht 2 und der Abschirmisolierung 5. Den korrekten Wert L kann man aus den elektrostatischen Kapazitäten errechnen.

Wenn es ausreicht, die Durchbruchspannung (BDV) über den reinen Effekt der Isolatordicke hinaus zu erhöhen, so kann man die Endlänge / beliebig wählen, und zwar gewöhnlich im Bereich von 0 mm bis 5ⁿ mm. Dabei ist jedoch die erzielte Durchbruchspannung geringer als im Fall /= L Erfindungsgemäß erfährt die Isolierung der Wicklung eine einfache Spezialbehandlung, wodurch die Grundfunktion der Isolierung 2, nämlich die Isolierung gegen Erde, nicht beeinträchtigt wird.

In der nachstehenden Tabelle sind die Vorteile der erfindungsgemäßen Einrichtung zusammengestellt, wobei die isolierende Schicht 2 und die Abschirmisolierung 5 aus dem gleichen Material bestehen. Es wurden gleiche Tests mit der herkömmlichen Einrichtung gemäß F i g. 1 und mit der erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß F i g. 2 durchgeführt Wie die Tabelle zeigt, hat die erfindungsgemäße Ausführungsform eine höhere Durchbruchspannung der Beschichtung zur allmählichen Gestaltung der elektrischen Beanspru-

Chung. Dies bedeutet, daß mit der erfindungsgemäDen Einrichtung eine Kriechstromentladung am Wicklungsende von Ständern mit höherer Nennspannung verhindert werden kann.

Krfimlungs-	Herkömm
gemäl.le	liche Aiis-
A us füll-	l'iihrungs-
rungslnrm	fbrni gcmiiß
genial.!	I ig. 2
I-ig. 2

Dicke des Isolators 2 4.0

(mm)

Dicke des Abschirmiso- 2.0

lators 5 (mm)

!•!ndlänge / der Abschirm- IO
elektrode 6 (mm)

lirfirKliinps-

Aiisl'iihriinpsl'orm pemiil.l liu. 2

Herkömmliche Aiislührungslcirm gemiiB Ii μ. 2

Durchbriichspanniing der 66.0 51,7

Beschichtung zur allmählichen Gestallung der
elektrischen Beanspruchung (kV)
(quadratischer Mittelwert)

Für die erfindungsgemäße Einrichtung eignen sich alle handelsüblichen Lacke zur Herstellung von Beschichtungen mit nichtlinearcm Widerstand.

IiIaIt Zeichiiimsic

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Verhinderung vonKriechentladungen am Nutaustritt einer Ständerwicklung einer elektrischen Maschine mit einer Erdungselektrode auf einer isolierenden Schicht, mit einer sich wickelkopfseilig an die Erdungselektrode anschließenden, das Ende der Erdungselektrode überlappenden ersten Beschichtung mit einem spannungsabhängigen Widerstand, mit einer Abschirmisolierung über der Beschichtung mit spannungsabhängigem Widerstand und über einen Endbereich der Erdungselektrode und mit einer elektrisch mit der Erdungselektrode verbundenen und die Abschirmisolierung bedeckenden zweiten Beschichtung mit spannungsabhängigem Widerstand, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Beschichtung (7) über eine die Abschirmisolierung (5) teilweise bedeckende Abschirmelektrode (6) elektrisch mit der Erdungselektrode (3) verbunden ist und daß die Abschirmelektrode (6) in Leiterlängsrichtung über das Ende der Erdungseiektrode (3) hinausragt

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmelektrode (6) über das Ende der Erdungselektrode (3) um eine derartige Strecke hinausragt, daß die erste Beschichtung (4) bezogen auf eine Flächeneinheit den gleichen Leistungsverbrauch hat, wie die zweite Beschichtung (7)·

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Beschichtung (4, 7) an dem der Erdungselektrode (3) abgewandten Ende der Abschirmisolierung (5) miteinander verbunden sind.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß uie zweite Beschichtung (7) in Wickelkopfrichtung über die erste Beschichtung (4) hinausragt

5. Einrichtung nach einem der Anprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilbereich der zweiten Beschichtung (7) direkt auf die isolierende Schicht (2) der Wicklung aufgetragen ist.