DE2823988A1

DE2823988A1 - Isolationsstruktur

Info

Publication number: DE2823988A1
Application number: DE19782823988
Authority: DE
Inventors: Carl Flick
Original assignee: Electric Power Research Institute Inc
Current assignee: Electric Power Research Institute Inc
Priority date: 1977-08-18
Filing date: 1978-06-01
Publication date: 1979-02-22
Also published as: JPS5432702A; US4164672A; CA1101033A; GB1594550A; SE7806210L; FR2400790A1

Description

' J. RICHTER F. WERDERMANN R. SPLANEMANN dr. B. REITZNER

DIPL.-INS. DIPL.-ING. _ DIPL.-ING. DIPL.-CHEM. HAMBURS MÖNCHEN

2000 HAMBURG 36 3 1. 5. ⁷B

NEUER WALL TEL. (O 4O) 34 OO 34 OO TELEGRAMME: INVENTIUS HAMBURG

Ξ 78 262 DH

IHR ZEICHEN:

PATENTANMELDUNG

PRIORITÄT: 18. August 1977

(entsor, US-Anm. Serial No₀ 825 862)

BEZEICHNUNG: Isolationsstruktur

ANMELDERS Electric Power Research Institute, Inc, 34-12 Hillview Avenue
Palo Alto, Kalif. V₀St₀A₀

ERFINDER: Carl Flick

Darlington Road
Pittsburgh, Penn,,V₀St,A₀

909808/0664

Konten: Deutsche Bank AQ Hamburg (BLZ 20070000) Konto-Nr. β/10 055 · Postscheckamt Hamburg (BLZ 20010020) Konto-Nr. 282010-201

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Die Erfindung betrifft eine Isolationsstruktur zum Einsatz in einer mit Hochspannung arbeitenden, rotierenden elektrischen Maschine mit einer Ständerwicklung, die aus Phasenwicklungen besteht, die spiralförmig nach außen um die Rotationsachse der Maschine verlaufen»

Theoretische Untersuchungen haben die Vorteile gezeigt, die aus dem Einsatz hoher Ständernennspannungen bei Turbogeneratoren erwachsen würden. Unter diesen Vorteilen ergäbe sich eine Verminderung des Ständerstroms und eine damit einhergehende Verminderung in der Forderung an die Strombelastbarkeit zugeordneter Einrichtungen, ebenso wie die Möglichkeit, einen solchen Generator direkt an ein Energieübertragungs- oder -verteilungssystem anzuschließen.

Der Spannungsbereich großer Turbogeneratoren herkömmlichen Aufbaus liegt in der Größenordnung von 24 bis 30 kV. In der Vergangenheit sind besondere Maßnahmen ergriffen worden, um Nennspannungen bis zu 36 kV zu erreichen, diese sind nunmehr grundsätzlich nur noch von historischer Bedeutung und sind nicht auf praktisch ausgeführte Turbogeneratoren angewendet worden. Nennspannungswerte von bis zu 500 kV, die für den direkten Anschluß an ein Energieüber-tragungssystem geeignet wären, sind bisher nicht als durchführbar angesehen worden.

Die Entwicklung supraleitender Läufer hat die Möglichkeit eröffnet, einen Generator bei besonders hoher, zum Direkt-

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anschluß an Stromversorgungsnetze geeigneter Spannung zu betreiben. Jedoch sind die Ständerwicklungen und die Isolationsanordnungen herkömmlicher Bauform nicht in der Lage, bei solchen besonders hohen Nennspannungen zu arbeiten. Daher ist die Notwendigkeit eines Wicklungsaufbaus und einer Isolationsanordnung anerkannt worden, die für den Betrieb bei besonders hoher Spannung geeignet sind_e

Es ist also Aufgabe der Erfindung, eine neue und verbesserte rotierende elektrische Maschine zu schaffen, die bei besonders hohen Spannungen zu arbeiten vermag, also beispielsweise bei Spannungen, die für die direkte Aufschaltung auf das Energieübertragungsnetz großer Bnergieversorgungssysteme ausreichen, dabei sollen die Ständerwicklung und die Isolationsanordnung bei dieser elektrischen Maschine, die beispielsweise ein Turbogenerator ist, derart beschaffen sein, daß der Betrieb bei sehr hohen Nennspannungswerten von bia zu 500 kV möglich wird, und es soll dabei auch für einen ausreichenden Kühlmittelumlauf gesorgt werden·

Sie zur Lösung der gestellten Aufgabe -vorgeschlagene, erfindungsgemäße Isolationsstruktur ist dadurch gekennzeichnet, daß Phasenzwischenräume zwischen benachbarten Phasenwicklungen ausgebildet sind, daß die Ieolationsstruktur eine Kombination einer in jedem Phaeenznischenraum angeordneten und an den inneren und äußeren ünftmgebereicben 'der Wicklung angeordneten Isolationsschicht

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aufweist, daß jede Isolationsschicht eine Vielzahl von aufeinander geschichteten Lamellen oder Schichten aufweist, die mit einer dielektrischen Flüssigkeit imprägnierbar sind, sowie eine dielektrische Flüssigkeit, die in das Material der Isolationsschichten imprägniert ist.

Nach einem Merkmal der Erfindung wird eine Isolationsstruktur für eine elektrische Maschine der beschriebenen Bauform geschaffen, wo die Phasenwicklungen in spiralförmig verlaufender ocheibenform angeordnet sind, mit glatten und stetig verlaufenden Zwischenräumen zwischen den Phasen, die durchgehende Schichten einer hochspannungsfesten Isolationsstruktur enthalten«

Nach einem weiteren Merkmal wird eine Ständerwicklung und eine Isolationsanordnung nach der beschriebenen Bauform geschaffen, wo der Zwischenraum zwischen den Phasenwicklungen Durchläße für den Durchfluß einer dielektrischen Flüssigkeit zur Kühlung der Wicklungen bildet, ebenso wie Raum für eine laminierte Isolationsstruktur für Verbindungen zwischen den Phasenwicklungen und für die Anfangs- und Endanschlußleiter O

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird eine Windungs- und Isolationsanordnung vom beschriebenen Typ geschaffen, wo die Phasenwicklungen in Schichten ausgebildet sind, die ihrerseits in Abschnitte unterteilt sind, und wobei die Schichten durch Zwischenräume zwischen den

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den Phasenwicklungen voneinander getrennt sind, die mit einer dielektrischen Isolationsstruktur ausgefüllt sind, sowie mit Durchlässen für den Umlauf einer Kühlflüssigkeit und mit Leitern zur Herstellung der Reihenschaltungen der Phasenwicklungen» Die Verbindungsleiter verlaufen dabei in solchen Bahnen in den Zwischenräumen zwischen den Phasenwicklungen, daß die maximal auftretenden Spannungsunterschiede zwischen Leitern und Wicklungsabschnitten auf ein Minimum herabgesetzt werden.

Zusammenfassend dargestellt, schließt die Erfindung eine Ständerwicklung mit einer Vielzahl von Phasenwicklungen ein, von denen eine jede in Reihe zueinander geschaltete Windungen einschließt, die in Bahnen liegen, die spiralförmig nach außen, um den Läufer herum, verlaufen. Die zwischen den Phasenwicklungen ausgebildeten Phasenzwischenräume enthalten Isoliermittel zur Isolation zwischen den Phasen. Die Phasenisolation schließt Schichten von lamelliertea, mit einer dielektrischen Flüssigkeit imprägnierbarem Material ein. Durchläße, durch welche die dielektrische Flüssigkeit als Kühlmittel umläuft, sind auch innerhalb der Phasenwicklungen vorgesehen. Die Phasenwicklungen sind in inneren und äußeren Schichten ausgeführt, von denen eine jede in Abschnitte unterteilt ist. Zwischen diesen Schichten der Wicklungen sind Wicklungszwischenräume zur Einlegung von Isolierraitteln und für Kühlzwecke, sowie zur Anbringung von Anschlußleitern zur Verbindung der Wicklungsabschnitte

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in einer solchen Weise ausgebildet, daß die maximale Spannungsdifferenz zwischen Wicklungen und Leitern auf einen Minimalwert herabgesetzt wird. Die Isolationsmittel zwischen den Wicklungsschichten umfassen laminierte Blätter oder Lamellen aus einem mit einer dielektrischen Flüssigkeit imprägnierbaren Werkstoff₀

Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und anhand der beigefügten Zeichnungen ersichtliche Es zeigen:

₀ 1: eine seitliche Schnittansicht an der Längsachse eines Turbogenerators entlang, mit dem Gegenstand der Erfindung,

» 2: eine Querschnittsansicht der Ständerwicklung in Richtung der Pfeile 2-2 nach Fig. 1,

» 5 eine schematische Schnittansicht zur Veranschaulichung der Ausführungsform der Anordnung der Phasenwicklungen und der Leiterverbindungen nach der Erfindung, für eine Phasenwicklung der Ständer wicklung nach Fig· 2,

Fig. 4-s eine Querscnnittsansicht zur Darstellung der Isolationsanordnung zwischen den Phasenwicklungen,

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in Richtung der Pfeile 4-4- nach Fig. 3,

Fig. 5: eine Querschnittsansicht der Phasenisolation, zwischen zwei Phasenwicklungen der Wicklungsanordnung nach Figo 2,

Figo 6: ein Ausschnitt aus einer Querschnittsansicht der Ständerwicklung nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung, und

Figo 7^: ein vereinfachtes Schaltbild zur Veranschaulichung einer Anordnung für die gegenseitigen Verbindungen an den Leitern zweier Phasenwicklungen für die Wicklungsanordnung nach Fig„ 6.

In den Zeichnungen, in Fig. 1 ist bei 10 allgemein eine elektrische Maschine dargestellt, die den Erfindungsgegenstand einschließt und einen zweipoligen Generator mit einem Läufer 12 umfaßt. Wenn auch eine zweipolige elektrische Maschine beschrieben wird, so ist es doch selbstverständlich, daß die Erfindung auch auf elektrische Maschinen mit vier oder mehr Polen Anwendung finden kann_e

Der Läufer 12 wird von einer Turbine (nicht dargestellt) angetrieben und rotiert um eine Längsachse 14- eines äußeren Gestells oder Gehäuses 16. Aufbau und Wirkungsweise des Läufers sind nicht Bestandteil dieser Erfindung und brauchen daher hier nicht ausführlich beschrieben zu werden.

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Der Läufer ist vorzugsweise von der supraleitenden Bauform, die ein starkes magnetisches Feld aufbaut, das die Ständeroder Hauptwicklung 17 eines um den Läufer 12 herum angebrachten Ständers 18 überstreicht,, Bin supraleitender Läufer einer für den Einsatz mit der vorliegenden Erfindung geeigneten Bauform ist in der US-PS 3 816 780 dargestellt.

Ein zylinderförmiger Ständerschirm 20 mit kreisringförmigem Querschnitt ist um die Ständerwicklung 17 herum montiert und wird von radial hervortretenden Stegen 22 gestützt, die mit dem äußeren Gehäuse 16 verbunden sind. Der Ständerschirm 20 ist aus einer großen Vielzahl von dünnen Blechen oder Blättern 24, beispielsweise von 0_f5 μ Stärke, lamelliert aufgebaut, diese Blätter sind aus einem geeigneten magnetischen Werkstoff wie magnetischem Silizumeisen hergestellt,, Langgestreckte Schraubbolzen 26, 28, erstrecken sich durch Ausnehmungen, die in den Blättern 24 und in Endplatten 50, 52 ausgebildet sind, und halten den Ständerschirm sicher zusammen. Halteringe 5^» 36, die aus einem geeigneten, nichtmetallischen Werkstoff hergestellt sind, werden in Einschnitten angebracht, die durch die vergrößerte Innenbohrung bei den endseitigen Blättern gebildet worden sind, und bilden Verlängerungen des Ständersehirms 20.

Die Ständerwicklung 17 umfaßt eine Vielzahl von Phasenwicklungen, hier als sechs, 38-43, nach Fig. 2 dargestellt. Die einzelnen Phasenwicklungen sind in einer spiral- und

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scheibenförmigen Anordnung angebracht gemäß der Anmeldung P. (US-Anm. Serial Hb. 800 640) desselben

Anmelders, mit der Bezeichnung "Wicklung für elektrische Maschinen"ο Wie dort offenbart, sind sechs Phasenwicklungen über den Umfang in gleichen Abständen um ein zylinderförmiges Isolier- und Trägerrohr 46 verteilt, das seinerseits um ein Abdichtungsrohr 48 mit zylinderförmiger Bohrung herum angebracht ist. Jede Phasenwicklung liegt in einer Bahn, die sich über einen Kreisbogen - hier mit 210° dargestellt - spiralförmig nach außen erstreckt, dabei liegt der äußere Teil der Phasenwicklung näher am Außendurchmesser der Wicklungsanordnung, wo er vom Ständerschirm 20 abgestützt wird. Die spiral- und scheibenförmige Gestalt der Phasenwicklung begrenzt spiralförmig gewundene Phasenzwischenräume 50-55 zwischen den Phasen, bzw. den Phasenwicklungen, diese Zwischenräume verlaufen gleichförmig glatt und stetig.

Die schematische Schnittansicht nach Fig. 5 veranschaulicht eine Ausführungsform von einem Aufbau einer Phasenwicklung 41 in einem axialen Schnitt, und diese Wicklung ist typisch für die sechs Phasenwicklungen. Zum Zwecke der Verminderung der dielektrischen Beanspruchung ist die Phasenwicklung 41 mit einer inneren und einer äußeren Schicht 56, 58 ausgebildet, die ferner in viele Abschnitte unterteilt ist. So ist die innere Schicht 56 in Abschnitte 64 und 66, unterteilt, ,während die äußere Schicht 38 mit

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mit Abschnitten 60 und 62 ausgebildet ist₀ Die innere und die äußere Schicht sind durch einen glatten und durchgehenden Wicklungszwischenraum 68 voneinander getrennt. Der Wicklungszwischenraum 68 ist mit der Wicklungsisolation ausgefüllt, die unten in Verbindung mit Fig. 4· beschrieben wird.

Jeder Wicklungsabschnitt umfaßt eine große Vielzahl, beispielsweise 100, in Reihe geschaltete Windungen 70-75· Die Windungen bestehen aus einer Vielzahl von feinen Strängen eines gut leitenden Metalls, wie beispielsweise Kupfer» Die Ausbildung feiner Stränge setzt die Streuverluste infolge der Aussetzung der Wicklung im Luftspalt einer hohen Flußdichte herab» Die Stränge sind gegeneinander mit einer geeigneten dielektrischen Beschichtung isoliert, wie beispielsweise einer Kunstharzlackschicht. Eine Isolationsschicht 74-aus durchlässigem Material wie Papier ist um jede Windung, wie auch um die Wicklungsanschlüsse gelegt. Die Stränge sind seitlich in regelmäßigen Abständen oder fortlaufend über die Länge der Windungen zum Zweck des Spannungsausgleichs versetzt, diese Spannungen werden in den Strängen entweder durch quer zum Schlitz oder einen radialen magnetischen Fluß erzeugt, und durch diese Maßnahme werden die durch eine solche Quelle verursachten Ströme unterbunden»

Die optimale Verteilung der dielektrischen oder Spannungs-Beanspruchung innerhalb jeder Phasenwicklung wird durch die in Schichten und Abschnitten ausgeführte Formgebung in einer

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Weise geschaffen, die den maximalen Spannungsunterschied auf ein Minimum herabsetzt und dadurch die maximalen dielektrischen Beanspruchungen auf ein Minimum bringt, und zwar an dem Phasenzwischenraum und an der Isolation und zwischen benachbarten Leitern, die sich am Wicklungszwischenraum entlang erstrecken. Eine Ausführungsform dieser Anordnung wird durch die schematische Schnittansicht nach Figo 3 veranschaulicht, wo die Anfangs- und Endanschlußleiter 76, 78 mit dem äußeren Ende des Abschnitts 60 der äußeren Wicklungsschicht beim Punkt A, und das innere Ende des Abschnitts der inneren Wicklungsschicht beim Punkt E verbunden sind. Der Endanschlußleiter 78 erstreckt sich vom Punkt E zwischen den Abschnitten 64- und 66 und dann am Wicklungszwischenraum 68 entlang» Ein Anschlußleiter 80 ist beim Punkt B mit dem inneren Ende des Abschnitts 60 verbunden und verläuft am Wicklungszwischenraum entlang, wo er mit dem äußeren Ende des Abschnitts &'r der inneren Wicklungsschicht beim Punkt B¹ verbunden ist. Ein Anschlußleiter 82 ist beim Punkt C mit dem inneren Ende des Abschnitts 64 verbunden und erstreckt sich nach oben zum Anschluß an das äußere Ende des Abschnitte 62 der äußeren Schicht beim Punkt C*. Das innere Ende des Abschnitts 62 ist beim Punkt D mit einem Leiter 84 verbunden, der am Wicklungszwischenraum entlang geführt ist, um beim Punkt D* mit dem äußeren Bade des Abschnitts 66 der inneren Schicht verbunden zu werden,

ünt'er der Annahme, daß eine gleichförmige Spannungever-

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teilung über alle Windungen der Phasenwicklung vorliegt, können die relativen Spannungspegel an den Anschlußpunkten bei Annahme beliebeiger Spannungseinheiten wie folgt angesetzt werden: Punkt A-A¹: 6 Spannungseinheiten, Punkt-B-B¹: 4- Spannungseinheiten, Punkt C-G¹: 2 Sp annungs einheit en, Punkt D-D¹; 1 Spannungseinheit, Punkt E-E': 0 Spannungseinheiten. Unter diesen Annahmen beträgt die maximale Spannungsdifferenz an der Wicklungsisolation, d_eh„ zwischen den Punkten A und B¹ oder zwischen den Punkten B und G ein Drittel der Spannungsdifferenz von 6 Spannungseinheiten über die Zonenbreite. Gleichzeitig beträgt die maximale Spannung von dem Leiter 78, der sich vom inneren Ende der Phasenwicklung bis zu den benachbarten Windungen erstreckt, zwei Drittel der Spannungsdifferenz der Zonenbreite. Somit liegen vier Spannungseinheiten Differenz zwischen dem Anschlußleiter 78 und dem Punkt B* vor. Bei einer in Stern-Reihenschaltung angeordneten Wicklung beträgt die Spannung für jede Zonenbreite die halbe Maschinennennspannung. Somit würde die maximale Spannungsbeanspruchung der Leiterisolation ein Drittel des Grund-Impulspegels (BIL - basic impulsive level) für das Isoliermaterial betragen und damit allein eine Stärke der Isolation erforderlich machen, die gleich einem Drittel oder weniger der Phasenisolation ist₀

Die spiral- und scheibenförmige Geometrie der Phasenwicklungen gewährleistet glatte und durchgehende Zwischenräume zwischen den Phasen für die Einbringung der Phasenisolation

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von hoher dielektrischer Beanspruchbarkeit oder hoher Spannungsfestigkeit„ Die Isolation innerhalb des in Fig. 5 gezeigten Phasenzwischenraums 50> zwischen den Phasenwicklungen 41 und 42 ist typisch und umfaßt eine laminierte Schicht 86 eines mit einer· dielektrischen Flüssigkeit imprägnierten Werkstoffs, Die Isolierschicht 86 wird aus aufeinandergeschichteten Lagen 92 mit durchlässiger Struktur' ausgebildet, wie beispielsweise einen zellulosehaltigen Material wie Preßpappe, Papier oder einer Kombination aus beidem, oder es kann eine Kunstfaser wie Nylon oder Dacron sein. Die Stärke und Anzahl der Lagen hängt in jeder Schicht von dem elektrischen Potential ab, gegen welches bei einer bestimmten Anwendung des Generators isoliert werden muß. So kann beispielsweise die Stärke der Lagen im Bereich von 1,5 bis 3 mm (1/16 bis 1/3 Zoll) liegen, und die Anzahl von Lagen oder Blättern kann in jeder Schicht in der Größenordnung von 20 oder mehr liegen,,

Zur Vermeidung von Kriechwegen ragen die axialen Endbereiche 94, 96 der laminierten Schichten über die Endbereiche der Phasenwicklungen (Fig„ 1) hinaus, und die äußeren radialen Ränder 98, 100 der Schichten überdecken die darunterliegenden Ränder der Phasenwicklungen (Fig. 2), Die äußeren Ränder der Schichten sind ebenfalls verjüngt durch Zuschnitt der einzelnen Lagen in verschiedenen Breiten, so daß der äußere Umfang der Ständerwicklung formschlüssig zu dem Ständerschirm 20 ist. Isolierstreifen

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102, 104 aus imprägniertem Isolierwerkstoff werden unterhalb der sich verjüngenden Ränder in der Nähe der Außenseiten der Phasenwicklungen eingesetzt. Die inneren Ränder 106, 108 der laminierten Schichten sind ebenfalls verjüngt, um formschlüssig zum Durchmesser des inneren Zylinders 46 zu verlauf en ο

Die dielektrische Flüssigkeit, welche in die laminierten Schichten imprägniert ist, ist vorzugsweise ein wasserfreies Transformatorenöl. Die Phasenzwischenräume sind an den axialen Endbereichen offen und gestatten den freien Durchfluß von Öl von und zu ölgefüllten Kammern 110, 112, an den einander entgegengesetzten Endbereichen der Maschine. Die Kammern 110, 112 sind durch Verlängerungen 114 und 116 abgeschlossen, die auf den gegenüberliegenden Enden des Abdichtungsrohrs 48 angebracht sind. Die äußeren Umfangsbereiche der Verlängerungen sind innerhalb der kreisförmigen Endbereiche des Gestells 16 befestigt. Eine geeignete Pumpvorrichtung (nicht dargestellt) ist für die Umwälzung des Öls aus den Kammern 110, 112, in den Phasen- und Wicklungszwischenräumen entlang, bis zu einem äußeren (nicht dargestellten) Wärmeaustauscher zur Abkühlung und dann zurück zu den Kammern, vorgesehene

Wie in Fig. 4 für die typische Phasenwicklung 41 gezeigt, wird eine Isolationsschicht 110" als Wicklungsschichtisolation in jedem der Wicklungszwischenräume 68 vorgesehen.

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Jede Isolationsschicht 110' umfaßt eine Schicht von
Lamellen oder Blättern 11A-', die aus einem mit einer dielektrischen Flüssigkeit imprägnierten Material gebildet sind. Vorzugsweise handelt es sich bei den Blättern um
das mit öl imprägnierte durchlässige Material, das zuvor für die Phasenisoltaionsschicht 86 beschrieben v/orden war. Die Anzahl und Stärke der Blätter in jeder Wicklungsschicht 110*, hängt von dem elektrischen Feld ab, gegen welches diese Isolation auszulegen ist» Vorzugsweise ist die dielektrische, in die Schicht imprägnierte Flüssigkeit
Transformatorenöl. Es sind Mittel zur Ausbildung von Öldurchlässen 118-122 an gegenüberliegenden Seiten der Schicht vorgesehen. Der Durchlaß 118 ist typisch und umfaßt eine Reihe von Durchgängen 124·, die von einer Vielzahl von
Abstandsblöcken 126 gebildet werden, die an den Blättern 114' in regelmäßigen Abständen durch geeignete Mittel, wie Klebemittel befestigt sind. Das Volumen zwischen den Blättern und den Abstandsblöcken schafft einen Durchlaß für den Durchfluß von öl in die Wicklungszwischenräume hinein und wieder heraus zur Kühlung der Wicklung.

Die Wicklungs-Isolationsschichten gestatten die Unterbringung der Leiterverbindungen innerhalb der Phasenwicklungen und der Anfangs- und Endanschlußleiter innerhalb des Wicklungszwischenraumes 68, ohne die Integrität der Isolation zu verletzen. Daher ist der Leiter 80 abgeflacht und an einer Seite der Phasenwicklung angeordnet. Die Abstands-

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blöcke in den Öldurchlässen 112 und 118, an der Verlegungsroute des Leiters entlang, sind entfernt worden, um den darunterliegenden Teil der Phasenwicklung und der laminierten Schicht eine Ausdehnungsmöglichkeit nach oben zu gestatten.,

Die dielektrische Beanspruchung im Luftspalt, der den läufer umgibt, kann durch einen mit Masse verbundenen, auf dem Abdichtungsrohr 48 vorgesehenen elektrostatischen Schirm vermindert werden» Streifen eines elektrischen Leiter- oder Halbleitermaterials (nicht dargestellt) sind an der oder in der Nähe der Außenfläche des Abdichtungsrohrs 48 angebracht, dabei sind diese Streifen mit Masse verbunden. Der Schirm kann auch aus sehr dünnen Schichten eines leitenden Lacks bestehen, der in dünnen, axial verlaufenden und wechselseitig an den gegenüberliegenden Enden des Abdichtungsrohrs 4-8 angeschlossenen Streifen angeordnet ist. Oberflächen-Kriechvorgänge zwischen diesen Streifen werden durch geeignete Mittel unterbunden, wie Einbettung der Streifen in der Oberfläche des Abdichtungsrohrs 48„ Der elektrostatische Schirm dient zur Fernhaltung elektrischer Felder sowohl vom Luftspalt, als auch von dem Haupt-Dickenbereich der Abdichtung der Bohrung, der daher nicht die hochfesten Isolationseigenschaften aufzuweisen braucht, die ansonsten erforderlich wären.

In Fig. 6 ist eine andere Ausführungsform dargestellt, die

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einen Ausschnitt einer Querschnittsansicht von einer Ständerwicklung 128 einer rotierenden elektrischen Maschine zeigt. Die Wicklung umfaßt eine Vielzahl, beispielsweise von sechs Phasenwicklungen, 13O, 132, 134, und 136, die in nach außen spiralförmig verlaufenden Bahnen um den Läufer 138 in der oben für die Ausführungsform nach Fig. 1 beschriebenen Art und Weise angeordnet sind,, Der Aufbau der Phasenwicklung 132 ist typisch und umfaßt eine Vielzahl von mit Papier isolierten Windungen 140, von denen Jede aus feinen Kupfersträngen (-drähten) gebildet ist, die gegeneinander mittels einer geeigneten dielektrischen Beschichtung, wie einer Kunstofflackschicht, isoliert sind» Die Windungen jeder Phasenwicklung sind in inneren und äußeren Schichten 142, 144- angeordnet, dabei ist ,jede Schicht in Paare von Teilschichten 146, 148 und 15O, 1^2 unterteilt, die aus zueinander parallelen Leitern gebildet werden. Die Teilschichten jedes Paares sind durch Durchgänge 1^4, 156 von-

duüch
einander getrennt, welche eine geeignete dielektrische Flüssigkeit, wie beispielsweise Transformatorenöl, zum Zwecke der Kühlung und Isolation umgewälzt wird. Die innere und die äußere Schicht jeder Phasenwicklung sind durch Wicklungszwischenräume voneinander getrennt, die mit einer Wicklungsisoltaion 157 angefüllt sind, die aus einem mit dielektrischer Flüssigkeit imprägnierten Material bestefjt, wie die oben bei der A_usführungsform nach Fig. 1 beschriebenen durchlässigen Blätter.

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ζ?

Die Leiter der einem jeden Durchgang für die Flüssigkeit zugeordneten Teilschichten sind gleichsinnig gewickelt und effektiv zueiander elektrisch parallelgeschaltet. Die Spannung an jedem Leiter entspricht daher im wesentlichen der Spannung des zugeordneten Leiters auf der anderen Seite des Durchgangs, derart, daß die Potentialdifferenz am Durchgang überall zwischen den Leiterschichten nahe bei Null liegt«. Somit ist die Flüssigkeit in jedem Durchgang gegen dielektrische Beanspruchung geschützt.

Die Spannungsverteilung von Windung zu Windung zwischen den inneren und äußeren Schichten 142 und 144 wird dadurch aufrechterhalten, daß die Isolation 157 innerhalb der Phasenwicklung in abgestufter Formgebung, vom dicken Abschnitt 158 zwischen den äußeren Windungen bis zu dem verhältnismäßig dünnen Abschnitt 159» fortschreitet, dieser dünne Abschnitt trennt die inneren Windungen voneinander. Das Seitenverhältnis (Hohe/Breite) des Leiters wird zwischen den Isolationsabschnitten verändert, um einen annähernd konstanten Leiterquerschnitt aufrechtzuerhalten« Die Wicklungsisolation 157 kann sich auch kontinuierlich (d_eho stufenlos) in ihrer Stärke ändern, von der äußeren zur inneren Windung, wobei die Querschnittsforra der Leiter damit formschlüssig ändert. Als weitere Verfeinerung könnte sich der Leiterquerschnitt kontinuierlich oder in Abständen ändern, wie es durch die mit der Kühlflüssigkeit in Berührung stehende Oberfläche festgeigt wird.

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Fi;;. 7 veranschaulicht in schematise her Fo I'm eine Anordnung für die Verbindungen von zwei Phasenwicklungen 1J2, 134- der Wicklung 128 für die Ausführungsform nach Figo Aufeinanderfolgende Windungen der Schichten sind im richtigen (gleichen) Wicklungssinn gewickelt, so daß beide Hälften jeder Phasenwicklung additiv zusammenwirken. Beginnt man beispielsweise a:.i äußeren Leiterende 160, an der äußeren Phasenwicklung 1J4-, so verlaufen die aufeinanderfolgenden Windungen spiralförmig nach innen in ersten Paar von Teilschichten 162, 164, sie sind dann an den inneren Leiterenden 166, 168 kreuzweise mit den anderen Paaren von Teilschichten 170, 172 verbunden und laufen dann spiralförmig nach außen zurück in den letzteren Teilschichten. Folglich liegt der Wicklungsendleiter auch an der Außenseite der Phasenwicklung, und es ergeben sich keine Probleme durch Leiterüberkreuzung. Die kreuzweise Verbindung oder Versetzung im Inneren, bei 166, 168, gewährleistet, daß jede parallele Bahn eine gleiche Leiterzahl in denselben zueinander relativen Positionen enthält.

Aus den obigen Ausführungen folgt, daß eine neue Wicklungs- und Isolationsanordnung geschaffen worden ist für eine mit sehr hoher Spannung arbeitende elektrische Maschine. Die spiral- und scheibenförmige Gestaltung der Wicklung schafft glattflächige und kontinuierliche Phasen- und Wicklungszwischenräume, die hochspannungsfeste Isolierschichten enthalten. Die Formgebung der Ständerwicklung am Luftspalt

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gestattet, daß die Masseebene in der Ständerdohirm hinaus verlegt wird, so daß Betrieb bei sehr hoher Spannung durchführbar wird. Die mit dem Erfindungsgegenstand erreichbaren Nennspannungswerte gestatten den Direktanschluß des Generators an das Energieübertragungsnetz und beseitigen dadurch Verluste, die durch den Transformator bedingt sind, ebenso wie ein besserer Fehlerscheibchenschutz geschaffen wird,, Es ist zu erwarten, daß der Betrieb bei noch höherer Spannung andere Vorteile ergibt, wie beispielsweise verminderte Kosten für die Hauptstromschiene und eine einfachere Anbringung von Kabelverbindungen zu entfernten Transformatoren,,

Wenn auch die vorstehenden Ausführungsformen gegenwärtig als bevorzugt angesehen werden, so ist es selbstverständlich, daß zahlreiche Änderungen und Abwandlungen vom Fachmann ausgeführt werden können, und es ist beabsichtigt, in den beigefügten Ansprüchen alle solche Änderungen und Abwandlungen zu erfassen, die in den Rahmen der Erfindung und in das Erfindungsprinzip fallen„

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Claims

PATENTANWÄLTE

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INVENTlUS HAMBURG UNSEREAKTE: j. _?g 353 IHRZEICHEN:

Patentansprüche

1.j Isolationsstruktur zum Einsatz in einer mit Hochspannung arbeitenden, rotierenden elektrischen Maschine mit einer ötänderwicklung, die aus Phasenwicklungen besteht, die spiralförmig nach außen um die Rotationsachse der Maschine verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß Phasenzwischenräume (50-55) zwischen benachbarten Phasenwicklungen (38-43;130,132,134,136) ausgebildet sind, daß die Isolationsstruktur eine Kombination einer in jedem Phasenzwischenraum (50-55) angeordneten und an den inneren und äußeren Umfangsbereichen der Wicklung angeordneten Isolationsschicht (86j 157) aufweist, daß jede Isolationsschicht (86j 157) eine Vielzahl von aufeinander geschichteten Blättern oder Lamellen (92) aufweist, die mit einer dielektrischen Flüssigkeit imprägnierbar sind, sowie eine dielektrische Flüssigkeit, die in das Material der Isolerschichten (86, 157) imprägniert ist.

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Konten: Deutsche Bank AQ Hamburg (BLZ 20070000) Konto-Nr. 8/10 055 · Postscheckamt Hamburg (BLZ 20010020) Konto-Nr. 282080-201

2. Isolationsstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Blätter der Isolationsschicht (86;157) von durchlässiger Zusammensetzung ist,

3» Isolationsstruktur nach-Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blätter eine Stärke von 1,5 bis 3 nim aufweisen und sich im v/esentlichen durchgehend durch die Phasenzwischenräume (50-55) zwischen den Phasenwicklungen erstrecken,,

4·. Isolationsstruktur nach Anspruch 3j dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Flüssigkeit Transformatorenöl ist ο

5« Isolationsstruktur nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel für den Umlauf der Flüssigkeit durch Durchlässe (112-118) zur Kühlung der Phasenwicklungen (38-4-3) einschließt»

6. Isolationsstruktur nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenzwischenräume (50-55) zwischen den Phasenwicklungen (38-4-3) an den axialen Endbereichen der Ioslationsschichten (86) offen sind zur Überleitung der Flüssigkeit von denaxialen Endbereichen der Maschine (10) in die Durchlässe (112-118) hinein und von diesen fort.

7· Ständerwicklung für Hochspannungsbetrieb für eine

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rotierende elektrische Maschine mit einer Vielzahl von Phasenwicklungen, die in einer elektrischen Schaltung verbindbar sind, wobei jede Phasenwicklurig in einer nach außen spiralförmig um die Rotationsachse der Maschine herum verlaufenden Bahn liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenwicklungen (38-45; 1JO, 132, 134, 136) in Umfangsrichtung in Abständen zueinander angeordnet sind und dazwischen durchgehende Zwischenräume (50-55) zwischen den Phasen bilden, daß jede Phasenwicklung (38-43i 130, 132, 134, 136) innere und äußere Wicklungsschichten (56, 58} 142, 144) umfaßt, die in einem gewissen Abstand zur Ausbildung von Wicklungszwischenräumen (68) zueinander verlaufen, daß sich dielektrische Isoliermittel (11O¹J 157) in den Wicklungszwischenräumen (68) entlang erstrecken, ebenso wie Verbindungsleiter (78, 82) zur Verbindung der· inneren und äußeren Wicklungsschichten (56, 58} 142, 144) jeder Phasenwicklung (38-43; 130, 132, 134, 136) in einer Phase der elektrischen Schaltung,

8. Wicklung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliermittel in den Wicklungszwischenräumen (68) aus einer Vielzahl übereinandergeschichteter Blätter (92,114») eines mit einer dielektrischen Flüssigkeit imprägnierbaren Materials gebildet sind, daß eine dielektrische Flüssigkeit in das Material der Blätter (92j 114') imprägniert ist und Teilbereiche der Wicklungszwischenräume (68) zwischen den Blättern (114¹) und den Wicklungsschichten (56,58) einnimmt»

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CRiGSNAL INSPECTED

9o Wicklung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel (126) zur Bildung von Durchlässen (124-) zur Einleitung einer Strömung einer dielektrischen Flüssigkeit zu Teilbereichen der Wicklungszwischenräume (68) zwischen den Blättern (114-') und den Wicklungsschichten (56, 58) und von diesen wieder fort einschließt.

1Oo Wicklung nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, daß die die Durchlässe (112-118) bildenden Mittel zumindest ein Blatt einschließen, das aus einem dielektrische Flüssigkeit absorbierenden Material hergestellt ist, zusammen mit AbStandsblöcken (126), die das genannte Blatt in einem ^Abstand zur Ausbildung von Durchgängen (124-) halten, für die Flüssigkeitsströmung innerhalb der Phasenwicklungen (38-4-3) und zwischen den Wicklungsschichten (56, 58).

11. Wicklung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß Leiter Verbindungsleiter (78, 82) für jede Wicklungsschicht (56, 58) einschließen, die sich an den genannten Durchlässen (112-118) entlang erstrecken, die zwischen den Wicklungsschichten (56, 3Q) und zwischen den Phasen ausgebildet sindj daß die Abstandsblöcke (126) in iteer Dicke an der Länge der Leiter entlang vermindert sind, um die Stärke des Leitere auf die Dicke der Blätter innerhalb des zugeordneten Wicklungszwischenraume (68) anzupassen.

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12. Wicklung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wicklungsschicht (56, 58) aus einer Vielzahl von Abschnitten (60, 62, 64·, 66) gebildet ist, daß jeder Abschnitt eine Vielzahl in Reihe geschalteter Windungen (71, 73, 70, 72, 7^-) aufweist, daß jeder Abschnitt (60, 62, 64, 66) Endverbindungen aufweist und Verbindungsleiter (78, 82), um die Endverbindungen der Abschnitte jeder Phasenwicklung (38-43) in Reihe zu schalten, daß die genannten Verbindungsleiter (78, 82) zumindest einen Abschnitt einschließen, der sich vom Endanschluß einer Phasenwicklung (38-43) durch eine Bahn in dem Wicklungszwischenraum (68), der einem anderen Wicklungsabschnitt benachbart ist, derart erstreckt, daß die maximale Spannungsdifferenz zwischen einem Anschnitt und einem anderen Abschnitt der Wicklungsschicht einen Mindestwert annimmt,,

13» Wicklung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß jede Wicklungsschicht (56, 58j 142, 144) zwei Teilschichten (146, 148j 15O, 152) umfaßt, die einen gewissen Abstand zueinander aufweisen, zur Bildung eines Durchlasses (i54-> 156) für den Umlauf einer dielektrischen Flüssigkeit, daß jede '-Peilschicht (146, 148; 15O, 152) Windungen umfaßt, die elektrisch parallelgeschaltet mit und in demselben Sinne gewickelt sind wie die Windungen der benachbarten Teilschicht des ^aares, derart, daß die in dem Durchlaß ( 154, 156) befindliche Flüssigkeit gegen dielektrische Beanspruchung geschützt ist.

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14. Wicklung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zur kreuzweisen Reihenschaltung der inneren Leiterenden einer Teilschicht (162,164) einer Wicklungsschicht mit dem Leiterende derjenigen Teilschicht aufweisen, die dieselbe relative Position in der benachbarten WiekLmgsschicht in jeder Phasenwicklung (132, 134) aufweisen, derart, daß jede parallel liegende Leiterbahn eine gleiche ^Änzahl von Leitern in denselben relativen Postionen enthält,

15· Wicklung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsmittel (157, 158, 158) in den Wicklungszwischenräumen in einer Stärke ausgebildet sind, die in Richtung von den äußeren zu den inneren Windungen einer jeden Phasenwicklung abnimmt, um die Verteilung der Spannung von Windung zu Windung zwischen den inneren und äußeren Windungsschichten aufrechtzuerhalten

16„ Wicklung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Isoliermittel (157, 158, 159) eine stufenweise veränderliche Stärke aufweisen, die in Abständen abnimmt, und das sich die Querschnittsformen der Teilschichten (146, 148, 150, 152) in Abständen ändern, die eine Formschlüssigkeit mit den benachbarten Isoliermitteln (157, 158, 159) ergeben.

17o Elektrische Maschine mit einem Läufer zum Aufbau eines Drehfeldes, mit einem zylinderförmigen Ständerschirm, der radial in einem gewissen Abstand um den Läufer angebracht

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ist, wobei eine Standerwicklung zwischen dem Ständerschirm und dem Läufer angeordnet ist und eine Vielzahl von Phasenwicklungen umfaßt, von denen jede in Reihe zueinander geschaltete Windungen einschließt, die in einer um den Läufer herum spiralförmig nach außen verlaufenden Bahn liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenwicklungen (38-43) über den Umfangsbereich in Abständen zueinander zur Ausbildung von Phasenzwischenräumen (50-55) angeordnet sind, daß diese Phasenzwischenräume (50-55) spiralförmig um den Läufer (12) herum nach außen verlaufen, daß eine Isolation (86) gegen Masse mit dem Ständerschirm (20) und einem Abdichtungsrohr (48) verbunden ist, daß sich eine Phasenisolation (86) in jedem Phasenzwischenraum (50-55) befindet und eine Schicht laminierten, mit einer dielektrischen Flüssigkeit imprägnierbaren Materials umfaßt, daß eine Wicklungsisolation (110¹) innerhalb jeder Phasenwicklung (38-43) angeordnet ist und eine zweite Schicht eines laminierten, durch eine dielektrische Flüssigkeit imprägnierbaren Materials umfaßt, daß Mittel (126) zur Ausbildung von Durchlässen (112-118) für die dielektrische Flüssigkeit in 3edör Phasenwicklung (38-43) vorgesehen sind, und daß eine dielektrische Flüssigkeit in das laminierte Material imprägniert und in den Durchlässen (112- 118) vorhanden ist.

18«, Elektrische Maschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden Bndbereiche (94, 96) der laminierten Isolierschichten sich in axialer Richtung über die axialen ISndbereiche der Phasenwicklungen

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hinaus zur Unterbindung von Kriechwegen erstrecken.

19. Elektrische Maschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Abdichtungsrohr (48) einschließt, das um den Läufer (12) herum innerhalb des inneren Umfangsbereichs der Ständerwicklung (17) angebracht ist, daß Mittel (114, 116) zur Ausbildung abgedichteter Kammern (HO, 112) an den entgegengesetzten Enden der Wicklung zwischen dem ^dichtung srohr (48) und dem ötänderschirm (20) angeordnet sind, und eine dielektrische Flüssigkeit in den Kammern (HO, 112) entahlten ist, zur Strömungsmittelverbindung mit den Phasenzwischenräumen (50-55) für den Zu- und Abfluß, derart, daß die Flüssigkeit zur Kühlung der Phasenwicklungen (38-43) im Wärmeaustausch mit diesen letzteren steht.

20. Elektrische Maschine nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen jeder Phasenwicklung (38-43) jeweils in inneren und äußeren Wicklungeschichten (56, 58) angeordnet sind, die durch einen durchgehenden Wicklungszwischenraum voneinander getrennt sind, daß Wicklungsisloationsmittel (i10^f) innerhalb jedes Wicklungszwischenraumes (68) angeordnet sind und eine zwischen den Phasenwicklungen (38-43) liegende Schicht (110') von laminierten flachen Lagen (114¹) eine» durch eine dielektrische Flüssigkeit imprägnierbaren Materials tuBfassen, daß Mittel (126) zur Azsbildung von Ducrnlässen (112-118)

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zwischen den Phasenwicklungen (38-4-3) und "benachbarten Schichten von Phasenwicklungen angeordnet sind, und daß eine dielektrische Flüssigkeit in das Material zwischen den Phasenwicklungen (38-4-3) imprägniert ist und sich in den Durchlässen (112-118) zur Kühlung der Windungen befindet.

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