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BESCHREIBUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Maschinen und betrifft
insbesondere Stabwicklungen des Stators einer elektrischen Maschine.
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Konkreter betrifft die vorliegende Erfindung den Aufbau der elektrischen
Isolationseinrichtungen für die Endverbindungen der Außenstäbe der Statorwicklung
einer elektrischen Maschine, die zu verschiedenen Phasengruppen der Stäbe dieser
Wicklung gehören.
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Besonders erfolgreich kann die Erfindung in elektrischen Hoch- und
Grenzleistungs-Hochspannungs-Wechselstromgeneratoren verwendet werden, deren Statorwicklung
eine Wasserkühlung hat, insbesondere in Turbo- und Wasserkraftgeneratoren.
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In elektrischen Generatoren mit Stabwicklungsen des Stators werden
die Stäbe in die Radialnuten des Statorkerns eingelegt und ihre Enden treten über
die Grenzen dieser Nuten hinaus. In den Wickelkopfteilen der Statorwicklung an den
Stirnseiten des Stators sind die Enden der Stäbe in Übereinstimmung mit der für
den vorliegenden Generator angenommenen elektrischen Schaltung mittels entsprechender
Verbindungsstege (Bügel) miteinander verbunden.
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Dabei sind die Endverbindungen der Stäbe über den Statorumfang in
mehrere sich abwechselnde Gruppen eingeteilt, die zu verschiedenen Phasen der Wicklung
gehören. Jede dieser Gruppen enthält mehrere Endverbindungen, die sich auf eine
Wicklungsphase beziehen. Während zwischen zwei benachbarten Endverbindungen der
Stäbe einer Phasengruppe der Wicklung beim Betrieb des Generators ein verhältnismäßig
geringes Potential besteht, -das durch die Windungsspannung einer Wicklungsphase
bestimmt
wird, kann zwischen den benachbarten äußeren ¢ndverbindungen
zweier aufeinanderfolgender verschiedener Phasengruppen die volle verkettete Spannung
der Statorwicklung wirken, -die in modernen Hochleistunseneratoren die arößenordnung
von 30 Kilovolt erreichen kann. Deshalb müssen die äußeren Endverbindungen zwecks
Vermeidung eines burchschlags zwischen ihnen mit Mitteln versehen werden, die eine
sichere elektrische Isolierung jeder solcher Endverbindung von der anderen gewährleistet.
Außerdem soll das verwendete elektrische Isolationsmittel der Sndverbindungen die
mechanische Festigkeit der Wicklung mindestens nicht verschlechtern, insbesondere
deren Wickelkopfteile, die im Laufe des Betriebs des Generators ziemlich bedeutenden
elektrodynamischen Beanspruchungen ausgesetzt sein können. Dabei muß das verwendete
elektrische Isolationsmittel seine Funktionen im Laufe einer ausreichend langen
Zeit und unter verschiedenen Betriebsbedingungen des Generators sicher ausüben,
einschließlich der Bedingungen seiner Hochspannungsprüfungen, der Betriebszustände
mit hohen Belastungen und der Kurzschlußfälle.
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bs existieren zwe-i Grundtypen der Mittel zur elektrischen lsolation
der Endverbindungen von Stäben der Statorwicklung, und zwar Mittel des kontinuierlichen
Typs, die eine Schicht darstellen, die aus einer Vielzahl von Windungen eines Elektroisolationsbands
besteht, das mit entsprechenden chemischen Zusammensetzungen imprägniert ist,
wobei
diese Schicht einer erforderlichen Wärmebehandlung unterzogen wird, und Mittel des
"Barrieren"-Typs, -Typs, die elektrische Isolationselemente verschiedener geometrischer
Form enthalten, die zwischen den zu isolierenden Enverbindmqenangebracht werden
und eine Art Barrieren darstellen, die das Fließen des elektrischen Durchschlagstroms
verhindern. Die Verwendung von Mitteln des kontinuierlichen Typs verkompliziert
die Fertigungstechnologie der elektrischen Maschine und deren Reparatur, und gestattet
es nicht, in Hochleistungsgeneratoren Wickelkopfteile der Wicklung mit der erforderlichen
mechanischen Steifigkeit zu entwickeln.
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Deshalb werden in Hochleistungsgeneratoren oft Mittel des "Barrieren"-Typs
-Typs verwendet.
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Es ist eine Stabwicklung des Stators einer elektrischen Maschine
bekannt (s. z.B. das Buch von V.V. Titov u.a.
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11Turbogeneratory. Raschet i konstruktsija"/"Turbogeneratoren.
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Berechnung und Konstruktion", Leningrad, Verlag "Energija", 1967,
S. 209-210), bei der die aus den Radialnuten des Kerns heraustretenden Endteile
der Stäbe evolventenförmige und geradlinige Abschnitte haben, wobei die letzteren
Endverbindungen aufweisen. Diese Statorwicklung enthält in den Wickelkopfteilen
ein Mittel zur elektrischen Isolierung der Endverbindungen der Außenstäbe, die zu
verschiedenen Phasengruppen der Stabwicklung gehören, oder, kurzgesagt, der äußeren
Endverbindungen, die durch die Zwiscbonphasenzonen voneinander abgetrennt sind.
Dieses Mittel umfaßt Barrieren in Form von ganzteiligen Kastenschirmen, die aus
einem Elektroisolations-Preßpulvermaterial hergestellt werden. Die Kastenschirme
sind so angeordnet, daß sie die äußeren Endverbindungen der Stäbe umfassen und sich
längs eines Teils der verbundenen geradlinigen Abschnitte der Stabsenden erstrecken.
Dabei sind die Innenhohlräume der Kastenschirme mit einer Elektroisolationsmasse
ausgefüllt. In dieser Statorwicklung wird die elektrische Isolation der äußeren
Endverbindungen hauptsächlich durch die elektrische Festigkeit der Wandungen der
Kastenschirme und des Luftzwischenraums in den
Zwischenphasenzonen
gewährleistet, wobei das elektrische Feld in diesem Luftzwischenraum verhältnismäßig
wenig unhomogen ist.
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Bei diesem Aufbau wird jedoch die Sicherheit der- Isolation in elektrischen
Maschinen mit hoher Einzelleistung und erhöhter Nennspannung unzureichend, weil
erstens das Material der Kastenelemente eine relativ geringe elektrische Festigkeit
hat und einer verhältnismäßig schnellen thermischen und elektrischen Alterung ausgesetzt
ist, und zweitens darum, weil die Kasten schirme nur teilweise die geradlinigen
Abschnitte der zu isolierenden Endteile der Stäbe verdecken und sich sehr wenig
über die Hauptisolation der Stäbe erstrecken. Deshalb kann im Fall einer aus irgendeinem
Grund entstehenden Verschmutzung oder Anfeuchtung der Zwischenphasenzone leicht
ein elektrischer Durchschalg des Luftzwischenraums mit nachfolgender Entwicklung
eines elektrischen Uberschlags dieser Zone entstehen, wenn der elektrische Durchschlagstrom
über die Oberflächen der Elektroisolierelemente und der Hauptisolation der Stäbe
fließt. Die Wahrscheinlichkeit des Entstehens eines elektrischen Überschlags steigt
noch mehr an, wenn infolge einer Notwendigkeit der Gewährleistung einer mechanischen
Steifheit der Wickelkopfteile der Wicklung zwischen den Kastenschirmen in der Zwischenphasenzone
dielektrische Distanzelemente eingesetzt werden, die eine Umverteilung der elektrischen
Spannungen und eine schroffe Vergrößerung der Unhomogenität des elektrischen Feldes
in den Zwischenphasenzonen hervorrufen. Demzufolge kann dieser Aufbau keine erhöhte
mechanische Steifigkeit der Wickelkopfteile der Wicklung ohne eine gewisse Herabsetzung
der Sicherheit der elektrischen Isolation an den äußeren Endverbindungen ihrer Stäbe
gewährleisten. Eine unzureichende Steifigkeit der Wickelkopfteile der Wicklung führt
zu ihrer Vibration, die unter Einwirkung der elektrodynamischen Wechselbeanspruchungen
während des Betriebs der elektrischen Maschine entstehen. Die Vibration der Wickelkopfteile
kann ihrerseits, besonders in elektrischen Maschinen hoher Leistung, zu einer Störung
der Lötungen in den Endverbindungen
der Stäbe, zum Verschließ und
zum Zerquetschen der Isolation an den Befestigungsstellen der Endteile der Stäbe
sowie zu Alterungsschäden der kupfernen Einzelleiter der Wicklungsstäbe führen,
was seinerseits einen größeren Schaden und sogar den Ausfall der elektrischen Maschine
hervorrufen kann.
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Es ist auch eine andere Stabwicklung des Stators einer elektrischen
Maschine bekannt, bei der die Endteile der Stäbe desgleichen evolventenförmige und
geradlinige Abschnitte mit Endverbindungen haben (s. z.B. den Aufsatz von K. Wanke
"Turbogeneratoren für Kernkraftwerke" in der Zeitschrift "AEG und Telefunken technische
Mitteilungen", Berlin, 1969, Nr. 1, S. 1-10). Diese Statorwicklung enthält gleicherweise
in den Wickelkopfteilen ein Mittel zur elektrischen Isolation der Endverbindungen
von den Außenstäben, die zu verschiedenen Phasengruppen der Wicklungsstäbe gehören.
Dieses Mittel zur elektrischen Isolation enthält ganzteilige dielektrische Rastenschirme
mit rechtwinkeligem, über die ganze Schirmlänge gleichmäßigem Querschnitt, von denen
jeder die äußere-Endverbindung der Stäbe umfaßt. Dabei sind die Kastenschirme paarweise
so angeordnet, daß sie in jeder Zwischenphasenzone angrenzende Wände haben. Die
Länge der Kastenschirme ist so gewählt, daß jeder von ihnen die verbundenen geradlinigen
Abschnitte der Endteile der Stäbe vollständig verdeckt. Im Mittelteil der Zwischenphasenzonen
ist zwischen jedem Paar der Kastenschirme ein zusätzlicher ebener dielektrischer
Schirm angeordnet.
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In dieser Wicklung wird die elektrische Isolation der äußeren Endverbindungen
nicht nur durch die elektrische Festigkeit der Wandungen der Kasten schirme und
des Luftzwischenraums in den Zwischenphasenzonen, sondern auch durch die elektrische
Festigkeit des zusätzlichen ebenen Schirms gewährleistet.
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Die Verwendung des beschriebenen Mittels zur Isolierung der äußeren
Endverbindungen in dieser bekannten Statorwicklung, das annehmbare isolierende Eigenschaften
aufweist, hat zu einer Verkomplizierung des Aufbaus der Wickelkopfteile der Wicklung
geführt. Diese Verkomplizierung äußert sich darin, daß erstens zum Zweck einer Herabsetzung
der Wahrscheinlichkeit des Entstehens eines elektrischen Überschlags durch die Gewährleistung
eines großen Über-
griffs der Kastenschirme auf die Hauptisolation
an den geradlinigen Abschnitten der Stabendteile die Länge dieser Stababschnitte
vergrößert wurde, was zu einer Vergroßerung der Gesamtlänge der elektrischen Maschine
geführt hat, und zweitens darin, daß zwecks Gewährleistung einer größeren Breite
der Zwischenphasenzone die Endteile der Stäbe in jeder Phasengruppe zusätzliche
Abbiegungen in Richtung zum Gehäuse der elektrischen Maschine haben. Außerdem fällt
es schwer, in diesem Isolationsmittel eine sichere Befestigung des zusätzlichen
ebenen Schirms zu gewährleisten, wodurch auch die Gewährleistung der Steifigkeit
der Wickelkopfteile der Wicklung und dadurch deren Schwingungsfestigkeit erschwert
wird. Es soll auch der unbequeme und komplizierte Einsatz und Ausbau der Sastenschirme
bei der 1montage und Demontage der Wickelkopfteile der Wicklung während des Baus
oder der Reparatur der elektrischen Maschine hervorgehoben werden. Das alles verkompliziert
die Herstellung der elektrischen Maschine mit einer solchen Stabwicklung des Stators
und führt zu einer Kostenerhöhung derselben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Stabwicklung des
Stators einer elektrischen Maschine das Mittel zur elektrischen Isolation der lndverbindungen
der Außenstäbe, die zu verschiedenen Phasengruppen der Wicklungsstäbe gehören, so
auszuführen, daß die Spannung des elektrischen Vberschlags dieser Verbindungen bei
gleichzeitiger Gewährleistung der geforderten mechanischen Steifigkeit der WicKelkopfteile
dieser Wicklung erhöht wird.
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Zur Lösung dieser technischen Aufgabe ist eine Stab-
wicklung
des Stators einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, bei der die endteile der
Stäbe evolventenförmige und geradlinige Abschnitte haben und die in den Wickelkopfteilen
mit einem Mittel zur elektrischen Isolation der Endeverbindungen von zu verschiedenen
Phasengruppen der Stäbe gehörenden Außenstäben, das dielektrische Kastenschirme
enthält, jeder von denen die angegebenen bndverbindungen umfaßt und die paarweise
so angeordnet werden, daß in jeder Zwischenphasenzone der Wickelkopfteile der Wicklung
angrenzende Wände vorhanden sind, und mit Elementen zur tangentialen Befestigung
der Endteile der Stäbe versehen ist, die aus einem formbaren Elektroisolationsmaterial
gefertigt sind und in den Zwischenphasenzonen der Wickelkopfteile der Wicklung untergebracht
werden, bei der erfindungsgemäß die Elemente zur tangentiale Befestigung in die
Anordnungszone der EVolventenabschnitte der Wicklungsstäbe eingreifen, und die dielektrischen
Xastenschirme aus Elementen zussmmengesetzt sind, die aus einem härtbaren Slektroisolationsmaterial
hergestellt werden und die Form von Winkelstücken und U-Profilen haben, jeder von
denen ein eingebogenes Endteil aufweist, und die so angeordnet sind, daß die angrenzenden
Wände jedes Paars der benachbarten dielektrischen Kastenschirme einer Zwischenpliasenzone,
die in den Radialebenen des Stators liegen, durch die aneinander anliegenden Stege
der Winkelelemente gebildet werden, wobei die Wände jedes Paars der benachbarten
dielektrischen Kastenschirme, die sich in den Radialebenen des Stators befinden,
jedoch den angegebenen angrenzenden Wänden
gegenüberliegen, durch
die Stege der U-lemente gebildet sind, während die Innen- und die Außenwände der
dielektrischen Kastenschirme, die in den Tangentialebenen des Stators liegen, durch
einen Gurt des U-Elements und den Gurt eines der Winkelelemente, die eines an den
anderen mit einer Uberlappung anliegen, gebildet werden, wobei die eingebogenen
Hndteile der Winkel- und U-Elemente sich längs der Svolventenabschnitte der Endteile
der Stäbe erstrecken und an einen Teil der Oberfläche dieser Abschnitte anliegen.
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Das Vorhandensein bei den U- und Winkelelementen, aus denen die dielektrischen
Eastenschirme des Mittels zur elektrischen Isolation der Endverbindungen der Wicki-ungsstäbe
zusammengesetzt werden, von eingebogenen Teilen, die an die Evolventenabschnitte
der Endteile der Stäbe anliegen, verlängert den Stromweg eines möglichen elektrischen
tberschlags dieser Verbindungen, wodurch die Spannung, die für das Entstehen eines
elektrischen Uberschlags erforderlich ist, erhöht wird. Das Eingreifen der Elemente
zur tangentialen Befestigung der Endteile der Stäbe in die Zone der volventenabschnitte,
demzufolge diese Elemente an die Oberfläche sowohl dieser Abschnitte als auch an
die Oberfläche der dielektrischen Kastenschirme anliegen, gewährleistet eine erhöhte
Steifigkeit der Wickelkopfteile der Statorwicklung einer elektrischen Maschine.
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Es ist zweckmäßig, daß die summarische Uberdeckungslänge der Gurte
der U- und Winkelelemente der Innen- und Außenwände jedes der dielektrischen Kastenschirme
und die Länge
des Teils jedes Evolventenabschnitts des Stabs, an
den der eingebogene Teil der U- und Winkelelemente anliegt, jede in Millimeter mindestens
2,5 UN beträgt, wo UN die in Kilovolt ausgedrückte Nennspannung der elektrischen
Maschine ist.
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Es ist desgleichen zweckmäßig, daß die Elemente der tangentialen
Befestigung in die Zone der Evolventenabschnitte der Endteile der Stäbe auf eine
Länge eingreifen, die 5 bis 10 Prozent von der Ausdehnung dieser Zone gleich ist.
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Es ist außerdem zweckmäßig, daß die die dielektrischen Kasten schirme
bildenden U- und Winkelelemente aus einem härtbaren Material hergestellt werden,
das Glimmer enthält und dielektrische Eigenschaften besitzt, die den dielektrischen
Eigenschaften der Hauptisolation der Wicklungsstäbe wesentlich gleichkommen.
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Die Ausführung der die dielektrischen Kastenschirme bildenden Elemente
aus dem angegebenen Material, das erhöhte mechanische und elektrische Eigenschaften
besitzt, gewährleistet eine sichere und dauernde Wirkung dieser Schirme.
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Die die dielektrischen Kasten schirme bildenden U- und Winkelelemente
können aus Glasglimmerband mit einem Glimmergehalt von 26 bis 40 Prozent unter Verwendung
von Epoxynovolack-Bindemitteln gefertigt werden.
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Die U- und Winkelelemente, aus denen die dielektrischen Kastenschirme
zusammengesetzt werden, können auch aus Glasglimmerband mit einem Glimmergehalt
von mindestens 28 Prozent unter Verwendung von Epoxypolyesterkompoundmassen als
Bindemittel gefertigt werden.
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Die Stabwicklung des Stators einer elektrischen Maschine gemäß der
Erfindung wird auch dadurch gekennzeichnet, daß die Überdeckungsabschnitte der Gurte
an den U- und Winkelelementen der dielektrischen Kastenschirme mit einem Mittel
abgedichtet werden, das eine formbare und härtbare Komposition darstellt.
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Die Abdichtung der Uberdeckungsabschnitte der Gurte an den U- und
Winkelelementen, die die Wandungen der dielektrischen
Kastenschirme
zusammensetzen, verhindert das Durchfließen des Stroms eines elektrischen Überschlags
über die aneinander anliegenden Oberflächen dieser Gurte.
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Anhand der Zeichnung wird die erfindungsgemäße Stahwicklung des Stators
einer elektrischen Maschine bespielsweise näher erläutert. Es zeigen Figur 1 in
Axonometrie einen Teil der erfindungsgemäßen Stabwicklung des Stators einer elektrischen
Maschine ;von der Seite eines der Wickelkopfteile der Wicklung; Figur 2 ein U-Element
eines der Kastenschirme in Axonometrie; Figur 3 eine Ansicht in Axonometrie eines
Winkelelements eines der Kastenschirme; Figur 4 eine Ansicht in Axonometrie eines
anderen Winkelelements eines der Kastenschirme; Figur 5 zwei angrenzende äußere
Endverbindungen der Stäbe einer Statorwicklung mit auf diese aufgesetzten.Kastenschirmen,
dargestellt mit teilweisen Schnitten, von der Seite der Mittelachse der elektrischen
Maschine.
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Es muß vermerkt werden, daß die beigelegten Zeichnungen schematisch
dargestellt sind und nur als Illustration der vorliegendetErfindung ohne irgendwelche
Begrenzungen der Ausmaße der zum Bestand der erfindungsgemäßen Stabwicklung des
Stators einer elektrischen Maschine gehörenden Elemente, der Beziehungen der Ausmaße
dieser Elemente usw. dienen. Gleiche Elemente sind in den Zeichnungen mit ein und
denselben Ziffern bezeichnet.
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Aus Figur 1 ist ersichtlich, daß die Zweischicht-Stabwicklung des
Stators einer elektrischen Maschine, w.B. eines Hochspannungs-Wechselstromgenerators
mit einer Leistung in der Größenordnung von 500 bis 800 Megawatt, der eine Wasserkühlung
dieser Wicklung hat, Stäbe 1 enthält, die in die Nuten 2 des Statorkerns 3 dieses
Generators eingelegt sind. Die Stäbe 1 be-
stehen aus einer großen
Anzahl von Teilleitern 4 und sind in der Nut 2 voneinander durch eine Zwischenlage
5 getrennt und in dieser Nut durch Keile 6 verkeilt. Jeder Stab 1 ist mit einer
Schicht 7 der Hauptisolation isoliert. Im Inneren jedes Stabes 1 ist ein Kanal 8
zum Umlauf der Kühlflüssigkeit vorhanden. Die Stabwicklung des Stators hat Wickelkopfteile,
von denen in der Zeichnung nur ein Wickelkopfteil gezeigt ist, der durch die aus
den Nuten 2 heraustretenden Endteile der Stäbe 1, die Evolventenabschnitte 9 und
geradlinige Abschnitte 10 umfassen, gebildet ist. Die letzteren haben Endverbindungen
11, die durch die Bügel 12 gebildet werden, die die Vorsprünge 13 an den Endstücken
der Stäbe 1 umfassen und nach dem Zusammenbau festgelötet werden, wobei die Endstücke
der Stäbe 1 Stutzen für den Anschluß der Rohrverbindungsstege haben.
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Die Endverbindungen 11 der Stäbe 1 sind über den Umfang des Stators
in mehrere sich abwechselnde Gruppen eingeteilt, die zu verschiedenen Phasen der
Wicklung gehören, von denen in der Zeichnung der Übersichtlichkeit halber nur ein
Teil einer dieser Gruppen gezeigt ist, der zwei mittlere, zu einer Phase gehörende
Endverbindungen 11 und eine äußere Endverbindung 15 umfaßt. Neben der äußeren Endverbindung
15 der einen Phasengruppe der Stäbe 1 ist die äußere Endverbindung 16 einer anderen
Phasengruppe angeordnet, wobei diese äußeren Endverbindungen durch einen Zwischenraum
oder durch die Zwischenphasenzone 17 voneinander abgetrennt sind.
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Die Stabwicklung des Stators enthält ein Mittel zur elektrischen
Isolation der äußeren Endverbindungen 15 und 16, das dielektrische Kastenschirme
18 enhält, von denen jeder eine dieser Verbindungen umfaßt. Die um die benachbarten,
zu verschiedenen Phasengruppen der Wicklungsstäbe 1 gehörenden äußeren Endverbindungen
15 und 16 angeordneten Kastenschirme 18 bilden ein Paar Kastenschirme 18a und 18b,
die angrenzende Wände 19a bzw.
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19b haben, in der Zwischenphasenzone 17 untergebracht sind und in
den Radialebenen des Generatorstators liegen. Zwischen den Kastenschirmen 18 ist
in der Zwischenphasenzone 17 ein dielektrischer-Distanzkeil 20 eingesetzt, der die
Lage dieser Schirme in den Tangentialrichtungen fixiert.
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Jeder der dielektrischen Kastenschirme 18 ist zusammengesetzt und
besteht aus Elementen, die die Form von Winkelstücken und U-Profilen haben, und
zwar aus einem U-Element 21 und zwei Winkelelementen 22 und 23. Dabei ist jede der
angrenzenden Wände 19 eines Paars Kastenschirme 18a und 18b durch aneinander anliegende
Stege der Winkelelemente 22 und 23 gebildet, die Wand 24 jedes Kastenschirms 18,
die in einer Radialebene des Stators liegt, jedoch der angrenzenden Wand 19 gegenübersteht,
wird durch den Steg des U-Elements 21 gebildet, und jede der ins Innere des Statorkerns
3 gekehrten Innenwände 25 und jede der zur Außenseite des Statorkerns 3 gekehrten
Außenwände 26 ist in diesen Schirmen durch einen Gurt des U-Elements 21 und den
Gurt eines der Winkelelemente 22 und 23, die aneinander mit einer gewissen Überlappung
bzw. Uberdeckung auf der Länge "P" anliegen, gebildet. Das U-Element 21 und die
Winkelelemente 22 und 23, die einen Kastenschirm 18 bilden, sind zu einem Ganzen
mit Hilfe eines härtbaren Klebstoffs, der auf die anliegenden Oberflächen dieser
Elemente aufgetragen wird, verbunden.
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Die Uberdeckungslänge "P" wird so gewählt, daß die summarische Überdeckungslänge
2P der Gurte, die die Innenwände 25 oder die Außenwände 26 jedes der Kastenschirme
18 bilden, in Millimeter mindestens 2,5 Un beträgt, wo Un die in Kilovolt ausgedrückte
Nennspannung der elektrischen Maschine ist. So z.B. muß bei einer Nennspannung des
Generators von 25 Kilovolt die Überdeckungslänge "P§' einer Innenwand 25 oder einer
Außenwand 26 mindestens (2,5 x 25) = 62,50 Millimeter betragen.
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Ein solcher Überlappungswert ist in der Mehrzahl der Fälle vollständig
ausreichend für die Vermeidung des Entstehens eines elektrischen Überschlags an
den Endverbindungen 15 und 16, wobei der Überschlagsstrom über die Oberflächen der
sich berührenden Gurte fließen würde, die die Wände 25 und 26 der Kastenschirme
18 bilden. Zur noch sichereren Verhinderung des Entstehens eines solchen elektrischen
Überschlags sind die Berührungsabschnitte der angegebenen Gurte durch ein Mittel
28 abgedichtet, das eine Schicht Kitt aus einer formbaren und härtbaren Komposition
darstellt, die
auf die Außenfläche der Sastenschirme 18 längs der
Kante des Winkelelements 22 an der Wand 25 und des Winkelelements 23 an der Wand
26 dieser Schirme aufgetragen wird.
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Min Ende des U-Elements 21 und der Winkelelemente 22 und 23 in jedem
kastenschirm 18 ist eingebogen. Eine besonders exakte Vorstellung von der Form dieser
Elemente kann man bei der Betrachtung der Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 erhalten, in
denen das U-Eleinent 21 bzw. das Winkelelement 22 und das Winkelelement 23 dargestellt
sind, die den linken (in der Zeichnun Kastenschirm 18a (Fig. 1) bilden und eingebogene
ndteile 27 (Fig. 2, 3, 4) haben. Die Elemente 21, 22 und 23, die den rechten (in
der Zeichnung) Kastenschirm 1db (Fig. 1) bilden, sind am gleichen Ende so eingebogen,
daß die eingebogenen Teile 27 ein Spiegelbild der eingebogenen Teile 27 der den
Eastenschirm 18a bildenden Elemente darstelien Infolge dieser Form der Elemente
21, 22 und 23 haben die das tenschirme 18 an ihrem einen Sunde einen mit seinem
Breitteil den Evolventenabschnitten 9 der Endteile der Stäbe 1 zugewandten Trichter.
Die gegenseitigen Lagen der Elemente 21, 22 und 23, die die Kastenschirme 1o bilden,
und die Beziehungen zwischen den geometrischen Ausmaßen dieser Elemente und den
Ausmaßen der Endverbindungen 15 und 16 sowie mit dem Durchmesser der Isolierschicht
7 an den endteilen der Stäbe n sind so gewählt, daß zwischen den Innenflächen der
Wände 19 und 24 der Kastenschirme 18 und den Bügeln 12 dieser Verbindungen ein gewisser
Spalt besteht, der mit einer elektroisolierenden Masse ausgefüllt werden kann, und
daß
sich die eingebogenen Teile 27 dieser Elemente längs der Evolventenabschnitte
9 erstrecken und an einem Teil der Oberfläche dieser Abschnitte anliegen.
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Die gegenseitige Anordnung der Kastenschirme 18, der Endteile der
Stäbe 1 und ihrer Endverbindungen wird durch die Fig.
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5 illustriert, in der die Ansicht von der Seite der Mittelachse des
Stators auf zwei benachbarte äußere Endverbindungen 15 und 16 mit teilweisen Schnitten
durch die Kastenschirme 18, demzufolge die Innenwände 25 der letzteren entfernt
wurden, gezeigt sind. Die Kastenschirme 18 sind so angeordnet, daß die Länge eines
Teils des Evolventenabschnitts 9 des Stabs 1, an den die Innenflächen der eingebogenen
Teile 27 der U-Elemente 21 und der Winkelelemente 22 und 23 anliegen, in Millimeter
mindestens 2,5 UN betragen, wo UN die Nennspannung der elektrischen Maschine ist.
Unter Annahme der Daten des oben angeführten Beispiels, wenn die Nennspannung des
Generators 25 Kilovolt ist, so muß auch die Länge. des sich berührenden Teils des
Evolventenabschnitts 9 und der eingebogenen Teile 27 desgleichen 62,50 Millimeter
betragen. Eine solche Länge ist meistens zur Verhinderung des Entstehens eines elektrischen
Überschlags an den Endverbindungen 15 und 16 mit Durchfluß des Uberschlagstroms
über die sich berührenden Oberflächen der Hauptisolation des Evolventenabschnitts
9 und der eingebogenen Teile 27 ausreichend. Als zusätzliche Maßnahme zur Vermeidung
des Entstehens eines solchen elektrischen Uberschlags können die Abschnitte der
eingebogenen Teile 27, die an die Oberflächen der Evolventenabschnitte 9 anliegen,
desgleichen mit einem Mittel abgedichtet werden, das eine Schicht Kitt aus einer
formbaren und härtbaren Masse darstellt, die auf die Oberfläche der Hauptisolation
an den Evolventenabschnitten 9 längs der Kanten der eingebogenen Teile 27 aufgetragen
wird.
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In der Zwischenphasenzone 17 wird hinter dem Distanzkeil 20, der
in der Zone der geradlinigen Abschnitte 10 der Endteile der Stäbe 1 angebracht ist,
das Element 29 zur tangentialen Befestigung dieser Teile angeordnet. Das Element
29 zur tangentialen Befestigung wird so angebracht, daß es an einem Teil der der
Außenoberfläche der angrenzenden Wände 19
der kastenscnirme Ib
und gleichzeitig an einer Teil der Oberfläche der ilauptisolation an den avolventenabschnitten
9 der endteile der Stäbe 1 anliegt. Dabei greift das Element 29 zur tangentialen
Befestigung in die Zone der Evolventenabschnitte 9 auf eine Länge ein, die unefähr
5 bis 10 Prozent von der brstreckung dieser Zone gleich ist. Das Element 29 zur
tangentialen Befestigung ist aus einem formbaren und härtbaren Elektroisolationsmaterial
hergestellt, das nach der Einbringung desselben in die Sinsatzzone teilweise in
die Vertiefungen und Poren der Oberflächen eindringt, mit denen es sich berührt.
Nach der Trocknung dieses Materials mittels einer Oberflächenerwärmung bis auf eine
Temperatur von 500 bis 600C im Laufe von drei bis vier Stunden entsteht zwischen
ihm und den Oberflächen, mit denen es sich berührt, eine Verbindung, die unter der
Bezeichnung "mechanische Adhäsion" bekannt ist. Demzufolge wird eine steife mechanische
Verbindung der Endteile der Stäbe 1 zwischeneinander und mit dem Bastenschirm 1o
gewährleistet.
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Die U-Slemente 21 und die Winkelelemente 22 und 23, die die dielektrischen
Kastenschirme 1d bilden, sind aus einem härtbaren Slektroisolationsmaterial hergestellt,
das Glimmer enthält und das solche dielektrische Eigenschaften hat, die wesentlich
den dielektrischen Eigenschaften der Hauptisolation der Stäbe 1 gleichkommen. Dabei
kann als solches Material Glasglimmerband mit einem Glimmergehalt von 26 bis 40
Prozent und mit Spoxynovolack-Bindemitteln oder Glasglimmerband mit einem Glimmergehalt
von mindestens 2o Prozent
und Epoxypolyesterkompounden als Bindemittel
verwendet werden.
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Die Ausbildung der Elemente 21, 22 und 23, die die Kastenschirme 18
bilden, aus dem angegebenen Material, das erhöhte mechanische und elektrische Eigenschaften
hat, ermöglicht eine verflältnismäßig geringe Stärke der Stege und Gurte dieser
Elemente, ohne dabei die Hochspannungsparameter der Isolation an den äußeren Endverbindungen
15 und 16 herabzusetzen. Das ergibt wiederum die Möglichkeit für eine freizügige
Anordnung der Kastenschirme 18 in der Zwischenphasenzone 17.
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Die erfindungsgemäße Stabwicklung des Stators einer elektrischen
Maschine, die einen Wechselstromgenerator mit einer Leistung von etwa 500 Megawatt
und einer Nennspannung in einer Größenordnung von 25 Kilovolt darstellt, kann bei
folgenden geometrischen Hauptausmaßen der dielektrischen Kastenschirme 18 realisiert
werden: Länge des Kastenschirms (längs der Mittelachse des Starors) gleich 300 mm;
- Breite des Kastenschirms (in der Tangentialebene des Stators) gleich 65 mm; -
Höhe des Kastenschirms (in der Radialebene des Stators) gleich 250 mm; - Länge der
eingebogenen Teile der Elemente, die den Kastenschirm bilden, gleich 65 mm; - Stärke
der Stege und Gurte der Elemente, die den Kastenschirm bilden, gleich 2,5 bis 3
mm.
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Beim Durchfließen des elektrischen Stroms über die Statorwicklung
während des Betriebs des elektrischen Generators besteht zwischen den am nächsten
liegenden Punkten der Endverbindungen 15 (Fig. 1) und 16 eine hohe Potentialdifferenz.
Diese Differenz ist besonders groß bei der Durchführung von Hochspannungsprüfungen
des Generators, wenn die äußeren Endverbindungen der Reihe nach den Einwirkungen
von Spannungen ausgesetzt werden, deren Amplitude um das 2,5-fache und mehr die
Amplitude der Betriebsspannung des Generators überschreitet. So z.B. wurde die beschriebene
Statorwicklung eines Hochleistungs-
generators mit einer kombinierten
Spannung von 78 Kilovolt und mit einer Industriefrequenzspannung von 50 Kilovolt
geprüft, wobei keine elektrischen Uberschläge an den mit Kastenschirmen 18 isolierten
äußeren Endverbindungen 15 und 16 beobachtet wurden.
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Das hängt damit zusammen, daß die in den Zwischenphasenzonen 17 in
den Radialebenen des Stators angeordneten Wände 19 und 24 der dielektrischen Kastenschirme
18 wie Elemente wirken, die die in diesen Zonen entstehenden elektrischen Felder
ausgleichen.
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Demzufolge sowie dank dem entsprechend gewählten Material der Elemente
21, 22 und 23, die die Kastenschirme bilden, und der optimal gewählten Stärke der
Wandungen dieser Elemente wird eine hohe elektrische Festigkeit der gesamten Konstruktion
des isolierenden Mittels in tangentialen Richtungen sowie in den Fällen, wenn beim
Betrieb des Generators die Zwischenphasenzone 17 mit irgend etwas eventuell verschmutzt
wird, gewährleistet. Dadurch kann ein elektrischer Durchschlag in der Zwischenphasenzone
17 in tangentialen Richtungen nur bei Spannungen entstehen, die die Prüfspannung
um einen hohen Wert überschreiten.
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In gleicher Weise wirken die Innenwände 25 und die Außenwände 26
der Kastenschirme 18 in den radialen Richtungen, bei denen überdies die gewählte
Größe der Überdeckungen der sie bildenden Gurte der U-Elemente 21 und der Winkelelemente
22 und 23 den möglichen DurchfluBweg des elektrischen Uberschlagstroms über deren
sich berührende Oberflächen bedeutend verlängert. Die eingebogenen Endteile 27 der
Elemente 21, 22 und 23, die an der Hauptisolation der Evolventenabschnitte 9 anliegen,
gewährleisten desgleichen eine Verlängerung des eventuellen Durchflußweges des elektrischen
Überschlagsstroms in den in den Längsebenen des Stators liegenden Richtungen und
verhindern den Schluß dieses Stroms huber den kürzesten Weg.
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Das alles gewährleistet eine Verbesserung der Hochspannungsparameter
des Mittels zur Isolation der äußeren Endverbindungen 15 und 16 der Stäbe 1, insbesondere
eine Erhöhung der Spannung des elektrischen Uberschlags dieser Verbindungen.
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Die gewählte Länge des Teils der Evolventenabschnitte 9, auf
der
die eingebogenen Teile 27 der Elemente 21, 22 und 23 an diesen Abschnitte anliegen
und die den Wert von 2,5 UN beträgt, ist, wie durchgeführte Untersuchungen gezeigt
haben, eine minimal erforderliche Länge, bei deren Unterschreitung die Spannung,
die zum elektrischen Uberschlag über die sich berührenden Oberflächen dieser Abschnitte
und der Elemente nötig ist, sich merklich vermindert. Desgleichen minimal erforderlich
ist auch die t3berdeckungslänge der Gurte der U-Elemente und der Winkelelemente
22 und 23, die die Wände 25 und 26 der Kastenschirme 18 bilden, die gleichfalls
2,5 UN beträgt.
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Im Laufe des Durchflusses des elektrischen Stroms über die Statorwicklung
während des Betriebs des elektrischen Generators werden die Wickelkopfteile der
Wicklung mit der Erhöhung der Belastung der Einwirkung von ziemlich bedeutenden
elektrodyflamischen Wechselkräften ausgesetzt. Dabei befinden sich die Endverbindungen
11 der Stäbe 1 sowie deren äußere Endverbindungen 15 und 16, die unter maximal ungünstigen
elektrischen Bedingungen stehen, in den Wirkungszonen der maximalen Werte der entstehenden
elektrodynamischen Kräfte, die eine Vibration der Wickelkopfteile hervorrufen, welche,
wie oben gesagt wurde, zu einem Groß schaden des Generators führen können. Die Anordnung
der Elemente 29 zur tangentialen Befestigung der Endteile der Stäbe 1 in den Zwischenphasenzonen
17 unter Eingriff in die Anordnungszone ihrer Evolventenabschnitte 9 auf eine Länge,
die 5 bis 10 Prozent von der Gesamtlänge der letzteren Zone beträgt, erhöht die
Steifigkeit der gesamten Konstruktion der Wickelkopfteile und gewährleistet dadurch
eine Erhöhung der Vibrationsfestigkeit der Wicklung. Das geschieht einerseits infolge
der Anordnung der Elemente 29 zur tangentialen Befestigung gerade in der Wirkungszone
der maximalen Werte der Störkräfte und andererseits infolge Vergrößerung der Berührungsfläche
dieser Elemente mit der Oberfläche der Endteile der Stäbe 1. Durchgeführte Untersuchungen
haben gezeigt, daß das Eingreifen der Elemente 29 zur tangentialen Befestigung in
die Zone der Evolventenabschnitte 9 auf eine größere Länge unwirksam ist und keine
weitere Herab-
setzung der Amplitude der entstehenden Vibrationen
ergibt.
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Die erfindungsgemäße Stabwicklung des Stators einer elektrischen
Maschine hat folgende Vorteile im Vergleich zu den bekannten Wicklungen, die mit
Mitteln zur Isolation der zu verschiedenen Phasengruppen der Wicklung gehörenden
äußeren Endverbindungen der Stäbe versehen sind: Vor allem muß auf die erhöhte Sicherheit
der erfindungsgemäßen Stabwicklung des Stators hingewiesen werden, die einerseits
durch die erhöhte Vibrationsfestigkeit der Wickelkopf teile der Wicklung und andererseits
durch die verbesserten Hochspannungsparameter des Mittels zur Isolation der äußeren
Endverbindungen der Stäbe, und zwar durch die erhöhte Spannung des elektrischen
Überschlags dieser Verbindungen in den Zwischenphasenzonen der Wickelkopfteile der
Wicklung bedingt wird. Insbesondere ist die Spannung des elektrischen Überschlags
mindestens um 30 Prozent erhöht. Dieser Umstand vermindert die Wahrscheinlichkeit
des Entstehens elektrischer Über schläge an den äußeren Endverbindungen bei der
Wirkung großer Spannungen, die beim Entstehen von Blitz- oder Schaltüberspannungen
entstehen, und gewährleistet eine ausreichende Reserve zur Entwicklung von Generatoren
mit noch höherer Nennspannung, z.B. von 27 Kilovolt oder 30 Kilovolt.
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In der erfindungsgemäßen Stabwicklung des Stators wird durch den
Aufbau des Mittels zur elektrischen Isolation der äu-Beren Endverbindungen der Stäbe
erstens eine sichzsre Isolierung dieser Verbindungen auch in den Fällen gewährleistet,
wenn z.B.
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wegen einer schroffen Änderung der Temperatur des umgebenden Mediums
eine Anfeuchtung der Wickelkopfteile geschieht, oder wenn in die Zwischenpha-nzonen
Flüssigkeitstropfen eindringen, z.B.
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wegen den manchmal entstehenden geringfügigen Leckverlusten in den
Durchflußwegen des Wasserkühlsystems der Wicklung, zweitens die Verwendung dieses
Mittels ohne Vekomplizierung der Konfiguration der Endteile der Außenstäbe der Wicklung
und deren Wickelkopfteile gestattet und eine Durchführung der Modernisierung von
schon in Betrieb stehenden elektrischen Maschinen ohne irgendwel-
che
wesentliche Abänderungen deren Wickelkopfteile ermöglicht, und drittens den Zusammenbau
beider iliontage dieses Mittels erleichtert.
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Außerdem ermöglicht die erfindungsgemäße StaDwicklung des Stators
mit des beschriebenen Mittel zur elektrischen Isolation der äußeren Endverbindungen
eine Verminderung der Gesamtlänge der elektrischen Maschine, wie das Berechnungen
gezeigt haben, beinahe um 2 Prozent. Das ergibt eine bedeutende vinsparung von Kupfer,
Konstruktions- und Blektroisolationsmaterialien sowie des speziellen Dynamoblechs.
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im Großen und Ganzen wird dadurch eine Vereinfachflg der Herstellungstechnologie
der elestrischen Maschine, eine Reduzierung deren Bauzeit und demzufolge eine HeraDsetzung
der Kosten der elektrischen Maschine und der-Investitionen zum Bau des Erafteæerks,
in das diese elektrische Maschine eingebaut sein wird, ermöglicht.
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