FR2580438A1

FR2580438A1 - Machine dynamoelectrique a haute tension avec resistance d'isolement selectivement accrue entre les spires de bobine

Info

Publication number: FR2580438A1
Application number: FR8605388A
Authority: FR
Inventors: Stanley Alexander Studniarz; John Charles Botts; John Sevreen Johnson
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1985-04-16
Filing date: 1986-04-15
Publication date: 1986-10-17
Also published as: BR8601577A; CA1254936A; US4634911A; JPS61247246A

Abstract

DES BOBINES MULTISPIRES SONT DISPOSEES AVEC UN ISOLANT 24 DE SPIRE AUTOUR DES SPIRES INDIVIDUELLES 22A-22F, UN ISOLANT 25 DE GROUPE AUTOUR DE CHAQUE GROUPE D'UNE PLURALITE DE GROUPES DE SPIRES, ET UN ISOLANT 26 DE MASSE AUTOUR DE LA DEMI-BOBINE TOUT ENTIERE. CETTE DISPOSITION PROTEGE CONTRE UNE DECHARGE POTENTIELLE ENTRE DES SPIRES EN CAS D'APPARITION D'UNE TENSION IMPULSIONNELLE A FRONT RAIDE.

Description

La présente invention se rapporte à des machines dynamoélectri-

ques telles que de gros moteurs à courant alternatif, à induc-

tion ou synchrones, avec bobines à spires multiples. L'inven-

tion peut aussi s'appliquer à d'autres machines, telles que turboalternateurs et génératrices pour turbines hydrauliques,

avec des enroulements multi-spires.

Dans les machines dynamoélectriques, les bobines sont placées dans des encoches pratiquées dans le noyau magnétique. Les bobines sont constituées d'un certain nombre de spires, et les spires d'une bobine qui sont dans une encoche sont isolées entre elles et du noyau adjacent. Dans une grosse machine, telle qu'un moteur d'au moins plusieurs milliers de kW de puissance nominale, les bobines de spires sont généralement,

avec leur isolant individuel de spire, empilées l'une sur l'au-

tre dans une encoche pour bobine et le nombre complet de spi-

res de la bobine dans l'encoche sont, pour une bobine particu-

lière, recouvertes en outre d'un isolant de paroi mise à la masse afin de s'assurer contre un chemin de conductibilité se

2u produisant entre l'une quelconque des spires et le noyau ad-

jacent. Un système d'isolement pour de tels moteurs peut recourir à divers types de matériaux isolants. Un exemple, pour des applications à haute tension, est le papier au mica imprégné de résine époxyde, utilisé tant pour l'isolement des spires

que pour celui des parois mises à la masse. Les machines pos-

sédant de tels systèmes d'isolement ont été longtemps employées avec succès. Il y a cependant certains cas de pannes sur de telles machines, dues à des événements transitoires anormaux sur le système d'alimentation auquel la machine et ses bobines sont connectées. Ceci peut se produire quand une tension est

brusquement appliquée à la machine. On se réfère à cette condi-

tion comme à une impulsion à front raide, qui aura un temps de montée, jusqu'à l'amplitude maximale de la tension appliquée, de 0,1 à 0,3 microseconde environ. Dans un tel exemple, il y a un bref laps de temps pendant lequel différentes spires d'une même bobine peuvent être à des potentiels électriques

fortement différents. Si la différence de potentiel est suffi-

samment grande, il peut se produire un claquage ou une dé-

charge entre les conducteurs impliqués, provoquant la destruc-

tion de l'isolement. La tension peut atteindre environ 40 KV ou davantage là o latension normale de ligne est d'environ 14 KV et l'on s'attend à des pointes de tension atteignant

quelques multiples de cette valeur.

La présente invention peut s'appliquer à une machine dont les

spires des bobines sont disposées en combinaison avec un sys-

tème d'isolement qui accroit sélectivement la résistanced'iso-

13 lement entre les spires. C'est-à-dire que, par cette inven-

tion, il ne s'agit pas simplement de l'accroissement de la

résistance d'isolement par une plus grande épaisseur de ma-

tériau isolant ou par un matériau isolant amélioré sur cha-

cun des conducteurs, mais plutôt par interposition d'un maté-

riau isolant supplémentaire entre les conducteurs qui sont

sujets aux phénomènes du claquage. La sélectivité en appli-

quant l'isolement additionnel est importante, de sorte qu'elle n'impose pas essentiellement de redessiner des moteurs pour

autant que la dimension des conducteurs et celle des enco-

ches est concernée. Dans un de ses aspects, par conséquent, l'invention a quelque chose à voir avec la fourniture, dans

une conception existante d'encoches pour bobine, de conduc-

teurs ayant un système d'isolement empêchant substantielle-

ment l'apparition d'un claquage entre les spires de bobine qui peuvent se trouver à des potentiels nettement différents

du fait de la tension d'une impulsion à front raide.

Des tests de bobines ont été effectués, qui ont été conçus

conformément à la description ci-dessus de la technique pré-

cédente, dans laquelle il y a un isolement individuel des

spires et de la paroi mise à la masse. Des tensions d'impul-

sions à front raide ont été appliquées avec une amplitude de tension croissante dans des applications successives jusqu'à défaillance de l'isolant. Les bobines ont été disséquées et l'emplacement du claquage déterminé. Dans des machines d'une conception qui a été largement utilisée dans de gros moteurs,

tels que certains de 8096 kW qui comprennent un nombre de spi-

res de bobine d'environ six dans une encoche pour bobines en

une pile linéaire, il a été constaté que le claquage des bo-

bines se faisait finalement de spire à spire, c'est-à-dire

qu'il n'y avait pas d'exemple de panne entre une spire de bo-

bine et le noyau. Cependant, les claquages ne se produisaient pas entre des spires adjacentes, puisque la tension, entre spires adjacentes, n'est apparemment pas suffisamment élevée pour percer l'isolant de la spire. Au contraire, le claquage

de spire à spire avait lieu entre la spire de plus haute ten-

sion, telle que la première spire de la pile, et la spire de plus basse tension, telle que la dernière spire de la pile ou spire de masse. Ce qui est apparu de l'examen des bobines, dest que les décharges sont propagées du premier conducteur, à travers son isolant de spire et le long d'un trajet entre l'isolant des spires suivantes et l'isolant de la paroi mise à la masse, jusqu'à atteindre la spire de masse dont l'isolant était aussi percé. Tandis que la décharge se propage vers la spire de masse, la tension dans l'isolant des spires augmente en l'absence de toute chute de tension appréciable dans la décharge.

Un matériau isolant tel que le papier au mica imprégné de ré-

sine époxyde peut avoir lui-même une résistance d'isolement très élevée rendant difficile la propagation d'une décharge à travers lui. Cependant, dans des systèmes tels que décrits,

dans lesquels un isolant de paroi mise à la masse d'un tel ma-

tériau est enroulé et moulé autour d'une pile de spires de bo-

bine dont chacune possède son propre isolant de spire, il semble probable, d'après les tests effectués, que les petits vides

et cavités entre l'isolant de la paroi mise à la masse et ce-

lui des spires facilitent la propagation de la décharge. Ces vides et cavités ne devraient pas être normalement considérés comme rendant le système d'isolement défectueux et leur élimi-

nation dans le procédé de fabrication constituerait une dépen-

se substantielle.

La présente invention éliminera substantiellement le type de

pannes auquel nous avons fait allusion. En peu de mots, confor-

mément à la présente invention, dans une spire de bobine et une configuration de conducteur donnée, le système d'isolement est modifié de façon à comprendre trois parties essentielles au lieu du système en deux parties ainsi qu'on l'utilisait précédemment sur ces machines. En plus de l'isolant de spires

et de l'isolant de paroi mise à la masse, une couche addition-

nelle d'isolant englobe des groupes de bobines de la pile de

bobines. Par exemple, les spires de bobines peuvent être sim-

plement divisées en deux groupes, chacun d'eux couvrant grosso modo la moitié des spires de la bobine, et ce groupe de spires, avec ses conducteurs isolés individuellement, étant recouvert de sa propre couche isolante, que nous appelons ici isolant de groupe, de sorte que toutes les spires d'un groupe soient aussi isolées de toutes les spires de l'autre groupe par le

matériau et l'épaisseur de l'isolant du groupe.

Il est important que le fait d'ajouter au système d'isolement de l'isolant de groupe soit offert par la présente invention

sans exiger que les encoches pour bobines soient plus large-

ment dimensionnées. On arrive à ce résultat parce que l'isolant final de la paroi mise à la masse est simplement réalisé plus

fin pour pouvoir loger l'isolant de groupe. ceci procure tou-

jours, en supposant que tous les matériaux soient de même qualité dans chaque partie du système d'isolement, la meme quantité d'isolant entre chaque spire de bobine et le noyau. Il se produit une petite majoration de la hauteur dimensionnelle

des bobines et de leur isolant comme résultat des deux cou-

ches supplémentaires, une sur chaque groupe, de l'isolant de groupe qui est interposé entre les deux groupes de spires de bobine. Cependant, cette modification de la hauteur par oppo- sition aux machines précédentes peut être aisément logée en

ajustant les dimensions des entretoises ou cales qui sont em-

ployées à l'ouverture de l'encoche pour remplir l'espace à

l'intérieur de celle-ci et refermer hermétiquement l'encoche.

Dans la spécification du brevet USA Ns 2 201 845 est exposée

une question antérieure à la présente invention. Elle concer-

ne les conducteurs de bobine avec isolant de spire et isolant

de paroi mise à la masse, plus des couches additionnelle d'iso-

lant (p. ex. 27, 29, 31 dans la fig. 4 dudit brevet) interpo-

sées respectivement entre des spires adjacentes, avec une épaisseur croissante des couches additionnelles. Cependant,

dans une telle structure, les procédés traditionnels de fa-

brication laisseront de petits vides et cavités entre l'iso-

2G lant des spires et l'isolant de la paroi mise à la masse, de même qu'entre les bords des couches additionnelles d'isolant et l'isolant de la paroi mise à la masse. En conséquence, la réalisation du brevet n'est pas considérée comme efficace pour

éviter le claquage par impulsions à front raide.

Selon la présente invention, une machine dynamoélectrique com-

prend un noyau de stator possédant une pluralité d'encoches pour bobines, chacune de ces encoches pour bobines contenant

une pluralité de spires de bobine disposées en pile, un sys-

tème isolant pour ladite pluralité de spires de bobine com-

prenant un isolant de spires, d'épaisseur uniforme, autour de chaque spire de bobine, un isolant de groupe, d'épaisseur uniforme, autour de chaque groupe-d'une pluralité de groupes

de ladite pluralité de spires de bobine, chacun de ces grou-

pes comprenant une pluralité desdites spires de bobine qui sont adjacentes entre elles dans ladite pile, et un isolant de paroi mise à la masse, d'une épaisseur uniforme, autour de

la totalité de ladite pile de spires de bobine, ce système iso-

lant assurant, entre les spires de bobine aux extrémités de ladite pile, une résistance accrue d'isolement comparée à

celle entre les spires de bobine à l'intérieur de chaque grou-

pe de ladite pluralité de groupes.

Ce qui est intéressant, par contraste, dans la présente inven-

tion, c'est que toute décharge devrait pénétrer tant à travers l'isolant de spire qu'à travers l'isolant de groupe. Si elle pénètre seulement à travers l'isolant de spire, il n'y a pas de chemin le long duquel elle puisse se propager jusqu'à

l'isolant de spire d'un autre conducteur.

C'est-à-dire que,. tandis que cette disposition modifie la ca-

pacité entre spires et offre un chemin de fuite accru le long de la jonction entre l'isolant de spire et l'isolant de masse, elle n'oppose pas une barrière diélectrique positive à la tension comme le fait l'isolement de groupe du brevet précité. On va décrire maintenant l'invention au moyen d'exemples, en se reportant aux dessins ci-joints, dans lesquels - la fig. 1 est une vue générale, en demi-coupe, d'une machine dynamoélectrique possédant un noyau de stator dans lequel la présente invention est avantageusement appliquée; - la fig. 2 est une vue en section transversale d'une bobine

unique avec un système d'isolement conforme à la technique an-

térieure; et - la fig. 3 est une vue en section transversale d'une bobine

unique avec un système d'isolement conforme à la présente in-

vention. La fig. 1 illustre une machine dynamoélectrique avec un noyau de stator 10 comportant une pluralité d'encoches pour bobines s'étendant de la périphérie intérieure du noyau de stator essen-

tiellement cylindrique. Chacune des encoches pour bobines con-

tient une bobine 12 d'une pluralité de spires conductrices.

La machine possède un rotor 14, à l'intérieur du stator 10, monté sur un axe 16 supporté par un palier. Le stator 10 et le rotor 14 sont enfermés dans un bâti 18. La machine peut

être, par exemple, un moteur triphasé à induction ou synchro-

ne. La disposition de l'enroulement de bobine peut etre tel qu'il a été utilisé précédemment. En général, chaque encoche contient deux demibobines distinctes et les spires finales

de bobine complètent l'enroulement de bobine d'une demi-

bobine dans une encoche à une autre demi-bobine dans une au-

tre encoche. Une bobine individuelle possède une pluralité de spires, de sorte que le trajet du courant se poursuit plusieurs fois d'une demibobine à l'autre. La présente invention doit

assurer l'intégrité de l'isolant à l'intérieur d'une demi-

bobine individuelle, particulièrement lorsqu'une tension im-

pulsionnelle à front raide est appliquée, de sorte qu'il y

ait une grande différence de potentiel entre les spires.

La fig. 2 illustre la construction suivant la technique anté-

rieure dans laquelle deux demi-bobines 22 et 23, chacune de plusieurs conducteurs tels que 22a à 22f, sont empilées dans une encoche 11 de bobine. Chaque conducteur 22a à 22f a une couche d'isolant de spire individuelle 44 et la pile de spires isolées a, autour de celles-ci, un isolant 26 de paroi mise à

la masse. L'autre demi-bobine 23 dans l'encoche 11 est dispo-

sée et isolée de façon semblable. Une cale 35 ferme l'ouvertu-

re de l'encoche 11.

Selon le nouveau système et le nouveau procédé de construc-

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tion, de la présente invention, tels qu'illustrés sur la fig. 3, est en premier lieu appliqué un isolant de spire 24, comme

jusqu'ici, aux spires individuelles 22a à 22f d'une bobine.

Ensuite est appliquée aux groupes de spires, dans cet exemple deux groupes 31 et 32 de trois spires chacun, une couche d'iso- lant de groupe 25. Les groupes isolés 31 et 32 sont disposés

en une pile et l'isolant 26' de paroi mise à la masse est ap-

pliqué autour d'eux.

Contrastant avec la construction antérieure de la fig. 2, on

voit qu'il y a trois parties essentielles du système d'isole-

ment de chaque demi-hobine individuelle. Celles-ci compren-

nent l'isolant de groupe 25 qui est venu s'ajouter à l'isolant

de spires et à l'isolant de paroi mise à la masse tels qu'uti-

lisés jusqu'ici.

A titre d'exemple, le système d'isolement peut être consti-

tué d'une bande de papier au mica imprégné de résine époxyde

et les procédures individuelles d'enveloppement et le traite-

ment peuvent être conformes à la pratique antérieurement con-

nue. Ce qui est significatif ici, c'est l'avantage obtenu en accroissant la résistance d'isolement entre spires, entre la

spire supérieure de bobine 22a et la spire inférieure de bobi-

ne 22e, ou entre n'importe quelle spire du groupe supérieur 31 et celles du groupe inférieur 32, grâce à une redisposition de l'isolement. Dans la construction antérieure de la fig. 2, il peut être employé, par exemple, un isolant de spires 24 en papier au mica d'une épaisseur de 0,46 mm(0, 018 pouce) et un isolant, de paroi mise à la masse, en papier au mica, de 2,59 , mm (0,102 pouce).Par voie de conséquence, il y a, entre chaque spire individuelle et le noyau, une épaisseur d'isolant de 3,05 mm (0,120 pouce), et il y a entre des spires adjacentes une quantité d'isolant de 0, 92 mm (0,036 pouce), soit deux

fois l'isolant d'une spire individuelle.

Dans la nouvelle construction, avec le même calibre de conduc-

teur et la même dimension d'encoche, la disposition peut être réalisée de façon que l'isolant de spire 24 reste le même, c'est-à-dire 0,46 mm (0, 018 pouce) sur chaque spire. (Toutes les dimensions indiquées le sont à titre d'exemple.) L'isole- ment de groupe supplémentaire peut être procuré par 0,30 mm (0,012 pouce)du même type d'isolant. Pour loger l'isolant de groupe, l'isolant final de paroi mise à la masse est enroulé sur une épaisseur de 2,29 mm (0,090 pouce) exactement. Ceci

ls a pour résultat une disposition qui a la même quantité d'iso-

lant, 3,05 mm (0,12C pouce) entre chaque spire et le noyau, n'exigeant par conséquent aucun changement de la largeur des encoches. Il y a aussi la même quantité d'isolant égale à

0,92 mm (0,036 pouce) entre des spires adjacentes à l'inté-

rieur d'un même groupe de spires. Y-ais il y a maintenant une quantité supplémentaire d'isolant égale à deux épaisseurs de

l'isolant de groupe, soit 0,61 mm (0,024 pouce), entre cha-

cune des spires du groupe supérieur 31 et chacune des spires du groupe inférieur 32. C'est cette quantité supplémentaire d'isolant qui protégera contre le type de panne mentionné plus

haut, puisqu'il y a beaucoup moins de possibilité pour la pro-

pagation d'une décharge entre l'isolant de spire et l'isolant de paroi mise à la masse, et que toute décharge pouvant avoir tendance à se former doit être d'une amplitude suffisante pour pénétrer les deux épaisseurs supplémentaires d'isolant de groupe. Tandis que la dimension de la largeur de la bobine isolée

doit être laissée la même qu'autrefois, il y a un accroisse-

ment de la dimension verticale. Dans l'exemple présenté, celle-

ci est égale à 0,61 mm (0,024 pouce) par demi-bobine (soit quatre fois l'épaisseur de l'isolant de groupe moins deux fois la réduction en épaisseur de l'isolant de paroi mise à la masse). L'encoche pour bobine doit donc recevoir en plus

1,22 mm (0,048 pouce) pour les deux demi-bobines dans une en-

1l coche. Ceci peut être aisément réalisé en choisissant une cale

' d'épaisseur réduite pour fermer l'encoche.

Un voit donc que, par une redisposition d'un système d'isole-

ment pour des bobines multi-spires, un degré élevé de protec- tion est assuré sans exiger de modification de la dimension

des encoches ou des conducteurs.

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R.VENDICAlIONS

1. Machine dynamoélectrique caractérisée en ce qu'elle com-

prend un noyau (10) de stator possédant une pluralité d'encoches (11) pour bobines, chacune de ces encoches pour bobines con- tenant une pluralité de spires (22a - 22f) de bobine disposées en pile, un système isolant pour ladite pluralité de spires de bobine comprenant un isolant (24) de spires, d'épaisseur uniforme, autour de chaque spire de bobine, un isolant (25) de groupe, d'épaisseur uniforme, autour de chaque groupe d'une pluralité de groupes de ladite pluralité de spires de bobine, chacun de ces groupes comprenant une pluralité desdites spires de bobine qui sont adjacentes entre elles dans ladite pile, et un isolant (26) de paroi mise à la masse, d'une épaisseur uniforme, autour de la totalité de ladite pile de spires de

bobine, ce système isolant assurant,entre les spires de bo-

bine aux extrémités de ladite pile, une résistance accrue d'iso-

lement comparée à celle entre les spires de bobine à l'inté-

rieur de chaque groupe de ladite pluralité de groupes.

2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite pluralité d'encoches pour bobines présente une section

transversale uniforme rectangulaire et que lesditesspires (22a -

22f) de bobine, lesdits groupes (31 - 32) de spires de bobi-

ne, ladite pile et ledit système d'isolement présentent cha-

cun une section transversale essentiellement rectangulaire remplissant substantiellement chacune desdites encoches pour bobines. 3. Machine selon la revendication 2, caractérisée en ce que

la machine est un moteur et que chacun desdits groupes de spi-

res de bobine contient approximativement la moitié desdites

spires de bobine de ladite pile.

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4. Machine selon les revendications 1 à 3, caractérisée en ce

que ledit isolant (24) de spires, ledit isolant (25) de grou-

pes et ledit isolant de paroi mise à la masse comprennent cha-

cun des couches enveloppées d'un isolant de papier au mica imprégné de résine.

5. Procédé de fabrication d'une machine dynamoélectrique à hau-

te tension avec des spires (22a - 22b) de bobine en pile dans

chaque encoche (11) d'une pluralité d'encoches (11) pour bo-

bines de façon que soit réduit le risque d'isolement de spi-

re à spire entre les première (22a) et dernière (22f) spires de

de la pile, caractérisé en ce qu'elle comprend les étages d'ap-

plication d'un isolant (24) de spire individuelle, ayant une

épaisseur uniforme, à chacune des spires de bobine; d'ap-

plication d'un isolant (25) de groupe, ayant une épaisseur uniforme, autour de chaque groupe (31, 32) d'une pluralité de groupes desdites spires de bobine recouvertes dudit isolant

de spire; d'application d'un isolant de paroi mise à la mas-

se, ayant une épaisseur uniforme, autour desdits groupes de

spires de bobine recouverts dudit isolant de groupe et as-

semblés en pile; et d'insertion,dans une encoche pour bo-

binede ladite pile comportant ledit isolant de paroi mise à

la masse.