JP2020171073A - 回転機固定子絶縁構造 - Google Patents

Abstract

【課題】固定子コイルの電界緩和に関し、誘電率による電圧分担最適化手法を提供すること。【解決手段】高圧回転機固定子コイルは、素線１に素線絶縁２が被覆されると共に、素線絶縁２で被覆された複数の素線１が束ねられてなる素線束に層間絶縁３が被覆され、層間絶縁３で被覆された素線束が複数まとめられた素線群の周囲に主絶縁４が被覆された回転機固定子絶縁構造であり、層間絶縁３と主絶縁４との間に電界緩和材料６が介装される。【選択図】図２

Description

本発明は、回転機固定子絶縁構造に関する。詳しくは、固定子絶縁技術、特に、電界緩和技術に関する。

発電機は運転時に大電流や高電圧などの大きな負荷にさらされるが、これに対し、一般に２０年以上の耐用年数をもつことが求められる。また、発電機は重要設備の―つであり、故障することで経済的な影響も大きい。係る理由により、発電機を高負荷から保護するための絶縁技術が非常に重要となる。
しかし、近年では機器の高効率化やコスト削減の理由から、鉄心内に存在する絶縁材料の占有率を少なくし、かつ信頼性を確保するような絶縁技術が求められている。絶縁材料の占有率を低くする、すなわちコイル導電部から鉄心までの絶縁距離を低減することで、特に絶縁材料にかかる電気的負荷が大きくなる。電気的負荷が大きくなっても耐用年数を確保するためには、絶縁材料自体の耐久性向上や電界緩和が必要となる。

高圧回転機の耐用年数は上記主絶縁の性能に大きく依存し、例えばＩＥＣ６００３４やＩＥＥＥ１５５３に記載される長時間課電試験から評価される耐用年数を満たすよう、主絶縁を巻回する。つまり、高圧回転機耐用年数は、ほとんど主絶縁の耐久性と、その巻回数で決定される。
しかし、主絶縁としてマイカテープが用いられるのは耐電気性のほか、耐熱性や機械強度の面でも性能が高く、かつ比較的安価なためであり、マイカテープに代わる材料は３０年以上現れていない。このため、主絶縁面から絶縁薄厚化することは困難と言える。近年、基材となるガラス材料を薄厚化することで、マイカテープを薄厚化しながら耐久性確保する技術も現れている。

この薄厚材料の使用方法について考える。この材料は従来のものよりも薄いため、単位厚さ当たりの耐久性は向上するものの、テープ材料単体で見たときに従来品と比較し耐久性は劣る。具体的には、例えば、従来材料で耐久性２０年を満たすための許容負荷が2.2kV/mm、薄厚材料の許容負荷が3.0kV/mmであるとする。単位厚みであれば薄厚材料のほうが性能は高い。
しかし、それぞれの厚みが0.2mm、0.1mmであるとすると、材料自体では薄厚材料のほうが弱いということになる。ただし、従来材料8層（0.4mm）、薄厚材料12層とした場合を考えると、それぞれの厚みは1.6mm、1.2mmと従来絶縁のほうが厚いが、単純計算で従来材料は2.2kV×0.2mm×8層＝3.52kV、薄厚材料は3.0kV×0.1mm×12層=3.6kVとなり、薄厚材料のほうが、厚みは薄いが許容負荷が高くなる。このように、薄厚材料は従来の厚い材料と比べて多層巻きすることで性能を発揮すると言える。

上記のとおり薄厚材料を使用することで絶縁厚みを薄くしても耐久性を向上させることができる。
しかし、ここで、薄厚材料多層巻きという方式では樹脂が入りづらくなるという課題がある。
一般に回転機固定子絶縁は樹脂含浸することで電気的・熱的・機械的・環境的耐久性を向上させる。定格電圧数１０００Ｖ以上の高圧回転機については特に、真空加圧含浸という方法がよく適用される。これは回転機を圧力容器内で真空引きし、脱ガス・圧力低下させたところに外部から樹脂注入し、その後加圧することで、圧力差により機器に樹脂を注入していく方法である。

圧力差による樹脂注入の理論式としては、例えば式（１）に示すようなＤａｒｃｙ則などがある。
Ｄａｒｃｙ則による多孔質媒体に流れる樹脂流量Ｑは式（１）の通りである（非特許文献１）。
Ｑ＝（Ｋ・Ａ/μφ）×（ΔＰ/ΔＬ） （１）
Ｋ：樹脂浸透係数、
Ａ：多孔質媒体断面積、
ΔＰ/ΔＬ : 単位長さ当たりの圧力勾配、
μ：樹脂粘度、
φ：空隙率、

これによると、樹脂注入時の浸透性は、（１）樹脂浸透係数（２）浸透層断面積（３）樹脂粘度（４）圧力差などに依存する。非特許文献１などによると（１）樹脂浸透係数については絶縁層密度などが関連すると考えられ、また（２）浸透層断面積が大きいというのはすなわち絶縁層数が多いことと言える。
つまり、薄厚材料を使用して緻密な絶縁層を形成し、かつ多層巻きすることで、樹脂の浸透性が低下することがわかる。さらに言えばこの材料は、例えばポリエステルやポリイミドのような樹脂材料に対しては浸透性が悪いということも確認できており、使用する樹脂種類によっては材料への浸透性が著しく低下する。

前述の通り定格電圧数１０００Ｖ以上の高圧回転機については、材料を巻いただけでは耐用年数２０年を満たすことはできず、樹脂を含浸することで耐久性を確保している。
よって樹脂が浸透しなければ、上記耐用年数を確保できず、重大な事故を起こすことになりかねない。

特開２０１５−７２１８３号公報 特開２０１２−２３７８８号公報 特開２０１５−８９１８１号公報

大関輝 他２名「ＶａＲＴＭ成形における板厚変化が樹脂流動挙動に及ぼす影響」日本大学生産工学部第４４回学術講演会講演概要（２０１１-１２−３）２０１１年１２月３日、１５１頁−１５２頁

以上に述べた通り、近年開発された薄厚材料を用いれば絶縁厚みの薄厚化と耐久性向上が同時に期待できるが、樹脂含浸性は低下することになり不具合発生可能性は高くなる。また、薄厚材料多層巻き方式では使用する材料の量自体は多くなるのでコスト面では不利になる。
このため、薄厚化材料を適用するにしても、この層数はできるだけ低減させるほうが樹脂含浸性やコスト面から望ましい。この課題を達成するためには絶縁内部で電界緩和することが求められる。

電界緩和手法として、例えば、特許文献１のように、固定子コイル内部放電防止構造を用いることで絶縁層内部での放電発生を防止し、課電寿命を長くするような技術がある。
しかし、この方法は比較的低抵抗の材料を巻き足すというものであり、従来の製造工程で電界緩和用材料を巻き足す工程が加わるため、製造にかかる時間が長くなる。また、巻き足す位置によっては電界緩和効果が得られず、低抵抗自体に高電圧が加わり破壊してしまうという課題がある。

他の電界緩和手法として、従来材料と異なる誘電率を持つ材料を適用することで、電圧分担を制御する方法がある。
本発明は、この誘電率による電圧分担最適化手法について提案することを目的とする。

上記課題を解決する第１発明に係る回転機固定子絶縁構造は、素線に素線絶縁が被覆されると共に前記素線絶縁で被覆された複数の前記素線が束ねられてなる素線束に層間絶縁が被覆され、前記層間絶縁で被覆された前記素線束が複数まとめられた素線群に主絶縁が被覆された回転機固定子絶縁構造において、前記層間絶縁と前記主絶縁との間に電界緩和材料が介装されていることを特徴とする。

上記課題を解決する第２発明に係る回転機固定子絶縁構造は、第１発明における前記電界緩和材料は、前記層間絶縁と同じ材料が使用されることを特徴とする。

本発明によれば、回転機固定子絶縁構造において、電圧分担が最適化され、電界集中部での電界緩和が可能となる。

本発明の実施例１に係る高圧回転機固定子コイルの断面図である。 本発明の実施例２に係る高圧回転機固定子コイルの断面図である。 電界解析のために使用したコイル角部モデルを示す斜視図である。 電界解析のために使用した層間絶縁−主絶縁間のモデルを示す断面図である。 電界緩和材料の比誘電率と電界強度との関係を示すグラフである。

本発明について、図面に示す実施例を参照して詳細に説明する。

本発明の対象となる高圧回転機固定子コイルは、図１に示すように、固定子鉄心１０のスリット内に配置されるものであり、コイルを構成する素線１（銅線）と、素線１を被覆する素線絶縁と、コイル層間を絶縁する層間絶縁（コイルターン間絶縁）３と、層間絶縁３の上からコイル全体を保護する主絶縁４と、主絶縁４と鉄心間のコロナを防止するコロナ防止層５からなる。

素線絶縁は、素線１を被覆された絶縁層であり、例えば、ガラス繊維（比誘電率：約5.0〜9.0）が使用される。層間絶縁３は、素線絶縁が被覆された複数本の素線よりなる素線束の外周を覆う絶縁層である。主絶縁４は、層間絶縁３が被覆された複数個の素線束をまとめた素線群の外周を覆う絶縁層である。
ここで、層間絶縁３はコイルターン間の絶縁破壊を防ぐ目的がある。一般的な高圧回転機コイル製造工程において、層間絶縁３が巻かれながら素線束を回転させ所定回数ループすることでコイルを形成する。

このコイルを成形することで、高圧回転機で一般的な亀甲型コイルとなる。この成形工程で発生する応力により破断することのないよう、層間絶縁３には、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のような伸縮性のある材料を基材とするテープが用いられる。
高圧回転機固定子コイルは、層間絶縁３を巻いた状態で亀甲型に成形されたものに対し、銅線１−鉄心間で電気的負荷から保護するための対地間絶縁（主絶縁４）を巻回する。主絶縁４としては一般的に、ガラス繊維やフィルム材料を基材として、マイカを粉砕・加工して作られる集成マイカペーパーを貼り付けたマイカテープを主として使用する。

この主絶縁４の上からさらに、鉄心と主絶縁４の間で電位差が生じ放電が発生することのないよう、絶縁材料と比較し十分に抵抗値の低いコロナ防止層５を巻回する。コロナ防止層５は、主絶縁４の外周を覆う絶縁層であり、例えば、ガラス繊維等にカーボンなどの導電性材料を混ぜ合わせた低抵抗材料が使用される。
固定子コイル断面における電界解析結果によれば、固定子コイルでは、図２に示すように、素線絶縁２と層間絶縁３の間で、特にコイルを形成する四つ角部が最も電界が集中する電界集中部ａとなる。

続いて、層間絶縁３と主絶縁４の間が電界の高い電界集中部ｂとなる。これはコイルの構成上、各コイルターン間（層間）は完全には密着できず、この上から主絶縁４が巻回されることで僅かな隙間が発生して、そこに電界が集中するためである。
このように、コイルで電界集中が発生する箇所はおおむね決まっており、コイルを形成する四つ角部（特に素線際）または層間絶縁３−主絶縁４間の電界集中部ａ，ｂに電界緩和構造を適用することが、コイル耐久性向上に有効である。

素線際の電界緩和については特許文献２，３のような方法があるが、これを行うには層間絶縁３を巻回する前にあらかじめ電界緩和手法を適用しておく必要があり、特に作業時間の面で望ましくなく、層間絶縁３−主絶縁４間に電界緩和手法を適用するほうが製造工程上簡単である。

本発明における特徴の一つは、実施例１で示した上記絶縁構成に対し、層間絶縁３と主絶縁４との間に所定の誘電率を有する材質からなる電界緩和材料（電界緩和層となる絶縁材料）を適用する絶縁構成である。
即ち、図２に示すように、高圧回転機固定子コイルは、素線１に素線絶縁２が被覆されると共に素線絶縁２で被覆された複数の素線１が束ねられてなる素線束に層間絶縁３が被覆され、層間絶縁３で被覆された素線束が複数まとめられた素線群に主絶縁４が被覆された回転機固定子絶縁構造において、層間絶縁３と主絶縁４との間に電界緩和材料６が介装されるものである。

具体的には、素線絶縁２が被覆された素線１が縦２個・横２個束ねられた素線束に対して層間絶縁３が被覆され、更に、層間被覆３が被覆された上記素線束が４個まとめられた素線群に対して、電界緩和材料６、主絶縁４、コロナ防止層５が順に被覆されている。従って、電界緩和材料６は、層間絶縁３と主絶縁４との間に介装されている。言い換えると、電界緩和材料６は、層間絶縁３の外周であって、主絶縁４の内周に配置されている。
本発明における特徴の一つは、電界緩和材料６として層間絶縁３と同じものを使用する絶縁構成である。

図３は電界緩和材料６を評価するために行った、コイルの角部周辺の電界解析のモデルである。ａはコイル角部の電界集中部を示す。
層間絶縁３上に電界緩和材料６を適用し、素線１（銅線）に高電位を、コロナ防止層５表面に電位０を与え解析を行った。表１には、各層の厚みと比誘電率の一例を示す解析モデルである。

電界緩和材料６としては、現存する有機絶縁材料のうち値が低いものから高いものまでを数種類を選択したところ、電界緩和材料６の誘電率を変更することで、コイル角部で最大電界強度が変化することが判った。つまり、電界緩和が生じるのである。
図４は同様に、層間絶縁３と主絶縁４間の電界解析モデルである。ｂは層間絶縁３と主絶縁４間における電界集中部を示す。

層間絶縁３と主絶縁４間解析モデルの場合は、電界緩和材料６の比誘電率が高くなるにつれて電界強度は低くなる傾向にある。これについては、比誘電率が高くなるにつれ、インピーダンスが低くなり、分担電圧が低くなるため当然の結果である。
しかし、層間絶縁３と主絶縁４間の電界強度解析結果は図５に示す通り、電界緩和材料６の比誘電率が高くなるにつれ電界強度は高くなる。

図５は電界解析結果について、誘電率を変化させた場合の最大電界強度をグラフ化したものである。横軸は電界緩和材料６の比誘電率、縦軸はコイル角部、層間絶縁３―主絶縁４間の最大電界強度である。
ここで、経験的に、固定子コイルの耐久性は構造のうち最も弱い点に依存する。
例えば、コイル角部に付与される電界強度が7.0kV/mm、層間絶縁３−主絶縁４間に付与される電界強度が4.0kV/mmであるとする。

この時コイル角部絶縁の耐久時間が300h、層間絶縁３−主絶縁４間の絶縁耐久性が500hであったとすると、コイル全体の耐久性は300hとなる（絶縁破壊する）。
次にコイル角部に付与される電界強度が5.0kV/mm、層間絶縁３−主絶縁４間に付与される電界強度が5.0kV/mmである時、コイル角部絶縁の耐久時間が500h、層間絶縁３−主絶縁４間の絶縁耐久性が400hであったとすると、400hで絶縁破壊する。
このような関係にあるため、高圧回転機固定子絶縁においては全体的に負荷（電界）が均一になるような構成とすることが望ましい。

図５をみると、先ず、コイル角部については誘電率3.0程度で最も電界が低くなり、それ以上になると徐々に高くなっている。
次に、層間絶縁３−主絶縁４間については前述のとおりであるが、電界緩和材料６の比誘電率が高くなるにつれ電界は高くなり、逆に電界緩和材料６にかかる電界は低くなる。
更に、主絶縁４（ここではマイカテープ層）について考えると、マイカテープにかかる電界も、電界緩和材料６の比誘電率が高くなるにつれ高くなっている。

この結果に、前述のコイル耐久性に対する考え方を踏まえて最適構成を検討する。
先ず、ほとんどの場合、電界緩和材料６の比誘電率が低いほど電界集中部ａ，ｂの電界集中は緩和される傾向にあり、耐久性向上が期待できる。
但し、この場合、電界緩和材料６自体に対する電界は、最も単純な構成であるマイカテープ（比誘電率=7.0）の場合と比べ2.4倍にもなっており、電界緩和材料６自体への負荷が著しく高くなる。

次に、対地絶縁について考えると、詳細は記載しないが、この解析結果からは比誘電率4.0以下となることが望ましい。
すると、電界緩和材料６の比誘電率は3.0〜4.0が良いと言えるが、先ほど述べた電界緩和材料６自体への負荷を考慮すると、3.5〜4.0程度が適当であると絞り込める。
つまり、層間絶縁３がＰＥＴの場合、同じ種類の材料であれば、おおよそ良好な効果が期待できる。

ここで、最後に材料の特性について述べる。材料は同じ種類であっても、比誘電率がわずかに違うことは一般によく知られている。これはメーカごとに原材料の配合比や製造方法が異なることによる。
つまり、今回の絶縁構成の場合、電界緩和のため比誘電率3.5〜4.0の材料を選定しても、誤差等によって効果にばらつきがでることが懸念される。

ここで、今回比誘電率3.5〜4.0を選定しているのは、層間絶縁３の比誘電率に依存している。
これを踏まえると、層間絶縁３の特性に依存されず、確実に効果を得るためには、層間絶縁３と全く同じ材料を適用することが望ましいと言える。

以上に述べてきたとおり、高圧回転機固定子絶縁構造において、層間絶縁３の上から電界緩和を目的とし、層間絶縁３と同じ材料を電界緩和材料６として巻回することで、電界が緩和し、絶縁耐久性向上が可能となる。

本発明は、回転機固定子絶縁構造として広く産業上利用可能なものである。

１ 素線（銅線）
２ 素線絶縁
３ 層間絶縁
４ 主絶縁
５ コロナ防止層
６ 電界緩和材料
１０ 固定子鉄心

Claims (2)

1. 素線に素線絶縁が被覆されると共に前記素線絶縁で被覆された複数の前記素線が束ねられてなる素線束に層間絶縁が被覆され、前記層間絶縁で被覆された前記素線束が複数まとめられた素線群に主絶縁が被覆された回転機固定子絶縁構造において、前記層間絶縁と前記主絶縁との間に電界緩和材料が介装されていることを特徴とする回転機固定子絶縁構造。
2. 前記電界緩和材料は、前記層間絶縁と同じ材料が使用されることを特徴とする請求項１記載の回転機固定子絶縁構造。

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