JP2022053789A - 固定子コイルの絶縁構造 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧回転機の固定子コイルの電界集中部での電界緩和を図ること。【解決手段】高圧回転機の固定子コイル１の絶縁構造は、素線絶縁層２、層間絶縁層３、主絶縁層４、コロナ防止層５及び外部電界緩和層６を有する。層間絶縁層３は、素線絶縁層２により覆われた素線１０を複数束ねてさらに覆う。主絶縁層４は、層間絶縁層３により束ねられた素線１０をさらに複数束ねて覆う。コロナ防止層５は、主絶縁層４の外周に設けられる。外部電界緩和層６は、主絶縁層４とコロナ防止層５との間に設けられる。【選択図】図１

Description

本発明は、回転機の固定子の絶縁構成及び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、一般的には２０年以上の耐用年数が要求される。また、発電機は重要設備の一つであり、故障することで経済的な影響も大きい。このことから、発電機を高負荷から保護する絶縁技術が非常に重要なものとなる。

一方、近年、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絶縁技術が求められる。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、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に、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材料の耐久性とその巻回数で決定される。

主絶縁材料としては、耐電気性、耐熱性及び機械強度の面でも定評があり、また、比較的な安価なマイカテープが適用されている（特許文献１，２）。このマイカテープに代わる主絶縁材料は３０年以上現れていない。主絶縁材料はその材質の観点から絶縁薄厚化が困難である。尚、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を確保する技術も提案されている（特許文献２）。

特開２００９－１１８５９０号公報 特開２００５－１１０４５０号公報

マイカテープからなる耐用年数が２０年程度の絶縁材（以下、前者）は、許容負荷が２．２ｋＶ／ｍｍ、厚みが０．２ｍｍとなり、６層とした場合の厚みは１．２ｍｍとなる。

一方、ガラス材料を有する耐用年数が２０年程度の薄厚の絶縁材（以下、後者）は、許容負荷が２．８ｋＶ／ｍｍ、厚みが０．１３ｍｍとなり、６層とした場合の厚みは０．７８ｍｍとなる。そして、この前者及び後者に対して電圧３ｋＶ負荷された場合、前者にかかる電界は３ｋＶ／１．２ｍｍ＝２．５ｋＶ／ｍｍ、後者にかかる電界は３ｋＶ／０．７８ｍｍ≒３．８４ｋＶ／ｍｍとなり、両者とも許容負荷を超える。

前者が８層の場合、その厚みは１．６ｍｍとなる。後者が１０層の場合、その厚みは１．３ｍとなる。そして、この前者及び後者に対して電圧３ｋＶ負荷された場合、前者にかかる電界は３ｋＶ／１．６ｍｍ＝１．８７５ｋＶ、後者にかかる電界は３ｋＶ／１．３ｍｍ≒２．３ｋｖとなり、後者は厚みが薄いが耐用年数を満たす。

以上のことから、ガラス材料を有する薄厚の絶縁材は、マイカテープからなる絶縁材と比べて多層巻きすることで性能を発揮するので、薄膜化しながら耐久性を向上させることができる。

ここで後者の絶縁材のみで回転子の絶縁構造を成す場合を考える。前述の事例であれば前者は許容負荷２．２ｋＶ／ｍｍ、後者の許容負荷は３．８ｋＶ／ｍｍであるので、３ｋＶ印加時の最低絶縁厚みは、前者が概ね１．３６ｍｍ、後者が概ね１．０７ｍｍとなる。ここで材料の厚みは決まっているので前者では０．２ｍｍ×７層＝１．４ｍｍ、後者では０．１３ｍｍ×９層＝１．１７ｍｍが最適必要となり、計算上必要な厚みより無駄が発生する。

また、図１に示す通り、一般に大形回転機の固定子の絶縁構造はいくつかの絶縁層で形成されるが、それぞれの絶縁層を構成する材料が異なるため絶縁層間で電位差が発生し電界集中する。このため実際には前述の計算で求めたよりも多くの回数絶縁を巻回する必要性が生じ絶縁が厚くなる。

以上に述べた通り絶縁薄厚化には、特に主絶縁材料であるマイカテープに対し、最低限の巻回数でそれぞれの許容負荷を満たし、かつ絶縁層間での電界集中が生じないよう電気負荷を制御してやる必要がある。

本発明は、以上の事情を鑑み、高圧回転機の固定子コイルの電界集中部での電界緩和を図ることを課題とする。

そこで、本発明の一態様は、高圧回転機の固定子コイルの絶縁構造であって、素線を覆う素線絶縁層と、この素線絶縁層により覆われた前記素線を複数束ねてさらに覆う層間絶縁層と、この層間絶縁層により束ねられた前記素線をさらに複数束ねて覆う主絶縁層と、この主絶縁層に設けられるコロナ防止層と、前記主絶縁層と前記コロナ防止層との間に設けられる外部電界緩和層とを有する。

本発明の一態様は、前記絶縁構造において、前記層間絶縁層と前記主絶縁層との間に設けられる内部電界緩和層をさらに有する。

本発明の一態様は、前記絶縁構造において、前記外部電界緩和層は、比誘電率が４未満である。

本発明の一態様は、前記絶縁構造において、前記内部電界緩和層は、比誘電率が４未満である。

本発明の一態様は、前記絶縁構造において、前記主絶縁層は、ガラス繊維若しくはポリエステルシートのいずれかと、マイカと、を含む。

以上の本発明によれば、高圧回転機の固定子コイルの電界集中部での電界緩和を図ることができる。

本発明の一態様である絶縁構造が適用された固定子コイルの横断面図。 本発明の一態様である絶縁構造が適用された固定子コイルの横断面図。

以下に図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

［実施形態１］
図１に示された本発明の一態様である絶縁構造を適用された高圧回転機の固定子コイル１は、素線絶縁層２、層間絶縁層３、主絶縁層４、コロナ防止層５、外部電界緩和層６を有する。

（素線絶縁層２）
素線絶縁層２は、銅線からなる素線１０を覆うことにより、素線１０の外周を絶縁する。素線絶縁層２の材料としては、例えば比誘電約５．０～９．０のガラス繊維が挙げられる。

（層間絶縁層３）
層間絶縁層３は、素線絶縁層２により覆われた素線１０を複数（例えば４本）束ねてさらに覆うことにより、素線１０の束の外周をさらに絶縁する。特に、図示省略のコイルターン間の絶縁破壊を防ぐ。層間絶縁層３の材料としては、伸縮強度、電気絶縁性及びコストの観点から選択される。特に、亀甲型コイル成形工程で応力破壊しない材料であることが必須となる。

一般的な固定子コイルの製造工程において、層間絶縁層３が巻かれながら銅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に、層間絶縁層３の材料としては、伸縮性のある材料、例えば、比誘電率約４．０のＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）を基材とするテープが適用される。

（主絶縁層４）
主絶縁層４は、銅線－鉄心間で電気的負荷から保護する対地間を絶縁する。すなわち、主絶縁層４は、層間絶縁層３により束ねられた素線１０をさらに複数束ねて覆うことにより成る素線１０の群の外周をさらに絶縁する。素線１０の群は図１に示したように亀甲型に成形された状態で主絶縁層４により巻回される。主絶縁層４の材料としては、例えば、ガラス繊維若しくはポリエステルシートと、マイカと、を含んだものが挙げられる。この材料の具体的なものとしては、ガラス繊維またはポリエステルシートから成る基材にマイカ粉をまぶして接着材で当該基材に貼り合わせてなる比誘電率約４.０（６．５～７．５）のマイカテープが例示される。

（コロナ防止層５）
コロナ防止層５は、主絶縁層４と固定子コイル１の図示省略の鉄心との間のコロナを防止する。コロナ防止層５は、前記鉄心と主絶縁層４の間で電位差が生じ放電が発生しないように、主絶縁層４の上から巻回される。コロナ防止層５の材料としては、主絶縁層４の絶縁材料と比較し十分に抵抗値の低いガラス繊維等の低抵抗材料が挙げられる。ガラス繊維としては比誘電率約５．０（５．０～９．０）のものが例示される。電位０なので誘電率が変わっても電界に影響はない。

（外部電界緩和層６）
外部電界緩和層６は、主絶縁層４とコロナ防止層５との間に設けられるように巻回される。外部電界緩和層６は低誘電材料からなる。前記低誘電材料としては、フッ素樹脂、ポリイミド、液晶ポリマー等に例示される比誘電率４未満の有機絶縁材料を基材とした材料が挙げられる。

［実施形態２］
図２は示された本実施形態の固定子コイル１は、実施形態１の態様において、内部電界緩和層７をさらに有する。

内部電界緩和層７は、層間絶縁層３と主絶縁層４との間に設けられるように巻回される。内部電界緩和層７の材料としては、例えば、比誘電率が３．５～４．０のＰＥＴが挙げられる。

以上のように層間絶縁層３と主絶縁層４の間に内部電界緩和層７が介在することでこの部分で生じる電界集中の緩和と主絶縁層４の材料の電気的負荷の軽減が可能となる。特に、内部電界緩和層７に低誘電材料が適用されることで内部電界緩和層７及び主絶縁層４の電気的負荷がさらに軽減される。また、層間絶縁層３と内部電界緩和層７の電界が均一であれば、絶縁破壊の抑制を図ることができる。

本発明の実施例について説明する。

実施形態１の主絶縁層４とコロナ防止層５との間に介在させる絶縁材料について検討した。複数の絶縁材料から実施形態１の絶縁構造を構成する場合、それぞれの材料にかかる電気負荷はそれぞれの絶縁材料の比誘電率と厚みにより決定される。絶縁材料については直列抵抗成分も有するが、ほとんどの場合、比誘電率に依存するインピーダンスのほうが十分大きくなるためである。比誘電率の違いによる電気負荷緩和について説明する。

材料Ａ：厚み０．２ｍｍ、比誘電率４
材料Ｂ：厚み０．１ｍｍ、比誘電率７
材料Ｃ：厚み０．２ｍｍ、比誘電率７
材料Ｄ：厚み０．２ｍｍ、比誘電率３
材料Ｅ：厚み０．３ｍｍ、比誘電率３
このとき商用周波数、単位面積（１ｍｍ²）に対するそれぞれの静電容量Ｃとインピーダンスは、以下の通りとなる。

材料Ａ：静電容量≒１７７ｐＦ、インピーダンス≒１８．０ＭΩ
材料Ｂ：静電容量≒６２０ｐＦ、インピーダンス≒５．１ＭΩ
材料Ｃ：静電容量≒３１０ｐＦ、インピーダンス≒１０．３ＭΩ
材料Ｄ：静電容量≒１３３ｐＦ、インピーダンス≒２４．０ＭΩ
材料Ｅ：静電容量≒８８．５ｐＦ、インピーダンス≒３９．６ＭΩ
全体の印加電圧６ｋＶとするとそれぞれの分担電圧とその際の電界は以下の通りとなり、比誘電率の低い材料に多くの電気負荷が分担される。

材料Ａ：分担電圧≒１．１６ｋＶ、電界≒５．７８ｋＶ／ｍｍ
材料Ｂ：分担電圧≒０．３３ｋＶ、電界≒３．３０ｋＶ／ｍｍ
材料Ｃ：分担電圧≒０．６６ｋＶ、電界≒３．３０ｋＶ／ｍｍ
材料Ｄ：分担電圧≒１．５４ｋＶ、電界≒７．７１ｋＶ／ｍｍ
材料Ｅ：分担電圧≒２．３１ｋＶ、電界≒７．７１ｋＶ／ｍｍ
ここで材料Ｄの厚みを０．３ｍｍにするとそれぞれの分担電圧と電界は以下の通りとなり、比誘電率と材料厚みによって電気負荷を制御することができる。

材料Ａ：分担電圧≒１．０２ｋＶ、電界≒５．１２ｋＶ／ｍｍ
材料Ｂ：分担電圧≒０．２９ｋＶ、電界≒２．９３ｋＶ／ｍｍ
材料Ｃ：分担電圧≒０．５９ｋＶ、電界≒２．９３ｋＶ／ｍｍ
材料Ｄ：分担電圧≒２．０５ｋＶ、電界≒６．８３ｋＶ／ｍｍ
材料Ｅ：分担電圧≒２．０５ｋＶ、電界≒６．８３ｋＶ／ｍｍ
以上のように絶縁材料に低誘電材料を適用することで本発明の絶縁構造を構成する材料の電気負荷を分担できる。特に、絶縁構造を構成する材料に対して適正な電界分担をすることで、絶縁構造の薄厚化及び所定の耐用年数を満たすことができる。

特に低誘電材料を巻回する箇所は主絶縁層４の最外層でコロナ防止層５の内側であることが好ましい。低誘電材料には大きな電気負荷がかかることは前述の通りである。実施形態１の絶縁構造のうち最も厳しい電気的負荷をうけるのは固定子コイル１の角部であるが、層間絶縁層３と主絶縁層４との間にも電界集中が起こる。この電界集中の部位に大きな電気負荷を受ける材料を巻回することはさらに大きな電界集中を発生させることになり好ましくない。

また、主絶縁層４との関係を考えると、異種材料を隣接させることで電界集中の可能性があるので望ましくない。さらに、大形回転機は樹脂材料を含浸させることで絶縁強化するが、一般に低誘電材料は化学的に安定しており含浸樹脂との相溶性が悪い。このため特に基材である低誘電材料部分が隣接する材料との間で含浸樹脂を介した密着（接着）不良を起こす可能性がある。密着不良が発生するとこの部分で空隙が生まれ内部放電が発生、または、材料表面を漏れ電流が流れるなどして早期劣化の原因となる。このように低誘電材料を巻回したことで密着不良が発生し劣化の可能性がある。

そこで、実施形態１，２のように低電位側（電気≒０Ｖ）であるコロナ防止層５の内側に外部電界緩和層６が巻回、または、主絶縁層４側に内部電界緩和層７がさらに巻回されることで、仮に低誘電材料により密着不良が発生した場合でも放電や表面電流が抑制される。

表１に示す絶縁厚みの本発明の絶縁構造の実施例である絶縁システム（システムＡからシステムＥ）について、一定電圧を長期間連続課電したときの破壊時間について比較する。システムＡからシステムＥに対する破壊時間を表２に示す。

システムＣは層間絶縁層３と主絶縁層４という最も単純な絶縁構成から期待される課電寿命に対し長時間の耐久性を有している。特に、主絶縁層４の内側と外側の両方に電界緩和材料が適用されたシステムＣの場合には層間絶縁層３および主絶縁層４のみで構成されるシステムＤに対し、絶縁厚みから推定される期待寿命の３倍以上の耐久性を有しており、絶縁厚みの厚いシステムＥとほぼ同等の性能を有している。

以上の結果から明らかなように、実施形態１，２の外部電界緩和層６、内部電界緩和層７のように低誘電材料が適用された電界緩和層を有する絶縁構造を採ることで、主絶縁材料（主絶縁層４）の電気的負荷を制御で、絶縁厚み低減させた場合でも耐久性が向上する。

したがって、本発明の一態様である実施形態１，２によれば、高圧回転機の固定子コイルの電界集中部での電界緩和が可能となり、絶縁薄厚化しかつ所定の耐用年数を満たすことができる。

１…固定子コイル
２…素線絶縁層
３…層間絶縁層
４…主絶縁層
５…コロナ防止層
６…外部電界緩和層

Claims (5)

1. 高圧回転機の固定子コイルの絶縁構造であって、
   素線を覆う素線絶縁層と、
   この素線絶縁層により覆われた前記素線を複数束ねてさらに覆う層間絶縁層と、
   この層間絶縁層により束ねられた前記素線をさらに複数束ねて覆う主絶縁層と、
   この主絶縁層の外周に設けられるコロナ防止層と、
   前記主絶縁層と前記コロナ防止層との間に設けられる外部電界緩和層と
   を有することを特徴とする固定子コイルの絶縁構造。
2. 前記層間絶縁層と前記主絶縁層との間に設けられる内部電界緩和層をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の固定子コイルの絶縁構造。
3. 前記外部電界緩和層は、比誘電率が４未満であることを特徴とする請求項１または２に記載の固定子コイルの絶縁構造。
4. 前記内部電界緩和層は、比誘電率が４未満であることを特徴とする請求項２に記載の固定子コイルの絶縁構造。
5. 前記主絶縁層は、ガラス繊維若しくはポリエステルシートのいずれかと、マイカと、を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の固定子コイルの絶縁構造。

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