JP3721359B2 - 発電電動機械のための段状の電界の絶縁システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電電動機械の巻線に用いるための絶縁システムに関する。具体的には、本発明は、異なる誘電率を有する内層及び外層を含み、より有利なストレス分布を誘電体内に生成する絶縁体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大型交流発電電動機械のための絶縁システムは、絶縁材料の厚さの最小化を図りながら、同時にこれらの機械が作動する電圧を高めるように、絶え間ない開発がなされている。
【０００３】
こうした絶縁システムにおいては、基材上に分散された大型片から雲母紙として公知の製品に至るまで、様々な形状の雲母を利用するのが一般的である。雲母紙の低抗張力は、こうした絶縁システムに用いるのには向かないが、一方で、雲母紙は、絶縁体の寿命を縮めがちな高圧巻線において発生するコロナ放電に対抗するコロナによる絶縁破壊には優れた抵抗性を有する。雲母紙の低抗張力を補うために、雲母紙はグラスファイバに接合されるが、それはまた、雲母片がテープ巻き付け作業の間に雲母テープから剥離するのを防止するようにも働く。
【０００４】
ごく最近では、絶縁システムに耐コロナ性ポリイミド複合材の絶縁体テープが採用されるようになった。このテープは、特に優れた絶縁性能と良好な耐コロナ放電性とを有する。このフィルムは、単独で用いることも、雲母紙とグラスファイバの複合材テープの基材として用いることもできる。耐コロナ性の強化されたテープ絶縁体を加えることによって、標準型システムに比べ、電気的により強化された絶縁システムが提供される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、接地壁のための絶縁システム及びテープの開発においては、これまで、接地壁絶縁体内の局所的電界の大きさ及び分布形状が考慮されることはなかった。導線に印加される高電圧の結果として接地壁絶縁体に生成されるこの電界は、絶縁体の寿命に直接的影響を与える。接地壁絶縁体の厚さを減少させるために様々な創意がなされているが、接地壁を横切って分布する電界の影響もまた、絶縁システムの性能及び接地壁絶縁システムの寿命に影響を与えることは、理解されるべきである。従って、絶縁体を横切る電圧差の結果として接地壁絶縁体に生成される局所化された電界の影響を考慮した、発電電動機械の巻線に用いるための接地壁絶縁システムを開発する必要がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、導線バー即ち導電要素に隣接する絶縁体の内側から絶縁体の外側防護層即ち接地防護層まで絶縁体を通して分布する電界に、段状の又は急激な増大をもたらす、発電電動機械の巻線に用いるための絶縁システムが提供される。
【０００７】
電界における「段状の増大」という用語は、接地壁絶縁体の横断面を横切る電界分布形状における著しい変化に関するものと理解すべきである。本発明によれば、「平坦部」横断面を横切る電界の分布形状は、従来の平坦部における電界分布形状と比較して、該横断面を横切る中途において急激な段状の増大を示す。絶縁体の角部においては、電界分布形状が導線から離れるにともない徐々に減少し、該角部の横断面を横切る中途において再び急激な段状の増大を示す。
【０００８】
本発明の絶縁体の電界分布形状における段状の変化の上記態様を達成するために、発電電動機械の導線が絶縁体層で絶縁される絶縁システムが提供される。絶縁体は、第１の絶縁体内層と該第１の内層に対して外側になる第２の絶縁体層とを有する。第１及び第２の絶縁体層は共に、絶縁体自体に必要な適当な絶縁特性を与えるために、所定の厚さを有する。しかしながら、第１の絶縁体内層の誘電率は、第２の絶縁体層の誘電率より大きくなるように選択され、そのことにより、第２の絶縁体層における電界は、第１の絶縁体内層と第２の絶縁体層との間の接合部で急激に増大する。
【０００９】
相対的に高い誘電率を内層に与えることによって、導線に隣接する電界は減少された値を持つことが分かった。絶縁体を横切って分布する全電界は、低くはならないかもしれないが、導線に隣接する絶縁体層において急激に発生する電界の大きさが減少されるということを理解すべきである。これまで電界の最大値を経験してきた導線に隣接する絶縁体の角部に生じる絶縁体の最弱点領域に合わせて絶縁体が設計され開発されるため、これは、大きな成果である。このように、電界大きさを減少させることによって、絶縁体の厚さのための必要条件が軽減され、そのことによって、絶縁体の厚さが最小にされる一方で、こうした導線が負担する電圧又は絶縁体寿命に悪影響を及ぼすこともない。本発明においては、これらの導線は、ほぼ４ｋＶ程度及びそれ以上の電圧を負担することが想定されるということを理解すべきである。
【００１０】
本発明の別の実施形態において、絶縁体は、互いに重ねて相続く層状に施された２層より多い絶縁体層を含むことができるが、後続する層の各々は、先行する絶縁体層に比べて、より低い誘電率を有する。
【００１１】
本発明の絶縁システムの好ましい用途は、４ｋＶ及びそれ以上の電圧を負担する発電電動機械の巻線における導線のための接地壁絶縁体である。電圧がほぼ１３．８ｋＶ程度の用途においては、接地壁絶縁体の厚さはほぼ３．２ｍｍ程度である。
【００１２】
本発明の好ましい態様によると、接地壁絶縁体を横切る方向に段状の電界分布形状を有する発電電動機械の導線に用いるための接地壁絶縁体が提供される。接地壁絶縁体は、第１の絶縁体内層と第２の絶縁体外層を含む。第１の絶縁体内層は、導線上に施され、第１の所定厚さと第１の所定誘電率とを有する。第２の絶縁体外層は、第１の絶縁体内層上に施され、該第１の絶縁体内層との間で接合部を形成する。第２の絶縁体外層は、第２の所定厚さと第２の所定誘電率とを有し、第２の所定誘電率は、第１の絶縁体内層の第１の所定誘電率より小さく、第１の絶縁体内層と第２の絶縁体外層との間の接合部で、接地壁絶縁体内の電界に段状の増大を生じさせる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の性質及び目的についてのより深い理解のために、添付図面を参照する。
【００１４】
図１は、大型の交流発電電動機械のための典型的なステータ・バー１０の断面図を示す。バー１０は、ストランド絶縁体１４によって相互に絶縁される符号１２で示すような多数の絶縁された導線から構成される。
【００１５】
導線１２は、それらに必要な絶縁のためのストランド絶縁体１４を施した後に一群に形成される。導線群の上部及び底部は、通常入換え充填材と呼ばれる絶縁材料１３によって充填される。絶縁された導線１２群は次に、接地壁絶縁体材料１６で包まれる。絶縁体を構成する絶縁テープの層数は、導線１２が受ける作動電圧のレベルに応じて、半重ね又は包み方式で巻かれた雲母テープ絶縁体による７層から１６層までとすることができる。
【００１６】
高電圧用途、即ち４０００ボルト以上の、好ましくは１３．８ｋＶの用途について、好ましい絶縁体１６は、雲母タイプの紙テープに耐コロナ放電性ポリイミドが接合された複合材雲母テープの層である。このテープは良質な絶縁体層を提供し、その耐コロナ特性のために、コロナ放電に対する抵抗性によって長い有効寿命を与える。これらのハイブリッド・システムに用いられる雲母紙複合材及びテープは、高率で半硬化樹脂（樹脂過多）を含み、この樹脂には、耐コロナ性材料を含む場合もあるし又は含まない場合もある。包まれたバーは、オートクレーブ又はプレス内で加熱及び圧縮され、一時的に樹脂を液化させて溜まった空気があれば全て排除し、あらゆる空隙を除去する。処理が行なわれているバー上では、熱及び圧力が保持され、絶縁体に含まれる樹脂はゲル状にされ、絶縁システムを互いに接合する。硬化されたバーの表面は次に、適切な材料で被覆され、機械の作動中にバーの露出面全体が等電位面を形成するのを確実にすることができる。
【００１７】
上記のようなテープ状に製造された硬化バーは、所定の期間にわたり機械の設計パラメータの範囲内で容認できる機能を十分に果たすことになる。
【００１８】
図２は、典型的なコイル１０ｂのための断面図を示す。この例において、銅製のストランド１２ｂ（６本として示されている）は一纏めにされ、ストランド１２は、ストランド絶縁体１４ｂがあることによって互いに分離されているが、巻線部に纏められた６本のストランドは、巻線部絶縁体１５ｂによって、コイル１０ｂのその他の巻線部から絶縁されていなければならない。巻線部のパッケージは、最終的に接地壁絶縁体１６ｂによって被覆される。
【００１９】
図３（Ａ）は、本発明の教示により絶縁されたステータ・バーの断面図を示す。ここでは、導線束は、先に図１で示したものと同様のストランド絶縁体２４によって分離された個々の導線２２から構成される。導線束は次に、数層の複合材テープで巻かれる。複合材テープ層の各々は、絶縁体テープによる第１の内層２６とテープによる第２の絶縁体層２８とを含む。テープによるこれらの層２６、２８は、それぞれ所定厚さと異なる誘電率とを有する。具体的には、第１の内層の誘電率は、最外層の誘電率と比べた場合、それより大きい。本発明において、誘電率を低くした第３又は第４のテープによる追加の層を採用できることもまた理解されるべきである。
【００２０】
これらの絶縁体内層及び絶縁体外層は、ガラス・テープ基材上に重ねられて層２８を形成する雲母紙のような複合材からなる半重ねテープ層により構成できるものである。雲母紙には適切な樹脂含浸剤が存在する。この標準型テープは優れた耐電圧性能を有する。
【００２１】
層２６及び２８を含む接地壁絶縁体は、プレス硬化又はオートクレーブ硬化による処理が施され、絶縁体層２６及び２８内の空隙を全て除去し、その後に樹脂含浸剤をゲル状にすることができる。
【００２２】
硬化前か又は硬化後に、絶縁体層２８の外表面に適切な表面被覆加工を施すことができる。
【００２３】
図３（Ｂ）は、３つの巻線部で構成されたコイル２０に施される複合材の接地壁絶縁体を示す。この例においては、銅製の導線２２ｂがストランド絶縁体２４ｂによって囲まれる。巻線部絶縁体２５ｂが巻線部の各々に施され、図３（Ａ）の層２６と同じ構成要素を含む接地壁絶縁体２６ｂの最初の層が施される。最後に、接地壁絶縁体の外層２８ｂが施される。巻線部絶縁体２５ｂの存在を別にすると、図３（Ａ）と図３（Ｂ）の絶縁システムは極めて類似する。
【００２４】
ここで図４を参照すると、第１の層２６及び第２の層２８とも呼ばれる絶縁体接地壁の内層２６及びそれより外側にある第２の絶縁体接地壁層２８を含む導線２５の簡略化された図が示される。第１の層２６は、第２の層２８のそれを上回るように選択された誘電率を有する。これが達成されたことを試験するのに誘電率６．５を有するテープ絶縁体の内層２６が利用された。外側にある第２の絶縁体層２８の誘電率は４．２になるように選択された。それら層の所定厚さは０．０９６インチとし、２．５ｍｍより僅かに薄くした。電界分布形状は、符号４０で示す角部と符号４２の平坦部とで求められた。図４についての計測結果は図６のグラフに示される。しかしながら、図６のグラフを検討する前に、図１に示す絶縁体に関連する図５のグラフを参照する。
【００２５】
図５において、角部４０での電界の分布形状は、１ｍｍ当りほぼ４２００ボルトから始まり、曲線５５によって示される曲線状の傾斜に沿って減少し、この導線の絶縁体材料の厚さである３ｍｍまで徐々に減少することが示されている。平坦部においては、電圧の電界は、１ｍｍ当りほぼ２６００ボルトで安定している。このことは曲線５０によって示されている。
【００２６】
従って、図１に示す絶縁体は、電界が最大となり、その結果、絶縁体が最弱点部を持つことになる導線に隣接する角部において、最弱点部を持つことになる。図６を参照すると、図３（Ａ）に示す導線についてのグラフが示されており、図６上にも示されている図５のグラフと比較される。２つの絶縁システム２６と２８の厚さが示される。グラフ６５において、電界の最大値は図５における１ｍｍ当り約４２００ボルトと対比すると、１ｍｍ当り４０００ボルトである。しかしながら、電界分布形状は、第２の絶縁体層が形成される位置である層２６と層２８の間の接合部における急激な段状部６８まで、曲線に沿って徐々に減少する。急激な段状部６８の後、電界は、再び曲線状の傾斜で減少する。平坦部４２即ち分配層を横切る電界分布形状については、これを符号６０で示し、分布形状５０と対比することができる。その結果、導線に隣接する電界の分布は、平坦部４２と湾曲部４０の両方において曲線５０と曲線５５の電界をそれぞれ下回り、符号６８において急激で段階的な段状部による増大を持ち、そのため、曲線５０及び曲線５５の電界をそれぞれ上回るようになる。しかしながら、本発明は、接地壁絶縁体が耐えなければならない電界最大値の減少を与えるものである。
【００２７】
図６に示す電界分布形状は、ステータ・バーの巻線におけるもので、この電界分布形状は、ステータ・コイルのための第１の絶縁体層と第２の絶縁体層との接合部を横切る段差型の機能によりもたらされるものであり、このパターンは、後続の即ち続いて形成される絶縁体層を追加し、後続する層の各々がより低い誘電率を有するようにすることによって、繰り返すことができるものと理解すべきである。
【００２８】
更に、図６において用いられた絶縁システムの厚さは、図５の公知技術において用いられたものよりはるかに減少されている。そのため、絶縁体におけるこの減少は、結果として材料のコスト節約をもたらすことになる。
【００２９】
再び図３（Ａ）及び図３（Ｂ）を参照すると、絶縁体の後続する層８０及び８２を図３（Ａ）の層２８及び図３（Ｂ）の層２８ｂの上に続けて施す状態が、想像線により示されている。これらの後続層８０及び８２は、それらが用いられる場合には、巻線部絶縁体２４又は接地壁絶縁体層２６及び２８の上に更に施される層の各々について順に低くなる誘電率を持つことになる。
【００３０】
本発明において利用される絶縁体の内層及び外層は、雲母紙テープのための雲母の選択に応じて固有のものとして、異なる誘電率を有する異なる種類の雲母から作られた２つのテープにより構成できることが、更に想定されている。これらのテープのために選択される雲母紙は、雲母自体に固有の誘電率の相違が、各テープの全合成誘電率に寄与することになる。このようにして、単一の基本テープ構造及び化学的性質に基づき異なる誘電率の多重テープを利用することができる。最も一般的な形態の雲母は、誘電定数が６から８の範囲にある白雲母である。別の形態の雲母は、誘電定数が５から６の範囲にある金雲母である。材料の有利な組合せを選択できる、雲母の異なる種類の組合せが多数存在する。雲母を以下のもの、即ち、アナンダイト、アンナイト、黒雲母、ビテ雲母、ホウ酸白雲母、セラドナイト、チェルニカイト、脆雲母、エフェサイト、第二アンナイト、海緑石、ヘンドリックサイト、キノシタライト、紅雲母、マストミライト、白雲母、ナンピンガイト、ソーダ雲母、金雲母、ポリリシオナイト、プライスベルカイト、バナジン雲母、シデロフィライト、ナトリウム金雲母、縞状雲母、蛭石、ウォンネサイト及びチンワルダイトから選択することができる。
【００３１】
本発明の更に別の実施形態が、本発明の好ましい実施形態についての上記の説明に照らして、当業者にとって直ちに明らかであることを理解すべきである。例えば、好ましい実施形態は、接地壁絶縁体に関するものであるが、導線２２を囲む図３（Ａ）の巻線部絶縁体２４を第１の絶縁体内層により構成し、それより外側にある第２の層を接地壁絶縁体層２６により構成することも、第２の層２６が層２４より低い誘電率を有する限り、本発明の範囲に含まれる。従って、本発明の範囲は、好ましい実施形態の教示に限定されるべきではなく、添付した特許請求の範囲の技術的範囲に限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 大型の交流発電電動機械のための典型的なステータ・バーの断面図。
【図２】 大型の交流発電電動機械のための典型的なステータ・コイルの断面図。
【図３】 (Ａ)は、本発明の絶縁システムを用いた、図１のステータ・バーのための絶縁システムを示す図であり、（Ｂ）は、本発明の絶縁システムを用いた、図２のステータ・コイルのための絶縁システムを示す図。
【図４】 図５の電界分布形状のための角部及び平坦部の横断面の位置を示す、図３（Ａ）の導線の簡略化した部分図。
【図５】 図１のステータ・バーにおける接地壁絶縁体の電界分布形状のグラフ。
【図６】 図３（Ａ）及び図４のステータ・バーにおける接地壁絶縁体の電界分布形状のグラフ。
【符号の説明】
２０ コイル
２２ 導線
２４ ストランド絶縁体
２５ 巻線部絶縁体
２６ 第１の絶縁体内層
２８ 第２の絶縁体層
４０ 角部
４２ 平坦部

Claims (9)

1. 絶縁体によって囲まれた、発電電動機械に用いるための巻線要素であって、該絶縁体が、
   導線上に施された、第１の所定厚さ及び第１の所定誘電率を有する第１の絶縁体内層と、
   該第１の絶縁体内層上に施された、第２の所定厚さ及び前記第１の絶縁体内層の前記第１の所定誘電率より低い第２の所定誘電率を有する第２の絶縁体層と、を含み、
   前記第１の絶縁体内層及び前記第２の絶縁体層が雲母紙のテープを含み、各々のテープのために選択された雲母が異なる種類の雲母であることを特徴とする巻線要素。
2. 前記第１の絶縁体内層及び前記第２の絶縁体層が、耐コロナ放電性材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の巻線要素。
3. 前記第１の絶縁体層が、前記巻線を形成する複数の導線の各導線に施された巻線部絶縁体層であり、前記第２の絶縁体層が、前記第１の絶縁体層の上で前記複数の導線に施された接地壁絶縁体層であることを特徴とする、請求項１に記載の巻線要素。
4. 前記第２の絶縁体層上に続いて施された少なくとも１つの後続絶縁体層を更に含み、該後続絶縁体層の各々が先に施された絶縁体層より低い誘電率を有することを特徴とする、請求項１又は３に記載の巻線要素。
5. 接地壁絶縁体を横切る段状の電界を有する発電電動機械の導線に用いるための接地壁絶縁体であって、
   導線上に施され第１の所定厚さ及び第１の所定誘電率を有する第１の絶縁体内層と、
   前記第１の絶縁体内層上に施され該第１の絶縁体内層と接合部を形成する第２の絶縁体層と、
   を備え、前記第２の絶縁体層が第２の所定厚さ及び前記第１の絶縁体内層の前記第１の所定誘電率より低い第２の所定誘電率を有し、前記第１の絶縁体内層と前記第２の絶縁体層との間の前記接合部で前記接地壁絶縁体の前記電界に段状の増大を生成し、
   前記第１の絶縁体内層及び前記第２の絶縁体層が雲母紙のテープであり、各々のテープのために選択された雲母が異なる種類の雲母であることを特徴とすることを特徴とする接地壁絶縁体。
6. 前記接地壁絶縁体の前記第１の絶縁体内層及び前記第２の絶縁体層の各々が、包むか又は巻き付けられた絶縁テープの数層を含むことを特徴とする、請求項５に記載の接地壁絶縁体。
7. 前記第１の絶縁体内層及び前記第２の絶縁体層は、耐コロナ放電性材料の粒子を含む樹脂が含侵されていることを特徴とする、請求項５に記載の接地壁絶縁体。
8. 前記第２の絶縁体層上に後続して施された少なくとも１つの後続絶縁体層を更に含み、該後続絶縁体層の各々が先に施された絶縁体層より低い誘電率を有することを特徴とする、請求項５又は請求項７に記載の接地壁絶縁体。
9. 前記異なる種類の雲母が、アナンダイト、アンナイト、黒雲母、ビテ雲母、ホウ酸白雲母、セラドナイト、チェルニカイト、脆雲母、エフェサイト、第二アンナイト、海緑石、ヘンドリックサイト、キノシタライト、紅雲母、マストミライト、白雲母、ナンピンガイト、ソーダ雲母、金雲母、ポリリシオナイト、プライスベルカイト、バナジン雲母、シデロフィライト、ナトリウム金雲母、縞状雲母、蛭石、ウォンネサイト及びチンワルダイトからなる群から選択されることを特徴とする、請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の接地壁絶縁体。

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