NO752943L - - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en anordning ved isolert elektrisk leder, hvis tverrsnitt er begrenset av et antah1 plane flater som er forbundet med konvekst krumme flater, hvilken leder en konsentrisk omgitt av et isolasjonslegeme med forhåndsbestemt radia-tykkelse, og minst ett konsentrisk ledende sjikt som omgir isolasjonslegemet og hvis indre flate har jevn forhåndsbestemt avstand fra overflaten av den indre leder.

Når en elektrisk leder som har en eller flere skarpe kanter eller hjørner, påtrykkes en tilstrekkelig høy spenning, opptrer det en utladning av elektrisitet som er kjent som coronautladning, mellom kanten av lederen og den*.omgivende atmosfære. Coronautladningen opptrer ved kantene av lederen fordi ved en gitt spenning er den elektriske feltstyrke sterkest ved de skarpe kanter og kan nå en størrelse ved hvilken den omgivende luft bryter sammen, mens feltstyrken på andre steder av lederen fremdeles ligger under denne grense. Coronautladning begrenser-således den spenning som innenfor sikkerhetsgrensene kan påtrykkes lederen. Denne ulempe er særlig viktig i tilfelle av en langstrakt leder som er påtrykt høy spenning, dvs. en koplings-skinne av rektangulært tverrsnitt hvor hovedflåtene er hovedsake-lig plane og parallelle. Det er vanlig å begrense coronautladningen ved å avrunde de skarpe kanter eller hjørner på lederen og omslutte lederen med et isolasjonsmateriale.

Coronautladningens ødeleggende virkning på steder med sterkt elektrisk felt er en av hovedgrunnene til isolasjonsfeil i høyspenningsanlegg. Selve coronautladningen er forholdsvis harmløs, men det er alvorlige sekundærvirkninger som skyldes frembringelse av virkningsfulle oksyderingsmidler i det sterke elektriske felt. Det frembringes ozon som aksellererer oksyda-sjonen av tilgrensende organiske materialer. Nitrogenoksydkompo- nenter som dannes ved jonisering av luften kombineres med vann og danner syrer som angriper organisk og uorganisk materiale. Organisk isolasjonsmateriale såsom lakker og cellulose oksyderes . hurtig i et sterkt coronautladningsfelt. Glimmer og glass er upåvirket av corona og oksyderingsmidlene fordi de er nøytrale, uorganiske blandinger.

Coronautladning kan ventes i elektriske maskiner som arbeider ved spenninger på 6 kV og høyere. Coronautladningen opptrer i høyspente statorviklinger inne i statorspolene og ved endene av disse. Coronautladning i sporene opptrer inne i disse når gass joniseres i små hulrom mellom isolasjonsmateriale og statorkjernen. Dette kan unngås i.noen høyspenningsmaskiner ved å anbringe et halvledende sjikt på isolasjonsmateriale. Dette halvledende sjikt holder spenningspåkjenningen inne i isolasjonen og samler den kapasitive strøm fra spolens overflate og utlader •den til kjernen uten å volde skade. Et eksempel på denne ut-vikling er U.S.-patentskrfft nr. 3.210.461.

Coronautladning på den ytterste vinding opptrer når spolene trer ut av sporet i kjernen og også mellom til hverandre grensende spoler i endevindingsområdene. Det er en konsentrasjon av spenningspåkjenningen på kanten av kjernen og coronautladning kan opptre på høyspenningsviklinger langs overflaten av isolasjonen utenfor selve kjernen og ved enden av det halvledende sjikt på den delen av spolen som befinner seg i slissen. Det kan også ppptre coronautladning mellom spoler i éndevindingene, særlig mellom spoler av forskjellig fase hvor sterkest spenningspåkjenning hersker.. For å fordele spenningen på spoleoverflaten har det vært vanlig å anvende overflatebehandling med større motstandsevne på en del av spolen rett utenfor kjernen. Dette overlapper overflatebehandlingen med mindre motstandsevne og for-deler på virkningsfull måte spenningsgradienten langs spoleoverflaten til éndevindingene.

Ettersom arbeidsspenningene blir stadig større, er det blitt mere vanskelig å beherske de aksiale påkjenninger ved halvlederbehandling alene særlig under overspenningsprøver. Por slike høye spenninger kan det anvendes en alternativ måte for å beherske aksial påkjenning. Ved denne metode blir ledende folier innleiret i isolasjonsmaterialet med eller uten halvledende over-a. flatebehandling. Ved riktig valg av folieavstand og f61ie-lengde, kan radial- og longitudinalpåkjenning utjevnes og isolasjonsens tykkelse minskes vesentlig..Hensikten med oppfinnelsen er derfor å tilveiebringe en.ledende foliestruktur som bevirker maksimal reduksjon i isolasjonens spenningspåkjenning for et gitt antall ledende folier.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved at den indre leders krumme flater har en krumningsradius r, isolasjonslegemet har en radial tykkelse T, antallet ytre ledende sjikt er et positivt helt tall n, avstanden til den i'te ytre leder fra den indre leder er x^, og at:

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av kravene 2-6.

Oppfinnelsen skal nedenfor forklares nærmere under hen-visning til tegningen. Fig. 1 viser i perspektiv to isolerte elektriske led-nings vindinger i en sliss i en statorkjerne for enr-"«.elektrisk maskin. Fig. 2 viser et tverrsnitt gjennom de elektriske^:e<3

ledere på fig. 1.

Fig. 3 viser et tverrsnitt gjennom en iscblert lednings-vinding med et enkelt ledende sjikt innleiret i isolasjonen. Fig. 4 viser et tilnærmet ekvivalentskjerna for den elektriske leder på fig. 3. Fig. 1 viser en del 10 av en stator for en elektrisk maskin med en rektangulær statorsliss 12 som strekker seg aksielt i statorkjernen.Stafeorkjernen består av en stabel metallameller med åpninger som når stat<p>rkjernen er sammensatt, danner slissene 12 i hvilke elektriske ledere 20 i form av vindinger er anordnet. Vindingene er isolert i forhold til hverandre og til kjernen. Vindingene 20 holdes på plass i slissen

. 12 ved hjelp av en kile lH som fortrinnsvis er bygget opp av glimmer, asbest, glassfiber eller lignende uorganisk materiale med harpiks som bindemiddel. Skillestykker 16 fortrinnsvis av

glimmer-harpiksprodukt, er anordnet mellom vindingene 20. Overflaten 29 av den isolerte leder i statorslissen 12 qg et forhåndsbestemt stykke på utsiden av slissen er gjort halvledende, fortrinnsvis ved tilsetning av silisiumkarbid. Et anaet sjiktmateriale kan naturligvis anvendes.

Lederen 22 har avrundede hjørner med en radius r og er fortrinnsvis bygget opp av et større antall innbyrdes isolerte ledningskordeller for å minske hudeffekttap. For enkelt-hets skyld "'skål lederne 22 nedenfor betraktes som en massiv leder av rektangulært tverrsnitt hvis hjørner er avrundet med, en radius r. Lederen består fortrinnsvis av meget godt ledende metall som kopper eller aluminium, og lengden av lederne er meget større enn bredden. Uten at de skarpe hjørner av lederen er noe avrundet, vil coronautladning finne sted når lederen påtrykkes en høy spenning.

Lederen 22 er først belagt med isolasjonsmaterialet 24 med en slik radial tykkelse at tykkelsen i hjørnene er x.

Dette isolasjonssjikt består fortrinnsvis av glimmertape eller glimmerpapir.

En minskning av den store elektriske påkjenning i kantene av lederen oppnås ved at et eller flere ledende sjikt

.26 er anbrakt utenpå isolasjonen. Sjiktet 26 er anbrakt mellom isolasjonssjiktet 24 og et andre isolasjonssjikt 28 som er konsentriske i forhold til lederen 22. Det ledende sjikt 26 har en avstand fra lederens 20 overflate som skal beskrives nærmere nedenfor. Det ledende sjikt 26 har intim kontakt med det første isolasjonssjikt 24 og med det andre isolasjonssjikt 28 og omgir fullstendig isolasjonssjiktet 24, og lederen 22 og

strekker seg aksialt til minst det ytre halvledende overflatesjikt 29. Som vist på fig. 3 er den samlede' radiale tykkelse

av begge isolasjonssjiktene inkludert ledende sjikt i et avrundet hjørne lik T. Det ledende sjikt 26 deler denne samlede tykkelse T i samme forhold som de plane flater som omgir lederen 22, dvs.

På fig. 3 er antydet kapasiteter Cl, C2, C3 og C4.

Et tilnærmet ekvivalentskjema som omfatter disse kapasiteter

er vist på fig. 4. Fig. 1 representerer den fordelte kapasitet mellmm det ledende sjikt 26 og de plane flater av lederen 22, C2 er den fordelte kapasitet mellom det ledende sjikt 26 og den plane ytre overflate av isolasjonen 28, C3 er den fordelte kapasitet mellom det ledende sjikt 26 og kanten av den indre leder 22, og CU er den fordelte kapasitet mellom det ledende sjikt 26 og de ytre kanter av isolasjonen 28. R representerer motstanden i det ledende sjikt 26 mellom de. plane områder og de buede kantområder. VI og V2 representerer spenningen på det ledende sjikt 26 på de plane områder og på de buede områder, med overflaten av den ytre isolasjonen som referanse.

Som nevnt ovenfor er spenningspåkjenningen på kantene av den indre leder 22 for en gitt påtrykt spenning større enn påkjenningen på de piane deler av isolasjonen. Uten noe ledende sjikt vil spenningsfallet over C3 derfor være større enn spenningsfallet over Cl, dvs. V1>V2. Med et ledende sjikt 26 med en motstand '"■R mellom de plane områder og de buede kantområder som er liten sammenlignet med reaktansen.for de fire kapasiteter, vil de to spenninger være tilnærmet identiske og fordi Cl er større enn C3 og C2 er større enn C4 , vil de to spenninger ligge nærmere verdien av VI enn verdien av V2.. Re- ■ sultatet er at påkjenningen oger C3 og følgelig påkjenningen over den første isolasjonssjikt i det buede området er minsket.

I et eksempel antas at de plane overflater er 5 resp. 8 cm, ogrr = 0,08cm og T = 0,8 cm, og det ledende sjikt har en avstand x på 0,25 cm fra overflaten av lederen 22. Hvis di- elektrisitetskonstanten antas å være Hsvil kapasiteten for hver 2,5 cm lengde av lederen være:

Ved bestemmelsen av C3 og C4 såvel som de følgende beregninger er det antatt at kantene av isolasjonsoverf l&en og kantene av det ledende sjikt er konsentriske sirkulære sylindre.

Med 30 kV tilført lederen (midlere påkjenning 100 Vpm) og uten noe ledende sjikt, vil følgende verdier oppnås for VI

og V2:

Ben indre tredjedel av isolasjonen ved kantene har derfor en midlere påkjenning lik:

og fra et. st andar ddiagram, dvs. et som er publisert av J.D. Cockcroft i "The Effeet of Curved Boundaries on the Distribution of Electrical Stress of Round Conductors" i Journal of the Institute of Electrical Engineers, bind 66, for april 1928, side 385-409, vil påkjenningen i kantene være: . 2.57. x 100 = 257 Vpm

Med et meget godt ledende sjikt.26 vil spenningen på sjiktet være:

Den indre tredjedel av isolasjonen på kantene har nå en midlere påkjenning på bare:

og den maksimale påkjenning på kanten av lederen er bare:

1.80 x 105.7 = 190.3 Vpm

Det skal bemerkes at disse påkjenninger vil være noe større når det tas i betraktning at det ledende sjikt har en viss motstand, men differansen er liten så lenge motstanden i sjiktet er liten sammenlignet med impedansen av den største kapasitet i systemet. ovenfor nevnte eksempel er impedansen av Cl ved 60 perioder:

Hvis det ledende sjikt .26 legges nærmere den indre leder 22, vil påkjenningen ved kantene av den indre leder 22 være mindre, men samtidig vil påkjenningen på den ytre flate av det ledende sjikt 26 i de buede områder øker. Den laveste maksimale påkjenning i isolasjonen vil opptre når disse to påkjenninger er.like hvilket vil opptre ifølge erfaringer, når radien av de buede partier er lik den geometriske middel av radien for lederens kanter og radien for den ytre overflate av isolasjonen. Virkningen av det ledende sjikt for å oppnå midlere påkjenning er den samme for"forskjellige deler av isolasjonen slik den er delt ved hjelp av det ledende sjikt 26.

Hvis to el&er flere ledende sjikt anvendes, vil den maksimale påkjenning på en bestemt del av isolasjonen mellom to til hverandre grensende ledende sjikt være avhengig av forholdet mellom de. buede partier av disse sjikt og vil øke hvis forholdet øker. Por å.oppnå den støeste elektriske påkjenning i isolasjonen så lav som mulig ved et gitt antall ledende sjikt, må det laveste forhold mellom de buede partier av de to til hverandre grensende sjikt være så liten som mulig. Dette oppnås ved å anbringe de ledende sjikt slik at forholdet mellom deres kurvede partier er det samme, dvs.

hvor r = radien for lederens avrundede partier,

T = den radialå tykkelse av isolasjonen i de buedeområder, x^ = avstanden fra lederens overflate til det i'te ledende

sjikt,

n = antall ledende sjikt, i = et positivt helt tall mindre eller lik n.

Av dette kan utledes at: hvor n.er lik i. Hvis bare ett ledende sjikt anvendes, er n = 1 og • .

Uttrykket ovenfor kan uttrykkes som følger:

Det ledende sjikt 26 kan lett anbringes hvis isolasjonen er bygget opp av et antall sjikt av bånd slik som fore-slått fordi det da er lett å anbringe dette mellom to båndsjikt som vil gi den beste verdi for x slik det fremgår av uttrykkene ovenfor. F.eks. kan det for en leder med en radius r = 0,008 cm og en isolasjonstykkelse på 0,37 cm oppnås den laveste verdi av maksimal påkjenning når det ledende sjikt befinner seg 0,01.cm fra lederens overflate. En .metallfolie kan anvendes som ledende sjikt, men for isolasjon som skal vakuumimpregneres,. må det ledende sjikt også være impregnertbart. Et ledende impregnerbart .bånd finnes og det er prøvet som et ytre bånd og kan også anvendes som et ledende sjikt i et vakuumimpregnert isolasjon.

På fig. 1 er det ledende sjikt 26 og isolasjonssjikfeene 24 og 82 vist hvor de strekker seg langs lederen 22 og rager ut av slissen 12 i statorkjernen. De ledende sjikt strekker seg ut fra enden av det halvledende overflatesjikt 29 i en fobhåndsbe-stemt avstand for å oppnå en aksial oppdeling av overflaten og . i de ytre sjikt av isolasjonen i tillegg til den aadiale oppdeling.

Det er derfor klart at den beskrevne struktur er for-bedret anordning for å minske radial spenningspåkjenning i høy-spenningsisolasjon med eller uten samtidig minskning av aksial spenningspåkjenning. Strukturen reduserer eller eliminerer den interne coronautladning slik at isolasjonens tykkelse kan minskes vesentlig for én bestemt driftsspenning. I tillegg hertil kan to statorviklinger av den ovenfor nevnte struktur anvendes for isolasjon av enhver strømførende metalldel av ikke sirkulært tverrsnitt.

Claims (6)

1. Anoadning ved.isolert elektrisk leder, hvis tverrsnitt er begrenset av et antall plane flater som er forbundet ved konvekst krumme flater, hvilken leder er konsentrisk omgitt av et isolasjonslegeme med forhåndsbestemt' radial tykkelse, og minst ett konsentrisk ledende sjikt som omgir isolasjonslegemet og hvis indre flate har jevn forhåndsbestemt avstand fra overflaten av den indre leder,karakterisertyoe d at den indre leders krumme flater har en krumningsradius r, isolasjonslegemet har en radial tykkelse T, antallet ytre ledende sjikt er et positivt helt tall n, avstanden til den i'te ytre leder fra den indre leder er x^, og at:

2. Anordning ifølge krav 1,karakterisertved at den indre leder har hovedsaklig rektangulært tverrsnitt, at den isolerte leder er beregnet på å anbringes i et spor i en stator, for en elektrisk maskin,<p>g at isolasjonenf;pg den ytre leder rager ut over sporet et forhåndsbestemt stykke når den isolerte leder-enhet er anbrakt i sporet.

3. Anordning ifølge krav 2,karakterisertved at isolasjonen består av flere lag glimmerbånd.

4. Anordning ifølge krav 2,karakterisert' ved at de ytre ledende sjikt består av metallfolie av forhåndsbestemt radial tykkelse som er mindre enn den radiale tykkelse av isolasjonen.

5. Anordning ifølge krav 2,karakterisertv e d at de ytre ledende sjikt består av ledende impregnerbart bånd.

6. Anordning ifølge krav 2,karakterisertved et halvledende lag som er avsatt på den ytre flate av isolasjonen.