SE510590C2 - Elektrisk isolation för en för generering av ett magnetfält i ett flertal varv anordnad ledare, förfarande vid isolering av ledaren och användning av isolationen - Google Patents

Description

510 590 2 10 15 20 25 30 35 hang vanligaste typen av generator är en så kallad synkronmaskin. Denna inne- fattar en vridbart lagrad rotor med en rotorlindning omsluten av en stationär stator med en statorlindning. Såväl rotor som stator innefattar magnetiserbart material, som företrädesvis består av laminerade plåtpaket. Genom att tillföra mekanisk energi på rotoraxeln bringas rotorni konstant roterande rörelse. En ström bringas att flyta i rotorlindningen, varvid uppkommer ett roterande magnetfält som genererar en ström i statorlindningen.

Statorlindningen är anordnad i radiellt nedsänkta spår i statom. Spåren är axíellt orienterade och rotationssymmetriskt fördelade utmed statorn. Statorlíndnjngen innefattar en eller ett flertal seriekopplade ledare som är anordnade i härvor, vil- ka förläggs i spåren med två härvor per spår. Vid växelströmsmaskiner uppstår en variation av induktansen över lindningsledarens tvärsnitt. Störst reaktans erhålls i botten av ledaren och huvuddelen av strömmen kommer då att flyta i toppen av ledaren. För att motverka en sådan strömförträngriirtg delas ledaren upp i ett flertal parter som är isolerade från varandra. Partuppdelningen förhin- drar ej att induktansen varierar för de olika parterna utan dessa måste transpo- neras, dvs byta plats. En sådan transponering utförs vanligen utanför plåtpaketet men kan också genom så kallad Roebeltransposition anordnas i spåren. Valet av partdimensionering är en kompromiss mellan elektriska och mekaniska krav.

Elektriskt är det bättre med många parter då det minskar strömförträngrtingen men mekaniskt kan härvorna bli svårare att tillverka och montera. Få parter med kraftiga dimensioner ger problem vid exempelvis bockning av ledare.

Vid isolering av högspända lindningar måste hänsyn tagas till bland annat ter- miska, elektriska, miljöbefingade och mekaniska påkänningar. Dessa brukar benämnas TEAM (Thermal, Electrical, Ambient and Mechanical) och påverkar mer eller mindre isoleringens livslängd. Ur termisk synpunkt skall isoleringen tillåta en temperaturstegring, som kan omfatta ca O-180° C inom en timme. Ur elektrisk synpunkt skall isoleringen medge en fullgod elektrisk isolering utan att orsaka koncentrationer av det elektriska fältet. Ur miljöaspekt skall isoleringen ej pâverkas av smuts, ozon eller kondens. Ur miljöaspekten skall isoleringen inte heller vid tillverkning eller drift medföra något miljöfarligt utsläpp samt vid skrotning kunna återanvändas. Slutligen skall isoleringen ur mekanisk synpunkt medge härvoma att sitta fast i statorn men ändå tillåta rörelse vid termisk utvidgning av ledar- och isoleringsmaterialet. 10 15 20 25 30 35 3 510 590 Även om spänningen mellan ledama är högre än mellan parterna är ledar- och partspänningarna förhållandevis låga. Part- och ledarisoleringen är därför ofta enkel att utföra. Själva härvan måste dock tåla hela fasspärmingen som kan uppgå till ett flertal kV. Härför är härvan isolerad mot statorn av en huvudisolering. Vid höga potentialskillnader uppstår lätt, på grund av deformationer av fältet i den höga elektriska fältstyrkan, en partiell urladdning eller PD (Partial Discharge) som i dagligt tal kallas glimning. Vid glimning bildas bland annat ozon (03), vilket är mycket aggressivt mot organiska föreningar. Glinming orsakar således en försvagning av organiska isolermaterial och huvudisoleringen inkluderar därför material som är glimningsresistenta. Ett sådant material är glímmer, som är en Oorganisk förening och som motstår angrepp av ozon. De vanligaste isoler- materialen innehåller därför glimrner som huvudkomponent. Glimret är ofta inbakat i ett bindemedel som är anordnat på en bandformad bärare. Materialet hos bärare och bindemedel kan variera. Ett vanligt utförande av huvudisole- ringen är hartsindränkta band innehållande flagor av glímmer, som lindas kring ledaren och sedan härdas i en ugnsprocedur. Utanpå huvudisoleríngen är anordnat ett glimskydd som skall förhindra yttre glimning mellan härvsida och spårvägg.

Genom US 5,066,881 är en isolering för en generator tidigare känd, vars huvud- uppgift är att i kontakt med huvudisoleringens utsida anordna ett skikt som för- mår avleda laddningar för att minimera glimning. Isoleringen är härför omsluten av ett halvledande lager av en härdbar glasfiberbeläggning. Denna beläggning ersätter en tidigare känd jordningstape, som hade förmågan att leda bort ladd- ningar för att förhindra glimning. Den nya beläggningen uppges bättre följa kon- turen hos isoleringen och bättre behålla sina halvledande egenskaper efter härd- ningen av huvudisoleringen. I en utföringsform är det halvledande skiktet appli- cerat vid den övre och undre ändregionen hos en härva på insidan av huvud- isoleringen. Detta utförande uppges medföra en utjämnad elektrisk ekvipotential kring ändarna. Den kända isoleringen medför inget nytt till den tidigare kända tekniken. Det var således redan tidigare känt att avleda laddningar genom att anordna ett halvledande skikt utanpå isoleringen.

Det förhärskande problemet vid isolation hos en roterande elektrisk maskin, så- som en generator, är att isolanten och ledaren har olika temperaturutvidgning.

Detta medför vid temperaturförändringar att isolanten och ledaren förskjuts i för- hållande till varandra så att vidhäftningen upphör. Materialens vidhäftning till varandra upphör således och i dessa så kallade släppor uppkommer luftinneslut- 10 15 20 25 30 35 510 590 4 ningar. Det elektriska fältet är störst närmast ledaren. Släpporna uppkommer således där risken för glimning är som störst. Vid kända generatorer accepteras en viss glimning och istället bringas isoleringen att innehålla glimmer som motstår urladdningar. Emellertid bildas vid urladdningama ozon som angriper bärare odi bindemedel hos isoleringen, varvid isoleringen så småningom rärrmar.

Statorlindningen med isolering måste således efter en tid bytas ut.

Ett ytterligare problem vid de kända elektriska maskinerna där glimning accep- teras är att urladdningarna orsakar elektromagnetiska stömingar, vilka medför att känslig elektronikutrustning störs eller rent av havererar.

REDoGöRELsE FÖR UPPFINNNGEN Ändamålet med uppfinningen är att frambringa en isolation för en för generering av ett magnetfält i ett flertal varv anordnad ledare. I synnerhet avser uppfin- ningen en vid en roterande elektrisk maskin anordnad isolation som är PD-fri och har lång livslängd. Isolationen skall också medföra ett minskat underhåll och vara mer tillförlitlig än kända isolationssystem. Ur miljösynpunkt skall isoleringen medföra mindre miljöfarligt utsläpp vid såväl tillverkning, användning som vid skrotning. Ändamålet med uppfinningen är också att anvisa ett förfarande vid isolation av en roterande elektrisk maskin med uppnående av de ovan angivna målsättningarna. Isolationen är i synnerhet lämplig vid utbyte av en lindning till en befintlig elektrisk maskin.

Detta ändamål uppnås enligt uppfinningen av en isolation enligt dei det obero- ende kravets 1 kännetecknande del angivna särdragen samt med ett förfarande enligt de i det oberoende förfarandekravets 8 kärmetecknande del angivna sär- dragen. Fördelaktiga utföringsformer anges i de kännetecknande delarna av de beroende kraven.

Elektrisk isolation är ett medium eller ett material vilket när det placeras mellan ledare med olika potential tillåter endast en liten eller obetydlig ström att passera genom detta. Vid en ökad potential mellan ledarna ökar också den elektriska fält- styrkan över isolationen. Härvid ökar också risken för genomslag eftersom mate- rialets dielektriska hållfasthet överskrids. Den elektriska hållfastheten definieras som den maximala spänningsgradient som materialet förmår motstå utan genom- slag. 10 15 20 25 30 35 5 510 590 Det dielektriska genombrottet för en gas är ett resultat av en exponentiell multi- plikation av fria elektroner inducerade av det pålagda elektriska fältet. I ett kon- stant elektriskt fält inträffar genomslag vid en spänning som är en funktion av produkten av tryck och avstånd. Härvid har en gas vid en liten såväl som en stor sådan produkt en hög genombrottshållfasthet. Vid en liten volym och ett högt tryck får en elektron accelererad av det elektriska fältet inte upp tillräcklig acce- leration för att genom kollision med andra elektroner starta ett genombrott. Vid en större volym och ett lågt tryck är antalet elektroner för få för att tillräckligt många kollisioner skall äga rum. Vid rätt betingelser accelereras en elektron till en sådan hastighet, att vid kollision med andra elektroner dessa på likartat sätt accelererar varvid ett genombrott sker lavinartat. Vid en praktisk tillämpning är den dimensionerande dielektriska hållfastheten för en gas ca 0,5 kV/ mm. Vid lägre elektriska fältstyrkor sker således ej glimning i luftinneslutningar i isoler- materialet eller mellan ledare och isolation.

Inom högfältstekniken, det vill säga då den elektriska fältstyrkan överskrider den dielektriska hållfastheten för en gas, såsom luft, är däremot risken för glimning uppenbar. En luftinneslutning i isolanten medför här spontana urladdningar. Det föreligger således ett stort behov av att kunna minimera eller helt utesluta luft- ínneslutningar i isolationen eller mellan ledare och isolation och att anordna det elektriska fältet så att fältkoncentrationer undvikes.

Isolationen enligt uppfinningen innefattar en långsträckt tubformad isolant med ett inre och ett yttre halvledande skikt avsedd att omsluta en ledare. Isolanten och de halvledande skikten är utförda i material som har samma temperaturutvidg- ning eller som har en sådan vidhäftning att materialen följs åt vid en temperatur- förändring. Vid en temperaturförändring utvidgar sig materialen likartat och ge- nom god vidhäftriing uppstår inga släppor mellan isolanten och de halvledande skikten. De halvledande skikten är anordnade att mellan sig helt innesluta det elektriska fältet, varför det inre skiktet galvaniskt eller kapacitivt kopplas till ledaren och det yttre skiktet ansluts till exempelvis jord eller annan kontrollerbar potential. Eventuella släppor som till följd av temperarturförändring kan uppstå mellan det inre halvledande skiktets insida och ledaren föranleder ingen upp- komst av PD, eftersom det mellan ledaren och det inre halvledande skiktet ej föreligger någon potentialskillnad. 510 590 6 10 15 20 25 30 35 Genom att på sätt som ovan beskrivs försäkra sig om att glimning ej uppträder kan isolanten utföras av ett organiskt material utan inslag av glimnler. Isole- ringen kan därför utföras i ett homogent material, exempelvis en termoplast eller en gumrrxiblandrling. Ett sådant lämpligt material är en tvärbindbar polyeten. De halvledande materialen kan utföras i samma material och bringas att innehålla ett ledande stoft, exempelvis kirnrök eller kolpulver. Isolanten med de båda halvle- dande skikten kan därmed enkelt påföras ledaren genom exempelvis extrude- ring.

Isolationssystemet är speciellt avsett för härvor med ett flertal ledare, vilka kan vara uppdelade i parter. Ledar- och partisoleríngen utföres här lämpligen i ett material som har en högre dielekticitetskonstant än huvudisoleringens. Genom detta arrangemang förmår den innanför huvudisoleringens inre halvledande skikt liggande isoleringen att förändra det elektriska fältet så att koncentrationen över den inre isoleringen blir mindre. Istället ”trycker” den inre isoleringen ut ekvipotentiallinjerna i fältet så att den större koncentrationen hamnar inom huvudisoleringen. Genom denna förändring av fältet bringas också den större koncentrationen att breda ut sig över en större yta, varvid fältkoncentrationen tunnas ut.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall förklaras närmare genom beskrivning av ett utföringsexem- pel under hänvisning till bifogade figur som visar en tvärsektion genom en härva till en statorlindning, vilken innefattar en isolation enligt uppfinningen.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEHIVEEL En tvärsektion genom en typisk lindningshärva till en roterande elektrisk maskin visas i figuren. Lindningen innefattar en första ledare med ett flertal parter 2 och en andra ledare med likaledes ett flertal parter 3. Parterna tillhörande respektive ledare är omslutna av en partisolation 4, vilken således bildar ett isolerande skikt som omsluter paketet av ledarparter. Omslutande partisolationen 4 är anordnad en huvudisolation 1, vilken innefattar ett isolerande mellanskikt 6 med ett inre halvledande skikt 5 och ett yttre halvledande skikt 7. 10 15 20 25 30 35 7 510 590 En av parterna 8 är galvaniskt eller kapacitivt kopplad till det inre halvledande skiktet 5, så att detta intar samma potential som parten 8. Det yttre halvledande skiktet 7 är i elektrisk förbindelse med jord. Genom detta arrangemang bringas isolationen 1 att innehålla det elektriska fältet som bildas mellan ledaren och jord.

Av synnerlig vikt för isolationens funktion är att inga luftinneslutningar bildas mellan det inre halvledande skiktet och det yttre halvledande skiktet. Härför måste de båda halvledande skikten vara anordnade i absolut mekanisk kontakt med det isolerande mellanskiktet. Den mekaniska kontakten måste också bibe- hållas vid en temperaturutvidgning.

Det yttre halvledande skiktet är anordnat att fördela jordpotentialen över isolatio- nens yttre begrärtsningsyta. Likaså är det inre halvledande skiktet anordnat att fördela den till ledaren anslutna fasspänningen över den inre begränsningen av isolationen. Med ett halvledande material menas i denna text ett material som har avsevärt mindre ledande egenskaper än en ledare men som ändå inte har så då- liga ledande egenskaper att det kan betraktas som en isolant. Exempelvis kan det i de båda halvledande skikten ingående materialet ha en resistivitet i intervallet 106 Qcm - 100 kQcm. Det isolerande mellanskiktet är anordnat av ett isolerande material som har en hög elektrisk hållfasthet, exempelvis över ca 7 kV / mm. Ge- nom att de båda halvledande skikten bringas att innehålla hela potentialskillna- den mellan jord och fas och inga luftinneslutningar förefinns emellan dessa upp- står heller inga partiella urladdningar. Härvid kan de isolerande mellanskikten inrättas av ett organiskt material, exempelvis en termoplast eller en gummi- blandning. De båda halvledande skikten kan med fördel vara utförda i samma material som det isolerande mellanskiktet, varvid inblandas ett ledande stoft såsom exempelvis kimrök eller kolpulver. Ett lämpligt material är exempelvis en tvärbindbar polymer.

En stor fördel gentemot känd teknik erhålles genom att det isolerande materialet inte längre måste påföras genom lindning. Det polymera materialet påföres med fördel genom extrudering, varvid de båda halvledande skikten påföres i samma process. Detta garanterar att luftinneslumirtgar helt uteslutes. Det är inte nödvän- digt att isolanten och de halvledande skikten är utförda av samma material. Av- görande är att det mellan materialen inte uppstår några luftinneslutningar.

Härför kan två skilda material fogas samman på så sätt att vidhäftningen dem emellan upprätthålles vid termisk deformation. En annan väsentlig fördel med det polymera materialet är att det är deformerbart och under sin livstid kan 510 590 8 10 utsättas för upprepad mekanisk deformation utan att vidhäftningen mellan skikten äventyras.

Partísoleringen 4 anordnas med fördel med en dielektricitetskonstant som är högre än dielektricitetskonstanten för huvudisolationen. Genom denna material- beskaffenhet orsakas av partisolationen en förändring av det elektriska fältet så att ekvipotentiallirtjerna förskjuts i radiell riktning. Koncentrationen hos det elektriska fältet, som eljest skulle vara störst närmast ledaren förskjuts därmed ut från centrum och hamnar i huvudisoleringen mellan de båda halvledande skik- ten. Ett större avstånd från centrum innebär också att det elektriska fältet fördelar sig över en större yta, varvid koncentrationen ytterligare försvagas.

Claims (13)

1. 510 590

2. PATENTKRAV

3. Elektrisk isolation (1) för en för generering av ett magnetfält i ett flertal varv anordnad ledare (2, 3, 8) innefattande en isolant (6) av ett fast material, k ä n - n e t e c k n a d a v att isolationen är tubformad och innefattar ett inre halv- ledande skikt (5) och ett yttre halvledande skikt (7), vilka är anordnade att mellan sig innehålla ett elektriskt fält, varvid skikten är i direkt mekanisk kon- takt med isolanten med en vidhäftning som medger en bibehållen mekanisk kontakt vid en strukturförändrande påkänning.

4. Elektrisk isolation enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att det inre halvledande skiktet (5) är elektriskt kopplat till en ledarpart (8).

5. Elektrisk isolation enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d a v att det yttre halvledande skiktet (7) är anslutet till en kontrollerbar potential, företrädesvis jord.

6. Elektrisk isolation enligt något av tidigare patentkrav, k ä n n e t e c k n a d a v att isolanten (6) och de båda halvledande skikten (5, 7) har samma värme- utvidgning.

7. Elektrisk isolation enligt något av tidigare patentkrav, k ä n n e t e c k n a d a v att de halvledande skikten (5, 7) är utförda i ett material med en resistans i intervallet 1 Qcm - 100 Qm.

8. Elektrisk isolation enligt något av tidigare patentkrav, k ä n n e te c k n a d a v att isolationen är anordnad att omsluta en ledare med ett i huvudsak rektangulärt tvärsnitt.

9. Elektrisk isolation enligt något av tidigare patentkrav, k ä n n e te c k n a d a v att isolanten (6) och/ eller de halvledande skikten (5, 7) utgöres av tvär- bindbar polyeten. 510 590

10.

11.

12.

13. 10 Elektrisk isolation ( 1) för en i ett magnetfält roterande, i ett flertal varv anord- nad ledare (2, 3, 8) innefattande en isolant (6) av ett fast material, k ä n n e - t e c k n a d a v att isolationen är tubformad och innefattar ett inre halv- ledande skikt (5) och ett yttre halvledande skikt (7), vilka är anordnade att mellan sig innehålla ett elektriskt fält, varvid skikten är i direkt mekanisk kon- takt med ísolanten (6) med en vidhäftning som medger en bibehållen mekanisk kontakt vid en strukturförändrande påkänning. Förfarande vid isolering av en för generering av ett magnetfält i ett flertal varv anordnad ledare (2, 3, 8), varvid en isolation (1) innefattande en isolant (6) av ett fast material bringas att omsluta ledaren, k ä n n e te c k n a t a v att isola- tionen (1) anordnas tubformad och bibringas ett inre halvledande skikt (5) och ett yttre halvledande skikt (7), vilka anordnas att mellan sig innehålla ett elek- trískt fält, varvid skikten anordnas i direkt mekanisk kontakt med ísolanten (6) med en vidhäftning som medger en bibehållen mekanisk kontakt vid en struk- turförändrande påkänning. Förfarande enligt patentkrav 9, k ä n n e t e c k n a t a v att ísolanten (6) och de båda halvledande skikten (5, 7) anordnas av material med samma värme- utvidgning. Förfarande enligt patentkrav 9 eller 10, k ä n n e t e c k n a t a v att isolationen anordnas att omsluta en ledare med ett i huvudsak rektangulärt tvärsnitt. Förfarande enligt patentkrav 9, 10 eller 11, k ä n n e t e c k n a t a v att isola- tionen och de halvledande skikten påföres ledaren genom extrudering av tvärbindbar polymer. Användning av en isolation enligt patentkraven 1 - 8 eller ett förfarande för isolation enligt patentkraven 9 - 12 vid en roterande elektrisk maskin, i synner- het vid utbyte av lindnirigarna i samband med renovering av en sådan maskin.