端部繞組電暈放電保護的制作方法
【專利摘要】一種端部繞組電暈放電保護。一種旋轉(zhuǎn)電機的繞組，包括導(dǎo)體和包圍該導(dǎo)體的主絕緣，布置在主絕緣的外表面上的端部繞組電暈放電保護，該端部繞組電暈放電保護包括第一層，其特征在于，第一層的表面電阻在10Ohm到80Ohm的范圍中，且該端部繞組電暈放電保護還包括布置在第一層的外表面上的第二層，其中，該第二層由半導(dǎo)體材料制成，且其中，第三層布置在第二層的外表面上，且由中等電阻材料制成。
【專利說明】端部繞組電暈放電保護

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及發(fā)電機的定子或者發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組。更具體而言，本公開涉及異步電機的轉(zhuǎn)子的改進的端部繞組電暈放電保護。

【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有技術(shù)電能轉(zhuǎn)換依賴于具有處于50Hz或者60Hz頻率的交流電(AC)和從幾百伏特到幾十萬伏特范圍的電壓水平的三相電網(wǎng)。旋轉(zhuǎn)機械能到電能的轉(zhuǎn)換以及反過來(的轉(zhuǎn)換)分別通過發(fā)電機以及通過馬達來實現(xiàn)。那些旋轉(zhuǎn)電機可分為異步和同步設(shè)備。這樣的電機的三相繞組包括銅導(dǎo)體，其需要主絕緣(groundwall insulat1n,接地壁絕緣)，特別是在槽段中。當(dāng)增加這種電機的額定功率輸出時，電壓水平升高，以便最小化材料的使用以及最大化效率。
[0003]具有高于1000V的電壓水平的電機除了主絕緣之外需要槽段中的特別的場分級措施。對于控制主絕緣的兩側(cè)上的電容性電流以及由旋轉(zhuǎn)的磁場引起的軸向電壓來說，槽電暈放電保護是必須的。因此，槽電暈放電保護在繞組的外表面上建立電極。其100Ω到10000 Ω的表面電阻確保了槽電暈放電保護到接地槽壁的持續(xù)的電連接，并且限制了軸向電流。此外，在端部繞組處，第二種場分級技術(shù)變得必須，以便控制從接地槽段到端部連接的電壓降。端部連接甚至可處于高電壓電勢。用于端部繞組電暈放電保護的通常使用的解決方案采用具有非線性電阻特性的電阻場分級材料。
[0004]端部繞組電暈放電保護和槽電暈放電保護兩者都設(shè)計為以如下方式控制表面電流:不會發(fā)生可見的放電(電暈放電、電弧放電)，且實現(xiàn)電機的安全和長期的運行。這些系統(tǒng)對各電機供應(yīng)商而言是眾所周知的，且考慮到電機設(shè)計，它們是關(guān)鍵技術(shù)。從利用高電壓旋轉(zhuǎn)電機進行電能轉(zhuǎn)換開始，它們已被開發(fā)，且已被優(yōu)化。對于從16 2/3Hz到60Hz范圍的AC正弦電壓而言，端部繞組和槽電暈放電保護系統(tǒng)是意義明確的。
[0005]同步旋轉(zhuǎn)電機通過轉(zhuǎn)子極繞組產(chǎn)生磁場。轉(zhuǎn)子極的數(shù)量和定子磁場的頻率限定了旋轉(zhuǎn)電機的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(rpm)。
[0006]隨著新的功率變換器的出現(xiàn)，馬達的轉(zhuǎn)子以及發(fā)電機的轉(zhuǎn)子可被供有具有各不相同的頻率和相位角的(正弦)電流和電壓。因此，每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)現(xiàn)在可在很大程度上有所不同。取決于功率變換器的類型，電流或者電壓形狀可能不再是正弦的。作為代替，電流的或者電壓的形狀由脈寬調(diào)制(PWM)來確定。
[0007]脈寬調(diào)制涉及在不同的電壓水平之間的切換，并且導(dǎo)致電壓的迅速變化(高dU/dt)。結(jié)果，與50Hz或者60Hz處的正弦電壓相比，電容性電流和電壓將更高。此外，切換頻率典型地在幾百Hz的范圍中。由于這些挑戰(zhàn),主絕緣的以及還有槽電暈放電保護的和端部繞組電暈放電保護的設(shè)計會改變。必須有新的設(shè)計和技術(shù)開發(fā)來滿足這些要求。
[0008]在抽水蓄能電站(PSP) (pump storage plants)中，標(biāo)準(zhǔn)同步電機可由雙饋異步電機代替。這種類型的電機允許可變速度運行。在這種情況下，標(biāo)準(zhǔn)同步電機的旋轉(zhuǎn)部分由三相高電壓(處于約4-5kV)繞組代替，該三相高電壓繞組由功率變換器供饋。電壓變化則以dU/dt 乂 lkV/^s以及幾百Hz的切換頻率發(fā)生。
[0009]用于支承繞組的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計一般采用玻璃纖維繩索和板。對于雙饋異步電機的轉(zhuǎn)子繞組，由于離心力和振動引起的高的機械應(yīng)力要求使用鋼材料以用于機械支承。這些支承材料的該導(dǎo)電性在端部繞組區(qū)域中導(dǎo)致新的電氣問題。
[0010]本公開以提供前述需要以及克服前述困難為目的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]目的是一種系統(tǒng)，其允許控制端部繞組的表面上的功率變換器驅(qū)動的脈沖引起的電壓降。最終目的是控制電壓降，使得不發(fā)生放電。
[0012]該解決方案還需要確保任何表面電流流到定子芯，而且不流過支承端部繞組的金屬螺栓。由于接觸電弧放電引起的腐蝕否則將成為問題。
[0013]該目的以及其它目的由根據(jù)本申請權(quán)利要求1的端部繞組電暈放電保護實現(xiàn)。
[0014]此外，兩個金屬螺栓之間的空間是有限的。繞組內(nèi)部的銅導(dǎo)體的截面由最大電流給出且不能改變。繞組的主絕緣的厚度也是由于電介質(zhì)約束而給出的。從而，考慮到繞組組件的空間要求，新的端部繞組電暈放電保護必須盡可能薄。
[0015]本公開的又一個目的是提供可由帶層以及由涂料層制成的端部繞組電暈放電保護。
[0016]本公開的又一個目的是提供一種端部繞組電暈放電保護，在其端部連接器處，該端部繞組電暈放電保護可承受4kV到5kV的(正弦)AC電壓。
[0017]本公開的又一個目的是提供適用于承載直至3kA電流的繞組的端部繞組電暈放電保護。
[0018]本公開的另一個目的是提供具有上述端部繞組電暈放電保護的電機。
[0019]本公開的又一個目的是該電機是異步電機。
[0020]本公開的另一個目的是提供一種電機，其具有應(yīng)用于該電機的轉(zhuǎn)子的上述端部繞組電暈放電保護。
[0021]本公開的另一個目的是提供一種電機，其具有應(yīng)用于該電機的定子的上述端部繞組電暈放電保護。
[0022]本公開的又一個目的是提供一種電機，其端部繞組可由鋼結(jié)構(gòu)支承。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]前述目的以及本發(fā)明的許多伴隨的優(yōu)點將變得更容易理解，因為當(dāng)結(jié)合附圖參照以下詳細描述時，同樣的內(nèi)容變得更好理解，其中:
圖1提供了具有端部繞組電暈放電保護的繞組的三維圖。
[0024]圖2是具有端部繞組的繞組的示意圖。圖2還描繪了端部繞組的機械支承。
[0025]參考標(biāo)號:
I 一束繩
2主絕緣
3端部繞組電暈放電保護的最內(nèi)層 4端部繞組電暈放電保護的中間層 5端部繞組電暈放電保護的最外層 6端部繞組 7金屬螺栓
8槽段之前的彎曲部分 9槽段
10端部連接器之前的彎曲部分 11端部連接器。

【具體實施方式】
[0026]圖1是具有端部繞組電暈放電保護的繞組的三維圖示。一束繩I布置在繞組的中央且形成導(dǎo)體。繩優(yōu)選地由銅或者銅合金制成，并且攜帶穿過繞組的電流。典型地，旋轉(zhuǎn)電機的繞組攜帶若干kA的電流。那些電流可為交流電以及直流電。
[0027]繩典型地處于幾百V到若干kV范圍的電勢。這就是為什么繩必須相對于外部被電氣絕緣的原因。繞組的主絕緣2確保了這樣的電氣絕緣。主絕緣的厚度取決于的繩的電壓。典型地，主絕緣的厚度為若干毫米。
[0028]該端部繞組電暈放電保護由三個層3，4，5制成。最內(nèi)層3是高導(dǎo)電性層。其表面電阻在10 Ω IlJ 200 Ω的范圍中。更優(yōu)選地，最內(nèi)層的表面電阻在20 Ω到80 Ω的范圍中。還更優(yōu)選地，最內(nèi)層的表面電阻在30Ω到80Ω的范圍中。該層的目的是限制沿著端部繞組的表面的電壓差。這與由功率變換器供饋的電機尤其相關(guān)，其中，電壓的急劇升高(dU/dt)可導(dǎo)致端部繞組電暈放電保護的表面上的過量的電容性電流和/或電壓。
[0029]第二層4是由半導(dǎo)體材料制成的。穿過該層的電流非線性地依賴于電壓。該層的目的是限制垂直于端部繞組的表面的電流。這就是為什么垂直于表面的該層的電阻關(guān)鍵的原因。該電阻典型地在ΙΟΟΜΩ/mm2到106MQ/mm2的范圍中。更優(yōu)選地，電阻在ΙΟΟΟΜΩ/mm2到15MΩ/mm2的范圍中。還更優(yōu)選地，電阻在ΙΟΟΟΜΩ/mm2到14MΩ/mm2的范圍中。
[0030]最外層5也是由中等電阻材料制成的。最外層5的表面電阻在IkQ到1kQ的范圍中。更優(yōu)選地，該表面電阻在IkQ到8kQ的范圍中。還更優(yōu)選地，該表面電阻在2k Ω到5kQ的范圍中。最外層的目的是限制端部繞組的最外表面上的電壓梯度。最外層還有另一個目的是針對機械磨損和/或腐蝕進行保護。
[0031]端部繞組電暈放電保護的前述層可以帶的形式或者作為涂料來施用。還可能的是結(jié)合由帶制成的層和由涂料制成的層。帶vs涂料的選擇必須把機械磨損、帶層之間的接觸電阻以及端部繞組電暈放電保護的總厚度的因素考慮在內(nèi)來進行。
[0032]在優(yōu)選實施例中，前述層的總厚度受限于0.8_。在又一個實施例中，前述層的總厚度受限于0.5mm。在又一個實施例中，前述層的總厚度受限于0.3mm。
[0033]圖2示意性地顯示了轉(zhuǎn)子的端部繞組。在圖2上，端部繞組6由多個金屬螺栓7機械地支承。螺栓7的主要目的是針對離心力對端部繞組6進行固定。在旋轉(zhuǎn)電機中，這樣的力事實上可導(dǎo)致端部繞組振動。如果那些振動的幅度超過極限，它們就會變得有破壞性。
[0034]但這些螺栓7可不需要與端部繞組7的外表面發(fā)生接觸。此外，金屬螺栓可連接到地或者可不連接到地。在金屬螺栓沒有連接到地的情況下，它們將處于浮動電勢。圖1上所示的最外層5的表面電阻選擇為以便限制相鄰的金屬螺栓7之間的電流。如果最外層5的表面電阻太低，相鄰的金屬螺栓7之間的電流將變得有破壞性。
[0035]圖2上所示的繞組還具有彎曲部分8。在彎曲部分8后面，繞組插入槽段9中。那個槽段將典型地由層疊鋼層制成。
[0036]在優(yōu)選實施例中，三層端部繞組電暈放電保護進入槽段9中200mm。在另一實施例中，該三層端部繞組電暈放電保護進入槽段9中500mm。在又一個實施例中，該三層端部繞組電暈放電保護進入槽段9中50mm。
[0037]端部繞組電暈放電保護在槽段中的部分允許表面電流主要流過槽段9而不流過金屬螺栓7。重要的是要注意，槽段9基本處于地電勢。
[0038]發(fā)現(xiàn)另一個彎曲部分10處于端部繞組的另一側(cè)。該彎曲部分不再由三層端部繞組電暈放電保護覆蓋。但是其由主絕緣2覆蓋，如圖1上所示。在另一個預(yù)想到的實施例中，彎曲部分10至少部分地由三層端部繞組電暈放電保護覆蓋。在彎曲部分10后面，端部連接器11端接端部繞組。端部連接器11基本上用于在彼此之間連接布置在不同的槽中的繞組的不同部分。端部連接器11還可用于將繞組連接到電機的端子。
[0039]圖2上所示的布置屬于電機的轉(zhuǎn)子。要理解，相同的解決方案還可應(yīng)用于電機的定子。
【權(quán)利要求】
1.一種旋轉(zhuǎn)電機的繞組，包括 導(dǎo)體和包圍所述導(dǎo)體的主絕緣， 布置在所述主絕緣的外表面上的端部繞組電暈放電保護， 所述端部繞組電暈放電保護包括第一層， 其特征在于， 所述第一層的表面電阻在10hm到2000hm的范圍中， 且所述端部繞組電暈放電保護還包括布置在所述第一層的外表面上的第二層， 其中，所述第二層由半導(dǎo)體材料制成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的繞組， 其特征在于，所述第一層的表面電阻在200hm到SOOhm的范圍中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的繞組， 其特征在于，所述第一層的表面電阻在300hm到SOOhm的范圍中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1一 3中的任一項所述的繞組， 其特征在于，垂直于所述表面的所述第二層的電阻在lOOMOhm/mm2到106M0hm/mm2的范圍中。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的繞組， 其特征在于，垂直于所述表面的所述第二層的電阻在1000M0hm/mm2到105M0hm/mm2的范圍中。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的繞組， 其特征在于，垂直于所述表面的所述第二層的電阻在lOOOMOhm/mm2到104M0hm/mm2的范圍中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1一 6所述的繞組， 其特征在于，所述端部繞組電暈放電保護還包括布置在所述第二層的外表面上的第三層，所述第三層具有IkOhm到1kOhm范圍中的表面電阻。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的繞組， 其特征在于，所述第三層具有在IkOhm到8k0hm的范圍中的表面電阻。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的繞組， 其特征在于，所述第三層具有在2k0hm到5k0hm的范圍中的表面電阻。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的繞組， 其特征在于，至少一個層以帶的形式來施用。
11.根據(jù)權(quán)利要求1一 9中的任一項所述的繞組， 其特征在于，至少一個層以涂料的形式來施用。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的繞組， 其特征在于，所有三個層的總厚度為0.8mm或者更小。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的繞組， 其特征在于，所有三個層的所述總厚度為0.5mm或者更小。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的繞組， 其特征在于，所有三個層的所述總厚度為0.3mm或者更小。
15.一種電機轉(zhuǎn)子，具有根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的繞組。
【文檔編號】H02K3/40GK104283354SQ201410314017
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月3日
【發(fā)明者】A.科伊普弗勒, J.波希, T.魯岡德 申請人:阿爾斯通再生能源技術(shù)公司