(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体と、
当該導体を包囲している接地壁絶縁部と、
当該接地壁絶縁部の外側表面上に配置されている巻線端コロナ放電保護部と
を有しており、
前記巻線端コロナ放電保護部が第１の層を含んでいる、回転電気機械の巻線において、
前記第１の層の表面抵抗は１０Ω〜２００Ωの範囲にあり、
前記巻線端コロナ放電保護部はさらに、前記第１の層の外側表面上に配置されている第２の層を含んでおり、
当該第２の層は半導性材料から形成されており、
前記巻線端コロナ放電保護部はさらに第３の層を含んでおり、当該第３の層は前記第２の層の外側表面上に配置されており、
前記第３の層は、１ｋΩ〜１０ｋΩの範囲の表面抵抗を有している、
ことを特徴とする、回転電気機械の巻線。
【請求項２】
前記第１の層の前記表面抵抗は、２０Ω〜８０Ωの範囲にある、請求項１記載の巻線。
【請求項３】
前記第１の層の前記表面抵抗は、３０Ω〜８０Ωの範囲にある、請求項２記載の巻線。
【請求項４】
前記表面に対して垂直な前記第２の層の抵抗は、１００ＭΩ／ｍｍ２〜１０６ＭΩ／ｍｍ２の範囲にある、請求項１から３までのいずれか１項記載の巻線。
【請求項５】
前記表面に対して垂直な前記第２の層の前記抵抗は、１０００ＭΩ／ｍｍ２〜１０５ＭΩ／ｍｍ２の範囲にある、請求項４記載の巻線。
【請求項６】
前記表面に対して垂直な前記第２の層の前記抵抗は、１０００ＭΩ／ｍｍ２〜１０４ＭΩ／ｍｍ２の範囲にある、請求項５記載の巻線。
【請求項７】
前記第３の層は、１ｋΩ〜８ｋΩの範囲の表面抵抗を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の巻線。
【請求項８】
前記第３の層は、２ｋΩ〜５ｋΩの範囲の表面抵抗を有している、請求項７記載の巻線。
【請求項９】
少なくとも１つの層は、テープの形態で加えられる、請求項１から８までのいずれか１項記載の巻線。
【請求項１０】
少なくとも１つの層は、塗料の形態で加えられる、請求項１から８までのいずれか１項記載の巻線。
【請求項１１】
全３つの層全体の厚さは、０．８ｍｍ以下である、請求項１から１０までのいずれか１項記載の巻線。
【請求項１２】
全３つの層全体の厚さは、０．５ｍｍ以下である、請求項１１記載の巻線。
【請求項１３】
全３つの層全体の厚さは、０．３ｍｍ以下である、請求項１２記載の巻線。
【請求項１４】
請求項１から１３までのいずれか１項記載の巻線を備えた電気機械の回転子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
当該出願による開示は、発電機の固定子のまたは回転子の巻線に関する。より詳細には、本発明は、非同期電気機械の回転子の、改善された巻線端コロナ放電保護部に関する。
【背景技術】
【０００２】
現時点の技術の電気エネルギー変換は、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの周波数と数百ボルトから数十万ボルトの範囲の電圧レベルを有する交流電流（ＡＣ）による三相電力網に依存している。回転機エネルギーを電気エネルギーに変換するのは発電機によって行われ、電気エネルギーを回転機エネルギーに変換するのはモータによって行われる。これらの回転機は、非同期機と同期機とに分類可能である。この種の機械の三相巻線は、銅導体を含んでおり、この銅導体は、特にスロット部分において、接地壁絶縁部を必要とする。この種の機械の定格出力を増大させる場合、材料の使用を最小化し、効率を最大化するために、電圧レベルを上げることになる。
【０００３】
１０００Ｖを超える高い電圧レベルを有する機械は、接地壁絶縁部の他に、スロット部分において、特別な電圧勾配緩和（field grading）手段を必要とする。スロットコロナ放電保護部は、接地壁絶縁部両側での容量性電流と回転磁界によって誘起された軸方向電圧とをコントロールするために必要となる。従って、スロットコロナ放電保護部は、巻線の外側表面に電極を形成する。１００Ω〜１００００Ωであるその表面抵抗は、接地されたスロット壁へのスロットコロナ放電保護部の連続的な電気接続を保証し、軸方向での電流の流れを制限する。これに加えて、巻線端では、接地されたスロット部分から接続終端部への電圧低下をコントロールするために第２のタイプの勾配緩和技術が必要となる。接続終端部は高電圧ポテンシャルを有し得る。通常使用されている、巻線端コロナ放電保護部に対する解決策は、非線形の抵抗特性を備えた抵抗性勾配緩和材料を用いたものである。
【０００４】
巻線端コロナ放電保護部も、スロットコロナ放電保護部も、目に見える放電（コロナ放電、アーク放電）が生じず、かつ、安全かつ長期の機械操作が実現されるように、表面電流をコントロールするように設計されている。このようなシステムは、各機械供給業者に良く知られており、機械設計の観点において鍵となる技術である。これらは、高圧回転機による電気エネルギー変換の開始時から開発および改善されてきた。巻線端コロナ放電保護システムおよびスロットコロナ放電保護システムは、１６２／３Ｈｚ〜６０Ｈｚの範囲のＡＣ正弦波電圧用に、明確に規定されたものである。
【０００５】
同期回転機は、回転子極巻線を通って磁界を形成する。回転子極の数と固定子磁界の周波数とによって、回転機の毎分回転数（ｒｐｍ）が決まる。
【０００６】
新たな電力変換器の出現によって、モータの回転子および発電機の回転子に、周波数と位相角が変化する（正弦波）電流と電圧とを供給することが可能になった。従って今は、毎分回転数は幅広く変化可能である。電力変換器のタイプによっては、電流または電圧の形状は、もはや正弦波状でないことがある。その代わり、電流または電圧の形状は、パルス幅変調（ＰＷＭ）によって決められる。
【０００７】
パルス幅変調には、異なる電圧レベル間の切り替えが伴い、この結果、電圧は迅速に変化する（高いｄＵ／ｄｔ）。従って、容量性電流と電圧は、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚでの正弦電圧と比べて格段に高くなるだろう。さらに、スイッチング周波数は典型的に、数百Ｈｚの範囲内にある。このような挑戦に基づいて、接地壁絶縁部の設計も、スロットコロナ放電保護部および巻線端コロナ放電保護部の設計も変化する。新たな設計および技術的な発展が、これらの要望に応えるために必要とされる。
【０００８】
ポンプ貯水式発電所（ＰＳＰ）では、従来の同期機は、二重給電型非同期機によって置き換え可能である。この種の機械によって、速度を変えた操作が可能になる。このような場合には、従来の同期機の回転部分が、電力変換器によって給電される三相高圧（約４〜５ｋＶ）巻線によって置き換えられる。次に、ｄＵ／ｄｔ≒１ｋＶ／μｓおよび数百Ｈｚのスイッチング周波数で電圧変化が生じる。
【０００９】
巻線を支持するための、従来の設計は、一般的に、グラスファイバーコードとプレートを使用している。二重給電型非同期機の回転子巻線の場合には、遠心力と振動によって高い機械的ストレスがかかるので、機械的な支持部に対して鋼材料を使用することが要求される。このような支持材料の電気伝導度は、巻線端領域における新たな電気的な問題となってしまう。
【００１０】
当該出願による開示は、上述した、必要とされているものを提供すること、および上述した問題を排することを目的としている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の課題は、巻線端表面上の、電力変換器駆動パルスによって生じる電圧降下のコントロールを可能にするシステムを提供することである。最終的な課題は、放電が生じないように、この電圧降下をコントロールすることである。
【００１２】
解決策では、あらゆる表面電流が、巻線端を支持する金属製ボルトを通らずに、固定子コアへと向かうことを保証することも必要とされる。金属製ボルトを通ってしまう場合には、放電アークへ接触することによる腐食が問題となってしまうであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述の課題およびその他の課題は、本願の請求項１に記載されている巻線端コロナ放電保護部によって解決される。
【００１４】
さらに、２つの金属製ボルトの間のスペースは制限されている。巻線内側の銅導体の断面積は、最大電流によって決められ、変えられない。巻線の接地壁絶縁部の厚さも、誘電制約によって決められている。従って、巻線ユニットのために必要なスペースの観点から、できるだけ薄い新たな巻線端コロナ放電保護部が必要となる。
【００１５】
テープ層または塗料層によって構成可能な巻線端コロナ放電保護部を提供することは、当開示のさらなる課題である。
【００１６】
終端コネクタにおいて、４ｋＶ〜５ｋＶの（正弦波）交流電圧に耐えることができる巻線端コロナ放電保護部を提供することは、当開示のさらなる課題である。
【００１７】
３ｋＡまでの、巻線を流れる電流に適している巻線端コロナ放電保護部を提供することは、当開示のさらなる課題である。
【００１８】
上述した巻線端コロナ放電保護部を備えた電気機械を提供することは、当開示のさらなる課題である。
【００１９】
この機械が非同期機であることは、当開示のさらなる課題である。
【００２０】
電気機械の回転子に用いられる、上述した巻線端コロナ放電保護部を備えた電気機械を提供することは、当開示のさらなる課題である。
【００２１】
電気機械の固定子に用いられる、上述した巻線端コロナ放電保護部を備えた電気機械を提供することは、当開示のさらなる課題である。
【００２２】
その巻線端が鋼構造によって支持されている電気機械を提供することは、当開示のさらなる課題である。
【００２３】
本発明の前述した課題および多数の付随した利点は、添付図面とともに以降の詳細な説明を参照することによって、より分かりやすくなり、かつより良好に理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】巻線端コロナ放電保護部が設けられている巻線の三次元図
【図２】巻線端を備えた巻線の概略図であり、巻線端の機械的な支持部も示している
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、巻線端コロナ放電保護部を備えた巻線の三次元の図である。ストランド束１が、巻線の中心に配置されており、導体を形成している。これらのストランドは、有利には、銅または銅合金から形成されており、これによって電流が巻線を通って流れる。典型的に、回転機の巻線は、数ｋＡの電流を流す。このような電流は、交流電流でも直流電流でもよい。
【００２６】
ストランドは、典型的に、数百Ｖから数ｋＶのポテンシャル範囲にある。そのために、ストランドは、外部に対して電気的に絶縁されていなければならない。巻線の接地壁絶縁部２は、このような電気的な絶縁を保証する。接地壁絶縁部の厚さは、ストランドの電圧に依る。典型的に、接地壁絶縁部の厚さは数ミリメータである。
【００２７】
巻線端コロナ放電保護部は、３つの層３、４、５から成る。最も内側の層３は、高い導電率を有している層である。この層の表面抵抗は、１０Ω〜２００Ωの範囲にある。より有利には、最も内側の層の表面抵抗は、２０Ω〜８０Ωの範囲にある。さらにより有利には、最も内側の層の表面抵抗は、３０Ω〜８０Ωの範囲にある。この層の目的は、巻線端の表面に沿った電圧差を制限することである。これは電力変換器によって給電される機械にとって特に重要である。ここでは電圧の急峻な上昇（ｄＵ／ｄｔ）が、巻線端コロナ放電保護部の表面上に、過度の容量性電流および／または電圧を生じさせ得る。
【００２８】
第２の層４は、半導性材料から成る。この層を通る電流は、電圧に非線形に付随する。この層の目的は、巻線端表面に対して垂直な電流を制限することである。そのため、表面に対して垂直なこの層の抵抗は重要である。この抵抗は典型的に、１００ＭΩ／ｍｍ２〜１０６ＭΩ／ｍｍ２の範囲にある。より有利には、この抵抗は、１０００ＭΩ／ｍｍ２〜１０５ＭΩ／ｍｍ２の範囲にある。さらにより有利には、この抵抗は、１０００ＭΩ／ｍｍ２〜１０４ＭΩ／ｍｍ２の範囲にある。
【００２９】
最も外側の層５も同様に、中位の抵抗性の材料から形成されている。最も外側の層５の表面抵抗は、１ｋΩ〜１０ｋΩの範囲にある。より有利には、表面抵抗は、１ｋΩ〜８ｋΩの範囲にある。さらにより有利には、表面抵抗は、２ｋΩ〜５ｋΩの範囲にある。最も外側の層の目的は、巻線端の最も外側の表面上での電圧勾配を制限することである。最も外側の層のさらなる別の目的は、機械的な摩滅および／または腐食からの保護である。
【００３０】
巻線端コロナ放電保護部の上述した層は、テープまたは塗料の形状で加えられる。テープから成る層と、塗料から成る層とを組み合わせることもできる。テープか塗料かの選択は、機械的な摩滅、テープ層間の接触抵抗および巻線端コロナ保護部の全体的な厚さを織り込んでなされなくてはならない。
【００３１】
有利な実施形態では、上述した複数の層の全体的な厚さは０．８ｍｍに制限される。さらに別の実施形態では、上述した複数の層の全体的な厚さは、０．５ｍｍに制限される。さらに別の実施形態では、上述した層の全体的な厚さは、０．３ｍｍに制限される。
【００３２】
図２は、回転子の巻線端を概略的に示している。図２では、巻線端６は、複数の金属製ボルト７によって機械的に支持されている。ボルト７の主な目的は、巻線端６を、遠心力に対して固定することである。回転機では、このような遠心力は実際に、巻線端の振動となってしまう。このような振動の大きさが制限を超えると、この振動によってダメージを受ける。
【００３３】
しかし、これらのボルト７は、巻線端６の外側表面と接触する必要はない。また、金属製ボルトが、接地されていても、されていなくてもよい。金属製ボルトが接地されていない場合、これらは、電位的に浮いているだろう。図１に示されている最も外側の層５の表面抵抗は、隣接している金属ボルト７間の電流を制限するように選択される。最も外側の層５の表面抵抗が低すぎると、隣接している金属製ボルト７間に流れる電流によってダメージを受けるだろう。
【００３４】
図２に示されている巻線は、湾曲部分８も有している。この湾曲部分８の後方で、巻線がスロット部分９内に挿入される。このスロット部分は典型的に、ラミネートされた鋼の層から成る。
【００３５】
有利な実施形態では、３つの層から成る巻線端コロナ放電保護部は、スロット部分９内で２００ｍｍに及ぶ。別の実施形態では、３つの層から成る巻線端コロナ放電保護部は、スロット部分９内で５００ｍｍに及ぶ。さらに別の実施形態では、３つの層から成る巻線端コロナ放電部は、スロット部分９内で５０ｍｍに及ぶ。
【００３６】
スロット部分における巻線端コロナ放電保護部の一部によって、表面電流は主にスロット部分９を通り、金属製ボルト７を通ることがなくなる。スロット部分９が、本質的にアースポテンシャルにある、ということを留意することが重要である。
【００３７】
別の湾曲部分１０が、巻線端の逆側に設けられている。この湾曲部分は、もはや、３つの層から成る巻線端コロナ放電保護部によって覆われていない。しかし、図１に示されているように、接地壁絶縁部２によっては覆われている。別の、図示の実施形態では、この湾曲部分１０は、少なくとも部分的に、３つの層から成る巻線端コロナ放電保護部によって覆われている。この湾曲部分１０の後方で、巻線端は終端コネクタ１１で終わる。終端コネクタ１１は基本的に、異なるスロット内に配置された、巻線の異なる部分同士を接続するために使用される。終端コネクタ１１が、機械のターミナルへ巻線を接続するために使用されてもよい。
【００３８】
図２に示された装置は、電気機械の回転子に属している。同じ解決策が、電気機械の固定子にも使用可能であることを理解されたい。
【符号の説明】
【００３９】
１  ストランド束、  ２  接地壁絶縁部、  ３  巻線端コロナ放電保護部の最も内側の層、  ４  巻線端コロナ放電保護部の中間層、  ５  巻線端コロナ放電保護部の最も外側の層、  ６  巻線端、  ７  金属製ボルト、  ８  スロット部分の前の湾曲部分、  ９  スロット部分、  １０  終端コネクタの前の湾曲部分、  １１  終端コネクタ
【図１】
0005855174.tif 000002
【図２】
0005855174.tif 000003