СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ПРОТИВ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА ДЛЯ МАШИНЫ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ, РЕМОНТНЫЙ ЛАК И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
SYSTEM OF PROTECTION AGAINST GLOW DISCHARGE FOR HIGH VOLTAGE MACHINE, REPAIRING VARNISH AND METHOD OF MANUFACTURING

Изобретение относится к области систем защиты против тлеющего разряда для машины высокого напряжения с оболочковым телом для токонесущего проводника машины высокого напряжения, причем оболочковое тело имеет электропроводный лак, причем к электропроводному лаку добавлен наполнитель. Далее изобретение относится к ремонтному лаку и способу изготовления. Подобные системы защиты против тлеющего разряда, ремонтные лаки и способы представляют интерес, в частности, для вращающихся электрических машин, например генераторов и/или двигателей.
В турбогенераторах при помощи технологии одиночного стержня или полной пропитки стержни обмотки генератора экранируются от пустых пространств и разрывов внутренним проводящим слоем (внутреннее управление потенциалом - IPS) и внешним проводящим слоем (внешняя защита против тлеющего разряда - AGS). В настоящее время турбогенератор в большинстве случаеВ реализован в виде трехфазной синхронной машины с массивным двух- или четырехполюсным ротором. Как правило, диапазон мощности такого турбогенератора составляет приблизительно от 20 МВА до примерно 2000 МВА (мегавольт-ампер).
Статор обычного синхронного генератора включает в себя множество так называемых статорных обмоток, в которых посредством индуктивного взаимодействия с вращающимся и нагруженным постоянным током ротором индуцируется переменное напряжение. Статорные обмотки размещены в так называемом пакете сердечника. Он служит среди прочего для проведения и усиления магнитного поля. Для уменьшения потерь из-за вихревых токов весь пакет сердечника собран из тонких изолированных друг от друга листов. Статорные обмотки состоят из множества стержней, чьи соответствующие средние области (так называемые "активные части") уложены в пазах пакета сердечника. Отдельные стрежни на так называемой "лобовой части обмотки" выступают в виде эвольвенты из пазов. Там отдельные стержни соединены в статорную обмотку (то есть находятся в контакте друг с другом).
Уложенные в пакете сердечника стержни или области стержней находятся на высоком электрическом потенциале и потому изолированы друг от друга, а также от заземленного пакета сердечника основным изоляционным слоем.
Для того чтобы при рабочих напряжениях в несколько кВ предотвращать частичные разряды, основной изоляционный слой экранирован от пустых пространств и разрывов, как правило, внутренним и внешним проводящим слоем (внутреннее управление потенциалом - IPS и соответственно внешняя защита против тлеющего разряда - AGS). Напряженность электрического поля уменьшается в основном изоляционном слое, исходя от IPS в радиальном направлении к AGS. Таким образом, обеспечивается то, что электрическое поле остается только внутри основной изоляции, и между основной изоляцией и заземленным пакетом сердечника не возникают частичные разряды. Кроме того, для осевого регулирования электрического поля на конце внешней защиты против тлеющего разряда наносится проводящая слабо ток концевая защита против тлеющего разряда, и она электрически соединяется с внешней защитой против тлеющего разряда.
Внешняя защита против тлеющего разряда вращающихся электрических машин подвержена естественному старению, которое в зависимости от производителя и типа конструкции генератора вызывается термомеханическими напряжениями, вибрацией или активностью частичных разрядов. В результате часть внешней защиты против тлеющего разряда эродирована (разрушена). При этом частной формой является обусловленная электричеством эрозия. Места эрозии поражают в принципе всю длину внешней защиты против тлеющего разряда, причем в зависимости от производителя и типа конструкции генератора поражается либо внешняя защита против тлеющего разряда внутри пакета сердечника, либо внешняя защита против тлеющего разряда снаружи пакета сердечника. Благодаря прогрессирующей эрозии повреждается в осевом направлении электрическое присоединение концевой защиты против тлеющего разряда к пакету сердечника. В радиальном направлении с одной стороны возникают частичные разряды, с другой стороны стержни расшатываются и вследствие этого в крайнем случае подвергаются сильной вибрации.
Поэтому требуется электропроводная субстанция, которая может заполнять с электрическим замыканием возникшие (применение в качестве ремонтного лака) или возникающие (применение при изготовлении генератора) трещины и обеспечивает электропроводное увлажнение освобожденной поверхности основной изоляции. Тем не менее, недостатком является то, что большинство основывающихся на полимерах лаков или красителей уменьшаются в объеме при сушке или отверждении, и таким образом, в частности, замыкание трещин без образования зазоров осложняется. Кроме того, благодаря изменениям термомеханической нагрузки не следует исключать повторное возникновение трещин во время эксплуатации.
Первая задача изобретения состоит в создании улучшенной с точки зрения эрозий системы защиты против тлеющего разряда. Вторая задача состоит в предоставлении ремонтного лака для выполнения ремонта эродированной системы защиты против тлеющего разряда. Третьей задачей является предоставление способа для выполнения ремонта эродированной системы защиты против тлеющего разряда.
Первая задача решается с помощью предоставления системы защиты против тлеющего разряда для машины высокого напряжения, включающей в себя оболочковое тело для токонесущего проводника машины высокого напряжения, причем оболочковое тело имеет электропроводный лак, причем к электропроводному лаку добавлен наполнитель, причем наполнитель, по меньшей мере, частично включает в себя терморасширяющийся наполнитель.
Вторая задача решается с помощью предоставления ремонтного лака для ремонта оболочкового тела для машины высокого напряжения, включающего в себя электропроводный лак, причем к электропроводному лаку добавлен наполнитель, причем наполнитель, по меньшей мере, частично включает в себя терморасширяющийся наполнитель.
Ремонтный лак может предпочтительно применяться/использоваться для ремонта описанного выше эродированного оболочкового тела.
Благодаря добавлению терморасширяемого наполнителя в электропроводный лак (обозначаемый в дальнейшем также параллельно как матрица) может образовываться терморасширяемый лак или ремонтный лак. Такой ремонтный лак в жидком состоянии заполнит насколько это возможно места эрозии, то есть трещины, а также места с эродированной AGS, затем под воздействиями окружающей среды (предварительно) застынет (желатинизируется) или предварительно высохнет (например, при связывающейся при комнатной температуре матрице) и после чего расширится благодаря воздействию тепла. Предварительная желатинизация внутри ремонтного лака предотвращает чрезмерное расширение, так что наполнитель может расширяться лишь настолько, насколько это допускают межмолекулярные связи в лаке.
Таким образом, трещины в эродированных областях защиты против тлеющего разряда могут заполняться лучше и надежнее по сравнению с усыхающим электропроводным лаком без наполнителя согласно уровню техники. Благодаря температурному воздействию вызывается наряду с расширением наполнителя также окончательное сшивание молекул лака, так что лак или ремонтный лак затвердевает в достаточной степени. Тем не менее, в зависимости от материала матрицы может целенаправленно достигаться остаточная эластичность, которая необходима для выравнивания возможных изменений термомеханической нагрузки.
В зависимых пунктах формулы изобретения перечислены дальнейшие предпочтительные меры, которые могут произвольно друг с другом комбинироваться для достижения дальнейших преимуществ.
Предпочтительно наполнитель способен проводить электричество. При этом электропроводность может быть природной или может создаваться посредством нанесения покрытия или обработки поверхности.
Предпочтительно наполнитель полностью состоит из терморасширяющегося наполнителя.
В частном варианте осуществления терморасширяющийся наполнитель, по меньшей мере, частично включает в себя микроскопические полые шарики, оболочка которых состоит из полимеров. Предпочтительно на оболочку наложены или нанесены различные неорганические покрытия, которые оказывают положительное влияние на механическую прочность, эрозионную стойкость, тепло- или электропроводность. В частном варианте осуществления полые шарики содержат в себе газ и/или вскипающую жидкость, причем при воздействии тепла оболочка полых шариков размягчается, и содержащийся в полых шариках газ или вскипающая жидкость вызывает расширение. Следовательно, получающийся терморасширяемый лак принимает при воздействии тепла более высокий объем и соответственно может заполнять имеющийся объем.
На использование в качестве электропроводного лака положительно воздействует тот факт, что поверхность такого полого шарика смачивается лаком, что вызывается вязкостью лака, и таким образом полости внутри полых шариков электрически экранируются. Таким образом, могут также использоваться полые шарики, которые не имеют электропроводного покрытия.
Диапазон температур расширения полых шариков составляет для полимерных материалов оболочек шариков 60-220°C. Посредством надлежащего выбора материала оболочки шарика и наполнителя может устанавливаться степень возможного расширения шарика при заданной температуре, а также обратимость или неповторимость расширения. Типичные размеры:
- диаметр нерасширенного шарика: 10-40 мкм,
- диаметр расширенного шарика: до 200 мкм,
- толщина стенки: от нескольких десятков мкм (нерасширенное состояние) до нескольких мкм или менее (расширенное состояние).
При этом решающими свойствами терморасширяемого материала по существу являются: степень заполнения полыми шариками, их размер и свойства лака, который содержит в себе и окружает полые микрошарики. Расширение шариков может также ограничиваться лаком или температурой. Таким образом, ограничивается расширение всего материала.
Для регулирования эрозионной стойкости ремонтного лака в лак или матрицу могут также добавляться наноразмерные и/или микроразмерные, неорганические, замедляющие эрозию частицы. Вследствие этого скорость эрозии существенно сокращается при прохождении частичных разрядов.
В предпочтительном варианте осуществления лак эластичен или полуэластичен. Вследствие этого также возможен лак для использования при изготовлении генератора или ремонте, который может расширяться под воздействием эксплуатационного тепла или посредством специального процесса нагрева/движения тепла генератора в случае эрозии. Если часть лака эродируется, то эродированный объем может, по меньшей мере, частично заполняться расширением оставшихся областей. Таким образом, сокращается скорость эрозии.
Предпочтительно температура расширения терморасширяющегося наполнителя находится выше температуры желатинизации и/или отверждения лака. Если температура расширения наполнителя находится выше температуры желатинизации и/или отверждения лака или матрицы, то может также использоваться лаковая система горячего отверждения. Таким образом, возможно короткое время ремонта.
Предпочтительно лак с терморасширяющимся наполнителем уже предварительно желатинизирован. Предварительная желатинизация внутри ремонтного лака предотвращает чрезмерное расширение, так что частицы наполнителя могут расширяться лишь настолько, насколько это допускают межмолекулярные связи в лаке. Таким образом, трещины в эродированных областях могут заполняться лучше и надежнее по сравнению с усыхающим электропроводным лаком без наполнителя согласно уровню техники.
В предпочтительном варианте осуществления лак с терморасширяющимся наполнителем при нанесении имеет различные степени сшивания. Благодаря различным степеням сшивания в слое лака расширение может осуществляться в обычно очень труднодоступные трещины в осевом направлении. При этом, в частности, с одной стороны материал лака может состоять по существу из мономеров, которые во время реакции отверждения сцепляются и/или сшиваются в твердый материал. Альтернативно материал матрицы может также состоять уже из частично предварительно сшитых (B-фаза) полимеров, которые затем снова сшиваются в твердый материал во время реакции отверждения. При этом такая реакция отверждения может осуществляться, в частности, посредством полимеризации, полиприсоединения или поликонденсации. Благодаря различным степеням сшивания в лаке расширение осуществляется теперь в обычно очень труднодоступные трещины в осевом направлении.
Предпочтительно система защиты против тлеющего разряда является внешней защитой против тлеющего разряда. Альтернативно система защиты против тлеющего разряда предпочтительно является концевой защитой против тлеющего разряда.
Третья задача решается с помощью предоставления способа для изготовления системы защиты против тлеющего разряда, включающей в себя электропроводное оболочковое тело для токонесущего проводника машины высокого напряжения, причем оболочковое тело, по меньшей мере, частично эродировано (разрушено), причем способ включает в себя следующие шаги:
- подготовка электропроводного лака, причем к электропроводному лаку добавляется терморасширяющийся наполнитель,
- нанесение электропроводного лака с добавленным терморасширяющимся наполнителем, по меньшей мере, на место эрозии,
- втекание электропроводного лака с добавленным терморасширяющимся наполнителем, по меньшей мере, частично в место эрозии,
- предварительная сушка и/или предварительная желатинизация электропроводного лака с добавленным терморасширяющимся наполнителем,
- расширение электропроводного лака с добавленным терморасширяющимся наполнителем, причем благодаря расширению место эрозии заполняется по существу полностью.
Предпочтительно расширение может осуществляться посредством нагрева горячим воздухом и/или во время эксплуатации эксплуатационным теплом, например генератора. Кроме того, если температура расширения наполнителя находится выше температуры желатинизации и/или отверждения лака, то может также использоваться лак горячего отверждения. Таким образом, возможно короткое время ремонта.
Предпочтительно терморасширяющийся наполнитель, по меньшей мере, частично включает в себя микроскопические полые шарики, оболочка которых состоит из полимеров, причем расширение полых шариков ограничивается лаком или температурой. При воздействии тепла оболочка полых шариков размягчается, и содержащийся в полых шариках газ и/или вскипающая жидкость приводят к расширению. Следовательно, получающийся терморасширяемый ремонтный лак принимает при воздействии тепла более высокий объем и соответственно может заполнять имеющийся объем.
Предпочтительно посредством назначения материала оболочки шариков и наполнителя устанавливается степень возможного расширения шариков при заданной температуре, а также обратимость или неповторимость расширения. Для свойств терморасширяемого материала решающими по существу являются: степень заполнения полыми шариками, их размер и свойства лака, который содержит в себе и окружает полые микрошарики. Расширение шариков может также ограничиваться лаком или температурой. Таким образом, ограничивается расширение всего материала.
Благодаря изобретению возможен более быстрый, более надежный и более устойчивый ремонт защиты против тлеющего разряда ремонтным лаком. Кроме того, предоставлена улучшенная система защиты против тлеющего разряда. Если часть соответствующего изобретению лака эродируется, то именно эродированный объем может, по меньшей мере, частично заполняться расширением оставшихся областей. Таким образом, сокращается скорость эрозии. Новая обмотка может в принципе предотвращаться.
Дальнейшие признаки, свойства и преимущества данного изобретения проистекают из последующего описания со ссылкой на приложенный чертеж. На чертеже схематично показаны:
фиг. 1 - продольный разрез статора турбогенератора с соответствующей изобретению системой защиты против тлеющего разряда;
фиг. 2 - соответствующий изобретению ремонтный лак; и
фиг. 3 - способ на основе ремонта труднодоступного места.
Как видно из фиг. 1, статор 1 турбогенератора имеет пакет 2 сердечника статора, из которого выступает стержень 3 обмотки генератора. Стержень 3 обмотки генератора окружен основной изоляцией 4, причем стержень 3 обмотки своей основной изоляцией 4 и своим одним концом расположен также за пределами пакета 2 сердечника статора. В области места выхода стержня 3 обмотки из пакета 2 сердечника статора изображена внешняя защита 5 против тлеющего разряда, которая закрывает оболочкой основную изоляцию 4 и через пакет сердечника замкнута на землю 6. Кроме того, между стержнем 3 обмотки генератора и основной изоляцией 4 предусмотрено внутреннее управление 7 потенциалом. Начиная с отвернутого от пакета 2 сердечника статора конца внешней защиты 5 против тлеющего разряда, основную изоляцию 4 на части длины закрывает оболочкой концевая защита 8 против тлеющего разряда. Система защиты против тлеющего разряда может иметь внешнюю защиту 5 против тлеющего разряда и концевую защиту 8 против тлеющего разряда, причем концевая защита против тлеющего разряда на своем обращенном к пакету сердечника конце электрически присоединена к внешней защите против тлеющего разряда. Элементы 3, 4, 5, 7 проходят через неизображенный паз пакета сердечника и на другом конце пакета сердечника также имеют соответствующую фиг. 1 компоновку с концевой защитой 8 против тлеющего разряда.
Возможные места эрозии поражают в принципе всю длину внешней защиты против тлеющего разряда, причем в зависимости от производителя и типа конструкции генератора поражается либо внешняя защита против тлеющего разряда внутри пакета сердечника, либо внешняя защита против тлеющего разряда снаружи пакета сердечника. Благодаря прогрессирующей эрозии повреждается в осевом направлении электрическое присоединение концевой защиты против тлеющего разряда к пакету сердечника. В радиальном направлении с одной стороны возникают частичные разряды, с другой стороны стержни расшатываются и вследствие этого в крайнем случае подвергаются сильной вибрации. Само собой разумеется, эрозия может также или дополнительно поражать концевую защиту 8 против тлеющего разряда.
Поэтому для ремонта и/или изготовления требуется электропроводная субстанция, которая может заполнять с электрическим замыканием возникшие или возникающие трещины и обеспечивает электропроводное увлажнение освобожденной поверхности основной изоляции.
Благодаря добавлению терморасширяемого наполнителя в электропроводный лак 10 (обозначаемый в дальнейшем также параллельно как матрица) (фиг.2) может образовываться терморасширяемый ремонтный лак 14 (фиг. 2).
Фиг. 2 показывает такой ремонтный лак 14. Такой ремонтный лак 14 (фиг. 2) в жидком состоянии заполнит насколько это возможно трещины, затем под воздействиями окружающей среды застынет или предварительно высохнет (например, при связывающейся при комнатной температуре матрице) и после чего расширится благодаря воздействию тепла.
Предварительная желатинизация/предварительная сушка внутри ремонтного лака 14 предотвращает чрезмерное расширение, так что наполнитель может расширяться лишь настолько, насколько это допускают межмолекулярные связи в лаке 10.
Таким образом, в частности, трещины в эродированных областях защиты против тлеющего разряда могут заполняться лучше и надежнее по сравнению с усыхающим лаком без наполнителя согласно уровню техники. В качестве терморасширяемого наполнителя могут использоваться микроскопические полые шарики 13, оболочка 11 которых состоит из полимеров. На оболочку 11 могут накладываться или наноситься различные органические, а также неорганические покрытия, которые оказывают положительное влияние на механическую прочность, эрозионную стойкость и тепло- или электропроводность. При воздействии тепла оболочка 11 полых шариков 13 размягчается, и содержащийся в полых шариках 13 газ 12 и/или вскипающая жидкость 12 вызывает расширение. Следовательно, получающийся терморасширяемый ремонтный лак 14 принимает при воздействии тепла более высокий объем и соответственно может заполнять имеющийся объем.
На использование в качестве электропроводного лака положительно воздействует тот факт, что поверхность таких полых шариков 13 смачивается лаком 10, что вызывается вязкостью лака, и таким образом полости внутри полых шариков электрически экранируются. Таким образом, могут также использоваться полые шарики 13, которые не имеют электропроводного покрытия.
Диапазон температур расширения полых шариков 13 составляет для полимерных материалов оболочек шариков 60-220°C. Посредством надлежащего выбора материала оболочки шарика и наполнителя может устанавливаться степень возможного расширения полых шариков 13 при заданной температуре, а также обратимость или неповторимость расширения. При этом возможные диаметры шариков: для нерасширенного состояния 10-40 мкм, для расширенного состояния до 200 мкм. При этом толщина стенки может достигать от нескольких десятков мкм (нерасширенное состояние) до нескольких мкм или менее (расширенное состояние).
Решающими свойствами терморасширяемого материала по существу являются: степень заполнения полыми шариками 13, их размер и свойства лака 10, который содержит в себе и окружает полые микрошарики 13. Также расширение полых шариков 13 может ограничиваться лаком 10 или температурой. Таким образом, ограничивается расширение всего материала.
Во время ремонта расширение может осуществляться посредством нагрева горячим воздухом или во время эксплуатации эксплуатационным теплом, например генератора, или посредством воздействия еще более высокой температуры в рамках отдельного движения тепла генератора. Кроме того, если температура расширения наполнителя находится выше температуры желатинизации и/или отверждения лака 10, то может также использоваться лаковая система 10 горячего отверждения. Таким образом, возможно короткое время ремонта.
Дальнейшую возможность предоставляет выбор эластичного или полуэластичного лака 10 или матрицы. Вследствие этого также возможен ремонтный лак 14 или лак для использования при изготовлении генератора, который может расширяться под воздействием эксплуатационного тепла или посредством специального процесса нагрева/движения тепла генератора в случае эрозии. Если часть лака 14 эродируется, то эродированный объем может, по меньшей мере, частично заполняться расширением оставшихся областей. Таким образом, сокращается скорость эрозии.
Для регулирования эрозионной стойкости ремонтного лака 14 в лак 10 могут также добавляться наноразмерные или микроразмерные, неорганические, замедляющие эрозию частицы (не показаны). Вследствие этого скорость эрозии существенно сокращается при прохождении частичных разрядов.
Кроме того, благодаря различным степеням сшивания в ремонтном лаке 14 расширение может осуществляться в обычно очень труднодоступные трещины в осевом направлении. Это описывается при помощи фиг. 3:
Фиг. 3 показывает ремонт труднодоступного места 16 эрозии в охлаждающем канале 15 пакета сердечника. Благодаря сшитой (отвержденной) лаковой корке 17 и сшитым по-разному внутренним областям 18 внутри ремонтного лака 14 на поверхности возникает барьер, который может блокировать расширение лака в радиальном направлении (на фиг. 3 вверх) и содействовать расширению в осевом направлении (на фиг. 3 налево и направо). Различия в частичном сшивании ремонтного лака 14 возникают благодаря различной степени экспонирования, которое вызывается, например толщиной слоя, по сравнению с катализаторами отверждения, как например воздух, тепло, ультрафиолет и т.д.
Благодаря температурному воздействию вызывается наряду с расширением частиц наполнителя также окончательное сшивание молекул ремонтного лака 14, так что ремонтный лак 14 затвердевает в достаточной степени. Тем не менее, в зависимости от материала лака может целенаправленно достигаться остаточная эластичность, которая необходима для выравнивания возможных изменений термомеханической нагрузки.
Благодаря изобретению возможен более быстрый, более надежный и более устойчивый ремонт защиты против тлеющего разряда ремонтным лаком. Кроме того, предоставлена улучшенная система защиты против тлеющего разряда. Если часть соответствующего изобретению лака эродируется, то именно эродированный объем может, по меньшей мере, частично заполняться расширением оставшихся областей. Таким образом, сокращается скорость эрозии. Новая обмотка может в принципе предотвращаться.