НАРУЖНАЯ ПРОТИВОКОРОННАЯ ЗАЩИТА ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
EXTERNAL CORONA SHIELD FOR ELECTRICAL MACHINE

Изобретение относится к наружной противокоронной защите для электрической машины, в частности к наружной противокоронной защите для окруженного основным изолирующим слоем проводящего стержня электрической машины. Кроме того, изобретение относится к ленте противокоронной защиты для выполнения наружной противокоронной защиты, а также к электрической машине с такой наружной противокоронной защитой.
Понятием «электрическая машина» обозначается обычно преобразователь энергии, который преобразует электрическую энергию в механическую энергию или наоборот, а именно, электродвигатель или генератор. Такая электрическая машина содержит обычно, с одной стороны, неподвижный статор, а также вращающийся ротор. Электрическая машина является, в частности, турбогенератором, который служит в электростанции для преобразования механической энергии в электрическую энергию.
Турбогенератор реализуется в настоящее время в большинстве случаев в виде трехфазной синхронной электрической машины с массивным двух или четырехполюсным ротором. Диапазон мощности такого турбогенератора достигает обычно от примерно 20 МВА до примерно 2000 МВА.
Статор обычного синхронного генератора содержит множество так называемых статорных обмоток, в которых за счет индуктивного взаимодействия с вращающимся, нагружаемым постоянным током ротором индуцируется переменное напряжение. Статорные обмотки размещены в так называемом листовом пакете. Он служит, среди прочего, для направления и усиления магнитного поля. Для уменьшения потерь за счет вихревых токов весь листовой пакет выполнен из тонких, изолированных друг от друга металлических листов. Статорные обмотки состоят из множества стержней, соответствующие средние части которых (так называемая активная часть) вложены в канавки листового пакета. Отдельные стержни выходят из канавок в так называемой лобовой части обмотки в форме эвольвенты. Там отдельные стержни соединяются в статорную обмотку (т.е. приводятся в контакт друг с другом).
Лежащие в листовом пакете стержни, соответственно, зоны стержней, лежат на высоком электрическом потенциале и поэтому электрически изолированы друг от друга, а также от заземленного листового пакета с помощью основного изолирующего слоя.
Для предотвращения при рабочих напряжениях в несколько киловольт (кВ) частичных разрядов, основной изолирующий слой обычно с помощью внутреннего и наружного проводящего слоя экранирован относительно полых пространств и отслаиваний. Внутренний проводящий слой называется внутренним управлением потенциала (IPS) и лежит на потенциале стержня. Наружный проводящий слой называется наружной противокоронной защитой (AGS) и лежит на потенциале земли. Электрический потенциал уменьшается в основном изолирующем слое, исходя из IPS, в радиальном направлении до AGS.
Наружная противокоронная защита имеет центральную задачу соединения основной изоляции с заземленным листовым пакетом так, что по возможности происходит падение всего высоковольтного потенциала на основном изолирующем слое. При этом нагрузка электрическим полем в основном изолирующем слое должна быть возможно более гомогенной.
Для изготовления основного изолирующего слоя с помощью часто применяемого так называемого способа GVIP (Global Vacuum Pressure Impregnation = полная пропитка в вакууме), весь статор пропитывают в пропиточной смоле. За счет пропитки статора, проводящий стержень, включая наружную противокоронную защиту, склеивается с примыкающим листовым пакетом в канавке.
Однако во время работы генератора за счет различных коэффициентов теплового расширения листового пакета, меди проводящего стержня и основного изолирующего слоя на проводящий стержень действуют термические и механические силы во время разгона и торможения генератора.
За счет таких термомеханических напряжений в пограничной зоне наружной стороны основного изолирующего слоя и листового пакета может происходить при прочном механическом соединении расслаивание наружной противокоронной защиты, которое может приводить к частичным разрядам, когда в зоне дефектных мест существуют различия электрического потенциала. Для исключения этого, при изготовлении генераторов с помощью способа GVPI в обычной конструкции предусмотрено, что наружная противокоронная защита содержит два проводящих слоя, при этом между наружным и внутренним слоем наружной противокоронной защиты образован разделительный слой в виде ленты щипаной слюды. Она разрушается при механическом нагревании в качестве места запрограммированного разрушения, так что проводящий стержень получает свободное пространство для движения вдоль канавки. Наружный и внутренний слой наружной противокоронной защиты электрически соединены друг с другом с помощью протканной с одной стороны проводящей ваточной контактной ленты. Таким образом, контактирование изоляции осуществляется периодически по ширине лент. Такая наружная противокоронная защита известна, например, из ЕР 0 603 212 В1. Недостатком такой наружной противокоронной защиты является относительно большая толщина слоя.
Задачей изобретения является создание наружной противокоронной защиты для электрической машины, которая хорошо подходит для применения в полностью пропитанном по способу GVPI статоре.
Эта задача решена, согласно изобретению, с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения. В соответствии с этим, предусмотрена двухслойная наружная противокоронная защита для окруженного основным изолирующим слоем проводящего стержня электрической машины. Наружная противокоронная защита содержит первый слой, который окружает основной изолирующий слой, а также второй слой, который в свою очередь окружает первый слой. Таким образом, в смонтированном состоянии снабженного наружной противокоронной защитой проводящего стержня, первый слой наружной противокоронной защиты граничит с основным изолирующим слоем, в то время как второй слой наружной противокоронной защиты граничит с листовым пакетом.
Каждый из обоих слоев состоит из электрически проводящего, пропитываемого слоя, который снабжен соответствующим слоем скольжения. При этом оба слоя ориентированы относительно друг друга так, что их соответствующие слои скольжения обращены друг к другу. Согласно изобретению, каждый из слоев скольжения имеет по меньшей мере одну соответствующую выемку, однако предпочтительно множество выемок. При этом оба проводящих слоя обоих слоев соединены механически и электрически через выемки или через каждую выемку с помощью длительно эластичного (в частности, вязкоэластичного) и электрически проводящего соединения.
Таким образом, снабженный наружной противокоронной защитой проводящий стержень выполнен в поперечном сечении, при рассматривании изнутри наружу, следующим образом: внутри находится электрически проводящий стержень, который окружен основным изолирующим слоем. С прилеганием к нему следует первый слой наружной противокоронной защиты, за которым следует в свою очередь слой скольжения этого первого слоя. Снова с прилеганием к нему следует сначала слой скольжения второго слоя наружной противокоронной защиты, а также наружный слой ее второго слоя.
При этом в качестве электрически проводящего понимается также электрически полупроводящий или слабо проводящий материал, т.е. материал с ограниченным (т.е. конечным) электрическим сопротивлением, в частности, примерно в диапазоне между 10 кОм и 200 кОм.
В качестве слоя скольжения понимается (твердый) слой материала с небольшим коэффициентом трения скольжения, соответственно, трения сцепления (в частности, в диапазоне между примерно 0,01 и 0,09, в частности, примерно 0,04), который не смачивается или почти не смачивается используемой в способе GVPI пропиточной смолой и который тем самым не образует стойкого соединения с геометрическим замыканием с отвердевшей пропиточной смолой. В частности, слой скольжения является гидрофильным материалом.
За счет обращенных друг к другу слоев скольжения, оба слоя наружной противокоронной защиты не соединяются пропиточной смолой друг с другом или соединяются лишь слабой, преодолеваемой без разрушения связью. Таким образом, слои для компенсации термомеханических напряжений могут в определенной степени скользить друг по другу, за счет чего предотвращается повреждение слоев. При этом каждое эластичное и проводящее соединение обеспечивает, также при относительном сдвиге слоев друг по другу, определенный электрический контакт между слоями.
За счет этого можно предпочтительно отказаться от места запрограммированного разрушения между слоями, за счет чего наружную противокоронную защиту можно выполнять с особенно небольшой толщиной слоя.
Предпочтительно, с помощью наружной противокоронной защиты, согласно изобретению, реализуется, с одной стороны, необходимая механическая развязка между обоими слоями, однако, с другой стороны, одновременно обеспечивается необходимое электрическое соединение между слоями. Дополнительно к этому улучшается сквозная пропитка основного изолирующего слоя.
В особенно предпочтительном варианте выполнения эластичное и проводящее соединение реализовано посредством клеевого соединения, которое целесообразно выполнено с помощью электрически проводящего клея, в частности, с помощью электрически проводящего силикона или электрически проводящего эпоксидного клея. Подходящий клей предлагается, например, под торговой маркой ”Loctite 3880”.
Проводящий слой предпочтительно образован с помощью пропитываемой ленты, которая в свою очередь изготовлена, в частности, из нетканого материала, предпочтительно из ткани.
Каждый слой скольжения в предпочтительном варианте выполнения изготовлен из политетрафторэтилена (PTFE, например, предлагаемого под торговой маркой Teflon).
В предпочтительном с точки зрения технологии изготовления варианте выполнения выемка или каждая выемка изготовлена с помощью процесса травления. Таким образом, выемки предпочтительно образованы за счет вытравленных мест в слое скольжения.
Предпочтительно, наружная противокоронная защита (т.е. оба слоя вместе) имеют общую толщину примерно 0,3 мм.
Лента противокоронной защиты, согласно изобретению, для изготовления наружной противокоронной защиты, согласно одному из указанных выше вариантов выполнения, содержит первый слой, а также плоско прилегающий к первому слою второй слой, при этом каждый из слоев содержит проводящий, пропитываемый слой, который снабжен соответствующим слоем скольжения. При этом слои скольжения обоих слоев обращены друг к другу. Каждый из слоев скольжения имеет по меньшей мере одну выемку, предпочтительно множество выемок, при этом оба проводящих слоя соединены друг с другом механически и электрически через эти выемки с помощью длительно эластичного и проводящего соединения.
Предпочтительно, лента противокоронной защиты имеет ширину от примерно 2 см до 3,5 см.
Электрическая машина, согласно изобретению, содержит по меньшей мере один окруженный основным изолирующим слоем проводящий стержень, при этом основной изолирующий слой окружен в свою очередь указанной выше наружной противокоронной защитой. При этом наружная противокоронная защита в одном особенно предпочтительном варианте выполнения изготовлена посредством обмотки проводящего стержня указанной выше лентой противокоронной защиты. При этом обмотку проводящего стержня можно осуществлять, с одной стороны, с определенным нахлестом. Однако предпочтительно предусмотрено, что ленту противокоронной защиты наматывают встык вокруг проводящего стержня, т.е. без перекрытия отдельных витков.
Этот вариант выполнения отличается особенно простым нанесением наружной противокоронной защиты, поскольку количество производственных стадий уменьшается по сравнению с указанной в начале обычной двухслойной наружной противокоронной защитой.
Ниже приводится более подробное пояснение примера выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:
фиг. 1 - часть электрической машины с окруженным основным изолирующим слоем проводящим стержнем, который образует часть статорной обмотки, при этом основной изолирующий слой снабжен двухслойной наружной противокоронной защитой; и
фиг. 2 - двухслойная наружная противокоронная защита из фиг. 1, в увеличенном масштабе.
Соответствующие друг другу части и величины обозначены на всех фигурах одинаковыми позициями.
На фиг. 1 в сильно упрощенном виде показана часть электрической машины 1, в данном случае трехфазного турбогенератора. Машина 1 содержит статор 2, в котором установлен с возможностью вращения ротор (не изображен в явном виде).
Статор 2 содержит образованный из множества установленных рядом друг с другом и изолированных друг от друга металлических пластин 3 листовой пакет 4 (статора). В листовом пакете 4 само по себе известным образом поперек поверхности металлических пластин 3 выполнено несколько сквозных (продольных) канавок 5, из которых на фиг. 1 для простоты показана лишь одна канавка. В каждой канавке 5 лежит проводящий стержень 7. Каждый проводящий стержень 7 в свою очередь образован из нескольких изолированных друг от друга частичных медных проводников, которые скручены друг с другом для образования так называемого стержня Ребеля (не изображено).
Из выхода 10 канавки 5 выступает проводящий стержень 7.
N
Для изоляции находящегося в рабочих условиях под высоким электрическим напряжением U проводящего стержня 7 относительно заземленного листового пакета 4, проводящий стержень обмотан по окружности для образования основного изолирующего слоя 11 пропитанной с помощью способа вакуумной пропитки (GVPI) затвердевающей пропиточной смолой лентой из элементарных стеклонитей и слюды.
Для предотвращения образования пиков потенциала и тем самым уменьшения опасности возникновения частичных разрядов, проводящий стержень 7 снабжен под основным изолирующим слоем 11 образованным с помощью проводящего ваточного холста внутренним управлением 12 потенциала. Дополнительно к этому, основной изолирующий слой 11 по меньшей мере под листовым пакетом 4 на наружной стороне снабжен двухслойной наружной противокоронной защитой 16. Наружная противокоронная защита 16 немного выходит за выход 10 канавки, т.е. немного выступает из листового пакета 4.
Для предотвращения возникновения системы скольжения, в продолжение наружной противокоронной защиты 16 на основной изолирующий слой 11 нанесена концевая противокоронная защита 17, которая образована с помощью полупроводникового слоя 18, поверхностное сопротивление которого изменяется в осевом направлении проводящего стержня 7 в зависимости от места.
На фиг. 2 схематично показана в увеличенном масштабе деталь II из фиг. 1, на основании которой ниже поясняется конструкция двухслойной наружной противокоронной защиты 16.
Наружная противокоронная защита 16 содержит первый слой 20, который по меньшей мере в частичной зоне проводящего стержня 7, в которой он залит в канавке 5, граничит с листовым пакетом 4. Дополнительно к этому, наружная противокоронная защита 16 содержит второй слой 21, который граничит с основным изолирующим слоем 11. При этом первый слой 20, а также второй слой 21 выполнены одинаково. Каждый слой 20, 21 содержит полупроводниковый слой, который образован здесь из пропитываемой пропиточной смолой тканевой ленты 22, соответственно, 23. При этом каждая тканевая лента 22, соответственно, 23 обоих слоев 20 и 21 состоит из сложного полиэфира или стекловолокна.
В каждом из слоев 20, 21 тканевая лента 22, 23 покрыта слоем скольжения, в данном случае (показанным преувеличенно) покрытием 25, соответственно, 26 из тефлона. При этом каждая тканевая лента 22, 23 имеет толщину S1 примерно 20-100 мкм, в частности 40 мкм, в то время как каждое покрытие 25, 26 из тефлона имеет толщину S2 примерно 10-80 мкм, в частности 20 мкм. Оба слоя 20, 21 имеют общую толщину S3 примерно 0,3 мм.
Как показано на фиг. 2, оба покрытия 25, 26 из тефлона первого, соответственно, второго слоя 20, 21 обращены друг к другу, в то время как обе тканевые ленты 22, 23 обращены друг от друга. Кроме того, на фиг. 2 показано, что каждый из обоих слоев 20, 21 наружной противокоронной защиты 16 с одной стороны, а именно, на стороне соответствующей тканевой ленты 22, 23, с помощью процесса GVPI прочно соединен с листовым пакетом 4, соответственно, с основным изолирующим слоем 11. В противоположность этому, покрытия 25, 26 из тефлона в процессе GVPI почти или совсем не смачиваются пропиточной смолой, за счет чего между обоими покрытиями 25, 26 из тефлона образована (снова показанная преувеличенно) щель 27. За счет этого оба слоя 20, 21 свободно подвижны относительно друг друга в осевом направлении проводящего стержня 7 внутри определенного зазора.
В каждом из покрытий 25, 26 из тефлона протравлено множество соответствующих выемок 30, соответственно, 31. При этом выемка 30 первого слоя 20 соответствует выемке 31 второго слоя 21 наружной противокоронной защиты 16. Для ясности показаны лишь две выемки 30, 31. Между двумя соответствующими выемками 30, 31 выполнено клеевое соединение 32 из постоянно вязкоэластичного, электрически проводящего клея, при этом в данном случае используется клей Loctite 3880. За счет этих клеевых соединений 32 тканевая лента 22 первого слоя 20 электрически проводящим образом соединена с тканевой лентой 23 второго слоя 21 наружной противокоронной защиты 16, при этом это проводящее соединение за счет эластичности клея сохраняется также при вызванном рабочими условиями сдвиге обоих слоев 20, 21 относительно друг друга.