Обмотка статора высоковольтной электрической машины переменного тока

 

Изобретение относится к области электротехники и электромашиностроения и может быть использовано в высоковольтных электрических машинах, в частности, в турбогенераторах с номинальным напряжением 110 кВ и выше. Сущность изобретения состоит в следующем. Обмотка статора высоковольтной электрической машины выполнена многослойной из высоковольтного кабеля круглого сечения, расположенного в глубоких пазах и, согласно изобретению, распределена с одинаковыми шагами по пазам. Причем каждые два слоя образуют элементарную трехфазную двухслойную обмотку, которая соединяется последовательно по фазам с другими элементарными двухслойными обмотками. Технический результат - уменьшение длины вылета лобовых частей обмотки и сокращение количества технологической оснастки для изготовления катушек по сравнению с обмоткой с переменным шагом по пазам, а также уменьшение толщины изоляции и, соответственно, габаритов поперечного сечения кабеля по сравнению с размерами толщины корпусной изоляции для наибольшего потенциала. Кроме того, сокращается количество межполюсных соединений одноименных полуфаз или фаз элементарных обмоток для одного общего для всех полуфаз или фаз, а соединение лобовых частей обмотки осуществляется по кратчайшему расстоянию. 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к высоковольтным электрическим машинам, в частности к обмоткам статоров турбогенераторов с номинальным напряжением, например, 110 кВ и выше.

Широко известны трехфазные двухслойные шестизонные статорные обмотки турбо- и гидрогенераторов, выполняемые распределенными катушечными или стержневыми (полукатушечными), которые находят применение при номинальном напряжении 3,15-27 кВ (В.В.Титов, Г.М.Хуторецкий и др. Турбогенераторы. Расчет и конструкция. Энергия. Ленинградское отделение, 1967, с. 152-159).

При этом лобовые части таких обмоток в большинстве случаев выполняют двухслойными эвольвентными и переход из одного слоя в другой осуществляют с помощью головок лобовой части катушки, причем головки при катушечной обмотке выполняют перегибом витков из верхнего в нижний слой, а при стержневой обмотке головки образуют с помощью пайки стержней верхнего и нижнего слоя с помощью хомутов или наконечников.

Относительно низкое номинальное напряжение турбо и гидрогенераторов приводит к высокой величине номинального тока, а, следовательно, к большому сечению активного витка прямоугольной формы.

Прямоугольная форма поперечного сечения стержня приводит, в свою очередь, к большой концентрации электрического поля в углах изоляции, поэтому создание обмоток такой конструкции на более высокие напряжения затруднительно. В результате, для передачи энергии на большие расстояния требуется установка повышающих трансформаторов, у которых вторичная обмотка может выполняться до 110-700 кВ и выше.

Наиболее близкой к заявляемой является обмотка статора высоковольтной электрической машины переменного тока с номинальным напряжением 36-800 кВ (WO 97/47067). Такие машины используют без повышающих трансформаторов. Обмотка выполнена из высоковольтного кабеля круглого сечения с большим числом активных витков в пазу, т.е. выполнена многослойной. Схема соединения обмотки выполнена катушечной, концентрической.

При этом все шаги по пазам для одной фазовой зоны оказываются переменными, и хотя средний шаг, определяющий электромагнитное использование машины, может быть оптимальным, необходимо наличие катушек с максимальным по пазам шагом (выше ширины полюсного деления). Эти катушки и определяют максимальный вылет лобовой части статорной обмотки и общую длину машины, при этом длина лобовой части высоковольтной кабельной обмотки может быть достаточно большой. Одновременно, создание катушек с переменной шириной вызывает необходимость увеличения количества технологической оснастки, необходимой для изготовления катушек с переменным шагом, причем при изготовлении малой катушки могут возникнуть затруднения при формовке лобовых частей, поскольку высоковольтный кабель может иметь ограничения по допустимому радиусу изгиба.

Техническим результатом заявляемого изобретения (по п.1) является:

- уменьшение вылета лобовых частей статорной обмотки по сравнению с катушечной концентрической обмоткой,

- сокращение количества технологической оснастки для изготовления катушек по сравнению с обмоткой с переменным шагом по пазам,

- возможность применения кабеля без ограничений по допустимому радиусу изгиба.

Технический результат достигается тем, что обмотка статора высоковольтной электрической машины переменного тока, выполненная многослойной из высоковольтного кабеля круглого сечения, расположенного в глубоких пазах статора, распределена с одинаковыми шагами по пазам, в которых каждые два слоя образуют элементарную трехфазную двухслойную обмотку, которая соединена последовательно по фазам с другими элементарными двухслойными обмотками. (П.1 ф-лы).

Для обеспечения соединения лобовых частей обмотки по кратчайшему расстоянию между сторонами катушки, расположенной в верхнем и нижнем слоях обмотки, витки в пределах каждой элементарной двухслойной обмотки образованы косыми лобовыми частями, переходящими из нечетного слоя в четный. (П.2 ф-лы).

Для уменьшения толщины изоляции и соответственно габаритов поперечного сечения кабеля по сравнению с размерами толщины корпусной изоляции для наибольшего потенциала в обмотке, выполненной по любому из вышеуказанных вариантов, корпусная изоляция каждой элементарной двухслойной обмотки выполнена на напряжение, соответствующее потенциалу этой элементарной обмотки по отношению к “земле”. (П.3 ф-лы).

Выполнение корпусной изоляции каждой элементарной двухслойной обмотки на напряжение, соответствующее наибольшему потенциалу нескольких последовательно соединенных элементарных обмоток по отношению к “земле”, позволяет применить изоляцию одинаковой толщины, для каждой элементарной обмотки, что упрощает конструкцию паза статора за счет выполнения его одним размером по ширине на всю его глубину. (П.4 ф-лы).

Для сокращения количества межполюсных соединений одноименных фаз элементарных обмоток, корпусная изоляция которых выполнена одинаковой толщины, последовательно соединены одноименные полуфазы элементарных двухслойных обмоток, корпусная изоляция которых выполнена одинаковой толщины, а полученные таким образом одинаковые полуфазы под разноименными полюсами соединены в часть фазы с одинаковой корпусной изоляцией, которая дополнена до полной фазы последовательным соединением с частью полуфаз с толщиной корпусной изоляции на другое напряжение так, что частичные полуфазы соединены последовательно по возрастанию напряжения вплоть до номинального напряжения в полной фазе. (П.5 ф-лы).

Для сокращения количества межполюсных соединений одноименных полуфаз до одного, общего для всех полуфаз, в обмотке статора высоковольтной электрической машины переменного тока, выполненной по любому из вышеуказанных вариантов, последовательно соединены одноименные полуфазы всех элементарных двухслойных обмоток в одну полуфазу под одним полюсом, а образованные таким образом две полуфазы под разными полюсами соединены в фазу. (П.6 ф-лы).

Соединение сторон катушки обмотки статора параллельными косыми лобовыми частями дает возможность уменьшения габаритов как деталей соединения (хомуты, наконечники), так и общих габаритов изолированной головки. Для этого в обмотке статора высоковольтной электрической машины переменного тока, выполненной по любому из вышеуказанных вариантов, витки обмотки образованы из отрезков кабеля, расположенных в пазах и соединенных косыми лобовыми частями, переходящими из нечетного слоя в четный, встык. (П.7 ф-лы).

Для обеспечения уменьшения расхода изоляционных материалов на изоляцию головок обмотки внутри фазовой зоны, упрощения конструкции головок обмотки в обмотке статора высоковольтной электрической машины переменного тока, выполненной по любому из вышеуказанных вариантов, изоляция соединений лобовых частей головок внутри фазовой зоны выполнена на напряжение ниже, чем напряжение элементарной двухслойной обмотки. (П.8 ф-лы).

Для обеспечения компактного соединения элементарных обмоток между собой, упрощения конструкции соединений, экономии материалов в обмотке статора высоковольтной электрической машины переменного тока, выполненной по любому из вышеуказанных вариантов, элементарные обмотки, расположенные последовательно от дна паза к его вершине, выполнены нечетные - с одним направлением намотки, четные - с противоположным направлением намотки. (П.9 ф-лы).

На фиг.1-8 приведен пример конкретного выполнения обмотки статора высоковольтной электрической машины переменного тока, выполненной многослойной из высоковольтного кабеля.

На фиг.1 показаны пазы сердечника статора, где

1, 2, 3, 4, 5 - нумерация пазов статора

19-32 - нумерация слоев в пазу статора

На фиг.2 показан паз статора с уложенной в него обмоткой по слоям. Пример конкретного выполнения приведен для 18 пазов, в каждый из которых уложено 14 слоев.

19-22 - нумерация слоев с максимальной толщиной изоляции

23-26 - нумерация слоев с промежуточной толщиной изоляции

27-32 - нумерация слоев с минимальной толщиной изоляции

На фиг.3 показана схема обмотки с межполюсной перемычкой в каждой элементарной обмотке, где

1-18 - нумерация пазов

19-32 - нумерация слоев

33-60 - нумерация концов полуфаз обмотки

61 - межполюсная перемычка между полуфазами каждой элементарной обмотки

64 - перемычка между двумя элементарными обмотками

На фиг.4 показана схема обмотки с одной межполюсной перемычкой между последовательно соединенными полуфазами всех элементарных обмоток, где

1-18 - нумерация пазов

19-32 - нумерация слоев

33-60 - нумерация концов полуфаз обмотки

62 - межполюсная перемычка между последовательно соединенными полуфазами всех элементарных обмоток

65 - перемычка между полуфазами двух элементарных обмоток

На фиг.5 показана схема обмотки с межполюсными перемычками между группами полуфаз элементарных обмоток с одинаковой толщиной изоляции, где

1-18 - нумерация пазов

19-32 - нумерация слоев

33-60 - нумерация концов полуфаз обмотки

63 - межполюсная перемычка между группами полуфаз элементарных обмоток с одинаковой толщиной изоляции

66 - перемычка между группами элементарных обмоток с одинаковой толщиной изоляции

На фиг.6 показана схема обмотки с межполюсной перемычкой в каждой элементарной обмотке с взаимно противоположным направлением намотки каждых двух элементарных обмоток, где

1-18 - нумерация пазов

19-32 - нумерация слоев

33-60 - нумерация концов полуфаз обмотки

61 - межполюсная перемычка между полуфазами каждой элементарной обмотки

64 - перемычка между двумя элементарными обмотками

На фиг.7 показана схема обмотки с одной межполюсной перемычкой с взаимно противоположным направлением намотки каждых двух элементарных обмоток, где

1-18 - нумерация пазов,

19-32 - нумерация слое

33-60 - нумерация концов полуфаз обмотки

62 - межполюсная перемычка между последовательно соединенными полуфазами всех элементарных обмоток

65 - перемычка между полуфазами двух элементарных обмоток

На фиг. 8 показана схема обмотки с межполюсными перемычками между группами полуфаз с одинаковой толщиной изоляции с взаимно противоположным направлением намотки каждых двух элементарных обмоток, где

1-18 - нумерация пазов

19-32 - нумерация слоев

33-60 - нумерация концов полуфаз обмотки

63 - межполюсная перемычка между группами полуфаз элементарных обмоток с одинаковой толщиной изоляции

64 - перемычка между двумя элементарными обмотками 66 - перемычка между группами элементарных обмоток с одинаковой толщиной изоляции

Многослойная высоковольтная обмотка выполняется распределенной с одинаковыми шагами по пазам 1-18, причем обмотка может выполняться только с четным числом слоев, т.е. четным числом витков в пазу (фиг.1 и фиг.2).

Каждые два слоя образуют элементарную трехфазную двухслойную обмотку, причем стороны катушки, расположенной в верхнем и нижнем слоях, соединены параллельными косыми лобовыми частями.

Таким образом, все лобовые части элементарной обмотки расположены параллельно друг другу и имеют одинаковую форму и размеры. Витки фазы первой элементарной обмотки соединяются последовательно с фазой второй элементарной обмотки и т.д., образовывая полную фазу всей обмотки (фиг.3, где показана схема соединения одной фазы, состоящей из 7 элементарных машин).

При достаточно большой высоте паза высоковольтной обмотки лобовая часть в вершине паза (ближе расточке статора) может быть существенно меньше, чем по дну паза (ближе к ярму статора) и в этом случае целесообразно выполнение обмотки с разным уровнем корпусной изоляции.

Согласно изобретению каждая элементарная обмотка может иметь свой уровень корпусной изоляции в зависимости от электрического потенциала этой обмотки к земле, причем может быть на часть элементарных машин применена корпусная изоляция одинакового уровня, определяемая наибольшим потенциалом последовательно соединенных элементарных машин в этом ряду.

В ряде случаев соединение фаз элементарных обмоток может быть осуществлено не по фазам, а по полуфазам. В этом случае последовательно соединяются все витки одной полуфазы под одним полюсом и отдельно под другим, затем полуфазы соединяются последовательно, образуя одну фазу всей обмотки (фиг.4). При этом витки всей обмотки должны выполняться на номинальное напряжение.

Возможно также последовательное соединение витков одной частичной полуфазы, при этом выбор изоляции этой частичной полуфазы определится наибольшим потенциалом. После чего эта частичная полуфаза соединяется с другой частичной полуфазой в частичную фазу и далее число частичных полуфаз будет равно числу уровней изоляции в обмотке (фиг.5).

Элементарные обмотки статора, входящие в полную обмотку статора, располагающиеся в пазах статора последовательно от дна паза к его вершине, могут выполняться таким образом, что элементарные обмотки с нечетным порядковым номером имеют одно направление намотки, например, по часовой стрелке, а элементарные обмотки с четным порядковым номером имеют противоположное направление намотки, например, против часовой стрелки, что позволяет более компактно производить соединение элементарных обмоток между собой (фиг.6-8).

Авторам не известны другие технические решения, в которых обмотка распределена с одинаковыми шагами по пазам, а в пазах каждые два слоя образуют элементарную трехфазную двухслойную обмотку, которая соединена последовательно по фазам с другими элементарными двухслойными обмотками.

В отличие от прототипа, выполнение многослойной высоковольтной обмотки, распределенной с одинаковыми шагами по пазам, позволяет получить несколько преимуществ:

- приводит к уменьшению величины вылета лобовых частей обмотки в осевом направлении,

- не требует для изготовления каждой элементарной обмотки набора технологической оснастки, соответствующего количеству концентрических дуг лобовых частей обмотки,

- снимает ограничения, связанные с допустимым уменьшением радиуса изгиба кабеля.

Формула изобретения

1. Обмотка статора высоковольтной электрической машины переменного тока, выполненная многослойной из высоковольтного кабеля круглого сечения, расположенного в глубоких пазах статора, отличающаяся тем, что обмотка распределена с одинаковыми шагами по пазам, в которых каждые два слоя образуют элементарную трехфазную двухслойную обмотку, которая соединена последовательно по фазам с другими элементарными двухслойными обмотками.

2. Обмотка статора по п.1, отличающаяся тем, что витки в пределах каждой элементарной двухслойной обмотки образованы косыми лобовыми частями, переходящими из нечетного слоя в четный.

3. Обмотка статора по п.1 или 2, отличающаяся тем, что корпусная изоляция каждой элементарной двухслойной обмотки выполнена на напряжение, соответствующее потенциалу этой элементарной обмотки по отношению к "земле".

4. Обмотка статора по п.1 или 2, отличающаяся тем, что корпусная изоляция каждой элементарной двухслойной обмотки выполнена на напряжение, соответствующее наибольшему потенциалу нескольких последовательно соединенных элементарных обмоток по отношению к "земле".

5. Обмотка статора по п.3, отличающаяся тем, что последовательно соединены одноименные полуфазы элементарных двухслойных обмоток, корпусная изоляция которых выполнена одинаковой толщины, а образованные таким образом одинаковые полуфазы под разноименными полюсами соединены в часть фазы с одинаковой корпусной изоляцией, которая дополнительно до полной фазы последовательным соединением с частью полуфаз с толщиной корпусной изоляции на другое напряжение так, что частичные полуфазы соединены последовательно по возрастанию напряжения вплоть до номинального напряжения в полной фазе.

6. Обмотка статора по п.4, отличающаяся тем, что последовательно соединены одноименные полуфазы всех элементарных двухслойных обмоток в одну полуфазу под одним полюсом, а образованные таким образом две полуфазы под разными полюсами соединены в фазу.

7. Обмотка статора по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что витки обмотки образованы из отрезков кабеля, расположенных в пазах и соединенных косыми лобовыми частями, переходящими из нечетного слоя в четный, встык.

8. Обмотка статора по п.7, отличающаяся тем, что изоляция соединений лобовых частей головок внутри фазовой зоны выполнена на напряжение ниже, чем напряжение элементарной двухслойной обмотки.

9. Обмотка статора по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что элементарные обмотки, расположенные последовательно от дна паза к его вершине, выполнены нечетные - с одним направлением намотки, четные - с противоположным направлением намотки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8