Система изоляции со ступенчатым электрическим полем для динамоэлектрической машины
Изобретение относится к области электротехники и касается особенностей конструктивного выполнения корпусной изоляции, выдерживающей напряжения свыше 4 кВ, предпочтительно 13,8 кВ или более, применяемой в динамоэлектрических машинах. Сущность изобретения состоит в том, что изоляция элемента обмотки для динамоэлектрической машины, или корпусная изоляция для проводника динамоэлектрической машины содержит два слоя. Первый внутренний слой изоляции нанесен на проводник и имеет первую заранее определенную толщину и первую заранее определенную диэлектрическую проницаемость, а второй слой изоляции имеет вторую заранее определенную толщину и вторую заранее определенную диэлектрическую проницаемость, меньшую, чем первая диэлектрическая проницаемость. При этом первый и второй слои изоляции содержат ленту из слюдяной бумаги, причем слюда для каждой ленты является слюдой различного типа. В результате в месте перехода между первым и вторым слоями сформировано резкое повышение профиля электрического поля поперек корпусной изоляции, что приводит к электрическому полю рядом с проводником, имеющему максимальную величину, которая меньше, чем величина известных систем изоляции, что обеспечивает снижение максимальной величины профиля локального электрического поля в пределах корпусной изоляции. Технический результат - увеличение срока службы изоляции и уменьшение ее толщины. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 7 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к системе изоляции для обмоток динамоэлектрической машины, а более точно к изоляции, содержащей внутренний и внешний слои, имеющие различную диэлектрическую проницаемость для создания более благоприятного распределения напряжений в диэлектрике.
Предшествующий уровень техники
Постоянно разрабатываются системы изоляции для больших динамоэлектрических машин переменного тока с целью повышения напряжений, при которых работают эти машины, минимизируя при этом толщину изоляционного материала.
В таких системах изоляции обычно используют слюду в различных видах от больших чешуек, рассредоточенных по материалу подложки, до продукта, известного как слюдяная бумага. Хотя низкая прочность на растяжение слюдяной бумаги не подходит для использования в таких системах изоляции, слюдяная бумага имеет более высокую короностойкость, противодействующую коронному разряду, происходящему в высоковольтных обмотках, который имеет склонность сокращать срок службы изоляции. Чтобы компенсировать низкую прочность на растяжение, слюдяная бумага соединяется со стекловолокном, который также имеет склонность предотвращать осыпание чешуек слюды из микаленты во время операции обматывания лентой.
В последнее время в системах изоляции использовалась короностойкая полиимидная и композиционная изоляционная лента. Эта лента имеет исключительные изоляционные свойства и хорошую короностойкость. Эта пленка может быть использована самостоятельно или в качестве подложки на композиционной ленте из слюдяной бумаги и стекловолокна. Добавление улучшенной изоляции из короностойкой ленты обеспечивает систему изоляции, которая является улучшенной в электрическом отношении, чем стандартные системы.
До настоящего времени при разработке систем изоляции и лент для корпусной изоляции величина и профиль локального электрического поля в корпусной изоляции не учитывались. Это электрическое поле, создаваемое в корпусной изоляции в результате высокого напряжения, приложенного к проводнику, имеет непосредственное влияние на срок службы изоляции. В виду того, что электрическое поле распределяется по корпусной изоляции, оно оказывает влияние на рабочие характеристики системы изоляции и срок службы системы корпусной изоляции.
Краткое изложение существа изобретения
В основу настоящего изобретения поставлена задача для разработки системы корпусной изоляции для обмоток динамоэлектрических машин, которая учитывает влияние локализованного электрического поля, создаваемого в корпусной изоляции в результате разности напряжений на изоляции.
В соответствии с настоящим изобретением создана система изоляции для обмоток динамоэлектрических машин, которая позволяет ступенчато или резко повысить электрическое поле, распределенное по изоляции от внутренней части изоляции рядом с шиной проводника или проводящими элементами до внешней брони или заземленной брони изоляции.
Термин "ступенчатое повышение" электрического поля относится к значительному изменению профиля электрического поля по поперечному сечению корпусной изоляции. В соответствии с настоящим изобретением профиль электрического поля по поперечному сечению "плоской части" проявляет резкое ступенчатое повышение на некотором расстоянии по поперечному сечению по сравнению с плоским профилем электрического поля в прошлом. Что касается сечения угла изоляции, то профиль электрического поля постепенно снижается от проводников и снова резко ступенчато повышается на некотором расстоянии по поперечному сечению угла.
Чтобы выполнить ступенчатое изменение профиля электрического поля изоляции согласно изобретению создана система изоляции, имеющая проводник динамоэлектрической машины, который изолирован слоями изоляции. Изоляция содержит первый внутренний слой изоляции и второй слой изоляции, внешний по отношению к первому внутреннему слою. Как первый, так и второй слои изоляции имеют определенную толщину для получения соответствующих изоляционных характеристик, необходимых для самой изоляции. Диэлектрическая проницаемость первого внутреннего слоя изоляции больше, чем второго слоя изоляции, так что электрическое поле во втором слое изоляции резко повышается в месте соединения первого внутреннего и второго слоя изоляции.
Было определено, что в результате создания относительно более высокой диэлектрической проницаемости внутреннего слоя электрическое поле рядом с проводником имеет пониженную величину. Хотя общее электрическое поле, распределенное по изоляции, может быть не меньше, необходимо понять, что снижается величина любых резких появлений электрического поля в слое изоляции рядом с проводником. Изоляция проектируется и разрабатывается для самых слабых участков, которые имеют место на углах изоляции рядом с проводниками, где проявляются наибольшие величины электрического поля. Таким образом, в результате снижения величины электрического поля снижаются требования к толщине изоляции, т.е. возможно ее минимизировать, не оказывая неблагоприятного влияния на напряжение, которое выдерживают проводники, или срок службы изоляции. В соответствии с настоящим изобретением предусматривается, что проводники выдерживают напряжения порядка 4 кВ и более.
В альтернативных вариантах выполнения настоящего изобретения изоляция может содержать более двух слоев, нанесенных друг на друга в виде последовательных слоев, где каждый последующий слой имеет диэлектрическую проницаемость, которая меньше, чем у предыдущего слоя изоляции.
Предпочтительно система изоляции настоящего изобретения может быть использована в качестве корпусной изоляции для проводников в обмотке динамоэлектрической машины, выдерживающей напряжения 4 кВ и более. В случае, когда напряжение составляет около 13,8 кВ, толщина корпусной изоляции составляет около 3,2 мм.
В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения создана корпусная изоляция для проводника динамоэлектрической машины, которая имеет ступенчатый профиль электрического поля по корпусной изоляции. Корпусная изоляция содержит первый внутренний слой изоляции и второй внешний слой изоляции. Первый внутренний слой изоляции наносится на проводник и имеет первую определенную заранее толщину и первую определенную заранее диэлектрическую проницаемость. Второй внешний слой изоляции наносится на первый внутренний слой изоляции и между ними образуется переход. Второй внешний слой изоляции имеет вторую заранее определенную толщину и вторую заранее определенную диэлектрическую проницаемость, причем вторая диэлектрическая проницаемость меньше, чем первая диэлектрическая проницаемость первого внутреннего слоя изоляции. При этом формируется ступенчатое повышение электрического поля в корпусной изоляции в месте перехода первого внутреннего и второго внешнего слоя изоляции.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 изображает поперечное сечение известной шины статора для большой динамоэлектрической машины переменного тока;
фиг.2 изображает поперечное сечение известной катушки обмотки статора для большой динамоэлектрической машины переменного тока;
фиг.3А изображает систему изоляции для шины статора согласно изобретению;
фиг.3В изображает систему изоляции для катушки обмотки статора (другой вариант выполнения) согласно изобретению;
фиг.4 изображает схематично расположение поперечных сечений угла и плоской части для профилей электрического поля согласно изобретению;
фиг.5 изображает диаграмму профиля электрического поля корпусной изоляции шины статора согласно изобретению;
фиг.6 изображает диаграмму профиля электрического поля корпусной изоляции шины статора согласно изобретению.
Описание предпочтительных вариантов выполнения изобретения
Известная шина 10 (фиг.1) статора для большой динамоэлектрической машины переменного тока содержит множество изолированных проводников 12, которые изолированы друг от друга изоляцией 14.
Проводники 12 сформированы в группу после нанесения на них изоляции 14. Верхняя и нижняя поверхности группы проводников заполнены изоляционным материалом 13, служащим наполнителем и предотвращающим от перемещения. Группа изолированных проводников 12 затем оборачивается материалом 16 корпусной изоляции. Количество слоев изоляционной ленты, образующих изоляцию, составляет от 7 до 16 слоев микаленты, намотанной вполунахлестку в зависимости от уровня рабочего напряжения, действию которого подвергаются проводники 12.
Для высоковольтного напряжения, т.е. для напряжения свыше 4000 В и, предпочтительно, 13,8 кВ, предпочтительной корпусной изоляцией 16 является слой из композиционной микаленты, содержащей короностойкий полиимид, соединенный с бумажной лентой слюдяного типа. Микалента обеспечивает слой эффективной изоляции и вследствие ее стойкости к коронному разряду имеет продолжительный срок службы. Композиционные материалы и ленты из слюдяной бумаги, используемые в этих гибридных системах, содержат высокий процент неполностью отвержденной смолы (обогащенные смолой), которые могут содержать или не содержать короностойкий материал. Обернутая шина нагревается и подвергается сжатию в автоклаве или прессе для временного расплавления смолы, с тем чтобы удалить воздух и устранить пустоты. На обрабатываемую шину нагревают и воздействуют давлением, так что смола, содержащаяся в изоляции, переходит в состояние геля, соединяя всю систему изоляции вместе. Поверхность отвержденной шины затем может быть покрыта соответствующими материалами для образования эквипотенциальной поверхности во время работы машины.
Отвержденная шина, изготовленная с использованием указанных лент, хорошо функционирует в пределах расчетных параметров машины в течение заранее определенного периода времени.
На фиг.2 изображено поперечное сечение известной катушки 10b. В этом примере жилы 12b из меди (показано шесть) сгруппированы вместе так, что, хотя они отделены друг от друга изоляцией 14b, шесть жил, сгруппированных в виток, должны изолироваться от других витков катушки 10b при помощи витковой изоляции 15b. Витковый узел в конечном счете покрывается корпусной изоляцией 16b.
На фиг.3А изображено поперечное сечение шины статора, изолированной согласно изобретению. В описываемом варианте пучок проводов состоит из индивидуальных проводников 22, разделенных изоляцией 24 жилы. На пучок проводов затем наматывается несколько слоев композиционной ленты. Каждый слой композиционной ленты содержит первый внутренний слой 26 изоляционной ленты и второй слой 28 изоляционной ленты. Каждый слой 26, 28 ленты имеет заранее определенную толщину и различную диэлектрическую проницаемость. В частности, диэлектрическая проницаемость первого внутреннего слоя больше, чем диэлектрической проницаемость самого внешнего слоя. Согласно варианту выполнения изобретении могут использоваться дополнительные третий или четвертый слои ленты с пониженной диэлектрической проницаемостью.
Внутренний и внешний слои изоляции могут содержать слои намотанной вполунахлестку ленты, состоящей из композиционного материала, такого как слюдяная бумага, нанесенного на подложку из стеклоленты, образуя слой 28. В слюдяной бумаге присутствует соответствующее пропитывающее вещество из смолы. Эта стандартная лента хорошо выдерживает высокое напряжение.
Корпусная изоляция, содержащая слои 26 и 28, может подвергаться отверждению под давлением или процессу отверждения в автоклаве для удаления пустот в слоях 26 и 28 изоляции и перевод смолы в гелеобразное состояние.
Соответствующие поверхностные покрытия могут быть нанесены на слой 28 изоляции до или после отверждения.
На фиг.3В изображена композиционная корпусная изоляция для катушки 20, состоящей из трех витков. В этом случае медные проводники 22b окружены изоляцией 24b. Витковая изоляция 25b наносится на каждый виток, и наносится начальный слой корпусной изоляции 26b, содержащий те же составляющие, что и слой 26 на фиг.3А. Наконец наносится слой внешней корпусной изоляции 28b. За исключением витковой изоляции 25b системы изоляции на фиг.3А и 3В весьма похожи.
На фиг.4 показана упрощенная схема проводника 25, содержащего внутренний слой 26 корпусной изоляции и второй внешний слой 28 корпусной изоляции, также упоминаемые как первый и второй слои 26, 28. Первый слой 26 имеет диэлектрическую проницаемость, которая больше диэлектрической проницаемости второго слоя 28. Тестирование показало, что внутренний слой 26 изоляции имел диэлектрическую проницаемость 6,5. Диэлектрическая проницаемость второго, более внешнего слоя 28 изоляции равна 4,2. Заранее определенная толщина слоев составляла 0,096 дюйма или несколько меньше 2,5 мм. Профили электрического поля определялись на углу 40, и на плоской части 42. Результаты измерений показаны в виде диаграммы на фиг.6. На фиг.5 представлена диаграмма изоляции на фиг.1.
На фиг.5 показано, что профиль электрического поля на углу 40 понижается в виде криволинейного спада, определяемого кривой 55, начинающейся примерно при 4200 В/мм, и постепенно уменьшается до толщины 3 мм для этого материала изоляции проводника. На плоской части потенциальное электрическое поле стабильно примерно на 2600 В/мм. Это показано кривой 50.
Следовательно, у изоляции, показанной на фиг.1, самый слабый участок находится на углу рядом с проводником, где электрическое поле максимально, и, следовательно, изоляция имеет свой самый слабый участок. Диаграмма на фиг.6 сравнивается с диаграммой на фиг.5. Приведена толщина двух систем 26 и 28 изоляции. На диаграмме 65 максимальная величина электрического поля составляет 4000 В/мм по сравнению с 4200 В/мм на фиг.5. Профиль электрического поля, однако, постепенно понижается по кривой до крутой ступеньки 68, где образован второй слой изоляции в этом месте соединения между слоями 26 и 28. После этого электрическое поле снова понижается в виде криволинейного спада. Что касается профиля электрического поля на слое распределения плоской части 42, то он показан позицией 60 и может быть сравнен с профилем 50. Распределение электрического поля рядом с проводником меньше как для плоской, так и для изогнутой части 42 и 40 и имеет крутое ступенчатое повышение, обозначенное позицией 68, и больше, чем у кривых 50 и 55 соответственно. Настоящее изобретение обеспечивает снижение максимальной величины электрического поля, которую должна выдерживать корпусная изоляция.
Профиль электрического поля, показанный на фиг.6, предназначен для обмотки шин статора, и этот профиль электрического поля имеет функцию ступенчатого типа в месте соединения первого и второго слоев изоляции для катушек обмотки статора. Эта форма может повторяться при добавлении последующих слоев изоляции, имеющих меньшую диэлектрическую проницаемость в каждом последующем слое.
Кроме того, толщина системы изоляции значительно снижена по сравнению с той, которая использовалась в известном уровне техники. Уменьшение толщины изоляции приводит к экономии затрат на материалы.
Как показано на фиг.3А и 3В, последующие слои изоляции 80 и 82 изображены пунктирными линиями и нанесены последовательно на слой 28 (фиг.3А) и слой 28b (фиг.3В). Эти последовательные слои 80, 82, если они используются, имеют уменьшающиеся диэлектрические проницаемости для каждого слоя, расположенного далее от витковой изоляции 24 или слоев 26, 28 корпусной изоляции.
Дополнительно предусмотрено, что внутренний и внешний слои изоляции, применяемой в настоящем изобретении, могут содержать две ленты, выполненные из различных видов слюды, имеющей различные диэлектрические проницаемости в зависимости от выбора слюды для ленты из слюдяной бумаги. Слюдяные бумаги, выбираемые для этих лент, таковы, что различие диэлектрических проницаемостей, присущих самой слюде, способствует общей результирующей диэлектрической проницаемости каждой ленты. Таким образом, могут быть использованы многочисленные ленты с различными диэлектрическими проницаемостями, основываясь на одной базовой конструкции и химическом составе ленты. Наиболее общим видом слюды является мусковит, который имеет диэлектрическую постоянную в диапазоне от 6 до 8. Другим видом слюды является флогопит, который имеет диэлектрическую постоянную в диапазоне от 5 до 6. Существует много различных типов образования пар слюды, из которых можно выбрать полезные пары материалов. Слюда может быть выбрана из следующих: анандита, аннита, биотита, битита, боромусковита, селадонита, чернихита, клинтонита, ефесита, феррианнита, глауконита, хендриксита, киношиталита, лепидолита, масутомилита, мусковита, нанпингита, парагонита, флогопита, полилитионита, прайсверкита, росколита, сидерофиллита, содиумфлогопита, тэниолита, вермикулата, вонезита и цинвалдита.
Хотя предпочтительный вариант выполнения относится к корпусной изоляции, витковая изоляция 24 (фиг.3А), окружающая проводник 22, может содержать первый внутренний слой изоляции, а второй, более внешний слой может содержать слой 26 корпусной изоляции при условии, что второй слой 26 имеет меньшую диэлектрическую проницаемость, чем слой 24.
1. Изоляция элемента обмотки для динамоэлектрической машины, содержащая
первый внутренний слой изоляции, нанесенный на проводник и имеющий первую заранее определенную толщину и первую заранее определенную диэлектрическую проницаемость,
второй слой изоляции, нанесенный на первый внутренний слой изоляции и имеющий вторую заранее определенную толщину и вторую заранее определенную диэлектрическую проницаемость, причем вторая диэлектрическая проницаемость меньше первой диэлектрической проницаемости,
отличающаяся тем, что первый внутренний слой изоляции и второй слои изоляции содержат ленту из слюдяной бумаги, причем слюда для каждой ленты является слюдой различного типа.
2. Изоляция элемента обмотки по п.1, отличающаяся тем, что каждый первый внутренний и второй слои изоляции содержат несколько слоев обернутой или расположенной внахлестку изоляционной ленты.
3. Изоляция элемента обмотки по п.2, отличающаяся тем, что первый внутренний и второй слои изоляции содержат материал, стойкий к коронному разряду.
4. Изоляция элемента обмотки по п.1, отличающаяся тем, что первый слой изоляции представляет собой слой витковой изоляции, нанесенный на каждый проводник из множества проводников, образующих обмотку, и второй слой изоляции представляет собой слой корпусной изоляции, нанесенный на первый слой изоляции множества проводников.
5. Изоляция элемента обмотки по п.4, отличающаяся тем, что дополнительно содержит, по меньшей мере, один дополнительный слой изоляции, нанесенный последовательно на второй слой изоляции и имеющий диэлектрическую проницаемость, которая меньше, чем у ранее нанесенного слоя изоляции.
6. Изоляция элемента обмотки по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит, по меньшей мере, один последующий слой изоляции, нанесенный последовательно на второй слой изоляции и имеющий диэлектрическую проницаемость, которая меньше, чем у раннее нанесенного слоя изоляции.
7. Изоляция элемента обмотки по п.1, отличающаяся тем, что слюда для каждой ленты выбрана из группы, состоящей из анандита, аннита, биотита, битита, боромусковита, селадонита, чернихита, клинтонита, ефесита, феррианнита, глауконита, хендриксита, киношиталита, лепидолита, масутомилита, мусковита, нанпингита, парагонита, флогопита, полилитионита, прайсверкита, росколита, сидерофиллита, содиумфлогопита, тэниолита, вермикулата, вонезита и цинвалдита.
8. Корпусная изоляция для проводника динамоэлектрической машины, имеющая ступенчатое электрическое поле поперек корпусной изоляции и содержащая
первый внутренний слой изоляции, нанесенный на проводник и имеющий первую заранее определенную толщину и первую заранее определенную диэлектрическую проницаемость,
второй слой изоляции, нанесенный на первый внутренний слой изоляции, образующий переход с ним и имеющий вторую заранее определенную толщину и вторую заранее определенную диэлектрическую проницаемость, причем вторая диэлектрическая проницаемость меньше, чем первая диэлектрическая проницаемость, и образует ступенчатое увеличение электрического поля в корпусной изоляции в месте перехода первого внутреннего и второго слоев изоляции,
отличающаяся тем, что первый внутренний и второй слои изоляции содержат ленту из слюдяной бумаги, причем слюда для каждой ленты является слюдой различного типа.
9. Корпусная изоляция по п.8, отличающаяся тем, что каждый первый внутренний и второй слои изоляции корпусной изоляции содержат несколько слоев обернутой или расположенной внахлестку изоляционной ленты.
10. Корпусная изоляция по п.9, отличающаяся тем, что первый внутренний и второй слои изоляции пропитаны смолой, которая содержит частицы материала, стойкого к коронному разряду.
11. Корпусная изоляция по п.9, отличающаяся тем, что дополнительно содержит по меньшей мере один дополнительный слой изоляции, нанесенный последовательно на второй слой изоляции, причем каждый последующий слой изоляции имеет диэлектрическую проницаемость, которая меньше, чем у раннее нанесенного слоя изоляции.
12. Корпусная изоляция по п.9, отличающаяся тем, что обмотка предназначена для того, чтобы выдерживать напряжения свыше 4 кВ.
13. Корпусная изоляция по п.12, отличающаяся тем, что обмотка предназначена для того, чтобы выдерживать напряжения, равные по меньшей мере 13,8 кВ.
14. Корпусная изоляция по п.9, отличающаяся тем, что толщина изоляции составляет менее 3,2 мм.
15. Корпусная изоляция по п.8, отличающаяся тем, что слюда для каждой ленты выбрана из группы, состоящей из анандита, аннита, биотита, битита, боромусковита, селадонита, чернихита, клинтонита, ефесита, феррианнита, глауконита, хендриксита, киношиталита, лепидолита, масутомилита, мусковита, нанпингита, парагонита, флогопита, полилитионита, прайсверкита, росколита, сидерофиллита, содиумфлогопита, тэниолита, вермикулата, вонезита и цинвалдита.
