DE19811370A1

DE19811370A1 - Variation der Dielektrizitätskonstanten in Isolierungen von Hochspannungswicklungen elektrischer Maschinen

Info

Publication number: DE19811370A1
Application number: DE1998111370
Authority: DE
Inventors: Johann Haldemann
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1998-03-16
Filing date: 1998-03-16
Publication date: 1999-09-23

Abstract

Die Erfindung betrifft einen isolierten Leiter (1), insbesondere für Hochspannungswicklungen von elektrischen Maschinen, umfassend einen stromführenden Leiterabschnitt (2) mit im wesentlichen eckigem, insbesondere rechteckigem Querschnitt, sowie eine Isolierung (3), welche den Leiterabschnitt (2) umschließt, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß die Isolierung (3) zum Ausgleich der durch die geometrische Form des Leiterabschnittes (2) bedingten ortsabhängigen Feldstärkeunterschiede eine ortsabhängig variierende Dielektrizitätskonstante (epsilon) aufweist.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Das Gebiet der vorliegenden Erfindung betrifft isolierte Leiter, umfassend einen strom führenden Leiterabschnitt mit eckigem, insbesondere mit rechteckigem Querschnitt sowie eine Isolierung, welche den Leiter umschließt. Derartige Leiter werden beispiels weise für Hochspannungswicklungen elektrischer Maschinen eingesetzt.

STAND DER TECHNIK

Die Isolierung von Leitern dient dessen Abschirmung sowohl gegen Erdpotential als auch gegenüber anderen Leitern. Die Dicke des Isolierstoffes ist dabei von dem ver wendeten Isoliermaterial und der dimensionierenden (Prüf)spannung abhängig.

Der verwendete Isolierstoff isoliert den Leiter aber nicht nur elektrisch, sondern auch thermisch. Dieser Nebeneffekt ist insbesondere bei indirekt gekühlten Systemen stö rend, da hier die im Leiter entstehende Wärme nur über die Isolierung abgeführt werden kann. Zur besseren Kühlung des Leiters wird daher eine möglichst dünne Isolierung angestrebt.

Die in elektrischen Maschinen verwendeten Leiter weisen vielfach einen rechteckigen Querschnitt auf. Dabei ist die den Leiterabschnitt vollständig umgebende Isolierung an ihrer äußeren Oberfläche geerdet. Zwischen dem stromführenden Leiterabschnitt und der äußeren Oberfläche der Isolierung besteht mithin eine Potentialdifferenz und ent sprechend liegt ein elektrisches Feld vor. Bekanntermaßen besteht folgender Zusam menhang zwischen Potentialdifferenz ϕ und elektrischem Feld E:

E= - grad ϕ.

Aufgrund der besonderen Formgebung treten am inneren Radius der Ecken in der Iso lierung hohe elektrische Feldstärken auf. Durch Abrundung der Ecken und Wahl mög lichst großer Radien läßt sich dieser Effekt zwar abschwächen, jedoch sind die in der Isolierung am inneren Radius der Ecken auftretenden Feldstärken weiterhin höher als beispielsweise die Feldstärken am inneren Isolierungsrand der Schmalseiten des Lei ters. Daher muß für eine ausreichende elektrische Isolation die Isolierungsschichtdicke vergrößert werden. Mit steigender Isolierungsschichtdicke erhöht sich allerdings auch die thermische Isolation, so daß eine Vergrößerung der Temperaturdifferenz über die Isolation resultiert. Außerdem erhöht sich auf diese Weise der Material- und Platzbe darf und damit auch die Kosten.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, geschichtete Isolierungen mit jeweils ver schiedenen Dielektrizitätskonstanten zur Isolation von Hochspannungskoaxialkabeln, d. h. Kabeln mit rundem Querschnitt einzusetzen. Hierzu wird der auf Potential liegende Leiter über seine gesamte Länge mit einem ersten Isolierstoff einer bestimmten Dicke d₁ umgeben, welcher eine Dielektrizitätskonstante ε₁ aufweist. Um den ersten Isolier stoff wird konzentrisch eine zweite Isolierung mit einer im Vergleich zu ε₁ kleineren Di elektrizitätskonstante ε₂ und der Dicke d₂ aufgebracht. Der diese Anordnung umge bende Mantel ist geerdet.

Die Maximalfeldstärke des elektrischen Feldes kann durch die Kombination der ver schiedenen Isolierstoffe verringert werden, die eine geeignete Wahl der Dielektrizitäts konstanten ε₁ und ε₂ sowie der Isolierungsschichtdicken d₁ und d₂ voraussetzen.

Eine derartige koaxiale und damit auch symmetrische Anordnung weist ein mit mathe matischen Methoden relativ einfach zu beschreibendes Radialfeld auf. Eine Leitungs anordnung mit rechteckigem Querschnitt, wie sie vorstehend beschrieben wurde, bildet jedoch ein elektrisches Feld aus, welches abhängig von der jeweiligen Position auf der Leiteroberfläche große Feldstärkeunterschiede aufweist. So treten, wie bereits er wähnt, an den Ecken Maxima der elektrischen Feldstärke auf, während an den Seiten flächen des Leiterabschnitts die Feldstärken deutlich geringer sind. Aufgrund des unter schiedlichen Feldverlaufs lassen sich daher die Isolierungsanordnungen nicht übertra gen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der Erfindung ist daher die Reduzierung der elektrischen Maximalfeldstärken in isolierten Leitern mit im wesentlichen eckigen Querschnitt.

Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ist vorgesehen, daß die Isolierung zum Ausgleich der durch die geometrische Form des Leiterabschnittes bedingten ortsab hängigen Feldstärkeunterschiede eine ortsabhängig variierende Dielektrizitätskonstante ε aufweist.

Durch eine Isolierung, deren Dielektrizitätskonstante abhängig von den jeweils örtlich vorhandenen Feldstärken gewählt wird, werden die in der Isolierung auftretenden Maxi malfeldstärken verkleinert, so daß die Isolierungsschichtdicke verringert werden kann. Dies führt zu einer Herabsetzung des Temperaturgefälles über der Isolation sowie zu einer Verringerung des Materialeinsatzes. Ferner kann der zusätzlich zur Verfügung stehende Raum anderweitig genutzt werden oder eine Verringerung des Platzbedarfs bewirken.

Weitere Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü chen.

KURZE ERLAUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt einer Ausführungsform eines erfin dungsgemäßen isolierten Leiters,

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform ei nes erfindungsgemäßen isolierten Leiters,

Fig. 3 die Feldverteilung der Ausführungsform nach Fig. 2,

Fig. 4a, 4b eine Gegenüberstellung der Beträge der Feldstärken in einem her kömmlichen und in einem erfindungsgemäßen isolierten Leiter gemäß Fig. 2 entlang der in Fig. 3 gezeichneten Schnittlinie,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines isolierten Leiters gemäß der vor liegenden Erfindung,

Fig. 6 die Feldverteilung der Ausführungsform nach Fig. 5,

Fig. 7 eine Darstellung des Betrags der Feldstärken entlang der in Fig. 3 ge zeichneten Kontur K.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Querschnitt des isolierten Leiters 1 zeigt den Leiterabschnitt 2 mit rechteckigem Querschnitt sowie den diesen umgebende Isolierung 3. Zur Verringerung der in der Isolierung 3 auftretenden Maximalfeldstärke E_max ist die Isolierung 3 in zwei Bereiche 4 und 5 mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten ε₁ bzw. ε₂ aufgeteilt. Dabei grenzt der Bereich 4 mit der größeren Dielektrizitätskon stanten ε₁ an die innere Potentialfläche 6 der Isolierung 3, d. h. die Oberfläche des Lei terabschnitts 2. Der Bereich 5 mit der kleineren Dielektrizitätskonstanten ε₂ umgibt den Bereich 4 vollständig.

Es ist auch möglich, eine Schichtung der Isolierung 3 durch die Anordnung von n Berei chen mit jeweils unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten ε₁. . .ε₂ herbeizuführen. Vorzugsweise nimmt dabei der Wert der Dielektrizitätskonstanten ε in Richtung der äußeren Oberfläche 9 der Isolierung 3 ab. Die verwendete Isolierungsschichtdicke des jeweiligen Bereiches kann je nach Form des elektrischen Feldes E und je nach Anwen dungszweck variieren, vorzugsweise ist sie jedoch konstant.

Gemäß der in Fig. 2 dargestellten weiteren Ausführungsform des isolierten Leiters 1 kann der Bereich 4* mit der größeren Dielektrizitätskonstanten ε₁ auch ausschließlich in den Ecken des Leiterabschnitts 2 angeordnet werden. Der Bereich 5* mit der klei neren Dielektrizitätskonstanten ε₂ umschließt in dieser Anordnung sowohl den Bereich 4* als auch die Seitenflächen des Leiterabschnitts 2. Die Herstellung eines derartigen isolierten Leiters 1 kann mit Hilfe von Extrusionstechniken erfolgen.

Fig. 3 bildet die Feldverteilung an den Ecken eines Leiters 1 gemäß Fig. 2 aus schnittsweise ab. Die eingezeichneten Linien stellen die Äquipotentialflächen dar, auf denen die Feldlinien senkrecht stehen.

In Fig. 4a und 4b werden die bei einem herkömmlichen homogen isolierten Leiter bzw. die bei einem erfindungsgemäßen isolierten Leiter 1 auftretenden Beträge der Feld stärken E gegenübergestellt. Die dargestellten Werte wurden jeweils in den Ecken ent lang der in Fig. 3 eingezeichneten Schnittlinie A ermittelt.

Fig. 4a zeigt den Verlauf der elektrischen Feldstärke E in einer herkömmlichen homo genen Isolierung mit örtlich konstanter Dielektrizitätskonstante ε. Die Feldstärke E weist an der inneren Potentialfläche 6 des Leiterabschnitts 2 ein Maximum E_max auf und nimmt mit zunehmendem Abstand von dem Leiterabschnitt 2 ab.

Wie aus Fig. 4b deutlich wird, hat die erfindungsgemäße Anordnung der Bereiche 4* bzw. 5* zur Folge daß die an der inneren Potentialfläche 6 der Isolierung 3 auftretende Feldstärke E*_max gegenüber E_max merklich verringert ist. Die Unstetigkeitsstelle markiert die Grenzschicht zwischen den verschiedenen Bereichen 4* bzw. 5* mit den unter schiedlichen Dielektrizitätskonstanten ε₁ bzw. ε₂.

Während mit der Ausführung einem isolierten Leiters 1 gemäß Fig. 1 bereits eine Iso lierschichtdickenreduktion von ca. 10% erreicht werden konnte, ergibt sich bei der An ordnung nach Fig. 2 eine weitere Verringerung von ungefähr 10% in Bezug auf eine herkömmliche homogene Isolierung.

Die in Fig. 5 im Querschnitt abgebildete weitere Ausführungsform eines isolierten Lei ters 1 zeigt einen rechteckigen Leiterabschnitt 2, auf dessen Schmalseiten 8 ein schließlich der Ecken Bereiche 4** mit höherer Dielektrizitätskonstante ε₁ angeordnet ist. Ein Bereich 5** mit geringerer Dielektrizitätskonstante ε₁ umschließt sowohl die Be reiche 4** als auch die Breitseiten des Leiterabschnitts 2.

Die Feldverteilung der Anordnung nach Fig. 5 ist in Fig. 6 dargestellt. An der gezeich neten Kontur K wurde der Betrag der elektrischen Feldstärke ermittelt, welcher in Fig. 7 abgebildet ist. Die Kontur K wurde derart gewählt, daß alle Maxima und Minima des Betrags der Feldstärke erfaßt werden. In Fig. 7 bezeichnet A ein Minimum der elektri schen Feldstärke an der Außenseite des Bereichs 5** mit der kleineren Dielektrizitäts zahl ε₂, 1a ein Maximum der elektrischen Feldstärke in der Ecke des Bereichs 5; 1b zeigt ein Maximum der Feldstärke in der Ecke des Bereichs 4** mit der größeren Di elektrizitätszahl ε₁ und 2 ein Feldmaximum in der an dem Leiter anliegenden Ecke des Bereichs 4**. Die jeweiligen Numerierungen stimmen mit den Ziffern in Fig. 6 überein.

Auch mit dieser Anordnung lassen sich Einsparungen in der Isolierungsschichtdicke von 20% und mehr erzielen.

Die jeweiligen Bereiche mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten können der Einfachheit halber aus unterschiedlichen Isolierstoffen gebildet werden. Es ist jedoch auch möglich, Isolierstoffe einzusetzen, deren Dielektrizitätskonstante örtlich schwankt.

Zur Herabsetzung der Isolierungsschichtdicke sind weitere Ausführungsformen denk bar. So kann beispielsweise die maximale Feldstärke durch eine verfeinerte Schichtung von Isolierstoffen mit jeweils unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten oder durch Isolierstoffe mit sich kontinuierlich veränderlichen Dielektrizitätskonstanten weiter ver ringert werden.

Bezugszeichenliste

1

Isolierter Leiter

2

Leitungsanordnung

3

Isolierung

4

Bereich (ε₁

)

4

* Bereich (ε₁

)

4

** Bereich (ε₁

)

5

Bereich (ε₂

)

5

* Bereich (ε₂

)

5

** Bereich (ε₂

)

6

Innere Potentialfläche

7

Seitenfläche

8

Schmalseite

9

Äußere Oberfläche
K Kontur

Claims

1. Isolierter Leiter (1), insbesondere für Hochspannungswicklungen von elek trischen Maschinen, umfassend einen stromführenden Leiterabschnitt (2) mit im we sentlichen eckigem, insbesondere rechteckigem Querschnitt, sowie eine Isolierung (3), welche den Leiterabschnitt (2) umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolie rung (3) zum Ausgleich der durch die geometrische Form des Leiterabschnittes (2) be dingten ortsabhängigen Feldstärkeunterschiede eine ortsabhängig variierende Dielek trizitätskonstante (E) aufweist.

2. Isolierter Leiter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Isolierung (3) in wenigstens einen ersten innenliegenden, an den Leiterabschnitt angrenzenden Bereich (4) und einen zweiten außenliegenden, den we nigstens einen ersten Bereich umschließenden Bereich (5) unterteilt ist, daß die Isolie rung (3) in dem wenigstens einen ersten Bereich (4) eine erste Dielektrizitätskonstante (ε₁) und in dem zweiten Bereich (5) eine zweite Dielektrizitätskonstante (ε₂) aufweist, und daß die erste Dielektrizitätskonstante (ε₁) größer ist als die zweite Dielektrizitäts konstante (ε₂).

3. Isolierter Leiter (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine erste Bereich (4) der Isolierung (3) den Leiterabschnitt (2) ringförmig umschließt und daß der zweite Bereich (5) den wenigstens einen ersten Bereich (4) konzentrisch umschließt.

4. Isolierter Leiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Bereiche (4, 5) eine im wesentlichen konstante Dicke aufweist.

5. Isolierter Leiter (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß meh rere erste Bereiche (4*) vorgesehen sind, welche jeweils an den Ecken des Leiterab schnittes (2) angeordnet sind.

6. Isolierter Leiter (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Bereiche (4*) auf den den Ecken abgewandten Seiten durch eine runde Rand kontur begrenzt sind.

7. Isolierter Leiter (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiterabschnitt (2) einen rechteckigen Querschnitt aufweist, und daß innerhalb der Iso lierung (3) zwei erste Bereiche (4**) vorgesehen sind, welche die Schmalseiten und die angrenzenden Ecken des Leiterabschnittes (2) abdecken.

8. Isolierter Leiter (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß der bzw. die ersten Bereich(e) (4) aus einem ersten Isolierstoff gebildet werden, und der zweite Bereich (4) aus einem zweiten Isolierstoff gebildet wird.