KR20010032377A - 고전압 기계 권선용 절연 도체 - Google Patents

Abstract

복수의 스트랜드들 (12), 이 스트랜드들 (12) 을 포위하는 제 1 반도체 층 (14), 이 제 1 반도체 층을 포위하는 제 1 절연층 (16), 이 제 1 절연층 (16) 을 포위하는 제 2 반도체 층 (18) 및 이 제 2 반도체 층 (18) 을 포위하는 제 3 반도체 층을 포함하는 전기 기계의 고전압 권선용 절연 도체 (10). 제 2 반도체 층 (18) 은 절연 도체 (30) 를 따라 적어도 2개의 다른 지점들에서 접지된다. 제 3 반도체 층 (19) 에서의 전기 전도성은 접지된 지점들의 각 쌍사이에서 파괴 (20)된다.

Description

고전압 기계 권선용 절연 도체{INSULATED CONDUCTOR FOR HIGH-VOLTAGE MACHINE WINDINGS}

기술분야

본 발명의 제 1 태양은 회전 전기 기계 및 변압기의 고전압 권선용 절연 도체에 관한 것이다.

본 발명의 제 2 태양은 상술한 형태의 절연 도체를 포함하는 회전 전기 기계압 관한 것이다.

본 발명의 특히 유용한 애플리케이션으로는 전력을 생산하는 발전소의 발전기가 있다.

동기식 기계 등의 회전 전기 기계에도 본 발명을 적용할 수 있다. 또한, 그 권선들이 본 발명의 절연 전기 도체를 구비하며, 고전압인 경우에도, 듀얼-페드(dual-fed) 등의 다른 전기 기계, 비동기식 정전류 캐스케이드의 애플리케이션, 외부 폴(outer pole) 기계 및 동기식 플로우(flow) 기계에 본 발명을 적용할 수 있다. 여기서, ″고전압″ 은 10 kV 를 초과하는 전압을 지칭하고, 특히, 36 kV 를 초과하며, 72.5 kV 보다 높고 400 kV 내지 800 kV 또는 그 이상의 특고전압에 이르는 전압까지도 지칭한다.

배경기술

상술한 기계를 설명하고 묘사하기 위하여, 우선, 동기식 기계에 기초하여 예시된 회전 전기 기계를 간단히 설명한다. 본 명세서의 첫번째 부분은 기계 등의 자기 회로와 이 자기 회로를 종래 기술로 구성하는 방법에 관한 것이다. 대부분의 경우 관련된 자기 회로가 고정자(stator) 내에 위치하기 때문에, 후술하는 자기 회로를 적층 코어(laminated core)를 갖는 고정자로서 통상적으로 지칭하고, 이것의 권선을 고정자 권선으로서 지칭하며, 이 권선을 위한 적층 코어 내의 슬롯을 고정자 슬롯 또는 간단히 슬롯으로 지칭한다.

상기 고정자 권선은 시트 철제 코어(sheet iron core)의 슬롯 내에 위치하고, 통상적으로, 상기 슬롯은 직사각형 또는 사다리꼴의 단면을 갖는다. 각각의 권선 위상(winding phase)은 복수의 직렬 연결된 코일군을 포함하며, 각 코일군은 복수의 직렬 연결된 코일들을 구비한다. 상기 코일의 다른 부분들은 고정자에 위치한 부분을 위한 지정된 코일변 및 고정자 외부에 위치한 부분을 위한 권선 단부로 된다. 상기 코일은 높이 및/또는 폭 방향으로 함께 결합된 하나 이상의 도체들을 구비한다.

상기 각 도체 사이에는 예를 들어, 에폭시/유리 섬유 등의 얇은 절연체가 존재한다.

상기 코일은 기계와 대지간의 정격 전압을 견디기 위한 절연체인 코일 절연체에 의해 슬롯으로부터 절연된다. 절연 재료로는, 다양한 플라스틱, 바니시 및 유리섬유 재료들을 이용할 수도 있다. 통상적으로는, 소위 마이카 테이프가 이용되고, 이 마이카 테이프는 마이카와 단단한 플라스틱의 혼합물로서, 절연을 급속히 파괴할 수 있는 부분 방전(partial discharge)에 저항하도록 특별히 제조된다. 상기 마이카 테이프를 상기 코일 주위에 여러 층으로 감음으로써 코일에 절연체를 접착한다. 상기 절연체가 충만된 후, 대지 전위에 접속된 포위 고정자(surrounding stator)와의 접촉을 향상시키도록 흑연 성분의 페인트로 코일을 페인트 칠한다.

상기 권선의 도체 면적은 해당 전류의 세기 및 이용된 냉각 방법에 의해 결정된다. 통상적으로는, 도체와 코일은 슬롯 내의 도체 재료량을 최대화하도록 직사각형 형태로 형성된다. 통상적인 코일은 소위 뢰벨 바(Roebel bars)로 형성되며, 이 바들 중에서 특정 바에 냉각수용 구멍을 만들 수도 있다. 뢰벨 바는 슬롯을 따라 360 도 전치된 복수의 직사각형 모양의 병렬 연결된 구리 도체를 구비한다. 또한, 540 도 또는 다른 각도로 전치된 링란드 바(Ringland bars)도 발생하게 된다. 자계에서 볼 때, 도체 재료의 단면에서 생성된 순환 전류의 발생을 피하도록 전치되게 된다.

기계 및 전기적인 이유때문에, 소정의 크기에 딱 맞게 기계를 만들 수는 없다. 따라서, 이 기계의 성능은 3개의 인자들에 의해 실질적으로 결정되게 된다.

- 권선의 도체 면적. 정상 동작 온도에서, 구리는 예를 들어, 3 내지 3.5 A/㎟ 의 최대값을 갖는다.

- 고정자 및 회전자내의 최대 유량 밀도(자속).

- 소위 유전체 강도인 절연 재료의 최대 전계 강도.

다상 ac 권선은 단층 또는 2층 권선으로 설계된다. 단층 권선의 경우, 슬롯 당 단지 하나의 코일변이 존재하고, 2층 권선의 경우에는 슬롯 당 2개의 코일변이 존재한다. 통상적으로, 2층 권선은 다이아몬드 권선으로 설계되지만, 이 접속에 관련된 단층 권선은 다이아몬드 권선 또는 동심 권선(concentric winding)으로 설계될 수 있다. 다이아몬드 권선의 경우, 단지 하나의 코일 스판(또는, 2개의 코일 스판)이 발생하지만, 플랫(flat) 권선은 상당히 변하는 코일 스판을 갖는 동심 권선으로서 설계된다. 해당 폴 피치와 관련하여 또는 중간 슬롯 피치의 갯수와 관련하여, 상기 코일 스판은 동일한 코일에 속하는 2개의 코일 사이의 원주 거리를 의미한다. 통상적으로, 다른 종류의 코딩(chording)들, 예를 들어, 쇼트-피칭(short-pitching) 피치를 이용하여, 권선이 바람직한 특성을 갖도록 한다.

상기 권선의 형태는 슬롯내의 코일들인 코일변들이 권선단부(winding ends)인 고정자 외부에서 함께 접속되는 방법을 실질적으로 결정한다.

상기 고정자의 스택된 시트 외부에서는, 채색된 반도체성의 접지 전위층이 코일에 제공되지 않는다. 통상적으로, 권선 단부에는 방사상 필드를 축방향 필드로 변환하기 위해 소위 코로나 보호 바니시(varnish)의 형태의 E-필드 제어가 제공되어, 권선 단부 상의 절연은 대지와 비교하여 고전위에서 발생하게 된다. 따라서, 권선 단부 영역에 파괴적인 코로나를 종종 발생시키게 된다. 상기 권선 단부상의 소위 필드 제어 포인트들은 회전 전기 기계에 대한 문제점을 수반하게 된다.

통상적으로, 모든 대형 기계들은 2층 권선 및 균일하게 큰 코일들로 설계된다. 각각의 코일은 층들 중에서 한 층에 한쪽 변이 설치되며, 다른 층에 다른 변이 설치된다. 따라서, 모든 코일들이 권선단에서 서로 교차하게 된다. 2개 이상의 층들을 이용하는 경우, 상기 교차부로 인해 권선을 감는 작업이 어려워지며, 권선 단부를 저하시키게 된다.

전력 네트워크의 전압은 일반적으로 회전 전기 기계의 전압보다 높은 레벨에 있기 때문에, Æ/ YD 결선된 소위 스텝-업(step-up) 변압기를 통해서 동기식 기계/발전기와 전력 네트워크를 접속해야 한다는 것은 널리 알려져 있다. 따라서, 동기식 기계와 함께, 이 변압기도 플랜트의 조직화된 부분을 구성하게 된다. 이 변압기는 추가 비용을 발생시킬 뿐만 아니라, 시스템의 전체 효율을 저하시키는 불리한 점을 갖고 있다. 따라서, 상당히 높은 전압으로 기계를 제조하는 것이 가능한 경우에는, 상기 스텝-업 변압기를 생략할 수도 있다.

지난 수 십년 동안, 종래 설계에서 가능했던 것보다 더욱 높은 정격 전압을 갖는 회전 전기 기계에 대한 요구가 증가하고 있다. 최신 기술에 따르면, 양호한 수율로 코일을 생산하는 동기식 기계가 얻을 수 있는 최대 전압 레벨은 약 25-30 kV 로 된다.

특히, 동기식 기계의 설계에 대한 새로운 접근 방법들은, 제이-일렉트로테크니카(J-Electrotechnika), 제 1, 1970 호, 6-8 페이지에서 명칭이 ″수냉 및 유냉 터보 발전기 TVM-300″ 인 명세서, 미국 특허 제 4,429,244 호 공보의 ″발전기의 고정자″ 및 소비에트 연방 특허 제 955369 호 공보에 설명되어 있다.

제이-일렉트로테크니카(J-Electrotechnika)에 설명된 수냉 및 유냉 동기식 기계는 20 kV 까지의 전압을 견디는 것을 목표로 하고 있다. 이 명세서는 오일안에 고정자를 완전히 담그는 것이 가능한 오일/종이 절연체를 포함하는 새로운 절연 시스템을 설명한다. 그 후, 이 오일은 동시에 냉각제 및 절연체로서 이용된다. 고정자로부터 회전자 외부로 오일이 누설되는 것을 방지하기 위하여, 유전성 오일 분리 링이 코어의 내부 표면에 제공된다. 고정자 권선은 오일 및 종이 절연체가 제공되는 속이 빈 타원형태를 갖는 도체들로 만들어진다. 상기 절연체를 갖는 코일변들은 쐐기에 의해 직사각형 단면부로 이루어진 슬롯에 고정된다. 냉각제로는 속이 빈 도체내부와 고정자 벽의 구멍에 오일을 이용한다. 그러나, 그러한 냉각 시스템은 코일변에서 오일과 전기의 많은 접속점들을 수반한다. 또한, 두꺼운 절연체는 도체의 증가된 곡률 반지름을 수반하므로, 권선 돌출부의 크기가 증가하게 된다.

앞에서 언급한 미국 특허는 고정자 권선용 사다리꼴 슬롯을 갖는 적층 시트의 마그네틱 코어를 포함하는 동기식 기계의 고정자 부분에 관한 것이다. 고정자 권선의 절연체에 대한 필요성은 중성 포인트가 가장 가깝게 위치한 권선 부분이 위치하고 있는 회전자의 내부쪽으로 갈수록 덜해지므로, 슬롯들은 차츰 가늘어지게 된다. 또한, 고정자 부분은 코어의 내부 표면에 가장 가까운 곳에 유전체 오일 분리 실린더를 구비한다. 상기 부분은 링이 없는 기계와 비교하여 자화 요구를 증가시키게 된다. 고정자 권선은 각 코일층에 대해 동일한 직경을 갖는, 오일에 담긴 케이블들로 이루어진다. 층들은 슬롯내의 스페이서에 의해 서로 분리되고, 쐐기에 의해 고정된다. 권선에 대해 특별한 점은 이 권선이 직렬로 접속된 2개의 소위 반 권선들(half-windings)을 포함하는 것이다. 상기 2개의 반 권선들 중에서 하나의 반 권선은 절연 슬리브 내에 위치하며, 집중된다. 고정자 권선의 도체들은 주위의 오일에 의해 냉각된다. 시스템내에서 그러한 많은 양의 오일이 갖는 불이익으로는 고장 상태로부터 발생하는 누설의 위험과 상당한 양의 청소 작업이 있다. 케이블이 단부 권선에 들어가는 영역에서 전계 강도를 제어하기 위하여, 슬롯 외부에 위치하고 있는 절연 슬리브의 그 부분들은 전류 수용(current-carrying) 층으로 강화된 원뿔형 말단과 원통형 부분을 가지게 된다.

동기식 기계의 정격 전압을 올리기 위한 다른 시도에서, 유냉(oil-cooled) 고정자 권선이 모든 층들에 대해 동일한 크기를 갖는 종래의 고전압 케이블을 포함하는 것은 SU 955369(소비에트 연방 특허 제 955369 호 공보)로부터 자명하다. 상기 케이블은 고정(fixing)을 위해 필요한 공간과 냉각제를 위해 필요한 공간 및 케이블의 단면적에 따라 환상 및 방사상으로 위치한 개구부들로 형성된 고정자 슬롯 내에 위치한다. 각각 방사상으로 위치한 권선의 다른 층들은 절연 튜브에 의해 포위되고, 절연 튜브 내에 고정된다. 절연 스페이서는 고정자 슬롯 내에 튜브를 고정한다. 오일로 냉각하기 때문에, 내부 공기 갭으로부터 오일 냉각제를 실링하기 위하여 내부 유전체 링도 필요하게 된다. 또한, 상술한 시스템에서 오일의 불리한 점은 이 설계에도 해당된다. 또한, 이 설계는 각각의 고정자 슬롯들 사이에 아주 좁은 방사상 허리(waist)를 나타내므로, 많은 슬롯 누설 자속이 기계의 자화 요건에 상당한 영향을 주게 된다.

전기 전력 연구소(Electric Power Research Institute; EPRI)의 1984 년 보고서인 EL-3391 은, 중간 변압기 없이 전력 네트워크에 기계를 접속할 수 있도록 회전 전기 기계의 더 높은 전압을 달성하기 위한 기계 개념을 검토하고 있다. 그러한 해결 방법을 연구에 의해 판단하여, 양호한 효율 이득 및 훌륭한 경제적 이득을 제공하게 된다. 전력 네트워크에 직접 접속하는 발전기를 개발하는 것이 1984 년에 가능하게 고려되었던 중요한 이유는 그 당시에 초전도성 회전자가 생산되었기 때문이다. 초전도성 필드의 큰 자화 용량으로 인해, 전기적인 스트레스를 견디기에 충분한 절연 두께를 갖는 공기 갭 권선을 이용할 수 있게 되었다. 이 프로젝트에 따르면, 권선은 3개의 원통형 절연 케이싱에 동심으로 둘러싸인 도체들 중에서 2개의 실린더들을 구비하고, 전체 구조가 이빨 없이 철 코어에 고정되는 개념, 소위 모놀리스 실린더 전기자로 지칭되는 권선을 갖는 자기 회로를 설계하는 가장 가능성 있는 개념을 조합함으로써, 고전압용 회전 전기 기계를 전력 네트워크에 직접 접속하는 것을 생각하게 되었다. 이 해결 방법은, 주절연체가 네트워크와 네트워크간 및 네트워크와 대지간 전위에 대처하기에 충분히 두꺼워야 한다는 것을 의미한다. 그 당시에 공지된 모든 기술들을 검토한 결과, 고전압으로 증가된 것을 유지하는 데에 필요하다고 판단되는 절연 시스템은, 전력 변압기에 통상적으로 이용되며 유전성의 유체-충만형 셀룰로우스 압착 보드를 구비하는 것이었다. 제안된 해결 방법이 갖고 있는 명백한 불이익은 초전도성 회전자를 필요로 할 뿐만아니라, 기계의 크기를 증가시키는 매우 두꺼운 절연체를 필요로 한다는 것이다. 단부 권선들은, 그 단부에서의 매우 큰 전계를 제어하기 위하여 오일 또는 프레온으로 절연되고 냉각되어야 한다. 상기 기계 전체는 대기로부터 수분을 액정 유전체가 흡수하는 것을 방지하도록 밀봉되어야 한다.

JP-A-8-195129 는 고전압 케이블, 특히, 내부 층이 바깥 층 보다 더욱 높은 고유 저항을 가지며, 2개의 외부 반도체 층들을 갖는 장거리의 특고전압 CV 케이블을 설명한다. 그러나, 상기 케이블의 외부 금속 스크린때문에, 회전 기계 또는 변압기에서 이용하기에 상당히 부적합하고 위험하게 된다.

더욱 일반적으로, 전기 에너지의 전송을 위한 고전압 케이블은 내부 및 외부 반도체 부분을 갖는 고체 상태의 돌출된 절연체를 갖는 도체들로 구성된다. 전기 에너지를 전송하는 프로세스에서, 상기 절연체는 결점이 없어야 하는 것이 요구된다. 전기 에너지의 전송중에는, 절연체의 결점이 없어지는 개시 포인트가 길어지게 된다. 전기 에너지의 전송을 위해 고전압 케이블을 이용하는 경우, 전송 케이블은 공간에 대한 제한이 없기 때문에, 케이블을 통해 전류를 최대화하지 않아도 된다.

최신 기술에 따라 회전 전기 기계를 제조하는 경우, 권선은 여러 공정으로 도체들 및 절연 시스템들로 제조되므로, 자기 회로 상에 탑재하기 전에 이 권선을 미리 성형해야 한다. 자기 회로 상에 권선을 탑재한 후에, 절연 시스템을 제조하기 위한 충만작업(impregnation)을 수행하게 된다.

회전 전기 기계의 전력을 증가시키기 위해, AC 코일의 전류를 증가시키는 것이 공지되어 있다. 이는 도전 재료의 수량을 최적화함으로써, 즉, 직사각형의 회전자 슬롯내의 직사각형 도체들을 꽉채움으로써(close-packing) 달성된다. 이로 인해 발생하는 온도의 증가를 처리하기 위하여, 절연 재료의 양을 증가시키고 더욱 많은 방염제를 이용함으로써, 절연 재료들은 더욱 비싸지게 된다. 또한, 절연 재료상의 필드 부하 및 고온으로 인해, 절연체의 수명에 관한 문제가 발생하게 된다. 고전압 기계에 이용되는 상당히 두꺼운 벽을 갖는 절연층의 경우, 예를 들어, 마이카 테이프의 충만층, 부분 방전, PD 등은 심각한 문제를 일으킨다. 상기 절연층들을 제조하는 때에, 공동들(cavities), 세공(pores) 등이 쉽게 발생하여, 상기 절연체가 높은 전계 강도를 받는 경우 내부 코로나 방전이 발생하게 된다. 이들 코로나 방전은 재료의 품질을 점차로 저하시켜 절연이 파괴되게 된다.

발명의 개요

본 발명의 목적은, 권선을 탑재한 후 절연 시스템을 충만하거나 권선을 복잡하게 미리 성형하지 않으면서, 고전압용 회전 전기 기계를 제조할 수 있는 것이다.

본 발명은 회전 전기 기계의 동력을 기술적으로 및 경제적으로 합리적인 방법으로 증가시킬 수 있다는 인식에 기초하고 있고, 이는 절연체가 상술한 현상에 의해 파괴되지 않는 것을 보장함으로써 달성되어야 한다. 이는 공동들 및 세공들의 위험이 최소화되도록 실리콘 고무등의 고무, 교차결합된 열가소성 수지, 열가소성 수지등의 적합한 고체 절연 재료의 돌출층으로 제조된 층들을 절연체로서 이용하여 달성된다. 또한, 상기 절연층은 반도체 특성을 가지며 도체를 포위하는 내부층을 구비하며, 상기 절연층에 적어도 하나의 추가 외부층도 제공되는 것이 중요하다. 이 문맥에서 ″반도체″ 는 전기 도체보다 상당히 낮은 전도율을 갖지만, 절연체와 같은 그러한 낮은 전도율을 갖지 않는 재료를 지칭한다. 최소의 결점으로 제조되는 절연층만을 이용하고, 절연체에 내부 및 외부 반도체 층을 제공함으로써, 열 및 전기 부하가 감소되는 것을 보장할 수 있다. 적어도 하나의 인접한 반도체 층을 갖는 절연부는 본질적으로 동일한 열팽창계수를 가져야 한다. 온도 기울기에서, 절연체 및 포위 층들내에서 각각 다른 온도 팽창에 의한 결점들은 발생하지 않아야 한다. 절연체 주위의 반도체 층이 등전위면을 구성하고 상기 절연부내의 전계는 절연체의 두께를 따라 상당히 균일하게 분포되기 때문에, 상기 재료에 걸리는 전기 부하는 감소하게 된다. 상기 외부 반도체 층은 예를 들어, 대지 전위등의 선택된 전위에 접속된다. 따라서, 그러한 케이블의 경우, 그것의 전체 길이방향을 따라 권선의 외부 케이싱은 예를 들어, 대지 전위로 유지되게 된다. 또한, 상기 외부 층은 도체의 길이방향을 따라 적합한 위치에서 잘라지고, 각 절단 부분의 길이는 선택된 전위에 직접 접속된다.

본 발명은 청구항 1 에서 정의된 회전 전기 기계의 고전압 권선용 절연 도체 및 그러한 절연 도체를 포함하는 회전 전기 기계를 제공한다. 본 발명에 따른 고전압 케이블은 제 1 반도체 층에 의해 포위된 하나 이상의 스트랜드(strand)들을 구비한다. 제 1 반도체 층은 다시 제 1 절연층에 의해 포위되고, 상기 제 1 절연층은 제 2 및 제 3 반도체 층에 의해 포위된다. 상기 제 2 반도체 층은 상기제 3 반도체층보다 높은 고유저항을 가지고, 상기 제 3 절연층은 고전압 케이블을 따라 적어도 2개의 다른 지점에서 접지된다. 고정자 슬롯내에 있는 케이블 부분은 고정자의 자기강(magnetic steel)으로부터 전기적으로 절연되어야 한다. 고전압 케이블을 따라 접지된 지점의 각 쌍사이에서, 전기 접촉의 연속성은 제 3 반도체 층에서 파괴된다. 제 3 반도체 층에서 각각의 그러한 파괴가 발생할 때, 상기 파괴에서 전계 강도의 증폭을 감소시키기 위하여 장치를 배치한다.

본 발명에 따른 고전압 케이블을 이용하면, 외부 반도체 층에서 유도 전압에 의한 열손실이 없어지게 된다. 전기적인 파괴(breakthrough)의 위험을 최소화할 수 있는 고전압 케이블이 얻을 수 있게 된다. 제 3 반도체 층에서 파괴(break)를 형성하는 경우, 절연층이 잘라지는 위험을 피할 수 있고, 제 2 반도체 층은 거의 손상되지 않게 된다.

또한, 본 발명과 관련하여 얻어진 지식은, 증가된 전류 부하는 코일 단면의 코너에서 전계(E) 집중에 관한 문제점들을 발생시켜, 절연체상에 많은 로컬(local)부하들을 수반하게 된다는 것이다. 또한, 상기 고정자의 이빨내의 자계(B)는 코너에 집중되게 된다. 따라서, 자기 포화가 국부적으로 발생하고, 자기 코어들이 완전히 이용되지 않으며, 생성된 전압/전류의 파형이 왜곡되게 된다. 또한, 자계(B)에 대한 도체의 기하도형적 배열로 인해 발생한, 도체내에 유도된 와전류에 의한 와전류 손실은, 전류 밀도가 증가하는 추가 불이익을 수반한다. 본 발명의 다른 개선점은, 직사각형 대신에 거의 원형으로 코일이 배치되는 슬롯 및 코일을 제조함으로써 달성된다. 상기 코일들의 단면부를 원형으로 제조함으로써, 자기 포화가 발생하는 집중 현상(concentrations)없이 일정한 자계(B)에 의해 상기 코일들을 포위하게 된다. 또한, 상기 코일내의 전계(E)는 단면부상에 균일하게 분포되며, 절연체상의 로컬 부하들은 상당히 감소하게 된다. 또한, 슬롯내에 원형 코일들을 배치하는 것이 더욱 용이해지므로, 코일군마다 코일변들의 갯수가 증가하고, 도체내에 전류를 증가시키지 않으면서 전압을 증가시키게 된다. 그 이유는, 한편으로는 낮아진 전류 밀도와 이로 인해 절연체를 가로질러 낮아진 온도 기울기에 의해, 다른 한편으로는 단면부상에 더욱 균일한 온도 분포를 수반하는 슬롯의 원형으로 인해, 도체를 쉽게 냉각할 수 있기 때문이다. 또한, 추가 잇점들은 소위 스트랜드로 지칭되는 더욱 작은 부분들로 도체를 구성함으로써 달성된다. 이 스트랜드들은 서로 절연되고, 스트랜드들중에서 단지 소수의 스트랜드들만이 절연되지 않고 내부 반도체 층과 접촉하여, 도체로서 동일한 전위로 되는 것을 보장하게 된다.

본 발명에 따른 회전 전기 기계를 이용하는 잇점은, 그러한 기계들에 대해 통상적으로 이용할 수 있는 시간 기간동안보다 상당히 긴 시간동안 손상되지 않고 과부하상태로 동작할 수 있다는 것이다. 이는 기계의 구성 및 절연체의 제한된 열부하때문이다. 예를 들어, 15 분을 초과하여 2 시간까지의 기간동안 100 % 과부하까지 기계에 부하를 거는 것이 가능하다.

본 발명에 따른 하나의 실시예는 회전 전기 기계의 자기 회로가 도체와 케이싱 모두에서 반도체 층을 갖는 고체 절연체를 갖는 하나이상의 돌출 절연 도체를 갖는 쓰레디드(threaded)케이블의 권선을 포함하는 것이다. 외부 반도체 층은 접지 전위에 접속된다. 모든 종류의 고전압 전력 네트워크에 회전 전기 기계들을 직접 접속하는 경우에 발생하는 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 기계는 최첨단 기술과 그것을 구분할 수 있는 많은 특징들을 가진다.

상술한 바와 같이, 회전 전기 기계용 권선은 도체와 케이싱 모두에서 반도체 층을 갖는 고체 절연체를 갖는 하나이상의 돌출 절연 도체를 갖는 케이블로 제조된다. 고체 절연체에 대한 어떤 특정 예들은 교차결합된 폴리에틸렌(XLPE)과 에틸렌 프로필렌 고무등이 있다. 상기 도체내의 와전류양을 감소하기 위하여 각각에 대해 스트랜드를 절연할 수 있기 때문에, 스트랜드로 구성되는 도체의 다른 발전도 가능하게 된다. 하나 또는 소수의 스트랜드들은, 도체를 포위하는 반도체 층이 도체로서 동일한 전위로 되는 것을 보장하기 위하여 절연되지 않은 상태로 된다.

회전 전기 기계용 도체의 절연은 예를 들어, 스프레잉등의 돌출에 의한 수단이외의 어떤 다른 방법에서 적용될 수도 있다. 그러나, 절연체는 전체 단면적을 통해 결점이 없으며, 유사한 열특성들을 가져야 하는 것이 중요하다. 반도체 층은 도체에 접착된 절연체와 함께 절연체가 공급된다.

원형 단면을 갖는 케이블들을 이용하는 것이 바람직하다. 다른 것들 중에서도, 더욱 좋은 패킹 밀도를 얻기 위하여, 다른 단면을 갖는 케이블들이 이용된다. 회전 전기 기계내의 전압을 증가시키기 위하여, 케이블은 자기 코어내의 슬롯에 복수의 연속적인 회전으로 배열된다. 엔드 와인딩-엔드 크로싱(end winding-end crossings)의 갯수를 감소시키기 위하여, 다층 동심 케이블로서 권선을 설계한다. 더 바람직한 방법으로 자기 코어를 이용하기 위해 점감(tapered) 절연체로 케이블을 제조하여, 슬롯의 형태가 권선의 점감(tapered) 절연체에 적합하게 된다.

본 발명에 따른 회전 전기 기계의 중요한 잇점은, 외부 반도체 외부의 권선단부 영역에서의 전계가 제로에 가깝고, 외부 케이싱을 대지 전위로 유지하므로, 전계를 제어할 필요가 없다는 것이다. 따라서, 시트내에서, 권선 단부 영역에서 또는 사이의 전이 영역에서 필드 집중 현상을 얻을 수 없게 된다.

본 발명에 따른 권선은 자기 코어의 슬롯내의 개구부에 케이블을 쓰레딩(threading)함으로써써, 슬롯내에 위치한다. 상기 케이블이 유연성이 있기 때문에, 상기 케이블은 휘어질 수 있고, 따라서, 코일내의 복수의 회전에 케이블 길이가 위치할 수 있게 된다. 그 후, 권선 단부는 케이블내의 벤딩 존(bending zone)으로 구성된다. 또한, 상기 케이블은 그것의 특성들이 케이블 길이방향을 따라 일정하도록 결합된다. 상기 방법은 최신 기술과 비교하여 상당한 단순화를 수반한다. 소위 뢰벨 바(Roebel bars)는 휘어지지 않으므로, 원하는 형태로 미리 성형되어야 한다. 또한, 코일의 충만(impregnation)은, 근래 회전 전기 기계를 제조하는 경우에 상당히 복잡하고 비싼 기술이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 더욱 상세하게 설명한다.

도면의 간단한 설명

도 1 은 고전압 케이블의 단면도를 도시한다.

도 2 는 제 3 반도체 층이 파괴된 고전압 케이블의 측면도이다.

본 발명의 실시예들에 대한 상세한 설명

도 1 은 전력을 전송하는 데에 통상적으로 이용되는 고전압 케이블과 유사한 고전압 케이블 (10) 의 단면도이다. 도시된 고전압 케이블 (10) 은 JP-A-8-195129(145 kv)에 도시된 고전압 케이블과 유사하지만, 피복(sheath) 이나 스크린이 없다. 고전압 케이블 (10) 은 예를 들어, 원형 단면을 갖는 구리(Cu)로 이루어진 하나 이상의 스트랜드들 (12) 로 구성된 전기 도체를 구비한다. 상기 스트랜드 (12) 는 고전압 케이블 (10) 의 중앙에 배치된다. 상기 스트랜드 (12) 주위에는, 제 1 반도체 층 (14) 이 있고, 상기 제 1 반도체 층 (14) 주위에는, 예를 들어, XLPE 절연체등의 제 1 절연층 (16) 이 있다. 상기 제 1 절연층 (16) 주위에는 제 2 반도체 층 (18) 이 있고, 상기 제 2 반도체 층 (18) 의 외부에는 제 2 반도체 층보다 낮은 고유 저항을 갖는 제 3 반도체 층 (19) 이 있다. 반도체 층들 (14, 18, 19) 은 모두 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체/니트릴 고무, 부틸 그래프트 폴리텐, 에틸렌 에틸 아크릴산 공중합체, 에틸렌 프로펜 고무등의 기저 중합체(base polymer) 또는 카본 블랙으로 충진된 높거나 낮은 밀도를 갖는 폴리에틸렌으로 형성된다.

도 2 는 제 3 반도체 층 (19) 이 파괴된 고전압 케이블의 부분을 도시한 측면도이다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 제 3 반도체 층 (19) 은 고전압 케이블 (10) 의 주변부 주위의 연장된 링에서 제거되어, 파괴 (20) 가 형성된다. 따라서, 제 2 반도체 층 (18) 은 파괴 (20) 에 노출된다. 상기 파괴 (20) 의 축방향 길이 (1) 는 5 내지 30 ㎝ 이다. 2개의 접지된 지점들사이의 제 3 반도체 층 (19) 에서의 전기 접촉의 연속성이 파괴되어 제한된 전류가 흐르기 때문에, 유도 전압에 의한 열손실이 거의 발생하지 않는 것을 보장하게 된다.

우리의 국제 출원 번호 제 WO97/45918 호는 단지 제 3 반도체 층 (19) 이 없고 제 2 반도체 층 (18) 에 파괴가 생성되는 케이블을 설명한다. 상기 이전 발명의 경우, 제 2 반도체 층 (18) 에서의 인터럽션(interruptions)으로 인해, 파괴의 단부에서 전계 강도가 증가하게 된다. 전계 강도는 그루브(groove)의 단부에서 급격히 증가하므로, 불행하게도 전기적인 파괴의 위험을 증가시키게 된다. 어떤 전류가 파괴 (20) 아래의 영역에서 제 반도체 층 (18) 을 통해 계속해서 흐르기 때문에, 설명된 본 발명의 실시예는 상기 불이익을 완화시킨다.

도 1 에 따른 고전압 케이블인 상기 케이블 (10) 은 하나이상의 스트랜드들 (12) 로 구성되는 전기 도체, 제 1 반도체 층 (14), 제 1 절연층 (16), 제 2 반도체 층 (18) 및 제 3 반도체 층 (19) 을 포함하고, 적합한 다이(die)를 통해 돌출에 의해 생산될 수 있다. 제 3 반도체 층 (19) 은 고전압 케이블을 따라 적어도 2개의 다른 지점들에서 접지된다. 다음 단계는 각각의 접지점사이에서 제 3 반도체 층 (19) 의 전기 접촉의 연속성의 파괴 (20) 를 생성하는 것이다. 고전압 케이블을 따라 N 개의 접지된 지점들이 존재하는 경우, 반도체 층 (19) 에는 N-1 개의 파괴들이 존재하게 된다.

본 발명에 따른 전기 도체의 전기 절연체는 예를 들어, 800 kv 또는 그 이상 까지의 매우 높은 전압 및 이들 전압에서 그 결과로서 발생하는 전기와 열부하를 처리할 수 있도록 의도된다. 일 예로서, 본 발명에 따른 전기 도체들은 3 내지 4 kv 로부터 400 내지 800 kv 또는 그 이상까지의 매우 높은 전송 전압의 정격 전압을 가지며, 수 백 kVA 로부터 1000 MVA 이상의 정격 전력을 갖는 전력 변압기의 권선들을 구비한다. 높은 동작 전압에서, 부분 방전 또는 PD 등은 공지된 절연 시스템의 대해 심각한 문제점들을 구성한다. 공동들 또는 세공들이 절연체내에 존재하는 경우, 내부 코로나 방전이 일어남으로써, 절연 재료가 점차로 저하되어 절연이 파괴된다. 절연 시스템의 반도체 재료의 내부층이 그것이 포위하는 중심 전기 도체 수단의 도체들과 거의 동일한 전기 전위로 되고, 반도체 외부 층은 예를 들어, 대지 전위등의 제어 전위로 되는 것을 보장함으로써, 본 발명에 따른 전기 도체를 이용하는 전기 절연체상에 걸리는 전기 부하는 감소하게 된다. 따라서, 이들 내부 층들과 외부 층들사이의 전기 절연 층에서의 전계는 중간 층의 두께상에 거의 균일하게 분포된다. 유사한 열특성들 및 절연 시스템의 이들 층에서 약간의 결점만을 갖는 재료들을 포함함으로써, PD 가 발생할 가능성이 소정의 동작 전압으로 감소된다. 따라서, 전기 도체가 통상적으로 800 kv 이상의 매우 높은 동작 전압을 견디도록 설계될 수 있다.

본 발명은 설명된 실시예들에 한정되지 않는다. 복수의 변형예들이 첨부된 청구항들의 범위에서 가능하다.

Claims (9)

1. 전기 기계의 고전압 권선용 절연 도체 (10) 로서,

   상기 절연 도체는,

   하나 이상의 스트랜드들 (12);

   상기 스트랜드들 (12) 을 포위하는 내부 제 1 반도체 층 (14);

   상기 내부 제 1 반도체 층 (14) 을 포위하는 제 1 절연층 (16);

   상기 제 1 절연층을 포위하는 제 2 반도체 층 (18); 및

   상기 제 2 반도체 층 (18) 을 포위하는 외부 제 3 반도체 층 (19) 을 구비하되,

   상기 제 3 반도체 층 (19) 은 상기 절연 도체를 따라 적어도 2개의 다른 지점들에서 접지되고,

   상기 제 3 반도체 층 (19) 의 전기 접촉의 연속성은 2개의 연속된 접지 지점들사이에서 파괴 (20) 되는 것을 특징으로 하는 절연 도체 (10).
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 3 반도체 층 (19) 의 전기 접촉의 연속성이 상기 제 2 반도체 층까지 절연 도체 (10) 의 주변부를 따라 제 3 반도체 층 (19) 을 제거함으로써 파괴되어, 상기 파괴 (20) 들은 상기 제 3 반도체 층 (19) 의 측면과 인접하여 형성되는 것을 특징으로 하는 절연 도체 (10).
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 각 파괴 (20) 의 축방향 길이는 5 내지 30 ㎝ 인 것을 특징으로 하는 절연 도체 (10).
4. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 있어서,

   상기 절연층들 및 상기 반도체 층들이 10 kV 를 초과하는 고전압, 특히, 36 kV 를 초과하는 고전압을 견딜 수 있으며, 72.5 kV 보다 높고 400 kV 내지 800 kV 또는 그 이상의 매우 높은 전송 전압까지도 견딜 수 있도록 설계되는 것을 특징으로 하는 절연 도체 (10).
5. 제 1 항 내지 제 4 항의 어느 한 항에 있어서,

   상기 절연 층들 및 상기 반도체 층들이 0.5 MVA 를 초과하는 전력 범위를 범위를 견딜 수 있으며, 30 MVA 를 초과하고 1000 MVA 까지의 전력 범위도 견딜 수 있도록 설계되는 것을 특징으로 하는 절연 도체 (10).
6. 제 1 항 내지 제 5 항의 어느 한 항에 있어서,

   상기 절연 도체 (10) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
7. 제 6 항에 있어서,

   회전 전기 기계인 것을 특징으로 하는 전기 기계.
8. 제 6 항에 있어서,

   큰 발전기인 것을 특징으로 하는 전기 기계.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,

   상기 제 3 반도체 층 (19) 은 고정자 슬롯내의 고정자로부터 전기적으로 절연되며, 상기 제 3 반도체 층 (19) 은 케이블이 통과하는 각 고정자 슬롯에 대한 돌출 영역내에 적어도 하나의 파괴 및 접지 지점을 갖는 것을 특징으로 하는 전기 기계.