NO320183B1 - Isolert leder for hoyspenningsviklinger - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelsen angår i en første henseende en isolert leder for høyspen-ningsviklinger i elektriske maskiner som angitt i ingressen av vedlagte patentkrav.

Et annet aspekt ved den foreliggende oppfinnelsen relaterer seg til en roterende elektrisk maskin eller statisk elektrisk maskin som omfatter en isolert leder av typen beskrevet ovenfor, og som definert i patentkravene 17 og 18.

Oppfinnelsen kan anvendes i roterende elektriske maskiner slik som synkronmaskiner eller asynkronmaskiner så vel som statiske elektriske maskiner som krafttransformatorer og kraftreaktorer. Oppfinnelsen kan også anvendes i andre elektriske maskiner slik som dualforsynte maskiner, og som applikasjoner i asynkrone statiske strømkaskader, ytter-polmaskiner og synkrone strømningsmaskiner, under forutsetning at deres viklinger består av isolerte elektriske ledere av typen beskrevet i innledningen, og fortrinnsvis ved høye spenninger. "Høye spenninger" refererer her til elektriske spenninger som overskri-der 10 kV. Et typisk arbeidsområde for en isolert leder for høyspenningsviklinger i henhold til oppfinnelsen kan være 1-800 kV.

For å kunne forklare og beskrive maskinen, skal det først gis en kort beskrivelse av en roterende elektrisk maskin, som er eksemplifisert på basis av en synkronmaskin. Den første delen av beskrivelsen relaterer seg i hovedsaken til den magnetiske kretsen til en slik maskin og hvordan denne er konstruert i samsvar med klassisk teknikk. Siden den magnetiske kretsen det refereres til i de fleste tilfellene befinner seg i statoren, vil den magnetiske kretsen nedenfor normalt bli beskrevet som en stator med en laminert kjerne, hvis vikling det vil refereres til som en statorvikling, og spaltene i den laminerte kjernen for viklingen vil det bli referert til som statorspalter eller ganske enkelt spalter.

Statorviklingen befinner seg i spalter i platejernkjernen, og spaltene har normalt et rek-tangulært eller trapesformet tverrsnitt slik som det til et rektangel eller et trapes. Hver viklingsfase omfatter et antall serieforbundne spolegrupper som er koblet i serie og hver spolegruppe omfatter et antall serieforbundne spoler koblet i serie. De forskjellige delene av spolen er benevnt spoleside når den gjelder den delen som er plassert i statoren og endeviklingsende for den delen som befinner seg utenfor statoren. En spole omfatter én eller flere ledere som er satt sammen i høyde og/eller bredde.

Mellom hver leder er det en tynn isolasjon, for eksempel av epoksy/glassfiber.

Spolen er isolert fra spalten med en spoleisolasjon, som er en isolasjon ment å motstå merkespenningen til maskinen i forhold til jord. Som isolerende materiale kan forskjellige plaster, lakk og glassfibermaterialer anvendes. Vanligvis blir såkalt mica-bånd brukt, som er en blanding av mica og hard plast, spesielt produsert for å tilveiebringe motstand overfor partielle utladninger, som hurtig kan bryte ned isolasjonen. Isolasjonen blir påført spolen ved at mica-båndet vikles rundt spolen i flere lag. Isolasjonen blir im-pregnert og så blir spolesiden malt med en grafittbasert maling for å forbedre kontakten med den omgivende statoren som er tilkoblet jordpotensial.

Lederarealet til viklingene blir bestemt av strømtettheten det gjelder og av avkjølings-metoden som anvendes. Lederen og spolen blir vanligvis tilformet med rektangulær form for å maksimalisere mengden av ledermateriale i spalten. En typisk spole er tilformet av såkalte Roebel-stenger, av hvilke noen stenger kan være laget hule for et kjøle-middel. En Roebel-stang omfatter en flerhet av rektangulære, parallelltilkoblede kopper-ledere tilkoblet i parallell, som er transponert 360 grader langs spalten. Ringland-stenger med transponeringer på 540 grader og andre transponeringer opptrer også. Transpone-ringen blir gjort for å unngå opptreden av sirkulerende strømmer som blir generert i et tverrsnitt av ledermaterialet, slik det ses fra det magnetiske feltet.

Av mekaniske og elektriske grunner kan en maskin ikke fremstilles i en hvilken som helst størrelse. Maskineffekten er bestemt hovedsakelig av tre faktorer: Lederarealet til viklingene. Ved normal driftstemperatur har for eksempel kopper en maksimalverdi på 3-3,5 A/mm .

Den maksimale flukstettheten (magnetisk fluks) i statoren og rotormaterialet. Den maksimale elektriske feltstyrken i det isolerende materialet, den såkalte dielektriske styrken.

Flerfase vekselstrømsviklinger er designet enten som enkelt- eller tolagsviklinger. I tilfellet med enkeltlagsviklinger er det bare en spoleside per spalte, og i tilfellet med tolagsviklinger er det to spolesider per spalte. Tolagsviklinger blir vanligvis designet som rombeviklinger (diamond windings), mens enkeltlagsviklingene som er relevante i denne forbindelsen kan være designet som en rombevikling eller som en konsentrisk vikling. I tilfellet med en rombevikling er det bare ett spolespenn (eller muligens to spolespenn), mens flate viklinger er designet som konsentriske viklinger, dvs. med et stort varierende spolespenn. Med spolespenn menes avstanden sirkulært mellom to spolesider som hører til den samme spolen, enten i relasjon til den relevante poldelingen eller antallet mellomliggende spalteskritt. Vanligvis blir det brukt forskjellige varianter av kor-ding, for eksempel kortskrittpoldeling, for å gi viklingen de ønskede egenskapene.

Typen av vikling beskriver i hovedsaken hvordan spolene i spaltene, dvs. spolesidene, er tilkoblet sammen ved utsiden av stator, dvs. ved endeviklingsendene.

Utenfor de stablede bladene til statoren er spolen ikke forsynt med et malt, ledende jord-potensialsjikt. Endeviklingsenden er normalt utstyrt med en E-felt styring i form av såkalt koronabeskyttelseslakk ment å omdanne et radielt felt til et aksialt felt, hvilket betyr at isolasjonen på endeviklingsendene har et høyt potensial i forhold til jord. Dette gir noen ganger korona i endeviklingsendeområdet, hvilket kan være ødeleggende. De såkalte feltstyrende punktene ved endeviklingsendene medfører problemer for en roterende elektrisk maskin.

Normalt er alle store maskiner designet med en tolagsvikling og like store spoler. Hver spole er plassert med én side i ett av lagene og den andre siden i det andre laget. Dette betyr at alle spolene krysser hverandre i endeviklingsenden. Dersom flere enn to lag blir brukt, gjør disse kryssingene viklingsarbeidet vanskelig og forringer eller skader endeviklingsenden.

Det er vanlig kjent at tilkoblingen av en synkronmaskin/generator til et kraftnett må ut-føres via en Æ/YD-tilkoblet såkalt opptransformator, siden spenningen i kraftnettet normalt ligger på et høyere nivå enn spenningen til den roterende elektriske maskin. Sammen med den synkrone maskinen utgjør denne transformatoren således integrerte deler av et anlegg. Transformatoren utgjør en ekstra kostnad og har også den ulempen at den totale virkningsgraden av systemet blir senket. Dersom det var mulig å fremstille maskiner for vesentlig høyere spenninger, kunne således opptransformatoren utelates.

I løpet av de siste fa tiårene har det vært stilt økende krav til roterende elektriske maskiner for høyere spenninger enn det som det tidligere var mulig å designe. Det maksimale spenningsnivået som, i henhold til kjent teknikk, har vært mulig å oppnå for synkronmaskiner med god ytelse i spoleproduksjonen ligger rundt 25-30 kV.

Visse forsøk på nye måter å designe synkronmaskiner på er beskrevet blant annet i en artikkel med tittel "Water-and-oil-cooled Turbogenerator TVM-300" i J. Elektrotechnika, nr. 1,1970, s. 6-8, i US patent 4.429.244 "Stator of Generator" og i russisk patent-dokument CCCP patent 955369.

Den vann- og oljeavkjølte synkronmaskinen som er beskrevet i J. Elektrotechnika er be-regnet for spenninger opp til 20 kV. Artikkelen beskriver et nytt isolasjonssystem som består av olje/papirisolasjon, som gjør det mulig å nedsenke statoren fullstendig i olje. Oljen kan så anvendes som et kjølemiddel samtidig som den anvendes som isolasjon. For å forhindre oljen i statoren fra å lekke ut mot rotoren, er det anordnet en dielektrisk oljesepareringsring ved den indre overflaten av kjernen. Statorviklingen er laget av ledere med en oval hul form og utstyrt med olje og papirisolasjon. Spolesidene med deres isolasjon er festet til spalter utført med rektangulære tverrsnitt ved hjelp av kiler. Som kjølemiddel blir olje brukt både i de hule lederne og i hullene i statorveggene. Slike kjø-lesystemer medfører imidlertid et stort antall tilkoblinger av både olje og elektrisitet ved spoleendene. Den tykke isolasjonen medfører også en økt krumningsradius for lederne, hvilket i sin tur resulterer i en økt størrelse av viklingens overheng.

Det ovennevnte US-patentet relaterer seg til statordelen til en synkronmaskin som omfatter en magnetisk kjeme av laminerte blader med trapesformede spalter for statorviklingen. Spaltene er avtagende siden behovet for isolasjon av statorviklingen er mindre mot det indre av rotoren hvor den delen av viklingen som er nærmest nøytralpunktet befinner seg. I tillegg omfatter statordelen en dielektrisk oljeseparerende sylinder nærmest den indre overflaten av kjernen. Denne delen kan øke magnetiseringskravet i forhold til en maskin uten denne ringen. Statorviklingen er laget av oljeneddykkede kabler med den samme diameteren for hvert spolelag. Lagene er adskilt fra hverandre ved hjelp av avstandsstykker i spaltene og fastgjort ved hjelp av kiler. Det som er spesielt for viklingen, er at den består av to såkalte halwiklinger som er seriekoblet. En av de to halwik-lingene befinner seg sentrert inne i en isolerende hylse. Lederne til statorviklingen blir avkjølt av omgivende olje. Ulemper med en slik oljemengde i systemet er risikoen for lekkasje og det vesentlige rengjøringsarbeidet som kan være resultatet av en feiltilstand. De delene av isolasjonshylsen som befinner seg utenfor spaltene har en sylindrisk del og en konisk terminering som er forsterket med strømførende lag, hvis formål er å styre den elektriske feltstyrken i området hvor kabelen entrer endeviklingen.

Fra CCCP 955369 er det klart, i et annet forsøk på å heve merkespenningen til synkronmaskinen, at den oljekjølte statorviklingen omfatter en konvensjonell høyspenningskabel med den samme dimensjonen for alle lagene. Kabelen er plassert i statorspalter tilformet som sirkulære, radielt lokaliserte åpninger som korresponderer med tverrsnittsarealet til kabelen og det nødvendige rommet for fastgjøring og for kjølemiddel. De forskjellige radielt lokaliserte lagene til viklingen er omgitt av og festet i isolerende rør. Isolerende avstandsstykker fester rørene i statorspalten. På grunn av oljeavkjølingen er det også nødvendig med en indre dielektrisk ring for å tette av oljekjølemidlet mot det indre luftgapet. Ulempene med olje i systemet beskrevet ovenfor passer også på denne utformingen. Utformingen eller designen innehar også et svært smalt radielt livparti mellom de forskjellige statorspaltene, hvilket medfører en stor spaltelekkasjefluks som i vesentlig grad påvirker magnetiseringskravene til maskinen.

En rapport fra Electric Power Research Institute, EPRI, EL-3391, fra 1984, beskriver en oversikt over maskinkonsepter for å oppnå en høyere spenning i en roterende elektrisk

maskin med det formål å være i stand til å tilkoble en maskin til et krafmett uten en mellomliggende transformator. En slik løsning bedømmes i undersøkelsen å gi gode effekti-vitetsgevinster og store økonomiske fordeler. Hovedgrunnen for å anse det mulig i 1984 å starte utvikling av generatorer for direkte tilkobling til krafmett, var at på den tiden var det produsert en superledende rotor. Den store magnetiseringskapasiteten til det superledende feltet gjør det mulig å bruke en luftgapvikling med en tilstrekkelig isolasjonstyk-kelse for å motstå de elektriske påkjenningene. Ved å kombinere det mest lovende kon-septet, i henhold til prosjektet, i utformingen av en magnetisk krets med en vikling, en såkalt monolittisk sylinderarmatur, ble det frembragt et konsept hvor viklingen består av to sylindere av ledere som er konsentrisk innesluttet i tre sylindriske isolasjonskapslin-ger og hele strukturen ble fastgjort til en jernkjerne uten tenner, og det ble bedømt at en roterende elektrisk maskin for høyspenning kunne kobles direkte til et krafmett. Løsnin-gen betød at hovedisolasjonen måtte gjøres tilstrekkelig tykk til å håndtere nett-til-nett og nett-til-jord potensialer. Isolasjonssystemet som, etter en oversikt over all teknikken kjent på den tiden, ble bedømt til å være nødvendig for å håndtere en økning til en høy-ere spenning, var den som normalt blir brukt for krafttransformatorer og som består av dielektrisk fluidimpregnert cellulosepapp. Åpenbare ulemper med den foreslåtte løsnin-gen er at, i tillegg til å kreve en superledende rotor, krever den en svært tykk isolasjon som øker størrelsen til maskinen. Endeviklingenes ender må være isolert og avkjølt med olje eller freon for å styre de store elektriske feltene i endene. Hele maskinen må være hermetisk innelukket for å forhindre det flytende dielektriske materialet fra å absorbere fuktighet fra atmosfæren.

Ved fremstilling av roterende elektriske maskiner i henhold til kjent teknikk blir viklingene fremstilt med ledere og isolasjonssystemer i flere trinn, hvorved viklingen må være preformet før montasje på den magnetiske kretsen. Impregnering for å forberede eller bearbeide isolasjonssystemet blir utført etter montasje av viklingen på den magnetiske kretsen.

Det er et formål med oppfinnelsen å være i stand til å fremstille en roterende elektrisk maskin for høy spenning uten noen komplisert preforming av viklingen og uten å måtte impregnere isolasjonssystemet etter montasje av viklingen.

For å øke effekten eller kraften til en roterende elektrisk maskin, er det kjent å øke strømmen i vekselstrømsspolene. Dette er oppnådd ved å optimalisere mengden ledende materiale, dvs. ved tett pakking av rektangulære ledere i rektangulære rotorspalter. Siktemålet var å håndtere økningen i temperatur som er resultatet av dette ved å øke mengden isolasjonsmateriale og å bruke mer temperaturresistente og derved mer kostbare iso-lasjonsmaterialer. Den høye temperaturen og feltbelastningen på isolasjonen har også forårsaket problemer med levetiden til isolasjonen. I de relativt tykkveggede isolasjonslagene som blir brukt for høyspenningsutstyr, for eksempel impregnerte sjikt eller lag av mica-bånd eller glimmerbånd, utgjør delutladninger (PD) et alvorlig problem. Ved fremstilling av disse isolasjonslagene eller sjiktene vil det tidlig oppstå hulrom, porer og lignende, i hvilke indre koronautladninger oppstår når isolasjonen blir utsatt for høye elektriske feltstyrker. Disse koronautladningene forringer gradvis materialet og kan føre til elektrisk sammenbrudd gjennom isolasjonen.

Den foreliggende oppfinnelsen er basert på realiseringen at, for å være i stand til å øke effekten til en roterende elektrisk maskin på en teknisk og økonomisk berettiget måte, må dette oppnås ved å sikre at isolasjonen ikke brytes ned av fenomenene beskrevet ovenfor. Dette kan oppnås i henhold til oppfinnelsen ved at det som isolasjon anvendes lag eller sjikt laget på en slik måte at risikoen for hulrom og porer er minimal, for eksempel ekstruderte lag av et egnet fast isolasjonsmateriale, slik som termoplastharpikser, tverrbundne termoplastharpikser, gummi slik som silikongummi, etc. I tillegg er det viktig at isolasjonslaget omfatter et indre lag eller sjikt, som omgir lederen, med halvledende egenskaper og at isolasjonen også er utstyrt med i det minste et ytre tilleggssjikt, som omgir isolasjonen, og som har halvledende egenskaper. Med halvledende egenskaper menes i denne sammenhengen et materiale som har en vesentlig lavere ledeevne enn en elektrisk leder, men som ikke har så lav ledeevne som om det var en isolator. Ved å bruke bare isolerende lag som kan fremstilles med et minimum av defekter og i tillegg utstyre isolasjonen med et indre og et ytre ledende sjikt, kan det sikres at de termiske og elektriske belastningene blir redusert. Den isolerende delen med i det minste ett sam-menføyd ledende sjikt bør ha i hovedsaken de samme termiske ekspansjonskoeffisien-ter. Ved temperaturgradienter skal det ikke oppstå feil forårsaket av forskjellig tempera-turekspansjon i isolasjonen og de omgivende sjiktene. Den elektriske belastningen på materialet minsker som en konsekvens av det faktum at de ledende sjiktene rundt isolasjonen vil danne ekvipotensialflater og at det elektriske feltet i den isolerende delen vil være fordelt relativt likt over tykkelsen til isolasjonen. Det ytre ledende sjiktet kan være forbundet med et valgt potensial, for eksempel jordpotensial. Dette betyr at for en slik kabel kan den ytre kapslingen til viklingen i sin hele lengde bli holdt på for eksempel jordpotensial. Det ytre sjiktet kan også være avskåret på egnede steder langs lengden av lederen og hver partiell avskåret lengde kan være direkte koblet til et valgt potensial. Rundt det ytre ledende sjiktet kan det også være anordnet andre sjikt, kapslinger og lignende, slik som en metallskjerm og en beskyttende kapsling.

Ytterligere kunnskap som er oppnådd i tilknytning til den foreliggende oppfinnelsen er at økt strømbelastning fører til problemer med elektriske (E) feltkonsentrasjoner ved hjørnene til en tverr seksjon av en spole og at dette medfører store lokale belastninger på isolasjonen der. Likeledes vil det magnetiske (B) feltet i tennene til statoren være kon-sentrert ved hjørnene. Dette betyr at den magnetiske metningen stiger lokalt og at den magnetiske kjernen ikke blir brukt fullt og at bølgeformen til den genererte spenningen/- strømmen vil være forvrengt. I tillegg vil virvelstrømstap forårsaket av induserte virvel-strømmer i lederne, som oppstår på grunn av geometrien til lederne i forhold til B-feltet, medføre tilleggsulemper i økende strømtettheter. En ytterligere forbedring av oppfinnelsen oppnås ved å gjøre spolene og spaltene som spolene er plassert i i hovedsak sirkulære istedenfor rektangulære. Ved å gjøre tverrsnittet til spolene sirkulært, vil disse være omgitt av et konstant B-felt uten konsentrasjoner hvor magnetisk metning kan oppstå. Også E-feltet i spolen vil være fordelt likt over tverrsnittet og lokale belastninger på isolasjonen blir vesentlig redusert. I tillegg er det lettere å plassere sirkulære spoler i spalter på en slik måte at antallet spolesider per spolegruppe kan øke og en økning av spenningen kan finne sted uten at strømmen i lederne må økes. Grunnen til dette er at kjølingen av lederne blir forenklet av, på den ene side, en lavere strømtetthet og således lavere temperaturgradienter over isolasjonen, og på den annen side, av den sirkulære formen til spaltene som medfører en mer jevn temperaturfordeling over et tverrsnitt. Tilleggsfor-bedringer kan også oppnås ved å sette lederen sammen av mindre deler, såkalte tråder. Trådene kan være isolert fra hverandre og bare et lite antall tråder kan etterlates uisolert og i kontakt med det indre ledende sjiktet, for å sikre at dette er på det samme potensialet som lederen.

Fordelene ved å bruke en roterende elektrisk maskin i henhold til oppfinnelsen er at maskinen kan drives ved overbelastning uten å bli ødelagt i en vesentlig lengre tidsperiode enn det som er vanlig for slike maskiner. Dette er en konsekvens av sammensetningen av maskinen og den begrensede termiske belastningen på isolasjonen. Det er for eksempel mulig å belaste maskinen med opp til 100% overbelastning i en periode som over-skrider 15 minutter og opp til 2 timer.

En utførelse i henhold til oppfinnelsen er at den magnetiske kretsen til den roterende elektriske maskinen omfatter en vikling av en trådkabel med en eller flere ekstruderte isolerte ledere med kompakt isolasjon med et ledende sjikt både ved lederen og kapslingen. Det ytre ledende sjiktet kan være koblet til jordpotensial. For å være i stand til å håndtere problemene som kan oppstå i tilfelle direkte tilkobling av roterende elektriske maskiner til alle typer høyspentkraftnett, har en maskin i henhold til oppfinnelsen et antall egenskaper som skiller den fra kjent teknikk.

Som beskrevet ovenfor, kan en vikling for en roterende elektrisk maskin være fremstilt av en kabel med en eller flere ekstruderte isolerte ledere med kompakt isolasjon med et ledende sjikt både ved lederen og kapslingen.

Noen typiske eksempler på isolerende materialer er termoplaster liksom LDPE (lavtett-hetspolyetylen), HDPE (høytetthetspolyetylen), PP (polypropylen), PB (polybutulen), PMP (polymetylpenten) eller tverrbundne materialer, slik som XLPE (tverrbundet polyetylen) eller gummiisolasjon, slik som EPR (etylenpropylengummi) eller silikongummi.

En ytterligere utvikling av en leder sammensatt av tråder er mulig ved at det er mulig å isolere trådene i forhold til hverandre for derved å kunne redusere mengden av virvel-strømstap i lederen. En eller noen få tråder kan etterlates uisolert for å sikre at det ledende sjiktet som omgir lederen er på det samme potensialet som lederen.

Det er kjent at en høyspenningskabel for overføring av elektrisk energi er sammensatt av ledere med fast ekstrudert isolasjon med en indre og en ytre ledende del. I prosessen med å overføre elektrisk energi var det nødvendig at isolasjonen skulle være feilfri. Under transmisjon eller overføring av elektrisk energi har startpunktet lenge vært at isolasjonen skulle være uten defekter. Ved bruk av liøyspenningskabler for overføring av elektrisk energi var siktemålet ikke å maksimalisere strømmen gjennom kabelen siden plassmangel ikke er noen begrensning for en overføringskabel.

Isolasjon av en leder for en roterende elektrisk maskin kan påføres på en litt annen måte enn ved ekstrudering, for eksempel ved påsprøyting eller lignende. Det er imidlertid viktig at isolasjonen ikke skal ha noen defekter gjennom hele tverrsnittet og den bør inneha lignende termiske egenskaper. De ledende sjiktene kan forsynes med isolasjonen i tilknytning til at isolasjonen blir påført lederne.

Kabler med sirkulært tverrsnitt blir fortrinnsvis brukt. For å oppnå bedre pakketetthet, kan det blant annet anvendes kabler med forskjellig tverrsnitt.

For å bygge opp en spenning i en roterende elektrisk maskin, er kabelen anordnet i flere påfølgende vindinger i spalter i den magnetiske kjernen. Viklingen kan være utformet som en flerlags konsentrisk kabelvikling for å redusere antallet endeviklings-endekrys-singer. Kabelen kan være laget med avsmalnende isolasjon for å utnytte den magnetiske kjernen bedre, i hvilket tilfelle formen til spaltene kan være tilpasset den avsmalnende isolasjonen til viklingen.

En betydelig fordel med en roterende elektrisk maskin i henhold til oppfinnelsen er at E-feltet er nær null i endeviklingsendeområdet utenfor det ytre ledende, og at med den ytre kapslingen på jordpotensial behøver ikke det elektriske feltet å bli styrt. Dette betyr at ingen feltkonsentrasjoner kan oppnås, enten innenfor platene eller bladene, i endevik-lingsendeområdene eller i overgangene derimellom.

Den foreliggende oppfinnelse relaterer seg også til en fremgangsmåte for å fremstille den magnetiske kretsen og spesielt viklingen. Fremgangsmåten for fremstilling omfatter å plassere viklingen i spaltene ved å sno en kabel inn i åpningene i spaltene i den magnetiske kjernen. Siden kabelen er fleksibel, kan den bøyes og dette tillater at en kabel-lengde kan befinne seg i flere vindinger i en spole. Endeviklingsendene vil således bestå av bøyesoner i kablene. Kabelen kan også være sammenføyd på en slik måte at dens egenskaper forblir konstant over hele kabellengden. Denne måten medfører vesentlig for-enkling sammenlignet med kjent teknikk. De såkalte Roebel-stengene er ikke fleksible, men må preformes til den ønskede formen. Impregnering av spolene er også en svært komplisert og kostbar teknikk under fremstilling av roterende elektriske maskiner i dag.

Dette oppnås med en isolert leder for høyspenningsviklinger i roterende elektriske maskiner som angitt i patentkrav 1, og også med en elektrisk eller elektrisk roterende maskin omfattende en isolert leder av typen beskrevet ovenfor i henhold til patentkrav 17 og 18. Høyspenningskabelen i henhold til den foreliggende oppfinnelse omfatter én eller flere tråder omgitt av et første ledende sjikt. Dette første sjiktet er så i sin tur omgitt av et første isolerende lag, som er omgitt av et andre ledende sjikt. Dette andre ledende sjiktet er jordet på i det minste to forskjellige steder langs høyspenningskabelen, dvs. ved innløpet og utløpet fra statoren. Det andre ledende sjiktet har en resistivitet som på den ene side minimaliserer de elektriske tapene i det andre ledende sjiktet, og på den annen side bidrar til spenningen indusert i det andre ledende sjiktet ved å minimalisere risikoen for glimutladninger.

Ved hjelp av høyspenningskabelen i henhold til oppfinnelsen, beskrevet ovenfor, oppnås en høyspenningskabel hvor de elektriske tapene som forårsakes av induserte spenninger i det ytre ledende sjiktet kan unngås. Det oppnås også en høyspenningskabel hvor risikoen for elektriske utladninger er minimalisert. Videre er dette oppnådd med en kabel som er enkel å fremstille.

Oppfinnelsen skal nå forklares mer detaljert i den følgende beskrivelse av foretrukne ut-førelser, med henvisning til de medfølgende tegningene. Figur 1 viser et tverrsnitt gjennom en høyspenningskabel i henhold til den foreliggende oppfinnelsen; Figur 2 viser et grunnleggende skjema som forklarer hva som påvirker spenningen mellom den ledende overflaten og jord; og Figur 3 viser et skjema som illustrerer potensialet på den ledende overflaten i relasjon til avstanden mellom jordingspunkter. Figur 1 viser et tverrsnitt av en høyspenningskabel 10 i henhold til oppfinnelsen. Høy-spenningskabelen 10 som er vist omfatter en elektrisk leder som kan bestå av én eller flere tråder 12 av for eksempel kopper (Cu) og som har sirkulært tverrsnitt. Disse trådene 12 er anordnet i midten av høyspenningskabelen 10. Rundt trådene 12 er det et første ledende sjikt 14, og rundt det første ledende sjiktet 14 er det et første isolasjonslag 16, f. eks. XLPE-isolasjon. Rundt det første isolerende laget 16 er det et andre ledende sjikt 18. Figur 12 viser et grunnleggende skjema som forklarer hva som påvirker spenningen mellom den ledende overflaten og jord. Den resulterende spenningen Us mellom overflaten til det andre ledende sjiktet 18 og jord kan uttrykkes som følger: hvor Umax er resultatet av den kapasitive strømmen i overflaten og hvor U/„d er spenningen som er indusert av den magnetiske fluksen. For å unngå overflateutladninger, må Us være < 250 volt, fortrinnsvis Us < 130-150 volt. I prinsippet skaper Uin<j ingen problemer antatt at begge statorendene er jordet. Således er Us w Umax» hvor den maksimale verdien Umax ved midten at lederen er gitt ved

hvor f = frekvens; Ci = transvers kapasitans per lengdeenhet; Uf = fase-til-jord spenning; Ps = resistiviteten til det ledende sjiktet 18; As = tverrsnittsarealet av det ledende sjiktet 18, og 1 = statorens lengde.

En måte å forhindre tap forårsaket av induserte spenninger i det andre ledende sjiktet 18, er å øke dets resistans. Siden tykkelsen til sjiktet ikke kan reduseres av tekniske grunner i relasjon til fremstillingen av kabel og stator, kan resistansen økes ved å velge et belegg eller en sammensetning som har høyere resistivitet.

Dersom resistiviteten blir økt for mye, vil spenningen på det andre ledende sjiktet 18 midtveis mellom de jordede punktene (dvs. inne i statoren) være så høy at det vil være risiko for glimutladning og følgende erosjon av lederen og isolasjonen.

Resistiviteten ps til det andre ledende sjiktet 18 bør derfor ligge innenfor et intervall:

hvor pmin er bestemt av tillatelig effekttap forårsaket av virvelstrømstap og resistive tap forårsaket av U,w- pmax er bestemt av kravet om ingen glimutladning.

Forsøk har vist at resistiviteten ps til det andre ledende sjiktet 18 bør være mellom 10-500 ohm<*>cm. For å oppnå gode resultater med maskiner av alle størrelser, bør ps være mellom 50-100 ohm<*>cm.

Figur 3 viser et skjema som illustrerer potensialer på den ledende overflaten i relasjon til avstanden mellom jordingspunktene.

Et eksempel på egnet ledende sjikt 18 er et som er fremstilt av EPDM materiale blandet med kjønrøk eller sot. Resistiviteten kan bestemmes ved å variere typen basispolymer og/eller å variere typen kjønrøk og/eller andelen kjønrøk eller sot.

Det følgende er et antall eksempler på forskjellige resistivitetsverdier oppnådd ved å bruke forskjellige blandinger av basispolymer og kjønrøk.

Claims (18)

1. Isolert leder (10) for høyspenningsviklinger i elektriske maskiner, karakterisert ved at den isolerte lederen (10) består av en eller flere tråder (12), et indre, første ledende sjikt (14) som omgir trådene (12), et første isolasjonslag (16) som omgir det indre, første ledende sjiktet (14) og et ytre, andre ledende sjikt (18) som omgir det første isolasjonslaget (16), og der resistiviteten til det andre ledende sjiktet (18) er mellom 10-500 ohm<*>cm.;

2. Isolert leder (10) som angitt i krav 1, karakterisert ved at det ledende sjiktet (18) er jordet på i det minste to forskjellige punkter langs den isolerte lederen (10).;

3. Isolert leder (10) som angitt i krav 2, karakterisert ved at resistiviteten til det andre ledende sjiktet (18) er mindre enn resistiviteten til isolasjonslaget (16), men høyere enn resistiviteten til materialet i trådene (12).;

4. Isolert leder (10) som angitt i krav 3, karakterisert ved at resistiviteten til det andre ledende sjiktet (18) er i området 50-100 ohm<*>cm.

5. Isolert leder (10) som angitt i krav 1, karakterisert ved at resistansen per aksial lengdeenhet til det andre ledende sjiktet (18) er i området 5-50.000 ohm/m.

6. Isolert leder (10) som angitt i krav 1, karakterisert ved at resistansen per aksial lengdeenhet av det andre ledende sjiktet (18) er i området 500-25.000 ohm/m.

7. Isolert leder (10) som angitt i krav 1, karakterisert ved at resistansen per aksial lengdeenhet av det andre sjiktet (18) er i området 2500-5000 ohm/m.

8. Isolert leder (10) som angitt i et hvilket som helst av de forutgående kravene, karakterisert ved at resistiviteten til det andre ledende sjiktet (18) bestemmes ved å variere typen av basispolymer og å variere typen av kjøn-røk og andelen av kjønrøk.

9. Isolert leder (10) som angitt i krav 7, karakterisert v e d at basispolymeren er valgt fra etylenbutylakrylatkopolymer av EP-gummi.

10. Isolert leder (10) som angitt i kravene 7-8, karakterisert ved at det andre ledende sjiktet (18) er tverrbundet av peroksid.

11- Isolert leder (10) som angitt i et hvilket som helst av de forutgående kravene, karakterisert ved at adhesjonen mellom isolasjonslaget (16) og det andre ledende sjiktet (18) er av samme størrelsesorden som isolasjonsmateri-alets naturlige styrke.

12. Isolert leder (10) som angitt i et hvilket som helst av de forutgående kravene, karakterisert ved at det første ledende sjiktet (14), det isolerende laget (16) og det andre ledende sjiktet (18) er ekstrudert på de ledende trådene (12).

13. Isolert leder (10) som angitt i krav 11, karakterisert v e d at alle lagene eller sjiktene er påført ved ekstrudering gjennom et flerelags-hode.

14. Isolert leder (10) som angitt i et hvilket som helst av de forutgående kravene, karakterisert ved at det isolerende laget (16) er en tverrbundet polyetylen, XLPE.

15. Isolert leder (10) som angitt i et hvilket som helst av de forutgående kravene, karakterisert ved at det isolerende laget (16) er laget av etylenpropylengummi eller silikongummi.

16. Isolert leder (10) som angitt i et hvilket som helst av de forutgående kravene, karakterisert ved at det isolerende laget (16) er laget av et termoplastmateriale slik som LDPE, HDPE, PP, PB og PMP.

17. Elektrisk maskin, karakterisert ved at den omfatter en isolert leder som angitt i et hvilket som helst av kravene 1-16.

18. Roterende elektrisk maskin, karakterisert ved at den omfatter en isolert leder som angitt i et hvilket som helst av kravene 1-16.