具有更高雷電衝擊耐受性的電機的製作方法

2023-05-12 08:08:56 3

專利名稱：具有更高雷電衝擊耐受性的電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及電機，特別涉及對於瞬變具有更高電耐受性的電機。
背景技術：
在電機中，由於繞組的配置，在局部會出現具有衝擊電壓的強電場。在這樣的區域內，在與所述繞組相接觸的冷卻介質(比如變壓器油)中發生電擊穿的風險增高。一個關鍵區域是電力變壓器的繞組中的兩匝相鄰繞組之間的槽楔(wedge)形成區域，其是常常暴露於局部強電場的區域。由於在傳統上分別被用在電力變壓器中作為冷卻介質和絕緣體的油與紙絕緣之間的介電常數的差異，這種區域內的油發生電擊穿的風險增高。當所述繞組受到衝擊電壓時(例如由於雷擊電湧或測試)，此槽楔內的電場應力很高，從而可能引發所述油的部分擊穿，進而可能導致閃流(streamer)(火花)通過所述油傳播到表面(即屏障)並且繼續傳播到地。如果出現這樣的閃流，其將會對變壓器造成嚴重損壞。為了防止出現閃流，比如電力變壓器的電機的規格需要被定為能夠應對在如上所述區域內局部出現的高電應力。結果，電力變壓器的規格被定為耐受比正常工作負荷強幾倍的電場強度，從而導致昂貴、巨大並且笨重的機器。US 5，969，456涉及類似的放電問題，即衝擊電壓被感應式電機中的各繞組部分不均等地分擔的問題，這趨向於在分擔過高電壓的繞組部分中導致電介質擊穿。為了克服這一問題，描述了一種具有更高電暈放電電阻和電介質強度的電磁裝備。在已知的裝備中，通過卷繞包括線纜的絕緣線形成電磁繞組，所述線纜具有由絕緣塗覆的內層和塗覆的外部低電阻導電層所覆蓋的導體，其中外層塗覆的電阻率低於內層塗覆。通過這樣的設置，可以通過形成在所述導體上的外層塗覆來限制由於電暈放電而釋放的電荷。從而每一個單元繞組的導電塗覆會改善每一個繞組單元到地的電暈放電電阻。此外，所述外層塗覆會增大繞組導體之間的串聯電容。因此，電壓由所述電磁繞組的各繞組均等地分擔，並且會減少局部強電場的出現。其結果是提高了所述電磁裝備對於衝擊電壓的絕緣強度。雖然提供了具有更高電耐受性的繞組，但是所述已知裝備的一個缺點在於，配備有幾層絕緣材料的繞組將很笨重，並且在所述機器的繞組卷繞期間難以操縱。其結果是配備這種繞組的機器將較為龐大。此外，當把所述繞組卷繞成匝時，在相鄰兩層之間的槽楔內仍然有較大電場，正如前面所描述的那樣。對於經受快速瞬變(比如來自雷電的電壓浪湧)的更少間隔物繞組來說，一種常見的故障模式是開始於所述繞組、橋接第一部分管道(duct)並且朝向接地繼續的閃絡 (flashover)，其通常循著所述繞組的表面或者通過電介質液體到地。對應於這種故障的先決條件是擊穿的發起，其後是傳播，最後是閃流模式 (streamer mode)改變至Ll快速事件(fast event)。在電擊穿過程中，電機中的電介質液體的電擊穿是最後的階段，其中所述過程開始於電閃流的形成。擊穿由電弧的形成表徵；即穿過所述液體的電短路。電閃流是在電弧形成之前在電介質液體中形成的高度導電的結構，其中所述電弧允許大破壞性電流在否則應由所述液體絕緣的兩個端子之間流動。如果電閃流橋接例如繞組與地之間的間隙，則其將形成導電短路，從而可能允許形成電弧。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種電機，其能夠克服前面提到的閃流在暴露於強電場的局部區域內傳播的問題。根據本發明，所述目的特別可以通過由所附權利要求書限定的一種電機來實現。本發明的想法是停止已經處於發起時的閃流和閃絡的生成。閃流引燃的可能位置是處在所述繞組中的導體間的槽楔之內。在所述槽楔內，由於被用來隔離導體的油與紙之間的介電常數的差異，在所述油中有非常高的局部應力。所述槽楔內的電應力可能會達到 100kV/mm或更高。根據本發明，提供一種具有更高雷電衝擊耐受性的電機。所述機器包括一個軸以及被設置成圍繞該軸卷繞的基本上呈環狀的多匝的繞組。在所述繞組的相鄰兩匝之間形成槽楔形成區域。至少一個絕緣材料構件被設置成覆蓋至少一個所述槽楔形成區域。根據本發明的一個實施例，所述繞組包括實質上被設置在第一平面內的至少相繼兩匝，其後是實質上被設置在第二平面內的至少相繼兩匝。所述第一和第二平面與所述軸垂直。所述至少一個槽楔形成區域被形成在所述兩個平面之間的繞組的周圍。根據本發明的另一個實施例，所述至少一個槽楔形成區域位於所述繞組的外周。根據本發明的另一個實施例，所述至少一個槽楔形成區域位於所述繞組的內周。根據本發明的另一個實施例，所述繞組實質上被卷繞在每個垂直於所述軸的多於兩個相繼平面內，並且其中所述至少一個絕緣材料構件被設置成覆蓋形成在兩個相繼平面之間的至少一個槽楔形成區域，對於所述兩個相繼平面，所述匝在所述繞組的內周從一個平面轉移到另一個平面。根據本發明的另一個實施例，所述繞組實質上被卷繞在每個垂直於所述軸的多於兩個相繼平面內，並且其中所述至少一個絕緣材料構件被設置成覆蓋形成在兩個相繼平面之間的所述至少一個槽楔形成區域，對於所述兩個相繼平面，所述匝在所述繞組的外周從一個平面轉移到另一個平面。根據本發明的另一個實施例，所述絕緣材料構件被設置成與相鄰匝接觸。根據本發明的另一個實施例，所述絕緣材料構件被設置成覆蓋多個槽楔形成區域。根據本發明的另一個實施例，所述絕緣材料構件是絕緣紙。根據本發明的另一個實施例，所述絕緣材料構件是薄屏障。根據本發明的另一個實施例，所述電機是電力變壓器。根據本發明的另一個實施例，所述電力變壓器由液體冷卻，並且所述至少一個槽楔形成區域與所述液體接觸。根據本發明的另一個實施例，所述液體是油。根據本發明的另一個實施例，所述液體是酯流體。
根據本發明的另一個實施例，所述電力變壓器是3相電力變壓器。通過下面的詳細描述，本發明的其他特徵和優點將變得顯而易見。


通過下面給出的實施例的詳細描述以及附圖可以更加全面地理解本發明，附圖僅僅是作為說明而給出的，因此並不限制本發明，其中圖Ia是示出了發生在傳統電機的繞組中的兩匝之間的閃流的詳細圖示。圖Ib是示出了根據本發明的電機的繞組中的兩匝的詳細圖示。圖2是根據本發明的電機的截面圖。圖3是根據本發明的電機的頂視圖。圖如是示出了根據本發明的一個實施例的具有隔離構件的電機的繞組中的兩匝的詳細圖示。圖4b是示出了根據本發明的另一個實施例的具有隔離構件的電機的繞組中的兩匝的詳細圖示。
具體實施例方式在下面的描述中，出於解釋而非限制的目的闡述了具體細節(比如特定技術和應用)，以便提供對於本發明的透徹理解。但是本領域技術人員將認識到，可以在背離這些具體細節的其他實施例中實踐本發明。在其他實例中，省略了對於公知的方法和設備的詳細描述，以免用不必要的細節模糊對於本發明的描述。下面將參照圖1-圖4描述根據本發明的電機的一個實施例。圖Ia是示出了在所述槽楔形成區域中生成的並且從電機(比如電力變壓器)的繞組中的兩匝3之間的所述槽楔形成區域朝向地傳播的閃流的詳細圖示。所述電機包括繞組2，所述繞組2具有圍繞軸1卷繞成多匝3的一個或多個被絕緣的導體。所述導體12由通常是紙的絕緣體13包圍，但是也可以使用其他絕緣材料。在繞組2的外周的相鄰兩匝3 之間形成不同導體11的絕緣體12之間的槽楔形成區域4。由於繞組2的配置，在槽楔形成區域4中將會出現局部強電場。在電力變壓器中常被分別用作冷卻介質和絕緣體的油與紙絕緣體之間的介電常數的差異會增大這種區域內的油發生電擊穿的風險，由此可能會使得所引發的閃流穿過所述油傳播到地。在該圖中示出了經由屏障10穿過所述油傳播到地的閃流11。或者，閃流11可能穿過所述油直接傳播到地。圖Ib是示出了根據本發明的電機的繞組2中的相應的兩匝的詳細圖示。所述電機包括繞組2，所述繞組2具有圍繞軸1卷繞成多匝3的一個或多個被絕緣的導體。繞組 2可以圍繞鐵芯卷繞或者簡單地圍繞軸1卷繞，比如用在充油式電抗器中的所謂的空芯繞組。在繞組2的外周8的相鄰兩匝3之間形成槽楔形成區域4。在所述槽楔形成區域中將會出現局部強電場，從而會增大傳播閃流的風險。絕緣材料構件5被設置成覆蓋所述槽楔形成區域。出現在槽楔形成區域4內的電荷從而被困在該槽楔內，並且無法發展成傳播閃流。通過這種設置，可以提供更高的雷電衝擊耐受性。因此諸如電力變壓器或電抗器的電機就會更好地耐受由於強電場而導致的電應力，並且導致嚴重損壞的傳播閃流的風險也會得到限制。
圖2示出了根據本發明的一個實施例的電機中的細節的截面圖。所述機器包括具有軸1的鐵芯7，以及被設置成圍繞該鐵芯7卷繞的基本上呈環狀的多匝3從而形成電磁繞組的繞組2。所述繞組2包括設置在第一平面6a內的相繼4匝3a、3b、3c、3d，其後是設置在第二平面6b內的相繼4匝加、3廠38、31!，其後是設置在第三平面6(3內的另外的相繼4 匝3i、3j、!3k、31，以及其後是設置在第四平面6d內的另外的相繼4匝;3m、3n、30、3p。所述平面6a、6b、6c和6d關於鐵芯7的軸1垂直。所述機器還包括圍繞鐵芯7和繞組2的屏障10。軸1在該圖中被示為垂直的，但是其也可以是水平的或者具有任何其他方向。如圖中所示，在繞組2的外周8，在平面6a與6b之間有7個中間匝(匝3a_3g)， 而在平面6b與6c之間的外周只有一匝(匝池和3i)。因此，槽楔形成區域如內的電場將比槽楔形成區域4b內的電場強很多，從而會增大在槽楔如內傳播閃流並導致損壞的風險。 絕緣材料構件如被設置成覆蓋槽楔形成區域4a，從而把電荷困在該槽楔內並且防止其發展成傳播閃流。通過把電荷困在所述槽楔內部，所述電荷從而將需要更多能量來逃逸及傳播。這意味著針對擊穿的耐受強度更高，並且將有可能不僅在所述槽楔內而且還在所述管道內允許更高的應力。此外，在繞組2的內周9，在平面6b與6c之間有7個中間匝(匝;3e_3h)。因此， 在平面6b與6c之間的內周9的槽楔形成區域內的電場將很強，並且絕緣材料構件恥被設置成覆蓋所述槽楔形成區域。將要覆蓋的最為重要的槽楔是由連接到所述電機的引入或引出導體的繞組匝形成的槽楔，該處的局部電應力在雷電脈衝期間或者在測試所述電機時最高。絕緣材料構件fe還可以被設置成覆蓋繞組a_h、h-i、i-p之間的所有外部槽楔形成區域。內部絕緣材料構件恥還可以被設置成覆蓋繞組d-e、e-1、1-m之間的所有內部槽楔形成區域。圖3示出了根據本發明的一個實施例的電機的從上方看去的細節。所述機器包括具有軸1的鐵芯7，以及被設置成圍繞該鐵芯7卷繞的基本上呈環狀的多匝3從而形成電磁繞組的繞組2。所述繞組2包括設置在第一平面6a內的相繼4匝3a、3b、3c、3d，其後是設置在第二平面6b內的相繼4匝加、3廠38、311(未示出)。第一和第二平面6a、6b關於鐵芯7的軸 1垂直。所述機器還包括圍繞鐵芯7和繞組2的屏障10。第一絕緣材料構件如被設置成覆蓋所述第一和第二平面之間的外周8中的槽楔形成區域4(未示出)。此外，第二絕緣材料構件恥被設置成覆蓋所述第一和第二平面之間的內周9中的槽楔形成區域4(未示出)。 從而高效地降低了在所述機器中出現傳播閃流的風險。所述絕緣材料( 可以是通常用在充油式電機中的一層或更多層絕緣紙，或者可以是其他類型的基於纖維素的材料，比如硬紙板(presspan)或壓制板(pressboard)。所述絕緣材料還可以是聚合物，比如Nomex，其是一種間位芳綸(meta-aramid)材料。圖如和圖4b示出了不同形式的隔離構件5的實例。絕緣材料構件5可以具有防止閃流傳播的任何實用形式。在圖如中，隔離構件5被設置成帶有可以裝配到相鄰兩匝3 之間的槽楔形成區域4內的槽楔。在圖4b中，隔離構件5僅僅是將填充相鄰兩匝3之間的槽楔形成區域4的槽楔。
顯而易見的是，可以按照多種方式改變本發明。這種變型不應被視為背離由所附權利要求書限定的本發明的範圍。對本領域技術人員顯而易見的所有此類變型都應被包括在由所附權利要求書限定的本發明的範圍內。
權利要求
1.一種具有軸(1)的電機，其包括-被設置成圍繞所述軸卷繞的基本上呈環狀的多匝(3)的繞組0)， 其中，在所述繞組的相鄰兩匝( 之間形成槽楔形成區域G)， 其特徵在於，至少一個絕緣材料構件( 被設置成覆蓋至少一個所述槽楔形成區域。
2.根據權利要求1的電機，其中，所述繞組( 包括實質上被設置在第一平面(6a)內的至少相繼兩匝(3)，其後是實質上被設置在第二平面(6b)內的至少相繼兩匝，所述第一和第二平面與所述軸(1)垂直，並且其中，所述至少一個槽楔形成區域(4)被形成在所述兩個平面之間的所述繞組 (2)的周圍。
3.根據權利要求1或2的電機，其中，所述至少一個槽楔形成區域(4)位於所述繞組 ⑵的外周⑶。
4.根據權利要求3的電機，其中，所述繞組(2)實質上被卷繞在每個垂直於所述軸(1) 的兩個或更多個相繼平面(6)內，並且其中所述至少一個絕緣材料構件( 被設置成覆蓋形成在兩個相繼平面(6)之間的至少一個槽楔形成區域G)，對於所述兩個相繼平面，所述匝(3)在所述繞組的內周(9)從一個平面轉移到另一個平面。
5.根據權利要求1或2的電機，其中，所述至少一個槽楔形成區域(4)位於所述繞組 (2)的內周(9)。
6.根據權利要求5的電機，其中，所述繞組(2)實質上被卷繞在每個垂直於所述軸(1) 的兩個或更多個相繼平面(6)內，並且其中所述至少一個絕緣材料構件( 被設置成覆蓋形成在兩個相繼平面之間的所述至少一個槽楔形成區域，對於所述兩個相繼平面，所述匝(3)在所述繞組的外周(8)從一個平面轉移到另一個平面。
7.根據權利要求1-5中的任一個的電機，其中，所述絕緣材料構件( 被設置成與所述相鄰匝⑶接觸。
8.根據權利要求1-7中的任一個的電機，其中，所述絕緣材料構件( 被設置成覆蓋多個所述槽楔形成區域(4)。
9.根據權利要求1-8中的任一個的電機，其中，所述絕緣材料構件( 是一層或更多層絕緣紙。
10.根據權利要求1-8中的任一個的電機，其中，所述絕緣材料構件(5)是Nomex薄屏障。
11.根據權利要求1-8中的任一個的電機，其中，所述絕緣材料構件( 是硬紙板薄屏障。
12.根據權利要求1-11中的任一個的電機，其中，所述電機是電抗器。
13.根據權利要求1-11中的任一個的電機，其中，所述電機是電力變壓器。
14.根據權利要求13的電機，其中，所述電力變壓器由液體冷卻，並且其中所述至少一個槽楔形成區域(4)與所述液體接觸。
15.根據權利要求14的電機，其中，所述液體是油。
16.根據權利要求14的電機，其中，所述液體是酯流體。
17.根據權利要求13-16中的任一個的電機，其中，所述電力變壓器是3相電力變壓器。
全文摘要
本發明涉及一種具有軸的電機。所述機器包括被設置成圍繞所述軸卷繞的基本上呈環狀的多匝的繞組。在所述繞組的相鄰兩匝之間形成槽楔形成區域。一個絕緣材料構件被設置成覆蓋至少一個所述槽楔形成區域。
文檔編號H01F27/32GK102239532SQ200980148962
公開日2011年11月9日 申請日期2009年12月8日 優先權日2008年12月8日
發明者A·喬斯伯格, J·哈傑克 申請人:Abb研究有限公司