CN104081633A - 具有减小的功率增量的高电压定子线圈 - Google Patents

Abstract

提供一种绝缘定子线圈(16)，该绝缘定子线圈(16)包括具有顶部表面(24)和底部表面(26)的多条线圈绞线(18)。在多条线圈绞线(18)的顶部表面(24)和底部表面(26)上设置有填充材料(30)，从而使顶部表面(24)和底部表面(26)处的不连续处变得平滑。在多条线圈绞线(18)的顶部表面(24)和底部表面(26)中的每一者之上均设置有导电帽(32、34)。在填充材料(30)与每个相应的导电帽(32、34)之间设置有导电条(46)。该导电条(46)有效地降低导电帽(32、34)的电阻率，使得在绝缘定子线圈(16)中不发生局部放电。

Description

具有减小的功率增量的高电压定子线圈

技术领域

本发明涉及高电压定子线圈，并且更特别地涉及用于抑制在定子线圈内放电的方法和设备。尽管以下的讨论关注的是用于涡轮式发电机的定子线圈，但是本发明也能够应用于包括电动马达的其他电动机。

背景技术

常规涡轮式发电机具有转子和定子。该转子缠绕有设置在转子本体中的狭槽中的励磁绕组。该定子缠绕有设置在定子本体中的狭槽中的定子线圈。当转子通过诸如蒸汽轮机或燃气轮机之类的外部机械能量源旋转并将励磁电流提供给励磁绕组时，在定子线圈中就感生了电能。

定子线圈通常由被称作为绞线的多个独立导体构造成。这些绞线堆叠在一起以形成能够承载高电压和高电流的较大的导体(或线圈)。在许多定子线圈中，绞线被扭成交织的图案，而不是以一个位于另一个上方的方式简单地堆叠。这种交织技术被称为罗贝尔处理(Roebelling)。罗贝尔处理有助于防止定子线圈的最靠近转子的内绞线比离转子较远的外绞线承载更多的电流(并且产生更多的热)。罗贝尔处理有助于确保每条绞线都承载类似数量的电流并且产生类似数量的热。

罗贝尔填充物是用于填充由这些经罗贝尔处理的绞线形成的不规则表面并使其变得平滑的绝缘材料。罗贝尔填充物通常包括树脂浸渍毛毡材料或云母剥片，该树脂浸渍毛毡材料或云母剥片通过对浸渍材料同时进行加热并压缩的工艺粘结至不平坦的线圈表面，从而使热固性树脂液化并填充不规则线圈表面的空隙，并且随后硬化。在制造的这个阶段所形成并粘结的线圈被称作为“硬结线圈(bakelized coil)”。在粘结阶段完成之后，云母带地壁围绕加固的线圈形成并且真空浸渍有环氧树脂。该线圈随后按压并烧硬成最终的固化绝缘结构。

由于罗贝尔填充物在大气条件下被处理并固化至线圈表面，因此气泡可能会被带入填充物中，从而在硬化的环氧树脂中形成了空隙。高电压定子线圈的绝缘系统内的空隙可以是在电测试期间或者在电机中线圈的操作期间的放电源。线圈的绝缘系统内的放电或电晕活动可能对绝缘的整体性不利，并且可能引起线圈的过早发生故障。在空气冷却的线圈中，高电压线圈内的局部放电也可能引起整个定子绕组的过早发生故障。

在高电压线圈的制造之后，每个线圈均经受一系列的电测试。所有线圈必须要通过的一个测试为功率因数增量(power factor tip-up)的测量。功率因数增量测试结果指示线圈的加固程度以及线圈内的空隙的影响。高电压在测试过程中被施加至线圈，并且功率因数利用功率因数桥(power factor bridge)来测量。在线圈中发生的任何内部放电均会引起线圈的功率因数增量的增大。局部放电最可能的来源为不可浸透的封闭的空隙，该空隙通常为与以上提到的罗贝尔填充材料相关联的在环氧树脂中捕集的气泡。由于线圈在标准大气压(1atm)下被硬结，因此硬化的环氧树脂捕集一些空气。如果固化的环氧树脂中捕集的空气在施加功率因数测试电压时处于电场路径中，则随后可能发生局部放电活动并引起高的功率因数增量。功率因数增量的幅度根据施加的电压的水平、空隙的尺寸以及其在罗贝尔填充材料中的位置而变化。

消除高电压定子线圈的绝缘结构中的放电并减小功率因数增量的最有效的方法是在理论上产生一种无空隙的绝缘结构。由于大多数空隙都通过捕集的气泡形成在罗贝尔填充材料内，因此一种解决方案是在真空中处理填充线圈。但是，这种方法由于与真空/热浸渍相关联的花费而通常成本较昂贵。

附图说明

参考附图在以下描述中对本发明进行说明，附图示出：

图1为典型的现有技术的电动机的不完整的立体图，其示出了实施本发明的方面的多个定子线圈。

图2为具有根据本发明的方面的导电条的典型的现有技术的线圈的横截面图。

图3为具有根据本发明的方面的导电条的另一线圈的另一横截面图。

图4图示根据本发明的方面的铜条在导电罗贝尔填充物上的连接。

图5示出根据本发明的方面的10个试验线圈的功率因数测试结果。

图6示出根据本发明的方面的具有铜条的一个线圈以及不具有铜条的一个线圈的击穿电压。

图7示出根据本发明的另一方面的试验线圈的远低于0.03(3％)的上限的初始Tanδ值。

图8示出根据本发明的另一方面的具有0.25(0.25％)的上限的多个线圈的功率因数增量数据。

图9示出根据本发明的另一方面的试验线圈的功率因数增量数据。

图10示出对两个试验线圈(一个顶部线圈和一个底部线圈)的耐压测试结果。线圈以两倍额定电压或2E进行测试。线圈015在562.38个小时后发生故障，并且线圈051在1073.42个小时之后发生故障。

图11示出根据本发明的方面的各种试验线圈的功率产生。

图12示出根据本发明的方面的试验线圈的顶部线圈的正态分布功率因数增量结果的曲线图。

图13示出根据本发明的另一方面的试验线圈的底部线圈的正态分布功率因数增量结果的曲线图。

具体实施方式

本发明的方面旨在提供防止罗贝尔填充材料内的空隙在施加电压的情况下放电的结构。特别地，本发明人惊喜地发现将铜导电条沿着定子线圈的长度施加在每个定子线圈的顶部导电帽和底部导电帽上有效地降低了导电帽的电阻率，使得在叠置线圈组件中不发生局部放电。以此方式，可以大幅度地改善与叠置线圈组件的线圈相关联的功率因数增量。

现在参照附图，图1图示可以从本发明的方面受益的示例性电动机10(例如，发电机或马达)。如本领域中的技术人员所理解到的，电动机10包括转子12以及定位成围绕该转子12的定子14。定子14包括在图2中更加详细地示出的多个高电压(例如，大约>4kV)定子线圈16。如图2中所示，就示例性定子线圈16而言，多个定子线圈16中的每个定子线圈均包括例如由铜或铜合金形成的一堆或更多堆线圈绞线18。此外，每个定子线圈16均包括直部20(在图2中示出)和渐开部22(在图4中示出)。直部20与定子狭槽(未示出)的预期的长度大约相同。渐开部22位于直部20的每个端部处并且有助于使多个定子线圈16相互连接成完整的发电机定子线圈。

在一个实施方式中，线圈绞线18为具有顶部表面24和底部表面26的被扭成如在现有技术中已知的交织的图案的经罗贝尔处理的线圈绞线。在已经对一堆绞线18进行了罗贝尔处理之后，这堆绞线18的顶部表面和底部表面不再平滑。这样，顶部表面24和底部表面26将具有由绞线18的罗贝尔处理引起的显著的不连续处。这些不连续处使得难以施加被称作地壁绝缘层(在下面进行讨论)的外部绝缘层。在某些实施方式中，如在图2中所示，定子线圈16还包括多个金属通风管28，所述多个金属通风管28中的每个金属通风管通过其传导诸如氢气或空气之类的冷却气体，但是本发明不受此限制。通风管28可以与定子线圈16成一体以有助于冷却绞线18。通常，通风管28彼此上下堆叠并夹入两堆或更多堆绞线18之间。在没有通风管28定位在相邻铜绞线列之间的情况下，绞线堆分离件29可以定位在铜绞线18的每列之间以使每列中的铜绞线18与每个相邻列中的铜绞线18绝缘。

参照图3，其示出一种用于例如在图2中示出的对应定子线圈16的绝缘组件25。该绝缘组件25包括填充材料层30，该填充材料层30被固化并粘结至线圈绞线18的顶部表面24和底部表面26中的每一者，从而使顶部表面24和底部表面26处的不连续处变得平滑。在一个实施方式中，填充材料30包括树脂浸渍毡，例如可以由 聚芳基酰胺纤维或 聚酯纤维制成，诺聚芳基酰胺纤维或聚酯纤维均可从杜邦公司(E.I.DuPont de Nemours&Co.Inc)得到。填充材料30大体上使通常由于绞线的罗贝尔处理(交织)所导致的顶部表面和底部表面的不连续处变得平滑。树脂可以为任意合适的树脂或环氧树脂，包括改性环氧树脂、聚酯、聚氨酯、聚酰亚胺、酰亚胺、聚醚酰亚胺、双马来酰亚胺、硅酮、聚硅氧烷、聚丁二烯、氰酸酯、碳氢化合物等以及这些树脂的组合。

如通过图3进一步示出的，绝缘组件25还包括设置在绞线18的顶部表面24上的顶部导电帽32以及设置在线圈绞线18的底部表面26上的底部导电帽34。导电帽30、34的目的在于屏蔽电压从转子12传递至填充材料30，否则可能会由于在填充材料30的硬化树脂中空隙的存在而在填充材料30中放电。如以上所说明的，定子线圈16内的空隙可以是在电测试期间或者在线圈16的操作期间的放电源。在一个实施方式中，帽32、34中的每一者在一堆线圈绞线18的相应侧部38、40上均可以包括侧向延伸部36(例如，在一个示例实施方式中具有从大约0.25英寸至大约1英寸范围内的长度)。

在某些实施方式中，如图3中所示，绝缘组件25还可以包括在填充材料30与绞线18之间的富树脂云母带隔离层42。在一个实施方式中，隔离层42构造成沿着线圈16的宽度延伸。在某些实施方式中，隔离层42还可以构造成在一堆线圈绞线18的侧部38、40中的每个侧部上均提供相应的侧向延伸部44(例如，在一个示例实施方式中具有从大约0.25英寸至大约1英寸的范围内的长度)。本发明人惊喜地发现在线圈绞线18与填充材料30之间的隔离层42的存在有助于使顶部帽32和底部帽34与线圈16的相应表面绝缘。隔离层42的存在还使线圈16的介电性能改善。

本发明人还关键地发现在每个帽32、34与填充材料30之间均添加导电条46有效地降低导电帽32、34的电阻率，使得在线圈16中不发生局部放电。导电条46可以由诸如铜或任意其他合适的导电金属或金属合金之类的任意导电材料构成。在一个实施方式中，导电条46的一个端部足够长以通过任意合适的附接技术电连接至绞线18中的至少一条绞线，附接技术诸如熔焊、铜焊、软钎焊或使用例如粘结带的粘结带之类。相反的端部可以电浮动。

如图4中所示，导电条46可以应用在绞线18的顶部24和底部26两者上。铜条46的自由端可以通过较短长度的带(未示出)来限制。另外，导电条46的相反端部47可以在线圈16的前端部52上的渐开部22或单元弯曲区域50中钎焊至线圈绞线18。

在一个实施方式中，添加导电条46有效地使顶部帽32和底部帽34上的电位与相关联的铜绞线18上的电位相等或者大致相等。此外，由于帽32、34的电阻率由于导电条46而被降低，因此导电条46对降低穿过填充材料30或线圈16的任何其他部件中的任何空隙的电压。导电条46可以为足以移除导电帽32、34上的一定量电阻的任意适当的宽度和厚度。例如，在一个实施方式中，导电条46沿着线圈16的纵向长度延伸，并且通常具有比线圈16的宽度更小的宽度。在特定的实施方式中，铜条为6mm至8mm宽并且1mm至2mm厚。

参照图3，界面带(interface tape)49围绕线圈16的的顶部表面24和底部表面26在导电帽32、34上绕一圈。界面带49与带层粘结在一起。绝缘组件25还可以包括地壁绝缘层48，该地壁绝缘层48包括可以以任何适当的圈状构型施加在导电帽32、34上的云母带54。云母带54通常包括在界面处粘结至诸如玻璃背衬层之类的背衬层的云母纸层。树脂可以为任意适当的树脂或环氧树脂，包括改性环氧树脂、聚酯、聚氨酯、聚酰亚胺、酰亚胺、聚醚酰亚胺、双马来酰亚胺、硅酮、聚硅氧烷、聚丁二烯、氰酸酯、碳氢化合物等以及这些树脂的均匀混合物。

树脂还可以包括诸如交联剂、加速剂以及其他催化剂和加工助剂之类的添加物。诸如液晶热固性材料(LCT)和1、2乙烯基聚丁二烯之类的某些树脂结合了低分子重量特点与良好的交联特性。还可以向树脂添加交联剂以对最终交联的网部的结构和部段长度分布进行处理，这可以对导热性产生积极的影响。可选地，云母带和/或浸渍树脂还可以包括在其中分散的高导热材料，例如纳米级、中间级和/或微米级大小的无机填充物、菱状涂层或具有菱状涂层的纳米级、中间级和/或微米级大小的填充物。

呈现以下示例以示出本发明的方面，但其并不意于限制任何方面。

为了说明由于如上所述地添加导电帽32、34和导电条46而引起的性能方面的改善，以下制造了试验线圈的七个顶部和七个底部：

线圈构型

1.设置绝缘电线。

2.由具有0.015英寸厚长的毛毡的两片构成的中央线圈堆叠分离件夹在两片之间。安装至线圈的直部的整个长度。安装至底部线圈上的卷曲部的端部并且距顶部线圈上的直部长度的端部3.75英寸。

3.就电线而言，线圈使用了平坦的和蝶式两种类型的绞线交叉绝缘件。用于交叉绝缘件的材料由制成。

4.线圈顶部和底部单元罗贝尔填充物包括两层：单个导电层和单个非导电层。非导电的罗贝尔填充物安置成靠近线圈表面。导电的罗贝尔填充物由涤纶毡和导电带来制造。非导电的罗贝尔填充物仅由涤纶毡来制造。

5.直部罗贝尔填充物的端部在四个位置处具有至线圈绞线的平滑过渡。

6.在罗贝尔填充物的顶部和底部两者上均施加铜条。铜条的自由端在线圈直部的位于线圈的后端上的端部处终止。该自由端通过短长度的带来限制。铜条在线圈表面上保持就位，沿线圈宽度的方向居中，沿着线圈长度通过粘结背衬带平放在线圈表面上，沿着线圈长度以每18英寸的间距安置。铜条的自由端捆有带。铜条设置在顶部帽和底部帽下方以及单元线圈弯曲部上的单一云母带层下方。(钎焊)至线圈的铜条端部连接从线圈的前端部上的单元弯曲部开始处进行。

7.铜条钎焊连接被制造成良好地绝缘以防止绞线与绞线短路。该钎焊连接通过云母带的3次缠绕来绝缘。被提升的绞线返回至初始位置。在线圈弯曲以开始线圈的端匝之前，铜条的自由端在线圈直部的端部处终止。自由端还在铜条的端部处被圆整以减小铜条的尖锐度，从而防止对其周围绝缘的切割损害。该端部还覆盖有一条粘结带。

8.在应用铜条并将其在一个端部上钎焊就位之后，单个半圈层的云母带被施加在两个线圈弯曲部上的从直部卷曲部的端部至线圈渐开部上的直部(在弯曲部之后)的单元弯曲区域中。

9.非导电罗贝尔填充物用在渐开区域中。导电条用在罗贝尔填充物上方。在线圈直部上对导电罗贝尔填充物进行电连接。该连接通过低电压欧姆表来进行检测。

10.线圈界面带施加在渐开区域中，在手动施加的云母带在单元弯曲部中的开始处终止。间隔的圈层以1英寸的圈之间的最大距离来使用。界面带尽可能平坦地铺设在线圈表面上。由导电毛毡材料制成的导电帽在线圈的直部中施加至线圈的顶部和底部两者。界面带用于帽上的粘合带。

11.在导电帽被安置在线圈的顶部和底部上之后，硬线圈界面带施加在单元区域中，并且在手动施加的云母带在单元弯曲部中的开始处终止。间隔的圈层以在1英寸的圈之间的最大距离来使用。界面带尽可能平坦地铺设在线圈表面上。

12.界面带没有施加至单元弯曲区域。地壁带为依索沃尔塔(Isovolta)180克/平方米，玻璃布(Poroband)410。地壁带被机械地施加。对每个辊进行带张力检测并保持正常的张力。

13.外电极上的导电(地壁)带为单个半圈层的导电带。端匝电压分级带/端匝均压带(ecp)为载有碳化硅的半导体的电压分级带。线圈端匝通过涤纶粘合剂固定。单个半圈层以最大1.0英寸施加ecp带。粘合剂带没有在ecp的整个长度下均施加。

14.可以使用在120℃的温度的正常预热以及VPI循环。通过按压，线圈被双重堆叠。所有线圈上的最终固化均通过加热至135℃持续2个小时的保持时间以及加热至167℃持续8个小时的保持时间来实现。最终的硬结按压件不会断开，直到达到50°为止。

参照图5，其示出10个试验线圈的功率因数测试结果。如可以观察到的，测试线圈(具有铜条)提供用于所有线圈的类似Tanδ值。

参照图6，对利用选定的线圈设计的两个试验线圈进行击穿电压测试，其中，一个线圈具有铜条而另一个线圈不具有铜条。两个线圈的击穿电压结果都非常高。线圈的典型击穿电压为大约67kVrms。具有铜条的线圈在与铜条不关联的位置处发生故障。不具有铜条的线圈在距单元区域中的线圈中心线6英寸处发生故障。在单元弯曲区域中都没有发生击穿电压故障。

参见图7，其示出试验线圈的初始功率因数增量结果。关键地，功率因数的所有初始值远小于0.03的限值。参照图8和图9，其分别示出具有0.0025和0.005的上限的试验线圈的功率因数增量数据。

对两个线圈的耐压测试结果

在使用铜条的两个线圈上进行长时间的耐压测试。这两个线圈可以辨别为如下：线圈#15262950-051T01和线圈#15253018-015B02。通过将这两个线圈系在加热器板上，线圈部段被加热至110℃并以40kV放置在电压测试件上。所产生VE数据以图10中的曲线的形式示出。两个测试线圈均通过了400个小时的2E耐压要求。线圈015在562.38小时之后发生故障，并且线圈051在1073.42个小时之后发生故障。这在运行应力水平下转换为40年电寿命。

对定子线圈的其他测试(ECP电阻测试)

由于试验线圈被固化较长的时间，因此检测ecp电阻以确定其没有超出高端的范围，因为线圈承受的较长的硬结时间。一个线圈被选择用于使用高电压DC电压供给并测量线圈的两端处的ecp电阻的测试。所测试的线圈为线圈15253008-005B01。ecp的DC电阻在前端部上测量为1927兆欧姆/平方并且在后端部上为1455兆欧姆/平方。这两个值都是可以接受的。

ECP AC电压分布

在线圈的前端部和后端部上均对AC电压分布进行测量以便能够估计在完成的绕组的高电位测试期间相邻线圈之间的电压。所测试的线圈为线圈15253008-005B01。利用该数据以及并排线圈的ecp曲线，在将1.15(2E+1)kVrms＝47.15kV的测试电压施加至线圈时，线圈之间所估计的最大电压为大约16kVrms。在芯模型中的5S4R3 216线圈以及根据要求所设定的线圈端部的情况下，在ecp区域中相邻线圈之间的通风空间被测量为在两个端部上从0.50”至0.90”。在穿过0.50”的最小测量间隙的16kV的最大电压的情况下，随后在高电压(hi-pot)测试期间相邻线圈之间不会产生闪络(flashover)。

就在3个并排线圈以及施加至所有这三个线的48kVrms的情况下的实际测试结果而言，在相邻的线圈之间或者沿着线圈的长度没有发生可视的或可听的沿面放电。在ecp的外端部处可以观察到具有电晕范围的一些电晕活动。在相邻线圈之间没有发生闪络。一个顶部线圈和两个底部线圈安置在模型中，其中顶部与底部在ecp区域中交叉。以48kV的电压水平重复进行测试。在线圈中的任意线圈之间均没有发生沿面放电或闪络。在ecp区域的外端部处观察到具有电晕范围的一些电晕活动。并排线圈以及上/下线圈将通过所要求的高电位测试水平。

对110个产品线圈进行测试并且所有这些线圈均通过了ITS474626功率因数要求。图11示出来自110个线圈的19个线圈的样本曲线的功率因数数据。

图12-13示出108个成品线圈的全组的功率因数增量的正态分布。图12示出该设计的顶部线圈的功率因数增量结果的曲线图。如所示出地，所有54个线圈均通过了要求。类似地，图13为用于该设计的底部线圈的功率因数增量结果的曲线图。如所示出地，所有54个线圈均通过了要求。

尽管本文中已经示出并描述了本发明的各种实施方式，但是明显的是这些实施方式仅以示例的方式来提供。在不背离本文中的本发明的情况下可以进行多种修改、改变和替换。因此，意图在于本发明仅受到所附权利要求的主旨和范围的限制。

Claims (14)

1.一种绝缘定子线圈，其包括：

多条线圈绞线，所述多条线圈绞线具有顶部表面和底部表面；

填充材料，所述填充材料设置在所述多条线圈绞线的所述顶部表面和所述底部表面上，以使所述顶部表面和所述底部表面处的不连续处变得平滑；

导电帽，所述导电帽设置在所述多条线圈绞线的所述顶部表面和所述底部表面中的每一者之上；以及

导电条，所述导电条设置在所述填充材料与每个相应的导电帽之间，所述导电条有效地降低所述导电帽的电阻率，使得在所述绝缘定子线圈中不发生局部放电。

2.根据权利要求1所述的绝缘定子线圈，其还包括在所述绝缘定子线圈上围绕所述导电帽并形成外层的地壁绝缘层。

3.根据权利要求1所述的绝缘定子线圈，其中，所述填充材料包括由浸渍有环氧树脂粘合剂的纤维材料形成的复合物。

4.根据权利要求1所述的绝缘定子线圈，其中，所述导电条由铜或铜合金形成。

5.根据权利要求1所述的绝缘定子线圈，其中，所述导电条具有6mm至8mm的宽度以及大约1mm的厚度。

6.根据权利要求1所述的绝缘定子线圈，其中，所述导电条的第一端部电连接至所述多条线圈绞线中的至少一条线圈绞线，并且第二端部是自由的。

7.根据权利要求1所述的绝缘定子线圈，其中，所述导电条定尺寸成具有比所述多条线圈绞线的宽度更小的宽度。

8.一种用于定子线圈的绝缘组件，所述绝缘组件包括：

填充材料，所述填充材料设置在多条线圈绞线的顶部表面和底部表面上，以使所述顶部表面和所述底部表面处的不连续处变得平滑；

导电帽，所述导电帽设置在所述多条线圈绞线的所述顶部表面和所述底部表面中的每一者之上；以及

导电条，所述导电条设置在所述填充材料与每个相应的导电帽之间，所述导电条有效地降低所述导电帽的电阻率，使得在绝缘定子线圈中不发生局部放电。

9.根据权利要求8所述的绝缘组件，其还包括在所述绝缘定子线圈上围绕所述导电帽并形成外层的地壁绝缘层。

10.根据权利要求8所述的绝缘组件，其中，所述填充材料包括由浸渍有环氧树脂粘合剂的纤维材料形成的复合物。

11.根据权利要求8所述的绝缘组件，其中，所述导电条由铜或铜合金形成。

12.根据权利要求8所述的绝缘组件，其中，所述导电条具有6mm至8mm的宽度以及大约1mm的厚度。

13.根据权利要求8所述的绝缘组件，其中，所述导电条的第一端部电连接至所述多条线圈绞线中的至少一条线圈绞线，并且第二端部是自由的。

14.根据权利要求1所述的绝缘组件，其中，所述导电条定尺寸成具有比所述多条线圈绞线的宽度更小的宽度。