SE521011C2

SE521011C2 - Rotating electric machine having high-voltage windings, e.g generator in power station for generating electric power

Info

Publication number: SE521011C2
Application number: SE9700361A
Authority: SE
Inventors: Anders Bjoerklund; Goeran Holmstroem; Anne-Marie Imrell; Peter Carstensen; Mats Leijon; Bertil Larsson
Original assignee: Abb Ab
Priority date: 1997-02-03
Filing date: 1997-02-03
Publication date: 2003-09-23
Also published as: SE9700361L; SE9700361D0

Abstract

The rotating electric machine comprises a stator with windings [6] drawn through slots [5] in the stator at least one of the windings utilising an insulation system. This insulation system comprises at least two semiconducting layers, each layer essentially constituting an equipotential surface with a solid insulation between these layers. The slots are arranged such that a casting compound in fluid or semi-fluid form may be injected so as to at least partially fill the slots with this casting compound.

Description

20 25 30 35 521 011 2 avser kylning, vibrationer och egensvängningar i härvänds- region, tänder och lindning. 20 25 30 35 521 011 2 refers to cooling, vibrations and natural oscillations in the reversal region, teeth and winding.

Fastsättningen av kabeln i spåret är också ett problem - kabeln måste kunna föras in i spåret utan att dess ytskikt skadas. Kabeln utsätts för strömkrafter med frek- vensen 100 Hz vilket gör den vibrationsbenägen, och förutom tillverkningstoleranser vad avser ytterdiameter kommer också dessa dimensioner att variera med temperaturvariationer (dvs. belastningsvariationer).The attachment of the cable to the groove is also a problem - the cable must be able to be inserted into the groove without damaging its surface layer. The cable is exposed to current forces with a frequency of 100 Hz, which makes it prone to vibration, and in addition to manufacturing tolerances in terms of outer diameter, these dimensions will also vary with temperature variations (ie load variations).

Ehuru den allt dominerande tekniken vid leverans av ström till högspända nät för transmission, substransmission och distribution, är att såsom inledningsvis nämnts införa en transformator mellan generatorn och kraftnätet, så är det förut känt att söka eliminera transformatorn genom att gene- rera spänningen direkt vid nätets nivå. En sådan generator beskrivs exempelvis i US-4 429 244, US-4 164 672 och US 3 743 867.Although the predominant technique for supplying power to high voltage networks for transmission, sub-transmission and distribution is to, as mentioned in the introduction, insert a transformer between the generator and the power grid, it is previously known to seek to eliminate the transformer by generating the voltage directly at the grid. level. Such a generator is described, for example, in U.S. 4,429,244, U.S. 4,164,672 and U.S. 3,743,867.

Föreliggande uppfinning är relaterad till de ovan nämnda problemen förknippade med att undvika skador på kabelns yta vid införandet i statorspåren och undvika nötning mot ytan p.g.a. vibrationer under drift. Spåret genom vilket kabeln föres in är förhållandevis ojämnt eller skrovligt på grund av att det i praktiken är mycket svårt att styra läget för plåtarna tillräckligt exakt för att få en helt jämn yta.The present invention is related to the above-mentioned problems associated with avoiding damage to the surface of the cable when inserted into the stator grooves and avoiding abrasion against the surface due to vibrations during operation. The groove through which the cable is inserted is relatively uneven or rough due to the fact that in practice it is very difficult to control the position of the plates precisely enough to obtain a completely smooth surface.

Den skrovliga ytan uppvisar skarpa kanter, vilka kan "hyvla av" delar av det kabeln omgivande halvledarskiktet. Vid driftspänning leder detta till glimning och genomslag.The rough surface has sharp edges, which can "plan off" parts of the semiconductor layer surrounding the cable. At operating voltage, this leads to glare and breakthrough.

Då kabeln är placerad i spåret och fullgott in- spänd finns under drift ingen risk för skador. En fullgod inspänning innebär att verkande krafter (i första hand radiellt verkande strömkrafter med dubbla nätfrekvenser (inte orsakar vibrationer som ger en nötning av halvledarytan. Den yttre halvledaren måste alltså vara skyddad mot mekanisk påverkan även under drift.As the cable is placed in the groove and fully clamped, there is no risk of damage during operation. A sufficient input voltage means that acting forces (primarily radially acting current forces with double mains frequencies) do not cause vibrations that cause abrasion of the semiconductor surface. The outer semiconductor must therefore be protected against mechanical impact even during operation.

Vid drift utsättes kabeln dessutom för termisk belastning så att PEX-materialet expanderar. Diametern för t.ex. en 145 kV PEX-kabel ökar ca 1,5 mm vid en temperatur- 10 15 20 25 30 35 521 011 3 höjning från 20 till 70°. Kabeln måste därför ges utrymme för termisk expansion. Ändamålet är mot denna bakgrund att lösa dessa problem förknippade med att åstadkomma en maskin av det aktuella slaget så att kabeln ej utsättes för mekanisk skada vid lindningen eller under drift till följd av vibrationer och som medger termisk expansion av kabeln. Att lösa detta skulle bl.a. göra det möjligt att använda kablarna som inte har ett mekaniskt skyddande yttre skikt. Då utgöres kabelns ytskikt av ett tunt halvledarmaterial som är känsligt för mekanisk påverkan.During operation, the cable is also subjected to thermal stress so that the PEX material expands. The diameter of e.g. a 145 kV PEX cable increases by about 1.5 mm at a temperature increase from 20 to 70 °. The cable must therefore be given space for thermal expansion. Against this background, the purpose is to solve these problems associated with providing a machine of the type in question so that the cable is not subjected to mechanical damage during winding or during operation due to vibrations and which allows thermal expansion of the cable. To solve this would i.a. make it possible to use the cables that do not have a mechanically protective outer layer. Then the surface layer of the cable consists of a thin semiconductor material that is sensitive to mechanical impact.

Detta har enligt en första aspekt av uppfinningen ernåtts genom att en maskin av det i patentkravets 1 ingress angivna slaget uppvisar de speciella särdrag som anges i kravets kännetecknande del.This has been achieved according to a first aspect of the invention in that a machine of the type stated in the preamble of claim 1 has the special features stated in the characterizing part of the claim.

Tack vare gjutmassan kommer högspänningskabeln att vara fixerad utefter sin längd så att vibrationsproblemen nedbringas. Därvid kan man se till att vibrationerna ej genererar egensvängningar i vissa kritiska frekvensområden.Thanks to the casting compound, the high-voltage cable will be fixed along its length so that the vibration problems are reduced. In this case, it can be ensured that the vibrations do not generate natural oscillations in certain critical frequency ranges.

Speciellt bör egensvängningar av frekvensen 100 Hz undvikas.In particular, natural oscillations of the frequency 100 Hz should be avoided.

Uppfinningen är i första hand tänkt att användas vid och dess fördelar blir speciellt framträdande i samband med en högspänningskabel som är uppbyggd av en inre kärna med ett flertal kardeler, ett inre halvledande skikt, ett utanför detta beläget isolerande skikt och ett utanför det senare beläget yttre halvledande skikt, speciellt i storleksord- ningen 20 - 200 mm i diameter och 80 - 3000 mmz ledningsarea.The invention is primarily intended to be used in and its advantages become particularly prominent in connection with a high-voltage cable which is built up of an inner core with a plurality of strands, an inner semiconducting layer, an insulating layer located outside this and an outer layer located outside the latter. semiconducting layers, especially in the order of 20 - 200 mm in diameter and 80 - 3000 mmz lead area.

Sålunda utgör applikationen vid sådana kablar föredragna utföringsformer av uppfinningen.Thus, the application to such cables constitutes preferred embodiments of the invention.

Vid en föredragen utföringsform av den uppfunna maskinen är gjutmassan elastisk. Därmed kan den fjärdra undan för kabelns termiska expansion under drift utan att defor- meras plastiskt.In a preferred embodiment of the invented machine, the casting compound is elastic. This allows it to escape the thermal expansion of the cable during operation without being plastically deformed.

Vid ett effektivt och tillverkningsmässigt ända- målsenligt utförande är elasticiteten åstadkommen genom att massan innehåller gasblåsor.In an efficient and manufacturing-efficient design, the elasticity is achieved by the pulp containing gas bubbles.

Vid en föredragen utföringsform utgöres massan av 10 15 20 25 30 35 521% 011 4 silikon- eller polyuretanmassa, som har för ändamålet lämp- liga egenskaper vad gäller elasticitet och porbildningsför- måga.In a preferred embodiment, the pulp consists of silicone or polyurethane pulp, which has suitable properties for the purpose in terms of elasticity and pore-forming ability.

Spåren bör vara försedda med tätningsorgan vid den ena eller båda av statorns ändytor. Därmed förhindras att gjutmassa kan läcka ut innan den stelnat.The grooves should be provided with sealing means at one or both of the end faces of the stator. This prevents casting compound from leaking before it solidifies.

Ovan angivna och andra fördelaktiga utföringsformer av den uppfunna maskinen anges i de av patentkravet 1 bero- ende underkraven.The above and other advantageous embodiments of the invented machine are stated in the subclaims dependent on claim 1.

Ur en andra aspekt av uppfinningen har ändamålet ernåtts genom att ett förfarande av det i patentkravets 9 ingress angivna slaget innefattar de speciella åtgärder som anges i detta kravs kännetecknande del. Förfarandet möjliggör på ett ändamålsenligt sätt att åstadkomma den eftersträvade gjutmassan kring kablarna i spåren.From a second aspect of the invention, the object has been achieved in that a method of the kind stated in the preamble of claim 9 comprises the special measures stated in the characterizing part of this claim. The method makes it possible in an expedient manner to achieve the desired casting mass around the cables in the grooves.

Som gjutmassa införes enligt en föredragen ut- föringsform en massa som har den egenskapen att den efter en tid stelnar, företrädesvis under bildande av gasporer. På detta sätt kan en eftersträvad elasticitet enkelt åstadkommas hos gjutmassan.As a molding compound, according to a preferred embodiment, a compound is introduced which has the property that it solidifies after a time, preferably during the formation of gas pores. In this way, a desired elasticity can be easily achieved with the casting compound.

Vid en föredragen utföringsform är vidare spåren försedda med tätningsorgan anordnade vid statorns ändytor.In a preferred embodiment, the grooves are further provided with sealing means arranged at the end surfaces of the stator.

Därigenom undvikes att massan under insprutningen riskerar att läcka ut axiellt.This avoids the risk of the mass leaking axially during injection.

Vid ytterligare en föredragen utföringsform in- sprutas massan i vardera spår genom en radiell insprutnings- öppning mynnande i statorns inåtriktade mantelyta och kom- municerande med en radiell kanal förbunden med spåret.In a further preferred embodiment, the mass is injected into each groove through a radial injection opening opening into the inwardly directed mantle surface of the stator and communicating with a radial channel connected to the groove.

Ovan angivna och andra fördelaktiga utföringsformer av det uppfunna förfarandet anges i de av patentkravet 9 beroende underkraven.The above and other advantageous embodiments of the invented method are set out in the subclaims dependent on claim 9.

Uppfinningen förklaras närmare genom efterföljande detaljerade beskrivning av en föredragen utföringsform av densamma under hänvisning till medföljande ritningar av vilka fig. 1 är en schematisk ändvy av en sektor av statorn hos maskinen enligt uppfinningen, fig. 2 är ett tvärsnitt genom en kabel använd i 10 15 20 25 30 735 521 011 maskinen enligt uppfinningen, fig. 3 är ett radialsnitt genom en detalj av statorn hos en maskin enligt uppfinningen, fig. 4 är ett delsnitt längs linjen IV-IV i fig. 3.The invention is explained in more detail by the following detailed description of a preferred embodiment thereof the same with reference to the accompanying drawings of which Fig. 1 is a schematic end view of a sector of the stator of the machine according to the invention, Fig. 2 is a cross section through a cable used in Fig. 3 is a radial section through a detail of the stator of a machine according to the invention, Fig. 4 is a partial section along the line IV-IV in Fig. 3.

I den schematiska axialvyn i fig. 1 genom en sektor av maskinens stator 1 är dess rotor betecknad med 2. Statorn är på konventionellt sätt sammansatt av en laminerad kärna av elektroplåt. Figuren visar en sektor av maskinen motsvarande en poldelning. Från ett radiellt ytterst beläget ryggparti 3 av kärnan sträcker sig ett antal tänder 4 radiellt in mot rotorn 2, vilka åtskiljes av spår 5 i vilka statorlindningen är anordnad. Kablarna 6 i lindningarna är högspänningskablar som kan vara i huvudsak samma slag av högspända kablar som användes för kraftdistribution, s.k. PEX-kablar. En skillnad är att det yttre mekaniskt skyddande höljet samt metallskär- men som normalt omger en sådan är eliminerat så att kabeln endast innefattar ledaren, ett inre halvledande skikt, ett isolerskikt samt ett yttre halvledarskikt. På kabelns yta ligger således det för mekanisk åverkan känsliga halvledar- skikt naket.In the schematic axial view in Fig. 1 through a sector of the stator 1 of the machine, its rotor is denoted by 2. The stator is conventionally composed of a laminated core of electroplate. The figure shows a sector of the machine corresponding to a pole division. From a radially outermost ridge portion 3 of the core a number of teeth 4 extend radially towards the rotor 2, which are separated by grooves 5 in which the stator winding is arranged. The cables 6 in the windings are high-voltage cables which can be essentially the same kind of high-voltage cables used for power distribution, so-called PEX cables. One difference is that the outer mechanically protective housing and the metal shield that normally surrounds one are eliminated so that the cable only comprises the conductor, an inner semiconductor layer, an insulating layer and an outer semiconductor layer. On the surface of the cable, the semiconductor layer sensitive to mechanical damage is thus bare.

I figuren är kablarna 6 schematiskt återgivna i det att endast respektive kabeldels eller härvsidas ledande centrala del är utritad. Som framgår har vardera spår 5 varierande tvärsnitt med omväxlande vida 7 och trånga 8 partier. De vida partierna 7 är i huvudsak cirkulära och omger kabelföringarna varvid midjepartier mellan dessa bildar trånga partier 8. Midjepartierna tjänar till att radiellt fixera varje kabelförings läge. Spårets tvärsnitt är dessutom i sin helhet något avsmalnande radiellt inåt. Detta för att spänningen på kabelföringarna är lägre ju närmare statorns radiella inre del de är belägna. Klenare kabeldelar kan därför användas där medan allt grövre blir nödvändiga längre ut. I det illustrerade exemplet användes kablar av tre olika dimensioner, anordnade i tre i överensstämmelse därmed dimensionerade sektioner 9, 10, 11 av spåren 5.In the figure, the cables 6 are schematically represented in that only the respective central part of the respective cable part or winding side is drawn. As can be seen, each groove 5 has varying cross-sections with alternating wide 7 and narrow 8 portions. The wide portions 7 are substantially circular and surround the cable guides, waist portions between them forming narrow portions 8. The waist portions serve to radially fix the position of each cable guide. In addition, the cross section of the groove as a whole is slightly tapered radially inwards. This is because the voltage on the cable leads is lower the closer to the radial inner part of the stator they are located. Smaller cable parts can therefore be used there while increasingly coarser ones become necessary further out. In the illustrated example, cables of three different dimensions are used, arranged in three correspondingly dimensioned sections 9, 10, 11 of the grooves 5.

I fig. 2 visas en tvärsnittsvy på en högspännings- kabel 6 enligt föreliggande uppfinning. Högspänningskabeln 6 10 15 20 25 30 35 521011 6 innefattar ett antal kardeler 31 med cirkulärt tvärsnitt av exempelvis koppar (Cu). Dessa kardeler 31 är anordnade i mitten av högspänningskabeln 6. Runt kardelerna 31 finns an- ordnat ett första halvledande skikt 32. Runt det första halv- ledande skiktet 32 finns anordnat ett isolationsskikt 33, t.ex. PEX-isolation. Runt isolationsskiktet 33 finns anordnat ett andra halvledande skikt 34. Begreppet högspänningskabel i föreliggande ansökan behöver således ej innefatta den metal- liska skärm och det yttre skyddshölje som normalt omger en dylik kabel vid kraftdistribution.Fig. 2 shows a cross-sectional view of a high voltage cable 6 according to the present invention. The high-voltage cable 6 comprises a number of strands 31 with a circular cross-section of, for example, copper (Cu). These strands 31 are arranged in the middle of the high-voltage cable 6. A first semiconducting layer 32 is arranged around the strands 31. An insulating layer 33 is arranged around the first semiconducting layer 32, e.g. PEX insulation. Arranged around the insulating layer 33 is a second semiconducting layer 34. The term high-voltage cable in the present application thus need not comprise the metallic shield and the outer protective sheath which normally surrounds such a cable during power distribution.

Figur 3 är ett radiellt delsnitt genom den radiellt inre delen av ett spår, där snittet är taget genom statorns ena ändplatta 15. Utmed_spårets 5 ena vägg i ändplattan löper en kanal 12 som sträcker sig längs spårets hela radiella ut- sträckning och är öppen mot spåret så att den kommunicerar med alla mellanrum som bildas mellan kabelgenomföringarna.Figure 3 is a radial partial section through the radially inner part of a groove, where the section is taken through one end plate 15 of the stator. so that it communicates with any gaps formed between the cable glands.

Spåret 5 och kanalerna 12 är fyllda med skummad silikon- eller polyuretanmassa där gasporerna upptar ca 50-60 % av massans volym. Kabeln 6 är därigenom väl fixerad i spåret 5 och dess termiska expansion kan tas upp av massan som p.g.a. porerna är elastisk.The groove 5 and the channels 12 are filled with foamed silicone or polyurethane mass where the gas pores occupy about 50-60% of the volume of the mass. The cable 6 is thereby well fixed in the groove 5 and its thermal expansion can be taken up by the mass which due to the pores are elastic.

Fig. 4 är ett snitt längs linjen IV-IV i fig. 3 genom dess ändplatta 15 och den intilliggande delen av lampellpaketet 16.Fig. 4 is a section along the line IV-IV in Fig. 3 through its end plate 15 and the adjacent part of the lamp package 16.

Spåret 5 är såsom framgår av figur 4 försett med ett tätningsorgan 14 som tätar runt kablarna 6 vid utträdet ur statorn. I ändplattan 15 är en radiell borrning 13 upptagen som kommunicerar med kanalen 12 och som mynnar i statorns inåtriktade mantelyta 17.As shown in Figure 4, the groove 5 is provided with a sealing member 14 which seals around the cables 6 when exiting the stator. A radial bore 13 is received in the end plate 15 which communicates with the channel 12 and which opens into the inwardly directed outer surface 17 of the stator.

Gjutmassan sprutas in i flytande eller halvflytande tillstånd genom den radiella borrningen 13 och via denna ut i den radiella kanalen 12.The casting mass is injected into the liquid or semi-liquid state through the radial bore 13 and via this out into the radial channel 12.

Den radiella kanalen 12 distribuerar gjutmassan ut till alla spårets kabelgenomföringar och gjutmassan flyter från kanalen 12 vidare axiellt i pilens A riktning längs kablarna så att det når ut även utefter spårets hela axiella utsträckning. Gjutmassan förhindras att läcka ut genom 10 15 20 25 30 35 521 011 7 tätningsorganet 14 och ett likadant anordnat tätningsorgan i ändplattan vid statorns andra ände. Då spåret är fyllt med gjutmassa får denna stelna varvid gasblåsor bildas i denna så att den får den eftersträvade elasticiteten.The radial channel 12 distributes the casting mass out to all the cable glands of the groove and the casting mass flows from the channel 12 further axially in the direction of the arrow A along the cables so that it reaches out along the entire axial extent of the groove. The casting mass is prevented from leaking out through the sealing means 14 and a similarly arranged sealing means in the end plate at the other end of the stator. When the groove is filled with casting compound, it is allowed to solidify, whereby gas bubbles are formed in it so that it has the desired elasticity.

Claims

10 15 20 25 30 35 521011 PATENT REQUIREMENTS

A rotating electric machine comprising a stator (1) with windings drawn through grooves (5) in the stator, characterized in that the windings consist of a high-voltage cable (6) and that the grooves are at least partially filled with a casting compound.

A rotary electric machine according to claim 1, wherein the cable (6) is of a type comprising a core having a plurality of strands (31), a core enclosing inner semiconductor layer (32), an insulating layer enclosing the inner semiconducting layer ( 33) and an outer semiconductor layer (34) enclosing the insulating layer (33).

A rotary electric machine according to claim 1 or 2, wherein the cable (6) has a diameter in the range 20 - 200 mm and a line area in the range 80 - 3000 mmz.

A rotary electric machine according to any one of claims 1 to 3, wherein said casting compound is elastic.

A rotary electric machine according to claim 4, wherein the casting mass contains gas bubbles for producing said elasticity.

A rotary electric machine according to claim 5, wherein the gas bubbles constitute 40 - 70%, preferably 50 - 60% of the total volume of the casting mass.

A rotary electric machine according to any one of claims 1 to 6, wherein the molding compound is a silicone or polyurethane compound.

Rotary electric machine according to one of Claims 1 to 7, in which the grooves (5) are provided with sealing means (14) at least at one end surface of the stator (1). | »,. . . 10 15 20 25 30 35 521 011 9

9. A method of manufacturing a rotating electric machine comprising a stator with windings drawn through grooves in the stator, characterized in that the stator is wound with a high voltage cable and then a casting mass is introduced into the grooves in a liquid or semi-liquid state.

A method according to claim 9, wherein the pulp is made to solidify after it has been introduced into the grooves.

A method according to claim 10, wherein the mass is caused to solidify to form gas bubbles therein.

A method according to any one of claims 9 to 11, wherein sealing means are applied in the grooves adjacent to at least one end surface of the stator.

A method according to claim 12, wherein the sealing means are applied before the stator is wound.

A method according to any one of claims 9 to 13, wherein the mass is introduced through at least one radial channel arranged next to one wall of each track and communicating with the track.

A method according to claim 14, wherein said radial channel is arranged in an end plate of the stator.

A method according to claim 14 or 15, wherein the mass is introduced through a radial injection opening opening into the inwardly directed mantle surface of the stator, which opening communicates with said channel.