DE29780444U1

DE29780444U1 - Vorrichtung zum Erden isolierter Leiter in einer elektrischen Maschine

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Publication number: DE29780444U1
Application number: DE29780444U
Authority: DE
Original assignee: Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1996-05-29
Filing date: 1997-05-27
Publication date: 1999-05-20
Anticipated expiration: 2007-05-28
Also published as: WO1997045929A2; WO1997045929A3; AU2988997A

Description

Technisches Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erden isolierter Leiter in einer elektrischen Maschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Die Erfindung betrifft auch eine drehende elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.

Die betrachteten Maschinentypen können z.B. Synchronmaschinen, Doppelspeisungsmaschinen, Anwendungen in asynchronen statischen Stromwandler-Käskaden, Außenpol-Maschinen und synchrone Flußmaschinen und auch Wechselstrommaschinen sein.

Die Maschine und die Vorrichtung sind primär als ein Generator und für einen Generator in einem Kraftwerk zum Erzeugen elektrischer Energie vorgesehen. Die Maschine und die Vorrichtung sind zur Verwendung mit Hochspannungen vorgesehen.

Hochspannungen werden hier derart verstanden, daß primär elektrische Spannungen über 10 kV betrachtet werden. Ein typischer Betriebsbereich kann von 3 6 bis 800 kV reichen, vorzugsweise von 72,5 bis 800 kV.

Der magnetische Schaltkreis, der in diesem Zusammenhang betrachtet wird, umfaßt einen Magnetkern aus einem laminierten, unausgerichteten oder ausgerichteten Blech oder einem anderen Material, z.B. amorphem oder auf einem Pulver basierendem Material, oder irgendeine andere Anordnung für den Zweck, daß ein magnetischer Wechselfluß, eine Wicklung und ein Kühlsystem usw. ermöglicht wird, die in dem Stator der Maschine, in dem Rotor oder in beiden angeordnet sein können.

Hintergrund der Erfindung

Eine allgemeine Bemühung bezüglich den betreffenden Maschinentypen besteht...darin, die äußere Isolationsschicht von isolierten Leitern/Kabeln nahe an dem Erdepotential zu halten. Dies kann üblicherweise durch Anbringungspunkte bzw. Stellen zum Aufhängen der Kabel an dem Verteilungsnetzwerk oder zum Anbringen des Kabels bei Verwendung in oder in Verbindung mit verschiedenen elektrischen Maschinen erreicht werden.

Bekannte Statorwicklungen für Generatoren werden herkömmlich derart hergestellt, daß ihre äußeren Oberflächen auf Erdepotential innerhalb des laminierten Stapels gehalten werden, aber weit außen im Bereich ihrer Endwicklungen darf das Oberflächenpotential schwimmen. Normalerweise sind Statorwicklungen der bekannten Generatoren mit einem hohen Widerstand geerdet.

Maschinen des betrachteten Typs sind herkömmlicherweise für Spannungen im Bereich zwischen 6 bis 3 0 kV konstruiert worden und 3 0 kV sind normalerweise als oberste Grenze betrachtet worden. Dies bedeutet für gewöhnlich, daß ein Generator mit dem Stromversorgungsnetzwerk über einen Transformator verbunden sein muß, der die Spannung auf das Niveau des Stromversorgungsnetzwerks erhöht bzw. hochtransformiert - im Bereich von ungefähr 100 bis 400 kV.

Während der letzten Jahrzehnte sind zunehmende Anforderungen an drehende elektrische Maschine nach höheren Spannungen als die zuvor konstruktiv möglichen gestellt worden. Der maximale Spannungswert, der gemäß dem Stand der Technik für Synchronmaschinen mit einem guten Wirkungsgrad oder einer guten Ausbeute in der Spulenherstellung möglich war zu erreichen, beträgt 25 bis 30 kV. Es ist auch allgemein bekannt, daß die Verbindung einer Synchronmaschine oder eines Generators mit einem Stromversorgungsnetzwerk über

einen /Y-verbundenen, sogenannten Erhöhungstransformator bzw. Step-up-Transformator stattfinden muß, da die Spannung des Stromversorgungsnetzwerks normalerweise auf einem höheren Niveau als die Spannung der drehenden elektrischen Maschine liegt. Dieser Transformator und diese Synchronmaschine bilden deshalb integrale Bestandteile einer Installation. Der Transformator bildet extra Kosten und hat auch den Nachteil, daß der Gesamtwirkungsgrad des Systems vermindert wird. Wenn es möglich wäre, Maschinen für erheblich höhere Spannungen herzustellen, könnte der Erhöhungstransformator somit weggelassen werden.

Versuche, einen Generator für höhere Spannungen zu entwickeln, sind jedoch für lange Zeit unternommen worden. Dies ist z.B. aus "Electrical World", Oktober 15, 1932, Seiten 524 bis 525, offensichtlich. Dieses Dokument beschreibt, wie ein Generator, der von Parson 1929 konstruiert wurde, für 33 kV ausgelegt wurde. Es beschreibt auch einen Generator in Langerbrugge, Belgien, der eine Spannung von 36 kV erzeugt. Obwohl der Artikel auch über die Möglichkeit einer noch weiteren Anhebung der Spannungswerte spekuliert, beschränkte sich die Entwicklung auf die Konzepte, auf denen diese Generatoren beruhten. Dies lag primär an den Mangeln des Isolationssytems, in dem lackimprägnierte Schichten aus Glimmer(Mica)-Öl und Papier in mehreren getrennten Schichten verwendet wurden.

Bestimmte Versuche bezüglich einer neuen Lösung betreffend die Konstruktion von Synchronmaschinen, werden unter anderem in einem Artikel mit dem Titel "Mit Wasser und Öl gekühlter Turbogenerator TVM-300" in J. Elektrotechnika, Nr. 1, 1970, Seiten 6 bis 8, in der US 4,429,244 "Stator eines Generators" und in dem russischen Patentdokument CCCP Patent 955369 beschrieben.

Die wasser- und ölgekühlte Synchronmaschine, die in J. Elektrotechnika beschrieben ist, ist für Spannungen bis zu

20 kV vorgesehen. Der Artikel beschreibt ein neues Isolationssystem, das aus einer Öl/Papier-Isolation besteht, die
es ermöglicht, den Stator vollständig in das Öl einzutauchen.
Das Öl kann dann als Kühlmittel verwendet werden,
während es gleichzeitig als Isolation verwendet wird. Um zu verhindern, daß das Öl in dem Stator in den Rotor hinein
ausleckt, ist ein dielektrischer, öl-trennender Ring an der inneren Oberfläche des Kerns vorgesehen. Die Statorwicklung besteht aus Leitern mit einer ovalen, hohlen Form, die mit
einer Öl- und Papierisolation versehen sind. Die Spulenseiten mit ihrer Isolation sind an den Schlitzen, die mit
einem rechtwinkligen Querschnitt ausgeführt sind, mittels
Keilen gesichert. Als Kühlmittel wird Öl in den hohlen Leitern und in den Löchern in den Statorwänden verwendet. Ein
solches Kühlsystem benötigt jedoch eine große Anzahl von
Verbindungen für sowohl das Öl als auch die Elektrizität an den Endwicklungen. Die dicke Isolation erfordert auch einen größeren Biegeradius der Leiter, was wiederum in einer Vergrößerung des Spulenkopfs resultiert.

Das oben erwähnte US-Patent betrifft den Statorteil einer
Synchronmaschine, der einen Magnetkern aus laminiertem
Blech mit dreieckigen Schlitzen für die Statorwicklung umfaßt.
Die Schlitze sind konisch zulaufend, da das Erfordernis der Isolierung der Statorwicklung in Richtung zum Rotorinnern hin geringer ist, wo der Teil der Wicklung sich befindet, der am nächsten zum neutralen Punkt angeordnet ist. Zudem umfaßt der Statorteil einen dielektrischen, öl-trennenden
Zylinder oder Ring, ganz nahe an der inneren Oberfläche
des Kerns, der das Magnetisierungserfordernis bezüglich einer Maschine ohne diesen Ring erhöhen kann. Die Statorwicklung ist aus öl-getauchten Kabeln mit dem gleichen
Durchmesser für jede Spulenschicht hergestellt. Die Schichten sind voneinander mittels Abstandshaltern in den Schlitzen getrennt und durch Keile gesichert. Speziell für die
Wicklung ist, daß sie zwei sogenannte Halbwicklungen umfaßt,
die in Serie verbunden sind. Eine der beiden Halb-

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wicklungen befindet sich zentriert innerhalb einer Isolationsbuchse bzw. -hülle. Die Leiter der Statorwicklung werden durch umgebendes Öl gekühlt. Die Nachteile bei einer solch großen Menge von Öl in dem System sind das Risiko einer Leckage und eine erhebliche Menge von Reinigungsarbeit, die sich bei einem Fehlerzustand ergeben kann. Jene Teile der Isolationsbuchse, die sich außerhalb der Schlitze befinden, haben ein zylindrisches Teil und ein konisches Ende, das mit stromleitenden Schichten verstärkt ist, deren Zweck darin besteht, die elektrische Feldstärke in dem Bereich zu steuern, wo das Kabel in die Endwicklung eintritt.

Aus der CCCP 955369 geht es bezüglich eines weiteren Versuchs, die Gesamtspannung der Synchronmaschine zu erhöhen, klar hervor, daß die öl-gekühlte Statorwicklung einen herkömmlich isolierten Leiter für eine mittlere Spannung mit der gleichen Abmessung für alle Schichten aufweist. Der Leiter ist in den Statorschlitzen angeordnet, die als kreisförmige, radial angeordnete Öffnungen, die der Querschnitt sf lache des Leiters entsprechen, und mit dem notwendigen Raum für die Befestigung und für das Kühlmittel ausgebildet sind. Die unterschiedlichen, radial angeordneten Schichten der Wicklung sind durch isolierte Röhren umgeben und befestigt. Isolationsabstandshalter fixieren die Röhren im Statorschlitz. Aufgrund der Ölkühlung wird hier auch ein innerer, dielektrischer Ring für das Abdichten des Kühlmittels gegenüber dem inneren Luftspalt benötigt. Die gezeigte Konstruktion hat kein konisches Zulaufen der Isolation oder der Statorschlitze. Die Konstruktion zeigt eine sehr schmale, radiale Einschnürung zwischen den unterschiedlichen Statorschlitzen, was einen großen Schlitz-Leckfluß bedeutet, der signifikant das Magnetisierungserfordernis der Maschine beeinfluß.

In einem Bericht des Electric Power Research Instituts, EPRI, EL-33 91, vom April 1984 ist eine Zusammenstellung der Generatorkonzepte zum Erreichen einer höheren Spannung in

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einem elektrischen Generator mit der Aufgabe gegeben, einen solchen Generator mit einem Stromversorgungsnetzwerk ohne zwischengeschaltete Transformatoren zu verbinden. Eine solche Lösung wird in dem Bericht beurteilt, gute Wirkungsgrad-Gewinne und erhebliche finanzielle Vorteile zu ermöglichen. Der Hauptgrund, daß es 1984 für möglich gehalten wurde, die Entwicklung von Generatoren für eine direkte Verbindung mit Stromversorgungsnetzwerken zu starten, lag darin, daß ein supraleitender Rotor zu dieser Zeit entwickelt wurde. Die erhebliche Erregungskapazität der supraleitenden Feldwicklung ermöglicht die Verwendung einer Luftspaltwicklung mit ausreichender Dicke, um den elektrischen Belastungen standzuhalten.

Durch Kombinieren des Konzepts, das am Vielversprechendsten gemäß dem Projekt gehalten wurde, nämlich einen Magnet-Schaltkreis mit Wicklung zu konstruieren, bekannt als "monolithische Zylinderarmatur", ein Konzept, in dem zwei Zylinder aus Leitern in drei Zylindern der Isolierung eingeschlossen sind, mit der Anbringung der gesamten Struktur an einem Eisenkern ohne Zähne wurde davon ausgegangen, daß eine drehende elektrische Maschine für Hochspannung direkt mit dem Stromversorgungsnetzwerk verbunden werden kann. Die Lösung erfordert, daß die Hauptwicklung ausreichend dick sein muß, um Netzwerk-zu-Netzwerk- und Netzwerk-zu-Erde-Potentialen standhalten zu können. Offensichtliche Nachteile der vorgeschlagenen Lösung, neben dem Erfordernis eines supraleitenden Rotors, bestehen darin, daß die Lösung auch eine extrem dicke Isolierung erfordert, die die Maschinengröße vergrößert. Die Endwicklungen müssen isoliert sein und mit Öl oder Freon gekühlt werden, um die großen elektrischen Felder an den Enden zu kontrollieren. Die gesamte Maschine muß hermetisch abgedichtet sein, um zu verhindern, daß flüssiges dielektrisches Medium Feuchtigkeit aus der Atmosphäre absorbiert.

Überblick über die Erfindung

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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die
oben erwähnten Probleme zu lösen und eine Vorrichtung zum
Erden isolierter Leiter oder Kabel in einer elektrischen
Maschine anzugeben, insbesondere einer elektrischen Maschine,
die eine direkte Verbindung zu allen Typen von
Hochspannungs-Stromversorgungsnetzwerken ermöglicht, und
auch eine solche drehende elektrische Hochspannungsmaschine anzugeben.

Diese Aufgabe wird gelöst, indem eine Vorrichtung zum Erden isolierter Leiter in einer elektrischen Maschine, wie in
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert, mit den vorteilhaften Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 bereitgestellt wird und indem eine drehende elektrische Maschine in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff von Anspruch 10 mit den vorteilhaften Merkmalen des kennzeichnenden
Teils dieses Anspruchs bereitgestellt wird.

Dementsprechend ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß der isolierte Leiter einen zentralen Teil aufweist, der aus einem oder mehreren elektrischen Leitern zusammengesetzt
ist, wobei der zentrale Teil durch mehrere Schichten
umgeben ist, die eine innere halbleitende Schicht, eine dazwischen liegende isolierende Schicht und eine äußere
halbleitende Schicht umfassen, und daß die äußere halbleitende
Schicht des isolierten Leiters elektrisch mit dem Erde-Bezugspotential der Maschine über ein oder mehrere Metallblech-Erdungsplatten,
die damit verbunden sind, verbunden ist.

Unter Verwendung isolierter, elektrischer Hochspannungsleiter, die auch als Kabel bezeichnet werden, mit einer dauerhaften Isolation, ähnlich zu der, die in Kabeln zum Übertragen
von elektrischer Energie (z.B. kreuzvernetztes Polyethylen (XLPE)-Kabel) verwendet werden, hat die Maschine
den wichtigen Vorteil, daß die Spannung auf solche Werte

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erhöht werden kann, daß sie direkt mit dem Stromversorgungsnetzwerk
ohne einen zwischenangeordneten Transformator verbunden werden kann.

Das Kabel ist mit einer äußeren, halbleitenden Schicht versehen, mit deren Hilfe sein Potential in Bezug zur Umgebung definiert ist. Diese Schicht muß deshalb mit Erde verbunden sein, zumindest irgendwo in der Maschine, und zwar nach
Möglichkeit nur in dem Endewicklungsabschnitt.

Um ihren Zweck als Erdeverbindung zu erfüllen, sollte die
äußere, halbleitende Schicht einen niedrigen Widerstand haben. Andererseits würden dann Wärmeverluste aufgrund magnetisch induzierter Ströme auftreten, was bedeutet, daß ihre
zusammenhängende Länge vielleicht begrenzt werden muß.

Die Anforderungen, die durch Hochspannungen an das Kabel in der Statorwicklung eines Hochspannungsgenerators gestellt
werden, können mit den Anordnungen nicht befriedigt werden, die für herkömmliche Nieder-Spannungsgeneratoren beschrieben
wurden. Die bekannten Anordnungen würden Probleme mit
hohen, magnetisch induzierten Strömen in der äußeren
halbleitenden Schicht des Kabels hervorrufen, was erhebliche
Verluste ergeben würde. Da das Kabel die Form eines zylindrischen Kondensators hat, werden kapazitive Ströme
ebenso in der äußeren, halbleitenden Schicht erzeugt, die
zu einer Verschlimmerung des soeben erwähnten Problems beitragen würden. Es ist deshalb wichtig, daß der Kabelmantel
der elektrischen Maschine durchgehend Erdepotential hat.

Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht,
daß der äußere Halbleiter des Kabels elektrisch mit dem Erde-Bezugspotential der Maschine über Stahlblech-Erdungsplatten
verbunden ist. Diese Erdungsplatten sind vorzugsweise
einzelne bzw. getrennte Elemente und sind entfernbar
sowohl mit dem isolierten Leiter als auch dem Erdepotential verbunden.

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Durch die Erdungsvorrichtung gemäß der Erfindung wird der Vorteil erhalten, daß eine zuverlässige und gleichmäßige Erdung der gesamten Länge des Kabels in elektrischen Maschinen sichergestellt wird, insbesondere in Generatoren für Spannungen innerhalb des Bereichs von 3 6 bis 800 kV.

Gemäß einem besonders bevorzugten Merkmal wird eine einfache und wirksame Lösung der aufgeworfenen Probleme mit Metallblech-Erdungsplatten in der Form von ringförmigen, mechanischen Verbindungen erreicht. Als weiteres Merkmal in einem Hochspannungsgenerator des oben beschriebenen Typs können diese mechanischen Verbindungen in der Statorwicklung in Serie mit dem Statorrahmen des Generators entweder direkt oder über einen kreisförmigen Erdestab verbunden werden.

Die rotierende elektrische Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine mit der beanspruchten Erdungsvorrichtung versehen ist. Sie ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung zumindest einen stromleitenden Leiter hat, daß eine erste Schicht, die halbleitende Eigenschaften hat, um diesen Leiter herum vorgesehen ist, daß eine feste Isolationsschicht um die erste Schicht herum vorgesehen ist und daß eine zweite Schicht, die halbleitende Eigenschaften hat, um die Isolationsschicht herum vorgesehen ist.

Um die Probleme zu lösen, die im Fall einer direkten Verbindung der drehenden elektrischen Maschinen mit allen Typen von Hochspannungs-Versorgungsnetzen auftreten, kann eine Maschine gemäß der Erfindung eine Anzahl von Merkmalen haben, die sie signifikant vom Stand der Technik bezüglich sowohl der herkömmlichen mechanischen Konstruktion als auch der mechanischen Konstruktion unterscheiden, die während der letzten fünf Jahre veröffentlicht wurde. Einige dieser Unterschiede werden nachfolgend beschrieben.

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Wie erwähnt wurde, wird die Wicklung aus einem oder mehreren isolierten Leitern mit einer inneren halbleitenden Schicht und einer äußeren halbleitenden Schicht hergestellt, und zwar vorzugsweise als extrudiertes Kabel verschiedener Sorten. Einige typische Beispiele für solche Leiter sind ein Kabel aus XLPE oder ein Kabel mit einer Ethylenpropylen(EP)-Gummiisolierung, das für diesen Zweck und gemäß der Erfindung jedoch eine verbesserte Konstruktion bezüglich sowohl der Litzen bzw. Einzeldrähte des Leiters als auch der äußeren Schicht hat.

Die Verwendung eines isolierten Leiters mit einer äußeren halbleitenden Schicht hat den Vorteil, daß sie es ermöglicht, daß die äußere Schicht der Wicklung in ihrer vollen Länge auf Erdepotential gehalten werden kann. Folglich kann die beanspruchte Erfindung das Merkmal haben, daß die äußere halbleitende Schicht mit Erdepotential verbunden ist. Als Alternative kann die äußere Schicht an geeigneten Stellen entlang der Länge des Leiters ausgeschnitten bzw. eingeschnürt oder eingeschnitten sein und jede Länge des ausgeschnittenen Teils bzw. ausgeschnittene Teillänge (cut-off part length) kann direkt mit Erdepotential verbunden sein.

Ein erheblicher Vorteil des Merkmals, das die äußere oder zweite Schicht mit Erdepotential verbunden ist, besteht darin,- daß das elektrische Feld nahe Null in dem Bereich der Endwicklung außerhalb des äußeren Halbleiters ist und daß das elektrische Feld nicht gesteuert bzw. kontrolliert werden muß. Dies bedeutet, daß Feldkonzentrationen weder innerhalb des Blechs noch in dem Bereich der Endwicklung, noch in dem Übergangsbereich bzw. Übergang dazwischen auftreten können.

Als weiteres, vorteilhaftes Merkmal haben zumindest zwei und vorzugsweise alle drei der Schichten im wesentlichen gleiche thermische Ausdehnungskoeffizienten. Dadurch wird

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erreicht, daß eine thermische Bewegung vermieden wird und daß das Auftreten von Brüchen, Rissen oder anderen Fehlern der Wicklung aufgrund thermischer Bewegung vermieden wird.

Gemäß einem weiteren, kennzeichnenden Merkmal der Erfindung ist jede der drei Schichten fest mit der benachbarten Schicht entlang im wesentlichen der gesamten verbindenden Oberfläche verbunden. Dies hat den Vorteil, daß die Schichten befestigt sind und nicht mehr in der Lage sind, sich im Verhältnis zueinander zu bewegen, und dient dazu, sicherzustellen, daß kein Spiel zwischen den Schichten auftritt. Es ist sehr wichtig, daß keine Luft zwischen die Schichten eintreten kann, da dies ansonsten zu Störungen des elektrischen Feldes führen würde.

Ein noch weiteres, vorteilhaftes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der stromleitende Leiter eine Anzahl von Einzeldrähten bzw. Litzen aufweist, wobei nur eine Minderheit dieser Litzen unisoliert zueinander ist. Die unisolierte Litze oder die unisolierten Litzen in der äußeren Schicht des Leiters legt bzw. legen das Potential an der inneren, halbleitenden Schicht fest und stellen dadurch ein gleichmäßiges elektrisches Feld innerhalb der Isolation sicher. Unter Verwendung unisolierter Litzen anstelle von isolierten Litzen wird ein weniger aufwendiger bzw. weniger teurer isolierter Leiter für eine Wicklung erhalten. Theoretisch kann jede zweite Litze unisoliert sein, aber aus praktischen Gründen ist die Anzahl der unisolierten Litzen niedriger als die der isolierten Litzen.

Als Alternative kann die Wicklung aus einem Kabel gebildet sein, das zumindest einen stromleitenden Leiter aufweist, und die Maschine ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß jeder Leiter eine Anzahl von Litzen aufweist, daß eine innere, halbleitende Schicht um jeden Leiter herum vorgesehen ist, daß eine isolierende Schicht aus festem Isolationsma-

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terial um die innere, halbleitende Schicht herum vorgesehen ist und daß eine äußere, halbleitende Schicht um die isolierende Schicht herum vorgesehen ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erdungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend im größeren Detail mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

Fig. 1 das Prinzip der Erdungsvorrichtung in Verbindung mit einer Ausführungsform der verwendeten Metallblech-Erdungsplatten erläutert;

Fig. 2 eine alternative Ausführungsform der Metallblech-Erdungsplatten zeigt;

Fig. 3 eine direkte Verbindung der Erdung der Statorwicklung mit dem Statorrahmen in einem Hochspannungsgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 4 die Erdung der Statorwicklung durch die Verbindung der Endwicklungen mit einem kreisförmigen Erdestab zeigt, der in dem Statorrahmen untergebracht ist, in einem Hochspannungsgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 5 einen Querschnitt durch einen isolierten Leiter bzw. ein isoliertes Kabel zeigt, auf den bzw. das die Erfindung anwendbar ist.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Das Kabel in der gezeigten Maschine bildet die Statorwindungen bzw. -wicklungen, wobei jedes Durchdringen des Kabels durch einen Statorschlitz als eine Spulenseite bezeichnet ist und wobei eine Schleife des Kabels, die zwei

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Spulenseiten außerhalb eines der Enden des Stators verbindet, als Spulenende bezeichnet ist.

Wie aus den Figuren 1 und 2 ersichtlich ist, hat in einer bevorzugten Ausführungsform der Erdungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung jede der Metallblech-Erdungsplatten 5 die Form einer Schlauchklemme. Jede Endwindung eines Kabels in der Statorwicklung eines Hochspannungsgenerators, das einen Kupferleiter 1 aufweist, der von einer inneren, halbleitenden Schicht 2, einer dazwischen liegenden, isolierenden Schicht (XPLE) 3 und einer äußeren, halbleitenden Schicht 4 umgeben ist, ist somit zumindest mit einer Metallblech-Erdungsplatte 5 verbunden.

Die Metallblech-Erdungsplatte 5 gemäß der bevorzugten Ausführungsform, die in der Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt zwei Klemmstreifen 51, 52 bzw. Klemmbänder, die sich gegenseitig zugewandt sind. Jeder identische Klemmstreifen 51, 52 ist in eine halbzylindrischen Form gebogen, damit er auf den äußeren Durchmesser des Kabels paßt, das umgeben werden soll. Die äußeren Enden der Klemmstreifen 51, 52 sind in der Form von Ösen bzw. Nasen oder Flanschen 6 ausgebildet, in denen ein Loch für eine Erdungsschraube 7 bereitgestellt ist. Neben dem Ausführen der Verbindung für einen Erdedraht 8 dient die Erdungsschraube 7 als Festziehvorrichtung derart, daß, wenn die Metallblech-Erdungsplatte 5 an dem Kabel angebracht ist, sie fest um das Kabel herum geklemmt ist und in elektrisch leitendem Kontakt mit der äußeren, halbleitenden Schicht 4 des Kabels ist. Um ein Zusammenwirken zwischen der Erdungsschraube 7 und der Metallblech-Erdungsplatte 5 sicherzustellen, kann zumindest der Flanschteil 6, der von dem Kopf der Erdungsschraube 7 weggewandt ist, in Schraubverbindung bzw. Gewindeverbindung mit der Erdungsschraube 7 sein, entweder indem seine Öffnung oder Öse mit Gewinde versehen ist oder indem er durch eine Mutter gehalten wird.

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Eine Alternative Ausführungsform der Metallblech-Erdungsplatte 5 ist in der Fig. 2 gezeigt, worin der Klemmstreifen 53 aus einem flexiblen Ring besteht, der an einen Kabelabschnitt angelegt wird, wonach die Erdungsschraube 7 in die Löcher des Flanschabschnitts 6 eingesetzt wird, um den ringförmigen Klemmstreifen 53 um den Kabelabschnitt herum festzuklemmen.

Wie aus den Figuren 1 und 2 ersichtlich ist, ist jede einzelne Metallblech-Erdungsplatte 5 an einem Spulenende der Statorwicklung angebracht, die aus Vereinfachungsgründen nur durch einen Querschnitt durch einen Kabelabschnitt angegeben ist. Die Metallblech-Erdungsplatten 5 sind in Serie durch Erdedrähte 8 verbunden, wobei die aller äußersten elektrisch mit einem Erdestab 10 verbunden sind.

Die Metallblech-Erdungsplatten 5 sind aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt, vorzugsweise einem Material, das gute Federeigenschaften hat, z.B. Phosphor-Bronze.

In der alternativen Ausführungsform der Metallblech-Erdungsplatten 5, die in der Fig. 2 gezeigt ist, ist es für die Schraube 7 von Vorteil, daß sie aus einem Material gemacht ist, das elektrisch nicht leitend ist, wobei in diesem Fall, jeder elektrisch leitende Erdedraht 8 mit einem Flanschabschnitt 6, wie gezeigt ist, verbunden ist.

Die Fig. 3 zeigt schematisch einen Teil eines elektrischen Hochspannungsgenerators mit einem Rotor R, der an seiner Rotorwelle A verzapft ist und von dem Stator S umgeben ist (von dem nur ein Abschnitt auf der linken Seite des Rotors in der Figur gezeigt ist). Der laminierte Stapel des Stators S wird durch einen Statorrahmen 9 zusammengehalten und die Endwindungen H der Statorwicklung stehen an dem Ende des Stators S hervor, wie durch die zwei ausgeschnittenen Kabelabschnitte in der Ebene des Papierblatts angegeben ist. In der Art und Weise, die vorstehend in Verbindung mit

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den Figuren 1 und 2 beschrieben wurde, sind diese Kabelabschnitte jeweils mit einer Metallblech-Erdungsplatte 5 versehen, wobei die Metallblech-Erdungsplatten in Serie mittels Erdedrähten 8 elektrisch verbunden sind, die mit dem Statorrahmen 9 verbunden sind.

Eine alternative Ausführungsform der Erdung der Endwindungen H ist in der Fig. 4 erläutert, die den Stator S in peripherer Richtung mit der Rotorwelle (nicht gezeigt) in Vertikalrichtung der Zeichnung zeigt. Die Metallblech-Erdungsplatten 5, die an jedem Kabelteil bzw. -abschnitt festgeklemmt sind, sind elektrisch in Serie über Erdedrähte 8 mit einem Erdestab 10 verbunden, der eine kreisförmige Form hat und an dem Statorrahmen (nicht gezeigt) angebracht ist.

Wie durch einen Kupferleiter 11 angegeben ist, der an dem Mantel (d.h. der äußeren, halbleitenden Schicht) jedes Kabelabschnitts angebracht ist und der elektrisch mit entsprechenden Metallblech-Erdungsplatten 5 verbunden ist, kann ein Schutz gegen eine unerwünschte Erhöhung des Potentials in der Statorwicklung im Falle von Ausfällen bzw. Fehlern (Erdefehlern) in dem Stromnetz erreicht werden, das von dem Hochspannungsgenerator gespeist wird. Der Kupferleiter erstreckt sich über im wesentlichen den gesamten Kabelabschnitt der Endwicklung bzw. -windung, die sich außerhalb des Statorstapels befindet.

Ein Widerstand, der in der Erdungsverbindung zwischen der Metallblech-Erdungsplatte 5 und dem Statorrahmen 9 verbunden ist, kann beim Dämpfen von Leckströmen von Interesse sein.

Die Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht eines Hochspannungskabels gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Hochspannungskabel umfaßt den (zentralen) elektrischen Leiter 1, der eine Anzahl von Litzen bzw. Einzeldrähten 18 aus z.B.

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Kupfer (Cu) mit z.B. kreisförmigem Querschnitt aufweist. Diese Litzen 18 sind in der Mitte des Hochspannungskabels angeordnet. Um die Litzen 18 herum ist eine erste, halbleitende Schicht 2 vorhanden und um die erste, halbleitende Schicht 2 herum ist eine isolierende Schicht 3, z.B. eine XLPE-Isolation, vorhanden. Um die isolierende Schicht 3 herum ist eine zweite, halbleitende Schicht 4 vorgesehen. Somit enthält das Konzept "Hochspannungskabel" der vorliegenden Erfindung nicht den äußeren Schutzmantel, der normalerweise ein solches Kabel für die Energieverteilung umgibt.

Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform erläutert wurde, die einen bestimmten Typ von Metallblech-Erdungsplatte hat, der in den Zeichnungen erläutert ist, ist es für Fachleute offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist, sondern unter Verwendung anderer Mittel realisiert werden kann. Die Metallblech-Erdungsplatte kann z.B. durch mehr oder weniger fest gewickelte, spulenförmige Körper ersetzt werden, die einen Teil jedes Spulenendes umgeben und die in der oben beschriebenen Art und Weise geerdet sind.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, die einen Kern aus einem oder mehreren elektrischen Leitern enthält, der bzw. die von isolierenden Schichten umgeben ist bzw. sind, die eine innere, halbleitende Schicht 2, eine dazwischenliegende, isolierende Schicht 3 und eine äußere, halbleitende Schicht 4 umfassen, wobei die äußere, halbleitende Schicht 4 elektrisch mit der Erdereferenz bzw. dem Erde-Bezugspotential 10 der Maschine verbunden ist. Für diesen Zweck ist die äußere, halbleitende Schicht 4 von einer Metallblech-Erdungsplatte 5 umgeben, die um die äußere, halbleitende Schicht herum durch zumindest eine Erdungsschraube 7 fest geklemmt ist und damit in elektrisch leitendem Kontakt ist. Die Metallblech-Erdungs-

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platte 5 ist über einen Erdedraht 8, der vorzugsweise mit der Erdungsschraube 7 verbunden ist, mit der Erdereferenz 10 verbunden. In einer Statorwicklung bzw. -windung eines Hochspannungsgenerators ist jeder Wicklungsabschnitt mit zumindest einer Metallblech-Erdungsplatte 5 versehen, wobei die Metallblech-Erdungsplatten in den verschiedenen Wicklungsabschnitten bzw. -teilen in Serie mit der Erdereferenz 10 elektrisch verbunden sind.

Claims

Erdungsvorrichtung und drehende elektrische Maschine die Vorrichtung enthält die ■i nsprüche

1. Vorrichtung zum Erden isolierter Leiter in einer elektrischen
Maschine, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierte
Leiter einen zentralen Teil aufweist, der aus einem oder mehreren elektrischen Leitern (1) zusammengesetzt
ist, wobei der zentrale Teil von mehreren Schichten umgeben
ist, die eine innere, halbleitende Schicht (2), eine
dazwischenliegende, isolierende Schicht (3) und eine äußere, halbleitende Schicht (4) umfassen, und daß die äußere, halbleitende Schicht (4) des isolierten Leiters elektrisch mit der Erdereferenz bzw. dem Erde-Bezugspotential (9, 10) der Maschine über eine oder mehrere Metallblech-Erdungsplatten
(5) verbunden ist, die damit verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierte Leiter in der Statorwicklung einer rotierenden Hochspannungsmaschine mit Spulenseiten, die in Schlitzen in dem Stator angeordnet sind, und Spulenseiten, die
Endwindungen verbinden, die sich außerhalb des Stators be-

finden, enthalten ist, wobei die Spulenseiten von den Schlitzen isoliert sind und Metallblech-Erdungsplatten an den Endwindungen angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Metallblech-Erdungsplatten (5) aus einer ringförmigen Klemme (51, 52; 53) besteht, die derart angeordnet ist, daß sie den äußeren Halbleiter (4) umgibt und Druck auf den isolierten Leiter ausübt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Klemme (5) zwei im wesentlichen halbzylindrische Klemmstreifen (51, 52) aufweist, die einander zugewandt sind, wobei die Enden jedes Klemmstreifens in einem Flanschabschnitt (6) enden, der mit einer Öffnung für eine Erdungsschraube (7) versehen ist, wobei die Erdungsschraube (7) derart angeordnet ist, daß sie die zwei Klemmstreifen (51, 52) um den äußeren Halbleiter (4) herum kontaktiert und daß sie mit der Erdereferenz bzw. dem Erde-Bezugspotential (9, 10) der Maschine über einen elektrischen Leiter (8) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Metallblech-Erdungsplatte (5) mit dem Statorrahmen (9) verbunden ist und/oder mit einem kreisförmigen Erdestab (10), der an dem Statorrahmen (9) angebracht ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallblech-Erdungsplatten (5) elektrisch in Serie miteinander mit dem Statorrahmen (9) verbunden sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erdung hochohmig ist, da ein Widerstand zwischen den Metallblech-Erdungsplatten (5) und der Erdereferenz bzw. dem Erde-Bezugspotential (9,10) der Maschine verbunden ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallblech-Erdungsplatte (5) elektrisch mit einem elektrischen Leiter (11) verbunden ist, der an der Oberfläche des äußeren Halbleiters (4) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallblech-Erdungsplatte (5) die Form einer Spule, einer Wicklung bzw. eines Rings hat, die bzw. der um den äußeren Halbleiter (4) herum gewickelt ist.

10. Drehende, elektrische Hochspannungsmaschine, die einen isolierten Leiter enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine mit einer Erdungsvorrichtung versehen ist, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 9 beansprucht ist.

11. Drehende elektrische Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein elektrischer Hochspannungsgenerator ist.

12. Drehende, elektrische Hochspannungsmaschine gemäß Anspruch 10 oder Anspruch 11, die einen Stator, einen Rotor und zumindest eine Wicklung bzw. Windung aufweist, die einen isolierten Leiter hat, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierte Leiter zumindest einen stromleitenden Leiter

(1) aufweist, daß eine erste Schicht (2), die halbleitende Eigenschaften hat, um den Leiter herum vorgesehen ist, das eine feste isolierende Schicht (3) um die erste Schicht herum vorgesehen ist und daß eine zweite Schicht (4), die halbleitende Eigenschaften hat, um die isolierende Schicht herum vorgesehen ist.

13. Drehende elektrische Maschine gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential der ersten Schicht

(2) im wesentlichen gleich zu dem Potential des Leiters (1) ist.

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14. Drehende elektrische Maschine gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (4) derart angeordnet ist, daß sie eine im wesentlichen äquipotentielle Oberfläche bildet, die den Leiter umgibt.

15. Drehende elektrische Maschine gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht mit einem vorgegebenen Potential verbunden ist.

16. Drehende elektrische Maschine gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgegebene Potential Erdepotential ist.

17. Drehende elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei benachbarte Schichten im wesentlichen gleiche thermische Ausdehnungskoeffizienten haben.

18. Drehende elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche

12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der stromleitende Leiter (1) eine Anzahl von Litzen bzw. Einzeldrähten (18) aufweist, wobei nur eine Minderheit der Litzen zueinander unisoliert ist.

19. Drehende elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche

13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß jede der drei Schichten (2, 3, 4) fest mit der benachbarten Schicht entlang im wesentlichen der gesamten verbindenden Oberfläche verbunden ist.

20. Drehende elektrische Maschine gemäß Anspruch 10 oder Anspruch 11, die einen magnetischen Kreis für Hochspannung hat, der einen Magnetkern und eine Wicklung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung aus einem Kabel gebildet ist, daß zumindest einen stromleitenden Leiter (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 hat, daß jeder Leiter

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eine Anzahl von Litzen bzw. Einzeldrähten (18) aufweist, daß eine innere, halbleitende Schicht (2) um jeden Leiter herum vorgesehen ist, daß eine isolierende Schicht (3) aus festem Isolationsmaterial um die innere, halbleitende Schicht herum vorgesehen ist und daß eine äußere, halbleitende Schicht (4) um die isolierende Schicht herum vorgesehen ist.

21. Drehende elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung auch eine Metallabschirmung und einen Mantel aufweist.