SE516132C2

SE516132C2 - High-voltage rotating electrical machine e.g generator in power station for generating electric power

Info

Publication number: SE516132C2
Application number: SE9604032A
Authority: SE
Inventors: Peter Templin
Original assignee: Abb Ab
Priority date: 1996-11-04
Filing date: 1996-11-04
Publication date: 2001-11-19
Also published as: SE9604032L; SE9604032D0

Abstract

The rotating electric machine has a stator with windings [6] drawn through slots in the stator. At least one of the windings includes an insulation system comprising at least two semiconducting layers, each layer essentially constituting an equipotential surface. A solid insulation layer separates the two semiconducting layers and a number of resiliently deformable bodies [13a,13b] are arranged along at least one cable lead-through of the winding. The resiliently deformable bodies are arranged to abut with pressure onto the cable lead-through.

Description

25 ..;.30 v u ovuu 516 13 2 2 100 Hz vilket gör den vibrationsbenägen, och förutom till- verkningstoleranser vad avser ytterdiametern kommer också dess dimensioner att variera med temperaturvariationer (dvs. belastningsvariationer). 25 ..;. 30 v u ovuu 516 13 2 2 100 Hz which makes it prone to vibration, and in addition to manufacturing tolerances in terms of the outer diameter, its dimensions will also vary with temperature variations (ie load variations).

Ehuru den allt dominerande tekniken vid leverans av ström till högspända nät för transmission, subtransmission 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 technology in supplying power to high voltage networks for transmission, subtransmission and distribution is, as mentioned in the introduction, introducing 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 nätfrekvensen) inte orsakar vibrationer som ger en nötning av halvledarytan. Den yttre halvledaren måste alltså vara skyddad mot mekanisk åverkan även under drift.When 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 the mains frequency) do not cause vibrations that cause abrasion of the semiconductor surface. The outer semiconductor must therefore be protected against mechanical damage 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- 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 10 15 20 25 '730 n ao o 3 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 kablar 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 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 uppfinningen lösts genom att en maskin av det i patentkravets 1 ingress angivna slaget upp- visar de speciella särdrag som anges i kravets kännetecknande del och genom att ett förfarande av det i patentkravet 6 angivna slaget innefattar de speciella åtgärder som anges i detta kravs kännetecknande del.This has been solved according to the invention in that a machine of the type specified in the preamble of claim 1 exhibits the special features stated in the characterizing part of the claim and in that a method of the type specified in claim 6 comprises the special measures specified in this claim. characteristic part.

Tack vare de deformerbara stödorganen kommer hög- spänningskabeln att vara fast inklämd på vissa ställen utefter sin längd så att vibrationsproblemen nedbringas.Thanks to the deformable support means, the high-voltage cable will be firmly clamped in certain places along its length so that the vibration problems are reduced.

Genom lämpligt avvägda avstånd mellan stödorganen kan man se till att vibrationerna ej genererar egensvängningar i vissa kritiska frekvensområden. Speciellt bör egensvängningar av frekvensen 100 Hz undvikas. Stödorganen underlättar dessutom införandet av kabeln i spåret vid lindningen av statorn.By appropriately balanced distances between the support means, it can be ensured that the vibrations do not generate natural oscillations in certain critical frequency ranges. In particular, natural oscillations of the frequency 100 Hz should be avoided. The support means also facilitate the insertion of the cable into the groove during the winding of the stator.

Kabeln föres därvid genom dessa, där vardera stödorgan bidrar till att centrera kabeln i spåret då denna föres fram mot det nästkommande. Kabeln som det här är fråga om är förhållande- vis styv så att den därmed styrs mot nästkommande stödorgan och kan träs igenom detta. Kabelns styvhet gör att det ej är någon större risk att den vid införandet nuddar spårväggarna.The cable is then passed through these, where each support member contributes to centering the cable in the groove as it is advanced towards the next. The cable in question is relatively rigid so that it is thus guided towards the next support member and can be threaded through it. The rigidity of the cable means that there is no major risk of it touching the track walls during insertion.

Därmed undvikes att plåtarna i väggen rispar den känsliga ytterytan på kabeln så att risken för skador elimineras.This prevents the plates in the wall from scratching the sensitive outer surface of the cable so that the risk of damage is eliminated.

Vid en föredragen utföringsform är stödorganen an- ordnade i ringformiga urtag i spårväggen. Därigenom kommer kabeln då den under drift utvidgar sig att pressa samman stödelementet i detta uttag och kommer mellan uttagen att nå ut till spårväggarna.In a preferred embodiment, the support means are arranged in annular recesses in the groove wall. As a result, as the cable expands during operation, it will compress the support element in this socket and will reach the track walls between the sockets.

Vardera stödorgan utföres lämpligtvis såsom en gummiring och det är fördelaktigt att limma fast stödorganen i spårväggen.Each support means is suitably designed as a rubber ring and it is advantageous to glue the support means to the groove wall.

För att underlätta införandet av kabeln genom 10 15 20 25 HÜ§5 -. 516. 132 nu n 4 stödelementen är det fördelaktigt att därvid använda smörj- medel.To facilitate the insertion of the cable through 10 15 20 25 HÜ§5 -. 516. 132 now n 4 the support elements, it is advantageous to use lubricants therewith.

Ovan angivna och andra fördelaktiga utföringsformer av den uppfunna maskinen och det för tillverkning av en dylik uppfinna förfarandet anges i de beroende patentkraven.The above and other advantageous embodiments of the invented machine and the method of manufacturing such an inventive method are set out in the dependent claims.

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 en maskin enligt uppfinningen, fig. 2 är ett tvärsnitt genom en ledare använd i maskinen enligt uppfinningen, fig. 3 är en principskiss visande kabeln anordnad i statorn, fig. 4 är en detalj av fig. 3 då maskinen är i vila, fig. 5 är en detalj motsvarande fig. 4 men då maskinen är i drift, fig. 6 och 7 är alternativa utföringsformer av detaljen i fig. 4.The invention is explained in more detail by the following detailed description of a preferred embodiment thereof with reference to the accompanying drawings of which Fig. 1 is a schematic end view of a sector of the stator of a machine according to the invention, Fig. 2 is a cross section through a conductor used in the machine according to the invention, Fig. 3 is a schematic diagram showing the cable arranged in the stator, Fig. 4 is a detail of Fig. 3 when the machine is at rest, Fig. 5 is a detail corresponding to Fig. 4 but when the machine is in operation, Figs. 6 and 7 are alternative embodiments of the detail in Fig. 4.

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 motvarande 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 metall- skärmen som normalt omger en sådan är eliminerat så att kabeln endast innefattar ledaren, ett inre halvledarskikt, 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. Thus, on the surface of the cable, the semiconductor layer sensitive to mechanical damage is bare.

I figuren är kablarna 6 schematiskt återgivna i det 10 15 20 25 516 132 nu: 0 5 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 kabeldelarna varvid midjepartier mellan dessa bildar trånga partier 8. Midjepartierna tjänar till att radiellt fixera varje kabeldels läge. Spårets tvärsnitt är dessutom i sin helhet något avsmalnande radiellt inåt. Detta för att spänningen på kabeldelarna 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 now only the conductive 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 parts, waist portions between them forming narrow portions 8. The waist portions serve to radially fix the position of each cable part. In addition, the cross section of the groove as a whole is slightly tapered radially inwards. This is because the voltage on the cable parts 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 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 halvledande skiktet 32 finns anordnat ett isolationsskikt 33, t.ex. PEX-isolation. Runt isolationsskiktet 33 finns anord- nat ett andra halvledande skikt 34. Begreppet högspännings- kabel i föreliggande ansökan behöver således ej innefatta den metalliska 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.

I fig. 3 visas en genomföring av kabeln 6 genom ett av statorns 1 spår, där figuren visar dess axiella utsträck- ning. Med jämna mellanrum är stödorganen 12 anordnade för kabeln. Avstånden mellan stödorganen är valt så att vibra- tioner framför allt i frekvensområdet 100 Hz dämpas och leder till ca 2 - 4 stödelement per meter kabellängd.Fig. 3 shows a bushing of the cable 6 through one of the grooves of the stator 1, where the figure shows its axial extent. At regular intervals, the support means 12 are provided for the cable. The distances between the support means are chosen so that vibrations, especially in the frequency range 100 Hz, are attenuated and lead to approx. 2 - 4 support elements per meter of cable length.

I fig. 4 visas ett sådant stödorgan 12 i förstorad skala, då maskinen är i vila. Stödorganet 12 är deformerbart, lämpligtvis elastiskt och är företrädesvis gjort av gummi.Fig. 4 shows such a support member 12 on an enlarged scale, when the machine is at rest. The support member 12 is deformable, suitably elastic and is preferably made of rubber.

Med gummi avses i föreliggande ansökan även andra material med gummiliknande egenskaper. Gummielementet 12 är ringformat 10 15 20 25 516132 . o o ø u 6 och är anbragt i ett ca 5 mm djupt ringformat urtag 13 i spårets 5 vägg. Gummiringen 12 är fastlimmad i urtagets 13 botten. Då maskinen är i vila samt vid lindningen av kabeln har gummiringen en innerdiameter ungefär motsvarande kabelns 6 kalla diameter eller något större. Ytterdiametern motsvarar urtagets 13 diameter och dess längd är ca 10 - 15 mm.In the present application, rubber also refers to other materials with rubber-like properties. The rubber element 12 is annular 10 516132. o o ø u 6 and is arranged in an approximately 5 mm deep annular recess 13 in the wall 5 of the groove 5. The rubber ring 12 is glued to the bottom of the recess 13. When the machine is at rest and when winding the cable, the rubber ring has an inner diameter approximately corresponding to the cold diameter of the cable 6 or slightly larger. The outer diameter corresponds to the diameter of the recess 13 and its length is about 10 - 15 mm.

Då statorn lindas föres kabeln 6 in i ett spår axi- ellt. Spåret har en vidd som är större än kabelns diameter för att medge expansion av denna då den värms upp under drift. Kabeln dras genom hålet i vardera gummiring 12 så att den hamnar centriskt i spåret. Därmed undvikes att kabeln kommer i direkt kontakt med spårets 5 väggar så att någon risk att lamellplåtarna skadar kabelns ytterhölje ej före- ligger. En högspänningskabel av det slag det här är fråga om är förhållandevis styv så att den styrs i sitt centriska läge när den föres från en gummiring till nästa. För att under- lätta genomföring av kabeln genom gummiringarna smörjes kabeln vid lindningen. Det kan även underlätta att utföra gummiringarna med en liten avfasning vid den sida av hålet som kabeln skjuts in, alterantivt en avfasning av kabelns spets så att den blir något konformad.When the stator is wound, the cable 6 is inserted into a groove axially. The groove has a width greater than the diameter of the cable to allow expansion thereof as it heats up during operation. The cable is pulled through the hole in each rubber ring 12 so that it ends up centrally in the groove. This avoids the cable coming into direct contact with the walls of the groove 5 so that there is no risk of the lamella plates damaging the outer casing of the cable. A high voltage cable of the type in question is relatively rigid so that it is guided in its central position when it is passed from one rubber ring to the next. To facilitate the passage of the cable through the rubber rings, the cable is lubricated at the winding. It can also be easier to make the rubber rings with a small bevel at the side of the hole into which the cable is pushed, alternatively a bevel of the tip of the cable so that it becomes slightly conical.

Då maskinen tas i drift kommer kabeln 6 på grund av värmeutvecklingen i kopparkärnan att expandera. Därvid pressas gummiringen samman såsom visas i fig. 5. Spårets 6 vidd är vald så att kabeln under drift expanderar till lätt anliggning mot spårväggen. Gummiringen 12 pressas därvid samman i urtaget 13, vilket har tillräckligt djup för att medge detta. Gummiringens 12 innerdiameter blir därmed ungefär lika stor som spårvidden. I detta läge blir kabeln kraftigt inspänd på 2 - 4 ställen per meter och ligger för- hållandevis löst mot spårväggen däremellan.When the machine is put into operation, the cable 6 will expand due to the heat development in the copper core. In this case, the rubber ring is compressed as shown in Fig. 5. The width of the groove 6 is chosen so that during operation the cable expands to a light abutment against the groove wall. The rubber ring 12 is then pressed together in the recess 13, which has a sufficient depth to allow this. The inner diameter of the rubber ring 12 thus becomes approximately equal to the track width. In this position, the cable is heavily clamped in 2 - 4 places per meter and is relatively loose against the track wall in between.

Gummielementet 12 i fig. 4 kan ha en annan tvär- snittsform än rektangulär. I fig. 6 och 7 visas två alter- nativa utföringsformer av gummielementet. I fig. 6 har elementet 12a ett likbent triangulärt parti bildat av två snedställa ytor 14 som vetter mot kabeln 6 och så att an- liggningen sker punktformigt (längs en cirkulär linje) vid 10 15 20 25 v v ou»- v E30 516.132 7 spetsen 15. De snedställda ytorna 14 underlättar genomföran- det av kabeln. I fig. 7 har elementet 12b på motsvarande sätt ett triangulärt parti i tvärsnitt men med endast en sned- ställd yta 14b som vetter åt det håll från vilket kabeln förs in. Anliggningen erhålles därvid vid spetsen 15b vid elemen- tets ena sida. Vid drift kommer på grund av sammanpressningen av elementet anliggningen dock att ske med en yta som har viss utsträckning även i sidled. Vid ytterligare alternativa former av elementets tvärsnitt har detta ett trapetsformat parti med den kortare sidan vettande mot kabeln eller är utförd med en mot kabeln konvext välvd yta.The rubber element 12 in Fig. 4 may have a different cross-sectional shape than rectangular. Figures 6 and 7 show two alternative embodiments of the rubber element. In Fig. 6, the element 12a has an isosceles triangular portion formed by two inclined surfaces 14 facing the cable 6 and so that the abutment takes place pointwise (along a circular line) at the tip of the tip. 15. The inclined surfaces 14 facilitate the implementation of the cable. In Fig. 7, the element 12b correspondingly has a triangular portion in cross section but with only an inclined surface 14b facing the direction from which the cable is inserted. The abutment is then obtained at the tip 15b at one side of the element. During operation, however, due to the compression of the element, the abutment will take place with a surface that has a certain extent also laterally. In further alternative shapes of the cross-section of the element, this has a trapezoidal portion with the shorter side facing the cable or is made with a surface convexly convex towards the cable.

Genom gummiringarna 12 enligt uppfinningen uppnås således dels att kabeldragningen vid lindningen kan göras enkelt och utan risk för skada på kabelns yttre halvledande skikt dels att skadliga vibrationer i kabeln vid drift und- vikes.The rubber rings 12 according to the invention thus achieve that the wiring at the winding can be done easily and without risk of damage to the outer semiconductor layer of the cable and that harmful vibrations in the cable during operation are avoided.

Claims

10 15 20 25 30 35 516 _ 1: 2 8 PATENTKRAV

Rotary electric machine comprising a stator (1) with windings drawn through grooves (5) in the stator, characterized in that the windings consist of high voltage cable (6) and that in at least some of the cable penetrations through the grooves a number of deformable annular support members (12 ) are arranged around the cable (6) and abut against the wall of the groove (5), each support member enclosing the cable.

A machine according to claim 1, wherein the deformability of said support means (12) is substantially elastic.

A machine according to claim 2, wherein each support member (12) is arranged in an annular recess (13) in the groove wall.

A machine according to claim 3, wherein each support member (12) is formed as a rubber element and is glued to the wall of the groove (5).

Machine according to claim 4, in which the rubber elements (12) are arranged with a mutual distance of 20-60 cm, have an inner diameter in the undeformed state which substantially corresponds to the outer diameter of the cable (6) when the machine is at rest.

Method for manufacturing a stator for a rotating electric machine in which a cable is pulled through grooves in the stator to form stator windings, characterized in that a number of deformable, preferably elastically deformable, annular support members are arranged axially in line with each other in a stator groove and that a high voltage cable is wound by being inserted through said support means in the stator groove.

A method according to claim 6, wherein a number of annular recesses are made in the stator groove axially in line with each other and that one of said support means is fitted in each recess. 10 516. 13 2 å? šïïí ﬁ šåïf; - f? 7

A method according to claim 7, in which each support member is designed as an annular rubber element and that this is glued to the wall of the groove.

A method according to claim 8, wherein the rubber elements are applied at a mutual distance of 20-60 cm and that each rubber element has an inner diameter in the undeformed state which substantially corresponds to the outer diameter of the cable when the machine is at rest.

A method according to any one of claims 7-9, wherein lubricant is used when the cable is inserted through the support means.