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高壓發電機繞組設計特點

  傳統發電機中的定子繞組由使用云母帶、環氧或聚酯樹脂浸漬的矩形截面導電線棒繞制而成,其工作場強僅為2.5~3kV/mm。對使用云母帶的絕緣系統來說,最重要的是在制造過程中要保持絕緣系統無空隙。但是,機械應力和熱循環會導致空隙的形成,隨著電壓的增高,絕緣內必定會出現局部放電。傳統定子線圈截面是長方形的,導致導體表面的電場不均勻,轉角處的電場強度高。在繞組端部區域,必須采取復雜措施以控制電場強度,避免發生局部放電和電暈。傳統發電機的這種設計原則使其輸出電壓不能超過30~35kV。

  相比而言,高壓發電機采用整根具有堅固絕緣的圓形XLPE電纜繞制其電樞繞組,中間沒有接頭。繞組繞組的電纜是由導體、內半導電層、絕緣層和外半導電層組成,如圖1—2所示。此設計的好處包括:

  1)端部線圈中的電場無需控制,繞組設計時的電場控制得到簡化;

  2)有效地規避了常規發電機繞組設計時可能出現的局部放電或者電暈放電的風險;

  3)運行維護人員的安全得到了保證,因為繞組的端部區域在地電位工作。

  根據Maxwell電磁場方程,圓形導體產生的電場均勻分布。高壓發電機由于發電機所用的導體暴露在比電力電纜高得多的磁場環境中,為了減少由于漏磁通造成的如渦流損耗等額外損失,將導體細分為彼此絕緣的多股導線是很有必要的。

  圓形導體和矩形導體的電場分布對比如圖1-3所示。從圖中可見,矩形導體周圍的電場分布并不均勻,在矩形的拐角處,電場強度相對較高,而對于邊側,其電場強度相對較低。與之形成對比,圓形導體周圍的電場分布均勻。根據電纜的設計,外半導電層將電場限制在絕緣介質(固體電介質)內部,則末端繞組區的電場強度不需要刻意控制,因為通過這樣的設計已經消除了電暈和放電的危險。根據CAD技術分析,圓形電纜較傳統電機電樞繞組所用的成型矩形線棒具有損耗及電動力小等特點。為了維持線匝外皮在地電位,電纜外層需要具備一定的導電性。

  電樞繞組為多層同心繞組,從里到外電位逐匝遞增。因此,高壓發電機定子繞組電纜的絕緣采用的是分級絕緣,這是因為發電機中的感應電壓從定子繞組的中性點到線末端逐漸增加,使得電纜沿著繞組方向產生不同的電應力,即定子繞組中各匝繞組對地電位并不相同,設計者采用三種不同尺寸的電纜繞制定子繞組,靠近轉子處的定子鐵芯的圓形槽直徑較小,此處使用絕緣層較薄的電纜;遠離轉子處的直徑較大的圓形槽中使用絕緣層較厚的電纜。該設計的初衷是盡可能地減小定子的體積,減少定子的耗材和運行時的鐵耗。通過這樣的設計,理論上高壓發電機的機端電壓由XLPE電纜的耐壓水平唯一決定。為了連接到更高電壓等級的電網,繞制高壓發電機繞組的電纜額定電壓需要設計得更高。但是,電纜的絕緣層變厚,使得電纜成型、繞組安裝和槽內固定都變得相當困難。因此,高壓電纜的成型與固定是研制和推廣高壓發電機必須著重解決的課題。

  所有高壓發電機所用的電纜和和電纜接頭及終端等附件都需要根據統一標準進行常規測試。為了保證處理繞組時不損傷電纜,在進行電纜連接之前,對每個電壓等級都要開展高壓測試工作。XLPE電纜的高壓測試技術也是高壓發電機研究需要重點關注的問題。



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