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高壓發(fā)電機繞組設計特點(diǎn)

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

  相比而言,高壓發(fā)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(méi)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(xiàn)圈中的電場(chǎng)無(wú)需控制,繞組設計時(shí)的電場(chǎng)控制得到簡(jiǎn)化;

  2)有效地規避了常規發(fā)電機繞組設計時(shí)可能出現的局部放電或者電暈放電的風(fēng)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(chǎng)方程,圓形導體產(chǎn)生的電場(chǎng)均勻分布。高壓發(fā)電機由于發(fā)電機所用的導體暴露在比電力電纜高得多的磁場(chǎng)環(huán)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(xiàn)是很有必要的。

  圓形導體和矩形導體的電場(chǎng)分布對比如圖1-3所示。從圖中可見(jiàn),矩形導體周?chē)碾妶?chǎng)分布并不均勻,在矩形的拐角處,電場(chǎng)強度相對較高,而對于邊側,其電場(chǎng)強度相對較低。與之形成對比,圓形導體周?chē)碾妶?chǎng)分布均勻。根據電纜的設計,外半導電層將電場(chǎng)限制在絕緣介質(zhì)(固體電介質(zhì))內部,則末端繞組區的電場(chǎng)強度不需要刻意控制,因為通過(guò)這樣的設計已經(jīng)消除了電暈和放電的危險。根據CAD技術(shù)分析,圓形電纜較傳統電機電樞繞組所用的成型矩形線(xiàn)棒具有損耗及電動(dòng)力小等特點(diǎn)。為了維持線(xiàn)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(fā)電機定子繞組電纜的絕緣采用的是分級絕緣,這是因為發(fā)電機中的感應電壓從定子繞組的中性點(diǎn)到線(xiàn)末端逐漸增加,使得電纜沿著(zhù)繞組方向產(chǎn)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(shí)的鐵耗。通過(guò)這樣的設計,理論上高壓發(fā)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(wǎng),繞制高壓發(fā)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(fā)電機必須著(zhù)重解決的課題。

  所有高壓發(fā)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(jìn)行常規測試。為了保證處理繞組時(shí)不損傷電纜,在進(jìn)行電纜連接之前,對每個(gè)電壓等級都要開(kāi)展高壓測試工作。XLPE電纜的高壓測試技術(shù)也是高壓發(fā)電機研究需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。



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