DE2548328A1 - SUPPRESSION OF CORONA DISCHARGE IN HIGH VOLTAGE EVOLUTIONS - Google Patents
SUPPRESSION OF CORONA DISCHARGE IN HIGH VOLTAGE EVOLUTIONSInfo
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Description
DIPL.-ING. KLAUS NEUBECKERDIPL.-ING. KLAUS NEUBECKER
Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 ■ Schadowplatz 9Patent attorney
4 Düsseldorf 1 ■ Schadowplatz 9
Dr.-lng. Ernst StrafmannDr.-lng. Ernst Strafmann
Düsseldorf, 27. Okt. 1975Düsseldorf, Oct. 27, 1975
44,249
756444.249
7564
Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh/ Pa., V. St. A. Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh / Pa., V. St. A.
Unterdrückung von Korona-Entladung
bei Hochspannungswicklüngen Corona discharge suppression
with high-voltage windings
Die Erfindung betrifft die Unterdrückung von Korona-Entladung bei Hochspannungswicklungen, wobei insbesondere an elektrische Generatoren gedacht ist. Dabei wird besonderer Wert auf die Schaffung einer Anordnung gelegt, um die Spannungsbelastung und die Korona-Entladung in der Hochspannungsisolation zu vermindern.The invention relates to the suppression of corona discharge in high-voltage windings, in particular in electrical Generators is intended. In doing so, special emphasis is placed on creating an arrangement around the voltage load and to reduce the corona discharge in the high voltage insulation.
Wenn ein elektrischer Leiter, der eine oder mehrere scharfe Kanten oder Ecken aufweist, mit einem ausreichend hohen elektrischen Potential beaufschlagt wird, tritt zwischen der Kante des Leiters und der umgebenden Atmosphäre eine Entladung von Elektrizität auf, die als Korona-Entladung bekannt ist. Diese Korona-Entladung tritt an den Kanten des Leiters deshalb auf, weil für ein gegebenes elektrisches Potential die elektrische Feldstärke an der scharfen Kante am größten ist und einen Wert erreichen kann, bei dem die umgebende Luft elektrischIf an electrical conductor that has one or more sharp edges or corners, with a sufficiently high electrical When the potential is applied, a discharge occurs between the edge of the conductor and the surrounding atmosphere Electricity known as corona discharge. This corona discharge occurs at the edges of the conductor because because for a given electrical potential the electrical field strength is greatest at the sharp edge and one Can reach value at which the surrounding air is electrical
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durchbrochen wird, während an anderen Teilen des Leiters die Intensität noch weit unterhalb dieses Wertes liegt. Die Korona-Entladung begrenzt daher das Potential, auf das der Leiter ohne Sicherheitseinschränkungen angehoben werden kann. Diese Schwierigkeiten sind besonders ernst bei länglichen Leitern, die Leistung bei hoher Spannung übertragen. Beispiele dafür sind eine Sammelschiene oder ein Streifen mit rechteckigem Querschnitt, dessen größere Seiten im wesentlichen flach und parallel sind. Gewöhnlich wird die Korona-Entladung dadurch begrenzt, daß die scharfen Kanten und Ecken des Leiters abgerundet werden und der Leiter mit einem Isolationsmaterial umgeben wird.is broken, while on other parts of the conductor the intensity is still far below this value. The corona discharge therefore limits the potential to which the ladder can be raised without any safety restrictions. These Difficulties are particularly serious with elongated conductors that transmit power at high voltages. Examples of this are a busbar or strip of rectangular cross-section, the larger sides of which are essentially flat and are parallel. Usually the corona discharge is limited by rounding the sharp edges and corners of the conductor and the conductor is surrounded with an insulating material.
Eine Materialverschlechterung durch Korona-Entladung an Punkten hoher Spannungsbelastung ist eine der Hauptursachen für Isolationsversagen bei Hochspannungsanwendungen. Die Korona-Entladung selbst ist verhältnismäßig harmlos. Jedoch ergeben sich schwerwiegende Sekundäreffekte, die sich aus der Entwick- ■ lung von stark oxidierenden Stoffen in einem intensiven elektrischen Feld ergeben. Es wird Ozon erzeugt, das die Oxidation von umgebenden organischen Materialien beschleunigt. Stickstoff-Oxid-Komponenten, die bei Ionisation der Luft erzeugt werden, verbinden sich mit Wasser und bilden Säuren, die organische und anorganische Materialien angreifen. Organische Isolationsstoffe, wie beispielsweise Lacke und Zellulose werden in einem starken Korona-Feld schnell oxidiert. Glimmer und Glas werden durch die Korona-Entladung und durch die Oxidationsstoffe nicht beeinflußt, da sie eine dagegen inerte anorganischeMaterial deterioration due to corona discharge at points of high voltage stress is a major cause of Insulation failure in high voltage applications. The corona discharge itself is relatively harmless. However surrendered serious secondary effects resulting from the development ■ development of strongly oxidizing substances in an intense electric field. Ozone is generated, which does the oxidation accelerated by surrounding organic materials. Nitrogen oxide components, which are generated when the air is ionized, combine with water and form acids, the organic ones and attack inorganic materials. Organic insulation materials, such as paint and cellulose, are used in one strong corona field oxidizes quickly. Mica and glass are produced by the corona discharge and by the oxidants not influenced, since it is an inorganic one which is inert to it
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Zusammensetzung aufweisen.Have composition.
Korona-Entladung kann bei dynamoelektrischen Maschinen erwartet werden, die mit mit Spannungen von 6 kV und mehr arbeiten. Die Korona-Entladung tritt gewöhnlich in den Hochspannungs-Statorwicklungen auf, und zwar innerhalb der Statorschlitze und an den Enden der Statorschlitze. Derartige Korona-Entladung tritt innerhalb der Schlitze auf, wenn das Gas in den kleinen Hohlräumen, die zwischen den massiven Isolationsmaterialien und den Ausstanzungen vorhanden sind, sich ionisiert. Bei einigen Hochspannungsmaschinen wurde eine derartige Korona-Entladung dadurch vermieden, daß der massiven Isolation eine Halbleiteroberfläche gegeben wurde. Die halbleitende Umhüllung nimmt die Spannungsbelastung Innerhalb der massiven Isolation auf und sammelt den längs der.Spulenoberfläche auftretenden kapaziven Strom und entlädt ihn in harmloser Weise in den Kern.Corona discharge can be expected in dynamo-electric machines that work with voltages of 6 kV and more. Corona discharge usually occurs in the high voltage stator windings, within the stator slots and at the ends of the stator slots. Such corona discharge occurs within the slots when the gas enters the small voids that exist between the massive insulation materials and the punched holes are ionized. In some high-voltage machines, such a corona discharge has been avoided by the massive insulation a semiconductor surface was given. The semiconducting envelope takes the tension load inside the massive one Isolation and collects the occurring along the coil surface capacitive current and harmlessly discharges it into the core.
"Wicklungsende-Korona-Entladung" tritt dort auf, wo die Spule die Schlitze verläßt und ebenfalls zwischen angrenzenden Spulen in den Bereichen der Endwindungen. Eine Konzentration der Spannungsbelastung tritt auf an der Kante des Kerns und es kann eine Korona-Entladung an Hochspannungswicklungen längs der Oberfläche der Isolation über den Kernbereich hinaus auftreten oder auch am Ende der Halbleiterbehandlung an dem Schlitzteil der Spulen. Korona-Entladung kann auch zwischen den Spulen in Endwicklungen auftreten, insbesondere zwischen Spulen unterschiedlicher Phase, wo sich die höchste Spannungs-"End-of-turn corona discharge" occurs where the coil is located leaves the slots and also between adjacent coils in the areas of the end turns. A concentration The voltage stress occurs at the edge of the core and there can be a corona discharge along high voltage windings occur on the surface of the insulation beyond the core area or at the end of the semiconductor treatment on the slot part of the coils. Corona discharge can also be between the coils occur in end windings, especially between coils of different phases, where the highest voltage
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belastung ergibt. Um die Spannung längs der Spulenoberfläche zu verteilen, wurde üblicherweise eine Oberflächenbehandlung von sehr viel höherer Widerstandsfähigkeit dem Teil der Spulen gegeben, der gerade über den Kern hinausreicht. Dies überlappt die weniger widerstandsfähige Behandlung und verteilt in ausreichender Weise den Spannungsgradienten längs der Spulenoberfläche in diesen Endwicklungen.load results. About the tension along the coil surface To distribute, a surface treatment of much higher resistance has usually been applied to the part of the coils given that just goes beyond the core. This overlaps the less resistant treatment and sufficiently distributes the voltage gradient along the coil surface in these final turns.
Nachdem die Betriebsspannungen laufend höher angesetzt werden, wird es immer schwieriger, die Axialbelastung durch Halbleiterbehandlung allein zu steuern, insbesondere während der Überspannungs-Testversuche. Für diese hohen Spannungen wurde ein anderes Verfahren zur Steuerung der axialen Belastung verwendet. Gemäß diesem Verfahren wurden in die Isolationswand leitende Folien einbezogen, jeweils mit oder ohne Halbleiter-Oberflächenbehandlung. Durch geeignete Wahl des Folienabstandes und der Folienlänge konnten die radialen und longitudinalen Belastungen gleichmäßiger verteilt und die Dicke der Isolationswand wesentlich vermindert werden.After the operating voltages are set continuously higher, it becomes more and more difficult to reduce the axial load by semiconductor treatment to control alone, especially during the overvoltage test attempts. A different method of axial load control was used for these high stresses. According to this method, conductive foils were incorporated into the insulation wall, in each case with or without a semiconductor surface treatment. The radial and longitudinal Loads are distributed more evenly and the thickness of the insulation wall is significantly reduced.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Leitfolienstruktur zu schaffen, die eine maximale Verminderung der Spannungsbelastung der Isolation bei gegebener Anzahl von leitenden Folien ergibt.The object of the invention is to create a conductive film structure which maximizes the reduction in stress the insulation for a given number of conductive foils.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe im Zusammenhang mit einer dynamoelektrischen Maschine gelöst, die einen Magnetkern und Wicklungen aufweist, die innerhalb von Schlitzen in demAccording to the invention, the object is achieved in connection with a dynamoelectric machine that has a magnetic core and Has windings within slots in the
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Magnetkern angeordnet sind. Die Wicklungen umfassen einen Leiter, der ebene, sich schneidende Oberflächen aufweist und dadurch Kanten bildet. Die Kanten besitzen eine Krümmung mit einer Bogenlänge, die klein ist verglichen mit der Umfangserstreckung der ebenen Oberflächen. Um den Leiter herum sind konzentrisch Isolierungen angebracht, in der (zumindest) eine leitende Schicht angeordnet ist, und zwar im wesentlichen konzentrisch zum Leiter. Die leitende Schicht besitzt eine vorbestimmte Entfernung von der Kante des Leiters, wobei der Abstand im wesentlichen das geometrische Mittel des Radius der Krümmung der Leiterkante und des Radius der Krümmung der gekrümmten äußeren Oberfläche der Isolierung darstellt, die in dem gekrümmten Bereich die Kante umgibt.Magnetic core are arranged. The windings comprise a conductor that has planar, intersecting surfaces and thereby forms edges. The edges have a curvature with an arc length which is small compared to the extent of the circumference the flat surfaces. Around the conductor there are concentric insulations, in which (at least) one conductive layer is arranged, namely substantially concentric to the conductor. The conductive layer has a predetermined distance from the edge of the conductor, the distance being substantially the geometric mean of the radius represents the curvature of the conductor edge and the radius of curvature of the curved outer surface of the insulation which surrounds the edge in the curved area.
Durch diese Anordnung wird eine Isolationsstruktur geschaffen, die die Spannungsbelastung vermindert und Korona-Entladung in der Hochspannungsisolation unterdrückt, wobei außerdem noch die notwendige Dicke der Isolation für einen nicht kreisförmigen Leiter, der bei einer bestimmten Spannung arbeiten soll, wesentlich vermindert wird. Um dies zu erreichen, werden eine oder mehrere leitende Schichten oder Folien innerhalb der Isolationsstruktur bei vorbestimmten radialen Dicken eingebettet. Jede leitende Schicht besitzt einen gleichförmigen vorbestimmten Abstand von dem Leiter, so daß die elektrische Belastung an der Oberfläche eines Leiters gleich der elektrischen Belastung an der entsprechenden äußeren Oberfläche einer jeden leitenden Schicht ist. Bei einem isolierten Leiter mit einer oder mit mehreren gekrümmten Kanten wird diese BedingungThis arrangement creates an insulation structure, which reduces the voltage load and suppresses corona discharge in the high-voltage insulation, and also nor the necessary thickness of insulation for a non-circular conductor operating at a certain voltage should, is significantly reduced. To achieve this, one or more conductive layers or foils are placed inside embedded in the insulation structure at predetermined radial thicknesses. Each conductive layer has a uniform one predetermined distance from the conductor, so that the electrical load on the surface of a conductor is equal to the electrical Load is on the corresponding outer surface of each conductive layer. With an insulated conductor with one or more curved edges will meet this condition
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dadurch in einer Isolationsstruktur realisiert, indem der Radius einer leitenden Schicht in einem gekrümmten Bereich gleich dem geometrischen Mittel des Krümmungsradius der Leiterkante und dem Krümmungsradius der äußeren Oberfläche der Isolation gemacht wird. Wenn zwei oder mehr leitende Schichten verwendet werden, wird der Zustand vom gleichförmigen Potential dort verwirklicht, wo das Verhältnis der Radien aufeinanderfolgender leitender Schichten im gleichen Verhältnis zueinander stehen, wie der Radius der ersten leitenden Schicht zu dem Radius der gekrümmten Leiterkante. Jede so angeordnete leitende Schicht wirkt als eine Fläche gleichen Potentials, wodurch der Spannungsabfall über das Isolationsmaterial gleichförmig verteilt wird und dadurch die notwendige Isolationsdicke vermindert und Korona-Entladung vermindert oder ganz beseitigt wird.thereby realized in an isolation structure by placing the radius of a conductive layer in a curved area equal to the geometric mean of the radius of curvature of the conductor edge and the radius of curvature of the outer surface of the Isolation is made. When two or more conductive layers are used, the state becomes uniform Potential is realized where the ratio of the radii of successive conductive layers is in the same ratio relate to one another, like the radius of the first conductive layer to the radius of the curved conductor edge. Every so arranged conductive layer acts as an area of equal potential, whereby the voltage drop is uniformly distributed over the insulation material and thereby the necessary Insulation thickness is reduced and corona discharge is reduced or completely eliminated.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der beiliegenden Darstellung von Ausführungsbeispielen sowie aus der folgenden Beschreibung. Further details, advantages and possible applications of the invention emerge from the accompanying illustration of exemplary embodiments as well as from the following description.
Es zeigt:It shows:
Fig. 1 teilweise in perspektivischer Ansicht einen Statorschlitzabschnitt, aus dem sich zwei isolierte elektrische Leiterwicklungen erstrecken;Fig. 1 partially in perspective view of a stator slot section from which two isolated extend electrical conductor windings;
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Fig. 2 eine Querschnittsansicht der elektrischen Leiterwicklungen der Fig. 1;FIG. 2 is a cross-sectional view of the electrical conductor windings of FIG. 1;
Fig. 3 einen Querschnitt einer isolierten Leiterwicklung mit einer einzigen leitenden Schicht, die innerhalb der Isolation angeordnet ist; und3 shows a cross section of an insulated conductor winding with a single conductive one Layer disposed within the insulation; and
Fig. 4 eine der in Fig. 3 gezeigten elektrischen Leiterwicklung äquivalente Schaltungsdarstellung. 4 shows a circuit illustration equivalent to the electrical conductor winding shown in FIG. 3.
In der folgenden Beschreibung beziehen sich gleiche Bezugszahlen auf gleiche Elemente in allen Figuren der Zeichnungen. In the following description, like reference numbers refer to like elements in all figures of the drawings.
Fig. 1 zeigt in perspektischer Ansicht einen Teil einer Statoranordnung 10 einer dynamoelektrischen Maschine (nicht dargestellt) , wobei der Stator einen rechteckigen Statorschlitz 12 besitzt, der sich axial längs dem Stator und radial von der Statorbohrung erstreckt. Die Statoranordnung 10 besteht aus Stapeln von Metallblechen, die öffnungen aufweisen, die axial zueinander ausgerichtet sind, um so den axial sich erstreckenden Statorschlitz 12 zu bilden, in dem sich die elektrischen Wicklungen und Komponenten eines erfindungsgemäßen Isolationssystems befinden. Die Statoranordnung 10 umfaßt elektrische Leiterwicklungen 20. Die Wicklungen 20 sind gegeneinander isoliert und auch gegenüber den gestapelten Lamellen der Statoranordnung 10 isoliert. Die Wicklungen 20Fig. 1 shows a perspective view of part of a stator arrangement 10 of a dynamo-electric machine (not shown), the stator having a rectangular stator slot 12 extending axially along the stator and radially from the stator bore. The stator assembly 10 is made from stacks of metal sheets that have openings that are axially aligned with one another, so as to form the axially extending Form stator slot 12 in which the electrical windings and components of an inventive Isolation system are located. The stator assembly 10 includes electrical conductor windings 20. The windings 20 are against each other isolated and also isolated from the stacked laminations of the stator assembly 10. The windings 20
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sind innerhalb des Statorschlitzes 12 mit Hilfe einer Schlitzverkeilung 14 festgehalten, die aus Glimmer, Asbest, Glasfasern oder ähnlichen anorganischen Materialien mit einer Kunstharzbindung zusammengesetzt ist. Ein Wicklungstrenner 16, der aus Micanit (Phenolharz mit Glimmerzusatz) besteht, ist zwischen den elektrischen Leitungswicklungen 20 angeordnet. Eine Oberfläche 29 der isolierten Leiterwicklungen 20 ist innerhalb des Statorschlitzes 12 und eine bestimmte Entfernung außerhalb des Schlitzes halbleitend gemacht, vorzugsweise durch Anbringung einer belastungsverteilenden Zusammensetzung aus Silikonkarbid. Jedoch können auch andere Beschichtungsmaterialien verwendet werden.are within the stator slot 12 with the help of a slot wedging 14 that are made of mica, asbestos, glass fibers or similar inorganic materials with a synthetic resin bond is composed. A winding separator 16, which is made of Micanit (phenolic resin with mica additive) is between the electrical line windings 20 arranged. A surface 29 of the insulated conductor windings 20 is made semiconducting within the stator slot 12 and a certain distance outside the slot, preferably by applying a load-distributing silicone carbide composition. However, other coating materials can also be used be used.
Die elektrischen Leiterwicklungen besitzen in der dargestellten Ausführungsform einen rechteckigen Querschnitt mit abgerundeten Kanten. Obwohl ein massiver innerer Leiter 22 mit abgerundeten Ecken mit einem Krümmungsradius "r" dargestellt ist, wird der Leiter gewöhnlich in eine große Anzahl von gegenseitig isolierten Leitungssträngen aufgeteilt, um die Skin-Effekt-Verluste zu vermindern. Der innere Leiter 22 wird jedoch so behandelt, als wäre er eine feste Schiene mit rechteckigem Querschnitt, der abgerundete Kanten mit festgelegtem Krümmungsradius "r" aufweist und aus hochleitendem Metall besteht, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium, wobei dieser Leiter elektrische Ströme von einem Punkt innerhalb der dynamoelektrischen Maschine zu einem anderen Punkt bei hoher Spannung übertragen soll. In der Regel stehen die Abmessungen derartiger Leiter in hohen numerischen Verhältnissen zueinander, soIn the embodiment shown, the electrical conductor windings have a rectangular cross-section with rounded ones Edge. Although a solid inner conductor 22 is shown with rounded corners with a radius of curvature "r" is, the conductor is usually divided into a large number of mutually insulated strands of wire around the Reduce skin effect losses. The inner conductor 22, however, is treated as if it were a solid rail with a rectangular shape Cross-section with rounded edges with a fixed radius of curvature "r" and made of highly conductive metal consists, such as copper or aluminum, this conductor electrical currents from a point within the dynamoelectric Machine is to be transferred to another point at high voltage. Usually the dimensions are similar Heads in high numerical ratios, like that
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daß die Länge viel größer als die Breite ist. Wenn nicht die scharfen Kanten eines derartigen Leiters etwas abgerundet sind, kann eine Korona-Entladung stattfinden, wenn der Leiter auf einem hohen Potential betrieben wird. Der Umriß der Komponenten der isolierenden Struktur für die elektrischen Leiterwicklungen 20 ist in der Querschnittsdarstellung der Fig. 2, 3 und 4 wiedergegeben. In Fig. 3 ist ein Querschnitt der elektrischen Leiterwicklung 20 gezeigt, während in Fig. 4 ein ungefähr äquivalenter Schaltkreis der Leiteranordnung wiedergegeben ist. Der innere Leiter 22 wird von einer ersten Schicht 24 aus isolierendem Material umgeben, das bis zu einer radialen Dicke "x" an jeder Kante der elektrischen Leiterwicklung aufgebaut wird. Diese Schicht besteht vorzugsweise aus gespleißtem Glimmerband oder aus Glimmerpapier.that the length is much greater than the width. If not the sharp edges of such a conductor are slightly rounded corona discharge can occur if the conductor is operated at a high potential. The outline of the components the insulating structure for the electrical conductor windings 20 is shown in the cross-sectional view of FIG. 2, 3 and 4 reproduced. In Fig. 3 a cross section of the electrical conductor winding 20 is shown, while in Fig. 4 a approximately equivalent circuit of the conductor arrangement is shown. The inner conductor 22 is made up of a first layer 24 of insulating material surrounded to a radial thickness "x" on each edge of the electrical conductor winding is being built. This layer preferably consists of spliced mica tape or mica paper.
Erfindungsgemäß wird die hohe elektrische Belastung an den Kanten des Leiters dadurch vermindert, daß eine oder mehrere leitende Schichten in der Isolation eingebettet werden. Entsprechend ist eine leitende Schicht 26 zwischen der ersten Isolationsschicht 24 und der zweiten Isolationsschicht 28 in konzentrischer Beziehung zum inneren Leiter 22 angeordnet. Die leitende Schicht 26 ist im Abstand von der Oberfläche des elektrischen Leiters 20 in einer noch zu beschreibenden Weise angeordnet. Die leitende Schicht 26 steht in innigem Kontakt mit der ersten isolierenden Schicht 24 und der zweiten isolierenden Schicht 28, umgibt vollständig die Isolationsschicht 24 und den inneren Leiter 22 und erstreckt sich axial zumindest so weit, wie die äußere halbleitende Schicht 29According to the invention, the high electrical load on the Edges of the conductor reduced in that one or more conductive layers are embedded in the insulation. Corresponding is a conductive layer 26 between the first insulation layer 24 and the second insulation layer 28 arranged in concentric relation to the inner conductor 22. The conductive layer 26 is spaced from the surface of the electrical conductor 20 arranged in a manner to be described. The conductive layer 26 is intimate Contact with the first insulating layer 24 and the second insulating layer 28 completely surrounds the insulating layer 24 and the inner conductor 22 and extends axially at least as far as the outer semiconducting layer 29
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auf den Leiter 20. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, wird die ' gesamte radiale Dicke von beiden isolierenden Schichten einschließlich der leitenden Schichtdicke in den gekrümmten Bereichen mit 11T" bezeichnet. Die leitende Schicht 26 teilt die zusammengenommene Dicke von beiden Isolationsschichten an den flachen Oberflächen im gleichen Verhältnis wie um die gekrümmten Kanten des inneren Leiters 22 herum, d. h. es gilt:is shown on the conductor 20. As shown in Fig. 3, the 'entire radial thickness of two insulating layers including the conductive layer thickness in the curved portions 11 T "is referred to. The conductive layer 26 divides the bulked thickness of both insulation layers at the flat surfaces in the same proportion as around the curved edges of the inner conductor 22, that is:
r ·+' χ _ r '+· T .
r r + χ r + 'χ _ r' + T.
rr + χ
In Fig. 3 sind auf dem Querschnitt der elektrischen Leiterwicklung 20 Kondensatoren C1, C2, C3 und C4 dargestellt. Eine ungefähr äquivalente Schaltung der Anordnung mit den Verbindungen zu diesen Kondensatoren ist in Fig. 4 dargestellt. C1 stellt die verteilte Kapazität zwischen der leitenden Schicht 26 und den ebenen Oberflächen des inneren Leiters 22 dar, C2 ist die verteilte Kapazität zwischen der leitenden Schicht 26 und der ebenen äußeren Oberfläche der Isolation 28, C3 ist die verteilte Kapazität zwischen der leitenden Schicht 26 und den Kanten des inneren Leiters 22 und C4 ist die verteilte Kapazität zwischen der leitenden Schicht 26 und den äußeren Kanten der Isolation 28. Das Symbol R ist der Widerstand der leitenden Schicht 26 zwischen den ebenen Bereichen und den gekrümmten Kantenbereichen. Die Symbole V1 und V2 stellen das Potential der leitenden Schicht 26 an ihren ebenen Bereichen bzw. an ihren gekrümmten Bereichen dar, wobei die äußere Isolationsoberfläche als Bezugspunkt dient.In Fig. 3 are on the cross section of the electrical conductor winding 20 capacitors C1, C2, C3 and C4 are shown. One approximately equivalent circuit of the arrangement with the connections to these capacitors is shown in FIG. C1 represents the distributed capacitance between the conductive layer 26 and the planar surfaces of the inner conductor 22, C2 is the distributed capacitance between conductive layer 26 and the flat outer surface of insulation 28, C3 is the distributed capacitance between conductive layer 26 and the edges of inner conductor 22 and C4 is the distributed Capacitance between the conductive layer 26 and the outer edges of the insulation 28. The symbol R is the resistance of the conductive layer 26 between the flat areas and the curved edge areas. The symbols V1 and V2 represent the potential of the conductive layer 26 at its flat areas or at its curved areas, the outer insulation surface serves as a reference point.
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Wie schon erwähnt, ist die Spannungsbelastung an den Kanten des inneren Leiters 22 für eine gegebene angelegte Spannung höher als die gleichförmige Belastung in den flachen, ebenen Bereichen der Isolation. Ohne die leitende Schicht wäre der Spannungsabfall über C3 daher größer als der Spannungsabfall über C1, d. h. V1 wäre größer als V2. Durch die Anordnung einer leitenden Schicht 26 mit einem Widerstand "R" zwischen den ebenen Bereichen und den gekrümmten Kantenbereichen, der verglichen mit den Reaktanzen der vier Kapazitäten niedrig ist, werden die zwei Spannungen fast identisch sein und da C1 größer als C3 und C2 größer als C4 ist, werden die zwei Spannungen näher am anfänglichen Wert von V1 als an dem anfänglichen Wert von V2 liegen. Das Ergebnis ist, daß die Belastung über C3 und damit die Belastung über der ersten isolierenden Schicht im gekrümmten Bereich vermindert wurde.As mentioned earlier, the voltage stress on the edges of the inner conductor 22 is for a given applied voltage higher than the uniform load in the flat, level areas of the insulation. Without the conductive layer that would be The voltage drop across C3 is therefore greater than the voltage drop across C1, i. H. V1 would be greater than V2. By the arrangement a conductive layer 26 having a resistance "R" between the planar areas and the curved edge areas, the is low compared to the reactances of the four capacitances, the two voltages will be almost identical and there C1 is greater than C3 and C2 is greater than C4, the two voltages will be closer to the initial value of V1 than to the initial one Value of V2. The result is that the stress over C3 and therefore the stress over the first insulating Layer in the curved area has been reduced.
Es soll nun ein Beispiel gegeben werden. Die oben angegebenen ebenen Oberflächen seien zwei bzw. drei Zoll breit (5,08 bzw. 7,62 cm), während der Radius der Leiterkante r = 0,03 Zoll (0,762 mm) und die Isolationsdicke T = 0,3 Zoll (7,62 mm) betrage. Die leitende Schicht sei in einer Entfernung von χ = 0,10 Zoll (2,54 mm) von den Oberflächen des Leiters angeordnet. Wenn als dielektrische Konstante ein Wert von 4 angenommen wird (die Wahl beeinflußt das Ergebnis nicht), ergibt sich eine Kapazität pro 1-Zoll-Leiterlänge von:An example will now be given. Let the flat surfaces given above be two and three inches wide (5.08 and 7.62 cm), while the radius of the conductor edge r = 0.03 inch (0.762 mm) and the insulation thickness T = 0.3 inches (7.62 mm). The conductive layer is at a distance of χ = 0.10 inches (2.54 mm) from the surfaces of the conductor. If a value of 4 is assumed as the dielectric constant (the choice does not affect the result), there is a capacity per 1-inch conductor length of:
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C1 = 0,2248 10 χ 4 = 89,92 pF 1 0,100C 1 = 0.2248 10 χ 4 = 89.92 pF 1 0.100
C = 0,2248 10 χ 4 = 44,96 pF Δ 0,200C = 0.2248 10 χ 4 = 44.96 pF Δ 0.200
C- = 0,6137 χ 4 = 3,85 pF ό log 0,130
0,030C- = 0.6137 χ 4 = 3.85 pF ό log 0.130
0.030
= 0/6137 x 4 = 6,06 pF, log 0,330
0,130 = 0/6137 x 4 = 6.06 pF, log 0.330
0.130
Bei der Berechnung von C3 und C4 wie auch bei den folgenden Berechnungen wurde angenommen, daß die Kante der Isolationsoberfläche und die Kante der leitenden Schicht Teile eines konzentrischen kreisförmigen Zylinders sind.In calculating C3 and C4, as well as in the following calculations, it was assumed that the edge of the insulating surface and the edge of the conductive layer are part of one concentric circular cylinder.
Werden 30 kV an den Leiter angelegt (durchschnittliche Belastung 100 V/m), und sind keine leitenden Schichten vorhanden, ergeben sich für V1 und V2 folgende Werte:If 30 kV are applied to the conductor (average load 100 V / m) and there are no conductive layers, the following values result for V1 and V2:
V1 = 30 C1 = 20 kVV 1 = 30 C 1 = 20 kV
C+CC + C
V9 = 30 C3 = 11,65 kVV 9 = 30 C 3 = 11.65 kV
Das innere Drittel der Isolation unterliegt daher an den Kan ten einer durchschnittlichen Belastung von:The inner third of the insulation is therefore subject to an average load of:
18350 = 183,5 V/m . 100 18350 = 183.5 V / m. 100
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Aus Standardtabellen, die ζ. B. von J. D. Cockcroft im Aufsatz "The Effect of Curved Boundaries on the Distribution of Electrical Stress of Round Conductors", J. Inst. Elect. Engrs., Band 66, April 1928 auf den Seiten 385 - 409 veröffentlicht wurden, beträgt die Belastung an der Kante des Leiters:From standard tables, the ζ. B. by J.D. Cockcroft in the article "The Effect of Curved Boundaries on the Distribution of Electrical Stress of Round Conductors," J. Inst. Elect. Engrs., Volume 66, April 1928 on pages 385-409, the load on the edge of the conductor is:
2,57 κ 100 = 257 V/m.2.57 κ 100 = 257 V / m.
Bei einer hochleitenden Schicht, wie beispielsweise der Schicht 26, ergibt sich für die Spannung der leitenden Schicht:In the case of a highly conductive layer, such as layer 26, the voltage of the conductive layer results in:
V = 30 C1+C3 = 19,43 kV.V = 30 C 1 + C 3 = 19.43 kV.
c1+c2+c3+c4 c 1 + c 2 + c 3 + c 4
Das innere Drittel der Isolation besitzt an den Kanten nunmehr die durchschnittliche Belastung von lediglich:The inner third of the insulation now has an average load of only:
= 105,7 V/m,= 105.7 V / m,
die maximale Belastung an der Kante des Leiters ist nunmehr lediglich:the maximum load on the edge of the conductor is now only:
1,80 χ 105,7 = 190,3 V/m.1.80 χ 105.7 = 190.3 V / m.
Es sollte bemerkt werden, daß diese Belastungen etwas höher sind, wenn berücksichtigt wird, daß die leitende Schicht einen bestimmten Widerstand besitzt, jedoch sind die Unterschiede klein, solange der Widerstand der Schicht verglichen mit der Impedanz der größten Kapazität des Systems klein ist.It should be noted that these stresses are somewhat higher when it is taken into account that the conductive layer possesses a certain resistance, however, the differences are small as long as the resistance of the layer is compared with the impedance of the largest capacitance of the system is small.
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In dem obigen Beispiel beträgt die Impedanz von C1 bei einem Wechselstrom von 60 Hz:In the example above, the impedance of C1 for an AC current of 60 Hz is:
1 ryj = 1,9 χ 107 Ohm. 1 r yj = 1.9 χ 10 7 ohms.
377 χ 89,92 χ 10377 χ 89.92 χ 10
Wenn die leitende Schicht 26 weiter zum inneren Leiter 22
verschoben wird, vermindern sich die Belastungen an der Kante des inneren Leiters 22, während zur gleichen Zeit die Belastungen
an der äußeren Oberfläche der leitenden Schicht 26
in gekrümmtem Bereich ansteigen. Die niedrigste maximale Belastung
in der Isolation ergibt sich dann, wenn diese beiden Belastungen gleich sind, was gemäß bekannter Prinzipien der
Elektrostatik dann auftritt, wenn der Radius der leitenden
Schicht im gekrümmten Kantenbereich gleich dem geometrischen Mittel des Radius der Leiterkante und des Radius der äußeren
Oberfläche der Isolation ist. Der Effekt der leitenden Schicht ist der, daß die durchschnittliche elektrische Belastung für
die verschiedenen Teile der Isolation gleich gemacht wird, , während die Isolation von der leitenden Schicht 26 geteilt
wird.When the conductive layer 26 continues to the inner conductor 22
is shifted, the stresses on the edge of the inner conductor 22 decrease, while at the same time the stresses on the outer surface of the conductive layer 26 are reduced
rise in the curved area. The lowest maximum load in the insulation results when these two loads are equal, which is according to known principles of
Electrostatics occurs when the radius of the conductive
Layer in the curved edge area is equal to the geometric mean of the radius of the conductor edge and the radius of the outer surface of the insulation. The effect of the conductive layer is that the average electrical load for the different parts of the insulation is made the same while the insulation is shared by the conductive layer 26
will.
Wenn zwei oder mehr leitende Schichten verwendet werden, hängt die maximale Belastung in einem gegebenen Teil der Isolation
zwischen zwei angrenzenden leitenden Schichten vom Verhältnis der Krümmungen dieser Schichten ab und werden ansteigen, wenn
sich dieses Verhältnis erhöht. Um die höchste elektrische
Belastung in der Isolation bei einer gegebenen Anzahl von
leitenden Schichten so niedrig wie möglich zu halten, sollteWhen two or more conductive layers are used, the maximum stress in a given part of the insulation between two adjacent conductive layers depends on the ratio of the curvatures of these layers and will increase as this ratio increases. To the highest electrical
Load in the isolation for a given number of
should keep conductive layers as low as possible
$09819/0371$ 09819/0371
2S483282S48328
— T ο —- T ο -
das höchste Verhältnis zwischen zwei Krümmungen von zwei angrenzenden leitenden Schichten so niedrig wie möglich sein. Dies wird dadurch erreicht, daß die leitenden Schichten in der Weise angeordnet werden, daß alle Verhältnisse zwischen den Krümmungen angrenzender Schichten gleich sind. Das bedeutet, daß:the highest ratio between two curvatures of two adjacent conductive layers as low as possible. This is achieved in that the conductive layers in be arranged such that all ratios between the curvatures of adjacent layers are equal. That means, that:
r + X1 r + x2 r +r + X 1 r + x 2 r +
wobei r = Radius des Leiters;where r = radius of the conductor;
T = radiale Dicke der Isolation im gekrümmten Bereich;T = radial thickness of the insulation in the curved area;
x.= Entfernung von der Leiteroberfläche zu der i-ten leitenden Schicht;x. = distance from the conductor surface to the i-th conductive layer;
η = Anzahl der leitenden Schichten (positive ganze Zahl); undη = number of conductive layers (positive integer); and
i = eine positive ganze Zahl, die kleiner oder gleich η ist.i = a positive integer that is less than or equal to η.
Aus dieser Beziehung ist zu erkennen, daßFrom this relationship it can be seen that
n+1 f X1 = ~Vr n + 1 f X 1 = ~ V r
n+1-i .n + 1-i.
(r+T)1 -r ,(r + T) 1 -r,
wobei n>i>0 ist. Wenn nur eine leitende Schicht verwendet wird, ist η - 1 undwhere n> i> 0. If only one conductive layer is used becomes, η - 1 and
(r+T) - r .(r + T) - r.
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Die vorletzte Gleichung kann auch in der folgenden Weise aus gedrückt werden;The penultimate equation can also be expressed in the following way;
(X1 + r) n+1 = r11+1"1 (r+T)1 .(X 1 + r) n + 1 = r 11 + 1 " 1 (r + T) 1 .
Die leitende Schicht 26 läßt sich in einfacher Weise anordnen, wenn die Isolation mehrlagig aus Band aufgebaut wird, wie bereits vorgeschlagen wurde. Die leitende Schicht kann dann in bequemer Weise zwischen zwei Bandschichten eingelegt werden, wobei sich der beste Wert von χ gemäß den obigen Gleichungen ergibt. Wenn z. B. für einen Leiter mit einem Kantenradius von 0,03 Zoll (0,762 mm) mit einer Isolationsdicke von 0,145 Zoll (3,683 mm) verwendet wird, ist der niedrigste Wert der maximalen Belastung erreicht, wenn die leitende Schicht in eine Entfernung von 0,042 Zoll (1,0668 mm) von der Leiteroberfläche entfernt angeordnet wird. Bei einem voll belasteten Isolationssystem kann eine Metallfolie als leitende Schicht verwendet werden, jedoch muß für ein im Vakuum zu imprägnierendes Isolationssystem die leitende Schicht auch durchlässig sein. Es steht ein leitendes imprägnierbares Band zur Verfügung, das als ein äußeres Abbindungsband getestet wurde und auch zur Benutzung als leitende Schicht bei vakuumimprägnierten Isolationssystemen geeignet ist.The conductive layer 26 can be arranged in a simple manner if the insulation is made up of multiple layers of tape, such as has already been proposed. The conductive layer can then be conveniently placed between two layers of tape, where the best value of χ is given by the above equations. If z. B. for a conductor with an edge radius 0.03 "(0.762 mm) with an insulation thickness of 0.145" (3.683 mm) is used, the lowest value is the maximum stress is achieved when the conductive layer is 0.042 inches (1.0668 mm) from the conductor surface is located away. In a fully loaded insulation system, a metal foil can act as a conductive layer can be used, but for an insulation system to be impregnated in a vacuum, the conductive layer must also be permeable be. A conductive impregnable tape is available that has been tested as an external tie tape and is also suitable for use as a conductive layer in vacuum-impregnated insulation systems.
Es sei noch einmal auf Fig. 1 verwiesen, in der die leitende Schicht 26 und die Isolationsschichten 24 und 28 so dargestellt sind, daß sie sich längs dem inneren Leiter 22 erstrecken, wobei der Leiter aus dem Kernstück 12 heraussteht. DieReference is again made to FIG. 1, in which the conductive layer 26 and the insulation layers 24 and 28 are shown in this way are that they extend along the inner conductor 22 with the conductor protruding from the core piece 12. the
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leitenden Schichten reichen vom Ende einer halbleitenden äußeren Oberfläche 29 auf dem Leiter 20 bis zu einer vorbestimmten Entfernung, um eine axiale Belastungsverteilung auf der Oberfläche der Leiterisolation und in deren äußeren Schichten zu erreichen, zusätzlich zu der radialen Lastverteilung. Conductive layers extend from the end of a semiconductive outer surface 29 on conductor 20 to a predetermined one Distance to an axial load distribution on the surface of the conductor insulation and in its outer To achieve layers, in addition to the radial load distribution.
Patentansprüche; Claims ;
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r r + χ r + χ _ ' r + T
rr + χ
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