СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ПРОТИВ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА, В ЧАСТНОСТИ ВНЕШНЯЯ СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ПРОТИВ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 2018 года по МПК H01B3/47 H02K3/40 

Изобретение относится к системе защиты против тлеющего разряда для электрической машины, например для машины высокого напряжения, такой как генератор для выработки электрической энергии, электрический двигатель, однако также для другого электрооборудования с более высоким номинальным напряжением, такого как трансформаторы, проходные изоляторы, кабели и т.д.

Разрабатываются все более мощные машины, как например генераторы, так как прогрессирующая техника требует все более высокие плотности мощности. Мощный генератор, как например турбогенератор, имеет в частности станину (статор) с пакетом сердечника статора и множеством пазов генератора, в которых находится обмотка генератора.

Основной изоляцией этой обмотки от пакета сердечника является высоконагруженная электричеством система. Во время эксплуатации возникают высокие напряжения, которые в изоляционном объеме между находящимся на высоком напряжении стержнем проводника и находящимся на потенциале земли пакетом сердечника должны уменьшаться. При этом на краях листов в пакете сердечника возникают превышения поля, которые со своей стороны вызывают частичные разряды. Эти частичные разряды при попадании на изоляционную систему локально приводят к очень сильным нагревам. При этом органические материалы изоляционной системы, включая внешнюю систему защиты против тлеющего разряда, последовательно разлагаются на низкомолекулярные, легколетучие продукты, например на CO₂.

Важной составной частью изоляционной системы является так называемая внешняя защита против тлеющего разряда (AGS). У больших генераторов и электродвигателей она наносится прямо на поверхность изоляции обмотки. На сегодняшний день защита AGS состоит из содержащих технический углерод и графит лент или лаков.

Так как ввиду системных соображений в первую очередь пограничная поверхность между защитой AGS и основной изоляцией не может изготовляться полностью без пор, при соответственно высоких напряженностях электрического поля в изоляционной системе доходит до соответственно высокой электрической активности частичных разрядов, которая во время эксплуатации с течением времени полностью выжигает внешнюю защиту против тлеющего разряда и таким образом приводит к преждевременному старению изоляции и в худшем случае к короткому замыканию на землю электрической машины. Это соответствует непоправимому полному выходу из строя машины.

Внешняя защита против тлеющего разряда должна иметь определенное сопротивление на квадрат площади, которое находится в определенном диапазоне. Если оно слишком низко, то пакеты сердечников могут электрически закорачиваться, что может приводить к высоким индуцированным контурным токам, которые раскрываются через концы пакета сердечника и внешнюю защиту против тлеющего разряда и приводят к сильноточным электрическим дугам. В свою очередь при слишком высоком сопротивлении может доходить до высоковольтной электроискровой эрозии. В идеале сопротивление могло бы задаваться во внешней системе защиты против тлеющего разряда, так что могла бы создаваться анизотропия, которая обнаруживает повышенную электропроводность в радиальном направлении, то есть от проводящего ток проводника по направлению к пакету сердечника, и повышенное сопротивление, то есть низкую электропроводность, в направлении стержня.

Поэтому задача данного изобретения состоит в преодолении недостатков уровня техники и в предоставлении устойчивой системы защиты против тлеющего разряда.

Эта задача решается с помощью предмета данного изобретения, который раскрыт в описании и в пунктах формулы изобретения.

Согласно этому предметом данного изобретения является система защиты против тлеющего разряда для электрической машины, включающая в себя наполнитель в полимерной матрице, причем наполнитель включает в себя как плоские, так и сферические устойчивые к частичному разряду и проводящие электричество частицы.

Предпочтительно частицы включают в себя устойчивое к частичному разряду ядро и устойчивое к частичному разряду покрытие, которое является электропроводным.

При этом понятие "устойчивый к частичному разряду" относится к материалам, которые - например - при частичных разрядах в воздухе устойчивы к окислению, или которые при частичных разрядах в остальном остаются устойчивыми, как например керамические материалы и/или стекла.

Полимерной матрицей является, например дуромер, термопласт и/или эластомер.

Согласно предпочтительному варианту осуществления устойчивое к частичному разряду ядро состоит из керамического или стеклообразного материала, который имеет предпочтительно низкую плотность и является предпочтительно слюдой, кварцевой мукой, оксидом алюминия или стеклянными пластинками.

При плоской структуре частиц достигается улучшенное контактирование электропроводных частиц друг с другом. Предпочтительно покрывающий частицы материал является оксидом металла и выбирается из группы, включающей в себя оксид олова, оксид цинка, станнат цинка, оксид титана, оксид свинца или неокисный карбид кремния. Легирующий (примесный) элемент предпочтительно выбирается из группы: сурьма, индий, кадмий.

Кроме того, предпочтительным является то, что массовая концентрация частиц в несущей матрице выбирается таким образом, что материал защиты против тлеющего разряда находится выше порога перколяции (просачивания через поры). При этом предпочтительным является то, что массовая концентрация частиц находится около более чем 15 процентов по весу. От этой определенной массовой концентрации частиц в несущей матрице композитный (соединительный) материал находится выше порога перколяции, и поверхностное сопротивление материала защиты против тлеющего разряда почти не изменяется с увеличением массовой концентрации частиц. Вследствие этого материал защиты против тлеющего разряда почти не подвергается колебаниям в поверхностном сопротивлении, которое вследствие этого может хорошо воспроизводиться.

Особым аспектом изобретения является смесь сферических и плоских частиц наполнителя. Из DE 102010009462.5 известно, что для изготовления внешней защиты против тлеющего разряда используются плоские чешуйчатые частицы, которые благодаря своему выравниванию во время процесса изготовления и своему электропроводному покрытию создают электропроводные дорожки, вдоль которых электропроводность высока, а сопротивление низко. Недостаток заключается в том, что электропроводность довольно низка перпендикулярно к тому направлению, то есть в радиальном направлении, в котором чешуйчатые частицы имеют лишь очень незначительное распространение. Однако как было упомянуто выше, электропроводность была бы желательна именно в этом радиальном направлении.

Итоговое достижение данного изобретения состоит в том, что в дополнение к отличным свойствам защиты против тлеющего разряда с покрытыми плоскими частицами, что например, известно из DE 10 2010 009 462.5, благодаря добавлению сферических частиц может целенаправленно устанавливаться электропроводность в поперечном направлении к пластинкам (чешуйкам).

Предпочтительно используются частицы микроразмера, например пластинки имеют ширину и длину в диапазоне микрометров, то есть, например, в диапазоне от 1 до 300 мкм, в частности от 1 до 100 мкм и в частности предпочтительно от 1 до 40 мкм, в то время как их диаметр в направлении толщины находится в диапазоне нанометров, то есть между 50 и 1000 нм, в частности в диапазоне от 100 до 1000 нм. Сферические частицы имеют диаметр, например, в диапазоне от 0,5 до 50 мкм, в частности от 1 до 10 мкм.

Благодаря добавлению шаровидных, то есть сферических, наполнителей к плоским или стержневидным наполнителям пороги перколяции трех пространственных направлений сдвигаются к значительно более низким концентрациям наполнителей. Вследствие этого и благодаря тому, что шаровидные наполнители имеют меньшую удельную поверхность, чем плоские частицы, значительно сокращается полная поверхность на пограничных поверхностях в композитном материале, причем система все равно имеется с повышенной перколяцией. Вследствие этого теперь впервые возможно то, что такие ленты против тлеющего разряда под воздействием температуры расплавляются и в случае перекрывающейся обмотки очень хорошо друг с другом сплавляются, и благодаря перекрытию почти не возникает контактное сопротивление. Одновременно эта система является и остается очень воспроизводимой, так как даже таким образом может устанавливаться электрическое сопротивление с повышенной перколяцией.

Например, плоские частицы имеются в соотношении к сферическим частицам приблизительно 3:1.

- Благодаря добавлению шаровидных наполнителей к плоским наполнителям электрическая проводимость значительно повышается перпендикулярно к направлению пластинок наполнителя, так как шарики откладываются между пластинками. Вследствие этого анизотропное электрическое сопротивление может адаптироваться к слою против тлеющего разряда в определенных областях.

- Если шаровидные частицы также изготавливаются из легированного примесями оксида металла, они, как и уже известные из предыдущей заявки DE 102010009462.5 плоские частицы, также устойчивы против частичных разрядов. Вследствие этого значительно увеличивается срок службы электрической машины, и соответственно эксплуатация может осуществляться с большей мощностью.

- Общая электропроводность таких шаровидных наполнителей может устанавливаться посредством легирования примесью оксида металла (аналогично плоским наполнителям).

Оба наполнителя предпочтительно имеют легкий несущий субстрат.

- Плоскими частицами является слюда, шаровидными частицами - кварцевая мука. Вследствие этого обеспечивается то, что изготовленные таким образом наполнители имеют относительно низкую плотность и таким образом во время обработки не осаждаются, так как функциональное покрытие на упомянутых субстратах состоит из легированных примесями оксидов металлов, например из легированного сурьмой оксида олова, который имеет плотность в 6,9 г/см³. В итоге готовые наполнители с соответствующим легким субстратом имеют лишь плотность - например - в 3,5 г/см³.

- Плоская геометрия, а также выравнивание наполнителя в защите против тлеющего разряда перпендикулярно к нагрузке поля значительно удлиняет путь эрозии через защиту против тлеющего разряда по сравнению с защитой против тлеющего разряда, которая состоит лишь из шаровидных наполнителей. Поэтому количество добавленных к чешуйчатым частицам сферических частиц должно выбираться в противоречии между повышением пути эрозии посредством по возможности полностью пластинчатых частиц и установкой анизотропной электропроводимости посредством шаровидных частиц.

Изобретение относится к системе защиты против тлеющего разряда для электрической машины, например для машины высокого напряжения, такой как генератор для выработки электрической энергии, электрический двигатель, однако также для другого электрооборудования с более высоким номинальным напряжением, такого как трансформаторы, проходные изоляторы, кабели и т.д. Система защиты против тлеющего разряда отличается смесью наполнителей, в которой имеют место как плоские, так и сферические частицы. Тем самым может целенаправленно и анизотропно устанавливаться электрическая проводимость, которая при наличии только плоских частиц является хорошей в двух пространственных направлениях, однако очень плохой в третьем пространственном направлении.

Изобретение относится к системе защиты против тлеющего разряда для электрической машины высокого напряжения. Система защиты против тлеющего разряда отличается смесью наполнителей, в которой имеют место как плоские, так и сферические частицы. Тем самым может целенаправленно и анизотропно устанавливаться электрическая проводимость, которая при наличии только плоских частиц является хорошей в двух пространственных направлениях, однако очень плохой в третьем пространственном направлении. Изобретение обеспечивает повышение надежности и стабильности системы защиты против тлеющего разряда для высоковольтных устройств. 14 з.п. ф-лы.

1. Система защиты против тлеющего разряда в качестве части основной изоляции для электрической машины высокого напряжения, включающая в себя наполнитель в полимерной матрице, причем наполнитель включает в себя как плоские, так и сферические устойчивые к частичному разряду и электропроводящие частицы.

2. Система защиты против тлеющего разряда по п.1, в которой массовая концентрация частиц в несущей матрице находится выше порога перколяции.

3. Система защиты против тлеющего разряда по п.2, в которой массовая концентрация частиц составляет более чем 15% по весу.

4. Система защиты против тлеющего разряда по п.1, в которой размеры плоских устойчивых к частичному разряду и электропроводящих частиц имеют ширину и длину в диапазоне микрометров с толщиной в диапазоне нанометров.

5. Система защиты против тлеющего разряда по п.4, в которой плоские устойчивые к частичному разряду и электропроводящие частицы имеют ширину и длину в диапазоне от 1 до 100 мкм.

6. Система защиты против тлеющего разряда по п.4, в которой плоские устойчивые к частичному разряду и электропроводящие частицы имеют толщину в диапазоне между 50 и 1000 нм.

7. Система защиты против тлеющего разряда по п.1, в которой сферические частицы имеют диаметр в диапазоне от 0,5 до 50 мкм.

8. Система защиты против тлеющего разряда по п.1, дополнительно включающая в себя стержневидные частицы.

9. Система защиты против тлеющего разряда по п.1, в которой полимерная матрица может изготавливаться из дуромера, термопласта и/или эластомера.

10. Система защиты против тлеющего разряда по п.1, в которой частицы включают в себя устойчивое к частичному разряду ядро с устойчивым к частичному разряду проводящим электричество покрытием.

11. Система защиты против тлеющего разряда по п.1, в которой содержатся частицы, которые комбинированным образом содержат устойчивое к частичному разряду ядра с устойчивым к частичному разряду покрытием.

12. Система защиты против тлеющего разряда по п.10 или 11, в которой содержатся частицы, устойчивое к частичному разряду ядро которых состоит из материала, выбранного из группы: слюды, кварцевой муки, оксида алюминия или стеклянных пластинок.

13. Система защиты против тлеющего разряда по п.1, включающая в себя частицы с покрытием из оксида металла.

14. Система защиты против тлеющего разряда по п.13, в которой оксид металла легирован примесями.

15. Система защиты против тлеющего разряда по п. 1, в которой сферические частицы и плоские частицы содержатся в наполнителе приблизительно в соотношении 1:3.