专利名称：一种包括拼接高压电缆的绕组系统的修理方法
技术领域：
本发明涉及一用于高压旋转电机之绕组系统的修理方法，该种电动机是设计用于直接与配电或输电电网连接的。
本发明涉及的旋转电机例如可为同步电机，异步电机，双馈电机，异步静态变流器级联，外极电机或同步流电机。
为了将该类型电机连接到配电或输电电网上，迄今使用了变压器将电压升高到电网电压等级，即130－400KV的范围中。
具有高至36KV之额定电压的发电机被Paul R．Siedler描述在标题为“由绝缘研究引起的36KV发电机”的文章，ElectricalWorld，1932年10月15日，第524－527页中。这些发电机包括高压电缆绕组，其中绝缘被分为具有不同介电常数的各个层。所使用的绝缘材料由云母片云母，漆及纸这三种成分的各种组合组成。
现在已发现，通过用具有类似于输电电缆类型之固体绝缘的高压绝缘导体来制造用于以上导言中所述电机的绕组，电机电压可增高到这样的等级，即可不用任何中间变压器使电机直接连接到电网上。这些电机的典型工作范围可为36至800KV。
本发明中所使用绝缘导体或高压电缆是柔性的，及为更详细地描述在PCT申请SE97／00874及SE97／00875中的类型。绝缘导体及电缆还被描述在PCT申请SE97／00901，SE97／00902及SE97／00903中。
因此，在本发明的范围中，其绕组优先采用与以下电缆等同类型的电缆具有固体挤压绝缘的电缆其为现在用于配电之电缆、如XLPE电缆或具有EPR绝缘之电缆。这种电缆包括由一个或多个绞合部分组成的一个内导体，包围该导体的一个半导体层，包围该半导体层的一个固体绝缘层及包围该绝缘层的一外半导体层。这些电缆是柔性的，在这方面这是一个重要特性，因为根据本发明的装置用的技术主要基于其中绕组是使用在组装时可弯曲的导体形成的绕组系统。XLPE电缆的柔性通常对应于使一个直径30mm的电缆约弯到20cm的曲率半径及使一个直径80mm的电缆约弯到65cm的曲率半径。在本申请中“柔性”一词用来表示绕组可被弯曲到其曲率半径为电缆直径的4倍的量级，最好为电缆直径的8－12倍。
该绕组应被构造得甚至当它被弯曲及当它在工作期间受到热应力时还能保持其特性。重要的是，在这方面各层彼此保持它们的粘性。这里层的材料特性是决定性的，尤其是它们的弹性及相对热膨胀系数。例如，在XLPE电缆中，绝缘层由交联的低密度聚乙烯组成，及半导体层由带有混合其中的碳黑及金属颗粒的聚乙烯组成。作为温度波动结果的体积变化随着电缆半径的变化而被吸收，并由于相对这些材料的弹性而言各层中热膨胀系数之间的差别甚微，可以发生径向膨胀而各层不会彼此分离。
上述的材料组合应被看成仅是作为例子。能满足所述条件及半导条件的另外组合、即具有的电阻率在10－1－106ohm－cm之间如1－500ohm－cm或10－200 ohm－cm的范围内，当然也落在本发明的范围内。
绝缘层的组成譬如可为固态热塑性材料，例如低密度聚乙烯(LDPE)，高密度聚乙烯(HDPE)，聚丙烯(PP)，聚丁烯(PB)聚甲基戊烯(PMP)；交联材料，如交联聚乙烯(XLPE)，或橡胶如乙烯丙烯橡胶(EPR)或硅橡胶。
内及外半导体层可以由相同的基体材料组成，但其中混合有导电材料颗粒，如碳黑或金属粉末。
这些材料的机械性能，尤其是热膨胀系数受其中是否混合有碳黑或金属粉末的影响相对地很小，至少在为获得根据本发明所要求的导电率而必需的份额上是如此。因此，绝缘层及半导体层具有实质上相同的热膨胀系数。
乙酸乙烯酯共聚物／腈橡胶，丁基类(butylymp)聚乙烯，乙烯丙烯酸酯共聚物及乙烯丙烯酸乙酯共聚物也可构成半导体层用的合适聚合物。
甚至当使用不同类型材料作为各个层中的基体时，它们的热膨胀系数最好也基本上相同。以上所列举的材料的组合就是这种情况。
以上所列举的材料具有好的弹性及其杨氏(E)弹性模量＜500Mpa，最好＜200Mpa。
对于在径向弹性方向上要被吸收的各层中材料热膨胀系数之间的任何小差别来说该弹性是足够的，以致于不会出现任何破裂或其它损坏，并使得各层不会彼此离开。各层中的材料是有弹性的及各层之间的粘附力至少与材料中最弱者具有相同的量级。
两个半导体层的导电率足够使每层上的电位实质地均衡。外半导体层的导电率如此地大，以致于外半导体层具有在电缆中包含电场的足够导电率，但同时又足够地小，以便不会由在层纵向上感应的电流引起大的损耗。
因此，这两个半导体层中的每个基本构成了一个等电位面，及由这些层组成的绕组将实质地在其中包含电场。
当然没有什么可阻止在绝缘层中配置一个或多个附加的半导体层。
在不同类型的旋转电机中会出现不同类型的损坏。在水力发电机中通常在定子，主要在定子绕组中出现损坏。定子中的损坏相对均匀地分布在绝缘和焊接的接头之间。转子的损坏在大多数情况下由污物引起的转子电路接地故障而产生。
当在旋转电动机中发生破坏性的放电时绕组常被损坏并必需被修理。在传统类型的旋转电机中，这种对绕组的修理常常需要定子或转子被拆下并由此停机一个或长或短的时间。因此这是一个显著的缺点。
本发明的目的是提供一种对上述问题的解决方案。这是用权利要求1中限定的高压旋转电机中绕组系统的修理方法获得的。该方法可用于为直接与配电或输电电网连接所设计的电机。该电机包括一个具有用于绕组之槽的定子，一个转子及包括在绕组系统中的绕组，其中绕组包括高压电缆，这些电缆实质地包含绕组中的电场。该方法包括以下的步骤在高压电缆损坏的情况下以这样的方式拼接高压电缆，即至少一个原来线圈端弯部的至少一部分在拼接后被转化为包括接头的至少一部分，其中至少一个接头被布置在原来线圈端束的外部，该拼接是在不拆卸旋转电机的情况下进行的。
如在本发明中要求保护的，该方法的一大优点是在不拆卸旋转电机的情况下，绕组系统可被修理。因此停机时间比传统旋转电机的情况明显地缩短。
根据本发明方法的一个有利实施例是在沿线圈端弯部损坏的情况下获得的并包括以下步骤－切断高压电缆以获得两个端部；－从至少一个槽中每次移出具有这两个端部的高压电缆；
－切断高压电缆以除去损坏部分并由此获得一个端部；－在其中一个端部上拼接一段高压电缆；－将带有拼接段的高压电缆插入空出的槽中；及－将这样获得的分开端部连接起来便得到无损坏的绕组。
根据本发明方法的另一有利实施例是在损坏不位于线圈端束的情况下获得的，并包括以下步骤－切断高压电缆以除去损坏部分，由此获得两个端部；－从至少一个槽中每次移出具有这两个端部的高压电缆；－在空出的槽中连接一个高压电缆的拼接段；及－将这样获得的两个端部连接起来便得到无损坏的绕组。
在这方面，有利的是拼接是以完全热补(硫化)连接的方式进行的。
另一优点是接头是使用预定拼接长度段而获得的。
如果拼接是以带缠绕接头的方式实现时亦是有利的。
另一优点是在使用自硫化带，例如EPDM带进行带缠绕接头时获得的。
在这方面，可有利地使用上述方案的组合来进行拼接。
又一优点是在这样的情况下获得的，即这时高压电缆包括一电导体，一包围该导体的第一半导体层，一包围第一半导体层的绝缘层，及一包围该绝缘层的第二半导体层，根据损坏的类型，该方法至少包括以下步骤中的一个－拼接电导体；－对第一半导体层(14)施加替换材料；－进行第一半导体层(14)的热补；－对绝缘层施加替换材料；－进行绝缘层的热补；－将热补的绝缘层恢复到其实质的原来尺寸；－对第二半导体层施加替换材料；－进行第二半导体层的热补。在这方面，有利的是绕组为柔性绕组及其各层彼此粘附。
另一优点是，所述层是由具有这样彼此相对的弹性及热膨胀系数的材料制作的，即在工作中作为温度波动结果的各层中出现的体积变化可被材料的弹性吸收，以使得在工作中出现温度波动时各层能保持彼此粘附。
有利的是，各层中的材料具有高弹性，最好具有小于500Mpa的杨氏弹性模量，最优选为小于200Mpa。
另一优点是，所述层中材料的热膨胀系数实质上相等。
在这方面，有利地，各层之间的粘附力至少与材料中最弱者有相同的数量级。
另一优点是每个半导体层实质上构成一个等电位面。
现在将借助附图在以下的实施例描述中更详细地解释本发明。
图1表示一个高压电缆的横截面；图2表示斜向通过旋转电机定子一部分的概要透视图；图3概要地表示旋转电机的一个扇区；图4表示根据本发明修理旋转电机之一绕组系统的方法流程图；图5－7概要地表示根据本发明之修理方法的第一种情况；图8－10概要地表示根据本发明之修理方法的第二种情况。
图1表示传统用于输电的高压电缆10的一个横截面。该图示的高压电缆10可为一个标准的145KV的XLPE电缆，但无外皮或屏蔽层。该高压电缆10包括一个电导体，该导体可包括一个或多个譬如铜(Cu)制的股线部分12；并具有圆形横截面。这些股线部分12布置在高压电缆10的中间。在股线部分12的外围是第一半导体层14。在第一半导体层14的外围是一个绝缘层16，例如为XLPE绝缘层。在绝缘层16的外围是第二半导体层18。在这里所示的高压电缆10中，三个层材14，16，18彼此粘附，甚至当电缆弯曲时也如此。图示电缆10是柔性的并且该性能在电缆10的整个工作寿命中能被保持。
图2表示斜向通过旋转电机定子一部分的概要透视图。图2仅表示旋转电机的一部分，其中转子已被取走，已便更清楚地表示定子是如何布置的。定子20的主要部分由定子框架22，包括定子齿及定子磁轭的定子铁心24组成。定子20还包括以高压电缆10(图1)形式的定子绕组30，该高压电缆被放置到在每单个定子齿之间形成的自行车链形状的空间32中，如图3所示。在图3中，定子绕组30仅由其电导体表示。如图2所示，定子绕组30在定子20每侧上形成一线圈端束34。图3还表示出，根据定子20中其径向位置该高压电缆的绝缘被分成多个尺寸级。为了简明起见，在定子20的每端仅表示出一个线圈端束34。
在大的传统电机中，定子框架通常由焊接的钢板结构组成。在大电机中，定子铁心24－亦被称为叠片铁心－通常由0．35－0．50mm的铁心片构成，并被分成具有约50mm轴向长度的叠堆及被形成5mm宽的通风道的隔件彼此隔开。但是，在所述该电机中通风道已被去消。在大电机中，每个叠堆的形成是，通过放置被冲压成适当尺寸的金属片扇形段36一起形成第一层，每个随后的层以交叉方式放置并形成一个完整的定子铁心的叠片部分24。各部件及隔件被压力夹架38保持在一起，后者被压在压环，压指或扇形段上，但未示出。在图2中仅表示出两个压力夹架38。
图3概要地表示电机的一个径向扇区，它具有一个定子20的金属片扇形段36及电机转子44上的转子极42。还可清楚地看到，高压电缆10被布置在形成于每定子齿26之间的、象自行车链形状的空间32中。
图4表示根据本发明的用于修理旋转电机中一绕组系统的方法流程图，该种电机被设计成用于直接与配电输电电网相连接，并包括一个带绕组槽的定子20(见图2)、一个转子(见图3)及包括在绕组系统中的绕组30。绕组30包括高压电缆10(见图1)，该高压电缆实质上包含绕组30中的电场。根据本发明的方法包括以下将描述的多个步骤。该流程图开始于方框50。然后在方框52上执行其步骤在高压电缆损坏的情况下，以这样的方式拼接高压电缆，即至少一个原来线圈端弯头的至少一部分在拼接后被转化为至少一个实质上直的部分，至少一个接头被布置在原来线圈端束的外部，该拼接是在不拆卸旋转电机的情况下进行的。此后，在方框54上完成该流程。该方法的第一变型方案还包括以下步骤－切断高压电缆以获得两个端部；－从至少一个槽中每次移出具有这两个端部的高压电缆；－切断高压电缆以除去损坏部分并由此获得一个端部；－在其中一个端部上拼接一段高压电缆；
－将带有拼接段的高压电缆插入空出的槽中；及－将这样获得的分开端部连接起来便得到无损坏的绕组。
本方法的另一变型方案包括以下步骤－切断高压电缆以移出损坏部分，由此获得两个端部；－从至少一个槽中每次移出具有这两个端部的高压电缆；－在空出的槽中连接一个高压电缆的拼接段；及－将这样获得的两个端部连接起来便得到无损坏的绕组。
上述的拼接可用完全热补(硫化)接头的方式进行。
另一变型方案是，拼接是使用自硫化带、例如EPDM带以带缠绕接头来实现的。
拼接也可使用预制接头如滑套(slipovers)来进行。当然也可使用上述方案的组合来进行拼接。
上述完全热补接头是使用硫化模实现的，它需要一定量的空间，大约3－4m。这就是为什么绕组要从多个槽中移出的原因。
如果高压电缆如图1中所示，则根据损坏的类型，该方法可至少包括以下步骤中的一个－拼接电导体；－对第一半导体层14施加替换材料；－进行第一半导体层14的热补；－对绝缘层16施加替换材料；－进行绝缘层16的热补；－将热补的绝缘层16恢复到其实质的原来尺寸；－对第二半导体层18施加替换材料；－进行第二半导体层18的热补。
上述用于第一半导体层14的替换材料是由与第一半导体层等同的同一材料组成的。
应该强调地指出，所列出的需要执行的步骤依赖于绕组被损坏到怎样的程度。如果破坏性的放电很强，导体可能已被损坏，在此情况下则必需进行以上列出的所有步骤，即从拼接电导体到热补第二半导体层18，如果，另一方面，如果破坏性放电不太严重，譬如绕组的最外两层可能会损坏，在此情况下，绝缘层16及第二半导体层18必需被修理。也就是说，必需进行最后5个步骤，即从对绝缘层16施加替换材料到热补第二半导体层18。
上述用于绝缘层16的替换材料是由与绝缘层16等同的同一材料组成的。上述用于半导体层18的替换材料是由与半导体层18等同的同一材料组成的。
图5－7概要地表示根据本发明之修理方法的第一种情况。在图5－7中，标记24指示定子铁心。定子绕组30在定子每侧形成一个线圈端束34(亦见图2)。在图5所示情况下，损坏部分80位于定子铁心24的槽(X1)中。第一步骤是(在A，B处)切断绕组30，以获得两个端部(A及B)。然后从至少一个槽(X，Y)中每次退绕出具有这两个端部(A；B)的高压电缆。退绕出多少取决于对于拼接需要多大空间。接着将高压电缆切断(由图6中C指示)以除去损坏部分80及获得一个端部(C)。此后将一段高压电缆74拼接到端部C上，即将端部C及D连接起来。然后将具有拼接长度段74的高压电缆绕入空出的槽(X，Y)中。重要的是应指出，在该步骤后定子铁心24中无槽被空着。两个端部B及E现在是在定子铁心24的同一侧上。接着将分开的端部B及E连接起来并获得一个附加长环或弯部，如图7中所示。如图7中所示地，至少接头E，B及D，C中的一个位于实质上直的部分上并被布置在线圈端束34的外侧。
图8－10概要地表示根据本发明之修理方法的第二种情况。对于图8－10中类似的部分使用与图5－7中相同的标记。在此情况下，损坏部分80位于线圈端弯部上(见图8)。首先，在图8中点A’及B’处切断高压电缆，以除去损坏部分80。然后从至少一个槽(X，Y)中每次移出具有这两个端部A’及B’的高压电缆，如图9所示。接着将一段高压电缆74拼接到端部A’上，及然后将具有拼接长度段74的高压电缆绕入空出的槽(X，Y)中，以使得两个端部B’及E’现在是在定子铁心24的同一侧上。接着将分开的端部B’及E’连接起来，以使得绕组30无损坏部分，如图10中所示。
图7表示接头D，C沿一线圈端弯头布置，即它被弯曲。因此，该接头D，C必需是完全热补接头。它不可能是预制接头或带缠接头，由于这些接头不能被弯到所需程度。
还必需强调，图7及10中的接头不一定要位于图示的点上。唯一的条件是，至少一个接头被布置在原来线圈端束34的外侧。
本发明不应被限制在图解的实施例上。在附设权利要求书的范围内可能有多种修改。
权利要求
1．一种高压旋转电机中绕组系统的修理方法，该电机是为直接与配电或输电电网连接所设计的并包括一具有用于绕组(30)之槽(X，Y)的定子(20)，一个转子(44)及被包括在绕组系统中的绕组(30)，其中，绕组(30)包括高压电缆(10)，这些电缆实质地包含绕组(30)中的电场，所述方法包括以下的步骤—在高压电缆(10)有损坏(80)的情况下，以这样的方式拼接高压电缆(10)，即至少一个原来线圈端弯部(72)的至少一部分在拼接后被转化为包括接头的至少一部分，其中至少一个接头(76，78；82，84)被布置在原来线圈端束(34)的外部，该拼接是在不拆卸旋转电机的情况下进行的。
2．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤－切断(A，B)高压电缆(10)以获得两个端部(A及B)；－从至少一个槽(X，Y)中每次移出具有这两个端部(A；B)的高压电缆(10)；－切断高压电缆(10)以除去损坏部分(80)并由此获得一个端部(C)；－在其中一个端部(A；B；C)上拼接一长度段(74)的高压电缆(10)；－将带有拼接长度段(74)的高压电缆(10)插入空出的槽(X，Y)中；及－将这样获得的分开端部(A及E；B及E)连接起来便得到无损坏的绕组(30)。
3．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤－切断高压电缆(10)以除去损坏部分(10)，由此获得两个端部(A’，B’)；－从至少一个槽(X，Y)中每次移出具有这两个端部(A’，B’)的高压电缆(10)；－在空出的槽(X，Y)中插入带有拼接长度段(74)的高压电缆(10)；及－将这样获得的两个端部(A’及E’；B’及E’)连接起来便得到无损坏的绕组。
4．根据权利要求1－3中任一项所述的方法，其特征在于拼接是以完全热补(硫化)接头的方式进行的。
5．根据权利要求1－3中任一项所述的方法，其特征在于拼接是使用预定拼接长度段而实现的。
6．根据权利要求1－3中任一项所述的方法，其特征在于拼接是以带缠绕接头的方式实现的。
7．根据权利要求6所述的方法，其特征在于带缠绕接头是使用自硫化带，例如EPDM带实现的。
8．根据权利要求4－7中任一项所述的方法，其特征在于拼接是使用权利要求4－7中所述方案的组合来实现的。
9．根据权利要求4或6所述的方法，其特征在于高压电缆(10)包括一个电导体，一包围该导体的第一半导体层(14)，一包围第一半导体层(14)的绝缘层(16)，及一包围该绝缘层(16)的第二半导体层，其中，根据损坏的类型，该方法还至少包括以下步骤中的一个－拼接电导体；－对第一半导体层(14)施加替换材料；－进行第一半导体层(14)的热补；－对绝缘层(16)施加替换材料；－进行绝缘层(16)的热补；－将热补的绝缘层(16)恢复到其实质的原来尺寸；－对第二半导体层(18)施加替换材料；－进行第二半导体层(18)的热补。
10．根据权利要求9所述的方法，其特征在于绕组(30)为柔性绕组(30)及所述各层彼此粘附。
11．根据权利要求10所述的方法，其特征在于所述层是由具有这样彼此相对的弹性及热膨胀系数的材料制作的，即在工作中作为温度波动结果的各层中出现的体积变化可被材料的弹性吸收，以使得在工作中出现温度波动时各层保持彼此粘附。
12．根据权利要求11所述的方法，其特征在于各层中的材料具有高弹性，最好具有小于500Mpa的杨氏弹性模量，最优选为小于200Mpa。
13．根据权利要求11所述的方法，其特征在于所述层中材料的热膨胀系数实质上相等。
14．根据权利要求11所述的方法，其特征在于各层之间的粘附力至少与材料中最弱者为相同的数量级。
15．根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于每个半导体层实质上构成一个等电位面。
全文摘要
本发明涉及一种高压旋转电机中绕组系统的修理方法,该电机是为直接与配电或输电电网连接所设计的并包括一个定子(20),一个转子及被包括在绕组系统中的绕组(30)。绕组(30)包括高压电缆,这些电缆实质地包含绕组(30)中的电场。该方法包括以下的步骤:在高压电缆有损坏的情况下,以这样的方式拼接高压电缆,即至少一个原来线圈端弯部的至少一部分在拼接后被转化为至少一个实质上直的部分,其中至少一个接头被布置在原来线圈端束的外部,该拼接是在不拆卸旋转电机的情况下进行的。
文档编号H02K3/40GK1279836SQ98811500
公开日2001年1月10日 申请日期1998年11月27日 优先权日1997年11月28日
发明者M·莱永, P·卡斯滕森 申请人:Abb股份有限公司