專利名稱：渦輪發(fā)電機(jī)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及一種熱電廠的設(shè)備，以用于與之相連的高壓配電或傳輸網(wǎng)絡(luò)所需的有功與無(wú)功功率。更進(jìn)一步說(shuō)，本發(fā)明涉及一種用于對(duì)高電壓配電或傳輸網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生電功率的旋轉(zhuǎn)式電機(jī)設(shè)備，而不需中間的變壓器。此設(shè)備中的發(fā)電機(jī)有一磁路，其通常含有一鐵心與一氣隙，一冷卻系統(tǒng)以及至少一組，通常兩組分別位于定子與轉(zhuǎn)子上的繞組。
今日的熱電廠是依據(jù)一些不同的原理來(lái)建造。所使用的不同燃料有如天然氣，油，生化燃料，煤，或上述燃料的混合物以及核燃料等，使得不論在燃燒過(guò)程或核反應(yīng)過(guò)程皆能使氣體達(dá)到極高溫度。此氣體可來(lái)自燃燒后的廢氣或來(lái)自間接加熱的蒸氣。此加熱過(guò)程是在極為狹小的空間內(nèi)完成，也就意味著將產(chǎn)生極高的壓力。然后此熱氣可在逐漸增大的空間中輸送，所以熱能可轉(zhuǎn)換成動(dòng)能。該快速移動(dòng)的氣體可以數(shù)部分方式影響渦輪機(jī)中的葉片，而使轉(zhuǎn)速增加。至少有一組發(fā)電機(jī)與渦輪機(jī)同軸，或是經(jīng)由一齒輪將能量轉(zhuǎn)換成電力，該電力又可經(jīng)由一升壓變壓器傳送至配電或傳輸網(wǎng)絡(luò)，也稱之為電網(wǎng)。
只含有一個(gè)依上述原理之單元的電廠在某些情形下可自然成為最佳的選擇。然而，一個(gè)電廠最好能由多組單元所建造。如此可提供較大的彈性與堅(jiān)固性以抵抗設(shè)備中的干擾。不同的單元也可設(shè)計(jì)成用許多不同燃料操作，而可使用當(dāng)時(shí)最便宜的燃料。也有其他形式可增加電廠的整體效率，其中某一單元的殘留熱量可被其他單元所利用。
一般常見(jiàn)的有兩種渦輪機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)與蒸氣輪機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)是直接由燃燒氣體所帶動(dòng)(在氣體清潔之后)，而蒸氣輪機(jī)則是由高壓的蒸氣所帶動(dòng)。
燃?xì)廨啓C(jī)的主要零件含有至少一個(gè)壓縮器部分，一個(gè)燃燒室，至少一個(gè)渦輪機(jī)部分與一個(gè)發(fā)電機(jī)等。在許多實(shí)例中，實(shí)際的渦輪機(jī)部分最好是幾個(gè)部分，以使熱能的運(yùn)用達(dá)最佳化效果。渦輪機(jī)內(nèi)相關(guān)零件的尺寸依每一部分之不同壓力而有所不同。通常使用的是一個(gè)高壓與低壓零件，或是一個(gè)高壓，中壓與低壓零件。而壓縮器也有幾個(gè)部分，通常是兩個(gè)。壓縮器內(nèi)的壓力可予以調(diào)整以達(dá)最佳之燃燒效果。吸入燃燒室內(nèi)的空氣需加以預(yù)熱。
蒸氣輪機(jī)內(nèi)的主要零件含有一個(gè)燃燒或反應(yīng)爐，蒸氣發(fā)生器，蒸氣輪機(jī)與一個(gè)電機(jī)發(fā)電機(jī)。蒸氣發(fā)生器主要是由鋼管所組成，而鋼管中流有循環(huán)水，該鋼管位于爐中以獲得最佳的熱傳遞效果。高溫與高壓的蒸氣將被輸往渦輪機(jī)使用。蒸氣輪機(jī)最好也能如上所述依壓力之不同而劃分成各種不同部分。
為達(dá)最大的效率，上述兩種組合式的渦輪機(jī)最好能使用兩部分的方式，也就是一種聯(lián)合循環(huán)式的電廠。比如說(shuō)，燃?xì)廨啓C(jī)電廠可利用燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生大部分的電力，而附加的蒸氣發(fā)生器則利用輪機(jī)最終部分之廢氣的殘余熱量來(lái)發(fā)電，因此可獲得額外的能量。PFBC(壓力流化床燃燒)型式的燃煤電廠可將燃煤做最有效與最環(huán)保的燃燒，其可利用爐中的蒸氣發(fā)生器產(chǎn)生大部分的電能。蒸氣發(fā)生后的燃燒氣體經(jīng)冷卻及除塵后可輸往燃?xì)廨啓C(jī)使用。
許多電廠也可用于分區(qū)供暖而且在許多情形下可達(dá)極高的效率。
相關(guān)的電廠形式如下所述。這些電廠里的燃?xì)廨啓C(jī)是燃燒氣體(最好是天然氣)，油或是氣和油的混合物。燃?xì)廨啺l(fā)電廠該電廠含有一個(gè)或多個(gè)單元，每一單元含有一燃?xì)廨啓C(jī)與相關(guān)的發(fā)電機(jī)。聯(lián)合循環(huán)式多軸燃?xì)廨啺l(fā)電廠該電廠含有一個(gè)或多個(gè)單元，每一單元含有一燃?xì)廨啓C(jī)與相關(guān)的發(fā)電機(jī)，其中來(lái)自燃?xì)廨啓C(jī)的熱氣被輸往一熱交換器以供蒸氣發(fā)生之用。此蒸氣可驅(qū)動(dòng)蒸氣輪機(jī)和相關(guān)的發(fā)電機(jī)。聯(lián)合循環(huán)式單軸燃?xì)廨啺l(fā)電廠該電廠含有一個(gè)或多個(gè)單元，每一單元含有一燃?xì)廨啓C(jī)與隨附的發(fā)電機(jī)，其中來(lái)自燃?xì)廨啓C(jī)的熱氣被輸往一熱交換器以供蒸氣發(fā)生之用。該蒸氣可驅(qū)動(dòng)與燃?xì)廨啓C(jī)之一的“自由端”相連的蒸氣輪機(jī)。蒸氣發(fā)電廠該電廠經(jīng)由一蒸氣發(fā)生器(利用位于爐中之管線輸送水)的燃燒過(guò)程(比如油，煤，PFBC，生化燃料等)供應(yīng)驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)與相關(guān)發(fā)電機(jī)所需的蒸氣壓力。核電廠該電廠與蒸氣發(fā)電廠相似，但蒸氣發(fā)生器是位于核反應(yīng)爐內(nèi)。
上述所有電廠的共同點(diǎn)在于其發(fā)電機(jī)通常利用一共同軸，或齒輪而與渦輪機(jī)連接以產(chǎn)生電力。一發(fā)電機(jī)也可與兩個(gè)渦輪機(jī)相連。此種轉(zhuǎn)換通常發(fā)生于一同步發(fā)電機(jī)中，該發(fā)電機(jī)可產(chǎn)生無(wú)功功率也可轉(zhuǎn)換有功功率。汽輪發(fā)電機(jī)中通常使用兩極或四極形式的發(fā)電機(jī)，但也有其他極數(shù)與實(shí)施例存在。今日發(fā)電機(jī)的典型電壓范圍是10-30KV之間。
通常需使用一中間單元以使發(fā)電機(jī)能更可靠地與輸出電力網(wǎng)絡(luò)相連。如圖3清楚所示，絕緣的母線條系統(tǒng)從發(fā)電機(jī)100的輸出端接往含有隔離器107的發(fā)電機(jī)斷路器中。該母線條系統(tǒng)接著與輔助的功率變壓器109相連，也與一升壓變壓器106相連。此兩個(gè)充滿油的變壓器通常置于室外以避免爆炸。有些防爆墻也常用來(lái)保護(hù)電廠。經(jīng)由置于電廠外的高壓開關(guān)設(shè)備內(nèi)的另一斷路器與隔離器108而可與一輸出網(wǎng)絡(luò)110相連。該開關(guān)設(shè)備最好能與電廠內(nèi)之許多單元相同。
另一種使每一發(fā)電機(jī)100的升壓變壓器106直接與輸出電力網(wǎng)絡(luò)110相連的方法是使用該升壓變壓器將發(fā)電機(jī)的電壓轉(zhuǎn)換到一中間的電壓值，然后再將此中間電壓經(jīng)由一系統(tǒng)變壓器而與輸出電力網(wǎng)絡(luò)110相連。在內(nèi)有許多單元的有限空間或電廠內(nèi)，上述方法可提供一種較便宜的總解決方案，特別是在每一單元的功率值比輸出電力網(wǎng)絡(luò)的電壓值更輕微的情形下。
上述解決方案的缺點(diǎn)和發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的低電壓值(10-30kV)有關(guān)。該母線條系統(tǒng)需使用較大的銅斷面以降低損耗。發(fā)電機(jī)斷路器107常變得大而昂貴，以斷開因低電壓所導(dǎo)致的高電流。該升壓變壓器106很昂貴而且也造成安全上的顧慮。也導(dǎo)致效率的降低。
在個(gè)別發(fā)電機(jī)的磁力回路中通常含有一疊片鐵心，比如焊接的鋼片。為使鐵心通風(fēng)與冷卻，該鐵心通常被分為具有徑向和/或軸向通風(fēng)導(dǎo)管的疊件。就大機(jī)器而言，該疊片被分成數(shù)個(gè)段落并貼附于機(jī)器的支架上，該疊片鐵心是以壓力指與壓力環(huán)予以固定。磁路的繞組置于鐵心的溝槽內(nèi)，該溝槽通常是矩形或梯形的斷面。
在多相的發(fā)電機(jī)中，其繞組通常為單層或雙層。單層繞組中每一溝槽只有一線圈邊，而雙層繞組中每一溝槽則有兩個(gè)線圈邊。所謂線圈邊意指將一或多組導(dǎo)體以垂直或水平方式組合并外附有共同的線圈絕緣，也就該絕緣可抵抗發(fā)電機(jī)至地的額定電壓。
雙層繞組通常做成鉆石繞組，而本文的單層繞組則做成鉆石或平繞組。鉆石繞組中只有一個(gè)(可能兩個(gè))線圈寬度，而平繞組則做成同心形狀，也就是具有可變的線圈寬度。所謂線圈寬度是指兩線圈邊之間相對(duì)于同一線圈的弧形距離。
通常所有大型機(jī)器都是由雙層繞組與同尺寸的線圈所組成。每一線圈之一側(cè)置于一層而另一側(cè)則置于另一層中。此意味著所有線圈皆在線圈末端處互相交錯(cuò)。如果大于兩層的話，此交錯(cuò)處將使繞組工作變得非常復(fù)雜，而線圈末端也變得不太理想。
一般認(rèn)為在10-20kV的電壓范圍內(nèi)，旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)的線圈制造可獲得良好的效果。
然而，想要發(fā)展更高電壓的發(fā)電機(jī)則已嘗試許久。最明顯的例子就是1932年十月15日在“電氣世界”第524-525頁(yè)所舉的例子。Parson在1929年設(shè)計(jì)了一種供應(yīng)33kV電壓的發(fā)電機(jī)。該文也描述了一個(gè)在比利時(shí)Langerbrugge所制造的36kV的發(fā)電機(jī)。雖然該文也提到提升電壓的可能性，但始終為發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)原理所受限。這主要是因?yàn)樵诮^緣系統(tǒng)的每一分離層中皆內(nèi)附有云母油與紙的缺點(diǎn)所致。
如上所述的同步發(fā)電機(jī)便是要嘗試一種新方法，比如J.Elektro-technika No.1,1970的文章“水與油冷式之渦輪發(fā)電機(jī)TVM-300”，在美國(guó)專利4,429,244之“發(fā)電機(jī)的定子”第6-8頁(yè)，以及蘇聯(lián)的專利CCCP955369等實(shí)例。
J.Elektro-technika中所提到的水與油冷式同步機(jī)可將電壓達(dá)到20kV左右。該文提到一種油/紙絕緣的新絕緣系統(tǒng)，使定子完全浸在油中。油于是既可當(dāng)作冷卻劑也可作絕緣之用。心線內(nèi)表面處有一介電的隔油環(huán)可使定子中的油不致泄漏于轉(zhuǎn)子中。該定子繞組是由橢圓，中空并附有油與紙絕緣的導(dǎo)體所制成。該線圈邊與其絕緣則利用一些契子將其固定在矩形的溝槽內(nèi)。而油可作為中空導(dǎo)體與定子壁之開口兩者的冷卻劑。然而，此冷卻系統(tǒng)在其線圈末端處需有大量油與電的連接點(diǎn)。該厚絕緣也使得導(dǎo)體的曲率半徑加大，如此也使得線圈突出處的尺寸增大。
上述美國(guó)專利提到的同步機(jī)的定子部分包含有一個(gè)供定子繞組用的含梯形溝槽的多層板的磁心。該溝槽為階梯狀，因?yàn)槎ㄗ永@組的絕緣需求是朝轉(zhuǎn)子方向逐漸減少，而繞組中最靠近中性點(diǎn)的部分也位于轉(zhuǎn)子中。定子部分也包含一個(gè)最靠近心線的內(nèi)表面的介電油-分離汽缸。此部分比無(wú)此環(huán)的機(jī)器需要更多的勵(lì)磁。定子繞組的每一線圈層是由相同直徑的油-飽和電纜所制成。層與層之間是用溝槽中的隔板元件予以分離，并用契子將其固定。繞組的特點(diǎn)在于含有兩個(gè)串聯(lián)的所謂半繞組。一個(gè)半繞組中心地置于絕緣套管內(nèi)。定子繞組的導(dǎo)體是由環(huán)繞油所冷卻。系統(tǒng)內(nèi)油過(guò)多的缺點(diǎn)是有泄漏的危險(xiǎn)以及發(fā)生問(wèn)題后所需的大量清理工作。位于溝槽外的絕緣護(hù)套含有一個(gè)圓柱部分及一個(gè)錐形屏蔽電極，其目的在于控制電纜離開層板之區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度。CCCP 955369提出另一種提高同步機(jī)的額定電壓的方法，其中該油冷式定子繞組的每一層皆由相同的高壓電纜所組成。該電纜置于定子的溝槽內(nèi)，該溝槽為一圓形，徑向的開口與電纜的斷面積相配，其間有供固定與冷卻劑所需的空間。各徑向的繞組層是由一絕緣管所包圍及固定。絕緣隔板件將管子固定于定子溝槽中。同樣地因?yàn)橛屠鋮s的關(guān)系，也需要一個(gè)內(nèi)介電環(huán)加以密封以防止油冷卻劑從內(nèi)氣隙中流出。該結(jié)構(gòu)的絕緣或定子溝槽部分并無(wú)任何階層形狀。該設(shè)計(jì)顯示，在各定子溝槽間有一個(gè)非常小的徑向腰部結(jié)構(gòu)，其會(huì)引起大量的溝槽漏磁通，而強(qiáng)烈的影響該機(jī)器的勵(lì)磁需求。
在電力研究院，EPRI，1984年四月的報(bào)告EL-3391中提到一種可達(dá)高電壓的發(fā)電機(jī)概念，其目的在于連接該發(fā)電機(jī)與電力網(wǎng)絡(luò)而毋須經(jīng)由中間變壓器。該報(bào)告所評(píng)估的結(jié)果有著良好的效率增益與可觀的財(cái)政利益。1984年之所以認(rèn)為有可能發(fā)展發(fā)電機(jī)直接與電力網(wǎng)絡(luò)連接的理由在于當(dāng)時(shí)已發(fā)展出一種超導(dǎo)轉(zhuǎn)子。超導(dǎo)磁場(chǎng)所產(chǎn)生的可觀勵(lì)磁容量使得使用足夠厚的氣隙-繞組即可抵擋電應(yīng)力。
通過(guò)組合下列最先進(jìn)的概念，也就是設(shè)計(jì)一種稱之為“單塊圓柱電樞”的帶有繞組的磁路，將兩束導(dǎo)體柱包覆于三束絕緣物的概念，以及將整個(gè)結(jié)構(gòu)貼附于無(wú)齒的鐵心上等概念，所評(píng)估后的結(jié)果是高電壓的旋轉(zhuǎn)電機(jī)得以直接與電力網(wǎng)絡(luò)相連。此結(jié)果使得主絕緣需作成足夠厚度以抵抗網(wǎng)絡(luò)-對(duì)-網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)路-對(duì)-地的電位。此種方案的缺點(diǎn)除了需要一個(gè)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子外，也需要極厚的絕緣，此將增加機(jī)器的尺寸。該線圈末端需使用油或氟利昂予以絕緣及冷卻以控制末端處產(chǎn)生的極大電場(chǎng)。該整臺(tái)機(jī)器必須完全地密封以防止液態(tài)的介電物質(zhì)從大氣中吸收水分。
和前述發(fā)明背景不同的是，本發(fā)明的目的在于提供一種含有至少一個(gè)高壓發(fā)電機(jī)，而使升壓變壓器變成多余的設(shè)備。也不再需要發(fā)電機(jī)斷路器。功能上來(lái)說(shuō)，該斷路器是由現(xiàn)有的高壓斷路器所取代。而該母線條系統(tǒng)是被屏蔽的高壓電纜所取代。所以本發(fā)明的目的之一便是要將電廠內(nèi)的發(fā)電機(jī)直接與輸出電力網(wǎng)路相連。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，即權(quán)利要求1的前序部分所提到的設(shè)備含有該權(quán)利要求特征部分所描述的特征，而根據(jù)本發(fā)明的第二方面，即權(quán)利要求29的前序部分所提到的發(fā)電機(jī)含有該權(quán)利要求特征部分所描述的特點(diǎn)以及權(quán)利要求31所描述的方法，可以達(dá)到這一目的。
由于此種繞組的絕緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，得以避免一般常見(jiàn)于傳統(tǒng)高壓發(fā)電機(jī)之厚絕緣層，比如云母型式的浸漬層的絕緣分解現(xiàn)象，該分解現(xiàn)象有些是部分放電，PD所致。當(dāng)絕緣處承受過(guò)度電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，會(huì)在制造時(shí)所產(chǎn)生的洞穴，孔或類似處產(chǎn)生內(nèi)部電暈放電的現(xiàn)象。此種電暈放電將逐漸破壞材料，可能穿過(guò)絕緣而發(fā)生電氣擊穿放電。而因?yàn)槊恳粚拥臏囟认禂?shù)基本相同，而得以避免因繞組之熱變化所產(chǎn)生的缺陷與破裂。因上述問(wèn)題使得無(wú)法設(shè)計(jì)出電壓高于36kV的發(fā)電機(jī)。
本發(fā)明的絕緣系統(tǒng)即可消除上述問(wèn)題。本發(fā)明所使用的絕緣層可使洞穴或孔的發(fā)生率降至最低，比如PEX，熱塑料，含有交鏈熱塑料，EP橡膠，或其他橡膠等適當(dāng)?shù)挠谰媒^緣材料的擠壓層。只使用具有最少缺陷的絕緣層并附有內(nèi)層與外層的半導(dǎo)體部分，可使材料的熱及電負(fù)載降低。若有溫度梯度出現(xiàn)時(shí)，附有半導(dǎo)體層的絕緣部分將形成一單塊部分，而不會(huì)發(fā)生因絕緣與環(huán)繞層之溫度差所產(chǎn)生之不同膨脹的缺陷。材料的電負(fù)載得以降低的原因在于環(huán)繞絕緣的半導(dǎo)體部分形成一等電位的平面，也因?yàn)榻^緣部分的電場(chǎng)均勻分布于絕緣厚度上所致。外半導(dǎo)體層可與地電位連接。這意謂著，對(duì)這樣的電纜，整個(gè)繞組的外護(hù)套都能維持地電位。
本發(fā)明的設(shè)備因?yàn)樵诎l(fā)電機(jī)定子的繞組上具有特殊的絕緣系統(tǒng)，而消除了防礙電壓升高的阻礙，而且即使電壓大于36kV也毋須使用升壓變壓器。
首先，省去變壓器即可使重量，空間與成本大幅降低。
通常當(dāng)變壓器與渦輪機(jī)室之間有一定距離時(shí)，需使用母線條以連接發(fā)電機(jī)與變壓器。因此種需求不再，所以可省卻其所需的成本與空間-因高電流將產(chǎn)生相當(dāng)?shù)墓β蕮p耗，而母線條系統(tǒng)將發(fā)生2相與3相的相間故障，因而斷路器與隔離器便需要高層次的維護(hù)。本發(fā)明所造成此類故障的危險(xiǎn)已大幅度地降低。
因油-絕緣變壓器所易產(chǎn)生的火災(zāi)機(jī)率也可降低，而有關(guān)防火的安全預(yù)防措施也可減少。
本發(fā)明的渦輪發(fā)電機(jī)設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)是可以多組接點(diǎn)與各不同電壓值相連。
總之，上述組成的優(yōu)點(diǎn)在于可大幅提升該設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益。建造該設(shè)備的成本也可大大降低而因運(yùn)行和維修的需求減少也使操作效益改善，其效率增加約0.5-1.5％。
本發(fā)明可應(yīng)用于有尖峰負(fù)載的渦輪發(fā)電機(jī)中，需要的話可作為一同步的補(bǔ)償器，使得發(fā)電機(jī)與渦輪機(jī)分離。
本發(fā)明的目的也在于利用內(nèi)嵌于定子之輔助功率繞組而由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生輔助功率，其所產(chǎn)生的電壓比發(fā)電機(jī)之主繞組還低。
為此，渦輪發(fā)電機(jī)設(shè)備的發(fā)電機(jī)的磁路是由螺紋式永久絕緣電纜并內(nèi)含接地所組成。
已知技術(shù)與本發(fā)明之實(shí)施例的主要與基本差異在于發(fā)電機(jī)的磁路，該發(fā)電機(jī)直接地經(jīng)由可能的斷路器與隔離器而與-20kV與800kV之間，最好是高于36kV的高供電電壓相連。該磁路含有至少一個(gè)繞組所組成的多層芯，而繞組則由一個(gè)或多個(gè)永久絕緣導(dǎo)體的螺紋式電纜所組成，而在導(dǎo)體與絕緣層外各有一半導(dǎo)體層，外半導(dǎo)體層則與地電位相連。
本發(fā)明的設(shè)備中的發(fā)電機(jī)因擁有許多已知技術(shù)所沒(méi)有的特征而得以解決將電機(jī)直接與各種高壓電力網(wǎng)絡(luò)相連的問(wèn)題。
其余特征與其他實(shí)施例則定義于從屬權(quán)利要求中，并敘述如下。
上述提及的特征與發(fā)電機(jī)以及根據(jù)本發(fā)明的渦輪發(fā)電機(jī)的其他基本特性包含有下列·磁路的繞組是從具有一或多個(gè)永久絕緣導(dǎo)體并在導(dǎo)體與護(hù)套皆附有半導(dǎo)體層之電纜所組成。此典型的導(dǎo)體有如PEX電纜或附有EP橡膠絕緣的電纜，而此物質(zhì)可再應(yīng)用于導(dǎo)體內(nèi)的導(dǎo)線與外護(hù)套上。PEX=交鏈聚乙烯(XLPE)。EP=乙烯丙烯。
·電纜以圓形斷面較佳，但其他可獲得較佳組裝密度的斷面也同樣可采用。
·就溝槽與齒而言，可以較新與最佳的方式依本發(fā)明設(shè)計(jì)該多層的心線。
·該繞組最好能有階梯式絕緣，以供多層心線使用。
·該繞組最好能制成一多層，同心的電纜繞組，而使線圈末端的交點(diǎn)數(shù)減少。
·該溝槽設(shè)計(jì)需配合繞組電纜的斷面，使得溝槽在軸向與徑向上有一些圓柱形的開口，而每層的定子繞組間則有一開放式的腰部組織。
·該溝槽的設(shè)計(jì)可配合相關(guān)的電纜斷面以及繞組的階梯狀絕緣層。該階梯狀的絕緣層使得不論徑向延伸為何皆使磁心有固定的齒寬。
·上述的進(jìn)一步結(jié)果所談到的導(dǎo)線使得該繞組導(dǎo)體含有一些壓緊層，也就是從電機(jī)的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，絕緣的導(dǎo)線并不需正確地予以轉(zhuǎn)置，無(wú)絕緣和/或互相絕緣。
·上述的進(jìn)一步結(jié)果所談到的外護(hù)套使得在沿導(dǎo)體的適當(dāng)位置上需將外護(hù)套切除，而每一切斷的部分長(zhǎng)度皆直接與地電位相連。
使用上述形式的電纜可使得繞組之外護(hù)套的全長(zhǎng)以及該設(shè)備的其他部分都能維持在地電位。其重要的優(yōu)點(diǎn)是位于線圈末端區(qū)域內(nèi)，外半導(dǎo)體層之間的電場(chǎng)強(qiáng)度趨近于零。因外護(hù)套為地表電位，所以電場(chǎng)不需加以控制。此意謂著，不論在心線，線圈末端區(qū)或是兩者之間的過(guò)渡區(qū)等皆不會(huì)有磁場(chǎng)集中的情形發(fā)生。
將絕緣和/或無(wú)絕緣的壓縮導(dǎo)線，或轉(zhuǎn)置的導(dǎo)線混合的結(jié)果是產(chǎn)生非常低的雜散損耗。
磁路繞組所使用的高壓電纜是由含有許多導(dǎo)線的內(nèi)心線/導(dǎo)體，以及至少兩個(gè)半導(dǎo)體層所組成，而其最內(nèi)層則被一絕緣層所包圍，接著是被一外徑為20-200mm之外半導(dǎo)體層以及導(dǎo)體面積為50-3000平方毫米所包圍。
因?yàn)楸景l(fā)明設(shè)備的發(fā)電機(jī)含有特殊的絕緣系統(tǒng)，使得定子無(wú)須在工廠內(nèi)完成，而是可將其軸向分割后再予以運(yùn)送并在現(xiàn)場(chǎng)組裝繞組。從運(yùn)輸觀點(diǎn)來(lái)看，此舉很明顯地有財(cái)務(wù)上的效益。
本發(fā)明也提出一種完成此設(shè)備的方法。
從本發(fā)明的另一角度看，上述所列之目的是通過(guò)權(quán)利要求29的前序部分所提到的設(shè)備所完成，而該設(shè)備的特征則定義于該權(quán)利要求的特征部分中。
因該絕緣系統(tǒng)，以永久式為佳，是依熱力與電力觀點(diǎn)將其設(shè)計(jì)成供36kV之電壓使用，所以該設(shè)備可直接與高電壓電力網(wǎng)絡(luò)相連而毋須中間的升壓變壓器，從而獲得所提到的優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)備最好能依據(jù)權(quán)利要求1至28中任一項(xiàng)所述的設(shè)備的特點(diǎn)來(lái)建造，但并非必需。
上述與其他的優(yōu)良實(shí)施例將定義于從屬權(quán)利要求中。
本發(fā)明將以下列渦輪發(fā)電機(jī)設(shè)備的發(fā)電機(jī)磁路的較佳實(shí)施例來(lái)做更詳細(xì)的說(shuō)明，所列圖示為

圖1是本發(fā)明的渦輪發(fā)電機(jī)設(shè)備中發(fā)電機(jī)的一個(gè)定子的扇形部分的軸向末端示意圖，
圖2是圖1的定子的繞組所使用的電纜的層狀剝離視圖，圖3是已知技術(shù)的渦輪發(fā)電機(jī)的配置示意圖，圖4是本發(fā)明的渦輪發(fā)電機(jī)的配置示意圖，以及圖5是本發(fā)明的渦輪發(fā)電機(jī)的修正實(shí)施例的示意圖，圖6所示之發(fā)電機(jī)具有產(chǎn)生輔助功率的內(nèi)置繞組，以及起始于單軸發(fā)電機(jī)設(shè)備的頻率轉(zhuǎn)換器。
如圖1所示為汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)備中的一組或多組發(fā)電機(jī)的定子1的扇形部分軸向示意圖，圖中亦有發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子2。轉(zhuǎn)子1通常是傳統(tǒng)疊片鐵心的形式。圖1所示的發(fā)電機(jī)的扇形部分對(duì)應(yīng)于一個(gè)極距。從位于心線徑向最遠(yuǎn)處的軛鐵部分3開始有一些齒狀物4在轉(zhuǎn)子2的徑向上延伸，該齒狀物以溝槽5分隔，而其中配置有定子繞組。此定子繞組是由高電壓的電纜所構(gòu)成，這些電纜與一般如PEX等配電電纜幾乎完全相同。而不同之處在于不需要配電電纜通常環(huán)繞的機(jī)械式的保護(hù)套與金屬屏蔽，所以本發(fā)明的電纜通常只含有導(dǎo)體以及在其絕緣層的每一側(cè)有至少一個(gè)半導(dǎo)體層。因此，對(duì)金屬損壞很敏感的半導(dǎo)體層是裸露于電纜的表層。
如圖1所示的電纜只繪出每一電纜的中心傳導(dǎo)部分或線圈側(cè)邊。如圖所示的變斷面溝槽5皆有交互出現(xiàn)的寬部分7與窄部分8。寬部分7近乎為圓形并圍繞該纜線，而寬部分間的腰部則為窄部分8。腰部分可用來(lái)徑向固定每一纜線。溝槽5的斷面徑向向內(nèi)逐漸縮小。這是因?yàn)樵娇拷ㄗ訌较騼?nèi)部的電纜有著較低的電壓所致。所以此處可用較細(xì)的纜線，而外圍則使用較粗的纜線。如所示之例有三種不同的電纜尺寸，其分別為圖中的51,52,53。
圖2所示為使用于電機(jī)中之高壓電纜的逐層剝離視圖。該電壓電纜6含有一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體31，而導(dǎo)體則是由數(shù)條導(dǎo)線36組成并形成一銅(Cu)的圓形斷面。該導(dǎo)體31位于高壓電纜6的軸心部分，并且在所示的實(shí)施例中每一個(gè)均被一絕緣零件35所包覆。然而，其中一個(gè)導(dǎo)線31舍去絕緣零件35也是可行的。在本發(fā)明的實(shí)施例中，數(shù)支導(dǎo)體31是一起被第一半導(dǎo)體層32所包覆。第一半導(dǎo)體層32外則環(huán)繞有如PEX等絕緣層33。因此，本發(fā)明所謂的“高電壓電纜”并未含有一般配電電纜所包覆的金屬屏蔽或外護(hù)套。
圖3所示為依本發(fā)明所制造的渦輪發(fā)電機(jī)設(shè)備，其中的發(fā)電機(jī)100是經(jīng)由共用軸101而由燃?xì)廨啓C(jī)102所帶動(dòng)。驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)的氣體是來(lái)自由控制裝置104所控制的燃燒室103并由壓縮機(jī)105所供應(yīng)。該壓縮機(jī)105設(shè)置在與發(fā)電機(jī)100及燃?xì)廨啓C(jī)102相同的軸101上。
已知的渦輪發(fā)電機(jī)設(shè)備之發(fā)電機(jī)100所發(fā)出的最高電壓約為25-30KV左右。為供應(yīng)高壓配電或傳輸網(wǎng)絡(luò)110所需，從發(fā)電機(jī)100輸出的電壓需經(jīng)由升壓變壓器106升壓至800KV才行。在發(fā)電機(jī)100與升壓變壓器106之間需配置一發(fā)電機(jī)斷路器107，該發(fā)電機(jī)斷路器含有至少一組隔離器，功率斷路器與接地裝置等。
連接分配電或傳輸網(wǎng)絡(luò)110尚需經(jīng)過(guò)額外的隔離器，斷路器與網(wǎng)絡(luò)保護(hù)裝置等，都以108表示之。
25-30KV的發(fā)電機(jī)輸出電壓通常有一分支接往一降壓變壓器109。該降壓變壓器109可經(jīng)由一整流器回路111供應(yīng)發(fā)電機(jī)100勵(lì)磁電壓，也同樣可產(chǎn)生低電壓112以供它需。
圖4所示如圖3相同的設(shè)備，但使用本發(fā)明的渦輪發(fā)電機(jī)組合。依本發(fā)明，該發(fā)電機(jī)200可發(fā)出分配電或傳輸網(wǎng)絡(luò)110所需的相同電壓(約為800KV左右)，并直接經(jīng)由導(dǎo)管201而與該配電或傳輸網(wǎng)絡(luò)110連接。所以這里不需任何的升壓變壓器或是發(fā)電機(jī)斷路器(如圖3中的106,107)。
如圖4所示之降壓變壓器109，是從發(fā)電機(jī)200之定子繞組的不同輸出處經(jīng)由導(dǎo)管202，整流回路111，而其他需要?jiǎng)t經(jīng)由導(dǎo)管112予以供應(yīng)勵(lì)磁電壓。
如圖5所示，若發(fā)電機(jī)200依本發(fā)明建造的話則該降壓變壓器109也可以省略。該發(fā)電機(jī)200的定子繞組(和圖1相比)有不同輸出可經(jīng)由導(dǎo)管202與整流回路111，而其他需要?jiǎng)t經(jīng)由導(dǎo)管203予以供應(yīng)勵(lì)磁電壓。
因此，本發(fā)明的渦輪發(fā)電機(jī)組合可省略許多先前所需的變壓器與斷路器單元，而擁有如成本，操作可靠性與其他明顯的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1．一種設(shè)備，可供應(yīng)高電壓配電或傳輸網(wǎng)絡(luò)(110)所需的有功與無(wú)功電功率，其至少含有一個(gè)發(fā)電機(jī)(200)并經(jīng)由一軸裝置(101)而與至少一個(gè)燃?xì)夂?或蒸氣輪機(jī)(102)連接并至少包含一個(gè)繞組，其特征在于，該至少一個(gè)發(fā)電機(jī)的繞組含有包括至少兩個(gè)半導(dǎo)體層的固體絕緣系統(tǒng)，每一層皆基本構(gòu)成一等電位平面，也含有中間的固體絕緣系統(tǒng)，其中至少一層與固體絕緣系統(tǒng)有相同的熱膨脹系數(shù)。
2．如權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于，該發(fā)電機(jī)含有一個(gè)附磁心的磁路。
3．如權(quán)利要求2的設(shè)備，其特征在于，該磁路的磁心的通量路徑含有多層板和/或鑄鐵和/或粉狀鐵和/或鍛造鐵。
4．如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的設(shè)備的設(shè)備，其特征在于，該固體絕緣系統(tǒng)是由含有一或多個(gè)載流導(dǎo)體(31)的高壓電纜(6)所構(gòu)成，而導(dǎo)線外則被至少兩個(gè)半導(dǎo)體層(32,34)以及固體絕緣的中間絕緣層(33)所包圍。
5．如權(quán)利要求4項(xiàng)設(shè)備，其特征在于，該最內(nèi)的半導(dǎo)體層(32)幾乎與導(dǎo)體(31)同電位。
6．如權(quán)利要求4或5的設(shè)備，其特征在于，一個(gè)外半導(dǎo)體層(34)可形成一環(huán)繞導(dǎo)體(31)的等電位平面。
7．如權(quán)利要求6的設(shè)備，其特征在于，該半導(dǎo)體層(34)接往一特定的電位。
8．如權(quán)利要求7的設(shè)備，其特征在于，該特定電位是地電位。
9．如權(quán)利要求4-8中任一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，至少該兩層具有基本相同的熱膨脹系數(shù)。
10．如權(quán)利要求4-6中任一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，該載流導(dǎo)體含有一些導(dǎo)線，而只有少數(shù)導(dǎo)線不互相絕緣。
11．如權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，由電纜組成的繞組含有一或多個(gè)載流導(dǎo)體(2)，每一導(dǎo)體含有一些導(dǎo)線，一個(gè)內(nèi)半導(dǎo)體層(3)可用來(lái)環(huán)繞每一導(dǎo)體，固體絕緣的絕緣層(4)可包圍每一內(nèi)半導(dǎo)體層(3)，而一外半導(dǎo)體層(5)可包圍每一絕緣層4。
12．如權(quán)利要求11的設(shè)備，其特征在于，該電纜也含有一金屬屏蔽與一護(hù)套。
13．如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，至少有一組發(fā)電機(jī)(200)可直接地向輸出電力網(wǎng)絡(luò)(110)供電而無(wú)須連接任何中間的升壓變壓器(單位變壓器)。
14．如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，至少一個(gè)發(fā)電機(jī)(200)供電給輸出網(wǎng)絡(luò)，設(shè)輸出網(wǎng)絡(luò)含有至少兩個(gè)部分-網(wǎng)絡(luò)，至少有一個(gè)部分-網(wǎng)路是經(jīng)由中間系統(tǒng)變壓器供應(yīng)電壓。
15．如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，它包含有數(shù)個(gè)發(fā)電機(jī)，每一發(fā)電機(jī)皆無(wú)需一單獨(dú)的升壓變壓器但經(jīng)由一共用的系統(tǒng)變壓器可使其與輸電或配電網(wǎng)絡(luò)(110)相連。
16．如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，至少一組發(fā)電機(jī)(200)中的定子(1)的繞組(9,51-53)可連接一組以上的電壓等級(jí)。
17．如前述權(quán)利要求15的設(shè)備，其特征在于，一組該電壓等級(jí)與輔助功率的產(chǎn)生有關(guān)，此功率是從發(fā)電機(jī)(200)的分離繞組(9)中產(chǎn)生。
18．如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，至少有一發(fā)電機(jī)(200)是經(jīng)由一阻抗器接地。
19．如前述權(quán)利要求1-17中任一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，至少有一發(fā)電機(jī)(200)是直接接地。
20．如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，該發(fā)電機(jī)(200)的定子(1)是通過(guò)氣流和/或液體而將其冷卻于地電位上。
21．如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，該高壓電纜(6)，其導(dǎo)體面積為50至3000平方毫米之間，且其外徑在20與250mm之間。
22．如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，定子(1)的至少一個(gè)繞組(9,51-52)是一種整體式的溝槽繞組。
23．如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，定子(1)的至少一個(gè)(9,51-52)是一種分散式的溝槽繞組。
24．如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，至少有一個(gè)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子(2)是有兩或四個(gè)極。
25．如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，該電壓等級(jí)是可控制于額定電壓的±20％以內(nèi)。
26．如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，該發(fā)電機(jī)的繞組可作為自我調(diào)節(jié)的磁場(chǎng)控制并且無(wú)需輔助裝置以控制該磁場(chǎng)。
27．如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，至少一個(gè)發(fā)電機(jī)的定子是由軸向組合，平板狀的部分，最好在周向作為整個(gè)部分所組成。
28．一種設(shè)備，可供應(yīng)高電壓配電或傳輸網(wǎng)絡(luò)(110)所需的有功與無(wú)功電功率，其至少含有一個(gè)發(fā)電機(jī)(200)并經(jīng)由一軸裝置(101)而與至少一個(gè)燃?xì)夂?或蒸氣輪機(jī)(102)連接，并至少包含一個(gè)繞組，其特征在于，至少一個(gè)發(fā)電機(jī)的繞組含有一種絕緣系統(tǒng)，使得就熱力與電氣性質(zhì)而言可使電壓超過(guò)36kV。
29．一種發(fā)電機(jī)(200)，經(jīng)由一軸裝置(101)而與至少一個(gè)燃?xì)夂?或蒸氣輪機(jī)(102)連接，并至少包含一個(gè)繞組，其特征在于，該發(fā)電機(jī)的繞組含有包括至少兩個(gè)半導(dǎo)體層的固體絕緣系統(tǒng)，每一層皆構(gòu)成一等電位平面，也含有中間的固體絕緣系統(tǒng)，其中至少一層與固體絕緣系統(tǒng)有基本相同的熱膨脹系數(shù)。
30．如權(quán)利要求29的發(fā)電機(jī)，其含有定義于權(quán)利要求2至28中任一項(xiàng)的發(fā)電機(jī)的特征。
31．一種制造一發(fā)電機(jī)的方法，該發(fā)電機(jī)系如權(quán)利要求29或30所述，其特征在于，該定子是在發(fā)電機(jī)所在的電廠內(nèi)裝配。
32．如權(quán)利要求31的方法，其特征在于，在工廠制造的定子是先軸向分割成一些平板狀，分離的部分，每一部分最好都能在圓周方面上制成一整體部分。
全文摘要
在渦輪發(fā)電機(jī)設(shè)備中,渦輪發(fā)電機(jī)的磁路可直接供應(yīng)20－800kV的高電壓,最好電壓高于36kV。該發(fā)電機(jī)的絕緣系統(tǒng)是由含有一或多個(gè)載流導(dǎo)體31的電纜所構(gòu)成,該導(dǎo)體內(nèi)含有許多導(dǎo)線36,而導(dǎo)線外則被內(nèi)外半導(dǎo)體層34,32以及中間絕緣層所包圍。外半導(dǎo)體層34為地電位。繞組為Y－連接相位。該Y點(diǎn)可通過(guò)浪涌避雷器予以絕緣與保護(hù)以避免過(guò)電壓,或是該Y點(diǎn)可經(jīng)由一抑制過(guò)濾器將其接地。
文檔編號(hào)H01B7/02GK1220041SQ9719501
公開日1999年6月16日 申請(qǐng)日期1997年5月27日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月29日
發(fā)明者馬茨·雷永, 比德·潭普林, 克拉斯·伊瓦森, 拉斯·格特馬爾, 比德·卡斯藤森, 伯蒂爾·拉爾森, 索倫·伯格倫, 歐蘭·索倫森, 伯蒂爾·伯格倫, 岡納爾·基蘭德, 蒙斯·霍里蘭 申請(qǐng)人:Abb阿西亞布朗·勃法瑞公司