研究表明,当带有铜屏蔽层的电缆作为高压电机绕组时,电机运行时将在屏蔽层内感应很大的涡流;不带金属屏蔽层的电缆作为电机绕组时,电机运行时可能在定子槽内及电机端部发生电晕放电。另外,还研究了利用不导磁钢丝铠装电缆作为高压电机绕组的可行性。研究表明:不导磁钢丝铠装电缆不但能实现电气屏蔽和传导接地电流的作用,而且能降低电机运行中屏蔽层内感应的涡流。研究结果对高压电机用电缆绕组的设计和选型有重要的参考价值。
传统的高压电机定子线圈由外包环氧绝缘的长方形截面导体组成,这种结构电场分布很不均匀,在电场集中处易发生电晕放电,不利于绕组的绝缘防护,对电机的设计及制造产生很大的制约[1-5]。新型高压电机将输配电的高压电缆直接应用到电机和变压器中作为高压绕组,电缆绕组的圆形截面使电缆内的电场均匀分布,有效地提高了其电气绝缘性能,并使电机的工作电压提高到数百kV[6,7]。同时电缆绕组的外半导电层通过定子铁心接地,保持电缆表面的电位为零,解决了传统高压电机频发的电晕放电问题,使运行、维修更加安全[8-11]。
目前大功率高压直线电机也采用电缆作为电机绕组,其电缆绕组多采用两种结构,一种是带有金属屏蔽层,运行中屏蔽层接地以实现电缆的电气屏蔽;一种是不带金属屏蔽层,电缆的外半导电层通过电机的定子铁心接地,以保持电缆表面电位为零。本1 带有金属屏蔽层的电缆绕组高压直线电机通常采用的带有金属屏蔽层的电缆绕组结构为:导体、内半导电层、绝缘层、外半导电层、铜屏蔽层及外护层。电缆内、外半导电层的主要作用是缓和电缆内部电场应力集中,消除绞合导体对电缆主绝缘的影响;铜屏蔽层的主要作用是实现电气屏蔽和传导接地电流,它的可靠接地可使电缆的电场完全被限制在电缆内部,保持电缆外层为零电位,避免电缆表面发生电晕放电。
本文研究对象为10kV高压大功率直线电机,其采用20 kV乙丙橡胶绝缘电力电缆作为定子电缆绕组,利用有限元法首先分析了电缆绕组的电场分布[12,13]。当电缆有金属铜网时,其铜网是接地的;由于金属网很薄,电场计算中通过设置外半导电层和外护层交界处的电位来模拟电缆中铜网屏蔽层的接地状态。在本文计算中,电缆主绝缘的相对介电常数为217,内、外半导电层的电导率分别为2、5S/m。当电缆工作电压为415 kV、铜屏蔽层接地时电缆径向电场分布如图1所示,其中1-导体,2-内半导电层,3-绝缘层,4-外半导电层,5-外护层[14,15]。
2、3、4、5各层厚度分别为1、5、018、211 mm,电缆绕组的半径为19135 mm。
从图1可看出,电缆内部的电位从导芯到电缆外护层逐渐降低,电缆外护层电位为零;电缆内部的最高场强分布于内半导电层与绝缘层交界面处,电缆内半导电层中的场强较低,从电缆绝缘层到外护层场强逐渐降低,外护层场强为零。由计算结果可以看出:金属屏蔽层的接地,将电缆内部的电位屏蔽在铜网内,使电缆外护层的场强和电位为零,进而避免电缆绕组发生电晕现象。
下面分析高压电机电缆绕组在交变场作用下感应的涡流,电缆绕组通过固定于定子槽内的不锈钢接地套管接地。电机绕组中依次通入幅值112 kA、频率可调的A、B、C三相对称电流时,A相绕组t=0时刻电缆内部的电流密度分布如图2所示。其中,图2(a)为单相电缆绕组的电流密度分布云图,红色部分为铜屏蔽层的电流密度。由图中可看出,电缆绕组的铜屏蔽层内感应很大的涡流,且屏蔽层内电流分布不均匀,与定子铁心接触部分(上部分)的绕组内感应的电流较大,暴露于空气中的绕组部分(下部分)感应的电流较小[16]。
为对比,图2(b)给出了有、无铜屏蔽层时电缆径向的电流密度分布曲线,其中J1、J2分别为不带铜网和带铜网时绕组的涡流分布,1-导体,2-铜屏蔽层,3-不锈钢接地套管。计算结果表明,铜屏蔽网的使用虽然起到了电气屏蔽的作用,大大降低了电晕放电的概率;但是,电缆绕组在交变场作用下,很容易在金属屏蔽层内感应很大的涡流,其产生的热效应使电缆发热甚至烧损。
研究表明,电缆绕组铜屏蔽层内的涡流随电机工作频率、金属屏蔽层厚度的不同而变化。当屏蔽层为一定厚度时,随着工作频率的增加,铜网的电磁损耗、电流密度及电流值均增加,其中,电流值增长幅度最大[16]。计算表明,当电源频率为300 Hz时,电缆表面温度约高达260bC,在这样的工作条件下,电缆绕组将发生烧损。因此,电缆绕组的发热烧损现象在变频电机中更为严重。
