JPS6159052B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は回転電機などに用いられる固定子コ
イルに関するもので、特に商用周波数の交流高電
圧のほかに、直流高電圧や超低周波高電圧が印加
される固定子コイルのコイルエンド部の沿面放電
防止に対する絶縁部分の改良に関するものであ
る。

なお、以下の文で、特に断わらない限り、交流
とは50〜60Hzの商用周波数の交流を示すものとす
る。

従来例の固定子コイルのコイルエンド部は、電
気規格調査会標準規格JEC−114（1964年）に準
拠して実施する交流の絶縁耐力試験時において沿
面放電を発生しないように、低抵抗コロナシール
ド層の端末に当接して交流電界緩和層を第１図に
示すように主絶縁表面に設けることが一般に行な
われてきた。第１図において、１は固定子導体、
２は主絶縁層、３は低抵抗コロナシールド層、４
は交流電界緩和層、５はスロツトである。この交
流電界緩和層４としては、高抵抗塗料又は非線型
抵抗特性を有する電界緩和塗料が用いられている
が、一般には交流電圧に対して迅速な応答性を有
し、又作業性も良い後者の非線型抵抗特性を有す
る電界緩和塗料を用いて構成されている。

次に従来例の交流電界緩和層４の電界緩和作用
について、非線型抵抗特性を有する一種類の塗料
で構成されている場合を例にとつて説明する。こ
の塗料は例えば炭化珪素を含んだ塗料で、第２図
で示すような電圧抵抗特性を一般に有している。
第３図ａは従来例の固定子コイルエンドの構成図
で第１図と同一符号は同一のものを示すので説明
を省略する。第３図ｂは固定子コイルエンド表面
の表面電位分布を示す図、第３図ｃは固定子コイ
ルエンドの等価回路を示す。第３図ｂの曲線６は
交流電位分布、曲線７は直流電位分布を示す。第
３図ｃのＣは主絶縁層２に対応した単位長当りの
静電容量、Ｒは主絶縁層２の表面に対応した単位
長当りの線型高抵抗、Ｒ_Nは交流電界緩和層４に
対応した単位長当りの非線型抵抗である。又、同
図中の距離Ｘは低抵抗コロナシールド３の塗布端
から固定子端末方向に測るものとし、Vs（Ｘ）
は距離Ｘにおける表面電位である。今、絶縁耐力
試験電圧に相当した交流電圧Voが固定子導体１
に印加された場合、表面電位Vs（Ｘ）はその位
置Ｘの静電容量Ｃに流入する電流ｉ（Ｘ）を用い
て次式で与えられる。ここでｔは時間である。

Vs（Ｘ）＝Vo−１／Ｃ∫ｉ（Ｘ）dt …(1) ここで静電容量Ｃに流れ込む電流ｉ（Ｘ）は固
定子コイル表面の抵抗値に強く支配されている。
交流電界緩和層４では第２図の特性を持つ非線型
抵抗RNで表面電流が支配されている。この部分
ではとなり合う表面電位Vs（Ｘ）の差が大きけ
れば、第２図に従つて抵抗値が低下し、表面電流
が流れ易くなり、従つて静電容量Ｃの充電が迅速
に行なわれ、自動的に電位差が均等化される。こ
の電位差の均等化は距離Ｘの小さい側から、等価
回路定数によつて決定される速さで進行する。

以上の動作原理を用い従来例の固定子コイルで
は、交流電界緩和層４は商用周波数の時間変化に
迅速に応答し、又この部分で交流電圧が均等化さ
れるように、塗布する塗料の電圧抵抗特性や塗布
する長さを決定することが一般に行なわれ、第３
図ｂの曲線６で示すように電位分布の均一化が交
流電界緩和層４で行なわれている。

一方、回転電機の単機大容量化に伴い、交流絶
縁耐力試験に使用する試験用変圧器は大型化し、
又高電圧化に伴つて試験時にのみ実施する固定子
コイルの端末処理も煩雑化してきた。このような
背景のもとに絶縁耐力試験の電圧として、交流か
ら直流又は超低周波電圧による試験法が検討され
ており、又一部実施され始めている。現在、世界
的標準規格は検討段階であるが、交流から直流へ
の切換は世界的傾向である。主絶縁層の絶縁破壊
電圧は一般に直流が交流より２〜３倍高いため、
絶縁耐力試験の直流印加電圧は交流印加電圧の
1.6〜1.8倍程度が推奨されている。

従来の交流電界緩和層を施した固定子コイルに
対し上述の直流絶縁耐力試験を1.6〜1.8倍程度の
直流電圧を用いて行うと、空気中では沿面放電を
生じる場合が多い。このため試験中に危険を伴
い、又固定子コイルに著しく損傷を与え、主絶縁
層の残存絶縁耐力を低下させるなどの欠点があ
り、さらにこのため固定子コイルの絶縁耐力試験
における直流電圧の切換が極めて限定される欠点
があつた。

このように直流電圧課電に対し従来の固定子コ
イルの交流電界緩和層４が有効に作用しない理由
は、交流と直流の表面電位分布が第３図ｂで示す
ように全く異るためである。この図で交流の曲線
６は印加電圧がピーク値を取つている状態を示
し、直流の曲線７は交流電圧実効値の1.6倍程度
の直流電圧印加後約１分後の状態を示している。
直流の曲線７は交流電界緩和層４の塗布端の近傍
に印加電圧の大部分が分担され、この電界集中が
直流沿面放電を引起す原因となつている。この直
流に対し電界集中が生じる説明を第３図ｃに用い
て行うと次のようになる。図中の非線型抵抗RN
は商用周波数の変化即ちミリ秒単位程度の変化に
対し静電容量Ｃの充放電を迅速に行えるような抵
抗値範囲を有しているが、直流のように電圧変化
に必要な時間が約10⁴〜10⁵倍長いと、非線型抵抗
RNに接する静電容量Ｃを充電するのに必要な表
面電流は十分に塗布端まで流れることが出来る抵
抗範囲になつている。従つて直流印加中及び印加
後１秒〜１分程度の間に交流電界緩和層４の塗布
端末の静電容量Ｃには十分充電が終了し、その点
の表面電位Vs（Ｘ）は印加電圧Voに比べ十分に
小さくなつている。一方交流電界緩和層４の外側
の主絶縁層２の表面の抵抗Ｒは極めて高いため表
面電流が極めて小さくなりこの部分の静電容量Ｃ
に充電する時間は極めて長い。この時間は固定子
コイルの寸法や固定子コイル表面の吸湿の状態で
異るが、一般に数10分〜数時間を要し、絶縁耐力
試験で通常印加される１分程度の時間内には表面
電位Vs（Ｘ）は印加電圧Voにほとんど等しい。
以上の理由により従来の固定子コイルの直流電位
分布の曲線７は交流電界緩和層４の塗布端部で著
しい電界集中を生じ沿面放電の原因を作つてい
た。

この発明は上記のような欠点を除去するためな
されたもので、交流電界緩和作用を少しも妨げる
ことなく直流電界緩和作用を持たせることができ
直流電圧においても電界集中による沿面放電を引
起さない固定子コイルを提供することを目的とし
ている。

以下第４図に示すこの発明の一実施例について
説明する。第４図において、第１図と同一符号は
同一または相当部分を示すので説明を省略する。
８は交流電界緩和層４の端部に当接して設けられ
た直流電界緩和層で、主絶縁層２の表面抵抗率よ
りも低い値を有する線形高抵抗で構成されてい
る。なお一般に乾燥時の主絶縁層２の表面の抵抗
率は10¹²〜10¹⁴Ω程度であり、上記直流電界緩和
層８としては10⁹〜10¹³Ω程度の範囲の抵抗率が
選択される。又選択に当つては固定子コイルの寸
法や試験の吸湿条件を予想して適宜決められる。
抵抗率として10⁸Ω以下の抵抗では直流電界緩和
作用は極めて短時間内で終り、１分程度の直流課
電中に再び電界集中が生じるため、直流電界緩和
層８に用いる抵抗は10⁹Ω以上の高抵抗に限定さ
れる。直流電界緩和層８の作製法としては高抵抗
塗料を塗布する他に、所定の高抵抗値を有したテ
ープを固定子コイルに巻き付ける方式、同様にラ
ツパーを巻付ける方式などどのような実施方法を
用いても良い。直流電界緩和層８の施す長さは固
定子コイル寸法及び使用する抵抗率及び課電する
直流電圧値と課電時間によつて適宜決められる。

次にこの発明の具体的構成とその作用について
第５図を用いて説明する。第５図ａは第４図に示
される固定子コイルのコイルエンド部の詳細を示
す断面図であり、第４図と同一符号は同一または
相当部分を示す。第５図ｂは第５図ａに対応した
固定子コイルエンドの表面電位分布を示す図であ
り、曲線６は交流電圧印加時のピーク電圧時の表
面電位分布を示し、曲線９は直流電圧印加時の電
位分布を示す。

ここで直流印加電圧値は交流電圧実効値の約
1.6倍の値で、又曲線９の直流電位分布は電圧印
加後約１分後の状態を示している。第３図の曲線
７で示す従来の固定子コイルエンドの直流電位分
布は第５図ａに示される。直流電界緩和層８の導
入によつて第５図ｂの曲線９のように電圧の分担
が変化する。従来主絶縁層２の表面の一部だけで
負担されていた大部分の電圧は直流電界緩和層８
によつて一部負担され、又、その電位傾度も緩和
される。この原理を第５図ｃに示す等価回路で説
明する。直流電界緩和層８を形成する線形高抵抗
層の単位長さ当りの表面抵抗RDCは、主絶縁層
２の表面抵抗Ｒより若干小さい。従つて第５図ｃ
の等価回路において表面抵抗RDCを流れる表面
電流は表面抵抗Ｒを流れる表面電流より大きく、
上記線形高抵抗層に接する静電容量Ｃに適切に充
電が行なわれ、このために表面電位Vs（Ｘ）と
して第３図中の曲線７のような極端な電圧分担が
分散され、直流の電界緩和作用が行なわれる。

さらにこの直流電界緩和層８を形成する線形高
抵抗層の導入は第５図ｂの曲線６で示すように、
交流電界緩和作用には全く影響を及ぼさないこと
も特徴の一つである。この理由は第５図ｃの等価
回路において、交流課電時には表面電流は表面抵
抗RDC，Ｒを全く流れないため、従来の交流電
界緩和層４だけの表面電流の応答原理により、交
流電界作用が行なわれるため、第５図ｂの交流電
位分布６は第３図ｂの交流電位分布の曲線６と全
く同じになる。

又、この発明は電圧の時間変化が緩慢な印加電
圧波形全てに適用することができ、この一例とし
ては0.1Hzの超低周波交流や低周期の準三角波電
圧などに対しても同様の効果がある。

又交流電界緩和層４として、従来例は一層の非
線型抵抗層の場合を説明してきたが、数種類の異
る非線型抵抗層を組合せた交流電界緩和層も、同
様の動作により、直流電界緩和作用はないため、
この直流電界緩和層８を施すことにより直流電界
緩和が可能になる。

さらにこの発明の直流電界緩和層８の実施例と
して、第５図ａで示した一層の線形高抵抗層で形
成した場合以外に、少なくとも２種類以上の抵抗
率の異なる線形高抵抗層を抵抗率の小さい順に交
流電界緩和層４の端末から施す構成を取ると、さ
らに直流電界緩和効果が助長される。第６図ａは
直流電界緩和層８を３種類の異る線形高抵抗層８
ａ，８ｂ，８ｃを用いて形成した時の構成図、第
６図ｂは第６図ａに対応した固定子コイルエンド
の表面電位分布を示す図である。図中の曲線６は
交流電位分布、曲線１０は直流電位分布を示す。
一層構造の場合の直流電位分布９と比較して、曲
線１０は各抵抗層に課電電圧が細かく分担される
ことによりさらに電界集中を分散させる。交流電
位分布６は前述の理由により直流電界緩和層８の
実施方法に関係せず第３図ｂおよび第５図ｂの曲
線６と同じである使用する線形高抵抗層の数、抵
抗率及び実施長さは固定子コイル寸法や直流試験
条件で適宜決定される。

以上のようにこの発明によれば、交流電界緩和
層に当接して直流電界緩和層を設け直流電界に対
して電界緩和作用を持たせるよう構成したので、
直流に対しても沿面放電が防止され、沿面放電に
よる固定子コイルの損傷や絶縁耐力の低下をきた
すことなく高電圧領域まで直流絶縁耐力試験の適
用を拡大することができる。しかも、交流電界緩
和作用には全く影響を及ぼさないので、直流交流
に各々最適な電界緩和効果を持つと言う利点があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の固定子コイルを示す側面図、第
２図は非線型抵抗の電圧特性を示す特性曲線図、
第３図ａは第１図に示す固定子コイルのコイルエ
ンド部の断面図、第３図ｂは第３図ａに対応する
表面電位分布図、第３図ｃは第３図ａの等価回路
図、第４図はこの発明の一実施例を示す側面図、
第５図ａは第４図に示す固定子コイルのコイルエ
ンド部の断面図、第５図ｂは第５図ａに対応する
表面電位分布図、第５図ｃは第５図ａの等価回路
図、第６図ａはこの発明の他の実施例の要部を示
す断面図、第６図ｂは第６図ａに対応する表面電
位分布図である。 図において、１は導体、２は主絶縁層、３は抵
抗コロナシールド層、４は交流電界緩和層、８は
直流電界緩和層である。なお、図中同一符号は同
一または相当部分を示すものとする。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電導体の絶縁層の端末部分を残し上記絶縁層
   を覆う低抵抗コロナシールド層の端部に一端部が
   当接し且つ電界強度が上昇すると抵抗率が低下す
   る特性を有する交流電界緩和層を備えたものにお
   いて、上記交流電界緩和層の他端部に当接し上記
   絶縁層の絶縁表面よりも表面抵抗率が低い線形高
   抵抗層で形成された直流電界緩和層を設けたこと
   を特徴とする固定子コイル。 ２ 線形高抵抗層は抵抗率の異る複数の高線形抵
   抗層で構成され、交流電界緩和層に当接して上記
   交流電界緩和層側から順次抵抗率の小さいもの順
   に配設されていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の固定子コイル。