BG63415B1 - Електромагнитно устройство - Google Patents

Abstract

Електромагнитното устройство съдържа електрическаверига, която генерира магнитно поле и включва намотка (1) с поне един електрически проводник (2), разположен вътрешно на вътрешен слой (3). Намотката съдържа твърд изолатор (4), обвит с вътрешен (3) и външен (5) слой, които служат за изравняване на потенциала и имат полупроводникови свойства. Изобретението се отнася и до методи за контрол на електрическото поле, до методи за изработване на магнитни вериги, както и до кабел за намотки.

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до електромагнитно устройство за целите на електрическото захранване и съдържа електрическа верига, генерираща магнитно поле, включваща най-малко един електрически проводник, имащ изолационна система. Устройството може да се използва в електротехнически свързвания. Обхватът на мощност може да бъде повече от 1000 MVA. Високоволтовите приложения се очакват предимно при найвисоките предавани напрежения, използвани днес.

Съгласно първи аспект на изобретението е предвидено използването му във въртящите се електрически машини. Такива електрически машини съдържат синхронни машини, които се използват предимно като генератори за свързване към разпределителни и предавателни мрежи, обикновено отнесени към захранващи мрежи. Синхронните машини се използват също и като двигатели и за компенсиране на фазата и контрол на напрежението, в тези случаи като машини, работещи на празен ход. Областта на техниката включва и двойно захранени машини, асинхронни стъпални преобразуватели, машини с външни полюси, синхронни машини с поток и асинхронни машини.

Съгласно друг аспект на изобретението споменатите електромагнитни устройства са реализирани като силови трансформатори или реактори. Трансформаторите се използват и за предаване и за разпределяне на електрическата енергия и тяхната задача е да позволят обмяна на електрическа енергия между две или повече електрически системи, поради което електромагнитната индукция се оползотворява по най-добрия начин. Първоначалното намерение е трансформаторите да се използват съгласно изобретението като трансформатори, принадлежащи към т. нар. силови трансформатори с номинална мощност няколко стотици kVA до повече от 1000 MVA с номинално напрежение от 3 - 4 kV за много повече предавани волтове, 400 kV до 800 kV или повече.

Въпреки предшестващото състояние на техниката по отношение на втория аспект на изобретението, отнасящ се главно до силови трансформатори, изобретението се отнася и до реакторите, които, както е добре известно, могат да се конструират като еднофазни и трифазни реактори. По отношение на изолирането и охлаждането по принцип има същите изпълнения както на трансформаторите. По този начин са известни реактори с въздушно охлаждани и маслено охлаждани, самоохлаждащи се, охлаждани с масло под налягане и т.н. Въпреки, че реакторите имат по една навивка за фаза и могат да се проектират и със, и без магнитна сърцевина, описанието на предшестващото ниво на техниката е доста обширно по отношение на реакторите.

Електрическата верига, възбуждаща магнитно поле, може в някои примерни изпълнения да бъде и въздушно навита, но по правило съдържа намотка и магнитна сърцевина от тънки слоеве, перпендикулярно или по друг начин ориентирани, или други, например, аморфни или материали на основата на прахове за провеждане на променлив поток. Веригата често съдържа система за охлаждане. В случай на въртяща се електрическа машина, намотката може да се разположи в статора или в ротора на машината, или и в двете.

Изобретението също се отнася и до метод за контрол на електрическото поле в електромагнитното устройство и метод за производство на магнитна верига.

Предшестващо състояние на техниката

Предшестващото състояние на техниката е описано по отношение на електрическите машини и на силовите трансформатори поотделно.

Въртящи се електрически машини

Такива въртящи се електрически машини са описани на базата на синхронните машини. Първата част от описанието се отнася до магнитната верига на такава машина и как е композирана тя съгласно класическата техника. Тъй като магнитната верига е разположена в повечето случаи в статора, магнитната верига по-долу е обяснена като статор с ламинирана сърцевина, чиято намотка е определена като статорната на мотка и каналите в ламинираната сърцевина на намотката са определени като статорни канали или просто канали.

Повечето синхронни машини имат равнина на навиване в ротора, където максималният поток е генериран от постоянен ток, и една променливотокова намотка в статора. Синхронните машини обикновено са конструирани като трифазни. Понякога синхронните машини са конструирани с явни полюси. Последните имат променливотокова намотка в статора.

Тялото на статора на големите синхронни машини често е направено от листова стомана със заварена конструкция. Ламинираната сърцевина е направена нормално то лакирана електротехническа ламарина 0,35 - 0,5 mm. За по-големите машини листовете са перфорирани в сегменти, които са прикрепени към тялото на статора чрез клинове или лястовичи опашки. Ламинираната сърцевина е фиксирана чрез пресоване на щифтове и пресовани пластини.

За охлаждане на намотките на синхронната машина се използват три различни охлаждащи системи.

В случай на въздушно охлаждане и статорната, и роторната намотка се охлаждат с охлаждащ въздух, протичащ през тях. Каналите за охлаждащ въздух са разположени и в статорната ламинирана сърцевина, и в ротора. За осъществяване на радиално вентилиране и охлаждане чрез въздух листовата стоманена сърцевина, най-малкото за средните по размер и големите машини, е разделена в пакети с радиални и аксиални канали за вентилация, разположени в сърцевината. Охлаждащият въздух може да бъде околния, но при високи мощности за предпочитане се използва затворена охлаждаща система с топлообменник. Охлаждащ водород се използва в турбогенераторите и в големите синхронни компенсатори. Методът на охлаждане е същият както при охлаждането с въздух и наличие на топлообменник, но вместо въздух като охлаждащ агент се използва газ:водород. Водородът има по-добър охлаждащ капацитет отколкото въздуха, но нарастват трудностите при уплътняването и наблюдаването на изтичането на газа. За турбогенераторите в обхвата на по-високите мощности е известно да се прилага вод но охлаждане и на статорната намотка, и на роторната намотка. Охлаждащите канали са във формата на тръби, които са разположени вътре в проводниците на статорната намотка. Проблем при по-големите машини е това, че охлаждането се стреми да стане неравномерно и поради това нараства температурната разлика по сечението.

Статорната намотка е разположена в листовата стоманена сърцевина, като обикновено каналите имат напречно сечене на правоъгълник или трапец. Всяка фазова намотка съдържа множество последователно свързани групи бобини, а всяка група бобини съдържа множество последователно свързани бобини. Различните части на бобината са с обозначени страна на бобината, която е разположена в статора, и край на бобината за тази част, която е разположена извън статора. Бобината съдържа един или повече проводници, захванати заедно по височина и/ или ширина. Между всеки проводник има тънка изолация, например епоксид/стьклено влакно.

Бобината е изолирана спрямо каналите с изолацията на бобината, а именно изолация, предназначена да издържа на номиналното напрежение на машината спрямо земя. Като изолационен материал могат да се използват различни видове пластмаси, т. нар. ленти със слюда, които са смес от слюда и твърда пластмаса, произведена специално, за да осигури устойчивост срещу частичните разряди, които могат да разрушат краткотрайно изолацията. Бобината се изолира чрез навиване на лентата със слюда около бобината на няколко пласта. Изолацията е импрегнирана и поради това страната на бобината е боядисана с боя, получена на базата на въглища, за да се осигури контакт с обхващащия статор, който е свързан към потенциала на земя.

Проводящата област на намотката е определена от големината на тока в намотката и от използвания метод на охлаждане. Проводникът и бобината обикновено са оформени с правоъгълна форма, за да се увеличи до максимум количеството на проводящия материал в канала. Типична намотка е т. нар. шина на Робел, в която вътрешността на пръта може да се направи куха и през нея да се осигури преминаване на охладителния агент.

Шината на Робел се състои от множество правоъгълни паралелно свързани медни проводници, които са разместени на 360°по продължението на канала. Има и шина на Рингланд, в която разместването е на 540°. Срещат се и други размествания. Разместването е направено, за да се избегне възникването на циркулиращи токове, които са индуцирани в напречното сечение на проводящия материал, обхванат от магнитното поле.

Поради механични и електрически причини дадена машина не може да се направи точно по даден размер. Мощността на машината се определя в голяма степен от три фактора: проводящата област на намотката - при нормална работна температура медта например има максимална стойност от 3 до 3,5 A/mm²; максималната плътност на потока (магнитен поток) в материала на статора и ротора; максималната напрегнатост на електрическото поле в изолационния материал, т. нар. диелектрична якост.

Многофазните променливотокови намотки са оразмерени като еднослойни или като двуслойни. В случай на еднослойна намотка има само една страна на бобината за канал, а в случай на двуслойна намотка - две страни на бобина за канал. Двуслойните намотки обикновено са проектирани като шаблонни намотки, докато еднослойната намотка, която е релевантна на това свързване, може да се проектира като шаблонна или концентрична намотка. В случай на шаблонна намотка има само един отвор за бобина (или два отвора за бобина), докато плоските намотки са проектирани като концентрични намотки, което означава с голямо разнообразие в ширините на бобината. С ширината на бобината се определя разстоянието в кръговия размер между двете страни на бобини, принадлежащи на една и съща бобина, или по отношение на относителната полюсна стъпка, или в броя на вътрешните стъпки на канала. Обикновено се използват различни варианти на конструиране, например, дробна стъпка, за да се осигурят зададените свойства на намотката. Типът на намотката до голяма степен описва как бобините в канала, т.е. страните на бобините, са свързани една с друга извън статора, т.е. в края на бобините.

Извън събраните листове на статора бо бините не са осигурени с боядисан полупроводников слой с потенциала на земя. Краищата на бобините нормално са осигурени с контрол на електрическото поле във формата на т. нар. лак за защита от коронен ефект, предназначен да превърне радиалното поле в аксиално поле, което означава, че изолирането на краищата на бобината се намира на висок потенциал спрямо земята. Това понякога предизвиква появата на корона в областта на краищата на бобината, което може да бъде вредно. Т. нар. точки за контролиране на полето в краищата на бобините причиняват проблеми при въртящите се електрически машини.

Нормално всички големи машини са проектирани с двуслойни намотки и еднакво големи бобини. Всяка бобина е разположена с една страна в едни от слоевете и с другата страна - в другия слой. Това означава, че всички бобини се пресичат една с друга в краищата на бобините. Ако се използват повече от два соля, това пресичане създава затруднения в работата и влошава използването на краищата на бобините.

Известно е, че свързването на синхронна машина/генератор към захранваща мрежа трябва да бъде направено през Δ /Yсвързан т. нар. повишаващ трансформатор, докато напрежението на захранващата мрежа нормално е по-високо от напрежението на въртящата се електрическа машина. Заедно със синхронната машина, този трансформатор образува взаимно управлявани части на една цяла система. Трансформаторът въвежда допълнителни разходи и също така предизвиква недостатъка, че общата ефективност на системата е намалена. Ако е възможно да се произвеждат машини за съществено по-високи напрежения, повишаващият трансформатор може да се избегне.

През последните няколко десетилетия изискванията към въртящите се електрически машини за по-високи напрежения са нараснали в сравнение с това, което преди е било възможно да се конструира. Максимално възможното ниво на напрежение, което е било възможно да се постигне според предшестващото състояние на техниката, за синхронните машини с добра производителност при производството на бобините е около 25 - 30 kV.

Значителен опит за нов проход по отношение на проектирането на синхронните машини е описан, например във “Водно и маслено охлаждаем турбогенератор TVM300”, J. Elektrotechnika, N 1, 1970, стр. 6-8, в US 4 429 244 “Статор на генератор” и в SU 955369.

Водно и маслено охлаждаемата синхронна машина, описана в J. Elektrotechnika, е предназначена за напрежения, по-високи от 20 kV. Статията описва нова изолационна система, съдържаща маслено-хартиена изолация, която прави възможно статорът изцяло да се потопи в масло. Освен това, маслото може да се използва като охлаждащ агент и същевременно като изолатор. За предотвратяване изтичането на маслото в статора откъм ротора на вътрешната повърхност на сърцевината е предвиден един диелектричен пръстен, задържащ маслото. Статорната бобина е направена от проводници с овална куха форма, снабдени с маслена и хартиена изолация. Страните на бобината с тяхната изолация са обезопасени спрямо канала, направен с правоъгълно сечение, с помощта на клинове. Охлаждащо масло се използва и в кухите проводници, и в отворите в стените на статора. Такава охладителна система има голямо количество свързвания в краищата на бобината както за маслото, така и електрически. Дебелата изолация води до нарастване на радиуса на огъване на проводниците, с което се увеличава размерът на изпъкналостта на намотката навън.

По-горе посоченият US патент се отнася до статор, който е част от синхронна машина, която съдържа магнитна сърцевина от ламинирани листове с трапецовидни канали за статорната намотка. Каналите са скосени, защото изолацията на статорната намотка е по-малка по посока на ротора, когато тази част на намотката, която е разположена най-близко до неутралната точка, е премахната. В допълнение на това, в близост до вътрешната повърхност на сърцевината статорната част съдържа един диелектричен цилиндър, задържащ маслото. Тази част може да увеличи изискванията по отношение на намагнитване спрямо машина, която е без този цилиндър. Статорната намотка е направена от потопени в масло кабели със същия диаметър за всеки слой бобина. Слое вете са разделени един от друг чрез разделители в каналите и са осигурени чрез клинове. Това, което е специално в намотката, е, че тя съдържа две, т. нар. полунамотки, свързани последователно. Една от полунамотките е разположена централно вътре в изолационна втулка. Проводниците на статорната намотка се охлаждат от околното масло. Недостатъците от наличието на такова голямо количество масло в системата са съществуване на риск от изтичане и значителен брой почистващи операции, които могат да бъдат предизвикани при отстраняване на неизправност. Онези части на изолационните ръкави, които са разположени извън каналите, имат цилиндрична част и конична, завършваща укрепена част с токопроводящи слоеве, чиято роля е да контролират напрегнатостта на електрическото поле в областта, където кабелът влиза в края на намотката.

От SU 955369 е ясно, че при друг опит да се увеличи номиналното напрежение на ‘ синхронната машина маслено охлажданата статорна намотка съдържа конвенциален ви- : соковолтов кабел с едни и същи размери за · всички слоеве. Кабелът е разположен в статорните канали, оформени като цилиндрични, разположени радиално, при което отворите кореспондират на напречното сечение на кабела, като е взето под внимание и необходимото пространство за фиксиране и контрол. Различните радиално разположени слоеве на намотката са обхванати от и фиксирани в изолационни тръби. Изолиращи вложки фиксират тръбата в статорния канал. Поради масленото охлаждане вътрешният диелектричен пръстен също е необходим за уплътняване на охлаждащия агент и предпазване на вътрешната въздушна междина. Конструкцията съдържа една много тясна радиална шийка между различните статорни канали, което означава по-голямо разсейване на поток в канала, което повлиява значително изискванията към намагнитването на машината.

В доклад на Института за изследване на електрическата енергия (EPRI), обозначен EL-3391, от 1984 г., се публикува преглед на концепцията за достигане на по-високи напрежения на въртящите се електрически машини с цел да бъдат в състояние да се свържат към захранваща мрежа без свързващ трансформатор. Такова решение е преценено чрез изследване за доказване на добра ефективност и високи икономически предимства. Главната причина, поради което през 1984 г. е започнала развойна дейност по генератори за директно свързване към захранваща мрежа, е било това, че тогава е произведен суперпроводников ротор. Големият капацитет на намагнитване на суперпроводниковото поле прави възможно да се използва намотка с въздушна междина със значителна дебелина, за да издържа електрическите натоварвания. Чрез комбиниране на найобещаващите идеи за проектиране съгласно проекта магнитната верига е с намотка, т. нар. монолитна цилиндрична арматура. Намотката съдържа два цилиндъра от проводник, затворени концентрично в три цилиндрични изолационни обвивки, и цялата структура е фиксирана към желязна сърцевина без зъби. Преценено е, че въртящата се електрическа машина за високо напрежение може да бъде свързана директно към захранващата мрежа. Решението означава, че главната изолация трябва да бъде направена значително дебела, за да се справи с потенциалите мрежа-мрежа и мрежа-земя. След преглед на известната техника изолиращата система е преценена за необходима. За да се управлява нарастването на по-високото напрежение, е необходимо използването на захранващи трансформатори, които съдържат диелектрик-флуид-импрегнирана целулоза отпресовка. Недостатъци на това решение са, че в допълнение към суперпроводниковия ротор се изисква много дебела изолация, която нараства с нарастване размера на машината. Краищата на бобината трябва да бъдат изолирани и охлаждани с масло или фреон, за да се контролират силните електрически полета в краищата. Цялата машина трябва да бъде затворена херметично, за да се предпази течният диелектрик от абсорбиране на влага от атмосферата.

Когато се произвеждат въртящи се електрически машини съгласно предшестващото състояние на техниката намотката се изготвя от проводници и от изолираща система в няколко операции, при които намотката трябва да се изпълни, преди да се монтира към магнитната верига. Импрегнира нето за осъществяване на изолиращата система се извършва след монтиране на намотката на магнитната верига.

Силов трансформатор/реактор

За да бъде в състояние да се приложи трансформатор/реактор съгласно изобретението в контекста на това описание и за да може да се опише новият подход на изобретението така, че да се проявят предимствата му по отношение на предшестващото състояние на техниката, първо е дадено кратко описание на силов трансформатор, както е конструиран сега, последван от ограниченията и проблемите, които съществуват, когато той се изчислява, проектира, заземява, произвежда, използва, тества и т.н.

От практическа гледна точка първата задача на силов трансформатор е да позволи обмяна на електрическа енергия между две или повече електрически системи с различно напрежение и с една и съща честота.

Обикновеният силов трансформатор съдържа сърцевина на трансформатора, по-долу отнесено към сърцевина, често от ламинирани ориентирани листове, обикновено от силициева стомана. Сърцевината съдържа набор от стебла, свързани чрез яреми, които заедно образуват един или повече прозорци. Трансформатори с такива сърцевини често се отнасят към т. нар. трансформатори с магнитопровод. Около стеблата на магнитопровода има няколко намотки, които нормално са първична, вторична и контролна намотка. При силовите трансформатори тези намотки са разположени концентрично и разпределени по дължината на стеблата на магнитопровода. Обикновено трансформаторите с магнитопровод имат цилиндрични бобини, както и скосени стебла на магнитопровода с цел последните да изпълнят колкото може по-плътно бобините.

Известни са и други конструкции сърцевини, например тези, които са включени в т. нар. мантийни трансформатори. Те често са проектирани с правоъгълни бобини и стебла с правоъгълно сечение.

Обикновените силови трансформатори в долната част на споменатия обхват на мощност понякога са проектирани с въздушно охлаждане, за да отстранят иначе неот странимите загуби.

За защита срещу контакт и вероятно за намаляване на външното магнитно поле на трансформатора той често е снабден с външен кожух с вентилационни отвори. 5

Повечето известни силови трансформатори са маслено охлаждаеми, тъй като маслото има много важна допълнителна функция като изолираща среда. Маслено охлаждаемият и маслено изолиран трансформатор 10 е заобиколен външно от казан, към който, както ще се обясни по-долу, са поставени много високи изисквания. Нормално са осигурени средства за водно охлаждане на бобините. 15

Следващите части на описанието се отнасят най-вече до маслено напълнени трансформатори.

Намотките на трансформаторите са оформени от една или няколко последова- 20 телно свързани бобини, изградени от множество последователно свързани навивки. В допълнение, бобините са осигурени със специално устройство, което да позволи превключване между изводите на бобините. Та- 25 ка, устройството може да бъде проектирано за комутиране с помощта на винтово съединение или по-често с помощта на специални превключватели, които оперират в околността на казана на трансформатора. В слу- 30 чай на пренастройване на трансформатор под напрежение превключвателят е отнесен към клемните превключватели под товар, който в противен случай е отнесен към клемните превключватели без товар. 35

Относно маслено охлаждаемите и маслено изолираните силови трансформатори в горната част на обхвата на мощността, елементите, прекъсващи веригата на превключвателите под товар, са разположени в спе- 40 циални контейнери, напълнени с масло, и са с директна връзка към казана на трансформатора. Елементите, прекъсващи веригата, се задействат механически чрез задвижващ мотор, завъртващ вал и са разположени та- 45 ка, че щом се получи първото движение при превключването, контактът е отворен и се изпълнява по-бавно движение, когато контактът трябва да бъде затворен. Клемният превключвател под товар е разположен в ка- 50 зана на действащия трансформатор. При работа възникват дъгови разряди искрене, ко ето влошава параметрите на маслото в контейнерите. За да се получи по-слаб дъгов разряд, а следователно по-малко нагар и помалко износване на контактите, клемните превключватели под товар са свързани нормално към високоволтовата част на трансформатора. Това се дължи на факта, че токовете, които е необходимо да се прекъснат и свържат съответно, са по-малки на високоволтовата страна, отколкото ако клемните превключватели под товар са били свързани към нисковолтовата част на трансформатора. Статистиката на повредите на конвенционалните маслено напълнени силови трансформатори показва, че често клемният превключвател под товар е причина за това.

В по-ниския диапазон на обхвата на маслено охлаждаемите и маслено изолираните силови трансформатори клемният превключвател под товар и прекъсващите му елементи са разположени вътре в казана на трансформатора. Това означава, че споменатите проблеми с влошаване качеството на маслото поради дълга употреба влияят на цялата система.

От гледна точка на приложено или индуцирано напрежение, може да се каже, че напрежението, което пресича постоянно една намотка е разпределено еднакво във всяка навивка на намотката, което значи, че напрежението на навивката е едно и също за всички навивки.

От гледна точка на електрическия потенциал ситуацията е коренно различна. Единият край на намотката е свързан обикновено към земя. Това означава, че електрическият потенциал на всяка навивка нараства линейно практически от нула в навивката, която е най-близо до потенциала на земята, до потенциал в навивките, които са в другия край на намотката, съответстващ на приложеното напрежение.

Това разпределение на потенциала определя структурата на изолиращата система, тъй като е необходимо тя да има значителна изолация между съседните навивки на намотката и между всяка навивка и земя.

Навивките в отделните бобини са нормално събрани заедно в геометрично оформено цяло, разграничени физически от останалите бобини. Разстоянието между бобините също е разграничено чрез електрос татично напрежение, което може да бъде в границите на позволеното между бобините. Това значи, че дадено диелектрично разстояние между бобините също е необходимо. Следователно са необходими съществени изолационни разстояния също до останалите електрически свързани обекти, които са в електрическото поле от електрическия потенциал, възникващ локално в бобините.

По този начин от описанието е ясно, че за индивидуалните бобини разликата в напрежението вътрешно между физически съседните проводникови елементи е относително малка, тъй като разликата в напрежението външно по отношение на останалите метални обекти - останалите включени бобини, може да бъде относително висока. Разликата в напрежението е определена чрез напрежението, индуцирано чрез магнитна индукция, както и чрез капацитивно разпределените напрежения, които могат да нараснат от свързаната външна електрическа система на външните свързвания на трансформатора. Напрежението, което може да се внесе отвън, в добавка към работното напрежение е пренапрежение при мълния и пренапрежение при превключване.

В присъединителните проводници на бобините допълнителните загуби нарастват като резултат на разсейването на магнитното поле около проводника. За да се поддържат тези загуби колкото е възможно по-ниски, по-специално за силовите трансформатори в горния диапазон на обхвата на мощността, проводниците обикновено са разделени на множество проводникови елементи, често отнесени към многожилните кабели, които са свързани паралелно при работа. Тези многожилни кабели трябва да бъдат разместени съгласно такава схема, че индуцираното напрежение във всяко жило да бъде идентично колкото е възможно и така, че разликата в индуцираното напрежение между всяка двойка жила да бъде толкова малка, колкото е възможно за вътрешни компоненти, през които протичат токове, и да бъде запазена на разумно ниво от гледна точка на загубите.

Основната цел при проектиране на трансформаторите съгласно предшестващото състояние на техниката е да се осигури толкова голямо количество проводников мате риал, колкото е възможно в дадено пространство, ограничено от т. нар. прозорец на трансформатора, обикновено описан като висок коефициент на запълване. Наличното пространство трябва да съдържа допълнително към проводниковия материал също така и изолицаонен материал, свързан към бобините, частично вътрешно между бобините и частично спрямо другите метални компоненти, включени в магнитната сърцевина.

Изолационната система, частично в бобината/намотката и частично между бобините/намотките и останалите метални части, е проектирана обикновено като изолатор от твърда целулоза или като изолатор, базиран на лак най-близо до индивидуалния проводящ елемент, и извън това, като твърда целулоза и течен или газов изолатор. По този начин намотките с изолация и крепежните части представляват голям обем, който ще бъде предмет на въздействие на висока напрегнатост на електрическото поле, която нараства във и около активните електромагнитни части на трансформатора. За да може да се избегне електростатичното напрежение, което възниква и достига величина, носеща максимален риск от разрушаване, се изисква добро познаване на свойствата на изолационните материали. Важно е, също така, да се получи такава околна среда, която не променя или не намалява изолационните свойства.

Сега преобладаващите изолационни системи за високоволтови силови трансформатори съдържат целулозен материал като твърд изолатор и трансформаторно масло като течен изолатор. Трансформаторното масло е на базата на т. нар. минерални масла.

Трансформаторното масло има двойна функция, защото в добавка към изолационната му функция, то допринася за охлаждане на бобините, намотките чрез изнасяне на загубите от топлина на трансформатора. Охлаждането на маслото изисква маслена помпа, външен охлаждащ елемент, компенсационен съединител и т.н.

Електрическото свързване между външните съединения на трансформатора и директно свързаните бобини/намотки е осъществено чрез използването на проходен изолатор през казана, който в случай на масле8 но напълнен захранващ трансформатор съдържа същинския трансформатор. Проходният изолатор често е отделен компонент, свързан към казана и е конструиран така, че да изпълнява всички изисквания към изолатора 5 извън и вътре в казана, докато в същото време той трябва да издържа на възникващите сили на подвеждащите проводници. Трябва да се отбележи, че някои изисквания за изолационната система, както е описано по-го- 10 ре, също се прилагат към необходимите вътрешни свързвания между бобините, между втулките и бобините, различни типове двупътни превключватели и втулките като такива. 15

Всички метални елементи в трансформатора нормално са свързани към потенциала на земя, с изключение на токопроводящите проводници. По този начин, рискът от нежелания, труден за контролиране потен- 20 циал, нарастващ като резултат на разпределението на капацитивното напрежение между присъединителните проводници на висок потенциал и земя, се избягва. Нарастването на този нежелан потенциал може да доведе 25 до нарастване на локалните разряди, т. нар. корона. Короната може да бъде открита при нормалните приемни изпитания, като частично се появява, сравнена с номиналните данни, нарастване на честотата и напреже- 30 нието. Короната може да нараства опасно по време на работа.

Индивидуалните бобини в трансформатора трябва да имат такива механични размери, че те да не довеждат до никакви сили, 35 появяващи се като следствие от възникване на токове и резултатни сили по време на процес на късо съединение. Обикновено бобините са конструирани така, че възникващите сили са съсредоточени вътре във всяка 40 индивидуална бобина, което, от своя страна, може да означава, че бобината не може да бъде оптимална по размери за нормалното й функциониране при нормалната й работа.

В тесен диапазон на напрежението и 45 мощността на маслено охлаждаемите трансформатори намотките са конструирани като листови намотки. Това означава, че индивидуалните проводници, споменати по-горе, са заменени от листа. Трансформатори- 50 те, навити от листа, са произведени за напрежения над 20 - 30 kV и мощност над 20 30 MW.

Изолационната система на силовия трансформатор в горния диапазон на обхвати изисква в добавка към съответно комплицираното проектиране също и специални мерки при производството за използване на свойствата на изолационната система по найдобър начин. За да се получи добра изолация, изолационната система трябва да има ниско съдържание на влага, твърдата част на изолацията трябва да бъде импрегнирана със заобикалящото масло и рискът от оставане на газови джобове в твърдата част трябва да бъде минимален. За да се осигури това, се предвижда процес на специално изсушаване и импрегниране, провеждан върху подготвената сърцевина с намотките и преди спускането им в казана. След тези процеси на изсушаване и импрегниране трансформаторът е спуснат в казана, който след това е уплътнен. Преди напълване на маслото казанът със спуснатия трансформатор трябва да бъде изпразнен от наличния в него въздух. Това се прави със специална вакуумна обработка. След това казанът се напълва с масло.

За да се получи посоченият сервизен живот, изпомпването на въздуха до почти пълен вакуум се изисква във връзка с вакуумната обработка. Това предполага предварително казанът, който обхваща трансформатора, да е конструиран за пълен вакуум, което предполага значителен разход на материал и време за производство.

Ако в маслено напълнения силов трансформатор възникват електрически разряди или ако възникне значително нарастване на температурата в някоя част на трансформатора, маслото се разгражда и газовете, отделени при това, се разтварят в маслото. Трансформаторите са осигурени нормално със средства за наблюдаване за откриване на разтворени в маслото газове.

Поради голямото тегло силовите трансформатори с масло се транспортират до мястото на инсталирине без маслото. На мястото на инсталирине на трансформатора съгласно изискванията на консуматора се извършва повторна вакуумна обработка. Това е процес, който допълнително трябва да се повтаря всеки път, когато казанът се отваря за проверка или поправка.

Ясно е, че тези процеси отнемат много време, повишават цената и определят значителна част от общото време за производство и поправка, докато в същото време изискват допълнителни ресурси.

Изолационната система на конвенционалните силови трансформатори определя голяма част от общия обем на трансформатора. За силови трансформатори в горния диапазон на обхвата на мощността може да възникне необходимост от заявяване на стотици кубически метри на трансформаторно масло. Маслото, което показва значителна подобност с дизеловото гориво, е лекоподвижна течност и има относително ниска температура на възпламеняване. Ясно е, че такова масло заедно с целулоза са пожароопасни в случай на неочаквано нагряване например при външно внезапно повишаване на напрежението и сумарно спадане на масло.

Ясно е, че специално при маслено напълнените силови трансформатори има проблем при транспортирането им. Такива силови трансформатори в горния диапазон на обхвата могат да имат общо тегло, по-ниско от 1000 t. Разбира се, че вътрешната конструкция на трансформатора трябва понякога да се адаптира към вида на транспорта, например канали, мостове, тунели и т.н.

По-долу накратко е описано предшестващото състояние на техниката по отношение на маслено напълнените силови трансформатори, както ограничения и проблеми, свързани с тях.

Маслено напълнен конвенционален силов трансформатор съдържа един външен казан, в който е поместен трансформатор, съдържащ сърцевината на трансформатора с бобините, маслото за изолиране и охлаждане, механичните захващащи средства от различен вид и т.н. Голямото количество механични части са поставени в казана, тъй като без масло, но с трансформатор, той трябва да бъде вакуумно обработен до практически пълен вакуум. Казанът изисква много продължителен процес на производство и тестване и има големи външни размери, предизвикващи транспортни проблеми; обикновено съдържа т. нар. охлаждане под налягане; този метод на охлаждане изисква осигуряване на маслена помпа, външен охлаждащ елемент, разширителен съд и разширително съединение и т.н.; съдържа електрическо свързване между външните изводи на трансформатора и непосредствено свързаните бобини/намотки чрез проходен изолатор, закрепен към казана; проходният изолатор е направен от изолационен материал, с който се изпълняват всички изисквания извън и вътре в казана; съдържа бобини/намотки, чиито проводници са разделени в множество проводящи елементи, жила, които трябва да бъдат разположени по такъв начин, че индуцираното във всяко жило напрежение да бъде идентично и по възможност така, че разликата в индуцираните напрежения между всяка двойка от жила да бъде колкото може по-малка; обхваща изолираща система, частично вътре в бобината/намотката и частично между бобините/намотките и останалите метални части, която е проектирана така, че съдържа твърда целулозна или базирана на лак изолация най-близо до индивидуалния проводящ елемент, освен това, твърдата целулоза има и течен, възможно е и газов изолатор; особено важно е, че изолиращата система изисква много ниска степен на съдържание на влага; съдържа като интегрална част клемен превключвател под товар, заобиколен от масло и свързан обикновено към високоволтовата част на трансформатора за контрол на напрежението; съдържа масло, което може да има за последица значителна пожароопасност във връзка с вътрешните локални разряди, т. нар. корона, искрене в клемните превключватели под товар и други повреди; съдържа нормално устройство за наблюдение за разтваряне на газ в маслото, което се появява в случай на електрически разряди в него или в случай на локално нарастване на температурата; съдържа масло, което в случай на повреда или произшествие може да се излее, което е опасно за околната среда.

Техническа същност на изобретението

Задачата на изобретението е да се създаде електромагнитно устройство, в което са премахнати най-малко един или няколко от недостатъците, посочени в предшестващото състояние на техниката. Освен това, втора задача на изобретението е да се създадат метод за контрол на електрическото поле в електромагнитното устройство за електрически захранващи трансформатори и метод за произвеждане на магнитна верига за въртяща се електрическа машина.

Първата цел на изобретението се пое- 5 тига чрез устройство, дефинирано в патентните претенции, по-специално в характеризиращата част на всяка от претенции от 1 до 5.

Установено е, че конструкцията съг- 10 ласно изобретението намалява възникването на загуби, поради което устройството може да работи с по-висока ефективност като последица от факта, че изобретението прави възможно съществено екраниране на елек- 15 трическото поле, възникващо по продължението на споменатия електрически проводник в изолационната система. Намаляването на загубите води от своя страна до намаляване на температурата на устройството, 20 което намалява необходимостта от охлаждане и охлаждащото устройство може да се изработи опростено, отколкото, ако не се прилага изобретението.

Проводникът/изолационната система 25 съгласно изобретението може да се реализира като гъвкав кабел, което означава значително предимство по отношение на производството и монтирането в сравнение с предварително изработваните твърди намотки, ко- 30 ито са използвани досега. Изолационната система съгласно изобретението предизвиква отсъствие на газови и течни изолационни материали.

Когато изобретението се използва при 35 въртящи се електрически машини, е възможно машината да работи на същото високо напрежение, при което свързваният Δ/Y повишаващ трансформатор може да се избегне. Това означава, че машината може да ра- · 40 боти със значително по-високо напрежение от машината съгласно предшестващото състояние на техниката и което е в състояние да произведе, ако е свързана директно към захранващата мрежа. С това се осигуряват 45 значително по-малки инвестиции и цена на системата с въртяща се електрическа машина и повишена обща ефективност на системата. С изобретението се премахва необходимостта от по-специални мерки за контрол, 50 който е осъществяван в областта на намотките съгласно предшестващото състояние на техниката.

Друго предимство е това, че с изобретението се опростява откриването на недостига или превишаването на намагнитването за целите на намаляване на индуктивния ефект като резултат на дефазиране на напрежението и тока един спрямо друг.

По отношение на захранващия трансформатор/индуктивност с изобретението се премахва необходимостта от напълване на захранващия трансформатор с масло и недостатъците, свързани с това.

Конструкцията на намотката е такава, че включва по продължение поне на част от дължината й изолация, оформена от твърд изолационен материал, като вътрешно на тази изолация - вътрешен слой, и външно на изолацията - външен слой, са изготвени от полупроводников материал, с който електрическото поле може да се затвори вътре в намотките. Терминът “твърд изолационен материал”, използван тук, означава, че намотката няма течен или газов изолатор, например масло. Вместо това, изолацията може да се оформи от полимерен материал. Вътреш- _¥ ният и външният слой също са формовани , от полимерен материал, който също е и полупроводников. .,_ψ

Вътрешният слой и твърдият изолатор са свързани здраво един с друг по същество по цялата повърхност, която ги разделя. Външният слой и твърдият изолатор също са свързани твърдо по цялата разделяща ги повърхност. Вътрешният слой работи така, че изравнява потенциала и съответно изравнява електрическото поле външно на вътрешния слой като следствие от неговите полупроводникови свойства. Външният слой също може да се изготви от полупроводников материал и има електрическа проводимост, която е по-висока от тази на изолатора, така че предизвиква външния слой чрез свързването към земя или относително нисък потенциал да функционира така, че да изравнява потенциала и да затваря електрическото поле, действащо в електрическия проводник, вътрешно на външния слой. От друга страна, външният слой трябва да има съпротивление, което е достатъчно да минимизира електрическите загуби във външния слой.

Твърдите вътрешни връзки между изолационния материал и вътрешния и външния полупроводников слой трябва да бъдат еднакви по разделящите ги повърхности, като не се допускат кухини, пори или други подобни. Когато високите нива на напрежението се проектират съгласно изобретението, електрическите и топлинни товари, които могат да се появят, ще наложат строги изисквания към изолационния материал. Известно е, че т. нар. локални разряди (PD) обикновено представляват сериозен проблем за изолационния материал на високоволтови инсталации. Ако кухини, пори или други се появят на изолационните слоеве, може да се появи коронен разряд при високите напрежения, чрез което да се разруши постепенно изолационният материал, в резултат на което изолацията може да бъде прекъсната. Това може да доведе до сериозни прекъсвания в електромагнитното устройство. Поради това изолацията трябва да бъде хомогенна.

Вътрешният слой вътрешно на изолацията трябва да има електрическа проводимост, която е по-ниска от тази на електрическия проводник, но достатъчна за вътрешния слой, за да функционира като изравнител по отношение на потенциала и съответно по отношение на електрическото поле, външно на вътрешния слой. Това в комбинация с твърдото вътрешно свързване на вътрешния слой и електрическата изолация над по същество разграничаващата ги повърхност, т.е. липсата на кухини и други подобни, означава напълно еднакво електрическо поле, външно на вътрешния слой и минимум риск от PD.

За предпочитане е вътрешният слой и твърдият електрически изолатор да са формовани от материали, имащи по същество еднакъв температурен коефициент на разширяване. Това се предпочита и по отношение на външния слой и твърдата изолацията. Това означава, че вътрешният и външният слой и твърдият електрически изолатор ще оформят изолационна система, която при температурни промени се разширява и свива еднакво като монолитна част без тези температурни разлики да предизвикват разрушаване или разпадане на разделителните повърхности. По този начин близостта в контактните повърхности между вътрешния и външния слой и твърдият изолатор е гарантирана и са създадени условия за запазване то й в периодите на операциите за удължаване.

Електрическият товар на изолационната система се намалява като следствие от факта, че вътрешният и външният слой са от полупроводников материал, обхващащи изолацията, която се стреми да формира значителни еквипотенциални повърхности и по този начин електрическото поле в изолатора ще се разпредели еднакво по дебелината на изолатора.

Известно е при конструиране на предаващи кабели за високо напрежение и за предаване на електрическа енергия да се конструират проводници с изолация от твърд изолационен материал с вътрешен и външен слой от полупроводников материал. При предаване на електрическа енергия дълго е считано, че изолацията трябва да няма дефекти. При кабелите за високо напрежение за предаване електрическият потенциал не се променя по дължината на кабела и потенциалът е по същество на едно и също ниво. Във високоволтовите кабели за целите на пренасяне моментни потенциални разлики могат да възникнат при преходни процеси, например предизвикани от мълния. Съгласно изобретението гъвкавият кабел съгласно претенциите е използван като намотка в електромагнитното устройство.

Допълнително усъвършенстване се постига чрез конструиране на електрическия проводник в намотката за по-малките, т. нар. многожилни кабели, като поне част от жилата са изолирани едно от друго. Тези жила трябва да имат относително малко сечение, за предпочитане почти кръгло, тогава магнитното поле през жилата показва постоянна геометрия по отношение на полето и явлението вихрови токове се минимизира.

Съгласно изобретението намотката или намотките са изготвени предимно от кабел, съдържащ най-малко един проводник и описаната по-горе изолационна система, вътрешният слой на който се разширява за жилата на проводника. Отвън на вътрешния полупроводников слой е основният изолатор на кабела от твърд изолационен материал.

Съгласно изобретението външният полупроводников слой трябва да показва едни и същи електрически свойства, което гарантира, че потенциалът по продължение на проводника е един и същ. Външният слой може да не показва същите проводящи свойства с вътрешния слой, което ще се отрази на то- 5 ва, че по продължение на повърхността протичат индуцирани токове, които могат да създадат нежелано термично натоварване. За вътрешния и външния слой посочените стойности (при 20°С) в претенции 8 и 9 са ва- 10 лидни. По отношение на вътрешния полупроводников слой той трябва да има задоволителна електрическа проводимост, за да осигури изравняване на потенциала за електрическото поле, но в същото време този про- 15 водник трябва да има същото съпротивление, което гарантира затваряне на електрическото поле. Важно е, че вътрешният слой изравнява неравностите в повърхността на проводника и формира еквипотенциална по- 20 върхнина с висока степен на обработка на разделителната повърхност с твърдия изолатор. Вътрешният слой може да се формова с вариране на дебелината, но за да гарантира плоска повърхност по отношение на провод- 25 ника и твърдия изолатор, дебелината е приблизително 0,5 - 1 mm.

Подобен гъвкав кабел се използва съгласно изобретението в електромагнитното устройство, което е усъвършенстване на XLPE 30 - кабел (кабел от полиетилен с напречни връзки) или на ЕР - кабел (кабел от етиленпропилен), гумена изолация или друга гума, например силикон. Изобретението съдържа нова конструкция както по отношение на жи- 35 лата на проводника, така и по отношение на кабела, най-малко в няколко примерни изпълнения, без обвивка за механична защита на кабела. Съгласно изобретението е възможно да се разположи проводящ мета- 40 лен екран и външна обвивка на външния полупроводников слой. Металният екран защитава механически и електрически кабела, например от мълния. За предпочитане е вътрешният полупроводников слой да лежи на 45 потенциала на електрическия проводник. За тази цел най-малко едно от жилата на електрическия проводник е без изолация и е разположено така, че да осигурява добър контакт с вътрешния полупроводников слой. 50 Алтернативно, различните жила могат да бъдат поставени в електрически контакт с вътрешния полупроводников слой.

Има голяма разлика по отношение на разпределението на електрическото поле между трансформатори/реактори, произведени от кабел, съгласно изобретението и конвенционални трансформатори/реактори. Съществено предимство на формоването на кабелните намотки съгласно изобретението е, че електрическото поле е затворено в намотката и че по този начин няма електрическо поле извън външния полупроводников слой. Електрическото поле, достигнато със съществуващите проводници, възниква само в главния изолатор. От гледна точка на конструкцията и на производството това означава следните предимства: намотките на трансформатора могат да бъдат формовани, без да се взима под внимание каквото и да било разпределение на електрическото поле и разположението на жилата, споменати погоре като предшестващо състояние на техниката, тъй като те не съществуват; проектирането на сърцевината на трансформато- _v ра може да бъде, без да се взима под внима- ,, ние каквото и да е разпределение на елек- „ трическото поле; няма нужда от масло за . електрическа изолация на намотката, което.., означава, че околната среда на намотката .· може да бъде въздух; няма специални изис-,, квания за електрически свързвания между външните изводи на трансформатора и непосредствените свързани бобини/намотки, тъй като електрическото свързване, противно на конвенционалното, е интегрирано с намотката; техниката за производство и тестване, която е необходима за захранващите трансформатори съгласно изобретението, е значително по-проста за конвенционалните трансформатори/реактори поради това, че импрегнирането, изсушаването и вакуумната обработка, описани по-горе като задължителни за трансформаторите/реакторите от предшестващото състояние на техниката, не са необходими и с това се намалява значително времето за производство; чрез използване на технологията за изолиране съгласно изобретението са осигурени значителни възможности за развитие на магнитните части на трансформатора, които са описани в предшестващото състояние на техниката.

В заявката за изобретението като въртяща се електрическа машина се наблюдава значително намаляване на термичното натоварване в статора. По този начин временно претоварване на машината ще бъде по-малко критично и ще бъде възможна работа на машината при претоварване за по-дълъг период от време без риск от разрушаването й. Това е голямо предимство за собствениците на захранващи генератори, които сега са принудени в случай на нарушаване на работата, рязко да изключват останалото оборудване, за да се гарантира осигуряване на нуждите, определени със закон.

С въртящите се електрически машини съгласно изобретението цените за издръжка могат да се намалят значително, защото трансформаторите и прекъсвачите на електрическата верига няма да се включват в системата за свързване на машината към захранващата мрежа.

По-горе вече е обяснено, че външният полупроводников слой на намотката на кабела е предвидено да бъде свързан към потенциала на земя. Целта е проводникът да бъде държан на потенциал, съществено близък до този на земята, по цялата дължина на кабела на намотката. Възможно е външният полупроводников слой да се раздели чрез разрязването му на няколко части, разпределени по дължината на кабела на намотката, като всяка индивидуална част на слоя е свързана директно към потенциала на земя. По този начин се наблюдава по-добра еднаквост по продължение на кабела.

Известно е, че твърдият изолатор и вътрешният и външният слой могат да се формоват, например чрез екструдиране (пресоване под налягане през матрица). Друг известен начин за това е формоването на тези вътрешен и външен слоеве и на изолацията чрез средствата на разпръскване на материал по цялата повърхност на проводника.

За предпочитане е кабелът да е конструиран с кръгло напречно сечение. Други напречни сечения могат да се използват в случаите, когато е необходимо да се получи по-добра плътност при монтажа.

За повишаване на напрежението във въртяща се електрическа машина кабелът е разположен в няколко последователни навивки в канали, оформени в магнитната сърцевина. Намотката може да се конструира като многопроводна концентрична кабелна намот ка, за да се намали броят на пресичанията на бобините. Кабелът може да се направи със скосена изолация, за да се използва по по-добър начин магнитната сърцевина, в който случай формата на каналите може да се адаптира към скосената изолация на намотката.

Съществено предимство на въртящата се електрическа машина съгласно изобретението е, че електрическото поле е близо до нула в областта на края на бобината извън външния полупроводник и че с външната обвивка с потенциал на земя електрическото поле не трябва да се контролира. Това означава, че не се наблюдава концентриране на полето нито в слоевете в областта на краищата на бобините, нито във връзките между тях.

Изобретението е свързано и с метод за контрол на електрическото поле в електромагнитно устройство за целите на електрическата мощност, имащ отношение към претенция 37.

Изобретението се отнася и до метод за производство на магнитна верига съгласно претенция 38, гъвкав кабел, който е промушен в отвори, оформени в канали на магнитната сърцевина на въртяща се електрическа машина, използван като намотка. Поради това, че кабелът е гъвкав, той може да се извива и това определя дължина на кабела, вложена в няколко навивки в дадена бобина. Краищата на бобината ще са съвместими със зоните за огъване на кабела. Кабелът може да се свърже по същия начин, че неговите краища да останат постоянно по дължината на кабела. Този метод гарантира значително опростяване в сравнение с известните методи от нивото на техниката. Т. нар. шини на Робел не са гъвкави, но трябва да бъдат огънати в определена форма. Присъединяването на бобините също е изключително сложно и скъпо, когато се произвеждат въртящи се електрически машини.

Въртяща се електрическа машина съгласно изобретението има много важни предимства по отношение на съответстващите машини от предшестващо състояние на техниката. Преди всичко, тя може да се свърже директно към захранващата мрежа за всички типове високо напрежение. Под високо напрежение се разбира напрежение, надвишаващо 10 kV и по-високо от нивото на напрежение, възникващо в захранващи мрежи. Друго основно предимство е това, че избран потенциал, например на земя, е прокаран 5 последователно по продължение на цялата намотка, което означава, че областта в краищата на бобината може да се направи компактна и че проходните изолатори в областта на краищата на бобините се намират 10 практически на нулев потенциал или на друг предварително избран нисък потенциал. Следващо важно предимство е това, че изолация, която е базирана на масло, и охлаждаща система не са необходими също и при 15 въртящите се електрически машини, както е споменато по-горе по отношение на захранващите трансформатори/реактори. Това означава, че не могат да възникват проблеми, свързани с уплътняване и че досега из- 20 ползваният диелектричен уплътнителен пръстен не е необходим. Друго предимство е, че всички принудителни охлаждания могат да се включат на потенциала на земя.

Описание на приложените фигури

Специфичните примерни изпълнения на изобретението се поясняват с приложените фигури, от които:

фигура 1 е частичен разрез, показващ отделните части, налични в модифицирания стандартен кабел;

фигура 2 - осов изглед на сектор/полюс на магнитната верига на въртяща се електрическа машина съгласно изобретени ето;

фигура 3 - частично разпределение на електрическото поле около намотката на конвенциален захранващ трансформатор/реактор;

фигура 4 - перспективен изглед на изпълнение на трансформатор съгласно изобретението;

фигура 5 - напречно сечение на изолацията на кабела, модифициран по отношение на този, показан на фиг. 1 и имаш няколко електрически проводника;

фигура 6 - напречно сечение на друго примерно изпълнение на кабела, съдържащо няколко електрически проводника, но подредени по друг начин в сравнение с пример ното изпълнение, показано на фиг. 5.

Примери за изпълнение на изобретението

Въртяща се електрическа машина съгласно фиг. 1 и 2

Важно условие за производство на магнитна верига съгласно изобретението е за намотката да се използва проводников кабел с твърд електрически изолатор с вътрешен полупроводников слой или обвивка между изолацията и един или повече електрически проводници, разположени вътрешно спрямо него, и с външен полупроводников слой или обвивка, разположен външно на изолацията. Такива кабели са налични като стандартни кабели за други области на захранващата електротехника, а именно за предаване на енергия. За да е възможно описание на примерното изпълнение, първоначално е направено описание на стандартния ка- -₄ бел. Вътрешният токопроводящ проводник съдържа множество от неизолирани жила. Около ,· жилата има полупроводников слой, около който има изолационен слой от твърд изолационен материал. Споменатият изолатор е формован от полимерен материал с ниски елек- > трически загуби и висока пробивна якост. * Като конкретни примери могат да се споменат полиетилен (РЕ), частично кръстосан по- х лиетилен (XLPE) и етиленпропилен (ЕР).Около външния полупроводников слой може да се осигури метален екран и външен изолационен кожух. Полупроводниковите слоеве се състоят от полимерен материал, например етилен-кополимер, с добавки с електрическа проводимост, например сажди или черен въглерод. Такъв кабел се нарича понататък захранващ кабел.

Едно предпочитано изпълнение на кабел, предназначен за намотката във въртяща се електрическа машина, е показано на фиг. 1. Кабел 1 съдържа токопроводящ елемент 2, който съдържа непоказани и показани жила. Възможно е и електрически кръстосани, екструдирани изолирани жила. Тези жила могат да бъдат свързани или разделени в множество проводници. Около проводника има вътрешен полупроводников слой 3, който е заобиколен от хомогенен слой от твърд изолационен материал. Изолаторът 4 напълно е без включения от течен или газов тип изолационен материал. Този слой 4 е обхванат от друг слой от полупроводников материал 5. Кабелът, използван за намотка, може да бъде снабден с метален екран и външна обвивка. За избягване на индуцирани токове и загуби, свързани с тях, вътре във външния полупроводников слой 5 има срязвания, за предпочитане в края на бобината, което означава в преминаването от снопа жила към края на намотката. Срязването е направено така, че външният полупроводников слой 5 е разделен в няколко части, разпределени по продължение на кабела и изцяло или частично разделени една от друга. Всеки срез след това е свързан към земя, чрез което външният полупроводников слой 5 има потенциал на или близък до този на земя по цялата дължина на кабела. Това означава, че около твърдо изолираната намотка в краищата на бобината, контактните повърхности и повърхностите, които са замърсени след известно време от употреба, ще имат пренебрежимо нисък потенциал спрямо земя и ще предизвикват пренебрежимо ниски електрически полета. За да се оптимизира въртящата се електрическа машина, конструкцията на магнитната верига по отношение на каналите и зъбите е от решаваща важност. Както е споменато по-горе, каналите трябва да са свързани толкова плътно, колкото е възможно към обвивката на страните на бобината. Описано е също, че зъбите на всяко радиално ниво са толкова широки, колкото е възможно. Това е важно, за да се намалят загубите, изискванията към намагнитизирането и други подобни на машината.

С достъп до проводник за намотката, изготвена от описания по-горе кабел, има възможности за оптимизиране на магнитната сърцевина от няколко гледни точки. Подолу е описана магнитна верига, която се отнася до статора на въртяща се електрическа машина. Фигура 2 показва едно примерно изпълнение на аксиалния край и изглед на полюсна стъпка 6 на машината съгласно изобретението. Роторът с роторния полюс е обозначен със 7. По известния начин статорът е съставен от листа с форма на сектор. От задната страна 8 на сърцевината, разположена на противоположния по радиуса най-отдалечен край, множество от зъби 9 е разширено радиално вътрешно на ротора. Между зъбите има съответен брой канали 10. Използването на кабела 11 съгласно посоченото погоре определя дълбочината на каналите за високоволтовите машини да бъде по-голяма, отколкото това е възможно съгласно предшестващото състояние на техниката. Каналите 10 имат напречно сечение, скосено срещу ротора, тъй като нуждата от изолация на кабела става по-малка за всеки слой на намотката спрямо въздушната междина. Както е ясно от фигурата, каналът се състои от кръгови напречни сечения 12 около всеки проводник на намотката с по-тясна свързваща част 13 между проводниците. С някакво приближение такова напречно сечение на канала може да бъде отнесено към “верижен кръгов канал”. В примерното изпълнение, показано на фиг. 2, са използвани кабели с три различни размера на изолацията, подредени в три сектора 14, 15 и 16, което на практика означава модифициран верижен кръгов канал. Фигурата показва, че зъбът на статора може да бъде оформен практически с постоянна радиална ширина по продължение на дълбочината на целия канал.

При едно алтернативно примерно изпълнение кабелът, който е използван като намотка, може да бъде конвенционален захранващ кабел от вида, описан по-горе. Заземяването на външния полупроводников екран е извършено чрез оголване на металния екран и обвивката на кабела на подходящи места.

В обхвата на изобретението влизат голям брой алтернативни примерни изпълнения в зависимост от размера на наличния кабел, що се отнася до изолацията и външния полупроводников слой и други. Изпълненията с т. нар. верижен кръгов канал могат да се модифицират в добавка на това, което е описано тук.

Както е споменато по-горе, магнитната верига може да се локализира в статора и/или ротора на въртящата се електрическа машина. Все пак, конструкцията на магнитната верига съответства по-пълно на описаната по-горе, независимо от това къде е разположена веригата - в статора и/или ротора.

Като намотка, използвана с предимство, която може да се опише като намотка с множество проводници, се използва концентрична кабелна намотка. При такава намотка броят на пресичанията в краищата на бобината е минимизиран чрез поставяне на всички бобини в същата група радиално вън- 5 шно една спрямо друга. Това означава, че е налице опростен метод за производство и изтегляне на проводниците на статорната намотка в различните канали. Тъй като кабелът съгласно изобретението е относител- 10 но лесно огъващ се, намотката може да се получи чрез сравнително проста операция на изтегляне на проводника в отворите 12, намиращи се в каналите 10.

Силов трансформатор/реактор (фиг. 3 15 и 4)

На фиг. 3 е показан опростен основен изглед на разпределението на електрическото поле около намотката на конвенционален силов трансформатор/реактор, където 17 20 е намотка, 18 е сърцевина и 19 илюстрира еквипотенциални линии, т.е. линии, по които електрическото поле има една и съща стойност. По-ниската част от намотката е предназначена да се свърже към потенциала на 25 земя.

Разпределението на потенциала определя съставянето на изолационната система, тъй като е необходимо да има значителна изолация между съседните навивки на на- 30 мотката и между всяка навивка и земя. По този начин фигурата показва, че горната част на намотката е подложена на най-високи изолационни товари. Конструкцията и разположението на намотката спрямо сърцевината 35 са определени до голяма степен чрез разпределението на електрическото поле в прозореца на сърцевината.

Кабелът, който може да се използва в намотките, съдържащи се в сухия силов тран- 40 сформатор/реактора съгласно изобретението, е описан във връзка с фиг. 1. Кабелът като структура може да бъде снабден с други допълнителни външни слоеве за специални цели, например за предпазване на оста- 45 налите области на трансформатора/реактора от излишна електрическа деформация. От гледна точка на геометричните размери кабелите за тази цел имат проводяща област от 2 до 3000 mm² и външен диаметър на ка- 50 бела от 20 до 250 mm.

Намотките на силовия трансформатор/ реактор, изпълнен от кабел, описан в същността на изобретението, може да се използва и за еднофазни, трифазни и полифазни трансформатори/реактори, независимо от това каква е формата на сърцевината. Едно примерно изпълнение, показано на фиг. 4, показва трифазен трансформатор с ламинирана сърцевина. Сърцевината съдържа по известния начин три стебла 20, 21 и 22 и затварящи ядра 23 и 24. В примерното изпълнение стеблата и ядрата имат скосено напречно сечение.

Концентрично около стеблата са разположени намотките, оформени от кабела, както е обяснено по-горе. Примерното изпълнение на изобретението, показано на фиг.

4, има три концентрични навивки 25, 26 и 27. Най-външната навивка на намотката 25 може да представлява първична намотка, а останалите две намотки на навивките 26 и. 27 могат да представляват вторични намотки. За да не се претоварва фигурата с много детайли, свързванията на намотките не са . показани. От друга страна, фигурата показва, че в това примерно изпълнение дистан-,. циращите вложки 28 и 29 с няколко различни функции са разположени в определени . точки около намотките. Дистанциращите ... вложки могат да бъдат оформени от изолационен материал, осигуряващ определено^ пространство между концентричните намотки на навивките за охлаждане, укрепване и други, както и от електропроводящ материал с цел да оформят част от системата за заземяване на намотките.

Алтернативни изпълнения на кабела

Във варианта на изпълнение на кабела съгласно изобретението, показан на фиг.

5, са използвани същите означения както погоре само с добавяне на буква за примерното изпълнение. В това примерно изпълнение кабелът съдържа няколко електрически проводника 2а, които са разделени помежду си чрез изолация 4а. Накратко, изолацията 4а служи и за изолиране между съседните електрически проводници 2а и за изолиране между индивидуалните съседни електрически проводници 2а и между тях и околното пространство. Различните електрически проводници 2а могат да бъдат разположени по различни начини, което по същество може да осигури различни форми на напречното сечение на кабела като цяло. В примерното изпълнение съгласно фиг. 5 е показано, че проводниците 2а са разположени на една права, което осигурява относително плоско фор- 5 ма на напречното сечение на кабела. От това може да се заключи, че формата на напречното сечение може да се променя в широки граници.

На фиг. 5 е предвидено между съсед- 10 ните електрически проводници да има напрежение, по-малко от фазовото напрежение. По-специално, електрическите проводници 2а във фиг. 5 са предложени да бъдат изпълнени чрез различни завивания в намотка, кое- 15 то означава, че напрежението между тези съседни проводници е сравнително ниско.

Както и преди има полупроводников слой 5а, външен на изолатора 4а, получен от електрически изолационен материал. Вътре- 20 шен слой За от полупроводников материал е разположен около всеки електрически проводник 2а, следователно, всеки от тези проводници има собствен обхващащ го вътрешен слой За. Слоят За служи за изравняване 25 на потенциала на индивидуалния електрически проводник.

При вариант, показан на фиг. 6, са използвани същите цифрови означения, придружени от буквеното означение “Ь” за това 30 специфично примерно изпълнение на кабела съгласно изобретението. В този случай има няколко, по-точно три, електрически проводника 2в. Фазово напрежение се предвижда да има между тези проводници, следовател- 35 но, в примерното изпълнение, показано на фиг. 6, има значително по-високо напрежение, възникналото между проводниците 2а, отколкото в примера от фиг. 5. На фиг. 6 има вътрешен полупроводников слой Зв, вът- 40 решно на който са разположени електрическите проводници 2в. Всеки от електрическите проводници 2в е обхванат от следващ слой 30 с характеристики, съответстващи на характеристиките, посочени по-горе за вътреш- 45 ния слой Зв. Между всеки следващ слой 30 и слоя Зв, обхващащ слоевете 30, има изолационен материал. Съответно, слоят Зв служи като изравнител на потенциала от външната страна на слоевете 30 от полупроводников 50 материал, принадлежащи към електрическите проводници 2в, слоевете 30 са свързани електрически с проводниците 2в, за да са разположени на същия потенциал както проводниците.

Възможни модификации

Изобретението не е ограничено само от описаните примерни изпълнения. За специалиста в тази област е ясно, че много детайлни модификации са възможни, когато основната концепция на изобретението съществува без отклонение от концепцията, дефинирана в патентните претенции. Като пример е отбелязано, че изобретението не е стеснено само до специфичния полупроводников материал, посочен в примерните изпълнения и същността му. Функциониращ по подобен начин материал може да се използва вместо посочения по-горе. Тъй като произвеждането на изолационната система е свързано, отбелязано е, че и други техники освен екструдиране и разпръскване са възможни за избягване на близостта на проводниците. Освен това е отбелязано, че допълнителни еквипотенциални слоеве от полупроводников материал могат да се разположет в изолацията между тези слоеве, които са определени като вътрешни и външни.

Claims (39)

1. Патентни претенции

   1. Електромагнитно устройство, съдържащо електрическа верига, генерираща магнитно поле, състоящо се най-малко от един електрически проводник, и имащо изолационна система, характеризиращо се с това, че изолационната система съдържа електрически изолатор (4), оформен от твърд изолационен материал и външно на изолатора е разположен външен слой (5), който има електрическа проводимост, която е по-висока от тази на изолатора, от който е направен външният слой, имащ възможност чрез свързване към земя или друг относително нисък потенциал да работи на еднакъв потенциал и да затваря електрическото поле, възникващо като следствие на електрически проводник (2), а вътрешно на външния слой (5) изолационната система съдържа вътрешно на изолатора (4) вътрешен слой (3), при което най-малко един електрически проводник (2) е разположен вътрешно на вът решния слой (3) и вътрешният слой (3) има електрическа проводимост, която е по-ниска, отколкото проводимостта на електрическия проводник, но достатъчна, за да позволи на вътрешния слой да работи за изравнява- 5 не на потенциала и съответно за изравняване по отношение на електрическото поле, външно на вътрешния слой (3).
2. 2. Електромагнитно устройство, съдържащо поне един електрически проводник (2) 10 и изолационна система, характеризиращо се с това, че изолационната система има наймалко два слоя (3,5) и между тези два слоя е разположен електрически изолатор (4), изработен от твърд изолационен материал, и 15 че слоевете и твърдият изолатор имат значително подобни температурни характеристики.
3. 3. Устройство съгласно претенции 1 или

   2, характеризиращо се с това, че поне един 20 от посочените проводници (2) оформя поне една индукционна навивка.
4. 4. Устройство съгласно която и да е от предшестващите претенции, характеризиращо се с това, че вътрешният и/или външни- 25 ят слой (3, 5) съдържат полупроводников материал.
5. 5. Устройство съгласно която и да е предшестваща претенция, характеризиращо се с това, че вътрешният слой (3) и/или вън- 30 шният слой (5) имат съответно съпротивление от ΙΟ’⁶ Ω cm до 100 κΩ cm, подходящо 10^-4 - 1000 Ω cm, препоръчително 1 - 500 Ω cm.
6. 6. Устройство съгласно която и да е от предшестващите претенции, характеризира- 35 що се с това, че вътрешният слой (3) и/или външният слой (5) имат съпротивление, което за 1 m дължина е в обхвата 50 μΩ - ΜΩ.
7. 7. Устройство съгласно която и да е от предшестващите претенции, характеризира- 40 що се с това, че твърдият изолатор (4) и вътрешният слой (3) и/или външният слой (5) са оформени от полимерен материал.
8. 8. Устройство съгласно която и да е предшестваща претенция, характеризиращо 45 се с това, че вътрешният слой (3) и/или външният слой (5) и твърдият изолатор (4) са свързани твърдо един към друг по цялата разделяща ги повърхност.
9. 9. Устройство съгласно която и да е 50 предшестваща претенция, характеризиращо се с това, че вътрешният слой (3) и/или вън шният слой (5) и твърдият изолатор (4) са оформени от материали, имащи значително еднакви термични коефициенти на разширяване.
10. 10. Устройство съгласно която и да е предшестваща претенция, характеризиращо се с това, че твърдият изолатор (4) е нанесен чрез екструдиране.
11. 11. Устройство съгласно претенция 10, характеризиращо се с това, че вътрешният слой (3) и/или външният слой (5) са екструдирани едновременно с екструдирането на твърдия изолатор (4).
12. 12. Устройство съгласно която и да е предшестваща претенция, характеризиращо се с това, че в проводника (2) и неговата изолационна система са определени намотки, оформени чрез средства от гъвкав кабел (1).
13. 13. Устройство съгласно претенция 12, характеризиращо се с това, че област на споменатия поне един електрически проводник на кабела е в обхвата 2 - 3000 mm², където _w външният диаметър на кабела е между 20 и 250 mm. ζ
14. 14. Устройство съгласно която и да е предшестваща претенция, характеризиращо се с това, че вътрешният слой (3) и/или външният слой (5) се състоят от полимерен материал, съдържащ електропроводящ компонент.
15. 15. Устройство съгласно която и да е предшестваща претенция, характеризиращо се с това, че вътрешният слой (3) е в електрически контакт с най-малко един електрически проводник.
16. 16. Устройство съгласно претенция 15, характеризиращо се с това, че споменатият най-малко един електрически проводник (2) се състои от множество жила и че най-малко едно жило на електрическия проводник (2) е поне частично неизолиран и поставен в електрически контакт с вътрешния слой (3).
17. 17. Устройство съгласно която и да е предшестваща претенция, характеризиращо се с това, че има вътрешно на вътрешния слой (Зв) няколко електрически проводника (2в), изолирани един от друг.
18. 18. Устройство съгласно претенция 17, характеризиращо се с това, че вътрешният слой (За) съгласно която и да е предшестваща претенция е поставен около всеки от по19 соченото множество електрически проводници.
19. 19. Устройство съгласно претенция 17, характеризиращо се с това, че около всеки от множеството проводници (2в) вътрешно на вътрешния слой (Зв) има допълнителни слоеве (30), при което допълнителните слоеве (30) имат характеристики, съответстващи на характеристиките на вътрешния слой.
20. 20. Устройство съгласно която и да е предшестваща претенция, характеризиращо се с това, че проводникът (2) и неговата изолационна система е проектиран за високо напрежение, подходящо на 10 kV, по-специално над 36 kV и за предпочитане повече от 72,5 kV.
21. 21. Устройство съгласно която и да е предшестваща претенция, характеризиращо се с това, че външният слой (5) е разделен на множество части, които поотделно са свързани към земя или друг нисък потенциал.
22. 22. Устройство съгласно която и да е предшестваща претенция, характеризиращо се с това, че представлява въртяща се електрическа машина.
23. 23. Машина съгласно претенция 22, характеризираща се с това, че електрическата верига, генерираща магнитното поле, е разположена на статора и/или ротора на машината.
24. 24. Машина съгласно претенции 22 -

    23, характеризираща се с това, че електрическата верига, генерираща магнитното поле, съдържа една или повече магнитни сърцевини, имащи канали (10) за намотката (1).
25. 25. Машина съгласно претенции 22 -

    24, характеризираща се с това, че със свързването на външния слой (5) към потенциала на земя електрическото поле на машината извън външния слой е близо до нула и в каналите (10), и в областта на края на бобината.
26. 26. Машина съгласно която и да е претенция от 22 до 25, характеризираща се с това, че в каналите (10) са оформени множество цилиндрични отвори (12), разделени от стеснени части (13) между цилиндричните отвори.
27. 27. Машина съгласно претенция 26, характеризираща се с това, че напречното сечение на отворите на каналите (10) намаляват, считано от задната част (8) на магнит ната сърцевина.
28. 28. Машина съгласно претенция 27, характеризираща се с това, че напречното сечение на каналите (10) намалява непрекъснато или със скок.
29. 29. Машина съгласно която и да е претенция от 22 до 28, характеризираща се с това, че е съставена от генератор, двигател или синхронен компенсатор.
30. 30. Машина съгласно претенция 29, характеризираща се с това, че генераторът е хидрогенератор или турбогенератор.
31. 31. Машина съгласно която и да е претенция от 22 до 30, характеризираща се с това, че тя е свързана директно към захранваща мрежа за високо напрежение, подходящо 36 kV, без междинен трансформатор.
32. 32. Устройство съгласно която и да е претенция от 1 до 21, характеризиращо се с това, че представлява силов трансформатор/ реактор.
33. 33. Силов трансформатор/реактор съгласно претенция 32, характеризиращ се с това, че съдържа магнитна сърцевина.
34. 34. Силов трансформатор/реактор съгласно претенция 32 или 33, характеризиращ се с това, че е въздушен, следователно е оформен без магнитна сърцевина.
35. 35. Силов трансформатор/реактор съгласно която и да е претенция от 32 до 34, съдържащ най-малко две галванично разделени намотки, характеризиращ се с това, че намотките (25 - 27) са навити концентрично.
36. 36. Високоволтова захранваща мрежа съгласно която и да е претенция от 1 до 35, съдържаща едно или повече електромагнитни устройства.
37. 37. Метод за контрол на електрическото поле в електромагнитно устройство, съдържащо верига за генериране на магнитно поле с поне една намотка (1) с поне един електрически проводник (2) и електрическа изолация (4), обхващаща го външно, характеризиращ се с това, че изолацията (4) е оформена от твърд изолационен материал и с това, че вътрешно на изолацията е осигурен външен слой (5), който външен слой (5) е свързан към земя или друг относително нисък потенциал и има електрическа проводимост, която е по-висока от проводимостта на изолацията (4), но по-ниска от про водимостта на електрическия проводник (2), така че да функционира за изравняване на потенциала и да предизвиква електрическото поле да бъде по същество затворено в намотката вътрешно на външния слой (5) и, 5 че е осигурен вътрешен слой (3) на изолатора (4), а споменатият поне един електрически проводник (2) е осигурен вътрешно на вътрешния слой (3), споменатият вътрешен слой има електрическа проводимост, която е 10 по-ниска от електрическата проводимост на електрическия проводник, но достатъчна за функционирането на вътрешния слой като изравняващ по отношение на външното на вътрешния слой (3) електрическо поле. 15
38. 38. Метод за произвеждане на магнитна сърцевина за въртяща се електрическа машина, където магнитната верига е разположена в статора и/или ротора на въртящата се електрическа машина и съдържа магнитна сърцевина (8), имаща канали (10) за намотка, като каналите са оформени с отвори (12), характеризиращ се с това, че гъвкав високоволтов кабел (1) е използван като намотка и че този високоволтов кабел се прокарва в отворите (12).
39. 39. Използване на кабел, съдържащ най-малко един електрически проводник (2) с изолационна система, включваща най-малко два потенциални слоя и между тях изолация, изработена от твърд електроизолационен материал, където потенциалните слоеве и твърдият изолатор показват по същество подобни характеристики, за оформяне на намотка, генерираща магнитно поле в електромагнитно устройство.