Relatório Descritivo da Patente de Invenção para BUCHA DE ALTA TENSÃO E DISPOSITIVO DE ALTA TENSÃO INCLUINDO UMA BUCHA DESTE TIPO.
Campo Técnico da Invenção
A presente invenção refere-se ao campo de sistemas de energia elétrica de alta tensão e mais especificamente a buchas de alta tensão usadas em aparelhos de alta tensão formando parte integrante dos sistemas em questão.
Antecedentes da Invenção
É fato conhecido que equipamento e aparelhos de alta tensão, por exemplo, transformadores de alta tensão, reatores, chaves de distribuição, etc., são usualmente equipados com buchas que são próprias para conduzir corrente de alto potencial através de uma barreira aterrada, por exemplo uma parede ou um recinto do aparelho elétrico, por exemplo do 15 aparelho elétrico tal como o tanque de um transformador.
As buchas de alta tensão convencionais compreendem um isolador produzido de material cerâmico ou composto, que normalmente constituem recintos fechados e geralmente ocos. No interior da bucha gradação da tensão é efetuada por um condensador ou algum outro tipo de dispositivo 20 regulador de tensão, através do qual se estende um condutor. O condutor elétrico conecta um lado da bucha, onde um outro dispositivo elétrico de alta tensão está conectado, com o outro lado da bucha onde outro dispositivo elétrico está conectado. Por exemplo, quando o primeiro dispositivo elétrico é um transformador, a bucha é montada no recinto do transformador e o 25 condutor da bucha conecta o interior do transformador com o exterior, onde outro dispositivo elétrico pode ser conectado, por exemplo, um barramento, ou supressor de surtos ou válvula de CC.
Um exemplo de uma bucha da técnica anterior próprio para uso com um transformador de alta tensão passa a ser descrito a seguir com refe30 rência à figura 1, mostrando uma vista em seção transversal esquemática de uma bucha 1 montada em uma parede 18, tal como a parede do tanque no caso de um transformador. Um condutor de alta tensão 10 se estende atra vés do centro de uma bucha isoladora oca 12 que forma um alojamento em torno do condutor de alta tensão. Um núcleo condensador 14 é previsto no interior do alojamento do isolador para gradação de tensão (voltagem) que é construído em tomo do condutor de alta tensão 10. Um flange 16 é previsto no exterior do alojamento 12 por intermédio do qual o alojamento da bucha é ligado a terra, via a parede do tanque do transformador 18.
Na figura 1 é também mostrado como a parte extrema inferior do condutor de alta tensão 10 forma um contato inferior 20 que é previsto para ser conectado com os componentes internos do transformador. Para esta finalidade, um contato interno entrosável 22 é fornecido no interior do transformador. Um terminal externo superior 24 para o condutor 10 é previsto na extremidade superior da bucha, oposta à extremidade de contato inferior 20. O terminal externo 24 é eletricamente conectado com o condutor 10 através de uma interface também formando uma cobertura superior da bucha, de maneira à eletricamente conectar o condutor e assim o transformador com uma fonte externa ou dispositivo.
O termo alta tensão é convencionalmente usado para voltagens acima de aproximadamente 50 kV. Atualmente, o limite superior em dispositivos de alta tensão comerciais genericamente usados é de 1100 kV, porém, tensões mais elevadas, tal como de 1200 kV ou ainda maiores são contempladas no futuro próximo. Também os níveis de corrente vêm crescendo e podem chegar até 4000-5000 Ampères ou mesmo maiores.
Para altas tensões na região de 800 kV e mais elevadas, e valores de corrente de 2000 A e acima, as demandas sobre as buchas são naturalmente aumentadas por exemplo quando se chega à dissipação de calor e resfriamento, campos elétricos, o isolamento elétrico da bucha, etc. Neste contexto, torna-se essencial contar com uma baixa perda, em particular poder atingir a corrente alvo. As perdas nas buchas atuais principalmente ocorrem devido a perdas no condutor e em cada contato ou ponto no trajeto de corrente entre diferentes partes da bucha. As perdas no condutor propriamente dito podem ser aperfeiçoadas por selecionar o material, o formato e a dimensão do condutor. Quando se chega às perdas no terminal externo 24 da bucha da técnica anterior ilustrada na figura 1, a corrente é forçada a fluir do condutor 10 para a cobertura superior da bucha através de uma área de contato através da cobertura superior propriamente dita e a seguir através de outro contato sobre o exterior da cobertura superior para o terminal externo 24 e conexão externa. Reconhece-se que menor número de junções reduziría as perdas, o que é vantajoso em aplicações de alta tensão e corrente intensa.
Sumário da Invenção
Um dos objetivos da presente invenção é proporcionar uma bucha de alta tensão que aperfeiçoa as buchas da técnica anterior e que possibilita atingir os níveis de alta tensão e valores de corrente elevada descritos acima.
É também objetivo da presente invenção apresentar um dispositivo de alta tensão, compreendendo uma bucha de alta tensão dessa natureza.
Estes objetivos, dentre outros, são alcançados por uma bucha de alta tensão e um dispositivo de alta tensão conforme definido nas reivindicações independentes.
De acordo com a presente invenção, uma bucha de alta tensão é definida compreendendo um alojamento de isolador oco, um condutor de alta tensão previsto no interior do alojamento, um primeiro conjunto de conexão onde o condutor pode ser conectado com um primeiro dispositivo elétrico e um segundo conjunto de conexão onde o condutor pode ser conectado com um segundo dispositivo elétrico, caracterizado por pelo menos um do dito primeiro conjunto de conexão e do segundo conjunto de conexão é configurado como um conjunto de conexão externo no qual o condutor tem uma parte extrema estendida e a bucha compreende uma abertura de saída através da qual a parte extrema estendida do condutor egressa da bucha, para que a parte extrema estendida do condutor seja conectável com um dispositivo elétrico.
Uma vantagem da invenção é que as perdas são reduzidas uma vez que as superfícies e juntas de contato são reduzidas. Com a presente invenção, pelo menos uma das áreas de contato do terminal externo da téc nica anterior se torna redundante uma vez que a corrente não tem de passar através da cobertura superior, porém, pode fluir diretamente do condutor para um contato montado sobre o condutor no exterior do alojamento. Um exemplo de um contato apropriado é descrito no pedido de patente européia depositado pela mesma requerente e na mesma data do presente pedido, intitulado Contato de Bucha de Alta Tensão, bucha de alta tensão compreendendo este contato e dispositivo de alta tensão compreendendo a bucha com tal contato. As perdas reduzidas reduzirão a necessidade para resfriamento da bucha.
Outra vantagem é que o resfriamento do condutor é aperfeiçoado pela transferência de calor direta para o ar circundante, que é possibilitada quando o condutor se estende no exterior da bucha. Resfriamento aperfeiçoado possibilitará a transferência de potência mais elevada através da bucha, isto é, aumento da tensão e/ou corrente.
Uma vantagem adicional é maior robustez para correntes elevadas uma vez que menor número de partes necessita desempenhar uma função de contato de corrente.
De acordo com outro aspecto da invenção, a bucha de alta tensão compreende um dispositivo retentor para fixar o condutor em relação ao alojamento na abertura de saída. Um dispositivo de retenção dessa natureza pode ser montado quer no exterior do alojamento quer no interior do alojamento, caso desejado.
De acordo com uma característica, o dispositivo retentor pode compreender pelo menos um membro de fixação para proporcionar travamento antirrotação pela aplicação de sujeição radial à parte extrema estendida do condutor.
O membro de fixação pode compreender pelo menos um elemento de cunha adaptado para ser montado sobre o condutor, no exterior da abertura de saída, um anel de retenção montado sobre o elemento de cunha, e elementos de fixação tais como parafusos, para fixar o elemento de cunha e o anel de retenção no alojamento, no exterior da abertura de saída. O alojamento, o pelo menos um elemento de cunha e o anel de retenção são munidos de orifícios adaptados para os parafusos, e os furos no alojamento são munidos de roscas internas para cooperação com as roscas externas sobre os parafusos.
Como outro aspecto característico, o alojamento e o pelo menos um elemento de cunha estão em contato térmico e elétrico entre si. Isto auxilia o resfriamento do interior da bucha, uma vez que o calor proveniente do condutor pode ser transferido através do alojamento e das cunhas para a atmosfera circundante. Isto também tem a vantagem do condutor e do alojamento apresentar o mesmo potencial por intermédio do contato através dos elementos de cunha.
Para posicionar o condutor em relação ao alojamento, o condutor é munido de primeiros elementos posicionadores axiais sobre sua circunferência externa para cooperação com correspondentes segundos elementos posicionadores axiais sobre a circunferência interna de pelo menos um membro de fixação de maneira a obter uma posição axial predefinida do condutor em relação ao alojamento.
Qualquer um dos primeiros elementos posicionadores axiais e dos segundos posicionadores axiais é construído com pelo menos uma ranhura anular e os outros elementos posicionadores axiais são construídos com pelo menos um perfil saliente.
Um exemplo de elementos posicionadores axiais é pelo menos uma ranhura anular na parte extrema estendida do condutor e correspondente perfil saliente ao longo da circunferência interna do pelo menos um membro de fixação. Através desta construção inexistem exigências sobre a correta orientação angular da extremidade do condutor que é exigida na técnica anterior quando o condutor é conectado com a cobertura superior;
De acordo com outro aspecto da invenção, a bucha inclui uma cobertura formando parte do alojamento e a abertura de saída para o condutor é configurada como um orifício na cobertura através de cujo orifício a parte extrema estendida do condutor egressa da bucha. A cobertura pode ser construída como uma parte separada similar àquela que é a maioria dos casos na técnica anterior. Pelo permitir que o condutor passe através da cober tura, o numero de juntas é reduzido comparado com a técnica anterior e as perdas são reduzidas. A bucha de alta tensão inventiva encontra sua aplicabilidade primariamente como uma bucha de CC Todavia, também pode ser uma bucha de CA.
A bucha de alta tensão inventiva pode ser uma bucha isolada a gás.
O conjunto de conexão externo da bucha inventiva pode ser um contato de atmosfera externa, isto é, os detalhes inventivos da bucha são aplicados a um contato da bucha, cujo contato está localizado em uma extremidade da bucha que está em contato com a atmosfera circundante, por exemplo, correspondente ao terminal externo da técnica anterior na figura 1.
A bucha também pode ser uma bucha onde o alojamento é um alojamento selado pelo qual o interior da bucha é isolado do ambiente circundante da bucha. Isto é exigido quando existe um meio de isolamento no interior da bucha que tem ser impedido de vazar para o exterior do meio circundante.
Finalmente, de acordo com a presente invenção é definido um dispositivo de alta tensão compreendendo uma bucha de acordo com qualquer uma das reivindicações definidoras de uma bucha e o dito dispositivo de alta tensão sendo quer um do primeiro dispositivo elétrico quer um do segundo dispositivo elétrico com o qual o condutor pode ser conectado.
Demais aspectos característicos, vantagens e objetivos se evidenciarão da descrição detalhada que se segue da invenção.
Breve Descrição dos Desenhos
A presente invenção passa a ser descrita a seguir em conjunção com os desenhos em anexo, ilustrando uma modalidade da invenção, meramente a título de exemplo e de acordo com os quais:
a figura 1 ilustra de forma esquemática, em seção transversal, uma bucha de alta tensão de acordo com a técnica anterior;
a figura 2a ilustra de forma esquemática, em seção transversal, uma modalidade de uma bucha de alta tensão de acordo com a presente invenção;
a figura 2b ilustra de forma esquemática, uma variante da modalidade ilustrada na figura 2a;
a figura 3 mostra uma vista parcial, esquemática, de uma bucha de acordo com a presente invenção em seção transversal;
a figura 4 mostra detalhes da bucha inventiva das figuras 2a, 2b e 3 munida de um dispositivo retentor inventivo de acordo com a presente invenção; e a figura 5 ilustra os detalhes de um dispositivo retentor em uma bucha de acordo com a presente invenção.
Descrição Detalhada da Invenção
Na presente descrição, o termo alta tensão (HV) será usado para voltagens de 50 kV e mais elevadas. O presente limite superior para alta tensão comercial é de 1100 kV, porém, é previsto que a invenção também possa ser usada para tensões mais altas, até 1200 kV e ainda maiores. Geralmente, a presente invenção encontra sua aplicabilidade de cerca de 200 kV e superiores.
Uma modalidade de uma bucha de acordo com a presente invenção é ilustrada, de maneira esquemática, na figura 2a. Em princípio, a bucha da presente modalidade tem as mesmas partes principais da bucha da técnica anterior na figurai, com a exceção da parte superior com o terminal externo 24, e o fato de que a presente invenção não está limitada a uma bucha com um condensador 14. Na descrição que se segue, os mesmos numerais de referência são usados para as mesmas ou correspondentes partes nas diferentes figuras onde quer seja aplicável.
A bucha inventiva na figura 2a compreende um isolador de bucha oco que forma um alojamento 12. Um condutor de alta tensão 10 se estende através do centro do alojamento. Existe um flange 16 previsto em torno do alojamento de maneira a conectar o alojamento da bucha com o potencial terrestre através do contato com a parede 18. A parede 18 pode ser uma parede de qualquer tipo de dispositivo elétrico de alta tensão onde buchas de ata tensão são usadas. Por exemplo, quando o dispositivo elétrico é um transformador 18 seria a parede do tanque do transformador no interior da bucha, circundando o condutor 10, é também disposto algum tipo de dispositivo gradiente de tensão 14. Todavia, deve ser observado que a parede e o flange não constituem um requisito para a bucha inventiva.
Na extremidade inferior da bucha existe um primeiro conjunto de conexão 30 na forma de um contato para conectar o condutor com um correspondente contato 22 de um dispositivo elétrico localizado sobre este lado da bucha. O dispositivo elétrico sobre este primeiro lado da bucha será designado de um primeiro dispositivo elétrico. No caso do primeiro dispositivo elétrico ser um transformador, o primeiro conjunto de conector 30 na forma do contato estaria situado no interior do transformador e o transformador teria um contato interno conjugável 22. Na extremidade superior da bucha, sobre o outro lado da parede 18, é previsto um segundo conjunto de conexão 32.na forma de um conjunto de conexão externo compreendendo uma abertura de saída 34 no alojamento 12, através da qual o condutor 10 egressa da bucha. Isto é ilustrado em maior detalhe na figura 3. Na modalidade ilustrada, o alojamento 12 inclui uma cobertura superior 35 que tem um orifício 36 através do qual o condutor 10 se estende para o exterior da bucha. Este seria designado a seguir de o segundo lado da bucha. Na modalidade ilustrada, o orifício 36 efetivamente forma a abertura de saída 34. O condutor 10 pode ser descrito como sendo estendido para o exterior do alojamento da bucha por intermédio do condutor tendo uma parte extrema estendida 38 formando uma extremidade livre estendida do condutor. A parte extrema de condutor 38 se estendendo para o exterior da bucha é adaptada para contatar com um segundo dispositivo elétrico. No caso da bucha ser montada em um transformador, o segundo lado da bucha poderia, por exemplo, ser conectado com um dispositivo externo, barramento ou cabo.
Na figura 2b é ilustrada uma variante da modalidade na figura 2a e são usados numerais de referência idênticos. A variante na figura 2b difere da modalidade na figura 2a pelo fato da parede do alojamento 12 se estender além da parte extrema livre estendida 38 do condutor 10. Outra maneira de descrever a variante na figura 2b é que a cobertura 35 com a parte extrema estendida saliente 38 do condutor é disposta como sendo reentrante na extremidade superior do alojamento 12 da bucha. Os detalhes das figuras 3, 4 e 5 são igualmente aplicáveis a ambas as variantes.
De acordo com a presente invenção, o condutor 10 é posicionado e fixado, isto é, mantido estável, em relação ao alojamento, na abertura de saída 34, por intermédio de um dispositivo retentor 40 montado sobre o alojamento, Isto é, a cobertura 35 na modalidade ilustrada. O dispositivo retentor é ilustrado na figura 4 e em maior detalhe na figura 5. O dispositivo retentor é proposto para aplicar uma pressão de sujeição radial ao condutor, resultando em travamento por fricção rotativa do condutor com respeito à cobertura. Esta pressão de sujeição radial pode ser aplicada por membros de sujeição 42, 43 que em combinação com um anel de travamento 46 exerce pressão radial sobre o condutor. Na presente modalidade, os membros de sujeição 42, 43 são configurados como dois membros cuneiformes cônicos. O anel de travamento 46 e as cunhas 42, 43 são munidos de orifícios 47, 48 para elementos de fixação 44. No presente caso parafusos. Os elementos de fixação 44 são propostos para aplicar força de sujeição axial entre o anel de travamento 46 e a cobertura superior 35 quando em orifícios 49 no anel de travamento. Por intermédio das cunhas cônicas 42, 43 a força de sujeição axial resulta em pressão radial sobre a parte extrema 38 de condutor.
Além disso, o condutor necessita ser fixado em relação ao alojamento 12 e à cobertura 35 tanto na direção axial como na direção de rotação. De maneira a posicionar e fixar o condutor 10 na direção axial, a parte extrema estendida 38 do condutor é munida de elementos posicionadores axiais 50 para cooperação com correspondentes elementos posicionadores 51 sobre as cunhas cônicas 42, 43. Os elementos posicionadores axiais 50 sobre a parte extrema 39 do condutor 10 são configurados com pelo menos uma ranhura anular externa. Os elementos posicionadores axiais 51 sobre as cunhas cônicas 42, 43 são configurados com pelo menos um perfil saliente correspondente, tal como um anel ou parte de um anel ao longo da circunferência interna da respectiva cunha. Deve ser observado que naturalmente cada cunha compreende somente uma parte da cada anel saliente ao longo da circunferência interna e é somente quando as cunhas são conjuntamente montadas que um anel saliente mais completo é obtido. O número de ranhuras e de perfis salientes, tais como de anéis, é de três na modalidade ilustrada, porém pode naturalmente ser variado.
O dispositivo retentor é montado sobre a parte extrema livre estendida 38 do condutor 10 pelo primeiramente aplicar as cunhas cônicas 42, contra o condutor. Por intermédio das ranhuras cooperantes 50 e dos anéis salientes 51 o correto posicionamento axial das cunhas é obtido. A seguir o anel de travamento 46 é montado sobre as cunhas, e os parafusos são inseridos através dos orifícios 48 no anel de travamento, adicionalmente através dos orifícios 47 nas cunhas 42, 43, e finalmente aparafusados no interior dos orifícios 48 na cobertura 35, desse modo fixando as partes do dispositivo retentor na cobertura 35. Quando os parafusos são apertados, o condutor é posicionado e travado pelas cunhas na direção axial por intermédio do engate das ranhuras 50 e dos anéis salientes 51, e o condutor é também travado na direção de rotação pela força de fricção. Este travamento é obtido indiferentemente a como o condutor é orientado na direção de rotação em relação à cobertura 35.
Existem naturalmente outras alternativas para as ranhuras cooperantes e o correspondente perfil saliente, por exemplo, uma ranhura e um anel solto ou um pino cooperante com um correspondente orifício.
Seria igualmente possível ter um conjunto com pinos ou parafusos radialmente dispostos adaptados para exercer uma força radial sobre o condutor a partir de várias direções, desse modo realizando o travamento.
Quando o dispositivo retentor é montado as cunhas são pressionadas contra o condutor e a cobertura. Isto auxilia o resfriamento do interior da bucha uma vez que o calor pode ser transferido do condutor através das cunhas e adicionalmente para a cobertura, o alojamento e a atmosfera circundante. Também assegura contato elétrico entre a cobertura, o alojamento e o condutor. Estas duas vantagens são obtidas ao selecionar um material eletro e termo condutivo. Todavia, outros materiais podem ser usados para obter estas propriedades do dispositivo retentor.
Naturalmente, o número de cunhas pode ser variado, contanto que formem, quando montadas no condutor, um anel ou pelo menos a maior parte de um anel de maneira a obter distribuição de sujeição simétrica. Todavia, deve ser mencionado que seria igualmente possível ter um elemento cuneiforme cônico que somente cubra parte da circunferência do condutor. Por exemplo, é possível usar somente uma cunha cônica que cubra a metade da circunferência.
Seria também concebível o uso de um anel cuneiforme fendido que é aplicado sobre a extremidade do condutor por intermédio da fenda conferindo a resiliência necessária ao anel. O anel cuneiforme pode então ser encaixado em posição sobre o condutor por intermédio das ranhuras e perfis salientes cooperantes.
Uma vez que a bucha tem um espaço entre o condutor 10 e o alojamento 12 normalmente preenchido com um meio isolante, por exemplo, um gás, é prevista uma vedação 52 entre o condutor 10 e a cobertura 35, tal como uma vedação radial.
Na modalidade ilustrada das figuras 2a e 2b, a bucha é somente munida de um conjunto de conexão externo de acordo com a presente invenção, a saber, o segundo conjunto de conexão 32 na extremidade superior. O primeiro conjunto de conexão 30 é ilustrado como um contato regular usado na técnica anterior. Todavia deve ser perfeitamente claro que também o primeiro conjunto de conexão 30 pode construído da mesma maneira do segundo conjunto de conexão 32 ilustrado, sempre que adequado. Este, por exemplo, pode ser o caso quando a bucha é uma bucha de parede entre compartimentos de válvula.
Além disso, na modalidade ilustrada, a bucha inclui uma cobertura separada 35 do alojamento 12. Alternativamente, a cobertura pode ser integrada no alojamento e construída em uma só peça com o alojamento. O alojamento pode então ser descrito como tendo um flange ou possivelmente flanges dirigidos para dentro, e a abertura de saída 34 para o condutor 10 é então prevista entre as bordas do flange ou flanges.
O alojamento e a cobertura são tradicionalmente construídos de metal para serem eletricamente ou termicamente condutivos. Todavia, podem existir aplicações onde pelo menos um deles é construído de material não condutivo, por exemplo, de material epóxi.
O condutor 10 pode ser um condutor sólido ou um condutor oco.A bucha descrita pode ser usada para aplicações tanto CC como CA.
Na modalidade ilustrada foi indicado que um transformador pode ser um dispositivo de alta tensão sobre o qual a bucha de alta tensão inventiva é usada. Todavia, é enfatizado que a bucha de alta tensão inventiva também pode ser usada com outros tipos de dispositivos de alta tensão, tais como reatores, chaves de distribuição, geradores, distribuidores ou qualquer outro dispositivo apropriado encontrando aplicação em sistemas de alta tensão. Além disso, os termos dispositivo elétrico e dispositivo de alta tensão devem também ser interpretados como incluindo cabos, barras coletoras, supressores de surtos, válvulas de CC e semelhantes, dentro do contexto da presente invenção.
Quando a bucha inventiva é usada em um transformador, óleo é utilizado como meio isolante no interior do transformador e sobre o outro lado da bucha é o ar, por exemplo, em um compartimento de válvula de alta tensão/de corrente contínua (HVDC). Este tipo de bucha é geralmente conhecido como uma bucha de ar/óleo. Todavia, conforme acima indicado, a bucha de acordo com a invenção é própria para uso em muitos dispositivos elétricos, indiferentemente ao meio usado sobre os respectivos lados da bucha, tal como ar/ar (bucha de parede); ar/gás (comutador a gás), etc. Deve também ser mencionado que a presente invenção não apresenta qualquer limitação quanto à escolha do meio isolante no interior da bucha. Pode ser, por exemplo, gás, óleo, gel ou combinações dos mesmos.
A presente invenção não está limitada a modalidade descrita, apresentada meramente a título de exemplo, porém, pode ser variada e modificada de muitas maneiras dentro do âmbito das reivindicações anexas, conforme será realizado por aqueles versados na técnica.
REIVINDICAÇÕES