CZ262099A3 - Sériová kompenzace elektrických strojů na střídavý proud - Google Patents

Abstract

Ve způsobu sériové kompenzace točivých elektrických strojů (2) na střídavý proud, připojenýchpřímo nebo prostřednictvím statického proudového převodníku (28) k trojfazové rozvodné nebo přenosové síti (6), kde statorové vinutí stroje (2) na střídavý proudje spojeno do hvězdy,je kapacitní obvod (14) pro základní frekvenci napětí zapojen v každé lazi mezi spodní stranou vinutí a zemnicímbodem (20) rozvodné nebo přenosové sítě (6). Zařízení pro takovou kompenzaci obsahuje kapacitní obvod (14) pro základní frekvenci napětí, zapojený v každé fázi mezi spodní stranou vinutí a zemnicímbodem (20) rozvodné nebo přenosové sítě (6)

Description

Sériová kompenzace elektrických strojů na střídavý proud

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu a zařízení pro sériovou kompenzaci točivých elektrických strojů na střídavý proud připojených přímo nebo přes statický proudový měnič do troj fázové rozvodné nebo přenosové sítě, kde statorové vinutí stroje na střídavý proud je spojeno do hvězdy. Vynález se také týká točivého elektrického stroje opatřeného takovým sériovým kompenzačním zařízením.

Vynález především odpovídá elektrickým strojům na střídavý proud určených pro použití jako generátory v elektrárnách pro generování elektrické energie. Typický pracovní rozsah může být od 36 do 800 kV, takže mohou být připojeny přímo do všech typů vysokonapěťových energetických sítí. To je možné zásluhou použití vysokonapěťových izolovaných elektrických vodičů s pevnou izolací podobnou kabelům pro přenos elektrické energie v dalším označovaných jako vysokonapěťový kabel. Tento kabel je také opatřen vnější polovodivou vrstvou s jejíž pomocí je určen potenciál kabelu vzhledem k okolí.

Dosavadní stav techniky

Z dokumentu US 5,036,165 je znám vodič, ve kterém je izolace opatřena vnitřní a vnější vrstvou polovodivých pyrolizovaných skelných vláken. Je také známo opatřování vodičů v dynamoelektrických strojích takovou izolací, jaká je např. popsána v dokumentu US 5,066,881, kde vrstva polovodivých pyrolizovaných skelných vláken je v rovnoběžnými tyčemi tvořícími vodič a statoru je obklopena vnější vrstvou polovodivých pyrolizovaných skelných vláken. Pyrolizovaný sklovláknitý materiál je popisován jako vhodný protože si zachovává svůj odpor dokonce po impregnačním zpracování.

kontaktu se dvěma izolace v drážkách • · 9« 9 9 9 9 9 9 9

99 9 » 99 99 999 999

9999 »99 · · _2- ·* *· ··· *· ·’ ··

Sériová kompenzace jak vysokonapěťových přenosových sítí tak rozvodových sítí je již známa. Je rovněž dohře známo, že geomagneticky indukované proudy mohou způsobit škodlivé zahřívání přímo uzemněných systémů energetické sítě.

Z dokumentu US Al 4,341,989 je známé zařízení pro fázovou kompenzaci vícefázového elektrického stroje na střídavý proud sériovým nebo paralelním připojením kapacitního prvku ke každému fázovému vinutí na horní straně vinutí.

Cílem vynálezu je poskytnout nový způsob a nové zařízení pro snížení reaktance systému sériovou kompenzací stroje na střídavý proud stejně jako zamezení geomagneticky indukovaných proudů.

Podstata vynálezu

Tento cíl dosažen způsobem a zařízením typu popsaného v úvodu které má znaky definované v nároku 1 a nároku 2.

Podle vynálezu je kompenzace prováděna na spodní straně vinutí takže mohou být použity nízkonapěťové izolované kondenzátory, což není možné u sériové kompenzace vysokonapěťových přenosových sítí podle známé techniky. Proto mohou být použity levnější kondenzátory v zařízení podle vynálezu, protože jsou chráněny samotným strojem a připojeny k neutrálnímu bodu, který má nízký potenciál vzhledem k zemi. Toto řešení je zvláště výhodné pro typ strojů, kterých se vynález týká, jelikož jejich horní strana je určena k přímému připojení na vysokonapěťové energetické sítě.

Podle výhodného provedení zařízení podle vynálezu je paralelně s kondenzátory zapojeno zařízení přepěťové ochrany tak, že jsou chráněny před jakýmikoliv přepětími, které se mohou objevit v případě poruchy.

Podle druhého výhodného provedení zařízení podle vynálezu je mezi uzlem kondenzátorové skupiny tvořené kondenzátory a zemnicím bodem rozvodné nebo přenosové sítě umístěna pásmová

0

0 • 0«

0 0 0 « 0 0 0 «0 *«

-3zádrž, s nízkoomovým odporníkem zapojeným mezi pásmovou zádrží a zemnicím bodem. Tento odporník může být odporník nulového bodu dimenzovaný pro neškodný proud zemního spojení o velikosti několika desítek ampér. Zemní zkrat ve stroji na střídavý proud nebo v generátoru je schopen emitovat proud zemního spojení přes tento odporník ale kontrolou proudu zemního spojení mohou být přijata opatření k odpojení generátoru nebo vadné fáze.

Z hlediska energetické sítě jakékoliv zvýšení přechodové reaktance stroje může také být účinně kompenzováno tímto způsobem.

Ve stroji podle vynálezu vinutí jsou přednostně složena z kabelů s pevnou vytlačovanou izolací typu nyní používaného pro rozvod energie, jako jsou XLPE kabely nebo kabely s EPR izolací. Takové kabely jsou ohebné, což je důležitá vlastnost v tomto kontextu, protože technologie pro stroj podle vynálezu je založena primárně na systému vinutí, ve kterém je vinutí vytvořeno z kabelu, který je ohýbán během montáže. Ohebnost XLPE kabelu normálně odpovídá poloměru zakřivení přibližně 20 cm pro kabel o průměru 30 mm a poloměr zakřivení přibližně 65 cm pro kabel o průměru 80 mm. V přítomné přihlášce výraz ohebný je použit k označení, že vinutí je ohebné až do poloměru zakřivení řádově rovnému čtyřnásobku průměru kabelu, přednostně osminásobku až dvanáctinásobku průměru kabelu.

Vinutí podle vynálezu jsou konstruována aby si udržela své vlastnosti dokonce když jsou ohnuta a když jsou vystavena tepelnému namáhání během provozu. Je důležité aby vrstvy sí udržely vzájemnou přilnavost v tomto kontextu. Vlastnost: materiálu vrstev jsou zde rozhodující, zejména jejich pružnost a relativní koeficienty tepelné roztažnosti. V XLPE kabelu, například, izolační vrstva sestává ze zesítěného polyetylénu o nízké hustotě a polovodivé vrstvy sestávají z polyetylénu s vmíchanými sazovými, a kovovými částicemi. Změny objemu jako výsledek kolísání teploty jsou zcela absorbovány jako změny poloměru v kabelu a zásluhou poměrně malých rozdílů mezi

-49 tt ·· * · « tt • · · ♦ · tttt tttt ···♦ ··· · · ·· ·· ··· *· ·· *· koeficienty tepelné roztažnosti vzhledem k pružnosti těchto materiálů radiální roztažnost může nastat bez ztráty adheze mezi vrstvami.

Kombinace materiálů uvedené výše je třeba považovat pouze za příklady. Ostatní kombinace splňující specifikované podmíky a také podmínku že jsou polovodivé, tj. mají měrný odpor v rozsahu lCf^{1 * * *} až 10⁶ ohm-cm, např. 1 až 500 ohm-cm, nebo 10 až 200 ohm-cm, přirozeně také spadají do rozsahu vynálezu.

Izolační vrstva může sestávat, například z pevného termoplastického materiálu jako je polyetylén o nízké hustotě (LDPE), polyetylén o vysoké hustotě (HDPE), polypropylen (PP), polymetylpenten (PMP), zesíťované materiály jako je zesíťovaný polyetylén (XLPE), nebo pryž jako je etylénpropylenová pryž (EPR) nebo silikonová pryž.

Vnitřní a vnější polovodivé vrstvy mohou být ze stejného základního materiálu ale s vmíšenými částicemi z vodivého materiálu jako jsou saze nebo kovový prášek.

Mechanické vlastnosti těchto materiálů, zejména jejich koeficienty tepelné roztažnosti, jsou poměrně málo ovlivněny tím zda jsou do nich přimíšeny saze nebo kovový prášek nebo ne alespoň v proporcích požadovaných k dosažení vodivosti nezbytné podle vynálezu. Izolační vrstva a polovodivé vrstvy tedy mají v podstatě stejné koeficienty tepelné roztažnosti.

Etylénvinilacetátové kopolymery/nitrílová pryž, butyl roubovaný polyetylén, etylénbutylakry.1 átové kopolymery a etylénety]akrylátové kopolymery mohou také tvořit vhodné polymery pro polovodivé vrstvy.

I když jsou použity různé typy materiálů jako základy různých vrstev je žádoucí aby jejich koeficienty tepelné roztažnosti byly v podstatě stejné. To je případ kombinace výše vyjmenovaných materiálů.

tttttt tttttt

-5-- - -» * « » 4 4 4 • 4 44 4 4 4 4 4 4 4 • · · 4 4 · · · · 444 ··· • 444 «44 4 4

44 44« 44 44 44

Výše vyjmenované materiály mají poměrně dobrou pružnost s modulem pružnosti menším než 500 MPa, přednostně menším než 200 MPa. Pružnost je postačující pro jakékoliv menší rozdíly mezi koeficienty tepelné roztažnosti pro materiály ve vrstvách, které mají být absorbovány v radiálním směru pružnosti tak, aby se neobjevily žádné praskliny nebo jiná poškození a tak, aby se vrstvy navzájem neuvolnily. Materiál ve vrstvách je pružný a adheze mezi vrstvami je alespoň stejná jako u nej slabšího materiálu.

Vodivost obou polovodivých vrstev je postačující k podstatnému vyrovnání potenciálu podél každé vrstvy. Vodivost vnější polovodivé vrstvy je dostatečně veliká aby udržela elektrické pole v kabelu, ale dostatečně malá aby neumožnila vznik znatelných ztrát proudy indukovanými v podélném směru vrstvy.

Tak každá z obou polovodivých vrstev v podstatě tvoří jeden ekvipotenciální povrch a tyto vrstvy budou v podstatě uzavírat elektrické pole mezi nimi.

Samozřejmě neexistuje nic co by bránilo umístění jedné nebo více přídavných polovodivých vrstev do izolační vrstvy.

Přehled obrázků na výkresech

Pro jasnější vysvětlení vynálezu bude zařízení podle vynálezu popsáno podrobněji pomocí příkladu provedení s odkazy na připojené výkresy na kterých obr. 1 znázorňuje provedení zařízení podle vynálezu a obr. 2 znázorňuje příčný řez vysokonapěťovým kabelem použitým v točivém elektrickém stroji podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Obr. 1 znázorňuje stroj 2 na střídavý proud ve formě generátoru jehož fázová napětí jsou připojena přímo k sítí 6 přes izolátory a vypínače 4. Na výstupní straně je generátor 2 • 9 «9 9 9 9 9 9 · • * · ·· 9 9 9 · 999 9*9 ~ 9 9 9 9 9 9 9 99 — O“ ·· ·· 999 99 99 99 opatřen také prostředky 8 přepěťové ochrany a měřicími prostředky 10 proudu.

Statorové vinutí generátoru 2 je spojeno do hvězdy a sériový kompenzační kondenzátor 14 je zapojen v každé z fází na dolní straně vinuti. Pásmová zádrž 16 je zapojena do uzlu sestavy kondenzátorů a odporník 18 nulového bodu je připojen do zemnícího bodu 20 sítě ý. Proudové měřicí prostředky 22, 24 jsou také zapojeny na této straně generátoru ŽL

Zapojení sériového kondenzátorů 14 do každé fáze dociluje sériové kompenzace stroje 2 na střídavý proud a tím snížení reaktance systému.

Přepěťové ochranné prostředky 26 a odpor R slouží k tomu aby chránily kondenzátory 14 v případě poruchy.

Pásmová zádrž 15 nemá nic co do činění přímo s vynálezem a nebude podrobněji popsána.

Odpornik 18 nulového bodu je dimenzován tak aby omezil proudy zemního spojení na neškodnou velikost několika desítek ampérů. Zemní zkrat v generátoru 2 může tedy mít za následek proud zemního spojení odporníkem 18 a kontrola velikosti tohoto proudu umožnění přijetí opatření k odpojení generátoru a možná vadné fáze.

Alternativně může být generátor 2 připojen k síti přes převodník 28 jak je naznačeno na obr. 1.

Na obr. 1 bylo vynecháno buzení pole generátoru.

Obr. 2 znázorňuje příčný řez vysokonapěťovým kabelem p9 použitým v točivém elektrickém stroji podle vynálezu. Vysokonapěťový kabel 29 je složen z pramenů 21 zhotovených z mědi, například, s kruhovým průřezem. Tyto prameny 31 jsou uspořádány uprostřed vysokonapěťového kabelu 29. Kolem pramenů 31 je první polovodivá vrstva 32. Kolem prvm polovodivé vrstvy

-Ί·* ·· · » · • · · · · · · • · · · ··· ··· • · · · · ·*« ·· ·» ·· je izolační vrstva 33, např. XLPE izolace a kolem izolační vrstvy 33 je druhá polovodivá vrstva 34.

Claims (15)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob sériové kompenzace točivých elektrických strojů (2) na střídavý proud připojených přímo nebo prostřednictvím statického proudového převodníku (28) k troj fázové rozvodné nebo přenosové síti (6), kde statorové vinutí stroje na střídavý proud je spojeno do hvězdy, vyznačující se tím, že kapacitní obvod (14) pro základní frekvenci napětí je zapojen v každé fázi mezi spodní stranou vinutí a zemnicím bodem (20) rozvodné nebo přenosové sítě (6).
2. 2. Zařízení pro sériovou kompenzaci točivých elektrických strojů (2) na střídavý proud připojených přímo nebo prostřednictvím statického proudového převodníku (28) k trojfázové rozvodné nebo přenosové síti (6), kde statorové vinutí stroje na střídavý proud je spojeno do hvězdy, vyznačující se tím, že kapacitní obvod (14) pro základní frekvenci napětí je zapojen v každé fázi mezi spodní stranou vinutí a......zemnicím bodem (20) rozvodné nebo přenosové sítě (6).
3. 3. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že každý kapacitní obvod obsahuje kondenzátor (14).
4. 4. Zařízení podle nároku 3, vyznačující se tím, že přepěťové ochranné prostředky (12) jsou zapojeny paralelně ke kondenzátorům (14).
5. 5. Zařízení podle kteréhokoliv z nároků 2 až 4, vyznačující se tím, že pásmová zádrž (16) je uspořádána mezi uzlem sestavy kondenzátorů tvořené kondenzátory (14) a zemnicím bodem (20) rozvodné nebo přenosové sítě (6).
6. 6. Zařízení podle nároku 5, vyznačující se tím, že nízkoomový odporník (18) je zapojen mezi pásmovou zádrží (16) a zemnicím bodem (20) rozvodné nebo přenosové sítě (6).
7. 7. Točivý elektrický stroj s vinutím vedeným v drážkách statoru, vyznačující se tím, že vinutí jsou navinuta s použitím

   - * v w « V «V « • · ·· · · · · • » · · * ···· ··· ·♦· _Λ ♦··· »«· ·· — 9— ·· ·· ··· ·· ·· vysokonapěťového kabelu a stroj je opatřen zařízením podle kteréhokoliv z nároků 2 až 6.
8. 8. Stroj podle nároku Ί, vyznačující se tím, že vysokonapěťový kabel obsahuje jádro s prameny, vnitřní polovodivou vrstvu obklopující jádro, izolační vrstvu obklopující vnitřní polovodivou vrstvu a vnější polovodivou vrstvu obklopující izolační vrstvu.
9. 9. Stroj podle nároku 8, vyznačující se tím, že vysokonapěťový kabel má průměr v rozmezí od 20 do 200 mm a vodivou ploch v rozmezí 80 až 3000 mm².
10. 10. Stroj podle kteréhokoliv z nároků 7 až 9, vyznačující se tím, že kabel je ohebný a vrstvy se navzájem podpírají.
11. 11. Stroj podle kteréhokoliv z nároků 7 až 10, vyznačující se tím, že vrstvy jsou z materiálů s takovou pružností a takovými koeficienty tepelné roztažností, že objemové změny ve vrstvách .....způsobené teplotními výkyvy během provozu jsou absorbovány pružností materiálů, vrstvy tak udržují svoji vzájemnou adhezi při teplotních výkyvech nastávajících během provozu.
12. 12. Stroj podle kteréhokoliv z nároků 7 až 11, vyznačující se tím, že materiály ve vrstvách mají vysokou pružnost, přednostně s modulem pružnosti nižším než 500 MPa, přednostně nižším než 200 MPa.
13. 13. Stroj podle kteréhokoliv z nároků 7 až 12, vyznačující se tím, že koeficienty tepelné roztažností pro materiály ve vrstvách jsou v podstatě stejné.
14. 14. Stroj podle kteréhokoliv z nároků 7 až 13, vyznačující se tím, že adheze mezi vrstvami je alespoň stejně velká jako pevnost nejslabšího z materiálů.

    -10• ta ·« • tata tata ta tata · ·· «· ta · · ta · · tatata • ta· tata • tata * • tata ta·* ta · • ta «ta
15. 15. Stroj podle kteréhokoliv z nároků 7 až 14, vyznačující se tím, že každá z polovodivých vrstev v podstatě tvoří jeden ekvipotenciální povrch.