CZ385998A3

CZ385998A3 - Izolovaný vodič pro velmi vysoké napětí a způsob jeho výroby

Info

Publication number: CZ385998A3
Application number: CZ983859A
Authority: CZ
Inventors: Mats Leijon; Peter Carstensen
Original assignee: Abb Ab
Priority date: 1996-05-29
Filing date: 1997-05-27
Publication date: 1999-06-16
Also published as: US6417456B1; EP1016185A1; AU2989097A; EA001173B1; JP2000511337A; US20020046867A1; AU718707B2; WO1997045918A1; BR9709371A; CN1220039A; CA2255772A1; EA199801055A1; KR20000016040A; PL330202A1

Description

llblast techniky

První znak přihlašovaného vynálezu se týká izolovaného vodiče pro vysokonapětová vinutí v točivých elektrických stroj ích.

Druhý znak přihlašovaného vynálezu se týká způsobu úpravy izolovaného vodiče pro vysnkonapěť.ová vinutí v točivých elektrických strojích.

Třetí znak přihlašovaného vynálezu se týká točivého elektrického stroje obsahujícího izolovaný vodič zmiňovaného typu.

Výrazem stroj se především rozumí generátor pro výrobu elektrického proudu v elektrárně.

Tento vynález je použitelný v elektrických strojích, jako jsou synchronní stroje. Vynález je rovněž použitelý i v dalších elektrických strojích, jako jsou zdvojeně napájené stroje, a provedeních kaskád s asynchronním rozběhovým proudem, strojů s vnějším pólem a strojů se synchronním chodem, kdy tyto stroje mají vinutí obsahující izolované vodiče uvedeného typu a výhodně pracují v systémech vysokých napětí. Výraz vysoká napětí zde označuje hodnoty elektrického napětí, které převyšují 10 kV- Typický pracovní rozsah izolovaných vodičů pro vysokonapěťová vinutí podle tohoto vynálezu může být 36 kV až 800 kV.

Dosavadní stav techniky se v podstatě týká magnetického obvodu se tento obvod sestavuje podle se takový magnetický obvod ve

V zájmu vysvětlení funkce a popisu stroje bude nejdříve proveden stručný popis otočného elektrického stroje, jenž bude doložen příkladem na základě synchronního stroje. První část tohoto popisu lakového stroje a toho, jak k i as i ckého postupu. Protože většině případů umisťuje ve statoru, bude tento magnetický

-2.ubvod v následujícím textu normálně popisován jako stator s vrstveným jádrem, jehož vinutí bude označováno výrazem statorové vinutí, přičemž štěrbiny ve vrstveném jádru vinutí budou označovány jako statorové štěrbiny nebo jednoduše štěrbiny Statorové vinutí se umisťuje ve štěrbinách v plochém ocelovém jádru, přičemž štěrbiny mají v příčném řezu obvykle obdélníkový nebo lichoběžníkový tvar. Každá fáze vinutí obsahuje určitý počet sériově propojených skupin cívek, které jsou spojeny do sestavy za sebou. Různé součásti cívky jsou konstrukčně řešeny jednak jako strana cívky, jde-li o část, která se nachází uvnitř statoru, a jednak konec vinutí, jdeli a část, která se nachází vně statoru. Cívka obsahuje jeden nebo několik vodičů, které jsou sdruženy s ohledem na výšku a/nebo šířku.

Mezi jednotlivými vodiči se nachází tenký izolátor, jako je například epoxidové/skleněné vlákno.

Cívka je odizolována od štěrbiny cívkovým izolátorem, což je izolátor určený k tomu, aby vydržel jmenovité napětí stroje ve vztahu k nulovému elektrickému potencionálu. Jako izolační materiály mohou být použity různé plastové, lakové a skleněné vláknové materiály. Obvykle se používá takzvaná slídová páska, což je směs slídy a tvrzeného plastu, vyráběná především jako prostředek vytvoření odolnosti proti částečným výbojům, které mohou prudce prorazit izolaci. Umísťování izolace se provádí ovinutím cívky několika vstvami slídové pásky. Izolace se impregnuje a následně se natírá barvou na bázi grafitu, aby se zkokona1 i 1 styk s obklopujícím stát.ořem, který se připojuje k nulovému elektrickému potencionálu.

Vodivá plocha vinutí je určena danou intenzitou elektrického proudu a použitým způsobem chlazení. Vodič a cívka se obvykle sestavují ve tvaru obdélníka, aby bylo možné umístit co největší množství materiálu vodiče do štěrbiny. Typická cívka se vytváří z takzvaných Roebelových tyčí, kdy určité tyče z daného počtu řečených Roebelových tyčí jsou duté, aby do nich mohlo být zaváděno chladivo. Roebelova tyč má určitý počet obdélníkových, vedle sebe zapojených měděných vodičů, které se kříží v rozsahu 360 stupňů podle štěrbiny.

• · · · * fl • · · · fl

Rovněž se objevují Ringlandovy tyče s kříženími v rozsahu 540 stupňů a mohou se uplatňovat, i další křížení. Takto vytvořená křížení znemožňují projevování účinků cirkulujících proudů, které se generují v průřezu materiálu vodiče z hlediska magnetického pole.

Z mechanických a elektrických důvodů nelze stroj vyrábět, v jakýchkoli rozměrech. Výkon stroje určují v podstatě tri faktory (i) Vodivá plocha vinutí. Při normální provozní teplotě má mapříklad měď maximální hodnotu 3 až 3,5 A/mm².

(ii) Maximální hustotu toku (magnetického toku) v materiálu statoru a rotoru.

(iii) Maximální intenzita elektrického pole v izolačním materiálu, takzvaná dielektrická pevnost.

Vícefázová vinutí pro střídavý proud se konstrukčně řeší buď jako jednovrstvová nebo jako dvouvrstvová vinutí. V případě jednovrstvových vinuti existuje se uplatňuje pouze jedna strana cívky na jednu štěrbinu a v případě dvouvrstvových vinutí se uplatňují dvě strany cívky na jednu štěrbinu. Dvouvrstvová vinutí se obvykle sestavují v podobě tvaru struktury diamantu, zatímco jednovrstvová vinutí, která mají souvislost s touto problematikou, se mohou sestavovat jako vinutí ve tvaru struktury diamantu nebo jako souosá vinutí. V případě vinutí ve tvaru struktury diamantu se vyskytuje jen jeden cívkový krok (nebo případně dva cívkové kroky), zatímco plochá vinutí se konstruují jako souosá vinutí, což znamená, že mají značný rozsah hodnot cívkového kroku. Výrazem cívkový krok se rozumí vzdálenost v obloukové míre mezi dvěma stranami cívky patřícími téže cívce, a to buď ve vztahu k příslušné pólové rozteči nebo ve vztahu k hodnotě prostředních roztečí štěrbin. Obykle se používají různá provedení vinutí s prodlouženým nebo zkráceným cívkovým krokem. kdy například vinutí se zkráceným cívkovým krokem poskytuje požadované vlastnosti.

Tento typ vinutí v podstatě popisuje, jak jsou cívky ve štěrbinách, tj. strany cívek, spolu propojeny vně statoru.

tzn. na zakončení konců vinutí.

Mimo prmt.iir, který zaujímají patrové vrstvy statoru, není na cívku nátěrem nanesena polovodiči vrstva propojená s nulovým elektrickým potencionálem. Zakončení konce vinutí se normálně opatřuje ovladačem elektrického pole v podobě tzv. korónového ochranného laku určeného pro převádění radiálního pole na axiální pole, což znamená, že izolace na zakončení konců vinutí vykazuje vysoký potencionál ve vztahu k nulovému elektrickému potencionálu. Toto poněkud zvyšuje korónu v oblasti ukončení konce vinutí, což může mít destruktivní účinek- Takzvané body pro řízení pole na zakončení konců vinutí způsobují otočnému elektrickému stroji problémy.

Konstrukční řešení všech velkých strojů obvykle používá dvouvrstvová vinutí a stejně velké cívky. Cívky se umisťují tak, že jedna strana cívky je v jedné vrstvě a druhá strana cívky je ve druhé vrstvě. To znamená, že všechny cívky se překřlžují u zakončení konce vinutí. Použijí-li se více než dvě vrstvy, pak taková překřížení ztěžují navíjecí práce a ničí zakončení konce vinutí.

Všeobecně je známo, že připojení synchronního stroje/generátoru k elektrické síti musí být provedeno přes třífázové YD CY-delta) zapojení takzvaného stupňovacího transformátoru, protože napětí elektrické sítě má normálně vyšší úroveň než napětí točivého elektrického stroje. Společně se synchronním strojem tvoří tento tranformátor součást celku elektrárny. Instalace transformátoru vyžaduje zvláštní náklady a transformátor rovněž nevýhodně způsobuje pokles celkové výkonnosti systému- Pokud by bylo možné vyrábět stroje pro výrazně vyšší napětí, mohl by být stupňovací transformátor vynechán.

V průběhu několika posledních desetiletí se zvyšovaly požadavky na točivé elektrické stroje ve smyslu dosahování vyšších úrovní napětí, než umožňovaly předcházející konstrukce takových strojů. Maximální úroveň napětí podle dosavadního stavu v této oblasti techniky dosahovaná v případě uplatnění synchronních strojů s dobrým vytěžováním cívkové produkce, je přibližně 25 až 30 kV.

Určité pokusy usilující o nový přístup ke konstrukčnímu řešení synchronních stiojů jsou popisovány mimo jiné v článku nazvaném Vodou a olejem chlazený turbogenerátor TVM - 300, • · · * * ···· který byl publikován v časopise Elektrotechnika, číslo 1,

1970, strany 6 až í) Stator a generátor v patentu USA č. 4,429,244 nazvaném a v ruském patentovém dokumentu označeném jako CCCP Patent 955369.

Vodou a olejem chlazený synchronní stroj, který popisuje časopis Elektrotechnika, je určen pro napětí do 20 kV. □lánek popisuje nový izolační systém uplatňující olejovou/papírovou izolaci, který umožňuje úplné ponoření statoru do oleje. Takto může být olej použit jako chladivo a současně jako izolace. Aby bylo znemožněno pronikání oleje ze statoru k rotoru, je na vynitřním povrchu jádra vytvořen dielektrický kroužek pro oddělování oleje. Vinutí statoru tvoří duté vodiče mající oválný tvar a je vybaveno olejovou a papírovou izolací- Strany cívky s jejich izolacemi jsou upevněny ve štěrbinách pomocí prostředkfl klínů, přičemž tyto štěrbiny mají zužující se tvar. Jako chladivo je použit chladicí olej, a to jak v dutých vodičích, tak i v otvorech ve stěnách statoru. Takové chladicí systémy však vyžadují. aby na koncích cívky byl vytvořen značný počet spojů jak pro olej, tak i pro elektřinu. Poměrně velká tloušťka izolace rovněž podporuje zvětšení poloměru zakřivení vodičů, výsledkem čehož je následné zvětšení velikosti přesahu vinutí.

Uvedený patent USA č. 4,429,244 se zaměřuje na statorový díl synchronního stroje obsahující magnetické jádro z všivených plátů s lichoběžníkovými štěrbinami pro vinutí statoru. Štěrbiny se zužují, protože potřeba izolování vinutí statoru je menší směrem ke vnitřku rotoru, kde se nachází část vinutí, která je umístěna nejblíže k nulovému bodu. Statorový díl navíc obsahuje dielektrický válec pro oddělování oleje, který je umístěn nejblíže k vnitřnímu povrchu jádra. Teni-o díl může zvýšit magnetizační požadavky ve srovnání se strojem, který tento kroužek nemá- Vintí statoru tvoří kabely, které jsou ponořeny do oleje a které mají v každé vrstvě stejný průměr. Jednotlivé vrstvy jsou od sebe odděleny pomocí vymezovacích prostředků a jsou upevněny ve štěrbinách klíny.

vinutí je skutečnost, že obsahuje dvě která jsou zapojena za sebou. Jedno ze

Zvláštností tohoto takzvaná polovinutí, dvou polov i nutí je umístěno a vystředěno uvnitř izolujícího fl · · fl · « ·* · · pouzdra. Obtékající olej ochlazuje vodiče vinutí statoru. Nevýhodou takového velkého množství oleje v systému je nebezpečí jeho unikání a značně velký rozsah čisticích prací, jež mohou vyplývat ze závadového stavu. Části izolujícího pouzdra nacházející se mimo štěrbiny mají válcovitý úsek a kuželovité zakončení, které je vyztuženo vstvami přenášejícími proud, jejichž účelem je řízení intenzity elektrického pole v oblastí, kde kabel vstupuje do koncového vinutí.

Z dokumentu CCCP 955369, který představuje další pokus zvýšit jmenovité napětí synchronního stroje, je jasné, že olejem chlazené vinutí statoru obsahuje běžný vysokonapětový kabel mající stejný rozměr pro všechny vrstvy. Kabel je umístěn ve statorových štěrbinách, které mají v tomto případě tvar radiálně vedených otvorů, které odpovídají ploše průřezu kabelu a mají nezbytný prostor pro upevnění a chladivo. Různé, radiálně rozmisťované vrstvy vinutí jsou obaleny izolačními trubicemi a jsou v těchto trubicích upevněny. Izolační vymezovače upevňují trubice ve statorové štěrbině. Vzhledem k olejovému chlazení je rovněž potřeba uplatnit vnitřní dlelektrický kroužek pro utěsnění vnitrní vzduchové mezery proti průniku oleje. V předcházejícím textu zmiňované nevýhody využívání oleje v systému se vztahují rovněž na toto konstrukční řešení. Toto konstrukční řešení také vykazuje značné radiální zúžení mezi roznými statorovými štěrbinami, které nutně způsobuje značný průnikový tok přes štěrbiny, což významně ovlivňuje magnetizační požadavky stroje.

Zpráva Výzkumného ústavu elektrické energie (Electric Power Research Institute, zkratka UPŘI) s označením EL-3391 z roku 1984 uvádí hodnocení koncepcí točivého elektrického stroje, který může dosahovat takovou úroveň vysokého napětí, jež umožní připojení takového stroje k elektrické síti bez transformátorového mezičlánku. Takové řešení je ve výzkumu posuzováno jako značný přínos jak z hlediska výkonnosti, tak z hlediska značných ekonomických výhod. Jako hlavní důvod pro zahájení vývoje generátorů pro přímé připojení k elektrické síti se pravděpodobně jeví vyvinutí supravodivého rotoru v roce 1984. Velká magnetizační kapacita supravodivého pole umožňuje použití vinutí se vzduchovou mezerou, kdy toto ··♦ · ♦ · vinutí má potrpbnou tloušťku Izolace, aby vydrželo účinky jakýchkoli elektrických zatížení. Po posouzení tyl vyshwen názor, že kombinováním nejslibnějsí koncepce podle projektu konstrukčního řešení magnetického obvodu s vinutím, takzvané monolitní válcové armatury, koncepce, podle níž vinutí obsahuje dva válce z vodičů, které jsou souose uzavřeny ve třech pouzdrech, a připevněním celé, takto vytvořené struktury k ocelovému jádru bez zubů, by mohl být sestaven točivý elektrický stroj s možností přímého připojení k elektrické síti. Řešení spočívá v tom, že hlavní izolace musí mít natolik postačující tloušťku, aby byly splněny podmínky vztahu síť - sít a sít - nulový elektrický potencionál. Na základě prozkoumání všech známých, soudobých technických postupů, byl tento Izolační systém uplatňující dielektrické, kapalinou impregnované, lisované buničinové kartóny posouzen jako nezbytný při dosahování vyšších úrovní napětí, které se normálně dosahují s použitím silových transformátorů. Zřejmé nevýhody navrhovaného řešení spočívají v tom, že uplatnění supravodivého rotoru toto řešení mající značnou tlouštku, což zvětšuje rozměry stroje. Zakončení konců vinutí se musí izolovat a chladit olejem nebo freony, aby velké elektrické pole na koncích bylo pod kontrolou. Celý stroj musí být vzduchotěsně uzavřen, aby se znemožnilo absorbování vlhka z okolní atmosféry do kapalného dielektrika.

Při výrobě točivých elektrických strojů podle dosavdního stavu v této oblasti techniky se vinutí sestavuje z vodičů a izolačních systému podle několika kroků, kdy vinutí se musí predformovat před namontováním na magnetický obvod- Přípravné impregnování izolačního systému se provádí po namontování navíc k požadavku vyžaduje izolaci vinutí na magnetický obvod.

Podstata vynálezu

Cílem přihlašovaného vynálezu je možnost výroby točivého elektrického stroje pro vysoké napětí bez jakkoli složitého předfornování vinutí a bez nutnosti impregnování izolačního systému po namontování vinutí.

Φ ·

Jf: známo, že v souvislosti se zvyšováním výkonu točivého elektrického stroje je nutné zvyšovat proud v ΑΓ cívkách. Toto se dosahuje uplatněním optimálního množství vodivého materiálu, což konkrétně znamená těsné uložení obdélníkových vodjčQ v obdélníkových rotorových štěrbinách- Vytčeným cílem je ovládání zvyšující se teploty v důsledku většího množství izolačního materiálu a použití izolujících materiálů, které jsou odolnější proti účinkům tepla a tudíž nákladnější. Vysoká teplota a zátěž elektrického pole působící na izolaci rovněž vyvolává problémy související se životností izolace. V poměrně tlustých izolujících vrstvách, které se používají pro vysokonapětová technická vybavení a kterými jsou například impregnované vrstvy slídové pásky, dochází k částečným výbojům, jež mohou způsobit závažné problémy. Při zhotovování těchto izolujících vrstev snadno vznikají dutiny, póry a podobně, v nichž dochází k vnitřním korónovým výbojům tehdy, když je izolace vystavena účinku vysoké intenzity elektrického pole. Tyto korónové výboje postupně degradují materiál a mohou vést k elektrickému proražení izolace.

Přihlašovaný vynález je založen na vytvoření takového stavu, kdy schopnost zvýšení výkonu točivého elektrického stroje podloženého jak technicky, tak i ekonomicky musí být podpořena tím, že izolace nebude proražena výše uvedeným fenoménem. Toto může být dosaženo v souladu s přihlašovaným vynálezem na základě použití izolujících vrstev, které se zhotovují takovým zůsobem. aby nebezpečí vzniku dutin a pórů bylo minimální, a které mají například podobu protlačovaných vrstev z vhodných tuhých, izolujícíhch materiálů, jako jsou termoplastické pryskyřice, pryž, jako je silikonová pryž, attl. Navíc je důležité, že izolující vrstva obsahuje vnitřní vrstvu, která obklopuje vodič s po 1ovodivýmí vlastnostmi, a že izolace také má přinejmenším jednu vnější vrstvu s polovodivými vlastnostmi, jež obklopuje izolaci. Výraz polovodivé vlastnosti souvisí s materiálem, který má podstatně nižší vodivost než elektrický vodič, avšak nemá tak nízkou vodivost jako izolátor- Budou-li se používat pouze takové izolující vrstvy, které mohou být zhotovovány s minimálními chybami, a bude-li izolace vybavena vnitřní vrstvou a vnější polovodivou • · • · · · nku teplotních a eleks přinejmenším jednou

- 9 • ·* · vrstvou, může být dosaženu omezení úči Lrických zatěžování- Izolující součást přídávnou polovodivou vrstvou by měla mít v podstatě stejný koeficient roztažitelnosti. Při teplotních gradientech by se neměly projevovat poruchy způsobené rozdílným rozsahem roztažitelnosti izolace a obklopujících vrstev. Elektrická zátěž působící na materiál se snižuje jako důsledek skutečnosti, že zmiňovaná polovodivá vrstva kolem izolace bude vytvářet ekvi potencionální povrchy a že elektrické pole v izolující součásti se bude rozvádět poměrně rovnoměrně po celé tloušťce izolace. Vnější polovodivá vrstva může být připojena ke zvolenému potencionálu, například k nulovému elektrickému potencionálu- To znamená, že v případě takového kabelu může být vnější pouzdro vinutí po celé své délce udržováno v nulovém elektrickém potencionálu. Vnější vrstva může být rovněž ve vhodných místech po délce vodiče odřezána a každá odřezaná částečná délka může být přímo připojena ke zvolenému potencionálu- Kolem vnější polovodlvé vrstvy mohou být také uspořádány další vrstvy, pouzdra a podobně, jako kovové kryty a ochranné pláště.

Další poznatek získaný v souvislosti s přihlašovaným vynálezem spočívá v tom, že zvýšené proudové zatížení vede k problémům projevujícím se hromaděním elektrického ÍE) pole v rozích na průřezu cívky a že toto vyvolává velkou místní zátěž na izolaci, který se v těchto místech nachází. Podobně magnetické CB) pole v zubech statoru bude nahromaděno také v rozích. To znamená, že magnetické sycení se projevuje místně, že magnetické jádro není plně využito a že tvarový průběh generovaného napětí/proudu bude zkreslen. Navíc ztráty způsobované vířivými proudy. které se indukují ve vodičích a které vznikají v důsledku geometrie vodičů ve vztahu k B poli, budou způsobovat, další nevýhody ve zvyšování proudových hustot. Další zdokonalení podle tohoto vynálezu je dosaženo na základě toho, že zhotovené cívky a štěrbiny, do kterých se cívky umisťují, jsou v podstatě kruhové a nikoli obdélníkové- Tím, že je průřez cívek kruhový, budou tyto cívky obklopeny rovnoměrným B polem bez hromadění t.am, kde by mohlo vzniknout magnetické sycení. Rovněž E pole v cívce bude

- 10 ·· ·· ·3 » · · ι ř · λ a «·· ·· a a

·« rozloženo rovnoměině a místní zatěžování izolace bude značně omezeno. Navíc je snadnější umištovat kruhové cívky ve štěrbinách takovým způsobem. aby se počet cívkových stran cívkové skupiny mohl zvýšit a aby se mohlo uskutečnit zvýšení napětí, aniž by se musel zvýšit proud ve vodičích- Důvod pro toto řešení spočívá v tom. že chlazení vodičů je usnadňováno jednak nižší proudovou hustotou a tím nižšími teplotními gradienty průsobícími napříč izolací a jednak kruhovým tvarem štěrbin. které podporují jednotnější rozvádění účinku tepla na ploše průřezu. Sestavování vodičů z menších součástí, kterými jsou takzvané prameny. může rovněž poskytnout další zdokonalení. Prameny mohou být od sebe izolovány a pouze malý počet pramenů může zůstat bez izolace a ve spojení s polovodivou vrstvou, aby bylo jisté, že tato vrstva bude mít stejný elektrický potencionál jako vodičVýhody používání točivého elektrického stroje podle přihlašovaného vynálezu spočívají v tom, že tento stroj může bez poškození pracovat v podmínkách přetížení podstatně delší časový úsek, než bývá při používání takových strojů obvyklé. Toto vyplývá ze způsobu sestavování stroje a omezení tepelného namáhání izolace- Je například možné přetížit stroj až o 100¾ na dobu přesahující 15 minut a až do dvou hodin.

V jednom provedení podle předloženého vynálezu obsahuje magnetický obvod točivého elektrického stroje vinutí ze s jedním nebo více než jedním vytlačovaným a tuhou izolaci mající polovodivou vrstvu tak i u pouzdra. Vnější polovodivá vrstva může nulovému elektrickému potencionálu. Pro problémů vznikajících v případě přímého připojení točivých elektrických strojů ke všem typům vysokonapčtových elektrických sítí disponuje stroj podle tohoto vynálezu několika znaky, jež tento stroj odlišují od strojů, které jsou v dosavadním stavu techniky známy.

Jak již bylo v předcházejícím textu uvedeno, může být vinutí pro točivý elektrický stroj zhotovováno s použitím kabelu s jedním nebo více než jedním vytlačovaným izolovaným vodičem a tuhé izolace mající polovodivou vrstvu v blízkosti vodiče i pouzdra. Mezi některými typickými příklady lze uvést závitového kabelu i zo1ováným vod i čem jak u vodiče být připojena k možné zvládnutí

4«

4»

- 1 1 kabel s označením XLPE nebo Další vývoj vodiče složeného z že existuje možnost izolování k sobě s cílem omezení množství proudy ve vodiči. Jeden pramen ponecháno bez izolace, aby bylo obklopující vodič bude mít tentýž • · 4 ·· · ♦ · · _ · ··♦ 4 * · « · ··* ··· » 4 4 · 4 · · ···»«> «· ♦ ♦· · ·· kabel s EP pryžovou izolací, pramenů je možný v tom smyslu, pramenů ve vzájemném vztahu ztrát způsobovaných vířivými nebo několik pramenů může být jisté, že polovodičová vrstva elektrický potencionál jako vod i čJe známo, že vysokonapětové kabely pro vedení elektrické energie se skládají z vodičů s tuhou, vytlačovanou Izolací, která má vnitrní a vnější polovodivou část. Při sestavování vedení elektrické energie existuje požadavek, který stanoví, že izolace by měla být bezporuchová. V průběhu přenášení elektrické energie by izolace měla být bezporuchová od počátku. Při používání vysokonapěťových kabelů pro přenášení elektrické energie nebylo cílem maximalizovat proud v kabelu, protože prostor nepředstavuje žádné omezení pro přenosný kabel. Izolace vodice pro točivý elektrický stroj se může zhotovovat jinými způsoby, než je použití prostředků vytlačování, a mezi tyto jiné způsoby například patří nástřik apod. Je však důležité. že vytvořená izolace by neměla mít žádné chyby na celém průřezu a měla by vykazovat podobné teplotní vlastnosti- Řečená polovodičová vrstva by mohla být nahrazena izolací v souvislosti s izolací nanášenou na vodiče.

Výhodně jsou použity kabely s kruhovým průřezem. Mezi jinými věcmi mohou být použity kabely s jinými tvary průřezu, aby byla získána větší hustota součástí- Za účelem zvyšování napětí v točivém elektrickém stroji je kabel uspořádán v několika obrátkách ve štěrbinách vytvořených v magnetickém jádru. Vinutí může být konstruováno jako vícevrstvové, souosé kabelové vinutí proto, aby se snížil počet překřížení na ukončení konce vinutí. Při výrobě kabelu je možné vytvářet zužování izolace, což umožňuje lepší využívání magnetického jádra, a v takovém případě se může tvar štěrbin při způsobit, tvaru zužování izolace.

Významná výhoda točivého elektrického stroje podle přihlašovaného vynálezu spočívá v tom, že E pole v oblasti zakončení konce vinutí se blíží nule a že za situace, kdy je vnější pouzdro spojenu s nulovým elektrickým pot.enc i uná 1 em, nemusí být elektrické pole kontrolováno. To znamená, že nevznikají žádné koncentrace pole, a to ani ve vrstvách, v oblasti zakončení konce vinutí nebo v přechodu mezi nimiPrihlašovaný vynález se rovněž zaměřuje na způsob výroby magnetického obvodu a obzvláště vinutí- Tento způsob výroby zahrnuje krok umisťování vinutí do štěrbin zašroubováním kabelu do otvorů ve štěrbinách v magnetickém jádru. Vzhledem k tomu, že kabel je pružný, může se ohýbat a to umožňuje přetvoření délky kabelu do několika obrátek v cívce. Proto se bude zakončení konců vinutí skládat z ohnutých zón kabelu. Kabel se rovněž může spojovat tak, že jeho vlastnosti zůstanou stejné po celé délce kabelu. Ve srovnání s dosavadním stavem v této oblasti techniky tento způsob přináší podstatná zjednodušení. Takzvané Roebelovy tyče nejsou pružné, a proto se musí předtvarovat do požadovaného tvaru. V současných podmínkách výroby točivých elektrických strojů je technický postup impregnování cívek rovněž nadměrně složitý a nákladný.

Toto se dosahuje s použitím vodiče pro vysokonapěťová vinutí v točivých elektrických strojích, který je definován v patentovém nároku 1, as uplatněním zůsobu úpravy izolovaného vodiče pro vysokonapěťová vinutí v točivých elektrických strojích podle patentového nároku 9 a také s použitím točivých strojů obsahujících izolovaný vodič takového typu, jenž již byl v předcházejícím textu zmíněn a je definován v patentovém nároku 8. Vysokonapěťový kabel podle tohoto vynálezu obsahuje jeden nebo více pramenů obklopených první polovodívou vrstvou. Tato první polovodivá vrstva je dále obalena první izolující vrstvou, která je obklopena druhou poluvodivou vrstvou. Druhá polovodivá vrstva je připojena k nulovému elektrickému potencionálu přinejmenším na dvou různých místech nacházejících se na vysokonapěťovém kabelu Část kabelu, která je umístěna ve statorových štěrbinách, musí být odizolována od magnetické oceli statoru. Mezi každou dvojicí bodů, které se nacházejí na kabelu a jsou připojeny k nulovému elektrickému potencionálu je elektrické spojení přerušeno druhou polovodívou vrstvou. Na každém takovém přerušení vytvořeném druhou polovodívou vrstvou je umístěno

0 • ·

zařízení pm omezovaní nárůstu intenzity elektrického pole na řečených přerušeníchZpňsob úpravy izolovaného vodiče pro vysokonapětová vinutí v točivých elektrických strojích podle přihlašovaného vynálezu zahrnuje kroky (i) přerušování elektrického spojení ve druhé polovodivé vrstvě mezi každou dvojicí bodů, jež se připojují k nulovému elektrickému potencionálu; a

Ci i) umisťování prostředků vrstev, které kontrolují nárůst intenzity elektrického pole u každého z řečených přerušení vytvořeného ve druhé polovodičové vrstve.

Zásluhou uvedeného způsobu a vysokonapěťového kabelu podle přihlašovaného vynálezu je vyvinut vysokonapěťový kabel bez jakýchkoli tepelných ztrát způsobovaných zvyšovanými úrovněmi napětí ve vnější polovodivé vrstvě. Takto je vyvinut vysokonapěťový kabel, v němž je minimalizováno nebezpečí elektrického proražení.

Popis obrázků na výkrese

Tento vynález bude následně podrobněji vysvětlen popisem výhodných provedení s odkazem na připojené nákresy, na nichž: obr. 1 je pohled na příčný řez vysokonapěťového kabelu; obr. 2A je pohled, částečně v řezu, na vysokonapěťový kabel s přerušením ve druhé polovodivé vrstvě předvádějící nárůst elektrického pole na okrajích přerušení; a obr. 2B je perspektivní pohled na část kabelu předvedeného na obr. 2A;

obr. 3 předvádí příčný řez vzatý podle podélné osy vysokonapěťového kabelu podle přihlašovaného vynálezu;

obr- 4A teoreticky zobrazuje průběh magnetického pole: kalkulovaného na vysokonapěťovém kabelu s přerušeném ve druhé polovodivé vrstvě;

obr. 4B teoreticky zobrazuje průběh magnetického pole kalkulovaný na vysokonapěťovém kabelu podle přihlašovaného vynálezu; a obr. 5 předvádí postupový diagram způsobu úpravy vysokonapěťového kabelu podle přihlašovaného vynálezu.

vysokonapěťového kabelu 1 0 .

vedení elektrické energie.

;lero bv mohl být standartuí • fl · · · fl « · · • flflfl «·

- 14 Příklady provedeni vynálezu

Obr’. 1 předvádí příčný řez který se obvykle používá pro Předvedeným vysokonapětovým kab

XLPE - kabel 145 kV. avšak bez pláště nebo stínění. Vysokonapěťový kabel 10 obsahuje elektrický vodič, který se může skládat z jednoho nebo více pramenil 12 vyrobených z mědi CCu), jež mají například kruhový tvar průřezu. Tyto prameny 12 jsou uspořádány uprostřed vysokonapěťového kabelu 10. Okolo těchto pramenů 12 je umístěna první polovodivá vrstva 14 a okolo první polovodivé vrstvy 14 se nachází první izolující vrstva 16, jež se například zhotovuje z izolačního materiálu s označením XLPE. Okolo první izolující vrstvy 16 je umístěna druhá polovodičová vrstva 18.

Obr. 2A předvádí, částečně v řezu, vysokonapěťový kabel s přerušením ve druhé polovodivé vrstvě za účelem znázornění nárůstu elektrického pole na okrajích přerušení. Příčný řez předvedený na obr. 2A je vzat podle podélné osy vysokonapěťového kabelu. Obr. 2B je pespektivní pohled předvádějící část kabelu nakresleného na obr. 2A- Na obr. 2A a obr. 2B jsou odpovídající součásti označeny stejnými odkazovými značkami jako na obr. 1. Prameny 12 jsou předvedeny na obr. 2A pouze schematicky. Na obr. 2A a obr. 2B je vidět, že odstraněním části druhé polovodivé vrstvy 18 byla kolem obvodu vysokonapěťového kabelu 10 vytvořena kruhová drážka 20. Výsledkem t.oho je obnažení první izolující vrstvy 16 v drážce 20. Toto přerušení elektrického spojení ve druhé polovodivé vrstvě 18. mezi dvěma body připojenými k nulovému elektrickému potencionálu zajišťuje přerušení jakéhokoli průchodu proudu, a proto se nebudou projevovat žádné tepelné ztráty způsobované nárůstem napětí. Avšak všechna přerušení druhé polovodivé vrtvy 18 budou příčinou zvyšování intenzity elektrického pole na okrajích řečených přerušení- Na obr. 2 je možno vidět čáry (označené odkazovou značkou 22) znázorňující elektrické pole. Hromadění čar 22 znázorňujících elektrické pole na okrajích drážky 20 Je projevem prudkého, místního zvyšování intenzity ·

elektrického pole. Tento jev naneštěstí zvyšuje nebezpečí elektrického přeražení, k němž by nemělo dojít.

Obr. 3 je pohled na příčný řez vzatý podle podélné osy vysokonapětového kabelu podle tohoto vynálezu. Podobně jako je tomu v případě vysokonapěťového kabelu 10 předvedeného na obr. 1, rovněž vysokonapěťový kabel 30 obsahuje prameny 12. první polovodivou vrstvu 14, první izolující vrstvu 16 a druhou polovodivou vrstvu 18 - Na obr. 3 je vidět odstranění části druhé polovodivé vrstvy 18 a vytvoření kruhové drážky 20 kolem obvodu vysokonapěťového kabelu 10. v důsledku čehož je v drážce 20 provedeno obnažení první izolující vrstvy 16.

y * ’ π * -τ'“’· xx . x x 1... — _l z Λ -Ί Ζώίΐ 4- _Λ ΐ,ίί _Λ děl υυΐ v ο villťC 6U6UJ1C i uval uMaju uiat-Ky drážka 20 je širší na horních okrajích polovodivé vrstvy 18, než v blízkosti první izolující vrstvy 16 - Drážka 20 může mít například rovné okraje, ačkoli výhodnější jsou šikmé okraje. Vzdálenost mezi okraji druhé polovodivé vrstvy 18 v blízkosti první izolující vrstvy je na obr. 3 označena jako b. Šířka b drážky 20 je výhodně 4 mm. Vysokonapěťový kabel 30 má rovněž druhou izolující vrstvu 24, jež je umístěna v drážce 20 tak, že tuto drážku 20 vyplňuje. Důvodem pro vytvoření sešikmených okrajů drážky 20 je skutečnost, že při vyplňování drážky 20 druhou izolující vrstvou 24 nevznikají u těchto okrajů žádné dutiny ve vhodném izolujícím materiálu, kterým je například izolující, samoamalgamační EPDM páska, jako je izolující páska s obchodním názvem IV-tejp Registered, IA 2332 od firmy ABB Kabeldon. Druhá izolující vrstva 24 také pokrývá sešikinené okraje druhé polovodivé vrstvy 18 a část druhé polovodivé vtrsvy 18 vedle sešikmených okrajů. Vysokonapěťový kabel 30 rovněž obsahuje třetí polovodivou vrstvu 26, která má například podobu pásky, jako je polovodivé páska prodávaná pod obchodním názvem HL-tejp Registered, IA 2352 od firmy ABB Kabeldon a která se pokládá na druhou izolující vrstvu 24 tak, aby třetí polovodivé vrstva 26 pokrývala na jednom konci jeden okraj druhé izolující vrstvy 24 a byla v elektrickém spojení s druhou polovodivou vrstvou .18- Na svém druhém konci tato třetí polovodivé vrstva 26 nepokrývá druhý konec druhé izolující vrstvy 24, ale namísto toho končí ve vzdálenosti c od druhého okraje druhé izolující vrstvy 24. Tloušťka druhé • · «·

« · · · · * · · ♦ · · • · · · · · · izolující vrstvy 24 by měla být přinejmenším 1 mm na okraji, kde třetí polovodivá vrstva 26 nepokrývá druhou izolující vrstvu 24- Třetí polovodivá vrstva však bude na svém druhém konci přesahovat (překrývat) druhou polovodivou vrstvu 18, která se nachází pod druhou izolující vrstvou 24. Vzdálenost mezi okrajem třetí polovodivé vrstvy 26 a okrajem druhé polovodivé vrstvy 18 měřená v podélném směru kabelu 30 je na obr. 3 označena odkazovou značkou d. Třetí polovodivá vrstva 26 by měla mít tloušťku nejméně 1 mm. Jak drážka 20 vytvořená ve druhé izolující vrstvě, tak i třetí polovodivá vrstva 26 umístěná tak, jak je to předvedeno na obr. 3, se umisťuje po délce kabelu 30 mezi každou dvojicí bodů, které jsou připojeny k nulovému elektrickému potencionálu. Počet drážek s prostředky vrstev 24, 26 se takto vyjadřuje jako počet bodů připojených k nulovému elektrickému potencionálu mínus jedna. Označí-li se počet bodů připojených k nulovému elektrickému potencionálu symbolem N, bude celkový počet drážek 20 a prostředků vrstev 24, 26 vyjádřen výrazem N - 1.

Obr. 4A teoreticky předvádí elektrické pole kalkulované na vysokonapěťovém kabelu, na kterém jsou vytvořena přerušení polovodivé vrstvy a kterým je vysokonapěťový kabel předvedený na obr. 2A a obr. 2B. Obr. 4A předvádí kabel 10 schematicky v řezu, přičemž ukazuje druhou polovodivou vrstvu 18 a drážku 20. Šipky znázorňují intenzitu E CV/m) elektrického pole, přičemž délka šipek je úměrná intenzitě pole. Na obr. 4A lze vidět, že intenzita elektrického pole je větší na okrajích drážky 20. Maximální intenzita pole v rozích je 4 kV/mm.

Obr. 4B teoreticky předvádí elektrické pole kalkulované na vysokonapěťovém kabelu 30 podle přihlašovaného vynálezu, který je předveden na obr. 3- Obr. 4A předvádí kabel 30 schematicky v řezu, přičemž ukazuje druhou polovodivou vrstvu 18 drážku 20, druhou izolující vrstvu 24 a třetí polovodivou vrstvu 26. Šipky znázorňují intenzitu E CV/m) elektrického pole, přičemž délka šipek je úměrná intenzitě pole. Na obr 4B je možné vidět, že intenzita elektrického pole na okrajích drážky 20 není tak vysoká jako intenzita elektrického pole na obr. 4A- Maximální intenzita pole v rozích ie 2,3 kV/mm.

Proto uplatněním prostředků vrstev 24 , 26 (tvořených diuhuii izolující vrstvou 24 a třetí polovodivou vrstvou 26) v drážce 20 může být maximální intenzita pole v rozích snížena x 4 kV/mm na 2,3 kV/mm. Toto značně snižuje nebezpečí elektrického proražení. Současně nejsou podporovány tepelné ztráty způsobované zvyšováním napětí.

Obr- 5 znázorňuje postupový diagram způsobu úpravy vysokonapěťového kabelu pro vysokonapětová vinutí v točivých elektrických strojích podle přihlašovaného vynálezu. Vychází se z použití vysokonapěťového kabelu 10 , který je předveden na obr. 1, kdy řečený kabel 10 obsahuje elektrický vodič skládající se z jednoho nebo více pramenů 12, první polovodivé vrstvy 14 první izolující vrstvy 16 a druhé polovodivé vrstvy 18 . Tato druhá polovodivá vrstva 18 bude připojena k nulovému elektrickému pot-encionálu nejméně ve dvou různých bodech po délce vysokonapěťového kabelu- Postupový diagram začíná blokem 40. Dalším krokem, který je znázorněn blokem 42, je vytvoření přerušení 20 elektrického spojení mezi body, jež jsou připojeny k nulovému elektrickému potencionálu. Pokud se body připojované po délce vysokonapěťového kabelu k nulovému elektrickému potencionálu označí jako N, pak bude vytvořeno N - 1 přerušení 20 druhé polovodivé vrstvy 18. V průběhu následujícího kroku označeného blokem 44 se na přerušení 20 druhé polovodivé vrstvy 18 pokládají prostředky vrstev 24 a 26 za účelem snižování intenzity elektrického pole u řečeného přerušení 20 . Kroky, které znázorňují bloky 42 a 44 se takto opakují N - 1 krát před tím, že postup dojde k bloku 46. Přerušení 20 se zhotovují odstraňováním druhé polovodivé vrstvy 18 kolem obvodu vysokonapěťového kabelu do hloubky až na první Izolující vrstvu 16. takže výsledné drážky přerušují druhou polovodivou vrstvu 18 - Okraje drážek 20 se výhodně sešikmují, jak je to předvedeno na obr. 3. Kolem každé drážky 20 se pokládá druhá izolující vrstva 24. Tato vrstva 24 rovněž pokrývá část druhé polovodivé vrstvy 18 na obou stranách drážky 20- Následně se na řečenou druhou izolující vrstvu 24 umisťuje třetí polovodivá vrstva 26, jež na jednom konci pokrývá okraj druhé izolující vrstvy 24 a je v elektrickém spojení s druhou polovodivou vrstvou 18 . Druhý *« ·· • ·

konec třetí polovodivé vrstvy 26 nepokrývá druhý konec izolující vrstvy 24, avšak přesahuje část druhé polovodivé vrstvy 18, která se nachází pod druhou izolující vrstvou 24 (viz obr - 31.

Přihlašovaný vynález se neomezuje pouze na předvedená provedení. V rozsahu připojených patentových nároků je možné vytvořit několik variant.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1- Izolovaný vodič ¢30) pro vysokonapětové vinutí v elektrických strojích, vyznačující se tím , že obsahuje jeden nebo více pramenů ¢12), vnitřní, první polovodivou vrstvu ¢14), která obklopuje prameny ¢12), první izolující vrstvu <16), která obklopuje vnitrní, první polovodivou vrstvu ¢14), a vnější, druhou polovodivou vrstvu ¢18), která obklopuje první izolující vrstvu ¢16), kdy druhá polovodivá vrstva ¢18) je připojena k nulovému elektrickému potencionálu přinejmenším ve dvou rozdílných bodech po délce izolovaného vodiče, přičemž elektrické spojení mezi dvěma, za sebou následujícími body připojenými k nulovému elektrickému potencionálu je přerušeno ¢20), a že v každém z řečených přerušení ¢20) vytvořeném ve druhé polovodivé vrstvě jsou umístěny prostředky vrstev ¢24,26), jež omezují nárůst intenzity elektrického pole u řečených přerušení ¢20).
2. Izolovaný vodič ¢30) pro vysokonapětové vinutí v točivých elektrických strojích . vyznačující se tím , že obsahuje jeden nebo více pramenů ¢12), vnitřní, první polovodivou vrstvu ¢14), která obklopuje prameny C12), první izolující vrstvu ¢16), která obklopuje vnitřní, první polovodivou vrstvu ¢14), a vnější, druhou polovodivou vrstvu ¢18), která obklopuje první izolující vrstvu ¢16), kdy druhá polovodivá vrstva ¢18) je připojení! k nulovému elektrickému potencionálu přinejmenším ve dvou rozdílných bodech po délce izolovaného vodiče, přičemž elektrické spojení mezi dvěma, za sebou následujícími body připojenými k nulovému elektrickému potencionálu je přerušeno ¢20), a že v každém z řečených přerušení ¢20) vytvořeném ve druhé polovodivé vrstvě jsou umístěny prostředky vrstev ¢24,26), jež omezují nárůst intenzity elektrického pole u řečených přerušení ¢20).

0 · • 0

00 * ·

00 I ·

I 0 • * · ·
3. Izolovaný vodič (30) podle nároku 2, vyznačuj ίο í s e t í ni , že druhá polovodívá vrstva (18) je elektricky izolována od statoru ve štěrbině, která je ve statoru vytvořena, a že druhá polovodívá vrstva (18) má přinejmenším jedno přerušení a jeden bod připojený k nulovému elektrickému potencionálu v přečnívající oblasti každé statorové štěrbiny, jíž kabel prochází.
4. Izolovaný vodič (30) podle kteréhokoli z předcházejících nároků 1, 2 a 3, vyznačující se tím že elektrické spojení ve druhé polovodivé vrstvě (18) je přerušeno odstraněním části materiálu druhé polovodivé vrstvy (18) kolem obvodu izolovaného vodiče (30) až na první izolující vrstvu (16), takže přeučováním druhé polovodivé vrstvy (18) se vytvářejí drážky (20).
5. Izolovaný vodič (30) podle nároku 4, vyznačující se tím , že prostředky vrstev (24, 26) pro omezení nárůstu intenzity elektrického pole u přerušení (20) obsahují druhou izolující vrstvu (24) umisťovanou nad každou drážkou (20), kdy řečená vrstva (24) rovněž pokrývá část druhé polovodivé vrstvy (18) na obou stranách každé drážky (20), a že řečené prostředky vrstev (24,26) také obsahují třetí polovodivou vrstvu (26) umisťovanou u druhé izolující vrstvy (24), přičemž třetí polovodívá vrstva (26) pokrývá na jednom konci jeden okraj druhé izolující vrstvy (24) a je v elektrickém spojení s druhou polovodivou vrstvou (18) a na svém druhém konci nepokrývá druhý okraj druhé izolující vrstvy (24), avšak přesahuje nad část druhé polovodivé vrstvy (24), která se nachází pod druhou izolující vrstvou (24).
6. Izolovaný vodič (30) podle nároku 5, vyznačující se tím , že okraje drážky (20) vytvořené ve druhé polovodivé vrstvě (18) jsou sešikmeny tak, aby tyto drážky (20) měly menší šířku u první izolující vrstvy (16)

2A ·»«·
7. Izolovaný vodič ¢301 podle nároku 6, vyzná c u ] ί m , že u toho konce, který pokrývá jeden je třetí polovodivá c f s e t okraj druhé vrstva <261 vrstvou <181 izolující vrstvy ¢241, v mechanickém dotyku s druhou polovodívou a že na svém druhém konci není třetí polovodivá vrstva <261 v mechanickém dotyku nebo elektrickém spojení s druhou polovodívou vrstvou <1818. Izolovaný vodič <301 podle nároku 7, vyznačující se tím , že druhá izolující vrstva <181 je tvořena izolující EPDM páskou.
9. Izolovaný vodič <301 podle nároku 8 vyznacu □ tím , že třetí polovodivá vrstva <261 je tvořena polovodívou páskou na bázi pryže.
10. Elektrický stroj, vyznačující se tím že obsahuje izolovaný vodič <301 podle kteréhokoli z předcházejících patentových nároků 1 až 9.
11. Způsob úpravy izolovaného vodiče <301 pro vysokonapěťová vinutí v elektrických strojích, kdy řečený vodič <301 má jeden nebo více pramenů <121, vnitřní, první polovodívou vrstvu <141, která obklopuje prameny <121, první izolující vrstvu <161, která obklopuje vnitřní, první polovodívou vrstvu <141, a vnější, druhou polovodívou vrstvu <181, která obklopuje první izolující vrstvu <161, přičemž druhá polovodivá vrstva <181 se připojuje k nulovému elektrickému potencionálu přinejmenším ve dvou rozdílných bodech po délce izolovaného vodiče, vyznačující se tím , že obsahuje kroky vytváření přerušení <201 na elektrickém spojení ve druhé polovodivé vrstvě <181 mezi každou dvojicí bodů, jež se připojují k nulovému elektrickému potencionálu; a umisťování prostředků vrstev <24,261 na každé přerušení <201 ve druhé polovodivé vrstvě <181 za účelem omezování nárůstu intenzity elektrického pole u každého z řečených přerušení <201.
12. Způsob úpravy izolovaného vodiče ¢30) podle nároku 10, vyznačující se tím , že řečené přerušení ¢20) se vytváří udst.raňiiváním druhé polovodivé vrstvy (18) kolem obvodu izolovaného vodiče ¢30) až na první izolující vrstvu ¢16), takže vytvořené drážky ¢20) přerušují druhou polovodivou vrstvu ¢18).
13. Způsob úpravy izolovaného vodiče ¢30) podle nároku 12, vyznačující se tím , že krok umisťování řečených prostředků vrstev ¢24,26) obsahuje kroky ^:umisťování druhé izolující vrstvy ¢24) do každé drážky ¢20) tak, aby tato druhá izolující vrstva ¢24) pokrývala část druhé polovodivé vrstvy ¢18) na obou stranách každé drážky ¢20): a umisťování třetí polovodivé vrstvy ¢26) na druhou izolující vrstvu ¢24) tak, že tato třetí polovodivá vrstva ¢26) na jednom konci pokrývá jeden okraj druhé izolující vrstvy ¢24) a je v elektrickém spojení s druhou polovodivou vrstvou ¢18) a že na svém druhém konci nepokrývá druhý okraj druhé uzolující vrstvy ¢24), avšak přesahuje část druhé polovodivé vrstvy ¢18), která se nachází pod druhou izolující vrstvou ¢24).