CZ388198A3

CZ388198A3 - Stejnosměrný transformátor/reaktor

Info

Publication number: CZ388198A3
Application number: CZ983881A
Authority: CZ
Inventors: Mats Leijon; Udo Fromm; Albert Jaksts; Li Ming; Christian Sasse; Thorsten Schütte
Original assignee: Abb Ab
Priority date: 1996-05-29
Filing date: 1997-05-27
Publication date: 1999-03-17
Also published as: KR100382963B1; WO1997045907A2; OA11018A; JP2000511387A; AU718706B2; BR9709489A; CZ387998A3; BG63442B1; AU3052197A; IS4896A; AU731065B2; EE03461B1; SK164098A3; PE67998A1; PE73098A1; YU54498A; CO4600011A1; EE9800410A; CN1225753A; PL330216A1

Description

Oblast techniky

Vynález se týká stejnosměrného transformátoru/ reaktoru podle úvodní části nároku 1.

Stejnosměrné transformátory/reaktory mají jmenovitý výkon v rozsahu od několika stovek kVA do 1000 MVA a více a jmenovité napětí v rozsahu od 3-4 kV do hodnot velmi vysokých přenosových napětí, tj. až k hodnotám řádově l MV.

Dosavadní stav technikv

Za účelem vymezeni stejnosměrného transformátoru/ reaktoru podle vynálezu vůči stavu techniky je v následujícím textu učiněn popis konvenčního silového transformátoru.

Při popise konvenčního transformátoru jsou dělány odkazy na následující dobře známou odbornou literaturu:

The J & P Transformer Book, A Practical Technology of the Power Transformer, by A.C. Franklin and D.P. Franklin, published by Butteworths, edition 11, 1990

Co se týče vnitřní elektrické izolace vinutí, jsou činěny odkazy na následující odbornou literaturu:

Transformerboard, Die Verwendung von Transformerboard in Grossleistungstransformatoren, by H.P. Moser, published by H. Weidman AG, CH-8640 Rapperswil

Tato naposled uvedená publikace byla vydána předním výrobcem izolačních systémů firmou Weidman ze Švýcarska a patří mezi základní literaturu u každého výrobce transformátorů.

Z čistě obecného hlediska hlavním úkolem silového transformátoru je umožnit výměnu elektrické energie mezi dvěma nebo více elektrickými systémy obvykle s rozdílnými silový transformátor zahrnuje jádro, které bude v následujícím textu napstejnými frekvencemi.

Konvenční transformátorové nazýváno jádrem, přičemž toto jádro je často vytvořeno z vrstvených orientovaných železa. Jádro zahrnuje plechů, obvykle z křemíkového určitý počet sloupců vzájemně spojených jhy, přičemž tyto sloupce spolu tvoří jedno nebo více vinutí. Tento transformátor je obvykle nazýván jádrovým transformátorem. Kolem sloupců jádra je uspořádán určitý která jsou normálně nazývána primárním, řídicím vinutím. Pokud jde o silové transformátory, tyto vinutí jsou prakticky vždy soustředně uspořádány a distribuovány podél délky sloupců jádra. Jádro transformátoru obvykle má kruhové cívky a zúžené sloupce za účelem pokud možno nej lepšího využití oknového prostoru v transformátoru.

počet vinutí, sekundárním a

Kromě jádrového transformátoru existuje tzv. plášťový transformátor. Tento transformátor má obvykle obdélníkové cívky a sloupce jádra s obdélníkovým průřezem.

Konvenční silové transformátory s výkonem při spodní hranici výše uvedeného výkonového rozmezí mají někdy provedení se vzduchovým chlazením pro rozptýlení tepla vyvinutého v důsledku vlastních ztrát transformátoru. Za účelem zamezení kontaktu se silovým transformátorem a případného omezení externího magnetického pole transformátoru je tento transformátor často opatřen vnějším krytem s ventilačními otvory. Avšak většina konvenčních silových transformátorů je chlazena olejem. Jedním z důvodů použití oleje jako chladícího media je to, že olej má dodatečnou velmi důležitou funkci jako izolační médium. Olejem-chlazený a olejem izolovaný silový transformátor je tudíž obklopen vnější nádrží, na kterou, jak to bude zřejmé z níže uvedeného popisu, jsou kladeny velmi vysoké požadavky.

Transformátor často zahrnuje prostředky pro chlazení oleje vodou.

Následující Část popisu bude z převážné části věnována olejem-plněnému silovému transformátoru.

Vinutí transformátoru jsou tvořena jednou nebo více cívkami zapojenými do série, přičemž tyto cívky zahrnuji určitý počet sériové spojených závitů. Kromě toho cívky jsou opatřeny speciálním zařízením pro sepnutí mezi vývody cívek. V případě použití tohoto zařízení múze být přepnutí provedeno pomocí šroubových spojů nebo častěji pomocí speciálního přepínače, který působí v blízkosti nádrže. Jestliže je přepnutí realizováno u transformátoru pod napětím, přepínač je nazýván přepínačem odboček při zatíženi, zatímco v ostatních případech je nazýván přepínačem odboček bez zatížení.

Pokud jde o olejem-chlazené a olejem-izolované výkonové transformátory s výkonem v horní oblasti uvedeného výkonového rozmezí, přerušovací prvky přepínače odboček pod zatížením jsou umístěny ve speciálních olejem-naplněných nádobách s přímým spojením s transformátorovou nádrží. Funkce přerušovacích členů je čistě mechanická a je zajišťována motorem poháněným rotační hřídelí, přičemž tyto kontakty jsou uspořádány tak, aby byl dosažen rychlý pohyb během spínání v případě, že kontakt je otevřen, a pomalejší pohyb v případě, že kontakt má být uzavřen. Avšak samotné přepínače odboček pod zatížením jsou umístěny ve skutečné transformátorové nádrži. V průběhu provozu transformátoru dochází k hoření oblouku a jiskření. To vede k degradaci oleje v uvedených nádobách. Za účelem dosažení menšího počtu oblouků a tudíž rovněž nižší tvorby sazí na uvedených kontaktech a nižšího opotřebení těchto kontaktů přepínače odboček při zatížení obvykle působí na vysokonapěťové straně transformátoru. To je kvůli skutečnosti, že proudy, které mají být přepnuty jsou nižší na vysokonapěťové straně než, v případě, že přepínače ··· · odboček pod zatížením jsou zapojeny na nízkonapěťové sírane transformátoru. Poruchové statistiky konvenčních olejem-plněných silových transformátoru ukázaly, že tyto přepínače odboček pod zatížením jsou často těmi prvky transformátoru, které způsobují poruchy transformátorů.

U olejem-chlazených a olejem-izolovaných silových transformátorů s výkonem v horní oblasti uvedeného výkonového rozmezí, jak přepínače odboček pod napětím tak i jejích přerušovací členy jsou umístěny uvnitř nádrže. To znamená, že výše uvedené problémy spočívající v degradaci oleje v důsledku hoření oblouku během provozu transformátoru, apod., ovlivňují celý olejový systém.

Z hlediska přiloženého nebo indukovaného napětí může být obecně konstatováno, že napětí, které je stacionární ve vinutí, je distribuováno stejnou měrou na každý závit vinutí, tj. napětí na závitu je stejné na všech závitech.

Avšak z hlediska elektrického potenciálu je situace úplně odlišná. Jeden konec vinutí je obvykle spojen se zemí. Avšak to znamená, še se elektrický potenciál každého závitu zvyšuje prakticky od nuly v závitu, který je nejblíže k zemnímu potenciálu, až k potenciálu v závitech, které se nacházejí při ostatním konci vinutí, který odpovídá přiloženému napětí.

Tato distribuce potenciálu stanovuje konfiguraci izolačního systému, poněvadž je žádoucí mít dostatečnou izolaci jak mezi přilehlými závity vinutí tak i mezi každým závitem a zemí.

Závity v samostatné cívce jsou obvykle sloučeny do geometrické koherentní . jednotky fyzicky vymezené vůči ostatním cívkám. Vzdálénost mezi cívkami je rovněž určena dielektrickým namáhání, ke kterému dochází mezi cívkami. To tudíž znamená, že žádoucí, aby cívky byly vzájemně odsazeny o jistou danou izolační vzdálenost. Vzhledem k výše uvedenému je rovněž žádoucí, aby i ostatní elektricky vodivé prvky transformátoru, které se nacházejí uvnitř elektrického pole, byly od elektrického potenciálu, který se lokálně vyskytuje v cívkách, odsazeny o dostatečné izolační vzdálenosti.

Z výše uvedeného popisu je tudíž zřejmé, že, pokud jde o individuální cívky, napěťový rozdíl interně mezi fyzicky přilehlými vodičovými členy je relativně nízký, zatímco napěťový rozdíl externě vzhledem k ostatním kovovým předmětům, např. ostatním cívkám zahrnutým v transformátoru, může být relativně vysoký. Tento napěťový rozdíl je určen napětím indukovaným magnetickou indukci rovněž i kapacitně distribuovanými napětími, které mohou vzniknout na externích spojích transformátoru v důsledku přítomnosti vnějšího elektrického systému připojeného k transformátoru. Napětí, která mohou být externě přiložena k transformátoru, zahrnují vedle provozního napětí bleskové přepětí a spínací.přepětí,

V proudových vodičích cívek vznikají dodatečné ztráty v důsledku magnetického rozptylového pole kolem vodiče. Za účelem udržení těchto ztrát na pokud možno co nejnižši úrovni, zejména v případě silových transformátorů s výkonem v horním výkonovém rozmezi, tyto vodiče jsou rozděleny do množiny dílčích vodičů, které jsou Často nazývány prameny, přičemž tyto dílčí vodiče jsou zapojeny paralelně běhen provozu transformátoru. Tyto prameny musí být překříženy podle určitého vzoru, který zajišťuje, že indukované napětí v každém pramenu se stává pokud možno co nejvíce rovné indukovanému napětí v každém jiném pramenu, v důsledku čehož se rozdíl indukovaných napětí mezi dvěma prameny stává pokud možno do nejnižši pro interně cirkulující proudové složky za účelem udržení těchto složek při dostatečné úrovni z hlediska ztrát transformátoru.

V případě transformátorů spadajících do oblasti stavu techniky je hlavním cílem, aby transformátor měl pokud možno co největší počet vodičového materiálu uvnitř dané plochy vymezené tzv. transformátorovým oknem, jinými slovy řečeno, aby mel pokud možno co nejvyšší faktor plnění. Dostupný prostor v transformátoru je vyplněn vedle vodičového materiálu rovněž izolačním materiálem sdruženým s cívkami částečně interně mezi cívkami a částečně mezi cívkami a ostatními kovovými členy zahrnutými v magnetickém jádru.

Izolační systém uspořádaný částečně uvnitř cívky/vinutí a částečně mezi cívkami/vinutími a ostatními kovovými částmi je obvykle proveden v místě nejbližším k samostatnému vodičovému členu jako izolace na bázi celulózy a laku a vně tohoto vodiče jako pevná izolace na bázi celulózy a jako kapalná, případě rovněž plynná, izolace. V tomto případě vinutí s izolací a případnými výztužnými částmi představuje velký objem materiálu, který je vystaven vysoké intenzitě elektrického pole, které vzniká v činných částí transformátoru a kolem těchto částí. Za účelem stanovení dielektrického namáhání, ke kterému dochází v transformátoru, a dimenzování izolace s minimální rizikem pozdějšího proražení izolace jsou potřebné získat dostatečné znalosti o vlastnostech izolačních materiálů. Je rovněž důležité vytvořit takové prostředí obklopující izolaci, které by neměnilo nebo neomezovalo izolační vlastnosti této izolace.

v současné době převážně používané izolační systémy pro vysokonapětové silové transformátory zahrnují celulózový materiál jako pevná izolace a transformátorový olej jako kapalná izolace. Tento transformátorový olej je založen na tzv. minerálním oleji.

Transformátorový olej má dvojí funkci, poněvadž vedle izolační funkce aktivně přispívá k chlazení jádra, vinutí, apod., odvedením ztrátového tepla transformátoru. Systém olejového chlazení zahrnuje olejové čerpadlo, vnější chladící člen, dilatační spojku, apod..

Elektrické spojení mezi externími spoj i

• · transformátoru a bezprostředně připojenými cívkami/vinutími se nazývá průchodkou pro vodivé spojení skrze nádrž, která v případě olejem-naplněných silových transformátorů obklopuje skutečný transformátor. Tato průchodka je obvykle tvořena samostatnou komponentou připevněnou ke stěně nádrže, přičemž je provedena tak, aby splňovala izolační požadavky kladené jak na vnější část tak i vnitřní část nádrže a současně odolala proudové zátěži a rezultujícím proudovým silám.

Je nutné poznamenat, že stejné požadavky kladené na výše popsaný izolační systém, pokud jde o vinutí transformátoru, jsou rovněž uplatňované pro nutná spojení mezi cívkami, mezi průchodkami a cívkami a pro rozdílné typy přepínačů a průchodek jako takových.

Všechny kovové komponenty uvnitř silového transformátoru jsou obvykle spojené s daným zemním potenciálem s výjimkou proud-vodících vodičů. Tímto způsobem je vyloučeno riziko nežádoucího a obtížně regulovatelného nárůstu potenciálu v důsledku kapacitní napěčové distribuce mezi proudovými vedeními při vysokém potenciálu a zemí. Tento nežádoucí přírůstek potenciálu může způsobit částečné výboje, tzv. korónové výboje, které mohou být objeveny v průběhu běžných přejímacích testů srovnáním zvýšeného napětí a frekvence s jmenovitými hodnotami transformátoru. Tyto korónové výboje mohou způsobit poškození transformátoru během jeho provozu.

Individuální cívky v transformátoru musí být mechanicky dimenzovány takovým způsobem, aby odolaly napětím, ke kterým dochází v důsledku proudů generovaných v cívkách a proudových sil vyplývajících z těchto proudů během spojení nakrátko. Cívky jsou obvykle provedeny tak, aby síly působící v cívkách byly absorbovány uvnitř každé samostatné cívky, což zase znamená, še cívku nelze optimálně dimenzovat pro její normální funkci během normálního chodu.

Uvnitř úzkého napěúového a výkonového rozmezí olejem-plněných transformátorů jsou vinutí tvořena tzv. plochými vinutími. To znamená, že individuální výše uvedené vodiče jsou nahrazeny tenkými plechy. Silové transformátory se šroubovicovým vinutím jsou vyrobeny pro napětí až k 20 30 kV a pro výkony až k 20 - 30 MW.

Pro izolační systém silových transformátorů s výkony uvnitř horního výkonového rozmezí jsou žádoucí vedle relativně komplikovaného provedení rovněž speciální výrobní opatření, které vedou k nej lepšímu možnému využití vlastností izolačního systému. Za účelem dosažení žádoucí izolace izolační systém měl by mít nízký obsah vlhkosti, pevná část izolace měla by být dobře impregnována obklopujícím olejem a riziko zbylých plynových kapes v pevné části izolace musí být minimální. Za účelem zajištění výše uvedeného speciální sušení a impregnování je provedeno na kompletním jádru s vinutími před tím, než je toto jádro s vinutími vloženo do nádrže. Po tomto sušení a impregnování je transformátor umístěn do nádrže, která je nato utěsněna. Před naplněním olejem musí být z nádrže s ponořeným transformátorem odveden všechen vzduch. To je provedeno speciální podtlakovou technikou. Po provedení této operace je nádrž naplněna olejem.

Za účelem dosažení žádoucí životnosti transformátoru, apod., je nutné během uvedené podtlakové techniky dosáhnout téměř úplného vakua. To tudíž předpokládá, že nádrž, která obklopuje transformátor je dimenzována pro úplné vakuum, což způsobuje značnou spotřebu materiálu pro vyrobení této nádrže a výrazně dlouhou dobu výroby této nádrže.

V případě, že v olejem-naplněným silovým transformátoru dojde k elektrickým výbojům nebo že v libovolné části transformátoru dojde k lokálnímu značnému přírůstku teploty, potom se v oleji, který má dezintegrující účinky, rozloží plynné produkty vytvořené výše uvedenými jevy.

• fe

Transformátory jsou proto obvykle opatřeny monitorovacími zařízeními pro detekci plynu rozpuštěného v oleji.

Z důvodu velké hmotnosti nádrže naplněné olejem a zahrnující transformátor jsou nádrže s transformátory přepravovány bez oleje. Potom, co je transformátor instalován na místě použití tohoto transformátoru, je nutné z nádrže znovu odčerpat vzduch uvedenou podtlakovou technikou. Kromě toho je nutné tuto operaci opakovat vždy v rámci opravy nebo kontroly transformátoru.

Je zřetelné, že tyto procesy jsou velmi časově náročné a nákladné a tvoří značnou část celkové doby nutné pro výrobu a opravu transformátoru, přičemž po stejnou dobu je nutné zajistit náhradní zdroje.

Izolační transformátorech transformátoru.

materiál v tvoří velkou Je běžnou konvenčních silových část celkového objemu skutečností, že silový transformátor s výkonem v horní části uvedeného výkonového rozmezí vyžaduje řádově transformátorového oleje, vlastnosti jako motorová několik set kubických metrů

Tento olej, který má podobné nafta, je řídkou tekutinou a vykazuje relativně nízký bod vzplanutí. Je tudíž zřejmé, že olej spolu s celulózou představuje nezanedbatelné nebezpečí vzniku požáru v případě neúmyslného vývinu tepla v transformátoru způsobeného, např. interním přeskokem jiskry, a následného rozlití oleje do okolí.

Je rovněž očividné, že zejména v případě olejem-plněných transformátorů vyvstává velmi závažný problém spočívající v transportu těchto transformátorů. Tento transformátor s výkonem v horní části uvedeného výkonového rozmezí může obsahovat několik desítek kubických metrů oleje a může mít hmotnost až několik set tun. Kromě toho je nutné si uvědomit, že vnější provedení transformátoru musí být někdy uzpůsobeno obvyklým transportním profilům, to znamená, » «

že musí být uzpůsobeno daným podmínkám transportu transformátoru, např. průjezdu mosty, tunely, apod..

V následuj icím textu bude uveden krátký výčet znaků olejem-plněných silových transformátorů spadajících do oblasti stavu techniky, přičemž z tohoto výčtu budou zřejmé jak některá omezení pro tyto transformátory tak i problémy, ke kterým dochází v souvislosti s použitím těchto transformátorů.

Olejem-naplněný konvenční silový transformátor zahrnuje vnější nádrž, která obklopuje transformátor zahrnující transformátorové jádro s cívkami, olej pro izolaci a chlazení transformátoru, různá mechanická výztužná zařízení, apod.. Velké požadavky jsou kladeny na nádrž, poněvadž z této nádrže s uloženým transformátorem před jejím naplněním olejem musí být odčerpán vzduch podtlakovou technikou za účelem dosažení v podstatě úplného vakua. Výroba nádrže a její následné zkoušky jsou velmi rozsáhlé, přičemž velké externí rozměry nádrže rovněž obvykle způsobují značné transportní problémy;

obvykle zahrnuje systém tlakového chlazení olejem. Tento chladící systém zahrnuje olejové Čerpadlo, externí chladící člen, expanzní nádobu a dilatační spojku, apod.;

zahrnuje elektrické spojení mezi vnějšími vývody transformátoru a civkami/vinutími bezprostředně připojenými k těmto vývodům, přičemž toto spojení je tvořeno průchodkou připevněnou ke stěně nádrže. Tato průchodka je provedena tak, aby její izolace byla odolná vůči podmínkám převládajícím uvnitř a vně transformátoru,· zahrnuje cívky/vinutí, jejichž vodiče jsou rozděleny do množiny vodivých členů, pramenů, které musí být překříženy takovým způsobem, aby napětí indukované v každém pramenu bylo pokud možno co nejvíce shodné s napětími sousedních pramenů, a tudíž aby napětí indukované mezi sousedními prameny mělo minimální hodnotu;

zahrnuje izolační systém uspořádaný částečně uvnitř cívky/vinutí a částečně mezi cívkami/vinutími a ostatními kovovými částmi, přičemž tento systém v místě nalézající se nejblíže samostatnému vodiči je tvořen pevnou izolací z celulózy nebo izolací na bázi laku a v externí oblasti tohoto vodiče je tvořen pevnou izolací z celulózy a kapalnou, případně rovněž plynnou, izolací. Kromě toho je velmi důležité, aby tento izolační systém obsahoval velmi nízké množství vlhkosti;

zahrnuje přepínač odboček pod zatížením, který je integrován do transformátoru, obklopen olejem a obvykle připojen k vysoko-napěťovému vinutí za účelem napětové kontroly;

obsahuje olej, který může způsobit nezanedbatelné nebezpečí požáru ve spojení s vnitřními částečnými výboji, tzv. koronóvými výboji, jiskřením v přepínačích odboček pod zatížením a ostatními poruchovými spojeními;

zahrnuje obvykle monitorovací zařízení pro monitorování plynu rozpuštěného v oleji a vyvinutého v důsledku elektrických výbojů uvnitř oleje nebo lokálních přírůstků teploty, zahrnuje olej, který v případě poruchy nebo poškození transformátoru může uniknout do okolního prostředí a toto prostředí závažně znečistit.

U stejnosměrných transformátorů/reaktorů rovněž existuje dodatečný problém spočívající v tom, že elektrické pole je superpozicí střídavého pole a stejnosměrného pole. Magnetický tok jádrem může dále obsahovat stejnosměrnou složku vedoucí k poměrně velké konstrukci transformátoru/reaktoru.

• φ *«

Podstata vynálezu

Předmětem vynálezu je stejnosměrný transformátor/reaktor, který nemá výše uvedené nevýhody a u kterého všechen prostor vně stínění kabelu je v podstatě prostý potenciálu. Předmětem vynálezu je stejnosměrný transformátor/reaktor, definovaný v úvodní části nároku 1, s výhodnými znaky vymezenými ve význakové části uvedeného nároku.

Vinutí stejnosměrného transformátoru/reaktoru podle vynálezu zahrnuje alespoň jeden proud-vedoucí vodič, přičemž každé vinuti zahrnuje izolační systém, který na jedné straně zahrnuje alespoň dvě polovodičové vrstvy, přičemž každá z těchto vrstev vytváří v podstatě ekvipotenciální plochy, a na druhé straně zahrnuje pevnou izolaci uspořádanou mezi těmito vrstvami.

Velmi důležitá výhoda vynálezu definovaného nárokem 1 spočívá v použití speciálního vinutí, které umožňuje vytvořit stejnosměrný transformátor/reaktor s optimální tepelnou, elektrickou a mechanickou konstrukcí. To vede k prostorovému omezeni mezi vinutími s rozdílným stejnosměrným potenciálem, prostorovému omezení mezi vinutími se stejnosměrným potenciálem a jádrem a případné kompenzaci vzduchových mezer při 50/60 Hz kompenzací vinutí zatíženého kondenzátorera. To má za následek snížení velikosti, zejména reaktorů.

Stručný přehled obrázků

Vynález bude v následujícím odstavci přihlášky vynálezu popsán pomocí příkladných provedení, přičemž při tomto popise budou činěny odkazy na přiložené výkresy, na kterých:

obr. 1 zobrazuje části modifikovaném standardním kabelu, zahrnuté v proudovém • » • ·

obr. 2 zobrazuje přenosové zapojení, obr. 3 zobrazuje distribuci elektrického pole kolem vinutí v konvenčním transformátoru/reaktoru, obr. 4 zobrazuje stejnosměrný transformátor/reaktor podle vynálezu, obr. 5 zobrazuje reaktor s kompenzovanou vzduchovou mezerou podle vynálezu, obr. 6 zobrazuje prostorový pohled na další provedení stejnosměrného transformátoru zahrnujícího zlepšené uspořádání vzduchové mezery, a obr. 7 zobrazuje zapojení stejnosměrného transformátoru/reaktoru podle vynálezu do obvodu pro převod vysokého elektrického výkonu z jedné úrovně stejnosměrného napětí do druhé úrovně stejnosměrného napětí.

Příklady provedení vynálezu

Důležitým předpokladem výroby transformátoru/reaktoru podle popisu vynálezu je použití vodičového kabelu s vytlačenou elektrickou izolací jako vinutí transformátoru/ reaktoru, přičemž tento vodičový kabel zahrnuje polovodičovou vrstvu jak při vodiči tak i při plášti. Takový kabel je běžně dostupný jako standardní kabel použitý pro rozličné oblastí techniky zabývající se zpracováním elektrické energie. Jak to bylo uvedeno v odstavci týkajícím se podstaty vynálezu, zlepšené provedení tohoto standardního kabelu je použito pro vinutí. Za účelem lepšího pochopení vynálezu v následujícím textu bude učiněn krátký popis standardního kabelu. Vnitřní proud-vedoucí vodič zahrnuje množinu pramenů. Kolem těchto pramenů je uspořádán polovodičový vnitřní plášti. Kolem tohoto polovodičového vnitřního pláště se nachází izolační vrstva vytlačené izolace. Tato vytlačená izolace je tvořena, např.

fl fl • fl * « ·fl flfl izolací ze zesítěného polyethylenu nebo tzv. EP kaučuku. Uvedená izolační vrstva je obklopena vnější polovodičovou vrstvou, která je zase obepnuta kovovým stíněním nebo pláštěm kabelu. Uvedený kabel bude v dalším textu nazýván silovým kabelem.

Obr. 1 znázorňuje výhodné provedení zlepšeného kabelu. Kabel χ zahrnuje proud-vodící vodič X, který zahrnuje překřížené neizolované a izolované prameny. Rovněž je možné použít elektromechanicky překřížené vytlačené izolované prameny. Kolem uvedeného vodiče je uspořádána vnitřní polovodičová vrstva 3, která je zase obklopena vytlačenou izolační vrstvou 4. Tato vrstva je obepnuta vnější polovodičovou vrstvou 5. Kabel použitý jako vinutí ve výhodném provedení nemá žádné kovové stínění a žádný vnější plášt.

Obr. 2 zobrazuje přenosové zapojení transformátoru podle vynálezu. V tomto zapojení transformátor zahrnuje dva sériově zapojené fázově posunuté ventilové můstky 6., 2, přičemž ventily jsou tvořeny diodovými ventily.

Obr. 3 zobrazuje distribuci elektrického pole kolem vinutí v konvenčním stejnosměrném transformátoru/reaktoru. Jak je to zřejmé z tohoto obrázku, kolem jádra 9. je navinuto vinutí 2· Vztahová značka 10 označuje ekvipotenciální čáry distribuce elektrického pole konvenčního vinutí v případě, že spodní část vinutí má zemní potenciál. Konstrukce a uspořádání vinutí vzhledem k jádru jsou zejména stanoveny distribucí elektrického pole v oknu jádra.

Obr. 4 zobrazuje stejnosměrný transformátor/reaktor podle vynálezu. V provedení zobrazeném na obr. 4 je stejnosměrný transformátor/reaktor tvořen třífázovým transformátorem s vrstveným jádrem. Toto jádro zahrnuje, jak je to obvyklé, tři jádrové sloupky 20 , 22 a 24 a spojovací jha 26 a 28 . V zobrazeném provedení jak jádrové sloupky tak i

« · jha mají zúžené sekce. Stejnosměrný transformátor zahrnuje tři soustředné závity 3 0, 3 2 a 34 . Ne j vnitřně j ší závit 30 vinutí může představovat primární vinutí a dva další závity 32 a 34 mohou představovat sekundární vinutí. Stejnosměrný transformátor rovněž zahrnuje distanční tyče 3 6 a 38 s jistými odlišnými funkcemi. Tyto distanční tyče 36 a 3 8 mohou být vyrobeny z izolačního materiálu, a tudíž vytvářejí mezi soustřednými závity vinutí jistý prostor pro chlazení, vyztužení, apod. Je nutné upozornit, že u stejnosměrného transformátoru zobrazeného na obr. 4 na rozdíl od transformátoru zobrazeného na obr. 3 neexistují žádná elektrická pole vně kabelů vinutí.

Obr. 5 schématicky zobrazuje princip reaktoru stejnosměrných zařízeních s kompenzovanou vzduchovou mezerou podle vynálezu. Tento reaktor zahrnuje magnetické jádro 60 a vinutí 62 zahrnující kabel podle obr. 1. Reaktor rovněž zahrnuje vzduchovou mezeru 64 v jádře 6 0 . Vzduchovou mezerou se v této souvislosti rozumí libovolným způsobem dosažená oblast se sníženou permitivitou v magnetickém hlavním toku. Reaktor rovněž zahrnuje kompenzační vinutí 66, které je kapacitně zatíženo kondenzátorem 68.

Dalším způsob dosažení uvedené oblasti se sníženou permitivitou v magnetickém hlavním toku spočívá v omezeni délky vzduchové mezery, např. rozdělením vzduchové mezery do řady menších vzduchových mezer za účelem omezení radiální složky magnetického toku. Ještě další způsob dosazení uvedené oblasti se sníženou permitivitou spočívá v použití jiného materiálu než vzduch, přičemž tento materiál má relativní permeabilitu μ_ζ, která vyhovuje nerovnici 1 < μ_Γ ^μ^ΓοObr. 6 zobrazuje třírozměrný pohled na další provedení stejnosměrného transformátoru zahrnující zlepšené uspořádání vzduchové mezery. Na tomto obrázku je zobrazeno magnetické jádro s ortogonální nebo radiální vzduchovou mezerou pro nízký akustický šum. Toto třísloupkové magnetické

jádro zahrnuje v podstatě obdélníkový jednodílný vnější člen 3 0 mající protilehlé boční části 3 Os a koncové části 3 Oe, a válcovitý středový člen 31, který nepřetržitě probíhá v podélném směru. V uvedených dvou protilehlých koncových částech 3Oe vnějšího členu 30 jsou obrobeny dva vyrovnané kruhové otvory 32 nebo případně uvedený vnější člen 30 je vylisován do tohoto tvaru s kruhovými otvory. Opačné konce válcovitého středového členu 31 vybíhají do příslušných vzájemně vyrovnaných otvorů 3 2 , čímž je při obou těchto koncích definována radiální magnetická vzduchová mezera s konstantní předem stanovenou délkou, přičemž tato vzduchová mezera je dále obvodově kontinuální a nepřerušena. Do prostoru uvedené magnetické vzduchové mezery mezi každou koncovou část 3 Oe a příslušný konec středového členu 31 je vložen nemagnetický distanční člen 3 3 za účelem zachování radiální vzduchové mezery a nesení středového členu. Sestava vinutí navinutá přímo na středovém členu nebo na ozubené přestupné cívce je umístěna kolem středového členu v oknové oblasti 35 nalézající se mezi vnějším členem 30 a středovým členem 31. V případě, že je to žádoucí, distanční člen při jednom konci může být vyloučen, a tudíž při tomto konci může být vytvořena nulová vzduchová mezera.

Obr. 7 zobrazuje obvodové schéma integrované sestavy pro transformaci vysokého elektrického výkonu z jedné úrovně stejnosměrného napětí na druhou úroveň stejnosměrného napětí.

V této sestavě je použit silový transformátor pro přímou transformaci vysokého elektrického výkonu z jedné úrovně stejnosměrného napětí na jinou úroveň stejnosměrného napětí, přičemž tato sestava nezahrnuje mezilehlý obvod pro střídavé napětí. Uvedené stejnosměrné napětí je v současné době v podstatě používáno pro přenos vysokého elektrického výkonu na dlouhé vzdálenosti. Stejnosměrná napětí pro uvedený přenos mají hodnoty řádově několik stovek kV. Tento stejnosměrný silový transformátor umožňuje použít několik • fc

• fc fc úrovní stejnosměrného napětí pro uvedený přenos spojením stejnosměrných sítí s rozdílnými napětími. Princip této sestavy spočívá v tom, že ventilová vinutí 4 3,45 z jednoho nebo několika převáděcích transformátorů 4 7 je spojeno se dvěma ventilovými můstky, která generují opačné cyklicky proměnné magnetické toky v transformátorových jádrech 44. Jeden z těchto můstků působí jako střídač 42 a druhý jako usměrňovač 4 6 , přičemž tímto způsobem je výkon transformován z jedné úrovně U_dl stejnosměrného napětí na druhou úroveň U_d-. Při vysokých napěťových úrovní rozptylové indukčnosti v konvenčních transformátorech jsou vysoké v důsledku velkých izolačních vzdáleností, a proto musí být za účelem výměny magnetické energie z jedné fáze transformátoru na druhou fázi, aniž by došlo k vytvoření velkých ztrát, učiněna speciální opatření.

Stejnosměrný transformátor podle vynálezu může být proveden, tak, že má velmi nízké rozptylové indukčnosti.

Stejnosměrný transformátor/reaktor podle vynálezu může být tvořen, např. transformátorem/reaktorem typu HVDC nebo MVDC.

Vynález není omezen výše popsanými provedeními. Pro odborníka v daném oboru je zřejmé, že existuje mnoho rozličných modifikací, které spadají do rozsahu vynálezu definovaného následujícími patentovými nároky.

' -ř β' · ·· Β » Β , * > · ... ·· ·»

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Stejnosměrný transformátor/reaktor zahrnující magnetický obvod, který zahrnuje magnetické jádro a alespoň jedno vinutí, vyznačený tim, že uvedené vinutí zahrnuje alespoň jeden proud-vodící vodič a každé vinutí zahrnuje izolační systém, který zahrnuje na jedné straně alespoň dvě polovodičové vrstvy, z nichž každá tvoří v podstatě ekvipotenciální plochy, a na druhé straně pevnou izolaci uspořádanou mezi uvedenými polovodičovými vrstvami.
2. Stejnosměrný transformátor/reaktor podle nároku 1, vyznačený tím, že alespoň jedna z uvedených polovodičových vrstev má hlavní tepelný koeficient roztažnosti rovný hlavnímu tepelnému koeficientu uvedené pevné izolace.
3. Stejnosměrný transformátor/reaktor podle nároku 2, vyznačený tim, že potenciál vnitřní vrstvy z uvedených vrstev je v podstatě rovný potenciálu vodiče.
4. Stejnosměrný nebo 3 , vyzná uvedených vrstev transformátor/reaktor podle čený t í m, Se vnější je uspořádána tak, že nároku 2 vrstva z vytváří ekvipotenciální plochy obklopující vodič.
5. Stejnosměrný transformátor/reaktor podle nároku 4, vyznačený tím, že uvedená vnější vrstva je spojena se specifickým potenciálem.

44

4· 4 4 * · «

4* • 4 4

4*4 ·4 φ 4 · · ·· • · · ·· · • · ^# * * • 44 ···· ·· ··
6. Stejnosměrný transformátor/reaktor podle nároku 5, vyznačený tím, že uvedeným specifickým potenciálem je zemní potenciál.
7. Stejnosměrný transformátor/reaktor podle některého z nároku 1,2,3,4,5 nebo 6, vyznačený tím, že alespoň dvě z uvedených vrstev mají v podstatě shodné tepelné koeficienty roztažnosti.
8. Stejnosměrný transformátor/reaktor podle některého z předcházejících nároků, vyznačený tím, že proud-vodící vodič zahrnuje množinu pramenů, přičemž pouze menšina pramenů je vzájemně neizolována.
9. Stejnosměrný transformátor/reaktor podle některého z předcházejících nároků, vyznačený tím, že každá z uvedených dvou vrstev a uvedená pevná izolace je pevně spojena s přilehlou vrstvou nebo pevnou izolací podél v podstatě celého kontaktního povrchu.
10. Stejnosměrný transformátor/reaktor zahrnující magnetický obvod, který zahrnuje magnetické jádro a alespoň jedno vinutí, vyznačený tím, že vinuti zahrnuje kabel (1) zahrnující alespoň jeden proud-vodící vodič (2) , přičemž každý vodič (2} zahrnuje množinu pramenů, přičemž kolem uvedeného vodiče (2) je uspořádána vnitřní polovodičová vrstva (3), kolem které je uspořádána izolační vrstva (4) z pevné izolace, přičemž kolem uvedené izolační vrstvy (4) je uspořádána vnější polovodičová vrstva (5).

m-ffí ··· 3 3 ·· 9
11. Stejnosměrný transformátor/reaktor podle nároku 10, vyznačený tím, že uvedený kabel rovněž zahrnuje kovové stínění a plášt.
12. Stejnosměrný transformátor/reaktor podle nároku 11, vyznačený tím, že kabel má průměr přibližně v rozmezí 20 až 250 mm a vodič má průřez přibližně v rozmezí 80 až 3 00 0 mm².
13. Stejnosměrný transformátor/reaktor podle některého z nároků 1 až 12, vyznačený tím, že vinutí s rozdílným potenciálem jsou navinuta tak, že jsou v přímém vzájemném kontaktu.
14. Stejnosměrný transformátor/reaktor podle některého z nároků 1 až 13, vyznačený tím, že vinutí se stejnosměrným potenciálem vůči jádru je navinuto přímo na jádro nebo velmi blízko k tomuto jádru.
15. Stejnosměrný transformátor/reaktor podle některého z nároků 1 až 14, vyznačený tím, že magnetické obvody pro stejnosměrnou magnetizaci zahrnují alespoň jednu oblast se sníženou permitivitou v magnetickém hlavním toku.
16. Stejnosměrný transformátor/reaktor podle nároku 15, vyznačený tím, že oblast se sníženou permitivitou je tvořena vzduchovou mezerou uspořádanou v uvedeném jádře.
17, Stejnosměrný transformátor/reaktor podle nároku 15, vyznačený tím, že oblast se sníženou permitivitou

je tvořena řadami malých vzduchových mezer uspořádaných v uvedeném jádru.
18. Stejnosměrný transformátor/reaktor podle nároku 15, vyznačený tím, že oblast se sníženou permitivitou je tvořena mezerou provedenou v uvedeném jádře, přičemž tato mezera je vyplněna materiálem s relativní permeabilitou μ,, která vyhovuje nerovnici 1 < μ, < μ_:ΜΓ0.
19. Stejnosměrný transformátor/reaktor podle některého z nároků 15 až 18, v y z n a č e n ý t í m, že uvedené jádro zahrnuje v podstatě obdélníkový vnější člen, který má protilehlé boční části a propojující koncové části, a válcovitý středový člen, který je nepřetržitý v podélném směru, přičemž uvedené koncové částí jádra mají dvojici vyrovnaných kruhových otvorů probíhajících úplně těmito koncovými částmi, přičemž do těchto kruhových otvorů vybíhají opačné konce uvedeného válcovitého středového členu pro vymezení radiální magnetické vzduchové mezery pro regulaci permeability uvedeného jádra mezi alespoň jednou koncovou části a příslušným koncem uvedeného středového členu, přičemž tato vzduchová mezera má konstantní předem stanovenou délku.
20. Stejnosměrný transformátor/reaktor podle některého z nároků 16, 17 nebo 19, vyznačený tím, že každá vzduchová mezera je kompenzována kapacitně zatíženým kompenzačním vinutím.
21. Stejnosměrný transformátor/reaktor podle některého z nároků 1 až 20, vyznačený tím, že uvedený transformátor/reaktor rovněž zahrnuje kryt zahrnující alespoň «

fl · • flfl flflfl* ·· flflflfl '^J • flfl fl fl • · · flfl flfl tyristorový ventil.
22. Stejnosměrný transformátor/reaktor podle nároku. 21, vyznačený tím, že všechny uvedené tyristorové ventily jsou integrovaného typu.
23. Stejnosměrný transformátor/reaktor zahrnující magnetický obvod, který zahrnuje magnetické jádro a alespoň jedno vinutí, vyznačený tím, že vinutí zahrnuje alespoň jeden proud-vedoucí vodič a izolační systém, který zahrnuje alespoň dvě polovodičové vrstvy, z nichž každá vytváří v podstatě ekvipotenciální plochy, přičemž izolační systém, pokud jde o jeho tepelné a elektrické vlastnosti, umožňuje v uvedeném stejnosměrném transformátoru/reaktoru použít napěťové úrovně překračující 36 kV.
24. Integrovaná stanice s antiparalelním zapojením, vyznačená tím, že zahrnuje dva transformátory/skupiny stejnosměrných transformátorů podle některého z nároků 1 až 23 .
25. Integrovaná sestava pro transformaci vysokého elektrického výkonu z jedné úrovně stejnosměrného napětí na druhou úroveň stejnosměrného napětí, vyznačená tím, že zahrnuje stejnosměrný transformátor podle některého z nároků 1 až 23, přičemž tento stejnosměrný transformátor zahrnuje první ventilová vinutí a druhá ventilová vinutí, přičemž první ventilová vinutí jsou spojena s prvním ventilovým můstkem a druhá ventilová vinutí jsou spojena s druhým ventilovým můstkem, přičemž první ventilový můstek působí jako střídač a druhý ventilový můstek působí jako • · * · ·· · ··*♦ • » a · • · ·· ··· · · »· · • fc ·· usměrňovač.

25. Integrovaná sestava podle nároku 25, vyznače n á t í m, že uvedený prvý ventilový můstek zahrnuje alespoň jeden šesti - impulsní střídačový můstek, který zahrnuje množinu tyristorů s vlastní komutací a množinu diod, z nichž každá je antiparalelně spojena s tyristorem s vlastní komutací, přičemž uvedený druhý ventilový můstek zahrnuje šesti-impulsní usměrňovačový můstek, který zahrnuje množinu diodových ventilů.
27. Stejnosměrný transformátor/reaktor podle nároku 13 nebo 14, vyznačený tím, že kabel je speciálně uzpůsoben pro smíšené napětí.
28. Reaktor pro stejnosměrné zařízení podle nároku 20, vyznačený tím, že uvedené kompenzační vinutí je zatíženo proměnlivou kapacitou tak, aby toto vinutí bylo schopno měnit indukčnost reaktoru.
29. Stejnosměrný transformátor/reaktor podle některého z nároků 10 až 22, 27, vyznačený tím, že uvedená vnější polovodičová vrstva (5) je rozdělena na množinu částí, z nichž každá je spojena se zemním potenciálem.
30. Stejnosměrný transformátor/reaktor podle některého z nároků 1-22, 27 a 28, vyznačený tím, že rovněž zahrnuje alespoň jeden senzor pro monitorování a diagnostiku.

Zastupuj e:

• · ♦ ·

Ι·Μ ·· *·