CZ388298A3

CZ388298A3 - Rotační elektrický stroj pro vysoké napětí s magnetickým obvodem a způsob jeho výroby

Info

Publication number: CZ388298A3
Application number: CZ983882A
Authority: CZ
Inventors: Mats Leijon
Original assignee: Abb Ab
Priority date: 1996-05-29
Filing date: 1997-05-27
Publication date: 1999-02-17
Also published as: ZA974718B; TW360603B; DE69725306T2; EA199801053A1; AU718766B2; CN1220051A; CN1219911A; EP0901703A1; ZA974724B; WO1997045288A3; ID19708A; IL126943A0; TR199802473T2; PL330200A1; ATE251358T1; AU718708B2; PL330289A1; BR9709474A; CO4650250A1; AR007333A1

Description

Oblast techniky

Vynález se týká rotačního elektrického stroje zahrnujícího magnetický obvod s magnetickým jádrem a vinutím. Tento elektrický stroj je tvořen synchronním strojem, který je zejména používán jako generátor pro připojení k distribuční síti a přenosové síti, které jsou v dalším textu této přihlášky společně nazývány jako energetická síú. Tento synchronní stroj je rovněž používán jako motor nebo pro kompenzaci fáze a regulaci napětí v případě, že tento stroj pracuje mechanicky naprázdno. Oblast techniky, do které spadá vynález, zahrnuje rovněž stroje s dvojitým napájením, asynchronní stroje, asynchronní kaskádové konvertory, stroje s vnějším polem a synchronní proudové stroje.

Výše uvedený magnetický obvod zahrnuje magnetické jádro z vrstvených, normálních nebo orientovaných, tenkých desek nebo magnetické jádro z např. amorfního materiálu nebo materiálu na bázi prášku nebo jiné magnetické jádro, jehož konstrukční uspořádání a materiálové složení je takové, že umožňuje vznik střídavého toku, vinutí, chladící systém, apod., přičemž tento magnetický obvod může být uspořádán bud' ve statoru nebo rotoru stroje nebo jak ve statoru tak i rotoru stroje.

Vynález se rovněž týká způsobu výroby magnetického obvodu pro rotační elektrický stroj.

Dosavadní stav techniky

Na příkladu synchronního stroje bude v následujícím textu vysvětlen a popsán dotyčný rotační elektrický stroj.

·· ····

Nejdříve bude popsán magnetický obvod tohoto stroje a jeho konvenční konstrukce. Poněvadž tento magnetický obvod je nej častěji umístěn ve statoru stroje, magnetický obvod bude v následujícím textu nazýván statorem s vrstveným jádrem, vinutí bude nazýváno statorovým vinutím a drážky ve vrstveném jádru pro vinutí budou nazývány statorovými drážkami nebo prostě drážkami.

Synchronní stroje mají obvykle budící vinutí v rotoru, ve kterém je hlavní magnetický tok generován stejnosměrným proudem, a střídavé vinutí ve statoru. Synchronní stroje mají obvykle třífázové provedení. V některých případech jsou synchronní stroje provedeny s vyniklými póly. Tyto stroje mají střídavé vinutí umístěné v rotoru.

Těleso statoru u velkých synchronních strojů je často vyrobeno z ocelových plechů vzájemně svařených. Vrstvené jádro je obvykle vyrobeno z lakovaných elektricky vodivých plechů o tloušťce 0,35 nebo 0,5 mm. V případě rozměrnějších strojů je plech proražen do segmentů, které jsou připevněny k tělesu statoru pomocí klínů/rybinových drážek. Vrstvené jádro je uchyceno přítlačnými prsty a přítlačnými deskami.

Pro chlazení vinutí synchronního stroje jsou k dispozici tři rozdílné chladící systémy.

V případě chlazení vinutí vzduchem jak statorové vinutí tak i rotorové vinutí jsou chlazena proudem vzduchu vedeným skrze uvedená vinutí. K tomuto účelu jsou jak ve statorových plechách tak i v rotoru vytvořeny chladící vzduchové kanálky. Pro radiální ventilaci a chlazení vzduchem je jádro ze železných plechů alespoň v případě středně velikých a velikých strojů rozděleno do svazků s radiálními a axiálními kanálky uspořádanými uvnitř jádra. Chladící vzduch může být tvořen okolním vzduchem za podmínky, že výkon stroje nepřekračuje 1 MW, přičemž může být použit uzavřený chladící ·· ·«· ·· ·· · · <

> · ·· systém s tepelnými výměníky.

Vodíkové chlazení je obvykle používáno u turbogenerátoru o výkonu až 400 MW a u velkých synchronních kondenzátorú. Způsob chlazení probíhá stejně jako při vzduchovém chlazení s tepelnými výměníky s tím rozdílem, že vzduch působící jako chladivo je nahrazen vodíkovým plynem. Vodíkový plyn má vyšší chladící kapacitu než vzduch, avšak dochází k problémům spočívajícím v obtížném utěsnění chladícího systému a monitorování úniku vodíkového plynu. V případě turbogenerátorů o výkonech v rozmezí od 500 do 1000 MW jsou známé způsoby chlazení vodou jak statorového vinutí tak i rotorového vinutí. Chladící kanály jsou tvořeny potrubími, které jsou uspořádány uvnitř vodičů ve statorovém vinutí.

V souvislosti s chlazením velkých strojů vyvstává problém spočívající v nerovnoměrném chlazení, které způsobuje vznik teplotních rozdílů uvnitř stroje.

Statorové vinutí je uloženo v drážkách vytvořených v jádře z kovových plechu, přičemž tyto drážky obvykle mají obdélníkový nebo lichoběžníkový průřez. Každé vinutí fáze zahrnuje množinu cívkových skupin zapojených do série, přičemž každá cívková skupina zahrnuje množinu cívek zapojených do série. Část cívky, která se nalézá ve statoru, je pojmenována jako strana cívky, a část cívky, která se nachází vně statoru, je pojmenována jako čelo cívky. Cívka zahrnuje jeden nebo více vodičů seskupených do výšky a/nebo šířky cívky.

Mezi každým vodičem a k němu přilehlým vodičem existuje tenká izolace tvořená, např. z epoxidových/ skleněných vláken.

Uvedená civka je izolována od drážky pomocí cívkové izolace, tj. izolace, která snese jmenovité napětí stroje vůči zemnímu potenciálu. Jako izolační materiál mohou být ·· ···· ·· ·· • · · • * ·· ··· · <

• · <

·· »»

použity různé plastické, lakované materiály nebo materiály ze skleněných vláken. Pro tento účel jsou obvykle rovněž používány tzv. slídové pásky, které jsou tvořeny směsí slídy a tvrdé plastické hmoty, přičemž tyto slídové pásky poskytují zejména ochranu před částečnými výboji, které mohou rychle porušit dotyčnou izolaci. Izolace je aplikována na cívku navinutím slídových pásků kolem cívky v několika vrstvách. Tato izolace je impregnována a nato je strana cívky natřena barvou na bázi grafitu, což zlepšuje kontakt s obklopujícím statorem, který je spojen se zemním potenciálem.

Vodičová plocha vinutí je určena požadovanou intenzitou proudu a metodou použitého chlazení. Za účelem maximalizování vodičového materiálu v drážce jsou vodič a cívka obvykle tvarovány do obdélníkového tvaru. Typická cívka je tvořena tzv. Roebelovými tyčeni, z nichž některé mohou mít duté provedení pro vedení chladivá, Roebelova tyč zahrnuje množinu obdélníkových, měděných vodičů zapojených paralelně, přičemž se tyto vodiče kříží po 360° podél drážky. Je možné rovněž použít Ringlandovi tyče s křížením 540° a další typy křížení. Toto křížení je provedeno za účelem zamezení výskytu cirkulačních proudu, které jsou generovány v průřezu vodičového materiálu (uvažováno při pohledu od magnetického pole).

Z mechanických a elektrických důvodů elektrický stroj nemůže mít libovolnou velikost. Výkon stroje je určen v podstatě třemi faktory:

vodičovou plochou vinutí, která má za běžné provozní teploty, např. u měděných vodičů, maximální hodnotu 3 až 3,5 A/mm², maximální hustotou toku (magnetickým tokem) ve statorovém a rotorovém materiálu, a maximální intenzitou elektrického pole materiálu, tzv. dielektrickou pevností.

v izolačním • * · 0 · ·

00 0 «

0 4 «0 0 0

Vícefázové střídavá vinutí jsou provedeny bud' jako jednovrstvé nebo dvouvrstvé. V případě jednovrstvých vinutí připadá na jednu drážku pouze jedna strana cívky a v případě dvouvrstvých vinutí připadají dvě strany na jednu drážku. Dvouvrstvá vinutí jsou obvykle provedena jako vinutí se stejnými cívkami, zatímco jednovrstvá vinutí, která jsou v této souvislosti relevantní, mohou být provedeny jako vinutí se stejnými cívkami nebo jako soustředné vinutí. V případě vinutí se stejnými cívkami se vyskytuje pouze jeden cívkový krok (nebo případně dva cívkové kroky), zatímco plochá vinutí jsou provedena jako soustředná vinutí, tj . vinutí se značně proměnným cívkovým krokem. Cívkovým krokem je myšlena vzdálenost v obloukové míře mezi dvěma cívkovými stranami náležícími ke stejné cívce v relaci k relevantní pólové roztečí nebo počtu mezilehlých drážkových roztečí. Obvykle jsou používány různé varianty vinutí s prodlouženým nebo zkráceným krokem za účelem získání vinutí s požadovanými vlastnostmi.

Z typu vinutí je v podstatě zřejmý způsob vzájemného spojení cívek v drážkách, tj . stran cívek, vně statoru, tj . při koncích vinutí.

Vně navršených plechů statoru cívka není opatřena nabarvenou polovodičovou vrstvou se zemním potenciálem. Konec vinutí je obvykle opatřen prostředkem pro regulaci elektrického pole tvořeným tzv. lakem pro ochranu před koronovým jevem, přičemž tento prostředek je určen k přeměně radiálního pole na axiální pole, což znamená, že k izolování konců vinutí dochází při vysokém potenciálu vůči zemi. Tento vysoký potenciál v některých případech způsobuje v oblasti konce cívky koronový jev, který může mít destruktivní charakter. Tzv. pole-regulující body při koncích vinutí přinášejí problémy pro rotační elektrické stroje.

Všechny velké stroje jsou běžně provedeny v konfiguraci s dvouvrstvým vinutím a stejnou velikostí cívek.

4>

Jedna strana každé cívky je umístěna v jedné z vrstev a druhá strana této cívky je umístěna v druhé z vrstev. To znamená, že se všechny cívky vzájemně kříží v koncích vinutí. V případě, že je použito více než dvou vrstev, potom křížení dělá navíjení vinutí obtížným a způsobuje zhoršení kvality konce vinutí.

Je všeobecně známé, že připojení synchronního stroje/generátoru k energetické síti musí být provedeno přes E/D-zapojený tzv. zvyšující transformátor, poněvadž napětí energetické sítě obvykle leží při vyšší úrovni než napětí rotačního elektrického stroje. Tento transformátor tudíž společně se synchronním strojem tvoří celistvou jednotku elektrárny. Uvedený transformátor vyvolává dodatečné náklady a má rovněž nevýhodu, která spočívá ve snížení celkové účinnosti systému. V případě, že by bylo možné vyrobit stroje pro výrazně vyšší napětí, potom by uvedený zvyšovací transformátor mohl být vynechán.

V posledních několika desetiletích se objevily požadavky na zvýšení napětí rotačních elektrických strojů. Maximální napětí, které mohlo být podle dosavadního stavu techniky dosaženo pro synchronní stroje s dobrou výtěžností v cívkové produkci, je napětí kolem 25-30 kv.

Některá řešení týkající se nových konstrukcí synchronních strojů jsou, mimo jiné, popsány v článku s titulem Vodou a olejem chlazené turbogenerátory TVM 300 v publikaci J. Elektrotechnika, č. 1, 1970, str. 6-8, v patentu US 4,429,244 pod názvem Stator generátoru a v ruském patentu č. 955369.

Vodou a olejem chlazený synchronní stroj popsaný ve výše uvedené publikaci J. Elektrotechnika je určen pro napětí až k 20 kV. Článek popisuje nový izolační systém zahrnující olejovou/papírovou izolaci, která umožňuje ponořit stator úplně do oleje. Olej muže být potom použit jako chladivo a

0 0 0

současně jako izolant. Za účelem zamezení úniku oleje ze statoru ven do rotoru uvedený stroj zahrnuje dielektrický olej-separující prstenec uspořádaný na vnitřním povrchu jádra. Statorové vinutí je zhotoveno z oválných dutých vodičů opatřených olejovou a papírovou izolací. Strany cívek s jejich izolacemi jsou zajištěny ve drážkách o obdélníkovém průřezu pomocí klínů. Olej je použit jako chladivo jak v dutých vodičích tak i otvorech ve statorových stěnách. Avšak tento chladící systém má za následek velký počet spojení jak olejového vedení tak i elektrického vedení v koncích cívek. Kromě toho silná izolace způsobuje zvýšený poloměr zakřivení vodičů, což zase vede ke zvýšené velikosti přesahu vinutí.

Výše uvedený US patent popisuje statorovou část synchronního stroje, který zahrnuje magnetické jádro z navrstvených plechů s lichoběžníkovými drážkami pro statorové vinutí. Tyto drážky jsou zúženy, poněvadž potřeba izolace statorového vinutí se zmenšuje směrem k rotoru, přičemž v části vinutí, která je nejblíže k rotoru, se nalézá neutrální bod. Mimoto statorová část zahrnuje dielektrický olej-oddělující válec uspořádaný nejblíže k vnitřnímu povrchu jádra. Tato část může zlepšit magnetízační podmínky vzhledem ke stroji bez uvedeného prstence. Statorové vinutí je vytvořeno z kabelů ponořených do oleje, přičemž každá cívková vrstva má stejný průměr. Cívkové vrstvy jsou vzájemně odděleny pomocí distančních prvků ve drážkách a zajištěny klíny proti posunutí. Zvláštním znakem tohoto vinutí je to, že zahrnuje tzv. poloviční vinutí zapojené do série. Jedno z polovičních vinutí je umístěno a vystředěno uvnitř izolační objímky. Vodiče statorového vinutí jsou chlazeny obklopujícím olejem. Nevýhodou systému s velkým množstvím olejem je riziko úniku tohoto oleje do okolního prostředí a obtížného odstraňování následků tohoto úniku. Části izolační objímky, které jsou uspořádány vně drážek, mají válcovitou část a kónické zakončení zesílené vrstvami pro vedení proudu. Účelem tohoto opatření je regulování intenzity elektrického pole v oblasti, ve které je kabel ukončen koncem vinutí.

Patent SSSR č. 955369 popisuje další řešení vedoucí ke zvýšení jmenovitého napětí synchronního stroje, jehož olejem-chlazené statorové vinutí, zahrnuje konvenční vysokonapěťový kabel se stejnými rozměry pro všechny vrstvy. Tento kabel je umístěn ve statorových drážkách tvořené kruhovými, radiálně uspořádanými otvory odpovídajícími průřezu kabelu a žádoucímu prostoru pro upevnění tohoto kabele a pro proudění chladivá. Rozdílné radiálně uspořádané vrstvy vinutí jsou obklopeny izolačními trubicemi a upevněny těmito izolačními trubicemi. Tyto trubice jsou upevněny v statorové drážce pomocí izolačních distančních členů. Kvůli chlazení pomocí oleje stator rovněž zahrnuje vnitřní dielektrický prstenec pro utěsnění prostoru s olejovým chladivém vůči vnitřní vzduchové mezeře. Nevýhodou výše uvedeného systému s olejovým chlazení je rovněž jeho konfigurace, která se vyznačuje velmi úzkými pásy mezi rozdílnými statorovými drážkami, což způsobuje velké rozptylové toky v drážkách, magnetizaČní podmínky stroje.

které negativně ovlivňují

Zpráva výzkumného ústavu pro EL-3391, z roku 1984 popisuje vysokonapěťových rotačních elektrických strojů, které mohou být připojeny k energetické síti, aniž by bylo nutné použít transformátoru. K vývoji těchto strojů vedla snaha dosáhnout vyšší účinnost u těchto strojů, a tudíž lepší ekonomické parametry. Hlavním důvodem pro zahájení vývoje generátorů pro přímé spojení k energetické síti v roce 1984 byla skutečnost, že v téže době již byly produkovány supravodičové rotory. Velká magnetizaČní kapacita supravodiČového pole umožňuje použití vinutí se vzduchovou mezerou a tloušťkou izolace odolné vůči elektrickému učiněn předpoklad, že kombinací nejslibnější koncepce, podle uvedeného projektu, magnetického obvodu s vinutím tvořeného elektrickou energii, vývojové koncepce s dostatečnou namáhání. Byl tzv. monolitickou válcovou armaturou, s koncepcí, ve které vinutí zahrnuje dva válce vodičů soustředně uložených ve třech válcových izolačních pouzdrech a celá tato struktura je připevněna k železnému jádru bez zubů, rotační elektrický stroj pro vysoké napětí může být přímo připojen k energetické síti. Toto řešení předpokládá dostatečně tlustou hlavní izolaci, která snesla spojení typu síť k síti a síť k zemnímu potenciálu. Po posouzení všech dosud známých izolačních technik byl pro vysokonapěťový rotační stroj zvolen izolační systém, který je běžně používán u silových transformátorů a který zahrnuje dielektrickou tekutinou-impregnovanou celulózovou lesklou lepenku. Navržené řešení má kromě potřeby supravodičového rotoru další nevýhodu, která spočívá v tom, že toto řešení vyžaduje velmi tlustou izolaci, která zvyšuje rozměry stroje. Kromě toho konce vinutí musí být izolovány a chlazeny olejem nebo freony za účelem regulace velkých elektrických polí při těchto koncích a celý stroj musí být hermeticky uzavřen za účelem zamezení tvorby kapalného dielektrika z vlhkosti absorbované z atmosféry.

Během desetiletí kolem roku 1930 bylo sestaveno mnoho generátorů pro vysoké napětí až k 36 kV, které byly vyvinuty pro přímé spojení s energetickou sítí. Jeden z projektů byl založen na použití soustředně uspořádaných tří vrstev vodičů uložených v izolačním materiálu, přičemž každá z vrstev byla zapojena do série a vnitřní vrstva měla nejvyšší potenciál. V dalším provedení elektrické vodiče byly tvořeny stočenými měděnými pásky, které byly izolovány speciálními vrstvami slídy, laku a papíru.

V případě výroby rotačních elektrických strojů spadajících do oblasti dosavadního stavu techniky je výroba vinutí tvořeného z vodičů a izolačních systémů provedena v několika stupních, přičemž vinutí musí být předtvarováno před sestavením na magnetickém obvodě. Impregnování pro vytvoření izolačního systému je provedena po sestavení vinutí na • « * · magnetickém obvodě.

Podstata vynálezu

Předmětem vynálezu je rotační elektrický stroj s tak vysokým napětím, že výše uvedený zvyšující transformátor zapojený do trojúhelníka/hvězdy může být vynechán, to znamená stroje se značně vyšším napětím oproti strojům, které jsou součásti stavu techniky, takže je možné je přímo připojit k energetické síti. Tento vynález výrazně snižuje investiční náklady systémů s rotačním elektrickým strojem a zvyšuje celkovou účinnost systému.

Uvedený rotační stroj může být připojen k energetické síti pomocí minimálního množství spojovacích zařízení, např. přerušovačů obvodů, odpojovačů, apod. V systému s rotačním strojem připojeným přímo k energetické síti, aniž by byl použit mezilehlý transformátor, spojení mezi strojem a sítí může být provedeno použitím pouze jednoho přerušovače obvodu.

V rotačním elektrickém stroji podle vynálezu dochází ke značně omezeným teplotním napětím na statoru. Krátkodobé přetížení stroje se stává tudíž méně rozhodujícím a stroj může být poháněn při přetížení po delší dobu, aniž by hrozilo riziko poškození stroje. To znamená značné výhody pro majitele elektráren, kteří jsou nuceni v současné době v případě provozních poruch rychle přepnout na jiná zařízení elektrárny za účelem zajištění požadované dodávky elektrické energie určené zákonnými předpisy.

U rotačního elektrického stroje podle vynálezu udržovací náklady mohou být výrazně omezeny, poněvadž transformátory a obvodové přerušovače pro připojení stroje k energetické síti nemusí být v systému zahrnuty.

Dalším předmětem vynálezu je synchronní kompenzátor, který je přímo připojen k energetické síti.

• ·

Dalším předmětem vynálezu je způsob výroby rotačního elektrického stroje pro vysoké napětí, který by nezahrnoval komplikovanou výrobu vinutí a při kterém by nebylo nutné impregnovat izolační systém po sestavení vinutí na statoru.

Je známé, že za účelem zvýšení výkonu rotačního elektrického stroje proud ve střídavých cívkách by měl být zvýšen. Toho může být dosaženo optimalizací množství vodivého materiálu, tj . těsným uložením obdélníkových vodičů v obdélníkových rotorových drážkách. Bylo však třeba zvládnout z toho vyplývající zvýšení teploty zvýšením množství izolačního materiálu a použitím tepelně odolnějších a tudíž dražších izolačních materiálů. Vysoké zatížení izolace teplotou a elektrickým polem rovněž vyvolalo problém s životností izolace. V relativně tlustostěnných izolačních vrstvách, které jsou použity pro vysokonapěťová zařízení a jakými jsou např. impregnované vrstvy slídy, částečné výboje představují vážný problém. Při výrobě těchto izolačních materiálů snadno vznikají v těchto materiálech dutiny, póry, apod., přičemž v případě, že na izolaci působí elektrické pole o vysoké intenzitě, potom v těchto dutinách dochází ke koronovým výbojům. Tyto korónové výboje postupně degradují materiál a mohou vést k elektrickému průrazu izolace.

Předmět vynálezu je založen na skutečnosti, že zvýšení výkonu rotačního elektrického stroje technickým a ekonomickým výhodným způsobem je dosaženo zamezením elektrického průrazu izolace v důsledku výše uvedených jevů. To může být podle vynálezu dosaženo použitím izolačních vrstev vyrobených způsobem, při kterém riziko vytvoření dutin nebo póru je minimální, např. vrstev vytlačených z vhodného pevného izolačního materiálu, jakým je např. termoplastická pryskyřice, zesítěná termoplastická pryskyřice, pryž, např. silikonová pryž nebo EP pryž, apod.. Kromě toho je důležité, že izolační vrstva zahrnuje vnitřní vrstvu, která obklopuje vodič a má polovodičové vlastnosti, a že izolace je rovněž fcfc fc · » * • fcfc · « · fcfc opatřena alespoň jednou dodatečnou vnější vrstvou, která obklopuje izolaci a má polovodičové vlastnosti. Vnitřní polovodičová vrstva působí takovým způsobem, že získává potenciál elektrického pole vně vnitřní vrstvy a vnější vrstva působí na jedné straně tak, že získává potenciál připojením této vrstvy ke zvolenému potenciálu a na druhé straně tak, že přijímá potenciál uzavřením elektrického pole kolem vodiče uvnitř vnější vrstvy. Polovodičovými vlastnostmi uvedených vrstev je v této souvislosti myšleno, že tyto vrstvy jsou vyrobeny z materiálu, který má vodivost značně nižší než elektrický vodič, avšak nemá tak nízkou vodivost jako izolant. Vnitřní a vnější polovodičové vrstvy mají měrný odpor, např. uvnitř intervalu 10^e Ω . cm až 100 kQ . cm. Použitím pouze izolačních vrstev, které mohou být vyrobeny s minimálním množstvím vad a kromě toho jsou opatřeny izolací zahrnující vnitřní a vnější polovodičovou vrstvu, může být zajištěno omezení tepelné a elektrické zátěže. Izolační část a polovodičové vrstvy by měly přilnout jeden k druhému po celém jejich kontaktním povrchu. Mimoto sousední vrstvy by měly mít v podstatě stejný koeficient tepelné roztažnosti. Takže při teplotních gradientech by nemělo docházet k vadám způsobeným rozličnou tepelnou roztažnosti izolace a obklopujících vrstev. Elektrická zátěž materiálu poklesne v důsledku skutečnosti, že polovodičové vrstvy kolem izolace vytvářejí ekvipotenciální plochy a že elektrické pole v izolační části bude distribuováno relativně rovnoměrně v tloušťce izolace. Vnější polovodičová vrstva může být připojena ke zvolenému potenciálu, např. zemnímu potenciálu. To znamená, že v případě kabelu vnější pouzdro vinutí v jeho celé délce může přijmout, např. zemní potenciál. Vnější vrstva může být rovněž přerušena ve vhodném místě podél délky vodiče a každá samostatná dílčí vrstva může být přímo připojena ke zvolenému potenciálu. Kolem vnější polovodičové vrstvy mohou být rovněž uspořádány další krycí vrstvy tvořené, např. kovovým stíněním nebo ochranným pouzdrem.

Zvýšená napěťová zátěž vyvolává problém spočívající v koncentraci elektrického pole v rozích průřezu cívky, což způsobuje velkou lokální zátěž pro izolaci v těchto místech. Podobně magnetické pole v zubech statoru v případě zvýšené proudové zátěže je koncentrováno v rozích. To znamená, že k magnetickému nasycení dochází lokálně, magnetické jádro není využito v plné míře a vlna generována napětím/proudem je deformována. Kromě toho ztráty způsobené vířivými proudy indukovanými ve vodičích v důsledku konfigurace vodičů vzhledem k magnetickému poli vedou k nežádoucímu zvýšení proudových hustot.

Další zlepšení podle vynálezu je dosaženo vytvořením cívek a drážek, ve kterých jsou cívky uloženy, o kruhovém tvaru místo obdélníkového tvaru. V důsledku kruhového průřezu cívek tyto cívky mohou být obklopeny konstantním magnetickým polem bez uvedených koncentrací, ve kterých dochází k magnetickému nasycení. Rovněž elektrické pole v cívce je distribuováno rovnoměrně v průřezu cívky a tudíž lokální zátěže izolace jsou značně omezeny. Kromě toho kruhové cívky lze jednodušším způsobem uložit do drážek, přičemž při tomto způsobu je možné zvýšit počet cívkových stran na jednu cívkovou skupinu a tudíž zvýšit napětí, aniž by bylo nutné zvýšit proud ve vodičích. Důvodem tohoto opatření je skutečnost, že chlazení vodičů je usnadněno na jedné straně nižší proudovou hustotou a tudíž nižšími teplotními gradienty v izolaci a na druhé straně kruhovým tvarem drážek, který vede k rovnoměrnější teplotní distribuci v průřezu.

Další zlepšení může být dosaženo sestavením vodiče z menších částí, tzv. pramenů. Tyto prameny mohou být vzájemně izolovány, přičemž pouze nízký počet pramenů může být ponechán neizolován a v kontaktu s vnitřní polovodičovou vrstvou, aby tato vrstva získala stejný potenciál jako vodič.

Jedno provedení vynálezu spočívá v tom, že magnetický obvod rotačního elektrického stroje zahrnuje vinutí z

···· pleteného kabele s jedním nebo více vytlačenými izolovanými vodiči s pevnou izolací s polovodičovou vrstvou jak při vodiči tak i při plášti kabelu. Vnější polovodičová vrstva může být připojena k zemnímu potenciálu. Za účelem zvládnutí problémů, které vznikají v případě přímého spojení rotačních elektrických strojů ke všem typům vysokonapěťové energetické sítě stroj podle vynálezu má několik znaků, kterými se odlišuje od strojů z oblasti dosavadního stavu techniky.

Jak to bylo výše uvedeno, vinutí rotačního elektrického stroje může být vyrobeno z kabele s jedním nebo více vytlačenými izolovanými vodiči s polovodičovou vrstvou jak při vodiči tak i při plášti kabele. Jedním z typických příkladů je termoplastická pryskyřice nebo sesítěná termoplastická pryskyřice použitá, např. v XLPE kabelu nebo v kabelu s izolací z kaučuku, např. silikonového kaučuku nebo EP kaučuku, přičemž vodič může sestaven z pramenů. Za účelem omezení množství ztrát způsobenými vířivými proudy ve vodiči je možné vzájemně izolovat tyto prameny. Aby polovodičová vrstva, která obklopuje vodič měla stejný potenciál jako vodič, jeden nebo několik pramenů je ponecháno neizolováno.

Je známé, že vysokonapěťový kabel pro přenos elektrické energie je sestaven z vodičů s pevnou izolací s vnitřní a vnější polovodičovou částí. Při přenosu elektrické energie je žádoucí, aby izolace byla prostá defektů. V případě použití vysokonapěťových kabelů pro přenos elektrické energie bylo cílem maximalizovat proud protékající kabelem, poněvadž v tomto případě neexistuje žádné omezení pro přenosový kabel. Izolace vodiče pro rotační elektrický stroj může být na vodič aplikována jiným způsobem než vytlačením, přičemž tento jiný způsob spočívá, např. v rozprašování, tváření, lisování, vstřikování, apod.. Avšak je důležité, aby izolace neměla žádné vady v celém průřezu a měla stejné tepelné vlastnosti. Polovodičové vrstvy mohou být opatřeny izolací ve spojení s izolací aplikovanou na vodiče. Tyto «··· polovodičové vrstvy mohou být vyrobeny z polymeru obsahujícího elektrické vodivé členy.

Výhodně jsou použity kabely s kruhovým průřezem. Za účelem dosažení lepší hustoty kabelů mohou být použity kabely s rozdílným průřezem. Za účelem zvýšení napětí v rotačním elektrickém stroji je kabel uspořádán v několika po sobě jdoucích závitech v drážkách magnetického jádra. Vinutí může být tvořeno vícevrstvým vinutím se soustřednými kabely za účelem omezení počtu křížení konců vinutí. Kabel může být opatřen izolací se zužujícím se průřezem, aby bylo možné využít magnetické jádro lepším způsobem, přičemž v tomto případě tvar drážek může být přizpůsoben této izolaci se zužujícím se průřezem.

Důležitá výhoda rotačního elektrického stroje podle vynálezu spočívá v tom, že elektrické pole se blíží k nulové hodnotě v oblastech konců vinutí vně vnější polovodičové vrstvy a že při použití vnějšího pláště se zemním potenciálem elektrické pole nemusí být regulováno. To znamená, že nemůže dojít k žádným koncentracím pole ani uvnitř plechů v oblasti konců vinutí ani v přechodech mezi těmito oblastmi.

Předmětem vynálezu je rovněž způsob výroby magnetického obvodu a zejména vinutí. Tento způsob spočívá v umístění vinutí do drážek protažením kabelu otvory v drážkách v magnetickém jádru. Poněvadž kabel je pružný, může být ohnut, což umožňuje tvarování tohoto kabele do formy cívky s několika závity. Konce vinutí budou potom zahrnovat oblasti ohnutí kabele. Kabel rovněž muže být spojen způsobem, při kterém vlastnosti tohoto kabelu zůstanou konstantní v celé jeho délce. Tento způsob přináší výrazná zjednodušení ve srovnání s dosavadním stavem techniky. Tzv. Roebelovi tyče nejsou pružné, avšak musí být předtvarovány do žádoucího tvaru. Rovněž impregnování cívek představuje nesmírně komplikovanou a nákladnou techniku, v případě výroby rotačních elektrických strojů v současné době.

• ·

Za účelem shrnutí výše uvedeného rotační elektrický stroj podle vynálezu má značný počet důležitých výhod oproti odpovídajícím strojům z oblasti dosavadního stavu techniky. Prvá výhoda spočívá v tom, že stroj může být přímo připojen k energetické síti se všemi druhy vysokého napětí. Za vysoké napětí se v této souvislosti považuje napětí překračující 10 kV a napětí až k napěťovým úrovním, které se objevují v energetické síti. Další výhoda spočívá v tom, že podél celého vinutí je nepřetržitě veden zvolený potenciál, jakým je např. zemní potenciál, což znamená, že oblasti konců vinutí mohou být kompaktní a že nosné prostředky při oblastech konců vinutí mohou být aplikovány při prakticky zemním potenciálu nebo libovolně zvoleném jiném potenciálu. Ještě další výhoda spočívá v tom, že stroj podle vynálezu nezahrnuje izolační a chladící systém na bázi oleje. To znamená, že nevznikají žádné problémy související s utěsněním tohoto systému a že není nutný výše uvedený dielektrický prstenec. Jednou z dalších výhod je to, že veškeré nucené chlazení může být uskutečněno při zemním potenciálu. Z hlediska instalace stroj podle vynálezu ušetří značný prostor a omezí požadavky kladené na nosné prostředky tohoto stroje, poněvadž tento stroj nahrazuje předcházející montážní sestavu zahrnující jak stroj tak i zvyšující transformátor. Mimoto vynález nevyžaduje žádný supravodičový rotor, a proto se nemusí potýkat s problémy souvisejícími s použitím supravodičového rotoru, přičemž mezi tyto problémy patří, např. nutnost udržování žádoucí teploty, nutné zapouzdření, apod.. Poněvadž ve vynálezu může být vyloučen zvyšující transformátor, účinnost systému je značně zvýšena.

Stručný seznam obrázků

Za účelem lepšího pochopení vynálezu bude vynález v

Φ*Φ Φ ·» ΦΦ • · » Φ * φ·φ

Φ · Φ Φ • Φ Φ

Φ· ΦΦ následujícím textu popsán pomocí výhodných příkladných provedení, přičemž při tomto popise budou Činěny odkazy na přiložené výkresy, na kterých obr. 1 znázorňuje jednotlivé části proudovém modifikovaném standardním kabelu, a obsažené obr. 2 znázorňuje čelní osový pohled na výseč/pólovou rozteč příkladného provedení magnetického obvodu podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Za účelem výroby magnetického obvodu podél vynálezu vinutí může být ve formě vodiČového kabelu s pevnou elektrickou izolací s polovodičovou vrstvou jak při vodiči tak i při plášti. Tento kabel je dostupný jako standardní kabel pro jiné oblastí použití v energetice. Nejdříve bude v následujícím textu učiněn stručný popis provedení standardního kabelu. Vnitřní proud-vedoucí vodič zahrnuje množinu neizolovaných pramenů. Kolem těchto pramenů je uspořádán polovodičový vnitřní plášť. Kolem tohoto polovodičového pláště je uspořádána izolační vrstva vytlačené izolace. Tato izolace může být vyrobena, např. z materiálu pod označením XLPE nebo případně z kaučuku, např. silikonového kaučuku, termoplastické pryskyřice nebo zesítěné termoplastické pryskyřice. Uvedená izolační vrstva je obklopena vnější polovodičovou vrstvou, která je zase obepnuta kovovým stíněním a pláštěm. Tento kabel bude v následujícím textu označován jako silový kabel.

Provedení kabele použitého ve vinutí v rotačním elektrickém stroji podle vynálezu je zřetelné z obr. 1. Kabel 1 zahrnuje proud-vedoucí vodič 2, který je sestaven z překřížených jak neizolovaných tak i izolovaných pramenů. Kromě těchto pramenů jsou možné elektromechanicky překřížené, *« · · * * · · · *»· »·· *· *φ vytlačené izolované prameny. Kolem uvedeného vodiče je uspořádána vnitřní polovodičová vrstva 2, která je zase obklopena pevnou izolační částí 4. Tato část je obklopena vnější polovodičovou vrstvou 5.. Kabel použitý pro vinutí v tomto příkladném provedení nemá žádné kovové stínění a žádný externí plášť. Za účelem zamezení proudů indukovaných ve vnějším polovodiči a problémů souvisejících s těmito proudy je tento polovodič přerušen výhodně při koncích vinutí, tj. v přechodech ze stohu plechů do konců vinutí. Každá samostatná část tohoto vnějšího polovodiče je nato připojena k zemnímu potenciálu, přičemž tento vnější polovodič bude udržován při zemním potenciálu nebo v blízkosti zemního potenciálu v celé délce uvedeného kabelu. To znamená, že kolem vytlačeného izolovaného vinutí a při koncích tohoto vinutí kontaktu-schopné povrchy a povrchy, které jsou znečištěny po určité době používání uvedeného stroje, máji zanedbatelné potenciály vůči zemi, a tudíž mohou způsobit zanedbatelná elektrická pole.

Pro optimalizaci funkce rotačního elektrického stroje má rozhodující význam provedení drážek resp. zubu v magnetickém obvodě. Jak to bylo výše uvedeno, povrchy drážek by pokud možno co nej těsněji měly doléhat na pláště stran cívek. Je rovněž žádoucí, aby zuby při každé radiální úrovni byly pokud možno co nej širší. To je důležité pro minimalizaci ztrát, dosažení žádoucích magnetizačních podmínek uvedeného stroje, apod..

Vzhledem k vodiči vymezeném v nároku 15 a, např. výše uvedenému kabelu je možné optimalizovat magnetické jádro podle několika hledisek. V následujícím textu je popsán magnetický obvod ve statoru rotačního elektrického stroje, přičemž v tomto popisu budou činěny odkazy na obr. 2, který znázorňuje koncový osový pohled na provedení výseku/polové rozteče stroje podle vynálezu. V konvenčním stroji je stator tvořen vrstveným jádrem z elektricky vodivých plechů postupně

sestavených z plechu ve tvaru výseku. Z jha 8. jádra uspořádaného v místě nejvzdálenějs£m od středu rotoru množina zubu 9. radiálně vybíhá do středu rotoru. Mezi těmito zuby se nachází odpovídající počet drážek 10. Použití výše uvedených kabelů 11 mimo jiné umožňuje učinit hloubku drážek pro vysokonapěúové stroje vyšší než hloubku drážek, která je možná u strojů spadající do oblasti dosavadního stavu techniky. Uvedené drážky mají průřez zužující se ve směru k rotoru, poněvadž potřeba kabelové izolace se stává pro každou vrstvu vinutí nižší směrem ke vzduchové mezeře. Jak je to zřejmé z obrázku, štěrbina má kolem každé vrstvy vinutí v podstatě kruhový průřez 12 se střední zúženou částí 13 mezi těmito vrstvami vinutí. S určitým zjednodušením lze průřez drážky statoru přirovnat ke tvaru cyklického řetězce. V provedení zobrazeném na obr. 2 jsou použity kabely se třemi rozdílnými rozměry kabelové izolace, přičemž tyto kabely jsou uspořádány ve třech odpovídajícím způsobem dimenzovaných sekcí 14, 15 a 16, to znamená, že ve statoru uvedeného stroje jsou vytvořeny drážky ve tvaru modifikovaného cyklického řetězce. Z obrázku je rovněž zřejmé, že zuby statoru mohou mít v podstatě konstantní radiální šířku podél hloubky celé drážky.

V alternativním provedeni kabel, který je použit pro vinutí může tvořen výše uvedeným konvenčním silovým kabelem. Uzemnění vnějšího polovodičového pláště je potom provedeno sloupnutím kovového pláště a krytu kabele na vhodných místech.

Do rozsahu vynálezu spadá velký počet alternativních provedení, což je dáno velkým počtem dostupných kabelů o různých rozměrech izolace a vnější polovodičové vrstvy, apod.. Rovněž provedení s tzv. drážkami ve tvaru cyklického řetězce mohou být modifikována větší měrou něž výše uvedené provedení s drážkami ve tvaru cyklického řetězce.

Jak to bylo výše uvedeno, magnetický obvod může být • ·

* «•flfl umístěn ve statoru a/nebo v rotoru rotačního elektrického stroje. Avšak provedení magnetického obvodu bude velmi odpovídat výše popsanému provedení nezávisle na tom, zda magnetický obvod je umístěn ve statoru a/nebo v rotoru.

Pokud jde o vinutí, je výhodně použito vícevrstvé soustředné kabelové vinutí. Toto vinutí způsobuje, že počet křížení konců vinutí je minimalizován umístěním všech cívek uvnitř stejné skupiny radiálně vně jeden k druhému. To rovněž umožňuje jednodušší způsob výroby a zavádění statorového vinutí do rozdílných drážek.

Vynález je obecně použitelný pro rotační elektrické stroje pro napětí překračující lOkV. Rotační elektrické stroje, které jsou popsány v odstavci Oblast techniky této přihlášky jsou příklady rotačních elektrických strojů, pro které je vynález použitelný.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

Rotační elektrický stroj pro vysoké napětí zahrnující stator, rotor a vinutí, vyznačený tím, že alespoň jedno vinutí zahrnuje jeden nebo více proud-vedoucích vodičů (2) , přičemž kolem každého vodiče je uspořádána vnitřní vrstva s polovodičovými vlastnostmi a kolem této vnitřní vrstvy je uspořádána pevná izolační část, přičemž kolem této izolační části je uspořádána vnější vrstva s polovodičovými vlastnostmi.
2. Rotační elektrický stroj podle nároku 1, vyznačený t i m, že vnitřní polovodičová vrstva je uspořádána takovým způsobem, že má v podstatě stejný potenciál jako vodič.
3. Rotační elektrický stroj podle nároků 1 nebo 2, vyznačený tím, že vnější polovodičová vrstva je uspořádána takovým způsobem, že v podstatě vytváří ekvipotenciální plochy obklopující vodič/vodiče.
4. Rotační elektrický stroj podle nároku 3, vyznačený t £ m, že vnější polovodičová vrstva je připojena ke zvolenému potenciálu.
5. Rotační elektrický stroj podle nároku 4, vyznačený t ί τη, že zvolený potenciál je tvořen zemním potenciálem.

• · · · * * * · » ·♦ • 9 9 · · 9 · · · • « 9 · 9

9 999 9 9 99
6. Rotační elektrický stroj podle nároku 4, vyznačený t í m, že pro každé samostatné vinutí může být zvolen samostatný potenciál.
7. Rotační elektrický stroj podle nároku 1, 2, 3, 4, 5 nebo 6, vyznačený tím, že alespoň jedna z uvedených polovodičových vrstev má v podstatě stejný koeficient tepelné roztažnosti jako izolační část.
8. Rotační elektrický stroj podle některého z předcházejících nároků, vyznačený tím, že proudvedoucí vodič zahrnuje množinu pramenů, které jsou vzájemně izolovány s výjimkou několika pramenů, které jsou neizolovány za účelem zajištění elektrického kontaktu s vnitřní polovodičovou vrstvou.
9. Rotační elektrický stroj podle některého z předcházejících nároků, vyznačený tím, že všechny polovodičové vrstvy uspořádané kolem vodiče jsou připevněny k přilehlé izolační části podél v podstatě celého jejího kontaktního povrchu.
10. Rotační elektrický stroj pro vysoké napětí s magnetickým obvodem zahrnujícím magnetické jádro a vinutí, vyznačený tím, že vinutí zahrnuje kabel zahrnující jeden nebo více proud-vedoucích vodičů (2), z nichž každý zahrnuje množinu pramenů, přičemž kolem každého z těchto pramenů je uspořádána vnitřní polovodičová vrstva (3), kolem které je uspořádána izolační vrstva (4) z pevné, vytlačené izolace, přičemž kolem této izolační vrstvy je uspořádána vnější polovodičová vrstva (5).
11. Rotační elektrický stroj pro vysoké napětí podle nároku 10, vyznačený tím, že kabel rovněž zahrnuje kovové stínění a plášť.
12. Rotační elektrický stroj pro vysoké napětí podle nároku 10, vyznačený tím, že magnetický obvod je uspořádán ve statoru a/nebo v rotoru tohoto rotačního elektrického stroje.
13. Rotační elektrický stroj pro vysoké napětí podle nároku 10 nebo 11, vyznačený tím, že vnější polovodičová vrstva (5) je rozdělena do množiny částí, které jsou samostatně připojeny k zemnímu potenciálu.
14. Rotační elektrický stroj pro vysoké napětí podle nároku 5, 10, 11, 12 nebo 13, vyznačený tím, že v důsledku spojení vnější polovodičové vrstvy se zemním potenciálem elektrické pole stroje vně polovodičové vrstvy jak v drážkách tak i v oblasti konců vinutí je blízké nulové hodnotě.
15. Rotační elektrický stroj pro vysoké napětí podle nároku 10 až 14, v y z n a č e n ý tím, že v případě, že kabel zahrnuje množinu vodičů, jsou tyto vodiče překříženy.
16. Rotační elektrický stroj pro vysoké napětí podle nároků 10 až 14, v y z n a č e n ý t i m, že proud-vedoucí vodič/vodiče (2) zahrnují jak neizolované tak i izolované dráty spletené do množiny vrstev.
17. Rotační elektrický stroj pro vysoké napětí podle nároků 10-14, vyznačený tím, že proud-vedoucí vodič/vodiče (2) zahrnují jak neizolované tak i izolované prameny překřížené do množiny vrstev.
18. Rotační elektrický stroj pro vysoké napětí podle některého z předcházejících nároků, vyznačený tím, že drážky (10) probíhají axiálně a radiálně jeden vedle druhého a jsou tvořeny množinou válcovitých otvorů (12) s v podstatě kruhovými průřezy oddělenými střední zúženou částí (13) mezi válcovitými otvory.
19. Rotační elektrický stroj pro vysoké napětí s magnetickým obvodem podle nároku 17, vyznačený tím, že v podstatě kruhový průřez válcovitých otvoru (12) drážek má poloměr, který se ve směru od jha (8) vrstveného jádra ke středu rotoru rotačního elektrického stroje nepřetržitě snižuje.
20. Rotační elektrický stroj magnetickým obvodem podle nároku pro vysoké napětí s 17, vyznačený tím, že v podstatě kruhový průřez válcovitých otvorů (12) drážek má poloměr, který se ve směru od jha (8) vrstveného jádra ke středu rotoru rotačního elektrického stroje nesouvisle snižuje.
21. Rotační elektrický stroj pro vysoké napětí zahrnující stator, rotor a vinutí, vyznačený tím, že alespoň jedno vinutí zahrnuje jednu nebo více cívek, přičemž proud-vedoucí vodiče zahrnuté v každé cívce jsou obklopeny izolací, přičemž mezi uvedeným vodičem/vodiči a touto izolací je uspořádána vnitřní vrstva, jejíž potenciál je vyrovnán s potenciálem elektrického pole působícího vně této vnitřní vrstvy, přičemž kolem uvedené izolace, která obklopuje uvedený vodič/vodiče je uspořádána vnější vrstva, která vytváří ekvipotenciální plochy obklopující uvedený vodič/vodiče jak při straně uvedené cívky tak i při konci uvedené cívky.
22. Rotační elektrický stroj podle nároků 1 až 21, vyznačený tím, že rotační elektrický stroj je připojitelný k jednomu nebo více napěťovým systémům.
23. Rotační elektrický stroj podle nároků 22, v y z n a č e n ý t í m, že jedno vinutí je opatřeno oddělenými odbočkami pro připojení odlišných napěťových systémů.
24. Rotační elektrický stroj podle nároku 22 nebo 23, vyznačený tím, že zahrnuje samostatné vinutí pro připojení napěťového systému.
25. Rotační elektrický stroj podle nároku 22, 23 nebo 24, že skrze tento rotační elektrický stroj je možné uskutečnit výměnu elektrické energie mezi dvěma nebo více elektrickými systémy s rozdílnými napětími.
26. Způsob výroby rotačního elektrického stroje podle některého z nároků 1 až 25 zahrnujícího magnetické jádro zahrnující drážky, kanálky, apod., přičemž tyto drážky mají alespoň jeden otvor přístupný z vnější strany uvedeného magnetického jádra a vinutí, vyznačený tím, že • to toto • · · • * * * • ·· to · to · • to ·’ alespoň jedno vinutí je zavedeno do uvedeného otvoru tak, že toto vinutí je tvarováno při jeho ukládání do příslušné drážky.
27. Způsob pro výrobu magnetického obvodu pro rotační elektrický stroj podle některého z nároků 1 až 25, přičemž tento magnetický obvod je uspořádán ve statoru a/nebo v rotoru elektrického stroje, přičemž uvedený magnetický obvod zahrnuje magnetické jádro (8) s drážkami (10) pro vinutí (1), přičemž tyto drážky probíhají axiálně a radiálně jedna vedle druhé a jsou tvořeny válcovitými otvory (12) s v podstatě kruhovými průřezy, vyznačený tím, že vinutí zahrnuje kabel, který je zaveden do uvedených válcovitých otvorů.
28. Použití rotačního elektrického stroje podle některého z předcházejících nároků, vyznačené tím, že tento stroj může být v provozu při až 100% přetížení po dobu nepřekračující 15 minut a až přibližně dvě hodiny.
29. Použití rotačního elektrického stroje podle některého z předcházejících nároků, vyznačené tím, že tento rotační elektrický stroj je přímo připojen k energetické síti přes spojovací zařízení, aniž by bylo nutné použít transformátor mezi tímto strojem a touto sítí.
30. Použití rotačního elektrického stroje podle některého z nároků 1 až 25, vyznačené tím, že napěťová regulace tohoto rotačního elektrického stroje je provedena regulací toku magnetického pole proudícího rotorem tohoto stroje.

• ·
31. Použití rotačního elektrického stroje podle některého z nároků 1 až 25, vyznačené tím, tento stroj může být v provozu bez mechanické zátěže a může být použit pro kompenzaci induktivní a kapacitní zátěže v síti.

Zastupuj e:

1/1

Pt/