DE69725306T2

DE69725306T2 - Synchronkompensatoranlage

Info

Publication number: DE69725306T2
Application number: DE69725306T
Authority: DE
Inventors: Mats Leijon; Bertil Berggren
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1996-05-29
Filing date: 1997-05-27
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2017-05-28
Also published as: ZA974718B; TW360603B; EA199801053A1; AU718766B2; CN1220051A; CN1219911A; EP0901703A1; ZA974724B; WO1997045288A3; ID19708A; IL126943A0; TR199802473T2; PL330200A1; ATE251358T1; AU718708B2; PL330289A1; BR9709474A; CO4650250A1; AR007333A1; BR9709399A

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrische Maschinen, die zum Anschluß an ein Verteiler- oder Übertragungsnetz, im folgenden als Starkstromnetz bezeichnet, bestimmt sind. Genauer gesagt, bezieht sich die Erfindung auf synchrone Kompensatoranlagen (Blindleistungserzeugungsanlagen) für den oben genannten Zweck.
Stand der Technik
Blindleistung tritt in allen elektrischen Starkstromsystemen auf, die Wechselstrom übertragen. Viele Lasten verbrauchen nicht nur Wirkleistung, sondern auch Blindleistung. Die Übertragung und Verteilung elektrischer Energie als solche verursacht reaktive Verluste infolge von Reiheninduktivitäten in Transformatoren, Freileitungen und Kabeln. Freileitungen und Kabel erzeugen auch Blindleistung infolge ihrer Kapazitäten zwischen den Phasen und zwischen den Phasen und Erde.
Im stationären Betrieb eines Wechselstromsystems müssen die Erzeugung und der Verbrauch von Wirkleistung miteinander ausgeglichen sein, um die Nennfrequenz zu halten. Ein gleich starker Zusammenhang besteht zwischen ausgeglichener Blindleistung und den Spannungen im elektrischen Starkstromnetz. Wenn der Blindleistungsverbrauch und die Blindleistungserzeugung nicht in geeigneter weise ausgeglichen sind, kann es zu unannehmbaren Spannungsniveaus in Teilen des elektrischen Starkstromnetzes kommen. Ein Überschuss an Blindleistung in einem Bereich führt zu hohen Spannungen, während ein Mangel an Blindleistung zu niedrigen Spannungen führt.
Im Gegensatz zu dem Wirkleistungs-Gleichgewicht bei Nennfrequenz, welches ausschließlich mit Hilfe des aktiven Leistungsantriebs des Generators gesteuert wird, erhält man ein geeignetes Blindleistungs-Gleichgewicht sowohl mit Hilfe einer steuerbaren Erregung von Synchrongeneratoren als auch mittels anderer Komponenten, die in dem System verteilt sind. Beispiele solcher (phasenkompensierender) Einrichtungen sind Parallelreaktoren, Parallelkondensatoren, Synchronkompensatoren und SVCs (Static Var. Compensators).
Der Ort dieser Phasenkompensations-Einrichtungen in dem elektrischen Starkstromnetz berührt nicht nur die Spannung in unterschiedlichen Bereichen des elektrischen Starkstromnetzes, sondern auch die Verluste in dem elektrischen Starkstromnetz, da die Übertragung von Blindleistung ebenso wie die Übertragung von Wirkleistung zu Verlusten und damit zur Erhitzung führt. Es ist daher erwünscht, Phasenkompensations-Einrichtungen räumlich so anzuordnen, daß die Verluste minimiert werden und die Spannung in allen Teilen des elektrischen Starkstromnetzes annehmbare Werte hat.
Der Parallelreaktor und der Parallelkondensator sind gewöhnlich fest oder über einen mechanischen Schaltmechanismus an das elektrische Starkstromnetz angeschlossen. Mit anderen Worten, die Blindleistung, die von diesen Einrichtungen verbraucht/erzeugt wird, ist nicht kontinuierlich steuerbar. Andererseits ist die Blindleistung, die von dem Synchron-Kompensator und dem SVC erzeugt oder verbraucht wird, kontinuierlich steuerbar. Diese beiden Einrichtungen werden folglich verwendet, wenn eine hochwertige Spannungssteuerung verlangt wird.
Im folgenden wird eine kurze Beschreibung der Technologie zur Phasenkompensation mit Hilfe eines Synchron-Kompensators und SVC gegeben.
Ein Synchron-Kompensator ist im Prinzip ein Synchronmotor, der ohne Last läuft, das heißt, die Größe der von ihm dem elektrischen Starkstromnetz entnommenen Wirkleistung ist gleich den Verlusten der Maschine.
Die Rotorwelle eines Synchron-Kompensators verläuft gewöhnlich horizontal, und der Rotor hat im allgemeinen sechs oder acht ausgeprägte Pole. Der Rotor ist thermisch gewöhnlich so dimensioniert, daß der Synchron-Kompensator im übererregten Zustand ungefähr 100% der Scheinleistung erzeugen kann, der Stator ist thermisch für die Nennausgangsleistung in Gestalt von Blindleistung dimensioniert. Im untererregten Zustand, in welchem der Synchron-Kompensator Blindleistung verbraucht, verbraucht er etwa 60% der Nennausgangsleistung (Standardwert, der von der Dimensionierung der Maschine abhängig ist). Dies ergibt einen Steuerbereich von etwa 160% der Nennausgangsleistung, über welchen der Blindleistungsverbrauch/die Blindleistungserzeugung kontinuierlich gesteuert werden kann. Wenn die Maschine ausgeprägte Pole mit einer relativ kleinen Reaktanz in Querrichtung (Querreaktanz) hat, und sie mit einer Erregereinrichtung versehen ist, die sowohl eine positive als auch eine negative Erregung ermöglicht, kann mehr Blindleistung verbraucht werden als die oben genannten 60% der Nennausgangsleistung, ohne daß die Maschine die Stabilitätsgrenze überschreitet. Moderne Synchron-Kompensatoren sind normalerweise mit schnellen Erregersystemen ausgerüstet, vorzugsweise mit thyristor-gesteuerten statischen Erregern, bei denen der Gleichstrom dem Rotor über Schleifringe zugeführt wird. Diese Lösung ermöglicht wie oben eine positive und negative Speisung.
Zum magnetischen Kreis eines Synchron-Kompensators gehört gewöhnlich ein lamellierter Kern, beispielsweise aus Stahlblech, in einer geschweißten Konstruktion. Um für Ventilation und Kühlung zu sorgen, ist der Kern häufig in Pakete unterteilt mit radialen und/oder achsialen Ventilationskanälen. Bei größeren Maschinen sind die Lamellen (Bleche) in Form von Segmenten ausgestanzt, die an dem Rahmen der Maschine befestigt werden wobei der lamellierte Kern durch Druckfinger oder Druckringe zusammengehalten wird. Die Wicklung des magnetischen Kreises ist in im Kern vorhandenen Nuten untergebracht, die im allgemeinen einen rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt haben.
In mehrphasigen elektrischen Maschinen sind die Wicklungen entweder als Einschichtwicklung oder als Zweischichtwicklung ausgeführt. Bei Einschichtwicklungen ist nur eine Spulenseite pro Nut vorhanden, während bei Zweischichtwicklungen zwei Spulenseiten in einer Nut liegen. Unter Spulenseite werden ein oder mehrere Leiter verstanden, die vertikal oder horizontal zusammengefaßt sind und mit einer gemeinsamen Spulenisolation versehen sind, das heißt mit einer Isolation, die so bemessen ist, daß sie der Nennspannung der Maschinen gegen Erde standhält.
Zweischichtwicklungen werden gewöhnlich aus Spulen mit gleichen Wicklungsschritten (Spulen gleicher Weite) aufgebaut, während Einschichtwicklungen im vorliegenden Zusammenhang sowohl aus Spulen mit gleichen Wicklungsschritten als auch aus Spulen mit ungleichen Wicklungsschritten (Flachwicklungen) aufgebaut werden können. Bei Spulen mit gleichen Wicklungsschritten gibt es nur eine (möglicherweise zwei) Spulenweiten, während Flachwicklungen als konzentrische Wicklungen ausgebaut sind, das heißt, mit stark variierender Spulenweite. Unter Spulenweite wird der Abstand in Bogenmaß zwischen zwei Spulenseiten verstanden, die zu derselben Spule gehören.
Normalerweise werden alle großen Maschinen mit einer Zweischichtwicklung und Spulen gleicher Weite ausgeführt. Jede Spule wird mit einer Seite in einer Schicht plaziert und mit der anderen Seite in der anderen Schicht. Dies bedeutet, daß sich alle Spulen am Spulenende (am Wicklungskopf) miteinander kreuzen. wenn mehr als zwei Schichten vorhanden sind, komplizieren diese Kreuzungen die Wickelarbeit und die Spulenenden sind weniger zufriedenstellend.
Nach allgemeiner Meinung können Spulen für rotierende Maschinen mit guten Ergebnis bis für einen Spannungsbereich von 10–20 kV hergestellt werden.
Ein Synchron-Kompensator hat eine beträchtliche Kurzzeit-Überlastkapazität. In Situationen, in denen elektromechanische Schwingungen im Starkstromsystem auftreten, kann der Synchron-Kompensator kurzzeitig Blindleistung bis zum doppelten der Nennausgangsleistung erzeugen. Der Synchron-Kompensator hat auch eine größere länger-andauernde Überlastkapazität und ist oft imstande, 10 bis 20% über der Nennausgangsleistung für bis zu 30 Minuten zu liefern.
Synchron-Kompensatoren gibt es in Größen von einigen MVA bis Hunderte von MVA. Die Verluste eines mit Wasserstoff gekühlten Synchron-Kompensators betragen bis etwa 10 W/kvar, während die entsprechende Zahl für luftgekühlte Synchron-Kompensatoren etwa 20 W/kvar beträgt.
Synchron-Kompensatoren wurden vorzugsweise am empfangenden Ende langer strahlenförmiger Übertragungsleitungen und in wichtigen Knotenpunkten in abgedeckten elektrischen Starkstromnetzen mit langen Übertragungsleitungen angeordnet, insbesondere in Gegenden mit geringer lokaler Erzeugung. Der Synchron-Kompensator wird auch verwendet, um die Kurzschlußleistung in der Nähe von HGÜ-Wechselrichterstationen zu vergrößern.
Der Synchron-Kompensator ist oft in Punkten in elektrischen Starkstromnetzen angeschlossen, in denen die Spannung wesentlich größer ist als die, für welche der Synchron-Kompensator ausgelegt ist. Dies bedeutet, daß zu der Synchron-Kompensator Anlage neben dem Synchron-Kompensator im allgemeinen auch ein hochtransformierender Transformator, ein Sammelschienensystem zwischen dem Synchron-Kompensator und dem Transformator, ein Generatorleistungsschalter zwischen dem Synchron-Kompensator und dem Transformator und ein Leitungs-Leistungsschalter zwischen dem Transformator und der elektrischen Synchron-Kompensatoranlage gehören, siehe das einphasige Diagramm in 1.
In jüngeren Jahren haben in großem Umfange SVCs Synchron-Kompensatoren in neuen Anlagen ersetzt wegen ihrer Vorteile, insbesondere hinsichtlich der Kosten aber bei bestimmten Anwendungen auch hinsichtlich technischer Vorteile.
Das SVC-Konzept (Static var. Compensator) ist heute das führende Konzept für die Blindleistunskompensation, und neben der in vielen Fällen stattfindenden Verdrängung des Synchron-Kompensators in Übertragungsnetzen findet das Konzept auch industrielle Anwendungen im Zusammenhange mit elektrischen Lichtbogenöfen. SVCs sind in dem Sinne statisch, daß sie im Gegensatz zu Synchron-Kompensatoren keine beweglichen oder rotierenden Hauptkomponenten enthalten.
Die SVC-Technologie basiert auf schnellen Schaltern, die aus Halbleitern, Thyristoren, aufgebaut sind. Ein Thyristor kann in wenigen Millionstel einer Sekunde vom Isolator zum Leiter umschalten. Kondensatoren und Reaktoren können mit einer vernachlässigbaren Verzögerung mit Hilfe von Thyristorbrücken zugeschaltet oder abgeschaltet werden. Durch die Kombination dieser beiden Komponenten kann Blindleistung stufenlos entweder eingespeist (erzeugt) oder herausgenommen (verbraucht) werden. Kondensatorbänke unterschiedlicher Blindleistung ermöglichen es, die eingespeiste Blindleistung in Stufen zu steuern.
Eine SVC-Anlage besteht sowohl aus Kondensatorbänken als auch aus Reaktoren, und da die Thyristoren Oberwellen erzeugen, gehören zu der Anlage auch Oberwellenfilter. Neben der Steuerausrüstung ist auch ein Transformator zwischen der Kompensationsausrüstung und dem Netz erforderlich, um eine optimale Kompensation im Hinblick auf Größe und Kosten zu erzielen. SVC-Anlagen sind verfügbar in Größen von wenigen MVA bis zu 650 MVA mit Nennspannungen bis 765 kV.
Es existieren verschiedene SVC-Anlagetypen, die danach benannt sind, wie die Kondensatoren und die Reaktoren kombiniert werden. Zwei gewöhnliche Elemente, die vorhanden sein können, sind TSC oder TCR. TSC ist ein thyristor-gesteuerter Blindleistung erzeugender Kondensator, und TCR ist ein thyristor-gesteuerter Blindleistung verbrauchender Reaktor. Ein gewöhnlicher Typ ist eine Kombination dieser Elemente, TSC/TCR.
Die Größe der Verluste hängt in starkem Maße von dem Anlagentyp ab, zu dem der SVC gehört, beispielsweise ein FC/TCR-Typ (FC bedeutet, daß der Kondensator fest ist) hat bedeutend größerer Verluste als ein TSC/TCR-Typ. Die Verluste des letztgenannten Typs sind etwa vergleichbar mit den Verlusten eines Synchron-Kompensators.
Aus der obigen Zusammenfassung der Phasenkompensations-Technologie sollte erkennbar sein, daß diese Technologie in zwei prinzipielle Konzepte unterteilt werden kann, nämlich Synchron-Kompensator und SVC.
Diese Konzepte haben unterschiedliche Stärken und Schwächen. Im Vergleich zu dem Synchron-Kompensator hat der SVC den Hauptvorteil, daß er billiger ist. Jedoch erlaubt er auch eine etwas schnellere Steuerung, was bei bestimmten Anwendungen ein Vorteil sein kann.
Zu den Nachteilen des SVC im Vergleich mit dem Synchron-Kompensator gehören:

– Er hat keine Überlastkapazität. Im Betrieb an seiner kapazitiven Grenze wird der SVC im Prinzip ein Kondensator, das heißt, wenn die Spannung sinkt, dann sinkt die Blindleistungserzeugung mit dem Quadrat der Spannung. Wenn der Zweck der Phasenkompensation darin besteht, die Übertragung von Leistung über lange Entfernungen zu ermöglichen, dann bedeutet das Fehler von Überlastkapazität, daß, um Stabilitätsprobleme zu vermeiden, bei Wahl einer SVC-Anlage eine höhere Ausgangsnennleistung gewählt werden muß, als bei Wahl einer Synchron-Kompensator-Anlage.
– Er erfordert Filter, wenn zu ihm ein TCR gehört.
– Er hat keine rotierende Masse mit einer inneren Spannungsquelle. Dies ist ein Vorteil des Synchron-Kompensators, insbesondere in der Nähe einer HGÜ-Übertragung.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine neue Synchron-Kompensator-Anlage.
Rotierende elektrische Maschinen wurden zunächst beispielsweise zur Erzeugung oder zum Verbrauch von Blindleistung mit dem Ziel verwendet, eine Phasenkompensation in einem Netz zu erreichen.
Im folgenden wird eine kurze Beschreibung dieser Technologie, das heißt der Phasenkompensation mittels Synchron-Kom pensatoren und anderen konventionellen Technologien zur Kompensation von Blindleistung, gegeben.
Blindleistung sollte lokal am Verbrauchspunkt erzeugt werden, um zu vermeiden, daß Blindleistung vom Netz übertragen werden muß, wodurch Verluste verursacht werden. Der Parallelreaktor, der Parallelkondensator, der Synchron-Kompensator und SVC repräsentieren unterschiedliche Wege zur Kompensation des Bedarfs an Blindleistung in übertragungsnetzen und untergeordneten Übertragungsnetzen.
Ein Synchron-Kompensator ist im Prinzip ein leerlaufender Synchronmotor, das heißt, er entnimmt dem Netz Wirkleistung die den Verlusten der Maschine entspricht. Die Maschine kann untererregt oder übererregt werden, um Blindleistung zu verbrauchen beziehungsweise zu erzeugen. Die Erzeugung/der Verbrauch an Blindleistung kann kontinuierlich geregelt werden.
Im übererregten Zustand hat der Synchron-Kompensator eine relativ große kurzzeitige Überlastkapazität von 10–20% für bis zu 30 Minuten. Im unerregten Zustand, wenn die Maschine Blindleistung verbraucht, kann er normalerweise etwa 60% der Nennausgangsleistung (Standardwert, der von der Bemessung der Maschine abhängt) verbrauchen. Dies ergibt einen Steuerbereich von etwa 160% der Nennausgangsleistung.
Wenn die Maschine ausgeprägte Pole mit einer relativ kleiner Querreaktanz hat und wenn sie mit einer Erregereinrichtung versehen ist, die eine negative Erregung ermöglicht, ist es möglich, mehr Blindleistung zu verbrauchen als die oben genannten 60% der Nennausgangsleistung, ohne daß die Maschine die Stabiltätsgrenze überschreitet. Moderne Synchron-Kompensatoren sind normalerweise mit schnellen Erregersystemen ausgerüstet, vorzugsweise mit einem thyristor-gesteuerten statischen Erreger, bei dem der Gleichstrom dem Rotor über Schleifringe zugeführt wird. Diese Lösung erlaubt auch negative Erregung in Übereinstimmung mit dem oben gesagten.
Synchron-Kompensatoren werden heute in erster Linie zur Erzeugung und zum Verbrauch von Blindleistung in Übertragungsnetzen in Verbindung mit HGÜ-Wechselrichterstationen verwendet wegen der Fähigkeit des Synchron-Kompensators, die Kurzschlußkapazität zu vergrößern, was der SVC nicht kann. In jüngeren Jahren hat der SVC den Synchron-Kompensator in neuen Anlagen verdrängt wegen seiner Vorteile hinsichtlich der Kosten und der Konstruktion.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das erstgenannte Konzept, das heißt auf Synchron-Kompensation.
Beschreibung der Erfindung:
Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine bessere Synchron-Kompensatoranlage zu entwickeln, als dies mit der bekannten Technologie möglich ist, durch Reduzierung der Anzahl der elektrischen Komponenten, die notwendig sind, wenn sie an Hochspannungsnetze angeschlossen werden soll, einschließlich solcher mit einem Spannungsniveau von 36 kV und darüber.
Diese Aufgabe wurde gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Anlage der im Oberbegriff des Anspruches 1 beschriebenen Art spezielle Merkmale enthält, die im kennzeichenden Teil des Anspruchs genannt sind.
Dank der Tatsache, daß die Wicklung/Wicklungen in der rotierenden elektrischen Maschine der Synchron-Kompensatoranlage mit dieser speziellen festen (kompakten) Isolation hergestellt ist/sind, kann ein Spannungsniveau für die Maschine erreicht werden, welches weit über den Grenzen liegt, innerhalb derer eine herkömmliche Maschine dieses Typs aus prak tischen und finanziellen Gründen gebaut werden kann. Dieses Spannungsniveau kann jede Größe erreichen die in Verteiler- und Übertragungnetzen zur Anwendung kommen. Man erlangt so den Vorteil, daß der Synchron-Kompensator direkt an solche Netze ohne Zwischenschaltung eines hochtransformierenden Transformators angeschlossen werden kann.
Der Wegfall des Transformators für sich bewirkt große Einsparungen hinsichtlich der Kosten, des Gewichtes und des Raumes, hat aber auch andere entscheidende Vorteile gegenüber einer herkömmlichen Synchron-Kompensatoranlage.
Der Wirkungsgrad der Anlage wird vergrößert, und es werden die Verluste vermieden, die durch den Verbrauch an Blindleistung durch den Transformator und der resultierenden Drehung des Phasenwinkels entstehen. Dies hat eine positive Auswirkung hinsichtlich des statischen und dynamischen Stablitätsmarginals des Systems. Ferner enthält ein herkömmlicher Transformator Öl, welches eine Feuergefahr begründet. Diese ist in einer Anlage gemäß der Erfindung beseitigt, und die Anforderung an verschiedene Typen von Feuergefahr-Vorkehrungen wird reduziert. Die Anzahl vieler anderer elektrischer Kupplungskomponenten und Schutzeinrichtungen wird ebenfalls reduziert. Hieraus ergeben sich reduzierte Anlagekosten und geringere Anforderungen hinsichtlich Bedienung und Wartung.
Diese und andere Vorteile resultieren in einer Synchron-Kompensatoranlage, die bedeutend kleiner und preiswerter ist als eine konventionelle Anlage, sowie darin, daß die Betriebswirtschaftlichkeit dank verminderter Wartung und kleinerer Verluste radikal verbessert wird.
Dank dieser Vorteile trägt eine Synchron-Kompensatoranlage gemäß der Erfindung dazu bei, daß dieses Konzept finanziell mit dem SVC-Konzept (siehe oben) konkurrieren kann und sogar Kostenvorteile im Vergleich mit dem letztgenannten Konzept bietet.
Die Tatsache, daß die Erfindung das Synchron-Kompensator-Konzept konkurrenzfähig gegenüber dem SVC-Konzept macht, ermöglicht daher eine Rückkehr zu der Verwendung von Synchron-Kompensatoranlagen. Die mit der SVC-Kompensation verbundenen Nachteile sind somit nicht länger relevant. Die komplizierten großen Bänke aus Kondensatoren und Reaktoren in einer SVC-Anlage bilden einen dieser Nachteile. Ein anderer großer Nachteil der SVC-Technologie ist ihre statische Kompensation, die nicht die gleich Stablität bietet wie diejenige, die man durch die Trägheit einer rotierenden elektrischen Maschine mit ihrer rotierenden EMK bezüglich der Spannung als auch des Phasenwinkels erhält. Ein Synchron-Kompensator ist daher besser geeignet, sich temporären Interferenzen in dem Netz und Fluktuationen des Phasenwinkels anzupassen. Die Thyristoren, die eine SVC-Analge steuern, sind auch gegen Verschiebungen des Phasenwinkels empfindlich. Eine Anlage gemäß der Erfindung erlaubt auch eine Lösung des Problems der Oberwellen.
Die Synchron-Kompensatoranlage gemäß der Erfindung ermöglicht es also, die Vorteile der Synchron-Kompensator-Technologie gegenüber der SVC-Technologie zu nutzen, so daß eine effizientere und stabilere Kompensation zu Kosten erreicht wird, die sowohl hinsichtlich der Anlageninvestition als auch des Betriebes denen der SVC-Technologie überlegen sind.
Die Anlage gemäß der Erfindung ist klein, preiswert, effizient und zuverlässig sowohl im Vergleich mit einem konventionellen Synchron-Kompensator als auch mit einem SVC.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Bedarf nach schneller kontinuierlich steuerbarer Blindleistung zu befriedigen, die direkt an untergeordnete Übertragungens- oder Übertragungsniveau angeschlossen ist, um die Systemstabliltät und/oder die Abhängigkeit von rotierenden Massen und der EMK in der Nähe von HGÜ-Anlagen in den Griff zu bekommen. Die Anlagen sollen in der Lage sein, jede Menge zu liefern, von einigen MVA bis zu Tausenden von MVA.
Der Vorteil, der durch die Lösung dieser Aufgaben erreicht wird, besteht in der Vermeidung eines Zwischentransformators, dessen Reaktanz sonst Blindleistung verbrauchen würde. Dies ermöglicht auch den Verzicht auf herkömmliche Hochleistunngs-Leistungsschalter. Vorteile werden auch hinsichtlich der Netzqualität erreicht, da eine rotierende Kompensation vorhanden ist. Mit einer Anlage gemäß der Erfindung wird auch die Überlastkapazität vergrößert, die mit der Erfindung plus 100% betragen kann. Dem Synchron-Kompensator gemäß der Erfindung kann im übererregten Betrieb eine höhere Überlastkapazität verliehen werden als herkömmlichen Synchron-Kompensatoren, sowohl hinsichtlich einer kurzfristigen als auch einer langfristigen Überlastkapazität. Dies liegt in erster Linie daran, daß die Zeikonstante für das Erhitzen des Stators mit einer elektrischen Isolation der Statorwicklung gemäß der Erfindung größer ist. Jedoch muß die thermische Dimensionierung des Rotors so bemessen sein, daß er nicht die Möglichkeiten zur Ausnutzung der Überlastkapazität begrenzt. Dies ermöglicht die Verwendung einer kleineren Maschine. Der Steuerbereich kann länger als mit der existierenden Technologie sein.
Um dies zu erreichen, ist der magnetische Kreis der elektrischen Maschine, die zu der Synchron-Kompensatoranlage gehört, mit einem eingefädelten permanenten isolierten Kabel versehen, welches geerdet ist. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen magnetischen Kreises.
Der größte und wesentliche Unterschied zwischen der bekannten Technologie und der Ausführung gemäß der Erfindung besteht darin, daß dies mit einer elektrischen Maschine erreicht wird, die mit einer massiven Isolation versehen ist, wobei der/die magnetische Kreis/magnetischen Kreise der Wicklung(en) zum direkten Anschluss über Leistungsschalter und Isolatoren an eine hohe Versorgungsspannung von zwischen 20 und 800 kV, vorzugsweise über 36 kV, ausgebildet ist. Der magnetische Kreis enthält daher einen lamellierten (geblechten) Kern, der eine Wicklung trägt, die aus einem eingefädelten Kabel mit einem oder mehreren permanent isolierten Leitern besteht, welches mit einer halbleitenden Schicht sowohl an dem Leiter als auch an der Außenseite der Isolation versehen ist, wobei die äußere halbleitende Schicht an das Erdpotential angeschlossen ist.
Um die Probleme zu lösen, die sich aus dem direkten Anschluss elektrischer Maschinen an alle Typen von Hochspannungs-Starkstromnetzen ergeben, ist eine Maschine in der Anlage gemäß der Erfindung mit einer Anzahl von Merkmalen, wie sie oben erwähnt wurden, versehen, die sich deutlich von der bekannten Technologie unterscheiden. Zusätzliche Merkmale und weitere Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen definiert und im folgenden diskutiert.
Zu den Merkmalen wie oben erwähnt und anderen wesentlichen Charakterista einer Synchron-Kompensatoranlage und der elektrischen Maschine, die gemäß der Erfindung in dieser Anlage enthalten ist, gehören die folgenden:

– Die Wicklung des magnetischen Kreises ist aus einem Kabel hergestellt, welches einen oder mehrere permanent isolierte Leiter enthält mit einer halbleitenden Schicht sowohl an dem Leiter als auch an der Außenseite der Isolation. Einige typische Leiter dieser Art sind XLPE-Kabel oder ein Kabel mit EP-Gummiisolation, die jedoch für den vorliegenden Zweck weiterentwickelt wurden sowohl hinsichtlich der Einzelleiter (strands) des Leiters als auch der Art der äußeren Umhüllung. XLPE = vernetztes Polyethylen (XLPE). EP = Ethylenpropylen.
– Kabel mit kreisförmigem Querschnitt werden bevorzugt, jedoch können Kabel mit einigen anderen Querschnitten verwendet werden, um beispielsweise eine bessere Packungsdichte zu erreichen.
– Ein solches Kabel erlaubt es, den lamellierten Kern gemäß der Erfindung hinsichtlich der Nuten und der Zähne in einer neuen und optimalen Weise zu gestalten.
– Die Wicklung wird vorzugsweise zur besseren Ausnutzung des lamellierten Kerns mit einer abgestuften Isolation versehen.
– Die Wicklung wird vorzugsweise als eine mehrlagige konzentrische Kabelwicklung hergestellt, wodurch die Anzahl der Wicklungskopf-Überschneidungen reduziert werden kann.
– Die Nutform ist dem Querschnitt des Wicklungskabels angepaßt, so daß die Nuten die Gestalt einer Anzahl zylindrischer Öffnungen haben, die achsial und/oder radial getrennt voneinander verlaufen und eine offene Einschnürungen haben, die zwischen den Lagen der Statorwicklung verlaufen.
– Die Gestalt der Nuten ist dem relevanten Kabelquerschnitt und der abgestuften Isolation der Wicklung angepaßt. Die abgestufte Isolation ermöglicht es, daß der magnetische Kern Zähne mit einer im wesentlichen konstanten Breite hat, unabhängig von der radialen Erstreckung.
– Die oben genannte weitere Entwicklung, soweit sie die Einzelleiter betrifft besteht darin, daß die Wicklungsleiter aus einer Anzahl zusammengepreßter Lagen besteht, das heißt, aus isolierten Einzelleitern, die unter dem Gesichtspunkt einer elektrischen Maschine nicht notwendigerweise korrekt transponiert, unisoliert und/oder gegeneinander isoliert sind.
– Die oben genannte weitere Entwicklung, soweit sie die äußere Umhüllung betrifft, besteht darin, daß an geeigneten Stellen entlang der Länge des Leiters die äußere Schicht entfernt ist, wobei jede Teillänge der äußeren Schicht direkt an das Erdpotential angeschlossen ist.

Die Verwendung eines Kabels der oben beschriebenen Art erlaubt es, die gesamte Länge der äußeren Umhüllung der Wicklung ebenso wie andere Teile der Anlage auf Erdpotential zu halten. Ein wichtiger Vorteil besteht darin, daß das elektrische Feld im Bereich der Wicklungsköpfe außerhalb der äußeren halbleitenden Schicht nahe bei Null liegt. Mit Erdpotential an der äußeren halbleitenden Schicht ist es nicht erforderlich, das elektrische Feld zu steuern. Das bedeutet, daß es zu keinen Feldkonzentrationen kommt, weder in dem Kern noch im Bereich der Wicklungsköpfe oder in den Übergängen zwischen diesen.
Die Mischung von isolierten und/oder nicht-isolierten zusammengepreßten Einzelleitern oder transponierten Einzelleitern resultieren in niedrigen Streuungsverlusten.
Das Hochspannungskabel, welches in der Wicklung des magnetischen Kreises verwendet wird, besteht aus einem inneren Kern/Leiter aus einer Vielzahl von Einzelleitern, mindestens zwei halbleitenden Schichten, wobei die innere von einer Isolationsschicht umgeben ist, die ihrerseits von einer äußeren halbleitenden Schicht umgeben ist, und es hat einen Außendurchmesser in der Größenordnung von 20 bis 25o mm und einen Leiterquerschnitt in der Größenordnung von 30 bis 3000 mmm².
Gemäße einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung haben mindestens zwei dieser Schichten, vorzugsweise alle drei, denselben Wärmeausdehnungskoeffizient. Hierdurch wird der entscheidende Vorteil erreicht, daß Fehler, Risse oder dergleichen als Folge wärmebedingter Bewegungen in der Wicklung vermieden werden.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung des magnetischen Kreises für die elektrische Maschine, die zu der Synchron-Kompensatoranlage gehört. Gemäß diesem Verfahren wird die Wicklung dadurch in den Nuten untergebracht, daß das Kabel durch die zylindrischen Öffnungen in die Nuten eingefädelt wird.
Unter einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung wurde die Aufgabe gelöst, daß eine Anlage derart wie sie im Oberbegriff des Anspruches 35 beschrieben wird, die speziellen Merkmale enthält, die im charakteristischen Teil dieses Anspruches definiert sind.
Da das Isoliersystem, zweckmäßigerweise permanent, so beschaffen ist, daß es unter thermischen und elektrischen Gesichtspunkten für über 36 kV dimensioniert ist, kann die Anlage an Hochspannungsnetze ohne einen zwischengeschalteten hochtransformierenden Transformator angeschlossen werden, wodurch die oben genannten Vorteile erreicht werden. Eine solche Anlage ist vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, so beschaffen, daß sie die in den Ansprüchen 1 bis 34 für die Anlage beanspruchten Merkmale aufweist.
Die oben genannten und weitere vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung werden durch die abhängigen Ansprüche definiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Unter Bezug auf die beigefügten Figuren wird die Erfindung genauer beschrieben durch die folgende detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Konstruktion des magnetischen Kreises einer elektrischen Maschine der Synchron-Kompensatoranlage. Es zeigen:
1 ein einphasiges Diagramm der erfundenen Synchron-Kompensatoranlage,
2 eine schematische achsiale Endansicht eines Sektors des Stators einer elektrischen Maschine in der Synchron-Kompensatoranlage gemäß der Erfindung und
3 ein Endstück eines stufenweise freigelegten Kabels, welches in einer Wicklung des Stators gemäß 2 verwendet wird.
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform:
1 zeigt ein einphasiges Diagramm einer Synchron-Kompensatoranlage gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Maschine für einen direkten Anschluß an ein Starkstromnetz ohne einen hochtransformierenden Stufentransformator an zwei verschiedene Spannungsniveaus angeordnet ist.
In der schematischen achsialen Ansicht eines Sektors des Stators 1 gemäß 2, der zu der elektrischen Maschine der Synchron-Kompensatoranlage gehört, ist auch der Rotor 2 der Maschine angedeutet. Der Stator 1 besteht in herkömmlicher Weise aus einem lamellierten Kern. 1 zeigt einen Sektor der Maschine, der einer Polteilung entspricht. von dem Joch 3 des Kerns, welches radial am weitesten außen liegt, erstreckt sich eine Anzahl von Zähnen 4 radial in Richtung des Rotors 2 und getrennt durch Nuten 5, in denen die Statorwicklung angeordnet ist. Die Kabel 6, welche die Statorwicklung bilden, sind Hochspannungskabel, die im wesentlichen von gleicher Art sein können, wie solche, die für die Energieverteilung verwendet werden, zum Beispiel XLPE-Kabel. Ein Unterschied besteht darin, daß die äußere mechanisch schützende Umhüllung und der Metallschirm, der normalerweise ein solches Energieverteilerkabel umgibt, entfernt sind, so daß das Kabel für die vorliegende Verwendung nur den Leiter und mindestens eine halbleitende Schicht auf jeder Seite einer Isolationsschicht enthält. Somit liegt die halbleitende Schicht, die empfindlich gegen mechanische Beschädigung ist, nackt an der Oberfläche des Kabels.
Die Kabel 6 sind schematisch in 2 gezeigt, wobei nur der leitende zentrale Teil jedes Kabelteils oder jeder Spulenseite dargestellt ist. Wie man erkennt, hat jede Nut 5 einen sich verändernden Querschnitt mit abwechselnden weiten Teilen 7 und engen Teilen 8. Die weiten Teile 7 sind im wesentlichen kreisförmig und umgeben das Kabel, während die eingeschnürten Teile zwischen diesen enge Teile 8 bilden. Die eingeschnürten Teile dienen der radialen Fixierung der Position jedes Kabels. Der Querschnitt der Nuten 5 verengt sich auch radial nach innen. Dies geschieht deshalb, weil die Spannung an den Kabelteilen umso niedriger ist, je dichter sie am radial inneren Teil des Stators liegen. Dort kann daher ein schlankeres Kabel verwendet werden, während weiter außen dickere Kabel notwendig sind. In dem gezeigten Beispiel werden Kabel mit drei verschiedenen Abmessungen verwendet, die in drei entsprechend dimensionierten Abschnitten 51, 52, 53 der Nuten 5 angeordnet sind. Eine Hilfsleistungswicklung 9 ist am weitesten außen angeordnet.
3 zeigt ein stufenweise freigelegtes Ende eines Hochspannungskabels zur Verwendung in einer elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Hochspannungskabel 6 enthält einen oder mehrere Leiter 31, von denen jeder aus einer Anzahl von Einzelleitern 36 besteht, die zusammen beispielsweise einen kreisförmigen Querschnitt aus Kupfer (Cu) bilden. Diese Leiter 31 sind in der Mitte des Hochspannungskabels 6 angeordnet, und in dem gezeigten Ausführungsform ist jeder Leiter von einer Teilisolation 35 umgeben. Es ist jedoch möglich, daß die Teilisolation 35 an einem der vier Leiter 31 weggelassen werden kann. Die Anzahl der Leiter 31 ist natürlich nicht auf die Zahl vier beschränkt, sondern kann größer oder kleiner sein. Die Leiter 31 sind zusammen von einer ersten halbleitenden Schicht 32 umgeben. Um diese erste halbleitende Schicht 32 ist eine Isolationsschicht 33 angeordnet, zum Beispiel eine XLPE-Isolation, die ihrerseits von einer zweiten halbleitenden Schicht 34 umgeben ist. Somit erfordert der Begriff "Hochspannungskabel" in dieser Anmeldung nicht das Vorhandensein eines metallischen Schirms oder einer äußeren Umhüllung der Art, die normalerweise ein solches Kabel für Energieverteilung umgibt.

Claims

Synchronkompensatoranlage mit mindestens einer rotierenden elektrischen Maschine, die mindestens eine Wicklung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung in mindestens einer der elektrischen Maschinen ein Isolationssystem enthält, zu welchem mindestens zwei halbleitende Schichten gehören, von denen jede im wesentlichen eine Äquipotentialfläche bildet, sowie auch eine zwischen den halbleitenden Schichten angeordnete feste Isolation.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Schichten im wesentlichen den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat wie die feste Isolations.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung aus einem Hochspannungskabel (6) aufgebaut ist und einen oder meherer stromführende Leiter (31) enthält, die von mindestens zwei halbleitenden Schicht (32, 34) umgeben sind, zwischen denen sich eine Schicht (33) aus festem Isolationsmaterial befindet.
Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die innerste halbleitende Schicht (32) im wesentlichen auf dem gleichen Potential liegt wie der/die Leiter (31).
Anlage nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere halbleitende Schicht (34) im wesentlichen eine Äquipotentialfläche bildet, welche den/die Leiter (31) umgibt.
Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte äußere halbleitende Schicht (34) an ein gewähltes Potential angeschlossen ist.
Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem gewählten Potential um das Erdpotential handelt.
Anlage nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei der genannten Schichten im wesentlichen denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten haben.
Anlage nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der stromführende Leiter aus einer Vielzahl von Einzelleitern besteht, wobei nur einige der Einzelleiter nicht gegeneinander isoliert sind.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet daß die Wicklung aus einem Kabel besteht, zu welchem gehören ein oder meherer stromführende Leiter (31), von denen jeder aus einer Anzahl von Einzelleitern (36) besteht, eine innere halbleitende Schicht (32), die um alle Leiter gemeinsam angeordnet ist, eine Isolationsschicht (33) aus festem Isolationsmaterial, die um die genannte innere halbleitende Schicht (32) angeordnet ist, und eine äußere halbleitende Schicht (34), die um die genannte Isolationsschicht (33) angeordnet ist.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Kreis in einer rotierenden elektrischen Maschine angeordnet ist, deren Stator (3) auf Erdpotential gekühlt wird.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Kreis der elektrischen Maschine eine Statorwicklung enthält, die in Nuten (5) untergebracht ist, welche aus einer Anzahl zylindrischer Öffnungen (7) bestehen, die in achsialer und radialer Richtung außerhalb voneinander verlaufen, im wesentlichen einen kreisförmigen Querschnitt haben und durch enge Einschnürabschnitte (8) zwischen den zylindrischen Öffnungen voneinander getrennt sind.
Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen der Statorwicklung stern-geschaltet sind.
Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Sternpunkt der Statorwicklung gegenüber dem Erdpotential isoliert ist oder über eine hochohmige Impedanz an das Erdpotential angeschlossen ist und gegen Überspannungen durch Spannungsableiter geschützt ist.
Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Sternpunkt der Statorwicklung über ein Unterdrückungsfilter (Sperrfilter) für die dritte Oberwelle geerdet ist, welches Unterdrückungsfilter so ausgelegt ist, daß es die dritte Oberwelle im Strom der elektrischen Maschine stark reduziert oder eliminiert und gleichzeitig so bemessen ist, daß es Spannungen und Ströme im Falle von Fehlern in der Anlage begrenzt.
Anlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterdrückungsfilter gegen Überspannungen durch Spannungsableiter geschützt ist, die parallel zu dem Unterdrückungsfilter angeschlossen sind.
Anlage nach Anspruch 3 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Kabel (6), welches die Statorwicklung bildet, eine graduell (nach und nach) abnehmende Isolationsstärk hat, gesehen in Richtung von der Hochspannungsseite zum Sternpunkt.
Anlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die graduelle Abnahme der Dicke der Isolation in Stufen oder kontinuierlich erfolgt.
Anlage nach Anspruch 12 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß der kreisförmige Querschnitt (7) der im wesentlichen zylindrischen Nuten (5) für die Statorwicklung einen abnehmenden Radius hat, gesehen vom Joch in Richtung zum Rotor.
Anlage nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Teil eine Trägheit besitzt und eine elektromotorische Kraft entwickelt.
Anlage nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine durch eine lokale Stromversorgung gestartet werden kann.
Anlage nach Anspruch 21 dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine zwei oder mehr Pole hat.
Anlage nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (2) und der Stator (3) so ausgelegt sind, daß bei Nennspannung, Nennleistungsfaktor und übererregtem Betrieb die erwärmungs-bedingten Stromgrenzen im Stator und im Rotor etwa gleichzeitig überschritten werden.
Anlage nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (2) und der Stator (3) so ausgelegt sind, daß bei Nennspannung, Nennleistungsfaktor und übererregtem Betrieb der erwärmungs-bedingte Statorstrom-Grenzwert überschritten wird, bevor der erwärmungs-bedingte Rotorstrom-Grenzwert überschritten wird.
Anlage nach einem der Ansprüche 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine 100-prozentige Überlastungskapazität bei Nennspannung, Nennleistungsfaktor und übererregtem Betrieb hat.
Anlage nach einem der Ansprüche 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor ausgeprägte Pole hat (Schenkelpolmaschine).
Anlage nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Quer-Synchronreaktanz bedeutend kleiner ist als die Längs-Synchronreaktanz.
Anlage nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine mit einem Erregersystem ausgerüstet ist, welches sowohl positive und negative Erregung ermöglicht (Übererregung und Untererregung).
Anlage nach einem der Ansprüche 3 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungskabel (6) mit fester Isolation einen Leiterquerschnitt zwischen 30 und 3000 mm² und einen äußeren Kabeldurchmesser zwischen 20 und 250 mm haben.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator- und der Rotorkreis (3, 2) mit Kühleinrichtungen versehen sind, in denen das Kühlmittel flüssig und/oder gasförmig ist.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine zum Anschluß an meherere unterschiedliche Spannungsniveau eingerichtet ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine ohne einen spannungserhöhenden Transformator an das Starkstromnetz angeschlossen ist.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung der Maschine für eine selbstregelnde Feldregelung eingerichtet ist und keine Hilfseinrichtungen zur Regelung des Feldes hat,
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung ein Isolationssystem hat, welches hinsichtlich seiner thermischen und elektrischen Eigenschaften eine Spannung der Maschine zuläßt, die 36 kV überschreitet.
Rotierende elektrische Maschine in Gestalt eines Synchronkompensators mit mindestens einer Wicklung, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung ein Isolationssystem hat, zu welchem mindestens zwei halbleitende Schichten mit einer zwischen ihnen angebrachten festen Isolation gehören, wobei jede halbleitende Schicht eine Äquipotentialfläche bildet.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß sie die Merk male enthält, die für die elektrische Maschine in der Anlage gemäß einem der Ansprüche 2 bis 35 definiert sind.