KR20000016094A

KR20000016094A - 동기보상기 설비

Info

Publication number: KR20000016094A
Application number: KR1019980709661A
Authority: KR
Inventors: 마츠 레이존; 버틸 베그린
Original assignee: 에이비비 에이비
Priority date: 1996-05-29
Filing date: 1997-05-27
Publication date: 2000-03-25
Also published as: TW516746U; ZA974708B; CO4650252A1; WO1997045288A2; CN101546932A; CA2255769A1; AR007335A1; EP0901701B1; US20050127773A1; CN1220041A; UA42867C2; BR9709397A; EP0901704A1; AR007338A1; EA199801054A1; JP3970934B2; AU2988097A; PE68798A1; ATE251358T1; IS1818B

Abstract

동기보상기 설비의 자기회로가 20-800kV, 바람직하게는 36kV 이상의 고압공급전압에 직접 연결된 하나의 전기기계에 포함된다. 전기기계는 고체절연부가 구비되며, 권선(들)은 최소한 하나의 외측 및 하나의 내측 반도체층(34, 32)과 그 중간 절연층(33)에 의하여 둘러싸이고 다수의 소선(36)으로 구성된 하나 또는 그 이상의 전도성 도선들(31)을 포함하여 구성된 하나의 고전압용 케이블(6)로 이루어진다.

외측 반도체층(34)는 지전위에 있다. 권선의 위상은 Y-결선되고, Y 포인트는 서지 어레스터수단에 의해 과전압으로부터 절연되고 보호되거나, 서프레션필터를 거쳐 어스된다.

그러한 설비를 위한 동기보상기 제조에 있어서, 사용되는 케이블이 동기보상기의 자기회로용 철심에서 개방부 안쪽으로 쓰레드 처리되는 과정이 이용된다.

Description

동기보상기 설비

교류를 전달하는 모든 전력시스템에는 무효전력(reactive power)이 존재한다. 많은 부하는 유효전력(active power)뿐만 아니라 무효전력도 소모한다.

송전 및 배전은 변압기, 가공선(overhead line) 및 케이블에서의 직렬 인덕턴스에 기인한 무효손실(reactive loss)을 수반한다. 가공선 및 케이블은 또한 위상(phase)들 사이 및 위상들과 지전위(earth potential)간의 용량결선(capacitive connections)으로 인하여 무효전력을 발생시킨다.

교류시스템의 정상운전(定常動作 ; stationary operation)에서, 공칭주파수(nominal frequency)를 얻기 위해서는 유효전력의 발생 및 소모가 일치되어야 한다.

동일하게 강한 커플링(equally strong coupling)이 전력네트워크의 전압들과 무효전력밸런스(balance) 사이에 존재한다. 만일 무효전력의 소모 및 발생이 적당한 방법으로 밸런스를 이루지 않는다면, 그 결과 전력네트워크의 여러부분들에서 수용될 수 없는 전압수준이 생길 가능성이 있다. 한 부위에서 무효전력의 과잉은 고전압으로 나타나고, 부족(deficiency)은 저전압으로 나타난다.

공칭주파수에서 제너레이터의 유효전력시동기(starter)만을 이용한 제어가 가능한 유효전력밸런스와는 반대로, 적당한 무효전력밸런스는 시스템에 분산된 다른 구성요소들과 동기 제너레이터의 제어 가능한 여자(excitation)의 도움으로 얻어진다.

이런 (위상보상) 구성요소들의 예로는 병렬리액터(shunt reactors), 병렬캐패시터(shunt capacitors), 동기보상기(synchronous compensator) 및 SVC (static var. compensator) 등이 있다.

전력네트워크에서의 이러한 위상보상 구성요소의 위치는 전력네트워크 여러부분에서의 전압에 영향을 줄 뿐 아니라, 유효전력 전달과 마찬가지로 무효전력 전달은 손실, 즉 가열(heating)을 발생시키기 때문에 전력네트워크에서의 손실에도 영향을 준다. 결과적으로 손실이 최소화 되도록 전력네트워크 모든 부분에서의 전압이 수용될 수 있는 위상보상 구성요소들을 배치함이 요구된다.

병렬리액터 및 병렬캐패시터는 전력네트워크에 통상 완전히(permanently) 연결되거나, 또는 기계적 차단기 메카니즘을 통해 연결된다. 즉, 이러한 구성요소들에 의해 소모/발생된 무효전력은 계속적으로 제어될 수 없다. 한편, 동기보상기 및 SVC에 의해 발생/소모되는 무효전력은 계속적으로 제어될 수 있다. 이러한 두 구성요소들은 결과적으로 고효율(high-performance) 전압제어가 요구될 때 이용된다.

동기보상기 및 SVC를 이용한 위상보상 기술을 아래에 간단히 기술한다.

동기보상기는 원칙적으로 무부하에서 작동되는 것으로서, 즉 전력네트워크에서 기계손실(machine loss)에 해당하는 유효전력을 취한다.

동기보상기의 회전자 축은 통상 수평이고, 회전자는 일반적으로 6개 또는 8개의 돌극(salient poles)을 가진다. 회전자는 통상 열적으로 치수화되어(thermally dimensioned) 있으므로 동기보상기가 과여자상태(over-excited state)에서, 피상전력(apparent power)의 약 100%를 발생시키고, 고정자는 무효전력형태로 정격출력을 내도록 열적으로 치수화되어 있다. 저여자상태(under-excited)에서, 동기보상기가 무효전력을 소모할 때, 그것은 정격출력의 약 60%(표준치. 어떻게 치수화 되었는가에 따름)를 소모한다. 이것은 무효전력의 소모/발생이 계속적으로 제어될 수 있는 정격출력의 약 160%의 제어영역(control area)을 제공한다. 만일 기계가 가로방향(transverse direction)으로 상대적으로 적은 리액턴스를 가진 돌극을 가지며, 정(positive) 및 역(negative) 여자를 일으킬 수 있는 여자장치가 구비되었다면, 이 기계가 한계 안정도(stability limit)를 초과함이 없이, 상술한 정격출력의 60%보다 더 많은 무효전력이 소모될 수 있다. 최신 동기보상기는 급속 여자시스템, 바람직하게는 직류가 슬립링(slip rings)을 거쳐 회전자에 공급되는 사이리스터-제어 스태틱 여자기(static exciter)를 갖추고 있는 것이 보통이다. 이런 해결책은 상기와 같이 정·역 전력공급(positive and negative supply)을 가능하게 한다.

동기보상기의 자기회로는 예를 들면 용접구조로 된 박강판의 적층철심(laminated core)으로 통상 구성된다. 환기와 냉각을 위하여 때때로 철심은 방사상 및/또는 축주위로 향하는(radial and/or axial) 환기덕트를 가진 스택(stacks)들로 분리된다. 대형 기계의 경우, 적층물(laminations)은 기계의 프레임에 부착되는 단편(segments)들로 펀칭되고, 적층철심은 압축핑거(pressure figers) 및 압축링(pressure ring)에 의해 지지된다. 자기회로의 권선(winding)은 철심의 슬롯홈(slot)에 배치되고, 슬롯홈은 통상 직사각형 또는 사다리꼴(trapezium)형의 단면을 가진다.

다위상(multi-phase)전기기계에서, 권선은 단층 또는 복층권선으로 제조된다. 단층권선에서는 슬롯홈당 하나의 코일변(coil side)만이 있으나, 복층권선에서는 슬롯홈당 두 개의 코일변이 있다. 코일변이란 수직 또는 수평으로 결합되고 공통코일 절연부(common coil insulation), 즉 기계의 지전위에 대한 정격전압을 견디도록 설계된 절연부가 구비된 하나 또는 그 이상의 도선들(conductors)이다.

복층권선들은 통상 다이아몬드권선으로 만들어지고, 그 반면에 본 발명의 단층권선들은 다이아몬드권선 또는 평형권선(flat winding)으로 할 수 있다. 다이아몬드권선에는 단 하나(둘도 가능)의 코일 폭이 존재하는 반면, 평형권선에는 동심원권선, 즉 광범위하게 변하는 코일 폭(coil width)을 갖도록 할 수 있다. 코일 폭이란 동일한 코일의 두 코일변사이의 아크 치수(arc dimension)의 거리를 말한다.

일반적으로 모든 대형 기계들은 동일크기의 코일과 복층권선을 갖도록 만들어진다. 각 코일은 일측이 하나의 층에 그리고 타측이 다른 층에 오도록 위치한다. 이것은 모든 코일이 코일단부에서(in the coil end) 서로 교차하는(transpose) 것을 의미한다. 만일 2개층 이상이 되면, 이들 교차로 인해 권선작업이 복잡해지고 코일단부가 덜 만족스럽다.

회전기계용 코일이 10∼20kV의 범위에 걸쳐 좋은 결과를 갖도록 제조되어야 할 것으로 생각된다.

동기보상기는 상당한 단기 과부하용량을 갖는다. 전기-기계진동이 전력계통에서 일어날 때의 상황에서, 동기보상기는 정격출력의 2배까지의 무효전력을 간단히 공급할 수 있다. 동기보상기는 또한 더 많은 장기지속 과부하용량을 가지며, 때때로 30분간에 이르기까지 정격출력의 10∼20% 이상을 공급할 수 있다.

동기보상기는 몇 MVA에서 수백 MVA에 이르기까지의 규격이 있다. 질소가스에 의해 냉각되는 동기보상기의 손실은 대략 10W/kvar에 이르는 반면, 공냉 동기보상기의 경우 대략 20W/kvar이다.

동기보상기는 긴 방사상 송전선(transmission lines)의 수전단(receiving ends) 그리고 긴 송전선을 가지는 차폐(masked) 전력네트워크 내의 중요한 접속점, 특히 국지발전이 거의 없는 지역에 설치하는 것이 바람직했다. 동기보상기는 또한 HVDC인버터 스테이숀 근처의 단락전력(short-circuit power)을 증가시키기 위해 사용 된다.

동기보상기가 전력네트워크에서 가장 빈번하게 연결된 것은 그 설계전압보다 실질적으로 전압이 높은 지점이다. 이것은, 도1의 단일선 다이아그램에 나타나 있듯이, 동기 보상기 설비는 일반적으로 동기보상기외에 체승변압기, 동기보상기와 변압기 사이의 부스바시스템, 동기보상기와 변압기 사이의 제너레이터 브레이커, 변압기와 전력네트워크 사이의 라인 브레이커를 포함한다.

최근에 와서, 새로운 시설에 있어 SVC가 동기보상기를 널리 대체해 왔는데, 그것은 특히 가격상의 이점 때문이지만, 어떤 경우에는 기술적인 이점에 기인하기도 한다. SVC는 오늘날 무효전력보상에 관한 선도적 개념이며 송전네트워크의 동기보상기를 대체하는 많은 경우와 마찬가지로, 전기아크로(electric arc furnace)와 관련하여 산업적으로 응용되기도 한다. SVC는, 동기보상기와는 반대로, 움직이는 또는 회전하는 주된 부품이 없다는 의미에서 정적, 고정적(static)이다.

SVC기술은 반도체, 사이리스터로 만들어진 급속차단기를 기초로 한다. 사이리스터는 수백만 분의 1초에 아이솔레이터(isolator, 단로기/부도체)로부터 도체(conductor)로 전환할 수 있다. 캐패시터와 리액터는 사이리스터 브릿지를 이용함으로써 무시해도 좋을 만큼의 지연을 거쳐 연결되거나 연결이 끊어질 수 있다. 이들 두 구성재를 결합함으로써 무효전력이 무단으로(steplessly) 공급되거나 추출될(extracted) 수 있다. 상이한 무효전력을 가지는 캐패시터 뱅크는 공급된 무효전력을 단계적으로 (in steps) 제어되도록 할 수 있다.

SVC설비는 캐패시터 뱅크와 리액터의 두 가지로 이루어지며, 사이리스터가 고조파를 발생시키므로, 이 설비는 고조파 필터도 포함한다. 크기와 가격의 관점에서 최적보상을 얻기 위해, 제어장치 외에도 보상장치와 네트워크사이에 하나의 변압기를 필요로 한다. SVC설비는 765kV의 공칭전압에 이르기까지의 수 MVA루부터 650 MVA까지의 크기가 있다.

SVC설비는 캐패시터와 리액터가 어떻게 결합되는가에 따라 명명되는 여러 가지 형태가 있다. 포함될 수 있는 2가지의 통상적 요소는 TSC 또는 TCR이다. TSC는 사이리스터-제어 무효전력발생 캐패시터이고, TCR은 사이리스터-제어 무효전력소모 캐패시터이다. 통상적인 형태는 이들 요소를 결합한 TSC/TCR이다.

손실의 크기는 SVC가 어떤 형태의 설비에 속하는가에 크게 좌우되는데, 예를 들어 FC/TCR형 (FC는 캐패시터가 고정된 것을 의미함)은 동기보상기의 손실과 거의 비교할 수 있을 정도이다.

위상보상기술에 관한 위의 요약설명으로부터, 그것이 동기보상기와 SVC라고 하는 2가지의 주된 개념으로 나뉠 수 있다는 사실이 명백해졌다고 할 것이다.

이들 개념은 상이한 장점과 약점을 가진다. 동기보상기와 비교할 때, SVC는 값싸다고 하는 주된 이점이 있다. 그러나, 그것은 또한 여러 적용예에서 이점이 될 수도 있는 어느 정도 더 빠른 제어가 가능하게 해준다.

동기보상기와 비교할 때 SVC는 아래와 같은 점을 포함한 결점을 가진다;

⋅

과부하용량이 없다. 동작 중에 그 한계 용량에서 (at its capacitive limit) SVC는 원칙적으로 캐패시터가 되는 것으로서, 즉 전압이 강하하면 무효전력은 전압의 제곱으로 강하한다. 위상보상의 목적이 전력을 먼 거리에 이송하는 것이라면, 과부하용량이 없다는 것은 안정도문제의 발생을 피하기 위해 SVC가 동기보상기에 비해 보다 높은 정격출력을 선택해야 한다는 것을 의미한다.

⋅

TCR이 포함되어 있으면 필터가 필요하다.

⋅

내부전원을 가진 회전체(rotating mass)가 없다. 이것은 동기보상기의 이점이며, HVDC 송전의 인근에서 특히 그러하다.

본 발명은 신규한 동기보상기 설비에 관한 것이다.

회전전기기계는, 예를 들면, 하나의 네트워크에서의 위상보상을 얻기 위한 목적으로 무효전력을 발생/소모하는데 사용되도록 기동된다.

아래에 이러한 기술, 즉 무효전력을 보상하기 위하여 동기보상기, 기타 종래 기술에 의한 위상보상에 대하여 간단히 설명하였다.

무효전력은, 그것이 네트워크에 전송되어 손실을 일으키지 않도록 하기 위하여 소모점에서 국지적으로 보상되어야 한다. 병렬리액터, 병렬캐패시터, 동기보상기 및 SVC는 송전 및 부차적 송전(sub-transmission)네트워크의 무효전력의 필요를 보상하기 위한 상이한 방법을 대표한다.

원칙적으로, 동기보상기는 기계의 손실에 상응하여 뉴트랄로(in neutral)로 동작하는, 즉 네트워크으로부터 유효전력을 취하는 동기모터이다. 그 기계는 무효전력을 소모하거나 발생시키기 위하여 각각 저여자(under-excited)되거나 과여자될 수 있다. 무효전력의 소모와 발생은 계속적으로 조정될 수 있다.

저여자된 상태에서 동기보상기는 30분에 이르기까지에 걸쳐 10∼20%의 비교적 큰 단기 과부하용량을 가진다. 저여자된 상태에서, 무효전력을 소모하면 정격 출력(규격에 따른 표준치)의 약 60%를 소모하는 것이 보통이다. 이렇게 하여 정격출력의 약 160%의 제어영역이 주어진다.

만일 그 기계가 가로방향으로 상대적으로 적은 리액턴스를 가지는 돌극을 가지며 역(逆)여자를 가능하게 하는 여자설비(excitation plant)가 갖추어져 있으면, 한계 안정도를 초과함이 없이 상기 정격출력의 60%보다도 더 많은 무효전력을 소모할 수 있다. 현대의 동기보상기는 급속여자시스템, 바람직하게는 직류가 슬립링을 통해 회전자에 공급되는 사이리스터-제어 스태틱여자기를 갖추고 있는 것이 보통이다.

동기보상기는 오늘날, SVC가 갖추고 있지 않은 단락용량(short-circuiting capacity)을 증가시키는 동기보상기의 능력으로 인해, HVDC 인버터 스테이숀과 관련된 송전네트워크내의 무효전력을 발생시키고 소모하는데 주로 사용된다. 최근, 경비와 구조상의 이점으로 인해 새로운 설비에서는 SVC가 동기보상기를 대체하여 왔다.

본 발명은 맨 먼저 언급한 개념, 즉 동기보상에 관한 것이다.

본 발명은 배전 또는 송전 네트워크(이하 전력네트워크이라 함)와 연결하기 위한 전기기계에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 상기 목적을 위한 동기보상기 설비에 관한 것이다.

본 발명을 동기보상기 설비내의 전기기계의 자기회로의 구조에 관한 바람직한 실시예에 의해 첨부도면에 따라 아래에 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 동기보상기 설비의 단일선 다이아그램(single line diagram);

도 2는 본 발명의 동기보상기 설비내의 전기기계의 고정자의 한 섹터의 축방향단면 개요도(schematic axial end view);

도 3은 도 2의 고정자권선에 사용된 케이블의 계단식 피복제거상태를 보인 단면도이다.

바람직한 실시예의 상세한 설명

도1은 본 발명의 바람직한 실시예의 동기보상기의 단일선 다이아그램으로서, 2개의 상이한 전압수준에서, 아무런 체승변압기도 개재되지 않은 상태로, 기계가 전력네트워크에 직접 연결되도록 구성되어 있다.

동기보상기 설비에 포함된 전기기계에 관한 도 2에 있어서, 고정자(1)의 한섹터를 통한 축방향개요도에 있어서, 기계의 회전자(2)도 포함되어 있다. 고정자(1)는 통상의 방법으로 하나의 적층철심으로 구성되어 있다. 도 1은 하나의 폴 피치(pole pitch)에 상응하는 기계의 하나의 섹터를 보여준다. 가장 바깥쪽에 방사상으로 위치한 철심의 하나의 요크부(3)로부터, 다수의 치형(4)이 회전자(2)를 향해 방사상으로 뻗어서, 고정자권선이 구비된 슬롯홈(5)에 의해 격리된 상태로 되어 있다. 이 고정자권선을 형성하는 케이블(6)들은 고전압케이블로서, 예를 들어 PEX케이블처럼, 배전을 위해 사용되는 것과 실질적으로 동일한 형태일 수도 있다. 하나의 차이점은, 본 출원의 케이블이 오직 도선 그리고 적어도 하나의 절연층의 각 측면위의 적어도 하나의 반도체 층으로 구성되도록, 외측의 기계적 보호를 위한 피복 그리고 일반적으로 배전케이블을 둘러싼 금속스크린이 제거된다는 것이다. 그리하여, 기계적인 손상에 민감한 반도체층이 케이블 표면에 노출되어 있다.

케이블(6)들은 도 2에 개략적으로 도시되어 있어서, 코일변 또는 각 케이블부의 전도성 중앙부만이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 각 슬롯홈(5)은 광폭부(7)와 협소부(8)가 번갈아 있는, 다양하게 변하는 단면을 가진다. 광폭부(7)는 대체로 원형이고 케이블면피복부(cabling), 즉 협소부(8)를 형성하는 부위사이의 웨이스트부를 둘러싼다. 웨이스트부는 각 케이블의 위치를 방사상으로 고정시키는 역할을 한다. 슬롯홈(5)의 단면은 내측으로 방사상으로 좁아진다. 이것은 케이블부의 전압이 낮으면 낮을수록 케이블부가 고정자(1)의 방사상인 내측부에 더욱 가깝게 위치하기 때문이다. 그러므로 좀더 가느다란 케이블면피복부가 그곳에 사용될 수 있고, 그 반면에 좀더 성긴 케이블면피복부가 그 바깥쪽에 필요하다. 도시된 예에 있어서, 3가지 서로 다른 치수의 케이블이 사용되는데, 3개의 상응한 치수를 가진 구획부(51, 52, 53)가 슬롯홈(5)에 만들어져 있다. 하나의 보조전력권선(9)이 가장 바깥쪽에 배치되어 있다.

도 3은 본 발명에 의한 전기기계에 사용되는 고전압케이블을 계단식으로 벗겨낸 단면도를 나타낸 것이다. 고전압케이블(6)은 하나 또는 그 이상의 도선(31)으로 이루어지고, 각 도선은 다수의 소선(36)을 가지며, 소선은 예를 들어 구리로 만들어지고 함께 하나의 원형 단면을 형성한다. 이들 도선(31)은 고전압케이블(6)의 중앙부에 배치되고, 도시된 실시예에서 개별 절연부(part insulation ; 35)에 의해 둘러싸여 있다. 그러나, 개별절연부(35)는 네 개의 도선(31)중 하나에는 생략하는 것이 적합하다. 도선(31)의 수를 네 개로 한정할 필요가 없음은 물론이며, 그보다 많거나 적어도 된다. 도선(31)들은 함께 제1반도체 층(32)으로 둘러싸여 있다. 이 제1 반도체층(32)의 주위에, 예를 들어 PEX절연체로 된, 하나의 절연층(33)이 있고, 이 절연층은 다시 제2 반도체 층(34)으로 둘러싸여 있다. 그리하여, 본 출원에 있어서의 "고전압케이블"이라는 개념은 배전용 케이블을 일반적으로 둘러싸는 그러한 형태의 외장 또는 금속스크린을 포함할 필요가 없다.

이상과 같은 배경하에, 본 발명의 하나의 목적은, 36kV 및 그 이상의 전압 레벨의 고전압네트워크에 연결될 때 필요로 하는 전기적 구성재의 수를 감소시킴으로써, 공지기술로서도 가능한 개량된 동기보상기 설비를 제공하는 것이다.

이러한 목적은 특허청구의 범위 제1항의 전문에 기술된 형태의 설비가 동 청구항의 특징부분에 정의된 특징을 갖추고 있는 본 발명의 제1측면에 의해 성취 되었다.

동기보상기 설비내의 회전전기기계내의 권선(들)은 이러한 특별한 고체절연물(solid insulation)에 의해 제조된다는 사실에 힘입어, 이러한 형태의 통상적인 기계가 실제적으로 또는 재정적으로 구비할 수 있는 한계를 훨씬 넘는 전압수준을 기계가 가질 수 있다. 그 전압수준은 전력네트워크에서 배전 및 송전에 사용할 수 있는 어떠한 레벨까지도 도달할 수 있다. 그리하여, 중간에 체승변압기에 연결하지 않고도 동기보상기를 네트워크에 직접 연결할 수 있는 이점이 성취된다.

변압기의 제거 그 자체로 경비, 중량 및 점유공간을 크게 절약할 수 있으나, 종래의 동기보상기 설비에 비해 다른 결정적인 이점도 가지고 있다.

본 설비의 효율이 증가됨과 함께, 변압기의 무효전력의 소모 및 그에 따른 위상각의 터닝(turning)에 의해 초래되는 손실이 방지된다. 이것은, 시스템의 정적, 동적 여유 안정도(stability margins)에 대하여 적극적인 효과를 가진다. 더구나, 종래의 변압기는 오일이 들어 있어서, 화재의 위험이 있다. 본 발명에 의한 설비에서는 이러한 위험이 없고, 여러 가지 형태의 화재주의사항의 필요성이 감소된다. 다른 전기적 결합구성재와 보호장치도 많이 감소된다. 이로 인해 설비 비용이 감소되고 용역과 유지비의 필요성이 감소된다.

상기한 그리고 다른 이점들은 종래의 설비에 비해 상당히 작고 비용이 싼 동기보상기 설비이기에 가능하며, 그에 따라 유지비와 손실이 적어지게 되어 운전상의 경제성이 급격히 개선된다.

이와 같은 이점으로 인해 본 발명에 의한 동기보상기 설비는 SVC(상기 설명 참조)와 경제적으로 경쟁력이 있고, 그와 비교하여 비용상의 이점이 있기도 하다.

본 발명에 의해 동기보상기 개념이 SVC개념과 비교하여 경쟁력이 있다는 사실은 동기보상기 설비의 사용으로 복귀할 수 있게 해준다. SVC보상과 관련된 결점은 그러므로 더 이상 적절치 아니하다.

SVC설비에 복잡하고 부피가 커서 다루기 어려운 캐패시터와 리액터가 수용되어 있는 것이 오히려 결점의 하나이다. SVC기술이 갖는 다른 큰 결점은, 전압과 위상각 모두와 관련하여 회전전기기계에서 그 회전기전력(e.m.f.)에 의해 얻어지는 관성에 의해 얻어지는 것과 동일한 안정도를 제공하지 못한다고 하는 그 정적 보상(static compensation)이다. 그러므로 동기보상기는 네트워크의 임시적 간섭 및 위상각의 요동에 더욱 잘 적응할 수 있다. SVC설비를 제어하는 사이리스터는 또한 위상각의 변위에 민감하다. 본 발명에 의한 설비는 고조파문제를 해결할 수 있다.

본 발명에 의한 동기보상기는, 설비투자 및 운전의 두 가지 관점에서 우수한 비용으로 보다 효율적이고 안정된 보상이 얻어지도록, 동기보상기 기술이 SVC기술에 비해 가지고 있는 이점을 활용할 수 있게 해준다.

본 발명에 의한 설비는, 종래의 동기보상기와 SVC 모두와 비교할 때 작고 값싸며 효율적이고 신뢰성이 있다.

본 발명의 다른 목적은, HVDC 송전의 근처에서의 기전력 그리고 회전체(rotating mass)에 대한 의존도 및/또는 시스템안정도를 관리하기 위하여 송전 또는 부차적 송전에 직접 연결된, 빠르고 계속적으로 제어 가능한 무효전력에 대한 필요성을 만족시키는 것이다. 본 발명에 의한 설비는 수 MVA로부터 수천 MVA에 이르기까지 무엇이든지 공급할 수 있다.

상술한 목적을 만족시킴으로써 얻는 이점은, 그 리액턴스가 무효전력을 소모하는, 중간 변압기를 불필요하게 하는 것이다. 그리고 또한 종래의 고압차단기가 불필요하게 한다. 나아가, 회전보상(rotating compensation)이 있기 때문에 네트워크의 품질에 관하여도 이점이 있다. 본 발명에 의한 설비에서는 과부하용량도 증가되는데, +100%정도이다. 본 발명에 의한 동기보상기는, 종래의 동기보상기에 비해 단기 및 장기 과부하용량에 있어서 과여자 운전에서 보다 높은 과부하용량이 주어진다. 이것은 주로, 본 발명에 의한 고정자권선의 전기적 절연에서 고정자의 가열을 위한 시상수가 크기 때문이다. 그러나, 회전자의 열적 치수결정(thermal dimensioning)은 이러한 과부하용량의 가능성을 제한하지 않는 것이어야 한다. 이렇게 함으로써, 보다 작은 기계를 사용할 수 있게 한다. 제어구역은 기존 기술 보다 길어도 된다.

이를 달성하기 위하여 동기보상기에 포함된 전기기계내의 자기회로에는 접지를 포함하여 쓰레드처리된(threaded) 영구절연 케이블을 포함하고 있다. 본 발명은 또한 그러한 자기회로를 제조하기 위한 과정에 관한 것이기도 한다.

본 발명에 의한 실시예와 공지기술사이의 가장 크고 필수적인 차이점은 고체절연이 되어 있는 전기기계에 의해 성취되는 것으로서, 권선(들)의 자기회로(들)는20kV와 800kV사이, 바람직하게는 36kV보다 높은 고압공급전압에 차단기와 아이솔레 이터(isolators)를 거쳐 직접 연결되도록 구성되어 있는 것이다. 자기회로는 그리하여, 도선 그리고 절연체 외측 모두에 하나의 반도체층(semiconducting layer)을 가지는 하나 또는 그 이상의 영구절연도선을 가지는 하나의 쓰레드케이블(threaded cable)로 이루어진 하나의 권선부를 가지는 하나의 적층철심을 포함하여 구성된다.

전기기계를 모든 형태의 고압전력네트워크와 직접 연결하는데 따라 발생하는 문제점을 해결하기 위해 본 발명에 의한 설비내의 기계는 위에 설명한 바와 같이 공지기술과 상이한 여러 가지 특징을 가진다. 본 발명의 다른 특징과 실시예는 종속항에 정의되어 있으며 아래에 설명한다.

본 발명에 의한 동기보상기와 전기기계의 상기 특징과 기타의 필수적인 특징은 아래와 같다;

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전기기계의 권선은 도선과 피복(sheath) 모두에 하나의 반도체 층을 가지는, 하나 또는 그 이상의 영구절연도선을 가지는 케이블로 만들어진다. 이러한 형태의 몇몇 전형적인 도선들은 PEX(corsslinked polyethylene) 케이블이거나 EP(ethylene propylene) 고무절연케이블이지만, 이들은 본 발명의 목적을 위해 도선내에 소선(strands) 및 외장 (outer strand)의 성질 모두에 관하여 더 발전 되었다.

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원형단면을 가지는 케이블이 바람직하지만, 다른 단면을 가지는 케이블들도, 예를 들어 보다 나은 충전밀도(packing density)를 얻기 위해 사용될 수도 있을 것이다.

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그러한 케이블은 적층철심으로 하여금 본 발명에 따라 슬롯홈과 치형(tooth) 에 관해 새롭고 적정한 방법으로 설계될 수 있게 해준다.

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권선은 적층철심의 최대 이용을 위해 여러 단계의 절연을 거쳐 제조되는 것이 바람직하다.

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권선을 다층구조의(multi-layerrd) 동심케이블권선으로 함으로써 코일단부 교차점(coil-end intersections)의 수를 줄일 수 있도록 제조하는 것이 바람직하다.

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슬롯홈들은 축방향으로 그리고/또는 각각 밖으로 방사상으로 뻗어 있고 고정자권선의 층사이에 형성된 하나의 개방웨이스트(open waist)를 가진 몇 개의 원통형 개구부의 형태를 갖도록, 권선케이블의 단면에 적합하게 설계된다.

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슬롯홈의 디자인은 해당 케이블단면과 계단형 권선절연층에 맞추어진다. 계단형 절연층은, 방사상 연장부와는 관계없이, 자기철심이 실질적으로 변함없는 치형폭을 갖도록 해준다.

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소선에 관하여 상술한 바와 같이 더 이루어진 발전은, 권선도선들이 수개의 조밀하게 매입된(impacted)층을 가지는 것으로서, 즉 전기기계의 관점에서 절연소선들은 서로 절연되지 아니하거나 그리고/또는 절연되거나 하는 옳게 교차(transpose)되는 것이 필수적은 아니다.

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외장에 관하여 상술한 바와 같이 이루어진 발전은, 도선의 길이방향의 적당한 곳에서, 외장이 절단되어 각 절단된 부분의 길이가 직접 지전위에 연결된 상태를 수반한다.

상술한 형태의 케이블을 사용함으로써 권선의 외장이 전체길이에 걸쳐, 설비의 다른 부분들과 마찬가지로, 지전위로 유지될 수 있도록 한다. 중요한 이점은 외측의 반도체층 밖의 코일단부 구역내의 전계가 0에 가깝다는 것이다. 외장의 지전위로 인해, 전계는 제어될 필요가 없다. 이것은 코일내에서나, 코일단부 구역내에서나 그들 사이의 천이부분(transition)에서 전혀 전계집중(field concentrations)이 일어나지 않을 것임을 의미한다.

절연된 그리고/또는 절연되지 않은 조밀 매입소선들 또는 번갈아 위치한 소선들의 혼합으로 인해 낮은 표유손실(stray losses)이 생긴다.

자기회로권선내에 사용된 고전압용케이블은 복수의 소선들을 가지는 하나의 내부철심/도선, 적어도 2개의 반도체 층으로 구성되는데, 가장 내측에 있는 내부 철심/도선은 하나의 절연층으로 둘러싸이고, 그것은 다시 20∼250㎜정도의 외경과 30∼3,000㎟정도의 도선영역(conductor area)을 가지는 반도체 층의 외층에 의해 둘러싸여 있다.

본 발명의 특히 바람직한 실시예에 의하면, 이들 반도체층의 적어도 2개층, 바람직하게는 3개층 모두 동일한 열팽창계수를 갖는다. 권선내의 열적 이동(thermal movement)에서 결함, 틈새 또는 그와 유사한 것이 존재하지 않게 할 수 있다는 것이 결정적이다.

본 발명은 또한 동기보상기 설비에 포함된 전기기계용 자기회로를 제조하는 과정에 관한 것이다. 그 과정은 슬롯홈내의 원통형 개구부를 통해 케이블에 쓰레드를 형성함으로써 슬롯홈내에 권선이 위치하도록 하는 것을 수반한다.

본 발명의 다른 측면에서 볼 때, 청구항 제35항의 전문에 기술된 형태의 설비에 동 청구항의 특징부에 정의된 특별한 특징이 부여됨으로써, 본 발명의 목적이 성취되었다. 열적 또는 전기적 관점에서 본 발명의 설비는 아무런 중간 체승변압기를 거치지 않고 36kV이상의 고압전력네트워크에 연결되고, 그에 따라 상술한 이점을 성취하도록, 절연시스템, 그중에서도 영구절연이 적당한 절연시스템이 창안되었다. 그러한 설비는 청구항 1∼34의 어느 하나에 청구된 설비에 대해 정의된 특징을 포함하도록 구성되는 것이 필수적이지는 않지만 바람직하다.

상술한 그리고 다른 이점을 가지는 본 발명의 실시예는 종속항에 정의되어 있다.

Claims

최소한 하나의 권선부를 가지는 최소한 하나의 회전전기기계를 포함하여 구성된 동기보상기 설비에 있어서, 전기기계중의 최소한 하나에서의 권선부가, 각층이 본질적으로 동전위표면을 형성하는 최소한 두 개의 반도체층과, 이들 사이의 고체절연부,를 포함하는 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
제1항에 있어서, 상기 반도체층들의 최소한 하나는 상기 고체절연부와 실질적으로 동일한 열팽창계수를 가지는 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
제1항 또는 제2항에 있어서, 고체절연재의 중간절연층(33)을 가지는 최소한 하나의 반도체층(32, 34)에 의해 둘러싸인 하나 또는 그 이상의 전류운반 도선(31)을 포함하여 구성된 고전압용 케이블에 절연부가 형성된 것을 특징으로하는, 동기보상기 설비.
제3항에 있어서, 가장 내측 반도체층(32)은 도선(31)(들)과 실질적으로 동일한 전위인 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
제3항 또는 제4항에 있어서, 외측 반도체층(34)의 하나는 도선(3)(들)을 둘러싸는 동전위면을 실질적으로 형성하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
제5항에 있어서, 상기 외측 반도체층(34)이 선택 전위에 연결된 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
제6항에 있어서, 상기 선택 전위가 지전위인 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
제3항 내지 제7항중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 반도체층들의 최소한 두 개는 실질적으로 동일한 열팽창 계수를 가지는 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
제3항 내지 제5항중 어느 하나의 항에 있어서, 전도성 도선은 다수의 소선으로 구성되고, 몇몇의 소선들만이 상호 절연되지 않은 것을 특징으로 하는, 동기 보상기 설비.
제1항 내지 제9항중 어느 하나의 항에 있어서, 권선부가, 각각 다수의 소선으로 이루어진 하나 또는 그 이상의 전도성 도선(12), 각 도선 둘레에 배치된 하나의 내측 반도체층(3), 각 내측 반도체층(3) 둘레에 배치된 고체절연재의 절연층(4) 및 각 절연층(4) 둘레에 배치된 하나의 외측 반도체층(5),으로 구성된 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
제10항에 있어서, 케이블이 금속스크린과 피복(sheath)을 또한 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
제1항 내지 제11항의 어느 하나의 항에 있어서, 자기회로가 회전전기기계에 배치되고, 회전전기기계의 고정자(3)는 지전위에 쿨링되는(cooled) 것을 특징으로 하는, 동기 보상기 설비.
제1항 내지 제12항의 어느 하나의 항에 있어서, 전기기계의 자기회로는 슬롯홈(5)에 위치되는 고정자권선으로 구성되며, 상기 슬롯홈(15)은 축주위로 및 방사상으로 각각 밖으로 뻗어 있는 다수의 원통형상 개구부(5) 형태를 가지도록 설계되며, 실질적으로 원형단면을 가지고 원통형상 개구부 사이의 협소한 웨이스트부(8)에 의해 분리된 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
제13항에 있어서, 고정자권선의 위상은 Y 결선된 것을 특징으로 하는, 동기 보상기 설비.
제14항에 있어서, 고정자권선의 Y 포인트는 지전위로부터 절연되거나 고저항(high-ohmic) 임피던스를 거쳐 지전위에 연결되고 서지 어레스터(surge arresters) 수단에 의해 고전압으로부터 보호되는 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
제14항에 있어서, 고정자권선의 Y 포인트는 제3 고조파 서프레션필터(third harmonic suppression filter)를 거쳐 어스되고, 서프레션필터는 설비장애의 경우에 전압과 전류를 제한하기 위하여 치수화된 것과 동시에 전기기계에서 제3 고조파전류를 크게 줄이거나 또는 제거하도록 설계된 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
제16항에 있어서, 서프레션필터는 서지 어레스터 수단에 의해 과전압으로부터 보호되고, 서지 어레스터는 서프레션필터와 병렬연결되는 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
제3항 또는 제14항에 있어서, 고정자권선을 형성하는 케이블(6)이 고전압측으로부터 Y 포인트쪽으로 두께가 점차 감소된 절연부를 가지는 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
제18항에 있어서, 절연두께의 점차적 감소는 계단식(stepwise) 또는 연속적인 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
제13항 또는 제18항에 있어서, 고정자권선(15)용이고 실질적으로 원통형상인 슬롯홈(5)의 원형단면은 요크부로부터 회전자쪽으로 감소되는 반경을 가지는 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
제12항 내지 제20항의 어느 하나의 항에 있어서, 회전부는 관성과 기전력을 가지는 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
제21항에 있어서, 기계가 하나의 국지전원으로부터 시동될 수 있는 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
제22항에 있어서, 기계는 둘 또는 그이상의 극(pole)을 가지는 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
제23항에 있어서, 회전자(2)와 고정자(3)가 치수화되어 있는 공칭 전압, 공칭 역률(power factor) 및 과여자 운전에서 열에 기초한(thermally based) 고정자와 회전자의 전류한계가 대략 동시에 초과되도록 하는 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
제23항 있어서, 회전자(2)와 고정자(3)가 치수화 되어 있는 공칭 전압, 공칭 역률(power factor) 및 과여자 운전에서 열에 기초한 고정자 한계전류가 열에 기초한 회전자 한계전류가 초과되기 전에 초과되도록 하는 것을 특징으로 하는, 동기 보상기 설비.
제24항 또는 제25항에 있어서, 공칭 전압, 공칭 역률 및 과여자 운전에서 100% 과부하용량을 가지는 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
제24항 또는 제25항에 있어서, 회전자의 극이 돌출된 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
제27항에 있어서, 횡축 동기 리액턴스가 직축 동기 리액턴스 보다 상당히 작은 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
제28항에 있어서, 기계가 정(正) 및 역(逆) 여자 모두를 일으킬 수 있는 여자시스템을 구비한 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
제3항 내지 제29항중 어느 하나의 항에 있어서, 고전압용 고체절연부를 가진 케이블(6)이 30 내지 3000㎟사이의 도선영역과 20 내지 250㎜사이의 외측 케이블 직경을 가지는 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
제1항 내지 제30항의 어느 하나의 항에 있어서, 고정자 및 회전자 회로(3, 2)가 냉각제(coolant)가 액상 및/또는 가스상인 냉각수단을 구비한 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
제1항 내지 제31항의 어느 하나의 항에 있어서, 기계가 여러 다른 전압레벨에 연결되도록 구성된 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
제1항 내지 제32항의 어느 하나의 항에 있어서, 기계가 어떠한 체승변압기(step-up transformer)없이 전력네트워크에 연결된 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
제1항 내지 제33항의 어느 하나의 항에 있어서, 기계의 권선부가 자기조정 전계를 하도록 배치되고, 전계제어를 위한 보조수단이 없는 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
최소한 하나의 권선부를 가진 최소한 하나의 회전전기기계를 포함하여 구성된 동기보상기 설비에 있어서, 열적 및 전기적 성질로 보아 그 권선부가 기계에 36kV이상의 전압레벨을 허용하는 절연시스템을 가지는 것을 특징으로 하는, 동기 보상기 설비.
제35항에 있어서, 제1항 내지 제34항의 어느 하나의 항에서 청구된 설비를 위하여 정의된 특성(features)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 동기보상기 설비.
최소한 하나의 권선부를 가진 동기보상기 형태의 회전전기기계에 있어서, 권선부가, 각층이 본질적으로 동전위면을 형성하는, 최소한 두 개의 반도체층과, 이들 사이에 배치된 고체절연부를 포함하는, 하나의 절연시스템을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는, 회전전기기계.
제37항에 있어서, 제2항 내지 제36항의 어느 하나의 항에서 청구된 설비의 전기기계를 위하여 정의된 특성을 포함하는 것을 특징으로 하는, 회전전기기계.