KR20010015815A - High voltage rotating electric machines - Google Patents
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Abstract
모든 형태의 고전압 네트워크로의 직접 접속을 위한 회전 전기장치로서, 고전압에 적당한 자기회로가, 회전자 (7), 고정자 (6) 및 적어도 하나의 권선을 포함한다. 권선 또는 적어도 하나의 권선은, 고체 절연체 시스템 (4) 에 의해 둘러싸인, 냉각된 도전수단 (3), 바람직하게, 냉각된 초도전수단을 포함한다.As a rotary electric device for direct connection to all types of high voltage networks, a magnetic circuit suitable for high voltage comprises a rotor 7, a stator 6 and at least one winding. The winding or at least one winding comprises a cooled conductive means 3, preferably cooled superconducting means, surrounded by a solid insulator system 4.
Description
대부분의 경우, 동기장치 형태의 종래 회전 전기장치의 자기회로는, 장치의 고정자에 배치하고 있다. 이러한 자기회로는 일반적으로 적층코어를 갖는 고정자라 하고, 권선을 고정자 권선이라 하며, 권선용 적층코어의 슬롯 (slot) 을 고정자 슬롯 또는 간단히 슬롯이라 한다.In most cases, the magnetic circuit of a conventional rotary electric device in the form of a synchronous device is arranged in the stator of the device. Such a magnetic circuit is generally called a stator having a laminated core, the winding is called a stator winding, and the slot of the laminated core for winding is called a stator slot or simply a slot.
대부분의 동기장치는 회전자에 전계권선을 갖고 있으며, dc 권선과 고정자에 있는 ac 권선에 의해 메인 플럭스가 발생한다. 동기장치는 일반적으로 3 상으로 설계되지만, 돌출폴 (salient poles) 을 갖도록 설계할 수도 있다. 이 후자 형태의 동기장치는, 회전자에 ac 권선을 갖고 있다.Most synchronizers have electric windings on the rotor, and the main flux is generated by the dc winding and the ac winding on the stator. Synchronizers are generally designed in three phases, but they can also be designed with salient poles. This latter type synchronizer has an ac winding on the rotor.
대형 동기장치의 고정자 본체는 종종 시트 강철과 함께 용접되는 것으로 구성된다. 적층코어는 일반적으로 니스처리한 0.35 또는 0.5㎜ 의 두께의 적층체 로 이루어진다. 대형 장치에 서로, 이 시트를 세그먼트 (segments) 로 천공하여 쐐기/맞춤에 의해서 고정자 본체에 부착한다. 적층코어는 압력지침 (pressure fingers) 및 압력판에 의해 유지된다.The stator body of a large synchronizer often consists of being welded together with sheet steel. Laminated cores generally consist of varnished laminates of thickness 0.35 or 0.5 mm. In a large apparatus, the sheets are perforated into segments and attached to the stator body by wedges / fitting. The laminated core is held by pressure fingers and a pressure plate.
동기장치의 냉각 권선을 냉각하는데에 3 개의 다른 냉각 시스템을 사용할 수 있다. 공기냉각에 의해, 고정자 권선 및 회전자 권선 모두를 냉각공기흐름에 의해 냉각한다. 냉각공기덕트 (cooling air duct) 는 고정자 적층체 및 회전자 모두에 제공한다. 공기에 의한 냉각 및 원심방향의 배기를 위하여, 적어도 중간크기 및 대형 장치에 대한 시트 철 코어를, 그 코어에 원심방향 및 축방향의 배기덕트를 배치하고 적층체로 분할한다. 1 MW 를 초과하는 전력에서는, 냉각공기를 대기로 구성할 수 있지만, 열교환기를 갖는 폐쇄 냉각 시스템을 종종 사용한다.Three different cooling systems can be used to cool the cooling windings of the synchronizer. By air cooling, both the stator windings and the rotor windings are cooled by cooling air flow. Cooling air ducts are provided to both the stator stack and the rotor. For cooling by air and exhausting in the centrifugal direction, at least the sheet iron cores for the medium and large apparatus are arranged in the cores with the exhaust ducts in the centrifugal and axial directions and divided into laminates. At powers above 1 MW, cooling air can be configured as air, but closed cooling systems with heat exchangers are often used.
일반적으로 약 400 MW 까지의 터빈발전기 (turbogenerator) 나 대형 동기 콘덴서는 수소냉각을 이용하고 있다. 이러한 냉각방법은 열교환기를 갖는 공냉과 유사한 방식으로 동작하지만, 냉각재로서, 공기대신에 수소 가스를 사용한다. 수소 가스는 공기보다 우수한 냉각력을 갖지만, 밀봉 및 누설을 모니터링 하는데 어려움이 있다.In general, turbine generators up to about 400 MW or large synchronous condensers use hydrogen cooling. This cooling method works in a similar manner to air cooling with a heat exchanger, but uses hydrogen gas instead of air as the coolant. Hydrogen gas has better cooling power than air, but has difficulty in monitoring sealing and leakage.
500 -1000 MW 의 전력범위를 갖는 터빈발전기에 서로, 고정자 권선 및 회전자 권선 모두에 수냉을 적용한 것이 알려져 있다. 냉각덕트는 관의 형태로 고정자 권선의 도체 내측에 배치된다.Turbine generators with a power range of 500-1000 MW are known to apply water cooling to both stator windings and rotor windings. The cooling duct is arranged inside the conductor of the stator winding in the form of a tube.
대형장치가 갖는 문제는, 냉각이 불균일하게 되어, 장치를 가로질러서 온도차가 발생한다는 것이다.The problem with large apparatus is that the cooling becomes uneven and a temperature difference occurs across the apparatus.
고정자 권선은 시트 철 코어의 슬롯에 배치되며, 슬롯은 일반적으로 직사각형 또는 사다리꼴의 단면을 갖고 있다. 각각의 권선 위상은 직렬접속된 많은 코일 그룹으로 이루어지며, 각각의 코일 그룹은 직렬접속된 많은 코일을 포함한다. 코일의 다른 부분은, 고정자 배치부의 "코일면" 과, 고정자 외측에 배치된 부분용의 "엔드 권선" 으로 지정된다. 코일은 높이 및/또는 폭이 동일한 하나 이상의 도체를 포함한다.The stator windings are arranged in slots of the sheet iron core, which slots generally have a rectangular or trapezoidal cross section. Each winding phase consists of many coil groups in series, and each coil group includes many coils in series. The other part of the coil is designated as the "coil face" of the stator mounting portion and the "end winding" for the part arranged outside the stator. The coil comprises one or more conductors of the same height and / or width.
각각의 도체 또는 코일을 감은 도체 사이에는, 얇은 절연체, 예컨대 에폭시/유리섬유가 있다.Between each conductor or coiled conductor is a thin insulator such as epoxy / glass fiber.
코일은 코일 절연체, 즉 장치의 정격전압에 견딜수 있는 절연체에 의해, 슬롯으로부터 접지까지 절연한다. 절연재로서, 일반적으로 다양한 가소성 물질, 니스 및 유리섬유 물질들을 사용한다. 특히, 전기절연체를 신속하게 파괴할 수 있는 부분방전에 대한 내성을 제공하기 위하여, 제조된 운모와 경가소성 (hard plastics) 물질의 혼합물인, 소위 운모 테이프 (mica tape) 를 주로 사용한다. 절연체는 코일주위의 운모 테이프의 여러층들을 감도록 코일에 설치한다. 절연체는 함침하고, 코일면은 흑연계 페인트로 도색함으로써, 접지전위에 접속된 포위 고정자와의 접촉을 향상시킨다.The coil is insulated from the slot to ground by a coil insulator, that is, an insulator that can withstand the rated voltage of the device. As the insulating material, various plastic materials, varnish and glass fiber materials are generally used. In particular, so-called mica tape, which is a mixture of manufactured mica and hard plastics material, is mainly used to provide resistance to partial discharges that can quickly destroy electrical insulators. The insulator is installed in the coil to wind several layers of mica tape around the coil. The insulator is impregnated, and the coil surface is painted with graphite paint, thereby improving contact with the surrounding stator connected to the ground potential.
권선의 도체 영역은 해당 전류강도 및 사용된 냉각방법에 의해 결정한다. 도체 및 코일은 슬롯에서 도체 물질의 양을 최대화하기 위하여, 일반적으로 직사각형으0로 이루어진다. 일반적인 코일은 몇개의 바 (bar) 를 냉각재용 중공으로 형성한, 소위 레벨바 (Roebel bar) 로 형성한다. 레벨바는 병렬접속된 복수개의 직사각형 구리 도체를 포함하며, 슬롯을 따라 360 도 변위 (transposition) 한다. 또한, 540 도 변위와 다른 변위를 갖는 링랜드 바 (Ringland bar) 도 발생한다. 자계로부터 알수 있는 바와 같이, 이 변위는 도체 물질의 단면에서 발생하는 원형 전류의 발생을 방지한다.The conductor area of the winding is determined by the corresponding current strength and the cooling method used. Conductors and coils are generally rectangular, in order to maximize the amount of conductor material in the slot. A common coil is formed of a so-called level bar, which is formed of several bars into hollows for the coolant. The level bar includes a plurality of rectangular copper conductors connected in parallel and is transposed 360 degrees along the slot. In addition, Ringland bars with displacements other than the 540 degree displacement also occur. As can be seen from the magnetic field, this displacement prevents the generation of circular currents occurring in the cross section of the conductor material.
기계적 및 전기적 이유 때문에, 장치는 일정 크기로만 제조할 수 없다. 장치전력은 실질적으로 3 개의 요인에 의해서 결정된다.For mechanical and electrical reasons, the device cannot be manufactured only to a certain size. Device power is substantially determined by three factors.
- 권선의 도체 영역. 정상 동작온도에서, 구리는, 예컨대 3 내지 3.5 A/㎟ 의 최대값을 갖는다.-Conductor area of the winding. At normal operating temperatures, copper has a maximum value of, for example, 3 to 3.5 A / mm 2.
- 고정자 및 회전자 물질의 최대 플럭스 밀도 (자기 플럭스).-Maximum flux density of the stator and rotor material (magnetic flux).
- 전기절연체의 최대 전계강도, 소위 유전강도.The maximum field strength of the electrical insulator, the so-called dielectric strength.
다상 (polyphase) ac 권선은 단일층 또는 2-층 권선으로 설계된다. 단일층 권선의 경우에는 슬롯당 단지 하나의 코일면만이 있고, 2-층 권선의 경우에는 슬롯당 2 개의 코일면이 있다. 2-층 권선은 일반적으로 다이아몬드 권선으로 설계되는 반면, 이러한 접속에 적절한 단일층 권선은 다이아몬드 권선 또는 동심 권선으로 설계된다. 다이아몬드 권선의 경우, 단지 하나의 코일스팬 (또는 가능성 있는 2개의 코일스팬) 이 발생하는 반면, 평면 권선은 동심권선, 즉 크게 변화하는 코일스팬을 갖도록 설계된다. "코일 스팬" 은 적절한 폴피치 (pole pitch) 와의 관계 또는 중간 슬롯피치의 수에서, 동일한 코일에 속하는 2 개의 코일면 사이의 원형측정 거리를 의미한다. 일반적으로, 권선에 원하는 특성을 부여하기 위해서는, 코딩 (chording) 의 다른 변형, 예컨대 짧은 피칭이 사용된다.Polyphase ac windings are designed as single- or two-layer windings. There is only one coil face per slot for single layer windings and two coil faces per slot for two layer windings. Two-layer windings are generally designed as diamond windings, while single layer windings suitable for such connections are designed as diamond windings or concentric windings. In the case of diamond windings, only one coilspan (or possibly two coilspans) occurs, while the planar windings are designed to have concentric windings, that is, coil coils that vary greatly. "Coil span" means the circular measurement distance between two coil faces belonging to the same coil, either in relation to an appropriate pole pitch or in the number of intermediate slot pitches. In general, other variations of chording, such as short pitching, are used to give the windings the desired properties.
권선의 형태는 실질적으로 슬롯의 코일, 즉 코일면이, 고정자 외측, 즉 엔드 권선에 어떻게 서로 연결되는지를 나타낸다.The form of the windings substantially shows how the coils of the slots, ie the coil faces, are connected to each other outside the stator, ie the end windings.
고정자의 적층시트 외측에서, 코일에는 도색된 반도체 접지-전위층이 제공되지 않는다. 전계 (E-field) 제어가 엔드 권선에 원심방향 전계를 축방향 전계로 변환시키기 위한 소위 코로나 보호 니스 (corona protection varnish) 의 형태로 제공되며, 이는 엔드 권선에 있는 절연체가 접지에 대하여 고전위로 존재하는 것을 의미한다. 이것은 때때로 코일-엔드 영역에서 파괴적일 수 있는 코로나 방전을 일으킨다. 엔드 권선에서 소위 전계-제어점은 회전 전기장치에 대한 문제를 수반한다.Outside the lamination sheet of the stator, the coil is not provided with a painted semiconductor ground-potential layer. E-field control is provided in the form of so-called corona protection varnishes for converting the centrifugal electric field into an axial electric field in the end winding, in which the insulator in the end winding is at high potential with respect to ground. I mean. This results in corona discharge which can sometimes be destructive in the coil-end region. So-called field-control points in the end windings entail problems with rotating electrical devices.
일반적으로, 모든 대형 장치는 2-층 권선 및 균일한 대형 코일로 설계된다. 각각의 코일은 층들 중 하나의 층의 일측 및 다른 층의 다른 측에 배치된다. 이것은 모든 코일이 엔드 권선에서 서로 교차하는 것을 의미한다. 2 층 이상이 사용되면, 이러한 교차점들은 권선 작업을 어렵게 하고 엔드 권선을 저하시킨다.In general, all large devices are designed with two-layer windings and uniform large coils. Each coil is disposed on one side of one of the layers and the other side of the other layer. This means that all the coils cross each other at the end windings. If more than two layers are used, these intersections make winding work difficult and degrade the end winding.
전력 네트워크의 전압은 일반적으로 회전 전기장치의 전압보다 더 높은 레벨에 있기 때문에, 전력 네트워크로의 동기장치/발생기의 접속은 소위 점증 (step-up) 변압기라 일컫는 A/D - 접속을 통하여 이루어져야 한다. 이에 따라, 이 변압기가 동기장치와 함께 플랜트 (plant) 의 집적부를 구성한다. 상기 변압기는 추가비용을 가지며 또한 시스템의 총 효율을 저하시키는 단점을 갖는다. 상당히 높은 전압용 장치를 제조하는 것이 가능하다면, 이와 같은 점증 변압기는 생략될 수 있다.Since the voltage of the power network is generally at a higher level than the voltage of the rotary electric machine, the connection of the synchronizer / generator to the power network must be made via an A / D-connection called a step-up transformer. . Thus, this transformer together with the synchronizer constitutes an integral part of the plant. The transformer has the additional cost and also has the disadvantage of lowering the total efficiency of the system. If it is possible to manufacture a device for a significantly higher voltage, such an incremental transformer can be omitted.
최근 수십년 동안, 이전에 설계를 가능하게 하는 것보다 더 높은 전압의 회전 전기장치에 대한 요구가 증가하고 있다. 기술의 상태에 따라, 코일 생산에서 우수한 수율을 갖는 동기장치를 달성할 수 있는 최대 전압레벨은, 25-30kV 근방이다.In recent decades, there is an increasing demand for higher voltage rotating electrics than previously possible to design. Depending on the state of the art, the maximum voltage level that can achieve a synchronizer with good yield in coil production is around 25-30 kV.
동기장치의 설계와 관련된 새로운 접근방식에 대한 일견의 시도가, J. Elektrotechnika, No. 1, 1970, pp. 6-8 에 "물과 오일 냉각 터빈발전기 (Water-and-oil-cooled Turbogenerator) TVM-300" 란 제목의 논문과, US-A-4,429,244 "발생기의 고정자 (Stator of Generator)" 및 러시아 특허명세서 (Russian patent specification) CCCP 955369 에서 인터 알리아 (inter alia) 에 개시되어 있다.An attempt at a new approach to the design of synchronizers is given by J. Elektrotechnika, No. 1, 1970, pp. 6-8, a paper entitled "Water-and-oil-cooled Turbogenerator TVM-300", US-A-4,429,244 "Stator of Generator" and Russian Patent Specification (Russian patent specification) disclosed in inter alia in CCCP 955369.
J. Electrotechnika 에 기술된 물과 오일 냉각 동기장치는, 20kV 까지 전압을 상승시키기 위한 것이다. 상기 논문은 오일/종이 절연체로 이루어진 새로운 절연 시스템을 서술하며, 이 새로운 절연 시스템은 고정자를 오일에 완전히 담그는 것을 가능하게 한다. 따라서, 오일을 절연체로서 사용함과 동시에 냉각재로 사용될 수 있다. 고정자에서 회전자를 향하여 오일이 누설하는 것을 방지하기 위하여, 코어의 내부 표면에 유전 오일-분리 링 (dielecric oil-separating ring) 이 제공된다. 고정자 권선은 오일 및 종이 절연체로 제공된 타원형 중공형을 갖는 도체로 제조된다. 절연체를 갖는 코일면은 쐐기에 의해 직사각형 부분 슬롯에 고정된다. 오일은 중공 도체 및 고정자벽의 홀 모두에서 냉각재로서 사용된다. 그러나, 그러한 냉각 시스템은, 코일 엔드에서 오일과 전기의 많은 접속을 요구한다. 또한, 두꺼운 절연체에 대한 요구는 도체의 증가된 곡률반경을 요구함으로써, 권선 오버행 (overhang) 의 크기를 증가시킨다.The water and oil cooling synchronizer described in J. Electrotechnika is for raising the voltage to 20 kV. The paper describes a new insulation system consisting of oil / paper insulators, which makes it possible to completely immerse the stator in oil. Therefore, oil can be used as a coolant while at the same time using it as an insulator. In order to prevent oil leakage from the stator to the rotor, a dielectric oil-separating ring is provided on the inner surface of the core. The stator windings are made of conductors with elliptical hollows provided in oil and paper insulators. The coil face with the insulator is fixed to the rectangular partial slot by a wedge. Oil is used as coolant in both the holes of the hollow conductor and the stator walls. However, such cooling systems require many connections of oil and electricity at the coil end. In addition, the demand for thicker insulators requires increased radius of curvature of the conductors, thereby increasing the size of the winding overhang.
US-A-4,429,244 는 고정자 권선에 대한 사다리꼴 슬롯을 갖는 적층 시트의 자기 코어를 포함하는 동기장치의 고정자 부분에 관한 것이다. 고정자 권선의 전기절연체가 중립점에 가장 인접한 권선의 부분이 배치되는 회전자로 향할 필요가 거의 없기 때문에, 슬롯이 테이퍼된다. 또한, 고정자 부분은 코어의 내부 표면에 가장 인접한 유전 오일-분리 실린더 (dielectric oil-separating cylinder) 를 포함한다. 이 부분은, 그러한 실린더 없이도 장치에 대한 자기화 요구를 증가시킬 수 있다. 고정자 권선은 각각의 코일층에 대한 동일한 지름을 갖는 오일-침지 케이블 (oil-immersed cables) 로 이루어진다. 그 층들은 슬롯의 공간과 쐐기의 고정에 의해서 서로 분리된다. 권선에 대하여 특별한 것은, 직렬 연결된 두개의 소위 절반-권선을 포함하는 것이다. 2 개의 절반-권선 중 하나는, 절연 슬리브 (sleeve) 내측의 중앙에 배치되고, 고정자 권선의 도체는 주위의 오일에 의해 냉각된다. 그러한 많은 오일을 갖는 시스템의 단점은, 누설의 위험성과 결함상태로부터 야기될 수 있는 상당히 많은 세정작업이다. 슬롯의 외측에 배치된 절연 슬리브의 그러한 부분들은, 케이블이 엔드 권선으로 들어가는 영역에서 전계 강도를 제어하기 위하여, 전류-반송층 (current carryling layers) 으로 보강된 원뿔형 단자와 실린더형 부분을 갖는다.US-A-4,429,244 relates to a stator portion of a synchronizer comprising a magnetic core of a laminated sheet having a trapezoidal slot for a stator winding. The slot is tapered because the electrical insulator of the stator winding rarely needs to be directed to the rotor where the portion of the winding closest to the neutral point is disposed. The stator portion also includes a dielectric oil-separating cylinder closest to the inner surface of the core. This part can increase the magnetization requirements for the device without such cylinders. The stator windings consist of oil-immersed cables with the same diameter for each coil layer. The layers are separated from each other by the space of the slots and the fixing of the wedges. What is special about the winding is that it includes two so-called half-windings connected in series. One of the two half-windings is arranged in the center inside the insulating sleeve, and the conductor of the stator winding is cooled by the surrounding oil. A disadvantage of such a large oil system is the considerable amount of cleaning that can result from the risk of leakage and faulty conditions. Such portions of the insulating sleeve disposed outside of the slot have a cylindrical portion and a conical terminal reinforced with current carrying layers to control the field strength in the region where the cable enters the end winding.
CCCP 955369 로 부터, 동기장치의 정격 전압을 상승시키기 위한 또 다른 시도에서, 오일 냉각 고정자 권선이, 모든 층들에 대하여 동일한 크기 (dimension) 를 갖는 종래의 고전압 케이블을 포함한다는 것은 자명하다. 케이블은, 그의 단면 영역에 대응하는 원형, 원심방향으로 배치된 개구부와, 고정 및 냉각재를 위한 필수 공간으로서 형성된 고정자 슬롯에 배치된다. 권선의 다른 원심방향으로 배치된 층들은, 절연 튜브에 의해 둘러싸이며 절연 튜브에서 고정된다. 절연 스페이서는 고정자 슬롯의 튜브를 고정한다. 오일 냉각 때문에, 내부 절연 링도 내부 공기갭으로부터 오일 냉각재를 봉지할 필요가 있다. 또한, 상술한 시스템에서 오일의 단점은 이러한 설계에 적합하다. 또한 설계는, 장치의 자기화 요구에 현저하게 영향을 미치는 큰 슬롯 누설 플럭스하는 서로 다른 고정자 슬롯 사이에서, 매우 좁은 방사형 허리를 나타낸다.From CCCP 955369, it is apparent that in another attempt to raise the rated voltage of the synchronizer, the oil cooled stator windings comprise a conventional high voltage cable having the same dimensions for all layers. The cable is arranged in a circular, centrifugal opening corresponding to its cross-sectional area, and in a stator slot formed as an essential space for fixing and coolant. The other centrifugally disposed layers of the winding are surrounded by the insulating tube and fixed in the insulating tube. An insulating spacer secures the tube of the stator slot. Because of the oil cooling, the inner insulation ring also needs to seal the oil coolant from the inner air gap. In addition, the disadvantages of oil in the system described above are suitable for this design. The design also exhibits a very narrow radial waist between the different stator slots that have a large slot leakage flux that significantly affects the magnetization needs of the device.
1984년 부터, 전기 전력 연구 기관 (Electric Power Research Institute), EPRI, EL-3391 로부터의 보고는, 변압기를 개재하는 것 없이 전력 네트워크에 장치를 접속하기 위하여, 고전압 회전 전기장치를 달성하기 위한 장치개념의 관찰을 설명한다. 그러한 해결은 우수한 효율이득 및 큰 경제적 장점을 제공하는 것이라고 한다. 전력 네트워크로의 직접 연결을 위하여 1984 년에 발전기의 개발을 고려한 주된 이유는, 슈퍼 도전성 회전자가 생산되는 때였기 때문이다. 슈퍼 도전성 전계의 대형 자기화 용량은 전기적 스트레스를 견디기에 충분한 절연두께를 갖는 공기갭 권선을 사용하는 것을 가능하게 한다. 가장 유망한 개념, 즉 권선이 3 개의 실린더형 케이스에 동심으로 봉지된 2 개의 실린더형 도체를 포함하고, 전체구조가 돌기 (teeth) 없이 철 코어에 고정된 개념을, 자기회로 설계의 계획에 따라, 소위 모놀리식 실린더 전기자 (monolith cylinder armature) 라 일컫는 권선과 결합함으로써, 고전압용 회전 전기장치가 전력 네트워크에 직접 접속될 수 있는 것이 판단된다. 해결은 주요 절연체가 네트워크 대 네트워크와 네트워크 대 접지 전위에 대항하기에 충분히 두껍게 형성된다. 그 때에 공지된 모든 기술의 검토후, 고전압에 대한 증가를 유지할 필요가 있다고 판단되는 절연체 시스템은, 일반적으로 전력 변압기에 사용되는 것이며, 유전-유동체-함침 섬유소 압착보드 (dielectric-fluid-impregnated cellulose pressboard) 로 구성된 것이다. 제안된 해결이 갖는 명백한 단점은, 그것이 장치의 크기를 증가시키는 매우 두꺼운 절연체를 요구한다는 것이다. 엔드 권선은 절연되고 오일 또는 프레온에 의해 냉각되어 엔드에서 큰 전계를 제어한다. 전체장치는 액체 유전체가 대기로부터 수분을 흡수하는 것을 방지하기 위하여 밀봉으로 봉지되어야 한다.Since 1984, a report from the Electric Power Research Institute, EPRI, EL-3391, describes the concept of a device for achieving high voltage rotating electrical devices in order to connect devices to a power network without intervening transformers. Explain the observation. Such a solution is said to provide good efficiency gains and great economic advantages. The main reason for the development of generators in 1984 for direct connection to the power network was when super conductive rotors were produced. The large magnetization capacity of the super conductive field makes it possible to use air gap windings with an insulation thickness sufficient to withstand electrical stress. The most promising concept, that is, the concept that the winding comprises two cylindrical conductors concentrically enclosed in three cylindrical cases, and the whole structure is fixed to the iron core without teeth, according to the scheme of the magnetic circuit design, By combining with a winding, called a monolith cylinder armature, it is determined that a high voltage rotary electric device can be directly connected to the power network. The solution is that the main insulator is formed thick enough to resist the network-to-network and network-to-ground potentials. After reviewing all known techniques at that time, an insulator system deemed necessary to maintain an increase in high voltage is generally used in power transformers and is a dielectric-fluid-impregnated cellulose pressboard. ). An obvious disadvantage of the proposed solution is that it requires a very thick insulator that increases the size of the device. The end winding is insulated and cooled by oil or freon to control the large electric field at the end. The entire device must be sealed with a seal to prevent the liquid dielectric from absorbing moisture from the atmosphere.
1930 쯤 10 년 동안, 전력 네트워크로의 직접접속을 위한 발전기를 개발하기 위하여, 36 kV 까지 고전압을 갖는 몇몇 발생기들이 설치되었다. 하나의 계획은 절연체에 봉지된 3 층의 도체를 갖는, 동심형의 도체를 사용하는 것을 기초로하는데, 여기서, 3 층의 각각은 직렬접속되고 내부층은 최상 전위에 있다. 또 다른 관점에서, 전기도체는 운모, 니스 및 종이의 특정 층으로 분리된 꼬인 구리 스트립으로 제조된다.During the decade of 1930, several generators with high voltages up to 36 kV were installed to develop a generator for direct connection to the power network. One scheme is based on the use of concentric conductors, with three layers of conductors encapsulated in an insulator, where each of the three layers is in series and the inner layer is at the highest potential. In another aspect, the electrical conductor is made of twisted copper strips separated into specific layers of mica, varnish and paper.
기술의 상태에 따라 회전 전기장치를 제조할 때, 권선이 여러 단계에서 도체 및 절연체 시스템으로 제조됨으로써, 자기회로에 장착하기 전에 권선이 수행될 수 있다. 절연 시스템을 준비하기 위한 함침은, 자기회로에서 권선을 장착한 후 수행된다.When manufacturing a rotary electric machine according to the state of the art, the winding can be made into a conductor and insulator system at various stages, so that the winding can be performed before mounting in the magnetic circuit. Impregnation to prepare the insulation system is carried out after mounting the windings in the magnetic circuit.
발명의 요약Summary of the Invention
본 발명의 목적은 상기 점증 변압기의 사용이 생략될 수 있는 그러한 고전압 을 갖는 회전 전기장치, 즉 종래 기술의 상태에 따른 장치보다 상당히 높은 전압을 갖는 장치가 전력 네트워크에 직접 연결될 수 있는 장치를 얻는 것이다. 이것은 회전 전기장치를 갖는 시스템에 대한 상당히 낮은 투자비용을 의미하며 시스템의 총 효율을 증가시킬 수 있다.It is an object of the present invention to obtain a rotary electric device having such a high voltage, that is, a device having a voltage significantly higher than that according to the state of the art, in which the use of the incremental transformer can be omitted, in which the device can be directly connected to the power network. . This means a significantly lower investment cost for systems with rotary electrics and can increase the overall efficiency of the system.
회전 전기장치는, 회로 차단기, 디스커넥터 등과 같은 최소 연결장치를 갖는 전력 네트워크에 연결될 수 있다. 전력 네트워크에 직접 연결된 회전 전기장치를 갖는 시스템에서, 변압기를 개재하는 것 없이, 접속이 단지 하나의 회로 차단기로 이루어질 수 있다.The rotary electric machine can be connected to a power network with minimal connections such as circuit breakers, disconnectors and the like. In a system with a rotating electrical device directly connected to the power network, the connection can be made with only one circuit breaker without intervening the transformer.
본 발명의 또 다른 목적은, 저온에서 전기적 도전 특성을 향상시키는 도전 수단과, 이 도전수단을 정상 대기 동작온도 이하, 바람직하게 적어도 200K 로, 냉각하기 위한 냉각수단을 포함하는 적어도 하나의 권선을 갖는 전기장치를 제공하는 것이다.It is a further object of the present invention to have at least one winding comprising conductive means for improving the electrical conductive properties at low temperatures and cooling means for cooling the conductive means to below normal atmospheric operating temperature, preferably at least 200K. It is to provide an electric device.
본 발명의 일 양태에 따라, 이후의 청구항 1에서 청구된 바와 같은 고전압 회전 전기장치가 제공된다.According to one aspect of the invention, there is provided a high voltage rotating electrical apparatus as claimed in claim 1 hereinafter.
본 발명의 다른 양태에 따라, 이후의 청구항 9 및 26 에서 청구된 바와 같은 고전압 회전 전기장치가 제공된다.According to another aspect of the invention, there is provided a high voltage rotating electrical device as claimed in claims 9 and 26 hereinafter.
본 발명에 따른 회전 전기장치의 사용에서, 고정자 및/또는 회전자에서 열적 스트레스가 상당히 감소된다. 이에 따라, 장치의 일시적인 과부하가 중요하지 않게 되며, 손상발생의 위험을 일으키는 것 없이, 긴 주기의 시간동안 과부하에서 장치를 구동하는 것이 가능하게 된다. 이것은 동작 장애의 경우, 법규에 규정된 운반조건을 확실히하기 위하여, 다른 장치로 빠르게 스위치하기 때문에, 전력 발생 플랜트의 소유자에게는 상당한 이익이라는 것을 의미한다.In the use of the rotary electric machine according to the invention, thermal stress in the stator and / or rotor is significantly reduced. Thus, the temporary overload of the apparatus becomes insignificant, and it becomes possible to drive the apparatus under overload for a long period of time without causing a risk of occurrence of damage. This means that in the case of operational disturbances it is of considerable benefit to the owner of the power generation plant, since it switches quickly to another device in order to ensure the transport conditions specified in the legislation.
본 발명에 따른 회전 전기장치에 의해서, 파워 네트워크에 장치를 접속하기 위한 시스템에 변압기와 회로 차단기가 포함되지 않기 때문에, 유지비용이 현저하게 감소될 수 있다.With the rotary electric machine according to the invention, the maintenance costs can be significantly reduced, since the transformer and the circuit breaker are not included in the system for connecting the device to the power network.
회전 전기장치의 전력을 감소시키기 위하여, ac 코일의 전류를 증가시켜야 는 것은 공지되어 있다. 이것은 도전물질의 양을 최적화함으로써, 즉 직사각형 회전자 슬롯의 직사각형 도체를 빽빽하게 팩킹함으로써, 달성될 수 있다. 목적은 온도의 증가를 조종함으로써, 절연 물질의 양을 증가시키고 더 높은 온도-내성 및 이에 따른 더 비싼 절연재를 사용하는 것이다. 절연체의 전계 부하 및 고온은 절연체의 수명에 따라 야기되는 문제도 갖는다. 고전압 장비에 사용되는 비교적 두꺼운 벽으로 둘러싸인 절연층, 예컨대 운모형의 주입층에서, 부분방전, 즉 PD 는 심각한 문제를 갖는다. 이러한 절연층을 제조할 때, 절연체가 고전계 강도에 있을 때 내부 코로나 방전을 일으키는, 캐비티, 기공 등이 쉽게 발생한다. 이러한 코로나 방전은 물질을 점차적으로 저하시키고 절연체를 통하여 전기항복 (electric breakdown) 을 유도할 수 있다.It is known to increase the current of the ac coil in order to reduce the power of the rotary electric machine. This can be achieved by optimizing the amount of conductive material, ie by densely packing the rectangular conductors of the rectangular rotor slots. The purpose is to control the increase in temperature, thereby increasing the amount of insulating material and using higher temperature-tolerance and thus more expensive insulation. The electric field load and high temperature of the insulator also have problems caused by the life of the insulator. In relatively thick walled insulation layers, such as mica-type injection layers used in high voltage equipment, partial discharge, or PD, is a serious problem. In manufacturing such an insulating layer, cavities, pores, etc. easily occur, causing internal corona discharge when the insulator is at high field strength. Such corona discharge can gradually degrade the material and induce electrical breakdown through the insulator.
본 발명은, 기술적 및 경제적으로 정당한 방식으로, 회전 전기장치의 전력증가가 전기 절연체가 상술한 현상에 의해 파괴되지 않는 것을 확신하는 것에 의해 달성되는 리얼리세이션 (realisation) 을 근거로 한다. 이것은, 안정한 고체 절연재의 돌출층 (extruding layers) 에 의해서 달성될 수 있고, 결과로서 전계 스트레스가 전기 절연체 내 또는 주위의 소정의 가스 공간에서 0.2 kV/㎜ 보다 적게 된다. 전기 절연체는 돌출에 의한 것 이외에 다른 몇 가지 방식, 예컨대 분사, 형상몰딩, 압착몰딩, 주입몰딩등으로 적용될 수 있다. 그러나, 전체 단면을 통하여 절연체가 결함이 없고 유사한 온도 특성을 가져야 하는 것이 중요하다.The present invention is based on realisation, which is achieved in a technically and economically just manner by ensuring that the power increase of the rotating electrical device is not destroyed by the above-mentioned phenomenon. This can be achieved by extruding layers of stable solid insulation, with the result that the electric field stress is less than 0.2 kV / mm in a given gas space in or around the electrical insulator. The electrical insulator can be applied in several other ways besides by protrusion, such as spraying, shape molding, compression molding, injection molding and the like. However, it is important that the insulator throughout the entire cross section should be free of defects and have similar temperature characteristics.
적절하게, 전기 절연중간층은 저밀도 폴리에틸렌 (low density polyethylene; LDPE), 고밀도 폴리에틸렌 (high density polyethylene; HDPE), 폴리프로필렌 (polypropylene; PP), 폴리부틸렌 (polybutylene; PB), 폴리메틸펜텐 (polymethylpentene ; PMP) 과 같은 고체 열가소성 물질, 교차결합 폴리에틸렌 (cross-linked polyethylene; XLPE) 과 같은 교차결합 물질, 또는 에틸렌 플로필렌 러버 (ethylene propylene rubber; ERR), 에틸렌 부틸 아크릴레이트 코폴리머 러버 (ethylene butyl acrylate copolymer), 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머 러버 (ethylene-propylene-diene monomer rubber ; EPDM) 또는 실리콘 러버와 같은 러버 절연체를 포함한다. 반도전 내부 및 외부층은 중간층과 유사한 물질을 포함할 수도 있지만, 카본 블랙 (carbon black) 또는 매연 (soot) 입자와 같은 도전입자 및 거기에 포함되는 도전입자를 포함할 수 있다. 일반적으로, EPR 과 같은 특정 도전물질은, 카본입자를 함유하지 않거나 약간 함유할 때, 유사한 기계적 특성을 갖는다는 것이 공지되어 있다.Suitably, the electrically insulating intermediate layer may be a low density polyethylene (LDPE), high density polyethylene (HDPE), polypropylene (PP), polybutylene (PB), polymethylpentene; Solid thermoplastics such as PMP), cross-linked polyethylene such as cross-linked polyethylene (XLPE), or ethylene propylene rubber (ERR), ethylene butyl acrylate copolymer ), Rubber insulators such as ethylene-propylene-diene monomer rubber (EPDM) or silicone rubber. The semiconductive inner and outer layers may include similar materials as the intermediate layer, but may include conductive particles such as carbon black or soot particles and conductive particles included therein. In general, it is known that certain conductive materials, such as EPR, have similar mechanical properties when they contain little or no carbon particles.
바람직하게, 반도전 내부층은 초도전수단과 실질적으로 동일한 전기 전위에 있도록 전기적으로 접속된다.Preferably, the semiconductive inner layer is electrically connected to be at substantially the same electrical potential as the superconducting means.
바람직하게, 반도전 외부층은 제어전기전위, 바람직하게 접지전위에 연결된다. 제어전위로의 연결은 외부층의 길이를 따라 이격된 위치에서 이루어지는 것이 바람직하다.Preferably, the semiconducting outer layer is connected to a control electrical potential, preferably a ground potential. The connection to the control potential is preferably made at a position spaced apart along the length of the outer layer.
본 명세서에서, "반도전 물질" 이란 용어는 전기도체 보다 상당히 낮은 도전율을 갖는 물질을 의미하지만, 절연체와 같은 그러한 낮은 도전율을 갖는 것은 아니다. 예컨대, 반도전 내부 및 외부층은 1 내지 100 ㏀-㎝ 사이의 저항율 (resistivity) 을 갖는다. 최소 결함을 갖도록 제조될 수 있는 절연층만을 사용하고, 또한 절연체를 내부 및 외부 반도전층으로 제공함으로써, 열 및 전기적 부하가 확실히 감소될 수 있다. 중간층은 바람직하게 내부 및 외부층에 밀접하게 접촉되어야 하며, 바람직하게는 부착되어야 한다. 적절하게, 여러 층들이 함께 돌출된다.As used herein, the term "semiconductive material" means a material having a significantly lower conductivity than an electrical conductor, but not such a low conductivity as an insulator. For example, the semiconducting inner and outer layers have a resistivity between 1 and 100 μs-cm. By using only insulating layers that can be manufactured with minimal defects, and also providing insulators to the inner and outer semiconducting layers, thermal and electrical loads can be reliably reduced. The intermediate layer should preferably be in intimate contact with the inner and outer layers, preferably attached. Suitably, several layers protrude together.
전기적 도전수단은 바람직하게 초도전수단을 포함한다. 초도전수단은 긴 형상이어서, 연관식 지지수단 주변을 감싸는 경우, 도전수단은 적절하게, 극저 냉각 유동체, 예컨대 액체 질소를 운반하기 위한 중앙 연관식 지지수단을 포함한다. 초도전수단은 저온 반도체를 포함하지만, 가장 바람직하게, 고온 (high-Tc) 반도전 (or HTS) 물질, 예컨대, 연관식 지지수단을 나선형으로 감싸는 HTS 와이어 또는 테이프를 포함한다. 적절한 HTS 테이프는 은도금된 (silver-sheathed) BSCCO-2212 또는 BSCCO-2223 (여기서 숫자는 [Bi, Pb]2Sr2Ca2Cu3Ox 분자의 각각의 원소의 원자수이다) 를 포함하며, 이하 그러한 HTS 테이프를 "BSCCO 테이프(들)"로 칭한다. BSCCO 테이프는 파우더-인-튜브 (power-in-tube; PIT) 유도, 회전, 규화 및 회전처리에 의해, 은 또는 은산화 매트릭스 (silver oxide matrix) 의 산화 슈퍼도체의 미세 필라멘트를 봉함으로써 형성된다. 선택적으로, 테이프는 표면 코팅 처리에 의해 형성될 수 있다. 어느 경우에나, 산소는 녹아서 최종처리 단계로서 재결정화된다. TiBaCaCuO (TBcco-1223) 및 YBaCuO (YBCO-123) 과 같은 다른 HTS 테이프는, 다양한 표면 코팅 또는 표면 증착 기술에 의해 형성된다. 이상적으로, HTS 와이어는 65K 부터의 동작온도, 바람직하게는 77K 이상의 동작온도에서 jc∼105A㎝-2이상의 전류밀도를 가져야 한다. 매트릭스에서 HTS 물질의 충전요소 (filling factor) 는 공학전류밀도 je≥104A㎝-2이 되도록 높을 필요가 있다. jc는 테슬러 범위내에 가해전 전계가 따라 극도로 감소하지 말아야 한다. 나선형으로 감싸는 HTS 테이프는, 연관식 지지 수단을 통과하는, 냉각유동체, 바람직하게 액체 질소에 의해, HTS 의 임계온도 Tc이하로 냉각된다.The electrically conductive means preferably comprises superconducting means. The superconducting means are elongated, so that when wrapped around the associated support means, the conductive means suitably comprise a centrally associated support for carrying extremely low cooling fluids, such as liquid nitrogen. Superconducting means include low temperature semiconductors, but most preferably include high-Tc semiconducting (or HTS) materials, such as HTS wires or tapes that spirally wrap associated support means. Suitable HTS tapes include silver-sheathed BSCCO-2212 or BSCCO-2223, where the number is the number of atoms of each element of the [Bi, Pb] 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 Ox molecule, Such HTS tapes are referred to as "BSCCO tape (s)". BSCCO tapes are formed by sealing fine filaments of an oxidized superconductor of silver or silver oxide matrix by powder-in-tube (PIT) induction, rotation, silicification and rotation treatment. . Optionally, the tape may be formed by surface coating treatment. In either case, the oxygen is dissolved and recrystallized as a final treatment step. Other HTS tapes such as TiBaCaCuO (TBcco-1223) and YBaCuO (YBCO-123) are formed by various surface coating or surface deposition techniques. Ideally, the HTS wire should have a current density of j c -10 5 Acm -2 or greater at operating temperatures from 65K, preferably at or above 77K. The filling factor of the HTS material in the matrix needs to be high so that the engineering current density j e ≥10 4 Acm -2 . j c must not be extremely reduced with the applied electric field within the Tesla range. The spirally wrapped HTS tape is cooled to below the critical temperature T c of the HTS by means of a cooling fluid, preferably liquid nitrogen, passing through the associated support means.
전기 절연재는 도전수단에 직접 적용될 수 있다. 도전수단과 전기 절연재 사이의 열팽창계수 차를 조절하기 위하여, 선택적으로 열팽창수단이 제공된다. 예컨대, 도전수단과 주위 전기 절연체 사이에 공간이 제공될 수 있으며, 공간은 보이드 공간 또는 고압착성 거품물질 (highly compressible foamed material) 과 같은 압착물질로 충전된 공간 중 하나이다. 열팽창수단은 극저온으로부터 가열/극저온까지 가열 동안, 절연 시스템의 팽창/수축력을 감소시킨다. 공간이 압착물질로 충전되면, 후자는 반도체로 이루어져서 반도전 내부층과 도전수단 사이에 전기적 접촉을 확실히 한다.Electrical insulation can be applied directly to the conductive means. In order to adjust the thermal expansion coefficient difference between the conductive means and the electrical insulation material, thermal expansion means is optionally provided. For example, a space may be provided between the conductive means and the surrounding electrical insulator, the space being one of void spaces or spaces filled with a compressive material, such as a highly compressible foamed material. The thermal expansion means reduces the expansion / contraction force of the insulation system during heating from cryogenic to heating / cryogenic. When the space is filled with the crimping material, the latter consists of semiconductors to ensure electrical contact between the semiconducting inner layer and the conductive means.
본 발명은 냉각된 전기 도전수단으로 형성된 적어도 하나의 권선을 갖는 고전압 회전 전기장치를 나타내었지만, 도전수단의 다른 설계, 바람직하게 상기 형태의 주변 전기 절연체를 가지는 소정의 적절한 디자인의 냉각된 초도전수단을 포함하는 것이 가능하다. 전기 절연체의 가소성 물질은 적어도 상온에서, 권선이 소망의 형태 또는 형상으로 구부러질수 있도록 한다. 일반적으로 극저온에서 가소성 물질은 단단하다. 그러나, 극저온 냉각 유동체가 도전수단을 냉각시키는데 사용되기 전에, 권선은 상온에서 고정자/회전자 슬롯 내에서 소망의 형태로 제조될 수 있다.Although the present invention has shown a high voltage rotating electrical apparatus having at least one winding formed from cooled electrical conducting means, other designs of conducting means, preferably cooled superconducting means of any suitable design having a peripheral electrical insulator of this type It is possible to include. The plastic material of the electrical insulator allows the winding to bend into the desired shape or shape, at least at room temperature. Generally, at cryogenic temperatures, the plastic material is hard. However, before the cryogenic cooling fluid is used to cool the conducting means, the windings can be made in the desired form in the stator / rotor slot at room temperature.
바람직하게, 인접 전기 절연층은 본질적으로 동일한 열팽창계수를 갖는다. 온도증감에서, 절연체 및 주변층들의 서로 다른 열팽창에 의해 야기되는 결함이 발생되지 않는다. 물질의 전기적 부하는, 절연체 주위의 반도전층이 등전위 표면을 구성하고, 절연부의 전계가 절연체의 두께 이상으로 비교적 고르게 분포될거라는 사실의 결과에 따라 감소한다.Preferably, adjacent electrical insulation layers have essentially the same coefficient of thermal expansion. In the temperature increase, a defect caused by different thermal expansion of the insulator and the peripheral layers does not occur. The electrical load of the material decreases as a result of the fact that the semiconductive layer around the insulator constitutes the equipotential surface and that the electric field of the insulator will be distributed relatively evenly over the thickness of the insulator.
외부층은 케이블의 길이를 따라 적당한 위치에서 절단될 수 있고, 각각의 절단부의 길이는 선택된 전위에 직접 접속될 수 있다.The outer layer can be cut at appropriate locations along the length of the cable, and the length of each cut can be directly connected to the selected potential.
본 발명과 관련하여 얻은 다른 지식은, 증가된 전압부하가 코일 단면의 코너에서 전계 (E) 집중을 갖는 문제를 유도한다는 것과, 이것이 전기절연체에서 큰 국부적 부하를 수반한다는 것이다. 또한, 고정자의 돌기 (teeth) 에서 자계 (B) 가 증가된 전류부하의 경우, 코너에 집중하게 된다. 이것은 자기 포화가 국부적으로 발생하고, 자기 코어가 완전하게 사용되지 않으며, 발생된 전압/전류의 파형이 왜곡되는 것을 의미한다. 또한, 도체에서의 역류전류에 의해 야기되는 역류전류 손실은, 자계 (B) 에 대한 도체의 기하학 때문에 발생하며, 증가하는 전류밀도에서 추가적인 단점을 수반한다. 본 발명의 또 다른 개선은, 코일과, 이 코일이 직사각형 대신 본질적으로 원형으로 배치된 슬롯을 형성함으로써 달성된다. 코일의 단면을 원형으로 형성함으로써, 이들이 자기 포화가 발생할 수 있는 집중화 없이, 일정 자계 (B) 에 의해 둘러싸이게 된다. 또한, 코일의 전계 (E) 는 전기 절연체의 단면 상에 균일하게 분포되어, 전기 절연체에서의 국부적 부하가 상당히 감소된다. 또한, 코일 그룹당 코일면의 수가 증가하는 방식으로 슬롯에 원형 코일을 배치하는 것이 더 용이해져서, 도체의 전류를 증가시키는 것 없이 전압을 증가시킬 수 있다. 이러한 이유는, 도체의 냉각이, 한편으로는, 더 낮은 전류밀도 및 이에 따른 전기 절연체를 가로지르는 더 낮은 온도증감에 의해서 용이해지고, 다른 한편으로는, 단면 상의 더 균일한 온도 분포를 수반하는 슬롯의 원형 형태에 의해서 용이해지기 때문이다.Another knowledge gained in connection with the present invention is that the increased voltage load leads to the problem of having electric field (E) concentration at the corners of the coil cross section, which involves a large local load in the electrical insulator. In addition, in the case of a current load in which the magnetic field B is increased at the stator teeth, the corners are concentrated. This means that magnetic saturation occurs locally, the magnetic core is not used completely, and the waveform of the generated voltage / current is distorted. In addition, the reverse current loss caused by the reverse current in the conductor occurs due to the geometry of the conductor with respect to the magnetic field (B), with additional disadvantages at increasing current densities. Another improvement of the invention is achieved by forming a coil and a slot in which the coil is arranged essentially circularly instead of rectangular. By forming the cross sections of the coils in a circle, they are surrounded by a constant magnetic field B, without the concentration that magnetic saturation can occur. In addition, the electric field E of the coil is distributed evenly on the cross section of the electrical insulator, so that the local load on the electrical insulator is considerably reduced. Also, it becomes easier to place the circular coil in the slot in such a way that the number of coil faces per coil group is increased, so that the voltage can be increased without increasing the current in the conductor. This is because the cooling of the conductor is facilitated by, on the one hand, the lower current density and thus the lower temperature gradient across the electrical insulator, and on the other hand, the slots involved in a more uniform temperature distribution on the cross section. This is because it is facilitated by the circular shape of.
본 발명의 회전 전기장치를 사용한 장점은, 그러한 장치에 일반적인 것보다 상당히 긴 주기의 시간동안 과부하에서, 손상되는 것 없이 장치가 동작될 수 있다는 것이다. 이것은 장치의 설계 및 전기 절연체의 제한된 온도 부하의 결과이다. 예컨대, 15 분을 초과하여 2 시간 까지의 주기동안 100% 까지의 과부하로 장치를 로드하는 것이 가능하다.An advantage of using the rotary electric device of the present invention is that the device can be operated without damage, in overload, for a period of time considerably longer than that typical for such a device. This is the result of the design of the device and the limited temperature load of the electrical insulator. For example, it is possible to load the device with an overload of up to 100% for a period of up to 2 hours in excess of 15 minutes.
동기 보상기와 같이, 접속된 기계적 부하 없이, 인터 알리아, 동기 모터가 사용된다. 자기화를 적용함으로써, 동기 콘텐서가 유도성 또는 용량성 kVA 를 부여할 수 있다. 보상기가 전력 네트워크에 접속될 때, 그것은 간격 내의 네트워크에서 유도성 또는 용량성 부하를 보상할 수 있다. 동기 보상기가 변압기를 통하여, 약 20kV를 초과하는 전압을 갖는, 소정의 전력 네트워크에 연결되어야 하기 때문에, 동기 보상기 내에서 그것이 무효전력을 제공할 수 있는 동기 보상기의 범위는, 변압기의 리액턴스가 전류와 전압 사이의 지연각을 제한한다는 사실에 의해 영향을 받는다. 본 발명에 따른 회전 전기장치에 의해서, 중간 변압기 없이, 전력 네트워크에 연결될 수 있고, 네트워크에서유도성 또는 용량성 부하를 보상하기 위한 선택된 부족 또는 과도 여기로 동작될 수 있는, 동기 보상기를 설계하는 것이 가능하다.Like a synchronous compensator, an interalia, synchronous motor is used, without a connected mechanical load. By applying magnetization, the synchronous capacitor can impart inductive or capacitive kVA. When the compensator is connected to a power network, it can compensate for inductive or capacitive loads in the network within the interval. Since the synchronous compensator must be connected through a transformer to a predetermined power network with a voltage in excess of about 20 kV, within the synchronous compensator the range of synchronous compensators that it can provide reactive power is that It is influenced by the fact that it limits the delay angle between voltages. By means of the rotary electric machine according to the invention, it is possible to design a synchronous compensator, which can be connected to a power network without an intermediate transformer, and which can be operated with selected short or transient excitation to compensate for inductive or capacitive loads in the network. It is possible.
본 발명에 따른 회전 전기장치는, 하나 이상의 시스템 전압레벨에 연결될 수 있다. 이것은 장치 외측의 전계가 최소로 유지될 수 있기 때문에 가능하다.The rotary electric machine according to the invention can be connected to one or more system voltage levels. This is possible because the electric field outside the device can be kept to a minimum.
다른 시스템 전압레벨로의 연결은, 하나의 권선에서 개별적 태핑 (tapping) 을 갖거나, 다른 시스템 전압 레벨로의 연결을 위한 개별적 권선을 갖거나, 이러한 배열의 병합에 의해 제공될 수 있다.Connections to other system voltage levels may be provided by having individual tappings in one winding, having separate windings for connection to other system voltage levels, or by merging these arrangements.
바람직하게, 원형 단면을 갖는 케이블이 사용된다. 다른 것들 중에서, 보다 우수한 팽킹 (packing) 밀도를 얻기 위하여, 다른 단면을 갖는 케이블이 사용될 수 있다. 회전 전기 장치에서 전압을 높이기 위하여, 케이블이 자기 코어의 슬롯에서 몇개의 연속적 회전으로 배열된다. 엔드 권선 교차 수를 감소시키기 위하여, 권선은 다층 집중 케이블 권선으로서 설계될 수 있다. 케이블은 우수한 방식으로 자기 코어를 사용하기 위하여 테이퍼 절연체로 제조될 수 있고, 이러한 경우에는 슬롯의 형태가 권선의 테이퍼 절연체에 적용될 수 있다.Preferably a cable having a circular cross section is used. Among other things, cables with different cross sections can be used to obtain better packing density. To raise the voltage in the rotating electrical device, the cable is arranged in several successive turns in the slot of the magnetic core. To reduce the number of end winding crossings, the winding can be designed as a multi-layer intensive cable winding. The cable can be made of tapered insulator to use the magnetic core in an excellent manner, in which case the shape of the slot can be applied to the tapered insulator of the winding.
본 발명에 따른 회전 전기장치의 현저한 장점은, 반도전 외부층 외측의 엔드 권선 영역에서, 전계 (E) 가 거의 제로이고, 접지 전위에서 절연체의 외측에 대해서는, 전계가 제어될 필요가 없다는 것이다. 이것은 시트 내에서, 엔드 권선 영역 또는 중간의 천이에서도, 어떠한 전계집중도 얻어질 수 없다는 것을 의미한다.A significant advantage of the rotary electric machine according to the invention is that in the end winding region outside the semiconducting outer layer, the electric field E is almost zero, and for the outside of the insulator at ground potential, the electric field does not have to be controlled. This means that in the sheet, no field concentration can be obtained, either in the end winding region or in the middle transition.
또한, 본 발명은 자기 코어의 슬롯에서 개구부로 케이블을 삽입하는 것에 의해 슬롯에 권선을 배치함으로써, 권선을 제조하는 것을 가능하게 한다. 케이블이 탄력적이기 때문에, 예컨대 극저온에서 동작이전에 구부릴 수 있고, 이것은 케이블 길이가 코일의 몇개의 회전에 위치되는 것을 허용한다. 그래서, 엔드 권선은 케이블의 벤딩존 (bending zones) 으로 구성된다. 또한, 케이블은 그것의특성이 케이블 길이에서 일정하게 유지되는 방식으로 결합될 수 있다. 이러한 방법은 종래 방법의 상태보다 상당히 간단하다. 소위 레벨 바 (Roebel bars) 는 탄력적이진 않지만 소망의 형태로 미리 형성될 수 있다. 또한, 코일의 함침은 오늘날 회전 전기장치를 제조할 때 매우 복잡하며 고가의 기술이다.The invention also makes it possible to manufacture a winding by placing the winding in the slot by inserting the cable from the slot of the magnetic core into the opening. Because the cable is flexible, it can be bent prior to operation, for example at cryogenic temperatures, which allows the cable length to be located in several turns of the coil. Thus, the end winding consists of the bending zones of the cable. In addition, the cable can be coupled in such a way that its properties remain constant over the cable length. This method is considerably simpler than the state of the art. So-called level bars (Roebel bars) are not elastic but can be preformed in the desired shape. In addition, impregnation of coils is a very complex and expensive technique for manufacturing rotary electric machines today.
이와 같이 요약하면, 본 발명에 따른 회전 전기장치는, 대응하는 종래기술 장치에 대하여 상당히 많은 중요한 장점을 제공한다. 우선, 모든 형태의 고전압에서 전력 네트워크에 그것이 직접 접속될 수 있다. 이에 대하여 고전압은, 10 kV 를 초과하여, 400 kV 내지 800 kV 이상과 같은, 전력 테트워크에 발생하는 전압 레벨까지의 전압을 의미한다. 또 다른 중요한 장점은, 선택된 전위, 예컨대, 접지 전위가, 전체 권선을 따라 일관적으로 도전된다는 것이며, 이것은 엔드 권선 영역이 치밀하다는 것과 엔드 권선 영역에 지지수단이 실제적으로 접지전위 또는 다른 선택된 전위에 적용될 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 중요한 장점은, 오일 기제 절연체 및 냉각 시스템이 사라진다는 것이다. 이것은 봉지 문제가 발생하지 않고, 이전에 언급된 유전체 링이 요규되지 않는 것을 의미한다. 하나의 장점은, 모든 가해진 냉각이 접지 전위에서 이루어질 수 있다는 것이다. 이전의 장치 설계를 장치 및 점증 변압기로 대신하기 때문에, 본 발명에 따른 회전 전기장치에 의해, 점증 변압기 장치의 관점으로부터 덜어지는 상당한 공간과 중량이 얻어질 수 있다. 바람직하게, 본 발명은 초도전수단을 사용한다. 점증 변압기가 배제될 수 있기 때문에, 시스템의 효율이 상당히 증가된다.In summary, the rotary electric machine according to the present invention provides a significant number of significant advantages over the corresponding prior art device. Firstly, it can be directly connected to the power network at all types of high voltages. On the other hand, a high voltage means the voltage exceeding 10 kV and to the voltage level which generate | occur | produces in a power network, such as 400 kV-800 kV or more. Another important advantage is that the selected potential, for example ground potential, is consistently challenged along the entire winding, which means that the end winding region is dense and that the support means in the end winding region are actually at ground potential or other selected potential. It can be applied. An important advantage is also the disappearance of the oil base insulator and cooling system. This means that no sealing problem occurs and the previously mentioned dielectric ring is not required. One advantage is that all applied cooling can be made at ground potential. Since the previous device design replaces the device and the incremental transformer, by means of the rotary electric machine according to the invention considerable space and weight can be obtained which is free from the perspective of the incremental transformer device. Preferably, the present invention uses superconducting means. Since incremental transformers can be excluded, the efficiency of the system is significantly increased.
본 발명은 회전 전기 장치에 관한 것으로, 특히 자기코어 및 권선 (winding)을 포함하는 적어도 하나의 자기회로를 갖는 회전 전기장치에 관한 것이다. 본 발명과 관련된 그러한 회전 전기장치의 예는, 일반적으로 다음에서 "전력 네트워크" 로 지칭되는, 분배 및 전송 네트워크에 접속용 발전기로서 주로 사용하는 동기장치이다. 동기장치는 모터로서 사용되며, 위상보상 및 전압제어를 위하여, 예컨대 기계적 공전장치로서 사용된다. 본 발명과 관련된 다른 회전 전기장치로는, 이중공급장치 (double-fed machine) , 비동기장치 (asynchronous machine), 비동기 콘버터 캐스케이드 (asynchronous converter cascades), 외부폴장치 (outer pole machines) 및 동기플럭스장치 (synchronous flux machines) 가 있다.The present invention relates to a rotating electrical device, and more particularly to a rotating electrical device having at least one magnetic circuit comprising a magnetic core and a winding. An example of such a rotary electric machine in connection with the present invention is a synchronizer mainly used as a generator for connection to a distribution and transmission network, generally referred to as "power network" in the following. The synchronizer is used as a motor and is used, for example, as a mechanical idler for phase compensation and voltage control. Other rotary electric machines related to the present invention include double-fed machines, asynchronous machines, asynchronous converter cascades, outer pole machines and synchronous flux devices ( synchronous flux machines).
이에 관련된 회전 전기장치의 자기회로는, 적층 자기코어, 정상 또는 방향성 시트물질 또는 다른물질, 예컨대 비정질 또는 파우더-기제(power based) 물질, 또는 교대 자기 플럭스의 폐쇄경로를 제공하는 다른 장치를 포함한다. 또한, 자기회로는 권선, 냉각시스템 등을 포함할 수 있으며, 장치의 고정자나, 장치의 회전자, 또는 고정자와 회전자 모두에 배치할 수도 있다.Magnetic circuits of related rotary electric devices include laminated magnetic cores, normal or directional sheet materials or other materials such as amorphous or powder-based materials, or other devices that provide a closed path for alternating magnetic flux. . In addition, the magnetic circuit may include a winding, a cooling system, or the like, and may be disposed in the stator of the apparatus, the rotor of the apparatus, or both the stator and the rotor.
첨부된 도면을 참조하여 예제만으로 본 발명의 실시예를 설명하며,With reference to the accompanying drawings illustrating an embodiment of the present invention by way of example only,
도 1은 본 발명에 따른 고전압 회전 전기장치의 권선에 사용된 케이블의 개략적 단면도이며,1 is a schematic cross-sectional view of a cable used in the winding of a high voltage rotating electrical device according to the invention,
도 2는 본 발명에 따른 고전압 전기장치의 자기 회로의 섹터/폴 피치의 축방향 단부도 (axial end view) 이다.2 is an axial end view of the sector / pole pitch of the magnetic circuit of a high voltage electrical device according to the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 고전압 회전 전기장치의 권선용 초도전 케이블 (2) 의 하나의 형태를 나타낸다. 케이블 (2) 은 긴 내부 초도전수단 (3) 및 외부 전기 절연체 (4) 를 포함한다. 긴 내부 초도전수단 (3) 은 내부 금속, 예컨대, 구리 또는 고저항 금속 또는 합금과, 지지 튜브 (31)와, 이 튜브 (31) 주위를 나선형으로 감싸고 반도전 가소성 물질로 이루어진 층 (33) 에 삽입된 HTS 와이어 (32) 를 포함한다. 이 층 (33) 으로부터 작은 원심방향의 공간 (34) 에서 외측으로전기 절연체 (4) 가 배열된다. 이 전기 절연체 (4) 는 단일 형상이며, 내부 반도전층 (35), 외부 반도전층 (36) 및 이들 반도전층 사이에 개재된 절연층 (37) 을 포함한다. 바람직하게 층들 (35∼37) 은 그들의 계면에서 서로 견고하게 연결되지만, 서로 밀접한 기계적 접촉을 이룰 수 있는 열가소성 물질을 포함한다. 적절하게, 이러한 열가소성 물질은 유사한 열팽창 계수를 가지며, 바람직하게 내부 초도전수단 주위에 서로 돌출된다. 바람직하게 층들 (35∼37) 은, 전기 절연체 내에서 캐비티 (cavities) 및 기공 (pores) 의 위험을 최소화 하도록 단일 구조를 제공하기 위하여 서로 돌출된다. 절연체 내의 그러한 기공 및 캐비티는, 고 전계 강도에서 전기 절연체 내에 코로나 방전을 일으키기 때문에, 바람직하지 못하다.1 shows one form of a superconducting cable 2 for winding of a high voltage rotary electric machine according to the invention. The cable 2 comprises a long internal superconducting means 3 and an external electrical insulator 4. The elongate inner superconducting means 3 comprises a layer 33 made of an inner metal, such as copper or a high resistance metal or alloy, a support tube 31, and a spirally wrapped and semiconductive plastic material around the tube 31. And an HTS wire 32 inserted in it. The electrical insulator 4 is arranged outwardly from the layer 33 in the small centrifugal space 34. This electrical insulator 4 has a single shape and includes an inner semiconducting layer 35, an outer semiconducting layer 36, and an insulating layer 37 interposed between these semiconducting layers. Preferably the layers 35 to 37 comprise thermoplastics which are firmly connected to one another at their interface, but which are in intimate mechanical contact with one another. Suitably, these thermoplastics have similar coefficients of thermal expansion and preferably project from one another around the inner superconducting means. The layers 35 to 37 preferably project from one another to provide a single structure to minimize the risk of cavities and pores in the electrical insulator. Such pores and cavities in the insulator are undesirable because they cause corona discharge in the electrical insulator at high field strengths.
반도전 외부층 (36) 은 그의 길이를 따라 이격된 영역에서 제어 전위, 예컨대, 접지 (earth) 또는 그라운드 (ground) 전위에 접속되며, 인접 접지점의 특정 이격은 층 (36) 의 저항율에 의존하며, 코어의 권선 슬롯에 배치될 때조차도 " 접지점" 은 슬롯의 단부에서 엔드 권선에 있어야 한다.The semiconducting outer layer 36 is connected to a control potential, for example earth or ground potential, in an area spaced along its length, and the specific spacing of adjacent ground points depends on the resistivity of the layer 36 and Even when placed in the winding slot of the core, the "ground point" should be at the end winding at the end of the slot.
반도전층 (36) 은 정적 차폐로서 작용하며, 초도전 케이블의 전계가 반도체층 (35, 36) 사이의 고체 절연체 내에서 계속 유지되는 것을 확실히 하는 "접지된" 외부층으로서 작용한다. 층 (36) 에 유도된 전압에 의해 야기되는 손실은, 층 (36) 의 저항을 증가시킴으로써 감소된다. 그러나, 층 (36) 은 적어도 소정의 최소 두께, 예컨대 0.8 ㎜ 이여야 하기 때문에, 저항은 비교적 고저항율을 갖는 층의 물질을 선택함으로써, 증가될 수 있다. 저항율은 지나치게 증가될 수 없지만, 그밖의 2 개의 인접 전압, 예컨대 접지점 사이 중간의 층 (36) 의 전압은, 코로나 방전 발생과 관련된 위험에 따라 매우 높게 된다.The semiconducting layer 36 acts as a static shield and acts as a "grounded" outer layer which ensures that the electric field of the superconducting cable remains in the solid insulator between the semiconductor layers 35, 36. The loss caused by the voltage induced in layer 36 is reduced by increasing the resistance of layer 36. However, since layer 36 should be at least a predetermined minimum thickness, such as 0.8 mm, the resistance can be increased by selecting the material of the layer having a relatively high resistivity. The resistivity cannot be increased excessively, but the other two adjacent voltages, for example, the voltage of the layer 36 between the ground points, becomes very high depending on the risks associated with the occurrence of corona discharge.
원심방향의 공간 (34) 은, 전기 절연체 (4) 와 내부 초도전수단 (3) (금속 튜브 (31) 을 포함하는) 사이의 열팽창 계수차 (α) 를 보상하기 위하여, 팽창/수축 간격을 제공한다. 이 공간 (34) 은 보이드 공간이거나, 초도전체와 절연 시스템 사이의 소정의 상대적 (relative) 이동을 흡수하는 거품성, 고압축성 물질로 이루어질 수 있다. 거품성 물질은, 제공된다면, 층들 (33, 35) 사이의 전기적 접촉을 확실히 하기 위하여 반도체일 수 있다. 부가적 또는 선택적으로, 층들 (33, 35) 사이의 필수 전기적 접촉을 확실히 하기 위하여, 금속 와이어가 제공될 수 있다.The space 34 in the centrifugal direction is provided with an expansion / contraction interval in order to compensate for the thermal expansion coefficient difference α between the electrical insulator 4 and the internal superconducting means 3 (including the metal tube 31). to provide. This space 34 may be a void space or may be made of a foamy, high compressive material that absorbs some relative movement between the superconductor and the insulation system. The foamable material may be a semiconductor, if provided, to ensure electrical contact between the layers 33, 35. Additionally or alternatively, a metal wire may be provided to ensure the necessary electrical contact between the layers 33, 35.
HTS 와이어 (32) 는, 튜브 (31) 을 통하여 냉각 유동체, 예컨대 액체 질소의 통과에 의해서, 극저온으로 냉각된다.The HTS wire 32 is cooled to cryogenic temperature by passage of a cooling fluid such as liquid nitrogen through the tube 31.
예에 의해서, 각각의 층들 (33, 35, 36) 의 단지 반도전 가소성 물질만이, 예컨대, 에틸렌-프로필렌 코폴리머 러버 (ethylene-propylene copolymer rubber; ERR) 또는 에틸렌-플로필렌-디엔 모노머 러버 (ethylene-rpopylene-dien monomer rubber; EPDM) 와 같은 기본 폴리머 및 고 전기 도전성 입자, 에컨대, 기본 폴리머 내에 개재된 카본 블랙 입자를 포함한다. 이 반도전층의 부피 저항율, 전형적으로 약 20 Ω·㎝ 는, 기본 폴리머에 첨가된 카본 블랙의 비율 및 형태를 변화시킴으로써 요구되는 것에 따라 조절될 수 있다. 다음의 표는 카본 블랙의 양 및 다른 형태를 사용하여 부피 저항율이 변화될 수 있는 방식의 예를 나타낸다.By way of example only the semiconducting plastic material of each of the layers 33, 35, 36 is, for example, ethylene-propylene copolymer rubber (ERR) or ethylene-flopropylene-diene monomer rubber ( base polymers such as ethylene-rpopylene-dien monomer rubber (EPDM) and high electrically conductive particles, such as carbon black particles sandwiched within the base polymer. The volume resistivity of this semiconducting layer, typically about 20 Pa · cm, can be adjusted as desired by varying the proportion and form of carbon black added to the base polymer. The following table shows examples of how the volume resistivity can be varied using amounts and other forms of carbon black.
HTS 와이어 (32) 는 전기 도전성 외부층, 예컨대 은 또는 은 합금으로 도금된 초도전 물질의 합금으로 이루어진 코어를 포함한다. 그러한 전형적인 HTS 와이어는 은-도금된 BSCCO-2212 또는 BSCCO-2223 이다.HTS wire 32 comprises a core made of an electrically conductive outer layer, such as an alloy of superconducting material plated with silver or silver alloy. Such typical HTS wires are silver-plated BSCCO-2212 or BSCCO-2223.
회전 전기장치의 성능을 최적화하기 위하여, 자기 회로, 특히 코어 슬롯 및 코어 돌기 (teeth) 의 설계가 결정적으로 중요한 것이다. 상술한 바와 같이, 슬롯은 코일의 측부를 덮기에 가능할 만큼 밀접하게 연결되어야 한다. 또한,In order to optimize the performance of rotary electric machines, the design of magnetic circuits, in particular core slots and core teeth, is of decisive importance. As mentioned above, the slots should be connected as close as possible to cover the sides of the coil. Also,
각각의 원심방향의 레벨에서 돌기는 장치의 자기화 요구등의 손실을 최소화하기에 가능할 만큼 넓은 것이 바람직하다.The projections at each centrifugal level are preferably as wide as possible to minimize losses such as magnetization requirements of the device.
도 2는 본 발명에 따른 회전 전기장치의 섹터/폴 피치 (6) 의 축방향 단부도이다. 회전자 폴을 갖는 회전자는 7 로 나타낸다. 종래의 방식에서, 고정자는 섹터형 적층체의 적층 코어로 구성된다. 원심방향으로 가장 외부에 배치된 코어의 결합부 (yoke portion; 8) 로부터, 많은 돌기 (9) 가 원심방향으로 내부로 돌기 (9) 사이에 형성된 슬롯 (1) 을 갖는 회전자 (7) 를 향하여 확장한다. 케이블 (1) 은 슬롯 (10) 에서 감싸져서 슬롯에서 권선을 형성한다. 그러한 케이블의 사용은, 다른 것들 중 종래의 상태에 따라 가능했던 것 보다 더 큰 고전압 장치용 슬롯의 깊이를 허용한다. 회전자 및 고정자 사이의 공기갭과 밀접하게 배치된 권선의 각각의 회전 또는 층에 대하여, 케이블 절연체에 대한 요구가 점점 감소하기 때문에, 적절하게 슬롯은 전형적이지만 필수적으로 회전자를 향하는 단차 (step) 또는 부분에서 감소하는 (즉, 슬롯이 회전자를 향하여 좁아지게 된다) 단면을 각각 갖는다. 도 2 로부터 명백한 바와 같이, 원심방향의 부분에서 각각의 슬롯은, 실질적으로, 권선층 또는 회전이 수용되어 부분 (12) 을 연결하는 허리부를 좁히는 원형 단부의 이격부 (12) 로 구성된다. 슬롯 단면은 "원형 체인 슬롯" 으로 언급될 수 있다. 도 2 에 도시된 실시예에서, 케이블 절연체의 3 개의 다른 치수를 갖는 케이블이 사용되고, 3 개의 상응하는 크기부 (14, 15, 16) 로 배열된다. 도 2는 고정자 돌기가 원심방향의 범위까지 원심방향으로 실제적으로 일정 폭을 갖도록 형상화될 수 있는 것을 나타낸다.2 is an axial end view of the sector / pole pitch 6 of the rotary electric machine according to the invention. A rotor with rotor poles is represented by seven. In a conventional manner, the stator consists of a laminated core of sectored stacks. From the yoke portion 8 of the core most externally disposed in the centrifugal direction, a rotor 7 having a slot 1 formed between the protrusions 9 is formed inwardly in the centrifugal direction. Extend towards. The cable 1 is wrapped in the slot 10 to form a winding in the slot. The use of such cables allows for a greater depth of slots for high voltage devices than would have been possible according to the prior art among others. For each revolution or layer of winding closely spaced with the air gap between the rotor and the stator, the slots are typically but essentially stepped towards the rotor, as the demand for cable insulators gradually decreases. Or have a cross section that decreases in part (ie, the slot is narrowed towards the rotor). As is apparent from FIG. 2, each slot in the centrifugal portion consists essentially of a spaced portion 12 of a circular end that receives a winding layer or rotation to narrow the waist connecting the portion 12. The slot cross section may be referred to as "circular chain slot". In the embodiment shown in FIG. 2, cables having three different dimensions of the cable insulator are used and arranged in three corresponding sizes 14, 15, 16. 2 shows that the stator protrusion can be shaped to have a substantially constant width in the centrifugal direction up to the range of the centrifugal direction.
케이블 (1) 은, 다른 슬롯 부분 (14, 15, 16) 에서 수용을 위하여 서로 결합된 3 개의 부분으로 구성된다. 바람직하게 인접 케이블 부분은, 외측에 배치된케이블 접속부, 예컨대 슬롯의 일단에서, 서로 결합된다. 전형적으로 케이블 결합에서, 내부 지지 튜브는 서로 용접되고 슈퍼도체 와이어 또는 그 주변을 감싸는 테이프는 예컨대 솔더링에 의해 서로 결합된다. 전형적으로 결합은, 고체, 보이드 제거된 폴리머 물질 (void-free polymeric material), 예컨대, 전기 절연체용 유사 폴리머 물질에 의해 둘러싸인다.The cable 1 consists of three parts joined together for receipt in the other slot parts 14, 15, 16. Preferably the adjacent cable parts are joined to each other, at one end of a cable connection, for example a slot, arranged outside. Typically in cable bonding, the inner support tubes are welded to each other and the superconducting wire or tape surrounding it is joined to each other, for example by soldering. Typically the bond is surrounded by a solid, void-free polymeric material, such as a similar polymeric material for electrical insulators.
본 발명의 범위는, 절연체 및 외부 반도전층 등이 관계하는 한 유용한 케이블 크기에 의존하면서, 많은 선택적 실시예를 수용한다. 또한, 소위 원형 체인 슬롯을 갖는 실시예는 상술한 바와 달리 변형될 수 있다.The scope of the present invention accommodates many optional embodiments, depending on the useful cable size as long as insulators, outer semiconducting layers, and the like are concerned. In addition, the embodiment having a so-called circular chain slot can be modified unlike the above.
상술한 바와 같이, 자기 회로는 회전 전기장치의 고정자 및/또는 회전자에 배치될 수 있다. 그러나, 자기 회로의 설계는, 자기회로가 고정자 및/또는 회전자에 배치될지 어떨지에 독립적으로 상기 설명에 크게 상응하게 된다.As mentioned above, the magnetic circuit can be arranged in the stator and / or the rotor of the rotating electrical device. However, the design of the magnetic circuit corresponds greatly to the above description independently of whether the magnetic circuit is arranged in the stator and / or the rotor.
바람직하게, 각각의 권선은 다층, 집중 케이블 권선으로서 설명될 수 있다. 그러한 권선은, 엔드 권선에서 교차하는 수가 서로 원심방향의 외측에서 동일한 그룹내에 모든 코일을 배치함으로써 최소화되는 것을 포함한다. 이것은 간단한 제조방법 및 다른 슬롯에서 고정자 권선의 결합을 허용한다.Preferably, each winding can be described as a multilayer, concentrated cable winding. Such windings include that the number crossing in the end windings is minimized by placing all coils in the same group on the outside of the centrifugal direction to each other. This allows a simple manufacturing method and the coupling of the stator windings in different slots.
본 발명이, 사용시 초도체 온도까지 냉각되는 초도전 특성을 갖는 도전수단을 갖는 적어도 하나의 권선을 갖는 회전 장치를 주로 나타내었지만, 본 발명은 또한 적어도 하나의 권선이 200 K 까지, 바람직하게 200K 보다 크지 않은, 낮은 동작 온도에서 향상된 전기 도전성을 나타내는 도전수단을 갖지만, 의도된 낮은 동작 온도에서 적어도 초도전 특성을 갖지 않은, 회전 장치를 포함한다. 이러한 더 높은 극저온에서, 액체 카본 다이옥사이드가 도전수단을 냉각시키는데 사용될 수 있다.Although the present invention mainly refers to a rotating device having at least one winding with conductive means having superconducting properties that are cooled to the superconductor temperature in use, the present invention also shows that the at least one winding is up to 200 K, preferably 200 K. Non-large, rotating devices having conductive means exhibiting improved electrical conductivity at low operating temperatures, but not at least superconducting properties at the intended low operating temperatures. At these higher cryogenics, liquid carbon dioxide can be used to cool the conductive means.
본 발명은 일반적으로 10 kV 초과 전압에 대한 회전 전기장치에 적용될 수 있다. "기술적 분야" 에서 서술된 바에 따른 회전 전기장치는, 본 발명이 적용될 수 있는 회전 전기장치의 예이다.The invention is generally applicable to rotary electric devices for voltages above 10 kV. The rotary electric device as described in the "technical field" is an example of a rotary electric device to which the present invention can be applied.
본 발명에 따른 고전압 회전 전기장치의 권선의 내부 도전수단을 둘러싸는 전기 절연체는, 매우 높은 전압 및 이러한 전압에서 발생할 수 있는 결과의 전기 및 열적 부하를 조정할 수 있도록 한다. 예에 의해서, 그러한 전기장치는 수 백 kVA 부터 1000 MVA 까지의 정격전력과, 3-4 kV 부터 400-800kV 의 매우 높은 전송전압의 정격전압을 갖는다. 높은 동작 전압에서, 부분 방전 또는 PD 는 공지된 절연체 시스템에 대하여 심각한 문제를 갖는다. 절연체에서 캐비티 또는 기공이 나타나면, 내부 코로나 방전이 발생함으로써, 절연재가 점차적으로 감소되어 결국 절연체의 파괴를 유도한다. 본 발명에 따른 회전 전기장치의 권선의 전기 절연체에서의 전기적 부하는, 절연체의 내부층이 실질적으로 내부 전기적 도전수단과 동일한 전기 전위에 있는 것을 확실히 함으로써 감소되며, 절연체의 외부층은 제어된, 예컨대 접지전위에 있다. 이와 같이, 내부 및 외부층 사이의 절연재의 중간층에서의 전계는, 실질적으로 중간층의 두께 이상으로 균일하게 분포된다. 또한, 유사한 온도 특성 및 절연재의 층에서 결함이 없는 물질을 갖음으로써, PD 의 가능성이 주어진 동작 전압에서 감소된다. 이에 따라, 장치의 권선은, 매우 높은 동작 전압, 전형적으로 800kV 이상 까지 견딜수 있도록 설계될 수 있다.The electrical insulators surrounding the internal conductors of the windings of the high voltage rotary electric machine according to the invention make it possible to regulate very high voltages and the resulting electrical and thermal loads which may occur at such voltages. By way of example, such electrical devices have a rated power of several hundred kVA to 1000 MVA and a very high transmission voltage of 3-4 kV to 400-800 kV. At high operating voltages, partial discharge or PD has serious problems with known insulator systems. When cavities or pores appear in the insulator, an internal corona discharge occurs, which gradually reduces the insulation and eventually leads to breakage of the insulator. The electrical load in the electrical insulator of the windings of the rotary electric machine according to the invention is reduced by ensuring that the inner layer of the insulator is at substantially the same electrical potential as the inner electrical conductor, the outer layer of the insulator being controlled, for example It is at ground potential. As such, the electric field in the intermediate layer of the insulating material between the inner and outer layers is substantially evenly distributed over the thickness of the intermediate layer. In addition, by having similar temperature characteristics and a defect free material in the layer of insulation, the likelihood of PD is reduced at a given operating voltage. Thus, the windings of the device can be designed to withstand very high operating voltages, typically up to 800 kV or more.
본 발명에 따른 고전압 회전 전기장치의 권선의 내부 도전 수단을 둘러싸는 전기 절연체는, 위치에서 돌출되어야 하는 것이 바람직하지만, 막 또는 시트-유사 물질의 층을 오버랩하면서, 팽팽하게 감싸지는 것으로부터, 전기 절연체 시스템을 설치하는 것이 가능하다. 반도전층 및 전기 절연층 모두 이러한 방식으로 형성될 수 있다. 절연체 시스템은, 내부 및 외부 반도전층을 갖는 모든 합성막 또는 폴리머 박막, 예컨대 카본 블랙 또는 금속 입자와 같은 개재된 도전입자를 가지며, 반도전층 또는 부분들 사이에 절연층 또는 부분을 가지는 PP, PET, LDPE 또는 HDPE로 이루어진 부분으로 형성될 수 있다.The electrical insulator surrounding the inner conductive means of the windings of the high voltage rotary electric machine according to the invention should preferably protrude in position, but from being tightly wrapped while overlapping a layer of membrane or sheet-like material, It is possible to install an insulator system. Both the semiconducting layer and the electrical insulating layer can be formed in this manner. The insulator system includes all synthetic or polymer thin films with inner and outer semiconducting layers, such as PP, PET, having intervening conductive particles such as carbon black or metal particles, and having an insulating layer or section between the semiconducting layers or sections, It may be formed of a portion consisting of LDPE or HDPE.
포함된 개념에 대하여 충분하게, 박막이 소위 파스첸 최소치 (Paschen minia) 보다 작은 충돌갭 (butt gaps)을 갖음으로써, 액체 함침을 불필요하게 한다. 또한, 건조하게 감싸진 다층 박막 절연체는, 우수한 열특성을 가지며, 전기 도체로서 초도전 파이프와 결합될 수 있으며, 파이프를 통하여 펌프된 액체 질소와 같은, 냉각재를 갖을 수 있다.Sufficient for the concepts involved, the thin film has butt gaps smaller than the so-called Pasten minia, thereby making liquid impregnation unnecessary. In addition, a dry wrapped multi-layer insulator has excellent thermal properties, can be combined with a superconducting pipe as an electrical conductor, and can have a coolant, such as liquid nitrogen pumped through the pipe.
전기 절연체 시스템의 또 다른 예는, 얇은 셀룰로우스 기제 또는 합성 종이 또는 비조립 (non-woven) 물질이 도체 주변을 겹쳐서 감싸고 있는 종래의 셀룰로우스 기제 케이블과 유사하다. 이러한 경우, 절연층의 어느 한측에서 반도전층은, 개재된 도전입자를 가지면서 절연재의 섬유로 이루어진 비조립 물질 또는 셀룰로우스 종이로 이루어질 수 있다. 절연층은 동일 기제물질로 제조되거나 또다른 물질이 사용될 수 있다.Another example of an electrical insulator system is similar to conventional cellulose based cables where thin cellulose based or synthetic paper or non-woven material is wrapped around the conductor. In this case, the semiconducting layer on either side of the insulating layer may be made of unassembled material or cellulose paper having fibers of insulating material having intervening conductive particles. The insulating layer may be made of the same base material or another material may be used.
절연체 시스템의 또 다른 예는, 적층 또는 코-래핑 (co-lapped) 중 어느 한쪽과 같이, 막과 섬유 절연재를 결합함으로써 얻어진다. 이러한 절연체 시스템의 예는, 소위 종이 폴리플로필렌 적층, PPLP 에 상업적으로 유용하지만, 몇 개의 다른 막과 섬유 부분의 결합이 가능하다. 이러한 시스템에서, 미네랄 오일 또는 액체 질소와 같은 다양한 함침이 사용될 수 잇다.Another example of an insulator system is obtained by combining a membrane and a fiber insulation, such as either laminated or co-lapped. An example of such an insulator system is commercially useful for so-called paper polyflopylene lamination, PPLP, but the joining of several different membranes and fiber parts is possible. In such a system, various impregnations such as mineral oil or liquid nitrogen can be used.
본 명세서에서, "반도전 물질"은 전기 도체보다 상당히 낮은 도전성을 갖지만 전기 절연체와 같은 그러한 낮은 도전성을 갖지 않는 물질을 의미한다. 본질적이지 않지만, 반도체 물질은 1-105Ω·㎝ 의 저항율, 바람직하게 10-500 Ω·㎝, 가장 바람직하게 10 내지 100 Ω·㎝, 전형적으로 20 Ω·㎝ 을 갖는다.As used herein, "semiconductor material" means a material that has a significantly lower conductivity than an electrical conductor but does not have such a low conductivity, such as an electrical insulator. Although not essential, the semiconductor material has a resistivity of 1-10 5 Pa · cm, preferably 10-500 Pa · cm, most preferably 10-100 Pa · cm, typically 20 Pa · cm.
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