KR20010052083A - 로터리 전기 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 전기 권선을 포함하며 송전 네트워크 또는 배전 네트워크에 직접 연결되도록 설계된 교류 타입 로터리 전기 장치에 관한 것이다. 권선은 적어도 하나의 전도체, 전도체를 감싸는 반도체 특성을 가진 제 1 층, 제 1 층을 감싸는 고형 절연층 및 절연층을 감싸는 반도체 특성을 가진 제 2 층을 포함한다. 브러시없는 여자 시스템은 포지티브 및 네거티브 여자 사이에서 스위칭가능하며 장치의 여자를 위해 배치된다. 전력 플랜트는 로터리 전기 장치를 포함한다. 포지티브 및 네거티브 여자 전류 방향을 가진 로터리 전기 장치를 여자시키는 방법에서, 양방향 계자 과전압 보호 장치(8,10,12,14) 또는 양방향 방전 회로는 장치의 계자 권선을 가로질러 일시적으로 접속된다.

Description

로터리 전기 장치 {A ROTARY ELECTRIC MACHINE}

본 발명에 따른 로터리 전기 장치는 동기 장치, 듀얼-페드 장치 또는 동기 순환 장치일 수 있다.

배전 또는 송전 네트워크에 이 타입의 장치를 연결하기 위해 참조되는 전력 네트워크, 변압기는 지금까지 네트워크 레벨, 즉 130-400kV의 범위로 전압을 설정하는데 사용되었다.

발전기는 36kV에 이르는 정격 전압을 가지며 Paul R. Siedler "36kV Generators Arise from Insulation Research", Electrical World, 15 October 1932, pages 524-527에 개시되어 있다. 이 발전기는 전연체가 서로 다른 유전 상수를 가진 다른 층으로 분할된다. 절연 물질은 미카-포일 미카, 바니시, 종이와 같은 세개 성분의 다양한 조합으로 이루어진다.

전력 전송용 케이블에 사용되는 것과 유사한 타입의 고형 절연물을 가진 절연된 고전압 도체로부터 상술한 전기 장치의 권선을 제작함으로써, 장치 전압은 중간 변압기를 사용하지 않고 임의의 전력에 직접 연결될 수 있다. 이 장치의 전형적인 동작 범위는 30내지 800kV이다.

요즘은 로터리 다이오드 정류기 브리지를 가진 정지 여자기 또는 브러시없는 여자기가 로터리 전기 장치에 사용된다. 여자 장치는 종종 10-30초의 지속시간동안 본 장치용 정격 부하 여자의 경우와 동일한 크기보다 1.5내지 3배의 피크 전압 및 피크 전류를 생성할 필요가 있다. 여자 장치는 또한 장치의 고정자 터미널에 25% 전압에 대한 정격 부하 여자 전류와 동일한 계자 전류를 생성할 수 있다. 여자 시스템은 바람직하게 "메인티넌스 프리(mnintenance free)" 즉, 슬립링 없는 여자 시스템일 수 있다. 네트워크 장애시에 응답 및 전이 시간은 고속이다. 즉, 여자 장치는 포지티브 및 네거티브 전압을 생성할 수 있다. 동기 보상기의 경우, 여자 시스템은 일반적으로 포지티브 및 네거티브 계자 전류를 생성할 수 있으며 정격 부하 여자 전압의 3배보다 큰 피크 전압 요소에 대한 요구가 발생할 수 있다.

브러시없는 여자기는 브러시 및 슬립링에서의 탄소 먼지 문제를 없앨 수 있다. 그러나, 공지된 기술에 따른 브러시없는 여자기는 정지 여자기보다 나쁜 제어 성능을 보여준다.

본 발명의 목적은 전력 네트워크에 직접 연결되며 개선된 제어 성능을 가진 "메인티넌스 프리" 여자 시스템이 제공되는 로터리 전기 장치와 상기 전기 장치를 포함하는 전력 플랜트외에 로터리 전기 장치의 여자에 대한 방법에 관한 것이다.

본 발명은 적어도 하나의 전기 권선을 포함하며 송전 네트워크 또는 배전 네트워크에 직접 연결되도록 설계된 교류 타입 로터리 전기 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 장치를 포함하는 전력 플랜트와 로터리 전기 장치를 여자시키는 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 장치에 사용된 절연 케이블을 도시한다.

도 2는 본 발명에 따른 장치의 여자 시스템의 회로 다이아그램을 도시한다.

도 3은 도 2에 도시된 여자 시스템의 브리지 스위칭에 대한 전압 및 전류 변화를 도시한다.

상기 목적은 총구항 1항의 특징부와 청구항 17항의 전력 플랜트 및 청구항 18항의 방법에 따른 도입부에 설명된 타입의 로터리 전기 장치로 달성된다.

본 발명에 따른 절연된 도체 또는 고전압 케이블은 탄성적이며 WO 97/45919 및 WO 97/45847에 자세히 개시되어 있다. 절연된 도체 또는 케이블은 또한 WO 97/45918, WO 97/45930 및 WO 97/45931에 개시되어 있다.

그러므로, 본 발명에 따른 권선은 바람직하게 XLPE-케이블 또는 EPR-절연체를 가진 케이블과 같은 전력 배전에 사용되는 것과 유사한 고형 압출 절연체를 가진 케이블 타입이다. 상기 케이블은 하나 이상의 스트랜드로 구성된 내부 도체, 도체를 감싸는 내부 반도체층, 반도체층을 감싸는 고형 절연층 및 절연층을 감싸는 외부 반도체층을 포함한다. 상기 케이블은 탄성적이며 이는 본 발명에 따른 장치의 기술이 주로 조립하는 동안 구부러지는 케이블로부터 형성되는 권선을 가진 권선 시스템을 기초로 하기 때문에 본 설명에서는 중요한 특성이다. XLPE-케이블의 탄성은 지름이 30mm인 케이블의 경우 대략 20cm의 곡률 반경과 지름이 80mm인 케이블의 경우 대략 65cm의 곡률 반경에 해당한다. 본 기술에서 "탄성적"에 대한 용어는 권선이 케이블 지름에 4배 정도의 곡률 반경, 바람직하게 케이블 지름에 8배 내지 12배 정도로 탄성적인것을 나타낸다.

권선은 심지어 구부러지거나 동작동안 열적 또는 기계적 스트레스에 영향을 받았을 때에도 그 특성을 가질 수 있도록 설계되어야 한다. 본 설명에서 층들이 서로 접착성을 유지하는 것은 중요하다. 층의 물리적 특성, 특히 탄성 및 상대적인 열팽창 계수는 중요하다. 예를 들면, XLPE-케이블의 경우, 절연층은 크로스-링크되고 저밀도인 폴리에틸렌으로 구성되고 반도체층은 수트와 혼합된 금속 입자를 가진 폴리에틸렌으로 구성된다. 온도 변화에 의한 체적의 변화는 케이블의 반경의 변화에 따라 거의 완화되며, 상기 물질의 탄성에 대한 층의 열팽창 계수들 사이의 비교적 작은 차이에 의해 방사상 팽창은 층들 사이의 접착을 잃지않고 발생할 수 있다.

상술한 물질의 조합은 단지 예로서만 고려된다. 명시된 상태 또는 10^-1-10⁶Ω-cm, 예를 들면 1-5000Ω-cm 또는 10-200Ω-cm의 범위안의 저항을 가진 반도체 상태를 실행하는 다른 조합 역시 본 발명의 사상내에 존재한다.

절연층은 예를 들면 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리프로필렌(PP), 폴리뷰틸렌(PB), 폴리에틸 펜탄(PMP), 크로스-링크된 폴리에틸렌(XLPE)과 같은 크로스-링크된 물질 또는 에틸렌프로필렌 고무(EPR) 또는 실리콘 고무와 같은 고무를 포함하는 고형 열가소성 물질로 구성된다.

내부 및 외부 반도체층은 동일한 기본체일 수 있지만 혼합된 금속 파우더또는 수트와 같은 도전성 물질 입자를 가진다.

상기 물질의 기계적 특성, 특히 열팽창 계수는 적어도 본 발명에 필요한 도전성을 달성하는데 요구되는 비율로서 혼합된 금속 또는 수트중 어느쪽에 의해서 비교적 적게 영향을 받는다. 절연층 및 반도체층은 실질적으로 동일한 열팽창 계수를 가진다.

에틸렌-비닐-아세테이트 공중합체/니트릴 고무, 뷰틸림프 폴리에틸렌, 에틸렌 아크릴레이트-공중합체 및 에틸렌-에틸-아크릴레이트 공중합체는 반도체층에 적당한 중합체로 구성된다.

다른 타입의 물질이 다수층에서 베이스로 사용되어도 열팽창 계수는 비슷한 크기이다. 이는 상술한 물질이 조합된 경우이다.

상술한 물질은 E〈 500 MPa, 바람직하게 E〈200 MPa의 E-계수를 가진 상대적으로 효율적인 탄성을 가진다. 상기 탄성값은 탄성의 방사상 방향으로 흡수된 층에서의 물질의 열팽창 계수들 사이의 임의의 작은 차이에 대해 충분하며 어떠한 크랙 또는 다른 손상이 나타나지 않으며 이에 따라 층은 서로 떨어진다. 층의 물질은 탄성적이며 층들 사이의 접착은 물질의 가장 약한 부분에서 최소한 동일 크기를 가진다.

두 반도체층의 도전성은 각 층을 따르는 전위를 실질적으로 동일하게 하는데 충분하다. 외부 반도체층의 도전성은 케이블의 전기장을 유지할 만큼 충분히 크지만, 층의 세로 방향에 유입된 전류에 의한 주요 손실을 일으키지 않을 만큼 충분히 작다.

그러므로, 두 반도체층의 각각은 기본적으로 등전위로 구성되며 이 층을 가진 권선은 내부의 전기장을 실질적으로 에워쌀 것이다.

이때, 하나 이상의 반도체층이 절연층에 배치되는 것을 방해하는 것은 아무것도 없다.

포지티브와 네거티브 여자 사이에서 스위칭될 수 있는 브러시없는 여자 시스템을 가진 전기 장치를 제공함으로써, 네트워크 장애시에 빠른 응답 및 이전 시간을 가진 "메인티넌스 프리" 시스템이 얻어지며 이는 예를 들면 여자 시스템이 포지티브 및 네거티브 계자 전압과 그에 따른 포지티브 및 네거티브 계자 전류를 생성할 수 있기 때문이다.

본 발명에 따른 장치의 실시예에 따라, 여자 시스템은 교류 장치의 계자 권선을 공급하는 두개의 제어가능한 역병렬 접속된 전류 변환기 장치, 양방향 계자 과전압 보호 장치 또는 계자 권선을 가로질러 접속된 방전 회로, 및 전류 변화기 및 과전압 보호 장치 또는 방전 회로를 제어하기 위한 제어 장치를 포함한다. 이는 갈바니식으로 분리된 공급 소스 및 전류 제한 리액턴스 및 도전성 사이리스터를 단절시키는 분리된 쇼트-회로 장치가 필요하지 않은 단순한 구조이다. 여자 시스템은 또한 동기 보상기와 같은 동기 장치에 적당하다. 본 발명은 단순한 방식으로 극성을 일시적으로 변화시키는 반도체 기술에 의해 제공된 특성을 이용하며, 전류 방향의 변화가 장치의 계자 회로에 필요할 때 정지 전류 변환기 브리지로부터 쇼트-회로로 계자 전류의 고속 전환을 용이하게 한다.

본 발명은 도면을 참조로 이하에서 상세히 설명된다.

도 1에 본 발명에 따른 장치의 권선에 사용된 절연 도체(11)의 단면도가 도시되어 있다.

절연 도체(11)는 원형 단면을 가지며 예를 들면 구리(Cu)로 구성된 다수의 스트랜드(35)를 포함한다. 이 스트랜드(35)는 절연 도체(11)의 중심에 배치된다. 제 1 반도체층(13)은 스트랜드(35) 주변에 배치된다. 절연층(37), 예를 들면 XLPE 절연층은 제 1 반도체층(13) 주변에 배치된다. 제 2 반도체층(15)은 절연층(37)의 주변에 배치된다. 절연 도체는 탄성적이며 서비스 기간동안 이 특성을 유지한다. 상기 세개의 층은 절연층이 구부러질 때도 접착하도록 구성된다. 절연 도체는 20-250mm 간격내의 지름과 80-3000mm²간격내의 도전성 영역을 가진다.

도 2에 본 발명에 따른 장치의 여자 시스템의 회로 다이아그램이 도시되어 있다. 장치의 계자 권선(4)은 고정식이거나 로터리일 수 있으며 두개의 역평행 접속된 전류 변환기 브리지(1,2)에 접속된다. 양방향 과전압 보호 장치는 관련 점화 회로(12,14)를 가진 두개의 역평행 접속된 사이리스터(8)를 포함하며, 계자 권선(4)에 공급된다.

전류 변환기 브리지(1,2)는 소스로부터 공급되며 스위칭 로직(18)으로부터 제어 펄스 증폭기(20,22)에 의해 제어된다. 사이리스터 브리지의 형태인 전류 변환기 브리지(1,2)에 대한 제어 펄스 발생기(28)는 펄스 증폭기(20,22)에 제어 펄스를 발생시키도록 배치된다. 측정 장치(24,26)는 전류 변환기 브리지(1,2)로부터 각각 전류(IFB1,IFB2)를 측정하며, 제어를 위해 스위칭 로직(18)으로 측정된 결과를 전송하도록 배치된다. 과전압 보호 장치의 사이리스터(8,10) 접속은 스위칭 로직(18)으로부터 점화 회로(12,14)에 의해 제어된다. 과전압 보호 장치는 전류 제한 저항(R)에 접속된다. 계자 브레이커를 가진 시스템에서 상기 저항(R)은 방전 저항 역할을 한다.

브리지(1)로부터 브리지(2)의 스위칭에 대한 절차는 다음과 같다: 도 3a, 3b를 보면, 우선 브리지(1)가 도전성이 되고, 이는 계자 권선(4)을 통과하는 전류 방향(IF)이 포지티브임을 의미한다. 도 2를 보면, 제어 펄스 발생기(28)과 스위칭 로직(18)으로 향하는 제어 신호(Ust)는 네거티브이며 그 결과 도 3a에서 바이어스가 감소하며 브리지(1)의 극성이 변화된다. 도 3b에 따른 최대 포지티브 피크 전압으로부터 최대 네거티브 피크 전압에 대한 바이어스 변화(t2-t1)의 시간 간격은 50Hz의 주파수와 6-펄스 양방향 브리지에서 대략 8.3ms이다.

시간 t3에서, 전류(IFB1)가 0보다 클때, 점화 펄스는 방전 사이리스터910)로 전송되고 블록킹 신호는 브리지(1)로 전송된다. 네거티브 바이어스에서의 프리-휠 효과에 의해, 과전압 보호 회로로 향하는 여자 전류(IFB1)의 순간적인 전송이 이루어지고 브리지(10)는 전류가 통하지 않는다. 브리지(1)에 전류가 흐르지 않는 측정 장치(24)의 신호는 브리지(2)의 언블록킹과 사이리스터(10)용 점화 회로(14)의 블록킹을 시작한다. 도 3의 시간 간격 t4-t3, 즉 브리지(2)가 접속될 때까지의 브리지(1)의 블록킹의 시간은 대략 5ms이다. 도 3d에 스위칭 간격동안의 계자 회로(4)의 전류(IF)가 계자 권선(4)의 인덕턴스의 결과로서 유지되는 것이 나타나 있다. 도 3d와 3e에 나타난 바와 같이, 바이어스된 브리지(2)는 사이리스터(10)와 전류 제한 저항(R)을 거쳐 도 3f의 전류(IR)를 일으키며 동기 장치의 계자 권선(4)을 거쳐 전류(IF)를 일으킨다. 시간 t5에서 계자 전류(IF)는 변화된 극성을 가지며 방전 사이리스터(10)는 브리지(2)의 순간 바이어싱 감소에 의해 단절된다. 즉, 극성의 순간 변화는 쇼트-회로 또는 과전압 보호 장치의 역방향으로 전류를 유도한다.

블록킹을 생성하고 신호를 검출하기 위한 전류 레벨의 적절한 선택에 의해 보조 회로 또는 양방향 사이리스터 방전 회로 역할을 하는 양방향 계자 과전압 보호 장치(8,10,12,14)를 접속하기 위한 시간 간격이 짧다는 것이 보장된다.

포지티브 제어 신호에서 네거티브 전류 방향으로부터 포지티브 전류 방향으로의 스위칭은 과전압 보호 장치에서 사이리스터(8)의 순간 접속에 의한 방식과 유사한 방식으로 발생한다.

본 발명에 따른 로터리 전기 장치의 실시예는 예로서 기술되었지만, 본 발명의 사상내에서 다양한 변용이 가능하다. 기술된 원칙은 동기 장치를 여자시키거나 드라이브 시스템용의 모터를 제공하기 위해 고정식 및 로터리 사이리스터 브리지에 사용될 수 있다. 순간 또는 펄스된 바이어싱 감소는 활성화된 과전압 보호 장치를 리셋하는데 사용될 수 있다. 제 1 위상에서, 과전압 신호는 보호 장치의 알람 및 리세팅을 위해 신호를 제공한다. 여러번의 리세팅 시도후에 연속적인 에러 신호는 트리핑 신호를 발생할 것이다.

단절될 수 있는 반도체 엘리멘트의 사용 및 도입은 포지티브 및 네거티브 여자 사이의 스위칭 시간 간격을 줄일 수 있으며 그 역 또한 가능하다. 양방향 과전압 보호 장치의 단절될 수 있는 반도체 엘리멘트의 도입은 활성화되며 도전된 반도체 엘리멘트를 단절시키기는데 불필요한 계자 전압의 순간 반전을 일으킨다.

Claims (18)

1. 적어도 하나의 전기 권선을 포함하며 배전 또는 송전 네트워크에 직접 연결되도록 설계된 교류 타입 로터리 전기 장치에 있어서,

   상기 권선은 적어도 하나의 전도체, 상기 전도체를 감싸는 반도체 특성을 가진 제 1 층, 상기 제 1 층을 감싸는 고형 절연층 및 상기 절연층을 감싸는 반도체 특성을 가진 제 2 층을 포함하며, 그리고

   브러시없는 여자 시스템은 포지티브와 네거티브 여자 사이에서 스위칭할 수 있고 장치의 여자를 위해 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 층의 전위는 도체의 전위와 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 층은 도체를 감싸는 실질적으로 등전위 표면을 형성하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 2 층은 소정의 전위에 접속되는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 소정의 전위는 접지 전위인 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치의 권선의 적어도 두개의 근접층은 실절적으로 동일하게 큰 열팽창 계수를 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 도체는 다수의 스트랜드를 포함하며 그 중 적어도 일부는 서로 전기 접촉되는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제 1 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 세개 층의 각각은 실질적으로 전체 접촉 표면을 따라 근접층에 단단히 결합되는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 층은 절연체가 구부러질 때도 서로 접착되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 배전 또는 송전 네트워크에 직접 연결되도록 설계된 적어도 하나의 교류형 주전기 장치와 적어도 하나의 자성 코어 및 적어도 하나의 로터리 주 전기 권선을 포함하는 장치에 있어서,

    상기 권선은 하나 이상의 전류-전송 도체를 포함하는 케이블로 형성되며 각 도체는 다수의 스트랜드, 각 도체 주변에 배치된 내부 반도체층, 상기 내부 반도체층 주변에 배치된 고형 절연체로 이루어진 절연층 및 상기 절연층 주변에 배치된 외부 반도체층을 가지며, 그리고

    브러시없는 여자 시스템은 포지티브 및 네거티브 여자 사이에서 스위칭가능하며 상기 장치의 여자를 위해 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 케이블은 금속 스크린 또는 외장을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 제 1 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 여자 시스템은 교류 장치의 계자 권선(4)을 공급하기 위한 두개의 제어가능한 역평행 접속된 전류 변환기 장치, 상기 계자 권선을 가로질러 접속된 방전 회로 또는 양방향 과전압 보호 장치(8,10,12,14), 및 상기 전류 변환기 및 방전 회로 또는 계자 과전압 보호 장치를 제어하는 제어 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 여자 시스템의 여자 전류의 방향을 스위칭하기 위해, 제어 장치가 전류 변환기의 극성을 변화시키도록 배치되며, 상기 제어 장치는 과전압 보호 장치가 일 전류 방향에서 다른 전류 방향으로 변화될 때 일시적으로 접속되도록 하는 것을 특징으로 하는 장치.
14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 과전압 보호 장치 또는 방전 회로는 양방향 사이리스터 방전 회로(8,10)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
15. 제 12 항 내지 제 14 항중 어느 한 항에 있어서, 활성화된 과전압 보호 장치 또는 방전 회로는 극성의 일시적이거나 펄스-형태의 변화에 대해 도전성 변환기 장치(1,2)를 제어함으로써 리셋될 수 있다.
16. 제 12 항 내지 제 14 항중 어느 한 항에 있어서, 활성화된 과전압 보호 장치 또는 방전 회로는 단절될 수 있는 반도체 엘리멘트로 구성된 장치에 의해 리셋될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
17. 제 1 항 내지 제 16 항을 따르는 로터리 전기 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 플랜트.
18. 포지티브 및 네거티브 여자 전류 방향을 가진 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 로터리 전기 장치를 여자시키는 방법에 있어서,

    양방향 계자 과전압 보호 장치(8,10,12,14) 또는 양방향 방전 회로는 여자 전류 방향 사이에서 스위칭이 이루어질 때 장치의 계자 권선(4)을 가로질러 일시적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 방법.