MXPA00003034A - Planta de compensador sincrono - Google Patents

Planta de compensador sincrono

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MXPA00003034A
MXPA00003034A MXPA/A/2000/003034A MXPA00003034A MXPA00003034A MX PA00003034 A MXPA00003034 A MX PA00003034A MX PA00003034 A MXPA00003034 A MX PA00003034A MX PA00003034 A MXPA00003034 A MX PA00003034A
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MXPA/A/2000/003034A
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Mats Leijon
Bertil Berggren
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Asea Brown Boveri Ab
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Abstract

Se decribe un circuito magnético de una planta de compensador síncrono que es incluido en un máquina eléctrica que es conectada directamente a una fuente de alimentación de alto voltaje de 20-800 KV, de preferencia mayor de 36 KV. La máquina eléctrica es provista con aislamiento sólido y su(s) devanado (s) es (son) construido (s) de un cable (6) diseñado para alto voltaje que comprende uno o más conductores (31) portadores de corriente con un número de hebras (36) rodeadas por al menos una capa semiconductora externa y una interna (34,32) y capas aislantes intermedias (33). La planta es construida como una unidad móvil.

Description

PLANTA DE COMPENSADOR SÍNCRONO Campo técnico La presente invención es concerniente con una máquina eléctrica diseñada para redes de distribución o de transmisión, de aqui en adelante en la presente llamadas redes de potencia. Más específicamente la invención es concerniente con plantas compensadoras síncronas para el propósito mencionado anteriormente, con el uso de tal planta y un método para compensación de fase.
Antecedentes de la invención La potencia reactiva está presente en todos los sistemas eléctricos de potencia que transfieren corriente alterna. Muchas cargas consumen no solo potencia activa sino también potencia reactiva. La transmisión y distribución de potencia eléctrica per se comprende pérdidas reactivas como resultado de inductancias en serie en transformadores, lineas elevadas y cables. Las lineas elevadas y cables también producen potencia reactiva como resultado de conexiones capacitivas entre fases y entre fases y potencial de tierra. En operación estacionaria de un sistema de corriente alternante, la producción y consumo de potencia activa debe ser adaptada con el fin de obtener una frecuencia nominal. Existe una relación igualmente fuerte REF.: 32962 existe entre el equilibrio de potencia reactiva y voltajes en la red de potencia eléctrica. Si el consumo y producción de potencia reactiva no son equilibradas de una manera adecuada, las consecuencias pueden ser niveles de voltaje inaceptables en partes de la red de potencia eléctrica. Un exceso de potencia reactiva en un área conduce a altos voltajes, mientras que una deficiencia conduce a altos voltajes . Contrario al equilibrio de potencia activa a una frecuencia nominal, que es controlada solamente con la ayuda del control de potencia activa del generador, se obtiene un equilibrio apropiado de potencia reactiva con la ayuda de excitación controlable de generadores síncronos y de otros componentes dispersados en el sistema. Ejemplos de tales componentes (compensación de fas.e) son reactores en derivación, capacitores en derivación, compensadores síncronos y SVC (Compensadores de Var. estáticos). La ubicación de estos componentes de compensación de fase en la red de potencia eléctrica afecta no solamente el voltaje en varias partes de la red de potencia eléctrica, sino también las pérdidas en la red de potencia eléctrica, puesto que la transferencia de potencia reactiva, como la transferencia de potencia activa, da lugar a pérdidas y asi calentamiento. (Consecuentemente, es deseable colocar componentes de compensación de fase de tal manera que las pérdidas sean minimizadas y el voltaje en todas las partes de la red de potencia eléctrica sea aceptable. El reactor en derivación y capacitor en derivación son usualmente conectados permanentemente o conectados via un mecanismo de interruptor automático a la red de potencia eléctrica. En otras palabras, la potencia reactiva consumida/producida por estos componentes no es controlable continuamente. La potencia reactiva producida/consumida por el compensador síncrono y los SVC, por otra parte, es controlable continuamente. Estos dos componentes son consecuentemente usados y hay una demanda de control de voltaje de alto desempeño. La siguiente es una breve descripción de la tecnología para la compensación de fase con la ayuda de un compensador síncrono y SVC. Un compensador síncrono es en principio un motor síncrono que corre sin carga, esto es, toma potencia activa de la red de potencia eléctrica equivalente a las pérdidas en la máquina. El árbol del rotor de un compensador síncrono es usualmente horizontal y el rotor tiene en general seis a ocho polos salientes. El rotor es usualmente dimensionado térmicamente de tal manera que el compensador síncrono, en estado sobreexcitado, pueda producir aproximadamente 100% de la potencia aparente para la cual el estator está dimensionado térmicamente (salida nominal) en forma de potencia reactiva. En estado sub-excitado, cuando el compensador síncrono consume potencia reactiva, consume aproximadamente 60% de la potencia nominal (valor estándar, dependiendo de cómo la máquina esté dimensionada) . Esto da un área de control de aproximadamente 160% de la potencia nominal en la cual el consumo/producción de potencia reactiva pueden ser continuamente controladas. Si la máquina tiene polos salientes con relativamente poca reactancia en dirección transversal y es provista con equipo de excitación que permite excitación positiva y negativa, más potencia reactiva puede ser consumida que el 60% de la potencia nominal mencionada anteriormente, sin que la máquina exceda el limite de estabilidad. Los compensadores síncronos modernos están normalmente equipados con sistemas de excitación rápida, de preferencia un excitador estático controlado por tiristor, en donde la corriente directa es suministrada al rotor via anillos deslizantes o colectores. Esta solución permite una alimentación positiva y negativa suministro como se menciona anteriormente. Los circuitos magnéticos en un compensador síncrono usualmente comprenden un núcleo laminado, por ejemplo de lámina de acero con una construcción soldada. Para proveer ventilación y enfriamiento, el núcleo es frecuentemente dividido en pilas con conductos de ventilación radiales y/o axiales. Para máquinas más grandes las laminaciones son troqueladas en segmentos que son pegados al marco de la máquina, el núcleo laminado es retenido conjuntamente mediante manecillas de presión y anillos de presión. El devanado del circuito magnético es dispuesto en ranuras en el núcleo. Las ranuras tienen en general una sección transversal en forma de un rectángulo o trapecio. En máquinas eléctricas multifásicas, los devanados son fabricados como devanados de una sola capa o de doble capa. Con devanados de una sola capa hay solo un lado de bobina por ranura, mientras que con devanados de doble capa hay dos lados de bobina por ranura. Lado de bobina significa uno o más conductores combinados vertical u horizontalmente y provistos con un aislamiento . de bobina común, un aislamiento diseñado para soportar el voltaje nominal de la máquina a tierra. Los devanados de doble capa son fabricados en general como devanados en rombo, mientras que los devanados de una sola capa en el presente contexto pueden ser fabricados como devanados en rombo o planos. Solo existe un (posiblemente dos) ancho de bobina existe en los devanados en rombo, mientras que los devanados planos son fabricados como devanados concéntricos, esto es, con un ancho de bobina ampliamente variable. Ancho de bobina significa la distancia en dimensión de arco entre dos lados de bobina pertenecientes a la misma bobina. Normalmente todas las máquinas grandes son fabricadas con devanados de doble capa y bobinas del mismo tamaño. Cada bobina es colocada con un lado en una capa y el otro lado en la otra capa. Esto significa que todas las bobinas se cruzan entre si en el extremo de la bobina. Si hay mas de dos capas estos cruces complican el trabajo de devanado y el extremo de la bobina es menos satisfactorio. Es considerado que bobinas para máquinas rotativas pueden ser fabricadas con buenos resultados hasta a un rango de voltaje de 10-20 KV. Un compensador síncrono tiene una capacidad de sobrecarga de corta duración considerable. En situaciones cuando se presentan oscilaciones .electromecánicas en el sistema de potencia, el compensador síncrono puede alimentar brevemente potencia reactiva arriba de dos veces el doble de la potencia nominal. El compensador síncrono también tiene una capacidad de sobrecarga más duradera y frecuentemente es capaz de suministrar 10 a 20% más de la potencia nominal más de 30 minutos. Compensadores síncronos existen en tamaños desde unos pocos MVA a cientos de MVA. Las pérdidas para un compensador síncrono enfriado por gas hidrógeno suman aproximadamente 10 /KVAR, mientras que la cifra correspondiente para compensadores síncronos enfriados por aire es de aproximadamente 20 /KVAR. Los compensadores síncronos se instalaban de preferencia en el extremo receptor de lineas de transmisión radial largas y en nodos importantes en redes de potencia eléctrica protegidas, cubiertas, con lineas de transmisión largas, particularmente en áreas con poca generación local. El compensador síncrono es también usado para incrementar la potencia de corto circuito en la vecindad de estaciones inversoras HVDC. El compensador síncrono es más frecuentemente conectado a puntos en la red de potencia eléctrica en donde el voltaje es substancialmente más alto que para el cual el compensador síncrono está diseñado. Esto significa que, además del compensador síncrono, la. planta del compensador síncrono incluye en general un transformador elevador, un sistema de barra de distribución entre el compensador síncrono y transformador, un interruptor automático para el generador entre el compensador síncrono y el transformador, y un interruptor automático de la linea entre el transformador y la red de potencia eléctrica. En años recientes los SVC han reemplazado a una gran extensión a los compensadores síncronos en nuevas instalaciones debido a sus ventajas, particularmente con respecto al costo, pero también en ciertas aplicaciones debido a ventajas técnicas. El concepto de SVC (Compensador Var. estático) es hoy el concepto principal para la compensación de potencia reactiva y también como en muchos casos reemplazando el compensador síncrono en la red de transmisión, también tiene aplicaciones industriales en relación con hornos de arco eléctrico. Los SVC son estáticos en el sentido de que, contrario a los compensadores síncronos, no tienen componentes principales movibles o rotativos. La tecnología de SVC está basada en interruptores rápidos construidos de semiconductores tiristores. Un tiristor puede conmutar de no conductor a conductor en unas pocas millonésimas de segundo. Los capacitores y reactores pueden ser conectados o desconectados con retardo insignificante con la ayuda de puentes de tiristores. Al combinar estos dos componentes la potencia reactiva puede ser ya sea alimentada o extraída gradualmente. Una planta de SVC consiste típicamente de bancos de capacitores y reactores y puesto que los tiristores generan armónicas, la planta también incluye filtros de armónicas. Además del equipo de control, un transformador es también requerido entre el equipo de compensación y la red con el fin de obtener compensación óptima desde el punto de vista de tamaño y costo. Plantas de SVC están disponibles en tamaños de unos pocos MVA hasta 650 MVA con voltajes nominales de hasta 765 KV. Existen varios tipos de plantas de SVC, denominadas en base a cómo los capacitores y reactores están combinados. Dos elementos usuales que pueden ser incluidos son TSC o TCR. TSC es un capacitor productor de potencia reactiva interrumpida por tiristor y TCR es un reactor de potencia reactiva conmutado por tiristor. Un tipo usual es una combinación de esos elementos, TSC/TCR. La magnitud de las pérdidas depende mucho de a que tipo de planta el SVC pertenece, por ejemplo un tipo de FC/TCR (FC significa que el capacitor es fijo) tiene pérdidas considerablemente mayores que un TSC/TCR. Las pérdidas para el último tipo son aproximadamente comparables con las pérdidas para un compensador . síncrono . Debe ser evidente del resumen anterior de la tecnología de compensación de fase que esto puede ser dividido en dos principales conceptos, es decir compensación síncrona y SVC. Estos conceptos tienen diferentes puntos fuertes y debilidades. Comparado con el compensador síncrono, el SVC tiene la principal ventaja de ser mas barato. Sin embargo, también permite el control un tanto más rápido, el que puede ser una ventaja en ciertas aplicaciones.
Las desventajas del SVC en comparación con el compensador síncrono incluyen: - no tiene capacidad de sobrecarga. En operación en su límite capacitivo el SVC se convierte en principio en capacitor, esto es, si el voltaje cae entonces la potencia reactiva cae con el cuadrado del voltaje. Si el propósito de la compensación de fase es permitir la transferencia de potencia en largas distancias, la carencia de capacidad de sobrecarga significa que, con el fin de evitar problemas de estabilidad, se debe escoger una potencia nominal mayor si la planta SVC es seleccionada que si la planta del compensador síncrono es seleccionada. - requiere filtros si incluye un TCR. - no tiene una masa rotativa con fuente de voltaje interna. Esta es una ventaja con el compensador síncrono, particularmente en la vecindad de transmisión de HVDC. Con el fin de obtener un mercado de electricidad más competitivo, muchos países han desregularizado o están en proceso de desregularizar tienen desregulada o están en el proceso de desregularización, del mercado de electricidad. Esto usualmente implica una separación de los servicios de producción de potencia y transmisión en entidades separadas. Cuando estas dos partes del sistema están en diferentes manos se rompe el enlace previamente existente entre la planeación de plantas de generación y lineas de transmisión. Un propietario de planta de generación puede anunciar el cierre de una planta de generación en espacios de tiempo que son, en cuanto a la inversión de elementos físicos, muy cortos, presentando a los operadores y planeadores de servicios de transmisión cambios mayores en las configuraciones de flujo de carga y la ubicación de recursos de producción/consumo reactivos controlables en poco tiempo. Consecuentemente, hay una necesidad estratégica de una unidad de compensación de fase que pueda ser reubicada, en corto tiempo, a un nodo arbitrario en el sistema de transmisión. En paises en donde el mercado eléctrico no ha sido desregularizado también puede existir la necesidad de tener componentes de compensación de fase reubicables. Por ejemplo, paises con una gran participación de producción de potencia nuclear pueden encontrar situaciones similares a aquellas descritas anteriormente. Normalmente, las plantas de potencia nuclear son cerradas una vez al año, durante una temporada de carga baja, para inspecciones y reparaciones. Sin embargo, ocasionalmente estas plantas pueden tener que permanecer cerradas por períodos de tiempo más largos debido a reparaciones mayores. Aunque esta situación es más fácil de manejar en un pais que no ha desregularizado el mercado de electricidad, el tamaño de una planta nuclear típica puede implicar que los cambios en las configuraciones de flujo de carga y la ausencia de recursos de producción/consumo de potencia reactiva controlables ponga a los operadores del sistema de transmisión en situaciones que son difíciles de manejar en tanto que se mantengan los estándares de seguridad prescritos. Existe necesidad de una unidad de compensación de fase reubicable en estas situaciones . Existe hoy un pequeño número de plantas de SVC reubicables, véase por ejemplo el artículo "Relocatable static var compensators help control unbundled power flows" en la revista "Modern Power Systems", Diciembre 1996, páginas 49-54. Además de las diferencias entre un compensador estático y un síncrono descritos anteriormente, el compensador estático reubicable incluye un número de contenedores, los cuales requieren un área bastante grande en el sitio y que necesitan ser interconectados eléctricamente en el sitio. Pero más importantemente el compensador estático reubicable puede solamente estar conectado a nodos en el sistema de transmisión en donde un transformador de bajada (o reductor) esté disponible, proporcionando un voltaje bastante bajo. En otras palabras, el compensador estático reubicable no puede ser conectado directamente al voltaje de transmisión del sistema (comúnmente de 130 KV y más).
Debido al número de componentes requeridos en una planta del compensador síncrono y en particular la presencia hasta ahora necesaria de un transformador, las plantas del compensador síncrono para redes de alto voltaje se han realizado hasta ahora solamente como plantas estacionarias. En el caso de cambio en una red existente de potencia con respecto a la necesidad de compensación de fase, la planta podría ser superflua en su ubicación o se podría requerir que fuera diseñada y dimensionada diferentemente o se podría requerir una planta en alguna otra parte en la red. Esta por supuesto es una desventaja seria con tal planta estacionaria.
Descripción de la invención : El objeto de la presente invención es obtener una planta del compensador síncrono que evite esta desventaja. De acuerdo con la invención, este objeto se ha obtenido en que una planta del compensador síncrono de la clase especificada en el preámbulo de la reivindicación 1 incluye las características específicas resumidas en la porción caracterizante de la reivindicación. Gracias al hecho de que el (los) devanado (s) en la máquina eléctrica rotativa en la planta del compensadora síncrona es/son fabricado con un aislamiento sólido especial, se puede obtener un nivel de voltaje para la máquina que está muy por encima de los limites para los cuales un compensador síncrono convencional puede ser práctica o financieramente construido. El nivel de voltaje puede alcanzar cualquier nivel aplicable en las redes de potencia para distribución y transmisión. La ventaja es asi obtenida en que el compensador síncrono puede ser conectado directamente a tales redes sin una conexión intermedia de un transformador elevador. La eliminación del transformador per se abarca grandes ahorros en costo, peso y espacio, pero también tiene otras decisivas ventajas con respecto a una planta del compensador síncrono convencional. La eficiencia de la planta es incrementada. Además, las pérdidas reactivas incurridas por el consumo de potencia reactiva del transformador son evitadas y así también el desplazamiento resultante en ángulo de fase. Esto tiene un positivo efecto con respecto a los márgenes de estabilidad estáticos y dinámicos de el sistema. Además de esto, un transformador convencional contiene aceite, lo que abarca un riesgo de incendio. Esto es eliminado en una planta de acuerdo con la invención y se reduce el requerimiento de varios tipos de precauciones contraincendio. Muchos otros componentes de acoplamiento eléctrico y equipo protector son también reducidos. Esto da costos de planta reducidos y menos necesidad de servicio y mantenimiento . Estas y otras ventajas dan como resultado que una planta del compensador síncrono sea considerablemente más pequeña y menos cara que una planta convencional y que la economía de operación sea radicalmente mejorada gracias a menos mantenimiento y pérdidas menores. Gracias a estas ventajas una planta de compensador síncrono de acuerdo con la invención contribuirá a este concepto siendo financieramente competitiva con el concepto de SVC (véase lo anterior) y aún ofrece beneficios de costo en comparación con este. El hecho de que la invención haga el concepto del compensador síncrono competitivo en comparación con el concepto de SVC permite por consiguiente un regreso al uso de plantas del compensador síncrono. Las desventajas asociadas con la compensación SVC ya no son asi relevantes.
Los bancos de capacitores y reactores complicados, voluminosos en una planta de SVC son una de tales desventajas. Otra gran desventaja con la tecnología de SVC es su compensación estática que no da la misma estabilidad como aquella obtenida por la inercia obtenida en una máquina eléctrica rotativa con su campo electromagnético de rotación con respecto al voltaje y al ángulo de fase. Un compensador síncrono es por consiguiente mejor apto para ajustarse a las alteraciones temporales en la red y a las fluctuaciones en el ángulo de fase. Los tiristores que controlan una planta de SVC también son sensibles al desplazamiento del ángulo de fase. Una planta de acuerdo con la invención también permite que el problema de armónicas sea resuelto. La planta del compensador síncrono de acuerdo con la invención permite así que las ventajas de la tecnología del compensador síncrono con respecto a la tecnología de SVC sea aprovechada, de tal manera que se obtenga una compensación más eficiente y estable a un costo superior a esta, desde el punto de vista de inversión de planta y operación. La planta de acuerdo con la invención es pequeña, no cara, eficiente y confiable, en comparación con un compensador síncrono convencional y un SVC. La reducción de la cantidad de componentes requeridos en la planta y en particular la eliminación de los transformadores en la planta hace al diseño de la planta como una unidad móvil posible, la cual asi es incluida como una característica esencial de la reivindicación 1. Al fabricar la planta como una unidad móvil que puede ser transportada por un camión, un camión ferroviario, un helicóptero o los semejantes, la planta puede ser movida desde una locación posición de una red de potencia a otra, si hay la necesidad de compensación de fase en el cambio de red. Con una planta de compensador síncrono que tiene componentes con devanados de la construcción especifica como se reclama en la reivindicación 1 y haciendo uso de la posibilidad de diseñar la planta como una unidad móvil, los inconvenientes relacionados con las plantas compensadoras síncronas estacionarias son así superados. Esto es principalmente de relevancia para redes de alto voltaje, en particular en el rango de 36 KV y superiores. Otro objeto de la invención es satisfacer la necesidad de una más rápida, controlable de manera continua potencia reactiva el cual esté conectada directamente a niveles de sub-transmisión o transmisión con el fin de manipular la estabilidad del sistema y/o dependencia de la masa rotatoria y la fuerza electromotriz en la vecindad de transmisión de HVDC. Las plantas serán aptas de alimentar desde unos pocos MVA hasta varios cientos de MVA. La ventaja ganada al satisfacer tales objetos es la exclusión del transformador intermedio, la reactancia de el cual consume de otra manera potencia reactiva. Esto también permite la exclusión de los llamados interruptores automáticos del generador. También se obtienen ventajas con respecto a la calidad de la red, puesto que hay compensación rotativa. Con una planta de acuerdo con la invención, la capacidad de sobrecarga es también incrementada, el cual con la invención puede ser de +100%. Se le puede dar al compensador síncrono de acuerdo con la invención una capacidad de sobrecarga mas alta en operación sobre-excitada que los compensadores síncronos convencionales, con respecto a una capacidad de sobrecarga de corta duración y de larga duración. Esto es principalmente debido a que las constantes de tiempo por calentar el estator son grandes con aislamiento eléctrico del devanado del estator de acuerdo con la invención. Sin embargo, el dimensionamiento térmico del rotor debe ser de tal manera que no límite las posibilidades de aprovechar esta capacidad de sobrecarga; Para llevar a cabo esto, el circuito magnético en la máquina eléctrica incluida en la planta de compensador síncrono es formada con cable aislante permanente trenzado con tierra incluida. La invención también es concerniente con un procedimiento para fabricar tal circuito magnético. La diferencia principal y esencial entre la tecnología conocida y la modalidad de acuerdo con la invención es asi que esta es obtenida con una máquina eléctrica provista con aislamiento sólido, el (los) circuito (s) magnético (s) del (de los) devanado (s) es (son) arreglado (s) para estar directamente conectado (s) via interruptores automáticos y desconectores a la fuente de alto voltaje de entre 20 y 800 KV, de preferencia mayor de 36 KV. Así, el circuito magnético comprende un núcleo laminado que tiene un devanado consistente de un cable trenzado con uno o más conductores aislados permanentemente que tienen una capa semiconductora en el conductor y al exterior del aislamiento, la capa semiconductora exterior es conectada a potencial de tierra. Para resolver los problemas que surgen con la conexión directa de máquinas eléctricas a todos los tipos de redes de potencia de alto voltaje, una máquina en la planta de acuerdo con la invención tiene un número de características como se mencionan anteriormente, que difieren de manera distintiva de la tecnología conocida. Características adicional y modalidades adicionales son definidas en las reivindicaciones dependientes y son discutidas en la siguiente. Tales características mencionadas anteriormente y otras características esenciales de la planta del compensador síncrono y la máquina eléctrica de acuerdo con la invención incluida en la misma, incluyen lo siguiente: - El devanado del circuito magnético es producido de un cable que tiene uno o más conductores aislados permanentemente con una capa semiconductora en el conductor y el forro. Algunos conductores típicos de este tipo son un cable de XLPE o un cable con aislamiento de hule de EP que, sin embargo, para el propósito presente son desarrollados adicionalmente con respecto a las hebras en el conductor y la naturaleza del forro exterior. XLPE = polietileno reticulado. EP = etileno propileno. - Los cables con sección transversal circular son preferidos, pero se pueden usar cables con alguna otra sección transversal con el fin de obtener mejor densidad de empaque, por ejemplo. - Tal cable permite que el núcleo laminado sea diseñado de acuerdo a la invención de una manera nueva y óptica como respecto a las ranuras y los dientes. - El devanado es de preferencia fabricado con aislamiento en etapas para una mejor utilización del núcleo laminado. - El devanado es fabricado de preferencia como un devanado de cable concéntrico, en multicapas, permitiendo asi que el número de intersecciones del extremo de la bobina se reducido. - El diseño de ranura es apropiado para la sección transversal del cable del devanado, de tal manera que las ranuras se encuentran en forma de un número de aberturas cilindricas que corren axial y/o radialmente hacia fuera entre si y que tienen un talle abierto que corre entre las capas del devanado del estator. El diseño de las ranuras es ajustado a la sección transversal del cable relevante y al aislamiento escalonado del devanado. El aislamiento graduado permite que el núcleo magnético tenga un ancho de diente sustancialmente constante, independientemente de la extensión radial. - El desarrollo adicional mencionado anteriormente con respecto a las hebras comprende conductores del devanado que consisten de un número de estratos/capas impactados, esto es, hebras aisladas que desde el punto de vista de una máquina eléctrica, no están necesariamente transpuestos correctamente, aislados y/o aislados entre sí. - El desarrollo adicional mencionado anteriormente con respecto al forro externo comprende que en puntos apropiados a lo largo de la longitud del conductor, el forro externo sea cortado, cada longitud parcial de corte es conectada directamente a potencial de tierra. El uso de un cable del tipo descrito anteriormente permite que toda la longitud del forro externo del devanado, también como otras partes de la planta, se mantengan a potencial de tierra. Una ventaja importante es que el campo eléctrico es cercano a cero dentro de la región del extremo de la bobina al exterior de la capa semiconductora externa. Con potencial de tierra en el forro externo, el campo eléctrico no necesita ser controlado. Esto significa que no se presentarán concentraciones de campo ya sea en el núcleo, en las regiones del extremo de la bobina o en la transición entre ellas.
La mezcla de hebras impactadas o hebras transpuestas aisladas y/o sin aislar, da como resultado bajas pérdidas parásitas El cable para alto voltaje usado en el devanado del circuito magnético es construido de un núcleo interno/conductor con una pluralidad de hebras, por lo menos dos capas semiconductoras, la más interna está rodeada por una capa aislante, que a su vez está rodeada por una capa semiconductora externa que tiene un diámetro exterior del orden de 20-250 mm y un área conductora del orden de 30-3000 mm2. El conductor aislado o cable usado en la presente invención es flexible y de un tipo que es descrito en más detalle en WO 97/45919 y WO 97/45847. Descripciones adicionales del conductor aislado . u cable concernientes pueden encontrarse en WO 97/45918, WO 97/45930 y WO 97/45931. Así, los devanados, en el arreglo de acuerdo con la invención son de preferencia de un tipo correspondiente a cables que tienen un aislamiento sólido, extruido, de un tipo ahora usado para la distribución de potencia, tales como cables XLPE o cables con aislamiento de EPR. Tal cable comprende un conductor interno compuesto de una o más partes de hebra, una capa semiconductora interna que rodea el conductor, una capa aislante sólida que rodea esta y una capa semiconductora externa que rodea la capa aislante. Tales cables son flexibles, la cual es una propiedad importante en este contexto, puesto que la tecnología para el arreglo de acuerdo con la invención está basada principalmente en sistemas de devanado en los cuales el devanado es formado de un cable el cual es doblado durante el montaje. La flexibilidad de un cable de XLPE normalmente corresponde a un radio de curvatura de aproximadamente 20 cm para un cable con un diámetro de 30 mm y un radio de curvatura de aproximadamente 65 cm para un cable con un diámetro de 80 mm. En la presente solicitud el término "flexible" se utiliza para indicar que el devanado- es flexibilizado a un radio de curvatura del orden de cuatro veces el diámetro del cable, de preferencia ocho a doce veces el diámetro del cable. +++++++++ El devanado debe ser construido para retener sus propiedades aún cuando sea doblado y cuando sea sometido a esfuerzos térmicos o mecánicos durante la operación. Es vital que las capas retengan su adhesión entre sí en este contexto. Las propiedades del material de las capas son decisivas en la presente, particularmente su elasticidad y coeficientes relativos de expansión térmica. En un cable de XLPE, por ejemplo, la capa aislante consiste de polietileno de baja densidad reticulado y las capas semiconductoras consisten de polietileno con partículas de hollín y metal mezcladas. Los cambios en el volumen como resultado de las fluctuaciones de temperatura son absorbidos completamente como cambios en el radio del cable y gracias a la comparativamente ligera diferencia entre los coeficientes de expansión térmica en las capas en relación con la elasticidad de estos materiales, la expansión radial se puede llevar a cabo sin que se pierda la adhesión entre las capas. Las combinaciones de materiales resumidas anteriormente deben ser consideradas solamente como ejemplos. Otras combinaciones que satisfacen las condiciones especificadas y también la condición de ser semiconductores, esto es, que tienen una resistividad en el rango de 10"1 - 106 ohm-cm, por ejemplo 1-500 ohm-cm o 10-200 ohm-cm, también cae naturalmente en el alcance de la invención. La capa aislante puede consistir por ejemplo de un material termoplástico sólido tal como polietileno de baja densidad (LDPE) , polietileno de alta densidad (HDPE) , polipropileno (PP) , polibutileno (PB), polimetilpentano (PMP) , materiales reticulados tales como polietileno reticulado (XLPE) o hule (caucho) tales como hule de etileno propileno (EPR) o hule de silicio. Las capas semiconductoras interna y externas pueden ser del mismo material básico pero con partículas de material conductor tales como hollín o polvo de metal mezcladas.
Las propiedades mecánicas de estos materiales, particularmente sus coeficientes de expansión térmica, son afectadas relativamente poco por si el hollín o polvo de metal es mezclado en o no por lo menos en las proporciones requeridas para obtener la conductividad necesaria de acuerdo con la invención. Asi, la capa aislante y las capas semiconductoras tienen sustancialmente los mismos coeficientes de expansión térmica. Un hule de copolimero de etileno - acetato de vinilo/nitrilo (EVÁ/NBR) , polietileno injertado con butilo, copolimeros de etileno - acrilato de butilo (EBA) y copolimeros de etileno-acrilato de etilo (EEA) también pueden constituir materiales apropiados para las capas semiconductoras . Aún cuando diferentes tipos de materiales son utilizados como base en las varias capas, es deseable que sus coeficientes de expansión térmica sean sustancialmente los mismos. Este es el caso con la combinación de los materiales enlistados anteriormente. Los materiales enlistados anteriormente tienen una elasticidad relativamente buena, con un módulo E de E<500 MPa, de preferencia < 200 MPa. La elasticidad es suficiente para que cualesquier diferencias menores entre los coeficientes de expansión térmica para los materiales en las capas sean absorbidas en la dirección radial de la elasticidad de tal manera que no aparezcan fisuras u otros daños y de tal manera que las capas no sean liberadas entre sí. El material en las capas es elástico y la adhesión entre las capas es por lo menos de la misma magnitud como el más débil de los materiales. La conductividad de las dos capas semiconductoras es suficiente para igualar sustancialmente el potencial a lo largo de cada capa. La conductividad de la capa semiconductora externa es suficientemente grande para contener el campo eléctrico en el cable, pero suficientemente pequeña para no dar surgimiento a pérdidas significativas debidas a corrientes inducidas en la dirección longitudinal de la capa. Así, cada una de las dos capas semiconductoras constituye esencialmente una superficie equipotencial y estas capas encerrarán sustancialmente el campo eléctrico entre ellas . Por supuesto, no hay nada que impida que una o más capas semiconductoras adicionales sean arregladas en la capa aislante. De acuerdo con una modalidad particularmente preferida de la invención, por lo menos dos de estas capas, de preferencia todas las tres, tienen el mismo coeficiente de expansión térmica. Se obtiene así un beneficio decisivo en que los defectos, fisuras o los semejantes son evitados en el movimiento térmico en el devanado. La invención también es concerniente con un procedimiento para fabricar el circuito magnético para la máquina eléctrica incluida en la planta del compensador síncrono. El procedimiento comprende que el devanado sea colocado en las ranuras al enhebrar el cable a través de las aberturas cilindricas en las ranuras. Desde otro aspecto de la invención, el objeto se ha obtenido en que se le proporciona a una planta del tipo descrito en el preámbulo de la reivindicación 35 las características especiales definidas en la parte caracterizada de esta reivindicación. Puesto que el sistema de aislamiento, permanente apropiadamente, está diseñado de tal manera que desde el punto de vista térmico y eléctrico, está dimensionado de más de 36 KV, la planta puede ser conectada a redes de potencia de alto voltaje sin ningún transformador elevador intermedio, obteniendo mediante esto las ventajas a las que se hace referencia anteriormente. Tal planta es de preferencia, pero no necesariamente, construida de tal manera que incluya las características definidas para la planta como se reclama en cualquiera de las reivindicaciones 1-34.
Las ventajas mencionadas anteriormente y otras modalidades ventajosas de la invención son definidas en las reivindicaciones dependientes.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La invención será descrita en más detalle en la siguiente detallada descripción de una preferida modalidad de la construcción del circuito magnético de la máquina eléctrica en la planta del compensador síncrono, con referencia a los dibujos adjuntos en los cuales: La figura 1 muestra un diagrama esquemático de la planta del compensador síncrono de la invención; La figura 2 muestra una vista del extremo, axial, esquemática, de un sector del estator en una máquina eléctrica en la planta del compensador síncrono de acuerdo con la invención y La figura 3 muestra una vista del extremo, desforrado gradualmente, de un cable usado en el devanado del estator de acuerdo con la figura 2; La figura 4 muestra esquemáticamente la planta de la invención transportada en un camión.
DESCRIPCIÓN DE UNA MODALIDAD PREFERIDA La figura 1 muestra un diagrama esquemático de la planta del compensador síncrono de acuerdo con una modalidad preferida de la invención, en donde la máquina es arreglada para conexión directa a la red de potencia, sin ningún transformador elevador, a dos niveles de voltaje diferentes. En la vista esquemática axial a través de un sector del estator 1 de acuerdo con la figura 2, perteneciente a la máquina eléctrica incluida en la planta del compensador síncrono, también se muestra el rotor 17 de la máquina. El estator 1 es compuesto de manera convencional de núcleo laminado. La figura 2 muestra un sector de la máquina correspondiente a un paso de polo. Desde una parte de horquilla 9 del núcleo situado radialmente mas externo, un número de dientes 4 se extienden radialmente hacia el rotor 17 y están separados por ranuras 7 en las cuales el devanado del estator es acomodado. Los cables 6 que forman este devanado del estator son cables de alto voltaje que pueden ser sustancialmente del mismo tipo como aquellos usados para la distribución de potencia, esto es, cables de XLPE, pero sin ningún forro externo, mecánicamente protector. Así, la capa semiconductora que es sensible a los daños mecánicos permanece desforrada sobre la superficie del cable. Los cables 6 son ilustrados esquemáticamente en la figura 2, solamente la parte central conductora de cada parte de cable o lado de bobina son ilustradas. Como se puede observar, cada ranura 7 tiene sección transversal variable con partes anchas y partes angostas alternantes. Las partes anchas son sustancialmente circulares y rodean el cableado, las partes de cintura entre estas forman las partes angostas. Las partes de cintura sirven para radialmente fijar la posición de cada cable. La sección transversal de la ranura 7 también se angosta hacia adentro radialmente. Esto es debido a que el voltaje en las partes del cable es más bajo mientras más cercanas están situadas a la parte radialmente interna del estator 1. Por consiguiente, cableados más delgados pueden ser usados aqui, mientras que un cableado más grueso es necesario más afuera. En el ejemplo ilustrado se utilizan cables de tres dimensiones diferentes, arreglados en tres secciones dimensionadas correspondientemente de ranuras 7. La figura 3 muestra una . sección transversal a través de un devanado 6 de alto voltaje usado 'en la presente invención. El devanado de alto voltaje 6 comprende un conductor portador de corriente en forma de un número de hebras 12 con secciones transversales circulares, tales hebras 12 son arregladas en la parte media del devanado de alto voltaje 6. Alrededor de las hebras 12 hay una primera capa 13 con propiedades semiconductoras. Alrededor de la primera capa semiconductora 13 es arreglada una capa de aislamiento sólido 14, por ejemplo aislamiento de XLPE. Alrededor de la capa aislante 14 hay una segunda capa 15 con propiedades semiconductoras. El diámetro del devanado de alto voltaje es de 20-250 mm y el área conductora permanece en el intervalo de 80-3000 mm2. Las tres capas son arregladas para adherirse entre si aún cuando el cable es doblado. El cable mostrado es flexible y esta propiedad es mantenida en toda la vida del cable. En la figura 4 se ilustra esquemáticamente cómo la planta completa constituye una unidad móvil 21 que puede ser transportada en un camión. Se hace constar que, con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (39)

  1. REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad, lo contenido en las siguientes reivindicaciones : 1. Una planta de compensador síncrono que comprende por lo menos una máquina eléctrica rotativa que tiene por lo menos un devanado, caracterizada porque el devanado en por lo menos una de las máquinas eléctricas comprende un sistema de aislamiento que incluye por lo menos dos capas semiconductoras, cada capa constituye esencialmente una superficie equipotencial y también incluye aislamiento sólido dispuesto entre las mismas y porque la planta es una unidad móvil en el sentido de que, con respecto al tamaño y peso y número de componentes, sustancialmente la unidad completa es transportable por un camión, un camión ferroviario o un helicóptero.
  2. 2. Una planta de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque por lo menos uno de las capas tiene sustancialmente el mismo coeficiente de expansión térmica como el aislamiento sólido.
  3. 3. Una planta de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada porque el aislante es integrado de un cable diseñado para alto voltaje y que comprende uno o más conductores portadores de corriente rodeados por al menos una capa semiconductora con una capa aislante intermedia de aislamiento sólido.
  4. 4. Una planta de conformidad ,con la reivindicación 3, caracterizada porque la capa semiconductora más interna se encuentra sustancialmente al mismo potencial como el (los) conductor (es) .
  5. 5. Una planta de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 3 ó 4, caracterizada porque una de las capas semiconductoras externas es arreglada para formar esencialmente una superficie equipotencial que rodea el (los) conductor (es) .
  6. 6. Una planta de conformidad con la reivindicación 5, caracterizada porque la capa semiconductora externa es conectada a un potencial seleccionado.
  7. 7. Una planta de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el potencial seleccionado es potencial de tierra.
  8. 8. Una planta como la reivindicada en cualquiera de las reivindicaciones 3-7, caracterizada porque por lo menos dos de tales capas tienen sustancialmente el mismo coeficiente de expansión térmica.
  9. 9. Una planta de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 3-5, caracterizada porque el conductor portador de corriente comprende -una pluralidad de hebras, solamente unas pocas de las hebras están aisladas entre sí.
  10. 10. Una planta de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-9, caracterizada porque el devanado consiste de un cable que comprende uno o mas conductores portadores de corriente, cada conductor consiste de un número de hebras, una capa semiconductora interna que es arreglada alrededor de cada conductor, una capa aislante del aislamiento sólido es arreglada alrededor de cada capa semiconductora interna y una capa semiconductora externa que es arreglada alrededor de cada capa aislante.
  11. 11. Un arreglo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-10, caracterizado porque las capas son arregladas para adherirse entre sí aún cuando el conductor aislado o cable es doblado.
  12. 12. Una planta de conformidad con la reivindicación 10, caracterizada porque el cable también comprende una malla metálica y un forro.
  13. 13. Una planta de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el circuito magnético es arreglado en una máquina eléctrica rotativa, el estator de la cual es enfriado a potencial de tierra.
  14. 14. Una planta de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el circuito magnético de la máquina eléctrica comprende un estator del devanado colocado en una ranura, la ranura es diseñada como un número de aberturas cilindricas que corren axial y radialmente hacia afuera entre si, que tienen una sección transversal sustancialmente circular y separadas por partes de cintura angostas entre las aberturas cilindricas.
  15. 15. Una planta de conformidad con la reivindicación 14, caracterizada porque las fases del devanado del estator son conectadas en Y.
  16. 16. Una planta de conformidad con la reivindicación. 15, caracterizada porque el punto Y del devanado del estator es' aislado del potencial de tierra o conectado a potencial de tierra via una impedancia altamente ohmica y protegido de sobrevoltajes por medio de disipadores de sobretensiones.
  17. 17. Una planta de conformidad con la reivindicación 15, caracterizada porque el punto Y del devanado del estator es conectado a tierra via un filtro de supresión del tipo de tercera armónica, tal filtro de supresión está diseñado para reducir extensamente o eliminar corrientes de tercera armónica en la máquina eléctrica al mismo tiempo que está dimensionado para limitar voltajes y corrientes en el caso de fallas en la planta.
  18. 18. Una planta de conformidad con la reivindicación 17, caracterizada porque el filtro de supresión está protegido de sobrevoltajes por medio de disipadores de sobretensiones, los últimos son conectados en paralelo con el filtro de supresión.
  19. 19. Una planta de conformidad con las reivindicaciones 3 y 15, caracterizada porque el cable que constituye el devanado del estator tiene un aislamiento gradualmente decreciente visto desde el lado de alto voltaje hacia el punto Y.
  20. 20. Una planta de conformidad con la reivindicación 19, caracterizada porque la disminución gradual en el espesor del aislamiento es gradual o continuo.
  21. 21. Una planta de conformidad con las reivindicaciones 14 y 19, caracterizada porque la sección transversal circular de las ranuras sustancialmente cilindricas para el devanado del estator tienen radios decrecientes vistas desde la porción de horquilla hacia el rotor.
  22. 22. Una planta de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 13-21, caracterizada porque la parte rotativa tiene una inercia y fuerza electromotriz.
  23. 23. Una planta de conformidad con la reivindicación 22, caracterizada porque la máquina puede ser arrancada de una fuente de alimentación local.
  24. 24. Una planta de conformidad con la reivindicación 23, caracterizada porque la máquina tiene dos o más polos.
  25. 25. Una planta de conformidad con la reivindicación 24, caracterizada porque el rotor y el estator están dimensionados de tal manera que a un voltaje nominal, factor de potencia nominal y operación sobreexcitada, los límites de corriente de base térmica del estator y rotor son excedidos aproximadamente de manera simultánea.
  26. 26. Una planta de conformidad con la reivindicación 24, caracterizada porque el rotor y el estator están dimensionados de tal manera que a voltaje nominal, factor de potencia nominal y operación sobreexcitada, el limite de corriente de base térmica es excedido antes que el límite de corriente de base térmica del rotor se haya excedido.
  27. 27. Una planta de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 25 ó 26, caracterizada porque tiene una capacidad de sobrecarga del 100% a voltaje nominal, factor de potencia nominal y a operación sobreexcitada.
  28. 28. Una planta de conformidad con la reivindicación 25 o la reivindicación 26, caracterizada porque los polos del rotor son pronunciados.
  29. 29. Una planta de conformidad con la reivindicación 29, caracterizada porque la reactancia síncrona de cuadratura axial es considerablemente menor que la reactancia síncrona de eje directo.
  30. 30. Una planta de conformidad con la reivindicación 29, caracterizada porque la máquina es equipada con sistemas de excitación que permiten excitación positiva y -negativa.
  31. 31. Una planta de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 3-30, caracterizada porque los cables con aislamiento sólido diseñados para alto voltaje tienen un área de conductora de entre 30 y 3000 mm2 y tienen un diámetro exterior del cable de entre 20 y 250 mm.
  32. 32. Una planta de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque los circuitos del estator y el rotor son provistos con medios de enfriamiento en los cuales el agente de enfriamiento está en forma liquida o gaseosa.
  33. 33. Una planta de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la máquina es arreglada para conectarse a varios niveles de voltaje diferentes.
  34. 34. Una planta de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-33, caracterizada porque la máquina es conectada a la red de potencia sin ningún transformador elevador.
  35. 35. Una planta de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el devanado de la máquina es arreglado para un control de campo autoregulable y carece de medios auxiliares para el control de campo .
  36. 36. Una planta de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el devanado tiene un sistema de aislamiento el cual, con respecto a sus propiedades térmicas y eléctricas, permite un nivel de voltaje en la máquina que excede los 36 KV.
  37. 37. Una planta de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la planta es montada sobre ruedas.
  38. 38. La planta de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizada porque se usa para la compensación de fase en diferentes localidades de una red de potencia de alto voltaje.
  39. 39. Un método para la compensación de fase en una red de potencia de alto voltaje, caracterizada porque una planta de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-36 es transportada entre diferentes localidades en la red para la compensación de fase en estas diferentes localidades. PLANTA DE COMPENSADOR SÍNCRONO RESUMEN DE LA INVENCIÓN Se describe un circuito magnético de una planta de compensador síncrono que es incluido en una máquina eléctrica que es conectada directamente a una fuente de alimentación de alto voltaje de 20-800 KV, de preferencia mayor de 36 KV. La máquina eléctrica es provista con aislamiento sólido y su(s) devanado (s) es (son) construido (s) de un cable (6) diseñado para alto voltaje que comprende uno o más conductores (31) portadores de corriente con un número de hebras (36) rodeadas por al menos una capa semiconductora externa y una interna (34, 32) y capas aislantes intermedias (33). La planta es construida como una unidad móvil.
MXPA/A/2000/003034A 1997-09-30 2000-03-28 Planta de compensador sincrono MXPA00003034A (es)

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