MXPA99007131A - Devanado de transformador o inductor - Google Patents

Abstract

Se describe un transformador o inductor de fuerza. El devanado (31) del transformador/inductor estáconstituido por un conductor flexible (38) que tiene medios de contención del campo eléctrico que obligan a que el campo eléctrico, debido a la corriente eléctrica en el devanado (31), quede contenido dentro de la capa aislante del conductor flexible (38). El espesor de la capa aislante del conductor flexible (38) se adapta de tal manera que el esfuerzo dieléctrico (33) sea constante por toda la longitud del devanado. Elárea en sección transversal de la capa aislante del conducto flexible (38) se optimiza así, proporcionando un diseño de transformador/inductor con un elevado factor de espacio (fig. 3).

Description

DEVANADO DE TRANSFORMADOR O INDUCTOR CAMPO TÉCNICO La presente invención se relaciona con transformadores o inductores de fuerza en un sistema de generación, transporte o distribución de energía con una potencia de régimen que va desde unos cuantos cientos de kVA hasta más de 1000 MVA y con un voltaje de régimen que va desde 3-4 kV hasta voltajes de transporte muy elevados, 400 kV a 800 kV o superiores. Más concretamente, la invención se relaciona con el devanado de transformadores o inductores de fuerza.

FUNDAMENTO DE LA INVENCIÓN En el diseño de un transformador/inductor de fuerza, un parámetro importante reside en el factor de espacio de un devanado, es decir la relación entre el volumen ocupado por el conductor en el devanado y el volumen total del devanado. Los devanados con elevados factores de espacio son ventajosos dado que los mismos exhiben un diseño compacto y baja dispersión magnética. SUMARIO DE LA INVENCIÓN El objetivo de la presente invención consiste en proporcionar un transformador o inductor de fuerza que comprende un conductor flexible que tiene medios de contención del campo eléctrico así como medios internos compensadores del campo eléctrico, cuyo transformador o inductor presenta un diseño que resulta técnicamente favorable y que permite un elevado factor de espacio. Esta invención es posible a través del uso de dicho conductor flexible en al menos una parte del devanado o devanados del transformador/inductor de fuerza. Un ejemplo de un conductor flexible que tiene medios de contención del campo eléctrico es un cable flexible XLPE del tipo utilizado para la distribución í de energía. Dicho cable comprende un núcleo conductor, una primera capa semiconductora prevista alrededor de dicho núcleo conductor, una capa aislante sólida prevista alrededor de dicha primera capa semiconductora y una segunda capa semiconductora prevista alrededor de dicha capa aislante. Con la condición de que la segunda capa semiconductora pueda conectarse a tierra, el cable presenta la posibilidad de contener, dentro del mismo, el campo eléctrico que surge de la corriente en el núcleo conductor. De este modo, el esfuerzo dieléctrico es absorbido dentro del aislante sólido del cable y prácticamente no existe campo eléctrico en el exterior de la segunda capa semiconductora. En un cable XLPE, las distintas capas están unidas firmemente entre sí. Igualmente, la capa aislante sólida y las capas semiconductoras están hechas de materiales que tienen casi el mismo coeficiente de expansión. Por tanto, el cable se puede someter a esfuerzos mecánicos y térmicos sin que las capas se separen unas de otras, formando cavidades entre las capas. Esto es una característica importante dado que aparecerán descargas parciales en una cavidad en el caso de que el esfuerzo del campo eléctrico exceda de la resistencia dieléctrica del gas en la cavidad. En especial, es importante que la primera capa semiconductora y la capa aislante sólida estén unidas firmemente entre sí puesto que el esfuerzo de campo eléctrico es el más grande en esta parte del cable. Una separación en esta región provocará la admisión de aire en la división entre las capas y ello conducirá a descargas parciales. Un cable similar al tipo indicado anteriormente se describe en las solicitudes PCT O-97/45847 y WO-97/45921. Es sabido que el voltaje en un transformador o inductor de fuerza se distribuye desigualmente por las espiras de un devanado. Por ejemplo, para un transformador o inductor de fuerza monofásico en donde el devanado está conectado a tierra en uno de los extremos y conectado a un terminal de la línea en el otro, la parte de los devanados conectados a tierra tendrán un potencial eléctrico próximo a cero. Por otro lado, la parte del devanado conectado a la terminal de la línea tendrá un potencial eléctrico máximo próximo al voltaje de fase. Por tanto, el lado de la línea del devanado queda sometido a mayores cargas de aislamiento que el lado conectado a tierra. Para evitar descargas disruptivas entre el devanado y elementos próximos al devanado, por ejemplo el núcleo o la carcasa que rodea al transformador o inductor de fuerza, se requiere un mejor aislamiento eléctrico en el lado de la línea que en el lado conectado a tierra. De este modo, el aislamiento eléctrico necesario cambia a lo largo de la longitud del devanado. Para un sistema trifásico existen dos formas básicas para conectar los devanados de las fases, la conexión en estrella (Y) y la conexión en triángulo (?). Las conexiones Y o ? se pueden elegir de forma arbitraria para el lado de alto voltaje y lado de bajo voltaje del transformador. En la conexión Y se conectan conjuntamente el extremo de uno de los devanados de cada fase, formando un terminal neutro. Si el terminal neutro está conectado a tierra, la parte de los devanados conectados al neutro tendrán un potencial eléctrico próximo a cero y la parte de los devanados conectados a los terminales de la línea tendrán un potencial eléctrico máximo próximo a U?/ 3, en donde UL es el voltaje entre fases. De este modo, la situación es similar al ejemplo monofásico anterior ya que el aislamiento eléctrico requerido cambia a lo largo de la longitud de los devanados. En el sistema conectado en ?, los devanados de todas las fases forman conjuntamente un circuito cerrado, un triángulo, y los terminales de las líneas están conectados a los tres vértices del triángulo. Si el sistema es simétrico, el potencial eléctrico en la parte intermedia de cada devanado será próximo a cero. Por otro lado, el potencial eléctrico máximo en el extremo de cada devanado será UL/2. Una vez más, la carga del aislamiento cambia a lo largo de la longitud de los devanados y también lo hace el aislamiento eléctrico necesario. En un transformador o inductor de fuerza en donde al menos cierta parte del devanado está formado por un cable, es posible adaptar el espesor del aislamiento del cable a la carga de aislamiento real a lo largo de los devanados. Mediante el uso de dicho conductor flexible ahusado en los devanados se obtienen un número de ventajas. El factor de espacio de cada devanado se puede aumentar puesto que puede retirarse el aislamiento del cable no requerido. Por tanto, es posible, para un determinado régimen de capacidad, hacer los devanados más pequeños y así el transformador/inductor entero será más pequeño y más económico de fabricar. El menor grosor del devanado y de este modo la menor distancia media entre el conductor y el núcleo se traducirá también en una menor dispersión magnética y por tanto en una menor impedancia del transformador/conductor. Alternativamente, manteniendo el factor de espacio inalterado, el enfriamiento será más eficiente puesto que el medio de enfriamiento podrá circular más fácilmente en el transformador/inductor cuando se reduce el aislamiento del cable. Dado que el enfriamiento suele ser el factor de limitación en el diseño de un transformador/inductor de fuerza, se puede aumentar el régimen de capacidad de un transformador/inductor de un tamaño determinado. Idealmente, el espesor de la capa aislante del cable deberá ser tal que el esfuerzo dieléctrico en el cable, principalmente, sea el mismo por la totalidad de cada una de las espiras del devanado. Esto requiere variar el área en sección transversal de la capa aislante a lo largo de la longitud del cable. El área en sección transversal se puede variar de forma continua o gradual en una o más etapas. Un cable con un área en sección transversal del aislamiento que varía gradualmente puede estar constituido por parte de cable con áreas en sección transversal del aislamiento diferentes pero uniformes y que están unidas entre sí. El área en sección transversal del aislamiento puede disminuir a lo largo de la longitud de cable, teniendo entonces el cable su sección transversal del aislamiento más pequeña en uno de los extremos del devanado. Alternativamente, el cable puede tener su área en sección transversal del aislamiento más pequeño en la parte media del devanado, tal como resulta adecuado para un devanado en una conexión en ?, o en cualquier otra posición, todo ello de acuerdo a como cambia la carga del aislamiento a lo largo del devanado. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Con referencia a los dibujos adjuntos, a continuación se describirá una descripción detallada y diferentes modalidades preferidas de la invención. La figura 1 es una vista simplificada que muestra la distribución del campo eléctrico alrededor de un devanado de un transformador o inductor de fuerza convencional. La figura 2 es una vista simplificada que muestra la distribución del campo eléctrico alrededor de un devanado de un transformador o inductor de fuerza del tipo descrito en las solicitudes PCT WO-97/45847 y WO-97/45921.

La figura 3 es una vista simplificada que muestra la distribución del campo eléctrico alrededor de un devanado de un transformador o inductor de fuerza de acuerdo con una primera modalidad preferida de la invención. La figura 4 es una vista simplificada que muestra la distribución del campo eléctrico alrededor de un devanado de un transformador o inductor de fuerza de acuerdo con una segunda modalidad preferida de la invención. La figura 5 es una vista lateral simplificada que muestra dos ejemplos de cables de conicidad gradual y dos ejemplos de cables de conicidad continúa usados en devanados de un transformador o inductor de fuerza según la invención. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Las figuras 1-3 a las que se hace referencia a continuación son vistas simplificadas y fundamentales. Las figuras pueden representar un inductor, con o sin núcleo, así como un transformador de fuerza. Para simplificar, en cada figura sólo se muestra un devanado. Igualmente, para simplificar, en las figuras se muestran devanados con sólo una capa y sólo cuatro espiras; sin embargo, los razonamientos que se ofrecen a continuación son válidos igualmente para devanados con muchas capas y con una multitud de espiras. La figura 1 muestra una vista simplificada de la distribución del campo eléctrico alrededor de un devanado de un transformador o inductor de fuerza convencional con un devanado 11 y un núcleo 12. Alrededor de cada espira del devanado 11 existen líneas equipotenciales 13, es decir, líneas en donde el campo eléctrico tiene una magnitud constante. Se supone que la parte inferior del devanado se encuentra a un potencial a tierra y que la parte superior está conectada a un terminal de la línea. La distribución del potencial determina la composición del sistema aislante puesto que es necesario disponer de aislamiento suficiente tanto entre espiras adyacentes del devanado como entre espiras del devanado y los elementos conectados a tierra que rodean al devanado. Las líneas equipotenciales 13 de la figura muestran que la parte superior del devanado está sometida a las cargas del aislamiento más elevadas. La figura 2 muestra una vista simplificada de la distribución del campo eléctrico alrededor de un devanado de un transformador o inductor de fuerza descrito en las solicitudes PCT WO-97/45847 y WO-97/45921. El devanado 21 está constituido por un cable 28 enrollado alrededor de un núcleo 22. En el cable 28 se muestran líneas equipotenciales 23. El cable 28 comprende un núcleo conductor 24 rodeado por una primera capa semiconductora 25, una capa aislante sólida 26 de espesor uniforme y una segunda capa semiconductora 27. La segunda capa semiconductora 27 está conectada a potencial de tierra. Se supone que la parte inferior del devanado se encuentra a potencial de tierra y que la parte superior están conectada a un terminal de línea. El campo eléctrico que surge de la corriente en el núcleo conductor queda incluido en el cable 28 por la capa semiconductora 27 y no existe campo eléctrico fuera del cable 28. La parte superior del devanado queda sometida a las cargas de aislamiento más elevadas y el esfuerzo dieléctrico absorbido dentro de la capa aislante del cable en la parte superior del devanado es más grande que el esfuerzo dieléctrico absorbido en la parte inferior. Esto viene indicado en la figura por la separación entre las líneas equipotenciales 23 en el cable que son más pequeñas en la parte superior en comparación con la parte inferior del devanado. La capa aislante del cable está dimensionada para soportar el esfuerzo dieléctrico más elevado en el devanado, es decir el esfuerzo dieléctrico en la parte superior del devanado. Estos significa que la capa aislante en la parte inferior del devanado es innecesariamente gruesa. De acuerdo con la invención, se obtiene un diseño favorable de un transformador o inductor de fuerza que comprende un cable adaptando el espesor del aislamiento del cable a las cargas de aislamiento reales a lo largo del devanado. Por ejemplo, con referencia a la figura 2, es posible así reducir el espesor de la capa aislante del cable en la parte inferior del devanado de cable 21. Esto se consigue utilizando un cable ahusado en donde la sección transversal de la capa aislante disminuye hacia el lado conectado a tierra, es decir la parte inferior, del devanado. Idealmente, el espesor del aislamiento deberá ser tal que el esfuerzo dieléctrico en el cable sea, principalmente, el mismo por toda la longitud del devanado. La distribución del campo eléctrico alrededor de un cable en dicho devanado se muestra en la figura 3 la cual ilustra una vista simplificada de una primera modalidad preferida de la invención. En la figura, un cable 38 está enrollado alrededor de un núcleo 32 formando un devanado 31. En el cable 38 se muestran líneas equipotenciales 33. Como en la figura 2, se supone que la parte inferior del devanado se encuentra a potencial de tierra y que la parte superior está conectada a un terminal de línea. El área en sección transversal de la capa aislante del cable en el devanado cambia de manera continua de tal modo que el esfuerzo dieléctrico en el cable es, principalmente, constante por todo el devanado, tal como viene indicado por las líneas equipotenciales 33. En comparación con el transformador/inductor de fuerza mostrado en la figura 2, el enfriamiento será más eficiente puesto que el medio de enfriamiento podrá circular más fácilmente en el transformador/inductor cuando se reduce el aislamiento del cable. En la figura 4 se muestia una vista simplificada de un transformador/inductor de fuerza según una segunda modalidad preferida de la invención. De manera análoga a las figuras 2 y 3, un cable 48 está enrollado alrededor de un núcleo 42 formando un devanado 41 En el cable 48 se muestran líneas equipotenciales 43. Una vez más, se supone que la parte inferior del devanado se encuentra a un potencial de tierra y que la parte superior está conectada a un terminal de línea. En la figura 4, las espiras del cable ahusado están apiladas unas encima de las otras. En comparación con los devanados de las figuras 2 y 3, el factor de espacio del devanado aumenta así y el transformador/inductor de fuerza se puede fabricar con dimensiones más pequeñas y de este modo más económicamente. En lugar de usar un cable con un área en sección transversal del aislamiento que varía de manera continua en el devanado, el área en sección transversal puede cambiar gradualmente. Uniendo dos o más partes del cable con áreas en sección transversal del aislamiento diferentes pero uniformes, se puede obtener dicho cable. En la figura 5, se muestran cuatro cables 50a, 50b, 50c y 50d que pueden ser usados en un transformador/inductor de fuerza según la invención. Los cables 50a y 50b están constituidos por tres partes de cable 51a, 52a, 53a y 51b, 52b, 53b, respectivamente. En las juntas 54a, 55a y 54b, 55b respectivamente, están conectados el núcleo conductor 56a respectivamente 56b, la primera capa semiconductora (no mostrada) y la segunda capa semiconductora (no mostrada) de partes del cable adyacentes. Los cables 50c y 50d están constituidos cada uno de ellos por una parte de cable, cuya área en sección transversal del aislamiento cambia continuamente a lo largo de la longitud del cable. En el cable 50a y 50c, el área en sección transversal del aislamiento aumenta a lo largo de la longitud del cable. Dicho cable es adecuado en un transformador/inductor de fuerza en donde la carga del aislamiento aumenta constantemente a lo largo del devanado como ocurre, por ejemplo, en el caso de un transformador trifásico conectado en Y en donde el neutro está conectado a tierra. En el cable 50b y 50d, el área en sección transversal del aislamiento es más pequeña en la parte media. Dicho cable es adecuado en un transformador trifásico conectado en ? en donde las cargas del aislamiento son mas pequeñas en la mitad de la longitud de los devanados. No es necesario que el número de partes de cable en los cables 50a y 50b esté restringido a tres. Mediante el uso de una pluralidad de partes de cable de diferentes longitudes y áreas en sección transversal del aislamiento, se puede producir un cable con un área en sección transversal del aislamiento que varía más o menos de forma continua. La disposición de devanado descrita anteriormente enseña como aplicar un cable ahusado a un devanado con el fin de proporcionar un transformador o inductor de fuerza según la invención. Sin embargo, ha de entenderse que es posible aplicar cables ahusados a transformadores monofásicos o polifásicos con uno o una pluralidad de devanados así como a inductores, con o sin núcleos, que comprenden uno o una pluralidad de devanados, sin desviarse por ello del alcance de la invención. Igualmente, ha de entenderse que es posible, dentro del alcance de la invención, aplicar un cable ahusado a un transformador/inductor de fuerza en donde sólo una parte del devanado consiste en un cable.

Claims (8)

1. REIVINDICACIONES 1.- Un transformador o inductor de fuerza en un sistema de generación^ transporte o distribución de energía que comprende al menos un devanado (31, 41), caracterizado porque el devanado está constituido al menos parcialmente por un conductor flexible que tiene medios de contención del campo eléctrico (38, 48) y porque el área en sección transversal de dicho conductor flexible varía a lo largo de por lo menos una parte de la longitud de dicho conductor flexible.
2. 2.- Un transformador o inductor de fuerza según la reivindicación 1, caracterizado porque el conductor flexible está constituido por un cable (38, 48) que comprende un conductor (24), una primera capa (25) que tiene propiedades semiconductoras, una capa aislante sólida (26) prevista alrededor de dicha primera capa y una segunda capa (27) que tiene propiedades semiconductoras prevista alrededor de dicha capa aislante sólida.
3. 3.- Un transformador o inductor de fuerza según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque dicha área en sección transversal del conductor flexible o cable (50c, 50d) varía de forma continua a lo largo de por lo menos una parte de la longitud de dicho conductor flexible o cable.
4. 4.- Un transformador o inductor de fuerza según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque dicha área en sección transversal del conductor flexible o cable (50a, 50b) varía gradualmente a lo largo de por lo menos una parte de la longitud de dicho conductor flexible o cable.
5. 5.- Un transformador o inductor de fuerza según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el esfuerzo dieléctrico en el conductor flexible o cable (38, 48) es principalmente constante por toda la longitud de dicho conductor flexible o cable.
6. 6.- Un transformador de fuerza según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque comprende tres fases que están conectadas en Y.
7. 7.- Un transformador de fuerza según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque comprende tres fases que están conectadas en ?.
8. 8.- Un transformador o inductor de fuerza según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque uno de los extremos de al menos uno de los devanados se encuentra a potencial de tierra.