SE464898B - Kondensatorkropp foer faeltstyrning av en transformatorgenomfoerings anslutning till en transformatorlindnings uppledare hos stroemriktartransformatorer - Google Patents

Description

464 898 i J; Tidning 1981, Årgång 73, Häfte 2, sid 27-32. Genomgående och typiskt för kondensatorkropparnas utformning är att de har en mittre cirkulärcylindrisk del. Denna del övergår från båda ändarna i utåtgàende rakt stympade konor vars tvärsnittsareor har minskande radie.

En variant på en kondensatorkropps utformning visas i GB 1,025,686, "Pothead for connecting oil-filled cables to transformers and other electrical apparatus".

Kondensatorkroppen har som ovan en mot transformatorn avslutande konisk del. Mot kabelanslutningen avslutas dock kondensatorkroppen med en tvärsnittsyta som är lika med den cirkulärcylíndriska delens tvârsnittsyta.

En annan variant på en kondensatorkropps utformning redovisas i en MlCAFlL-publikation MNJ 11/12 från juni 1969 där en så kallad ”Re-Entrant Type Bushing” beskrivs.

Denna genomföring är också enbart till för att användas inom AC-området. Elektriskt är den uppbyggd på samma sätt som en konventionell AC-genomföring med en kondensatorkropp tillverkad av oljeimpregnerad papper, bakelitpapper eller_ är gjuthartsimpregnerad och med koncentriska belägg av ett ledande material. Principen för tillverkningen är att kroppen först lindas konande utåt till en diameter där ca 70 % av spänningen ligger, därefter lindas kroppen konande tillbaks till den slutgiltiga yttre diametern med 0% av spänningen.

Fördelen med ett sådant utförande är att man erhåller en kortare genomföring på oljesidan. Dessutom kan skärmkroppen uteslutas.

Krafttransformatorer som används i strömriktar- anläggningar äger speciella isolertekniska problem som på något sätt måste bemästras för att säkerställa tillfredsställande funktion. l anläggningar för högspând likström HVDC användes ofta minst en strömriktare per pol och station. Ofta är också flera bryggor seriekopplade. Den ena av en bryggas poler f\ 3 464 898 kopplas i regel till jord, den andra polen kopplas till nästa brygga så att seriekoppf' *i erhålles. Därvid ökar respektive bryggas likspänningspc. .sitial relativt jord alltefter hur många bryggor som seriekopplas.

Varje brygga i seriekopplingen matas med växelspänning från var sin transformator. Med ökande likspänningspotential på bryggorna relativt jord kommer också isolationen på genomföringar och lindningar på transformatorena som är kopplade till bryggorna att utsättas för en allt högre likspänningspotential med överlagrad växelspänning. lsolationen hos dessa måste därför dimensioneras så att de kan tåla de allt högre isolationstekniska påkänningar som den därvid utsättes för.

Den ökande likspänningspotentialen leder till speciella problem som ej föreligger hos transformatorer som användes för ren växelspänningstransformation.

För strömriktartransformatorer utgör underisolanten och övergången mellan transformatorlindningens uppledare och genomföringen problemområden ur isolationsteknisk synpunkt. Detta beskrivs bl a i "Power transmission by direct current" av E Uhlman, Springer Verlag 1975, sida 327- 328.

Det elektriska likspänningsfältet har en annan fördelning än växelspänningsfältet. Likspänningens fördelning bestäms huvudsakligen av de olika isolermediernas resistivitet.

Visserligen är både transformatorolja, cellulosamaterial och elporslin goda isolatorer, men en viss liten elektrisk ström' leds i dessa material. Förhållandet mellan resistiviteten för cellulosamaterial och transformatorolja är ca 100. Detta innebär att cellulosan i serie med olja utsättes för betydligt högre fält än oljan vilket i sin tur därför ställer krav på tillräcklig mängd fast isolationsmaterial för att ej överskrida den elektriska hållfastheten. Fältfördelningen och även fâltriktningar blir 464 898 4 därmed annorlunda än i växelspänningsfallet.

Strömtransporten innebär också en omfördelning av laddningar i ingående isolermedia.

På grund av resistivitetens starka beroende av fukthalt, fältstyrka, temperatur osv är likspänningsfördelningen svår att förutsäga. Dessutom ger likspänningens fysikaliska natur, dvs laddningstransport, uppladdning, tidsberoende förlopp mm, en mycket komplex och svårtolkad bild av de isolationsproblem som uppstår i HVDC-sammanhang. l "Space charge and field distribution in transformers under DC- stress" av U Gäfvert och E Spicar, CIGRE Int. Conference on Large High Voltage Electric Systems, 1986 Session, 12-04, åskàdliggörs likspänningsfördelningens komplexitet. Som tidigare omtalat har problem uppstått vid anslutningen mellan transformatorgenomföringen och transformator- lindningens uppledare. Detta har inneburit att under- isolanten av elporslin måste avlägsnas för att klara påkänningarna i HVDC-uttaget vid de högre spännings- nivåerna.

Någon enkel förklaring till detta fenomen har ej framkommit. Men man har skäl att misstänka att de långa ytor som uppstår i samband med genomföringar för höga spänningar i kombination med fåltets riktning längs de långa ytorna har betydelse i sammanhanget. Visserligen är även växelspänningsfältet riktat längs underporslinets yta, men dess fysikaliska natur är annorlunda. En hypotes är att likspänningsfältets fördelning riskerar att bli labilt och ojämt fördelat längs tillräckligt långa ytor. En annan intressant hypotes beskrivs i en artikel "Effect of duct configuration on oil activity at liquid/solid dielectric interfaces" av R E James, F E Trick, R Willoughby i Journal of Electrostatics, 12, 1982, sidorna 441-447. I denna artikel hävdar man att ökad laddningstransport vid ytor orsakade av turbulens och tillgång till laddning är orsaken till låg elektrisk hållfasthet. 5 5:64- 898 Ett sätt att bemästra dessa problem redovisas i svenska patentansökan 89022180 "Styrkropp för fältstyrning vid transformatorgenomföringar". Transformatorgenomföringen omfattar i detta fall en underisolant. För att uppnå den önskade fältstyrningen användes en styrkropp med invändiga konor som med en viss oljespait ansluter sig dels till underisolantens yttre koniska del och dels till den koniskt formade isoleringen som omsluter transformatorns uppledare.

Redogörelse för uppfinningen, fördelar Uppfinningen omfattar som omtalat en kondensatorkropp för fältstyrning vid transformatorgenomföringar för transformatorer som används i strömriktaranläggningar.

Kondensatorkroppens uppgift är att bemästra de överslag som har visat sig kunna uppstå i transformator- genomföringar. Den är därvid utformad så att den skall fungera som en barriär med både kapacitiv och resistiv styrning av det elektriska fältet och dimensioneras så att styrkroppen tål aktuella spänningar och fält i genomtöringen och speciellt i det känsliga området vid kopplingen mellan transformatorns uppledare och genomföringen.

Det förutsättes att den från transformatorlindningen kommande uppledaren som skall anslutes ' till genomföringens strömledare omges av ett ledande rör som har en utanpåliggande lindad elektrisk isolering. Denna isolering är från det ledande rörets ände utformad som en rakt stympad kon med tvärsnittsareor med ökande radie som sedan övergår till en cirkulärcylindrisk del mot transformatorn. Genomföringens strömledare består också ofta av ett ledande rör.

Den del av kondensatorkroppen som befinner sig på transformatorgenomföringens luftsida är utformad som en konventionell kondensatorkropp. Detta innebär att den från transformatorgenomföringens' fâstfläns räknat har en 464 898 é cirkulärcylindrisk del som övergår i en rakt stympad utåtgående kon. Även andra utföranden av denna del förekommer. n) Den del av kondensatorkroppen som uppfiningen omfattar, dvs på transformatorgenomföringens oljesida, i regel räknat från genomföringens fästfläns, börjar med en cirkulärcylindrisk del och avslutas med en inåtgående rakt stympad kon. Den axiella längden av den cirkulärcylindriska delen som befinner sig pà oljesidan av genomföringen är i stort anpassad så att dess ände sammanfaller med övergången från konisk till cirkulärcylindrisk del av uppledarens isolation. Den därifrån inåtgående konans konicitet sammanfaller i stort, se dock nedan, med koniciteten pà uppledarens isolation med utrymme för en mellanliggande oljespalt.

En sådan konstruktion av en kondensatorkropp innebär att en konventionell kondensatorkropp är integrerad med en styrkropp. Därvid styrs det elektriska fältet på önskat sätt samtidigt som man erhåller en inskärmníng av transformatorns uppledare. På detta sätt fungerar kondensatorkroppen enligt uppfinningen som en styrkropp både för likspännings- och växelspänningsfält.

Kondensatorkroppen enligt uppfinningen är i övrigt uppbyggd som en konventionell kondensatorkropp, dvs den består av lindad isolermaterial med däri koncentriskt inlagda kondensatorbelägg av folietyp. Kondensatorkroppens inre radie motsvarar transformatorgenomföringens genomgående strömledande rörs yttre radie.

Kondensatorkroppen tillverkas som omtalat av ett isolermedium varvat med ledande belägg för att få den önskade kapacitiva styrningen av det elektriska växelfältet.

Det innersta och med strömledaren koncentriska kondensatorbelägget har en axiell längd som ungefär motsvarar kondensatorkroppens inre axiella längd. -Utanför 7 464 sas detta är belägna koncentriska belägg varvade i radiell riktning och avtrappade i axíell riktning. Avtrappningen är utförd så att beläggen i takt med ökande radie hos kondensatorkroppen från det första belägget räknat läggs i axiell riktning så att deras ytterkanter ansluter till kondensatorkroppens rakt utåtgående stympade kona på den ena sidan, luftsidan, och en jämt avtagande avtrappning fràn det första belägget räknat mot genomföringens fästfläns på den andra sidan. Dessutom finnes korta belägg som läggs så att de i takt med ökande radie hos kondensatorkroppen från det första innersta belägget räknat läggs i axiell riktning så att deras ytterkanter ansluter till kondensatorkroppens inàtgående rakt stympade kona. Dessa korta beläggs axiella längd är anpassad så att deras area är konstant, dvs att den axiella längden minskar med ökande radie hos kondensatorkroppen.

För att erhålla den önskade fältstyrningen anslutes det innersta belägget till det centralt på högspänning satta ledande röret och det yttersta belägget vid fästflänsen kopplas till jord.

Likspänningsfältet styrs som omtalat tidigare av flera faktorer. Så är t ex det medium som har lägst resistivitet fältstyrande. Mellan isolatorkroppen och den omgivande inåtgående rakt stympade konan hos kondensatorkroppen bildas som omtalat en oljespalt. Eftersom oljan har lägst resistivitet leds mest ström i oljespalten som därmed styr fältet parallellt med omgivande ytor. För att få en jämn a fördelning av fältet längs dessa ytor är det därför viktigt att oljespaltens bredd ökar med minskad radie. l annat fall skulle fältet koncentreras mot den del där radien är minst, dvs där man har minst axiell tvärsnittsyta. Koniciteten hos kondensatorkroppens inåtgàende rakt stympade kona och koniciteten hos isolatorkroppens koniska del väljs därför lämpligen så att oljespaltens radiella tvårsnittsyta blir ungefär den samma längs kropparnas koniska del. 464 898 f: En annan fältstyrande del är fältets radiella fördelning i den del av kondensatorkroppen som ej innehåller belägg, dvs runt om det på högspänning satta innersta belägget. Mellan oljespalten mot isolationen på uppledaren och detta område fungerar beläggen i likspänningsfallet som ekvi- potentiallinjer, vilket förhindrar fältet att koncentreras till någon del av nämnda oljekanal. Med en rätt utformad oljekanal samverkar de nämnda faktorena ovan till en jämn fördelning av fältet i oljekanalen varvid fältet styrs över på önskad sätt till isolationen på uppledaren.

Det är i högsta grad önskvärt att oljesystemen i transformatorn och i genomföringen utgöres av separata system. För att åstadkomma detta finnes två olika huvuduföranden av kondensatorkroppen. Dessa skall närmare beskrivas under beskrivning av utförandeformer, varför här endast skall ges en kort principiell redogörelse. Det ena alternativet är att kondensatorkroppen utformas som en tät enhet, exempelvis ingjuten och impregnerad med någon lämplig gjutmassa. Det andra alternativet innebär att- kondensatorkroppen inneslutes i ett tätt hölje. Därvid bildas två oljespalter vid övergången mellan uppledarens isolation.och kondensatorkroppen.

En fördel med kondensatorkroppen med den integrerade styrkroppen enligt uppfinningen relativt det i SE 89022180 beskrina konceptet med separat styrkropp år att de yttre dimensionerna av systemet kan göras mindre. Dessutom uppnås att de grânsytor som har tangentiell fältpàkänning minskar i omfattning.

Figurförteckning Figurena 1 och 2 visar två alternativa utföringsformer av en kondensatorkropp enligt uppfinningen. För att på bästa sätt visa uppfinningen är proportionerna mellan 7 464 ses kondensatorkroppens diameter och axiella längd ej skalenliga. Det samma gäller även konornas konicitet.

Beskrivning av utföringsformer Det ena huvudutförandet där kondensatorkroppen är utformad som en tät ingjuten enhet visas i figur 1.

Kondensatorkroppen 1 är som det har omtalats uppbyggd som en rotationskropp som består av lindat isolermaterial med koncentriskt inlagda kondensatorbelägg av folietyp. För att i viss mån visa kondensatorkroppen i sitt rätta sammanhang visas även i figur 1 den centrala strömförande delen 2, i form av ett rör, av en transformatorgenomtöring kring vilken kondensatorkroppen 1 är centrerad, samt transformatorns uppledare bestående av ett inre spänningssatt rör 3 och därpå lindat isolermaterial 4 som mot röränden har en konisk avtrappning 5. som sedan övergår i en cirkuläroylindrisk del 6.

En transformatorgenomtöring där en kondensatorkropp enligt uppfinningen skall ingå har som normalt en mot luftsidan verkande överisolant av elporslin. På oljesidan har transformatorgenomföringar oftast också en underisolant av t ex elporslin. I ett utförande enligt uppfinningen finnes däremot ingen sådan underisolant av konventionell typ.

Kondensatorkroppen i det första alternativet är impregnerad med en lämplig gjutmassa, exempelvis epoxy.

Kondensatorkroppen lindas då av exempelvis ett isolationspapper som är impregneringsbart av den aktuella gjutmassan. ' Kondensatorkroppen är på luftsidan utformad som en enligt teknikens ståndpunkt beskriven kondensatorkropp, dvs med en cikulärcylindrisk del 7 som övergår i en utåtgående rakt stympad kon 8 På oljesidan fortsätter kondensatorkroppen med en cirkulärcylindriska del 9 med sammma ytterdiameter 464 898 10 som den cirkulärcylindriska delen på luftsidan. Den axiella längden hos den cirkulärcylindriska delens yttre kontur är anpassad så dess ände sammanfaller med isolationens övergång från konisk till cirkulärcylindrisk del på uppledaren. Från kondensatorkroppens ände utgår en inåtgående rakt stympad kon 10 med en konicitet som avviker enligt det tidigare beskrivna sättet något från uppledarens konicitet. Det kommer därvid att bildas en oljespalt mellan kondensatorkroppen och uppledarens koniska del 5. Det är viktigt för likspänningsfältfördelningen att oljespalten mellan kondensatorkroppens inåtgående rakt stympade kona och uppledarens koniska del har i stort sett samma radiella tvärsnitt längs hela konornas ytterkontur.

Radieskilnaden blir därför störst vid konornas minsta basytor.

Det första och innersta kondensatorbelägget 11 är elektriskt förbundet med genomföringens strömledande rör 2 som indikerats vid kopplingspunkten 12. Detta första belägg har en axiell längd som motsvarar kondensatorkroppens inre axiella längd. Det omges av koncentriska belägg 13 som är varvade i radiell riktning och avtrappade relativt det första belägget i axiell riktning. Avtrappningen sker genom att beläggen i takt med ökande radie läggs i axiell riktning så att ytterkanterna på den ena sidan ansluter till luftsidans koniska kontur och med en jämt avtagande avtrappning mot tranformatorgenomföringens fästfläns på den andra sidan.

Det yttersta av dessa belägg är ansluten till jordpotential.

Kondensatorkroppen är vidare försedd med koncentriska korta belägg 14 som ansluter mot den inåtgående rakt stympade konans kontur. Dessa korta beläggs axiella längd är anpassad så att de har en praktiskt taget konstant area oberoende av på vilken radie de befinner sig.

En utformning av en kondensatorkropp enligt det tidigare omtalade andra alternativet visas i figur 2.

Kondensatorkroppens fältstyrande delar, dvs det lindade

Claims (6)

” 454 ses isolermaterialet och beläggen är konstruktionsmässigt sett anordnade på samma sätt som i figur 1. lsolerdelen består dock i detta utförande exempelvis av oljeimpregnerad isoltionspapper. I detta alternativ är hela kondensatorkroppen omgiven av olja innesluten i ett tätt hölje 15. Därvid kommer två oljespalter att bildas mellan kondensatorkroppens inåtgående kona och uppledarens koniska del., dvs innanför respektive utanför det täta höljet. Båda dessa spalter måste nu dimensioneras på samma sätt som oljespalten i figur 1. De krav som behöver ställas på materialet i detta hölje är att det måste ha tillräcklig formbarhet samt att dess resistivitet skall vara större än eller åtminstone lika stor som oljans resistivitet. Patentkrav

1. Kondensatorkropp (1) för fältstyrning av en transformatorgenomförings anslutning till en transformatorlindnings uppledare _hos strömriktar- transformatorer, vilken kondensatorkropp är anordnad som en rotationskropp med en inre cirkulärcylindrisk öppning vars radie motsvarar transformatorgenomföringens första strömledande rörs (2) yttre radie och som på genomföringens luftsida har en cirkulärcylindrisk yttre del (7) som avslutas med en rakt utåtgående stympad konisk del (8), vilken kondensatorkropp består av isolermaterial med däri koncentriskt inlagda kondensatorbelägg av folietyp, k ä n n e t e c k n a d av att kondensatorkroppen på genomföringens oljesida har en cirkulärcylindrisk inre öppning motsvarande luftsidans inre öppning och en yttre cirkulärcylindrisk del ' (9) som från änden är anordnad med en inåtgående rakt stympad kon (10) mot den inre öppningen.

2. Kondensatorkropp för fältstyrning enligt patentkrav 1 och där runt transformatorlíndningens uppledare är anordnat ett- 464 898 /g spänningssatt rör (3) med en omgivande isolation (4) med en cirkulärcylindrisk del (6) och med en rak konisk avtrappning (5)motröretsände,kännetecknadavatt kondensatorkroppens yttre axiella längd på oljesidan är så anordnad så att dess ände sammanfaller med övergången mellan den cirkulärcylindriska (6) och koniska (5) delen hos isolationen kring uppledarens spänningssatta rör.

3. Kondensatorkropp för fältstyrning enligt patentkrav 1 och där runt transformatorlindningens uppledare är anordnat ett spänningssatt rör (3) med en omgivande isolation (4) med en cirkulärcylindrisk del (6) och med en rak konisk avtrappning (5) mot rörets ände, k ä n n e t e ck n a d av attkoniciteten hos kondensatorkroppens inàtgående rakt stympade kona (10) är så anordnad att den radiella tvärsnittsarean pà den spalt som bildas mellan denna och den koniska del av isolationen kring uppledarens spänningssatta rör är konstant utmed hela den inåtgående konans längd.

4. Kondensatorkropp för fâltstyrning enligt patentkrav 1, vilken transformatorgenomföring är försedd med en fästfläns, k ä n n e t e c k n a d av att ett första inre kondensatorbelägg (11) har en axiell längd som motsvarar den inre cirkulärcylindriska öppningens axiella längd, att utanför detta är anordnade koncentriska kondensatorbelägg (13) varvade i radiell riktning och avtrappade i axiell riktning på så sätt att kondensatorbeläggen i -takt med ökande radie hos kondensatorkroppen från det första belägget räknat läggs i axiell riktning så att deras ytterkanter 'ansluter till kondensatorkroppens rakt utåtgående stympade kona (8) på den ena sidan och en jämt avtagande avtrappnig från det första belägget räknat mot transformatorgenomföringens fästfläns på den andra sidan, och att kondensatorkroppen dessutom är försedd med korta kondensatorbelägg anordnade så att de i takt med ökande radie hos kondensatorkroppen från detförsta belägget räknat /3 464 898 läggs i axiell riktning så att dess ytterkanter ansluter till kondensatorkroppens inåtgående rakt stympade kona (10) och att deras axiella längd är anordnad så att deras area är konstant.

5. Kondensatorkropp för fältstyrning enligt patentkrav 1 och 2kännetecknadavattdetförsta inre kondensatorbelägget (11) anslutes elektriskt till transformatorgenomföringens högspänningssatta ström- ledande rör (2) och att det yttre kondensatorbelägget vid transformatorgenomföringens fästfläns anslutes till jordpotential.

6. Kondensatorkropp för fältstyrning enligt patentkrav 1 k ä n n e t e. c k n a d av att kondensatorkroppen är anordnad innesluten i ett tätt hölje (15) eller i sig utgör en tät kropp (1).