SE508765C2 - Krafttransformator/reaktor - Google Patents

Description

508 765 2 torer eller i ringkärnetransformatorer_ Exempel på kärnkon- struktioner beskrivs bl.a. i DE 40414. Kärnan kan bestå av konventionella magnetiserbara material som den nämnda orien- terade pláten, av andra magnetiserbara material som ferriter, amorft material, metalltrådar eller -band. När det gäller reaktorer kan som bekant den magnetiserbara kärnan utgå.

De ovan nämnda lindningarna bildas av en eller flera seriekopplade spolar uppbyggda av ett antal serie- kopplade varv. Varven i en enskild spole är normalt samman- förda till en geometrisk sammanhängande enhet, fysiskt av- gränsad från de övriga spolarna.

Isolationssystemet dels inom en spole/lindning och dels mellan spolar/lindningar och övriga metalldetaljer är normalt utformat som en fast cellulosa- eller lackbaserad isolation närmast det enskilda ledarelementet samt där utanför av fast cellulosa och flytande, eventuellt också gasformig, isolation. Lindningar med isolation och eventu- ella stagningsdelar representerar på detta sätt stora volymer som kommer att utsättas för höga elektriska fältstyrkor som uppträder i och kring de aktiva elektromagnetiska delarna hos transformatorn. För att kunna förutbestämma de dielektriska påkänningarna som uppstår och uppnå en dimensionering med minimal risk för elektriskt genomslag, krävs god kännedom om isolationsmaterialens egenskaper. Det är också viktigt att åstadkomma en sådan omgivande miljö att den inte förändrar eller nedsätter isolationsegenskaperna.

Det i dag förhärskande yttre isolationssystemet för högspända konventionella krafttransformatorer/reaktorer består av cellulosamaterial som den fasta isolationen och transformatorolja som den flytande isolationen.

Transformatoroljan är baserad på så kallad mineralolja.

Konventionella isolationssystem kräver förutom en relativt komplicerad uppbyggnad även speciella tillverknings- åtgärder för att utnyttja isolationssystemets goda isola- tionsegenskaper. Systemet skall ha låg fukthalt, den fasta fasen i isolationssystemet skall vara väl impregnerat med den omgivande vätskan, risken för kvarvarande gasfickor i den lO 508 765 3 fasta fasen måste vara minimal. Under tillverkningen genom- förs därför en speciell torkprocess på komplett kärna med lindningar innan nedsättning i låda. Efter nedsättning och förslutning av lådan töms lådan på all luft i en speciell vakuumbehandling innan påfyllning av olja. En sådan process utgör en väsentlig del av den totala tillverkningstiden samtidigt som den kräver omfattande verkstadsresurser.

Då processen kräver total urpumpning av gas till i det närmaste absolut vakuum, måste lådan eller den tank som omger transformatorn konstrueras för fullt vakuum, vilket innebär extra åtgång av material och tillverkningstid.

Vidare kräver montage i fält i sin tur förnyad vakuumbehandling, en process som måste upprepas var gång transformatorn har öppnats för någon åtgärd eller inspek- tion.

Redoqörelse för uppfinningen Krafttransformatorn/reaktorn enligt föreliggande uppfinning innefattar minst en lindning, oftast anordnad(e) runt en magnetiserbar kärna med varierande geometri. För att förenkla den följande redogörelsen talas det nedan före- trädesvis om "lindningarna". Lindningarna är uppbyggda av en högspänningskabel med fast isolation. Kabeln består åtminsto- ne av en centralt belägen elektrisk ledare, ett omgivande ledaren anordnat första halvledande skikt, ett omgivande det första halvledande skiktet anordnat fast isolationsskikt och ett omgivande isolationsskiktet anordnat andra ytttre halv- ledande skikt.

Användning av en sådan kabel innebär att de områden av transformatorn/reaktorn som utsätts för höga elektriska pàkänningar är begränsade till kabelns fasta isolation. Övri- ga delar av transformatorn/reaktorn utsätts endast för, i högspänningssammanhang, mycket måttliga elektriska fältstyr- kor. Dessutom innebär användning av en sådan kabel att flera av de problemområden som har beskrivits under Uppfinningens bakgrund elimineras. Det behövs således ingen låda för isoler- och kylmedel. Isoleringen i övrigt blir också synner- l5 508 765 4 ligen enkel. Konstruktionstiden blir väsentligt kortare i jämförelse med den för en konventionell krafttransformator/ reaktor. Lindningarna kan byggas separat och krafttransfor- matorn/reaktorn kan monteras färdig på plats.

Användningen av en sådan kabel medför emellertid nya frågeställningar som måste lösas. För att den elektriska påkänningen, som uppstår både vid normal driftspänning och vid transienta förlopp, i huvudsak skall belasta endast kabelns fasta isolation, måste det yttre halvledande skiktet vara direkt jordat i eller i närheten av kabelns båda ändar.

Skiktet tillsammans med dessa direkta jordningar bildar en sluten krets, i vilken det vid drift induceras en ström. För att den uppkomna resistiva förlusten i skiktet skall vara försumbar måste skiktets resistivitet vara tillräckligt hög.

Förutom denna magnetiskt inducerade ström kommer en kapacitiv ström att flyta i skiktet genom den direkta jord- ningen i kabelns båda ändar. Om skiktets resistivitet väljs för hög kommer denna kapacitiva ström att bli så begränsad att potentialen hos delar av skiktet under en period av växelspänningen kan avvika så mycket från jordpotential att andra områden av krafttransformatorn/reaktorn än lindningens fasta isolation utsätts för elektrisk pàkännning. Genom att direkt jorda flera punkter av det halvledande skiktet, före- trädesvis en punkt för varje varv av lindningen, säkerställs att hela det yttre skiktet kommer att ligga på jordpotential och nämnda problem elimineras om skiktets konduktivitet är tillräckligt hög.

Denna en-punktsjordning per varv av den yttre skärmen sker på så sätt att jordningspunkterna ligger pà en generatris till en lindning och att punkterna utefter lind- ningens axiella längd ansluts elektriskt direkt till en ledande jordskena som sedan kopplas till den gemensamma jord- potentialen.

För att hålla förlusterna i det yttre skiktet så låga som möjligt kan det vara önskvärt med så hög resistivi- tet i skiktet att det krävs flera jordningspunkter per varv.

Detta är möjligt enligt ett speciellt jordningsförfarande lO l5 508 765 enligt uppfinnningen. Varje varv på en lindning förses med ett valfritt antal, dock lika för varje varv, jordnings- punkter hos det yttre skiktet. Pà samma sätt som en-punkts- jordningen enligt ovan måste jordningspunkterna ligga pà en generatris till lindningen och att punkterna utefter lind- ningens axiella längd ansluts elektriskt direkt till ledande jordskenor som sedan kopplas till den gemensamma jordpoten- tialen. Det förutsätts dock att valet av jordningspunkter sker pà ett sådant sätt att det inte magnetiskt induceras strömmar i förbindelserna med jordskenorna. För att säker- ställa detta måste förbindelserna mellan jordningspunkter och jordskenor gå genom kärna eller ok.

Uppfinningen kommer nu att förklaras närmare genom efterföljande beskrivning av föredragna utföringsformer av densamma under hänvisning till medföljande ritningar.

Kort beskrivning av ritningarna Fig. 1 visar en tvärsnittsvy på en högspännings- kabel; Fig. 2 visar en perspektivvy pá lindningar med en jordningspunkt per lindningsvarv; Fig. 3 visar en perspektivvy pà lindningar med tvà jordningspunkter per lindningsvarv enligt en första utföringsform av föreliggande uppfinning; Fig. 4 visar en perspektivvy pà lindningar med tre jordningspunkter per lindningsvarv enligt en andra utförings- form av föreliggande uppfinning; Fig. 5a, resp. 5b, visar en perspektivvy resp. en sidovy på en lindning på ett yttre ben hos en trefastrans- formator med tre ben med tre jordningspunkter per lindnings- varv enligt en tredje utföringsform av föreliggande uppfinning; Fig. 6a, resp. 6b, visar en perspektivvy resp. en sidovy på en lindning på ett mittben hos en trefastransfor- mator med tre ben med tre jordningspunkter per lindningsvarv enligt en fjärde utföringsform av föreliggande uppfinning. lO l5 508 765 6 Detalierad beskrivning av utförinqsformer av föreliggande uppfinning I figur 1 visas en tvärsnittsvy pà en högspännings- kabel 10 vilken traditionellt användes för överföring av elektrisk energi. Den visade högspänningskabeln 10 kan t.ex. vara en standard PEX-kabel 145 kV men utan mantel och skärm.

Högspänningskabeln 10 innefattar en elektrisk ledare, som kan innefatta en eller flera kardeler 12 med cirkulära tvärsnitt av exempelvis koppar (Cu). Dessa kardeler 12 är anordnade i mitten av högspänningskabeln 10. Runt kardelerna 12 finns anordnat ett första halvledande skikt 14. Runt det första halvledande skiktet 14 finns anordnat ett första isolations- skikt 16, t.ex. PEX-isolation. Runt det första isolations- skiktet 16 finns anordnat ett andra halvledande skikt 18.

Den i figur 1 visade högspännningskabeln 10 är tillverkad med en ledararea som ligger mellan 80 och 3000 mmz och en yttre kabeldiameter som ligger mellan 20 och 250 mm.

I figur 2 visas en perspektivvy på lindningar med en jordningspunkt per lindningsvarv. I figur 2 anger hänvis- ningsbeteckningen 20 ett kärnben ingående i en krafttransfor- mator eller reaktor. Runt kärnbenet 20 är anordnat två lind- ningar 221och 222, vilka är utförda med den i figur 1 visade högspänningskabeln (10). I syfte att fixera lindningarna 221 och 222finns radiellt anordnade distansorgan 241,242, 24, 244, i detta fall fyra distansorgan per lindningsvarv. Såsom framgår av figur 2 är det yttre halvledande skiktet jordat vid de bàda ändarna 262, 262; 282, 282 hos varje lindning 22U 222. Distansorganen 241, vilka är markerade med svart, används för att åstadkomma en jordningspunkt per lindnings- varv. Vid lindningens 222 periferi och utefter lindningens 222 axiella längd är distansorganen 241 direkt anslutna till ett jordningselement 301, t.ex. i form av en jordningsskena 301, som är kopplad 32 till den gemensamma jordningspotentia- len. Såsom framgår av figur 2 ligger jordningspunkterna (en punkt per lindningsvarv) på en generatris till en lindning.

I figur 3 visas en perspektivvy på lindningar med två jordningspunkter per lindningsvarv enligt en första l0 508 765 7 utföringsform av föreliggande uppfinning. Likadana delar i figurerna 2 och 3 har försetts med likadana hänvisnings- beteckningar för att underlätta beskrivningen av figurerna.

Runt kärnbenet 20 är även i detta fall anordnat tvá lind- ningar 222 och 222, vilka är utförda med den i figur 1 visade högspänningskabeln 10. Även i detta fall finns radiellt anordnade distansorgan 242, 242, 242, 242 i syfte att fixera lindningarna 222 och 222. Vid de båda ändarna 262, 262; 28U 282 hos varje lindning 222, 222 är det andra halvledande skiktet (jämför figur 1) jordat såsom i fallet enligt figur 2. Distansorganen 242, 242, vilka är markerade med svart, används för att åstadkomma tvâ jordningspunkter per lind- ningsvarv. Vid lindningens 222 periferi och utefter lind- ningens 222 axiella längd är distansorganen 242 direkt anslutna till ett första jordningselement 302och distans- organen 242 är direkt anslutna till ett andra jordnings- element 302. Jordningselementen 302 och 302 kan utgöras av jordningsskenor 302, 302 som är kopplade till den gemensamma jordningspotentialen 32. De båda jordningselementen 302, 302 är förbundna medelst en elektrisk anslutning 342 (ledning).

Den elektriska anslutningen 342 är dragen i en i kärnbenet 20 anordnad slits 362. Slitsen 362 är anordnad så att den delar kärnbenets 20 tvärsnittarea, A2 (och därmed det magnetiska flödet ®) i tvâ delareor A2, A2. Slitsen 362 delar alltså kärnbenet 20 i två delar 202, 202. Detta medför att det inte magnetiskt induceras strömmar i förbindelse med jordnings- skenorna. Genom att jorda pà det ovan visade sättet håller man förlusterna i det andra halvledande skiktet så låga som möjligt.

I figur 4 visas en perspektivvy på lindningar med tre jordningspunkter per lindningsvarv enligt en andra utföringsform av föreliggande uppfinning. Likadana delar i figurerna 2-4 har försetts med likadana hänvisningsbeteck- ningar för att underlätta beskrivningen av figurerna. Runt kärnbenet 20 är även i detta fall anordnat två lindningar 222 och 222, vilka är utförda med den i figur 1 visade högspän- ningskabeln 10. Även i detta fall finns radiellt anordnade lO 508 765 8 distansorgan 242, 242, ,242, ,242, 242, 246 i syfte att fixera lindningarna 222 och 222. I det i figur 4 visade fallet finns det 6 st distansorgan per lindningsvarv. Vid de bäda ändarna 262, 262; 282, 282 hos varje lindning 222, 222 är det yttre halvledande skiktet (jämför figur 1) jordat såsom i fallen enligt figurerna 2 och 3. Distansorganen 242, 242, 242, vilka är markerade med svart, används för att åstadkomma tre jord- ningspunkter per lindningsvarv. Dessa distansorgan 242, 24, 245 är således anslutna till det andra halvledande skiktet hos högspänningskabeln 10. Vid lindningens 222 periferi och utefter lindningens 222 axiella längd är distansoranen 242 direkt anslutna till ett första jordningselement 30u distansorganen 242 är direkt anslutna till ett andra jord- ningselement 302 och distansorganen 242är direkt anslutna till ett tredje jordningselement 302. Jordningselementen 30N 302, 302 kan utgöras av jordningsskenor 302, 302, 302 som är kopplade till den gemensamma jordningspotentialen 32. De tre jordningselementen 302, 302, 302 är förbundna medelst 2 elektriska anslutningar 342, 342 (ledningar). Den elektriska anslutningen 342 är dragen i en i kärnbenet 20 anordnad första slits 362 och är ansluten till jordningselementen 302 och 302. Den elektriska anslutningen 342 är dragen i en i kärnbenet 20 anordnad andra slits 362 och är ansluten till jordningselementen 302och 302. Slitsarna 362, 362 är anordnade så att de delar kärnbenets 20 tvärsnittsarea, A, (och därmed det magnetiska flödet ®) i tre delareor A2, A2, A2. Slitsarna 362, 362 delar alltså kärnbenet 20 i tre delar 202, 202, 20, Detta medför att det inte magnetiskt induceras strömmar i förbindelse med jordningsskenorna. Genom att jorda på det ovan visade sättet håller man förlusterna i det andra halv- ledande skiktet så låga som möjligt.

I figur Sa, rep. 5b, visas en perspektivvy resp. en sidovy pà en lindning på ett yttre ben hos en trefastrans- formator med tre ben med tre jordningspunkter per lindnings- ' varv enligt en tredje utföringsform av föreliggande upp- finning. Likadana delar i figurerna 2-5 har försetts med likadana hänvisningsbeteckningar för att underlätta beskriv- lO 508 765 9 ningen av figurerna. Runt det yttre benet 20 hos transfor- matorn är anordnat en lindning 221, vilken är utförd med den i figur l visade högspänningskabeln 10. Även i detta fall finns radiellt anordnade distansorgan 241, 241, 241, 241, 24, 246i syfte at fixera lindningen 221. Vid de båda ändarna hos lindningen 221 är det andra halvledande skiktet (jämför figur 1) jordat (visas ej i figurerna 5a, resp. 5b,). Distansorga- nen 241, 241, 245, vilka är markerade med svart, anavänds för att åstadkomma tre jordningspiunkter per lindningsvarv. Vid lindningens 221 periferi och utefter lidningens 221 axiella längd är distansorganen 241 direkt anslutna till ett första jordningselement 301, distansorganen 241 är direkt anslutna till ett andra jorndningselement (ej visat) och distans- organen 241 är direkt anslutna till ett tredje jordnings- element 301. Jordningselementen 301-301 kan utgöras av jord- ningsskenor som är kopplade till den gemensamma jordnings- potentialen (ej visad). De tre jordningselementen 301-301 är forbunda medelst 2 elektriska anslutningar 341, 341 (ledning- ar*. De två elektriska anslutningarna 341, 341 är dragna i två i ett ok 38 anordnade slitsar 361, 361 och förbinder de tre jordningselementen 301-301 med varanndra. De två slitsar- na 361, 361 är anordnade så att de delar okets 38 tvärsnitts- area, A, (och därmed det magnetiska flödet Q) i tre delareor A1, A1, A1. De elektriska anslutningarna 341, 341träs genom de två slitsarna 361, 361 och över okets 38 framsida och bak- sida. Genom att jorda på det ovan visade sättet håller man förlusterna i det andra halvledande skiktet så låga som möjligt.

I figur 6a, resp. 6b, visas en perspektivvy resp. en sidovy på en lindning pà ett mittben hos en trefastrans- formator med tre ben med tre jordningspunkter per lindnings- varv enligt en fjärde utföringsform av föreliggande uppfin- ning. Likadana delar i figurerna 2-6 har försetts med lika- dana hänvisningsbeteckningar för att underlätta beskrivningen av figurerna. Runt mittbenet 20 hos tranformatorn är anordnat en lindning 221, vilken är utförd med den i figur l visade högspänningskabeln 10. Även i detta fall finns radiellt 508 765 anordnade distansorgan 241-246, varvid tre av dessa 241, 24y 245används för att åstadkomma tre jordningspunkter per lind- ningsvarv. På likadant sätt som beskrivits i samband med figurerna 5a, och 5b, är distansorganen 241, 241, 245 direkt anslutna till jordningsemelent 301-302, av vilka endast två stycken visas. De tre jordningselementen 301-301 är förbundna medelst tvà elektriska anslutningar 341, 342 (ledningar). De tvâ elektriska anslutningarna 341, 342 är dragna i tvà i ett ok 38 anordnade slitsar 361, 362. De två slitsarna 361, 362är anordnade så att de delar okets 38 tvärsnittsarea, A, (och därmed det magnetiska flödet Q) i tre delareor A1, A2, A1. De tvâ elektriska anslutningarna 341, 342 träs genom slitsarna 361, 362 på båda sidor av oket 38 relativt mittbenet 20.

Genom att jorda på det ovan visade sättet håller man förlus- terna i det andra halvledande skiktet så làga som möjligt.

Den ovan använda principen kan användas för flera jordningspunkter per lindningsvarv. Det magnetiska flödet, ®, är beläget i kärnan med en tvärsnittsarea A. Denna tvär- snittsarea A kan uppdelas i ett antal n delareor A1, Aw..., An så att Omkretsen för ett lindningsvarv med längden 1 kan uppdelas i ett antal n segment 11, l2,..., ln så att F' Il I-\ Inga extra förluster på grund av jordning införes om de elektriska anslutningarna är utförda pà ett sådant sätt att ändarna för varje segment l1 är elektriskt anslutna sä att endast delarean A1 är omgiven av en slinga bestående av den elektriska anslutningen 661 och segmentet 11 och villkoret lO 508 765 är uppfyllt, varvid Q är det magnetiska flödet i kärnan och Qi är det magnetiska flödet genom delarean Ai.

Om den magnetiska flödestätheten B är konstant över hela kärnans tvärsnitt, då leder ® = B.A till förhållandet I de ovan visade figurerna innefattar krafttrans- formatorn/reaktorn en järnkärna bestående av kärnben och ok.

Det skall dock påpekas att krafttransformatorn/reaktorn även kan vara utformad utan järnkärna (luftlindad).

Uppfinningen är inte begränsad till de visade ut- föringsformerna, utan flera variationer är möjliga inom ramen för de bifogade patentkraven. _:.:_.___

Claims (7)

10 15 20 25 30 35 508 765 l2 PATENTKRAV

1. Krafttransformator/reaktor innefattande åtminstone en lindning, k ä n n e t e c k n a d av att lindningen/ lindningarna är utförda med en högspänningskabel (10), innefattande en elektrisk ledare, ett omgivande ledaren anordnat första halvledande skikt (14), ett omgivande det första halvledande skiktet (14) anordnat isolationsskikt (16) och ett omgivande isolationsskiktet (16) anordnat andra halvledande skikt (18), varvid det andra halvledande skiktet (18) är jordat vid eller i närheten av de bàda ändarna (26U 262; 281, 282) hos varje lindning (221, 222) samt att ytterligare en punkt mellan de båda ändarna (261, 262; 28U 282) är direkt jordad.

2. Krafttransformator/reaktor enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att vid minst ett varv hos minst en lindning är n punkter (n > 2) direkt jordad pá ett sådant sätt att de elektriska anslutningarna (341, 342, ..., 34n2) mellan de n jordningspunkterna delar det magnetiska flödet i n st delar för begränsande av de av jordning alstrade förlusterna.

3. Krafttransformator/reaktor enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a d av att högspänningskabeln (10) är tillverkad med en ledararea som ligger mellan 80 och 3000 mm: och en yttre kabeldiameter som ligger mellan 20 och 250 mm.

4. Krafttransformator/reaktor enligt patentkrav 3, där lindningarna omsluter en tvärsnittarea A och omkretsen hos varje lindningsvarv har längden l, varvid de elektriska anslutningarna (341, 342, __., 3411) mellan de n jordnings- punkterna delar nämnda tvärsnittsarea A i n delareor A1, A2,....An så att A = E A i = 1 an. 10 l5 20 25 30 35 508 765 13 och delar nämnda längd l i n segment ll, l2,....ln, så att n l = E li i = l k ä n n e t e c k n a d av att de elektriska anslutningarna (341, 342, ..., 34n¿) mellan de n jordningspunkterna är utförda på ett sådant sätt att ändarna för varje segment ll är elektriskt anslutna så att endast delarean Ai är omgiven av en slinga bestående av den elektriska anslutningen (34,Q och segmentet li och villkoret __.__ li é l är uppfyllt, varvid ®i är det magnetiska flödet genom delarean A,

5. Krafttransformator/reaktor enligt patentkravet 4, varvid den magnetiska flödestätheten B är konstant över hela kàrnans tvärsnitt, k ä n n e t e c k n a d av att de elekt- riska anslutningarna (341, 342, ., 34n4) mellan de n jordningspunkterna är utförda på sådant sätt att villkoret är uppfyllt.

6. Krafttransformator/reaktor enligt något av patent- kraven 1-5, k ä n n e t e c k n a d av att krafttransfor- matorn/ reaktorn innefattar en magnetiserbar kärna.

7. Kraf:transformator/reaktor enligt något av patent- kraven 1-5, k ä n n e t e c k n a d av att krafttransforma- torn/reaktorn är utformad utan en magnetiserbar kärna.