SE508768C2 - Krafttransformator/reaktor - Google Patents

Description

508 768 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 plåten, 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 krafttransformationer/reaktorer består av cellulosamaterial som den fasta isolationen och transformatorolja som den flytande isolationen. Transfor- matoroljan 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 'ocg -» 508 768 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.

Redogörelse för unnfinninqen 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 företrä- desvis om "lindningarna“. Lindningarna är uppbyggda av en högspänningskabel med fast isolation. Kabeln består åtmins- tone 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 yttre halv- ledande skikt.

Användning av en sådan kabel innebär att de områden av transformatorn/reaktorn som utsätts för höga elektriska påkänningar är begränsade till kabelns fasta isolation. Övriga delar av transformatorn/reaktorn utsätts endast för, i högspänningssammanhang, mycket måttliga elektriska fält- styrkor. Dessutom innebär användning av en sådan kabel att flera av de problemområden som har beskrivits under uppfin- ningens bakgrund elimineras. Det behövs således ingen låda för isoler- och kylmedel. Isoleringen i övrigt blir 0CkSå 508 768 4 synnerligen enkel. Konstruktionstiden blir väsentligt kortare i jämförelse med den för en konventionell krafttransforma- tor/reaktor. Lindningarna kan byggas separat och krafttrans- formatorn/reaktorn kan monteras färdig på plats.

Användning av en sådan kabel medför emellertid nya frågeställningar som måste lösas. För att den elektriska på- känningen, 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- nignen 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 påkänning. 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 på 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.

I extrema fall kan lindningarna komma att utsättas för så snabba transienta överspänningar att delar av det yttre halvledande skiktet antar en sådan potential att andra områden av kraftransformatorn/reaktorn än kabelns isolation 508 768 utsätts för icke önskvärd elektrisk påkänning. För att förhindra att en sådan situation skall uppstå kan ett antal olinjära element, t.ex. gnistgap gasdioder, zenerdioder eller varistorer kopplas mellan skiktet och jord för varje varv av lindningen. Genom att koppla en kondensator mellan det yttre isolationsskiktet och jord kan man också förhindra att någon icke önskvärd elektrisk påkänning uppstår. En kondensator ger en reducerad spänningspåkänning även vid 50 Hz. Dessa jordningsprinciper kommer nedan att omtalas som "indirekt jordning".

De individuellt jordade jordskenorna är kopplade till jord via 1) ett olinjärt element, t.ex. ett gnistgap eller en gasdiod, 2) ett olinjärt element parallellt med en kondensator, 3) en kondensator eller en kombination av dessa alternativ.

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

Kort beskrivning av ritninqarna Figur 1 visar en tvärsnittsvy på en högspännings- kabel, Figur 2 visar en perspektivvy på lindningar med tre indirekta jordningspunkter per lindningsvarv enligt en första utföringsform av föreliggande uppfinning; Figur 3 visar en perspektivvy på lindningar med en direkt jordningspunkt samt två indirekta jordningspunkter per lindningsvarv enligt en andra utföringsform av föreliggande uppfinning; Figur 4 visar en perspektivvy på lindningar med en direkt jordningspunkt samt två indirekta jordningspunkter per lindningsvarv enligt en tredje utföringsform av föreliggande uppfinning; och Figur 5 visar en perspektivvy på lindningar med en direkt jordningspunkt samt två indirekta jordningspunkter per lindningsvarv enligt en fjärde utföringsform av föreliggande 508 768 uppfinning.

Detalierad beskrivning av utförinqsformer av föreliggande uppfinning I figur 1 visas en tvärsnittsvy på 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 cirkulärt tvärsnitt av exempelvis koppar (Cu). Dessa kardeler 12 är anordnade i mitten av högspänningskabeln 10. Runt kardelerna 12 finns an- ordnat ett första halvledande skikt 14. Runt det första halv- ledande skiktet 14 finns anordnat ett första isolationsskikt 16, t.ex. PEX-isolation. Runt det första isolationsskiktet 16 finns anordnat ett andra halvledande skikt 18.

Den i figur 1 visade högspänningskabeln 10 är till- verkad 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 tre indirekta jordningspunkter per lindningsvarv enligt en första utföringsform av föreliggande uppfinning. I figur 2 anger hänvisningsbeteckningen 20 ett kärnben ingående i en krafttransformator eller reaktor. Runt kärnbenet 20 är anordnat två lindningar 221 och 222, vilka är utförda med den i figur 1 visade högspänningskabeln 10. I syfte att fixera lindningarna 221 och 222 finns radiellt anordnade distans- organ 241, 242, 243, 244, 245, 246, i detta fall sex distans- organ per lindningsvarv. Såsom framgår av figur 2 är det andra halvledande skiktet jordat vid de båda ändarna 26” 262; 281, 282 hos varje lindning 221, 222. Distansorganen 241, 243, 245, vilka är markerade med svart, används för att i detta fall åstadkomma tre indirekta jordningspunkter per lindningsvarv. Vid lindningens 222 periferi och utefter lindningens 222 axiella längd är distansorganen 241 direkt anslutna till ett första jordningselement 301, distansorganen 508 768 7 243 är direkt anslutna till ett andra jordningselement 302 och distansorganen 243 är direkt anslutna till ett tredje jordningselement 303. Jordningselementen 301, 302, 303 kan exempelvis utgöras av jordningsskenor 301 - 303. Såsom framgår av figur 2 ligger jordningspunkterna på en generatris till en lindning. Vart och ett av jordningselementen 301 - 303 är indirekt jordade genom att de är anslutna till jord via varsin kondensator 321, 322, 323. Genom denna indirekta jordning kan man förhindra att någon icke önskvärd elektrisk påkänning uppstår.

I figur 3 visas en perspektivvy på lindningar med en direkt jordningspunkt samt två indirekta jordningspunkter per lindningsvarv enligt en andra utföringsform av förelig- gande uppfinning. Likdana delar i figurerna 2 och 3 har för- setts med likadana hänvisningsbeteckningar för att underlätta beskrivningen av figurerna. Runt kärnbenet 20 är även i detta fall anordnat två lindningar 221 och 222, vilka är utförda med den i figur 1 visade högspänningskabeln 10. Lindningarna 221, 222 är fixerade medelst 6 st distansorgan 241, 242, 243, 244, 262; ledande skiktet (jämför figur 1) jordat såsom i fallet enligt 245, 243 per lindningsvarv. Vid de båda ändarna 26h 281, 282 hos varje lindning 221, 222 är det andra halv- figur 2. Distansorganen 241, 243, 245, vilka är markerade med svart, används för att i detta fall åstadkomma en direkt och två indirekta jordningspunkter per lindningsvarv. På samma sätt såsom i figur 2 är distansorganen 241 direkt anslutna till ett första jordningselement 301, distansorganen 243 är direkt anslutna till ett andra jordningselement 302 och distansorganen 243 är direkt anslutna till ett tredje jord- ningselement 303. Såsom framgår av figur 3 är jordningsele- mentet 301 direkt anslutet till jord 36, under det att jord- ningselementen 302, 303 är indirekt jordade. Jordningselemen- tet'303 är indirekt jordat genom att det är anslutet till jord via kondensator 32 i serie. Jordningselementet 302 är indirekt jordat genom att det är anslutet till jord via ett gnistgap 34 i serie. Gnistgapet 34 är exempel på ett olinjärt 508 768 8 element, dvs. ett element med olinjär spänningströmkarak- teristik.

I figur 4 visas en perspektivvy på lindningar med en direkt jordningspunkt samt två indirekta jordningspunkter per lindningsvarv enligt en tredje utföringsform av före- liggande uppfinning. Likadana delar i figurerna 2 - 4 har försetts med likadana hänvisningsbeteckningar för att under- lätta beskrivningen av figurerna. I figur 4 visas lindningar 221, 222, ett kärnben 20, distansorgan 241, 242, 243, 244, 245, 243, jordningselement 301, 302, 303 anordnade på likadant sätt såsom i figur 3 och beskrivs inte ytterligare här. Jordnings- elementet 301 är direkt anslutet tillord 36, under det att jordningselementen 302, 303 är indirekt jordade. Jordnings- elementen 302, 303 är indirekt jordade genom att de är an- slutna till jord via varsin kondensator 321, 322i serie.

I figur 5 visas en perspektivvy på lindningar med en direkt jordningspunkt samt två indirekta jordningspunkter per lindningsvarv enligt en fjärde utföringsform av förelig- gande uppfinning. Likadana delar i figurerna 2 - 5 har för- setts med likadana hänvisningsbeteckningar för att underlätta beskrivningen av figurerna. I figur 5 visas lindningar 22h 222, ett kärnben 20, distansorgan 241, 242, 243, 244, 243, 246, ändjordningspunkterna 261, 262; 281, 282, jordningsele- ment 301, 302, 303 anordnade på likadant sätt såsom i figur- erna 3 och 4 och beskrivs inte ytterligare här. Jordningsele- mentet 301 är direkt anslutet till jord 36, under det att jordningselementen 302, 303 är indirekt jordade. Jordnings- elementet 302 är indirekt jordat genom att det är anslutet till jord via gnistgapet 34 i serie. Jordningselementet 303 är indirekt jordat genom att det är anslutet till jord via en krets, innefattande ett gnistgap 38 parallellkopplat med en kondensator 40, i serie.

I de ovan visade utföringsformerna av föreliggande uppfinning har endast gnistgap visats såsom ett exempel.

I de ovan visade figurerna innefattar krafttrans- formatorn/reaktorn en magnetiserbar kärna. Det skall dock 508 768 9 påpekas att krafttransformatorn/reaktorn även kan vara utformad utan en magnetiserbar kärna.

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

Claims (10)

10 15 20 25 30 35 508 768 10 PATENTKRAV

1. Krafttransformator/reaktor innefattande åtminstone en lindning k ä n n e t e c k n a d av att lindningen/lind- ningarna är utförda med en högspänningskabel (10), inne- fattande 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 halv- ledande skikt (18), varvid det andra halvledande skiktet (18) är direkt jordat vid de båda ändarna hos varje lindning (22h 222) samt minst en punkt mellan de båda ändarna är indirekt jordad.

2. Krafttransformator/reaktor enligt patentkrav 1, 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.

3. Krafttransformator/reaktor enligt något av patent- kraven 1 - 2, k ä n n e t e c k n a d av att den direkta jordningen (36) utföres medelst galvanisk anslutning till jord.

4. Krafttransformator/reaktor enligt något av patent- kraven 1 - 3, k ä n n e t e c k n a d av att den indirekta jordningen utföres medelst en mellan det andra halvledande skiktet (18) och jord ansluten kondensator (32; 321 - 323).

5. Krafttransformator/reaktor enligt något av patent- kraven 1 - 3, k ä n n e t e c k n a d av att den indirekta jordningen utföres medelst ett mellan det andra halvledande skiktet (18) och jord anslutet element (34) med icke-linjär spänning-strömkarakteristik.

6. Krafttransformator/reaktor enligt något av patent- kraven 1 - 3, k ä n n e t e c k n a d av att den indirekta 10 15 20 25 30 35 508 768 11 jordningen utföres medelst en mellan det andra halvledande skíktet (18) och jord ansluten krets innefattande ett element (38) med icke-linjär spänning-strömkarakteristik parallell- kopplat med en kondensator (40).

7. Krafttransformator/reaktor enligt patentkravet 6, k ä n n e t e c k n a d av att de indirekta jordningarna utföres medelst en kombination av alternativen enligt patent- kraven 4 - 6.

8. Krafttransformator/reaktor enligt något av patent- kraven 1 - 7, k ä n n e t e c k n a d av att elementen med icke-linjär spänning-strömkarakteristik kan utgöras av ett gnistgap (36) en gasfylld diod, en zenerdiod eller en varistor.

9. Krafttransformator/reaktor enligt något av patent- kraven 1 - 8, k ä n n e t e c k n a d av att krafttrans- formatorn/reaktorn innefattar en magnetiserbar kärna.

10. Krafttransformator/reaktor enligt något av patent- kraven 1 - 8, k ä n n e t e c k n a d av att krafttransfor- matorn/reaktorn är utformad utan en magnetiserbar kärna.