SE511363C2 - Torr krafttransformator/reaktor - Google Patents

Description

511363 lO 15 20 25 30 2 Exempel på kärnkonstruktioner beskrivs bl.a. i DE 40414. Kärnan kan bestå av konventionella magnetiserbara material som den nämnda orienterade 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 seriekopplade varv. Varven i en enskild spole är normalt sammanförda till en geometrisk sammanhängande enhet, fysiskt avgränsad från de övriga spolarna. lsolationssystemet dels inom en spole/lindning och dels mellan spolar/lind- ningar 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 eventuella 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 förutbe- stämma de dielektriska påkänningarna som uppstår och uppnå en dimensionering med minimal risk för elektriskt genomslag, krävs god kännedom om isolationsma- terialens 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 konven- tionella krafttransformatorer/reaktorer består av cellulosamaterial som den fasta isolationen och transformatorolja som den flytande isolationen. Transformatoroljan är baserad på så kallade mineralolia.

Konventionella isolationssystem vid de ovan refererade transformatorerna kräver förutom en relativt komplicerad uppbyggnad även speciella tillverkningsåt- gärder för att utnyttja isolationssystemets goda isolationsegenskaper.

Krafttransformatorer i den lägre delen av ovannämnda effektområde utförs ibland med luftkylning för att föra bort de oundvikliga egna förlusterna i form av värme. De flesta krafttransformatorer är dock oljekylda och då i regel med s k tryckoljekylning. Detta gäller särskilt högeffekttransformatorer. Oljekylda transfor- matorer uppvisar en mängd nackdelar vilka är välkända. Bl a är de stora, otymp- 10 15 20 25 30 511 363 3 liga och tunga, vilket särskilt medför stora transportproblem, och de ställer omfat- tande krav vad gäller säkerhet och kringutrustning.

Det har dock visat sig vara möjligt att i stor utsträckning ersätta oljekylda krafttransformatorer med torrtransformatorer av en ny typ. Denna nya torrtransfor- mator är försedd med en lindning utförd med en högspänningskabel, dvs en hög- spänd isolerad elektrisk ledare. Således kan man använda torrtransformatorer vid avsevärt högre effekter än vad som tidigare var möjligt. Med uttrycket torr transfor- mator resp reaktor avses således en transformator/reaktor vilken ej är oljekyld utan företrädesvis luftkyld.

Vad gäller reaktorer innefattar de en kärna vilken är försedd med endast en lindning samt eventuella reglerlindningar. l övrigt är vad som sagts ovan angå- ende transformatorer i stort sett relevant även när det gäller reaktorer. Särskilt bör noteras att även stora reaktorer är oljekylda.

Vid en torrtransformator i högre effektnivåer blir isoleringen runt lindning- arna både utrymmeskrävande och kostsam för att ge en tillfredsställande isolation mot kärnan. Detta isin tur gör såväl lindningslängden som kärnans dimension stora för att ge plats åt erforderligt antal lindningsvarv.

Föreliggande uppfinning är inriktad på denna aspekt och dess ändamål är att söka nedbringa lindningsisoleringens tjocklek med bibehållande av tillräcklig isolering mot kärnan.

Sammanfattning av uppfinninqen Detta ändamål har i enlighet med uppfinningen ernåtts genom att en transformator/reaktor av det i patentkravets 1 ingress angivna slaget uppvisar de speciella särdrag som anges i kravets kännetecknande del.

Tack vare att högspänningslindningen är elektriskt ansluten till kärnan vid en punkt längs lindningen kommer kärnan att vara förbunden med den potential som momentant råder i den punkten och få motsvarande potential i förhållande till jord. Därmed minskas den maximala spänningen som uppträder mellan ledaren i lindningen och kärnan. Vid en krafttransformator/reaktor utan sådan förbindning är den maximala spänningen Umax mellan ledning och kärna lika med matnings- spänningen U, medan den maximala spänningen vid utförandet enligt uppfinning- 511 10 15 20 25 30 365 4 en ligger i intervallet U>Umax>U/2, där värdet på Umax beror på var på lindningen kontakten med kärnan är etablerad. Detta betyder att den isolation runt ledaren som erfordras avtar i motsvarande grad. En krafttransformator/reaktor enligt upp- finningen kan därmed utföras med mindre isolering kring ledaren i Iindningen.

'Därmed nedbringas kostnaden för Iindningen. Att lindningsledaren på detta sätt får mindre diameter medför även att lindningslängden nedbringas eftersom utan- påliggande lindningsvarv får mindre lindningsdiameter då innanförliggande varv tar mindre plats. Även kärnans dimensioner blir mindre eftersom det på grund av klenare dimension hos lindningsledningen blir bättre plats i fönstret så att det kan göras i motsvarande grad mindre. Sammantaget leder detta till avsevärda kostnadsminskningar jämfört med en konventionell krafttransformator/reaktor av samma effektklass och den blir dessutom mycket mindre.

Uppfinningen är i första hand avsedd att användas för höga effekter, i området 120 MVA och uppåt. Vid en sådan är det fördelaktigt att använda en högspänningskabel i lindningarna, vilket underlättar att nå upp i effektnivå även med en torr transformator.

Högspänningskabeln innefattar en eller flera ledare omgiven av en fast isolation som består av minst två halvledande skikt med fast isolation mellan dessa.

Vid en föredragen utföringsform av uppfinningen är anslutningen mellan ledaren i lindningen och kärnan gjord mitt på lindningen, d.v.s. så att lindningssek- tionerna på vardera sida om anslutningen har samma antal lindningsvarv. Detta innebär ett optimalt utnyttjande av uppfinningsidén eftersom den maximala spän- ningen mellan ledning och kärna då kommer att ligga vid nedre gränsen av det ovan angivna intervallet, d.v.s. U/2. Sålunda uppnår man med denna utförings- form den största möjligheten att nedbringa tjockleken av isolerskiktet runt ledaren i Iindningen. En annan fördel med denna utföringsform är att kärnans potential då kommer att vara konstant = U/2.

Eftersom kärnan vid en krafttransformator/reaktor enligt uppfinningen kommer att få en potential motjord är kärnan enligt en föredragen utföringsform uppburen av stödisolatorer som isolerar kärnan mot jord. lO 15 20 25 30 511 363 5 Åtminstone det yttre halvledande skiktet bör utgöra en ekvipotentialyta, lämpligtvis med en potential motsvarande kärnans potential, halva matningsspän- ningen.

Vid transformatorapplikationer är enligt en föredragen utföringsform även lågspänningslindningen elektriskt ansluten till kärnan vid en punkt på företrädesvis dess mittpunkt.

Största fördel erhålls därvid vid en transformator där spänningsförhållan- det är 2:1, exempelvis 400 kV till 200 kV företrädesvis eller vid en s.k. spartrans- formator där mittuttaget ansluts till kärnan. Vid andra spänningsförhållanden än 2:1 är företrädesvis ett isolerande skikt anbragt mellan kärnan och lågspännings- lindningen för att isolera denna mot kärnan.

Transformatorn/reaktorn är i första hand avsedd att för enfas-tillämpning.

Den isolerade ledaren eller högspänningskabeln som används vid förelig- gande uppfinning är flexibel och böjlig och av det slag som närmare beskrivs iWO 97/45919 och WO 97/45847. Ytterligare beskrivning av den isolerade ledaren eller kabeln finns i WO 97/45918, WO 97/45930 och WO 97/45931.

Ovan angivna och andra föredragna utföringsformer av den uppfunna krafttransformatorn/reaktorn anges i de av patentkravet 1 beroende underkraven.

Uppfinningen förklaras närmare genom efterföljande detaljerade beskriv- ning av en föredragen utföringsform av densamma under hänvisning till medfölj- ande ritningar.

Kort beskrivning av ritninqarna Figur 1 är en principskiss i ändvy av en transformator enligt uppfinningen.

Figur 2 är en principskiss i sidovy av transformatorn i flg. 1.

Figur 3 är ett snitt genom en högspänningskabel använd i transforrnatorn i fig. 1.

Figur 4 är en principskiss av en transformator enligt en alternativ utföringsform av uppfinningen.

Detaljerad beskrivning av föredragen utföringsform av uppfinninqen Den ifig. 1 visade krafttransformatorn har en kärna 1 av toroidtyp. Andra kärntyper är naturligtvis tänkbara inom ramen för uppfinningsidén. Kärnan, oavsett h" a" A" !' “l i iimiiiäfldliihniurßnh ..iii i . ri illl *fiir 'ip-i -«i- i. i .. ii|i i iii -i iii .. iii i ~ , ' ' . 511 363 6 dess konstruktion är av konventionell typ och kan vara uppbyggd på gängse sätt, varför någon närmare beskrivning av denna ej torde erfordras. Transformatorn är en torrtransformator, d.v.s. den har ej något oljebaserat kylsystem.

Kring kärnan är högspänningslindning och lågspänningslindning anord- 5 nad, varvid för tydlighetens skull endast högspänningslindningen är utriktad. Den- na kan i det visade exemplet tänkas utgöra transformatorns primärlindning. Trans- formatorn matas på högspänningssidan med spänningen U och arbetar i effekt- området 120 MVA eller högre. Högspänningslindningen är uppdelad i en första 2 och en andra 3 sektion och där dessa möts är lindningens ledning elektriskt an- 10 sluten till kärnan 1 vid kontakterna 4, 5. Vardera sektion 2, 3, har samma antal lindningsvarv så att kontaktpunkterna med kärnan delar lindningen mitt itu. Kärnan 2 kommer då att få en potential mot jord som är lika med halva matningsspännlng- en, d.v.s. U/2. Potentialen motjord kommer att ligga i princip konstant vid detta värde. Spänningsskillnaden mellan ledaren i lindningen och kärnan kommer där- 15 vid att uppgå till maximalt U-U/2,=U/2 vilken spänningsskillnad kommer att upp- träda vid lindningens mot nätet anslutna ändar. Spänningsskillnaden avtar sedan mot kontaktpunkterna där den är lika med noll.

Eftersom transformatorn arbetar med hög spänning och hög effekt ställs stora krav på lindningens isolation. lsolationsbehovet är visserligen avsevärt ned- 20 bringat genom uppfinningen, men spänningsnivåerna är ändå förhållandevis höga. För att möta dessa behov är lindningen utförd som en högspänningskabel av det slag som visas i fig. 3.

För att isolera kärnan mot jord 7 är kärnan uppburen av stödisolatorer 6 såsom visas i fig. 2. 25 l fig. 3 visas en tvärsnittsvy på en högspänningskabel 2, 3 enligt förelig- gande uppfinning. Högspänningskabeln 2, 3 innefattar ett antal kardeler 31 med cirkulära tvärsnitt av exempelvis koppar (Cu). Dessa kardeler 31 är anordnade i mitten av högspänningskabeln 2, 3. Runt kardelerna 31 flnns anordnat ett första halvledande skikt 32. Runt det första halvledande skiktet 32 finns anordnat ett 30 isolationsskikt 33, t.ex. PEX-isolation. Runt isolationsskiktet 33 finns anordnat ett andra halvledande skikt 34. Vardera halvledande skikt 32, 34 bildad en ekvipoten- tialyta då kabeln är anordnad itransformatorn under drift. De båda halvledande 511 363 7 skikten 32, 34 hari huvudsak samma värmeutvidgningskoeffi cient som isolations- skiktet 33.

I fig. 4 visas schematiskt hur ett isolerande skikt 10 är anordnat mellan lågspänningslindningen 8, 9 och kärnan 1 vid en transformator enligt en alternativ 5 utföringsform av uppfinningen.

Claims (13)

511 363 PATENTKRAV

1. Torr krafttransformator/reaktor med en högspänningslindning (2, 3) lindad runt en kärna (1), kännetecknad av att högspänningslindningen (2, 3) är upp- 5 delad i en första (2) och en andra (3) sektion i serie med varandra och är elektriskt förbunden (4, 5) med kärnan (1) mellan första (2) och andra sektionen (3), vilken högspänningslindning (2, 3) utgörs av högspänningskabel innefattande en eller flera strömförande ledare (31) och ett fast isolationssystem som innefattar åtmins- tone två halvledande skikt (32, 34) och mellan dessa anordnad fast isolation (33). 10

2. Krafttransformator/reaktor enligt patentkrav 1, vid vilken första (2) och andra (3) sektionen har i huvudsak samma antal lindningsvarv.

3. Krafttransformator/reaktor enligt patentkravet 1 eller 2, vid vilken isola- " 'fl t' . . ...Akai (hink d ill 15 tionsorgan (6) är anordnade att bära upp kärnan (1) och är anordnade att isolera denna mot jord (7). 'lllïllli ir

4. Krafttransformator/reaktor enligt något av patentkraven 1 - 3, vid vilken det llxi: 11:' yttre halvledande skiktet (34) väsentligen utgör en ekvipotentialyta. 2 o

5. Krafttransformator/reaktor enligt patentkravet 4, vid vilken nämnda ekvipo- tentialyta har en potential mot jord motsvarande halva högspänningslindningens spänning. 25

6. Krafttransformator/reaktor enligt något av patentkraven 1 - 5, vid vilken minst ett av de halvledande skikten (3234) har i huvudsak samma värmeutvidg- ningskoeffioient som den fasta isolationen (33).

7. Krafttransformator/reaktor enligt något av patentkraven 1-6, vid vilken ka- 30 beln uppvisar en ledararea av mellan 50 och 3000 mm och har en ytterdiameter uppgående till mellan 20 och 250 mm. 10 15 20 511 363 9

8. Krafttransformator/reaktor enligt något av patentkraven 1 - 7, vid vilken den är anordnad för en märkeffekt på minst 120 MVA och en spänning på minst 3 kV.

9. Krafttransformator enligt något av patentkraven 1 -8 vilken även innefattar en lågspänningsledning lindad runt kärnan (1) varvid även lågspänningsledningen är uppdelad i en första och en andra sektion i serie med varandra och är elektrisk förbunden med kärnan mellan den första och andra sektionen.

10. ens första och andra sektion har l huvudsak samma antal lindnlngsvarv. Krafttransformator enligt patentkravet 9, vid vilken lågspänningsledning-

11. vid vilken spänningsförhållandet väsentligen är 2:1. Krafttransformator enligt patentkraven 1 - 7 eller patentkravet 9 eller 10,

12. Krafttransformator enligt något av patentkraven 1-11, vid vilken den är ut- förd som en spartransformator.

13. ande skikt är anordnat mellan lâgspänningslindningen och kärnan. Krafttransformator enligt något av patentkraven 1-12, vid vilken ett isoler-