SE513655C2 - Anordning för generering av enfas-växelspänning - Google Patents

Description

20 25 30 35 513 655 växelspänning via en så kallad statisk omriktaranordning, men även denna lösning uppvisar betydande nackdelar. En av dessa nackdelar är att en sådan statisk omriktaranordning är kostsam.

En annan nackdel består i att effektförlusterna hos en sådan sta- tisk omriktare blir väsentliga. En ytterligare nackdel är att speci- ella transformatorer krävs för statiska omriktare, då dessa inte kan hantera de spänningar som normalt efterfrågas exempelvis inom järnvägsområdet, och sådana transformatorer medför stora kostnader.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en an- ordning av inledningsvis definierat slag, vilken långtgående råder bot på ovannämnda nackdelar hos tidigare kända sådana anord- ningar.

Detta syfte uppnås enligt uppfinningen genom att förse en sådan anordning med en växelspänningsgenerator med fyra faser med en delning av 90 elektriska grader, varvid två första av faserna med inbördes fasförskjutning av 180° är försedda med varsin an- slutning för att därpå leverera nämnda enfas-växelspänning, och att anordningen dessutom innefattar reaktanser (17, 18) anslutna till generatorns faser för att åstadkomma att en till generatorn ansluten last blir väsentligen balanserad och faskompenserad, så att strömmarna i generatorns fyra faser blir till beloppet väsentligen lika stora och ligger väsentligen i fas med spän- ningen hos respektive fas.

Genom denna utformning av generatorn med reaktanserna för balansering och kompensering uppnås en rad fördelar. En av dessa är att statorn kan fullt utnyttjas. En annan fördel är att det är möjligt att genom lämpligt dimensionerande av nämnda reak- tanser uppnå en full eller åtminstone långtgående kompensering innebärandes att generatorn roterar jämnt och levererar icke pulserande effekt på sina fyra faser. \ 10 15 20 25 30 35 513 655 Det har visat sig att just denna kombination av fyrfasgenerator och hopkopplingen av de olika faserna på definierat sätt i analogi med Steinmetzkoppiingen uppvisar betydande fördelar i förhål- lande till utnyttjandet av andra generatorer för direktgenerering av enfas-växelspänning. Ett utnyttjande av en tvåfas-generator med faserna ansluten tillivaršsin nämnd anslutning för den mot jord symmetriska enfas-växelspänningen skulle exempelvis re- sultera i mycket stora effektpulsationer på anordningens utgång.

Ett användande av en trefas-växelspänningsgenerator och an- slutande av två av dennas faser till varsin nämnd anslutning för enfas-växelspänningen och hopkopplande av den tredje fasen med någon av de första faserna via en reaktans skulle medföra att de båda spänningarna som tas ut blir om 120° fasförskjutna, så att en tänkt mittpunkt mellan dessa faser får en spänning mot jord. Detta kan man klara genom att jorda mittpunkten på lind- ningen hos en till generatorn ansluten transformator, så att spänningen tvingas till 180° fassklllnad med mittpunkt på jord- potential. Detta kräver dock ett utnyttjande av en kostsam trans- formator ihop med generatorn.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen inne- fattar anordningen medel för reglerande av kapacitansen eller in- duktansen hos åtminstone en av nämnda reaktanser. Genom ett tillhandahållande av en sådan reglerbarhet hos reaktanserna kan anordningen tillse att önskad reaktiv kompensering för leve- rerande av en effekt mednjsjmjå pulsationer kan uppnås oberoende av förekommande större variationer hos effektuttaget från anord- ningen.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är åtminstone en av nämnda reaktanser fast och anordningen innefattar en dämplindning. Detta äíeijïkostnadsgynnsam lösning för en an- ordning som används-förväsentligen konstant effektuttag, då det kan räcka med fasta reaktanser ochatt den variation runt en me- deleffekt som dessa reaktanser dimensioneras för tas omhand av en sådan dämplindning, som kan göras betydligt mindre än den 10 20 25 30 35 513 655 dämplindning som en konventionell enfas-växelspänningsgene- rator har att uppvisa.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är nämnda båda första faser vid sin ena ände motsatt nämnda an- slutningar vid en gemensam punkt anslutna till jord. Härigenom blir det möjligt att med enkla medel uppnå att de på nämnda an- slutningar genererade spånningarna blir symmetriska mot jord.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är samtliga fyra faser vid sina ändar motsatt nämnda anslutningar i en gemensam punkt förbundna med jord. En i en sådan anord- ning ingående fyrfas-generator blir enkel till sin utformning.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är de fyra faserna parvist seriekopplade med de båda första faserna förbundna med respektive anslutning via varsin av de andra fa- serna. En fördel med denna utföringsform är att antalet lind- ningsvarv per fas reduceras med en faktor kvadratroten ur två.

En ytterligare fördel med denna utföringsform är att de båda första fasernas lindningar kan vara försedda med en isolation som endast är dimensionerad för en spänning som är i storleks- ordningen 71 % av den spänning som levereras på nämnda båda anslutningar. I detta fall anses således de båda faser som ligger "innerst", dvs är anslutna till jord, utgöra nämnda första faser, och dessa anses vara anslutna till nämnda anslutningar, ehuru inte direkt, utan via de andra faserna.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är an- ordningen anordnad att med nämnda båda anslutningar vara di- rekt ansluten till ett enfas-växelspänningsnät, och detta är möjligt tack vare att någon transformator inte krävs för att se till att spänningen blir symmetrisk mot jord. Därvid är det möjligt att åstadkomma en direktgenerering av en enfas-växelspänning till ett sådant nät för höga spänningar, såsom högre än 10 kV och exempelvis mellan 20 och 100 kV, därest enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen en kabellindad högspänningsgene- 10 1.5 20 25 30 35 513 655 rator används. Därvid utnyttjas företrädesvis en högspännings- generator av den typ som finns beskriven i sökandens WO 97/45919, vilken kan utformas att, tack vare utnyttjandet av en kabel i form av en elektriskledare med ett höije som är kapabelt 'att innestänga det kring ledaren uppstående elektriska fältet, ge- nerera höga spänningar, såsom utan vidare i den storleksordning som de matningsledningar som löper parallellt med en kontakt- ledning för spårgående fordon uppvisar, såsom exempelvis i Sve- rige normalt 66 kV, dvs en spänning av 132 kV mellan den till den ena anslutningen hos anordningen anslutna tilledaren och den till den andra anslutningen anslutna àterledaren. Matnings- ledningen kan även innefattas i ett s k autotransformatorsystem där kontaktledningen och eventuella till denna parallellkopplade ledare, t ex på 16.5 kV, utgör anordningens tilledare och en s k negativ feeder i motfas till denna anordningens àterledare. Tille- dare, återledare och rälsen kopplas ihop med längs banan place- rade spartransformatorer. Nlan får exempelvis ett 2*16.5 = 33 kV- system. Uppfinningen är således speciellt intressant i samband med utnyttjande av en sådan generator, som kan direktgenerera till nätet, eftersom anordningen möjliggör ett utelämnande av transformatorn.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är ge- neratorn utformad att till nämnda anslutningar leverera en en- fasväxelspänning med en frekvens som är 50 Hz, 60 Hz, 25 Hz eller 16 2/3 Hz, vilka är vanliga frekvenser hos banmatningen av spårgående fordon. Därvid är uppfinningen speciellt intressant vid önskemål om genererande av en enfas-växelspänning med en- frekvens som är lägre än frekvensen hos spänningen på det all- männa växelhögspänningstransmissionsnätet för elektrisk effekt, sàsom exempelvis i Sverige, där den önskade enfas-växelspän- ningen för banmatningen är 16 2/3 Hz, medan transmissionsnäten för en spänning med en frekvens av 50 Hz. Detta beror på att det vid sådan avvikande frekvens krävs frekvensomriktare, i det fall ingen separat anordning med en generator för levererande av en enfas-växelspänning användes för uppnàende av en sådan spänning, och därför en anordning av det uppfinningsenliga 10 20 25 30 35 513 655 slaget är speciellt intressant vid en sådan avvikande frekvens. I fallet av samma frekvens hos enfas-spänningen som hos det allmänna transmissionsnätet, blir det ju möjligt att klara sig utan frekvensomriktare utan att någon anordning för separat genere- ring av en enfas-växelspänning används.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är en rotor hos växelspänningsgeneratorn anordnad att drivas till rota- tion av vindkraft. Ett utnyttjande av ett vindkraftverk hos en an- ordning av detta slag möjliggör direktgenerering av en enfas- växelspänning med en låg frekvens, då en sådan rotor har ett lågt varvtal, och det vid krav på högre frekvenser skulle krävas otroligt många poler hos denna eller en kostsam växellåda. Just i fallet av vindkraft är tidigare kända roterande enfasmaskiner ej tänkbara, då det hos vindkraftverk är mycket ogynnsamt med en pulserande effekt genom att det krävs en låg vibrationsnivå för att inte olika delar hos vindkraftverket skall skaka sönder. Det uppfinningsenliga sättet att via en fyrfas-generator uppnå ett kraftigt reducerande av effektpulsationer möjliggör därför utnytt- jande av vindkraft för generering av en enfasspänning med en frekvens som vindkraften är speciellt lämpad för.

Ytterligare fördelar med samt fördelaktiga särdrag hos uppfin- ningen framgår av den efterföljande beskrivningen samt övriga osjälvständiga patentkrav.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Här nedan beskrivs såsom exempel anförda föredragna utfö- ringsformer av uppfinningen under hänvisning till bifogade rit- ningar, på vilka: -- Fig 1 är en schematisk och förenklad vy illustrerande den all- männa uppbyggnaden hos för en anordning enligt en första föredragen utföringsform av uppfinningen använd 513 655 7 för generering av enfas-växelspänning till en matarled- ning för matande av elektrisk effekt via en kontaktled- ning till spârgàende fordon, fig 2 är en fig 1 liknande vy av en anordning enligt en andra föredragen utföringsform av uppfinningen, fig 3a är fig 2 liknande vyer av anordningar enligt ytterligare och 3b föredragna utföringsformer av uppfinningen, fig 4 illustrerar utseendet hos den momentana effekt en två- fas-generator för generering av en mot jord symmetrisk enfas-växelspänning skulle leverera, fig 5 är en fig 4 motsvarande vy för en fyrfas-generator av det uppfinningsenliga slaget, fig 6 illustrerar hur stegvis (i ett steg respektive i två steg) reaktiv kompensering kan kopplas in hos en anordning enligt uppfin_n_i_|_'1_g_en_ vid olika nivåer hos den av anord- ningen levererade aktiva effekten, varvid lastströmmen är uppritat i funktion av den aktiva effekten, fig 7 illustrerar rotorförlusterna hos en fyrfas-generator hos en anordning enligt uppfinningen i funktion av den leve- rerade aktiva effekten vid den stegvisa inkopplingen av reaktiv kompensering enligt fig 6 i jämförelse med fallet av ingen sådan reaktiv kompensering, fig 8 är en schematisk, vy illustrerande en kabellindad hög- spänningsgeneräftör som med fördel utnyttjas som fyrfas- generator hos de uppfinningsenliga anordningarna, och fig 9 visar uppbyggnaden hos en kabel använd hos en hög- spänningsgenerator enligt fig 8. \ 10 15 20 25 30 35 515 655 DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGS- FORMER AV UPPFINNINGEN I fig 1 illustreras schematiskt hur en generator 1 hos en anord- ning enligt en första föredragen utföringsform av uppfinningen le- vererar en mot jord symmetrisk enfas-växelspänning till en ma- tarledning 2 med tvà ledare 3, 4 med en spänning däremellan av 132 kV (+66 kV -(-66)kV), vilken leder till utmed ett järnvägsspàr 5 anordnade banmatningstransformatorer 6 med jordad mittpunkt 7, vilka har en sekundärlindning 8 ansluten med sin ena ände till en kontaktledning 9 för matande av elektrisk effekt till spàrgà- ende fordon 10 och med sin andra ände till jord. Transformatorn 6 levererar därvid exempelvis en spänning av 16.5 kV till kon- taktledningen 9. Vitsen med den högre spänningen pà matarled- ningen 2 är att överföringsförlusterna blir lägre.

Det illustreras hur en mycket enkel utföringsform av den uppfin- ningsenliga anordningen skulle kunna se ut, och denna uppvisar en växelspänningsgenerator med fyra faser 11-14 med en del- ning av 90 elektriska grader. Därvid definieras här en fas som en eller flera lindningar hos generatorns stator, vilka genererar en spänning med ett visst fasläge. Två första 11, 13 av faserna med inbördes fasförskjutning av 180° är försedda med varsin anslut- ning 15, 16, för att därpå leverera nämnda enfas-växelspänning.

De båda andra faserna 12, 14 är via varsin reaktans i form av en kapacitans 17, 18 kopplad till varsin av nämnda anslutningar för uppnàende av en balansering av lasten på generatorns fyra fa- ser. Dimensioneringen av kapacitanserna 17 och 18 väljs därvid under hänsynstagande till det normala effektuttaget från anord- ningen, och eventuellt kan en icke visad dämplindning vara an- ordnad för att ta hand om variationer av effektuttaget kring denna medeleffekt. De fyra faserna är i en gemensam punkt 19 anslutna till jord. Faserna 1-2, 14 är alltså inbördes 180 grader fasförskjutna och dessutom 90 grader fasförskjutna i förhållande till de tvà första faserna 11, 13. Genom att samtliga faser har ena ändpunkten ihopkopplad till en gemensam punkt, som kan fordas, kan en mot jord symmetrisk enfasspänning tas ut mellan de tvà 10 15 20 25 30 35 513 655 första fasernas fria ändpunkter. Genom att ansluta reaktiva ele- ment på lämpligt sätt mellan generatorns olika fasuttag, åstad- koms då att lasten på generatorn blir faskompenserad och balan- serad, d v s att strömmarna i generatorns fyra faser blir till be- loppet lika stora och ligger i fas med respektive fasspänning.

Den momentana effektengP som en anordning av detta slag ge- nererar är uppritad över tiden t i diagrammet i fig 5. Det framgår att effektpulsationerna är förhållandevis ringa, speciellt i jämfö- relse med de mycket stora effektpulsationer som en tvåfasgene- rator utan reaktiv kompensering får hos den momentana effekten P enligt fig 4. Det påpekas att vid dimensionerandet av reaktan- serna tas företrädesviswàívggn hänsyn till de reaktanser som led- ningarna från generatorn uppvisar, varvid dessa i form av luftled- ningar uppvisar främst en serieinduktans och vid kablar främst en shuntkapacitans. De båda anslutningarna 15 och 16 kan därvid anses ligga en bra bitñlfråíníggfaserna hos själva generatorn och därvid mellanliggande ledningspartiers reaktanser inräknas i de reaktanser som utnyttjas för nämnda balansering och fas- kompensering. ' I fig 2 illustreras schematiskt en anordning enligt en andra före- dragen utföringsform av uppfinningen, vilken skiljer sig från den i fig 1 illustrerade genom att här de båda kapacitanserna 17, 18 är reglerbart utformade samt genom att en induktans 20 som även- ledes är reglerbar, är parallellkopplad med de båda andra fa- serna 12, 14 mellan jordningspunkten 19 och fasens motsatta ände. Genom tillhandêbàilênde av både induktanser och kapaci- tanser på detta sätt erhålles önskad fasvridning samt möjlighet till en reaktiv kompensering anpassad till ett varierande effektut- tag på anslutningarrïa 15,16.

I fig 3a illustreras emanordning enligt en tredje föredragen utfö- ringsform av uppfinningen, hos vilken de bàda första faserna 11, 13 hos fyrfasgeneratorn är anslutna till en gemensam jordpunkt 19 med sin ena ände _jg_c_h_,m_ed sin andra ände till ifrågavarande anslutning 15, 16\för levgererande av enfas-växelspänningen via 10 15 20 25 30 35 513 655 10 en seriekoppling med en andra fas 12 respektive 14. Därvid före- kommer reaktanser för nämnda balansering av lasten på gene- ratorns fyra faser i form av en kapacitans 22 parallellkopplad med de båda första faserna 11, 13 mellan dessas förbindelse med respektive andra fas, och en induktans 23, 24 parallell- kopplad med respektive andra lindning 12 respektive 14. Här har de båda kapacitanserna hos tidigare utföringsformer kunnat sammanfattas med en enda kapacitans. Hos denna utföringsform kommer vidare de bàda första lindningarna 11, 13 endast att behöva uppvisa en isolering som klarar 71 % av spänningen re- lativt omgivningen i förhållande till vad de båda andra faserna 12, 14 här och samtliga faser hos utföringsformerna enligt fig 1 och 2 måste uppvisa. Således kan i ovannämnda fall dessa båda lindningar då förses med en kabel som har en isolering som är avsedd för 47 kV, medan lindningarna hos faserna 12 och 14 är försedda med en kabel som är dimensionerad för 66 kV. Dess- utom reduceras antalet lindningsvarv per fas med faktorn 0,707.

En utföringsform enligt samma princip som den visad i fig 3a il- lustreras i fig 3b. Denna skiljer sig från den föregående endast genom att här kapacitanser 46, 47 parallellkopplats med de andra faserna 12, 14 och i stället en induktans 48 parallellkopp- lats med seriekopplingen av de två första faserna 11, 13. r Såsom redan diskuterats högre upp är det speciellt fördelaktigt att utnyttja den uppfinningsenliga anordningen vid genererande av enfas-växelspänning via vindkraft. Därvid skulle i ett sådant fall rotorns generator kunna vara försedd med exempelvis 16 poler, vilket då skulle kräva en rotationshastighet av 2,08 varv/sekund (2,08 Hz) eller 24 poler med 1,39 Hz, vilket är ty- piska varvtal för stora vindkraftverk. Således skulle man i ett så- dant fall kunna klara sig utan växellåda och uppnå direkt genere- ring av en enfas-växelspänning med en frekvens av 16 2/3 Hz.

Genom att enfaseffektfluktuationerna hos den uppfinningsenliga anordningen kan reduceras i så pass hög grad som ovan diskute- rats är det möjligt att använda generatorn i vindkraftsamman- hang, där endast små vibrationer kan tillåtas. 10 15 20 25 30 35 513 655 11 l fig 6 illustreras hur det är möjligt att i steg koppla in reaktiv kompensering i samband med en fyrfasgenerator enligt uppfin- ningen, varvid iastströmmen I är uppritad i funktion av den aktiva effekten P. Därvid visar kurvan 25 iastströmmen, medan det med den med kvadrater försedda linjen 26 visas hur en enstegskom- pensering sker genom inkopplande av en reaktans när den aktiva effekten nàr en tredjedel av märkeffekten. Därvid har den reak- tiva kompenseringen en kapacitet av två tredjedelar av genera- torns märkeffekt. Linjen 27 försedd med trianglar visar hur en re- aktiv kompensering sker i två steg genom att när den levererade aktiva effekten nàr 20% respektive 60% av märkeffekten koppla in en av två reaktiva kompenseringsanordningar, vilka var och en har en kapacitet av 40% av generatorns märkeffekt.

Det illustreras i fig 7 hur sådan kompensering i ett respektive två steg inverkar på rotorförlusterna PR hos en uppfinningsenlig fyr- fas-generator i fallet av en ren ohmsk last. Därvid är rotorför- lusterna R uppritade i funktion av den levererade aktiva effekten P i förhållande till märkeffekten för referensfallet 28 av ingen kompensering och fallen av enstegskompensering 29 respektive tvàstegskompensering 30 i enlighet med fig 6. Det framgàr att enstegskompensering reducerar rotorförlusterna till cirka 11% av rotorförlusterna vid full effekt i referensfallet, medan tvàstegs- kompenseringen reducerar rotorförlusterna till cirka 4% av rotor- förlusterna vid full effektHingreferensfallet. Således uppnås redan genom en enstegskompensering en högst betydande reducering av rotorförlusterna.

Såsom redan nämnts oval; gär uppfinningen speciellt fördelaktig vid användande av en generator som möjliggör direktgenerering av en enfas-växelspänning av den storlek som skall utnyttjas, vanligtvis den spänning som krävs på en matarledning till en kontaktledning för överföring av elektrisk effekt till spàrgàende fordon eller till kontaktledningen, och en sådan generator för högspänningsfallet är tidigare känd genom sökandens egna WO 97/45919, och den allmänna uppbyggnaden därav visas mycket 10 15 20 25 30 35 513 655 12 schematiskt i fig 8. Rotorn 31 visas mycket schematiskt med två rotorpoler 32, 33 (den kan i praktiken ha fler), och statorn 34 uppvisar element 35, i vilka en magnetkrets bildas. Statorn är på konventionellt sätt sammansatt av en laminerad kärna av elplàt successivt sammansatt av sektorformade plåtar. Från ett radiellt ytterst beläget ryggparti 36 av kärnan sträcker sig ett antal tän- der 37 radiellt in mot rotorn. Mellan tänderna finns ett motsva- rande antal spår 38. Spåren mottager en lindning av väsentligen axiellt löpande skikt av kablar 39 anordnade radiellt utvändigt om varandra. Kablarna 39 innefattar en inre ledare 40 bestående av ett flertal kardeler 45 (se fig 9) och en utvändigt därom anordnad isolation 41. Genom användande av kablar av längre ned beskri- vet slag hos en sådan generator kan höga spänningar direkt ge- nereras däri utan isolationsproblem. Detta uppnås genom att ka- beln företrädesvis har den uppbyggnad som är illustrerad i fig 9.

Denna kabel uppvisar en inre elektrisk ledare 40 med ett hölje 41 som är kapabelt att innestänga det kring ledaren uppstående elektriska fältet. Den inre elektriska ledaren 40 är böjlig, och höljet 41 bildar ett isolationssystem, vilket innefattar en isolation 42 bildad av ett fast isolationsmaterial, företrädesvis ett poly- merbaserat material, och ett polymerbaserat material, och utan- för isolationen ett yttre skikt 43, som har en elektrisk kondukti- vitet som är högre än isolationen för att det yttre skiktet genom anslutning till jord eller eljest relativt låg potential skall förmå dels att fungera potentialutjämnande, dels att i huvudsak inne- stänga det på grund av nämnda elektriska ledare 40 uppstående elektriska fältet innanför det yttre skiktet 43. Vidare bör det yttre skiktet ha en resistivitet som är tillräcklig för att minimera elek- triska förluster i det yttre skiktet. lsolationssystemet innefattar vidare ett inre skikt 44, vilket har nämnda åtminstone ena elek- triska ledare 40 anordnad innanför sig och besitter en elektrisk konduktivitet som är-lägre än den hos den elektriska ledaren men tillräcklig för att det inre skiktet skall fungera potentialut- jämnande och därmed utjämnande vad avser det elektriska fältet utanför det inre skiktet. En sådan kabel är således av ett slag motsvarande kablar med fast extruderad isolation idag använda 10 20 25 30 35 515 655 13 inom kraftdistribution, t ex s k PEX-kablar eller kablar med EPR- isolation. Den använda termen “fast isolationsmateriaV' innebär att lindningen skall sakna vätskeformig eller gasformig isolation, exempelvis i form av olja. I stället avses isolationen bildas av ett polymeriskt material. Även de inre och yttre skikten är bildade av ett polymeriskt material, ehuru ett halvledande sådant. isolationen 43 kan utgöras av ett fast termoplastiskt material, sàsom làgdensistetspolyeten (LDPE), högdensistetspolyeten (HDPE), polypropylen (PP), poly-butylen (PB), polymetylpenten (PMP), tvärbunden polyetylen (XLPE) eller gummi sàsom etylen- propylengummi (EPR) eller silikongummi. Vad gäller resistiviteten hos det inre skiktet och det yttre skiktet bör denna ligga inom området 10'6Qcm - 100 kQcm, lämpligen 10'3-1000Q cm, företrädesvis 1-500Qcm. För det inre och yttre skiktet är en resistans som per meter ledare/isolationssystem ligger inom om- rådet SOuQ - SMQ fördelaktig.

Den elektriska belastningen på isolationssystemet minskar som en konsekvens av faktumet att de inre och yttre skikten av halv- ledande material kring isolationen kommer att tendera att bilda väsentligen ekvipotentiella ytor och på detta sätt kommer det elektriska fältet i isolationen att fördelas förhållandevis likformigt över isolationens tjocklek.

Vidhäftningen mellan isoleringsmaterialet och de inre och yttre halvledande skikten gmíästemvara likformig över väsentligen hela gränsytan däremellan, så att inga hàlrum, porer eller dylikt kan uppstå. Detta är naturligtvis speciellt viktigt vid högspän- ningsapplikationer, och en kabel av detta slag har företrädesvis ett isolationssystem utformat för hög spänning, lämpligen över 10kV, särskilt över 36kV och företrädesvis över 72,5 kV. Vid sà- dana höga spänningaru-štä-llver uppkomna elektriska och termiska belastningar mycket höga krav pà isolationsmaterialet. Det är känt att s k delurladdningar, PD, i allmänhet utgör ett allvarligt problem för isoleringsmaterialet vid högspänningsinstallationer.

Om hàlrum, porer eller dylikt skulle bildas vid ett isoleringsskikt, skulle inre corona-urladdningar kunna uppträda vid höga elek- 10 20 25 30 35 513 655 14 triska spänningar, varigenom isoleringsmaterialet gradvis för- sämras och resultatet skulle kunna bli elektriska genombrott ge- nom isolationen. Detta skulle kunna leda till ett allvarligt sam- manbrott hos reaktorn.

För att undvika uppträdande av dylika hàlrum eller porer är det av fördel att de inre och yttre skikten och den fasta isoleringen uppvisar väsentligen lika termiska egenskaper, varvid det är speciellt viktigt att de har väsentligen samma värmeutvidg- ningskoefficient, så att perfekt vidhäftning mellan de olika skik- ten kan bibehållas vid temperaturförändringar hos dessa och ka- beln expanderar och drar ihop sig likformigt som en monolitisk kropp vid temperaturförändringar utan någon förstörelse eller försämring av gränsytorna. För exempelvis en PEX-kabel är det isolerande skiktet av tvärbunden lågdensitetspolyeten och de halvledande skikten av polyeten med inblandade sot- och metall- partiklar. Volymförändringar till följd av temperaturförändringar upptas helt som radieförändringar i kabeln, och tack vare den jämförelsevis ringa skillnaden hos skiktens värmeutvidgningsko- efficlenter i förhållande till den elasticitet som dessa material har, kommer kabelns radiella expansion att kunna ske utan att skikten lossnar från varandra.

Kabeln måste vidare uppvisa sådan böjlighet, att den är böjlig ned till en krökningsradie som understiger 25 gånger kabelns di- ameter för att böjning skall kunna ske under säkerställande av god vidhäftning mellan respektive skikt och den fasta isole- ringen. Lämpligen är kabeln böjlig till en krökningsradie under- stigande 15 x kabeldiametern, och företrädesvis till en krök- ningsradie understigande 10 x kabeldiametern. För att icke indu- cera onödiga skjuvspänningar i gränszonen mellan de olika skikten i isolationssystemet bör de olika skiktens elasticitetsmo- dul vara väsentligen-lika, så att en reduktion kan ske av de skjuvspänningar som kan uppstå mellan de olika skikten vid ut- sättande av kabeln för kraftig böjning innebärandes dragspän- ningar pà böjutsidan och tryckspänningar på böjinsidan. \ 10 15 20 513 655 15 Uppfinningen är givetvis inte pà något sätt begränsad till de ovan beskrivna föredragna utföringsformerna, utan en mängd möjlig- heter till modifikationer därav torde vara uppenbara för en fack- man på området, utan attdenne för den skull avviker fràn uppfin- nlngens grundtanke, sådan denna definieras i patentkraven.

Exempelvis vore det fulltmöjligt att koppla in reaktanser hos de olika utföringsformerna på annorlunda sätt, och det vore även möjligt att låta vissa av dem vara fasta och tillhandahålla regler- barhet av vissa. n* Det påpekas att ”fyrfas-generator” med en jordad gemensam mittpunkt egentligen är att likställa med en tvåfas-generator med varje fas försedd med en jordad mittpunkt, så att det även går att beteckna fyrfas-generatorn enligt uppfinningen som en alldeles speciell typ av tvàfas-generator, och patentkravsdefinitionen är avsedd att täcka in detta. g i

Claims (37)

10 15 20 25 30 35 513 655 16 krv

1. Anordning för generering av en mot jord symmetrisk enfas- växelspänning, därav, att den innefattar en växel- spänningsgenerator (1) med fyra faser (11-14) med en delning av 90 elektriska grader, att två första (11, 13) av faserna med inbör- des fasförskjutning av 180° är försedda med var sin anslutning (15, 16) för att därpå leverera nämnda enfas-växelspänning, och att anordningen dessutom innefattar reaktanser (17, 18) anslutna till generatorns faser för att åstadkomma att en till generatorn ansluten last blir väsentligen balanserad och faskompenserad, så att strömmarna i generatorns fyra faser blir till beloppet väsentligen lika stora och ligger väsentligen i fas med spänningen hos respektive fas.

2. Anordning enligt krav 1, därav, att nämnda re- aktanser förekommer i form av kapacitanser (17, 18, 22) och/eller induktanser (20, 21, 23, 24).

3. Anordning enligt krav 1 eller 2, käflnetegkgad därav, att den innefattar medel för reglerande av kapacitansen eller induktan- sen hos åtminstone en av nämnda reaktanser (17, 18,20, 21).

4. Anordning enligt något av kraven 1-3, kännetgcknag därav, att åtminstone en av nämnda reaktanser är fast och anordningen innefattar en dämplindníng.

5. Anordning enligt något av kraven 1-4, känngtggkgag därav, att nämnda båda första faser (11, 13) är vid sin ena ände motsatt nämnda anslutningar vid en gemensam punkt (19) anslutna till jord.

6. Anordning enligt något av kraven 1-5, därav, att samtliga fyra faser (11-14) är vid sina ändar motsatt nämnda anslutningar (15, 16) i en gemensam punkt förbundna med jord (19). 10 20 25 30 35 513 655 17

7. Anordning enligt krav 5, därav, att de fyra fa- serna är parvist seriekopplade med de båda första faserna (11, 13) förbundna med respektive anslutning (15, 16) via varsin av de andra faserna (12, 14).

8. Anordning enligt krav 6, därav, att vardera andra fas (12, 14) är förbunden med nämnda anslutning (15, 16) via en kapacitans (17, 18).

9. Anordning enligt krav 6 och eventuellt något eller nägra av kraven 2-5. OCh 8. därav, att den för varje första fas (11, 13) innefattar en därmed mellan jordningspunkten (19) och nämnda anslutning (15, 16) parallellkopplad kapacitans (17, 18).

10. Anordning enligt krav 6 och något eller några av kraven 2-5 och 8 eller 9, därav, att den för varje andra fas (12, 14) innefattar en därmed mellan nämnda jordningspunkt (19) och fasens motsatta ände parallellkopplad induktans (20, 21).

11. Anordning enligt krav 7, därav, att den inne- fattar en mellan de båda första fasernas förbindelse med respek- tive andra fas med dessa båda första faser (11, 13) parallell- kopplad kapacitans (22), och att de andra faserna har mellan sina båda ändar varsin induktans (23, 24) parallellkopplad där- med.

12. Anordning enligt krav 7, därav, att de båda första faserna (11, 13) uppvisar lindningar med en isolation di- mensionerad för en lägre spänning än de båda andra fasernas (12, 14) lindningar. '

13. Anordning enligt-något av föregående krav, därav, att den är anordnafd att med nämnda båda anslutningar (15, 16) vara direkt ansluten till ett enfas-växelspänningsnät (2). 10 15 20 25 30 35 513 655 18

14. Anordning enligt krav 13, därav, att den är utformad för levererande av elektrisk effekt till spårgående for- don (10).

15. Anordning enligt krav 14, därav, att nämnda enfas-växelspänningsnät innefattar en med nämnda anslutningar (15, 16) förbunden matarledning (2) för matning av elektrisk ef- fekt till en kontaktledning (9) för matning av enfas-växelspänning till spärgående fordon (10).

16. Anordning enligt något av kraven 1-15, därav, att den är anordnad att till nämnda anslutningar (15, 16) leverera en spänning relativt jord som är högre än 10 kV, med fördel högre än 15 kV och företrädesvis mellan 20 och 100 kV.

17. Anordning enligt något av föregående krav, kännetggknagl därav, att generatorn är utformad att till nämnda anslutningar (15, 16) leverera en enfas-växelspänning med en frekvens som är 50 Hz, 60 Hz, 25 Hz eller 16 2/3 Hz.

18. Anordning enligt något av föregående krav, käpnetegknad därav, att generatorn är anordnad att till nämnda anslutningar (15, 16) leverera en enfas-växelspänning med en frekvens som är lägre än frekvensen hos spänningen på det allmänna växel- högspänningstransmissionsnätet för elektrisk effekt.

19. Anordning enligt något av föregående krav, kännetgcknad därav, att en rotor (31) hos växelspänningsgeneratorn är anord- nad att drivas till rotation av vindkraft.

20. Anordning enligt något av föregående krav, därav, att generatorn (1) är en högspänningsgenerator anordnad att på nämnda anslutningar (15, 16) direkt generera en högspän- ning.

21. Anordning enligt krav 20, därav, att högspän- ningsgeneratorn (1) är kabellindad. 10 20 25 30 35 513 655 19

22. Anordning enligt krav 21, därav, att genera- torns faser (11-14) bildande lindningar är bildade av en kabel (39) i form av böjlig elektrisk ledare (40) med ett hölje (41) som är kapabelt att innestänga det kring ledaren uppstàende elek- triska fältet.

23. Anordning enligt krav 22, varvid höljet innefattar ett isola- tionssystem, därav, att isolationssystemet inne- fattar en isolation bildad av ett fast isolationsmaterial (42) och utanför isolationen ett yttre skikt (43), som har en elektrisk kon- duktivitet som är högre än den hos isolationen för att det yttre skiktet genom anslutning till jord eller eljest relativt låg potential skall förmå dels att fungera potentialutjämnande, dels att i hu- vudsak innehålla det på grund av nämnda (40) elektriska ledare uppstàende elektriska fältet innanför det yttre skiktet.

24. Anordning enligt krav 22 eller 23, varvid höljet innefattar ett isolationssystem, därav, att isolationssystemet innefattar en isolation (42) bildad av ett fast isolationsmaterial och innanför isolationen ett inre skikt (44), att nämnda åtmins- tone ena elektriska ledare är anordnad innanför det inre skiktet och att det inre skiktet har en elektrisk konduktivitet som är lägre än den hos den elektriska ledaren men tillräcklig för att det inre skiktet skall fungera potentialutjämnande och därmed ut- jämnande vad avser detqelektrisk fältet utanför det inre skiktet.

25. Anordning enligt krav 23 eller 24, därav, att de inre (44) och yttre (43) skikten och den fasta isoleringen (42) uppvisar väsentligenilika termiska egenskaper.

26. Anordning enligt nåugotwav kraven 23-25, därav, det inre (44)~-och/eller yttre (43) skiktet innefattar ett halvledande materiaLå i W

27. Anordning enligt något av kraven 23-26, därav, att det inre-skiktet (44) och/eller det yttre skiktet (43) har 10 15 20 25 30 35 513 655 20 en resistivitet inom området 10-6Qcm - 100 kQcm, lämpligen 10- 3- 1000Qcm, företrädesvis 1-500Qcm.

28. Anordning enligt något av kraven 23-27, därav,, att det inre skiktet (44) och/eller det yttre skiktet (43) har en resistans som per meter ledare/isolationssystem ligger inom området SOpQ - 5 MQ.

29. Anordning enligt något av kraven 23-28, därav, att den fasta isoleringen (42) och det inre skiktet (44) och/eller det yttre skiktet (43) utgörs av polymera material.

30. Anordning enligt något av kraven 23-29, lgänggjgggknad därav, att det inre skiktet (44) och/eller det yttre skiktet (43) och den fasta isoleringen (42) är fast förbundna med varandra över väsentligen hela gränsytan, för att säkerställa vidhäftning även vid böjning och temperaturförändring.

31. Anordning enligt något av kraven 23-30, därav, att den fasta isolationen (42) och det inre skiktet (44) och/eller det yttre skiktet (43) är av material med hög elasticitet för att bibehålla den inbördes vidhäftningen vid påfrestning un- der drift.

32. Anordning enligt krav 31, kännetgçknad därav, att den fasta isolationen (42) och det inre skiktet (44) och/eller det yttre skiktet (43) är av material med väsentligen lika elasticitetmodul.

33. Anordning enligt något av kraven 23-32, därav, att det inre skiktet (44) och/eller det yttre skiktet (43) och den fasta isoleringen (42) utgörs av material med väsentligen lika termiska utvidgningskoefficienter.

34. Anordning enligt något av kraven 23-33, därav, att det inre skiktet (44) är i elektrisk kontakt med den åt- minstone ena elektriska Iedaren (40). 10 20 25 513 655 21

35. Anordning enligt krav 34, därav, att nämnda åtminstone ena elektriska ledare (40) innefattar ett antal kardeler (45) och att åtminstone en kardel hos den elektriska ledaren är åtminstone delvis oisolerad och anordnad i elektrisk kontakt med det inre skiktet (44).

36. Anordning enligt nàgot av kraven 23-35, därav, att ledaren och dess isolationssystem är utformade för hög spänning, lämpligen över 10 kV, särskilt över 36 kV och fö- reträdesvis över 72,5 kV.

37. Anordning enligt något av föregående krav, därav, att den är utformad att med lindningarna anslutas till en hög spänning, lämpligen över 10 kV, särskilt över 36 kV och fö- reträdesvis över 72,5 kV.