SK164198A3 - Electromagnetic device - Google Patents

Description

Elektromagnetické zariadenie

Oblasť techniky

Vynález sa týka elektromagnetického zariadenia na spracovanie elektrickej energie, pričom toto zariadenie zahŕňa elektrický obvod na generovanie magnetického poľa, pričom tento obvod zahŕňa aspoň jeden elektrický vodič, ktorý má izolačný systém. Toto elektromagnetické zariadenie môže nájsť uplatnenie v elektrotechnickej oblasti. Uvedené zariadenie má výkon spadajúci do rozsahu od niekolkých VA do tisícov MVA. Horná hranica tohto výkonového rozsahu dosahuje najvyššie hodnoty prenosových napätí používaných v súčasnosti.

Vynález sa týka najmä rotačného elektrického stroja. Tento elektrický stroj je tvorený synchrónnym strojom, ktorý sa používa najmä ako generátor na spojenie s distribučnou a prenosovou sieťou, pričom tieto siete sa v ďalšom texte spoločne označujú ako energetická sieť. Tento synchrónny stroj sa používa aj ako motor alebo ako zariadenie na kompenzáciu fázy a reguláciu napätia v prípade, že tento stroj pracuje mechanicky naprázdno. Oblasť techniky, do ktorej spadá uvedený stroj, zahŕňa aj stroje s dvojitým napájaním, asynchrónne stroje, asynchrónne kaskádové konvertory, stroje s vonkajším polom a synchrónne prúdové stroje.

Vynález sa týka aj najmä silového transformátora alebo reaktora. Transformátory sa používajú vo všetkých oblastiach techniky, ktoré sa zaoberajú prenosom a distribúciou elektrickej energie. Tieto transformátory sa používajú predovšetkým na výmenu elektrickej energie medzi dvoma alebo viacerými elektrickými systémami. Ako je dobre známe, na tento účel sa využíva elektromagnetická indukcia. Transformátor podľa vynálezu patrí do skupiny tzv. silových transformátorov s menovitými výkonmi od niekolkých stoviek kVA až po hodnoty viac než 1000 MVA a s menovitými napätiami od 3 - 4 kV až po hodnoty zodpovedajúce veľmi vysokým prenosovým napätiam, t. j. 400 kV až 800 kV alebo viac.

Hoci nasledovný popis stavu techniky sa týka najmä silových transformátorov, predmetom vynálezu môžu byť aj reaktory, ktoré sú tvorené, ako je dobre známe, buď jednofázovými alebo trojfázovými reaktormi. Izolačný a chladiaci systém týchto reaktorov je v princípe rovnaký ako u transformátorov. Teda sú dostupné vzduchom izolované alebo olejom izolované, samochladiace, tlakovým olejom chladené, a pod., reaktory. Hoci reaktory majú jedno vinutie (na jednu fázu) a môžu byť tvorené reaktormi s magnetickým jadrom, opis doterajšieho stavu techniky sa vo veľkej miere týka aj reaktorov.

Uvedený elektrický obvod na indukciu magnetického poľa môže v niektorých uskutočneniach zahŕňať vinutie bez jadra, avšak spravidla zahŕňa magnetické jadro z navrstvených normálnych alebo orientovaných plechov alebo magnetické jadro z amorfného materiálu alebo materiálu na báze prášku. Ako vo všeobecnosti platí, uvedený elektrický obvod je zostrojený tak, aby zaistil striedavý tok magnetického poľa. Tento obvod zvyčajne zahŕňa rôzne druhy chladiaceho systému. V prípade rotačného elektrického stroja, vinutie môže byť usporiadané buď v statore alebo v rotore stroja, alebo tak v statore ako aj v rotore stroja.

Predmetom vynálezu je aj spôsob regulácie elektrického poľa .v elektromagnetickom poli a spôsob výroby magnetického obvodu.

Doterajší stav techniky

S cieľom vymedziť vynález voči stavu techniky sa v nasledovnom texte popíše doterajší stav techniky, pokiaľ ide tak o rotačný elektrický stroj ako aj o silový transformátor.

Rotačný elektrický stroj

Rotačný elektrický stroj sa popíše na príklade synchrónneho stroja. Najskôr sa popíše magnetický obvod tohto stroja a jeho konvenčná konštrukcia. Keďže tento magnetický obvod je najčastejšie umiestnený v statore stroja, magnetický obvod sa bude v nasledovnom texte nazývať statorom s vrstveným jadrom, vinutie sa bude nazývať statorovým vinutím a drážky vo vrstvenom jadre sa budú nazývať statorovými drážkami alebo jednoducho drážkami.

Synchrónne stroje majú zvyčajne budiace vinutie v rotore, v ktorom sa hlavný magnetický tok generuje jednosmerným prúdom, a striedavé vinutie v statore. Synchrónne stroje majú zvyčajne trojfázové vyhotovenie. V niektorých prípadoch sú synchrónne stroje zhotovené s vyčnievajúcimi pólmi. Tieto stroje majú striedavé vinutie umiestnené v rotore.

Teleso statora u veľkých synchrónnych strojov je často vyrobené z navzájom zvarených oceľových plechov. Vrstvené jadro je zvyčajne vyrobené z lakovaných elektricky vodivých plechov s hrúbkou 0,35 alebo 0,5 mm. V prípade rozmernejších strojov je plech prerazený do segmentov, ktoré sú pripevnené k telesu statora pomocou klinov/ribinových drážok. Vrstvené jadro je uchytené prítlačnými prstami a prítlačnými doskami.

Na chladenie vinutia synchrónneho stroja, sú k dispozícii tr.i rozdielne chladiace systémy.

V prípade chladenia vinutia vzduchom tak statorové vinutie ako aj rotorové vinutie sú chladené prúdom vzduchu vedeným cez uvedené vinutia. Na tento účel sú tak v statorových plechoch ako aj v rotore vytvorené chladiace vzduchové kanáliky. Pri radiálnej ventilácii a chladení vzduchom je jadro zo železných plechov aspoň v prípade stredne veľkých a veľkých strojov rozdelené do zväzkov s radiálnymi a axiálnymi kanálikmi usporiadanými vo vnútri jadra. Ako chladiaci vzduch sa môže použiť vzduch z okolia stroja, avšak pri vysokých výkonoch stroja sa v podstate používa uzatvorený chladiaci systém s tepelnými výmenníkmi. Vodíkové chladenie sa používa u turbogenerátorov a u veľkých synchrónnych kompenzátorov. Spôsob chladenia je rovnaký ako pri vzduchovom chladení s tepelnými výmenníkmi s tým rozdielom, že vzduch pôsobiaci ako chladivo sa nahrádza vodíkovým plynom. Vodíkový plyn má vyššiu chladiacu kapacitu než vzduch, avšak dochádza k problémom spočívajúcim v utesnení chladiaceho systému a monitorovaní úniku vodíkového plynu. V prípade turbogenerátorov s výkonmi spadajúcimi do hornej hranice uvedeného výkonového rozsahu sú známe spôsoby chladenia vodou tak statorového vinutia ako aj rotorového vinutia. Chladiace kanály sú tvorené potrubiami, ktoré sú usporiadané vo vnútri vodičov v statorovom vinutí. V súvislosti s chladením veikých strojov sa vynára problém spočívajúci v nerovnomernom chladení, ktoré spôsobuje vznik teplotných rozdielov vo vnútri stroja.

Statorové vinutie je uložené v drážkach vytvorených v jadre z kovových plechov, pričom tieto drážky majú zvyčajne obdĺžnikový alebo lichobežníkový prierez. Každé vinutie fázy zahŕňa množinu cievkových skupín zapojených do série, pričom každá cievková skupina zahŕňa množinu cievok zapojených do série. Časť cievky, ktorá sa nachádza v statore sa nazýva strana cievky, a časť cievky, ktorá sa nachádza mimo statora sa nazýva čelo cievky. Cievka zahŕňa jeden alebo viacero vodičov zoskupených do výšky a/alebo šírky cievky. Medzi každým vodičom a k nemu priľahlým vodičom existuje tenká izolácia tvorená napr. z epoxidových/sklenených vlákien.

Uvedená cievka je izolovaná voči drážke pomocou cievkovej izolácie, t. j. izolácie, ktorá znesie menovité napätie stroja voči zemnému potenciálu. Ako izolačný materiál sa môžu použiť rôzne plastické, lakované materiály alebo materiály zo sklenených vlákien. Na tento účel sa zvyčajne používajú aj tzv. sludové pásky, ktoré sú tvorené zmesou sľudy a tvrdej plastickej hmoty, pričom tieto sludové pásky poskytujú ochranu najmä pred čiastočnými výbojmi, ktoré môžu rýchlo poškodiť danú izoláciu. Izolácia sa aplikuje na cievku navinutím sludových pások okolo cievky v niekoľkých vrstvách. Táto izolácia je impregnovaná a navyše sa strana cievky natrie farbou na báze grafitu, čo zlepšuje kontakt s obklopujúcim statorom, ktorý je spojený so zemným potenciálom.

Vodičová plocha vinutia sa určuje požadovanou intenzitou prúdu a metódou použitého chladenia. S cieľom maximalizovať vodičový materiál v drážke sa vodič a cievka zvyčajne .tvarujú do obdĺžnikového tvaru. Typickú cievku tvoria tzv. Roebelove tyče, z ktorých niektoré môžu byť duté aby sa umožnilo vedenie chladivá. Roebelova tyč zahŕňa množinu obdĺžnikových medených vodičov zapojených paralelne, pričom sa tieto vodiče krížia pod uhlom 360° pozdĺž drážky. Dajú sa použiť aj tzv. Ringlandove tyče s krížením pod uhlom 540° a ďalšie typy kríženia. Toto kríženie sa uskutočňuje s cieľom zamedziť výskyt cirkulačných prúdov, ktoré sa generujú v priereze vodičového materiálu (uvažované pri pohlade v smere od magnetického póla).

Z mechanických a elektrických dôvodov elektrický stroj nemôže mať ľubovoľnú veľkosť. Výkon stroja sa v podstate určuje tromi faktormi:

vodičovou plochou vinutia, ktorá má pri bežnej prevádzkovej teplote, napríklad v medených vodičoch, maximálnu hodnotu 3 až 3,5 A/mm^, maximálnou hustotou toku (magnetickým tokom) v statorovom a rotorovom materiáli, a maximálnou intenzitou elektrického poľa v izolačnom materiáli, tzv. dielektrickou pevnosťou.

Viacfázové striedavé vinutia sú zhotovené buď ako jednovrstvové alebo dvojvrstvové. V prípade jednovrstvových vinutí pripadá na jednu drážku iba jedna strana cievky a v prípade dvojvrstvových vinutí pripadajú dve strany na jednu drážku. Dvojvrstvové vinutia sú zvyčajne zhotovené ako vinutia s rovnakými cievkami, zatial čo jednovrstvové vinutia, ktoré sú v tejto súvislosti relevantné, môžu byť zhotovené ako vinutia s rovnakými cievkami alebo ako sústredné vinutia. V prípade vinutia s rovnakými cievkami sa vyskytuje iba jeden cievkový krok (alebo prípadne dva cievkové kroky), zatial čo ploché vinutia sú zhotovené ako sústredné vinutia, t. j. vinutia so značne premenným cievkovým krokom. Cievkovým krokom sa myslí vzdialenosť v oblúkovej miere medzi dvoma cievkovými stranami prislúchajúcimi k rovnakej cievke v relácii k relevantnému pólovému rozstupu alebo počtu medzilahlých drážkových rozstupov. Zvyčajne sa používajú rôzne varianty vinutia s predĺženým alebo skráteným krokom s cieľom, získať vinutie¹ s požadovanými vlastnosťami. Z typu vinutia je v podstate zrejmý spôsob vzájomného spojenia cievok v drážkach, t. j. strán cievok mimo statora, t. j. pri koncoch vinutia.

Mimo navŕšených plechov statora cievka nie je opatrená nafarbenou polovodičovou vrstvou so zemným potenciálom. Koniec vinutia je zvyčajne opatrený prostriedkom na reguláciu elektrického póla tvoreným tzv. lakom na ochranu pred korónovým javom, pričom tento prostriedok je určený na premenu radiálneho póla na axiálne pole, čo znamená, že k izolovaniu koncov vinutia dochádza pri vysokom potenciáli voči zemi. Tento vysoký potenciál v niektorých prípadoch spôsobuje v oblasti konca cievky korónový jav, ktorý môže mať deštruktívny charakter. Tzv. body regulujúce pole pri koncoch vinutia prinášajú problémy pre rotačné elektrické stroje.

Všetky veľké stroje sú bežne zhotovené v konfigurácii s dvojvrstvovým vinutím a rovnakou veľkosťou cievok. Jedna strana každej cievky je umiestnená v jednej z vrstiev a druhá strana tejto cievky je umiestnená v druhej z vrstiev. To znamená, že sa všetky cievky navzájom krížia na koncoch vinutia. V prípade, že sa použije viac než dve vrstvy, kríženie spôsobuje ťažkosti pri navíjaní vinutia a zhoršenie kvality konca vinutia.

Je všeobecne známe, že pripojenie synchrónneho stroja/generátora na energetickú sieť sa musí uskutočniť cez tzv. zvyšujúci transformátor so zapojením trojuholník/hviezda, pretože napätie energetickej siete zvyčajne leží na vyššej úrovni než napätie rotačného elektrického stroja. Tento transformátor teda spoločne so synchrónnym strojom tvorí celistvú jednotku elektrárne. Uvedený transformátor vyvoláva dodatočné náklady a má aj ďalšiu nevýhodu, ktorá spočíva v znížení celkovej účinnosti systému. V prípade, že by sa dali vyrobiť stroje na výrazne vyššie napätie, uvedený zvyšovací transformátor by sa mohol vynechať.

V posledných niekoľkých desaťročiach sa objavili požiadavky na zvýšenie napätia rotačných elektrických strojov. Maximálne napätie, ktoré by sa podľa doterajšieho stavu techniky dalo dosiahnuť pre synchrónne stroje s dobrou výťažnosťou v cievkovej produkcii, je napätie asi 25 - 30 kV.

Niektoré riešenia týkajúce sa nových konštrukcií synchrónnych strojov sa okrem iného opisujú v článku s názvom Vodou a olejom chladené turbogenerátory TVM 300 v publikácii J. Elektrotechnika, č. 1, str. 6-8 (1970), v patente US 4,429,244 s názvom Stator generátora a v ruskom patente č. 955 369.

Vodou a olejom chladený synchrónny stroj opísaný v uvedenej publikácii J. Elektrotechnika je určený pre napätia až 20 kV.

Ί

Článok opisuje nový izolačný systém zahŕňajúci olejovú/papierovú izoláciu, ktorá umožňuje ponoriť stator úplne do oleja. Olej sa pritom môže použiť ako chladivo a súčasne ako izolant. S cieľom zamedziť únik oleja zo statora von do rotora uvedený stroj zahŕňa dielektrický olej separujúci prstenec usporiadaný na vnútornom povrchu jadra. Statorové vinutie je zhotovené z oválnych dutých vodičov opatrených olejovou a papierovou izoláciou. Strany cievok s ich izoláciami sú zaistené v drážkach s obdĺžnikovým prierezom pomocou klinov. Olej sa používa ako chladivo tak v dutých vodičoch ako aj v otvoroch v statorových stenách. Avšak tento chladiaci systém má za následok veľký počet spojení tak olejového vedenia ako aj elektrického vedenia na koncoch cievok. Okrem toho hrubá izolácia spôsobuje zvýšený polomer zakrivenia vodičov, čo zas vedie k zvýšenej veľkosti presahu vinutia.

rová časť najbližšie

Uvedený US patent popisuje statorovú časť synchrónneho stroja, ktorý zahŕňa magnetické jadro z navrstvených plechov s lichobežníkovými drážkami pre statorové vinutie. Tieto drážky sú zúžené, pretože potreba izolácie statorového vinutia sa zmenšuje smerom k vnútrajšku rotora, pričom v časti vinutia, ktorá je najbližšie k rotoru, sa nachádza neutrálny bod.. Okrem toho statozahŕňa dielektrický olej oddeľujúci valec usporiadaný k vnútornému povrchu jadra. Táto časť môže zlepšiť magnetizačné podmienky vzhľadom na stroj bez uvedeného prstenca. Statorové vinutie je vytvorené z káblov ponorených do oleja, pričom každá cievková vrstva má rovnaký priemer. Cievkové vrstvy sú navzájom oddelené pomocou dištančných prvkov v drážkach a zaistené klinmi proti posunutiu. Zvláštnym znakom tohto vinutia je to, že zahŕňa tzv. polovičné vinutie zapojené do série. Jedno ž polovičných vinutí je umiestnené a vycentrované vo vnútri izolačnej objímky. Vodiče statorového vinutia sú chladené obklopujúcim olejom. Nevýhodou systému s veľkým množstvom oleja je riziko úniku tohto oleja do okolitého prostredia a problematického odstraňovania následkov takéhoto úniku. Časti izolačnej objímky, ktoré sú usporiadané mimo drážok, majú valcovitý tvar a kónické zakončenie zosilnené vrstvami na vedenie prúdu. Cieľom tohto opatrenia je regulovať intenzitu elektrického poľa v oblasti, v ktorej je kábel ukončený koncom vinutia.

Patent ZSSR č. 955 369 opisuje ďalšie riešenie vedúce k zvýšeniu menovitého napätia synchrónneho stroja, ktorého olejom chladené statorové vinutie zahŕňa konvenčný vysokonapäťový kábel s rovnakými rozmermi pre všetky vrstvy. Tento kábel je umiestnený v statorových drážkach tvorených kruhovými, radiálne usporiadanými otvormi zodpovedajúcimi prierezu kábla a žiaducemu priestoru na upevnenie tohto kábla a na prúdenie chladivá. Rozdielne radiálne usporiadané vrstvy vinutia sú obklopené izolačnými trubicami a upevnené týmito izolačnými trubicami. Tieto trubice sú upevnené v statorovej drážke pomocou izolačných dištančných členov. Kvôli chladeniu pomocou oleja stator zahŕňa aj vnútorný dielektrický prstenec na utesnenie priestoru s olejovým chladivom voči vnútornej vzduchovej medzere. Nevýhodou uvedeného systému s olejovým chladením je aj jeho konfigurácia, ktorá sa vyznačuje velmi úzkymi pásmi medzi rozdielnymi statorovými drážkami, čo spôsobuje veľké rozptylové toky v drážkach, ktoré negatívne ovplyvňujú magnetizačné podmienky stroja.

Správa výskumného ústavu pre elektrickú energiu EL-3391 z roku 1984 opisuje vývojové koncepcie vysokonapäťových rotačných elektrických strojov, ktoré sa môžu pripojiť na elektrickú sieť bez toho, aby sa musel použiť transformátor. K vývoju týchto strojov viedla snaha dosiahnuť vyššiu účinnosť u týchto strojov, a teda aj lepšie ekonomické parametre. Hlavným dôvodom na zahájenie vývoja generátorov na priame pripojenie k energetickej sieti v roku 1984 bola skutočnosť, že v tomto čase sa už produkovali supravodičové rotory. Veľká magnetizačná kapacita supravodičového poľa umožňuje použitie vinutí so vzduchovou medzerou a s dostatočnou hrúbkou izolácie odolnej voči elektrickému namáhaniu. Urobil sa predpoklad, že kombináciou najsľubnejšej koncepcie podľa uvedeného projektu, magnetického obvodu s vinutím tvoreným tzv. monolitickou valcovou armatúrou, s koncepciou, v ktorej vinutie zahŕňa dva valce vodičov sústredne uložených v troch valcovitých izolačných puzdrách a celá táto štruktúra je pripevnená na železné jadro bez zubov, sa môže rotačný elektrický stroj na vysoké napätie pripojiť priamo na energetickú sieť. Toto riešenie predpokladá dostatočne hrubú hlavnú izoláciu, ktorá znesie spojenie typu sieť na sieť a sieť na zemný potenciál. Po posúdení všetkých doteraz známych izolačných techník sa pre vysokonapäťový rotačný stroj zvolil izolačný systém, ktorý sa bežne používa v silových transformátoroch a ktorý zahŕňa dielektrickou tekutinou impregnovanú celulózovú lesklú lepenku. Navrhnuté riešenie má okrem potreby supravodivého rotora ďalšiu nevýhodu, ktorá spočíva v tom, že toto riešenie vyžaduje velmi hrubú izoláciu, ktorá zvyšuje rozmery stroja. Okrem toho konce vinutia musia byt izolované a chladené freónom s cielom regulovať velké elektrické polia na týchto koncoch a celý stroj musí byť hermeticky uzatvorený s cieľom zamedziť tvorbu kvapalného dielektrika z vlhkosti absorbovanej z atmosféry.

V prípade výroby rotačných elektrických strojov spadajúcich do oblasti doterajšieho stavu techniky sa výroba vinutia tvoreného z vodičov a izolačného systému uskutočňuje v niekoľkých stupňoch, pričom vinutie sa musí predtvarovať pred zostavením na magnetickom obvode. Impregnácia na vytvorenie izolačného systému sa uskutočňuje po zostavení vinutia na magnetickom obvode.

Silový transformátor/reaktor í

S cielom vymedziť silový transformátor/reaktor podľa vynálezu voči doterajšiemu stavu techniky a teda opísať nový prístup k danej problematike popri výhodách poskytovaných vynálezom sa v tomto odseku tejto prihlášky uskutočňuje relatívne úplný popis silového transformátora, aký sa v súčasnosti používa, popri obmedzeniach a problémoch, ku ktorým dochádza pri výpočtoch, návrhu zhotovenia, izolácii, uzemňovaní, výrobe, použití, testovaní, preprave, a pod., týchto transformátorov.

Z čisto všeobecného hľadiska hlavnou úlohou silového transformátora je umožniť výmenu elektrickej energie medzi dvoma alebo viacerými elektrickými systémami zvyčajne s rozdielnymi napätiami a s rovnakými frekvenciami.

Konvenčný silový transformátor zahŕňa transformátorové jadro, ktoré sa v nasledovnom texte nazýva jadrom, pričom toto jadro je často vytvorené z vrstevnatých orientovaných plechov, zvyčajne z kremíkovej ocele. Jadro zahŕňa určitý počet stĺpcov navzájom spojených jarmami, pričom tieto stĺpce spolu tvoria jedno alebo ίο viacero vinutí. Tento transformátor sa zvyčajne nazýva jadrovým transformátorom. Okolo stĺpcov jadra je usporiadaný určitý počet vinutí, ktoré sa normálne nazývajú primárnym, sekundárnym a riadiacim vinutím. Pokiaľ ide o silové transformátory, tieto vinutia sú prakticky vždy sústredne usporiadané a distribuované pozdĺž dĺžky stĺpcov jadra. Jadro transformátora má zvyčajne kruhové cievky ako aj stĺpce jadra so zužujúcim sa priestorom s cieľom pokiaľ možno čo najtesnejšie vyplniť priestor medzi stĺpcami jadra týmito cievkami.

Okrem jadrového transformátora existuje aj tzv. plášťový transformátor. Tento transformátor má zvyčajne obdĺžnikové cievky a stĺpce jadra s obdĺžnikovým prierezom.

Konvenčné silové transformátory s výkonom na spodnej hranici uvedeného výkonového rozsahu sú niekedy zhotovené so vzduchovým chladením na rozptýlenie tepla vzniknutého v dôsledku nevyhnutných vlastných strát transformátora. S cieľom zamedziť kontakt so silovým transformátorom a prípadne obmedziť externé magnetické pole transformátora, je tento transformátor často opatrený vonkajším krytom s ventilačnými otvormi.

Avšak väčšina konvenčných silových transformátorov je chladená olejom. Jedným z dôvodov použitia oleja ako chladiaceho média je to, že olej má dodatočnú veľmi dôležitú funkciu ako izolačné médium. Olejom chladený a olejom izolovaný silový transformátor je teda obklopený vonkajšou nádržou, na ktorú, ako to bude zrejmé z nižšie uvedeného popisu, sa kladú veľmi vysoké požiadavky. Transformátor často zahŕňa prostriedky na chladenie oleja vodou.

Nasledovná časť popisu sa bude v' prevažnej miere venovať olejom plnenému silovému transformátoru.

Vinutia transformátora ' sú tvorené jednou alebo viacerými cievkami zapojenými do série, pričom tieto cievky zahŕňajú určitý počet sériovo spojených závitov. Okrem toho sú cievky opatrené špeciálnym zariadením na zopnutie medzi vývodmi cievok. V prípade použitia tohto zariadenia sa môže prepnutie uskutočniť pomocou skrutkových spojov alebo častejšie pomocou špeciálneho prepínača, ktorý pôsobí v blízkosti nádrže. Ak sa uvedené prepnutie realizuje v transformátore pod napätím, prepínač sa nazýva prepínačom odbočiek pod zaťažením, zatiaľ čo v ostatných prípadoch sa nazýva prepínačom odbočiek bez zaťaženia.

Pokiaľ ide o olejom chladené a olejom izolované výkonové transformátory s výkonom na hornej hranici uvedeného výkonového rozsahu, vypínacie členy prepínača odbočiek pod zaťažením sú umiestnené v špeciálnych olejom naplnených nádobách s priamym spojením s transformátorovou nádržou. Funkcia vypínacích členov je čisto mechanická a zaisťuje sa motorom poháňaným rotačným hriadeľom, pričom tieto kontakty sú usporiadané tak, aby sa dosiahol rýchly pohyb počas spínania v prípade, že kontakt je otvorený, a pomalší pohyb v prípade, že kontakt má byť uzavretý. Avšak samotné prepínače odbočiek pod zaťažením sú umiestnené v skutočnej transformátorovej nádrži. Počas prevádzky transformátora dochádza k horeniu oblúka a iskreniu. To vedie k degradácii oleja v uvedených nádobách. S cieľom dosiahnuť menší počet oblúkov a teda aj nižšiu tvorbu sadzí na uvedených kontaktoch a nižšie opotrebovanie týchto kontaktov prepínača odbočiek pod zaťažením, zvyčajne pôsobia na vysokonapäťovej strane transformátora. Je to kvôli skutočnosti, že prúdy, ktoré sa majú prepnúť, sú nižšie na vysokonapäťovej strane, než v prípade, že prepínače odbočiek pod zaťažením sú zapojené na nízkonapäťovej strane transformátora. Poruchové štatistiky konvenčných olejom plnených silových transformátorov ukázali, že tieto prepínače odbočiek pod zaťažením sú často tými prvkami transformátora, ktoré spôsobujú poruchy transformátorov.

V olejom chladených a olejom izolovaných silových transformátorov s výkonom na hornej hranici uvedeného výkonového rozsahu tak prepínače odbočiek pod napätím ako aj ich vypínacie členy sú umiestnené vo vnútri nádrže. To znamená, že uvedené problémy spočívajúce v degradácii oleja v dôsledku horenia oblúku počas prevádzky transformátora, apod., ovplyvňujú celý olejový systém.

Z hľadiska priloženého alebo indukovaného napätia sa dá vo všeobecnosti konštatovať, že napätie, ktoré je stacionárne vo vinutí, je distribuované rovnakou mierou na každý závit vinutia, t. j. napätie na závite je rovnaké na všetkých závitoch.

Avšak z hľadiska elektrického potenciálu je situácia úplne odlišná. Jeden koniec vinutia je zvyčajne spojený so zemou. To však znamená, že sa elektrický potenciál každého závitu zvyšuje prakticky od nuly v závite, ktorý je najbližšie k zemnému potenciálu, až k potenciálu v závitoch, ktoré sa nachádzajú pri ostatnom konci vinutia, ktorý zodpovedá priloženému napätiu.

Táto distribúcia potenciálu stanovuje konfiguráciu izolačného systému, pretože je žiaduce mať dostatočnú izoláciu tak medzi priľahlými závitmi vinutia ako aj medzi každým závitom a zemou.

Závity v samostatnej cievke sú zvyčajne zlúčené do geometrickej koherentnej jednotky fyzicky vymedzenej voči ostatným cievkam. Vzdialenosť medzi cievkami je určená aj dielektrickým namáhaním, ku ktorému dochádza medzi cievkami. To teda znamená, že je žiaduce, aby cievky boli navzájom oddelené určitou danou izolačnou vzdialenosťou. Vzhladom na uvedenú skutočnosť je žiaduce aj to, aby aj ostatné elektricky vodivé prvky transformátora, ktoré sa nachádzajú vo vnútri elektrického poľa, boli od elektrického potenciálu, ktorý sa lokálne vyskytuje v cievkach, oddelené dostatočnou izolačnou vzdialenosťou.

Z uvedeného popisu je teda zrejmé, že pokial ide o individuálne cievky, napäťový rozdiel interne medzi fyzicky priľahlými vodičovými členmi je relatívne nízky, zatiaľ čo napäťový rozdiel externe vzhladom na ostatné kovové predmety, napríklad ostatné cievky zahrnuté v transformátore, môže byť relatívne vysoký. Tento napäťový rozdiel je určený napätím indukovaným magnetickou indukciou ako aj kapacitne distribuovanými napätiami, ktoré môžu vzniknúť na externých spojoch transformátora v dôsledku prítomnosti vonkajšieho elektrického systému pripojeného na transformátor. Napätia, ktoré môžu byť externe priložené na transformátor, zahŕňajú okrem prevádzkového napätia bleskové prepätie a spínacie prepätie.

V prúdových vodičoch cievok vznikajú dodatočné straty v dôsledku magnetického rozptylového poľa okolo vodiča. S cieľom udržať tieto straty na pokiaľ možno čo najnižšej úrovni, najmä v prípade silových transformátorov s výkonom na hornej hranici výkonového rozsahu, tieto vodiče sú rozdelené do množiny čiastkových vodičov, ktoré sa často nazývajú prameňmi, pričom tieto čiastkové vodiče sú zapojené paralelne počas prevádzky transformátora. Tieto pramene musia byť prekrížené podľa určitého vzoru, ktorý zaisťuje, že indukované napätie v každom prameni sa stáva pokiaľ možno čo najviac rovné indukovanému napätiu v každom inom prameni, v dôsledku čoho sa rozdiel indukovaných napätí medzi dvoma prameňmi stáva pokiaľ možno čo najnižší pre interne cirkulujúce prúdové zložky s cieľom udržať tieto zložky na dostatočnej úrovni z hľadiska strát transformátora.

V prípade transformátorov spadajúcich do oblasti stavu techniky je hlavným cieľom, aby transformátor mal pokiaľ možno čo najväčší počet vodičového materiálu vo vnútri danej plochy vymedzenej tzv. transformátorovým oknom, inými slovami, aby mal pokiaľ možno čo najväčší faktor plnenia. Dostupný priestor v transformátore je vyplnený okrem vodičového materiálu aj izolačným materiálom združeným s cievkami čiastočne interne medzi cievkami a čiastočne medzi cievkami a ostatnými kovovými členmi zahrnutými v magnetickom jadre.

Izolačný systém usporiadaný čiastočne vo vnútri cievky/vinutia a čiastočne medzi cievkami/vinutiami a ostatnými kovovými časťami je zvyčajne zhotovený v mieste najbližšom k samostatnému vodičovému členu ako izolácia na báze celulózy a ako kvapalná prípadne aj plynná izolácia. V tomto prípade vinutie s izoláciou a prípadnými výstužnými časťami predstavuje veľký objem materiálu, ktorý je vystavený vysokej intenzite elektrického poľa, ktoré vzniká v činných častiach transformátora a v okolí týchto častí. S cieľom stanoviť dielektrické namáhanie, ku ktorému dochádza v transformátore, a dimenzovať izoláciu s minimálnym rizikom neskoršieho prerazenia izolácie, je potrebné získať dostatočné znalosti o vlastnostiach izolačných materiálov. Dôležité je aj vytvoriť také prostredie obklopujúce izoláciu, ktoré by nemenilo alebo neobmedzovalo izolačné vlastnosti tejto izolácie.

V súčasnosti prevažne používané izolačné systémy pre vysokonapäťové silové transformátory zahŕňajú celulózový materiál ako tuhú izoláciu a transformátorový olej ako kvapalnú izoláciu. Tento transformátorov/ olej je založený na tzv. minerálnom oleji.

Transformátorov/ olej má dvojakú funkciu, pretože okrem izolačnej funkcie aktívne prispieva k chladeniu jadra, vinutia, a pod., odvádzaním stratového tepla transformátora. Systém olejového chladenia zahŕňa olejové čerpadlo, vonkajší chladiaci člen, dilatačnú spojku, a pod..

Elektrické spojenie medzi externými spojmi transformátora a bezprostredne pripojenými cievkami/vinutiami sa nazýva priechodkou pre vodivé spojenie cez nádrž, ktorá v prípade olejom naplnených silových transformátorov obklopuje skutočný transformátor. Táto priechodka je zvyčajne tvorená samostatným komponentom pripevneným na stenu nádrže, pričom je zhotovený tak, aby spĺňal izolačné požiadavky kladené tak na vonkajšiu časť ako aj na vnútornú časť nádrže a súčasne odolal prúdovej záťaži a rezultujúcim prúdovým silám. Je potrebné poznamenať, že rovnaké požiadavky kladené na opísaný izolačný systém, pokiaľ ide o vinutie transformátora, sú uplatňované aj pre nutné spojenia medzi cievkami, medzi priechodkami a cievkami a pre rozdielne typy prepínačov a priechodok samotných.

Všetky kovové komponenty vo vnútri silového transformátora sú zvyčajne spojené s daným zemným potenciálom s výnimkou vodičov vedúcich prúd. Týmto spôsobom sa vylučuje riziko nežiaduceho a problematicky regulovateľného nárastu potenciálu v dôsledku kapacitnej napäťovej distribúcie medzi prúdovými vedeniami pri vysokom potenciáli a zemou. Tento nežiaduci prírastok potenciálu môže spôsobiť čiastočné výboje, tzv. korónové výboje, ktoré sa môžu objaviť v priebehu bežných preberacích testov porovnaním zvýšeného napätia a frekvencie s menovitými hodnotami transformátora. Tieto korónové výboje môžu spôsobiť poškodenie transformátora počas jeho prevádzky.

Individuálne cievky v transformátore musia byť mechanicky dimenzované takým spôsobom, aby odolali napätiam, ku ktorým dochádza v dôsledku prúdov generovaných v cievkach a prúdovým silám vyplývajúcim z týchto prúdov počas spojenia nakrátko. Cievky sú zvyčajne zhotovené tak, aby sa sily pôsobiace v cievkach absorbovali vo vnútri každej samostatnej cievky, čo zas znamená, že cievka sa nedá optimálne dimenzovať pre jej normálnu funkciu počas normálneho chodu.

• Vo vnútri úzkeho napäťového a výkonového rozsahu olejom plnených transformátorov sú vinutia tvorené tzv. páskovými vinutiami. To znamená, že individuálne uvedené vodiče sa nahrádzajú tenkými plechmi. Silové transformátory s páskovým vinutím sa vyrábajú pre napätia až 20 - 30 kV a pre výkony 20 - 30 MW.

Pre izolačný systém silových transformátorov s výkonmi vo vnútri horného výkonového rozsahu sú žiaduce popri relatívne komplikovanom zhotovení aj špeciálne výrobné opatrenia, ktoré vedú k najlepšiemu možnému využitiu vlastností izolačného systému. S cieľom dosiahnuť požadovanú úroveň izolácie, izolačný systém by mal mať nízky obsah vlhkosti, tuhá časť izolácie by mala byť dobre impregnovaná obklopujúcim olejom a riziko zvyškových plynových vačkov v tuhej časti izolácie musí byť minimálne. S cieľom zaistiť uvedené skutočnosti, špeciálne sušenie a impregnácia sa uskutočňujú na kompletnom jadre s vinutím ešte skôr, než sa toto jadro s vinutím vloží do nádrže. Po tomto sušení a impregnácii sa transformátor umiestni do nádrže, ktorá sa následne utesní. Pred naplnením olejom sa musí z nádrže s ponoreným transformátorom odviesť všetok vzduch. To sa uskutočňuje špeciálnou podtlakovou technikou. Po uskutočnení tejto operácie sa nádrž naplní olejom.

S cieľom dosiahnuť požadovanú životnosť transformátora, a pod., j e.potrebné odvedením vzduchu použitím uvedenej podtlakovéj techniky dosiahnutie takmer úplného vákua. To teda predpokladá, že nádrž, ktorá obklopuje transformátor, je dimenzovaná na úplné vákuum, čo spôsobuje značnú spotrebu materiálu pri výrobe tejto nádrže a výrazne dlhý čas výroby tejto nádrže.

V prípade, že v olejom naplnenom silovom transformátore dôjde k elektrickým výbojom alebo že v ľubovoľnej časti transformátora dôjde k značnému lokálnemu prírastku teploty, potom sa v oleji, ktorý má dezintegrujúce účinky, rozložia plynné produkty vytvorené uvedenými javmi. Transformátory sú preto zvyčajne opatrené monitorovacími zariadeniami na detekciu plynu rozpusteného v oleji.

Z dôvodu velkej hmotnosti nádrže naplnenej olejom a zahŕňajúcej transformátor, sa nádrže s transformátormi prepravujú bez oleja. Potom, ako sa transformátor inštaluje na mieste použitia tohto transformátora, je potrebné z nádrže znovu odčerpať vzduch uvedenou podtlakovou technikou. Okrem toho je nutné túto operáciu opakovať vždy v rámci opravy alebo kontroly transformátora.

Je zrejmé, že tieto procesy sú časovo velmi náročné a nákladné a tvoria značnú časť celkového času potrebného na výrobu a opravu transformátora, pričom rovnaký čas je nutný na zaistenie náhradných zdrojov.

Izolačný materiál v konvenčných silových transformátoroch tvorí velkú časť celkového objemu transformátora. Je bežnou skutočnosťou, že silový transformátor s výkonom na hornej hranici uvedeného výkonového rozsahu vyžaduje rádovo niekoľko stoviek kubických metrov transformátorového oleja. Tento olej, ktorý má podobné vlastnosti ako motorová nafta, je riedkou tekutinou a vyznačuje sa relatívne nízkou teplotou vzplanutia. Je teda zrejmé, že olej spolu s celulózou predstavuje značné nebezpečenstvo vzniku požiaru v prípade neúmyselného vývoja tepla v transformátore spôsobeného napr. interným preskokom iskry, a následného rozliatia oleja do okolia.

Je zrejmé aj to, že najmä v prípade olejom plnených transformátorov sa vynára velmi závažný problém spočívajúci v transporte týchto transformátorov. Tento transformátor s výkonom na hornej hranici uvedeného výkonového rozsahu môže mať celkovú hmotnosť až 1000 ton. Okrem toho je potrebné uvedomiť si, že vonkajšie zhotovenie transformátora musí byť niekedy prispôsobené zvyčajným transportným profilom, to znamená, že musí byť prispôsobené daným podmienkam transportu, napríklad prejazdnosti mostov, tunelov, a pod..

V nasledovnom texte sa uvedie krátky výpočet znakov olejom plnených transformátorov spadajúcich do oblasti stavu techniky, pričom z tohto výpočtu budú zrejmé tak niektoré obmedzenia pre tieto transformátory ako aj problémy, ku ktorým dochádza v súvislosti s použitím týchto transformátorov.

Olejom naplnený konvenčný silový transformátor zahŕňa vonkajšiu nádrž, ktorá obklopuje transformátor zahŕňajúci transformátorové jadro s cievkami, olej na izoláciu a chladenie transformátora, rôzne mechanické výstužné zariadenia, a pod. Veľké požiadavky sa kladú na nádrž, pretože z tejto nádrže s uloženým transformátorom pred jej naplnením olejom sa musí odčerpať vzduch podtlakovou technikou s cieľom dosiahnuť v podstate úplné vákuum. Výroba nádrže a jej následné skúšky sú veľmi rozsiahle, pričom aj veľké externé rozmery nádrže zvyčajne spôsobujú značné transportné problémy;

zvyčajne zahŕňa systém tlakového chladenia olejom. Tento chladiaci systém zahŕňa olejové čerpadlo, externý chladiaci člen, expanznú nádobu a dilatačnú spojku, a pod.;

zahŕňa elektrické spojenie medzi vonkajšími vývodmi transformátora a cievkami/vinutiami bezprostredne pripojenými k týmto vývodom, pričom toto spojenie je tvorené priechodkou pripevnenou na nádrž. Táto priechodka je zhotovená tak, aby jej izolácia bola odolná voči podmienkam prevládajúcim vo vnútri a mimo transformátora;

zahŕňa cievky/vinutia, ktorých vodiče sú rozdelené do množiny vodivých členov (prameňov), ktoré sa musia krížiť takým spôsobom, aby napätie indukované v každom prameni bolo pokiaľ možno čo najviac rovné napätiu v každom inom prameni, a teda aby rozdiel indukovaných napätí medzi dvojicou prameňov bol pokiaľ možno čo najnižší;

zahŕňa izolačný systém usporiadaný čiastočne vo vnútri cievky/vinutia a čiastočne medzi cievkami/vinutiami a ostatnými kovovými časťami, pričom tento systém v mieste nachádzajúcom sa najbližšie k samostatnému vodiču je tvorený tuhou izoláciou na báze laku a v externej oblasti tohto vodiča je tvorený tuhou izoláciou z celulózy a kvapalnou prípadne aj plynnou izoláciou. Okrem toho je velmi dôležité, aby tento izolačný systém obsahoval velmi nízke množstvo vlhkosti;

zahŕňa prepínač odbočiek pod zaťažením, ktorý je integrovaný do transformátora, obklopený olejom a zvyčajne pripojený k vysokonapäťovému vinutiu s cielom kontrolovať napätie;

obsahuje olej, ktorý môže spôsobiť nezanedbateľné nebezpečenstvo požiaru v spojení s vnútornými čiastočnými výbojmi, iskrením v prepínačoch odbočiek pod zaťažením a ostatnými poruchovými spojeniami;

zahŕňa zvyčajne monitorovacie zariadenie na monitorovanie plynu rozpusteného v oleji a vzniknutého v dôsledku elektrických výbojov vo vnútri oleja alebo lokálnych prírastkov teploty;

zahŕňa olej, ktorý v prípade poruchy alebo poškodenia transformátora môže uniknúť do okolitého prostredia a toto prostredie závažne znečistiť.

I

Podstata vynálezu

Predmetom vynálezu je primárne elektromagnetické zariadenie, ktoré nemá aspoň jednu alebo niekolko nevýhod relevantných elektromagnetických zariadení, ktoré sú súčasťou doterajšieho stavu techniky. Okrem toho predmetom vynálezu je sekundárne spôsob regulácie elektrického póla v elektromagnetickom zariadení na spracovanie elektrickej energie a spôsob výroby magnetického obvodu pre rotačný elektrický stroj.

Predmet vynálezu je definovaný v nasledovných patentových nárokoch, predovšetkým v charakteristickej časti niektorého z nárokov 1 až 5.

V širšom zmysle slova vynález obmedzuje straty, ku ktorým dochádza v uvedenom elektromagnetickom zariadení, takže toto zariadenie má vyššiu účinnosť v dôsledku skutočnosti, že vynález umožňuje v podstate uzavrieť elektrické pole, ktoré vzniká následkom uvedeného elektrického vodiča v izolačnom systéme. Toto obmedzenie strát vedie zas k zníženiu teploty v zariadení, čo znižuje potrebu chladenia a umožňuje použitie chladiaceho systému s jednoduchšou konštrukciou než je konštrukcia chladiacich systémov použitých v konvenčných elektromagnetických zariadeniach.

Vodič/izolačný systém podlá vynálezu môže byť tvorený pružným káblom, ktorý predstavuje podstatnú výhodu pri výrobe a montáži tohto systému v porovnaní s konvenčnými prefabrikovanými tuhými vinutiami. Izolačný systém podlá vynálezu spôsobuje absenciu plynných a tekutých izolačných materiálov.

Pokiaľ ide o rotačný elektrický stroj, dá sa prevádzkovať pri takom vysokom napätí, že uvedený zvyšujúci transformátor so zapojením trojuholník/hviezda sa môže vylúčiť. To znamená, že stroj podľa vynálezu môže pracovať pod napätím výrazne vyšším než je napätie, pod ktorým môžu pracovať stroje podľa doterajšieho stavu techniky, ktoré sú pripojené priamo na energetickú sieť. To spôsobuje výraznú úsporu investičných nákladov na systém s rotačným elektrickým strojom a zvýšenie celkovej účinnosti tohto systému. Vynález eliminuje potrebu konkrétnych opatrení na reguláciu poľa v určitých oblastiach vinutia, ktoré sú nutné v zariadeniach podľa doterajšieho stavu techniky. Ďalšia výhoda spočíva v tom, že vynález zjednodušuje opatrenia vedúce k podmagnetizácii a premagnetizácii s cieľom obmedziť reaktančné účinky, ktoré sú dôsledkom vzájomného fázového posunu medzi napätím a prúdom.

Pokiaľ ide o silový transformátor/reaktor, vynález predovšetkým vylučuje potrebu naplniť silové transformátory olejom a problémy a nevýhody spojené s týmto naplnením.

Pokiaľ ide o zhotovenie vinutia, toto vinutie zahŕňa pozdĺž aspoň časti jeho dĺžky izoláciu vyrobenú z tuhého izolačného materiálu, pričom vo vnútri tejto izolácie je usporiadaná vnútorná vrstva a mimo uvedenej izolácie je umiestnená vonkajšia vrstva, pričom tieto vrstvy, ktoré sú vyrobené z polovodičového materiálu umožňujú uzavrieť elektrické pole v celom zariadení dovnútra vinutia. Termínom tuhý izolačný materiál uvedenom v tomto texte sa myslí to, že vinutie nezahŕňa plynnú alebo kvapalnú izoláciu, akou je napríklad olej. Miesto plynnej alebo kvapalnej izolácie je tento tuhý izolačný materiál tvorený polymérnym materiálom. Aj uvedená vnútorná vrstva a vonkajšia vrstva sú tvorené polymérnym materiálom, avšak tento materiál má vlastnosti polovodičov.

Vnútorná vrstva a tuhá izolácia sú navzájom pevne spojené v podstate na celej ich styčnej ploche. Aj vonkajšia vrstva a tuhá izolácia sú navzájom pevne spojené v podstate na celej ich styčnej ploche. Funkcia vnútornej vrstvy spočíva vo vyrovnávaní potenciálu na rovnakú úroveň a teda vo vyrovnávaní elektrického poľa mimo tejto vnútornej vrstvy v dôsledku polovodičových vlastností tejto vnútornej vrstvy.

Aj vonkajšia vrstva je vyrobená z polovodičového materiálu, pričom má elektrickú vodivosť aspoň vyššiu než je elektrická vodivosť izolácie, čo spôsobuje, že táto vonkajšia vrstva spojením so zemou alebo iným relatívne nízkym potenciálom vyrovnáva potenciál na rovnakú úroveň a v podstate uzaviera elektrické pole, ktoré vzniká v dôsledku pôsobenia uvedeného elektrického vodiča vo vnútri vonkajšej vrstvy. Na druhej strane vonkajšia vrstva by mala mať rezistivitu dostatočnú na obmedzenie elektrických strát ’v uvedenej vonkajšej.vrstve na minimálnu hodnotu.

Pevné spojenie medzi izolačným materiálom a vonkajšou a vnútornou polovodičovou vrstvou by malo byť rovnomerné v podstate na celých ich styčných plochách, takže na týchto styčných plochách by sa nemali objavovať žiadne dutiny, póry a pod.. Pri vysokých napäťových úrovniach dochádza k elektrickej a tepelnej záťaži, ktorá kladie na izolačný materiál nadmerné nároky. Je známe, že tzv. čiastočné výboje vo všeobecnosti predstavujú vážny problém pre izolačný materiál vo vysokonapäťových inštaláciách. V prípade výskytu dutín, pórov a pod. v izolačnej vrstve môže dôjsť k vnútorným korónovým výbojom pod vysokými napätiami, čím izolačný materiál postupne degraduje a v dôsledku toho môže neskôr dôjsť k elektrickému prierazu cez izoláciu. To môže viesť k závažným poruchám elektromagnetického zariadenia. Teda izolácia by mala byť homogénna.

Vnútorná vrstva usporiadaná vo vnútri izolácie by mala mať elektrickú vodivosť nižšiu než je elektrická vodivosť elektrického vodiča, avšak dostatočnú na to, aby vnútorná vrstva vyrovnávala potenciál na rovnakú úroveň a teda vyrovnávala elektrické pole pôsobiace mimo vnútornej vrstvy. To v kombinácii so vzájomným pevným spojením vnútornej vrstvy a elektrickej izolácie v podstate na celej ich styčnej ploche, t. j. spojením bez výskytu dutín, znamená v podstate rovnomerné elektrické pole mimo vnútornej vrstvy a minimálne riziko vzniku čiastočných výbojov.

Je výhodné, že vnútorná vrstva a tuhá elektrická izolácia sú vytvorené z materiálov, ktoré majú v podstate rovnaké tepelné koeficienty rozťažnosti. Rovnako výhodné je to, aj pokiaľ ide o vonkajšiu vrstvu a tuhú izoláciu. To znamená, že vnútorná a vonkajšia vrstva a tuhá elektrická izolácia tvoria izolačný systém, ktorý sa v závislosti od teplotných zmien rozťahuje a sťahuje rovnomerne, ako keby bol tento systém zhotovený z jedného kusu, bez toho aby uvedené teplotné zmeny spôsobili porušenie uvedeného spojenia na styčných plochách. Je teda zaistený tesný kontakt medzi vnútornou a vonkajšou vrstvou a tuhou izoláciou a sú vytvorené podmienky na udržanie tohto.tesného kontaktu aj počas predĺženej prevádzky elektromagnetického zariadenia.

V dôsledku skutočnosti, že vnútorná a vonkajšia vrstva polovodičového materiálu okolo izolácie má sklon tvoriť v podstate ekvipotenciálne plochy, takže elektrické pole v izolácii je výhodne distribuované relatívne rovnomerne v celej hrúbke izolácie, elektrická záťaž izolačného systému sa znižuje.

Konštrukcia vodičov s izoláciou z tuhého izolačného materiálu a vnútornou a vonkajšou vrstvou polovodičového materiálu je známa u prenosových káblov pre vysoké napätie a pre prenos elektrickej energie. V oblasti techniky týkajúcej sa prenosu elektrickej energie sa dlhý čas uplatňovala požiadavka, aby izolácia bola bez chýb. Avšak vo vysokonapäťových kábloch na prenos elektrickej energie sa nemení elektrický potenciál pozdĺž dĺžky kábla, ale je v podstate na rovnakej úrovni. Avšak aj vo vysokonapäťových kábloch na prenos elektrickej energie môže dôjsť k okamžitým potenciálovým rozdielom v dôsledku prechodových javov, napríklad blesku. Podlá vynálezu pružný kábel podľa priložených patentových nárokov sa používa ako vinutie v elektromagnetickom zariadení.

Ďalšie zlepšenie sa môže dosiahnuť tým, že elektrický vodič vo vinutí je zostavený z menších tzv. prameňov, z ktorých aspoň niektoré sú navzájom izolované. Tým, že tieto pramene majú relatívne malý prierez, výhodne približne kruhový, magnetické pole v prameňoch má konštantnú konfiguráciu, čím sa výskyt vírivých prúdov obmedzuje ná minimum.

Podľa vynálezu vinutie/vinutia je/sú teda výhodne vyrobené vo forme kábla zahŕňajúceho aspoň jeden vodič a opísaný izolačný systém, ktorého vnútorná vrstva prebieha okolo uvedených prameňov vodiča. Mimo tejto vnútornej polovodičovej vrstvy je usporiadaná hlavná izolácia kábla vo forme tuhého izolačného materiálu.

Vonkajšia polovodičová vrstva podľa vynálezu má také elektrické vlastnosti, že je zaistené vyrovnanie potenciálu na rovnakú úroveň pozdĺž vodiča. Táto vonkajšia vrstva však nemá takú vodivosť, aby indukovaný prúd pretekal pozdĺž povrchu tejto vrstvy, čo by spôsobilo straty, ktoré by zas mali za následok nežiaduce tepelné zaťaženie. Pre odpory vnútornej a vonkajšej vrstvy (pri teplote 20°C) platia údaje uvedené v priložených patentových nárokoch 8 a 9. Pokiaľ ide o vnútornú polovodičovú vrstvu, táto vrstva musí mať elektrickú vodivosť dostatočnú na zaistenie vyrovnania potenciálu pre elektrické pole, avšak súčasne táto vrstva musí mať odpor dostatočný na zaistenie uzavretia elektrického póla. Je dôležité, že vnútorná vrstva vyrovnáva nepravidelnosti na povrchu vodiča a tvorí ekvipotenciálne plochy s vysokou akosťou povrchu na styčnej ploche s tuhou izoláciou. Vnútorná vrstva môže mať premenlivú hrúbku, avšak s cieľom zaistiť hladký povrch, pokiaľ ide o vodič a tuhú izoláciu, hrúbka je výhodne medzi 0,5 a 1 mm.

Pružný kábel, ktorý sa používa podľa vynálezu ako vinutie elektromagnetického zariadenia, je tvorený zlepšeným káblom zo zosieteného polyetylénu alebo zlepšeným káblom s izoláciou z kaučuku na báze etylénpropylénu alebo iného kaučuku, napr. silikónového kaučuku. Zlepšenie okrem iného spočíva v novom zhotovení prameňov vodiča a v tom, že kábel aspoň v niektorých zhotoveniach nemá žiadny plášť na mechanickú ochranu kábla. Avšak podľa vynálezu je možné, aby kábel zahŕňal vodivé kovové tienenie a vonkajší plášť usporiadaný mimo vonkajšej polovodičovej vrstvy. Toto kovové tienenie potom pôsobí ako vonkajšia mechanická a elektrická ochrana, napr. voči bleskom. Je výhodné, že vnútorná polovodičová vrstva má potenciál elektrického vodiča. S týmto cieľom aspoň jeden z prameňov elektrického vodiča nie je izolovaný a je usporiadaný tak, aby sa dosiahol dobrý elektrický kontakt s vnútornou polovodičovou vrstvou. Prípadne sa môžu rozdielne pramene striedavo uviesť do elektrického kontaktu s vnútornou polovodičovou vrstvou.

Výroba vinutia transformátora alebo reaktora z uvedeného kábla spôsobuje značné rozdiely, pokial ide o distribúciu elektrického poľa, medzi konvenčnými silovými transformátormi/reaktormi a silovým transformátorom podlá vynálezu. Rozhodujúca výhoda vinutia tvoreného káblom podlá vynálezu spočíva v tom, že elektrické pole je uzavreté vo vinutí a teda neexistuje žiadne elektrické pole mimo vonkajšiu polovodičovú vrstvu. Elektrické pole vyvolané vodičom vedúcim prúd pôsobí len v tuhej hlavnej izolácii. Z hľadiska- konštrukcie transformátora/reaktora a z hľadiska jeho výroby uvedená skutočnosť prináša značné výhody.

pri konštrukcii vinutia sa nemusí uvažovať s distribúciou elektrického poľa a prekríženie prameňov uvedené v odseku popisujúcom stav techniky je vynechané.

pri konštrukcii jadra transformátora sa nemusí uvažovať s distribúciou elektrického poľa.

na elektrickú izoláciu vinutia nie je nutný žiadny olej, to znamená, že médiom obklopujúcim vinutie môže byť vzduch.

pre elektrické spojenie medzi vonkajšími vývodmi transformátora a cievkami/vinutiami bezprostredne pripojenými k týmto vývodom nie sú potrebné žiadne špeciálne spojenia, pretože elektrické spojenie v porovnaní s konvenčnými zariadeniami je s vinutím spojené do jedného celku.

výroba a kontrola silového transformátora podľa vynálezu je oveľa jednoduchšia než výroba a kontrola konvenčného silového transformátora/reaktora, pretože impregnácia, sušenie a odvedenie vzduchu podtlakovou technikou opísané v odseku popisujúcom stav techniky nie sú potrebné. To vedie k značnému skráteniu času produkcie transformátora.

použitím izolačného systému podlá vynálezu sa vynorili nové možnosti na vývoj magnetického obvodu transformátora v porovnaní s doterajším stavom techniky.

Pokial ide o ďalší predmet vynálezu tvorený rotačným elektrickým strojom, dosahuje sa podstatné obmedzenie tepelnej záťaže statora. Prechodné preťaženie stroja nie je teda rozhodujúce a stroj sa môže poháňať pri preťažení dlhší čas bez toho, aby hrozilo riziko poškodenia stroja. Znamená to značné výhody pre užívateľov silových zariadení, ktorí sú v prípade prevádzkových porúch nútení rýchlo vypnúť ostatné príslušenstvo tohto zariadenia s cielom zaistiť dodacie podmienky stanovené zákonom.

Použitím rotačného elektrického stroja podlá vynálezu sa môžu udržiavacie náklady výrazne obmedziť, pretože v systéme pre spojenie stroja s energetickou sieťou nemusia byť zahrnuté transformátory a prerušovače obvodov.

Ako sa už uviedlo, vonkajšia polovodičová vrstva kábla je spojená so zemným potenciálom. Toto opatrenie sa robí kvôli tomu, aby táto vrstva mala v podstate zemný potenciál pozdĺž celej dĺžky kábla vinutia. Vonkajšia polovodičová vrstva sa môže rozdeliť rozrezaním tejto vrstvy na množinu častí distribuovaných pozdĺž dĺžky kábla vinutia, pričom každá individuálna časť vonkajšej polovodičovej vrstvy je pripojená priamo na zemný potenciál. Týmto spôsobom sa dosahuje lepšia rovnomernosť pozdĺž dĺžky kábla vinutia. ¹ '

Ako sa uviedlo, tuhá izolácia a vnútorná a vonkajšia vrstva sa môžu získať, napr. vytlačením. Avšak sú možné aj ostatné techniky. Tak napr. vonkajšia a vnútorná vrstva a izolácia sa môžu vytvoriť rozprášením daného materiálu na vodiči/vinutí.

Je výhodné, že kábel vinutia má kruhový prierez. Avšak môžu sa použiť aj iné prierezy v prípade, že sú žiaduce na dosiahnutie lepšej hustoty plnenia.

S cieľom vytvoriť elektrické napätie v rotačnom elektrickom stroji, kábel je uložený v niekoľkých po sebe idúcich závitoch v drážkach magnetického jadra. Vinutie môže byť tvorené viacvrstvovým sústredným káblovým vinutím s cieľom obmedziť počet krížení čiel cievok. Kábel môže byť tvorený káblom so zužujúcou sa.izoláciou s cieľom lepšie využiť magnetické jadro, pričom v tomto prípade tvar štrbín môže byť prispôsobený zužujúcej sa izolácii vinutia.

Významná výhoda rotačného elektrického stroja podľa vynálezu spočíva v tom, že elektrické pole je blízke nule v oblasti čiel cievok mimo vonkajšej polovodičovej vrstvy, a že pri použití vonkajšieho plášťa pri zemnom potenciáli sa elektrické pole nemusí regulovať. To znamená, že nevznikajú žiadne koncentrácie elektrického poľa ani vo vnútri plechov v oblasti čiel cievok ani v prechodových oblastiach medzi týmito plechmi.

Predmetom vynálezu je aj spôsob regulácie elektrického poľa v silovom elektromagnetickom zariadení podía pripojeného nároku 40.

Predmetom vynálezu, je aj spôsob výroby magnetického jadra podľa priloženého nároku 41, pružného kábla, ktorý sa zavádza do otvorov v štrbinách v magnetickom jadre rotačného elektrického stroja, a ktorý sa použije ako vinutie. Keďže kábel je pružný, môže sa ohnúť, čo umožňuje, aby sa kábel vo svojej dĺžke usporiadal do formy cievky s niekoľkými závitmi. Čela cievok potom zahŕňajú oblasti ohnutia kábla. Kábel môže byť spojený aj takým spôsobom, že jeho vlastnosti zostávajú konštantné v celej jeho dĺžke. Tento spôsob vedie k značnému zjednodušeniu v porovnaní so stavom techniky. Tzv. Roebelove tyče nie sú pružné a musia sa predtvarovať na požadovaný tvar. Aj impregnácia cievok predstavuje nesmierne komplikovanú a nákladnú techniku pri súčasnej výrobe rotačných elektrických strojov.

S cieľom zhrnúť uvedené skutočnosti, rotačný elektrický stroj podľa vynálezu má značný počet dôležitých výhod oproti zodpovedajúcim strojom z oblasti doterajšieho stavu techniky. Prvá výhoda spočíva v tom, že stroj sa môže priamo pripojiť na energetickú sieť so všetkými druhmi vysokého napätia. Za vysoké napätie sa v tejto súvislosti považuje napätie prekračujúce 10 kV a napätie dosahujúce napäťové úrovne, ktoré sa objavujú v energetickej sieti. Ďalšia výhoda spočíva v tom, že pozdĺž celého vinutia sa nepretržite vedie zvolený potenciál, akým je napr. zemný potenciál, čo znamená, že oblasti koncov vinutia môžu byť kompaktné a že nosné prostriedky pri oblastiach koncov vinutia sa môžu aplikovať pri prakticky zemnom potenciáli alebo pri. ľubovoľne zvolenom inom potenciáli. Ešte ďalšia výhoda spočíva v tom, že v rotačnom elektrickom stroji sa nepoužíva izolačný a chladiaci systém na báze oleja rovnako, ako v prípade uvedeného transformátora/reaktora. To znamená, že nevznikajú žiadne problémy súvisiace s utesnením tohto systému a žé nie je nutný uvedený dielektrický prstenec. Jednou z ďalších výhod je to, že celé potrebné chladenie sa môže uskutočniť pri zemnom potenciáli.

Prehľad obrázkov na výkresoch

V nasledovnom odseku prihlášky vynálezu sa bude vynález popisovať pomocou príkladných uskutočnení, pričom v tomto popise budú odkazy na priložené výkresy, na ktorých obr. 1 zobrazuje prúdový modifikovaný kábel, obr. 2 zobrazuje čelný pohľad na výsek/pólový rozstup magnetického obvodu podľa vynálezu, obr. 3 zobrazuje distribúciu elektrického póla okolo vinutia konvenčného silového transformátora/reaktora, obr. 4 zobrazuje perspektívny pohľad na jedno zo zhotovení silového transformátora podľa vynálezu, , obr. 5 zobrazuje prierez modifikovaným zhotovením kábla z obr. 1, pričom v tomto zhotovení kábel zahŕňa niekoľko vodičov, a obr. 6 zobrazuje prierez ďalším modifikovaným zhotovením, v ktorom kábel zahŕňa niekoľko vodičov, ktoré sú však usporiadané inak než vodiče kábla na obr. 5.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Rotačný elektrický stroj podlá obr. 1 a 2 ! Dôležitá podmienka na výrobu magneického obvodu podľa opisu vynálezu spočíva v použití vodičového kábla na vinutie, pričom tento vodičový kábel zahŕňa tuhú elektrickú izoláciu, vnútornú polovodičovú vrstvu usporiadanú medzi touto izoláciou a jedným alebo viacerými elektrickými vodičmi umiestnenými vo vnútri uvedenej izolácie, a vonkajšiu polovodičovú vrstvu nachádzajúcu sa mimo uvedenej izolácie. Tento kábel je dostupný ako štandardné káble pre ostatné oblasti techniky týkajúcej sa spracovania elektrickej energie, najmä prenosu elektrickej energie. S cieľom opísať príkladné uskutočnenie vynálezu sa najskôr uskutoční stručný popis štandardného kábla. Vnútorný vodič vedúci prúd zahŕňa množinu neizolovaných prameňov. Okolo týchto prameňov je usporiadaná polovodičová vnútorná vrstva. Okolo tejto polovodičovej vrstvy sa nachádza izolačná vrstva z tuhej izolácie. Tuhá izolácia je vyrobená z polymérneho materiálu, ktorý má nízke elektrické straty a vysokú odolnosť voči prasknutiu. Tento polymérny materiál môže byt tvorený napr. polyetylénom, najmä zosieteným polyetylénom, a etylénpropylénom. Okolo vonkajšej polovodičovej vrstvy môže byť umiestnené kovové tienenie a vonkajší izolačný plášť. Polovodičové vrstvy sú vyrobené z polymérneho materiálu, napr. kopolymérov etylénu, s elektricky vodivými zložkami, napr. vodivými sadzami alebo sadzami. Kábel, ktorý sa bude v nasledovnom texte popisovať, sa bude nazývať silovým káblom.

Z. obr. 1 je zrejmé výhodné zhotovenie kábla určeného na vinutie v rotačnom elektrickom stroji. Kábel 1^ zahŕňa vodič vedúci prúd 2_, ktorý je zostavený z prekrížených tak neizolovaných ako aj izolovaných prameňov. Okrem týchto prameňov sa dajú použiť elektromechanický prekrížené, vytlačené izolované pramene. Tieto pramene môžu byť spletené/prekrížené v množine vrstiev. Okolo uvedeného vodiča je usporiadaná vnútorná polovodičová vrstva 2' ktorá je zas obklopená homogénnou vrstvou tuhého izolačného materiálu. Izolácia £ neobsahuje vôbec žiadny kvapalný alebo plynný izolačný materiál. Uvedená vrstva 4_ je obklopená vonkajšou polovodičovou vrstvou _5.

Kábel použitý ako vinutie vo výhodnom uskutočnení môže byť opatrený kovovým tienením a vonkajším plášťom, tieto prvky však nemusia byť nevyhnutne prítomné. S cieľom zamedziť tvorbe prúdov indukovaných vo vonkajšej polovodičovej vrstve 5 a problémom súvisiacich s týmito prúdmi je tento vodič prerušený výhodne pri čelách cievok, t. j. v prechodoch zo stohu plechov do koncov vinutí. Toto prerušenie sa uskutočňuje tak, že vonkajšia polovodičová vrstva je rozdelená do niekoľkých častí distribuovaných pozdĺž kábla a navzájom úplne alebo čiastočne oddelených. Každá samostatná časť tohto vonkajšieho polovodiča je následne pripojená k zemnému potenciálu, pričom táto vonkajšia polovodičová vrstva _5 sa bude udržiavať pri zemnom potenciáli alebo v blízkosti zemného potenciálu v celej dĺžke uvedeného kábla. To znamená, že okolo vinutia s tuhou izoláciou pri čelách cievok povrchy schopné kontaktu a povrchy, ktoré sú znečistené po určitom čase používania uvedeného stroja, majú zanedbateľné potenciály voči zemi, a teda môžu spôsobiť zanedbateľné elektrické pole.

Na optimalizáciu funkcie rotačného elektrického stroja má rozhodujúci význam zhotovenie drážok resp. zubov v magnetickom obvode. Ako sa uviedlo vyššie, povrchy drážok by mali pokiaľ možno čo najtesnejšie doliehať na plášte strán cievok. Žiaduce je aj to, aby zuby pri každej radiálnej úrovni boli pokial možno čo najširšie. Je to dôležité kvôli minimalizácii strát, dosiahnutiu požadovaných magnetizačných podmienok uvedeného stroja, a pod.

Použitím uvedeného kábla na vinutie sa dá optimalizovať magnetické jadro z niekoľkých hľadísk. V nasledovnom texte sa popisuje magnetický obvod v statore rotačného elektrického stroja, pričom v tomto popise budú odkazy na obr. 2, ktorý znázorňuje koncový osový pohľad na zhotovenie výseku/pólového rozstupu stroja podľa vynálezu. V konvenčnom stroji je stator tvorený vrstveným jadrom z elektricky vodivých plechov postupne zostavených z plechov v tvare výsekov. Zo zadnej časti 8_ jadra usporiadaného v mieste najvzdialenejšom od stredu rotora množina zubov radiálne vybieha do stredu rotora. Medzi týmito zubmi sa nachádza zodpovedajúci počet drážok .10. Použitie uvedených káblov 11 okrem iného umožňuje zhotoviť drážky pre vysokonapäťové stroje hlbšie, než je hĺbka drážok u strojov spadajúcich do oblasti doterajšieho stavu techniky. Uvedené drážky majú prierez zužujúci sa v smere k rotora, pretože potreba káblovej izolácie sa stáva pre každú vrstvu vinutia nižšia smerom k vzduchovej medzere. Ako je z obrázku zrejmé, drážka má okolo každej vrstvy vinutia v podstate kruhový prierez 12 so strednou zúženou časťou 13 medzi týmito vrstvami vinutia. Š určitým zjednodušením sa dá prierez drážky statora prirovnať k tvaru cyklického reťazca. V uskutočnení znázornenom na obr. 2 sú použité káble s tromi rozdielnymi rozmermi káblovej izolácie, pričom tieto káble sú usporiadané v troch zodpovedajúcim spôsobom dimenzovaných sekciách 14, 15 a 16, to znamená, že v statore uvedeného stroja sú vytvorené drážky v tvare modifikovaného cyklického reťazca. Z obrázku je zrejmé aj to, že zuby statora môžu mať v podstate konštantnú radiálnu šírku pozdĺž hĺbky celej drážky.

V alternatívnom uskutočnení kábel, ktorý sa použil na vinutie, môže byť tvorený uvedeným konvenčným silovým káblom. Uzemnenie vonkajšieho polovodičového plášťa sa potom uskutočňuje odlúpením kovového plášťa a krytu kábla na vhodných miestach.

Do rozsahu vynálezu spadá veľký počet alternatívnych uskutočnení, čo je dané velkým počtom dostupných káblov s rôznymi rozmermi izolácie a vonkajšej polovodičovej vrstvy, a pod. Aj uskutočnenia s tzv. drážkami v tvare cyklického reťazca sa dajú modifikovať vo väčšej miere než uvedené uskutočnenie s drážkami v tvare cyklického reťazca.

Ako sa uviedlo, magnetický obvod môže byť umiestnený v statore a/alebo v rotore rotačného elektrického stroja. Avšak konštrukcia magnetického obvodu bude do velkej miery zodpovedať opísanému uskutočneniu nezávisle od toho, či je magnetický obvod umiestnený v statore a/alebo v rotore.

Pokiaľ ide o vinutie, výhodne sa použije viacvrstvové sústredné káblové vinutie. Toto vinutie spôsobuje, že počet krížení čiel cievok je minimalizovaný umiestnením všetkých cievok vo vnútri rovnakej skupiny radiálne jednu mimo druhej. To umožňuje aj jednoduchší spôsob výroby a zavádzania statorového vinutia do rozdielnych drážok. Keďže kábel použitý podía vynálezu je relatívne ľahko ohybný, vinutie sa môže vytvoriť porovnateľne jednoduchým spôsobom, pri ktorom sa pružný kábel zavádza do otvorov 12 nachádzajúcich sa v štrbinách 10.

Silový transformátor/reaktor (obr. 3 a 4)

Obr. 3 znázorňuje zjednodušený a fundamentálny pohlad na distribúciu elektrického póla okolo vinutia konvenčného silového transformátora/reaktora, pričom vzťahová značka 17 označuje vinutie, vzťahová značka 18 označuje jadro a vzťahová značka 19 označuje ekvipotenciálne čiary, t.j. línie, pozdĺž ktorých má elektrické pole rovnakú velkosť. Predpokladá sa, že spodná časť tohto vinutia má zemný potenciál.

Distribúcia potenciálov určuje konštrukciu izolačného systému, pretože je žiaduce mať dostatočnú izoláciu tak medzi priľahlými závitmi vinutia ako aj medzi každým závitom a zemou. Z obrázku je zrejmé, že v hornej časti vinutia pôsobí na izoláciu najvyššie zaťaženie. Zhotovenie vinutia a poloha tohto vinutia voči jadru sú v podstate stanovené distribúciou elektrického póla v okne jadra.

Kábel, ktorý sa môže použiť vo vinutiach zahrnutých v suchých silových transformátoroch/reaktoroch podlá vynálezu, sa opísal pomocou obr. 1. Ako sa uviedlo, kábel môže zahŕňať iné dodatočné vonkajšie vrstvy na špeciálne účely, napr, vysokého elektrického napätia v iných mátora/reaktora. Z hľadiska geometrických rozmerov dané káble majú vodičovú plochu medzi 30 a 3000 mm^ a vonkajší priemer medzi 20 a 250 mm.

na zamedzenie príliš oblastiach transforVinutie silového transformátora/reaktora vyrobené z kábla opísaného v odseku podstaty vynálezu sa môže použiť tak na jednofázové ako aj trojfázové a viacfázové transformátory/reaktory, a to nezávisle od tvaru jadra. Jedno z uskutočnení je znázornené na obr. 4, ktorý zobrazuje trojfázový transformátor s vrstveným jadrom. Toto jadro zahŕňa, rovnako ako v prípade konvenčných transformátorov, tri jadrové stĺpce 20, 21 a 22 a jarmá uzavierajúce jadro 23. V tomto zobrazenom uskutočnení majú tak jadrové stĺpce ako aj jarmá zužujúci sa prierez.

Sústredne okolo jadrových stĺpcov je usporiadané vinutie tvorené káblom. Ako je zrejmé z obr. 4, zobrazené uskutočnenie má tri sústredné závity 25, 26 a 27 vinutia. Najvnútornejší závit 25 vinutia môže predstavovať primárne vinutie a ostatné dva. závity 26 a .27 vinutia môžu reprezentovať sekundárne vinutie. Z dôvodu lepšej prehľadnosti: obrázok nezobrazuje vývody jednotlivých vinutí. Inak obrázok zobrazuje, že sa v zobrazenom uskutočnení na určitých miestach okolo vinutia nachádzajú dištančné tyče 28 a 29 s niekoľkými rozdielnymi funkciami. Tieto dištančné tyče môžu byť vyrobené z izolačného materiálu a poskytujú určitý priestor medzi sústrednými závitmi vinutia z cieľom chladiť, vystužiť, a pod., tieto závity. Uvedené dištančné tyče môžu byť vyrobené aj z elektricky vodivého materiálu s cielom vytvoriť časti zemniaceho systému vinutia.

Alternatívne zhotovenie kábla

Obr. 5 zobrazuje ďalšie príkladné uskutočnenie kábla, pričom prvky, tohto kábla zhodné s prvkami kábla zobrazeného na obr. 1' sú označené i rovnakými vzťahovými značkami doplnenými o písmeno a. V tomto uskutočnení kábel zahŕňa niekoľko elektrických vodičov 2a, ktoré sú navzájom oddelené izoláciou 4a. Inými slovami, izolácia 4a /

slúži tak na izoláciu medzi samostatnými priľahlými elektrickými vodičmi 2a tak aj medzi týmito vodičmi a ich okolím. Rôzne elektrické vodiče 2a môžu byť usporiadané rôznym spôsobom, pričom sa tieto rôzne konfigurácie vodičov môžu použiť pre rozličné prierezy káblov ako celku. V uskutočnení kábla na obr. 5 .sú vodiče 2a usporiadané v priamke, čo spôsobuje relatívne plochý prierez kábla. Z toho sa dá usúdiť, že prierez kábla sa bude meniť v rámci jeho šírky.

V uskutočnení kábla na obr. 5 sa predpokladá medzi priľahlými elektrickými vodičmi výskyt napätia menšieho než je fázové napätie. Predpokladá sa, že vodiče 2a na obr. 5 sú vytvorené rozličnými otáčkami vo vinutí, čo znamená, že napätie medzi týmito priľahlými vodičmi je porovnateľne nízke.

Ako sa už uviedlo, mimo izoláciu 4a vyrobenú z tuhého elektrického izolačného materiálu je usporiadaná polovodičová von32 kajšia vrstva 5a. Okolo každého z elektrických vodičov 2a sa nachádza vnútorná vrstva 3a z polovodičového materiálu, t. j. každý z týchto vodičov má obklopujúcu vnútornú vrstvu 3a. Táto vrstva 3a slúži na vyrovnanie potenciálu na rovnakú úroveň, pokial ide o individuálny elektrický vodič.

Obr. 6 zobrazuje ďalšie príkladné uskutočnenie kábla, pričom prvky kábla rovnaké ako prvky kábla zobrazeného na obr. 1 sú označené rovnakými vzťahovými značkami doplnenými o písmeno b. Aj v tomto uskutočnení kábel zahŕňa niekolko elektrických vodičov 2b, najmä tri elektrické vodiče 2b. Medzi týmito vodičmi sa predpokladá fázové napätie, t. j. napätie podstatne vyššie než je napätie medzi vodičmi 2a v uskutočnení kábla podlá obr. 5. Ako je z obr. 6 zrejmé, kábel zahŕňa vnútornú polovodičovú vrstvu 3b, vo vnútri ktorej sú usporiadané elektrické vodiče 2b. Avšak každý z elektrických vodičov 2b je obklopený dodatočnou vrstvou 30 s vlastnosťami zodpovedajúcimi vlastnostiam už opísanými v súvislosti s vnútornou vrstvou 3b. Priestor medzi každou dodatočnou vrstvou 30 a vrstvou 3b je vyplnený izolačným materiálom. Vrstva 3b pôsobí ako vrstva na vyrovnávanie potenciálu v oblasti mimo dodatočných vrstiev 30 z polovodičového materiálu patriaceho medzi elektrické vodiče, pričom dodatočné vrstvy 30 sú spojené s príslušným elektrickým vodičom 2b s cielom získať jeho potenciál.

Možné modifikácie

Je evidentné, že vynález nie je obmedzený iba na opísané uskutočnenie. Pre odborníka v danom odbore je zrejmé, že existuje lubovoľný počet detailnejšie opísaných modifikácií vynálezu, ktorých podstata sa neodlišuje od vynálezcovskej myšlienky definovanej priloženými patentovými nárokmi. Ako príklad sa dá uviesť skutočnosť, že vynález nie je obmedzený iba na uvedený výpočet špecifických materiálov. Môžu sa teda použiť materiály, ktoré pôsobia rovnakým spôsobom. Pokial ide o výrobu izolačného systému podľa vynálezu, je nutné poukázať na to, že sú možné aj iné techniky než uvedené vytlačenie a rozprašovanie, avšak s podmienkou, že sa dosiahne tesné spojenie medzi rozličnými vrstvami kábla. Okrem toho je potrebné uviesť, že kábel môže zahŕňať dodatočné vrstvy na vyrovnanie potenciálu. Tak napr. jedna alebo viacero týchto dodatočných vrstiev z polovodičového materiálu môžu byť usporiadané ako izolácia medzi uvedenou vnútornou a vonkajšou polovodičovou vrstvou.

Claims (39)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Elektromagnetické zariadenie zahŕňajúce elektrický obvod na generovanie magnetického poľa, pričom tento obvod zahŕňa aspoň jeden elektrický vodič (2), ktorý má izolačný systém, vyznačujúci elektrickú izoláciu vonkajšiu vrstvu (5) sa tým, že izolačný systém zahŕňa (4) tvorenú tuhým izolačným materiálom, usporiadanú mimo elektrickej izolácie (4), pričom táto vonkajšia vrstva (5) má elektrickú vodivosť, ktorá je vyššia než elektrická vodivosť izolácie tak, aby vonkajšia vrstva (5) bola schopná, spojením so zemou alebo iným relatívne nízkym potenciálom, vyrovnať potenciál a v podstate uzavrieť elektrické pole vzniknuté v dôsledku pôsobenia elektrického vodiča (2), a vnútornú vrstvu (3), ktorá je usporiadaná vo vnútri izolácie (4), pričom vo vnútri vnútornej vrstvy (3) sa nachádza aspoň jeden elektrický vodič (2), a vnútorná vrstva (3) má elektrickú vodivosť, ktorá je nižšia než elektrická vodivosť elektrického vodiča (2) avšak dostatočná na to, aby vnútorná vrstva (3) bola schopná vyrovnať potenciál a teda schopná vyrovnať elektrické pole mimo vnútornej vrstvy (3).
2. 2. Elektromagnetické zariadenie zahŕňajúce aspoň jeden elektrický vodič (2), ktorý má izolačný systém, vyznačujúce sa tým, že tento izolačný systém zahŕňa aspoň dve potenciálové vrstvy (3,5), pričom medzi týmito vrstvami je usporiadaná elektrická izolácia (4) tvorená tuhým izolačným materiálom, pričom potenciálové vrstvy -.a tuhá izolácia majú v podstate rovnaké tepelné vlastnosti.
3. 3. Zariadenie podľa nároku 1 alebo 2, vyznačujúce sa tým, že aspoň jeden uvedený vodič (2) tvorí aspoň jeden indukčný závit. ·
4. 4. Zariadenie podlá niektorého z predošlých nárokov, vyznačujúce sa tým, že vnútorná a/alebo vonkajšia vrstva (3,5) zahŕňa polovodičový materiál.
5. 5. Zariadenie podlá niektorého z predošlých nárokov, vyznačujúce sa tým, že vnútorná vrstva (3) a/alebo vonkajšia vrstva (5) má merný odpor v rozsahu 106 Q.cm až 100 kQ.cm, vhodne 10^-3 Ω.αη až 1000 Q.cm, výhodne 1 Ω.αη až 500 Q.cm.
6. 6. Zariadenie podľa niektorého z predošlých nárokov, vyznačujúce sa tým, že vnútorná vrstva (3) a/alebo vonkajšia vrstva (5) má odpor, ktorý v dĺžke vrstvy rovnej jednému metru spadá do rozsahu 50 μΩ3Ζ 5 ΜΩ.
7. 7. Zariadenie podlá niektorého z vyznačujúce sa tým, že vnútorná vrstva (3) a/alebo vonkajšia polymérnym materiálom· predošlých nárokov, tuhá izolácia (4) a vrstva (5) sú tvorené
8. 8. Zariadenie podlá niektorého z predošlých nárokov, vyznačujúce sa tým, že vnútorná vrstva (3) a/alebo vonkajšia vrstva (5) a tuhá izolácia (4) sú navzájom pevne spojené v podstate po celých svojich styčných plochách.
9. 9. Zariadenie podľa niektorého z predošlých nárokov, vyznačujúce sa tým, že vnútorná vrstva (3) a/alebo vonkajšia vrstva (5) a tuhá izolácia (4) sú 'tvorené materiálmi v podstate s rovnakým tepelným koeficientom rozťažnosti.
10. 10. Zariadenie podľa vyznačuj úce vytvorená vytlačením.

    niektorého z predošlých nárokov, tým, že tuhá izolácia (4) je
11. 11. Zariadenie podlá nároku 10, vyznačujúce sa tým, že vnútorná vrstva (3) a/alebo vonkajšia vrstva (5) je vytvorená vytlačením uskutočneným súčasne s vytlačením tuhej izolácie (4).
12. 12. Zariadenie podľa niektorého z predošlých nárokov, vyznačujúce sa tým, že vodič (2) a jeho izolačný systém tvorí vinutie tvorené pružným káblom (1).
13. 13. Zariadenie podľa nároku 12, vyznačujúce sa tým, že plocha aspoň jedného uvedeného elektrického vodiča kábla leží v rozsahu 2 až 3000 mm², pričom vonkajší priemer kábla je medzi 20 a 250 mm.
14. 14. Zariadenie podľa niektorého z predošlých nárokov, vyznačujúce sa tým, že vnútorná vrstva (3) a/alebo vonkajšia vrstva (5) zahŕňa polymérny materiál obsahujúci elektricky vodivé zložky.
15. 15. Zariadenie podľa niektorého z predošlých nárokov, vyznačujúce sa tým, že vnútorná vrstva (3) je v elektrickom kontakte s aspoň jedným elektrickým vodičom (2).
16. 16. Zariadenie podľa nároku 15, vyznačujúce sa tým, že aspoň jeden uvedený elektrický vodič (2) zahŕňa množinu prameňov, pričom aspoň jeden prameň elektrického vodiča (2) je aspoň čiastočne neizolovaný a uvedený do elektrického kontaktu s vnútornou vrstvou (3). '
17. 17. Zariadenie podľa niektorého z predošlých nárokov, vyznačujúce sa tým, že vo vnútri vnútornej vrstvy (3b) je usporiadaných niekoľko elektrických vodičov (2b), ktoré sú navzájom izolované.
18. 18. Zariadenie podlá nároku 17, vyznačujúce sa tým, že vnútorná vrstva (3a) podlá niektorého z predošlých nárokov je usporiadaná okolo každého elektrického vodiča z uvedenej množiny elektrických vodičov.
19. 19. Zariadenie podlá nároku 17, vyznačujúce sa tým, že sa vo vnútri vnútornej vrstvy (3b) nachádzajú dodatočné vrstvy (30) usporiadané okolo každého elektrického vodiča z uvedenej množiny elektrických vodičov (2b), pričom tieto dodatočné vrstvy (30) majú vlastnosti zodpovedajúce vlastnostiam vnútornej vrstvy.
20. 20. Zariadenie podľa niektorého z predošlých nárokov, vyznačujúce sa tým, že vodič (2) a jeho izolačný systém sú konštruované na vysoké napätie, vhodne napätie väčšie než 10 kV, najmä napätie nad 36 kV, a výhodne napätie väčšie než 72,5 kV.
21. 21. Zariadenie podlá ; niektorého z predošlých nárokov, v y z naduj ú 'c e sa t ý m, že vonkajšia vrstva (5) je rozdelená na množinu častí, ktoré sú oddelene spojené so zemou alebo s iným nízkym potenciálom.
22. 22. Zariadenie podlá niektorého z predošlých nárokov, vyznačujúce sa tým, že toto zariadenie je tvorené rotačným elektrickým strojom.
23. 23. Stroj podlá nároku 22, vyznačujúci sa tým, že jeho elektrický obvod na generovanie magnetického póla je usporiadaný v statore a/alebo rotore stroja.
24. 24. Stroj podía niektorého z nárokov 22 a 23, vyznačujúci sa t ý m, že elektrický obvod na generovanie magnetického póla zahŕňa jedno alebo viacero magnetických jadier (8), ktoré majú drážky (10) pre vinutie (1).
25. 25. Stroj podlá niektorého z nárokov 22 až 24, vyznačuj ú. ci sa tým, že v prípade spojenia vonkajšej vrstvy (5) so zemným potenciálom, elektrické pole stroja mimo vonkajšej vrstvy je blízke nule v drážkach (10) a v oblastiach čiel cievok.
26. 26. Stroj podlá niektorého z nárokov 22 až 25, vyznačujúci sa t ý m, že drážky (10) sú tvorené množinou valcovitých otvorov (12) oddelených strednou zúženou časťou (13) medzi valcovitými otvormi.
27. 27. Stroj podľa nároku 26, vyznačujúci sa tým, že sa prierez otvorov drážok (10) znižuje v smere od zadnej časti (8) magnetického jadra do vnútornej časti rotora stroja.
28. 28. Stroj podľa nároku 27, vyznačujúci sa tým, že sa prierez drážok (10) znižuje pretržite alebo nepretržite.
29. 29. Stroj podľa niektorého z nárokov 22 až '28, vyznačuj ú c i sa tým, že je tvorený generátorom, motorom alebo synchrónnym kompenzátorom.
30. 30. Stroj podľa nároku 29, vyznačujúci sa tým, že generátor je tvorený hydrogenerátorom alebo turbogenerátorom.
31. 31. Stroj podlá niektorého z nárokov 22 až 30, vyznačuj ú c i sa t ý m, že je priamo pripojený na energetickú sieť vysokého napätia, vhodne napätia 36 kV a viac, bez toho, aby sa musel použiť medzilahlý transformátor.
32. 32. Zariadenie podľa niektorého z nárokov 1 až 21, vyznačujúce sa t ý m, že je tvorený silovým transformátorom/reaktorom.
33. 33. Silový transformátor/reaktor podlá nároku 32, vyznačujúci sa tým, že zahŕňa magnetické jadro.
34. 34. Silový transformátor/reaktor podlá nároku 32 alebo 33, vyznačujúci sa tým, že je tvorený vzduchovým transformátorom/reaktorom, teda že je bez magnetického jadra.
35. 35. Silový transformátor/reaktor podlá niektorého z nárokov 32 až 34, zahŕňajúci aspoň dve galvanický oddelené vinutia, vyznačujúci sa tým, že vinutia (25,26,27) sú sústredne navinuté.
36. 36. Elektráreň vysokého napätia alebo energetická sieť vysokého napätia zahŕňajúca jedno alebo viac elektromagnetických zariadení podlá niektorého z nárokov 1 až 35.
37. 37. Spôsob regulácie elektrického póla v elektromagnetickom zariadení zahŕňajúcom obvod na generovanie magnetického poľa, pričom tento obvod má aspoň jedno vinutie (1) s aspoň jedným elektrickým vodičom (2) a elektrickou izoláciou (4) usporiadanou mimo elektrického vodiča (2), vyznačujúci sa tým, že izolácia (4) je tvorená tuhým izolačným materiálom a mimo izolácie (4) jé usporiadaná vonkajšia vrstva (5), ktorá je spojená so zemou alebo iným relatívne nízkym potenciálom a má elektrickú vodivosť, ktorá je vyššia než vodivosť izolácie (4), avšak nižšia než elektrická vodivosť elektrického vodiča (2) tak, že vonkajšia vrstva (5) je schopná vyrovnať potenciál a spôsobiť, že elektrické pole je v podstate uzavreté vo vinutí vo vnútri vonkajšej vrstvy (5), pričom vo vnútri tuhej izolácie (4) je usporiadaná vnútorná vrstva (3), vo vnútri ktorej sa nachádza aspoň jeden uvedený elektrický vodič (2), pričom vnútorná vrstva (3) má elektrickú vodivosť, ktorá je nižšia než elektrická vodivosť elektrického vodiča, avšak dostatočnú na to, aby vnútorná vrstva bola schopná vyrovnať elektrické pole mimo vnútornej vrstvy (3).
38. 38. Spôsob výroby magnetického obvodu pre rotačný elektrický stroj, pričom magnetický obvod je usporiadaný v statore a/alebo v rotore rotačného elektrického stroja a zahŕňa magnetické jadro (8), ktoré má drážky (10) pre vinutie, pričom tieto drážky sú tvorené drážkami s otvormi (12), vyznačujúci sa tým, že ako vinutie sa použije vysokonapäťový kábel (1) a tento vysokonapäťový kábel je zavedený do otvorov (12).
39. 39. Použitie kábla zahŕňajúceho aspoň jeden elektrický vodič (2) s izolačným systémom zahŕňajúcim aspoň dve potenciálové vrstvy a izoláciu usporiadanú medzi týmito vrstvami vyrobenú z tuhého elektricky izolačného materiálu, pričom potenciálové vrstvy a tuhá izolácia majú v podstate rovnaké tepelné vlastnosti ako vinutie na generovanie magnetického póla v elektromagnetickom zariadení.