SE515883C2 - Kraftkondensator, kondensatorbatteri samt användning av en eller flera kraftkondensatorer - Google Patents

Description

30 515 883 2 ring av elektrisk kraft är anordnad på ett visst avstånd från marken eller från punkter i omgivningen som elektriskt harjordpotential. Detta avstånd är bero- ende av spänningen hos ledningen. Kondensatorerna är därvid kopplade i serie från den första kondensatorn, vilken är ansluten till ledningen, och nedåt. En and- ra kondensator som är anordnad vid en motsatt den första kondensatorn belägen ände av kedjan av seriekopplade kondensatorer är ansluten till jordpotential eller till en punkt i det elektriska systemet som har nollpotential (ex. icke-jordade 3-fas system). Antalet kondensatorer och konstruktionen av dessa bestäms så att den tillåtna spänningen (märkspänningen) över de seriekopplade Kondensatorerna motsvarar spänningen hos ledningen. Ett flertal kondensatorer är därvid serie- kopplade och anordnade i stativ eller på plattformar som är isolerade från jord- potential. Ett sådant kondensatorbatteri innefattar således ett flertal olika kompo- nenter och är relativt materialkrävande. Det erfordras vidare en relativt robust konstruktion för att stativet/plattformen skall tåla yttre påverkan i form av vind, jordbävning etc. Det erfordras därmed ett omfattande arbete för att bygga upp ett sådant kondensatorbatteri. Detta problem är särskilt uttalat, då konden- satorbatteriet består av ett stort antal kondensatorer. Kondensatorbatteriet upptar dessutom en relativt stor markyta. ' Långa ledningar för växelspänning är induktiva och förbrukar reaktiv ef- fekt. Kondensatorbatterier för så kallad seriekompensering är därför anordnade med inbördes avstånd utmed en sådan ledning för generering av den erfordrade reaktiva effekten. Ett flertal kondensatorer är seriekopplade för kompensering av det induktiva spänningsfallet. Vid ett kondensatorbatteri för seriekompensering tar seriekopplingen av kondensatorer, till skillnad från ett shuntbatteri, vanligtvis en- bart upp en del av spänningen hos ledningen. De i Kondensatorbatteriet för serie- kompensering ingående kedjoma av seriekopplade kondensatorer är vidare an- ordnade i serie med ledningen som skall kompenseras.

Ett konventionellt kondensatorbatteri innefattar ett flertal kondensatorer.

En sådan kondensator innefattar i sin tur ett flertal kondensatorelement i form av kondensatorrullar. Kondensatorrullarna är hopplattade och staplade ovanpå var- andra, bildande en stapel på exempelvis 1 m. Ett mycket stort antal dielektrikum- filmer med mellanliggande metallskikt kommer att vara anordnade parallella ista- pelns höjdled. Då en över stapeln anbringad spänning ökar, kommer stapeln att komprimeras något i höjdled på grund av Coulomb-krafter, som verkar mellan 10 20 25 30 515 885 3 metallskikten. Vid en sänkning av spänningen kommer av samma orsak stapeln att expandera något i höjdled. Den bildade stapeln har en bestämd mekanisk re- sonansfrekvens, eller egenfrekvens, vilken är relativt låg. Den mekaniska reso- nansfrekvensen hos stapeln förstärks av specifika frekvenser hos strömmen, vil- ket kan resultera i ett kraftigt oljud. En sådan frekvens utgörs av nätfrekvensen, vilken definieras av strömmens grundton och är vanligtvis 50 Hz. Förstärkning av den mekaniska resonansfrekvensen kan emellertid även åstadkommas av över- toner hos strömmen.

Exempel på en kraftkondensator av detta kända slag beskrivs i US 5,475,272. Däri beskrivs således en högspänningskondensator uppbyggd av ett flertal kondensatorelement travade på varandra och placerade i en gemensam behållare. Behållaren är på konventionellt sätt gjord av metall. Dess elektriska ge- nomföringar är gjorda av porslin eller polymer. l skriften beskrivs olika alternativa kopplingar för sammankoppling av kondensatorelementen i serie eller parallellt.

Kondensatorbehàllare av cylindrisk form är vidare förut känt genom ex- empelvis EP 0 190 621, EP O 416 164 och EP 0 702 380. Ingen av dessa avser dock någon kraftkondensator för högspänning.

Redogörelse för uppfinningen Ett problem med en kondensator av känd typ, exempelvis av det slag som beskrivs i den ovan nämnda US 5,475,272, är att de ingående kondensato- relementen måste isoleras från behållaren. isolationen måste klara spännings- påkänningar betydligt högre än kondensatorns märkspänning. Man önskar fylla behållarvolymen så effektivt som möjligt med kondensatorelement. Deras yttre, tillplattade form är ogynnsam med avseende på elektrisk fältförstärkning på gnmd av utstickande folier, små radier etc. De måste också sammankopplas via intema kopplingsledare på ett sätt som ofta skapar ytterligare lokala ojämnheter i den elektriska fältbilden. Detta leder till stora elektriska hållfasthetskrav på isolationen mot behållaren. Om kondensatorn är av en typ som saknar säkringar kan kort- slutning mellan ett kondensatorelement och behållaren leda till att stora energier urladdas i felstället. Följden kan bli ett explosivt haveri med stora skador.

Ett yttertigare problem med en konventionell kraftkondensator är den ljud- alstring som uppkommer. Ljudalstringen blir kraftigast då de vibrationer som ge- nereras av den elektriska spänningsbelastningen sammanfaller med kondensa- 10 20 25 30 515 885 4 torns mekaniska resonansfrekvens. Resonansfrekvensen är proportionell mot kvadratroten ur kvoten mellan kondensatorpaketets styvhet vinkelrätt mot elek- trodskikten och omvänt proportionell mot paketets utsträckning vinkelrätt mot elektrodskikten. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en kraftkon- densator där ovan beskrivna problem bemästras. Detta ändamål har enligt upp- finningen ernàtts genom att en kraftkondensator av det i patentkravets 1 ingress angivna slaget innefattar de i kravets kännetecknande del angivna speciella sär- dragen.

Med bestämningen "i huvudsak cirkulär-cylindrisk" avses i patentkravet att elementets form kan ha en viss begränsad avvikelse från den cirkulär-cylind- riska. Formen kan således vara svagt elliptisk, t ex med en skillnad hos bränn- punktsradierna pà upp till 10 % eller ha en annan form som i motsvarande grad awiker från den 'rent cirkulära.

Kondensatorelement med en cirkulär-cylindrisk form och anslutnings- punkterna i vardera änden, dvs i anslutning till de cirkulärformade ändytorna, får en ur elektrisk synpunkt betydligt gynnsammare form än de konventionella platta element som beskrivs ovan. i Genom att behàllarens insida har en cirkulär-cylindrisk form motsvarande kondensatorelementens cylindriska form, så att behållaren nära omsluter konden- satorelementen, erhålls en kondensator som är så kompakt som möjligt och an- passad till en tillverkningsmässigt fördelaktig och elektriskt gynnsam form hos elementen. Vidare undviks onödigt mellanrum mellan behållare och kondensator- element.

Tack vare kondensatorelementens orientering relativt varandra erhålls dessutom en avsevärd minskning av ljudalstringen. Det totala måttet vinkelrätt mot elektrodskikten, dvs diametern, blir avsevärt mindre än motsvarande mått hos ett konventionellt kondensatorpaket. Detta ökar den mekaniska resonansfre- kvensen signifikant. Därmed kommer risken att vibrationerna från den elektriska spänningsbelastningen skall sammanfalla med resonansfrekvensen praktiskt ta- get att elimineras. Behovet av ljudreducerande eller ljuddämpande åtgärder mins- kar påtagligt, med stora kostnadsbesparingar som följd.

Genom att behållaren är utförd i ett elektriskt isolerande material elimine- ras behovet av isolering mellan kondensatorelementen och behållaren. Därmed 10 20 25 30 515 885 5 försvinner även risken för genomslag mellan kondensatorelementen och behålla- ren. Vidare kan kondensatorns elektriska anslutningar göras mycket enkla och erforderlig krypsträcka mellan dessa kan erhållas av behållaren i sig själv. Med eliminering av isolationen och genomföringarna blir kondensatorn även förhål- landevis kompakt så att möjligheten till uppbyggnad av kompakta kondensator- batterier, erbjuds.

Det är således möjligt att erhålla en krypsträcka som minst motsvarar be- hàllarens längd. Detta utgör en fördelaktig utföringsform av uppfinningen.

Lämpligtvis utförs behållaren av en polymer, företrädesvis av polyeten.

Dessa slag av material kombinerar god isolationsförmága med andra önskemål såsom hållfasthet, hanterbarhet och kostnad. Vid föredragna utföringsformer av den uppfunna kondensatorn är materialet således av nämnda slag.

Den uppfunna kondensatorns fördelar kommer till sin rätt framför allt då den innefattar ett flertal kondensatorelement kopplade i serie och med konden- satorns anslutningsterminaler anordnade i den cylindriska behållarens båda än- dar, varför detta utgör ytterligare en föredragen utföringsforrn av uppfinningen.

Något speciellt arrangemang för att få erforderlig krypsträcka mellan terrninalerna behövs därmed ej, eftersom behållaren i sig själv skapar detta. i Enligt ytterligare en föredragen utföringsform av uppfinningen är vardera anslutningsterminal utförd som en i behållaren infäst genomgående ledare, ex- empelvis i form av ett bleck. Med en sådan anslutningsterminal som blir synnerli- gen enkel och säker tillvaratas en fördelaktig möjlighet som erbjuds genom att behållarmaterialet är isolerande.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform är kondensatorelementen anordnade med en central axiell kanal genom vardera kondensatorelement. På detta sätt erhålls gynnsamma kylningsbetingelser för kondensatorns inre kylning. l en cylindrisk volym med homogen värmegenerering, och utan någon öppning i centrum, kommer temperaturprofilen i radiell led att öka kraftigt in mot centrum.

Om den cylindriska volymen anordnas så att värrnegenereringen ej skeri en cy- lindrisk delvolym i centrum av den totala volymen så kommer den maximala tem- peraturen i centrum att reduceras. Om därutöver någon form av forcerad kylning anordnas iden cylindriska delvolymen i centrum så reduceras den maximala temperaturen yttenigare. Att anordna delvolymen i centrum som en genomgåenf de kanal är en ur kostnads- och volymsynpunkt fördelaktig utförandeform av upp- a 20 25 30 515 885 6 finningen, emedan den totala kondensatorns ytterrnått ökar relativt lite jämfört med måtten på kanalen i centrum.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform av uppfinningen är åtmins- tone något kondensatorelement uppdelat i ett flertal subelement anordnade kon- centriskt relativt varandra, varvid, hos radiellt intilliggande subelement, det yttre subelementet har en central genomgående kanal med en i huvudsak cirkulär- cylindrisk form som nära omsluter det inre subelementet. Detta kan vid vissa ap- plikationer vara ett praktiskt sätt att åstadkomma en kondensator som optimalt utnyttjar ianspråktaget utrymme. Lämpligtvis är subelementen i ett kondensato- relement kopplade i serie.

Det föredras därvid att antalet subelement är udda, vilket underlättar hopkopplingen av dem.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform av uppfinningen är varje kondensatorelement utfört på i och för sig känt sätt med en hoprullad metallbe- lagd polymerfilm. Denna är därvid kompaktrullad så att mellanrum att fylla med olja elimineras. Om metallbeläggningen görs tillräckligt tunn erbjuder tekniken med metalliserad film möjligheten att erhålla en s.k. "självläkande kondensator".

Det betyder att vid ett elektriskt genomslag i en punkt på filmen förångas metallen närmast felstället genom en kraftig men kortvarig urladdningsström som vill pas- sera kortslutningen. När metallen närmast felet föràngats återfås den elektriska hållfastheten i området och kondensatorelementet har därmed "självläkt". De för- delar som tekniken med metalliserad film medför tillgodogörs på ett speciellt gynnsamt sätt i en kondensator enligt uppfinningen, och bidrarytterligare till att skapa en kompakt, enkel, säker och tillverkningsenkel kondensator. Den ökade styvheten vinkelrätt mot elektrodskikten ökar vid detta utförande, vilket höjer re- sonansfrekvensen och därmed reducerar ljudalstringen.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsforrn av uppfinningen utformas metallbeläggningen på ett sådant sätt att element med inre seriekopplade del- kondensatorer bildas. Tekniken kallas "element med inre seriekoppling" och âri sig känd. Utföringsformen är uppenbart fördelaktig för kondensatorer för hög- spänning eftersom antalet seriekopplingar av element kan reduceras. Utförings- formen är dock speciellt fördelaktig för att nyttja ovannämnda teknik för självläk- ning i kraftkondensatorer för höga driftspänningar. Eftersom fungerande självläk-' ning kräver speciellt tunn metallbeläggning och de strömmar som flyter genom 20 25 30 515 883 7 metallen genererar aktiv förlusteffekt (värme) så betyder tunnare skikt högre för- luster. Ett sätt att reducera förlusterna utan att kompromissa med kravet på tunn metallbeläggníng är att välja en form på den metallbelagda fiimen, och därmed en form på elementet, så att metallbeläggningens mått vinkelrätt mot ihoprullnings- riktningen minskas och längden på rullen ökas. Konsekvensen av detta blir, om inte inre seriekoppling tillgrips, att de cylindriska elementen får en relativt liten höjd iförhållande diametern. Att seriekoppla många sådana element, vilket krävs för högspänning, blir kostnadsmässigt ofördelaktigt. Med inre seriekopplingar kan alltså fleraj seriekopplade delelement automatiskt byggas in i ett cylinderformat element enligt uppfinningen med ur tillverkningssynpunkt optimal relation mellan höjd och diameter, och med goda självläkande egenskaper. _ Enligt ytterligare en föredragen utföringsform är kondensatorn torr, det vill säga utan olja. Därmed tillvaratas en fördel som erbjuds med en kondensator där behållaren är av isolerande material, nämligen att man ej behöver innesluta kon- densatorelementen i olja såsom normalt är nödvändigt vid konventionell konden- sator. Med en oljefri kondensator elimineras brand- och läckagerisker. Detta bi- drar ytterligare till möjligheten att åstadkomma kompakta och materialbesparande anläggningar, eftersom kondensatorerna kan anordnas närmare känslig kringut- rustning än eljest.

Vid utförandet med en torr kondensator kan det vara lämpligt att omsluta kondensatorelementen med en gel, vilket utgör ännu en föredragen utföringsforrn av uppfinningen.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform av uppfinningen är behålla- ren åtminstone vid sin ena ände försedd med mekaniskt anslutningsorgan för di- rekt förbindning med ett motsvarande mekaniskt anslutningsorgan hos en intillig- gande kraftkondensator. Tack vare att behållaren är av isolerande material kan kraftkondensatorema monteras samman utan mellanliggande isolatorer, och sta- tiv blir därmed överflödigt. Genom anordnandet av de mekaniska anslutningsor- ganen utnyttjas de fördelar som därmed erbjuds så att kondensatorerna direkt kan sammankopplas mekaniskt i en stapel. Detta är speciellt värdefullt vid upp- byggnad av ett kondensatorbatteri. Ett sådant blir då mycket kompakt och flexi- belt.

Vid en speciellt föredragen utföringsform utgörs därvid det mekaniska anslutningsorganet av kraftkondensatoms elektriska anslutningsterminal, varvid 10 20 25 30 515 883 8 en synnerligen enkel och kompakt sammanfogning av kraftkondensatorerna er- hålls. Den elektriska anslutningsterminalen utformas således som en mekanisk kopplingspunkt, exempelvis ett skruvförband. Andra ekvívalenta förband såsom bajonettförband, klämförband, nitförband, svetsförband etc kan naturligtvis tilläm- pas. i Vid ytterligare en utföringsform är behållaren på sin utsida försedd med krypströmsförlängande utsprång, exempelvis flänsar, i syfte att öka krypsträckan där så behövs.

Ovan angivna och andra föredragna utföringsformer av den uppfunna kondensatorn anges i de av kravet 1 beroende patentkraven.

Genom det kondensatorbatteri som anges i patentkravet 20 tillgodogörs fördelar av motsvarande slag som angivits ovan för den uppfunna kraftkondensa- torn och föredragna utföringsformer av densamma.

Vid en föredragen utföringsforrn av det uppfunna kondensatorbatteriet ut- görs kondensatorernas isolering från varandra uteslutande av vardera konden- sators behållare. Uteslutande skall här tolkas som att inget ytterligare speciellt isolermaterial anordnas. Förekommande luftavstànd utesluts naturligtvis ej. Ett batteri således uppbyggt tar på ett gynnsamt sätt tillvara fördelar som erbjuds i med den uppfunna kraftkondensatom och som möjliggör att batteriets konden- satorer kan sammanfogas utan mellanliggande isolatorer. Batteriet blir dänned mycket kompakt och flexibelt.

Speciellt fördelaktigt är därvid att utnyttja möjligheten att kondensatorema kan staplas axiellt pà varandra för uppnående av kompakthet.

Ovan angivna och andra fördelaktiga utföringsfonner av det uppfunna kondensatorbatteriet anges i de av krav 20beroende patentkraven.

Användningen av den uppfunna kraftkondensatom i en elkraftsanlägg- ning såsom anges i patentkravet 24 innebär att man tillvaratar kraftkondensatoms fördelar i anläggningen. I en sådan kan således åstadkommas att man får mycket kompakta komponenter och därmed avsevärt kan reducera utrymmesbehovet.

Vidare minskar ljudalstringen avsevärt. Uppbyggnaden av kraftkondensatorema underlättar dessutom deras installation. Kondensatorema kan enkelt hängas upp i en stativanordning. Tåligheten mot jordbävningar och liknande hårdhänt yttre påverkan ökar därigenom påtagligt. Speciellt accentuerade blir dessa fördelar i ' 10 20 25 30 515 885 9 vissa specifika sammanhang, som därmed utgör föredragna utföringsfonner av den uppfunna användningen.

Sålunda utgör användning av den uppfunna kraftkondensatorn för överfö- ring av aktiv eller reaktiv effekt till ett likströms- eller växelströmsnät en föredra- gen utföringsforrn. Generering av reaktiv effekt bör göras så nära förbruknings- ställena som möjligt för att undvika att den reaktiva effekten màste överföras långa sträckor via kablar och ledningar. Kondensator är här ett mera flexibelt al- ternativ än generering fràn synkronmaskin. Den kompakta kraftkondensatorn en- ligt uppfinningen ökar möjligheten till flexibilitet och minskar de ekonomiska, prak- tiska och tekniska begränsningarna vad det gäller önskemålet om placering så nära förbrukare som möjligt. Således kan man med kraftkondensatorn enligt upp- finningen direktkompensera även förhållandevis små maskiner utan att en sådan lösning blir oekonomisk. Även vid större kondensatorbatterier för ojämna laster, där man har automatisk tyristorswrning, fås en ökad möjlighet till flexibilitet och kompakthet. Därmed utvidgas tekniskt-ekonomiskt området där sådana kan sät- tas in.

En ytterligare föredragen användning är som kopplingskondensator för överföring av högfrekventa signaler via elektriska kraftledningar, tex bärfrekvens- överföring av telefoni. På stamlinjenätet förekommer normalt bärfrekvensförbin- delse pà varje sektion av en ledning. Viktigt är att erhålla samband mellan led- ningsskydden i ledningarnas båda ändar. Lämpliga frekvenser liggeri Iångvågs- bandet (36 - 450 kHz). De lägre frekvenserna reserveras för långa ledningar ef- tersom signaldämpningen ökar med frekvensen. I Sverige används normalt två- fasig anslutning till ledningen med hjälp av kopplingskondensatorer eller konden- satorspänningstransformatorer. Innanför kopplingspunkten insätts spärrari hu- vudströmkretsen, vilka skall tåla såväl ledningens belastningsström som kortslut- ningsström. De skall spärra det frekvensband som används för förbindelserna på ledningen. Endast ett modulerat sidband används för förbindelsen. Bärvågen lik- som ena sidbandet undertrycks. Med en kraftkondensator enligt uppfinningen ökar förutsättningarna för att utnyttja kraftledningsnätet för telefoni. Ännu en föredragen användning är att utnyttja den uppfunna kraftkonden- satorn i en kondensatorspänningsdelare i en kondensatorspänningstransforma- tor. Med den kompakthet och enkelhet som erhålls med den uppfunna kraftkon- ' 10 20 25 30 515 885 10 densatom ökar tillämpningsområdet för att använda kondensatorn för spännings- transformering.

Enligt ytterligare en föredragen användning utnyttjas en eller flera kraft- kondensatorer enligt uppfinningen som en spänningsstyv strömriktare/omriktare.

Ett viktigt tillämpningsområde för en sådan är vid högspänd likströmsöverföring (HVDC). Länge har sådan överföring nästan uteslutande använts för att överföra mycket höga effekter över långa avstånd. Nyligen har emellertid spänningsstyva omriktare kommit till användning för HVDC. Detta, tillsammans med utnyttjande av metalloxidhalvledare i stället för tyristorventiler, har lett fram till en utökning av det ekonomiskt rimliga området för HVDC-överföring ner till enstaka megawatt.

En kraftkondensator enligt uppfinningen bidrar, tack vare sina i sammanhanget fördelaktiga egenskaper såsom kompakthet, enkelhet och låg kostnad, till att yt- terligare öka tillämpningsområdet för HVDC-överföring och bidra till att det blir ett än mer konkurrenskraftigt alternativ till konventionell växelströmsöverföring och lokal generering i avlägset belägna samhällen. Med denna teknik öppnas även nya möjligheter att förbättra spänningskvaliteten i växelströmsnät. Den minskade ljudnivån med en kondensator enligt uppfinningen är speciellt betydelsefull vid denna applikation på grund av förekomsten av elektriska övertoner. v Enligt ytterligare en föredragen användning av den uppfunna kraftkon- densatorn utnyttjas den i en strömstyv strömriktare/omriktare. Viktiga tillämpning- ar av en sådan är som nätkommuterad strömriktare för HVDC, motordrift som ofta är sexpulsbaserad och elektrolyslikriktare då man ofta har två sexpulslikrikta- re parallellkopplade. l dessa sammanhang är den uppfunna kraftkondensatoms egenskaper att vara kompakt, flexibel, tålig och med låg ljudnivå av stor betydel- se. _ Ytterligare en föredragen utföringsform av uppfinningen utgör användning av den uppfunna kraftkondensatorn i ett batteri i ett AC-filter eller ett DC-filter. Vid en sådan tillämpning är det angeläget med seriekopplade kondensatorer. Vidare är det ofta önskvärt med en stor installerad kondensatoreffekt för god tillverk- ningskvalitet. Den uppfunna kraftkondensatorn är tack vare sin kompakta upp- byggnad och sin goda anpassning för seriekopplingsarrangemang synnerligen väl lämpad att användas vid dylik filtrering. Den medger även stor flexibilitet för optimal avstämning. i 10 20 25 30 515 883 11 Vid en föredragen utföringsform av användningen i ett filter är filtret av- stämt. Vid en sàdan tillämpning är de ovan angivna fördelarna av speciellt intres- se.

En annan föredragen användning av kraftkondensatom enligt uppfinning- en är som seriekondensatori en seriekompenserad kondensatoranläggning. Även det är en tillämpning där den uppfunna kraftkondensatorns egenskaper är speciellt fördelaktiga.

Uppfinningen förklaras närmare genom efterföljande detaljerade beskriv- ning av fördelaktiga utföringsformer av densamma under hänvisning till medföl- jande figurer.

Kort beskrivning av figurerna Figur 1 är en schematisk perpektiwy av en kondensator enligt en första ut- föringsform av uppfinningen Figur 2 visar en detalj av figur 1 .

Figur 3 är en graf illustrerande värmeutvecklingen i ett kondensatorelement i en kondensator enligt uppfinningen.

Figur 4 är ett förstorat radiellt delsnitt genom detaljen i figur 2 .

Figur 4a är ett snitt motsvarande fig. 4, men illustrerande en alternativ utfö- ringsform.

Figur 4b är ett snitt motsvarande figur 4, men illustrerande ytterligare en al- ternativ utföringsforrn.

Figur 5 är ett längdsnitt genom ett kondensatorelement enligt en alternativ utföringsform.

Figur 6 visar tvà sammankopplade kondensatorelement enligt figur 5.

Figur 7 är en schematisk sidovy av en kondensator enligt en andra utfö- ringsforrn av uppfinningen.

Figur 8 illustrerar en detalj vid en utföringsform av den uppfunna konden- satom.

Figur 9 illustrerar en stapel av kondensatorer enligt uppfinningen.

Figur 10 visar en del av ett kondensatorbatteri uppbyggt av kondensatorer enligt uppfinningen.

Figur 11 är en perspektivvy av en elkraftanläggning med konventionellt kon-' densatorbatteri. 10 20 25 30 515 883 12 Figur 12 är en vy motsvarande fig. 11 med ett kondensatorbatteri enligt upp- finningen.

Figur 13-20 illustrerar olika användningsexempel av den uppfunna kraftkonden- satorn.

Redogörelse för fördelaktiga utföringsformer av uppfinninqen I figur 1 visas den principiella utformningen av en kondensator enligt upp- finningen. Den består av en yttre behållare 1 av polyeten som omsluter i detta fall fyra stycken kondensatorelement 2a - 2d. Behållaren 1, liksom kondensatorele- menten 2a - 2d är cirkulär-cylindriska. Kondensatorelementen 2a - 2d är serie- kopplade. I vardera ände av kondensatorn är en anslutningsterrninal 3, 4 anord- nad. Vardera terminal består av ett ledande bleck som är infäst i behållargodset och sträcker sig genom detta. Mellan kondensatorelementen 2a - 2d och behålla- ren är en gel 10 anordnad. Gelen tjänar somelektrisk isolation och termisk ledare.

I figur 2 visas ett enskilt kondensatorelement. Detta består av metallbe- lagda polymerfilmer hårt hoprullade till en rulle. Kondensatorelementet 2 har ett centralt axiellt genomgående hål 6 som kan användas för kylning av elementet.

Typiska dimensioner för ett sådant kondensatorelement är en diameter på 100 - 300 mm, en håldiameter på 20 - 90 mm, företrädesvis minst 30 mm och en höjd på 50 - 800 mm. Ett sådant kondensatorelement är avsett för en spänning på ca 1 - 15 kV. Ett kondensatorelement med en diameter på exempelvis 200 mm, en håldiameter på 60 mm och en höjd på 150 mm är avsett för en spänning på ca 4 - 10 kV. Med fyra sådana kopplade i serie, såsomli figur 1, fås således upp till 40 kV. Med åtta stycken fås 80 kV etc. v I kondensatorelementet 2 uppstår värmeförluster med inre uppvärmning av elementet som följd. Maxtemperaturen är kritisk för den elektriska dimensione- ringen. Högre temperatur framtvingar lägre påkänning som leder till lägre effekt per volymenhet, det vill säga det har en stor inverkan på materialåtgång och kost- nad. l en cylindrisk volym med homogen värmegenerering, och utan någon öpp- ning i centrum, kommer temperaturprofilen i radiell led att få ett asymptotiskt ut- seende enligt streckad kurva i figur 3. Om kondensatorelementet är utformat med en öppning i centrum 6 med radien Ri blir temperaturprofilen i enlighet med den heldragna kurvan i figur 3. Vidare möjliggörs forcerad kylning vid behov. Den er- " hållna temperaturprofilen blir då enligt den prickade kurvan i figur 3. Centmm- 10 20 25 30 öppningen 6 i vardera kondensatorelement 2 kan också utnyttjas för centrering av kondensatorelementen. Därvid träs kondensatorelementen upp pà ett centre- ringsrör som löper genom samtliga kondensatorelement. l figur 4 visas i ett förstorat radiellt delsnitt genom kondensatorelement i figur 2. Delsnittet visar två intilliggande varv av den metallbelagda filmen, Filmen 8a resp 8b är ca 10 um tjock och materialet är polypropylen. Metallskiktet 9a, 9b är ca 10 nm tjock och utgörs av aluminium eller zink eller en blandning av dessa som före hoprullningen ångats på polypropylenfilmen. Med en dylik metalliserad film kan man gå upp till en elektrisk pàkänning, E i storleksordningen 250 V/pm.

Tekniken att framställa ett kondensatorelement på detta sätt är i sig förut känd, varför en närmare detaljerad beskrivning torde vara överflödig. Alternativt kan kondensatorelementen byggas upp med filmfolieteknik där propylenfilm och alu- miniumfolie rullas ihop. Att använda metalliserad fllm har dock fördelen av att va- ra självläkande och medger högre elektrisk påkänning och högre energidensitet än med filmfolietekniken.

Metallskiktet täcker plastfilmen från dess ena sidokant fram till ett kort stycke från dess andra sidokant. Ett randområde 16a av filmen 8a är således utan metallbeläggning. Pà motsvarande sätt är ett randområde 16b av filmen Bb utan metallbeläggning. Det fria randområdet 16b hos filmen 8b är dock vid mot- satt ändkant än den hos filmen 8a. Elektrisk anslutning för skikt 9a erhålls ifigu- ren sett vid övre änden av elementet och vid undre änden för skikt 9b, så att man àt ena hållet för pluselektrod och àt det andra minuselektrod. För effektiv elektrisk kontakt kan ändpartierna vara zinksprayade.

Vid det modifierade utförandet enligt fig. 4a är kondensatorelementet ut- fört med så kallad inre seriekoppling. Här är metallskiktet 9a, 9b på vardera plast- film 8a, 8b uppdelad itvä partier 9a', 9a", resp9b', 9b", åtskilda av en obelagd del 17a, resp 17b. Det är även möjligt att dela upp metallskikten i flera partier än två.

Vardera par av metallskiktspartier, tex 9a' och 9b', bildar ett delkondensatorele- ment. vilka är seriekopplade. l figur 4b visas en variant av det modifierade uförandet där metallskiktet 9a pà endast den ena plastfilmen 8a är uppdelad i två partier 9a', 9a" åtskilda av en obelagd del 17a medan metallskiktet 9b pä den andra plastfilmen 8b är odelat.

Vardera av partierna 9a' och 9a" sträcker sig ända ut till filmens 8a kant så att den elektriska anslutningen i detta fall sker till en och samma film 8a. Metallskik- 20 25 30 515 885 14 tet 9b på den andra plastfilmen slutar på båda sidorna ett stycke 16a, 16b från filmens kant och är således ej elektriskt ansluten, åt något håll.

I fig. 5 visas i ett längdsnitt ett alternativt utförande av ett kondensator- element 2' enligt uppfinningen. Kondensatorelementet är uppdelat i tre subele- ment 201, 202, 203, vilka är koncentriska med den gemensamma axeln beteck- nad A. Det yttersta subelement 201 är i det närmaste rörformigt med en insida 204 som med ett litet avstànd omsluter det mellersta subelementet 202. Pà lik- nande sätt har det mellersta subelementet en insida 205 som nära omsluter det innersta subelementet 203. Det innersta subelementet 203 har en central genom- gående kanal 206. De tre subelementen har olika radiell tjocklek, med den minsta tjockleken hos den yttersta. På det sättet har de i huvudsak samma kapacitans.

Mellan subelementen är isolation 207 anordnad.

Subelementen är kopplade i serie. Två radiellt intilliggande subelement har sin respektive ena kopplingspunkt vid samma ände. Således är det yttersta subelement 201 medelst kopplingsorganet 210 anslutet till det mellersta subele- ment 202 vid kondensatorelementets 2' ena ände, och det mellersta subelemen- tet 202 är medelst kopplingsorganet 211 anslutet till det innersta subelementet 203 vid kondensatorelementets 2' andra ände. På det sättet erhålls att anslut- i ningarna 212, 213 för kondensatorelementet 2' förläggs till varsin ände av detta.

Om antalet subelement är större än tre, t ex fem eller sju, så fortsätter man att växelvis koppla samman kopplingspunkterna i subelementens ändar på samma sätt.

I fig. 6 illustreras hur ett flertal kondensatorelement av det i fig. 5 visade slaget kopplas samman i serie. Figuren visar två sådana kondensatorelement 2'a, 2'b. Det undre kondensatorelementets 2'b anslutning 212 vid det inre subele- mentets 203 övre ände är kopplad till det övre kondensatorelementets 2'a anslut- ning 213 vid det yttre subelementets 201 nedre ände. Mellan kondensatorele- menten är isolation 214 anordnad för att klara de potentialskillnader som upp- kommer vid detta slag av kondensatorelement.

I figur 7 visas en altemativ utföringsfonn där behållaren 1' på sin utsida är försedd med rillor 11, vilka utgör krypströmsförlängande utspràng.

Figur 8 visar den övre änden av behållaren 1a till en kondensator enligt uppfinningen. Denna är förbunden med nederdelen till en likadan kondensator 1b medelst mekaniskt anslutningsorgan 13 och ett komplementärt anslutningsorgan 10 20 25 30 515 883 15 14 på den övre kondensatorn. Anslutningsorganen 13 och 14 är av metall och elektriskt förbundna med respektive elektrisk anslutningsterminal 3, 4 ( se fig. 1).

Anslutningsorganen är dimensionerade för att på ett stabilt sätt kunna bygga upp en stapel av kondensatorer utan att några andra stativelement erfordras. De båda anslutningsorganen är fästa vid varandra medelst ett antal skruvar 15.

I figur 9 visas hur en stapel av kondensatorer 1a - 1d således kan sam- mansättas.

I figur 10 illustreras hur ett flertal kondensatorer med cylindriska behållare 1, enligt uppfinningen är sammankopplade i ett kondensatorbatteri 12. På mot- svarande sätt kan ett flertal staplar av kondensatorer i enlighet med fig. 9 vara sammankopplade. Batteriet kan vidare innefatta ett flertal sådana rader av kon- densatorer.

Fig. 11 och 12 illustrerar en jämförelse mellan en anläggning med ett konventionellt kondensatorbatteri och en liknande anläggning med ett konden- satorbatteri enligt uppfinningen. Det konventionella utförande illustreras i fig. 11, där i en containerliknande byggnad 100 med ett kondensatorbatteri uppbyggt av konventionella kraftkondensatorer 102, ventilstackar 103 med tyristorer 104 och med kabelgenomföringar 105. '_ Motsvarande anläggning försedd med ett kondensatorbatteri 111 med kraftkondensatorer 112 enligt uppfinningen illustreras i fig. 12. I övrigt är anlägg- ningens ventilstackar 113 med tyristorer 114 liksom även kabelgenomföringarna 115 utförda pà liknande sätt som vid anläggningen i fig. 11. Kraftkondensatom 112 har formen av långsträckta rörcylindrar som hänger ner från en stativdel i byggnaden 110. Som framgår av figurema är utrymmesbehovet för kondensa- torbatteriet 111 avsevärt reducerat jämfört med det för kondensatorbatteriet 101 av konventionellt slag. Byggnaden kan därför utföras flera meter kortare vid en anläggningenligt uppfinningen. Den visade anläggningen är för en 150 kV- applikation. lfig. 13 visas ett nät till en förbrukaranläggning, försedd med kondensa- torbatterier för generering av reaktiv effekt på olika nivåer i nätet. Vardera kon- densatorbatteri är uppbyggt enligt de principer som visas i fig. 1 - 8. Batteriet 18 är anordnad för direktkompensering av ett enskilt objekt, i detta fall en motor 22.

Batteriet 19 är anordnat för gruppkompensering och genererar således reaktiv effekt till flera laster, motorerna 23 och 24. Detta kan vara lämpligt när flera små 10 20 25 30 515 885 16 maskiner har en gemensam utmatningspunkt och en jämn drift. Vid 20 visas ett kondensatorbatteri med automatisk styrning med tyristorer. Automatiken kopplar in och ur flera parallella kondensatorer i steg allt eftersom det reaktiva effektbe- hovet varierar. Även på högspänningssidan av nätet kan en kraftkondensator en- ligt uppfinningen utnyttjas. En sådan visas vid 21 i figuren.

I fig. 14 visas principen för transformering av spänning med hjälp av kon- densatoreri en så kallad kondensatorspänningstransforrnator. l vardera gren 25, 26 är ett kondensatorbatteri 27, 28 med kraftkondensatorer enligt uppfinningen anordnat så att de fungerar som spänningsdelare. På den utgående linjen erhålls en spänning, UU. som förhåller sig till den inkommande spänningen, Um, enligt sambandet Uui = _ _1_ __X Um 1 + Që C21 I fig. 15 visas principen för hur den uppfunna kraftkondensatorn används i en spänningsstyv strömriktare/omriktare. Figuren visar en fas av en sådan om- riktare med tillämpning av så kallad PWM-teknik (Pulse Width Modulation). Väx- elspänningen, UAC, bildas genom högfrekvent omkoppling mellan två fasta spän- ningar, UDC och Usw. Kretsens båda DC-kondensatorer 28, 29 är uppbyggda av en eller flera kraftkondensatorer enligt uppfinningen. Vardera gren 35, 36 är via en respektive IGBT-ventil 30, 31 (lnsulated Gate Bipolar Transistor) förbunden med AC-ledningen 34, till vilken ett filter 33 är anslutet. En IGBT-ventil innefattar en metalloxidhalvledare som kräver ett' minimum av styreffekt. l fig. 16 visas ett exempel på tillämpning av tekniken i fig. 15, varvid hu- vudkomponenterna i en överföringslänk av detta slag åskådliggörs. Anslutningen till kabel är anordnad i punktema 37, 38 och med 39, 40 markeras de båda DC- kondensatorerna försedda med kraftkondensatorer enligt uppfinningen. Övriga vitala komponenter är filtren 41, strömriktarreaktorerna 42 och strömriktarventi- Iema 43. l fig. 17 visas en brygga med transformatorlindningar för en strömstyv lik- riktare med två sexpulsgrupper 48, 49, där växelspänningarna har förskjutits 30° med en Y/D-koppling. lnduktorerna är tillräckligt stora för att hålla strömmen nå- gorlunda konstant, dvs strömstyv. Likströmmen kopplas mellan de olika faserna. 20 25 515 sas 17 l fig. 18. Visas hur den strömstyva likriktaren i fig. 17 är försedd med fil- terutrustning med kraftkondensatorer 50 - 53 enligt uppfinningen. I filtren 54 och 55 är kraftkondensatorerna avstämda med avstämbara reaktorer 57, 58 till serie- resonanskretsar. Filtret 56 är dubbelavstämt och innefattar reaktorer 59, 60 och resistorer 61, 62. Filterutrustningen filtrerar bort övertoner. Dessa cirkuleras inom strömriktarstationen både pà växelspänningssidan och likspänningssidan. lfigu- ren visas dock endast AC-filtret. Vidare genererar kraftkondensatorerna i filtren reaktiv effekt, vilket kompenserar den reaktiva effektförbrukningen som strömrik- taren introducerar med att fördröja strömmen. l fig. 19 illustreras schematiskt uppbyggnaden av ett avstämt filter med en reaktor 46 och ett kondensatorbatteri 47. Kondensatorbatteriet 47 är uppbyggt av seriekopplade kraftkondensatorer av det slag som beskrivits i föreliggande pa- tentansökan. Reaktor 46 och kondensatorbatteriet är i exemplet avstämda så att resonansfrekvensen mellan dem, dvs kompenseringskretsens avstämningsfre- kvens hamnar strax under den 5:e tonen.

I fig. 20 illustreras en strömriktare som är försedd med en seriekompen- serad kondensatoranläggning (ccc). Vardera kraftkondensatorbatteri 63, 64 är se- riekopplat i kommuteringskretsen mellan transforrnatorn 65 och ventilerna 66, 67.

Pâ grund av transformatorns induktans ändras ej strömmen momentant, utan det går åt en viss tid. Seriekondensatorn vrider spänningen och kompenserar därige- nom den reaktiva effekten. Anläggningen är vidare försedd med AC-filter 68 och DC-filter 69.

De ovan beskrivna elkraftsanläggningarna är endast exempel pà tillämp- ningar där den uppfunna kraftkondensatorn medför avsevärda fördelar. Det torde förstås att uppfinningen ej begränsas till debeskrivna exemplen.

Claims (32)

15 20 25 30 515 8 8 3 §II= iii; :få - 'Iï= - f*- 18 PATENTKRAV

1. Kraftkondensator för högspänning innefattande minst ett kondensato- relement (2a - 2d) inneslutet i en behållare (1 ), kännetecknad av att vardera kondensatorelement har en i huvudsak cirkulär-cylindrisk form och behållarens ( 1) insida har en motsvarande, i huvudsak cirkulär-cylindrisk form, sä att behålla- ren nära omsluter vardera kondensatorelement, varvid vardera kondensatorele- ment är orienterat med axialriktningen sammanfallande med behållarens (1) axi- alriktning, vilken behållare (1) är av elektriskt isolerande material och försedd med en elektrisk anslutningsterminal (3, 4) anordnad vid vardera änden av be- hàllaren (1 ), varvid behållaren själv utgör isolation mellan anslutningsterminaler- H8.

2. Kraftkondensator enligt patentkravet 1, kännetecknad av att behållaren är av en polymer, företrädesvis polyeten.

3. Kraftkondensator enligt patentkravet 1, kännetecknad av att kryp- sträckan mellan anslutningsterminalerna (3, 4) är minst lika med behållarens (1) längd.

4. Kraftkondensator enligt något av patentkraven 1 - 3, kännetecknad av att behållaren (1) innesluter ett eller flera seriekopplade kondensatorelement (2a - 2d).

5. Kraftkondensator enligt patentkravet 4, kännetecknad av att vardera an- slutningsterminal (3. 4) innefattar en i behållarmaterialet ingjuten infåst elektrisk ledare som sträcker sig från behållarens insida till dess utsida.

6. Kraftkondensator enligt något av patentkraven 1 - 5, kännetecknad av att vardera kondensatorelement (2a - 2d) har en central genomgående kanal (6) i axiell riktning, varvid elementens genomgående kanaler tillsammans formar en genomgående kanal mellan behållarens (1) båda ändar. 10 20 25 30 515 883 19

7. Kraftkondensator enligt patentkravet 6, kännetecknad av att nämnda genomgående kanal (6) har en diameter som är större än 30 mm.

8. Kraftkondensator enligt något av patentkraven 1 - 7, kännetecknad av att åtminstone något kondensatorelement (2') innefattar ett flertal subelement (201 - 203) anordnade koncentriskt relativt varandra, varvid hos radiellt intillig- gande subelement, det yttre subelementet har en central genomgående kanal med en i huvudsak cirkulär-cylindrisk form som nära omsluter det inre subele- mentet.

9. Kraftkondensator enligt patentkravet 8, kännetecknad av att antalet su- belement (201 - 203) i ett kondensatorelement (2') är udda och att dessa är kopplade i serie med varandra.

10. Kraftkondensator enligt något av patentkraven 1 - 9, kännetecknad av att åtminstone något kondensatorelement (2a - 2d) innefattar minst två ovanpå varandra liggande långsträckta band av metallbelagd (9) polymerfilm (8) som är hårt hoprullade i längsled, det vill säga med minsta möjliga spalt mellan filmvarë ven, och där metallbeläggningarna (9) utgör kondensatorelementets elektroder.

11. Kraftkondensator enligt patentkravet 10, kännetecknad av att nämnda' långsträckta band är utformade så att metallbeläggningen (9a', 9a", 9b', 9b") är anordnad i flera långsträckta områden med icke belagda områden (17a, 17b) däremellan och de metallbelagda omrádenas placering och bredd varieras växel- vis pà två närliggande band så att seriekopplade delkondensatorer bildas inom kondensatorelementet.

12. Kraftkondensator enligt patentkravet 11, kännetecknad av att minst tre seriekopplade delkondensatorer bildas inom vardera kondensatorelement.

13. Kraftkondensator enligt något av patentkraven 10 - 12, kännetecknad av att polymerfilmen (8) är av polypropylen och metallen (9) är aluminium och/eller zink. 20 25 30 515 885 20

14. Kraftkondensator enligt patentkravet 13, kännetecknad av att filmtjockle- ken är 1 - 15 pm, metallskiktets (9) tjocklek är 2 - 20 nm och att metallskiktet är anbragt genom förångning.

15. Kraftkondensator enligt något av patentkraven 1 - 14, kännetecknad av att den är en torr kondensator.

16. Kraftkondensator enligt något av patentkraven 1 - 15, kännetecknad av att en kondensatorelementen (2a - 2d) omslutande gel (10) är anordnad i behålla- fêfi.

17. Kraftkondensator enligt något av patentkraven 1 - 16, kännetecknad av att behållaren (1) åtminstone vid sin ena ände är försedd med mekaniskt anslut- ningsorgan (13) anordnat för direkt förbindning med ett motsvarande anslutnings- organ (14) hos en intilliggande kraftkondensator.

18. Kraftkondensator enligt patentkravet 17, kännetecknad av att det meka- niska anslutningsorganet är utformat som en elektrisk anslutningsterminal.

19. Kraftkondensator enligt något av patentkraven 1 - 18, kännetecknad av att behållarens (1' )utsida är försedd med krypströmsförlängande utsprång (11).

20. Kondensatorbatteri' (12) innefattande ett flertal kraftkondensatorer av nà- got av de i kraven 1 - 19 angivna slagen.

21. Kondensatorbatteri enligt patentkravet 20, kännetecknat av att konden- satoremas elektriska isolering fràn varandra uteslutande utgörs av vardera kon- densators behållare (1 ).

22. Kondensatorbatteri enligt något av patentkraven 20 - 21, kännetecknat av att batteriet innefattar ett flertal kraftkondensatorer, anordnade axiellt i linje med varandra, bildande en kondensatorstapel. 20 25 30 515 s ss i: fl 21

23. Kondensatorbatteri enligt patentkravet 22, kännetecknat av att kraftkon- densatorerna i stapeln är mekaniskt förbundna med varandra medelst i respekti- ve behàllares (1a - 1d) ände anordnad elektrisk anslutningsterminal.

24. Användning av en eller flera kraftkondensatorer enligt något av patent- kraven 1 - 19 som komponent i en elektrisk anläggning.

25. Användning av en eller flera kraftkondensatorer enligt något av patent- kraven 1 - 19 för överföring av aktiv eller reaktiv effekt till ett likströms- eller ett växelströmsnät.

26. Användning av en eller flera kraftkondensatorer enligt något av patent- kraven 1 - 19 i en kopplingskondensator för överföring av högfrekventa signaler via elektriska kraftledningar.

27. Användning av en eller flera kraftkondensatorer enligt något av patent- kraven 1 - 19 i en kondensatorspänningsdelare i en kondensatorspänningstrans- formator.

28. Användning av en eller flera kraftkondensatorer enligt något av patent- kraven 1 - 19 i en spänningsstyv strömriktare/omriktare.

29. Användning av en eller flera kraftkondensatorer enligt nàgot av patent- kraven 1 - 19 i en strömstyv strömriktare/omriktare

30. Användning av en eller flera kraftkondensatorer enligt nàgot av patent- kraven 1 - 19 i ett kondensatorbatteri i ett AC-filter elleri ett DC-filter.

31. Användning enligt patentkrav 30 där filtret är avstämt.

32. Användning av en eller flera kraftkondensatorer enligt nàgot av patent- kraven 1 - 19 i en seriekompenserad kondensatoranläggning.