SE510315C2 - Förfarande för effektreglering av en synkronmaskin samt synkronmaskin försedd med utrustning för effektreglering - Google Patents

Description

lO 15 20 25 30 35 510 315 statorströmgränsen och vid övermagnetiserad drift, där effektfaktorn är mindre än märkeffektfaktorn utgörs gränsen av rotorströmgränsen.

Om stator- eller rotorströmgränserna överskrids träder, vid hittills känd teknik, strömbegränsare in, om sådana är installerade och används, vilka minskar strömmarna genom att sänka magnetiseringen. Eftersom det tar viss tid innan skadliga temperaturer erhålls kan statorns respektive rotorströmbegränsarnas ingrepp fördröjas åtskilliga sekunder innan respektive ström sänks. Strömreduktionen àstadkoms genom att fältströmmen minskas, vilket får till följd att generatorns terminalspänning och reaktiva effektproduktion minskar. Konsekvensen för den del av systemet, som ligger i närheten av maskinen, blir då dels att den lokala reaktiva effektproduktionen minskar, dels att det blir svårare att importera effekt från angränsande delar av systemet, när spänningen sjunker.

Om transmissionsnätet inte kan överföra de effekter, som krävs vid rådande spänningar, finns risk att kraftsystemet utsätts för spänningskollaps. För att undvika detta är det fördelaktigt, om effekten kan produceras lokalt, nära lasten.

Om detta inte är möjligt, utan effekt måste överföras från andra delar av systemet, är det, som bekant, fördelaktigt om detta kan göras på så hög spänningsnivå som möjligt. När spänningen sjunker, minskar ledningars reaktiva effektproduktion (shuntkapacitanser). Lindningskopplare reglerar för att hålla spänningarna till lasterna konstanta, och därmed lasternas effekt konstanta. Om lasternas effekt- förbrukningar är konstanta och transmissionsspänningen är lägre än normalt innebär detta att strömmarna på ledningarna är högre, vilket gör att ledningarnas reaktiva effektförbrukning blir större (serieinduktanser), jfr Cigré broschyr 101, oktober 1995.

Om strömbegränsare träder i funktion för vissa syn- kronmaskiner på ett sätt som beskrivits ovan, kan detta i l0 15 20 25 30 35 510 315 många kraftsystem vara en indikation på att systemet närmar sig spänningskollaps.

Vid normala, i dag kända kraftsystem eller vid dess anläggningar sker energiomvandlingen vanligen i två steg med en s.k. step-up~transformator. Ofta är det olika leverantörer av den roterande synkronmaskinen och transformatorn och det finns således två huvudeffektshanterande magnetkretsar att modellera och skydda. Det är också väl känt att leverantörerna är försiktiga och konservativa i sina rekommendationer av inställningsvärden i begränsningsanordningarna, jfr. Cigré broschyr 101, oktober 1995, avsnitt 4.5.4., sid. 60. Det finns ett behov av koordinering och därmed en viss konfliktrisk vid dimensionering och skydd av generator och transformator.

Step-up-transformatorn innehåller ej något luftgap och är därmed känslig för mättning på grund av hög grundtonspänning eller geomagnetiska strömmar. Vidare förbrukar transformatorn en del av generatorns reaktiva effekt både vid normala och onormala driftfall. Huvuddelen av de aktiva förlusterna uppträder i armaturkretsens och step-up-transformatorns ledare, medan järnförlusterna är förhållandevis små i båda anordningarna. En komplikation är härvid att förlusterna normalt utvecklas på mellan- och högspänning, så att de är svårare att kyla bort än om de utvecklades på jordpotential.

Syftet med föreliggande uppfinning är att anvisa ett förfarande för effektreglering samt åstadkomma en synkronmaskin, försedd med utrustning för effektreglering, som gör det möjligt att undvika spänningskollaps i system innehållande synkronmaskiner av det aktuella slaget, dvs. att upprätthålla nära nominell terminalspänning även i situationer, då systemet närmar sig spänningskollaps.

Detta syfte uppnås med ett förfarande och en syn- kronmaskin av inledningsvis angivet slag med i patentkraven 1 respektive 10 angivna kännetecken.

Vid uppfinningen ändras sådeles dels utförandet av synkronmaskinen, så att de termiskt baserade stator- och 10 15 20 25 30 35 510 315 rotorströmgränserna skär varandra i kapabilitetsdiagrammet vid en effektfaktor som ligger avsevärt under märk- effektfaktorn, t.ex. vid effektfaktorn noll i kapabilitets- diagrammen, se fig. 2. Härigenom blir statorströmgrånsen begränsande vid övermagnetiserad drift. I samband med reaktiv effekt produktion är det en fördel att använda en, för direktanslutning till transmissionsnivå, utan step-up transformator, avsedd maskin. I stället för att i transformatorn förbruka en del av den reaktiva effekten, som maskinen producerar, kan den då sändas ut på nätet.

Med kabel menas i det följande högspända, isolerade elektriska ledare, innefattande en ledande kärna, bestående av ett antal kardeler av ledande material, såsom t ex koppar, ett kärnan omslutande inre halvledande skikt, ett det inre halvledande skiktet omslutande högspänningsisolationsskikt, och ett isolationsskiktet omslutande yttre halvledande skikt.

Genom kabelns utförande kan maskinens spänning höjas så att maskinen kan direktanslutas till kraftnätet på högre spänningsnivàer än konventionella maskiner.

Uppfinningens fördelar blir således speciellt framträdande i en maskin, lindad med en kabel av ovan angivet slag, särskilt kablar med en diameter i intervallet 20-200 mm och en ledningsarea i intervallet 80-3000 mmz. Sålunda utgör dylika applikationer av uppfinningen föredragna utföringsformer av densamma.

Att lyfta rotorströmgränsen har ett antal fördelar för en synkronmaskin. Sålunda möjliggör det direkt mätning av begränsande statortemperaturer. Detta är betydligt svårare om de begränsande temperaturerna är belägna i rotorn, då det är svårt att mäta eller på annat sätt kommunicera med ett roterande föremål. Vidare, genom att reglera ned aktiv effekt kan man producera mer reaktiv effekt. Detta är även möjligt med konventionell rotordimensionering, men man får mer MVAr per nedreglerad MW i denna utformning såsom framgår av kurvorna i figur 1 och 2. 10 15 20 25 30 35 *S10 315 Det finns dessutom ett antal ytterligare fördelar med att lyfta rotorströmgränsen, som är specifika för den aktuella typen av maskin. Tidskonstanterna för uppvärmning (och avsvalning) av statorn är stora jämfört med en konventionell maskin. Detta medför att maskinen, med konventionell statorströmbegränsare, kan köras överlastad under en längre tid än en konventionell maskin, utan att skadliga temperaturer uppnås. Denna förlängda tidsperiod kan utnyttjas för att vidta åtgärder för att antingen minska systemets behov av reaktiv effekt, eller öka den reaktiva effektproduktionen. Det är också lättare att forcera kylningen av maskinens stator. En maskin av denna typ har en verkningsgrad som är jämförbar med en konventionell maskins, dvs statorförlusterna är ungefär lika stora. Medan en konventionell maskin huvudsakligen har ledarförluster har denna typ av maskin mindre ledarförluster och mer järnförluster. I och med att järnförlusterna utvecklas på jordpotential är de lättare att kyla bort. Man kan t.ex. tänka sig att använda en kylmaskin för forcerad kylning i situationer med hög järntemperatur.

Med konventionell strömbegränsare kan den tidsperiod, som tidskonstanten för uppvärmning ger, utnyttjas till att dra ner den aktiva effekten för att på sá sätt möjliggöra en ökad reaktiv effektproduktion, vilket medför att behovet att nedreglera fältet minskar och, i bästa fall elimineras.

Med direkt temperaturmätning eller temperaturestimering (eller en kombination därav) kan vi övergå fràn att använda begreppet statorströmgrâns till att tala om statortemperaturgräns(er)_ I och med att det är statortemperaturen (i kritiska punkter), och inte statorströmmen, som är begränsande innebär detta ett antal fördelar. Man kan sålunda minska den allmänna tendensen att begränsaren ställs in konservativt, dá man känner den primära storheten och inte ett derivat. Med en konventionell strömbegränsare kan man inte ta hänsyn, till vilken temperatur maskinen har, då strömgränsen överskrids, dvs man lO 15 20 25 30 35 510 315 kan inte ta hänsyn till att maskinen t.ex. startades kort innan strömgränsen överskreds, eller att den kort innan var lågt belastad. Detta kan undvikas genom att använda statortemperaturgräns(er) i stället. Maskinens kylning dimensioneras så att statorn i kontinuerlig märkdrift inte överstiger en viss temperatur, làt oss kalla den märktemperatur. Denna temperatur är medvetet satt konservativt, dvs statorn (isolationen) klarar högre temperaturer under långa tider. Om vi känner temperaturen i de kritiska punkterna kan maskinen köras över märkdrift under förhållandevis långa tider.

Dimensioneringen av rotor med utpräglade poler (vattenkraftgeneratorer) vid synkronmaskinen enligt uppfinningen underlättas av att statorns innerdiameter kan göras större än på konventionell maskin pà grund av att statorlindningen utgörs av kabel, vars isolation tar större plats. Det är följaktligen möjligt att för denna typ av synkronmaskin utforma statorn enligt konventionella dimensioneringsförfaranden och endast ändra pä rotorutförandet så att rotorströmgränsen lyfts på önskat sätt.

För en synkronmaskin med luftkyld rotor med utpräglade poler kan t.ex. detta ske genom att utnyttja det extra utrymmet till att linda extravarv pà fältlindningen för att på så sätt öka den magnetiska polspänningen. En viss andel av varven i fältlindningen utgörs då av kylvarv, som ökar fältlindningens kylda yta. Om extravarven utförs med samma andel kylvarv som de övriga varven kommer temperaturstegringen i fältlindningen att hållas på samma nivå som vid ett konventionell dimensioneringsförfarande, trots att den magnetiska polspänningen höjs.

För en synkronmaskin med cylindrisk rotor (turborotor) kan rotorströmgränsen höjas genom att t ex göra maskinen längre.

Uppfinningen kommer nu att förklaras närmare med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka 10 15 20 25 30 35 510 315 7 figurerna 1 och 2 visar kapabilitetsdiagram för övermagnetiserad synkronmaskin vid konventionell dimensio- nering respektive vid utförandet enligt uppfinningen, figur 3 visar i tvärsnitt den kabel som används för statorlindningen i synkronmaskinen enligt uppfinningen, figur 4 och 5 visar två utföringsexempel på en temperaturestimator vid synkronmaskinen enligt uppfinningen, fig. 6 visar ett exempel för realisering av en temperaturövervakningskrets som avger en utsignal för vidare reglering, och fig. 7 - 9 visar olika kretsar för reglering av synkronmaskinen enligt uppfinningen.

Figur 3 visar en tvärsnittsvy av en kabel, som används vid föreliggande uppfinning. Kabeln innefattar en, av ett antal kardeler 2 bestående ledare med cirkulärt tvärsnitt, exempelvis av koppar. Denna ledare är anordnad i mitten av kabeln 1 och runt ledaren finns ett första halvledande skikt 3. Runt det första halvledande skiktet 3 finns ett isolationsskikt, t.ex. PEX-isolation. Runt isolationsskiktet finns vidare ett andra halvledande skikt 5 som normalt är jordat.

Såsom nämnts ovan är statorströmgränsen termiskt begränsande vid föreliggande uppfinning. I första hand är det I fallet med en kabel med PEX-isolation gäller att temperaturen på skiktet mellan isolationen 4, som sätter gränsen. kabelns ledare och isolationen inte bör överstiga 90°C, vilket är maximala temperaturen vid märkdrift och normal förläggning i t ex jord, dvs. isolationen tål denna temperatur flera timmar och kortvarigt kan denna temperatur överskridas något. Temperaturen på ytskiktet mellan isolationen och järnet i statorn bör inte överskrida en temperaturgräns av typiskt 55°C, dvs. temperaturskillnaden över isolationen blir åtminstone 35°C.

En synkronmaskin enligt uppfinningen kan vara di- mensionerad för en temperatur i ledaren av 70-80°C och en järntemperatur på 40-50°C vid märkdrift. Dessa temperaturer lO 15 20 25 30 35 510 315 är starkt beroende av kylmedietemperaturen. För att sänka denna kan en kylmaskin användas, vilken emellertid i normal drift påverkar verkningsgraden negativt. Däremot kan det vara befogat att inkoppla den i en nödsituation, varvid man dock måste beakta att den kan ha förhållandevis lång starttid.

För att på maximalt sätt utnyttja den termiska trögheten i statorn vid synkronmaskinen enligt uppfinningen är det önskvärt att omgivande ledar- och järntemperaturer bestäms i den för uppvärmning mest kritiska delen av isolationen. Detta kan ske genom direkt mätning med mätorgan eller med en temperaturestimator av i figur 4 visat slag. Man kan även kombinera temperaturmätning och temperaturestimering enligt figur 5.

I figur 4 representeras förluster i ledare, orsakade av statorströmmen och således beroende pà maskinens belastning av en strömkälla Pm, och järnförlusterna, orsakade av flödet (spänningen), som är mer eller mindre konstant, obereoende av belastningen av en strömkälla Pm. Kylmedietemperaturen representeras av spänningskällan TH. Rkæ representerar termisk resistans för kylrör och silikonfyllning, Rmo termisk resistans för isolationen och CE, CEO och Cu,den termiska kapacitansen för ledare, isolation och järn. TH i punkten 50 representerar temperaturen i järnkärnan, Tu i punkten 54 representerar temperaturen i ledaren och TBC i punkten 52 isolationens medeltemperaturen. Den i figur 4 visade modellen är kalibreringsbar genom jämförelse av TN med direkt uppmätt järntemperatur. Temperaturen TM är förhållandevis svär och dyr att mäta direkt eftersom ledaren normalt ligger på hög potential.

Den i figur 4 visade modellen kan även förfinas genom att värmeresistansen mellan ledare och järn uppdelas i flera seriekopplade resistanser, vilket skulle motsvara olika radier på isolationen. Genom att lägga en kapacitans från en punkt mellan varje, på varandra följande resistans och en referenstemperatur, 0°C, kan ett eventuellt temperaturberoende hos isolationens värmekapacitans lO 15 20 25 30 35 'S10 315 modelleras noggrannare. Eftersom finns en temperaturgradient i isolationen skulle en sådan uppdelning resultera i ett något förbättrat resultat.

I figur 4 betraktas temperaturerna 133, Two och Tyg som tillstànd medan TM, Pm och Pm betraktas som insignaler. För att starta temperaturestimatorn behövs tillståndens initialvärden och estimatorn startas normalt samtidigt som maskinen startas, dvs. med kall maskin.

Antalet noder kan självfallet utökas, men de i anslutning till figur 4 och nedan i anslutning till figur 5 beskriva utförandena är att föredra.

I figur 5 visas en variant av temperaturestimatorn i figur 4, vid vilken järntemperaturen T” mäts direkt.

Järntemperaturen kommer då att representeras av en spänningskälla TW i det därmed förenklade schemat och tjäna som insignal tillsammans med Pm. Temperaturerna Two och TM utgör tillstànden och erhålls i punkterna 52 och 54 på samma sätt som i figur 4.

Kopparförlusterna är beroende av statorströmmen och därmed på hur hårt lastad maskinen är. Järnförlusterna är beroende av flödet, som är mer eller mindre konstant vid konstant terminalspänning, oberoende av belastningen.

Tidskonstanten för järnkretsens temperaturstegring och avsvalning är däremot mycket stor i den aktuella typen av maskin vilket gör att maskinen har större överbelastningsförmåga om den är nystartad.

Såväl järn- som kopparförlusterna kommer att minska om fältet minskas.

En fördel med synkronmaskinen enligt uppfinningen jämfört med en konventionell maskin är att de elektriska förlusterna är mera associerade till flödet i järnet än till strömmar i armaturkretsens ledare. Järnförlusterna utvecklas på jordpotential, vilket underlättar normal kylning och även eventuell forcerad kylning med kylmaskin. Armaturkretsens ledare har relativt låg strömtäthet och förlusterna på högspänningspotential är relativt små. lO 15 20 25 30 35 510 315 10 Tidkonstanten för järnkretsens uppvärmning - och därmed avsvalning - är mycket stor. Beräkningar visar att den adiabatiska temperaturstegringen sker med storleksordningen hundradels °K/s. Armaturkretsens temperaturstegring blir också något förhöjd till följd av den stora termiska resistansen i lindningskabelns fasta isolering. Vid aktuella strömtätheter sker den adiabatiska temperaturstegringen med storleksordningen 1/30 till 1/100 °K/s, medan konventionella maskiner har en adiabatisk temperaturstegring av storleksordningen 1/10 °K/s.

Såväl temperaturen i ledaren Tu som i järnet Tfi;måste övervakas och i figur 6 visas ett exempel på realisering av en övervakningskrets som ger en utsignal för vidare reglering. Denna krets innefattar sålunda en temperaturesti- mator 2 enligt figur 4 till vilken instorheterna I (statorström), U (terminalspänning) och Tm inmatas. Från estimatorn 2 erhålls utsignalerna Tu och TN, vilka vid 4 respektive 6 jämförs med förinställda gränsvärden TLLE respektive TL¿É, såsom nämnts ovan, och resultaten av jämförelserna tillförs en grind 8 (Lowest Value Gate), vilken på sin utgång avger som reglersignal den temperaturdifferens, mellan respektive temperatur och temperaturgräns, som i absoluta termer är störst.

Om TE mäts direkt behöver endast Tu,bestämmas ur I och T}E med hjälp av temperaturestimatorn. Om såväl TFE som TLE mäts direkt erfordras ingen temperaturestimator, utan de uppmätta temperaturerna jämförs direkt med sina gränsvärden.

Figur 7 visar i blockschemaform ett exempel på en reglerkrets för nedreglering av den aktiva effekten, om statorströmmen överskrider ett maximalt tillåtet gränsvärde.

En synkrongenerator G är härvid ansluten till ett kraftnät via en brytare 10. Generatorn G magnetiseras via en tyristorlikriktare 12. Via en spänningstransformator PTS tillförs spänningen U_ till en mätomformare 14, en enhet IL "Prod" för bestämning av verklig statorströmgräns IL, och till en enhet AP"Prod" för generering av en signal "AP 10 15 20 25 30 35 ' s1o 315 ll order" för nedreglering av den aktiva effekten om stator- strömmen överstiger statorströmgränsen. Över en strömtrans- formator CTS uttas på samma sätt, strömmen I_ till enheterna IL"Prod" och AP"Prod". I enheten IL"Prod" beaktas riktningen på den reaktiva effekten, spänningsfall samt eventuellt tillåten inital tidsfördröjning för nedreglering av fältet, vid bestämning av statorströmgränsen. Statorströmgränsen är baserad på statorns temperatur vid märkdrift (Tu = 70-80°C och TE = 40-50°C vid PEX-isolering). I enheten AP "Prod" fastläggs också hastigheten på nedregleringen och maximala området för regleringen av den aktiva effekten samt eventuell funktion för att återgå till den aktiva effektproduktion, som synkronmaskinen hade innan statorströmgränsen överskreds, om systemets reaktiva effektbehov åter minskar.

Den maximala reaktiva effekten, som synkronmaskinen i det beskrivna utförandet kan producera, motsvarar 100 % av märkeffekt, och erhålls då den aktiva effekten har styrts ner till noll. Det finns dock anledning att införa en undre gräns, som är större än noll, för nedregleringen av aktiv effekt, då ytterligare nedreglering av aktiv effekt ger lite i utbyte av ökad förmåga att producera reaktiv effekt, jfr figur 2. Skulle ett större behov av reaktiv effekt föreligga måste det mötas av en nedreglering av fältet.

Utsignalen U från nätomvandlaren 14 jämförs vid 16 med ett förutbestämt referensvärde Uæf och resultatet av jäm- förelsen tillförs en förstärkar- och signalbehandlingsenhet 18 innan det tillförs en grind 20.

Vid 22 jämförs statorströmmen I med den i enheten IL"Prod" alstrade statorströmgränsen IL och resultatet av jämförelsen tillförs en förstärkar- och signalbehandlingsenhet 24 och ett efterföljande block 26 med olinjär karakteristik. Den olinjära karakteristiken är sådan att för positiva insignaler fås en stor utsignal och för negativa insignaler får man en mot insignalen proportionell utsignal. Utsignalen från blocket 26 tillförs även den grinden 20 som är en s.k. 10 15 20 25 30 35 510 315 12 Lowest Value Gate, dvs. den signal som är lägst erhålls som utsignal.

Utsignalen från grinden 20 tillförs en signalbe- handlingsenhet 28 med integrerande verkan som i sin tur är ansluten till en triggkrets 30 för magnetiseringsmaskinens likriktare 12.

Reglerkretsen i figur 7 innefattar väsentligen tre huvuddelar nämligen en automatisk spänningsregulator, en statorströmbegränsare och ett system för reducering av den aktiva effekten för att på så sätt öka synkronmaskinens förmåga att möta systemets behov av reaktiv effekt på önskad spänningsnivå.

Nedregleringen av fältströmmen kan enligt uppfinningen realiseras på ett flertal sätt. Sålunda kan en traditionell begränsare användas som arbetar enligt principen att om statorströmmen överstiger statorströmgränsen under en maximalt tillåten tid sänks fältströmmen till statorströmmen blir lika med stator-strömgränsen.

Själva regleringen kan ske på olika sätt. Härvid skall den initiala tidsfördröjningen vara åtminstone så lång att kortvarigt stora strömmar, till följd av feltillstånd i systemet, inte leder till att fältet dras ned pga att strömgränsen överskrids. Olika implementeringar av tidsfördröjningen år möjliga, t.ex. konstant fördröjningstid oberoende av hur mycket strömmen överskrider gränsen, eller inverstidskarakteristik, dvs desto mer strömmen överskrider gränsen desto kortare tidsfördröjning. Om statorströmgränsen överskridits en tid måste tid ges för avkylning. Den aktuella typen av synkronmaskin har stora tidskonstanter vad gäller uppvärmning och avsvalning av statorn, vilket gör att tidsfördröjningen kan göras stor i jämförelse med vad fallet är för en konventionell maskin. Detta gör att tid ges för att antingen minska systemets behov av reaktiv effekt eller öka maskinens förmåga att producera reaktiv effekt.

Dimensioneringen av maskinen tillsammans med neddragning av 10 15 20 25 30 35 ' 510 315 13 aktiv effekt gör att maskinens förmåga att producera reaktiv effekt ökar.

Vid uppfinningen kan nedregleringen av fältströmmen även ske utgående från temperaturen i de mest kritiska punkterna.

Temperaturen i ledarna i statorn och järntemperaturen i statorn i de mest kritiska punkterna kan bestämmas antingen genom direkt mätning, vilket kan vara svårt vad gäller ledar- temperaturen, eller med hjälp av en temperaturestimator som har kopparförluster (statorström), järnförluster (spänning) och kylvattentemperatur som insignaler, såsom diskuterats ovan. Man kan härvid reglera enligt två moder, nämligen, 1) om temperaturerna ligger under sina maximalt tillåtna temperaturgränser regleras fältströmmen så att terminalspänningen blir lika med önskad driftspänning, och 2) om terminalspänningen är mindre än önskad drift- spänning regleras fältströmmen så att ledartemperaturen eller järntemperaturen blir lika med sin maximalt tillåtna tempe- raturgräns och den andra temperaturen ligger under sin gräns.

Omslagspunkten statortemperaturen lika med maxi-malt tillåten statortemperatur och terminalspänningen lika med önskad driftspänning kan realiseras med en s.k. Lowest Value Gate som beskrivits i anslutning till figur.

Moden 1 ovan motsvarar normal spänningsreglering, medan moden 2 skyddar maskinen mot höga temperaturer då terminalspänning och statortemperatur minskar då fältströmmen minskar.

I figur 8 visas en reglerkrets för realisering av en reglering av ovannämnt slag.

Enheten AT"Prod" tillförs härvid, förutom ström I_ och spänning U;, kylmedietemperaturen Tma Utsignalen från enheten AT"Prod" tillförs en förstärkar - och signalbehandlingsenhet 40 och blocket 26 med olinjär karaktäristik, vilket beskrivits tidigare, för att inmatas på grinden 20 tillsammans med den behandlade och förstärka utsignalen från jämförelsen av spänningen U med önskad driftspänning Uref.

Beroende av utsignalen från grinden 20 styrs sedan 10 15 20 25 30 35 510 315 14 regleringen av maskinen pà motsvarande sätt som vid utförandet enl. figur 7.

Om den begränsande temperaturen (Tm,eller TW) närmar sig sin maximala temperaturgräns (exempelvis TLAE = 90°C och TLFE = 55°C för PEX-isolation) med en tidsderivata som är större än noll, kan ovanstående reglering leda till en “översläng" i temperaturen. Då denna övertemperatur är kortvarig utgör den, om den är måttlig, inte ett allvarligt problem för isolationen. Den kan dock resultera i ett för stabiliteten i kraftsystemet besvärande temporärt spänningsfall till följd av att reglerkretsen försöker motverka övertemperaturen genom att minska fältet.

För att undvika detta förlopp kan man komplettera reglerkretsen med en temperaturpredikterande krets, t ex baserad på temperaturens tidsderivata, för att redan innan maximal temperatur är uppnädd låta spänningen försiktigt börja sjunka, så att "överslängen" i temperatur blir liten eller helt elimineras.

Detta innebär att spänningen kommer att börja sjunka tidigare men inte så snabbt.

Vid en jämförelse mellan en traditionell strömbegränsare enligt figur 7 och en statortemperaturbegränsare enligt figur 8 har den senare den fördelen att den tillåter överlast under lång tid, av storleksordningen timmar, medan den traditionella strömbegränsaren endast tillåter överlast under kortare tid, av storleksordningen sekunder - minuter.

Om maskinen är utrustad med statortemperaturbegränsare bör dock en varningssignal gå till berörd driftcentral redan då temperaturen för märkdrift överskrids, då detta indikerar att en överlastsituation föreligger, som bör avhjälpas.

I figur 9 visas en vidareutveckling av reglerkretsen i figur 7. Vid denna krets kombineras en begränsningsreglering, baserad på temperaturen som syftar till att upprätthålla terminalspänningen pà så acceptabel nivå som möjligt så länge som möjligt genom att maximalt utnyttja statorns termiska kapacitet, med en reglering av aktiv och reaktiv effekt. lO 15 i 510 315 15 I enheten AT"Prod" alstras sälunda en utsignal på samma sätt som vid kretsen enligt figur 8. Denna utsignal tillförs förstärkar- och signalbehandlingsenheten 40, blocket 26 och grinden 20 för att åstadkomma samma begränsningsreglering som vid fig. 8. Utsignalen från enheten AT"Prod" tillförs också en enheten AP"Prod" tillsammans med spänningen U_, varvid man från enheten AP"Prod" får som utsignal en reglersignal AP order för att nedreglera den aktiva effekten tills U=Uref, dvs terminalspänningen lika med önskad driftspänning, eller tills den aktiva effekten når en förutbestämd minimieffektgräns, såsom nämnts tidigare. Nedregleringen av aktiv effekt påbörjas företrädesvis dä någon av järn- eller ledartemperaturerna överskrider de temperaturer, som maskinen är dimensionerad för.

Ytterligare en reglermöjlighet baseras pä att man startar en kylmaskin för att sänka järn- och koppartempera-turerna då man när antingen ström- eller temperaturgräns. Detta gör att maskinen kan belastas ytterligare.

Claims (25)

10 15 20 25 30 35 510 315 16 PATENTKRAV

1. Förfarande för effektreglering av en synkronmaskin, vars statorlindning är lindad av kabel med fast högspänningsisolation, kännetecknat av att maskinens rotor utförs så att de termiskt baserade rotor- och statorströmgränserna skär varandra i kapabilitetsdiagrammet vid ett effektfaktorvärde, som ligger avsevärt under märkeffektfaktorvärdet, samt att den aktiva effekten nedregleras, om statorströmmen stiger så att risk för termiska skador uppstår.

2. Förfarande enligt krav 1, varvid statorströmmen kan tillåtas överskrida statorströmgränsen under en förutbestämd maximal tid, kännetecknat av att om statorströmmen ligger över statorströmgränsen minskas den aktiva effekten tills statorströmmen blir lika med statorströmgränsen, förutsatt att den tid under vilken statorströmmen legat över statorströmgränsen är kortare än nämnda maximalt tillåtna tid.

3. Förfarande enligt krav 2, kånnetecknat av att om statorströmmen ligger över statorströmgränsen under en tid, som överstiger den maximalt tillåtna tiden, minskas den aktiva effekten och fältströmmen tills statorströmmen blir lika med statorströmgränsen.

4. Förfarande enligt något av kraven 1 - 3, kännetecknat av att den aktiva effekten nedregleras enligt en rampfunktion.

5. Förfarande enligt något av kraven 1 - 3, kännetecknat av att den aktiva effekten nedregleras enligt en rampfunktion, om statorströmmen överskridit statorströmgränsen men ligger under ett, över statorströmgränsen liggande, förutbestämt, andra gränsvärde, samt att den aktiva effekten nedregleras fortast möjligt, om statorströmmen överskrider det andra gränsvärdet.

6. Förfarande enligt krav 4 eller 5, kännetecknat av att för rampfunktionen väljs en sådan derivata, att stora 10 15 20 25 30 35 -S10 315 17 effektpendlingar på elkraftnätet undviks och att skador på turbiner och andra delar av elkraftproduktionsanläggningen, i vilken synkronmaskinen ingår, förhindras.

7. Förfarande enligt krav 4 eller 5, kännetecknat av att för rampfunktionen väljs en derivata, som är beroende av tidskonstanten för statorns uppvärmning.

8. Förfarande enligt något av kraven 4 - 7, kännetecknat av att den aktiva effekten nedregleras så mycket, att acceptabel terminalspänning upprätthålls på maskinen.

9. Förfarande enligt något av kraven 1 - 8, kännetecknat av att gränsvärdet för effektfaktorn är noll.

10. Synkronmaskin, försedd med utrustning för effektreglering, kännetecknad av att statorn är lindad med högspänt isolerad kabel samt att rotorns fältlindning är så dimensionerad att de termiskt baserade rotor- och statorströmgränserna skär varandra i kapabilitetsdiagrammet vid ett effektfaktorvärde, som är avsevärt lägre än märkeffektfaktorns värde, samt att regleringsutrustningen innefattar temperaturbestämningsorgan, inrättade att bestämma statorns temperatur i minst ett, för uppvärmning kritiskt ställe och/eller ett strömmätningsdon och ett spänningsmätningsdon för att mäta statorström och -spänning, samt en med temperaturbestämningsorganen och/eller strömmätnings- och spänningsmätningsdonen förbunden reglerkrets för att nedreglera den aktiva effekten eller fältströmmen, om den bestämda temperaturen och/eller statorströmmen eller -spänningen överstiger förutbestämda gränsvärden.

11. Synkronmaskin enligt krav 10, kännetecknad av att temperaturbestämningsorganen innefattar minst ett mätorgan, anordnat på ett, för uppvärmning utsatt ställe i statorn för att där uppmäta temperaturen.

12. Synkronmaskin enligt krav 11, kännetecknad av att mätorganet är placerat på spårväggen, inuti ett lindningsspår i statorn. 10 15 20 25 30 510 315 l8

13. Synkronmaskin enligt krav 10, kännetecknad av att temperaturbestämningsorganen innefattar en temperaturestimator, anordnad att ur järnförlusterna och förlusterna i ledare och kylmedietemperaturen bestämma statorplåtens temperatur i ett, för uppvärmning kritiskt ställe för att styra reglerkretsen till nedreglering, om den bestämda temperaturen överstiger ett förutbestämt gränsvärde.

14. Synkronmaskin enligt något av kraven 11 - 13, kånnetecknad av att temperaturbestämningsorganen innefattar temperaturestimatorer, inrättade att bestämma temperaturen i ledarna samt i väsentliga delar av kabelisolationen ur förlusterna i ledarna.

15. Synkronmaskin enligt något av kraven 10 - 14, kännetecknad av att reglerkretsen är anordnad att vid stigande statortemperatur påbörja nedregleringen av fåltströmmen vid en temperatur under maximalt tillåten statortemperatur.

16. Synkronmaskin enligt krav 15, kännetecknad av att reglerkretsen är anordnad att påbörja nedregleringen efter det att temperaturen legat över märkdrifttemperatur, dvs den temperatur, mot vilken maskinen är dimensionerad vid märkdrift, men under maximalt tillåten statortemperatur under en förutbestämd tidsperiod.

17. Synkronmaskin enligt krav 10, kännetecknad av att, om statorströmmen överstiger statorströmgränsen, är reglerkretsen anordnad att reglera fältströmmen så att maskinens terminalspänning blir lika med önskad driftspänning, om den tid under vilken statorströmmen legat över statorströmgränsen är kortare än den maximalt tillåtna tiden, och, om den maximalt tillåtna tiden överskridits, är reglerkretsen anordnad att minska fältströmmen tills statorströmmen blir lika med statorströmgränsen.

18. Synkronmaskin enligt krav 17, kännetecknad av att reglerkretsen är anordnad att påbörja nedreglering med viss 10 15 20 25 30 -510 315 19 tidsfördröjning efter det att statorströmgränsen överskridits.

19. Synkronmaskin enligt något av kraven 10 - 18, kännetecknad av att fältlindningen är utförd med ett antal extra varv för att öka den magnetiska polspänningen.

20. Synkronmaskin enligt krav 19, kännetecknad av att en viss andel av de extra varven är utförda som kylvarv för lindningen.

21. Synkronmaskin enligt något av kraven 10 - 20, kännetecknad av att fältlindningen är utförd med förhöjd ledaryta för att erhålla förhållandevis låg strömtäthet i lindningen.

22. Synkronmaskin enligt något av kraven 10 - 21, kännetecknad av att särskilda kylanordningar är inrättade för fältlindningen.

23. Synkronmaskin enligt något av kraven 10 - 22, kännetecknad av att en kylmaskin är anordnad att inkopplas om statorströmmen överstiger eller förutses överstiga statorströmgränsen och/eller den uppmätta temperaturen överstiger ett förutbestämt gränsvärde för att åstadkomma forcerad kylning.

24. Synkronmaskin enligt något av kraven 10 - 23, kännetecknad av att kabeln är en högspänningskabeln och är av ett slag, som innefattar en kärna med ett flertal kardeler, ett kärnan omslutande inre halvledande skikt, ett det inre halvledande skiktet omslutande isolerande skikt och ett det isolerande skiktet omslutande yttre halvledande skikt.

25. Synkronmaskin enligt något av kraven 10-24, kännetecknad av att högspänningskabeln har en diameter i intervallet 20 - 200 mm och en ledningsarea i intervallet 80 - 3000 mmz.