SE511136C2 - Steglös induktionsstyrd spänningsregulator, reglerlindning för en sådan samt förfarande för styrning - Google Patents

Description

F! Lfl U) (_ 511 136 fran transfcrmatorn. De nuvarande effekttransformatorerna och linjetransformatorerna, sasom de ovan nämnda och använda i spänningsmatningsnät, innefattar uttagskopplare för spänningsreglering. De är utsatta för mekaniskt slitage och elektrofysisk erosion pà grund av urladdningar mellan kontakterna. Reglering är endast möjlig i steg. En stegvis spänningsreglering och rörliga kontakter fordras för anslutning till olika uttag.

Uppfinningen i korthet Nackdelarna med känd spänningsreglering undvikes ge- nom en steglös induktionsstyrd spänningsregulator enligt den föreliggande uppfinningen. De karakteristiska egenskaperna aterfinnes i det att den magnetiska kretsen pa utgangslind- ningens ben innefattar ett vridbart rotororgan som uppbär en reglerlindning, vilken är elektriskt seriekopplad med utgàngslindningen.

En viktig förutsättning för att möjliggöra uppnaendet av en sàdan spänningsreglering av höga spänningar, dvs 36 kV upp till 800 kV, är att minst en av regler- och utgàngslindningarna, eller en del därav, är konstruerad av en högspänningskabel som innefattar en ledare, ett första skikt med halvledände egenskaper, ett fast isolerskikt samt ett andra skikt med halvledande egenskaper.

Transformatorn/reaktorn är salunda av sa kallad torrtyp.

Användningen av en sadan angiven högspänningskabel möjliggör att "innesluta" det elektriska fältet innanför kabelisclationen. Detta innebär att det är möjligt att utforma iduktionsstyrda spänningsregulatorer för högspänningsapplikationer.

Fördelaktigt är skikten anordnade att vidhäfta varandra även dä kabeln böjes. Härigenom erhalles bra kontakt mellan skikten under kabelns hela livslängd. lO {\) (Il 30 511 136 För att undvika uppförandet som en roterande motor är rotororganet lämpligen inskränkt av ett självspärrande organ till att endast medges en vridning av ett varv i framàt- eller bakàtriktningen. Reglerlindningens kabelanslutning till utgàngslindningen utförs medelst flexibla kablar, företrädesvis av gummielastisk typ.

Den högre reluktansen som genereras i luftgapen mel- lan kärnan och rotororganet kan kompenseras medelst en ytter- ligare kompensatorlindning som omger magnetflödet. Denna kom- pensatorlindning är elektriskt seriekopplad med en kondensator sàsom en separat sluten krets.

En sàdan kompensatorlindning belastad med en konden- sator bildar en negativ reluktans R; = -nl w* C. Antalet lind- ningsvarv n och regleringen av kondensatorns kapacitans C kan väljas pa sadant sätt att motsvarighet erhälles till luftga- pets positiva reluktans RL = l/A uy där l är luftgapets (effektiva) längd, A är magnetkärnans tvärsnittsarea och u¿ är permeabiliteten för luft.

Typiska värden pà kapacitansen C är av storleksordningen fran nagra mikrofarad till nàgra millifarad för spänningar av storleksordningen 1 kV.

Medelst den transformator- eller reaktcrkonstruktion som beskrivits ovan är det möjligt att erhalla en steglös in- duktionsstyrd spänningsreglering. Detta beror av det faktum att spänningen U: som induceras i reglerlindningen 6 bestämmes av vridningsvinkeln d (mellan riktningen för magnetflödet i benet 2 och rotororganets 4 synnmetriyta) Uf = n-co-(Ilcos d. Det- ta resulterar i U; = nni® for d = O och i Uf = nfl-afl-® för d = K. Nolläget (Uf = 0) ligger vid Q = K/2.

Olika applikationer ligger inom fackmannens omrade.

Exempelvis är det salunda möjligt att applicera den förelig- gande uppfinningen pà enfasiga induktionsstyrda spännings- 20 h) (D 511136 regulatorer. Även anordningar med lastuttagsändring, dvs en enfas induktionsstyrd spänningsregulator som är integrerad i en transformator, kan förverkligas. Vidare kan flerfasiga induktionsstyrda spänningsregulatorer utföras med individuell fasstyrning liksom med en gemensam fasstyrning.

Kort redogörelse för ritningarna Dessa och andra egenskaper hos och fördelar med den föreliggande uppfinningen kommer att framga mer tydligt av den följande detaljerade beskrivningen av exemplifierande utföringsformer av densamma, vilka illustreras pa bifogade ritningar, där fig. 1 visar en principvy for en del av en transformatorkärna enligt uppfinningen sedd fran sidan, fig. 2 visar samma del av transformatorkärnan atergiven i en riktning som indikeras med pilen A i fig. l, fig. 3 visar en trefastransformator vari uppfinningsprincipen är förverkligad och fig. 4 visar en tvärsnittsvy av en högspänningskabel använd i reglerlindningarna enligt den föreliggande uppfinning- en.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen Uppfinningen kommer nu att beskrivas i detalj med hänvisning till nagra föredragna utföringsformer, varvid principen för dessa visas pa bifogade ritningsfigurer. Samma hänvisningsbeteckningar som användes i olika figurer hänför sig till liknande eller annan utrustning som har en motsvarande funktion. Fig. l och 2 visar enbart den del av spänningsregulatorn som är väsentlig för den föreliggande uppfinningen. 10 ;_| (Il 25 30 511 136 Fig. l och 2 visar en del av en transformator- eller reaktorkärna l, vanligen i form av ett magnetiskt stalplats- paket som ingar i transformatorns eller reaktorns magnetkrets. Magnetkretsen kan innefatta en eller flera flodesbanor 2 (eller ben såsom de benämnes i den följande beskrivningen) och i en av dessa är en zon 5 med reducerad permeabilitet anordnad i form av ett vridbart rotororgan 4, som är anordnat for erhàllande av steglos induktionsstyrd spänningsreglering. Rotororganet 4 är lagrat pa en axel 10 i zonens 5 mitt. Rotororganets 4 vridning är begränsad till minst ett halvt varv, sa att vridningsvinkeln d (mellan magnetflödets riktning i benet 2 och rotororganets 4 symmetriyta) atminstone kommer att sträcka sig mellan O och R. Vridningen är begränsad i framat- och bakatriktningen medelst ett snäckdrev 9 sasom visas i fig. 2.

Rotororganet 4 är tillverkat av magnetiserbart mate- rial och ar försett med ett urtag ll i dess perifera yta. En reglerlindning 6 är lindad i rotorurtaget ll, vilken regler- lindning 6 är seriekopplad med transformatorns eller reaktorns utgangslindning 3. Anslutningskabeln 12, fig. 2, är av flexibelt slag som medger en begränsad vridning av rotororganet 4. Utspänningen U genereras alltsa över en seriekrets av utgangslindningen 3 och reglerlindningen 6.

En kompensatorlindning 7 är lindad nagonstans runt det ben 2 som innefattar rotororganet 4.

Kompensatorlindningen 7 bildar en sluten krets som innefattar ett kondensatororgan 8.

För att möjliggöra reglering av hoga spänningar, dvs inom omradet av ca. 36 - 800 kV, är atminstone en av regula- tor- och utgangslindningarna 6 och 3, eller en del av nagon av dessa, lindade med användning av en hogspänningskabel 61 av det slag som sasom exempel visas i fig. 4. lO 15 2 O 30 511136 Högspänningskabeln som används vid föreliggande uppfinning är flexibel och böjlig och av det slag som närmare beskrivs i WO 97/45919 och WO 97/ 45847. Ytterligare beskrivning av kabeln finns i WO 97/45918, WO 97/45930 och WO 97/45931.

En sadan högspänningskabel 61 kan innefatta en eller flera elektriska ledare 631. Det i fig. 4 visade kabelutförandet innefattar en isolering och ledaren 631 star i direkt förbindelse med ett första skikt 632 med halvledande egenskaper. Det forsta skiktet 632 är i sin tur omgivet av ett fast isolerskikt 633, som sedan omges av ett andra skikt 634 med halvledande egenskaper.

I figur 4 som visar den detalj av uppfinningen som avser kabeln är de tre skikten sa anordnade att de vidhäftar varandra även da kabeln böjes. Den visade kabeln är flexibel och denna egenskap bibehàlles vis kabeln under dess livslängd. 637 Företrädesvis är skikten -_, 633, 634 tillverkade av samma plastmaterial eller av andra material som har samma utvidgningskoefficient. Därigenom uppnas den viktiga fördelen att defekter, sprickor eller liknande undvikes vid termisk rörelse i lindningen. Plastmaterialet i de första och andra skikten 632, 634 har ett elektriskt ledande material infört i detsamma.

Fig. 3 visar principen för en trefastransformator uppfinningen. Transforma- och 2C, konstruerad enligt den föreliggande torkärnan 1 omfattar tre ben 2A, 2B varvid varje ben uppbär en primärlindning 15, vilken matar transformatorn med en spänning som skall transformeras, samt en utgangslindning 3 fràn vilken utspänningen erhalles. Precis som beskrivits ovan med hänvisning till fig. 1 och 2 innefattar varje ben ett reglerarrangemang 4 - 8. Även om det för tydlighets skull 10 511 136 inte visas i fig. 3, sà kan varje luftgap kompenseras med en kompensatorlindning 7 och en därtill hörande kondensator 8.

De tre enskilda fasreglerarrangemangen 4 - 8 som sa- lunda monterats i vart och ett av fasbenen 2A, 23, 2C manöv- reras antingen tillsammans, om nàgon spanningssymmetri inte förväntas i transformatorn, eller individuellt om varje fas bör styras individuellt. Även om den föreliggande uppfinningen ovan har be- skrivits med avseende pà transformatorer eller reaktorer, ar det uppenbart att den även har tillämpning pa liknande apparater, exempelvis i autotransformatorer och i sugtransformatorer.

Claims (21)

t. J (J) 30 511 136 P A T E N T K R A V

1. Steglos induktionsstyrd spänningsregulator, i synnerhet en transformator eller en reaktor, omfattande en magnetkrets som innefattar en magnetiserbar kärna (1) med tva eller flera flödesbanor eller ben (2), varav minst ett av dessa ben omges av en utgàngslindning (31, vilken regulator kännetecknas av att benet (2) med utgangslindningen (3) har ett reglerarrangemang (4 - 8) innefattande ett vridbart rotororgan (4), som uppbär en reglerlindning (6) seriekopplad med utgangslindningen (3), samt av att minst en av reglerlindningen (6) och utgangslindningen (3), eller en del av nagon av dessa, är lindad med en hogspanningskabel (El) innefattande en ledare (63l), ett forsta skikt (632) med halvledande egenskaper, ett fast isolerskikt (633) anordnat runt det första skiktet (632) samt ett andra skikt (634) med halvledande egenskaper anordnat runt isolerskiktet (633).

2. Regulator enligt patentkrav l, kànnetecknad av en kompensatorlindning (7) anordnad att omge det med utgangslindningen (3) försedda benet (2) och elektriskt seriekopplad med ett kondensatororgan (8).

3. Regulator enligt patentkrav 1 eller 2, kànnetecknad av att vridningen av det vridbara rotororganet (4) begränsas till minst ett halvt varv i framat- och bakatriktningen medelst ett självlàsande organ (9).

4. Regulator enligt patentkrav 3, kännetecknad av att det självlasande organet (9) är av snackdrevstyp.

5. Regulator enligt nagot av foregaende patentkrav, kànnetecknad av att kabeln (12) som förbinder utgangslindningen (3) med reglerlindningen (6) ar av gummielastisk typ.

6. Regulator enligt nagot av foregaende patentkrav, kännetecknad av att regulatorn är en flerfastransformator, där utgangslindningen (3) pa varje fas ben (2) innefattar ett lO 20 30 511136 9 reglerarrangemang (4 - 8) för oberoende reglering av varje fas.

7. Regulator enligt nagot av patentkraven L - 5, kànnetecknad av att regulatorn är en flerfastransformator, där (3) pa varje fas ben (2) innefattar ett <4 _ 8): utgangslind-ningen reglerarrangemang varvid reglerlindningarna (6) pa dessa ben är hopkopplade för erhàllande av en förenad reglering.

8. Regulator enligt nagot av patentkraven L - 5, kànnetecknad av att regulatorn ar en autotransformator eller en sugtrans- formator.

9. Regulator enligt nagot av patentkraven L - 8, kännetecknad av att skikten (632, 633, 634) är anordnade att vidhafta varandra även da kabeln böjes.

10. Reglerlindning (6) för en induktionsstyrd spänningsregulator, speciellt ett transformator- eller reaktororgan, omfattande minst en utgangslindning (3), enligt nagot av foregaende patentkrav, kànnetecknad av att minst en av lindningarna (3, 6), eller en del av nagon av dessa, (631), ett forsta skikt (631), omfattar minst en strömförande ledare (632) med halvledande egenskaper anordnat runt ledaren (633) anordnat runt det forsta skiktet (634) (633). ett fast isolerskikt (632) med halvledande egenskaper samt ett andra skikt anordnat runt isolerskiktet

11. Lindning enligt patentkrav 10, kànnetecknad av att poten- tialen for det första skiktet (632) är i huvudsak lika med potentialen for ledaren (631).

12. Lindning enligt patentkrav 10 eller 11, kànnetecknad av (634) ar anordnat att huvudsakligen (631). att det andra skiktet utgöra en ekvipotentialyta som omger ledaren

13. Lindning enligt patentkrav 12, kännetecknad av att det är anslutet till en specifik potential. andra skiktet (634) UI 20 N U» 30 511 136 10

14. Lindning enligt patentkrav 13, kànnetecknad av att den specifika potentialen ar jordpotential.

15. Lindning enligt nagot av patentkraven 10 - 14, kànnetecknad av att minst tva av skikten (632 - 634) har i huvudsak samma varmeutvidgningskoefficient.

16. Lindning enligt nagot av patentkraven 10 - 15, kännetecknad av att den strömförande ledaren (631) omfattar ett antal kardeler.

17. Lindning enligt nagot av patentkraven 10 - 16, kànnetecknad av att vart och av de tre skikten (632 - 634) ar fixerat förbundet med närliggande skikt utmed i huvudsak hela förbindningsytan.

18. Lindning enligt nagot av patentkraven 10 - 17, kànnetecknad av att skikten (632, 633, 634) är tillverkade av samma plast material, varvid de forsta och andra skiktens plastmaterial tillförts ett elektriskt ledande material.

19. Förfarande för spanningsstyrning pa en elektrisk linje och/eller för reaktiv effektstyrning i anläggningar som omfattar minst en transformator eller en reaktor med minst en av dessa lindningar, eller en del av nagon av dessa, utförd med en hogspänningskabeltyp enligt nagot av föregaende patentkrav, där spanningsstyrningen effektueras medelst induktionsreglering.

20. Förfarande enligt patentkrav 19, kànnetecknat av att in- duktionsregleringen erhalles genom vridning av ett rotororgan ingående i transformatorns/reaktorns flodesbana eller ben, varvid dess permeabilitet paverkas av den ström som matas ge- nom en reglerlindning seriekopplad med transformatorns/reak- torns utgangslindning.

21. Förfarande enligt patentkrav 20, kànnetecknat av att den i reglerlindningen inducerade spänningen bestammes av vridningsvinkeln mellan magnetflödets riktning och 511 136 ll rotororganets symmetriyta enligt den idealiserade ekvationen U; = nfliqlcos a, där U: = inducerad spänning, n = antal varv, w = 2nf, där f = frekvensen for stromflodet genom lind- ® = magnetflödet och a = vridningsvinkeln. ni