SE521013C2 - Roterande elektrisk maskin försedd med lindning utgjord av högspänningskabel - Google Patents

Description

lO 521 013 97/00875. Ytterligare beskrivning av den isolerade ledaren eller kabeln finns i PCT-ansökningarna SE 97/00901, SE 97/00902 och SE 97/00903.

Vidare, vid exempelvis systemlösningar baserade på borstlösa matare för magnetisering av en synkronmaskin är synkronmaskinens rotorlindning normalt icke övervakad med avseende på jordfel.

Syftet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en sådan, för di- rektanslutning till Kraftnät avsedd roterande elektrisk maskin med möjlighet till de- tektering av jordfel i den roterande fältkretsen.

Sammanfattning av uppfinningen Detta syfte uppnås med en roterande elektrisk maskin av inledningsvis angivet slag med i patentkravet 1 angivna kännetecken.

Enligt en föredragen utföringsform av maskinen enligt uppfinningen är skikten anordnade att vidhäfta varandra även då den isolerade ledaren eller ka- beln böjs.

Enligt andra fördelaktiga utföringsformer av maskinen enligt uppfinningen innefattar ett för matning av fältkretsen avsett magnetiseringssystem en med fältkretsen roterande del och delar av detekteringskretsen förjordfel är anordnad i nämnda roterande del. Detekteringskretsen innefattar en roterande injiceringskrets för att pålägga en mätkrets, som är sluten genom impedansen mellan fältlindning och jord, en injiceringsspänning och en mätenhet för att mäta av injiceringsspänningen resulterande felström i nämnda mätkrets, varvid likriktarenheter är anordnade att bilda likriktade absolutvärden av injiceringsspänningen och felströmmen, varjämte en trådlös kommunikationsenhet är inrättad att överföra nämnda absolutvärden till en stillastående beräkningsenhet för övervakning av fältlindningens resistans till jord. På detta sätt behöver endast två processsignaler, nämligen injiceringsspänningens och felströmmens likriktade absolutvärden, överföras till den stillastående delen för bestämning av resistansvärdet till jord. Detta innebär ett begränsat signalsnitt mellan den stationära och den roterande delen med mindre krav på den släpringsfria överföringen. Vidare begränsas antalet roterande enheter för injicering och lO 521 013 mätning. Beräkningsenheten innefattar lämpligen en datorutrustning för implementering av erforderliga beräkningsalgoritmer.

Enligt en annan fördelaktig utföringsform av maskinen enligt uppfinningen, varvid magnetiseringssystemet är matat från en matare med roterande statorsida, är injiceringskretsen matad från matarens roterande statorsida. Härvid kan spän- ningsvariationer kompenseras med hjälp av mjukvarufunktioner i datorutrustning- en. Dessa funktioner är baserade på kända förhållanden beträffande RC-kretsars fasvridning samt beräkning av såväl reella som imaginära strömkomponenter och absolutvärden för gränsvärdesbestämning.

Enligt ännu en fördelaktig utföringsform av maskinen enligt uppfinningen är filterkretsar anordnade i nämnda mätkrets för dels bortfiltrering av övertoner och dels likspänningsmässig blockering. Filtertidkonstanterna för filtrering av över- toner skall härvid motsvara injiceringsspänningens periodtid för att effektiv bortfil- trering av övertoner skall vara möjlig.

Enligt ytterligare en fördelaktig utföringsform av maskinen enligt uppfin- ningen är skalningsenheter anordnade före en jämförare för jämförelse av nämn- da absolutvärden av felströmmen med förutbestämda gränsvärden, vilka skal- ningsenheter är anordnade att normera och kompensera den uppmätta felström- men för variationer i injiceringsspänningen innan felströmmen tillförs jämföraren.

Detta är av betydelse eftersom injiceringsspänningen ändras med magnetise- nngen.

Enligt en annan fördelaktig utföringsform av maskinen enligt uppfinningen löses ovan nämnda problem genom att injiceringskretsen är matad från en kon- stant spänningskälla.

Enligt ännu en fördelaktig utföringsform av maskinen enligt uppfinningen är en stillastående spänningskälla anordnad att via en ringtransformator mata injiceringskretsen_ Härigenom kan jordfel även detekteras vid stillastående rotor.

Kort beskrivninq av ritninqarna För att förklara uppfinningen närmare kommer nu såsom exempel valda utföringsformer av maskinen enligt uppfinningen att beskrivas mera i detalj med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka 521 013 4 Figur 1 visar i tvärsnittsvy den isolerade ledare som används för Iindningar vid maskinen enligt uppfinningen, Figur 2 visar ett schema över magnetiseringssystemet med krets för detek- tering av jordfel i fältkretsen samt med anordningar för bestämning av rotortemperaturen vid ett utföringsexempel av den roterande elektriska maskinen enligt uppfinningen, Figurerna 3-6 visar ekvivalenta scheman för den i detekteringskretsen förjordfel ingående mätkretsen vid olika felfall, och Figur 7 visar ett utförande av en skalningsenhet för normering och kompen- sering av mätsignalen.

Beskrivning av föredragna utförinqsformer Figur 1 visar en tvärsnittsvy av en isolerad ledare 11, avsedd att användas i minst en av lindningarna i maskinen enligt uppfinningen för att möjliggöra direkt- anslutning av maskinen till kraftnät. Den isolerade ledaren 11 innefattar ett antal kardeler 35 med cirkulärt tvärsnitt av exempelvis koppar (Cu). Dessa kardeler 35 är anordnade i mitten av den isolerade ledaren 11. Runt kardelerna 35 är anord- nat ett första halvledande skikt 13. Runt det första halvledande skiktet 13 finns an- ordnat ett isolationsskikt 37, tex. PEX-isolation. Runt isolationsskiktet 37 finns an- ordnat ett andra halvledande skikt 15. Den isolerade ledaren har en diameteri intervallet 20-250 mm och en ledningsarea i intervallet 80-3000 mmz.

Vid den beskrivna isolerade ledaren 11 eller kabeln är de tre skikten 13, 37, 15 så utförda att de vidhäftar varandra även då den isolerade ledaren 11 eller kabeln böjs och denna böjligheten bibehåller den under sin livslängd. l figur 2 visas schemat över magnetiseringssystemet vid en roterande elektrisk maskin med en eller flera Iindningar av den i figur 1 visade isolerade le- daren för att möjliggöra direkt anslutning till kraftnät. Magnetiseringssystemet in- nefattar såväl en roterande injicerings- och mätkrets 16 som en stationär enhet 20 för dels detektering av jordfel och dels för beräkning av rotortemperaturen.

Magnetiseringssystemet innefattar sålunda en roterande del 1 bestyckad med en roterande mätare G3 som från den roterande statorsidan matar en diod- eller tyristorbrygga 12, vilken är ansluten med sin likströmssida till den elektriska 521 013 maskinens fältlindning 14. Vidare finns en injicerings- och mätkrets 16 att använ- das vid detektering av jordfel i fältkretsen samt mätorgan 18 för bestämning av fältspänningen för temperaturberäkningar. Den roterande delen 1 innehåller vidare matdon 5 för matning av den roterande delens elektroniska utrustning samt en kommunikationsenhet 3. Vidare finns mätdon 25 för mätning av fältströmmen IF.

Trådlös kommunikation mellan den roterande delen 1 och stationär utrustning 20 sker med hjälp av kommunikationsenheten 3 och en stationär kommunikations- enhet 4.

Med hjälp av en injiceringskrets, innefattande en transformator 8 för spän- ningsanpassning och galvanisk separation påläggs mätkretsen en lämplig spän- ning U via en injiceringstransformator 9, vilken spänning sålunda är uttagen från matarens G3 växelströmssida. Mätkretsen innehåller två parallella RC-grenar och sluts genom fältlindningens 14 impedans till jord. RC-grenarna tjänar som ström- begränsning och likströmsisolering.

Den av injiceringsspänningen U alstrade strömmen I i mätkretsen avkänns med en avkänningskrets 22 via en mättransformator 11 och omvandlas i en mot- svarande spänningssignal, som filtreras i filterkretsen 24 och likriktas i Iikriktaren 26. Den på Iikriktarens 26 utgång erhållna spänningssignalen U, representerar på detta sätt amplitudvärdet för grundtonen av strömmen l i mätkretsen. Även injiceringsspänningen U filtreras och likriktas på liknande sätt i filter- kretsen 28 och Iikriktaren 30, på vars utgång en spänningssignal UU erhålls, vilken representerar amplitudvärdet för injiceringsspänningens U grundton.

Filtertidkonstanterna T för filtren 24, 28 skall motsvara injiceringsspänning- ens U och mätströmmens l periodtid för att effektivt kunna bortfiltrera alla över- toner.

Med hjälp av kommunikationsenheterna 3, 4 överförs spänningssignaler- na UU, U, till den stationära delen 20 för beräkning av fältlindningens 14 resistans till jord ur dessa signaler i beräkningsenheten 17.

Med beräkningsenheten 17 är det på detta sätt möjligt att övervaka jordfel hos fältlindningen 14 och när fältlindningens 14 resistans till jord sjunker under för- utbestämd nivå utlösa ett larm. 521 013 6 R, betecknar fältlindningens 14 resistans till jord, det vill säga i praktiken resistansen till den roterande delens järnmassa, och C, Iindningens 14 kapacitans till jord. Resistansens R, kan i princip variera från oändligt stort värde till noll. l figur 3 visas ett ekvivalent schema för mätkretsen i det fall att R,-=O, det vill säga det "värsta" fallet med fältlindningen 14 kortsluten till jord. Med kända vär- den på resistansen R, kapacitansen C och injiceringsspänningen U kan den resul- terande strömmen I1 i kretsen beräknas, och lämplig normeringskonstant kan be- stämmas enligt principer som beskrivs i anslutning till figur 7 nedan. Absolutvärdet av strömmen l1 motsvarar värdet på mätsignalen U1 som överförs till beräknings- enheten 17, såsom beskrivits ovan i anslutning till figur 2.

Till höger om det ekvivalenta schemat i figur 3 illustreras storlekar och fas- lägen på injiceringsspänningen U, sammansatt av en resistiv komposant U, och en kapacitiv komposant UC, samt strömmen I1. r Figur 4 visar motsvarande ekvivalenta schema i ett felfritt tillstånd, det vill säga Iindningens övergångsresistans till jord är R,-= w. Med kända värden på injice- ringsspänningen U, resistansen R och kapacitansen C samt uppmätning av ström- men l2 kan Iindningens 14 kapacitans Cjtill jord bestämmas.

På samma sätt som i figur 3 visas till höger om schemat storlekar och faslägen på injiceringsspänningen U, vilken är sammansatt av en resistiv kompo- sant U, i fas med strömmen l2, och en kapacitiv komposant, bestående av spän- ningsfallet UC över kondensatorerna C och spänningsfallet U,- över kapacitansen Cj, samt strömmen l2.

Figur 5 visar ett motsvarande ekvivalent schema vid en övergångsresis- tans mellan lindning 14 och jord Rj, där O mellan de i figurerna 3 och 4 illustrerade. Med kända värden på resistanserna R, kapacitanserna C, jordningskapacitansen CJ., injiceringsspänningen U samt ström- marna l1 och l2 från de i figurerna 3 och 4 visade fallen, samt förutbestämda gränsvärden på övergångsresistansen till jord R,- möjliggörs beräkning av olika gränsvärden på strömmen l3 för larm och utlösning, såsom nämndes i anslutning till figur 2.

Sålunda är impedansen Z1 över de två parallella grenarna, vardera inne- hållande 2R i serie med 2C, lO 521 013 1 z1=R-J- -- tnC övergångsimpedansen mellan lindning 14 och jord Z2 Rl z2= 1+Jwmcj varvid strömmen l3 ges av |3 = U/(Z1 + Z2) Till höger om schemat i figur 5 visas storlekar och faslägen på spänningar och strömmar på motsvarande sätt som i figurerna 3 och 4. Av detta diagram framgår att strömmen l3 är i fas med strömmen l2 i figur 4 en strömkompsant ICJ genom övergångskapacitansen Cj och en strömkomposant ln- genom övergångs- resistansen Rj, varvid de två sistnämnda strömkomposanterna ligger vinkelrätt mot varandra i diagrammet, det vill säga fasförskjutna 90°.

Figurerna 3 och 5 visar fall med fel på likströmssidan av matningen av fält- lindningen från mataren G3, jfr figur 2. Figur 6 illustrerar en situation med fel på likriktarbryggans 12 växelströmssida. Fel på växelströmssidan kännetecknas av att en extra matningskälla Uac tillkommer och att strömmens absolutvärde är sam- mansatt av två komponenter. En som drivs av den vanliga injiceringsspänningen U och en som drivs av felställets potentialnivå mot jord, representerat av spän- ningen Uac. Vid fel på växelströmssidan kommer därför felströmmens totala abso- lutvärde att överskrida de vid fallet i figur 5 beräknade gränsvärdena, ofta med god marginal, med utlösning av larm som följd.

Motsvarande fasdiagram till höger i figur 6 överensstämmer med det i figur 5.

Vid variationeri injiceringsspänningen U måste mätsignalerna kompense- ras för dessa variationer genom skalning. Alternativt måste förutbestämda gräns- 521 013 8 värden i en jämförare för utlösning av larm etc. ändras, vilket är betydligt mera omständligt.

I figur 7 visas en skalningsenhet 32, 34 som ingår i beräkningsenheten 17 ifigur 2. I denna skalningsenhet 32, 34 normeras mätvärdet U, representerande absolutvärdet av strömmen I genom multiplicering med en normeringskonstant K1. Lämplig storlek på normeringskonstanten K1 kan bestämmas genom ett mät- förfarande enligt figur 3. På samma sätt kompenseras mätsignalen U." för varia- tioner i injiceringsspänningen U genom skalning med en kompenseringskonstant K2, varvid K2=UU vid tidpunkten för normering av mätsignalen U.. Den normerade och för variationer i injiceringsspänningen U kompenserade strömmen ln tillförs en jämförare 38, i vilken denna ström l,, jämförs med olika förbestämda gränsvärden Lim 1, Lim 2, Lim 3 för utlösning av larm, avgivning av utlösningssignal etc.

Med mätanordningen 18 uppmäts fältspänningen och med mätdonet 25 fältströmmen och motsvarande mätsignaler UF och IF överförs via de trådlösa kom- munikationsenheterna 3,4 till en enhet 40 i den stationära utrustningen 20 för beräkning av rotortemperaturen ur dessa mätsignaler, se figur 2. l filtret 42 i mät- anordningen 18 flltreras fältspänningssignalen med en tidskonstant T1, som skall motsvara 0,3 gånger fältlindningens 14 tomgångstidskonstant. När den elektriska maskinen icke är infasad på nätet har den nämligen en tidskonstant motsvarande tomgångstidskonstanten och om man kopplar in maskinen på nätet ändras denna tidskonstant beroende på nätets induktans med en faktor av approximativt 0,3.

Enheten 40 kan i sin tur vara ansluten till t.ex. indikeringsorgan för rotor- temperaturen, larm eller utlösningsorgan för aktivering av dessa i beroende av det bestämda värdet på rotortemperaturen.

Talrika modifikationer av den ovan beskrivna utföringsformen av uppfin- ningen är självfallet möjliga inom uppfinningens ram. Sålunda kan uppfinningen även tillämpas på stationära lösningar, såsom statiska matare, och matningsspän- ningen till injiceringsenheten kan transformeras till den roterande delen med hjälp av ringtransformator, vilket innebär att jordfel även' kan detekteras vid stillastående maskin.

Claims (25)

10 15 20 25 30 521 013 PATENTKRAV

1. Roterande elektrisk maskin av en typ med roterande fältkrets, vilken maskin är avsedd att direkt anslutas till ett distributions- eller transmissionsnät, kännetecknad av att minst en elektrisk lindning hos maskinen innefattar minst en elektrisk ledare, ett ledaren omslutande första skikt med halvledande egenskaper, ett det första skiktet omslutande fast isolerande skikt och ett det isolerande skiktet omslutande andra skikt med halvledande egenskaper samt att en detekterings- krets är anordnad att detektera jordfel i den roterande fältkretsen.

2. Maskin enligt krav 1, kännetecknad av att potentialen på det första skiktet är väsentligen lika med potentialen på ledaren.

3. Maskin enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att det andra skiktet är an- ordnat att bilda väsentligen en ekvipotentialyta, omgivande ledaren.

4. Maskin enligt krav 3, kännetecknad av att det andra skiktet är anslutet till en förutbestämd potential.

5. Maskin enligt krav 4, kännetecknad av att nämnda förutbestämda poten- tial är jordpotential.

6. Maskin enligt något av föregående krav, kännetecknad av att åtminstone två närbelägna skikt hos maskinens lindning har väsentligen lika stora värmeut- vidgningskoefficienter.

7. , Maskin enligt något av föregående krav, kännetecknad av att ledaren innefattar ett antal kardeler, av vilka åtminstone några är i elektrisk kontakt med varandra. 15 20 30 521 015 10

8. Maskin enligt något av föregående krav, kännetecknad av att vart och ett av nämnda tre skikt är fast förbundet med närbelägna skikt väsentligen hela anliggningsytan.

9. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att skikten är anordnade att vidhäfta varandra även då den isolerade ledaren eller kabeln böjs.

10. kin är avsedd att direkt anslutas till ett distributions- eller transmissionsnät, känne- Roterande elektrisk maskin av en typ med roterande fältkrets, vilken mas- tecknad av att minst en lindning hos maskinen är bildad av en kabel innefattande en eller flera strömförande ledare, varvid varje ledare uppvisar ett antal kardeler, ett inre halvledande skikt anordnat runt varje ledare, ett isolerande skikt av fast isolationsmaterial anordnat runt det nämnda inre halvledande skiktet, samt att en detekteringskrets är anordnad att detekterad jordfel i den roterande fältkretsen.

11. Maskin enligt något av föregående krav, kännetecknad av ett för, matning av fältkretsen avsett magnetiseringssystem innefattar en med fältkretsen roteran- de del samt att en injicerings- och mätenhet för nämnda detekteringskrets är anordnad i nämnda roterande del.

12. ringskretsen innefattar en injiceringskrets för att pålägga en mätkrets, som är Maskin enligt något av föregående krav, kännetecknad av att detekte- sluten genom impedansen mellan fältlindning och jord, en injiceringsspänning, och en mätenhet för att mäta av injiceringsspänningen resulterande felström i nämnda mätkrets, samt att likriktarenheter är anordnade att bilda likriktade absolutvärden av injiceringsspänningen och felströmmen, varjämte en trådlös kommunikations- enhet inrättad att överföra nämnda absolutvärden till en stillastående beräknings- enhet för övervakning av fältlindningens resistans till jord.

13. matare med roterande statorsida, kännetecknad av att injiceringskretsen är Maskin enligt krav 12, varvid magnetiseringssystemet är matat fràn en matad från matarens roterande statorsida. 15 20 30 521 013 11

14. Maskin enligt krav 12 eller 13, kännetecknad av att filterkretsar är anord- nade i nämnda mätkrets för bortfiltrering av övertoner och likspänningsmässig blockering.

15. att jämföra nämnda absolutvärde av felströmmen med förutbestämda gränsvärden Maskin enligt krav 12-14, kännetecknad av att en jämförare är anordnad och i beroende av resultatet av jämförelsen utlösa larm.

16. de före jämföraren för att normera och kompensera den uppmätta felströmmen för Maskin enligt krav 15, kännetecknad av att skalningsenheter är anordna- variationer i injiceringsspänningen innan felströmmen tillförs jämföraren.

17. är inrättade att uppmäta fältlindningens spänning och ström och överföra dessa Maskin enligt något av föregående krav, kännetecknad av att mätorgan värden till en enhet för beräkning av rotortemperaturen.

18. rotortemperaturen är stillastående samt att nämnda spännings- och strömvärden Maskin enligt krav 17, kännetecknad av att enheten för beräkning av för fältlindningen är överförbara via den trådlösa kommunikationsenheten till nämnda beräkningsenhet.

19. beräkningsenheten för att utlösas när temperaturen överstiger ett förutbestämt Maskin enligt krav 17 eller 18, kännetecknad av att larm är anslutna till gränsvärde.

20. Maskin enligt krav 12, kännetecknad av att en stillastående spännings- källa är anordnad att via en ringtransformator mata injicerlngskretsen.

21. Maskin enligt krav 12, kännetecknad av att injicerlngskretsen är matad från en konstant spänningskälla.

22. Förfarande vid en roterande elektrisk maskin, av en typ med roterande fältkrets, vilken maskin är avsedd att direkt anslutas till att distributions- eller trans- missionsnät, varvid minst en elektrisk lindning hos maskinen innefattar minst en 15 20 521 013 12 elektrisk ledare, ett ledaren omslutande första skikt med halvledande egenskaper, ett det första skiktet omslutande fast isolerande skikt och ett det isolerande skiktet omslutande andra skikt med halvledande egenskaper, kännetecknat av att en inji- ceringsspänning pàläggs en mätkrets, som är sluten genom impedansen mellan fältlindning och jord, och resulterande felström i mätkretsen mäts, varpå likriktade absolutvärden av injiceringsspänningen och felströmmen bildas och överförs till en beräkningsenhet för övervakning av fältlindningens resistans till jord.

23. Förfarande enligt krav 22, kännetecknat av att övertoner i mätkretsen bortfiltreras.

24. Förfarande enligt krav 22 eller 23, kännetecknat av att nämnda absolut- värde av felströmmen jämförs med förutbestämda gränsvärden och larm utlöses i beroende av resultatet av jämförelsen.

25. Förfarande enligt krav 24, kännetecknat av att före jämförelsen normeras och kompenseras den uppmätta felströmmen för variationer i injicerings- spänningen.