SE523099C2 - Roterande elektrisk maskin med magnetkrets för högspänning och ett förfarande för tillverkning av densamma - Google Patents

Description

25 30 35 523 099 2 kretsen nedan i regel att beskrivas som en stator med en laminerad plàtkärna, vars lindning kommer att omtalas som statorlindning, och spàren i plàtkärnan för lindningen kommer att omtalas som statorspàr eller helt enkelt spàr.

De flesta synkronmaskiner har en fältlindning i rotorn, där huvudflödet alstras med likström, och en växel- strömslindning i statorn. Synkronmaskinerna är i regel trefasiga. Ibland utformas synkronmaskinerna med utpräglade poler. De senare har växelströmslindning i IOCOIII .

Statorstomen för större synkronmaskiner görs ofta av stàlplàt med en svetsad konstruktion. Plàtkärnan utförs normalt av lackerad 0,35 eller 0,5 mm elplàt. För större maskiner stansas plàten i segment som fästes vid stator- stommen med kilar/laxar. Plàtkärnan sammanhàlls med tryckfingrar och tryckringar.

För kylning av synkronmaskinens lindningar finns tre olika kylsystem tillgängliga.

Vid luftkylning kyls bàde statorlindningen och rotor- lindningen med genomströmmande kylluft. Kylluftkanalerna finns bàde i statorplàtarna och i rotorn. För radiell ventilation och kylning med luft uppdelas plàtkärnan, åtminstone för mellanstora och stora maskiner, i paket med radiella och axiella ventilationskanaler anordnade i kärnan. Kylluften kan bestà av omgivningsluft, men vid effekter överstigande 1 MW används huvudsakligen ett slutet kylsystem med värmeväxlare.

Vätekylning används normalt i turbogeneratorer upp till ca 400 MW och i stora synkronkondensatorer. Kylmetoden fungerar pà sama sätt som vid luftkylning med värme- växlare, men i stället för luft som kylmedel används vätgas. Vätgasen har bättre kylförmàga än luft, men svårigheter uppstàr vid tätningar och vid läcköver- 10 15 20 25 30 35 523 099 3 vakning. För turbogeneratorer i effektomràdet 500-1000 MW är det känt att tillämpa Vattenkylning av bade Kylkanalerna är statorlindningen och rotorlindningen. i form av rör som placeras inne i ledarna i stator- lindningen.

Ett problem med stora maskiner är att kylningen tenderar att bli ojämn och att därför temperaturskillnader uppstår över maskinen.

Statorlindningen är belägen i spar i plàtkärnan, varvid spàren i regel har rektangulärt eller trapetsformat tvärsnitt. Varje lindningsfas omfattar ett antal serie- kopplade härvgrupper och varje härvgrupp omfattar ett antal seriekopplade härvor. De olika delarna av härvan betecknas härvsida för den del som är placerad i statorn och härvända för den del som är belägen utanför statorn.

En härva omfattar en eller fler ledare, sammanförda i höjd och/eller bredd.

Mellan varje ledare finns en tunn isolation, exempelvis epoxi/glasfiber.

Härvan är isolerad fràn spàret med en härvisolation, dvs en isolation avsedd att motstà maskinens märkspänning till jord. Som isolermaterial kan olika plast-, lack- och glasfibermaterial användas. Vanligen används s k glimmerband, som är en blandning av glimer och härd- plast, speciellt framställd för att motstà partiell urladdning, vilket snabbt kan bryta ned isolationen.

Isolationen appliceras pà härvan genom att linda glimmerbandet runt härvan i flera lager. Isolationen impregneras och sedan lackeras härvsidan med en grafitbaserad lack för att förbättra kontakten med den omgivande statorn som är ansluten till jordpotential.

Lindningens ledararea bestäms av den aktuella ström- styrkan och av den använda kylmetoden. Ledaren och härvan 10 15 20 25 30 35 523 099 4 utformas vanligen med rektangulär form för att maximera u o u n I | n. mängden ledarmaterial i spàret. En typisk härva utformas av s k roebelstavar, där vissa av stavarna kan göras ihàliga för ett kylmedel. En roebelstav omfattar ett flertal rektangulära, parallellkopplade kopparledare, som transponeras 360 grader längs spáret. Ringlandstavar med transponeringar om 540 grader och andra transponeringar förekommer ocksa. Transponeringen görs för att undvika att cirkulerande strömmar uppträder, vilka alstras i ett tvärsnitt hos ledarmaterialet, sett fràn magnetfältet.

Av mekaniska och elektriska skäl kan en maskin inte göras i vilken storlek som helst. Maskineffekten bestäms i huvudsak av tre faktorer: - Lindningarnas ledararea. Vid normal drifttemperatur har t ex koppar ett maximalt värde av 3-3,5 A/nmf.

- Den maximala flödesdensiteten (magnetflödet) i stator- och rotormaterialet.

- Den maximala elektriska fältstyrkan i isolermaterialet, den s k genomslagshàllfastheten.

Flerfas växelströmslindningar utförs antingen som en- eller tvàskiktslindningar. Vid enskiktslindningar finns endast en härvsida per spàr, och vid tvàskiktslindningar tvà härvsidor per spàr. Tvàskiktslindningar utförs vanligen som övergàngslindningar, medan i sammanhanget aktuella enskiktslindningar kan utföras som övergångs- lindning eller koncentrisk lindning. Vid övergångs- lindning förekomer endast en härvvidd (eller möjligen tvá härvvidder), medan planlindningar utförs som koncentriska lindningar, dvs med kraftigt varierande härvvidd. Med härvvidd avses avståndet i bàgmàtt mellan tvà härvsidor tillhörande samma härva, antingen i förhållande till aktuell poldelning eller i antal mellanliggande spárdelningar. Vanligen tillämpas olika för att ge varianter av kordning, t ex stegförkortning, lindningen önskade egenskaper. 10 15 20 25 30 35 523 099 5 Lindningstypen beskriver i huvudsak hur härvorna i a a a c a nu spàren, dvs härvsidorna, kopplas ihop utanför statorn, dvs vid härvändarna.

Utanför statorns plàtpaket är härvan inte försedd med ett lackerat, halvledande jordpotentialskikt. Härvändan förses normalt med en E-fältstyrning i form av s k glim- skyddslack avsedd att omvandla ett radiellt fält till ett axiellt fält, vilket medför att isoleringen pà härv- ändarna hamnar pà en hög potential relativt jord. Detta ger ibland upphov till glimning i härvändregionen, vilket kan vara destruktivt. De s k fältstyrande punkterna vid härvändarna innebär problem för en roterande elektrisk maskin.

Normalt utförs alla större maskiner med 2-skiktslindning och lika stora härvor. Varje härva placeras med en sida i ena skiktet och andra sidan i det andra skiktet. Detta innebär att samtliga härvor korsar varandra i härvändan.

Vid flera skikt än tvà försvarar dessa korsningar lind- ningsarbetet och försämrar härvändan.

Det är allmänt känt att anslutning av en synkronmaskin/ generator till ett kraftnät måste ske via en A/Y-kopplad s k upptransformator, eftersom kraftnätets spänning i regel ligger pà en högre nivà än den roterande elektriska maskinens spänning. Denna transformator utgör sàledes tillsammans med synkronmaskinen integrerade delar av en anläggning. Transformatorn utgör en extra kostnad och har också den nackdelen att den totala verkningsgraden i systemet sänks. Om det vore möjligt att tillverka maskiner för väsentligt högre spänningar skulle sàledes upptransformatorn kunna uteslutas.

Under de senaste decennierna har det funnits ett ökande behov av roterande elektriska maskiner för högre spänningar än vad det tidigare varit möjligt att 10 15 20 25 30 35 523 099 6 konstruera för. Den maximala spänningsnivå som enligt o nu oo o teknikens stàndpunkt är möjlig att producera för synkronmaskiner med gott utbyte av härvan är runt 25-30 kV.

Vissa försök till ett nytänkande när det gäller kon- struktion av synkrona maskiner finns beskrivna bl a i en artikel "Water-and-oil-cooled Turbogenerator TVM-300" i J. Elektrotechnika, No 1, 1970, pp 6-8, i US 4,429,244 "Stator of Generator" och i ryska patentskriften CCCP Patent 955369.

Den vatten- och oljekylda synkronmaskinen som beskrivs i J. Elektrotechnika är avsedd för spänningar upp till 20 kV. bestående av olje/pappersisolation, vilket gör det I artikeln beskrivs ett nytt isolationssystem möjligt att helt dränka in statorn i olja. Oljan kan dä användas som kylmedium samtidigt som den används som isolation. För att hindra olja i statorn att läcka ut mot rotorn, finns vid kärnans invändiga yta en dielektrisk oljeseparerande ring. Statorlindningen är tillverkad av ledare med en oval ihàlig form försedda med olje- och pappersisolation. Härvsidorna med sin isolation är fasthàllna i de med rektangulärt tvärsnitt formade spàren med hjälp av kilar. Som kylmedel används olja bàde i de ihàliga ledarna och i häl i statorväggarna. Sådana kylsystem medför dock att det blir ett stort antal kopplingar av bàde olja och elektricitet vid härvändarna.

Den tjocka isolationen innebär också en ökad kröknings- radie pà ledarna vilket i sin tur medför en ökad storlek pà härvutliggningen.

Ovannämnda US-patent avser statordelen hos en synkron- maskin som innefattar en magnetisk kärna av laminerad plàt med trapetsliknande spar för statorlindningen.

Spàren är avtrappade eftersom behovet av isolation av statorlindningen är mindre in mot rotorn där den del av lindningen som befinner sig närmast neutralpunkten är 10 15 20 25 30 35 523 099 7 förlagd. Statordelen innefattar dessutom en dielektrisk oljeseparerande cylinder närmast kärnans inre yta. Denna del kan komma att öka magnetiseringsbehovet relativt en maskin utan denna ring. Statorlindningen är tillverkad av oljeindränkta kablar med samma diameter för varje härv- lager. Lagren är skilda från varandra med hjälp av dis- tanselement i spåren och säkrade med kilar. Det som är speciellt för lindningen är att den består av två vad som kallas halvlindningar kopplade i serie. Den ena av de två halvlindningarna är centrerat placerad inuti en isola- tionshylsa. Statorlindningens ledare är kylda med om- givande olja. Nackdelar med så mycket olja i systemet är läckagerisken och det stora saneringsarbetet som kan bli följden vid ett feltillstånd. De delar av isolations- hylsan som befinner sig utanför spåren har en cylindrisk del och en konisk avslutning förstärkt med strömförande skikt, vars uppgift är att styra den elektriska fält- styrkan i området där kabeln lämnar plåten.

Av CCCP 955369 framgår det i ett annat försök att höja synkronmaskinens märkspänning att den oljekylda stator- lindningen utgörs av en konventionell högspänningskabel med samma dimension för samtliga lager. Kabeln är placerad i statorspår formade som cirkulära radiellt placerade öppningar motsvarande kabelns tvärsnittsyta och nödvändig plats för fixering och kylmedel. De olika radiellt placerade lagren av lindningen omges av och fixeras i isolerande rör. Isolerande distanselement fixerar rören i statorspåret. På grund av oljekylningen behövs också här en inre dielektrisk ring för tätning av oljekylmedlet mot det inre luftgapet. Nackdelarna med olja i det ovan beskrivna systemet gäller också denna konstruktion. Konstruktionen uppvisar också en mycket smal radiell midja mellan de olika statorspåren vilket innebär ett stort spårläckflöde som påtagligt påverkar maskinens magnetiseringsbehov. 10 15 20 25 30 35 523 099 o coon n oc: o nu o oo 8 En rapport fràn Electric Power Research Institute, EPRI, EL-3391, frán 1984 beskriver en översyn av maskinkoncept för att uppnà en högre spänning hos en roterande elektrisk maskin i avsikt att kunna ansluta en maskin till ett kraftnät utan en mellanliggande transformator.

Att döma av undersökningen var en sàdan lösning för att ge goda verkningsgradsvinster och stora ekonomiska fördelar. Huvudskälet för att överväga den är 1984 för att starta utveckling av generatorer för direktanslutning till kraftnät var att vid den tiden hade en supraledande rotor producerats. Den stora magnetiseringskapaciteten hos det supraledande fältet gör det möjligt att använda ett luftgap med tillräcklig isolationstjocklek för att motstå de elektriska pàkänningarna. Genom att kombinera det enligt projektet mest lovande konceptet för konstruktion av en magnetkrets med en lindning, ett s k monolitisk cylinderankare, ett koncept där lindningen omfattar tva ledarcylindrar koncentriskt inneslutna i tre cylindriska isolerhöljen och hela konstruktionen fixerad vid en järnkärna utan tänder, bedömdes det att en roterande elektrisk maskin för hög spänning kunde direktanslutas till ett kraftnät. Lösningen innebar att huvudisolationen mäste göras tillräckligt tjock för att klara av nät-till-nät-och nät-till-jordpotentialer.

Isolationssystemet som, efter genomgång av all den vid den tiden kända tekniken, bedömdes vara nödvändig för att klara en ökning till en högre spänning var det som i regel används för krafttransformatorer och som består av cellulosapresspan impregnerad med dielektrisk vätska.

Uppenbara nackdelar med den föreslagna lösningen är att den, förutom att den kräver en supraledande rotor, också kräver en mycket tjock isolering vilket ökar storleken pà maskinen. Ändlindningarna maste isoleras och kylas med olja eller freoner för att styra de stora elektriska fälten i ändarna. Hela maskinen mäste inneslutas hermetiskt för att förhindra att det flytande dieletriket absorberar fukt frán atmosfären. 10 15 20 25 30 35 523 099 9 Under àrtiondena runt 1930 byggdes nägra generatorer med höga spänningar upp till 36 kV, för att utveckla en generator för direktanslutning till kraftnät. Ett projekt byggde pà att använda ledare av koncentrisk typ, med tre skikt av ledare inneslutna i isolation, där varje skikt kopplades i serie och det inre skiktet var pà den högsta potentialen. I en annan version gjordes de elektriska ledarna av tvinnade kopparband som isolerades med speciella skikt av glimer, lack och papper.

Vid tillverkning av roterande elektriska maskiner enligt teknikens ståndpunkt tillverkas lindningen med ledare och isolationssystem i flera steg, varvid lindningen mäste förformas före montering pà den magnetiska kretsen.

Impregnering för färdigställande av isolationssystemet utförs efter montering av lindningen pà den magnetiska kretsen.

REDoGöRELsE FöR UPPFINNINGEN, FÖRDELAR Syftet med uppfinningen är att ta fram roterande elektriska maskiner med sà hög spänning att den tidigare omtalade A/Y-kopplade upptransformatorn kan uteslutas, dvs man avser maskiner med väsentligt högre spänning än maskiner enligt teknikens stándpunkt för att kunna utföra direktanslutning till kraftnät. Detta betyder avsevärt lägre investeringskostnader för system med en roterande elektrisk maskin och totalverkningsgraden hos systemet kan ökas.

Den roterande elektriska maskinen kan anslutas till ett kraftnät med ett minimum av anslutande delar såsom brytare, frànskiljare osv. I ett system med en roterande maskin direktansluten till ett kraftnät utan mellan- liggande transformator kan anslutningen göras med användande av endast en brytare. 10 15 20 25 30 35 523 099 10 En roterande elektrisk maskin enligt uppfinningen innebär en avsevärt reducerad värmespänning pà statorn. Temporära överbelastningar av maskinen blir sàledes mindre kritiska och det blir möjligt att driva maskinen vid överbelast- ning under längre tid utan att riskera att skada uppstàr.

Detta innebär betydande fördelar för kraftverksägare som för närvarande, vid driftstörningar, tvingas att snabbt övergå till annan utrustning för att garantera de lag- stadgade leveranskraven.

Med en roterande elektrisk maskin enligt uppfinningen kan underhàllskostnaderna reduceras avsevärt eftersom trans- formatorer och brytare inte behöver ingá i systemet för att ansluta maskinen till kraftnätet.

Ett annat syfte med uppfinningen är att àstadkomma en synkronkompensator som ansluts direkt till kraftnätet.

Ett ytterligare syfte med uppfinningen är att kunna tillverka en roterande elektrisk maskin för hög spänning utan något komplicerat utförande av lindningen och utan att behöva impregnera isolationssystemet efter montering av lindningen.

För att öka effekten hos en roterande elektrisk maskin är det känt att strömmen i växelströmshärvorna bör ökas.

Detta har àstadkommits genom att optimera mängden ledande material, dvs genom tätpackning av rektangulära ledare i de rektangulära rotorspàren. Syftet var att hantera den genom detta uppstàende temperaturökningen genom att öka mängden isolermaterial och använda mer temperatur- beständigt och därmed dyrare isolermaterial. Den höga temperaturen och fältbelastningen pà isolationen har också orsakat problem med isolationens livslängd. I de relativt tjockväggiga isolerskikten som används för högspänningsutrustning, exempelvis impregnerade skikt av glimmerband, utgör partiella urladdningar, PD, ett allvarligt problem. Vid tillverkning av dessa isolerskikt uno .- 10 15 20 25 30 35 523 099 11 uppstàr lätt hàligheter, porer och dylikt, i vilka interna koronaurladdningar uppstàr då isolationen utsätts för höga elektriska fältstyrkor. Dessa koronaurladdningar bryter gradvis ned materialet och kan leda till elektriskt genombrott genom isolationen.

Föreliggande uppfinning bygger pa insikten att en ökning av effekten hos en roterande elektrisk maskin pà ett tekniskt och ekonomiskt försvarbart sätt àstadkoms genom att se till att isolationen inte bryts ned genom de ovan beskrivna fenomenen. Detta kan àstadkommas enligt upp- finningen genom att använda som isolerskikt, gjorda pà sànt sätt att risken för kaviteter och porer är minimal, t ex extruderade skikt av ett lämpligt fast isoler- material sàsom termoplaster, tvärbundna termoplaster, gummi sàsom silikongummi eller EP-gummi osv. Dessutom är det viktigt att isolerskiktet innefattar ett inre, ledaren omslutande skikt med halvledande egenskaper och att isolationen också förses med minst ett ytterligare yttre skikt, egenskaper. Det inre halvledande skiktet skall fungera pà omslutande isolationen, med halvledande sà sätt att det utjämnar potentialen hos det elektriska fältet utanför det inre skiktet, och det yttre skiktet skall à ena potentialen genom att anslutas till en utvald potential, sidan fungera pà sà sätt att det utjämnar och à andra sidan genom att innesluta det elektriska fältet runt egenskaper i detta sammanhang är ett material som har en ledarna inom det yttre skiktet. Halvledande avsevärt lägre ledningsförmàga än en elektrisk ledare men som inte har sa làg ledningsförmága att det är en isola- tor. De inre och yttre halvledande skikten kan exempelvis ha en resistivitet inom intervallet 10* Qcm - 100 kQcm.

Genom att enbart använda isolerskikt som kan tillverkas med ett minimum av defekter och dessutom ocksa förse isolationen med ett inre och ett yttre halvledande skikt, kan det garanteras att värmebelastningarna och de elektriska belastningarna reduceras. Den isolerande delen och de halvledande skikten bör vidhäfta vid varandra 10 15 20 25 30 35 523 099 12 längs väsentligen hela deras kontaktytor. Vidare bör de närliggande skikten ha väsentligen samma värmeutvidg- ningskoefficient. Vid temperaturgradienter bör defekter orsakade av olika temperaturutvidgning i isolationen och de omgivande skikten inte uppstå. Den elektriska belastningen på materialet minskar till följd av att de halvledande skikten runt isolationen kommer att utgöra ekvipotentialytor och att det elektriska fältet i den isolerande delen kommer att fördelas relativt jämnt över isolationens tjocklek. Det yttre halvledande skiktet kan anslutas till en vald potential, t ex jordpotential.

Detta betyder att, hölje i hela sin längd kan hållas vid t ex jordpotential. för en sådan kabel, lindningens yttre Det yttre skiktet kan också skäras av vid lämpliga ställen längs ledarens längd och varje avskuren dellängd kan direktanslutas till en vald potential. Runt det yttre halvledande skiktet kan också anordnas andra skikt, höljen och dylikt, såsom en skyddsmantel.

Annan kunskap som vinns i samband med föreliggande uppfinning är att ökad spänningsbelastning leder till problem med elektriska (E) fältkoncentrationer vid hörnen vid ett tvärsnitt av en härva och att detta innebär stora lokala belastningar på isolationen där. Likaså kommer det magnetiska (B) fältet i statortänderna, vid ökad ström- belastning, att koncentreras till hörnen. Detta betyder att den magnetiska mättnaden uppstår lokalt och att magnetkärnan inte utnyttjas till fullo samt att vågformen hos den alstrade spänningen/strömmen kommer att för- vridas. Dessutom kommer virvelströmsförluster orsakade av inducerade virvelströmmar i ledarna, vilka uppstår på grund av ledarnas geometri i relation till B-fältet, att innebära ytterligare nackdelar i ökande strömtätheter. En ytterligare förbättring av uppfinningen åstadkoms genom att göra härvorna och spåren i vilka härvorna placeras väsentligen cirkulära i stället för rektangulära. Genom att göra härvornas tvärsnitt cirkulära, kommer dessa att omges av ett konstant B-fält utan koncentrationer där 10 15 20 25 30 35 523 099 13 magnetisk mättnad kan uppstà. E-fältet i härvan kommer även att fördelas jämnt över tvärsnittet och lokala belastningar pà isolationen reduceras avsevärt. Dessutom är det lättare att placera cirkulära härvor i spàr pà sådant sätt att antalet härvsidor per härvgrupp kan öka och en ökning av spänningen kan äga rum utan att strömmen i ledarna behöver ökas. Orsaken till detta är att kyl- ningen av ledarna underlättas av, à ena sidan, en lägre strömtäthet och därmed lägre temperaturgradienter över isolationen och, à andra sidan, av spàrens cirkulära form vilket innebär en jämnare temperaturfördelning över tvärsnittet. Ytterligare förbättringar kan också àstad- kommas genom att bygga upp ledaren av mindre delar, s k kardeler. Kardelerna kan isoleras fràn varandra och endast ett litet antal kardeler kan lämnas oisolerade och i kontakt med det inre halvledande skiktet för att garantera att detta är pà samma potential som ledaren.

En fördel med att använda en roterande elektrisk maskin enligt uppfinningen är att maskinen kan drivas vid över- belastning under avsevärt längre tidsperiod än vad som är vanligt för sådana maskiner utan att skadas. Detta är en följd av maskinens konstruktion och den begränsade värme- belastningen pà isolationen. Det är exempelvis möjligt att belasta maskinen med upp till 100% överbelastning under en tid överstigande 15 minuter och upp till tvà timmar.

Som synkronkompensator används bl a synkronmotorer utan en ansluten mekanisk belastning. Genom att anpassa magne- tiseringen kan synkronkondensatorn ge antingen induktiv eller kapacitiv kVA. När kompensatorn ansluts till ett kraftnät kan den kompensera för induktiv eller kapacitiv belastning pà nätverket inom en intervall. Eftersom syn- kronkompensatorn màste anslutas till vissa kraftnät med spänningar överstigande ca 20 kV via en transformator, pàverkas omradet hos synkronkompensatorn inom vilket den kan förse kraftnätet med reaktiv effekt av det för- 10 15 20 25 30 35 523 099 14 hàllandet att transformatorns reaktans begränsar för- dröjningsvinkeln mellan ström och spänning. Med en roterande elektrisk maskin enligt uppfinningen är det möjligt att konstruera en synkronkompensator som kan anslutas till ett kraftnät utan en mellanliggande trans- formator och som kan drivas med vald över- eller under- magnetisering för att kompensera för induktiva eller kapacitiva belastningar pà nätverket.

Den roterande elektriska maskinen enligt uppfinningen kan anslutas till en eller fler systemspänningsnivàer. Detta är möjligt pà grund av att det elektriska fältet utanför maskinen kan hàllas vid ett minimum.

Anslutningen till olika systemspänningsnivàer kan àstad- komas genom att ha separat uttag pà en lindning eller genom att ha en separat lindning för anslutningarna till olika systemspänningsnivàer, eller genom kombinationer av dessa arrangemang.

En utföringsform enligt uppfinningen är att den magne- tiska kretsen hos den roterande elektriska maskinen innefattar en lindning av en trädd kabel med en eller flera extruderade isolerade ledare med fast isolation med ett halvledande skikt bàde vid ledaren och höljet. Det yttre halvledande skiktet kan anslutas till jord- potential. För att kunna bemästra problemen som uppstår vid direktanslutning av roterande elektriska maskiner till alla typer av högspända kraftnät har en maskin enligt uppfinningen ett antal särdrag som särskiljer den fràn teknikens ståndpunkt.

Som beskrivits ovan kan en lindning för en roterande elektrisk maskin tillverkas av en kabel med en eller fler extruderade isolerade ledare med ett halvledande skikt bàde vid ledaren och vid höljet. Nàgra typiska exempel är termoplaster eller tvärbundna termoplaster, sàsom t ex PEX-kabel eller en kabel med isolation av gummi säsom 10 15 20 25 30 35 523 099 15 silikongummi eller EP-gummi, varvid ledaren kan vara uppbyggd av kardeler. Det är möjligt att isolera kar- delerna med avseende pà varandra för att sàlunda reducera mängden virvelströmsförluster i ledaren. En eller nàgra kardeler skall lämnas oisolerade för att garantera att de halvledande skikten som omger ledaren är pà samma potential som ledaren.

Det är känt att en högspänningskabel för överföring av elektrisk energi uppbyggs av ledare med fast isolation med en inre och en yttre halvledande del. I processen att överföra elektrisk energi krävs det att isolationen är fri fràn defekter. Vid användning av högspänningskablar för överföring av elektrisk energi har syftet varit att maximera strömen genom kabeln eftersom utrymmet inte är någon begränsning för överföringskabel. Isolering av en ledare för en roterande elektrisk maskin kan appliceras pà någon annat sätt än genom extrusion, t ex genom sprutning, figurformning, formpressning, formsprutning eller dylikt. Det är emellertid viktigt att isolationen inte har nägra defekter genom hela tvärsnittet och att den har liknande termiska egenskaper. De halvledande skikten kan förses med isolationen i samband med att isolationen appliceras pà ledarna. De halvledande skikten kan uppbyggas av en polymer innefattande ett elektriskt ledande element.

Företrädesvis används kablar med cirkulärt tvärsnitt. För att bl a erhälla bättre packningstäthet kan kablar med annat tvärsnitt användas. För att bygga upp en spänning i den roterande elektriska maskinen är kabeln anordnad i flera pà varandra följande varv i spåren i magnetkärnan.

Lindningen kan konstrueras som en flerskikts koncentrisk kabellindning för att minska antalet härvändskorsningar.

Kabeln kan göras med avtrappad isolation för att utnyttja magnetkärnan pà ett bättre sätt, varvid spàrens form kan anpassas till lindningens avtrappade isolation. 10 15 20 25 30 35 523 099 16 En väsentlig fördel med en roterande elektrisk maskin u n n ø u nu enligt uppfinningen är att E-fältet är nära noll i härvändsregionen utanför den yttre halvledaren och att, med ytterhöljet pá jordpotential, det elektriska fältet inte behöver styras. Detta innebär att man inte kan fä nägra fältkoncentrationer, varken inom plàt, i härvänds- regioner eller i övergàngen mellan dessa.

Föreliggande uppfinning avser också ett förfarande för tillverkning av den magnetiska kretsen och i synnerhet lindningen. Förfarandet vid tillverkningen innebär att man förlägger lindningen i spàren genom att träda en kabel in i öppningarna i spàren i magnetkärnan. Eftersom kabeln är flexibel kan den böjas och detta gör det möjligt att placera en kabellängd i flera varv i en härva. Härvändarna kommer dà att bestà av böjzoner i kablarna. Kabeln kan också anslutas pà sà sätt att dess egenskaper förblir konstanta över kabellängden. Detta förfarande innebär avsevärda förenklingar jämfört med teknikens ståndpunkt. De s k roebelstavarna är inte flexibla utan mäste förformas till önskad form.

Impregnering av härvorna är ocksa en synnerligen komplicerad och dyrbar teknik vid tillverkning av roterande elektriska maskiner idag.

Sammanfattningsvis innebär en roterande elektrisk maskin enligt uppfinningen ett betydande antal viktiga fördelar relativt motsvarande maskiner enligt teknikens ständ- punkt. För det första kan den anslutas direkt till ett kraftnät vid alla typer av högspänning. Högspänning i detta avseende är spänningar överstigande 10 kV och upp till de spänningsnivàer som förekommer för kraftnät. En annan viktig fördel är att en vald potential, t ex jordpotential, förs konsekvent längs hela lindningen, vilket betyder att härvändsregionen kan göras kompakt och att stagningsanordningar vid härvändsregionen kan appli- ceras pà i det närmaste jordpotential eller någon annan vald potential. Ytterligare en viktig fördel är att 10 15 20 25 30 35 523 099 17 oljebaserade isolations- och kylsystem försvinner. Detta betyder att inga tätningsproblem kan uppstå och att den tidigare nämnda dielektriska ringen inte behövs. En fördel är också att all forcerad kylning kan ske på jordpotential. En väsentlig utrymmes- och viktbesparing ur anläggningssynpunkt erhålls med en roterande elektrisk maskin enligt uppfinningen eftersom den ersätter ett tidigare anläggningsutförande med både en maskin och en upptransformator. Uppfinningen kräver ingen supraledande rotor med de därmed förknippade problemen, såsom att bibehålla temperaturen, inkapsling osv. Eftersom en upp- transformator kan undvikas ökas systemets verkningsgrad avsevärt.

RITNINGSFÖRTECKNING Figur 1 visar de i den aktuella modifierade standard- kabeln ingående delarna.

Figur 2 visar en utföringsform av en axiell ändvy av en sektor/poldelning hos en magnetkrets enligt uppfinningen.

BESKRIVNING Av UTFÖRINGSFQRMER För att kunna tillverka en magnetkrets i enlighet med redogörelsen för uppfinningen kan lindningen vara i form av en ledarkabel med en fast elektrisk isolation med ett halvledande skikt både vid ledaren och höljet. Sådana kablar finns som standardkablar för andra krafttekniska användningsområden. Inledningsvis skall ges en kortfattad beskrivning av en standardkabel i vilken en utföringsform beskrivs. Den inre strömförande ledaren består av ett antal oisolerade kardeler. Kring kardelerna finns ett halvledande inre hölje. Runt detta halvledande inre hölje finns ett isolerande skikt av fast isolation. Exempel på sådan fast isolation är PEX eller alternativt gummi, såsom silikongummi, termoplaster eller tvärbundna termo- plaster. Detta isolerskikt omges av ett yttre halvledande 10 15 20 25 30 35 523 099 18 skikt som i sin tur omges av en metallskärm och en Q u o | nu mantel. En sàdan kabel kommer nedan att beskrivas som en kraftkabel.

En kabel avsedd som lindning i en roterande elektrisk maskin enligt uppfinningen framgår av figur 1. Kabeln l beskrivs i figuren som innefattande en strömförande ledare 2 som innefattar transponerade bàde oisolerade och isolerade kardeler. Elmaskinmässigt transponerade, fast isolerade kardeler kan också tänkas. Kring ledaren finns ett inre halvledande hölje 3 som i sin tur omges av en fast isolationsdel 4. Denna del omges av ett yttre halvledande skikt 5. Den kabel som används som lindning i den föredragna utföringsformen har ingen metallskärm och yttre mantel. För att undvika inducerade strömmar och därmed förknippade förluster i den yttre halvledaren skärs denna av, företrädesvis i härvänden, dvs i över- gàngarna fràn plàtpaket till härvkorg. Varje avskuren del ansluts sedan till jord varvid den yttre halvledaren kommer att hållas pà eller nästan pà jordpotential i hela kabellängden. Detta innebär att kring den fast isolerade lindningen vid härvändarna, har de beröringsbara, och efter viss tids användning smutsiga ytorna, endast för- sumbara potentialer till jord samt att de även orsakar försumbara elektriska fält.

För att optimera en roterande elektrisk maskin är den magnetiska kretsens utformning vad beträffar spàren respektive tänderna av avgörande betydelse. Som nämnts ovan bör spåren anslutas sà nära härvsidornas hölje som möjligt. Det är ocksa önskvärt att tänderna pá varje radiell nivà är sà breda som möjligt. Detta är viktigt för att minimera maskinens förluster, magnetiseringsbehov mm.

Med tillgàng till en ledare enligt patentkrav 14 och till exempel den ovan beskrivna kabeln, finns stora möjligheter att kunna optimera magnetkärnan ur flera 10 15 20 25 30 35 525 o99;" sauna c c u ø | nu 19 synpunkter. I det följande refereras till en magnetkrets i den roterande elektriska maskinens stator. I figur 2 visas en utföringsform av en axiell ändvy av en sektor/poldelning 6 hos en maskin enligt uppfinningen.

Rotor med rotorpol är betecknad med 7. Statorn är pà konventionellt sätt samansatt av en laminerad kärna av elplàt successivt sammansatt av sektorformade plàtar.

Fràn ett radiellt ytterst beläget ryggparti 8 av kärnan sträcker sig ett antal tänder 9 radiellt in mot rotorn.

Mellan tänderna finns ett motsvarande antal spar 10.

Användning av kablar ll enligt ovan medger bl a att spàrens djup för högspänningsmaskiner kan göras större än vad som har varit möjligt enligt teknikens ståndpunkt.

Spàret har ett mot rotorn avtrappat tvärsnitt eftersom behovet av kabelisolation blir lägre för varje lindningsskikt in mot luftgapet. Som det framgår av figuren bestàr spåret av i huvudsak ett cirkulärt tvärsnitt 12 kring varje skikt hos lindningen med smalare midjepartier 13 mellan skikten. Ett sàdant spàrtvärsnitt kan med viss rätt omtalas som ett "cykelkedjespàr". I det i figur 2 visade utföringsexemplet användes kablar med tre olika dimensioner pà kabelisolationen, anordnade i tre i överensstämmelse därmed dimensionerade sektioner 14, modifierat cykelkedjespàr. Av figuren framgàr också att 15 och 16, dvs i praktiken kommer man att ha ett statortanden kan utformas med en praktiskt taget konstant radiell bredd utmed hela spàrets djup.

Inom ramen för uppfinningen ryms ett stort antal alter- nativa utföringsformer, beroende pà tillgängliga kabel- dimensioner vad isolation och det yttre halvledarskiktet m m beträffar. Även utföringsformer med s k cykelkedje- spàr kan modifieras utöver vad som beskrivits här.

Som nämnts ovan kan den magnetiska kretsen befinna sig i den roterande elektriska maskinens stator och/eller rotor. Den magnetiska kretsens utformning kommer dock i stora drag att motsvara ovanstående beskrivning oberoende 10 15 20 25 30 523 099 20 av om den magnetiska kretsen befinner sig i statorn och/eller rotorn.

Som lindning används företrädesvis en lindning som kan beskrivas som en flerskikts koncentrisk kabellindning. En sàdan lindning innebär att antalet korsningar vid härv- ändarna har minimerats genom att samtliga härvor inom samma grupp har placerats radiellt utanför varandra.

Detta medger också ett enklare förfarande vid tillverk- ningen och trädningen av statorlindningen i de olika spåren.

Uppfinningen är generellt tillämplig pà roterande elektriska maskiner för spänningar överstigande 10 kV.

Roterande elektriska maskiner enligt vad som beskrivits under "Tekniskt område" är exempel pà roterande elektriska maskiner för vilka uppfinningen är tillämplig.

Claims (30)

10 15 20 25 30 35 523 099 21 PATENTKRAV

1. l. Roterande elektrisk maskin för hög spänning inne- fattande en stator, en rotor och lindningar, k ä n n e t e c k n a d av att minst en lindning bestàr av en eller fler strömförande ledare (2), varvid runt varje ledare anordnas ett inre skikt med halvledande egenskaper och runt det inre skiktet anordnas en fast isolerande del och runt den isolerande delen anordnas ett yttre skikt med halvledande egenskaper.

2. Roterande elektrisk maskin enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a d av att det inre halvledande skiktet anordnas pà så sätt att det är i huvudsak pà samma potential som ledaren.

3. Roterande elektrisk maskin enligt patentkrav l eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att det yttre halvledande skiktet anordnas pà sà sätt att det väsentligen utgör en ekvipotentialyta som omger ledaren/ledarna.

4. Roterande elektrisk maskin enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a d av att det yttre halvledande skiktet är anslutet till en vald potential.

5. Roterande elektrisk maskin enligt patentkrav 4, k ä n n e t e c k n a d av att den valda potentialen är jordpotential.

6. Roterande elektrisk maskin enligt patentkrav 4, k ä n n e t e c k n a d av att en separat potential kan väljas för varje separat lindning.

7. Roterande elektrisk maskin enligt patentkrav 1, 2, 3, 4, 5 eller 6, av nämnda halvledande skikt har i huvudsak samma k ä n n e t e c k n a d av att minst ett värmeutvidgningskoefficient som den isolerande delen. o onani 10 15 20 25 30 35 099 22

8. Roterande elektrisk maskin enligt nagot av föregàende 523 patentkrav, k ä n n e t e c k n a d av att den ström- förande ledaren innefattar ett antal kardeler, varvid nämnda kardeler är isolerade fràn varandra utom nagra kardeler som är oisolerade för att säkerställa elektrisk kontakt med det inre halvledande skiktet.

9. Roterande elektrisk maskin enligt nagot av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d av att de halv- ledande skikten som är förlagda runt ledaren är fast fixerade vid närliggande isolerande del längs väsentligen hela dess kontaktyta.

10. Roterande elektrisk maskin med magnetkrets för hög spänning innefattande en magnetkärna och en lindning, k ä n n e t e c k n a d av att minst en lindning omfattar en kabel som innefattar en eller fler strömförande ledare (2), varje ledare bestàr av ett antal kardeler, kring varje ledare anordnas ett inre halvledande skikt (3), kring vilket anordnas ett isolerande skikt (4) av fast, yttre halvledande skikt (5). extruderad isolation, kring vilket anordnas ett

11. ll. Roterande elektrisk maskin för hög spänning enligt patentkrav 10, k ä n n e t e c k n a d av att den magnetiska kretsen är anordnad i den roterande elektriska maskinens stator och/eller rotor.

12. Roterande elektrisk maskin för hög spänning enligt patentkrav 10, k ä n n e t e c k n a d av att det yttre halvledande skiktet (5) är avskuret till ett antal delar vilka separat ansluts till jordpotential.

13. Roterande elektrisk maskin för hög spänning enligt patentkrav 5, 10, 11, eller 12, n a d av att, med anslutning av det yttre halvledande k ä n n e t e c k - skiktet till jordpotential, maskinens elektriska fält 10 15 20 25 30 35 523 099 23 utanför det halvledande skiktet bade i spàren och i härvändsregionen kommer att vara nära noll.

14. Roterande elektrisk maskin för hög spänning enligt patentkrav 10-13, kabeln innefattar flera ledare, k ä n n e t e c k n a d av att, då dessa är transponerade.

15. Roterande elektrisk maskin för hög spänning enligt patentkrav 10-13, strömförande ledaren/ledarna (2) innefattar i ett antal k ä n n e t e c k n a d av att den/de skikt slagna både oisolerade och isolerade kardeler.

16. Roterande elektrisk maskin för hög spänning enligt patentkrav 10-13, k ä n n e t e c k n a d av att den/de strömförande ledaren/ledarna (2) innefattar i ett antal skikt transponerade bade oisolerade och isolerade kardeler.

17. Roterande elektrisk maskin för hög spänning enligt nagot av föregàende patentkrav, k ä n n e t e c k n a d av att spàren (10) är formade som ett antal, axiellt och radiellt utanför varandra gàende, cylindriska öppningar (12) med i huvudsak cirkulärt tvärsnitt àtskilda av ett smalare midjeparti (13) mellan de cylindriska öppningarna.

18. Roterande elektrisk maskin med magnetkrets för hög spänning enligt patentkrav 17, k ä n n e t e c k - n a d av att det i huvudsak cirkulära tvärsnittet hos spärens cylindriska öppningar (12), fràn ett ryggparti (8) hos plàtkärnan räknat, är utformat med en kon- tinuerligt minskande radie.

19. Roterande elektrisk maskin med magnetkrets för hög spänning enligt patentkrav 17, k ä n n e t e c k - n a d av att det i huvudsak cirkulära tvärsnittet hos spàrens cylindriska öppningar (12), fràn ett ryggparti 10 15 20 25 30 35 523 099 24 (8) hos plàtkärnan räknat, är utformat med en diskon- tinuerligt minskande radie.

20. Roterande elektrisk maskin för hög spänning innefattande en stator, en rotor och lindningar, k ä n n e t e c k n a d av att minst en lindning bestàr av en eller fler härvor och att de strömförande ledarna som ingar i varje härva är omgivna av isolation och att mellan ledaren/ledarna och isolationen anordnas ett inre skikt som utjämnar potentialen hos det elektriska fältet utanför det inre skiktet samt att kring isolationen som omger ledaren/ledarna anordnas ett yttre skikt utgörande en ekvipotentialyta omgivande ledaren/ledarna vid bade härvsidan och härvändan.

21. Roterande elektrisk maskin enligt nagot av patentkrav 1-20, elektriska maskinen är anslutbar till en eller fler k ä n n e t e c k n a d av att den roterande systemspänningsnivàer.

22. Roterande elektrisk maskin enligt patentkrav 21, k ä n n e t e c k n a d av att en lindning är försedd med separata uttag för anslutning till olika systemspännings- nivåer.

23. Roterande elektrisk maskin enligt patentkrav 21 eller 22, till en systemspänningsnivà anordnas en separat lindning. k ä n n e t e c k n a d av att för en anslutning

24. Roterande elektrisk maskin enligt patentkrav 21, 22 eller 23, roterande elektriska maskinen, utbyte av elektrisk energi k ä n n e t e c k n a d av att, via den mellan tva eller fler elektriska system av olika spänningar medges.

25. Förfarande vid tillverkning av en roterande elektrisk maskin enligt nàgot av patentkraven 1-24, innefattande en magnetkärna som innefattar spàr, kanaler och dylikt, där 10 15 20 25 30 35 523 099 25 dessa spàr har minst en öppning àtkomlig fràn utsidan av non no magnetkärnan, samt lindningar, k ä n n e t e c k n a t av att minst en lindning träs in i en öppning pà så sätt att lindningen utformas medan den monteras.

26. Förfarande vid tillverkning av en magnetkrets för en roterande elektrisk maskin enligt nàgot av patentkraven l-24, där magnetkretsen anordnas i den elektriska maskinens stator och/eller rotor, vilken magnetkrets innefattar en magnetkärna (8) med spar (10) för en lindning (l) och där spàren utformas som cylindriska öppningar (12), som sträcker sig axiellt och radiellt utanför varandra, med ett i huvudsak cirkulärt tvärsnitt, och att förfarandet k ä n n e t e c k n a s av att lindningen innefattar en kabel som träs i de cylindriska öppningarna.

27. Användning av en roterande elektrisk maskin enligt nàgot av föregående patentkrav, vid vilken maskinen kan drivas med upp till 100% överbelastning under en period överstigande 15 minuter och upp till omkring tvà timmar.

28. Användning av en roterande elektrisk maskin enligt nagot av föregående patentkrav, vid vilken den roterande elektriska maskinen är direktansluten till ett kraftnät via anslutande anordningar och utan mellanliggande transformator mellan maskinen och nätet.

29. Användning av en roterande elektrisk maskin enligt nagot av patentkrav 1-24, vid vilken spännings- regleringen av den roterande elektriska maskinen utförs genom styrning av magnetfältsflödet genom rotorn.

30. Användning av en roterande elektrisk maskin enligt nàgot av patentkrav l-24, vid vilken maskinen kan drivas utan mekanisk belastning och vid vilken maskinen är anordnad för kompensering av induktiv eller kapacitiv belastning pà nätet.