ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ КОМПЕНСАЦИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2003 года по МПК H02J3/18 H02K17/28 H02K3/40 

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для последовательной компенсации в электрической машине переменного тока, присоединенной непосредственно или через статический преобразователь тока к трехфазной сети для распределения или передачи энергии, где статорная обмотка машины переменного тока соединена звездой. Изобретение также относится к вращающейся электрической машине, снабженной устройством для последовательной компенсации.

Изобретение относится, главным образом, к электрическим машинам переменного тока, предназначенным для использования в качестве генераторов на электростанциях для производства электрической энергии. Типичный рабочий диапазон их напряжений может быть от 36 до 800 кВ, так что они могут быть присоединены непосредственно ко всем типам высоковольтных электрических сетей. Это возможно благодаря использованию высоковольтных изолированых электрических проводников с твердой изоляцией, подобных кабелям для передачи электрической энергии, в дальнейшем называемых высоковольтными кабелями. Кабель также снабжен внешним полупроводящим слоем, с помощью которого может быть установлен его потенциал по отношению к окружающей среде.

Из патента США N 5036165 известен проводник, в котором имеются внутренний и внешний слои изоляции из полупроводящего пиролитического стекловолокна. Известно также использование проводников с такой изоляцией в электрическом генераторе, как описано, например, в патенте США N 5066881, где слой из полупроводящего пиролитического стекловолокна находится в контакте с двумя параллельными стержнями, образующими проводник, а изоляция в пазах статора окружена внешним слоем полупроводящего пиролитического стекловолокна. Пиролитическое стекловолокно считается подходящим, так как оно сохраняет свое удельное сопротивление даже после пропитки.

Последовательная компенсация как в высоковольтных линиях передачи, так и в распределительных сетях известна. Также хорошо известно, что токи, индуцированные магнитным полем Земли, могут вызвать вредный нагрев в электрических сетях с непосредственным заземлением.

Из патента США N 4341989 известно устройство для фазовой компенсации многофазной вращающейся электрической машины переменного тока путем соединения емкостного элемента с высокопотенциальной стороной обмотки последовательно или параллельно с каждой фазной обмоткой.

Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать новый способ и новое устройство, позволяющие уменьшить реактивное сопротивление системы путем последовательной компенсации машины переменного тока, а также предотвратить появление токов, индуцированных магнитным полем Земли.

Эта цель достигается посредством способа и устройства, описанных во вводной части и имеющих признаки, определенные в п.1 и п.2 формулы изобретения соответственно.

Согласно изобретению компенсация выполняется на низкопотенциальной стороне обмоток, так что могут быть использованы конденсаторы с низковольтной изоляцией, что в высоковольтных магистральных сетях невозможно при последовательной компенсации известным способом. Следовательно, в устройстве согласно изобретению могут быть использованы менее дорогие конденсаторы, так как они защищены самой машиной и присоединены к нейтральной точке, которая находится под низким потенциалом по отношению к земле. Это решение особенно полезно для того типа машин, к которому имеет отношение настоящее изобретение, так как их высокопотенциальная сторона предназначена для непосредственного присоединения к высоковольтным электрическим сетям.

В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения устройства согласно изобретению параллельно с конденсаторами включено средство защиты их от перенапряжений, которые могут возникать при замыканиях.

Согласно второму предпочтительному варианту выполнения устройства согласно изобретению между общей точкой соединения конденсаторов и точкой заземления распределительной или магистральной сети расположен режекторный фильтр, возможно с низкоомным резистором, включенным между режекторным фильтром и точкой заземления. Этот резистор может быть резистором нейтрали, рассчитанным на безопасный ток замыкания на землю величиной в несколько десятков ампер. Замыкание на землю в машине переменного тока или генераторе способно вызвать ток замыкания на землю через этот резистор, но путем контроля тока замыкания на землю могут быть приняты меры для отключения генератора или, возможно, неисправной фазы.

С точки зрения электрической сети любое увеличение переходного реактивного сопротивления машины может также быть эффективно скомпенсировано подобным образом.

В машине, выполненной согласно изобретению, обмотки предпочтительно выполнены из кабелей, имеющих твердую, сформированную путем экструзии, изоляцию и в настоящее время используемых для энергоснабжения, например кабелей с изоляцией из полиэтилена с межмолекулярными связями или кабелей с изоляцией из этиленпропиленового каучука. Такие кабели являются гибкими, что в данном контексте важно, поскольку технология создания устройства согласно изобретению базируется, прежде всего, на системах намотки, в которых обмотка формируется из кабеля, который в процессе сборки сгибают. Гибкость кабеля с изоляцией из полиэтилена с межмолекулярныни связями обычно соответствует радиусу кривизны приблизительно 20 см для кабеля с диаметром 30 мм и радиусу кривизны приблизительно 65 см для кабеля с диаметром 80 мм. В настоящем описании термин "гибкий" используется для указания на то, что обмотку можно согнуть до радиуса кривизны, приблизительно в четыре раза превышающего диаметр кабеля, а предпочтительно - от восьми до двенадцати раз.

Обмотки конструируются так, чтобы они сохраняли свои свойства даже тогда, когда изогнуты и испытывают температурные нагрузки во время эксплуатации. Очень важно, чтобы при этом сохранялась адгезия между слоями. Свойства материалов, из которых изготовлены слои, являются здесь решающими, особенно их упругость и относительные коэффициенты теплового расширения. Например, в кабеле с изоляцией из полиэтилена с межмолекулярными связями изолирующий слой состоит из полиэтилена с низкой плотностью с межмолекулярными связями, а полупроводящие слои состоят из полиэтилена с примесью сажи и металлических частиц. Изменения объема в результате температурных флуктуаций полностью поглощаются изменением радиуса кабеля и, благодаря сравнительно небольшому различию между коэффициентами теплового расширения слоев и при соответствующей упругости этих материалов, радиальное расширение может иметь место без нарушения адгезии между слоями.

Описанные выше комбинации материалов должны рассматриваться только в качестве примеров. Очевидно, что и другие комбинации материалов, удовлетворяющие описанным требованиям, а также являющиеся полупроводящими, то есть имеющими удельное сопротивление в диапазоне 10^-1-10⁶ Ом•см, например 1-500 Ом•см или 10-200 Ом•см, также находятся в рамках изобретения.

Изолирующий слой может состоять, например, из твердого термопластичного материала, например полиэтилена с низкой плотностью, полиэтилена с высокой плотностью, полипропилена, полибутилена, полиметилпентена, материалов с межмолекулярными связями, например полиэтилена с межмолекулярными связями, или каучука, например этиленпропиленового каучука или силиконового каучука.

Внутренний и внешний полупроводящие слои могут быть выполнены из того же базового материала, в который добавлены частицы проводящего материала, например сажи или металлического порошка.

На механические свойства этих материалов, в частности, на их коэффициенты теплового расширения, относительно слабо влияет примесь сажи или металлического порошка, по меньшей мере в количестве, требуемом для достижения проводимости, необходимой согласно изобретению. Таким образом, изолирующий слой и полупроводящие слои имеют по существу одинаковые коэффициенты теплового расширения.

Подходящими полимерами для создания полупроводящих слоев могут являться сополимеры этилен-винил-ацетат / нитрильный каучук, полиэтилен, привитый бутил-каучуком, сополимеры этилен-бутил-акрилат и сополимеры этилен-этил-акрилат.

Даже когда в качестве основы в различных слоях используются различные типы материала, желательно, чтобы их коэффициенты теплового расширения были по существу одинаковыми. Именно это и имеет место для комбинаций материалов, перечисленных выше.

Материалы, перечисленные выше, имеют относительно хорошую упругость, их модуль упругости Е меньше 500 МПа, предпочтительно меньше 200 МПа.

Такая упругость достаточна для того, чтобы любые незначительные различия между коэффициентами теплового расширения материалов слоев поглощались в радиальном направлении за счет упругости материала, чтобы не появлялось никаких трещин или других повреждений и слои не отходили друг от друга. Материал слоев является упругим, а адгезия между слоями по меньшей мере не меньше, чем прочность наименее прочного из материалов.

Проводимость двух полупроводящих слоев достаточна по существу для выравнивания потенциала вдоль каждого слоя. Проводимость внешнего полупроводящего слоя достаточно велика, чтобы удерживать электрическое поле в кабеле, но достаточно мала, чтобы не вызвать существенных потерь из-за индуцированных токов в направлении вдоль слоя.

Таким образом, каждый из двух полупроводящих слоев по существу образует одну эквипотенциальную поверхность, и обмотка с такими слоями по существу удерживает электрическое поле внутри себя.

Естественно, что один или более дополнительных полупроводящих слоев могут быть размещены в изолирующем слое.

Чтобы объяснить изобретение более подробно, вариант осуществления устройства согласно изобретению будет описан со ссылкой на сопровождающие чертежи, где фиг.1 показывает варианты выполнения устройства согласно изобретению, а фиг.2 показывает поперечное сечение высоковольтного кабеля, используемого во вращающейся электрической машине согласно изобретению.

Фиг.1 показывает машину 2 переменного тока в виде генератора, напряжения фаз которого подключены непосредственно к сети 6 через разъединители и выключатели 4. Средства 8 защиты от перенапряжений и устройства 10 для измерения тока также находятся на выходной стороне генератора 2.

Статорная обмотка генератора 2 соединена звездой и конденсатор 14 последовательной компенсации включен в каждую из фаз на низковольтной стороне обмотки. Режекторный фильтр 16 подключен к общей точке соединенных звездой конденсаторов, а резистор 18 нейтрали присоединен к точке 20 заземления сети 6. Устройства 22, 24 для измерения тока также находятся на этой стороне генератора 2.

Последовательным включением конденсатора 14 в каждую из фаз достигается последовательная компенсация реактивного сопротивления машины 2 переменного тока, в результате чего снижается реактивное сопротивление системы.

Средство 26 защиты от перенапряжений и сопротивление R включены для того, чтобы защитить конденсаторы 14 в случае короткого замыкания.

Фильтр 16 не имеет непосредственного отношения к изобретению и не будет описываться более подробно.

Резистор 18 в цепи нейтрали имеет такую величину, чтобы при замыканиях обеспечить ограничение тока на землю до безопасной величины в несколько десятков ампер. Замыкание на землю в генераторе 2 может привести к протеканию тока замыкания через резистор 18, и контроль этого тока дает возможность принять меры для отключения генератора или, возможно, аварийной фазы.

В альтернативном случае генератор 2 может быть присоединен к сети через преобразователь 28, как показано на фиг.1.

Обмотки возбуждения генератора на фиг.1 не показаны.

Фиг.2 показывает поперечное сечение высоковольтного кабеля 29, используемого во вращающейся электрической машине согласно изобретению. Высоковольтный кабель 29 содержит ряд жил 31, например из меди, имеющих круглое поперечное сечение. Эти жилы 31 расположены в середине высоковольтного кабеля 29. Вокруг жил 31 находится первый полупроводящий слой 32. Вокруг первого полупроводящего слоя 32 находится изолирующий слой 33, например из полиэтилена с межмолекулярными связями, а вокруг изолирующего слоя 33 находится второй полупроводящий слой 34.

Использование: в устройствах распределения и передачи энергии, для последовательной компенсации во вращающихся электрических машинах переменного тока, присоединенных непосредственно или через статический преобразователь тока к трехфазной распределительной или магистральной сети, где статорная обмотка машины переменного тока соединена звездой, емкостная на основной частоте напряжения цепь включена в каждой фазе между низковольтной стороной обмотки и точкой заземления распределительной или магистральной сети. Технический результат заключается в уменьшении реактивного сопротивления системы, а также в предотвращении появления токов, индуцированным магнитным полем Земли. 3 с. и 12 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ последовательной компенсации во вращающихся электрических машинах (2) переменного тока, присоединенных непосредственно или через статический преобразователь (28) тока к трехфазной распределительной или магистральной сети (6), где статорная обмотка машины переменного тока соединена звездой, отличающийся тем, что в каждой фазе между низковольтной стороной обмотки и точкой (20) заземления распределительной или магистральной сети (6) включают цепь, (14) являющуюся емкостной на основной частоте напряжения. 2. Устройство для последовательной компенсации во вращающихся электрических машинах (2) переменного тока, присоединенных непосредственно или через статический (28) преобразователь тока к трехфазной распределительной или магистральной сети (6), где статорная обмотка машины переменного тока соединена звездой, отличающееся тем, что в каждой фазе между низковольтной стороной обмотки и точкой (20) заземления распределительной или магистральной сети (6) включена цепь, (14) являющаяся емкостной на основной частоте напряжения. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что каждая указанная емкостная цепь содержит конденсатор (14). 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что параллельно конденсаторам (14) включено средство (26) защиты от перенапряжений. 5. Устройство по любому из пп. 2-4, отличающееся тем, что между общей точкой соединенных звездой конденсаторов (14) и точкой (20) заземления распределительной или магнитной сети (6) включен режекторный фильтр (16). 6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что между режекторным фильтром (16) и точкой (20) заземления распределительной или магистральной сети (6) включен низкоомный резистор (18). 7. Вращающаяся электрическая машина, имеющая обмотки, уложенные в пазах статора, отличающаяся тем, что обмотки намотаны с использованием высоковольтного кабеля, а машина снабжена устройством, выполненным согласно любому из пп. 2-6. 8. Машина по п. 7, отличающаяся тем, что высоковольтный кабель содержит сердцевину, имеющую множество жил, внутренний полупроводящий слой, окружающий указанную сердцевину, изолирующий слой, окружающий указанный внутренний полупроводящий слой, и внешний полупроводящий слой, окружающий указанный изолирующий слой. 9. Машина по п. 8, отличающаяся тем, что высоковольтный кабель имеет диаметр в пределах 20-200 мм и площадь поперечного сечения проводника в пределах 80-3000 мм². 10. Машина по любому из пп. 7-9, отличающаяся тем, что кабель является гибким, а слои прилегают друг к другу. 11. Машина по любому из пп. 7-10, отличающаяся тем, что упомянутые слои выполнены из материалов, имеющих такую упругость и такие коэффициенты теплового расширения, что изменения объема слоев, вызванные флуктуациями температуры во время работы, поглощаются за счет упругости материалов, так что слои сохраняют свою адгезию друг к другу при флуктуациях температуры, которые имеют место во время работы. 12. Машина по любому из пп. 7-11, отличающаяся тем, что материалы упомянутых слоев имеют высокую упругость, предпочтительно с модулем упругости менее чем 500 МПа, наиболее предпочтительно - менее 200 МПа. 13. Машина по любому из пп. 7-12, отличающаяся тем, что коэффициенты теплового расширения материалов упомянутых слоев по существу одинаковые. 14. Машина по любому из пп. 7-13, отличающаяся тем, что адгезия между слоями имеет по меньшей мере ту же величину, что и прочность наименее прочного из материалов. 15. Машина по любому из пп. 7-14, отличающаяся тем, что каждый из полупроводящих слоев по существу образует одну эквипотенциальную поверхность.

Приоритет по пунктам:
03.02.1997 - по пп. 1-9;
28.11.1997 - по пп. 10-15