Гидрогенераторная установка
Номер патента: 1440
Опубликовано: 23.04.2001
Авторы: Нюгрен Ян-Андерс, Кальдин Ханс-Олоф, Хёллеланд Монс, Кюландер Гуннар, Лейён Матс, Давидссон Гуннар, Темплин Петер, Берггрен Сёрен, Ертмар Ларс, Иварсон Клаэс, Рюдхольм Бенгт, Берггрен Бертиль, Сёренсен Эрланд, Херннес Бо, Карстенсен Петер, Ларссон Бертиль
Формула / Реферат
1. Гидрогенераторная установка, содержащая, по меньшей мере, одну высоковольтную вращающуюся электрическую машину (100), в которой генератор (100) соединен с турбиной (102) через вал (101) и содержит, по меньшей мере, одну обмотку, при этом обмотка содержит высоковольтный кабель с системой изоляции, включающей, по меньшей мере, два полупроводящих слоя, каждый из которых образует по существу эквипотенциальную поверхность, и промежуточную твердую изоляцию, причем каждая обмотка через соединительные элементы (109) непосредственно связана с магистральной или распределительной сетью (110), имеющей напряжение между 20 и 800 кВ, предпочтительно - выше 36 кВ.
2. Гидрогенераторная установка по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один из слоев имеет по существу тот же коэффициент теплового расширения, что и твердая изоляция.
3. Гидрогенераторная установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что генератор содержит магнитную цепь с магнитным сердечником.
4. Гидрогенераторная установка по п.3, отличающаяся тем, что магнитный поток в сердечнике магнитной цепи проходит через листовые пластины, и/или литое железо, и/или железо на основе порошка, и/или штампованное начерно железо.
5. Гидрогенераторная установка по одному из пп.1-4, отличающаяся тем, что твердая изоляция размещена в высоковольтном кабеле (6), включающем один или более токонесущих проводников (31), окруженных, по меньшей мере, двумя полупроводящими слоями (32, 34), и промежуточные изолирующие слои (33) из твердой изоляции.
6. Гидрогенераторная установка по п.5, отличающаяся тем, что самый внутренний полупроводящий слой (32) находится по существу под тем же потенциалом, что и указанные проводник или проводники (31).
7. Гидрогенераторная установка по п.5 или 6, отличающаяся тем, что один из внешних полупроводящих слоев (34) выполнен так, что образует по существу эквипотенциальную поверхность, окружающую указанные проводник или проводники (31).
8. Гидрогенераторная установка по п.7, отличающаяся тем, что на указанный внешний полупроводящий слой (34) подан заданный потенциал.
9. Гидрогенераторная установка по п.8, отличающаяся тем, что заданный потенциал является потенциалом земли.
10. Гидрогенераторная установка по одному из пп.5-9, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, два из указанных слоев имеют по существу одинаковый коэффициент теплового расширения.
11. Гидрогенераторная установка по одному из пп.5-7, отличающаяся тем, что токонесущий проводник содержит множество жил, только некоторые из которых не изолированы друг от друга.
12. Гидрогенераторная установка по одному из пп.1-11, отличающаяся тем, что обмотка выполнена из кабеля, включающего один или более токонесущих проводников (2), каждый из которых содержит множество жил, причем вокруг каждого проводника имеется внутренний полупроводящий слой (3), вокруг каждого внутреннего полупроводящего слоя (3) имеется изолирующий слой (4) из твердой изоляции, а вокруг каждого изолирующего слоя (4) имеется внешний полупроводящий слой (5).
13. Гидрогенераторная установка по п.12, отличающаяся тем, что кабель содержит также металлический экран и оболочку.
14. Гидрогенераторная установка по одному из пп.1-13, отличающаяся тем, что статор (1) охлаждается под потенциалом земли посредством потока газа и/или жидкости.
15. Гидрогенераторная установка по одному из пп.1-14, отличающаяся тем, что на самый внешний полупроводник (34) подан потенциал земли.
16. Гидрогенераторная установка по одному из пп.1-15, отличающаяся тем, что ротор (2) индуктивно связан с высоким напряжением.
17. Гидрогенераторная установка по п.16, отличающаяся тем, что ротор (2) имеет цилиндрическую форму, явно выраженные полюсы и постоянный воздушный зазор.
18. Гидрогенераторная установка по п.17, отличающаяся тем, что обмотка статора имеет целое число пазов на полюс и фазу.
19. Гидрогенераторная установка по п.17, отличающаяся тем, что обмотка статора имеет дробное число пазов на полюс и фазу.
20. Гидрогенераторная установка по п.18 или 19, отличающаяся тем, что статор имеет сосредоточенную обмотку, а катушки в обмотке имеют шаг обмотки, равный полюсному шагу.
21. Гидрогенераторная установка по п.18 или 19, отличающаяся тем, что катушки в обмотке статора являются распределенными и имеют шаг обмотки, отличающийся от полюсного шага.
22. Гидрогенераторная установка по одному из пп.5-21, отличающаяся тем, что кабели (6) с твердой изоляцией имеют площадь проводящей области между 40 и 3000 мм2 и внешний диаметр кабеля между 20 и 250 мм.
23. Гидрогенераторная установка по п.22, отличающаяся тем, что кабель (6) охлаждается газом или жидкостью, проходящими внутри токонесущих проводников (31).
24. Гидрогенераторная установка по одному из пп.1-23, отличающаяся тем, что электрический генератор (100) рассчитан на высокие напряжения и выполнен так, чтобы подавать электроэнергию во внешнюю электрическую сеть (110) непосредственно, без какого-либо промежуточного трансформатора.
25. Гидрогенераторная установка по одному из пп.1-24, отличающаяся тем, что содержит несколько генераторов, в каждом из которых отсутствует отдельный повышающий трансформатор, но которые через системный трансформатор, общий для всех генераторов, связаны с распределительной или магистральной сетью.
26. Гидрогенераторная установка по п.24, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один генератор (100) заземлен через некоторый импеданс (103).
27. Гидрогенераторная установка по п.24, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один генератор (100) заземлен непосредственно.
28. Гидрогенераторная установка по одному из пп.24-27, отличающаяся тем, что она предназначена для работы либо в качестве насосной, либо в качестве турбинной установки, причем электрическая машина (100) способна функционировать как двигатель, который питается непосредственно от электросети (110), или как генератор, генерирующий напряжение для электросети.
29. Гидрогенераторная установка по п.24, отличающаяся тем, что генератор способен генерировать электроэнергию с различными уровнями напряжения.
30. Гидрогенераторная установка по п.29, отличающаяся тем, что один из указанных уровней напряжения предназначен для генерации вспомогательной электроэнергии, которая генерируется отдельной обмоткой (119, 113) в генераторе (100).
31. Гидрогенераторная установка по одному из пп.1-30, отличающаяся тем, что все компоненты заземлены с помощью одной системы заземления.
32. Гидрогенераторная установка по одному из пп.1-31, отличающаяся тем, что обмотка генератора выполнена с авторегулировкой возбуждения и не содержит вспомогательных средств управления возбуждением.
33. Способ изготовления установки, выполненной согласно одному из пп.1-32, согласно которому статор генератора доставляют на место установки по частям, при этом указанные части включают отдельные пластины статора и/или собранные пакеты пластин статора, после чего указанные части собирают на месте, причем намотку и необходимые соединения выполняют на месте.
34. Высоковольтный электрический генератор (100), входящий в гидрогенераторную установку, в которой генератор (100) соединен с турбиной (102) через вал (101) и содержит, по меньшей мере, одну обмотку, при этом обмотка содержит высоковольтный кабель с системой изоляции, включающей, по меньшей мере, два полупроводящих слоя, каждый из которых образует по существу эквипотенциальную поверхность, и промежуточную твердую изоляцию, причем каждая обмотка через соединительные элементы (109) непосредственно связана с магистральной или распределительной сетью (110), имеющей напряжение между 20 и 800 кВ, предпочтительно - выше 36 кВ.
35. Высоковольтный электрический генератор по п.34, отличающийся тем, что он обладает признаками, указанными для генератора, входящего в установку, выполненную согласно любому из пп.2-32.
36. Способ изготовления генератора, выполненного согласно п.34 или 35, согласно которому указанное изготовление включает операции сборки генератора, указанные в п.33.
Текст
1 Область техники Настоящее изобретение относится к гидрогенераторной установке, описанной в ограничительной части формулы изобретения и предназначенной для подсоединения к распределительным или магистральным сетям, в дальнейшем называемым электросетями. Изобретение относится также к высоковольтному электрическому генератору для гидрогенераторной установки, имеющей вышеупомянутое назначение. Кроме того, изобретение относится к способу сборки такой установки и способу изготовления такого генератора. Магнитные цепи в электрических генераторах обычно содержат пластинчатый сердечник, например, из листовой стали, сварной конструкции. Чтобы обеспечить вентиляцию и охлаждение, сердечник часто разделяется на пакеты с радиальными и/или осевыми вентиляционными каналами. Для больших машин пластины штампуются в виде сегментов, которые прикрепляются к станине машины, причем пластинчатый сердечник соединяется в одно целое с помощью сжимающих пальцев и уплотняющих колец. Обмотка магнитной цепи располагается в пазах сердечника, причем пазы обычно имеют поперечное сечение в виде прямоугольника или трапеции. В многофазных электрических генераторах обмотки выполняются как однослойные или двуслойные. При однослойных обмотках на паз приходится только одна боковая сторона катушки, в то время как при двуслойных обмотках на один паз приходятся две боковые стороны катушки. Под боковой стороной катушки понимается один или более проводников, объединенных вертикально или горизонтально и снабженных общей изоляцией катушки, т.е. изоляцией, способной выдержать расчетное напряжение генератора по отношению к земле. Двуслойные обмотки обычно выполняют как равносекционные обмотки, в то время как однослойные обмотки в настоящем контексте могут быть равносекционными или плоскими обмотками. В равносекционных обмотках существует только одна ширина катушки (возможно,две), в то время как плоские обмотки выполняются как концентрические обмотки, т.е. с изменяющейся в широких пределах шириной катушки. Под шириной катушки понимается угловое расстояние между двумя боковыми сторонами одной и той же катушки. Обычно все большие машины делаются с двуслойными обмотками и катушками одинакового размера. Каждая катушка помещается одной боковой стороной в один слой, а другой боковой стороной - в другой слой. Это означает,что все катушки пересекаются в торце катушки. Если число слоев больше двух, то эти пересечения усложняют обмоточные работы и торец катушки оказывается менее качественным. 2 Считается, что катушки для вращающихся генераторов могут изготавливаться с хорошими результатами в диапазоне напряжений 3-20 кВ. Известно также, что подсоединение синхронной машины к электросети должно выполняться с помощью включенного по схеме треугольник/звезда или повышающего трансформатора, так как напряжение электросети обычно выше, чем напряжение, которого до настоящего времени можно было достигнуть с помощью электрической машины. Таким образом, этот трансформатор и синхронная машина составляли неразделимые части установки. Наличие трансформатора влечет за собой повышение стоимости, а также уменьшает эффективность всей системы. Если бы было возможно изготовить электрические генераторы, рассчитанные на значительно более высокие напряжения, необходимость в повышающем трансформаторе отпала бы. Хотя основной известный способ подачи тока от генератора в высоковольтную сеть, напряжение которой в настоящем описании считается превышающим 20 кВ, а предпочтительно выше 36 кВ, включает использование трансформатора, который устанавливают между генератором и электросетью, уже известны попытки устранить трансформатор и непосредственно создать высокое напряжение, соответствующее уровню электросети. Такие генераторы описаны, например, в патентах США 4429244, 4164672 и 3743867. Однако конструкции машин, выполненные согласно вышеупомянутым публикациям, не обеспечивают оптимального использования электромагнитного материала статора. Сущность изобретения Таким образом, целью изобретения является создание электрического генератора, который может использоваться в гидрогенераторной установке, рассчитанной на такое высокое напряжение, что отпадает необходимость в вышеупомянутом соединенном по схеме треугольник/звезда повышающем трансформаторе, то есть создание установки, в которой электрические генераторы рассчитаны на значительно более высокие напряжения, чем обычные машины соответствующего типа, для того чтобы выполнить непосредственное подключение к электросетям, работающих при любых высоких напряжениях. Согласно изобретению эта цель достигается в установке, описанной в ограничительной части п.1 формулы изобретения, характерные признаки которой определены в отличительной части этого пункта формулы изобретения, в генераторе, описанном в ограничительной части п.34 формулы изобретения, характерные признаки которого определены в отличительной части этого пункта формулы изобретения, и в способе, описанном в ограничительной части пп.33 и 36 формулы изобретения, характерные 3 признаки которого определены в отличительных частях этих пунктов формулы изобретения. Благодаря твердой изоляции, в комбинации с другими определенными признаками,можно осуществить подачу энергии в сеть без использования промежуточного повышающего трансформатора даже при напряжениях сети,значительно превышающих 36 кВ. Тот факт, что твердая изоляция позволяет выполнить обмотки таким образом, что они могут быть непосредственно соединены с высоковольтной сетью таким образом без повышающего трансформатора, обеспечивает большие преимущества по сравнению с известным уровнем техники. Устранение трансформатора само по себе приводит к значительной экономии, но, кроме того, отсутствие трансформатора приводит к некоторым другим упрощениям, что также дает экономию. Гидрогенераторная установка часто бывает расположена в скальной полости, где согласно известному уровню техники устанавливается трансформатор, непосредственно связанный с генератором в скальной полости, либо трансформатор расположен на поверхности на расстоянии в несколько сотен метров и связан с генератором системой электрических шин. По сравнению с первым вариантом, устранение трансформатора позволяет уменьшить объем скальной полости. Устраняется также опасность возникновения пожара, связанная с использованием трансформатора с масляным охлаждением,поэтому сокращается объем средств противопожарной безопасности, например, специальных аварийных выходов для персонала. В альтернативном варианте, когда трансформатор расположен на поверхности, протяженность системы электрических шин увеличивается из-за большего расстояния между генератором и трансформатором. Так как ток в электрических шинах (обычно с алюминиевыми проводниками) значителен и составляет порядка 10-20 кА, потери мощности велики. Кроме того,в системах электрических шин существует опасность двухфазного и трехфазного замыкания, при которых токи значительны. В настоящем изобретении достигаются две главные цели. Потери в электрических шинах уменьшаются благодаря высокому напряжению. Опасность двухфазного и трехфазного замыкания значительно уменьшается из-за использования изолированных высоковольтных кабелей. Сокращение количества электрических компонентов при использовании изобретения означает, что отпадает необходимость в соответствующем оборудовании для обеспечения безопасности. Кроме того, нет необходимости расширять скальную полость для размещения в ней систе 001440 4 мы электрических шин, что дает экономию в несколько тысяч кубических метров скального объема. В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения изобретения, обмотка генератора выполнена с авторегулировкой возбуждения и не содержит вспомогательных средств управления возбуждением. Кроме того, установка, выполненная согласно изобретению, позволяет осуществить несколько соединений с различными уровнями напряжения, то есть изобретение может использоваться для всех вспомогательных мощностей электростанции. В целом преимущества, упомянутые выше,значительно повышают экономичность установки. Ее стоимость, обычно составляющая порядка нескольких сотен миллионов шведских крон, уменьшается на 30-50%. Эксплуатационная экономия повышается за счет меньшей потребности в обслуживании и повышения эффективности на 1-1,5%. При работе в течение 8000 ч/год при уровне выходной мощности 150 МВА,стоимости кВ/ч 0,20 шведских крон и сроке службы 30 лет, экономический эффект составит приблизительно 75-100 миллионов шведских крон на один генератор. В наиболее предпочтительном варианте выполнения установки и генератора соответственно, система твердой изоляции включает, по меньшей мере, два слоя, каждый из которых образует по существу эквипотенциальную поверхность, и промежуточную твердую изоляцию между ними, причем, по меньшей мере,один из слоев имеет по существу тот же коэффициент теплового расширения, что и твердая изоляция. Этот вариант выполнения изобретения представляет практически целесообразный вариант выполнения твердой изоляции, которая оптимальным способом позволяет непосредственно соединить обмотки с высоковольтной сетью и при использовании которой выравнивание коэффициентов теплового расширения устраняет риск дефектов, трещин и т.п. при перемещениях, обусловленных нагреванием обмотки. Должно быть понятно, что обмотки и изолирующие слои являются гибкими, так что их можно сгибать. Следует также отметить, что установка,выполненная согласно изобретению, может быть выполнена с использованием или горизонтальных, или вертикальных генераторов, которые могут быть расположены под землей или над землей. Вышеупомянутые и другие предпочтительные варианты выполнения изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения. Главное и существенное различие между известной технологией и вариантом выполнения 5 установки согласно изобретению состоит в том,что магнитная цепь включена в электрический генератор, который может непосредственно соединяться только через выключатели и разъединители с высоковольтными системами энергоснабжения с напряжением в диапазоне между 20 и 800 кВ, предпочтительно - выше 36 кВ. Магнитная цепь содержит пластинчатый сердечник, имеющий, по меньшей мере, одну обмотку, выполненную из многожильного кабеля с одним или более надежно изолированными проводниками с долговечной изоляцией, имеющими полупроводящий слой на проводнике и снаружи изоляции, причем внешний полупроводящий слой соединен с потенциалом земли. Чтобы решить проблемы, возникающие при прямом соединении электрических машин со всеми типами высоковольтных электрических сетей, генератор в установке согласно изобретению обладает рядом признаков, как упомянуто выше, которые заметно отличаются от известной технологии. Дополнительные признаки и дальнейшие формы осуществления изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения и обсуждаются ниже. Такие признаки, упомянутые выше, и другие существенные свойства генератора и следовательно гидрогенераторной установки, согласно изобретению, включают следующее. Обмотка магнитной цепи выполнена из кабеля, имеющего один или более постоянно изолированных проводников с полупроводящим слоем на проводнике и на оболочке. Некоторыми типичными проводниками такого типа являются кабель с изоляцией из полиэтилена с межмолекулярными связями или кабель с изоляцией из этилен-пропиленового каучука, которые для настоящего изобретения усовершенствованы в отношении жил в проводнике и свойств внешней оболочки. Кабели с круглым поперечным сечением предпочтительны, но могут быть использованы кабели с каким-либо другим поперечным сечением, чтобы получить, например, лучшую плотность монтажа. Такой кабель допускает, чтобы пластинчатый сердечник был сконструирован согласно изобретению новым и оптимальным образом,что касается пазов и зубцов. Обмотка предпочтительно изготавливается со ступенчатой изоляцией для лучшего использования пластинчатого сердечника. Обмотка предпочтительно изготавливается как многослойная концентрическая обмотка кабелем, что дает возможность уменьшить число пересечений торцов катушек. Конструкция паза соответствует поперечному сечению обмоточного кабеля, так что пазы выполняются в форме ряда цилиндрических отверстий, проходящих в осевом и/или радиальном направлениях, одно отдельно от друго 001440 6 го, и имеющих открытый узкий промежуток,проходящий между слоями статорной обмотки. Конструкция пазов приспособлена к соответствующему поперечному сечению кабеля и к ступенчатой изоляции обмотки. Ступенчатая изоляция позволяет магнитному сердечнику иметь в основном постоянную ширину зубца,независимо от радиального положения. Вышеупомянутое дальнейшее развитие в отношении жил кабеля заключается в том, что проводники обмотки состоят из ряда плотно сжатых слоев, т.е. изолированных жил, которые,с точки зрения электрической машины, не обязательно правильно чередовать (неизолированные и/или изолированные) друг с другом. Вышеупомянутое дальнейшее развитие в отношении внешней оболочки заключается в том, что в подходящих точках вдоль длины проводника внешняя оболочка срезается, причем каждый частичный отрезок соединяется непосредственно с потенциалом земли. Использование кабеля описанного выше типа позволяет всю длину внешней оболочки обмотки, а также другие части установки, поддерживать при потенциале земли. Важное преимущество состоит в том, что электрическое поле близко к нулю в области торца катушки снаружи от внешнего полупроводящего слоя. При потенциале земли на внешней оболочке электрическим полем не нужно управлять. Это значит, что никаких концентраций поля не произойдет ни в сердечнике, ни в областях торцов катушек, ни в области перехода между ними. Перемешивание изолированных и/или неизолированных плотно сжатых жил кабеля, или транспонирование жилы, дает в результате низкие потери рассеяния. Кабель для высокого напряжения, используемый в обмотке магнитной цепи, состоит из внутренней сердцевины/проводника с множеством жил, по меньшей мере, двух полупроводящих слоев, причем внутренний слой окружен изолирующим слоем, который в свою очередь окружен внешним полупроводящим слоем, и имеет внешний диаметр порядка 20-200 мм и площадь проводника порядка 40-3000 мм 2. Кроме того, твердая изоляция в генераторе, выполненном согласно изобретению, обеспечивает большие преимущества при изготовлении гидрогенераторной установки. Отсутствие жидкой изоляции означает, что сборка статора генератора не обязательно должна быть полностью завершена на заводе, но вместо этого статор может доставляться по частям и его сборка может производиться на месте. Статор, о котором идет речь, является большим и тяжелым, что приводит к транспортным проблемам при перевозки известных конструкций, поскольку дороги должны быть укреплены и расширены, чтобы выдержать большой вес. Эта проблема устраняется, поскольку статор для генератора может быть доставлен по частям. 7 Таким образом, изобретение относится также к способу, определенному в пп.30 и 33,где эта возможность используется при строительстве гидрогенераторной установки и изготовлении генератора соответственно. Краткое описание чертежей Изобретение будет объяснено более подробно в последующем описании предпочтительного варианта выполнения магнитной цепи электрического генератора для гидрогенераторной установки со ссылками на сопровождающие чертежи, где на фиг. 1 схематично показан вид с торца сектора статора в электрическом генераторе для гидрогенераторной установки, выполненной согласно изобретению; на фиг. 2 - кабель с частичным удалением его элементов, используемый в обмотке статора,выполненного согласно фиг. 1; на фиг. 3 упрощенно, с частичным сечением, показана конструкция гидрогенератора согласно изобретению; на фиг. 4 - схема гидрогенераторной установки согласно изобретению; на фиг. 5 - сечение известной гидрогенераторной установки. Описание предпочтительного варианта выполнения изобретения Для понимания некоторых аспектов преимуществ изобретения обратимся сначала к фиг. 5, где показан пример известной гидрогенераторной установки. В ней имеется трансформаторный зал 501, расположенный на некотором расстоянии от генераторного зала 502,который представляет собой скальную полость,где размещен генератор 503. Генератор 503 связан с трансформатором в трансформаторном зале 501 посредством системы электрических шин 505, установленных в системе 504 туннелей длиной в несколько сотен метров. Установка, выполненная согласно изобретению, полностью устраняет часть, расположенную вправо от линии А-А на фиг. 5, в то время как размеры генераторного зала 502 остаются по существу неизменными. Известная установка без расположенного над землей трансформатора, как показано на фиг. 5, потребовала бы значительно большего генераторного зала 502, чтобы обеспечить место для трансформатора, вспомогательного оборудования и оборудования, обеспечивающего безопасность. На фиг. 3 на сечении через сектор статора 1, выполненного согласно фиг. 1, схематично показан также ротор 2 генератора 100, входящего в гидрогенераторную установку. Статор 1 выполнен известным способом из наборного сердечника. На фиг. 1 показан сектор генератора, соответствующий одному полюсному шагу. От части 3 ярма сердечника, наиболее удаленной в радиальном направлении, в радиальном направлении к ротору 2 идет множество зубцов 4, разделенных пазами 5, в которых уложена 8 обмотка статора. Кабели 6, образующие эту обмотку статора, являются высоковольтными кабелями, которые могут быть по существу того же типа, какие используются для распределения электроэнергии, то есть кабелями с изоляцией из полиэтилена с межмолекулярными связями. Одним из отличий является отсутствие внешней оболочки, защищающей от механических повреждений, и металлического экрана, которые обычно окружают такие кабели для распределения электроэнергии, поэтому кабель для использования согласно настоящему изобретению включает только проводник и, по меньшей мере, один полупроводящий слой с каждой стороны изолирующего слоя. Таким образом, полупроводящий слой, который является чувствительным к механическим повреждениям, лежит на поверхности кабеля оголенным. Кабели 6 на фиг. 1 показаны схематично,причем изображена только проводящая центральная часть каждой части кабеля, или боковой стороны катушки. Как можно видеть, каждый паз 5 имеет переменное поперечное сечение с чередующимися широкими частями 7 и узкими частями 8. Широкие части 7 в основном круглые и окружают кабельную укладку, суженные части между ними образуют узкие части 8. Суженные части служат для фиксации радиального положения каждого кабеля. Поперечное сечение паза 5 также сужается по направлению радиально внутрь. Это происходит потому, что напряжение на частях кабеля тем ниже, чем ближе к внутренней в радиальном направлении части статора 1 они расположены. Следовательно там могут быть использованы более тонкие кабели, в то время как более толстые кабели необходимы ближе к наружной стороне. В изображенном примере использованы кабели трех разных размеров, уложенные соответственно размерам в три секции 51, 52, 53 пазов 5. Вспомогательная обмотка 9 для генерирования вспомогательной электроэнергии размещена в пазу 5 дальше всех в наружном направлении. Фиг. 2 показывает вид конца высоковольтного кабеля со ступенчатым разрезом для использования в электрической машине в соответствии с данным изобретением. Высоковольтный кабель 6 содержит один или более проводник 31, каждый из которых содержит множество жил 36, например, из меди, которые вместе образуют круглое поперечное сечение. Эти проводники 31 расположены в середине высоковольтного кабеля 6 и в показанном варианте осуществления изобретения каждый из них окружен отдельной частичной изоляцией 35. Однако возможно, чтобы на одном из проводников 31 частичная изоляция 35 отсутствовала. В настоящем варианте осуществления изобретения проводники 31 вместе окружены первым полупроводящим слоем 32. Вокруг этого первого полупроводящего слоя 32 находится изоли 9 рующий слой 33, например, изоляция из полиэтилена с межмолекулярными связями, который в свою очередь окружен вторым полупроводящим слоем 34. Таким образом, понятие "высоковольтного кабеля" в этом применении не требует включения металлического экрана или внешней оболочки, которые обычно окружают такой кабель для распределительных электрических сетей. Гидрогенератор с магнитной цепью описанного выше типа показан на фиг. 3, где генератор 100 приводится в действие гидротурбиной 102 через общий вал 101. Таким образом, статор 1 генератора 100 содержит статорные обмотки 10, которые выполнены из кабеля 6, описанного выше. Кабель 6 не экранирован и переходит в экранированный кабель 11 в кабельном соединении 9. Таким образом, с помощью гидрогенератора 100, выполненного согласно изобретению,можно генерировать чрезвычайно высокие напряжения, приблизительно до 800 кВ. Таким образом, можно электрически присоединить гидрогенератор 100 непосредственно к распределительной или магистральной сети 110 без промежуточного повышающего трансформатора или аналогичной электрической машины, как это имеет место в общем случае для известных установок, где генераторы способны в лучшем случае генерировать напряжения до 25-30 кВ. На фиг. 4 иллюстрируется гидрогенераторная установка, выполненная согласно настоящему изобретению. Как и обычно, генератор 100 содержит обмотку 112 возбуждения и одну или более вспомогательную обмотку 113 для генерирования вспомогательной электроэнергии. В показанном варианте выполнения установки согласно изобретению генератор 100 заземлен через импеданс 103. Кроме того, на фиг. 4 видно, что генератор 100 посредством кабельного соединения 9 связан с экранированным кабелем 11 (см. также фиг. 3). Кабели 11 снабжены трансформаторами 104 тока и оканчиваются в точке 105. После этой точки 105 электрическая установка в показанном варианте выполнения изобретения продолжается электрическими шинами 106, имеющими ответвления с трансформаторами 107 напряжения и защитными разрядниками 108. Однако основная часть электроэнергии идет через электрические шины 106 непосредственно в распределительную или магистральную сеть 110 через разъединитель 109 и прерыватель 111. Гидрогенераторная установка, выполненная согласно изобретению, предназначена или для генерации электрического напряжения для электросети, как описано выше, или для работы в качестве насосной установки, то есть она может приводиться в действие от электросети 110. В этом случае генератор 100 выполняет роль двигателя, приводя в действие турбину 102, работающую как насос. 10 Таким образом, при использовании гидрогенератора 100 не требуется никакого промежуточного повышающего трансформатора. Поэтому при использовании гидрогенераторной установки, выполненной согласно настоящему изобретению, отпадает необходимость в нескольких блоках трансформаторов и прерывателей, необходимых в известных устройствах, что является очевидным преимуществом, существенным с точки зрения стоимости и эксплуатационной надежности. Хотя гидрогенератор и установка, в которую входит этот генератор, были описаны в связи с вариантом выполнения изобретения, приведенным в качестве примера, специалистам в данной области должно быть понятно, что возможно несколько модификаций без отхода от концепции изобретения. Генератор, например,может быть заземлен непосредственно без какого-либо импеданса. Вспомогательные обмотки могут отсутствовать, как и другие показанные компоненты. Хотя изобретение иллюстрировалось для трехфазной установки, число фаз может быть больше или меньше. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Гидрогенераторная установка, содержащая, по меньшей мере, одну высоковольтную вращающуюся электрическую машину (100), в которой генератор (100) соединен с турбиной(102) через вал (101) и содержит, по меньшей мере, одну обмотку, при этом обмотка содержит высоковольтный кабель с системой изоляции,включающей, по меньшей мере, два полупроводящих слоя, каждый из которых образует по существу эквипотенциальную поверхность, и промежуточную твердую изоляцию, причем каждая обмотка через соединительные элементы (109) непосредственно связана с магистральной или распределительной сетью (110), имеющей напряжение между 20 и 800 кВ, предпочтительно - выше 36 кВ. 2. Гидрогенераторная установка по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один из слоев имеет по существу тот же коэффициент теплового расширения, что и твердая изоляция. 3. Гидрогенераторная установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что генератор содержит магнитную цепь с магнитным сердечником. 4. Гидрогенераторная установка по п.3, отличающаяся тем, что магнитный поток в сердечнике магнитной цепи проходит через листовые пластины, и/или литое железо, и/или железо на основе порошка, и/или штампованное начерно железо. 5. Гидрогенераторная установка по одному из пп.1-4, отличающаяся тем, что твердая изоляция размещена в высоковольтном кабеле (6),включающем один или более токонесущих проводников (31), окруженных, по меньшей мере,двумя полупроводящими слоями (32, 34), и 11 промежуточные изолирующие слои (33) из твердой изоляции. 6. Гидрогенераторная установка по п.5, отличающаяся тем, что самый внутренний полупроводящий слой (32) находится по существу под тем же потенциалом, что и указанные проводник или проводники (31). 7. Гидрогенераторная установка по п.5 или 6, отличающаяся тем, что один из внешних полупроводящих слоев (34) выполнен так, что образует по существу эквипотенциальную поверхность, окружающую указанные проводник или проводники (31). 8. Гидрогенераторная установка по п.7, отличающаяся тем, что на указанный внешний полупроводящий слой (34) подан заданный потенциал. 9. Гидрогенераторная установка по п.8, отличающаяся тем, что заданный потенциал является потенциалом земли. 10. Гидрогенераторная установка по одному из пп.5-9, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, два из указанных слоев имеют по существу одинаковый коэффициент теплового расширения. 11. Гидрогенераторная установка по одному из пп.5-7, отличающаяся тем, что токонесущий проводник содержит множество жил, только некоторые из которых не изолированы друг от друга. 12. Гидрогенераторная установка по одному из пп.1-11, отличающаяся тем, что обмотка выполнена из кабеля, включающего один или более токонесущих проводников (2), каждый из которых содержит множество жил, причем вокруг каждого проводника имеется внутренний полупроводящий слой (3), вокруг каждого внутреннего полупроводящего слоя (3) имеется изолирующий слой (4) из твердой изоляции, а вокруг каждого изолирующего слоя (4) имеется внешний полупроводящий слой (5). 13. Гидрогенераторная установка по п.12,отличающаяся тем, что кабель содержит также металлический экран и оболочку. 14. Гидрогенераторная установка по одному из пп.1-13, отличающаяся тем, что статор (1) охлаждается под потенциалом земли посредством потока газа и/или жидкости. 15. Гидрогенераторная установка по одному из пп.1-14, отличающаяся тем, что на самый внешний полупроводник (34) подан потенциал земли. 16. Гидрогенераторная установка по одному из пп.1-15, отличающаяся тем, что ротор (2) индуктивно связан с высоким напряжением. 17. Гидрогенераторная установка по п.16,отличающаяся тем, что ротор (2) имеет цилиндрическую форму, явно выраженные полюсы и постоянный воздушный зазор. 18. Гидрогенераторная установка по п.17,отличающаяся тем, что обмотка статора имеет целое число пазов на полюс и фазу. 12 19. Гидрогенераторная установка по п.17,отличающаяся тем, что обмотка статора имеет дробное число пазов на полюс и фазу. 20. Гидрогенераторная установка по п.18 или 19, отличающаяся тем, что статор имеет сосредоточенную обмотку, а катушки в обмотке имеют шаг обмотки, равный полюсному шагу. 21. Гидрогенераторная установка по п.18 или 19, отличающаяся тем, что катушки в обмотке статора являются распределенными и имеют шаг обмотки, отличающийся от полюсного шага. 22. Гидрогенераторная установка по одному из пп.5-21, отличающаяся тем, что кабели (6) с твердой изоляцией имеют площадь проводящей области между 40 и 3000 мм 2 и внешний диаметр кабеля между 20 и 250 мм. 23. Гидрогенераторная установка по п.22,отличающаяся тем, что кабель (6) охлаждается газом или жидкостью, проходящими внутри токонесущих проводников (31). 24. Гидрогенераторная установка по одному из пп.1-23, отличающаяся тем, что электрический генератор (100) рассчитан на высокие напряжения и выполнен так, чтобы подавать электроэнергию во внешнюю электрическую сеть (110) непосредственно, без какого-либо промежуточного трансформатора. 25. Гидрогенераторная установка по одному из пп.1-24, отличающаяся тем, что содержит несколько генераторов, в каждом из которых отсутствует отдельный повышающий трансформатор, но которые через системный трансформатор, общий для всех генераторов, связаны с распределительной или магистральной сетью. 26. Гидрогенераторная установка по п.24,отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один генератор (100) заземлен через некоторый импеданс (103). 27. Гидрогенераторная установка по п.24,отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один генератор (100) заземлен непосредственно. 28. Гидрогенераторная установка по одному из пп.24-27, отличающаяся тем, что она предназначена для работы либо в качестве насосной, либо в качестве турбинной установки,причем электрическая машина (100) способна функционировать как двигатель, который питается непосредственно от электросети (110), или как генератор, генерирующий напряжение для электросети. 29. Гидрогенераторная установка по п.24,отличающаяся тем, что генератор способен генерировать электроэнергию с различными уровнями напряжения. 30. Гидрогенераторная установка по п.29,отличающаяся тем, что один из указанных уровней напряжения предназначен для генерации вспомогательной электроэнергии, которая генерируется отдельной обмоткой (119, 113) в генераторе (100). 31. Гидрогенераторная установка по одному из пп.1-30, отличающаяся тем, что все компоненты заземлены с помощью одной системы заземления. 32. Гидрогенераторная установка по одному из пп.1-31, отличающаяся тем, что обмотка генератора выполнена с авторегулировкой возбуждения и не содержит вспомогательных средств управления возбуждением. 33. Способ изготовления установки, выполненной согласно одному из пп.1-32, согласно которому статор генератора доставляют на место установки по частям, при этом указанные части включают отдельные пластины статора и/или собранные пакеты пластин статора, после чего указанные части собирают на месте, причем намотку и необходимые соединения выполняют на месте. 34. Высоковольтный электрический генератор (100), входящий в гидрогенераторную установку, в которой генератор (100) соединен с 14 турбиной (102) через вал (101) и содержит, по меньшей мере, одну обмотку, при этом обмотка содержит высоковольтный кабель с системой изоляции, включающей, по меньшей мере, два полупроводящих слоя, каждый из которых образует по существу эквипотенциальную поверхность, и промежуточную твердую изоляцию, причем каждая обмотка через соединительные элементы (109) непосредственно связана с магистральной или распределительной сетью (110), имеющей напряжение между 20 и 800 кВ, предпочтительно - выше 36 кВ. 35. Высоковольтный электрический генератор по п.34, отличающийся тем, что он обладает признаками, указанными для генератора,входящего в установку, выполненную согласно любому из пп.2-32. 36. Способ изготовления генератора, выполненного согласно п.34 или 35, согласно которому указанное изготовление включает операции сборки генератора, указанные в п.33.
МПК / Метки
МПК: H02K 3/40
Метки: гидрогенераторная, установка
Код ссылки
<a href="https://eas.patents.su/8-1440-gidrogeneratornaya-ustanovka.html" rel="bookmark" title="База патентов Евразийского Союза">Гидрогенераторная установка</a>
Предыдущий патент: Высоковольтные установки с электрическими двигателями
Следующий патент: Электрическая приводная система для транспортных средств
Случайный патент: Магнитная головка для построения изображений по удельной проводимости при ее использовании в скважине