DE69727668T2 - Wasserkraftgenerator-Anlage - Google Patents
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Description
- Technisches Gebiet
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wasserkraftgenerator-Anlage der im Obergriff des Anspruches beschriebenen Art und die zum Anschluß an Verteiler- und Übertragungsnetze, im folgenden Starkstromnetze genannt, bestimmt ist. Die Erfindung bezieht sich auch auf einen elektrischen Generator für Hochspannung in einer Wasserkraftgenerator-Anlage, die für den oben genannten Zweck bestimmt ist. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein verfahren zum Zusammenbau einer solchen Anlage und zur Herstellung eines solchen Generators.
- Stand der Technik
- Zu den magnetischen Kreisen in elektrischen Generatoren gehört gewöhnlich ein lamellierter Kern, zum Beispiel aus Stahlblech, mit einer geschweißten Konstruktion. Um für Lüftung und Kühlung zu sorgen, ist der Kern häufig in Pakete mit radialen und/oder achsialen Lüftungskanälen unterteilt. Für größere Maschinen werden die Lamellen in Form von Segmeten ausgestanzt, die am Rahmen der Maschine befestigt werden, wobei der lamellierte Kern von Pressfingern und Pressringen zusammengehalten wird. Die Wicklung des magnetischen Kerns liegt in Nuten des Kerns, wobei die Nuten im allgemeinen einen rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt haben.
- Bei mehrphasigen elektrischen Generatoren sind die Wicklungen entweder als Einschichtwicklung oder als Zweischichtwicklung ausgeführt. Bei Einschichtwicklungen ist nur eine Spulenseite pro Nut vorhanden, während bei Zweischichtwicklungen zwei Spulenseiten in einer Nut liegen. Unter Spulen seite wird/werden verstanden ein oder mehrere Leiter, die vertikal oder horizontal zueinander liegen und die mit einer gemeinsamen Spulenisolation versehen sind, das heißt mit einer Isolation, die so bemessen ist, daß sie der Nennspannung zwischen Generator und Erde standhält.
- Zweischichtwicklungen werden im allgemeinen als Gleichspulenwicklung (Diamantwicklung) ausgeführt, während Einschichtwicklungen im vorliegenden Zusammenhang als Gleichspulenwicklung oder als Flachwicklung ausgeführt werden können. Bei den Gleichspulenwicklungen gibt es nur eine (eventuell zwei) Spulenweiten, während Flachwicklungen als konzentrische Wicklungen ausgeführt sind, das heißt mit stark veränderlicher Spulenweite (ungleiche Wicklungsschritte). Mit Spulenweite ist der Abstand im Bogenmaß zwischen zwei Spulenseiten gemeint, die zu derselben Spule gehören.
- Normalerweise sind alle großen Generatoren mit Zweischichtwicklungen und Spulen gleicher Spulenweite ausgerüstet. Jede Spule liegt mit einer Seite in einer Schicht und mit der anderen Seite in der anderen Schicht. Das bedeutet, daß alle Spulen einander im Wicklungskopf kreuzen. Wenn da mehr als zwei Schichten sind, komplizieren diese Kreuzungen die Wicklungsarbeit und die Wicklungsköpfe sind weniger zufriedenstellend.
- Es wird davon ausgegangen, daß Spulen für rotierende Generatoren mit gutem Ergebnis in einem Spannungsbereich von 3–20 kV gebaut werden können.
- Es ist auch allgemein bekannt, daß der Anschluss einer Synchron-Maschine an ein Starkstromnetz über einen dreieckstern-geschalteten herauf-transformierenden Transformator erfolgen muß, da die Spannung des Starkstromnetzes im allge meinen größer ist als die Spannung, für die elektrische Maschinen bisher gebaut werden konnten. Somit bilden dieser Transformator und die Synchron-Maschine integrale Bestandteile einer Anlage. Der Transformator hat zusätzliche Kosten zur Folge, und er hat auch den Nachteil, daß der Gesamtwirkungsgrad des Systems kleiner wird. Wenn es daher möglich wäre, elektrische Generatoren für bedeutend höhere Spannungen zu bauen, könnte auf den herauf-transformierenden Transformator verzichtet werden.
- Obwohl die herrschende bekannte Technologie zur Einspeisung von Strom von einem Generator in ein Hochspannungsnetz – ein Konzept, welches bei dem vorliegenden Patent für ein Niveau von 20 kV und aufwärts, vorzugsweise über 36 kV, gilt – die Einfügung eines Transformators zwischen dem Generator und dem Starkstromnetz vorsieht, ist bereits der Versuch bekannt, den Transformator wegzulassen und die Hochspannung direkt in Höhe der Spannung des Starkstromnetzes zu erzeugen. Solche Generatoren werden beispielsweise beschrieben in der US-A-4 429 244, US-A-4 164 672 und US-A-3 743 867.
- Jedoch erlauben die nach den oben genannten Druckschriften gebauten Maschinen keine optimale Ausnutzung des elektromagnetischen Materials des Stators.
- Beschreibung der Erfindung
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Generator zu entwickeln, der in einer Wasserkraftgenerator-Anlage für so hohe Spannungen eingesetzt werden kann, daß der oben genannte dreieck-stern-geschaltete herauf-transformierende Transformator weggelassen werden kann, das heißt, in welcher die elektrischen Generatoren für bedeutend höhere Spannungen bestimmt sind als bei herkömmlichen Maschinen des entsprechenden Typs, um in der Lage zu sein, eine direkte Verbindung zu den Starkstromnetzen für alle Größenwerte von Hochspannung durchzuführen.
- Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß einer Anlage der im Oberbegriff des Anspruches 1 beschriebenen Art die speziellen Merkmale verliehen werden, die im kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs definiert sind, indem einem Generator des in dem Oberbegriff des Anspruches 33 beschriebenen Art die speziellen Merkmale verliehen werden, die im kennzeichnenden Teil dieses Anspruches definiert sind.
- Dank der festen Isolation in Verbindung mit den anderen definierten Merkmalen kann das Netz ohne die Verwendung eines zwischengeschalteten herauf-transformierenden Transformators versorgt werden, und zwar selbst bei Netzspannungen, die bedeutend über 36 kV hinaus gehen.
- Die Tatsache, daß die feste Isolation es ermöglicht, die Wicklungen direkt an das Hochspannungsnetz anschließen zu können, so daß der herauf-transformierende Transformator überflüssig wird, hat große Vorteile gegenüber der bekannten Technologie.
- Der Wegfall des Transformators für sich hat beispielsweise große Einsparungen zur Folge, und das Fehlen des Transformators führt auch zu verschiedenen anderen Vereinfachungen und damit zu Einsparungen.
- Eine Anlage dieser Art ist häufig in einer Felsenkammer untergebracht, wobei gemäß herkömmlicher Technologie der Transformator entweder in direktem Anschluß an den Generator in der Felsenkammer angeordnet ist oder überirdisch in einer Entfernung von einigen hundert Metern über ein Sammelschienensystem an den Generator angeschlossen ist. Im Vergleich mit der ersten Alternative ermöglicht der Wegfall des Transformators eine erhebliche Reduzierung der Größe der Felsenkammer. Ferner wird die mit einem öl-isolierten Transformator verbundene Brandgefahr beseitigt, so daß die Notwendigkeit extensiver Brandschutz-Vorkehrungen, wie zum Beispiel spezielle Fluchtwege für das Personal, entfällt.
- Bei der Alternative, bei welcher der Transformator überirdisch angeordnet ist, ist das Sammelschienensystem infolge der größeren Entfernung zwischen Generator und Transformator ausgedehnter. Da der Strom in den Sammelschienen (normalerweise bestehend aus Aluminiumleitern) beträchtlich groß ist, und zwar in der Größenordnung von 10–20 kA, sind die Energieverluste groß. Außerdem wird durch das Sammelschienensystem die Gefahr von zwei- oder dreiphasigen Fehlern (Kurzschlüssen) begründet, während derer die Ströme beträchtlich groß sind.
- Durch die vorliegende Erfindung werden zwei Hauptziele erreicht:
- – Die Verluste im Sammelschienenverlauf werden dank der hohen Spannung kleiner;
- – die Gefahr von zwei- oder dreiphasigen Fehlern wird dank der Verwendung von isolierten Hochspannungskabeln bedeutend reduziert.
- Die Reduzierung der Anzahl elektrischer Komponenten, die durch die Erfindung erreicht wird, bedeutet daher, daß die entsprechende Sicherheitsausrüstung weggelassen werden kann.
- Ferner braucht die Felsenkammer nicht erweitert zu werden, um das Sammelschienensystem verlegen zu können, was eine Einsparung an Felsenkammerraum von mehreren tausend Kubikmetern bedeutet.
- Die Anlage gemäß der Erfindung ermöglicht auch die Herstellung von verschiedenen Anschlüssen mit unterschiedlich großen Spannungen, das heißt, die Erfindung kann auch für alle Hilfsleistungen in dem Kraftwerk verwendet werden.
- Alles im allem bedeuten die oben genannten Vorteile eine radikal verbesserte Gesamtwirtschaftlichkeit für die Anlage. Die Anlagekosten, die typischerweise in der Größenordnung von einigen hundert Millionen schwedischen Kronen liegen, werden um 30–50% reduziert. Die Betriebswirtschaftlichkeit wird sowohl dadurch verbessert, daß weniger Wartung benötigt wird, wie auch durch einen Anstieg des Wirkungsgrades um 1–1,5%. Bei einer Betriebszeit von 8000 Stunden/Jahr, einer Ausgangsleistung von 150 MVA, einem Preis für die Kilowattstunde von 0,20 schwedischen Kronen und einer nutzbaren Lebensdauer von 30 Jahren würde der Gewinn etwa 75–100 Millionen schwedische Kronen pro Generator betragen.
- Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Anlage beziehungsweise des Generators enthält das feste Isolationssystem mindestens zwei Schichten, wobei jede Schicht im wesentlichen eine Äquipotentialfläche bildet und auch eine dazwischen liegende feste Isolation, wobei mindestens eine der Schichten im wesentlichen den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizient hat wie die feste Isolation.
- Diese Ausführungsform stellt eine zweckmäßige Ausführung der festen Isolation dar, die es in einer optimalen Weise ermöglicht, die Wicklung direkt an das Hochspannungsnetz anzuschließen und wobei die Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten die Gefahr von Fehlern, Rissen oder dergleichen infolge der thermischen Bewegung der Wicklung beseitigt.
- Es sollte klar sein, daß die Wicklungen und die isolierten Schichten flexibel sind, so daß sie gebogen werden können.
- Es ist auch darauf hinzuweisen, daß die Anlage gemäß der Erfindung entweder mit horizontalen oder vertikalen Generatoren gebaut werden kann, wobei es sich um unterirdische oder überirdische Typen handeln kann.
- Die obigen und weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
- Der hauptsächliche und wesentliche Unterschied zwischen der bekannten Technologie und der Ausführungsform gemäß der Erfindung besteht somit darin, daß dies mit einem magnetischen Kreis in einem elektrischen Generator erreicht wird, der so beschaffen ist, daß er lediglich über Leistungsschalter und Trennschalter direkt an eine hohe Versorgungsspannung im Bereich von 20–800 kV, vorzugsweise über 36 kV, angeschlossen werden kann. Zu dem magnetischen Kreis gehört somit ein lamellierter Kern, der mindestens eine Wicklung trägt, die aus einem eingefädelten Kabel mit einem oder mehreren permanent isolierten Leitern aufgebaut ist, welches eine halbleitende Schicht sowohl am Leiter als auch an der Außenseite der Isolation hat, wobei die äußere halbleitende Schicht an das Erdpotential angeschlossen ist.
- Um die Probleme zu lösen, die sich aus dem direkten Anschluß elektrischer Maschinen an alle Arten von Hochspannungs-Starkstromnetzen ergeben, hat der Generator der Anlage gemäß der Erfindung eine Anzahl von Merkmalen wie oben erwähnt, die sich deutlich von der bekannten Technologie unterscheiden. Zusätzliche Merkmale und weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert und werden im folgenden erörtert.
- Zu diesen oben erwähnten Merkmalen und zu anderen wesentlichen Eigenschaften des Generators und damit der Wasserkraftgenerator-Anlage gemäß der Erfindung gehören folgende:
- Die Wicklung des magnetischen Kreises ist aus einem Kabel hergestellt, welches einen oder mehrere permanent isolierte Leiter enthält mit einer halbleitenden Schicht sowohl am Leiter als auch der Umhüllung. Einige typische Leiter dieser Art sind PEX-Kabel oder ein Kabel mit EP-Gummiisolation, die jedoch für den vorliegenden Zweck weiterentwickelt wurden, und zwar sowohl hinsichtlich der Einzelleiter des Leiters als auch hinsichtlich der Natur der äußeren Umhüllung.
- Kabel mit kreisförmigem Querschnitt werden bevorzugt, jedoch können auch Kabel mit einigen anderen Querschnitten verwendet werden, um beispielsweise eine bessere Packungsdichte zu erreichen.
- Ein solches Kabel gestattet, den lamellierten Kern gemäß der Erfindung hinsichtlich der Nuten und Zähne in einer neuen und optimalen Weise aufzubauen.
- Die Wicklung wird vorzugsweise mit einer abgestuften Isolation hergestellt, um den lamellierten Kern bestens auszunutzen.
- Die Wicklung wird vorzugsweise als eine mehrlagige konzentrische Kabelwicklung hergestellt, wodurch eine Reduzierung der Anzahl der Überschneidungen der Wicklungsköpfe erreicht wird.
- Die Nutform ist dem Querschnitt des Wicklungskabels in der Weise angepaßt, daß die Nuten die Form einer Anzahl von zylindrischen Öffnungen haben, die achsial und/oder radial außerhalb voneinander verlaufen und eine offene Einschnürung haben, die zwischen den Lagen der Statorwickung verläuft.
- Die Gestalt der Nuten ist dem relevanten Kabelquerschnitt und der abgestuften Isolation der Wicklung angepaßt. Die ab gestufte Isolation ermöglicht es, daß der magnetische Kern im wesentlichen Zähne konstanter Breite hat, unabhängig von ihrer radialen Erstreckung.
- Die oben genannte weitere Entwicklung hinsichtlich der Einzelleiter besteht darin, daß die Wicklungsleiter aus einer Anzahl fest gepackter Lagen besteht, das heißt, aus isolierten Einzelleitern, die unter dem Gesichtspunkt einer elektrischen Maschine nicht notwendigerweise korrekt transponiert, unisoliert und/oder isoliert voneinander sind.
- Die oben genannte weitere Entwicklung hinsichtlich der äußeren Umhüllung beinhaltet, daß an geeigneten Punkten entlang der Länge des Leiters die äußere Umhüllung weggeschnitten ist, wobei jede durch das Wegschneiden entstandene Teillänge direkt an das Erdpotential angeschlossen ist.
- Die Verwendung eines Kabels des oben beschriebenen Typs ermöglicht es, sowohl die gesamte Länge der äußeren Umhüllung der Wicklung als auch andere Teile der Anlage auf Erdpotential zu halten. Ein wichtiger Vorteil besteht darin, daß das elektrische Feld im Wicklungskopfbereich außerhalb der äußeren halbleitenden Schicht nahe bei Null liegt. wegen des Erdpotentials an der äußeren Umhüllung ist es nicht erforderlich, das elektrische Feld zu steuern. Dies bedeutet, daß es zu keinen Feldkonzentrationen kommt, weder in dem Kern, in den Wicklungskopfbereichen noch an den Übergängen zwischen diesen.
- Das Gemisch aus isolierten und/oder unisolierten, fest gepackten Einzelleitern oder transponierten Einzelleitern hat geringe Wirbelstromverluste zur Folge.
- Das Hochspannungskabel, welches für die Wicklung des magnetischen Kreises verwendet wird, besteht aus einem inneren Kern/Leiter, bestehend aus einer Vielzahl von Einzelleitern, mindestens zwei halbleitenden Schichten, von denen die innere von einer Isolierschicht umgeben ist, die ihrerseits von einer äußeren halbleitenden Schicht umgeben ist, und welches einen äußeren Durchmesser in der Größe von 20–200 mm hat und eine Leiterfläche in der Größe von 40–3000 mm2.
- Die feste Isolation in einem Generator gemäß der Erfindung bietet auch große Vorteile beim Bau einer Wasserkraftgenerator-Anlage. Das Fehlen einer nassen Isolation bedeutet, daß der Stator des Generators nicht vollständig in der Fabrik hergestellt zu werden braucht, sondern statt dessen in Teilen geliefert werden und am Aufstellungsort zusammengebaut werden kann. Ein Stator der hier betrachteten Größe ist groß und schwer, was bei bekannten Bauformen zu Transportproblemen geführt hat, wobei die Straßen verstärkt und für das große Gewicht dimensioniert werden müssen. Dieses Problem ist beseitigt, da der Stator der Generators in Teilen geliefert werden kann.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Die Erfindung wird genauer beschrieben in der folgende detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Konstruktion des magnetischen Kreises eines elektrischen Generators in der Wasserkraftgenerator-Anlage, und zwar unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen
-
1 eine schematische achsiale Endansicht eines Sektors des Stators eines elektrischen Generators in der Wasserkraftgenerator-Anlage gemäß der Erfindung zeigt, -
2 eine Endansicht, teilweise freigelegt, eines für die Wicklung des Stators gemäß1 verwendeten Kabels zeigt, -
3 eine vereinfachte Ansicht, teilweise im Schnitt, einer Wasserkraftgenerator-Anlage gemäß der Erfindung zeigt, -
4 ein Schaltbild für eine Wasserkraftgenerator-Anlage gemäß der Erfindung zeigt, -
5 einen Schnitt durch eine herkömmliche Wasserkraftgenerator-Anlage zeigt, -
6 ein Schaltbild ist, welches die herkömmliche Lösung für die Hilfsenergie für eine Wasserkraftanlage zeigt, und -
7 ein Schaltbild ist, welches Generatoren mit eingebauten Wicklungen zur Erzeugung der Hilfsleistung gemäß der Erfindung zeigt. - Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
- Um gewisse Aspekte der Vorteile der Erfindung zu verstehen, wird zunächst auf
5 Bezug genommen, welche ein Beispiel einer bekannten Wasserkraftgenerator-Anlage zeigt. Diese gehört zu einem Typ mit einer Transformatorhalle501 , die von der Generatorhalle502 eine gewisse Strecke weit entfernt ist, wobei letztere aus einer Felsenkammer besteht, in der der Generator503 untergebracht ist. Der Generator503 ist an den Transformator in der Transformatorhalle501 über ein Sammelschienensystem505 angeschlossen, welches in einem mehrere hundert Meter langen Tunnelsystem504 verläuft. Eine Anlage gemäß der Erfindung macht den gesamten Teil rechts der Linie A-A in5 überflüssig, während in der Generatorhalle502 die gleichen Abmessungen im wesentlichen erhalten bleiben. Eine konventionelle Anlage ohne einen Transformator, der überirdisch, wie in5 gezeigt, angeordnet ist, würde statt dessen eine bedeutend größere Generatorhalle502 erfordern, um Raum für den Transformator und seine Hilfs- und Sicherheitsausrüstung bereitzustellen. - Der Rotor
2 des Generators ist in der schematischen achsialen Ansicht durch einen Sektor des Stators1 gemäß1 ebenfalls angedeutet, welcher Stator zu dem Generator100 (3 ) in der Wasserkraftgenerator-Anlage gehört. Der Stator1 ist in bekannter Weise aus einem lamellierten Kern aufgebaut.1 zeigt einen Sektor des Generators, der einer Polteilung entspricht. von einem radial am weitesten außen angeordneten Joch3 des Kerns erstreckt sich eine Anzahl von Zähnen4 radial nach innen in Richtung zum Rotor2 , und die Zähne sind durch Nuten5 voneinander getrennt, in welchen die Statorwicklung angeordnet ist. Kabel6 , welche diese Statorwicklung bilden, sind Hochspannungskabel, die im wesentlichen vom gleichen Typ sein können wie solche, die zur Energierverteilung verwendet werden, wie zum Beispiel PEX-Kabel. PEX = vernetztes Polyäthylen (XLPE). Ein Unterschied besteht darin, daß die äußere mechanische Schutzhülle und der Metallschirm, die normalerweise solche Starkstrom-Verteilerkabel umgeben, entfernt sind, so daß das Kabel für die vorliegende Verwendung nur aus dem Leiter und mindestens einer halbleitenden Schicht auf jeder Seite der Isolationsschicht besteht. Somit liegt die halbleitende Schicht, die empfindlich gegen mechanische Beschädigung ist, nackt an der Oberfläche des Kabels. - Die Kabel
6 sind in1 schematisch dargestellt, wobei nur der leitende zentrale Teil jedes Kabelteils oder jeder Spulenseite dargestellt ist. Wie man sieht, hat jede Nut5 einen variierenden Querschnitt aus abwechselnd breiten Teilen7 und schmalen Teilen8 . Die breiten Teilen7 sind im wesentlichen kreisförmig und umgeben das Kabel; die Ein schnürungen zwischen diesen bilden die schmalen Teilen8 . Die Einschnürungen dienen zur radialen Fixierung der Lage jedes Kabelteils. Der Querschnitt der Nut5 verengt sich auch radial nach innen. Dies liegt daran, daß die Spannung an den Kabelteilen um so niedriger ist, je dichter sie am radial inneren Teil des Stators1 liegen. Daher können dort schlankere Kabel verwendet werden, während gröbere Kabel weiter außen erforderlich sind. In dem gezeigten Beispiel werden Kabel mit drei verschiedenen Abmessungen verwendet, die in drei entsprechend dimensionierten Abschnitten51 ,52 ,53 der Nuten5 angeordnet sind. Eine Hilfsleistungs-Wicklung119 ist am weitesten außen in der Nut5 angeordnet. -
2 zeigt ein stufenweise freigelegtes Ende eines Hochspannungskabels zur Verwendung in einer elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Hochspannungskabel6 enthält einen oder mehrere Leiter31 , von denen jeder aus einer Anzahl von Einzelleitern36 besteht, die zusammen einen kreisförmigen Querschnitt aus beispielsweise Kupfer (Cu) bilden. Diese Leiter31 sind in der Mitte des Hochspannungskabels6 angeordnet, und in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist jeder von einer Teilisolation35 umgeben. Es ist jedoch möglich, die Teilisolation35 auf einem der Leiter31 wegzulassen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Leiter31 zusammen von einer ersten halbleitenden Schicht32 umgeben. Um diese erste halbleitende Schicht32 ist eine Isolierschicht33 , zum Beispiel PEX-Isolation, angeordnet, die ihrerseits von einer zweiten halbleitenden Schicht34 umgeben ist. Der Begriff "Hochspannungskabel" in dieser Patentschrift erfordert daher nicht das Vorhandensein eines metallischen Schirms oder einer äußeren Umhüllung der Art, wie sie normalerweise außen um ein solches Kabel zur Energieverteilung vorhanden ist. - Einen Wasserkraftgenerator mit einem magnetischen Kreis der oben beschriebenen Art zeigt
3 , in der der Generator100 von einer Wasserturbine102 über eine gemeinsame Welle101 angetrieben wird. - Der Stator
1 des Generators100 trägt somit die Statorwicklungen10 , die aus dem oben beschriebenen Kabel6 aufgebaut sind. Das Kabel6 ist vom Schirm befreit und wechselt an der Kabelspleißung9 in ein mit Schirm versehenes Kabel11 über. - Mit einem Wasserkraftgenerator
100 gemäß der Erfindung ist es somit möglich, extrem hohe elektrische Spannungen von bis zu etwa 800 kV zu erzeugen. Es ist somit möglich, den Wasserkraftgenerator100 direkt an ein Verteiler- oder Übertragungsnetz110 anzuschließen ohne einen zwischengeschalteten herauf-transformierenden Transformator oder eine ähnliche elektrische Maschine, wie dies allgemein bei herkömmlichen Anlage der Fall ist, bei denen gleichwertige Generatoren höchstens Spannungen von bis zu 25–30 kV zu erzeugen vermögen. -
4 zeigt eine Wasserkraftgenerator-Anlage gemäß der vorliegenden Erfindung. In bekannter Weise ist der Generator100 mit einer Erregerwicklung112 und einer (oder mehreren) Hilfsleistungswicklung/en113 ausgerüstet. Bei der gezeigten Ausführungsform der Anlage gemäß der Erfindung ist der Generator100 über eine Impedanz103 geerdet. - Man erkennt aus
4 , daß der Generator100 über die Kabelspleißung9 elektrisch an das abgeschirmte Kabel11 (siehe auch3 ) angeschlossen ist. Das Kabel11 ist in bekannter Weise mit Stromwandlern104 versehen und endet bei105 . Hinter diesem Punkt105 setzt sich die in dem Ausführungsbeispiel gezeigt elektrische Anlage durch Sammelschienen106 fort, die Abzweigungen mit Spannungswandlern107 und Überspannungsableitern108 haben. Jedoch die elektrische Hauptversorgung erfolgt über die Sammelschienen106 direkt in das Verteiler- oder Übertragungsnetz110 über Trennschalter109 und Leistungsschalter111 . - Eine Wasserkraftgenerator-Anlage gemäß der Erfindung ist ausgestaltet entweder für den Betrieb zur Erzeugung elektrischer Spannung für das oben beschriebene Starkstromnetz oder für den Betrieb als Pumpenanlage, das heißt, sie wird von dem elektrischen Starkstromnetz
110 angetrieben. Der Generator100 arbeitet dann als Motor und treibt die Turbine102 als Pumpe. - Für den Wasserkraftgenerator
100 ist somit keine Zwischenschaltung eines herauf-transformierenden Transformators erforderlich. Bei der Wasserkraftgenerator-Anlage gemäß der Erfindung entfallen daher mehrere Transformatoren und Leistungsschaltereinheiten, die früher erforderlich waren, was offensichtlich ein Vorteil ist – nicht zuletzt unter dem Gesichtspunkt von Kosten und Betriebszuverlässigkeit. - Obwohl der Wasserkraftgenerator und die Anlage, zu der der Generator gehört, beispielhaft anhand einer Ausführungsform beschrieben und illustriert wurden, sollte es für einen Fachmann offensichtlich sein, daß verschiedene Abwandlungen möglich sind, ohne von dem erfinderischen Konzept abzuweichen. Beispielsweise kann der Generator direkt, also ohne über eine Impedanz, geerdet werden. Die Hilfswicklungen können weggelassen werden, wie auch andere der gezeigten Komponenten. Obwohl die Erfindung anhand einer dreiphasigen Anlage beispielhaft dargestellt wurde, kann die Anzahl der Phasen größer oder kleiner sein.
- Übersetzung der Texte in den Zeichnungen (geordnet nach Figuren) Fig. 7
grid Netz
Claims (35)
- Wasserkraftgenerator-Anlage mit mindestens einer rotierenden elektrischen Maschine (
100 ) für Hochspannung, wobei der Generator über eine Wellenvorrichtung (101 ) an eine Turbine (102 ) gekuppelt ist und der genannte Generator (100 ) mindestens eine Wicklung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung ein Hochspannungskabel mit einem Isolationssystem enthält, zu welchem mindestens zwei halbleitende Schichten gehören, wobei jede dieser Schichten im wesentlichen eine Äquipotentialfläche darstellt, und eine dazwischen liegenden festen Isolation gehört, und daß jede Wicklung so beschaffen ist, daß sie direkt über Kupplungsvorrichtung (109 ), zu denen kein Aufwärtstransformator gehört, an ein Übertragungs- oder Verteilungsnetz (110 ) anschließbar ist, welches eine Spannung zwischen 20 und 800 kV, vorzugsweise eine Spannung über 36 kV, hat. - Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Schichten im wesentlichen den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizient hat, wie die feste Isolation.
- Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator einen magnetischen Kreis mit einem magnetischen Kern enthält.
- Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußpfade in dem Kern des magnetischen Kreises aus lamelliertem Blech und/oder Gußeisen und/oder auf Pulver basierendem Eisen und/oder vorgeschmiedetem Eisen bestehen.
- Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung aus einem Hochspannungskabel (
6 ) aufgebaut ist, welches einen oder mehrere stromführende Leiter (31 ) enthält, der/die von mindestens zwei halbleitenden Schichten (32 ,34 ) und einer dazwischen liegenden Isolationsschicht (33 ) aus festem Isolationsmaterial umgeben ist/sind. - Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die innerste halbleitende Schicht (
32 ) im wesentlichen auf demselben Potential wie der/die Leiter (31 ) liegt. - Anlage nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere halbleitende Schicht (
34 ) so angeordnet ist, daß sie im wesentlichen eine den/die Leiter (31 ) umgebene Äquipotentialfläche bildet. - Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte äußere halbleitende Schicht (
34 ) an ein vorbestimmtes Potential angeschlossen ist. - Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das vorbestimmte Potential das Erdpotential ist.
- Anlage nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei der genannten Schichten im wesentlichen denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten haben.
- Anlage nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der stromführende Leiter aus einer Vielzahl von Einzelleitern besteht, von denen nur einige nicht gegeneinander isoliert sind.
- Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung aus einem Kabel besteht, welches einen oder mehrere stromführende Leiter (
31 ) enthält, von denen jeder Leiter aus einer Anzahl von Einzelleitern (36 ) besteht, welches Kabel eine innere halbleitende Schicht (32 ) enthält, die um alle Leiter gemeinsam angeordnet ist, eine Isolationsschicht (33 ) aus festem Isolationsmaterial enthält, die um die genannte innere halbleitende Schicht (32 ) angeordnet ist, und eine äußere halbleitende Schicht (34 ) enthält, die um die Isolationsschicht (33 ) angeordnet ist. - Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (
1 ) des Generators mittels eines Gasstromes und/oder eines Flüssigkeitstromes auf Erdpotential gekühlt wird. - Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußereste halbleitende Schicht (
34 ) an das Erdpotential angeschlossen ist. - Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (
2 ) des Generators induktiv an die Hochspannung angeschlossen ist. - Anlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (
2 ) ausgeprägte Pole hat. - Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklung als Ganzlochwicklung ausgeführt ist.
- Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklung als Bruchlockwicklung ausgeführt ist.
- Anlage nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator eine konzentrierte Wicklung hat und daß die Spulen der Wicklung eine Spulenweite haben, die gleich der Polteilung ist.
- Anlage nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen der Statorwicklung verteilt sind und eine Spulenweite haben, die von der Polteilung abweicht.
- Anlage nach einem der Ansprüche 5 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Kabel (
6 ) mit der festen Isolation einen Leiterquerschnitt zwischen 40 und 3000 mm2 hat und einen äußeren Kabeldurchmesser zwischen 20 und 250 mm hat. - Anlage nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Kabel (
6 ) durch Gas oder Flüssigkeit im Inneren der stromführenden Leiter (31 ) gekühlt wird. - Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Generator (
100 ) für Hochspannung ausgelegt ist und so beschaffen ist, daß er das abgehende elektrische Netz (110 ) direkt ohne Zwischenschaltung eines Transformators speisen kann. - Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Generatoren enthält, von denen keiner einen individuellen Aufwärtstransformator hat, aber über einen für alle Generatoren gemeinsamen Netztransformator an das Übertragungs- und Verteilungsnetz angeschlossen sind.
- Anlage nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Generator (
100 ) über eine Impedanz (103 ) geerdet ist. - Anlage nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Generator (
100 ) direkt geerdet ist. - Anlage nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß sie so beschaffen ist, daß sie alternativ als Pumpstation und Turbinenstation betrieben werden kann, wobei die elektrische Maschine (
100 ) als von dem elektrischen Starkstromnetz (110 ) direkt gespeister Motor arbeiten kann oder als spannungserzeugender Generator für das elektrische Starkstromnetz arbeiten kann. - Anlage nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator so beschaffen ist, daß er Leistung auf verschiedenen Spannungsniveaus erzeugen kann.
- Anlage nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß eines der genannten Spannungsniveaus der Erzeugung von Hilfsleistung dient und daß die Hilfsleistung von einer getrennten Wicklung (
119 ;113 ) des Generators (100 ) erzeugt wird. - Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß alle Komponenten über dasselbe Erdungssystem geerdet sind.
- Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung des Generators für selbstregelnde Feldsteuerung angeordnet ist und keine Hilfsmittel zur Steuerung des Feldes hat.
- Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Lieferung des Stators des Generators zerlegt in Teile zum Anlagenort errichtet wurde, wobei diese Teile getrennte Statorlamellenblöcke und/oder kombinierte Blöcke des lamellierten Statorkörpers enthalten, wonach die genannten Teile am Anlagenort zusammengesetzt wurde, und daß sowohl das Einfädeln der Wicklung als auch das erforderlichen Spleißen am Anlagenort durchgeführt wurden.
- Elektrischer Generator (
100 ) für Hochspannung in einer Wasserkraftgeneratoranlage, in welcher der Generator über Kupplungsmittel (101 ) an eine Turbine (102 ) gekuppelt ist, wobei der genannte Generator (100 ) mindestens eine Wicklung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung ein Hochspannungskabel mit einem Isolationssystem enthält, zu welchem mindestens zwei halbleitende Schichten gehören, wobei jede dieser Schichten im wesentlichen eine Äquipotentialfläche darstellt, und auch eine dazwischen liegenden festen Isolation gehört, und daß jede Wicklung so beschaffen ist, daß sie direkt über Kupplungsvorrichtung (109 ), zu denen kein Aufwärtstransformator gehört, an ein Übertragungs- oder Verteilungsnetz (110 ) anschließbar ist, welches eine Spannung zwischen 20 und 800 kV, vorzugsweise eine Spannung über 36 kV, hat. - Generator nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß er die Merkmale enthält, die für den Generator definiert wurden, der in der Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 31 enthalten ist.
- Generator nach einem der Ansprüche 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator des Generators aufgebaut wurde durch Lieferung des Stators in Teile zerlegt zum Anlagenort, wobei diese Teile getrennte Statorlamellenblöcke und/oder kombinierte Blöcke des lamellierten Statorkörpers enthalten, wonach die genannten Teile am Anlagenort zusammengesetzt wurde, und daß sowohl das Einfädeln der Wicklung als auch das erforderlichen Spleißen am Anlagenort durchgeführt wurden.
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