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Gebiet der Technik:
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Die vorliegende Erfindung betrifft
elektrische Maschinen, die zum Anschluss an Verteiler- oder Übertragungsnetze
ausgelegt sind, die im Nachfolgenden als Stromnetze bezeichnet werden.
Insbesondere betrifft die Erfindung Synchronkompensatoranlagen für den vorstehend
genannten Zweck, die Verwendung einer derartigen Anlage sowie ein
Verfahren zur Phasenkompensation.
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Stand der Technik:
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Blindleistung ist in allen elektrischen
Stromversorgungssystemen gegenwärtig,
die Wechselstrom übertragen.
Viele Verbraucher verbrauchen nicht nur Wirkleistung, sondern auch
Blindleistung. Die Übertragung
und Verteilung von elektrischer Leistung an sich bringt Blindverluste
als Ergebnis von Reiheninduktivität in Transformatoren, Überlandleitungen
und Kabeln mit sich. Überlandleitungen
und Kabel erzeugen zudem als Ergebnis der kapazitiven Verbindungen
zwischen Phasen sowie zwischen Phasen und Erdpotential Blindleistung.
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Beim stationären Betrieb eines Wechselstromsystems
müssen
die Wirkleistungserzeugung und der -verbrauch im Einklang sein,
damit eine Nennfrequenz erzielt wird. Es besteht eine gleich starke
Kopplung zwischen dem Wirkleistungs-Gleichgewicht und Spannungen
in dem elektrischen Stromnetz. Falls sich der Blindleistungsverbrauch
und die -erzeugung nicht auf geeignete Art und Weise die Waage halten,
können
unannehmbare Spannungspegel in Teilen des elektrischen Stromnetzes
die Folge sein. Ein Übermaß an Blindleistung in
einem Bereich führt
zu hohen Spannungen, wohingegegen eine Fehlmenge zu niedrigen Spannungen führt.
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Im Gegensatz zum Wirkleistungs-Gleichgewicht
bei einer Nennfrequenz, die allein mit Hilfe der Wirkleistungs-Steuerung
des Generators gesteuert wird, wird ein geeignetes Blindleistungs-Gleichgewicht mit
Hilfe sowohl der steuerbaren Erregung der Synchrongeneratoren als
auch anderen in dem System verteilten Bauelementen erhalten. Beispiele
für derartige
(Phasenkompensations-)Bauelemente sind Parallelreaktoren, Parallelkondensatoren,
Synchronkompensatoren und statische Var-Kompensatoren (SVCs).
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Die Position dieser Phasenkompensations-Bauelemente
in dem elektrischen Stromnetz beeinflusst nicht nur die Spannung
in verschiedenen Teilen des elektrischen Stromnetzes, sondern auch die
Verluste in dem elektrischen Stromnetz, da die Übertragung der Blindleistung, ähnlich wie
die Übertragung
der Wirkleistung, eine Verlustzunahme und somit eine Erwärmung bewirkt.
Es ist folglich wünschenswert,
Phasenkompensations-Bauelemente
so anzuordnen, dass Verluste auf ein Minimum reduziert werden und
die Spannung in allen Teilen des elektrischen Stromnetzes annehmbar
ist.
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Der Parallelreaktor und der Parallelkondensator
sind für
gewöhnlich
permanent angeschlossen oder über
einen mechanischen Unterbrecher-Mechanismus an das elektrische Stromnetz
angeschlossen. Mit anderen Worten ist die von diesen Bauelementen verbrauchte/erzeugte
Blindleistung nicht kontinuierlich steuerbar. Die vom Synchronkompensator
und dem SVC erzeugte/verbrauchte Blindleistung ist andererseits
kontinuierlich steuerbar. Diese beiden Bauelemente werden folglich
verwendet, falls ein Bedarf an einer Hochleistungs-Spannungssteuerung besteht.
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Nachfolgend wird die Technologie
für die Phasenkompensation
mit der Hilfe eines Synchronkompensators und eines SVC kurz beschrieben.
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Bei einem Synchronkompensator handelt
es sich im Prinzip um einen Synchronmotor, der bei Nulllast läuft, d.
h. er entnimmt Wirkleistung von dem elektrischen Stromnetz, welche
gleich den Maschinenverlusten ist.
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Die Rotorwelle eines Synchronkompensators
ist für
gewöhnlich
horizontal angeordnet, und der Rotor weist im Allgemeinen sechs
oder acht Schenkelpole auf. Der Rotor ist für gewöhnlich wärmedimensioniert, so dass der
Synchronkompensator im Übererregungszustand
ungefähr
100% der Scheinleistung, für
welche der Stator wärmedimensioniert ist,
(Nennleistung) in Form von Blindleistung erzeugen kann. Im untererregten
Zustand, wenn der Synchronkompensator Blindleistung verbraucht,
verbraucht dieser in etwa 60% der Nennleistung (Standardwert, abhängig von
der Art und Weise, wie die Maschine dimensioniert ist). Dies ergibt
einen Steuerbereich von ungefähr
160% der Nennleistung, über welchen
der/die Blindleistungsverbrauch/-erzeugung kontinuierlich gesteuert
werden kann. Falls die Maschine Schenkelpole mit einem relativ geringen Blindwiderstand
in Querrichtung aufweist und mit einer Erregungseinrichtung ausgestattet
ist, die sowohl eine positive als auch eine negative Erregung zulässt, kann
mehr Blindleistung als die 60% der vorstehend genannten Nennleistung
verbraucht werden, ohne dass die Maschine die Stabilitätsgrenze überschreitet.
Moderne Synchronkompensatoren sind normalerweise mit schnellen Erregungssystemen ausgestattet,
vorzugsweise mit einem thyristor-gesteuerten statischen Erreger,
bei dem der Gleichstrom über
Schleifringe an den Rotor geliefert wird. Diese Lösung ermöglicht wie
oben sowohl eine positive als auch eine negative Versorgung.
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Die Magnetschaltkreise in einem Synchronkompensator
weisen für
gewöhnlich
einen Schichtkern, z. B. aus Stahlblech mit einem geschweißten Aufbau,
auf. Zur Schaffung einer Belüftung
und Kühlung
ist der Kern oftmals in Stapel mit radialen und/oder axialen Lüftungskanälen geteilt.
Bei größeren Maschinen
werden die Ankerbleche in Form von Segmenten ausgestanzt, die dann
an dem Maschinenrahmen angebracht werden, wobei der Schichtkern
durch Druckzeiger und Druckringe zusammengehalten wird. Die Wicklung
des Magnetschaltkreises ist in Schlitzen im Kern angeordnet, wobei
die Schlitze im Allgemeinen einen Querschnitt in Form eines Rechtecks
oder eines Trapezes aufweisen.
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In mehrphasigen elektrischen Maschinen sind
die Wicklungen entweder als einschichtige oder doppelschichtige
Wicklungen hergestellt. Bei einschichtigen Wicklungen ist nur eine
Spulenseite pro Schlitz vorgesehen, wohingegen bei doppelschichtigen
Wicklungen zwei Spulenseiten pro Schlitz vorgesehen sind. Mit Spulenseite
sind einer oder mehrere Leiter gemeint, die vertikal oder horizonal
miteinander verbunden sind und eine gemeinsame Spulenisolierung
aufweisen, d. h. eine Isolierung, die so ausgelegt ist, dass sie
der Nennspannung der Maschine zur Masse standhält.
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Doppelschichtige Wicklungen sind
im Allgemeinen als Gleichspulenwicklungen hergestellt, wohingegen
einschichtige Wicklungen in dem vorliegenden Kontext in Form von Gleichspulenwicklungen oder
Flachwicklung hergestellt sein können.
In Gleichspulenwicklungen gibt es ist nur eine (möglicherweise
zwei) Spulenbreite(n), wohingegen Flachwicklungen als konzentrische
Wicklungen hergestellt werden, d. h. mit erheblich unterschiedlicher
Spulenbreite. Mit Spulenbreite ist der Abstand bei der Bogenabmessung
zwischen zwei Spulenseiten gemeint, die beide der selben Spule angehören.
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Im Normalfall sind alle großen Maschinen
mit einer doppelschichtigen Wicklung und mit Spulen der selben Größe hergestellt.
Jede Spule wird mit einer Seite in einer Schicht und der anderen
Seite in der anderen Schicht angeordnet. Dies bedeutet, dass sich
alle Spulen im Spulenende kreuzen. Falls es mehr als zwei Schichten
gibt, verkomplizieren diese Kreuzungen die Wicklungsarbeit, und
das Spulenende ist weniger zufriedenstellend.
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Es wird in Betracht gezogen, Spulen
für rotierende
Maschinen mit guten Resultaten für
einen Spannungsbereich von 10 bis 20 kV herzustellen.
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Ein Synchronkompensator weist eine
beträchtliche
kurzzeitige Überlastungsfähigkeit
auf. In Situationen, in denen elektromechanische Schwingungen in
dem Stromsystem auftreten, kann der Synchronkompensator kurz eine
Blindleistung von bis zum Zweifachen der Nennleistung liefern. Der
Synchronkompensator weist zudem eine länger andauernde Überlastungsfähigkeit
auf und ist oft in der Lage, für
bis zu 30 Minuten 10 bis 20% mehr als die Nennleistung bereitzustellen.
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Sychronkompensatoren existieren in
Größen, die
von wenigen MVA bis zu Hunderten von MVA reichen. Die Verluste bei
einem durch Wasserstoffgas gekühlten
Synchronkompensator betragen in etwa 10 W/kVar, wohingegen die entsprechende Zahl
bei luftgekühlten Synchronkompensatoren
bei ungefähr
20 W/kVar liegt.
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Synchronkompensatoren wurden vorzugsweise
am Empfangsende langer radialer Übertragungsleitungen
und in wichtigen Knoten in nicht sichtbaren elektrischen Stromnetzen
mit langen Übertragungsleitungen
installiert, und insbesondere in Gebieten mit wenig lokaler Stromerzeugung.
Der Synchronkompensator wird auch zur Steigerung der Kurzschluss-Leistung
in der unmittelbaren Nähe
von Hochspannungsgleichstrom(HG)-Inverterstationen verwendet.
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Der Synchronkompensator ist am häufigsten mit
Punkten in dem elektrischen Stromnetz verbunden, an denen die Spannung
erheblich höher
als die ist, für
die der Synchronkompensator ausgelegt ist. Dies bedeutet, dass die
Synchronkompensatoranlage neben dem Synchronkompensator im Allgemeinen
einen Aufwärtstransformator,
ein Sammelschienensystem zwischen dem Synchronkompensator und dem
Transformator, einen Generator-Unterbrecher
zwischen dem Synchronkompensator und dem Transformator, und einen
Leitungs-Unterbrecher zwischen dem Transformator und dem elektrischen Stromnetz
aufweist.
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In den letzten Jahren haben die SVCs
(statische Var-Kompensatoren)
größtenteils
die Synchronkompensatoren in neuen Installationen ersetzt, da sie
insbesondere hinsichtlich der Kosten Vorteile bieten, und auch aufgrund
technischer Vorteile in gewissen Anwendungen.
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Das SVC-Konzept des statischen Var-Kompensators
ist heute das führende
Konzept für
die Kompensation der Blindleistung und findet auch, neben dem Ersatz
des Synchronkompensators im Übertragungsnetz
in vielen Fällen,
industrielle Anwendung in Verbindung mit elektrischen Lichtbogenöfen. SVCs
sind in dem Sinne statisch, dass sie im Gegensatz zu Synchronkompensatoren
keine beweglichen oder rotierenden Hauptbauteile aufweisen.
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Die SVC-Technologie basiert auf schnellen Unterbrechern,
die sich aus Halbleitern, Thyristoren zusammensetzen. Ein Thyristor
kann in wenigen Millionsteln einer Sekunde vom Nichtleiter zum Leiter umschalten.
Kondensatoren und Reaktoren können mit
einer vernachlässigbaren
Verzögerung
mit Hilfe von Thyristor-Brücken
verbunden oder getrennt werden. Durch die Kombination dieser beiden
Bauteile kann die Blindleistung stufenlos entweder bereitgestellt
oder extrahiert werden.
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Ein SVC-Anlage weist typischerweise
sowohl Kondensator-Banken als auch Reaktoren auf, und da die Thyristoren
Oberwellen erzeugen, weist die Anlage auch Oberwellenfilter auf.
Neben der Steuereinrichtung ist auch ein Transformator zwischen
den Kompensationseinrichtungen und dem Netzwerk erforderlich, um
eine optimale Kompensation nach dem Gesichtspunkt der Größe und Kosten zu
erzielen. Eine SVC-Anlage ist in der Größe von einigen wenigen MVA
bis zu einer Größe von 650
MVA erhältlich,
wobei die Nennspannungen bis zu 765 kV betragen können.
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Es existieren verschiedene Arten
von SVC-Anlagen, welche danach benannt sind, wie die Kondensatoren
und Reaktoren kombiniert sind. Zwei übliche, möglicherweise eingeschlossene
Elemente sind TSC oder TCR. TSC ist ein thyristor-geschalteter, eine
Blindleistung erzeugender Kondensator, und TCR ist ein thyristor-geschalteter,
eine Blindleistung verbrauchender Reaktor. Ein gewöhnlicher
Typ ist eine Verbindung dieser Elemente, TSC/TCR.
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Die Höhe der Verluste hängt stark
davon ab, zu welcher Art von Anlage der statische Var-Kompensator
(SVC) gehört,
z. B. weist ein FC/TCR-Typ (FC bedeutet, dass der Kondensator befestigt
ist) beträchtlich
höhere
Verluste als ein TSC/TCR auf. Die Verluste bei dem letzteren Typ
sind in etwa vergleichbar mit den Verlusten bei einem Synchronkompensator.
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Aus der vorstehend beschriebenen
Zusammenfassung der Phasenkompensations-Technologie sollte deutlich
sein, dass diese in zwei Hauptkonzepte unterteilt werden kann, nämlich Synchronkompensation
und SVC.
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Diese Konzepte weisen unterschiedliche Stärken und
Schwächen
auf. Im Vergleich zum Synchronkompensator weist der SVC den Hauptvorteil der
geringeren Kosten auf. Andererseits erlaubt er auch eine etwas schnellere
Steuerung, was in gewissen Anwendungen von Vorteil sein kann.
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Die Nachteile des SVC im Vergleich
zum Synchronkompensator sind u. a. Folgende:
- – er besitzt
keine Überlastungsfähigkeit.
Bei Betrieb an seiner kapazitiven Grenze wird der SVC im Prizip
zu einem Kondensator, d. h. bei Spannungsabfall nimmt die Blindleistungs-Erzeugung um
den Betrag der Spannung im Quadrat (hoch 2) ab. Falls es der Zweck
der Phasenkompensation ist, eine Stromübertragung über lange Distanzen zu ermöglichen,
dann bedeutet die fehlende Überlastungsfähigkeit,
dass zur Vermeidung von Stabilitätsproblemen
eine höhere
Nennleistung gewählt
werden muss, falls die SVC-Anlage gewählt wird, als wenn die Synchronkompensator-Analge gewählt wird.
- – er
benötigt
Filter, falls er einen TCR aufweist.
- – er
weist keine rotierende Masse mit einer internen Spannungsquelle
auf. Dies ist ein Vorteil beim Synchronkompensator, insbesondere
in der unmittelbaren Nähe
zu einer HG-Übertragung.
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Um einen wettbewerbsfähigeren
Elektrizitätsmarkt
zu erreichen, haben viele Länder
ihren Elektrizitätsmarkt
von bestehenden Auflagen befreit, oder sind gerade dabei dies zu
tun. Dies umfasst für gewöhnlich eine
Trennung von Stromerzeugung und Übertragungsdiensten
in separate eigenständige
Bereiche.
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Wenn diese beiden Teile des Systems
in verschiedenen Händen
sind, wird die zuvor existierende Verbindung zwischen der Planung
von Elektrizitätswerken
und Übertragungsleitungen
unterbrochen. Ein Besitzer eines Elektrizitätswerks kann die Schließung eines
Elektrizitätswerks
in Zeitabständen
ankündigen,
die für
Maschineninvestitionen sehr kurz sind, wodurch die Betreiber und
Planer von Übertragungsdiensten
kurzfristig vor große
Veränderungen bei
sowohl den Laststrombildern als auch der Lage der steuerbaren Blindleistungserzeugungs-/verbrauchs-Ressourcen
gestellt werden. Folglich besteht ein strategischer Bedarf an einer
Phasenkompensationseinheit, die innerhalb einer kurzen Vorlaufzeit
zu einem willkürlichen
Knoten im Übertragungssystem
verlagert werden kann.
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In Ländern, in denen der Elektrizitätsmarkt noch
nicht dereguliert worden ist, kann auch ein Bedarf daran bestehen,
verlagerbare Phasenkompensations-Bauelemente zu besitzen. Beispielsweise können bei
Ländern
mit einem großen
Anteil an nuklearer Stromerzeugung Situationen auftreten, die der oben
beschriebenen Situation ähnlich
sind. Im Normalfall werden Atomkraftwerke einmal pro Jahr während einer
Niedriglast-Periode
zur Inspektion und Wartung abgeschaltet. Gelegentlich müssen diese Anlagen
jedoch über
längere
Zeiträume
aufgrund größerer Reparaturen
geschlossen bleiben. Obwohl diese Situation leichter in einem Land
handzuhaben ist, in welchem der Elektrizitätsmarkt nicht dereguliert wurde,
kann die Größe eines
typischen Atomkraftwerks implizieren, dass die Veränderungen
bei den Laststrombildern und das Fehlen von steuerbaren Blindleistungs-Erzeugungs-/Verbrauchs-Ressourcen
die Betreiber des Übertragungssystem
in Situationen bringen, die schwer zu handhaben sind, während vorgeschriebene
Sicherheitsnormen aufrechterhalten werden. Es besteht auch in diesen
Situationen ein Bedarf an einer verlagerbaren Phasenkompensations-Einheit.
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Heute gibt es ein kleine Anzahl von
verlagerbaren SVC-Anlagen, siehe z. B. den Artikel "Relocatable static
var compensators help control unbundled power flows" in der Zeitschrift "Modern Power Systems", Dezember 1996,
Seiten 49–54.
Zusätzlich
zu den vorstehend beschriebenen Unterschieden zwischen einem statischen
und einem synchronen Kompensator weist der verlagerbare statische
Kompensator eine Reihe von Behältern
auf, welche eine ziemlich große
Fläche
am Standort erfordern, und welche am Standort elektrisch zusammengeschlossen
werden müssen.
Am wichtigsten ist jedoch, dass der verlagerbare statische Kompensator
nur an Knoten im Übertragungssystem
angeschlossen werden kann, wo bereits ein Abwärtstransformator zur Verfügung steht,
der eine ziemlich niedrige Spannung bereitstellt. Mit anderen Worten
kann der verlagerbare statische Kompensator nicht direkt an die
Spannung (typischerweise 130 kV und mehr) des Übertragungssystems angeschlossen
werden.
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Aufgrund der Anzahl von Bauelementen,
die in einer Synchronkompensatoranlage erforderlich sind, und insbesondere
des bislang notwendigen Vorhandenseins eines Transformators wurden
Synchronkompensatoranlagen für
Hochspannungs-Netzwerke bislang nur als ortsfeste Anlagen realisiert.
Im Falle einer Veränderung
eines bestehenden Strom-Netzwerks, wenn man die Notwendigkeit einer
Phasenkompensation betrachtet, könnte die
Anlage an ihrem Standort überflüssig sein,
oder es könnte
erforderlich sein, dass die Anlage anders konstruiert und bemessen
ist, oder eine Anlage könnte
irgendwo anders im Netzwerk erforderlich sein. Dies ist natürlich ein
schwerer Nachteil bei einer derartigen ortsfesten Anlage.
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Beschreibung der Erfindung:
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Synchronkompensatoranlage zu schaffen, die diesen
Nachteil vermeidet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch
gelöst,
dass eine Snynchronkompensatoranlage von der Art wie im Obergriff
von Anspruch 1 spezifiziert die in dem kennzeichnenden Teil des
Anspruchs im einzelnen genannten spezifischen Merkmale aufweist.
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Dank der Tatsache, dass die Wicklung(en)
in der rotierenden elektrischen Maschine in der Synchronkompensatoranlage
mit einer speziellen festen Isolierung hergestellt wird/werden,
kann ein Spannungspegel für
die Maschine erzielt werden, der 36 kV übersteigt, was weit über die
Grenzen hinausgeht, für
welche ein herkömmlicher
Synchronkompensator praktisch und finanziell konstruiert werden
kann. Der Spannungspegel kann jeden beliebigen Pegel erreichen,
der in Stromnetzen zur Stromverteilung und -übertragung anlegbar ist. Der
Vorteil wird daher insofern erzielt, dass der Synchronkompensator
direkt an derartige Netze angeschlossen werden kann, ohne dass ein
Aufwärtstransformator
zwischengeschaltet wird.
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Die Beseitigung des Transformators
an sich bringt große
Einsparungen im Hinblick auf die Kosten, das Gewicht und den Raumbedarf
mit sich, weist jedoch auch andere entscheidende Vorteile gegenüber einer
herkömmlichen
Synchronkompensatoranlage auf.
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Der Wirkungsgrad der Anlage wird
verbessert. Darüber
hinaus werden Blindverluste, die durch den Verbrauch der Blindleistung
durch den Transformator verursacht werden, vermieden, und somit
auch die daraus resultierende Verschiebung des Phasenwinkels. Dies
hat eine positive Wirkung im Hinblick auf die statischen und dynamischen
Stabilitätsspannen
des Systems. Des weiteren enthält
ein herkömmlicher
Transformator Öl,
was eine Brandgefahr zur Folge hat. Dies wird in einer erfindungsgemäßen Anlage
vermieden, und die Notwendigkeit verschiedener Arten von Feuer-Vorkehrungen
wird verringert. Viele andere elektrische Kopplungsbauteile und Schutzeinrichtungen werden
ebenfalls reduziert. Dies führt
zu verringerten Anlagenkosten und einem geringeren Bedarf an Kundendienst
und Wartung.
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Diese und andere Vorteile führen zu
einer Synchronkompensatoranlage, die wesentlich kleiner und kostengünstiger
als eine herkömmliche
Anlage ist, so dass die Wirtschaftlichkeit des Betriebs dank einer
verminderten Wartung und kleineren Verlusten radikal verbessert
wird.
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Dank dieser Vorteile trägt eine
erfindungsgemäße Synchronkompensatoranlage
dazu bei, dass dieses Konzept in finanzieller Hinsicht mit dem SVC-Konzept
(siehe oben) konkurrieren kann und sogar Kostenvorteile im Vergleich
zu diesem bietet.
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Die Tatsache, dass die Erfindung
das Synchronkompensator-Konzept
im Vergleich zu dem SVC-Konzept wettbewerbsfähig macht, macht daher eine
Rückkehr
zur Verwendung von Synchronkompensatoranlagen möglich. Die mit der SVC-Kompensation verbundenen
Nachteile sind daher nicht länger relevant.
Die komplizierten, sperrigen Kondensatorbänke und Reaktoren in einer
SVC-Anlage sind ein solcher Nachteil. Ein anderer großen Nachteil
bei der SVC-Technologie ist ihre statische Kompensation, die hinsichtlich
sowohl Spannung als auch Phasenwinkel nicht die selbe Stabilität liefert
wie die, die durch die in einer rotierenden elektrischen Maschine mit
ihrer elektromotorischen Kraft (EMK) erhaltenen Trägheit erhalten
wird. Ein Synchronkompensator ist daher besser in der Lage, sich
an vorübergehende Störungen im
Netz und an Schwankungen des Phasenwinkels anzupassen. Die eine
SVC-Anlage steuernden Thyristoren sind auch sensibel gegenüber einer
Verlagerung des Phasenwinkels. Eine erfindungsgemäße Anlage
ermöglicht
die Lösung
des Problems der Oberwellen.
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Die erfindungsgemäße Synchronkompensatoranlage
ermöglicht
so die Ausnutzung der Vorteile der Synchronkompensator-Technologie
gegenüber der
SVC-Technologie, so dass eine effizientere und stabilere Kompensation
bei einem Kostenaufwand erzielt wird, der aus Sicht sowohl der Anlageninvestition
als auch des Betriebs verbessert ist.
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Die erfindungsgemäße Anlage ist im vergleich
mit sowohl einem herkömmlichen
Synchronkompensator und einem SVC klein, kostengünstig, effizient und zuverlässig.
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Die Reduzierung der Menge an erforderlichen
Bauteilen in der Anlage, und insbesondere die Beseitigung der Transformatoren
in der Anlage, macht die Konstruktion der Anlage als eine mobile Einheit
möglich,
welche somit als ein wesentliches Merkmal von Anspruch 1 eingeschlossen
ist. Durch die Ausführung
der Anlage als mobile Einheit, die von einem Lastwagen, einem Güterwaggon,
einem Hubschrauber oder Ähnlichem
transportierbar ist, kann die Anlage von einem Ort eines Stromnetzes
zu einem anderen gebracht werden, wenn sich die Notwendigkeit einer
Phasenkompensation in dem Netz verändern sollte.
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Bei einer Synchronkompensatoranlage,
die Bauteile mit Wicklungen mit dem spezifischen Aufbau gemäß Anspruch
1 aufweist und die Möglichkeit nutzt,
die Anlage als mobile Einheit zu konstruieren, werden die mit stationären Synchronkompensatoranlagen
in Zusammenhang stehenden Nachteile somit gelöst.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
ist es, den Bedarf an einer schnellen, durchgängig steuerbaren Blindleistung
zu decken, wobei die Blindleistung direkt an einen Nebenübertragungs- oder Übertragungspegel
angeschlossen ist, um die Systemstabilität und/oder eine Abhängigkeit
von der rotierenden Masse und der elektromotorischen Kraft in der Nähe der HG-Übertragung
zu steuern. Die Anlagen sollen in der Lage sein, Leistung in einer
Größenordnung
von ein paar wenigen MVA bis zu mehreren Hunderten MVA bereitzustellen.
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Der durch die Lösung dieser Aufgaben erzielte
Vorteil ist das Vermeiden des zwischengeschalteten Transformators,
dessen Blindwiderstand ansonsten Blindleistung verbraucht. Dies
ermöglicht auch
das Vermeiden von traditionellen so genannten Generator-Unterbrechern.
Vorteile werden auch im Hinblick auf die Netzqualität erzielt,
da es rotierende Kompensation gibt. Mit einer erfindungsgemäßen Anlage
wird auch die Überlastungsfähigkeit
erhöht, die
bei der Erfindung +100 betragen kann. Der erfindungsgemäße Synchronkompensator
kann eine höhere Überlastungsfähigkeit
im übererregten
Betrieb im Vergleich zu herkömmlichen
Synchronkompensatoren aufweisen, sowohl im Hinblick auf eine kurzzeitige
als auch eine lang andauernde Überlastungsfähigkeit.
Der Grund hierfür
liegt hauptsächlich
darin, dass die Zeitkonstanten für
die Erwärmung
des Stators bei einer elektrischen Isolierung der erfindungsgemäßen Statorwicklung
groß sind.
Die Wärmebemessung
des Rotors muss jedoch so ausgelegt sein, dass sie die Möglichkeiten
der Ausnutzung dieser Überlastungsfähigkeit
nicht einschränkt.
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Um dies zu verwirklichen, ist der
Magnetschaltkreis in der in der Synchronkompensatoranlage angeordneten
elektrischen Maschine mit einem verketteten, permanent-isolierenden
Kabel einschließlich
Masse ausgebildet. Ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen
Magnetschaltkreises ist im abhängigen
Anspruch 14 beschrieben.
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Der hauptsächliche und wesentliche Unterschied
zwischen der bekannten Technik und der erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist somit der, dass die Erfindung mit einer elektrischen Maschine erzielt
wird, die mit einer festen Isolierung versehen ist, wobei der/die
Magnetschaltkreis(e) der Wicklung en) so angeordnet ist/sind, dass
er/sie direkt über
Unterbrecher und Stromabschalter an eine Hochspannungsversorgung
von zwischen 20 und 800 kV, vorzugsweise höher als 36 kV, angeschlossen
ist/sind. Der Magnetschaltkreis weist somit einen Schichtkern mit
einer Wicklung auf, die aus verkettetem Kabel mit einem oder mehreren
permanent-isolierten Leitern mit einer Halbleiterschicht sowohl
am Leiter als auch außerhalb
der Isolierung bestehen, wobei die äußere Halbleitenrschicht an
Erdpotential angeschlossen ist.
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Zur Lösung der beim direkten Anschluss
von elektrischen Maschinen an alle Arten von Hochspannungs-Stromnetzen
auftretenden Probleme weist eine Maschine in der erfindungsgemäßen Anlage eine
Reihe von Mermalen wie oben erwähnt
auf, die sich deutlich vom Stand der Technik unterscheiden. Zusätzliche
Mermale weiterer vorteilhafter Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert
und werden im Folgenden erörtert:
- – die
Wicklung des Magnetschaltkreises wird aus einem Kabel mit einem
oder mehreren permanent-isolierten Leitern hergestellt, wobei die
Wicklung sowohl am Leiter als auch an der Ummantelung eine Halbleiterschicht
aufweist. Einige typische Leiter dieser Art sind XLPE-Kabel oder
Kabel mit einer EP-Kautschukisolierung, die jedoch für den vorliegenden
Zweck im Hinblick auf die Litzen im Leiter und im Hinblick auf die
Beschaffenheit der Außenummantelung
noch weiter entwickelt sind.
XLPE = vernetztes Polyethylen;
EP = Ethylenpropylen
- – Kabel
mit einem kreisförmigen
Querschnitt werden bevorzugt, wobei jedoch auch Kabel mit einem
anderen Querschnitt verwendet werden können, um beispielsweise eine
bessere Packdichte zu erzielen.
- – Ein
derartiges Kabel lässt
die erfindungsgemäße Konstruktion
des Schichtkerns auf eine neue und optimale Art und Weise im Hinblick
auf Schlitze und Zähne
zu.
- – Die
Wicklung wird vorzugsweise mit stufenweiser Isolierung hergestellt,
um den Schichtkern bestmöglichst
zu nutzen.
- – Die
Wicklung wird vorzugsweise als mehrschichtige konzentrische Kabelwicklung
hergestellt, wodurch ermöglicht
wird, die Anzahl der Spulenend-Schnittstellen zu reduzieren.
- – Die
Schlitzkonstruktion ist dem Querschnitt des Wicklungskabels angepasst,
so dass die Schlitze in Form einer Reihe von zylindrischen Öffnungen vorliegen,
die axial und/oder radial außerhalb
voneinander verlaufen und ein offenes Mittelstück aufweisen, das zwischen
den Schichten der Statorwicklung verläuft.
- – Die
Konstruktion der Schlitze ist an den relevanten Kabelquerschnitt
und an die gestufte Isolierung der Wicklung angepasst. Die gestufte
Isolierung ermöglicht
es dem Magnetkern, eine im Wesentlichen konstante Zahnbreite zu
besitzen, ungeachtet der radialen Ausdehnung.
- – Die
oben erwähnte
Weiterentwicklung im Hinblick auf die Litzen hat zur Folge, dass
die Wicklungsleiter aus einer Reihe von zusammengepressten Zwischenschichten/Schichten
besteht, d. h. isolierten Litzen, die sich vom Gesichtspunkt einer
elektrischen Maschine unisoliert und/oder isoliert voneinander,
nicht unbedingt richtig kreuzen.
- – Die
oben erwähnte
Weiterentwicklung im Hinblick auf die Außenummantelung hat zur Folge, dass
an geeigneten Punkten entlang der Länge des Leiters die Außenummantelung
abgeschnitten ist, wobei jede abgeschnittene Teillänge direkt an
Erdpotential angeschlossen ist.
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Die Verwendung eines Kabels von der
vorstehend beschriebenen Art macht es möglich, dass die gesamte Länge der
Außenummantelung
der Wicklung, wie auch andere Teile der Anlage, auf Erdpotential
gehalten werden. Ein wichtiger Vorteil liegt darin, dass das elektrische
Feld innerhalb des Spulenendbereichs außerhalb der äußeren Halbleiterschicht
nahezu Null ist. Wenn die Außenummantelung
an Erdpotential angeschlossen ist, muss das elektrische Feld nicht
gesteuert werden. Dies bedeutet, dass weder im Kern noch in den
Spulenendbereichen oder in den Übergängen dazwischen
Feldkonzentrationen auftreten.
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Die Mischung aus isolierten und/oder
unisolierten zusammengepressten Litzen oder sich kreuzender Litzen
hat niedrige Streuverluste zum Resultat.
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Das in der Wicklung des Magnetschaltkreises
verwendete Hochspannungskabel setzt sich aus einem inneren Kern/Leiter
mit einer Vielzahl von Litzen, mindestens zwei Halbleiterschichten,
wobei die innerste Halbleiterschicht von einer Isolierschicht umgeben
ist, welche wiederum von einer äußeren Halbleiterschicht
mit einem Außendurchmesser
in der Größenordnung
von 20–250
mm und einer Leiterfläche
in der Größenordnung
von 30–3000
mm2 umgeben ist, zusammen.
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Der in der vorliegenden Erfindung
verwendete isolierte Leiter oder das Kabel ist flexibel und von einer
Art, wie sie ausführlicher
in der WO 97/45919 und WO 97/45847 beschrieben ist. Weitere Beschreibungen
des betreffenden isolierten Leiters oder Kabels sind in der WO 97/45918,
WO 97/45930 und WO 97/45931 zu finden.
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Dementsprechend sind die Wicklungen
in der erfindungsgemäßen Anordnung
vorzugsweise von einer Art, die Kabeln mit einer festen, extrudierten
Isolierung von der Art entspricht, wie sie heute zur Stromverteilung
verwendet wird, wie z. B. XLPE-Kabel
oder Kabel mit einer EPR-Isolierung. Ein derartiges Kabel umfasst
einen inneren Leiter, der sich aus einem oder mehreren Litzenteilen,
einer den Leiter umgebenden inneren Halbleiterschicht, einer diese umgebende
feste Isolierschicht sowie aus einer die Isolierschicht umgebenden äußeren Halbleiterschicht
zusammensetzt. Derartige Kabel sind flexibel, was eine wichtige
Eigenschaft in diesem Zusammenhang darstellt, da die Technik für die erfindungsgemäße Anordnung
in erster Linie auf Wicklungssystemen beruht, in denen die Wicklung
aus einem Kabel gebildet wird, das während des Zusammenbaus gekrümmt wird.
Die Flexibilität
eines XLPE-Kabels entspricht im Normalfall einem Krümmungsradius von
ungefähr
20 cm bei einem Kabel mit einem Durchmesser von 30 mm und einem
Krümmungsradius
von ungefähr
65 cm bei einem Kabel mit einem Durchmesser von 80 mm. In der vorliegenden
Anmeldung wird der Ausdruck "flexibel" verwendet, um anzuzeigen,
dass die Wicklung bis hinab zu einem Krümmungsradius in der Größenordnung
des 4-fachen Kabeldurchmessers, vorzugsweise bis zum acht- bis zwölffachen
Kabeldurchmesser, flexibel ist.
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Die Wicklung sollte so konstruiert
sein, dass sie ihre Eigenschaften auch dann behält, wenn sie gekrümmt wird,
und wenn sie einer thermischen oder mechanischen Beanspruchung während des
Betriebs ausgesetzt wird. Es ist äußerst wichtig, dass die Schichten
in diesem Zusammenhang ihre Haftung aneinander beibehalten. Die
Werkstoffeigenschaften der Schichten sind hier entscheidend, insbesondere
die Elastizität
und die relativen Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Werkstoffe. In einem XLPE-Kabel besteht die Isolierschicht beispielsweise aus
vernetztem Polyethylen mit geringer Dichte, und die Halbleiterschichten
bestehen aus Polyethylen mit eingemischten Ruß- und Metallpartikeln. Veränderungen
des Volumens als Ergebnis von Temperaturschwankungen werden vollständig als
Veränderungen
des Kabelradius aufgenommen, und dank des relativ geringfügigen Unterschieds
zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten
in den Schichten in Relation zur Elastizität dieser Werkstoffe kann die radiale
Ausdehnung ohne einen Verlust der Haftung zwischen den Schichten
erfolgen.
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Die vorstehend genannten Werkstoffkombinationen
sollten lediglich als Beispiele betrachtet werden. Auch andere Kombinatio nen,
die die spezifizierten Bedingungen erfüllen und zudem auch die Bedingung,
dass sie halbleitend sind, d. h. einen spezifischen elektrischen
Widerstand im Bereich von 10–1 bis 106 Ohm-cm,
z. B. 1–500
Ohm-cm oder 10–200
Ohm-cm aufweisen, fallen selbstverständlich ebenfalls in den Schutzumfang
der Erfindung.
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Die Isolierung kann beispielsweise
aus einem festen thermoplastischen Werkstoff, wie z. B. Polyethylen
mit einer geringen Dichte (LDPE), Polyethylen mit einer hohen Dichte
(HDPE), Polyproylen (PP), Polybutylen (PB), Polymethyl-Penten ("TPX"), vernetzten Werkstoffen,
wie z. B. vernetztem Polyethylen (XLPE), oder Gummi, wie z. B. Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPR) oder
Silikongummi hergestellt sein.
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Die inneren und äußeren Halbleiterschichten können aus
dem selben Basiswerkstoff hergestellt sein, wobei jedoch Partikel
aus leitfähigem
Werkstoff, beispielsweise Ruß oder
Metallpulver, eingemischt sind.
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Die mechanischen Eigenschaften dieser Werkstoffe,
insbesondere die Wärmeausdehungskoeffizienten,
werden relativ wenig davon beeinflusst, ob Ruß oder Metallpulver eingemischt
ist oder nicht – zumindest
in den Proportionen, die zum Erreichen der notwendigen erfindungsgemäßen Leitfähigkeit erforderlich
sind. Die Isolierschicht und die Halbleiterschichten weisen somit
im Wesentlichen alle die selben Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf.
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Copolymere aus Ethylen-Vinyl-Acetat/Nitrilkautschuk
(EVA/NBR), Butyl-Graftpolyethlyen, Copolymere aus Ethylen-Butyl-Acrylat
(EBA) und Copolymere aus Ethylen-Ethyl-Acrylat (EEA) können ebenfalls
geeignete Polymere für
Halbleiterschichten darstellen.
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Selbst wenn unterschiedliche Arten
von Werkstoff als Basis in den unterschiedlichen Schichten verwendet
werden, ist es hinsichtlich ihrer Wärmeausdehungskoeffizienten
wünschenswert,
dass diese im wesentlichen identisch sind. Dies ist der Fall bei
der Kombination der vorstehend aufgelisteten Werkstoffe.
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Die vorstehend aufgelisteten Werkstoffe
weisen mit einem E-Modul
von E < 500 MPa,
vorzugsweise < 200
MPa, eine relativ gute Elastizität
auf. The Elastizität
reicht aus, damit alle kleineren Unterschiede zwischen den wärmeausdehnungskoeffizienten der
Werkstoffe in den Schichten in radiale Elastizitätsrichtung aufgenommen werden,
so dass keine Risse oder irgendwelche anderen Schäden auftreten,
und sich die Schichten nicht voneinander lösen. Der Werkstoff in den Schichten
ist elastisch, und die Haftung zwischen den Schichten ist mindestens ebenso
groß wie
in dem schwächsten
Werkstoff.
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Die Leitfähigkeit der beiden Halbleiterschichten
reicht aus, um das Potential entlang jeder Schicht im wesentlichen
auszugleichen. Die Leitfähigkeit
der äußeren Halbleiterschicht
ist ausreichend hoch, um das elektrische Feld innerhalb des Kabels
einzuschließen,
andererseits aber niedrig genug, damit beträchtliche Verluste aufgrund
der in Längsrichtung der
Schicht induzierten Ströme
nicht zunehmen.
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Somit bildet jede der beiden Halbleiterschichten
im Wesentlichen eine Äquipotentialfläche, und
diese Schichten schließen
das elektrische Feld zwischen ihnen im Wesentlichen ein.
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Es spricht natürlich nichts dagegen, eine oder
mehrere zusätzliche
Halbleiterschichten in der Isolierschicht anzuordnen.
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Gemäß einer besonders bevorzugten
erfindungsgemäßen Ausführungsform
weisen mindestens zwei dieser Schichten, vorzugsweise alle drei Schichten,
den selben Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf. Auf diese Weise wird der entscheidende Vorteil erreicht, dass
Defekte, Risse oder Ähnliches bei
einer Wärmebewegung
in der Wicklung vermieden werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen:
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Die Erfindung wird in der nachfolgenden
ausführlichen
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform des Aufbaus des
Magnetschaltkreises der elektrischen Maschine in der Synchronkompensatoranlage
mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 ein
einzelnes Leitungsdiagramm der erfindungsgemäßen Synchronkompensatoranlage;
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2 eine
schematische axiale Endansicht eines Abschnitts des Stators in einer
elektrischen Maschine in der erfindungsgemäßen Synchronkompensatoranlage;
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3 eine
Endansicht, im aufgebrochenen Modell, eines Kabels, das in der Statorwicklung
gemäß 2 verwendet wird; und
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4 eine
schematische Ansicht der auf einem Lastwagen transportierten erfindungsgemäßen Anlage.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform:
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1 zeigt
ein einzelnes Leitungsdiagramm der Synchronkompensatoranlage gemäß einer
bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform, wobei
die Maschine zum Direktanschluss an das Stromnetz ohne einen Aufwärtstransformator
auf zwei unterschiedlichen Spannungspegeln angeordnet ist.
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Bei der schematischen axialen Ansicht
durch einen Sektor des Stators 1 gemäß 2, welcher zu der in der Synchronkompensatoranlage
eingeschlossenen elektrischen Maschine gehört, ist zudem der Rotor 17 der
Maschine bezeichnet. Der Stator 1 setzt sich herkömmlicherweise
aus einem Schichtkern zusammen. 2 zeigt
einen Sektor der Maschine, der einer Polsteigung entspricht. von
einem radial am weitesten außen
gelegenen Magnetjochabschnitt 9 des Kerns erstreckt sich
eine Reihe von Zähnen 4 radial
in Richtung des Rotors 17, wobei die zähne durch Schlitze 7 getrennt
sind, in denen die Statorwicklung angeordnet ist. Bei den Kabeln 6,
die diese Statorwicklung bilden, handelt es sich um Hochspannungskabel,
die im Wesentlichen von der selben Art sein können wie die, die für die Stromverteilung
verwendet werden, d. h. XLPE-Kabel, jedoch ohne jegliche mechanisch-schützende Ummantelung.
Somit liegt die Halbleiterschicht, die für mechanische Beschädigung anfällig ist,
unbedeckt auf der Oberfläche des
Kabels.
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Die Kabel 6 sind schematisch
in 2 dargestellt, wobei
nur der leitende Mittelabschnitt eines jeden Kabelteils oder jede
Spulenseite eingezeichnet ist. Wie ersichtlich ist, weist jeder
Schlitz 7 einen unterschiedlichen Querschnitt mit sich
abwechselnd breiten und schmalen Abschitten auf. Die breiten Abschnitte
sind im Wesentlichen kreisförmig
und umgeben die Verkabelung, wobei die Einschnürungen dazwischen die schmalen
Abschnitte bilden. Die Einschnürungen
dienen dazu, die Lage eines jeden Kabels radial zu fixieren. Der
Querschnitt des Schlitzes 7 verengt sich auch in Richtung
radial einwärts.
Der Grund hierfür
liegt darin, dass die Spannung an den Kabelabschnitten mit zunehmender
Nähe zum
radialen inneren Abschnitt des Stators 1, in dem sie angeordnet
sind, abnimmt. Dort kann daher eine schmälere Verkabelung eingesetzt
werden, wohingegen weiter außen
eine grobere Verkabelung notwendig ist. In dem gezeigten Beispiel
werden Kabel mit drei unterschiedlichen Abmessungen verwendet, welche
in drei dementsprechend bemessenen Abschnitten der Schlitze 7 angeordnet
sind.
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3 zeigt
einen Querschnitt durch eine Hochspannungswicklung 6, die
in der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Die Hochspannungswicklung 6 umfasst
einen stromführenden
Leiter in Form einer Reihe von Litzen 12 mit kreisförmigen Querschnitten,
wobei die Litzen 12 in der Mitte der Hochspannungswicklung 6 angeordnet
sind. Um die Litzen 12 herum ist eine erste Schicht 13 mit
halbleitenden Eigenschaften angeordnet. Um die erste halbleitende
Schicht 13 ist eine Schicht aus fester Isolierung 14,
beispielsweise eine XLPE-Isolierung, angeordnet. Die Isolierschicht 14 ist
von einer zweiten Schicht 15 mit halbleitenden Eigenschaften
umgeben. Der Durchmesser der Hochspannungswicklung beträgt 20–250 mm,
und die Leiterfläche
liegt im Bereich von 80–3000
mm2.
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Die drei Schichten sind so angeordnet,
dass sie auch dann aneinander haften, wenn das Kabel gekrümmt wird.
Das Kabel ist flexibel gezeigt, und diese Eigenschaft wird während der
gesamten Lebensdauer des Kabels beibehalten.
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In 4 ist
schematisch dargestellt, wie die vollständige Anlage eine mobile Einheit 21 bildet,
die auf einem Lastwagen transportiert werden kann.