CN1291537C

CN1291537C - 同步补偿

Info

Publication number: CN1291537C
Application number: CNB018074170A
Authority: CN
Inventors: 伯特尔·博格恩; 蒙斯·赫利兰德; 麦茨·雷乔恩; 玛丽亚·朗德马克; 奥尔－莫顿·米德加德; 本特·罗斯曼; 艾维德·桑德; 马克·斯佩; 罗德·斯伯拉德; 克利斯蒂·S·斯文森
Original assignee: Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 2000-04-06
Filing date: 2001-04-05
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2021-04-05
Also published as: AU2001246992A1; WO2001078215A1; US20030146731A1; US6737767B2; SE518216C2; CN1421065A; SE0001272L; SE0001272D0; EP1281230A1

Abstract

对于一种运行同步补偿器的方法，该同步补偿器包括旋转电机，该旋转电机包括转子(46)和具有带有包围电场的固体绝缘的至少一个绕组的定子(2)，确定在转子中与温度条件相关的参数，并且在过励磁运行过程中为临时增大同步补偿器的运行范围，根据从所说的参数中确定的转子温度值(T_R)强制转子的冷却。这种同步补偿器包括测量与转子的温度条件相关的参数的测量装置。也提供装置(36，38)以在电机的过励磁运行中根据从所说的参数中确定的转子温度值(T_R)强制冷却转子(46)。

Description

同步补偿

技术领域

本发明涉及一种同步补偿器的运行方法，该同步补偿器包括具有转子和定子的旋转电机，该定子具有至少一个带有包围电场的固体绝缘的绕组。本发明也涉及具有测量与转子中温度条件相关的参数的测量装置的同步补偿器。

背景技术

在交流传输的电力系统中几乎总要产生无功功率。许多负载不仅消耗有功功率，而且还消耗无功功率，为使干线上的电压保持稳定，必须通过产生无功功率来补偿无功功率的消耗。在某些情况下，较长的高压传输线也产生无功功率，并且要求补偿以免传输电压升高。

为补偿无功功率的这种消耗或产生，人们必须使用静态功率补偿设备(SVC)或同步补偿器。在例如文献WO97/45922中讨论了这些技术的优点。

以所谓的电缆技术设计的同步机具有由带有固体绝缘的柔性高压电缆制成的至少一个绕组，已经证明这种同步机作为同步补偿器特别有利，参见上述的WO97/45922和WO98/34312。这种同步机可以设计成用于高达800千伏的高压，并且这种高压可直接连接到任何干线。这就减小了变压器的成本，以及减少了变压器本身的无功功率消耗。因此可以将所产生的更大的百分比的无功功率馈送到干线。以这种电缆技术制造的同步补偿器还能够比常规的同步补偿器在短时间内承受更加高的过载和在更长时间内承受过载。这主要是由于定子绕组的电绝缘使得定子的加热时间常数更长的结果。此外，虽然在常规的同步补偿器中的功率损失主要损失在导体中，但是在电缆技术制成的同步补偿器中这些损失更小，在该同步补偿器中损失的主要部分是铁芯损耗。由于铁芯在地电位损耗产生，因此他们更加容易地被冷却掉。

从温度这一点上看定子的最关键部分似乎是电缆，在下文中术语“定子温度”是指电缆的温度。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用所说的实际类型的机器的有利的特性的新技术来临时地延伸具有这种类型的旋转电机的同步补偿器的功率范围。

本发明的目的是通过在本说明书的开始部分中所描述的类型的方法和同步补偿器来实现。

根据本发明的一方面，提供一种同步补偿器的运行方法，该同步补偿器包括旋转电机，该旋转电机包括转子和定子，所述定子的至少一个绕组具有带中间固体绝缘的两个半导体层的绝缘系统以包围电场，其特征在于，为临时增大同步补偿器的运行范围，确定与转子中的温度条件相关的参数，并且在过励磁运行下根据从所说的参数中确定的转子温度值的幅值强制冷却转子。

根据本发明的另一方面，提供一种同步补偿器，该同步补偿器包括旋转电机，该旋转电机包括至少一个绕组和用于测量与转子中的温度条件相关的参数的测量装置，该至少一个绕组具有带中间固体绝缘的两个半导体层的绝缘系统以包围电场，其特征在于，在电机的过励磁运行中根据从所说的参数中确定的转子温度值的值强制冷却转子的装置。

应用根据本发明的方法，根据从与所说的转子温度相关的测量参数中确定的转子温度的值，在同步补偿器正在过励磁运行时强制冷却转子。在转子温度趋于变得太高时开始强制冷却，这样可以利用具有由电缆技术制成的同步补偿器的定子的有利的热特性，而电机的转子不会限制利用定子的过载容量的可能性。

根据本发明的方法的有利的实施例，该电机被设计成在欠励磁运行下也允许过载。这也允许在欠励磁运行中临时地延伸运行范围。这样，通过转子的强制冷却和通过定制电机尺寸以得到1/x_q(这里x_q是交轴同步电抗，即在电极孔的方向上基于电机的额定功率的每单位的电抗)，根据本发明的同步补偿器的运行范围可以从静态+/-100％临时延伸到例如+/-200％持续大约30分钟到1小时。在运行故障的过程中电力系统的操作员通常可能需要指定15-20分钟或更多时间的相当大的过载容量，因为这样可以允许操作员采取操作比如干线切换、起动燃气涡轮以确保连续运行以便对用户的干扰最小。

根据本发明的方法另一有利的实施例，确定在定子中与温度条件相关的参数，以及在过励磁和欠励磁运行中，如果从所述参数获得的定子温度超过临界定子温度就减小场电流。这样同步补偿器在延伸的运行范围中运行时可以防止定子温度(主要为绕组的温度)变得太高。

该电机被设计成具有较大的短路功率。这种结构的结果是同步电抗变小，使它在欠励磁运行下可以延伸同步补偿器的运行范围。

根据本发明的方法另一有利的实施例，如果转子温度值超过预定的第二温度极限值则强制冷却转子，以及如果转子温度值超过比第二温度极限值更高的预定的第一温度极限值则减小场电流。同样地，如果定子的温度超过定子的所允许最大上限温度，则减小场电流。

根据本发明的方法另一有利的实施例，从场电流、场电压、在转子上直接测量的温度、冷却介质的温度和冷却介质的流速的参数中的一个或多个参数中计算转子的温度值。因此有几种方式确定控制转子的强制冷却的转子温度值。这个值可以从场电流和场电压中估算。在转子上的临界点上直接测量的温度可用于表示转子的温度。可替换的是，所计算的转子温度值和实际测量的值都可以用作转子温度值，例如通过形成平均值，并且冷却介质的温度和流量都可以用于获得更可靠的转子温度值。通过使用直接测量的转子(或定子)温度而不使用从电流和电压中估算的值可以获得特定的优点。因此，可以考虑在过载开始时的电机的初始温度。如果电机已经空载，并且因此在过载开始时“冷却”，则在直到达到可允许的最大温度极限的更长的时间中能够承受更大的过载。这样人们可以减少对定子和转子电流的保守测定的限制，而这通常用于公知技术中。

为利用在欠励磁运行中极大地增大运行范围的可能性，提供允许负场电流的装置。这些装置能够包括具有两个桥路的静态励磁器。通过这种装置可以将欠励磁运行的范围延伸到基于电机的额定功率和在标称电压下的每单位的-1/x_q而不会有超过电机的稳定性极限的危险。基于电机的额定功率的单位值x_q是指交叉同步电抗。根据本发明的同步补偿器的有利的实施例，提供温度估算器以从定子电流、定子电压、直接测量的定子片铁温度、定子冷却介质的温度或定子冷却介质的流速的参数中的一个或多个参数中估算定子温度的值。这使得能够监测定子温度(主要为定子绕组的温度)不变得太高。

根据本发明的同步补偿器的其它的有利的实施例，将强制冷却系统设计成通过降低冷却介质的温度来强制冷却转子，可替换的是通过增加冷却介质的流量强制冷却转子。这提供了两种实用的方式实现强制冷却。

根据本发明的同步补偿器的另一有利的实施例，冷却介质是液体，可取的是它是水。在液体冷却的过程中可以朝热临界点控制冷却介质，允许最佳的冷却。应用气体或空气冷却不容易实现这种受控制的冷却流量，否则这种冷却系统必需是特大型。

根据本发明的同步补偿器的再一有利的实施例，提供无线通信设备以将从位于转子上的温度计中得到的测量值发射给温度估算器。通信设备优选被设置成通过所谓的Bluetooth技术发射从在转子上的温度计中得到的测量值。这种Bluetooth无线发射对干扰不敏感，并且非常适合于在高干扰的环境中可靠地传输所测量的数据，同时具有这样短的范围以至它不会成为周围环境的干扰源。

根据本发明的同步补偿器的再一有利的实施例，绕组包括通过由具有中间固体绝缘的两个半导体层的绝缘系统所包围的导电芯的柔性电缆。这样电场基本包围在绕组中。然后将外部半导体导电层的电位基本保持在地电位，由此具有显著的优点。

附图说明

在下文中参考附图更加详细地描述本发明。

附图1定量地示出了对于具有不同的冷却系统的转子和定子作为时间函数的允许过载，

附图2示出了在以相对较长时间的过载为特征的负载周期中在气隙附近的电缆的温度是如何变化的，

附图3示出了在以相对较短时间的过载为特征的负载周期中在气隙附近的电缆的温度是如何变化的，

附图4所示为根据本发明的同步补偿器的实施例的全视图，

附图5所示为如何实现强制冷却的一种示意性实例，

附图6更详细地示出了附图4的电压调节部分的详细功能，

附图7示出了基于电机的额定功率和同步补偿器的标称电压每单位的容量，以及

附图8所示为在本发明中使用的类型的高压电缆的截面图。

具体实施方式

附图1定量地示出了作为具有由所谓的电缆技术制成的绕组的定子的时间函数所允许的过载和具有不同的冷却的转子的响应的曲线。如上文所讨论，具有由所谓的电缆技术制成的绕组的定子比常规地制造的定子极大地改善了过载容量。在附图1中以从时间t＝0起朝前慢慢下降的定子曲线表示定子的良好的固有过载容量。如今定制具有由电缆技术制造的并带有由所谓的XLPE制造的固体绝缘的定子绕组的旋转电机在70℃的额定载荷的温度最大值，在定子温度高达90℃下运行许多小时是可接受的。

在附图中的100％的水平表示实际的电机的额定功率。在附图1中的t_limit表示仅在t_limit之前电机在该过载级下运行的规定的允许的最长的时间。作为实例，如果这种过载级是50％过载，则它将导致大约80℃的定子温度。如果已经规定电机不必以80℃的定子温度运行超过24小时以上的时间，则t_limit等于24小时。

正如转子的附图所示，转子的热时间常数比定子的热时间常数短得多，如图所示该曲线快速地下降到由转子的冷却所确定的恒定的等级，如下文进一步所讨论。

在附图2的右上所示为具有由定子齿所定界的定子槽的并包含有高压电缆的绕组的定子芯的截面，下面为最接近气隙的绕组线匝的放大图。在附图2的左边示出了在实际的电机的负载变化时在气隙的附近的电缆中的温度是如何变化的实例。在时间t＝0时电机空载连接到干线。在电机连接时它具有与周围相同的温度，大约为20℃。空载损耗将电机加热到略高于50℃。在12个小时之后负载以一步幅增加到额定的功率。然后损耗增加，温度上升到稍微超过60℃。在另一12小时之后负载从额定的负载以一步幅增加到两倍的额定负载，即100％过载。如在附图2中所示，在30分钟之后温度已经低于90℃。在30分钟之后通过100％的过载以一步幅将负载降低到空载，温度降低。通过定制转子冷却系统的尺寸以通过强制冷却将转子温度保持在允许的最大转子温度之下，在30分钟的过励磁运行的过程中100％的过载可以被接受。

附图3所示为电机的运行的另一实例，这里对过载的需求大得多但持续时间比附图2的电机的持续时间更短。在附图3的上部分上的曲线“a”说明了在气隙附近的电缆中的温度如何随变化的负载而变化。在附图3的下部分中的曲线“b”说明了负载的变化。在时间t＝0时，该电机运行在额定功率(50MVAr)下，并且温度略高于60℃。在5分钟时，负载以一步幅从额定负载增加到6倍的额定负载(300MVAr)，即500％过载。一分钟后负载以一步幅从6倍额定负载回落到额定负载，参见曲线“b”。从在附图3的曲线“a”中可以看出，在整个负载周期中温度从没有超过90℃。通过定制转子冷却系统以将转子温度保持允许的最大转子温度之下，由此在过励磁运行下500％的过载可接受一分钟。

附图4原理性地示出了具有根据本发明的定子2的同步补偿器的一种实施例，该定子2具有较高的电压电缆的定子绕组。该电机在4上直接连接到干线。

从变压器5，5′的每相中获取表示定子电流I和定子电压U的测量信号并通过导线10，12输送到温度估算器6。电压信号也输送到电压调节单元8。以14，16示出了定子和它的泵的冷却系统回路。表示在定子冷却回路14中冷却介质的流量和温度的数据也通过连接18输送到温度估算器6。来自位于定子2上用于测量例如钢片的温度的温度计15的测量值也通过连接20输送到温度估算器6。温度估算器6从这些输入值中确定输送到电压调节器单元8的临界定子温度值Ts。

这种定子温度测定的目的是主要监测定子电缆的温度不变得过热。如果定子温度达到预定的上限，则降低场电流，如下文所述。不使用定子温度值控制转子冷却。

如附图4所示，通过在到激励器26上的控制连接24上的电压调节器单元8控制场电流。通过导线30，32将表示场电流和场电压的信号也输送到转子温度估算器。

以34、36、38、39示出了包括泵、冷却器和入水口的冷却回路。测量在回路34中的冷却介质(通常为水)的温度以及水流量并在40、42上输送到转子温度估算器28。在转子46上也示意性地示出了温度计。从温度计44中所测量的值通过由虚线连接48所表示的无线传输馈送到温度估算器28。可取的是无线传输48使用根据所谓的“Bluetooth”技术的低功率传输。

从输入到温度估算器28中的这些值中确定输送到电压调节器单元8的转子温度值T_R。

在附图4中给温度估算器28输送多个输入值。然而，不需要利用所有这些输入值来确定转子温度值T_R。有几种方法确定转子温度值T_R。该值可以从场电流和场电压中估算。在转子的临界点上直接测量的温度可以直接用作转子温度值T_R。可替换的是，例如通过使用从场电流和电压中估算的温度值和直接测量的值的平均值作为转子温度值T_R来使用它们，并且也可以使用冷却介质的温度和流量来获得可靠的转子温度值T_R。如果通过温度估算器28从输入量的不同组中确定的转子温度值变得显著不同，则可能存在需要注意的某些缺陷。

类似地，也不需要使用在附图4中所示的输入到定子温度估算器6中的所有输入值来确定定子温度值T_S。例如从电流I和电压U中可以估算温度值T_S。通过仪表15所测量的温度可以直接用作定子温度值T_S，或者可以使用这两个温度的平均值作为定子温度值T_S。在这种情况下，也可以使用在定子冷却回路14中的冷却介质温度来确定定子温度值T_S。

在上述的出版物WO98/34312中描述了适合于使用本发明的温度估算器，在此就不进一步描述。

根据输送到电压调节器单元8的转子温度值T_R，控制转子冷却回路的泵36和/或冷却器38以产生适合于实际的负载级的转子46的强制冷却，比较附图1，附图1说明了通过强制冷却如何使基于转子的过载曲线上升到更高的等级。由此这种强制冷却提高了转子46对过载状态的抗热能力。结合定子2的固有的良好的热过载容量，根据本发明的同步补偿器由此在过励磁运行中提供了非常良好的过载容量。

为增加转子冷却回路34的流量，增加泵的速度，可替换的是，第二泵连接到该系统。为强制冷却，可以连接其它的冷却器容量。

实现强制冷却的另一可替换方案是通过提高由电压调节器单元控制的装置将在转子绕组中的冷却回路从正常的串联结构切换到并联结构。

在专利US3,652,880中描述了用于冷却电机的转子的供水装置。通过将泵连接到这种公知的装置，可以实现根据本发明的强制冷却。

附图5示意性地描述了不使用泵但实现增加在转子101中的流量的结构。为实现正常的流量，在入口102输送冷却水并通过控制阀104在出口103将其排出。在强制冷却时阀106打开以使冷却水通过出口105排出，该出口105位于距转子的中心线比第一出口103(半径r2)更大的距离(半径r3)处。在两种情况中入口102都位于半径r1处。这样使用该离心力来控制并增加压力，由此增加流量。

附图6所示为在附图4中的电压调节器单元8的一种实施例的方块图。除了定子电压U以外，该单元的输入值为以如上文所描述的任何方式确定的定子温度值T_S和转子温度值T_R。下文描述电压调节器单元8的操作。

在附图6中将转子温度值T_R和T_S与预定的极限值T_Rlimit1和T_Slimit分别在50和52中进行比较。比较结果输送到门电路54和后面的具有非线性特性的信号处理单元56和单元58。在附图6中定子电压U～依次输送到转换器60，并在62中将来自该转换器中的输出电压U与基准电压值U_ref进行比较。比较结果输送到信号处理单元64，并连同来自所说的单元58的信号一起输送到门电路66。来自门电路66的输出信号输送到具有积分功能的处理单元68和控制场电流的触发器单元70。如果超过了任何预定的极限值T_Rlimit1或T_Slimit，则减小场电流。

在72中比较转子温度值T_R和第二预定的极限值T_Rlimit2。将该结果输送到信号处理单元74和具有非线性特性的输出单元76，如上文所述通过增加在冷却系统34中的冷却水流量或连接冷却器38以降低水温，如果T_R＞T_Rlimit2，则输出单元76的输出信号启动转子的强制冷却。

在强制冷却的控制中应该引入适合的滞后以避免这样的情况：强制冷却反复接通和切断。

附图7所示为基于额定数据和标称电压在每单元中的容量图，说明了对同步机的静态运行的限制。P表示有功功率和Q表示无源功率。带有在坐标原点处的中心的半圆对应于允许的最大定子温度。在P＝0，Q＝1上与半圆相交的曲线对应于在额定的转子冷却下允许的最大转子温度。左边的更小的半圆对应于零场电流。由附图7所表示的同步机被设计成较大的短路功率，这种短路功率也意味着它被构造成具有较小的同步电抗值x_d和x_q。同步补偿器的运行沿着Q轴进行，即它产生或消耗了无源功率。

在欠励磁运行下的同步补偿器的运行范围的临时增大意味着它运行在附图的Q＜1的区域中。通过对应于电极方向的直轴同步电抗x_d和对应于在两个电极之间的间隙的方向的交轴同步电抗x_q(即根据电机的设计和尺寸)确定在欠励磁运行下的可接受的最大过载。同步补偿器从不消耗比对应于在该附图中的1/x_q更多的无源功率，因为这一点是稳定的极限。

在附图7的附图的点-1/x_d上激励电流为零。为继续到点-1/x_q，给机器提供具有两个桥路的静态馈线以允许具有负场电流的静态运行。

如果-1/x_d＜-1，在附图7中较小的半圆位于更大的半圆之外。在两个半圆之间的区域中以不输送负场电流的馈线运行同步补偿器。

在过励磁运行下同步补偿器的运行范围的临时增大意味着将处于在附图的Q＞1的区域中。为避免转子限制了运行范围的临时增大的可能性，如上文所述给转子提供强制冷却。

在附图8中示出了形成电机的绕组的电缆46横截面，该电缆具有与用于配电的电缆基本相同的类型的高电压电缆(即XLPE电缆)。高电压电缆46包括具有许多股36的导电芯。通过设置在固体绝缘33的每侧上的两个半导体层32，34的绝缘系统包围着该导体。该电缆是柔性的并且半导体层32，34实质是等势面，这种等势面可以包围电场以使电缆的外部表面可以基本保持在地电位，在电缆用作在电机的铁芯中的绕组时这是非常重要的特性。固体绝缘33和周围的半导体32，34具有超过3kV/mm(可取的是超过5kV/mm)的电绝缘强度。这样电缆非常适合用作高压定子芯中的绕组，同时保持对电场的控制，并且不会发生破坏性的放电的危险。

通过形成具有所谓的电缆技术的旋转电机的定子绕组，该定子由此获得了较长的热时间常数，这意味着它具有非常良好的抗临时过载的能力。根据本发明，在需要时通过强制转子冷却以及通过定制电机的尺寸以使同步电抗x_q较小并也提供具有允许负场电流的馈线的电机，定子的这种特性可以用于临时增大在过励磁以及在欠励磁运行下根据这种技术设计的同步补偿器的运行范围。这样同步补偿器的运行范围可以显著地增大。

Claims

1.一种同步补偿器的运行方法，其中所述同步补偿器包括旋转电机，所述旋转电机包括转子和定子，所述定子的至少一个绕组具有带中间固体绝缘的两个半导体层的绝缘系统以包围电场，其特征在于，为了临时增大同步补偿器的运行范围，确定与转子中的温度条件相关的参数，并且在过励磁运行下根据由所述参数所确定的转子温度值(T_R)的幅值强制冷却转子。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电机也被设计成在欠励磁运行下允许过载。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，确定与定子中的温度条件相关的参数，以及在过励磁或在欠励磁运行下，如果根据所述参数所获得的定子温度超过临界定子温度值(T_s)则减小场电流。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，如果转子温度值(T_R)超过预定的第二温度极限值(T_Rlimit2)则强制冷却转子，以及如果转子温度值(T_R)超过比第二温度极限值(T_Rlimit2)更高的预定的第一温度极限值(T_Rlimit1)则减小场电流。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，通过降低冷却介质的温度进行强制冷却。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，通过增加冷却介质的流量进行强制冷却。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，根据场电流和场电压、在转子上直接测量的温度、转子冷却介质温度和冷却介质流速这三组参数中的一组或多组参数确定转子温度值(T_R)。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，在实际的过载时控制强制冷却以使转子温度值等于或略低于允许的最大转子温度。

9.一种同步补偿器，所述同步补偿器包括旋转电机，所述旋转电机包括至少一个绕组和用于测量与转子中的温度条件相关的参数的测量装置，所述至少一个绕组具有带中间固体绝缘的两个半导体层的绝缘系统以包围电场，其特征在于，在电机的过励磁运行期间根据由所述参数所确定的转子温度值(T_R)的值强制冷却转子的装置。

10.根据权利要求9所述的同步补偿器，其特征在于，提供第一温度估算器，所述第一温度估算器根据定子电流和定子电压、在定子上直接测量的定子铁心温度、定子冷却介质的温度和定子冷却介质的流速这三组参数中的一组或多组参数确定定子温度值(T_s)。

11.根据权利要求9或10所述的同步补偿器，其特征在于，所述强制冷却转子的装置被设置成通过降低冷却介质的温度来进行强制冷却。

12.根据权利要求9或10所述的同步补偿器，其特征在于，所述强制冷却转子的装置被设置成通过增加冷却介质的流量来进行强制冷却。

13.根据权利要求9或10所述的同步补偿器，其特征在于，所述强制冷却的装置包括将冷却回路从转子中正常的串联结构切换到并联结构的切换装置。

14.根据权利要求9或10所述的同步补偿器，其特征在于，冷却介质是液体。

15.根据权利要求9或10所述的同步补偿器，其特征在于，提供转子温度估算器，所述转子温度估算器根据场电流和场电压、在转子上直接测量的转子温度、转子冷却介质的温度和转子冷却介质的流速这三组参数中的一组或多组参数确定转子温度值(T_R)。

16.根据权利要求15所述的同步补偿器，其特征在于，提供通信设备用于将所测量的值从位于转子上的温度计无线传输到转子温度估算器。

17.根据权利要求16所述的同步补偿器，其特征在于，所述通信设备被设计成通过Bluetooth技术从位于转子上的温度计中传输所测量的值。

18.根据权利要求9或10所述的同步补偿器，其特征在于，所述绕组包括具有被带有中间固体绝缘的两个半导体层的绝缘系统所包围的导电芯的柔性电缆。