MXPA99006971A - Compensacion en serie de maquinas electricas decorriente alterna - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a que en un método de compensación en serie de máquinas eléctricas giratorias, de corriente alterna (2) conectadas, ya sea directamente o a través de un convertidor estático de corriente (28), a una red de distribución o de transmisión, de tres fases (6), en donde el devanado del estator de la máquina de corriente alterna estáconectado en estrella, un circuito capacitivo (14) para la frecuencia fundamental del voltaje se encuentra conectado en cada fase entre el lado inferior del devanado y el punto de conección a tierra (20) de la red de distribución o de transmisión (6). Un dispositivo para esa compensación en serie comprende un circuito capacitivo (14) para la frecuencia fundamental del voltaje, conectado entre el lado inferior del devanado y el punto de conexión a tierra (20) de la red de distribución o de transmisión (6).

Description

COMPENSACIÓN EN SERIE DE MAQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE ALTERNA CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un método y dispositivo para compensar en serie a una máquina eléctrica de corriente alterna, giratoria, conectada, directamente o a través de un convertidor estático de corriente, a una rede de distribución o de transmisión trifásica, en donde el devanado del estator de la máquina de corriente alterna está conectada en estrella. La invención se refiere también a una máquina eléctrica giratoria provista de un dispositivo de compensación en seire. La invención se refiere principalmen e a máquinas eléctricas de corriente alterna, para usarse como generadores en estaciones de energía, para generar energía eléctrica. Un intervalo típico de funcinami ent o puede encontrarse de 36 a 800 kV, de tal forma que se pueden conectar directamente a todo tipo de redes de energía de alto voltaje. Esto es posible gracias al uso de conductores eléctricos con aislamiento para alto REF.: 30866 voltaje, con un aislamiento sólido similar al de los cables para transmitir energía eléctrica, en el siguiente cable denominado cable para alto voltaje. El cable está provisto también de una capa semiconductora, externa, con la ayuda de la cual se define su potencial con relación a los alrededores .

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN A través de la US 5,036,165 se conoce un conductor en el que el aislamiento se proporciona con una capa interna y externa de fibra de vidrio pirolizada, semiconductora. Se conoce también proporcionar conductores en una máquina dinamoe 1 éct ri ca con un aislamiento como ése, tal como se describe en la US 5 066 881 por ejemplo, _ en donde una capa de fibra de vidrio pirolizada se encuentra en contacto con las dos varillas paralelas que forman el conductor, y el aislamiento en las ranuras del estator está rodeado por una capa externa de fibra de vidrio pirolizada. El material de fibra de vidrio pirolizada se describe como conveniente dado que conserva su resistividad inclusive después de un tratamiento por impregnación. La compensación en serie, tanto de las redes de transmisión como de las redes de distribución, de alto voltaje, es ya conocida. La compensación en serie, tanto de las redes de transmisión como de las redes de distribución, de alto voltaje, es ya conocida. También es bien conocido que las corrientes inducidas geomagnét i camente pueden causar el calentamiento dañino en el sistema de la red de energía conectada directamente a tierra. A partir de la US, Al, 4,341,989 se conoce también previamente un dispositivo para la compensación de fase de una máquina eléctrica giratoria, de corriente alterna, de fases múltiples, mediante la conexión en serie o en paralelo, de un elemento capacitivo, con cada devanado de fase, en la parte superior del devanado .

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN El objetivo de la presente invención es proporcionar un nuevo método y un nuevo dispositivo para disminuir la reactancia del sistema a través de la compensación en serie de la máquina de corriente alterna en cuestión, así como para prevenir las corrientes inducidas geomagnét i camente . Este objetivo se logra con un método y un dispositivo del tipo descrito en la introducción, que tiene las características definidas en la reivindicación 1 y en la reivindicación 2 respecti amente. Así, de conformidad con la invención, la compensación se realiza en el lado de abajo de los devanados, de manera tal que se pueden usar capacitores aislados para bajo voltaje, lo cual no es posible en la compensación en serie de redes de transmisión de alto voltaje, de acuerdo con la tecnología conocida. Por lo tanto se pueden usar capacitores menos caros, en el dispositivo de conformidad con la invención, dado que éstos están protegidos por la máquina misma y conectados al punto neutro, que se encuentra a un bajo potencial con relación a la conexión a tierra. Esta solución es especialmente ventajosa para el tipo de máquinas al cual se refiere la presente invención, dado que su lado superior se pretende conectar directamente a redes de energía de alto voltaj e . De conformidad con una modalidad ventajosa del dispositivo de acuerdo con la invención, un medio para la- protección de un sobrevoltaje, se conecta en paralelo ' con los 'capacitores,, de manera tal que estén protegidos de cualquier sobrevoltaje que puede aparecer en el caso de una condición de falla. De acuerdo con una segunda modalidad ventajosa del dispositivo de conformidad con la invención, se acomoda un filtro eliminador de banda entre el punto neutro del bloque de condensadores, formado por ^los capacitores y el punto de conexión a tierra de la red de transmisión o de distribución, posiblemente con un resistor de bajo valor óhmico, entre el filtro eliminador de banda y el punto de _ conexión a tierra. Este resistor puede ser un resistor de punto neutro, dimensionado para una corriente de fuga a tierra, no dañina, de una unas cuantas decenas de amperios. Una fuga a tierra en la máquina de corriente alterna o en el generador, es capaz de emitir una corriente de fuga a tierra, a través de este resistor, pero, controlando la corriente de fuga a tierra, se pueden tomar medidas para desconectar el generador o posiblemente la fase defectuosa. Desde un punto de vista de la red de energía, cualquier incremento en la reactancia transciente de la máquina puede ser compensada también, eficientemente, en esta manera. En la máquina de conformidad con la invención, los devanados están compuestos preferentemente de cables que tienen un aislamiento extruido, sólido, de un tipo usado ahora para la distribución de energía, tal como cables XLPE o cables con un aislamiento EPR. Esos cables son flexibles, la cual es una importante propiedad en este contexto, dado que la tecnología para la máquina de conformidad con la invención se basa principalmente en sistemas de devanado en los que el devanado está formado a partir de cable que se dobla durante su montaje. La flexibilidad de un cable XLPE corresponde normalmente a un radio de curvatura de aproximadamente 20 cm para un cable con 30 mm de diámetro, y un radio de curvatura de aproximadamente 65 cm para un cable de_ 80 mm de diámetro. En la presente solicitud "flexible" se usa para indicar que el devanado es flexible hasta un radio de curvatura del orden de cuatro veces el diámetro del cable, preferentemente de ocho a doce veces el diámetro del cable. Los devanados en la presente invención están construidos para conservar sus propiedades, inclusive cuando estén doblados* y cuando se sometan a esfuerzos térmicos durante el funcionamiento. Es vital que las capas conserven su adhesión, unas con otras, en este contexto. Las propiedades del material de las capas" son decisivas aquí, particularmente su elasticidad y coeficientes de expansión térmica relativos. En un cable XLPE, por ejemplo, la capa de aislamiento consiste de polietileno de baja densidad reticulado, y las capas semicondutoras consisten de polietileno con partículas de negro de humo y de metal, mezcladas en el mismo. Los cambios de volumen, como resultado de las fluctuaciones de temperatura, son completamente absorbidos como cambios en el radio en el cable, y, gracias a la diferencia, comparati amente ligera, entre los coeficientes de expansión térmica en las capas, con relación a la elasticidad de estos materiales, la expansión radial puede tener lugar sin que se pierda la adhesión entre las capas. Las combinaciones de materiales presentadas anteriormente deberán considerarse únicamente como ejemplos. Otras combinaciones que satisfagan las condiciones especificadas y también la condición de que sean semiconductoras, es decir, que tengan una resistividad que se encuentre dentro del intervalo de 10""-'- a 10^ oh -cm, por ejemplo de 1 a 500 ohm-cm, o de 10 a 200 ohm-cm, caen también dentro del alcance de la invención . La capa aislante puede consistir, por ejemplo, de material termoplástico sólido tal como polietileno de baja densidad" (LDPE, pos sus siglas en inglés) , polietileno de alta densidad (HDPE, por sus siglas en inglés), polipropileno (PP), polibutileno (PB), po 1 ime t i lpenteno (PMP), materiales reticulados tales como polietileno reticulado (XLPE, por sus siglas en inglés) o hule tal como el hule de e t i lenpropi leño o el hule de silicona. Las capas semiconductoras, internas y externas, pueden ser del mismo material básico pero con partículas de material conductor, tal como polvo de negro de humo ? polvo metálico, mezclado en el mismo. Las propiedades mecánicas de estos materiales, particularmente sus coeficientes de expansión térmica, se ven afectadas relativamente poco por el hecho de que se encuentre mezclado o no el polvo de negro de humo o el polvo metálico, al menos en las proporciones requeridas para lograr la conductividad necesaria de conformidad con la invención. La capa aislante y las capas semiconductoras tienen así substancialmente los mismos coeficientes de expansión térmica. Los copolímeros de e t i leno-ace t ato de vinilo/hule de nitrilo, el -polietileno injertado con' butilo, los copolímeros de eti leño- acri lato de butilo y los copolímeros de eti leno-acr i 1 ato de etilo pueden constituir también polímeros adecuados para las capas semiconductoras. Inclusive cuando se usen diferentes tipos de material como base, en las diferentes capas, es deseable que sus coeficientes de expansión térmica sean subs t ancialment e los mismos. Este es el caso con la combinación de los materiales enlistados anteriormente. Los materiales enlistados anteriormente tienen una elasticidad relativamente buena, con un módulo E de E<500 MPa, preferentemente <200 MPa. La elasticidad es suficiente para que cualesquiera diferencias menores entre los coeficientes de expansión térmica de los materiales en" las capas, sean absorbidas en la dirección radial de la elasticidad, de manera que no aparezcan rupturas u otros daños y de manera tal que las capas no se desprendan .unas de otras. El material de las capas es elástico, y la adhesión entre las capas es al menos de la misma magnitud que la resistencia del más débil de los material e s . La conductividad de las dos capas semiconductoras es suficiente para igualar substancialmente el potencial a lo largo de cada capa. La conducti idad de la capa semiconductora externa es lo suficientemente grande para contener el campo eléctrico en el cable, pero lo suficientemente pequeña para no dar lugar a pérdidas significativas debido a corrientes inducidas en la dirección longitudinal de la capa . Así, cada una de las dos capas semiconductoras constituye esencialmente una superficie equipotencial, y estas capas encerrarán substancialmente el campo eléctrico entre las mismas. Por supuesto que no hay nada que objetar si una o más capas semiconductoras, adicionales, se encuentran colocadas en la capa ai s 1 ante . Para explicar la invención de manera más clara, se describirá una modalidad del dispositivo de conformidad con la invención, con más detalle y a manera de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que la Figura 1 muestra una modalidad del dispositivo de conformidad con la invención, y la Figura 2 muestra una sección transversal a través del cable de alto voltaje usado en la máquina eléctrica giratoria de conformidad con la invención . La Figura 1 muestra una máquina de corriente alterna 2 en la forma de un generador, los voltajes de fase del cual están conectados directamente a la red 6 a través de los aislantes y de los interruptores 4. El medio 8 para la protección contra sobrevol t aj es y los dispositivos para la medición de corriente 10 se proporcionan también en el lado de salida, del generador 2. El devanado del estator del generador 2 está conectado en estrella y un capacitor 14 de compensación en serie, está conectado en cada una de las fases, por el lado de abajo del devanado.

Un filtro eliminador de banda 16 está conectado al punto neutro del bloque de condensadores y un resistor de punto neutro 18 está conectado al punto de conexión a tierra 20 de la red 6. También se proporcionan los dispositivos de medición de corriente 22, 24 sobre éste lado del generador 2. La conexión de un capacitor en serie 14 en cada una de las fases, logra la compensación en serie de la máquina de corriente alterna 2, bajando" por lo tanto la reactancia del sistema. El medio 26 para la protección contra sobrevo 11 a j es , y una resistencia R, se proporcionan convenientemente para proteger los capacitores 14 en el caso de una condición de falla. El filtro 16 no tiene nada que hacer directamente con la invención y no será descrito con mayor detalle. ~ El resistor 18 de punto neutro está dimensionado para limitar las fugas a tierra hasta una magnitud no dañina de unas cuantas decenas de amperios. Una fuga a tierra en el generador 2 puede así dar por resultado una corriente de fuga a tierra a través del resistor 18, y controlando la magnitud de esta corriente se permite que se tomen medidas para desconectar el generador y posiblemente la fase defectuosa. Alternati amente, el generador 2 puede estar conectado a la red, a través de un convertidor 28, tal como se indica en la Figura 1. La excitación de campo del generador ha sido omitida en la Figura 1. La Figura 2 muestra una sección transversal a través de una cable de alto voltaje 29 usado en la máquina eléctrica giratoria de conformidad con la invención. El cable de alto voltaje 29 está compuesto de un número de partes de hilos 31 fabricados, por ejemplo, de cobre, y que tienen una sección transversal circular. Estas partes de hilos 31 están acomodadas en el centro del cable de alto voltaje 29. Alrededor de las partes de hilo 31 se encuentra una primera capa semiconductora 32. Alrededor de la primera capa semiconductora 32 se encuentra una capa aislante 33, por ejemplo de aislamiento XLPE, y alrededor de la capa aislante 33 se encuentra una segunda capa semiconductora 34.

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención. Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes:

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un método para compensar en serie máquinas eléctricas giratorias, de corriente alterna, conectadas, directamente o a través de un convertidor estático de corriente, a una red de distribución o de transmisión, de tres fases, en donde el devanado del estator de la máquina de corriente alterna está conectado en estrella, el método está caracterizado porque un circuito capacitivo para la frecuencia fundamental del voltaje, se encuentra conectado en cada fase, entre el lado inferior del devanado y el punto de conexión a tierra de la red de distribución o de transmi s ion .

2. Un dispositivo para compensar en serie máquinas eléctricas giratorias, de corriente alterna, conectadas directamente o a través de un convertidor estático de corriente, a una red de distribución o de transmisión, de tres fases, en donde el devanado del estator de la máquina de corriente alterna, está conectado en estrella, el dispositivo está caracterizado porque un circuito capacitivo para la frecuencia fundamental del voltaje, se encuentra conectado en cada fase, entre el lado inferior del devanado y el punto de conexión a tierra, de la red de distribución o de transmisión.

3. Un dispositivo de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque cada circuito capacitivo incluye un capacitor o condens ador .

4. Un dispositivo de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque un medio para la protección contra sobrevol t a es , está conectado en paralelo con los capacitores.

5. Un dispositivo de conformidad con cualesquiera de las rei indicaciones de la 2 a la 4, - caracterizado porque un filtro de eliminación de banda, se encuentra acomodado entre el punto neutro del bloque de capacitores formado por los capacitores, y el punto de conexión a tierra de la red de distribución o de transmisión.

6. Un dispositivo de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque un resistor de bajo valor óhmico, se encuentra conectado entre el filtro de eliminación de banda y el punto de conexión a tierra de la red de distribución o de transmisión.

7. Una máquina eléctrica giratoria que tiene devanados extraídos en las ranuras que se encuentran en el estator, la máquina está caracterizada porque los devanados se enrollan usando cable para alto voltaje y porque la máquina está provista de un dispositivo tal como el que se reivindica en cualesquiera de las reivindicaciones de la 2 a la 6.

8. Una máquina de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada porque el cable para alto voltaje es de un tipo que comprende un núcleo que tiene una pluralidad de partes de hilos, una capa semiconductora interna que rodea el núcleo, una capa aislante que rodea la capa semiconductora interna, y una capa semiconductora externa que rodea la capa aislante.

9. Una máquina de conformidad con lo que se reivindica en la reivindicación 8, caracterizada porque el cable para alto voltaje tiene un diámetro que se encuentra en el intervalo de 20 a 200 mm y un área conductora que se encuentra en el intervalo de 80 a 3000 mm^ .

10. Una máquina de conformidad con cualesquiera de las reivindicaciones de la 7 a la 9, caracterizada porque el cable es flexible y las capas están contiguas unas con otras.

11. Una máquina de conformidad con lo que se reivindica en cualesquiera de las rei indicaciones de la 7 a la 10, caracterizada porque esas capas son de materiales que tienen una elasticidad tal y coeficientes de expansión térmica tales, que los cambios en volumen en las capas, causados por las fluctuaciones de temperatura durante el funcionamiento, son absorbidos por la elasticidad de los materiales, las capas retienen así su adhesión unas con otras durante las fluctuaciones de temperatura que ocurren durante el funcionamiento.

12. Una máquina de conformidad con lo reivindicado en cualesquiera de las reivindicaciones de la 7 a la 11, caracterizada porque los materiales de las capas tienen alta elasticidad, preferentemente con un módulo de elasticidad menor que 50 MPa, preferentemente menor que 200 MPa.

13. Una máquina de conformidad con lo reivindicado en cualesquiera de las reivindicaciones de la 7 a la 12, caracterizada porque los coeficientes de expansión térmica para los materiales que se encuentran en esas capas son substancialmente los mismos.

14. Una máquina de conformidad con lo reivindicado en cualesquiera de las reivindicaciones de la 7 a la 13, caracterizada porque la adhesión entre capas es de al menos la misma magnitud que la resistencia del más débil de los materiales.

15. Una máquina de conformidad con lo reivindicado en cualesquiera de las reivindicaciones de la 7 a la 14, caracterizada porque cada una de las capas semiconductoras constituye esencialmente una superficie equipotencial.