Powerformer en radikalt ny roterande maskin

Transkript

1 Powerformer en radikalt ny roterande maskin ABB har utvecklat en radikalt ny elektrisk maskin med innovativa särdrag som bland annat omfattar statorspår i vilka lindningen, som baseras på konventionella högspänningskablar, är lagd i cirkulära hål. Fördelar med den nya maskinen som till exempel högre verkningsgrad (0,, %), bättre tillgänglighet, lägre underhållskostnader och mindre miljöpåverkan blir sammantaget en stor förbättring i lönsamheten under maskinens livslängd. En högspänningsgenerator baserad på detta nya koncept kan anslutas direkt till transmissionsnätet utan generatorbrytare eller transformator. Då den nya maskinen arbetar som generator och ersätter en transformator har den fått namnet Powerformer TM. Världens första installation med den nya maskinen blir i Porjus vattenkraftcentrum under våren 998. I dén om förändrad konstruktion slog till på allvar 99 och handlade om att bygga en generator med jämn belastning av de ingående konstruktionsmaterialen och som arbetade i högspänningsområdet. Studierna i generatorkonstruktionen inleddes helt enkelt med frågan Måste allt vara så som idag? Svaret utvecklade sig till en radikalt ny konstruktion med omfattande konsekvenser för vattenkraftstationer och värmekraftstationer såväl som för annan elektrisk utrustning. Fast isolation, en innovativ statorkonstruktion med spår som har runda öppningar och ett unikt lindningsarrangemang är en del i hemligheten i det nya konceptet [,2]. Högspänningskablar är trädda genom spåren i statorn. Detta gör att de vanliga svårigheterna när det gäller att göra antaganden om det magnetiska flödet kan undvikas inga kompromisser behöver göras. De cylindriska formerna som används i konstruktionen gör det möjligt att direkt tillämpa Maxwells ekvationer på ett rättframt sätt utan approximationer. Nytt energisystem Ett av syftena med utvecklingsprogrammet var att ta fram roterande elektriska maskiner med hög spänning. Det innebär bland annat att transformatorn mot kraftnätet kan uteslutas. Under åren har en rad försök syftat till detta []. Spänningen på transmissionsnäten kan uppgå till 800 kv eller mer, medan generatorn bara klarar 0 kv i dagens utförande. Powerformer är konstruerad med en rad unika lösningar som gör det möjligt att överskrida 0 kv-gränsen, bland annat en lindning som bestär av kraftkablar med fast isolation som på Dr. Mats Leijon ABB Corporate Research Bakgrund De magnetiska kretsarna i en elektrisk generator är vanligen uppbyggda av en laminerad kärna som består av stålplåt med en svetsad stomme. För att åstadkomma kylning och ventilation är kärnan ofta delad i packar med radiella eller axiella kanaler. I större anläggningar är plåtarna stansade i segment som fästs i maskinens stomme. Den laminerade kärnan hålls ihop av kilar och tryckringar. Lindningarna i de magnetiska kretsarna läggs i spår och runt kärnan, spåren har vanligen rektangulära tvärsnitt. I mångpoliga generatorer är lindningarna i allmänhet utförda som tvåskiktslindningar. En härva ligger med sin ena härvdel i överplanet och med sin andra i underplanet. Det betyder att ledarna korsar varandra i härvändarna eftersom de hör till olika lager. Lindningsarbetet är komplicerat och fordrar experter. Vanligen kan statorer för roterande maskiner tillverkas inom spänningsområdet 0 kv. När en synkronmaskin ska anslutas till transmissionsnätet måste detta ske via en transformator eftersom spänningen på transmissionsnätet är avsevärt högre än den i de elektriska maskinerna. Därför bildar ofta generatorn och transformatorn en integrerad del i en kraftstation. Transformatorn innebär kostnader och medför dessutom nackdelen att anläggningens totala verkningsgrad sjunker. Om det vore möjligt att tillverka elektriska generatorer för avsevärt högre spänningsområden, som kan anslutas direkt till nätet, vore mycket vunnet. ) Beteckningen halvledande beskriver här material med relativt hög resistivitet, här PEX som är dopad med kol. En sådan halvledare är därför, mer korrekt, en resistiv ledare. ABB Tidning 2/998 2

2 båda sidor är omgiven av ett halvledande skikt ) 2. Den yttre halvledaren ansluts till jord. Moderna kraftkablar, som exempelvis PEX-kabeln, är utrustade med ledare som uppfyller dessa krav. Enligt Maxwell ger en rund elektrisk ledare det mest jämnt fördelade elektriska fältet. Detta betyder att en kabel med sin runda ledare är ett bra val där isolationsmaterialet belastas så gynnsamt som möjligt. En sådan kabel gör det möjligt att utforma plåtkärnan optimalt såväl vad gäller tänder som spår. Eftersom potentialen längs en lindning ökar för varje varv så ökar därför också kraven på kabelns isolation. Det är därför möjligt att använda tunn isolation för de första varven och sedan allt tjockare isolation för de följande varven ett arrangemang som kallas trappad isolation. Detta gör det möjligt att utnyttja volymen i statorkärnan så gynnsamt som möjligt. Spårens utformning anpassas till lindningens kabeltvärsnitt, med ett antal axiella cylindriska öppningar placerade radiellt utanför varandra, med spår emellan. Lindningen har en ledare bestående av kardeler, där vissa är oisolerade och andra isolerade från varandra. Detta för att förhindra virvelströmsförluster. Dessa särdrag hos Powerformer innebär ett antal fördelar: Den trappade isolationen innebär nära konstant tandbredd oberoende av radiell utbredning. Hela kabelns ytterhölje kan läggas på jordpotential. En väsentlig fördel är att det elektriska fältet är nära noll i härvändarna utanför den yttre halvledaren. Med jordpotential på ytterhöljet behöver det elektriska fältet inte styras. Jämför med traditionell teknik, där fältet styrs på flera ställen per varv. På det sättet uppstår inga fältkoncentrationer varken i plåten, i härvändar eller i övergången mellan dessa. Lindningen byggs upp genom att kraftkabeln träs in i de cylindriska spåren i statorplåten. Viktiga fördelar för användaren En roterande elektrisk maskin enligt detta nya koncept erbjuder många fördelar jämfört med konventionell teknik: Den kan anslutas direkt till ett kraftnät, vid alla typer av högspänning som vi idag har kabel för. Lindningens yta ligger på jordpotential. Oljebaserade transformatorer och de långa skenstråken samt högströmsbrytarna försvinner. Uppfinningen erbjuder såväl utrymmes- som viktbesparingar. Stora miljövinster uppnås då verkningsgraden ökats och genom de valda materialen. Underhållsbehovet minskar samtidigt som tillförlitligheten ökar. Direkt anslutning till nätet Den fasta isolationen i Powerformer sammantagen med andra nyheter gör att lindningen kan arrangeras så att direktanslutning till nätet kan ske. Detta utan mellansteg med transformator, också på nät som arbetar med 20 kv och uppåt. En vattenkraftanläggning byggs vanligen i berg, där utrymmesbehovet för transformatorn nu elimineras. Till detta kan läggas att personsäkerheten ökar, eftersom brandrisken med och hanteringen av en oljeisolerad transformator inte längre finns. I de fall transformatorn är placerad ovan jord är det skenstråken och deras hantering som förenklas avsevärt med den nya tekniken. Eftersom strömmen i dessa ofta är i storleksordningen 0 20 Schema för en konventionell anläggning med upptransformator (a) och samma anläggning, där den nya teknologin används (b) Generator Transformator 2 Brytare Kretsbrytare Överspänningsavledare Kraftkabel i statorlindningen för Powerformer Kardelar 2 Halvledande skikt fast isolation Halvledande skikt a b 22 ABB Tidning 2/998

3 2 a b Sektion av statorn i en Powerformer (a), detalj av statorn utan kabel (foto, b) och temperaturfördelning runt ett statorspår (c) Rotor Spår (cykelkedjetyp) 2 Sektor av stator Kabel Tänder Hjälpkraft ka, minskar också effektförlusterna genom den enklare direktkopplingen. Följande viktiga fördelar finns med direktanslutnig till nätet: Förlusterna i lindningarna minskas genom den högre spänningen. Risken för två- eller trefasfel är avsevärt mindre genom användningen av högspänningskablar. Reduktionen av antalet elektriska komponenter innebär att motsvarande förebyggande säkerhetsåtgärder inte heller behövs. Anläggningar med den nya tekniken erbjuder fler möjligheter till anslutningar med olika spänningsnivåer. Till exempel kan kraftstationens hjälpkraft integreras i Powerformer. Sammantagna erbjuder dessa fördelar en radikalt förbättrad totalekonomi för en anläggning: Bättre verkningsgrad Enklare anläggning Lägre underhållskostnader Bättre tillgänglighet Förbättrad miljö Ny kabel används, utvecklad ur kraftkabel En viktig förutsättning för att tillverka den önskade magnetkretsen, är att lindningen är uppbyggd av kabel med fast elektrisk isolation och med minst två halvledande skikt, mot ledare och hölje 2. Sådana kablar finns, och idag används de som delar i standardkraftkablar. Den inre strömförande ledaren i en standardkraftkabel består av ett antal oisolerade kardeler. Kring dessa finns ett halvledande skikt. Runt detta ett isolerande dito med fast isolation. Detta omges ånyo av ett halvledande skikt, klätt med metallskärm och mantel. Den av ABB vidareutvecklade kabeln innehåller både oisolerade och isolerade kardeler. Kring denna ledare finns ett inre halvledande hölje omgivet av ett fast isolationsskikt. Detta täcks med ett halvledande skikt, precis som i standardkabeln. Men här tar likheterna slut; kabeln till lindning har varken metallskärm eller mantel. c Ny stator För att optimera en roterande elektrisk maskin är magnetkretsens utformning av spår och tänder av avgörande betydelse. Spåren bör omsluta så nära lindningens hölje som möjligt. Tänderna på varje radiell nivå bör vara så breda som möjligt. Detta minskar maskinens förluster och likaså magnetiseringsbehovet. ABB Tidning 2/998 2

4 Genom att se till att de termiska utvidgningskoefficienterna i isolationen och i de halvledande skikten är lika så kan risken för skador, brott eller liknande på grund av värmeutvidgning i lindningarna elimineras. Statorn i maskinen till Porjus under konstruktion. Här träs kabeln i statorspåren. a visar utförandet av statorn i Powerformer; rotorn är antydd i mitten. Statorn är sammansatt av en laminerad kärna uppbyggd av elplåt. Från ytterpartiet sträcker sig ett antal tänder in mot rotorn. Lindningen är placerad i spåren som utgör mellanrummet mellan tänderna. Spårens tvärsnitt minskar in mot rotorn eftersom, som nämnts ovan, varje lindningsvarv kräver mindre kabelisolation ju närmare det ligger rotorn. Längs varje spår är det runda hål som bildar smala midjepartier mellan lindningsskikten. Den resulterande formen skulle kunna liknas vid en cykelkjedja b. Eftersom en maskin behöver ett stort antal lindningsskikt, utgör kabeldimensioner nästa problem. I exemplet används tre olika dimensioner på kabel. Av figuren framgår också att statortanden kan utformas med praktiskt taget konstant radiell bredd utmed hela spårets djup, vilket jämnar ut belastningarna i statortanden. Lindningen kan beskrivas som flerskikts koncentrisk, vilket också innebär att antalet härvändskorsningar minimeras. Sammantaget medger detta enkla- re och snabbare trädning av statorlindningen. Första kraftverket med Powerformer Den första generatorn enligt den nya teknologin har redan framgångsrikt testats i fabrik b. Powerformer med en effekt på MVA, kv och 00 varv/min tas i drift under våren 998 i Porjus vattenkraftcentrum. Nyckelfördelar med den nya konstruktionen Med det nya systemet kan olika delar av konstruktionen separeras och behandlas oberoende av varandra, till exempel den elektriska och den termiska delen, så att konstruktören får större frihet att optimera maskinen. Detta möjliggörs dels av de runda ledarna som ger en jämn fältfördelning så att isolationsmaterialet belastas gynnsamt, dels av de halvledande skikten på båda sidor om den fasta isolationen som gör att det elektriska fältet håller sig inuti kabeln. Fler tekniska nyheter Lindningarna är flexibla och kan böjas vilket förenklar hantering och montering. Det bör också påpekas att anläggningen med den nya statorn kan utformas antingen för horisontellt eller vertikalt arbetande generator. Den avgörande skillnaden mot dagens teknik är att den nya tekniken erbjuder direktkoppling från generatorn på nätet från 20 till 00 kv idag. Anslutning till nät med högre spänningar blir möjligt när erforderlig kabel finns. Kabelskarvar för inkopplingen till nätet Generellt gäller för Powerformer-konstruktionen att kabeln träds i spår, antingen vid fabrik eller i kraftstationen. Spänningsnivån för lindningssegmentet bestämmer vilken typ av skarv som ska användas för att koppla samman de olika kabelsektionerna och även för att ansluta generatorn till nätet. Prefabricerade skarvar såväl som vulk- och tapeskarvar kan användas. Fördelar vid konstruktion av kraftverk Generatorer i vattenkraftverk är mångpoliga, lågvarviga maskiner som drivs av vattenturbiner. Samma konventionella turbiner används med de nya Powerformer-generatorerna a. Statorns lindning är uppbyggd den nyutvecklade kabeln. Denna är oskärmad och ansluts till den skärmade kraftkabeln med till exempel en prefabrice- 2 ABB Tidning 2/998

5 rad skarv. En vattenkraftgenerator som den på bilden kan generera extremt högy spänningar. Turbogeneratorn är belägen i termiska kraftverk som kraftvärmevärk och kärnkraftverk. Bränslet varierar från naturgas, olja, kol, biobränslen, en blandning av bränslen till klyvbart material. Avsikten med dessa bränslen är att nå en hög temperatur i en gas, antingen i en förbränningsprocess, eller indirekt upphettad ånga. Den termiska energin i gasen eller ångan ska överföras till kinetisk, antingen via en gas- eller ångdriven turbin. Minst en generator är monterad direkt på turbinaxeln eller via en växel. I generatorn omvandlas den kinetiska energin till elektrisk. Med dagens teknik är det vanligt med spänningar mellan 0 och 20 kv. Då behövs också en transformator före kraftnätet. Den nya lösningen arbetar inom sådana spänningsintervall att transformatorn blir överflödig. Funktionellt ersätts den med en högspänningsbrytare. Skenstråken ersätts med skärmad högspänningskabel. Anslutningen sker direkt på kraftnätet. visar ett principschema med turbo Powerformer, i detta fall driven med en gasturbin. För att förklara aspekter och fördelar med den nya uppfinningen, görs refe- renser till en konventionell vattenkraftanläggning 7. Lösningen är utformad med transformatorhallen belägen en bit från generatorhallen. Den senare i form av ett bergrum. Generatorn förbinds med transformatorn via ett skensystem arrangerat i en tunnel som är flera hundra meter lång. I ett vattenkraftverk baserat på den nya uppfinningen behövs inte utrustning och byggnader till höger om tvärsnittet A-A i 7, medan samma ytor i generatorhallen behålls. Även i en vattenkraftstation med en konventionell generator och med transformatorn och dess kringutrustning i generatorhallen istället för, som här, i en Förenklad vy, delvis sektionerad, av en vattenkraftgenerator (a) och vy över komplett stator till maskinen i Porjus (foto, b) Vattenturbin Oskärmad kabel 7 Rotor 2 Stator Skärmad kraftkabel Statorlindningar SlipOver-skarv 2 7 a b ABB Tidning 2/998 2

6 8 9 bortom den vanliga produktutvecklingen. Powerformer revolutionerar sekelgammal vedertagen generatorteknik och representerar ett utvecklingssteg i elektrisk ingenjörskonst som får långtgående konsekvenser för kraftindustrin. 2 Turbogenerator enligt nya lösningen Powerformer, driven av en gasturbin Förbränningskammare Transformator för 2 Kompressor magnetiseringshjälpkraft Gasturbin 7 Skärmad kraftkabel Gemensam axel 8 Brytare Generator 9 Distributionsnät 7 Referenser [] Leijon, M.: Rotating electrical machines with magnetic circuit for high voltages and method for manufacturing same. Patent no. WO 97/99. [2] Leijon, M.: Transformer and reactor. Patent no. WO 97/87. [] Leijon, M. et al.: Breaking conventions in electric power plants. CIGRE 998, paper /7. separat hall blir generatorhallen avsevärt mindre med den nya teknologin. Att utesluta transformatorn och brytarna minskar installations- och underhållskostnaderna. Samtidigt ökar tillgängligheten och pålitligheten. Fördelarna med den nya tekniken pekar på tekniska landvinningar långt Sektion genom ett konventionellt vattenkraftverk. Vid tillämpning av den nya tekniken kan allt till höger om tvärsnitt A-A slopas. 7 Generatorhall Tunnelsystem 2 Generator Transformatorhall Skensystem A 2 A Författarens adress: Dr. Mats Leijon ABB Corporate Research S Västerås Fax: + (0) mats.leijon@secrc.mail.abb.com 2 ABB Tidning 2/998