DE69726267T2

DE69726267T2 - Elektrische Hochspannungs-Wechselstrommaschine

Info

Publication number: DE69726267T2
Application number: DE69726267T
Authority: DE
Inventors: Mats Leijon; Bertil Berggren; Lars Gertmar; Jan-Anders Nygren; Erland Sörensen
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1996-05-29
Filing date: 1997-05-27
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2017-05-28
Also published as: JP2000511392A; EE9800415A; DE69726267D1; TR199802471T2; PE82798A1; CO4650249A1; ATE254815T1; KR20000016037A; AU718681B2; HK1021085A1; WO1997045926A3; NO985553D0; RU2211518C2; CZ385898A3; NZ333599A; BR9709619A; CN1101988C; EP0888661B1; AR007339A1; CN1220043A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Hochspannungs-Wechselstrommaschine, die zum direkten Anschluss an ein Verteiler- oder Übertragungsnetz bestimmt ist, wobei die Maschine mindestens eine Wicklung enthält.
Solche Generatoren mit einer Nennspannung bis 36 kV werden beschrieben von Paul R. Siedler, "36 kV Generators Arise from Insulation Reaserch", in "Electrical World", 15. Oktober 1932, Seiten 524–527. Diese Generatoren enthalten Wicklungen, die aus gegen Mittelspannung isolierten Leitern aufgebaut sind, wobei die Isolation in verschiedene Schichten mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten unterteilt ist. Das verwendete Isolationsmaterial besteht aus verschiedenen Kombinationen von drei Komponenten, nämlich Glimmerfolien, Lack und Papier. Maßnahmen zur Vergrößerung der Betriebsspannung einer elektrischen Wechselstrommaschine werden in der US-A-4429244 beschrieben.
In einer Veröffentlichung des Power Research Institute, EPRI, EL-3391, April 1984, wird ein Generatorkonzept mit so hohen Spannungen vorgeschlagen, daß der Generator direkt an ein Starkstromnetz ohne zwischengeschalteten Transformator angeschlossen werden kann. Für einen solchen Generator war ein supraleitender Rotor vorgesehen. Die Magnetisierungskapazität eines durch Supraleitung erzeugten Feldes würde es dann ermöglichen, Luftspaltwicklungen ausreichender Dicke zu entwickeln, die den elektrischen Kräften standhalten würden. Der vorgeschlagene Rotor hat jedoch einen komplizierten Aufbau mit einer sehr dicken Isolation, welche die Abmessungen der Maschine beträchtlich vergrößern. Außerdem sind spe zielle Maßnahmen für die Isolierung und Kühlung der Spulenkopfabschnitte zu treffen.
Unter elektrischen Hochspannungs-Wechselstrommaschinen gemäß der vorliegenden Erfindung werden verstanden rotierende elektrische Maschinen, wie Generatoren in Kraftwerksanlagen zur Erzeugung elektrischer Energie, doppelt gespeiste Maschinen, Außenpolmaschinen, Synchronmaschinen, assynchrone wandlerkaskaden, sowie auch Leistungstranformatoren. Um solche Maschinen, mit Ausnahme von Transformatoren, an Übertragungs- und Verteilernetze, im folgenden allgemein als Leistungsnetzwerke bezeichnet, anschließen zu können, war bisher ein Transformator erforderlich, um die Spannung auf das Netzspannungsniveau, welches im Bereich von 130–400 kV liegt, hoch zu transformieren.
Durch die Herstellung der Wicklung dieser Maschinen aus einem isolierten elektrischen Hochspannungsleiter mit einer festen Isolation von ähnlichem Aufbau wie Kabel, die für die Energieübertragung verwendet werden, kann die Spannung der Maschine auf solche Niveaus vergrößert werden, daß die Maschine ohne einen zwischengeschalteten Transformator direkt an ein Starkstromnetz angeschlossen werden kann. Somit kann dieser Transformator weggelassen werden. Typische Betriebsbereiche für die Maschinen sind 30–800 kV.
Bei dieser Art von Maschinen muß besondere Aufmerksamheit den Erdungsproblemen gewidmet werden.
Die Erdung von Generatorsystemen und anderen ähnlichen elektrischen Systemen bedingt gewollte Maßnahmen zur Verbindung eines elektrischen Systems mit dem Erdpotential. Wenn der sogenannte Nullpunkt des Systems zugänglich ist, wird dieser oft an Erde angeschlossen, und zwar entweder direkt oder über eine geeignete Impedanz. Es kommt auch vor, daß andere Punkte des Systems an Erde angeschlossen werden. Wenn ein Punkt des Systems geerdet ist, so ist das gesamte System soweit geerdet, wie die galvanische Verbindung reicht.
Das zur Anwendung gelangende Erdungsprinzip wird durch den Aufbau des Systems bestimmt. Für ein System, welches einen Generator enthält, der direkt über einen stern-dreieck-geschalteten aufwärts-transformierenden Transformator angeschlossen ist, wobei die dreieck-geschalteten Wicklung an der Generatorspannung liegt, sind die folgenden Erdungsalternativen am häufigsten:

– Hoch-Widerstands-Erdung
– keine Erdung
– Resonanzerdung.

Eine Hoch-Widerstands-Erdung wird normalerweise durch den Anschluß eines nieder-ohmigen Widerstandes an die Sekundärseite eines Verteilertransformators verwirklicht, wobei die Primärwicklung des Transformators zwischen dem Nullpunkt des Generators und Erde angeschlossen ist. Ein solche bekannte Erdung ist in 1 dargestellt, die einen Generator 2 zeigt, der über einen stern-dreieck-geschalteten aufwärtstransformierenden Transformator 3 an ein Netz 9 angeschlossen ist. Die Primärwicklung 11 eines Verteilertransformators ist zwischen dem Nullpunkt des Generators 2 und Erde angeschlossen. An die Sekundärwicklung 10 des Transformators ist ein Widerstand 12 angeschlossen.
Die gleiche Art der Erdung kann natürlich auch erreicht werden durch Einschaltung eines hoch-ohmigen Widerstandes direkt zwischen dem Nullpunkt des Generators und Erde.
Bei einem ungeerdeten elektrischen System fehlt eine gewollte Verbindung zur Erde. Somit hat ein ungeerdeter Gene rator keine Verbindung zwischen seinem Nullpunkt und Erde mit Ausnahme über eventuelle Spannungswandler zur Speisung verschiedener Relais und Instrumente.
Resonanzerdung wird normalerweise auch in der in 1 gezeigten Weise verwirklicht, wobei der Widerstand 12 durch einen Reaktor 12a ersetzt ist. Die Reaktorreaktanz wird so gewählt, daß der kapazitive Strom bei einem Fehler zwischen Leitung und Erde durch eine gleich große Komponente eines induktiven Stromes neutralisiert wird, der durch den Reaktor 12a beigesteuert wird.
Auch Niedrig-Widerstands-Erdung oder Niedrig-Impedanz-Erdung und effektive Erdung der obigen Systeme sind möglich. Niedrig-Widerstands-Erdung oder Niedrig-Impedanz-Erdung führt zu kleineren transienten Überspannungen, aber höheren Erdfehlerströmen, die innere Schäden der Maschine verursachen können.
Eine Niedrig-Widerstands-Erdung wird durch die gewollte Einfügung eines Widerstandes zwischen dem Nullpunkt des Generator und Erde erreicht. Der Widerstand kann entweder direkt in Verbindung zur Erde eingefügt werden oder indirekt durch Anschluß an die Sekundärwicklung eines Transformators, dessen Primärwicklung zwischen dem Nullpunkt des Generator und Erde geschaltet ist, siehe 1.
Eine Niedrig-Impedanz-Erdung, das heißt Niedrig-Induktanz-Erdung, wird in gleicher weise erreicht wie die Niedrig-Widerstands-Erdung, indem der Widerstand durch einen Induktor ersetzt wird. Der Wert des Induktors in Ohm ist geringer als für die oben behandelte Resonanzerdung.
Für Systeme, die mehrere Generatoren enthalten, die an eine gemeinsame Speiseleitung oder Sammelschiene angeschlossen sind mit Leistungsschaltern zwischen den Generatorklemmen und der gemeinsamen Sammelschiene, ist die Niedrig-Widerstands-Erdung oder die Niedrig-Impedanz-Erdung geeignet.
Die effektive Erdung des Nullpunktes eines Generators hat im wesentlichen die gleichen Vorteile und Nachteile wie die Niedrig-Widerstands-Erdung oder die Niedrig-Impedanz-Erdung mit einigen Unterschieden.
Ein System wird als effektiv geerdet bezeichnet, wenn bestimmte Impedanzanforderungen, welche die Größe der Erdungsimpedanz begrenzen, erfüllt sind. In einem effektiv geerdeten System ist die maximale Spannung zwischen Phase und Erde bei den fehlerfreien Phasen im Falle eines Erdfehlers auf 80% der verketteten Spannung zwischen den Phasen begrenzt.
Ein Starkstromsystem wird hauptsächlich geerdet durch Erdverbindung der Nullpunkte von Transformatoren in dem System und kann (außer den unvermeidlichen Kontaktwiderständen) impedanzfrei sein, sogenannte direkte Erdung, oder eine gewisse Impedanz enthalten.
Bisher bekannte Erdungstechniken werden beispielsweise beschrieben in der Publikation IEEE C62.92-1989 IEEE Guide for the Application of Neutral Grounding in Electrical Utility Systems, Teil II – Grounding of Synchronous Systems, veröffentlicht durch das Institute for Electrical and Electronics Engineers, New York, USA, September 1989.
Wenn der Nullpunkt des Generator über einen niedrigen Widerstand oder eine niedrige Induktivität, wie oben beschrieben, geerdet wird, bildet sich ein Pfad für Ströme der dritten Oberwelle von Nullpunkt des Generator zur Erde. Wenn eine direkt geerdete oder niedrig-impedanz-geerdete Transformatorwicklung oder ein anderer niedrig-impedanz-geerdeter Ge nerator direkt an den Generator angeschlossen ist, zirkulieren zwischen diesen unter normalen Bedingungen Ströme der dritten Oberwelle.
Techniken zur Lösung der Probleme mit den Strömen der dritten Oberwelle im Generator- und Motorbetrieb von elektrischen Wechselstrommaschinen von der Art, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, werden in den schwedischen Patentanmeldungen 9602078-9 und 9700347-9 beschrieben.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine elektrische Hochspannungsmaschine für den direkten Anschluss an ein Verteiler- oder Übertragungsnetz wie oben angedeutet zu entwickeln, welche Maschine mit einer Erdungseinrichtung versehen ist, die für unterschiedliche Verwendungen und Betriebsbedingungen der Maschine geeignet ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Hochspannungs-Wechselstrommaschine der in der Einleitung der Beschreibung beschriebenen Art, welche die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 hat.
Ein wichtiger Vorteil der Maschine gemäß der Erfindung besteht in der Tatsache, daß das elektrische Feld im Wickelkopfbereich der Wicklungen außerhalb der zweiten Schicht mit halbleitenden Eigenschaften nahezu Null ist. Es brauchen daher keine elektrischen Felder außerhalb der Wicklung gesteuert zu werden, und es können sich keine Feldkonzentrationen bilden, und zwar weder innerhalb der Bleche noch in den wickelkopfbereichen noch in den Übergängen dazwischen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Maschine gemäß der Erfindung haben mindestens zwei benachbarte Schichten im wesentlichen gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten. Auf diese weise werden Defekte, Risse oder dergleichen infolge thermischer Bewegungen in der Wicklung vermieden.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Maschine gemäß der Erfindung enthält die genannte Erdungseinrichtung Mittel für eine Niedrig-Widerstands-Erdung der Wicklung. Auf diese Weise können sowohl transiente Überspannungen als auch Erdfehlerströme auf mäßige werte begrenzt werden.
Bei noch einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Maschine gemäß der Erfindung, bei der die Maschine eine sterngeschaltete Wicklung hat, deren Nullpunkt zugänglich ist, ist eine Hoch-Widerstands-Erdungseinrichtung mit einem Widerstand vorhanden, der an die Sekundärwicklung eines Transformators angeschlossen ist, dessen Primärwicklung zwischen dem Nullpunkt und Erde angeschlossen ist. Auf diese Weise hat der an der Sekundärwicklung des Transformators liegende widerstand einen vergleichsweise nieder-ohmigen Wert und einen robusten Aufbau. Eine ausreichende Dämpfung zur Reduzierung transienter Überspannungen auf sichere Größen kann durch einen geeignet bemessenen widerstand erreicht werden. Ferner werden mechanische Beanspruchungen und Fehlerschäden bei Fehlern zwischen Leitung und Erde durch Begrenzung des Fehlerstromes begrenzt. Eine solche Erdungseinrichtung ist auch wirtschaftlicher als die direkte Einfügung eines hochohmigen Widerstandes zwischen dem Nullpunkt des Generator und Erde.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Maschine gemäß der Erfindung, bei welcher die Maschine eine sterngeschaltete Wicklung hat, deren Nullpunkt zugänglich ist, enthält die Erdungseinrichtung einen Reaktor, der an die Sekundärwicklung eines Transformators angeschlossen ist, dessen Primärwicklung zwischen dem neutralen Punkt und Erde angeschlossen ist, wobei der genannte Reaktor solche Eigenschaf ten hat, daß der kapazitive Strom durch einen Erdfehler im wesentlichen durch eine gleich große Komponente eines induktiven Stromes kompensiert wird, der durch den Reaktor beigesteuert wird. Auf diese weise wird der resultierende Fehlerstrom durch den so gebildeten parallel liegenden Resonanzkreis auf einen niedrigen Wert begrenzt, und der Strom ist im wesentlichen in Phase mit der Fehlerspannung. Die Wiederkehr der Spannung der fehlerhaften Phase erfolgt in diesem Falle sehr langsam, und folglich wird ein Erdstrom transienter Natur in einem resonanz-geerdeten System automatisch gelöscht.
Bei noch einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Maschine gemäß der Erfindung gehört zu der Erdungseinrichtung ein stern-dreieck-geschalteter Transformator oder ein sogenannter Zickzack-Erdungstransformator, der an die Netzseite der Maschine angeschlossen ist. Die Verwendung solcher Erdungstransformatoren ist hinsichtlich der Fehlerstromniveaus und der transienten Überspannungen äquivalent zu einer Niedrig-Induktanz-Erdung oder einer Niedrig-Widerstands-Erdung.
Um die Erfindung genauer zu erläutern, werden Ausführungsformen der Maschine gemäß der Erfindung beispielhaft im folgenden detaillierter beschrieben unter Bezug auf die 2–11 der beigefügten Zeichnungen, in welchen
1 eine bekannte Erdung eines Synchron-Generators zeigt,
2 ein Beispiel des in der Wicklung der Maschine gemäß der Erfindung verwendeten isolierten Leiters zeigt,
3 eine nicht geerdete Dreiphasen-Maschine in Gestalt eines stern-geschalteten Generators oder Motors zeigt, der an eine Starkstromsystem angeschlossen ist,
4 bis 13 verschiedene Erdungsbeispiele der sterngeschalteten Maschine in 3 zeigen,
14 eine Maschine gemäß der Erfindung in Gestalt eines dreieck-geschalteten Generators oder Motors zeigt, der an ein Starkstromsystem angeschlossen ist, und
15 die Verwendung eines Erdungstransformator in dem in 14 gezeigten System zeigt.
2 zeigt ein Beispiel eines isolierten Leiters, welcher für die Wicklung der Maschine gemäß der Erfindung verwendet werden kann. Ein solcher isolierter Leiter enthält mindestens einen Leiter 4, der aus einer Vielzahl nichtisolierter und eventuell isolierter Einzelleiter 5 besteht. Der Leiter 4 ist von einer inneren halbleitenden Schicht 6 umgeben, die mit mindestens einigen der nicht-isolierten Einzelleiter 5 in Kontakt steht. Diese halbleitende Schicht 6 ihrerseits ist von der Hauptisolation eines Kabels in Gestalt einer extrudierten festen (kräftigen) Isolationsschicht 7 umgeben. Die Isolationsschicht ist von einer äußeren halbleitenden Schicht 8 umgeben. Der Leiterquerschnitt des Kabels kann zwischen 80 und 3000 mm² variieren und der Außendurchmesser des Kabels zwischen 20 und 250 mm.
3 zeigt schematisch eine ungeerdete elektrische Hochspannungs-Wechselstrommaschine in Gestalt eines sterngeschalteten Generators oder Motors 14, der direkt an ein Starkstromsystem 16 angeschlossen ist.
4 zeigt eine Erdungseinrichtung in Gestalt eines Überspannungsschutzes, gebildet von einem nicht-linearer Widerstands-Überspannungsableiter 18, der zwischen dem Nullpunkt 20 der stern-geschalteten Maschine 14 und Erde geschaltet ist. Ein solcher an den Nullpunkt angeschlossener nichtlinearer Widerstands-Überspannungsableiter 18 schützt den für die Maschinenwicklungen verwendeten isolierten Leiter gegen transiente Überspannungen, wie zum Beispiel durch den Einschlag eines Blitzes verursachte Überspannungen.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem hoch-ohmigen Widerstand 22, der zu dem nicht-linear Widerstands-Überspannungsableiter 18 parallel geschaltet ist. Der nicht-lineare Widerstands-Überspannungsableiter 18 arbeitet in diesem Ausführungsbeispiel in der gleichen Weise wie in dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel, und durch den Widerstand 22 wird durch Messung der Spannung an dem Widerstand 22 eine empfindliche Erkennung von Erdfehlern erreicht.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer Hoch-Widerstands-Erdung des Nullpunktes 20. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Technik verwendet, die der im Zusammenhang mit 1 beschriebenen bekannten Technik ähnlich ist. Es ist also ein Widerstand 24 an die Sekundärwicklung 26 eines Transformators angeschlossen, dessen Primärwicklung 28 zwischen dem Nullpunkt 20 der Maschine 14 und Erde angeschlossen ist. Der Widerstand 24 ist vergleichsweise nieder-ohmig und von robustem Aufbau im Vergleich zu einem hoch-ohmigen Widerstand, der für einen direkten Anschluß zwischen dem Nullpunkt 20 und Erde erforderlich wäre, um das gleiche Ergebnis zu erzielen. Die Spannungsklasse des Widerstands kann infolgedessen reduziert sein. Auch in diesem Falle ist ein nicht-linearer Widerstands-Überspannungsableiter 18 parallel zu der Primärwicklung 28 geschaltet. Bei dieser Ausführungsform werden mechanische Beanspruchungen und Fehlerschäden beim Auftreten eines Fehlers zwischen Leitung und Erde durch die Begrenzung des Fehlerstromes begrenzt. Transiente Überspannungen werden auf sichere Niveaus begrenzt, und die Erdungseinrichtung ist wirtschaftlicher als die direkte Einfügung eines Widerstands.
Resonanzerdung der Maschine kann auf ähnlichem Wege verwirklicht werden, indem der Widerstand 24 durch einen Reaktor ersetzt wird, der solche Eigenschaften hat, daß der kapazitive Strom während eines Fehlers zwischen Leitung und Erde durch eine gleich große Komponente eines induktiven Stromes neutralisiert wird, der durch den Reaktor beigetragen wird. Somit wird der resultierende Fehlerstrom durch den so gebildeten parallen Resonanzkreis reduziert, und der Strom liegt im wesentlichen in Phase mit der Fehlerspannung. Nach Erlöschen des Fehlers erfolgt die Wiederkehr der fehlerhaften Phase sehr langsam und wird bestimmt von dem Verhältnis der induktiven Reaktanz zu dem gemeinsamen Wirkwiderstand von Transformator und Reaktor. Folglich wird ein Fehlerstrom transienter Natur automatisch in einem solchen resonanzgeerdeten System gelöscht. Somit begrenzt eine solche Resonanz-Erdungseinrichtung den Erdfehlerstrom praktisch auf Null, wodurch die mechanischen Beanspruchungen minimiert werden. Ferner kann nach dem Auftreten eines Fehlers zwischen Phase und Erde der Betrieb der Maschine fortgesetzt werden bis eine ordentliche Abschaltung vorgenommen werden kann.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem nichtlinearen Widerstands-Überspannungsableiter 18, der zwischen dem Nullpunkt 20 und Erde angeschlossen ist, und einen Erdungstransformator 30, der an die Netzseite der Maschine 14 angeschlossen ist. Der Erdungstransformator 30 ist sterndreieck-geschaltet, wobei der Nullpunkt der Sternschaltung an Erde angeschlossen ist, während die Dreieckwicklung isoliert ist. Erdungstransformatoren werden normalerweise in Systemen verwendet, die ungeerdet sind oder die eine Erdverbindung über eine hohe Impedanz haben. Als Systemkomponente führt der Erdungstransformator keinen Strom und berührt nicht das normale Systemverhalten. Wenn Unsymmetrien auftreten, bildet der Erdungstransformator eine niedrige Impedanz für das Nullspannungsnetz (Gleichphasensystem). Der Erdungstransformator ist in dieser Weise hinsichtlich der Fehlerstromniveaus und der transienten Überspannung äquivalent mit einer Niedrig-Induktanz-Erdung oder einer Niedrig-Widerstands-Erdung.
Der Erdungstransformator kann auch ein sogenannter Zickzack-Transformator mit speziellen Wicklungsanordnungen sein, siehe beispielsweise Paul M. Anderson, "Analysis of Faulted Power Systems", The Iowa Stat University Press/Ames, 1983, Seiten 255–257.
Auch ein möglicher Hilfsleistungstransformator kann für solche Erdungszwecke verwendet werden.
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem nieder-ohmigen Widerstand 32, der zwischen dem Nullpunkt 20 der Maschine 14 und Erde geschaltet ist. Der Hauptvorteil einer solchen Niedrig-Widerstands-Erdung besteht in der Fähigkeit, transiente und temporäre Überspannungen zu begrenzen. Die Ströme sind jedoch größer im Falle einphasiger Erdfehler. Auch die Ströme der dritten Oberwelle sind bei ungestörtem Betrieb größer.
9 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Maschine gemäß der Erfindung, in welcher der Widerstand 32 durch einen Induktor 34 mit niedriger Induktivität ersetzt ist, der zwischen dem Nullpunkt 20 und Erde geschaltet ist. Die Niedrig-Induktivitäts-Erdung arbeitet im wesentlichen in der gleichen Weise wie die nieder-ohmige Erdung. Der Wert des Induktors 34 in Ohm ist kleiner als für eine Resonanzerdung erforderlich, siehe die Beschreibung der 6.
Als eine Alternative zu der direkten Schaltung des Widerstandes 32 oder des Induktors 34 zwischen Nullpunkt 20 und Erde können diese Schaltungselemente auch indirekt mit Hilfe eines Transformators eingefügt werden, dessen Primärwicklung zwischen dem Nullpunkt 20 und Erde geschaltet ist und an dessen Sekundärwicklung der Widerstand oder Induktor angeschlossen ist, siehe die Beschreibung der 6.
In 10 wird ein Ausführungsbeispiel gezeigt, welches zwei in Reihe geschaltete Impedanzen 36 und 38 zwischen dem Nullpunkt 20 der Maschine 14 und Erde hat, wobei die Impedanz 36 einen niedrigen Impedanzwert hat und die Impedanz 38 einen hohen Impedanzwert hat. Die Impedanz 38 kann durch eine Kurzschlußvorrichtung 40 kurzgeschlossen werden. Im normalen Betrieb ist die Kurzschlußvorrichtung 40 geöffnet, um Ströme der dritten Oberwelle zu minimieren. Die Kurzschlußvorrichtung 40 wird so gesteuert, daß sie im Falle eines Erdfehlers die Impedanz 38 kurzschließt, und das Potential im Nullpunkt 20 wird klein und der Strom zur Erde vergleichsweise groß.
Im Falle eines internen Erdfehlers in der Maschine 14 wird die Impedanz 38 nicht kurzgeschlossen. Infolgedessen wird die Spannung im Nullpunkt 20 groß, aber der Erdstrom wird begrenzt. In einer solchen Situation ist dies zu bevorzugen, da ein hoher Strom in diesem Falle zu Schäden führen kann.
Um in der Lage zu sein, mit den Problemen fertig zu werden, die von Strömen der dritten Oberwelle ausgehen, wenn eine elektrische Wechselstrommaschine direkt an ein Dreiphasen-Starkstromnetz angeschlossen ist, das heißt, wenn kein aufwärtstransformierender Transformator zwischen der Maschine und dem Netz vorhanden ist, können Erdungsmittel in Gestalt eines Unterdrückungsfilters 35, 37, das auf die dritte Oberwelle abgestimmt ist, zusammen mit einem Überspannungsschutz 39 verwendet werden, siehe 11. Das Filter enthält somit einen Parallelresonanzkreis, bestehend aus einen Induk tor 35 und einer kapazitiven Reaktanz 37. Die Dimensionierung des Filters 35, 37 und seines Überspannungsschutzes 39 ist so bemessen, daß der Parallelkreis imstande ist, dritte Oberwellen von der Maschine 14 während des normalen Betriebes zu absorbieren, jedoch transiente und temporäre Überspannungen zu begrenzen. Im Falle eines Fehlers wird der Überspannungsschutz 39 die Fehlerspannung so begrenzen, daß der Fehlerstrom durch den Überspannungsschutz 39 fließt, wenn der Fehler bedeutend ist. Im Falle eines einphasigen Erdfehlers sind die Ströme größer im Vergleich zu beispielsweise dem Fall einer Hoch-Widerstands-Erdung, da die fundamentale Impedanz (Grundwellenimpedanz) klein ist.
12 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Erdungseinrichtung ein verstimmtes schaltbares Unterdrückungsfilter für dritte Oberwellen enthält, welches parallel zu einem Überspannunsschutz 40 geschaltet ist. Ein solches Filter kann in mehreren unterschiedlichen Weisen verwirklicht werden. 12 zeigt ein Beispiel, welches zwei in Reihe geschaltete Induktoren 42, 44 und einen Kondensator 46 enthält, der parallel zu den reihe-geschalteten Induktoren 42, 44 angeschlossen ist. Ferner liegt eine Kurzschlussvorrichtugn 48 parallel zum Induktor 44.
Die Kurzschlußvorrichtung 48 ist steuerbar, um die Eigenschaft des Filters durch Kurzschließen des Induktors 44 zu ändern, wenn die Gefahr einer Resonanz für die dritte Oberwelle zwischen dem Filter und der Maschine 14 und dem Netz 16 festgestellt wird. Dies wird genauer beschrieben in der schwedischen Patentanmeldung 9700347-9. In dieser Weise werden Ströme der dritten Oberwelle im normalen Betrieb stark begrenzt. Transiente und temporäre Überspannungen werden begrenzt, und die Ströme sind höher im Falle eines einphasigen Erdfehlers in der gleichen Weise wie im Zusammenzhang mit 11 beschrieben wurde.
13 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Nullpunkt 20 der Maschine 14 bei 21 direkt geerdet ist. Eine solche direkte Erdung begrenzt transiente und temporäre Überspannungen, führt aber zu hohen Strömen im Falle vom Erdfehlern. Ströme der dritten Oberwelle, die vom Nullpunkt 20 der Maschine zur Erde fließen, sind im normalen Betrieb vergleichsweise groß.
Als eine weitere Alternative kann die Erdungseinrichtung der Maschine gemäß der Erfindung einen aktiven Kreis enthalten für die Bereitstellung einer Verbindung des Nullpunktes mit Erde, welche erwünschte Impedanzeigenschaften hat.
14 zeigt eine dreieck-geschaltete Dreiphasenmaschine 50, die direkt an das Verteiler- oder Übertragungsnetz 16 angeschlossen ist.
In einer solchen Situation kann ein Erdungstransformator der selben Art wie der in dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 verwendete auf der Netzseite der Maschine 50 angeschlossen werden.
Wie in dem Ausführungsbeispiel der 7 kann der Erdungstransformator ein stern-dreieck-geschalteter Transformator sein, der mit dem Nullpunkt der Sternverbindung geerdet ist, oder ein sogenannter Zickzack-Erdungstransformator, das heißt ein Z-O-geschalteter Transformator, der mit dem Z geerdet ist. Der Erdungstransformator begrenzt temporäre Überspannungen.

Wie bei dem Ausführungsbeispiel der 7 kann auch ein möglicher Hilfs-Leistungstransformator für diesen Zweck verwendet werden. Übersetzung der Texte in den Zeichnungen (geordnet nach Figuren und dann alphabetisch) Fig. 1

distribution transformator	Verteilertransformator
high resistans grounding	Hoch-Widerstands-Erdung
notes	Bemerkungen
resonant	grounding Resonanz-Erdung
voltage relais	Spannungsrelais
when Z is resistive	wenn Z ein Wirkwiderstand ist
when Z is inductive	wenn Z ein induktiver Blindwiderstand ist

Claims

Elektrische Hochspannungs-Wechselstrommaschine für den direkten Anschluß an ein Verteiler- oder Übertragungsnetz (16), welche Maschine mindestens eine Wicklung mit mindestens einem isolierten stromführenden Leiter (4) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Schicht (6) mit halbleitenden Eigenschaften um den genannten Leiter (4) herum angebracht ist, daß eine feste Isolationsschicht (7) um die genannte erste Schicht herum angebracht ist, daß eine zweite Schicht (8) mit halbleitenden Eigenschaften um die genannte Isolationsschicht herum angebracht ist und daßErdungsmittel (18, 21, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 42, 44, 46, 48, 52) vorgesehen sind, um mindestens einen Punkte der genannten Wicklung an Erde anzuschließen.
Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential der genannten ersten Schicht im wesentlichen gleich dem Potential des Leiters ist.
Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte zweite Schicht so angeordnet ist, daß sie im wesentlichen eine den genannten Leiter umgebende Äquipotentialfläche bildet.
Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte zweite Schicht an ein vorgebenes Potential angeschlossen ist.
Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte vorbestimmte Potential das Erdpotential ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei benachbarte Schichten im wesentlichen gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben.
Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte stromführende Leiter eine Anzahl von Einzelleitern enthält, wobei nur eine Minorität der genannten Einzelleiter nicht gegeneinander isoliert ist.
Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede der genannten drei Schichten mit der benachbarten Schicht im wesentlichen über ihre gesamte Berührungsfläche fest miteinander verbunden ist.
Elektrische Wechselstrommaschine mit einem magnetischen Kreis für Hochspannung, welcher einen magnetischen Kern enthält und mindestens eine Wicklung, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Wicklung von einem Kabel gebildet wird, welches einen oder mehrere stromführende Leiter enthält, wobei jeder Leiter eine Anzahl von Einzelleitern enthält, eine innere halbleitende Schicht um jeden Leiter angeordnet ist, eine Isolationsschicht aus festem Isolationsmaterial um die genannte innere halbleitende Schicht angeordnet ist und eine äußere halbleitende Schicht um die genannte Isolationsschicht angeordnet ist, und daß Erdungsmittel vorgesehen sind, um mindestens einen Punkt der genannten Wicklung an Erde anzuschließen.
Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Erdungsmittel Mittel zur direkten Erdung der Wicklung enthalten.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Erdungsmittel Mittel für eine niederohmige Erdung der Wicklung enthalten.
Maschine nach Anspruch 11 mit einer stern-geschalteten Wicklung, wobei der Nullpunkt der Wicklung zugänglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten niederohmigen Erdungsmittel einen niederohmigen Wirkwiderstand enthalten, der zwischen dem Nullpunkt und Erde angeschlossen ist.
Maschine nach Anspruch 11 mit einer stern-geschalteten Wicklung, wobei der Nullpunkt der Wicklung zugänglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten niederohmigen Erdungsmittel einen Widerstand enthalten, der an die Sekundärwicklung eines Transformators angeschlossen ist, dessen Primärwicklung zwischen dem Nullpunkt und Erde angeschlossen ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Erdungsmittel Mittel für eine niederinduktive Erdung der Wicklung enthalten.
Maschine nach Anspruch 14 mit einer stern-geschalteten Wicklung, wobei der Nullpunkt der Wicklung zugänglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten niederinduktiven Erdungsmittel einen niederinduktiven Induktor enthalten, der zwischen dem Nullpunkt und Erde angeschlossen ist.
Maschine nach Anspruch 14 mit einer stern-geschalteten Wicklung, wobei der Nullpunkt der Wicklung zugänglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die genann ten niederinduktiven Erdungsmittel einen Induktor enthalten, der an die Sekundärwicklung eines Transformators angeschlossen ist, dessen Primärwicklung zwischen dem Nullpunkt und Erde angeschlossen ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Erdungsmittel Mittel für eine hochohmige Erdung der Wicklung enthalten.
Maschine nach Anspruch 17 mit einer stern-geschalteten Wicklung, wobei der Nullpunkt der Wicklung zugänglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten hochohmigen Erdungsmittel einen hochohmigen Wirkwiderstand enthalten, der zwischen dem Nullpunkt und Erde angeschlossen ist.
Maschine nach Anspruch 17 mit einer stern-geschalteten Wicklung, wobei der Nullpunkt der Wicklung zugänglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten hochohmigen Erdungsmittel einen hochohmigen Wirkwiderstand enthalten, der an die Sekundärwicklung eines Transformators angeschlossen ist, dessen Primärwicklung zwischen dem Nullpunkt und Erde angeschlossen ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Erdungsmittel Mittel für eine hochinduktive Erdung der Wicklung enthalten.
Maschine nach Anspruch 20 mit einer stern-geschalteten Wicklung, wobei der Nullpunkt der Wicklung zugänglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten hochinduktiven Erdungsmittel einen hochinduktiven Induktor enthalten, der zwischen dem Nullpunkt und Erde angeschlossen ist.
Maschine nach Anspruch 20 mit einer stern-geschalteten Wicklung, wobei der Nullpunkt der Wicklung zugänglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten hochinduktiven Erdungsmittel einen Induktor enthalten, der an die Sekundärwicklung eines Transformators angeschlossen ist, dessen Primärwicklung zwischen dem Nullpunkt und Erde angeschlossen ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einer stern-geschalteten Wicklung, wobei der Nullpunkt der Wicklung zugänglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Erdungsmittel einen Reaktor enthalten, der an die Sekundärwicklung eines Transformators angeschlossen ist, dessen Primärwicklung zwischen dem Nullpunkt und Erde angeschlossen ist, wobei der genannte Reaktor solche Eigenschaften hat, daß bei einem Erdfehler der kapazitive Strom im wesentlichen durch eine gleichgroße Komponente eines durch den Reaktor fließenden induktiven Stromes neutralisiert wird.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Erdungsmittel Mittel enthalten zur Veränderung der Impedanz der Erdungsverbindung als Reaktion auf einen Erdfehler.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Erdungsmittel einen aktiven Kreis enthalten.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Erdungsmittel einen stern-dreieck geschalteten Erdungstrans formator enthalten, der an die Netzseite der Maschine angeschlossen ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Erdungsmittel einen sogenannten zick-zack geschalteten Erdungstransformator enthalten, der an die Netzseite der Maschine angeschlossen ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einer stern-geschalteten Wicklung, wobei der Nullpunkt der Wicklung zugänglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Erdungsmittel ein Unterdrückungsfilter enthalten, welches auf die n-te Oberwelle abgestimmte ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einer stern-geschalteten Wicklung, wobei der Nullpunkt der Wicklung zugänglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Erdungsmittel ein schaltbares Unterdrückungsfilter enthalten, welches bezüglich der n-ten Oberwelle verstimmt ist.
Maschine nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte n-te Oberwelle die dritte Oberwelle ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einer stern-geschalteten Wicklung, wobei der Nullpunkt der Wicklung zugänglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Erdungsmittel einen Überspannungsschutz enthalten, der zwischen dem Nullpunkt und Erde angeschlossen ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 17 bis 30 mit einer stern-geschalteten Wicklung, wobei der Nullpunkt der Wicklung zugänglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Überspannungsschutz parallel zu den genannten Erdungsmitteln zwischen dem genannten Nullpunkt und Erde geschaltet ist.
Verteiler- oder Übertragungsnetz, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens eine Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 32 enthält.