высоковольтная электрическая машина переменного тока

Формула изобретения

1. Высоковольтная электрическая машина переменного тока, предназначенная для непосредственного подключения к распределительной или магистральной сети (16) и содержащая по меньшей мере одну обмотку, включающую по меньшей мере один изолированный токонесущий проводник (4), отличающаяся тем, что вокруг указанного проводника (4) имеется первый слой (6), обладающий полупроводниковыми свойствами, вокруг указанного первого слоя имеется твердый изолирующий слой (7), а вокруг указанного изолирующего слоя имеется второй слой (8), обладающий полупроводниковыми свойствами, причем имеются средства заземления (18, 21, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34-40, 42, 44, 46, 48, 52) для соединения по меньшей мере одной точки указанной обмотки с "землей".

2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что потенциал указанного первого слоя, по существу, равен потенциалу проводника.

3. Машина по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что указанный второй слой выполнен так, что образует, по существу, эквипотенциальную поверхность, окружающую указанный проводник.

4. Машина по п. 3, отличающаяся тем, что на указанный второй слой подан заранее заданный потенциал.

5. Машина по п. 4, отличающаяся тем, что указанный заранее заданный потенциал является потенциалом земли.

6. Машина по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что по меньшей мере два соседних слоя имеют, по существу, равные коэффициенты теплового расширения.

7. Машина по любому из пп. 1-6, отличающаяся тем, что указанный токонесущий проводник включает множество жил, лишь меньшая часть которых не изолирована друг от друга.

8. Машина по любому из пп. 1-7, отличающаяся тем, что каждый из указанных трех слоев неподвижно соединен с соседним слоем, по существу, вдоль всей поверхности соединения.

9. Машина по любому из пп. 1-8, отличающаяся тем, что она имеет магнитную цепь высокого напряжения, содержащую магнитный сердечник и по меньшей мере одну обмотку, причем указанный токонесущий проводник обмотки содержит множество жил.

10. Машина по любому из пп. 1-9, отличающаяся тем, что указанные средства заземления включают средства непосредственного заземления обмотки.

11. Машина по любому из пп. 1-9, отличающаяся тем, что указанные средства заземления включают средства заземления обмотки через малое активное сопротивление.

12. Машина по п. 11, отличающаяся тем, что она имеет обмотки, соединенные звездой, с доступной нейтральной точкой, а указанные средства заземления через малое активное сопротивление содержат низкоомный резистор, включенный между нейтральной точкой и "землей".

13. Машина по п. 11, отличающаяся тем, что она имеет обмотки, соединенные звездой, с доступной нейтральной точкой, а указанные средства заземления через малое активное сопротивление содержат резистор, подключенный ко вторичной обмотке трансформатора, первичная обмотка которого включена между нейтральной точкой и "землей".

14. Машина по любому из пп. 1-9, отличающаяся тем, что указанные средства заземления включают средства заземления обмотки через малую индуктивность.

15. Машина по п. 14, отличающаяся тем, что она имеет обмотки, соединенные звездой, с доступной нейтральной точкой, а указанные средства заземления через малую индуктивность содержат катушку индуктивности с малой индуктивностью, включенную между нейтральной точкой и "землей".

16. Машина по п. 14, отличающаяся тем, что она имеет обмотки, соединенные звездой, с доступной нейтральной точкой, а указанные средства заземления через малую индуктивность содержат катушку индуктивности, подключенную ко вторичной обмотке трансформатора, первичная обмотка которого включена между нейтральной точкой и "землей".

17. Машина по любому из пп. 1-9, отличающаяся тем, что указанные средства заземления включают средства заземления обмотки через большое активное сопротивление.

18. Машина по п. 17, отличающаяся тем, что она имеет обмотки, соединенные звездой, с доступной нейтральной точкой, а указанные средства заземления через большое активное сопротивление содержат высокоомный резистор, включенный между нейтральной точкой и "землей".

19. Машина по п. 17, отличающаяся тем, что она имеет обмотки, соединенные звездой, с доступной нейтральной точкой, а указанные средства заземления через большое активное сопротивление содержат резистор, соединенный со вторичной обмоткой трансформатора, первичная обмотка которого включена между нейтральной точкой и "землей".

20. Машина по любому из пп. 1-9, отличающаяся тем, что указанные средства заземления включают средства заземления обмотки через большую индуктивность.

21. Машина по п. 20, отличающаяся тем, что она имеет обмотки, соединенные звездой, с доступной нейтральной точкой, а указанные средства заземления через большую индуктивность содержат катушку индуктивности с большой индуктивностью, включенную между нейтральной точкой и "землей".

22. Машина по п. 20, отличающаяся тем, что она имеет обмотки, соединенные звездой, с доступной нейтральной точкой, а указанные средства заземления через большую индуктивность содержат катушку индуктивности, подключенную ко вторичной обмотке трансформатора, первичная обмотка которого включена между нейтральной точкой и "землей".

23. Машина по любому из пп. 1-9, отличающаяся тем, что она имеет обмотки, соединенные звездой, с доступной нейтральной точкой, а указанные средства заземления включают реактор, подключенный ко вторичной обмотке трансформатора, первичная обмотка которого включена между нейтральной точкой и "землей", причем указанный реактор имеет такие характеристики, что емкостный ток во время короткого замыкания на землю, по существу, нейтрализуется равной индуктивной составляющей тока, обусловленной реактором.

24. Машина по любому из пп. 1-9, отличающаяся тем, что указанные средства заземления включают средства изменения импеданса соединения с "землей" при коротком замыкании на "землю".

25. Машина по любому из пп. 1-9, отличающаяся тем, что указанные средства заземления включают активную схему.

26. Машина по любому из пп. 1-9, отличающаяся тем, что указанные средства заземления включают заземляющий трансформатор, выполненный по схеме звезда-треугольник.

27. Машина по любому из пп. 1-9, отличающаяся тем, что указанные средства заземления включают заземляющий трансформатор, выполненный по схеме зигзаг и соединенный с машиной со стороны сети.

28. Машина по любому из пп. 1-9, отличающаяся тем, что она имеет обмотки, соединенные звездой, с доступной нейтральной точкой, а указанные средства заземления включают режекторный фильтр, настроенный на n-ю гармонику.

29. Машина по любому из пп. 1-9, отличающаяся тем, что она имеет обмотки, соединенные звездой, с доступной нейтральной точкой, а указанные средства заземления включают переключаемый режекторный фильтр, отстроенный от n-й гармоники.

30. Машина по п. 28 или 29, отличающаяся тем, что указанная n-я гармоника является третьей гармоникой.

31. Машина по любому из пп. 1-9, отличающаяся тем, что она имеет обмотки, соединенные звездой, с доступной нейтральной точкой, а указанные средства заземления включают устройство защиты от перенапряжений, включенное между указанной нейтральной точкой и "землей".

32. Машина по любому из пп. 17-30, отличающаяся тем, что она имеет обмотки, соединенные звездой, с доступной нейтральной точкой, а между указанной нейтральной точкой и "землей" параллельно указанным средствам заземления включено устройство защиты от перенапряжений.

33. Распределительная или магистральная сеть, отличающаяся тем, что содержит по меньшей мере одну машину, выполненную согласно любому из пп. 1-32.

Приоритет по пунктам:

29.05.1996 по пп. 1-3, 5, 7-9, 11-12, 14-15, 20, 21, 29 и 30;

03.02.1997 по пп. 2, 10, 17, 18, 24, 26, 28, 31 и 32;

29.05.1997 по пп. 4, 6, 13, 16, 19, 22, 23, 25, 27 и 33.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к высоковольтной электрической машине переменного тока, предназначенной для непосредственного подключения к распределительной или магистральной сети и содержащей по меньшей мере одну обмотку.

Такие генераторы с номинальным напряжением до 36 кВ описаны в работе "Paul R. Siedler. 36 kV Generators Arise from Insulation Research, Electrical World, October 15, 1932, pp.524-527". Эти генераторы включают обмотки, выполненные из проводника с относительно высоковольтной изоляцией, которая состоит из слоев с различными диэлектрическими постоянными. Используемый изоляционный материал выполнен из различных комбинаций трех компонентов листовой слюды, лака и бумаги.

В публикации Института исследования энергии (Power Research Institute) EPRI, EL-3391, April 1984 предложена концепция конструкции генератора для создания таких высоких напряжений, что генератор может быть непосредственно включен в электрическую сеть без какого-либо промежуточного трансформатора. Предполагается, что такой генератор содержит сверхпроводящий ротор. Благодаря намагниченности, создаваемой полем сверхпроводника, становится возможным использовать обмотки достаточной толщины с воздушными зазорами для противодействия электрическим силам. Однако предложенный ротор имеет сложную структуру с очень толстой изоляцией, которая значительно увеличивает размер машины. Кроме того, для изоляции и охлаждения торцевых секций катушки должны быть приняты специальные меры.

Согласно настоящему изобретению под высоковольтными электрическими машинами переменного тока понимаются вращательные электрические машины, подобные генераторам в электростанциях, предназначенным для выработки электроэнергии, машины двойного питания, машины с внешним полюсом, синхронные машины, каскады асинхронных конверторов, а также силовые трансформаторы. При подсоединении таких машин, за исключением трансформаторов, к распределительным или магистральным сетям, в дальнейшем называемым электросетями, для преобразования напряжения до уровня, соответствующего напряжению сети, которое находится в диапазоне 130-400 кВ, ранее был необходим трансформатор.

При изготовлении обмоток таких машин из изолированного проводника с высоковольтной твердой изоляцией, аналогичной применяемой в кабелях, используемых для передачи электроэнергии, напряжение машины может быть увеличено до таких величин, что эти машины могут быть непосредственно соединены с любой электросетью без использования промежуточного трансформатора. Таким образом, необходимость в этом трансформаторе отпадет. Типичным рабочим диапазоном для таких машин является 30-800 кВ.

В машинах этого типа особое внимание должно быть уделено проблеме заземления.

Заземление генераторных систем и других аналогичных электрических систем подразумевает специальные меры для соединения электрической системы с нулевым потенциалом. Когда в системе имеется так называемая нейтральная точка, ее часто соединяют с "землей" непосредственно или через подходящее сопротивление. Часто другие точки системы также соединены с "землей". Если с "землей" соединена одна точка системы, то вся система является заземленной до тех пор, пока имеется эта гальваническая связь.

Принцип используемого заземления определяется в соответствии с конструкцией системы. Для системы, включающей генератор, непосредственно соединенный с повышающим трансформатором, выполненным по схеме звезда-треугольник, где обмотки трансформатора, соединенные треугольником, находятся под напряжением генератора, наиболее часто используются следующие варианты:

- заземление через большое активное сопротивление,

- отсутствие заземления,

- резонансное заземление.

Заземление через большое активное сопротивление обычно выполняют путем включения низкоомного резистора во вторичную обмотку распределительного трансформатора, в то время как первичная обмотка трансформатора связана с нейтральной точкой генератора и "землей". Такое известное заземление иллюстрируется на фиг. 1, на которой генератор 2 соединен с помощью повышающего трансформатора 3, выполненного по схеме звезда-треугольник, с сетью 9. Первичная обмотка 11 распределительного трансформатора включена между нейтральной точкой генератора 2 и "землей". Во вторичную обмотку 10 трансформатора включен резистор 12.

Такое же заземление может быть получено при включении высокоомного резистора непосредственно между нейтральной точкой генератора и землей.

Незаземленная электрическая система не имеет никакого специального соединения с "землей". Таким образом, незаземленный генератор не имеет никакого соединения между нейтральной точкой и "землей", за исключением возможных трансформаторов напряжения для подачи электроэнергии на различные реле и приборы.

Резонансное заземление обычно осуществляется так же, как показано на фиг. 1, только резистор 12 заменяется на реактор 12а. Реактивное сопротивление реактора выбирается так, что емкостной ток в линии при коротком замыкании на "землю" нейтрализуется равной индуктивной составляющей тока, обусловленной реактором 12а.

Возможно также заземление через низкоомное активное или активно-реактивное сопротивление и эффективное заземление вышеупомянутых систем. В результате использования заземления через низкоомное активное или активно-реактивное сопротивление уменьшаются переходные перенапряжения, но увеличиваются токи короткого замыкания на землю, которые могут вызвать внутренние повреждения машины.

Заземление через низкоомное активное сопротивление достигается специальным включением резистора между нейтралью генератора и "землей". Резистор может быть соединен с землей непосредственно или косвенно - включен во вторичную обмотку трансформатора, первичная обмотка которого включена между нейтралью генератора и "землей", см. фиг.1.

Заземление через низкоомное активно-реактивное сопротивление выполняется аналогично заземлению через низкоомное активное сопротивление с заменой резистора на катушку индуктивности. Величина индуктивного сопротивления катушки, измеренная в омах, меньше, чем при резонансном заземлении, упомянутом выше.

Заземление через низкоомное активное сопротивление или через низкоомное реактивное сопротивление является подходящим для систем, содержащих несколько генераторов, соединенных с общей питающей линией или шиной, где между выводами генератора и общей шиной имеются прерыватели цепи.

Эффективное заземление нейтрали генератора имеет в общем те же преимущества и недостатки, что и заземление через низкоомное активное сопротивление или через низкоомное активно-реактивное сопротивление при некоторых различиях.

Говорят, что система эффективно заземлена, если выполнены определенные требования, касающиеся величины импеданса заземления. В эффективно заземленной системе максимальное напряжение между фазой и "землей" в незакороченных фазах в случае замыкания на "землю" ограничивается 80% междуфазного напряжения.

Система электроснабжения заземляется главным образом путем соединения с "землей" нейтральных точек трансформаторов в системе и может не включать никаких импедансов (за исключением контактных сопротивлений), так называемое непосредственное заземление, или же обладает некоторым импедансом.

Известные способы заземления описаны, например, в публикации Института инженеров по электротехнике и радиоэлектроники IEEE C62.92-1989, IEEE Guide for the Application of Neutral Grounding in Electrical Utility Systems, Part II - Grounding of Synchronous Systems, Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York, USA, September, 1989.

Если нейтраль генератора заземлена через низкоомное активное сопротивление или индуктивность, как обсуждалось выше, имеется путь для третьей гармоники тока из нейтрали генератора в "землю". Если с генератором непосредственно соединена непосредственно заземленная обмотка трансформатора или другой генератор, заземленный через малый импеданс, в нормальных условиях между ними будут циркулировать токи третьей гармоники.

Способы решения проблем, связанных с третьей гармоникой и возникающих при работе электрических машин в виде генераторов-двигателей переменного тока, к которым относится настоящее изобретение, описаны в заявках на патент Швеции 9602078-9 и 9700347-9.

Цель настоящего изобретения состоит в создании высоковольтной электрической машины переменного тока, пригодной для непосредственного подключения к распределительным или магистральным сетям, как указано выше, причем эта машина обеспечивается средствами заземления различного использования, пригодными для различных эксплуатационных режимов машины.

Эта цель достигается с помощью высоковольтной электрической машины переменного тока, предназначенной для непосредственного подключения к распределительной или магистральной сети и содержащей по меньшей мере одну обмотку, включающую по меньшей мере один изолированный токонесущий проводник, в которой, согласно изобретению, вокруг указанного проводника имеется первый слой, обладающий полупроводниковыми свойствами, вокруг указанного первого слоя имеется твердый изолирующий слой, а вокруг указанного изолирующего слоя имеется второй слой, обладающий полупроводниковыми свойствами, причем имеются средства заземления для соединения по меньшей мере одной точки указанной обмотки с "землей".

Потенциал указанного первого слоя предпочтительно по существу равен потенциалу проводника.

Указанный второй слой предпочтительно выполнен так, что образует по существу эквипотенциальную поверхность, окружающую указанный проводник. При этом на указанный второй слой может быть подан заранее заданный потенциал, например потенциал земли.

Важное преимущество машины, выполненной согласно настоящему изобретению, основано на том, что электрическое поле в торцевой области обмоток снаружи от второго слоя с полупроводниковыми свойствами почти равно нулю. Таким образом, нет необходимости контролировать электрические поля вне обмотки и не может возникнуть концентрация поля ни в пределах слоя, ни в торцевых областях обмотки, ни в промежуточных областях между ними.

Согласно предпочтительному варианту выполнения машины по меньшей мере два смежных слоя имеют по существу равные коэффициенты теплового расширения. Таким образом, устраняются дефекты, трещины или аналогичные нарушения, вызываемые тепловыми перемещениями в обмотке.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения машины указанные средства заземления содержат средства заземления обмотки через малое активное сопротивление. Таким образом, удается свести к умеренным величинам переходные перенапряжения и ток короткого замыкания на "землю".

Согласно еще одному предпочтительному варианту выполнения машины, в котором машина имеет обмотку, соединенную звездой и имеющую доступную нейтральную точку, средство заземления через большое активное сопротивление содержит резистор, подключенный ко вторичной обмотке трансформатора, первичная обмотка которого включена между нейтральной точкой и "землей". При этом резистор, используемый во вторичной обмотке трансформатора, является сравнительно низкоомным и имеет жесткую конструкцию. При приемлемых размерах резистора можно достичь уменьшения переходных перенапряжений до безопасных уровней. Далее, благодаря уменьшению токов короткого замыкания ограничиваются механические напряжения и повреждения во время короткого замыкания. Кроме того, такое заземляющее устройство более экономично, чем непосредственное включение высокоомного резистора между нейтралью генератора и "землей".

Средства заземления могут также включать средства заземления обмотки через большую индуктивность. При этом машина может иметь обмотки, соединенные звездой, с доступной нейтральной точкой, а указанные средства заземления через большую индуктивность могут содержать катушку индуктивности с большой индуктивностью, включенную между нейтральной точкой и "землей", или катушку индуктивности, подключенную ко вторичной обмотке трансформатора, первичная обмотка которого включена между нейтральной точкой и "землей".

Средства заземления могут включать активную схему.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения машины она имеет обмотку, соединенную звездой и имеющую доступную нейтральную точку, а средства заземления содержат реактор, подключенный ко вторичной обмотке трансформатора, первичная обмотка которого включена между нейтральной точкой и "землей", причем указанный реактор имеет такие характеристики, что емкостный ток во время короткого замыкания на землю по существу нейтрализуется равной индуктивной составляющей тока, обусловленной реактором. При этом результирующий ток короткого замыкания уменьшается до малой величины благодаря сформированному таким образом параллельному резонансному контуру, причем ток находится по существу в фазе с напряжением короткого замыкания. В этом случае восстановление напряжения в закороченной фазе происходит очень медленно и, соответственно, в резонансной системе заземления любое замыкание на землю переходного характера будет автоматически погашено.

Согласно другим предпочтительным вариантам выполнения машины средства заземления содержат заземляющий трансформатор, выполненный по схеме звезда-треугольник, или заземляющий трансформатор, выполненный по так называемой схеме зигзаг, соединенный с машиной со стороны сети. Использование таких заземляющих трансформаторов эквивалентно заземлению через малую индуктивность или через малое активное сопротивление в отношении уровней тока короткого замыкания и переходных перенапряжений.

С целью более подробного объяснения изобретения ниже описаны варианты выполнения машины согласно изобретению, выбранные в качестве примеров, со ссылками на сопровождающие чертежи на фиг.2-11, где:

на фиг.1 иллюстрируется известное заземление синхронного генератора;

на фиг.2 показан пример изолированного проводника; используемого в обмотках машины, выполненной согласно изобретению;

на фиг.3 показана незаземленная трехфазная машина в виде генератора или двигателя, выполненного по схеме звезда и соединенного с системой электроснабжения;

на фиг.4-13 показаны различные примеры заземления машины, выполненной по схеме звезда и изображенной на фиг.3;

на фиг. 14 показана машина, выполненная согласно изобретению, в виде генератора или двигателя, выполненных по схеме треугольника и подключенных к системе электроснабжения;

фиг.15 иллюстрирует использование заземляющего трансформатора в системе, показанной на фиг.14.

На фиг.2 показан пример изолированного проводника, который может использоваться в обмотках машины, выполненной согласно изобретению. Такой изолированный проводник содержит по меньшей мере один проводник 4, составленный из множества неизолированных, и, возможно, изолированных жил 5. Вокруг проводника 4 имеется внутренний полупроводящий (обладающий полупроводниковыми свойствами) слой 6, который находится в контакте по меньшей мере с некоторыми из неизолированных жил 5. Этот полупроводящий слой 6, в свою очередь, окружен основной изоляцией кабеля в виде полученного путем экструзии твердого изолирующего слоя 7. Изолирующий слой окружен внешним полупроводящим слоем 8. Площадь проводника в кабеле может изменяться между 80 и 3000 мм, а внешний диаметр кабеля между 20 и 250 мм.

Потенциал первого слоя 6 по существу равен потенциалу проводника. Слой 8 образует по существу эквипотенциальную поверхность, окружающую указанный проводник, и на этот слой 8 может быть подан заранее заданный потенциал, например потенциал земли.

На фиг.3 схематично показана незаземленная высоковольтная электрическая машина переменного тока в виде генератора или двигателя 14, выполненных по схеме звезда и непосредственно подключенных к системе 16 электроснабжения.

На фиг. 4 показаны средства заземления, представляющие собой устройство защиты от перенапряжения в виде защитного разрядника 18 на нелинейном сопротивлении, включенном между нейтральной точкой 20 машины 14, соединенной по схеме звезда, и "землей". Такой разрядник 18 на нелинейном сопротивлении, соединенный с нейтральной точкой, защищает изолированный проводник, используемый в обмотках машины, от кратковременных перенапряжений, например перенапряжений, вызванных ударом молнии.

На фиг.5 показан вариант выполнения изобретения с высокоомным резистором 22, включенным параллельно разряднику 18 на нелинейном сопротивлении. Разрядник 18 на нелинейном сопротивлении работает в этом варианте выполнения изобретения таким же образом, как и в варианте, показанном на фиг.4, причем резистор 22 используется для обнаружения замыканий на "землю" путем измерения напряжения на нем.

На фиг. 6 показан вариант выполнения изобретения с заземлением нейтральной точки 20 через большое активное сопротивление. В этом варианте использован принцип, аналогичный известному подходу, описанному в связи с фиг.1. Резистор 24 подключен ко вторичной обмотке 26 трансформатора, первичная обмотка 28 которого соединяет нейтральную точку 20 машины 14 с землей. Резистор 24 имеет жесткую конструкцию и является сравнительно низкоомным по сравнению с высокоомным резистором, который потребовался бы при непосредственном соединении нейтральной точки 20 и "земли" для получения аналогичного результата. Следовательно, требования к резистору, касающиеся напряжений, которые он может выдержать, могут быть снижены. Кроме того, в этом случае разрядник 18 на нелинейном сопротивлении включен параллельно первичной обмотке 28. В этом варианте выполнения изобретения механические напряжения и повреждения во время короткого замыкания фазы на землю уменьшаются благодаря ограничению тока короткого замыкания. Переходные перенапряжения снижены до безопасного уровня и устройство для заземления является более экономичным, чем устройство с непосредственным включением резистора.

Заземление обмотки через большую индуктивность может быть выполнено аналогично заземлению через большое активное сопротивление, показанному на фиг. 6.

Резонансное заземление машины может быть осуществлено аналогично путем замены резистора 24 реактором, имеющим такие характеристики, что емкостный ток во время короткого замыкания фазы на землю нейтрализуется равной индуктивной составляющей тока, обусловленной наличием реактора. Таким образом, полный ток короткого замыкания уменьшается за счет сформированного параллельного резонансного контура, а ток будет по существу в фазе с напряжением короткого замыкания. После прекращения замыкания восстановление напряжения на закороченной фазе будет происходить очень медленно и определяться отношением индуктивности к эффективному сопротивлению соединенных трансформатора и реактора. Соответственно, в такой резонансной системе заземления любое замыкание на землю переходного характера будет автоматически погашено. Таким образом, такие резонансные средства заземления уменьшают ток замыкания на землю фактически до нуля, следовательно, уменьшая механические напряжения. Допускается продолжение работы машины после возникновения короткого замыкания фазы на "землю" до тех пор, пока не удастся выполнить ее отключение надлежащим образом.

На фиг.7 показан вариант выполнения изобретения с разрядником 18 на нелинейном сопротивлении, включенном между нейтральной точкой 20 и "землей", и заземляющим трансформатором 30, соединенным с машиной 14 со стороны системы электроснабжения. Заземляющий трансформатор 30 выполнен по схеме звезда-треугольник, причем нейтральная точка звезды соединена с "землей", в то время как обмотки, соединенные треугольником, изолированы. Заземляющие трансформаторы обычно используются в системах, которые не имеют заземления или имеют соединение с землей через высокий импеданс. Как компонент системы, заземляющий трансформатор не несет никакой нагрузки и не влияет на работу системы в нормальных условиях. Когда возникает дисбаланс, заземляющий трансформатор быстро обеспечивает низкий импеданс в схеме нулевой последовательности. Таким образом, заземляющий трансформатор эквивалентен заземлению через малую индуктивность или малое активное сопротивление в отношении уровней тока короткого замыкания и переходных перенапряжений.

Заземляющий трансформатор может также быть трансформатором, выполненным по так называемой схеме зигзаг, со специальной конфигурацией обмоток, см. например: Paul M. Anderson, "Analysis of Faulted Power Systems", The Iowa State University Press/Ames, 1983, pp.255-257.

Кроме того, для заземления можно использовать вспомогательный силовой трансформатор.

На фиг. 8 показан вариант выполнения изобретения с использованием низкоомного резистора 32, включенного между нейтральной точкой 20 машины 14 и "землей". Главным преимуществом такого заземления через малое активное сопротивление является его способность ограничить переходные и временные перенапряжения. Однако в случае замыкания на землю одной фазы токи будут выше. Кроме того, при отсутствии возмущений токи третьей гармоники будут выше.

На фиг.9 показан альтернативный вариант выполнения машины согласно изобретению, в котором резистор 32 заменен катушкой индуктивности 34 с малой индуктивностью, включенной между нейтральной точкой 20 и "землей". Заземление через малую индуктивность работает по существу таким же образом, как заземление через низкоомное сопротивление. Величина индуктивного сопротивления 34, измеренная в омах, меньше величины, необходимой при резонансном заземлении, см. описание фиг.6.

В качестве альтернативы непосредственного соединения нейтральной точки 20 с "землей" через резистор 32 или катушку индуктивности 34, они могут быть соединены при помощи трансформатора, первичная обмотка которого включена между нейтральной точкой 20 и "землей", а во вторичной обмотке имеется резистор или катушка индуктивности, см. описание фиг.6.

На фиг.10 показан вариант выполнения изобретения, в котором два последовательно соединенных импеданса 36 и 38 включены между нейтральной точкой 20 машины 14 и "землей", причем импеданс 36 мал, а импеданс 38 имеет большую величину. Импеданс 38 может быть закорочен короткозамыкающим устройством 40. При нормальной работе короткозамыкающее устройство 40 разомкнуто для минимизации токов третьей гармоники. В случае короткого замыкания на землю устройством 40 управляют так, чтобы оно закоротило импеданс 38, тогда потенциал в нейтральной точке 20 будет малым, а ток на "землю" большим.

В случае внутреннего замыкания на землю в машине 14 сопротивление 38 не закорачивается. Поэтому напряжение в нейтральной точке 20 будет высоким, но ток на землю будет ограничен. В данной ситуации это предпочтительно, так как высокий ток мог бы вызвать повреждения.

Чтобы справиться с проблемами, обусловленными наличием токов третьей гармоники при непосредственном подключении электрической машины переменного тока к трехфазной электросети, то есть когда между машиной и сетью нет повышающего трансформатора, могут быть использованы средства заземления в виде режекторного фильтра 35, 37, настроенного на третью гармонику, совместно с устройством 39 защиты от перенапряжения, см. фиг.11. Таким образом, фильтр содержит параллельный резонансный контур, состоящий из индуктивного сопротивления 35 и емкостного сопротивления 37. Параметры фильтра 35, 37 и устройства 39 таковы, что параллельный резонансный контур способен поглощать третью гармонику машины 14 при нормальной работе, ограничивая в то же время переходные и временные перенапряжения. В случае замыкания устройство 39 ограничивает напряжение замыкания так, что при значительном замыкании ток замыкания течет через него. В случае однофазного замыкания на землю токи будут выше по сравнению, например, со случаем заземления через большое активное сопротивление, так как общий импеданс мал.

На фиг. 12 показан вариант выполнения изобретения, в котором средства заземления включают расстроенный переключаемый фильтр для подавления третьей гармоники, включенный параллельно устройству 40 защиты от перенапряжения. Такие фильтры могут быть выполнены несколькими различными способами. На фиг. 12 показан пример, где две катушки индуктивности 42, 44 включены последовательно, а конденсатор 46 включен параллельно соединенным последовательно катушкам 42, 44. Кроме того, параллельно катушке 44 включено короткозамыкающее устройство 48.

Короткозамыкающим устройством 48 управляют так, чтобы изменить характеристики фильтра, замыкая накоротко индуктивное сопротивление 44, когда обнаружен риск возникновения резонанса для третьей гармоники между фильтром, машиной 14 и сетью 16. Это описано более подробно в заявке на патент Швеции 9700347-9. Таким образом, при нормальной работе токи третьей гармоники значительно ограничены. В случае однофазного замыкания на землю переходные и временные перенапряжения будут ограничены, а токи будут выше, как и для фиг. 11.

На фиг.13 показан вариант выполнения изобретения, в котором нейтральная точка 20 машины 14 соединена непосредственно с "землей" соединением 21. Такое непосредственное заземление в случае замыканий на землю ограничивает переходные и временные перенапряжения, но приводит в результате к большим токам. При нормальной работе ток третьей гармоники, идущий от нейтрали 20 машины на "землю", будет сравнительно большим.

Согласно изобретению в качестве еще одной альтернативы средства заземления машины могут содержать активную схему для обеспечения соединения нейтральной точки с землей, имеющего требуемые импедансные свойства.

Например, активная схема может представлять собой активный фильтр, используемый аналогично заземляющим фильтрам, показанным на фиг.11 и 12. Активный фильтр дает возможность изменять характеристики фильтрации в ответ на измеренные изменения параметров. Например, частота отсечки фильтра может быть изменена путем изменения его индуктивности. Это изменение индуктивности может быть осуществлено путем подключения или отсоединения витков катушек индуктивности, как хорошо известно специалистам, или путем изменения магнитного потока, как раскрыто, например, в патентах США N 5929737 и 5936503.

На фиг.14 показано, как трехфазная машина 50, соединенная треугольником, подключена непосредственно к распределительной или магистральной сети 16.

В этом случае к машине 50 со стороны сети (см. фиг.15) может быть подключен заземляющий трансформатор такого же вида, как используемый в варианте выполнения изобретения, показанном на фиг.7.

Как и в варианте выполнения изобретения, изображенном на фиг.7, заземляющий трансформатор может быть трансформатором, выполненным по схеме треугольник-звезда с заземленной нейтральной точкой звезды, или заземляющим трансформатором, выполненным по так называемой схеме зигзаг, то есть трансформатором с соединением Z-0, где Z заземлен. Заземляющий трансформатор будет ограничивать временные перенапряжения.

Как и в варианте выполнения изобретения, показанном на фиг.7, для этой цели можно использовать вспомогательный силовой трансформатор.