Limitador de corriente de fallo, de alta tensión, que tiene bobinas de fase sumergidas.

Un limitador de corriente de fallo (1, 20, 40, 81, 90, 100), que incluye:

un circuito ferromagnético (2) formado a partir de un material ferromagnético y que incluye al menos un primer ramal y dos segundos ramales;

un mecanismo de saturación (3) que rodea el primer ramal para saturar magnéticamente el material ferromagnético; una bobina de fase (5, 6) enrollada alrededor de cada segundo ramal;

caracterizado por:

un fluido dieléctrico (10, 60, 83) que rodea dicha bobina de fase (5, 6); y

en el que el mecanismo de saturación (3) no está sumergido en el fluido dieléctrico (10, 60, 83).

Limitador de corriente de fallo, de alta tensión, que tiene bobinas de fase sumergidas Campo de la invención

La presente invención se refiere al campo de los limitadores de corriente de fallo, de alta tensión, y, en particular, da a conocer un limitador de corriente de fallo, de núcleo saturado, de alta tensión.

Antecedentes de la invención

Los limitadores de corriente de fallo (FCL) de núcleo saturado son conocidos. Ejemplos de dispositivos limitadores de corriente de fallo superconductores pueden encontrarse en: la patente de EE.UU. 7193825 de Darmann et al/, la patente de EE.UU. 68991 de Yuan et al.\ la patente de EE.UU. 7193825 de Boenig; y la solicitud de patente de EE.UU. número de publicación 22/18327 de Walker et al.

Los limitadores de corriente de fallo descritos son normalmente adecuados para su uso únicamente con disposiciones de bobinas de cobre de tipo seco. De hecho, las disposiciones descritas sólo son adecuadas probablemente para FCL saturados de CC que emplean aire como medio de aislamiento principal. Es decir, el medio de aislamiento estático principal entre las bobinas de fase de CA en un FCL polifásico y entre las bobinas de fase de CA y el núcleo de acero, la bobina de CC, el criostato y la estructura principal se proporciona mediante una distancia adecuada en aire. Esto limita sustancialmente el FCL a tecnologías de aislamiento "de tipo seco". Las tecnologías de tipo seco se refieren normalmente a aquellas técnicas de construcción de transformadores que emplean bobinas de cobre aisladas eléctricamente pero sólo aire estático normal y materiales barrera de aislamiento sólido aislados como equilibrio para el medio de aislamiento. En general, el aire forma la mayor parte del material de aislamiento eléctrico entre el lado de alta tensión y los componentes a tierra del dispositivo tal como el armazón de acero y la carcasa.

La utilización de un aislamiento de tipo seco limita el diseño a intervalos de menor tensión de tensiones de línea de CA de hasta 39 kV aproximadamente. Los transformadores y reactores de tipo seco sólo están disponibles comercialmente hasta niveles de tensión de 39 kV aproximadamente. Como resultado, la tecnología demostrada en la actualidad para FCL saturados de CC no es adecuada para su extensión a versiones de alta tensión. Los diseños de tipo seco dan como resultado la incapacidad de diseñar una estructura compacta de tamaño práctico usando aire como medio de aislamiento cuando se trata de tensiones mayores. Uno de los mercados prácticos principales para los FCL es el intervalo de media a alta tensión (33 kV a 166 kV) y de extra-alta tensión (166 kV a 75 kV). A estos intervalos de tensión, la técnica descrita en la actualidad y las descripciones bibliográficas de los FCL saturados de CC quizás no sean prácticas. El motivo principal son las consideraciones del diseño de tensión estática; por ejemplo, una descarga disruptiva en el medio de aislamiento de aire entre las bobinas de cobre de alta tensión y el criostato o núcleo de acero o bobina de CC. A menudo es necesario sumergir las bobinas de fase de alta tensión a de media a alta tensiones (superior a 39 kV) en un gas de aislamiento (tal como SF6, nitrógeno), un vacío (mejor que 1'3 mbar) o un líquido tal como un aceite de silicona sintético, un aceite vegetal u otros aceites de aislamiento disponibles comúnmente en la tecnología de transformadores y reactores de media, alta tensión y extra-alta tensión. Cuando se sumerge un dispositivo de alta tensión en un medio de aislamiento de este tipo, ese medio se denomina a menudo "medio de aislamiento en masa" o "dieléctrico". Normalmente, el dieléctrico tendrá una permitividad relativa del orden de 2 a 4 aproximadamente, menos un vacío que tiene una permitividad relativa igual a 1. Estos medios de aislamiento denominados dieléctricos tienen propiedades de resistencia a las descargas disruptivas electrostáticas que son muy superiores a las del aire atmosférico si se emplean de manera razonable limitando la distancia máxima entre barreras de aislamiento sólido y optimizando la distancia rellena de dieléctrico con respecto a las propiedades de descarga disruptiva del dieléctrico líquido o gaseoso particular.

Los gases y líquidos de aislamiento en masa disponibles comúnmente tienen normalmente una resistencia a las descargas disruptivas del orden de 1 a 2 kV/mm, aunque habitualmente se emplean de modo que el esfuerzo de campo eléctrico promedio no supere aproximadamente los 6 a 1 kV/mm. Este margen de seguridad con respecto al valor de esfuerzo de descargas disruptivas es necesario porque aunque si el esfuerzo de campo electrostático promedio es de 6 a 1 kV/mm, el esfuerzo de campo electrostático pico a lo largo de cualquier línea de campo eléctrico isostática puede ser de 2 a 3 veces el promedio debido a diversos efectos de mejora del campo electrostático.

En general, hay cinco requisitos deseables principales de un líquido o gas dieléctrico para requisitos de aislamiento en masa de alta tensión en instalaciones alojadas tales como transformadores y reactores y limitadores de corriente de fallo:

El dieléctrico debe mostrar una resistividad muy alta,

Las pérdidas del dieléctrico deben ser muy bajas,

El líquido debe poder albergar aislantes sólidos sin degradar ese aislamiento sólido (por ejemplo, aislamiento entre vueltas en devanados de bobinas o resina epoxi),

La resistencia a la descarga disruptiva eléctrica debe ser alta, y

El medio debe poder eliminar pérdidas de energía térmica.

Las técnicas de aislamiento sólido todavía no están disponibles comúnmente a de media a alta tensiones (es decir, > 39 kV) para dispositivos alojados tales como transformadores, reactores y limitadores de corriente de fallo. La desventaja de las técnicas de aislamiento sólido es la presencia de los inevitables huecos dentro de la masa del aislamiento sólido o entre superficies de materiales distintos tales como entre materiales de aislamiento de bobina y otros materiales de aislamiento sólido. Es bien sabido que los huecos en el aislamiento sólido con altas tensiones producen un alto esfuerzo eléctrico dentro del hueco debido al efecto de mejora de campo. Esto provoca una ruptura física del material circundante debido a descargas parciales y finalmente puede llevar a la formación de corriente superficial y a un fallo completo del dispositivo.

Se reconocerá que un limitador de corriente de fallo saturado de CC que emplea una única o múltiples bobinas de CC para saturar el núcleo de acero, tal como se da a conocer en la técnica anterior mencionada anteriormente, genera graves problemas cuando las bobinas de fase de CA de cobre ya no pueden ser de construcción "de tipo seco" o cuando el medio de aislamiento principal del dispositivo completo es aire. Un problema significativo en tales disposiciones es la presencia del criostato de acero para refrigerar la bobina HTS de CC y de la propia bobina HTS de CC. El criostato, la bobina y los núcleos de acero están esencialmente a un potencial de tierra con respecto a las bobinas de fase de CA.

Como cuestión secundaria, pero que mejora los requisitos de aislamiento para todas las instalaciones y equipos de alta tensión, normalmente sucede que el diseño de aislamiento básico también tiene que cumplir determinadas normas de ingeniería eléctrica que someten a prueba la tolerancia a diversos tipos de sobretensiones e impulsos de tipo rayo durante periodos de tiempo predeterminados. Un ejemplo, en Australia, de tales normas son los siguientes:

AS2374 Parte 3. Niveles de aislamiento y pruebas de dieléctricos que incluyen la frecuencia de potencia (PF) y pruebas de impulsos tipo rayo (Ll) de todo el transformador.

AS2374 Parte 3.1. Niveles de aislamiento y pruebas de dieléctricos - Separaciones externas en aire.

AS2374 Parte 5. Capacidad para resistir cortocircuitos.

Estas normas no forman una lista exhaustiva de las normas que deben cumplir los equipos eléctricos de alta tensión. Se reconoce que cada país tiene sus propias normas que cubren estas mismas áreas de diseño y la referencia a las normas de un país particular no excluye necesariamente las normas de otros países. De manera ideal, un dispositivo se construye para cumplir con las normas de múltiples países.

El cumplimiento de estas normas da como resultado un BIL (nivel de aislamiento básico) para el dispositivo o un "DIL" (nivel de aislamiento de diseño) que habitualmente es un múltiplo de la tensión de línea de CA básica. Por ejemplo, un transformador de media tensión de 66 kV u otro dispositivo alojado tal como un FCL puede tener un BIL de 22 kV. El requisito para cumplir esta norma da como resultado un diseño... [Seguir leyendo]

1. Un limitador de corriente de fallo (1,2, 4, 81,9, 1), que incluye:

un circuito ferromagnético (2) formado a partir de un material ferromagnético y que incluye al menos un primer ramal y dos segundos ramales;

un mecanismo de saturación (3) que rodea el primer ramal para saturar magnéticamente el material ferromagnético; una bobina de fase (5, 6) enrollada alrededor de cada segundo ramal; caracterizado por:

un fluido dieléctrico (1, 6, 83) que rodea dicha bobina de fase (5, 6); y

en el que el mecanismo de saturación (3) no está sumergido en el fluido dieléctrico (1, 6, 83).

2. Un limitador de corriente de fallo según la reivindicación 1, que comprende además una atmósfera gaseosa que rodea el mecanismo de saturación (3).

3. Un limitador de corriente de fallo según la reivindicación 2, en el que dicho mecanismo de saturación (3) comprende una bobina superconductora refrigerada interconectada a una fuente de alimentación de CC.

4. Un limitador de corriente de fallo según la reivindicación 3, en el que dicha bobina superconductora está dentro de un criostato (4, 31,53).

5. Un limitador de corriente de fallo según la reivindicación 1, que comprende además: un recipiente externo (14) para alojar los componentes del limitador; una serie de terminales (7, 8, 49) montados sobre el recipiente externo y en el que dicha bobina de fase incluye un conductor de entrada de CA y uno de salida de CA interconectados a terminales predeterminados de dichos terminales.

6. Un limitador de corriente de fallo según la reivindicación 5, que comprende además un tubo de alimentación de refrigerante de baja temperatura (28, 29) interconectado al mecanismo de saturación.

7. Un limitador de corriente de fallo según la reivindicación 1, donde dicho limitador (1, 2, 4, 81, 9, 1) se utiliza en una fuente de alimentación multifase para limitar cada fase de la alimentación.

8. Un limitador de corriente de fallo según la reivindicación 7, en el que un único mecanismo de saturación (3) rodea el circuito ferromagnético (2) de cada fase de la fuente de alimentación multifase.

9. Un limitador de corriente de fallo según la reivindicación 1, en el que el mecanismo de saturación (3) y la bobina de fase (5, 6) están formados alrededor de la misma parte alargada de material ferromagnético (11).

1. Un limitador de corriente de fallo según la reivindicación 9, en el que el mecanismo de saturación (13) está formado alrededor de un extremo proximal de la parte alargada y una bobina de fase está formada alrededor del extremo distal de la parte alargada.

11. Un limitador de corriente de fallo según la reivindicación 9, en el que dicho circuito ferromagnético (11) comprende una única parte alargada de material ferromagnético.

12. Un limitador de corriente de fallo según la reivindicación 1, en el que dicho circuito ferromagnético incluye un primer, un segundo y un tercer ramal paralelos entre sí, con partes de la bobina de fase (22, 23) enrolladas alrededor de un primer y un segundo ramal (25, 26), con el mecanismo de saturación (27) enrollado alrededor de un tercer ramal.

13. Un limitador de corriente de fallo según la reivindicación 1, que incluye: un circuito ferromagnético formado a partir de un material ferromagnético y que incluye al menos un primer ramal, un segundo par de ramales, un tercer par de ramales, un cuarto par de ramales, un mecanismo de saturación (52) que rodea el primer ramal para saturar magnéticamente el material ferromagnético; primeras bobinas de fase (41, 42) enrolladas alrededor de cada segundo ramal (51), segundas bobinas de fase envueltas alrededor de los terceros ramales y terceras bobinas de fase envueltas alrededor del cuarto par de ramales y un fluido dieléctrico (6) que rodea dichas bobinas de fase (41, 42, 43, 44, 45, 46), y una atmósfera gaseosa que rodea el mecanismo de saturación (52).

14. Un limitador de corriente de fallo según la reivindicación 13, en el que el mecanismo de saturación comprende una bobina superconductora (52) enrollada alrededor del primer ramal dentro de un criostato (53).

15. Un limitador de corriente de fallo según la reivindicación 1, en el que el mecanismo de saturación (52) que rodea el primer ramal es para saturar magnéticamente el material ferromagnético (51) durante condiciones sin fallo.

16. Un limitador de corriente de fallo según la reivindicación 15, en el que dichos primer y segundo ramales son 5 adyacentes entre sí y dicho mecanismo de saturación y dichas bobinas de fase tienen sustancialmente el mismo

tamaño o extensión.

17. Un limitador de corriente de fallo (2, 4, 81, 9, 1) según cualquier reivindicación anterior, que tiene además un intervalo de funcionamiento normal de sustancialmente 33 kV a 75 kV.