(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が少なくとも１つの巻線を含む単数又は複数の電動機から成る高圧用電気プラントにおいて、少なくとも１つの電動機の巻線が、各々が基本的に等電位面を構成する少なくとも２つの半導電性層及び該層間の中間固体絶縁を含む絶縁システムを有する高圧ケーブルを含んで成り、
前記２つの半導電性層のうち、最も内側の半導電性層（３２）が心線（３１）と実質的に同じ電位にあり、
前記電動機の少なくとも１つが、電圧レベルのいかなる降圧もなしに結合要素を介して配電網又は送電網に接続されるように配置されていることを特徴とする電気プラント。
【請求項２】
少なくとも１つの電動機が単数又は複数の接続電圧を有することを特徴とする請求項１に記載のプラント。
【請求項３】
前記層の少なくとも１層が、実質的に固体絶縁と同じ熱膨張率を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のプラント。
【請求項４】
実質的電力の全ての変圧が同じ電動機内で起こるように配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のプラント。
【請求項５】
絶縁が、固体絶縁の中間絶縁層（３３）を伴う少なくとも２つの半導電性層（３２，３４）によりとり囲まれた単数又は複数の電流導体（３１）を含む、高圧用ケーブル（６）で構築されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のプラント。
【請求項６】
外側半導電性層（３４）の１つが、導体（３１）をとり囲む等電位面を基本的に形成するべく配置されていることを特徴とする請求項５に記載のプラント。
【請求項７】
前記外側半導電性層（３４）が、予め規定された電位に接続されていることを特徴とする請求項６に記載のプラント。
【請求項８】
予め規定された電位が、大地電位であることを特徴とする請求項７に記載のプラント。
【請求項９】
前記層の少なくとも２層が、実質的に同じ熱膨張率を有することを特徴とする請求項５から８のいずれか１項に記載のプラント。
【請求項１０】
電流導体が複数のより線を含み、そのうちの少数のより線だけが互いに絶縁されていないことを特徴とする請求項５又は６に記載のプラント。
【請求項１１】
巻線が、単数又は複数の電流導体（３１）を含む１本のケーブルから成り各導体は、複数のより線から成り、各導体のまわりには内側半導電性層（３２）が配置されており、各々の内側半導電性層（３２）のまわりには固体絶縁の絶縁層（３３）が配置されており、各々の絶縁層（３３）のまわりには外側半導電性層（３４）が配置されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のプラント。
【請求項１２】
ケーブルが、同様に金属スクリーン及び外皮をも含んで成ることを特徴とする請求項１１に記載のプラント。
【請求項１３】
電動機の固定子が、気体及び／又は液体流を用いて、大地電位で冷却されることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載のプラント。
【請求項１４】
高圧ケーブル（６）が、４０〜３０００mm2の間の導体面積を有し、その外径が１０〜２５０mmであることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載のプラント。
【請求項１５】
回転電動機のための始動電流及び／又は障害又は電流は、回転電気機械の電機子巻線（図４）と暫定的及び／又は永久的に直列接続されている電気静止機械すなわちリアクトル／インダクタにより制限されるように配置されていることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載のプラント。
【請求項１６】
少なくとも１つの電動機の中性点が、インピーダンスを介して接地されることを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載のプラント。
【請求項１７】
少なくとも１つの電動機の中性点が、大地に直接接続されていることを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項に記載のプラント。
【請求項１８】
電動機が、暫定的に大きな過負荷容量をもつ無効電力発生装置として作動するように配置されていること、を特徴とする請求項１から１７のいずれか１項に記載のプラント。
【請求項１９】
電動機は、３６ｋＶ以上の供給電圧をもつ配電網又は送電網に接続されるように配置されていることを特徴とする請求項１から１８のいずれか１項に記載のプラント。
【請求項２０】
電動機の巻線が、自己調整式界磁制御のために配置されており、界磁の制御のための補助的手段を欠いていることを特徴とする請求項１から１９のいずれか１項に記載のプラント。
【請求項２１】
各々少なくとも１つの巻線を含む単数又は複数の電動機から成る高圧用電気プラントにおいて、少なくとも１つの電動機の巻線には、その熱特性及び電気特性に関して３６ｋＶ以上の電圧レベルを許容する絶縁システムを有する高圧ケーブルが含まれていること及び前記電動機が請求項１から１９のいずれか１項に記載のプラントを定義づけている特長を内含することを特徴とする、各々少なくとも１つの巻線を含む単数又は複数の電動機から成る高圧用電気プラント。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、以下電力網と呼ぶ配電網又は送電網に接続することを意図された電動機を含む電気プラントに関する。本発明は、第２に、かかるプラント内で使用することが意図された電動機に関する。これらの電動機は、同期電動機であっても非同期電動機であってもよい。
電動機を伴うプラントとしては、圧延工場、製紙工場、パルプ乾燥機、鉱山プラント、ふ頭構造部、ファン、ポンプ又はコンプレッサシステム、ホイスト手段、遷車台、クレーン、遠心分離機、コンベヤ、工作場プラント、製鋼工場などがある。電動機を伴うプラントというのは、かくして、その最も広範な意味で理解されるものとする。
背景技術
電動機内の磁気回路は、通常、例えば溶接された構造をもつ薄鋼板の積層鉄心を含んで成る。換気及び冷却を提供するため、鉄心は往々にして、半径方向及び／又は軸方向換気ダクトを伴うスタックに分割される。より大きな電動機については、層構成は、機械のフレームに取付けられるセグメント状に押し抜きされ、積層鉄心は、圧力フィンガ及び圧力リングによりまとめて保持される。巻線は、積層鉄心内のスロットの中に配置され、スロットは一般に矩形又は台形形状の断面を有する。
多相電動機においては、巻線は、単層巻又は２層巻として作られる。単層巻の場合、１スロットあたり１つのコイル辺しか存在せず、一方２層巻の場合、１スロットあたり２つのコイル辺が存在する。コイル辺というのは、垂直又は水平方向に組合わされ、共通のコイル絶縁、すなわち大地に対する電動機の定格電圧に耐えるように設計された絶縁を備えた単数又は複数の導体のことである。
２層巻は一般に菱形巻線として作られるのに対し、１層巻は、ここでは菱形又は平坦な巻線として作ることができる。菱形巻線では１つ（２つも可能）のコイル幅しか存在しないが、一方平巻きは、偏心巻線としてすなわち広範に変動するコイル幅を伴って作られる。コイル幅というのは、同じコイルに属する２つのコイル辺の間の円弧寸法での距離のことである。
通常、すべての大型電動機は、同じサイズのコイル及び２層巻を伴って作られる。各コイルは、１辺が１層の中に、もう１つの辺がもう１つの層の中にあるように配置される。このことはすなわち、全てのコイルがコイル端部で互いに交差することを意味している。２層以上の層が存在する場合、これらの交差は巻線作業を複雑にし、コイル端部の満足度は比較的低い。
回転電動機用のコイルは１０〜２０ｋＶの電圧範囲までは優れた成果を伴って製造されうると考えられている。
大型交流電動機は、同期電動機と非同期電動機に分類され、前者は一般に比較的高い最高数数１０ＭＷの範囲を網羅し、通常最大２０ｋＶの電圧の供給を受けるように製造されている。同期電動機は、電力網の周波数と同期的である回転子速度で作動する。非同期電動機では、磁界は回転子よりも速く回転し、かくして誘導電流が回転方向におけるトルクを提供することになる。これら２つのタイプの電動機は、構造的にかなり類似している。これらは固定子とその内側に配置された回転子から成る。固定子は、巻線のためのスロットが押し抜きされている積層鉄心で構築されている。固定子は、その脚部により基礎に取り付けられた底部ボックスの中に入れられる。回転子は、ボックス内に取付けられた軸受内に吊り下げられている。能動部品を保護するべく、底面ボックス内には固定子シェルが置かれている。このシェルには、冷却空気が入るようにするための開口部が具備されている。
交流電動機の機能は、磁界、電流及び機械的動作の間の相互作用に基づいている。磁界は、まず第１に機械の鉄の中に局在化され、電流は巻線の中に局在化されている。
２つの主要なタイプの交流電動機すなわち同期及び非同期機が区別される。同期機と非同期機の主たる差異は、トルクがいかに生成されるかにある。同期電動機は、ブラシレス励磁器又はスリップリングを介して外部から回転子にエネルギを供給することによって励磁されるが、一方非同期電動機は、その励磁エネルギを誘導を通して固定子電流から得る。同期電動機の速度は従って、非同期電動機の場合ほど負荷によって左右されない。
回転子の構造に応じて、２タイプの同期電動機が存在する。すなわち突極を伴うものと、円筒回転子を伴うものである。高速２極運転では、回転子上の機械的応力はきわめて高くなり、その場合、円筒回転子を使用することが有利である。より低速の４極以上の電動機については、回転子の直径はさらに大きくなる。より低い速度ひいてはそれに対応してより低い機械的応力を考慮すると、回転子が突極を有することがさらに有利である。
２つのタイプの間の境界は、明確でない。より高い電力で、４極の場合、長くスリムな形状の円筒回転子が用いられる。より低い電力で４極の場合、突極をもつ回転子が用いられる。
非同期電動機も同様に２つのタイプ、すなわちかご形誘導電動機とスリップリング電動機に分類される。両方のタイプに共通なのは、回転子が、回転子巻線のためのスロットを伴う層構成で構築されていることである。差異は、巻線の構造にある。かご形誘導電動機は、短絡リングで端部にて短絡させられる軸方向ロッドを具備するかご形巻線を有する。スリップリングを伴う非同期電動機は、スリップリングに接続された位相端子を具備する回転子内に３相巻線を有する。
回転子スロットをさまざまな方法で設計することにより、かご形誘導電動機の始動及び作動特性をさまざまな作動上の要求に合わせて調整することができる。スリップリング非同期電動機は、まず第１に、困難な始動条件下で用いられる。スリップリングを介して、外部抵抗が接続され得る。回転子の抵抗を増大させることにより、最大トルクはより低い速度に向かって移動させ得るので始動トルクを増大することが可能である。始動が完了した時点で、外部始動抵抗は短絡される。
タイプ、ネスティングクラス及び冷却方法に関する大型交流電動機の選択は、なかんづく以下の要因により左右される。
・  負荷のトルク特性
・  負荷タイプ及び負荷サイクル
・  始動電力の制約条件
・  電力網の特性
・  電力エネルギーのコスト
・  電動機が設置されるべき環境
・  プラントの推定耐用年数との関係における投資コスト。
電動機械に対して望まれることは、その資本コスト及び運転コストができるかぎり低いものであるということである。従って、一定の与えられた力率で効率をできるかぎり高く保つことが望ましい。同期電動機は一般に、非同期電動機に比べ高い効率をもつ。
同期電動機の回転子は往々にして突極を伴って製造される。その主たる用途は、例えば製紙業界の細枠ロール及び精砕機、又はプロセス工業においてと同様に、例えば砂漠国内のかんがい設備向けといったような微弱な電力網に関連する大型ポンプのための、１ＭＷ〜数十ＭＷの電力範囲内にある。石油産業も同様に、ポンプ及びコンプレッサ用の大型同期電動機を使用する。
よりコストの安い非同期電動機ではなく同期電動機を使用する主たる理由は、同期電動機が、より低い始動電流の形で、電力網に対しより少ない負担しかかけないこと、そして過剰励磁の場合に、力率改善のためにも同期電動機が使用され得ることにある。大型同期電動機は同様に、同等の非同期電動機よりもわずかに高い効率を有する。
巻線は、コイル内の巻線の巻きの間と同様にコイルと周囲の間でも絶縁されなくてはならない。絶縁材料として、さまざまな形のプラスチック、ワニス及びグラスファイバ材料が往々にして使用される。コイル端部は、複数のコイルの間に、特に短絡時に現われる力を打ち消すために固定される。
上述のタイプの電動機は、電圧を低下させる変圧器を使用して例えば１４５ｋＶの高圧網に接続される。変圧器を介して高圧網に接続された形のこの要領での電動機の使用は、数多くの欠点をもたらす。なかでも、以下のような欠点を挙げることができる：
・  変圧器は高価で、輸送コストを増大させ空間を必要とする。
・  変圧器はシステムの効率を低下させる。
・  変圧器は無効電力を消費する。
・  従来の変圧器は油を含んでおり、それに付随してリスクが伴う。
・  電動機は変圧器を介してより弱い電力網に対抗して作動するため、慎重な運転を含んでいる。
発明の記述
従って、本発明の目的は、ここでは変圧器の中間接続の無い副送電網及び配電網を意味する、高圧給電網に直接接続されているプラントの中での単数又は複数の電動機の使用を可能にすることにある。
上述の目的を達成することによって得られる利点は、そうでなければそのリアクタンスが無効電力を消費するような中間油入トランスの削除にある。
この目的は、請求項１の序文で記述されているタイプのプラントにはこの請求項の特徴づけ部分で定義されている特殊な特長が与えられており、請求項２５の序文で記述されているタイプの電動機にはこの請求項の特徴づけ部分で定義されている特殊な特長が与えられている本発明に従って達成される。
特別に製造された固体絶縁のおかげで、このようなプラント内の電動機は、高圧電力網について適用可能な最高の電圧に達する可能性のある電圧で、既知の技術を用いて可能であるものを著しく超える電圧レベルで直接給電され得る。
かくして、変圧器が余分なものとなり、従って電圧が降下されなくてはならないプラント固有の、以上で触れた全ての問題が除去されるという利点が、他の多大な利点と共に得られる。本発明に係るプラントでは、過負荷容量も同様に顕著に増大させられる。これは、１時間か２時間の間＋１００％としてもよく、より低い定格出力をもつ電動機が選択されることを可能にし、かくして出費も節約できる。
出力は電圧の２乗に正比例することから、電動機上の高い電圧によってより高い出力が得られる。かくして、本発明は、より高い動力の電動機を達成することを可能にする。かくして本発明は、電気的機械の利用分野を１〜３００ＭＷの範囲に拡大し、さらに高い動力レベルでの応用さえ可能にする。
従って、既知の技術と本発明に係る実施形態の間の主たる基本的違いは、これが、ブレーカ及びアイソレータといった結合要素を介して高い供給電圧に直接接続されるように配置された少なくとも１つの電動機の中に内含される磁気回路で達成されるということにある。従って磁気回路は、１つ又は２つ以上の積層されたコアからなる。巻線は、導体と絶縁の外側の両方に半導電性層をもつ単数又は複数の永久的に絶縁された導体を有するネジ込みケーブルから成り、ここで外側半導電性層は大地電位に接続されている。
回転電気機及び静止電気機の両方の電気機を全てのタイプの高圧電力網に直接接続することから生じる問題を解決するため、本発明に係るプラント内の少なくとも１つの電動機は、既知の技術とは全く異なる上述の数多くの特長を有している。付加的な特長及びさらなる実施形態は、従属クレームに定義されており、以下で論述する。
本発明に係るプラント及びその中に内含される電動機のうちの少なくとも１つの電動機の上述の特長及びその他の基本的な特徴は、以下の通りである。
・  巻線は、導体及び外皮の両方において半導電性層を伴う永久的に絶縁された単数又は複数の導体を有するケーブルから製造されている。このタイプのいくつかの標準的導体としては、ＰＥＸケーブル又はＥＰゴム絶縁を伴うケーブルがあるが、これらは、本発明のために、その導体中のより線及び外側外皮の性質の両方に関しさらに開発されたものである。ＰＥＸ＝架橋ポリエチレン（ＸＬＰＥ）。ＥＰ＝エチレンプロピレン。
・  円形横断面を伴うケーブルが好まれるが、いくつかのその他の横断面を伴うケーブルも、例えばより良い実装密度を得る目的で使用することができる。
・  このようなケーブルは、スロット及び歯に関し新しく最適な形で本発明に係る積層鉄心の設計を許容する。
・  巻線は好ましくは、積層鉄心を最も良く利用するため段階的絶縁を伴って製造される。
・  巻線は好ましくは、多層同心ケーブル巻線として製造され、かくしてコイル端部の交差点の数を低減させることができる。
・  スロットの設計は、スロットが、軸方向及び／又は半径方向に互いに外側に走り、固定子巻線の層の間を走行する開放したくびれをもつ複数の円筒形開口部の形となるように、巻線ケーブルの横断面に適合させられている。
・  スロットの設計は、関係するケーブルの横断面及び巻線の段階的絶縁に合わせて調整される。段階的絶縁は、磁心が、半径方向の延びとは無関係に、実質的に一定の歯幅を有することを許容する。
・  より線に関する上述のさらなる開発は、複数回の衝撃を受けた層、すなわち電動機械の見地から見て必ずしも正しく互いにねん架、非絶縁及び／又は絶縁されているとはかぎらない絶縁より線から成る巻き導体を必然的にもたらすことになる。
・  外皮に関する上述のさらなる開発は、導体の長さに沿った適当な点で外皮が切断され、各々の切断された部分長は大地電位への直接接続をもたらす。
上述のタイプのケーブルの使用は、巻線の外皮の全長ならびにプラントのその他の部分が大地電位に保たれることを許容する。重要な１つの利点は、電界が、外側半導電性層の外側のコイル端部領域内でゼロに近いということにある。外皮上で大地電位の場合、電界は制御される必要はない。このことはすなわち、磁心内、コイル端部領域内又はそれらの間の遷移部分内のいずれにおいても磁界集中が全く発生しないということを意味している。
絶縁及び／又は絶縁破壊を受けた衝撃より線又はねん架より線の混合は、低い漂遊損をもたらす。
巻線内で使用される高圧用ケーブルは、複数のより線を伴う内部心線／導体、少なくとも２層の半導電性層で構成されており、最も内側は、それ自体約４０〜３０００mm2の導体面積及び約１０〜２５０mmの外径をもつ外径半導電性層によりとり囲まれている絶縁層によってとり囲まれている。
本発明に係るプラント内の電動機の少なくとも１つが規定の要領で構築されている場合、この電動機又はこれらの電動機の始動及び制御は、導入部で論述した文献中に一例として記述されているそれ自体既知の始動方法を用いて達成することができる。
本発明の特に好ましい実施形態に従うと、これらの層の少なくとも２つ、好ましくは３つ全てが同じ熱膨張率を有している。かくして、巻線内の熱移動中の欠陥、ひびわれなどを回避することができるという決定的な利点が得られる。
本発明のもう１つの重要な好ましい実施形態に従うと、プラント内の電動機の少なくとも１つは単数又は複数の接続電圧を有する。
本発明のもう１つの態様に基づくと、請求項２３の序文に記述されたタイプのプラントに、この請求項の特徴づけ部分で定義されている特殊な特長が与えられているという点で、上述の目的が達成されている。
適切には永久的なものである絶縁システムは、熱及び電気の観点から見て３６ｋＶ以上用に寸法決定されるように設計されていることから、中間の降圧変圧器なしにプラントを高圧電力網に接続することができ、かくして言及された利点を達成することができる。このようなプラントは好ましくは、請求項１〜２２のいずれか１項に記載のプラントのために定義された特長を含むように製造されるが、必ずしもそれが必要なわけではない。
本発明の上述の及びその他の有利な実施形態については、従属クレームに定義されている。
【図面の簡単な説明】
本発明については、添付の図面を参考にしながら、プラント内の電動機の磁気回路の構成の好ましい一実施形態についての以下の詳細な記述の中で、より詳しく説明する。なお図面中、
図１は、本発明に係るプラント内の電動機内の固定子の１セクタの概略的軸方向端面図を示し、
図２は、図１に係る固定子の巻線内で使用されるケーブルの段階的に剥ぎとられた端面図を示し、
図３〜７は、それ自体既知の異なる始動回路の例を示す。
好ましい実施形態の説明
プラントに内含された単数又は複数の電動機に関する図１に示す固定子１のセクタを通した概略的軸方向図においては、電動機の回転子２も示されている。固定子１は、積層鉄心の従来の方法で構成されている。図１は、１つの磁極ピッチに対応する電動機のセクタを示す。半径方向の最も外側にある鉄心のヨーク部分から、半径方向内側の回転子２に向かって数多くの歯４が延びており、固定子巻線が中に配置されているスロット５によって分離されている。この固定子巻線を形成するケーブルは、配電のために用いられるものすなわちＰＥＸケーブルと実質的に同じタイプのものであってよい高圧ケーブルである。１つの相異点は、外側の機械的保護外皮及び通常かかる配電ケーブルをとり囲んでいる金属スクリーンが削除されており、従って本出願のためのケーブルは導体と絶縁層の各々の側に少なくとも１つの半導電性層のみを含むようになっているという点にある。かくして、機械的損傷に敏感な半導電性層は、ケーブルの表面上にむき出しで存在する。
ケーブル６は、図１に概略的に示されているが、ここでは、各ケーブル部分又はコイル辺の導電性中央部分しか描かれていない。これをみるとわかるように、各スロット５は、交番する広い部分７と狭い部分８を伴う変化する断面を有する。広い部分７は実質的に円形でケーブル配置をとり囲み、これらの間のくびれ部分が狭い部分８を形成する。くびれ部分は、各ケーブルの位置を半径方向に固定するのに役立つ。スロット５の横断面も半径方向内向きに狭くなっている。これは、ケーブルの各部分上の電圧が、これらの部分が位置づけされている固定子１の半径方向内側部分に近づくほど低くなるからである。従って、そこではより細いより合わせを使用することができるのに対し、外側ではより粗いより合わせが必要である。示されている例においては、３つの異なる寸法のケーブルが、スロット５の対応して寸法決定された３つの区分５１，５２，５３内に配置された状態で使用される。
図２は、本発明に係る電動機の中で使用するための高圧ケーブルの段階的に剥ぎ取られた端面図を示す。この高圧ケーブル６は、合わさって例えば銅（Ｃｕ）の円形横断面を与える複数のより線３６を各々含む単数又は複数の導体３１を含んで成る。これらの導体３１は、高圧ケーブル６の中央に配置され、ここに示す実施形態の中では部分絶縁３５によりとり囲まれている。しかしながら、導体３１のうちの１本の上で部分絶縁３５を省くこともできる。発明の当該実施形態においては、複数の導体３１は一緒に第１の半導電性層３２によってとり囲まれている。この第１の半導電性層３２のまわりには、例えばＰＥＸ絶縁といった絶縁層３３があり、これはそれ自体第２の半導電性層３４によりとり囲まれている。かくして本出願における「高圧ケーブル」という概念は、通常このような配電用ケーブルをとり囲むタイプのいかなる金属スクリーンも外皮も含む必要がない。
図３〜７は、基本線図の形で、本発明に従ったプラント内の回転電動機に適用できる既知の始動手段の例を示す。図中、以下の呼称が使用されている。
Ｕ：高圧電力網  Ｘt：変圧器インピーダンス
Ｘn：電力網インピーダンス  Ｒ：リアクトル
Ｂ：ブレーカ  Ｘr：リアクトルインピーダンス
Ｍ：電動機  Ｃ：キャパシタ
Ｘm：電動機インピーダンス  Ｘc：キャパシタインピーダンス
Ｔ：変圧器  Ｌ：３相固定子巻線
かくして図３は変圧器始動のための手順に関するものであり、図４はリアクトル始動の手順に関し、図５は部分巻線始動の手順に関し、図６はキャパシタ始動の手順に関し、図７はリアクトルとキャパシタの始動のための手順に関するものである。本発明に係るプラント内では、始動手順のその他の組合せも、当然利用可能である。例えば本出願の導入部で記された参照文献などの文献中には、さまざまな始動手順が記述されている。
かくして、本発明に従って製造された単数又は複数の回転電動機によると、このような電動機を単数又は複数含む工業プラントを直接高圧給電網、すなわち、２０ｋＶ以上の供給電圧をもつ電力網に接続し、かくして少なくとも１つの変圧器を削除することが可能となる。
プラントに内含された電動機の間に本発明に係る永久的絶縁電力ケーブルを使用し、これらの電動機のコンパクトな設置を達成することにより、電界が小さくなり、ブッシングがい管／端子が完全に削除され得ることを確実にする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図５】
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【図７】
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