ИНДУКТИВНОЕ УСТРОЙСТВО
INDUCTION DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к индуктивному устройству, предназначенному для присоединения к многофазной электрической сети переменного тока, представляющей соединение с нулевой точкой. Устройство содержит катушку индуктивности и предназначено для пропускания реактивного тока через катушку индуктивности при возможном коротком замыкании на землю. Изобретение также относится к способу изготовления такого устройства.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Многофазные электрические сети переменного тока используются для передачи электрической энергии на большие расстояния. Многофазная электрическая сеть переменного тока содержит по меньшей мере два, но обычно три электрических провода, каждый из которых передает электрический ток. Фазы переменных токов смещены по отношению друг к другу, так что их суммарный потенциал равен нулю. Точка, в которой провода соединены друг с другом, называется нулевой точкой, так как потенциал в этой точке равен нулю. Такие нулевые точки обычно находятся в генераторе, вырабатывающем переменные токи, в трансформаторах, трансформирующих переменные токи, и в некоторых случаях также у конечных пользователей.
Одна из проблем многофазных электрических сетей переменного тока связана с так называемыми короткими замыканиями на землю, что означает, что один из проводов в электрической сети коротко замыкается на землю. Благодаря своей протяженности некороткозамкнутые провода образуют электрические емкости с землей, причем между этими, обычно двумя, проводами и землей может проходить ток. Следовательно, между некороткозамкнутыми проводами, землей и короткозамкнутым проводом образуется замкнутая цепь, в которой может проходить ток через короткое замыкание на землю. Такой ток короткого замыкания на землю очень опасен из-за высокой разности потенциалов, возникающей в земле вблизи места замыкания, и может вызвать большие повреждения. В некоторых случаях может возникать электрическая дуга между проводом и землей, в которой ток не прерывается, даже если контакт между короткозамкнутым проводом и землей прекратится.
Известно, что можно присоединять индуктивные устройства между нулевой точкой электрической сети и землей, чтобы уменьшить ток через короткое замыкание на землю. Такое индуктивное устройство обычно содержит катушку индуктивности L. При нормальной работе потенциал нулевой точки близок к потенциалу земли, причем через индуктивное устройство проходит очень малый ток или не проходит ток вовсе. Однако при коротком замыкании на землю потенциал нулевой точки изменяется, так что через индуктивное устройство проходит ток. При правильном выборе индуктивности L через индуктивное устройство проходит такой же ток, как через емкость, образованную между некороткозамкнутыми проводами и землей. Следовательно, между индуктивным устройством и емкостями образуется замкнутая цепь, в которой согласно закону Кирхгофа ток, протекающий через короткое замыкание, значительно уменьшается. Предпочтительно, это ведет к тому, что нет необходимости отключать электрическую сеть во время короткого замыкания на землю из соображений безопасности, которая может оставаться в работе и может продолжать распределять электрическую энергию. Кроме того, любые электрические дуги гасятся, а восстановительная работа может выполняться без опасности для рабочих и иногда даже без необходимости выключать электрическую сеть. Такое индуктивное устройство в обиходе называют дросселем.
Индуктивное устройство должно быть способным работать при высоких напряжениях, связанных с электрическими сетями. Индуктивные устройства, относящиеся к предшествующему уровню техники, обычно изолировались маслом. Масло вместе с прессованным картоном или бумагой является хорошим изолятором и хорошей охлаждающей средой. Это делает возможным высокий коэффициент заполнения, т.е. большую часть проводящего материала внутри катушки, и, следовательно, получение компактной конструкции. Одна из проблем с маслонаполненными конструкциями состоит в том, что они могут протекать, что вредно для окружающей среды. Устройство в таком случае следует помещать внутри большого и герметичного металлического корпуса, а также оно должно быть снабжено дополнительными устройствами безопасности. Обычно устройство помещают в металлический поддон, который в свою очередь помещают в непроницаемый для жидкости сборник и который достаточно велик, чтобы вместить все масло устройства, если устройство протечет, а также возможную дождевую воду. Эта дождевая вода должна, кроме того, регулярно выпускаться, если устройство находится на открытом воздухе.
В некоторых случаях, например в местах, чувствительных к нарушениям в окружающей среде, использование масла запрещено, и в этих случаях в качестве изолятора используется формовочная смола. Формовочная смола является твердым материалом, в который заформовывается катушка индуктивности. Проблема с формовочной смолой состоит в том, что формовочная смола тяжелая и что вокруг катушки требуется большое количество смолы. Кроме того, формовочная смола имеет низкую теплопроводность, что значительно ограничивает допустимую мощность в катушке, по сравнению с устройством с масляной изоляцией при тех же размерах. С формовочной смолой также трудно и дорого работать во время изготовления, так как смола изготавливается из ядовитых веществ путем полимеризации и отверждения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно первому аспекту настоящего изобретения одной из целей изобретения является создание индуктивного устройства для присоединения к многофазной электрической сети переменного тока с нулевой точкой для смягчения последствий возможного короткого замыкания на землю, которое было бы простым и недорогим в изготовлении.
Это достигается в устройстве, выполненном согласно п.1 формулы изобретения. Устройство содержит катушку, намотанную из гибкого кабеля, содержащего внутренний проводник и внешнюю изолирующую оболочку вокруг внутреннего проводника. В связи с этим изготовление катушки является очень простым, недорогим и быстрым, так как гибкий кабель можно легко намотать в витки катушки. Не требуется работать с жидкими веществами, как это происходит при производстве устройств, содержащих масло или формовочную смолу. Кабель может, кроме того, быть изготовлен или куплен очень недорого. Предпочтительно, первая изолирующая оболочка имеет такую толщину, чтобы не допускать электрического разряда через изоляцию. Индуктивное устройство согласно изобретению может быть дросселем или дросселем в комбинации с формирователем нулевой точки.
По геометрическим соображениям и из-за того, что толщина изоляции кабеля, которая годится для самых высоких напряжений, возникающих в катушке, одинакова вдоль всего кабеля, коэффициент заполнения для катушки, намотанной кабелем, становится несколько ниже, чем для устройства, изолированного маслом. Установлено, что это компенсируется тем, что существенно легче охлаждать устройство, выполненное с использованием кабеля. Общий вес и объем индуктивного устройства становится по существу таким же, как для прежних устройств, а в лучших случаях даже меньше. Кроме того, не требуется использовать герметичный металлический контейнер и устройства безопасности для сбора вытекающего масла, так как в устройстве не используется масло, что позволяет еще больше уменьшить размеры устройства. Тот факт, что в устройстве согласно изобретению нет масла, также позволяет использовать устройство в местах, где устройства с маслом запрещены. Показано, что соответствующие преимущества справедливы также в отношении катушек, выполненных с формовочной смолой в качестве изолятора. Таким образом, получено устройство, которое очень простое, недорогое и быстро изготавливаемое и которое имеет равноценные рабочие характеристики с устройством, относящимся к предшествующему уровню техники.
Согласно одному варианту выполнения кабель содержит вторую оболочку, расположенную вокруг первой изолирующей оболочки, причем вторая оболочка электрически проводящая, так что электрическое поле в кабеле сглажено. Предпочтительно, вторая оболочка выполнена из металла, например меди или алюминия. Следовательно, риск электрических разрядов и искр внутри устройства уменьшается. Предпочтительно, кабель также содержит третью изолирующую оболочку, расположенную вокруг второй оболочки.
Согласно еще одному варианту выполнения устройство содержит электрически функциональный модуль и устройство, предназначенное для электрического присоединения по меньшей мере одной части второй оболочки к электрически функциональному модулю. Следовательно, может быть достигнут ряд разнообразных желаемых результатов в зависимости от того, к какому модулю присоединена вторая часть. Согласно одному варианту выполнения по меньшей мере одна часть второй оболочки соединена с модулем земли, предназначенным поддерживать потенциал в этой части второй оболочки близко к потенциалу земли. Таким образом, потенциал поверхности кабеля близок к нулю, причем электрическое поле эффективно задерживается внутри кабеля. Напротив, магнитное поле может проходить беспрепятственно. Так как электрическое поле задерживается внутри, внешняя сторона устройства в основном находится под нулевым потенциалом и безопасна для прикосновения. Кроме того, также возможно изготавливать другие, внешние части устройства из металла, что невозможно без задержания поля из-за риска искр и коротких замыканий. При изготовлении внешних частей устройства из металла механическая устойчивость устройства возрастает и изготовление также облегчается и становится более дешевым, так как металл является недорогим материалом, который легко обрабатывать. Для устройств, относящихся к предшествующему уровню техники, механические опорные конструкции внутри и близко к катушке должны выполняться из непроводящего материала, такого как прессованный картон, чтобы избежать искр и коротких замыканий.
Согласно еще одному варианту выполнения по меньшей мере одна часть второй оболочки предназначена для того, чтобы образовывать вторичную обмотку катушки, причем эта часть второй оболочки присоединена к модулю управления индукцией, предназначенному управлять индукцией устройства. Когда вторая оболочка образует вторичную обмотку катушки, во второй оболочке будет индуцироваться ток, когда через катушку, т.е. через внутренний проводник, протекает ток. Путем присоединения вторичной обмотки к модулю управления индуктивностью индуктивностью катушки можно управлять простым образом. Ток через проводник катушки, которая образует первичную обмотку, может, таким образом, путем управления токами во вторичной обмотке, быть изменен так, чтобы он согласовывался с емкостным током между электрической сетью и землей. Следовательно, устройство может быть приспособлено к различным условиям так, чтобы ток через землю был очень близок к нулю.
Предпочтительно, модуль управления индукцией содержит один или несколько конденсаторов, которые образуют цепь со вторичной обмоткой, что увеличивает индуктивность катушки. Предпочтительно, модуль управления индукцией также содержит модуль управления, предназначенный для управления включением указанного конденсатора или конденсаторов. В альтернативном случае модуль управления индукцией может вместо этого содержать катушки. Таким образом, током через устройство можно управлять, когда ток через землю изменяется.
Согласно следующему варианту выполнения указанный модуль управления индукцией содержит модулятор напряжения. Во время короткого замыкания на землю также образуется резистивная компонента тока между неповрежденными проводами электрической сети и землей. Ранее эта компонента была мала, но для новых электрических сетей большой протяженности и с более высокой долей кабелей, расположенных ниже уровня земли, этот ток может быть значительным. Модулятор напряжения позволяет подавать в цепь требуемый ток. Модулятор напряжения, таким образом, выполнен для подачи сдвинутой по фазе компоненты переменного тока, которая трансформируется в ток в катушке, соответствующий указанному резистивному току. Таким образом, компонента тока замыкания на землю также уменьшается. Конечно, модулятор напряжения может также подавать ток, влияющий на индуктивную компоненту устройства. Предпочтительно, модулятор напряжения также выполнен для компенсации гармоник тока короткого замыкания.
Согласно следующему варианту выполнения вторая оболочка кабеля разделена по меньшей мере на две электрически отдельные части. Предпочтительно, вторая оболочка разделена так, что указанные части расположены одна за другой в направлении длины кабеля. Таким образом, индуцированное напряжение или ток в указанных частях уменьшаются путем трансформации. Согласно одному варианту выполнения вторая оболочка разделена на электрически отдельные части так, что напряжение на одной части меньше или равно половине напряжения на катушке, предпочтительно, меньше или равно одной трети, более предпочтительно, меньше или равно одной пятой и наиболее предпочтительно, меньше или равно одной десятой. Таким образом, риск электрических разрядов и коротких замыканий между различными частями второй оболочки или между витками катушки уменьшается. Кроме того, толщина третьей изолирующей оболочки на верхней части второй оболочки может быть уменьшена.
Предпочтительно, по меньшей мере одна из указанных электрически отдельных частей присоединена по меньшей мере к одному электрически функциональному модулю. Преимущественно, каждая из по меньшей мере двух из указанных электрически отдельных частей присоединена к одному электрически функциональному модулю. Наиболее предпочтительно, каждая из двух электрически отдельных частей соединена с одним электрически функциональным модулем разного типа. Таким образом, достигается большая гибкость и лучшее управление индуктивным устройством и током через катушку.
Согласно еще одному варианту выполнения катушка содержит по меньшей мере один канал, выполненный для пропускания потока охлаждающей среды через катушку. Предпочтительно, указанная охлаждающая среда является воздухом, но может также быть жидкостью или каким-либо другим газом. Согласно одному предпочтительному варианту выполнения катушка содержит по меньшей мере два витка указанного кабеля, а устройство содержит по меньшей мере один разделительный элемент, расположенный между двумя витками, так что между ними сформирован воздушный промежуток. Таким образом, охлаждение устройства значительно улучшается, так как канал или воздушный промежуток обеспечивает очень большую площадь для охлаждения. Предпочтительно, устройство содержит несколько разделительных элементов, предназначенных обеспечить несколько воздушных промежутков. Преимущественно, промежутки параллельны друг другу и расположены в направлении длины катушки. Предпочтительно, воздушные промежутки являются прямыми, и падение давления через воздушные промежутки уменьшается. Таким образом, обеспечивается охлаждение устройства за счет естественной конвекции.
Согласно второму аспекту одной целью настоящего изобретения является способ изготовления индуктивного устройства для присоединения к многофазной электрической сети переменного тока с нулевой точкой для смягчения последствий возможного короткого замыкания на землю, причем этот способ простой и недорогой в реализации. Эта цель достигается согласно способу по п.13 формулы изобретения. Предпочтительно, этот способ включает этапы изготовления устройства, как это было описано выше в связи с первым аспектом изобретения.
Согласно одному варианту выполнения способ включает подачу кабеля во внутреннее пространство, ограниченное внутренней поверхностью опорной конструкции устройства, и укладку кабеля для формирования указанных витков, так что кабель удерживается в закрепленном состоянии во внутреннем пространстве за счет того, что кабель стремится распрямиться в направлении внутренней поверхности. Предпочтительно внутренность опорной конструкции является вогнутой по форме, и наиболее предпочтительно, внутренняя поверхность содержит по меньшей мере две противоположные части поверхности, между которыми закреплен кабель. Таким образом, кабель удерживается силами натяжения, стремящимися выпрямить кабель во внутреннем пространстве. Преимущественно, внутренняя поверхность опорной конструкции является цилиндрической. Таким образом, кабель принимает форму витков катушки очень простым способом. При намотке кабеля в направлении внутрь и вдоль внутренней поверхности опорной конструкции намотку просто выполняют путем подачи и укладки кабеля вместо наматывания кабеля вокруг барабана путем приложения сил натяжения. Таким образом, не требуется большой силы для намотки кабеля, что означает более простое и менее дорогое изготовление, а также то, что кабель подвергается меньшим напряжениям.
Согласно одному варианту выполнения укладка кабеля включает изгибание кабеля вдоль внутренней поверхности опорной конструкции. Предпочтительно, укладка кабеля также содержит изгибание кабеля в форме, соответствующей виткам катушки. Предпочтительно, изгиб достигается прижиманием кабеля к внутренней поверхности опорной конструкции. Кабель, таким образом, согнут естественно и образует витки катушки на внутренней поверхности опорной конструкции, по мере того как кабель подается во внутреннее пространство. Таким образом, изготовление устройства значительно упрощается. Еще одно преимущество состоит в том, что кабель опирается в направлении опорной конструкции, и при этом катушка получается очень прочная. В частности, в случае возможного короткого замыкания катушки витки катушки подвергаются воздействию большого тока в одном и том же направлении во всех витках, так что витки отталкиваются друг от друга с большой силой, кабель поддерживается опорной конструкцией, так что вероятность взрыва устройства уменьшается.
Согласно одному варианту выполнения изготовление катушки включает намотку кабеля снаружи внутрь путем наматывания кабеля по меньшей мере в первый, внешний виток и затем по меньшей мере во второй, внутренний виток. Предпочтительно, внешний виток имеет длину окружности, которая больше, чем длина окружности внутреннего витка. Предпочтительно, внешний виток охватывает внутренний виток. Предпочтительно, внутренний виток затем по меньшей мере опосредованно удерживается в согнутом состоянии и поддерживается внутренней стороной внешнего витка. Под словом "опосредованно" здесь понимается, что могут быть элементы, расположенные между первым и вторым витком, которые опираются на первый виток и которые служат опорой второму витку. Таким образом, кабель может наматываться путем подачи и укладки его во внутреннем пространстве в указанные витки без использования сил натяжения в кабеле даже для внутренних витков.
Согласно одному варианту выполнения намотка кабеля в указанные витки включает управление укладкой кабеля с помощью укладочного элемента. Предпочтительно, указанный укладочный элемент содержит вогнутую, U-образную поверхность для управления кабелем. Такая поверхность содержит три поверхности, которые управляют кабелем в различных направлениях. Предпочтительно, укладочный элемент имеет такую форму, что кабель скользит по вогнутой поверхности. Таким образом, обеспечивается близкая укладка витков кабеля друг к другу, что увеличивает коэффициент заполнения катушки.
Согласно одному варианту выполнения подача кабеля включает разматывание кабеля с кабельной катушки и поворот кабельной катушки во время разматывания, чтобы уменьшить кручение кабеля. Таким образом, намотка кабеля упрощается, так как больше нет необходимости вынуждать кабель поворачиваться вокруг его собственной оси. Кроме того, возрастает долговечность, так как натяжения в кабеле уменьшаются.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение ниже описано вместе с рядом неограничивающих примеров изобретения и со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 показывает многофазную электрическую сеть переменного тока и индуктивное устройство согласно одному варианту выполнения изобретения, присоединенное к нулевой точке электрической сети.
Фиг.2 показывает индуктивное устройство согласно второму варианту выполнения изобретения.
Фиг.3 показывает конструкцию кабеля индуктивного устройства, изображенного на Фиг.2.
Фиг.4 схематически показывает электрические соединения одной половины индуктивного устройства, изображенного на Фиг.2.
Фиг.5 показывает один пример того, как вторая оболочка кабеля индуктивного устройства на Фиг.2 разделена на электрически отдельные части.
Фиг.6 показывает одну половину индуктивного устройства, изображенного на Фиг.2, сверху и в разрезе.
Фиг.7 иллюстрирует способ изготовления индуктивного устройства согласно изобретению.
На Фиг.1 показана многофазная электрическая сеть переменного электрического тока, которая предназначена для распределения электрической энергии. Электрическая сеть 1 содержит три катушки 3, которые, например, могут быть тремя катушками трансформатора или генератора, генерирующего переменный ток электрической сети. Три катушки 3 соединены в нулевой точке 5, в которой потенциал равен нулю при нормальной работе. Для других типов электрических сетей катушки могут быть соединены таким образом, что нулевые точки отсутствуют. В этом случае нулевая точка может быть создана при помощи формирователя нулевой точки. Формирователи нулевой точки известны из предшествующего уровня техники.
С
На Фиг.1 показано короткое замыкание 7 на землю между первым проводником 9а электрической сети 1 и землей 11. Такое короткое замыкание 7 на землю может, например, возникнуть, если на проводник 9а упадет дерево или если проводник упадет на землю 11. Такое короткое замыкание 7 на землю может также возникнуть, если проводник расположен ниже уровня земли и имеется дыра на изоляции проводника. На Фиг.1 также показаны два конденсатора 13 между вторым и третьим проводниками 9b, 9с электрической сети 1 и землей 11. Емкости 13 образуются благодаря протяженности проводников 9b, 9с по отношению к земле. Во время замыкания на землю ток I, таким образом, проходит между вторым и третьим проводниками 9b, 9с и землей 11, причем образуется замкнутая цепь между коротким замыканием 7 на землю и емкостями 13.
L
L
C
На Фиг.1 также показано индуктивное устройство 15, присоединенное между нулевой точкой 5 и землей 11. Индуктивное устройство 15 содержит катушку 17, предназначенную для обеспечения прохождения реактивного тока I через индуктивное устройство 15 в соединении с коротким замыканием 7 на землю. Индуктивность катушки 17 в этом примере согласована с величиной емкостей 13, так что ток I равен току I. Таким образом, между катушкой 17 и емкостями 13 образуется замкнутая цепь, что означает, что ток через короткое замыкание 7 на землю уменьшается. Таким образом, ток через короткое замыкание 7 на землю уменьшается в такой степени, что электрическая сеть может оставаться в работе без необходимости немедленно устранить замыкание.
В этом примере катушка 17 содержит кабель 19, содержащий внутренний электрический проводник 21 и первую изолирующую оболочку 23, расположенную вокруг электрического проводника 21. Кабель 19 является гибким и намотан по меньшей мере в один виток катушки 17. То, что катушка 17 намотана гибким кабелем 19, делает ее изготовление очень простым. Кроме того, факт того, что в кабеле не используется масло, позволяет использовать индуктивное устройство в чувствительных к загрязнению местах без особых мер предосторожности. Кабельная обмотка обычно имеет более низкий коэффициент заполнения, чем обычная обмотка. Однако кабель 19 имеет лучшую теплопроводность, что означает, что для охлаждения требуется оборудование меньших размеров. Таким образом, устройство в целом получается как менее дорогим, легким, так и меньше по размерам. Устройство также проще разместить в узких местах.
На Фиг.2 показан еще один пример индуктивного устройства 27 для присоединения между нулевой точкой и землей. На Фиг.2 видно, что устройство 27 содержит прямоугольный железный сердечник 29. Устройство также содержит две катушки, каждая из которых намотана вокруг одной вертикальной части прямоугольного железного сердечника 29. Левая катушка 35 на Фиг.2 показана в сечении, в то время как правая катушка показана заключенной в защитный корпус 33. Две катушки в этом примере соединены последовательно и ориентированы так, что магнитное поле замыкается через железный сердечник 29. Две катушки, таким образом, образуют общую индуктивность для устройства 27. В другом примере катушки могут быть соединены параллельно.
L
Катушка 35 содержит кабель 37, который является гибким и намотан так, чтобы образовать витки катушки 35. Таким образом, достигаются преимущества гибкого кабеля, описанные ранее. Конструкция кабеля 37 показана более подробно на Фиг.3. Кабель 37 содержит внутренний проводник 39 из металла, который выполнен для создания первичной обмотки катушки 35 и для протекания реактивного тока I через проводник 39 и, следовательно, через катушку 35. Кабель 37, кроме того, содержит первую изолирующую оболочку 41, расположенную вокруг внутреннего проводника 39, причем первая оболочка 41 предназначена для изолирования внутреннего проводника 39. Изолирующая оболочка 41 выполнена из полимерного материала, в данном примере из термопластика. Изолирующая оболочка 41 содержит полиэтилен, в данном случае сетчатый сшитый полиэтилен, который в обычной речи называют РЕХ. Предпочтительно, первая изолирующая оболочка 23 имеет такую толщину, что первая изолирующая оболочка 23 выдерживает электрические разряды через изоляцию.
Кроме того, изолирующая оболочка 41 содержит тонкий слой 43 с повышенной проводимостью. Повышенная проводимость допускает протекание слабого тока в слое 43, что сглаживает пики потенциала, вызванные неровностями, такими как острые выступы или кромки на внешней стороне внутреннего электрического проводника 39. Таким образом, риск разрядов через изоляцию 41 уменьшается. В этом примере указанный слой 43 содержит полиэтилен с сажей в качестве наполнителя. Первая изолирующая оболочка 41, кроме того, содержит второй слой 44 с повышенной проводимостью, который подобен первому слою 43, но расположен вдоль наружной поверхности оболочки 41. Функция второго слоя 44 описана более подробно ниже со ссылкой на Фиг.5.
Кабель 37, кроме того, содержит вторую электрически проводящую оболочку 45, расположенную вокруг первой оболочки 41. Таким образом, по поверхности изолирующей оболочки 41 может проходить ток, причем электрическое поле на поверхности кабеля 37 сглажено оболочкой 45. В этом примере вторая электрически проводящая оболочка 45 выполнена из металла, например меди или алюминия. Кабель 37, кроме того, содержит третью изолирующую оболочку 47, расположенную вокруг второй электрически проводящей оболочки 45. Так как потенциал во второй электрически проводящей оболочке 45 является низким, третья изолирующая оболочка 47 может быть тонкой.
Вторая оболочка 45 в кабеле 39 на фиг.2, кроме того, разделена на три электрически отдельные части 65, 67 и 69. Способ, которым вторая оболочка 45 разделена, описан далее в связи с Фиг.5. Устройство 27, кроме того, содержит три электрически функциональных модуля 51, 52, 53 и одно приспособление 49, имеющее такую форму, чтобы соединять три электрически отдельные части 65, 67, 69 второй оболочки 45 с каждым из трех электрически функциональных модулей 51, 52, 53. Приспособление 49 в этом примере представлено пятью электрическими проводниками, причем соответственно один или два проводника присоединяют одну часть к ее функциональному модулю. Электрически функциональные модули 51, 52, 53 описаны более подробно в связи с Фиг.4. На практике индуктивное устройство может, конечно, содержать любое количество электрически функциональных модулей и электрически отдельных частей. Кроме того, большее количество отдельных частей может быть присоединено к нескольким электрически функциональным модулям и наоборот.
На Фиг.4 показана схема электрических соединений устройства 27. Внутренний проводник 39 показан схематически в виде первичной обмотки 35, а железный сердечник 29 показан схематически в виде двух вертикальных линий. На Фиг.4 также показана вторая, электрически проводящая оболочка 45, разделенная на три электрически отдельные части 65, 67, 69, которые схематично воспроизведены как вторичные обмотки катушки 35. Каждая из этих частей 65, 67, 69 второй оболочки 45, кроме того, присоединена к одному функциональному модулю 51, 52, 53.
На Фиг.4 показано, что первый модуль 51 содержит соединение с потенциалом 66 земли. Модуль 51 соединен только одним проводником с серединой первой части 65. Таким образом, потенциал в первой части 65 второй оболочки 45 очень близок к нулю. При потенциале, близком к нулю, электрическое поле в кабеле 37 эффективно подавляется. В принципе все электрическое поле подавляется внутри кабеля 37 для этой части 65 кабеля, что значительно понижает электрический потенциал снаружи обмотки. Это делает устройство более безопасным при коротких замыканиях.
В этом примере две части 67, 69 второй оболочки 45 выполнены так, что каждая из них образует одну вторичную обмотку катушки 35. Каждая их этих частей 67, 69 второй оболочки 45 присоединена к одному модулю 52, 53 управления индуктивностью, выполненному для управления индуктивностью устройства. Так как эти части второй оболочки 45 являются вторичными обмотками, в частях 67, 69 индуцируется потенциал, когда ток протекает через внутренний электрический проводник 39. Так как вторая оболочка 45 разделена, количество витков в частях 67 и 69 будет меньше, чем количество витков в катушке 35. Таким образом, напряжение, индуцированное в частях 67, 69, будет существенно ниже, чем напряжение в первичной катушке. На Фиг.4 показано, что вторая оболочка 45 разделена на три части, причем индуцированное напряжение будет равно или меньше, чем одна треть напряжения на катушке 35. Преимущественно, оболочка 45 разделена на несколько отдельных частей, когда ожидается, что напряжение на катушке 35 будет высоким, чтобы ограничить напряжение на отдельной части.
Вторая часть 67 второй электрически проводящей оболочки 45 соединена со вторым электрически функциональным модулем 52. Модуль 52 содержит ряд параллельно соединенных конденсаторов 55. Когда ток проходит через внутренний проводник 39, в части 67 создается ток, который течет через конденсаторы 55, так что индуктивность катушки 35 возрастает до значения, зависящего от общей емкости конденсаторов 55. Таким образом, общий ток через катушку 35 уменьшается.
L
C
C
Электрически функциональный модуль 52, кроме того, содержит управляющий модуль 57, выполненный для обеспечения присоединения или отсоединения конденсаторов 55. Таким образом, можно управлять индуктивностью устройства 27, причем реактивный ток I может простым образом быть согласован с емкостным током Iмежду электрической сетью и землей, когда емкость между электрической сетью и землей изменяется. Емкостной ток I может, например, изменяться в зависимости от включения электрической сети. Второй модуль 52, кроме того, содержит второй управляющий модуль 59, выполненный для обеспечения присоединения или отсоединения одиночного конденсатора или группы конденсаторов. Таким образом, индуктивность устройства 27 может быть окончательно отрегулирована.
C
L
Третья электрически отдельная часть 69 второй электрически проводящей оболочки 45 присоединена к третьему модулю 53, который содержит модулятор 61 напряжения. Модулятор 61 напряжения выполнен для подачи требуемого напряжения на часть 69. В этом примере модулятор напряжения выполнен для подачи на третью часть 69 напряжения, которое изменяет ток через катушку 35 таким образом, что устройство 27 компенсирует резистивный ток между электрической сетью и землей. Такой резистивный ток возникает, например, благодаря проводимости на землю и токам короны и смещен на 90° по отношению как к емкостному току I, так и к индуктивному току I. Для больших электрических сетей, в особенности с большой частью кабелей, этот компонент может быть так велик, что дуга не гасится, если компенсируется только емкостной ток. Модулятор 61 напряжения также выполнен для подачи на третью часть 69 напряжения, изменяющего индуктивность катушки 35. Таким образом, компенсируются также гармоники. Кроме того, достигается также непрерывное изменение индуктивности устройства 27. Третий модуль 53, кроме того, содержит управляющий модуль 63, выполненный для управления модулятором 61 напряжения.
На Фиг.5 показано, как вторая оболочка 45 разделена на две электрически отдельные части 67 и 69. Вторая электрически проводящая оболочка 45 разделена путем удаления кольцевой части длиной l из второй оболочки 45 между частями 67 и 69, так что электрически разделяющий промежуток образован между частями 67 и 69. Следовательно, электрически функциональные модули, присоединенные к электрически отдельным частям, не будут отрицательно влиять друг на друга, кроме того, отдельные части будут представлять собой вторичные обмотки катушки, причем индуцированное напряжение на частях становится ниже.
В результате удаления кольцевой части второй оболочки обнажается лежащая под ней первая изолирующая оболочка 41. Изолирующая оболочка 41, как упоминалось ранее, снабжена вторым внешним слоем 44 с повышенной проводимостью. Второй внешний слой 44 включен между второй частью 67 и третьей частью 69, причем слой 44 обеспечивает ток утечки между второй частью 67 и третьей частью 69. Таким образом, электрическое поле подавляется внутри также на этой длине кабеля. Промежуток между частями 67 и 69 имеет такую длину, что ток утечки через слой 44 так мал, что нагревание слоя 44 становится незначительным. В этом примере длина промежутка составляет около 30 см.
Кроме того, также удалена кольцевая часть третьей изолирующей оболочки 47, длина которой больше, чем длина удаленной части второй оболочки 45, при этом один конец каждой соответствующей части 67 и 69 оставлен свободным. Приспособление 49, предназначенное для присоединения частей 67, 69 к электрически функциональным модулям 52, 53, таким образом, содержит первый 71а и второй 71b соединительные проводники, выполненные для электрического присоединения к каждому соответствующему концу второй 67 и третьей 69 части. В этом примере соединительные проводники припаяны прямо на части 67 и 69. В другом примере проводники могут быть также прикреплены при помощи проводников, каждый из которых содержит один кольцевой зажим, который закреплен на концах, или путем наматывания проводников вокруг концов и приклеивания или навинчивания их на концы.
Кабель 37 также содержит изоляцию, выполненную для закрытия места разделения оболочки 45. Следовательно, обнаженные концы соответственно частей 67 и 69, а также внешний слой 44 первой оболочки 41 изолированы от окружающей среды. В этом примере изоляция 73 содержит изоляционную ленту, наложенную на место разделения, но изоляция может также быть представлена любым другим изолирующим материалом, прикрепленным на кабеле 37.
На Фиг.6 катушка 35 показана сверху. Устройство 27 содержит опорную конструкцию 75, которая имеет цилиндрическую форму, в данном примере форму кругового цилиндра, и выполнена для охвата катушки 35. Опорная конструкция 75, таким образом, содержит внутреннюю поверхность 76, ограничивающую внутреннее пространство 77, внутри которого расположена катушка 35. В этом примере внутреннее пространство 77 также имеет форму кругового цилиндра. Внутренняя поверхность 76 является вогнутой и непрерывной и содержит противоположные части поверхности. В другом примере изобретения опорная конструкция может содержать несколько отдельных частей, таких как стержни или стенки, а внутренняя поверхность может содержать отверстия или быть прерывистой.
Кабель 37 намотан в катушку 35 внутри внутреннего пространства 77. Кабель 37, кроме того, расположен по меньшей мере частично так, что он удерживается закрепленным во внутреннем пространстве 77 за счет того, что кабель 37 стремится распрямиться, опираясь на внутреннюю поверхность 76. Так как внутренняя поверхность содержит противоположные части поверхности, кабель 37 удерживается на частях поверхности, когда кабель 37 стремится распрямиться. Кабель 37, таким образом, намотан так, что он опирается и поддерживается согнутым посредством внутренней поверхности 76 опорной конструкции 75. Такое устройство является простым для изготовления посредством наматывания кабеля 37 на внутреннюю поверхность 76 опорной конструкции 75 так, что кабель 37 сгибают путем прижатия кабеля к внутренней поверхности 76, вместо того чтобы сгибать кабель путем натягивания его вокруг кабельной катушки.
Катушка 35 содержит несколько витков, которые имеют по существу один и тот же диаметр или длину окружности в первом, внешнем слое 83 витков кабеля 37. В этом примере витки кабеля в слое 83 расположены так, чтобы опираться на опорную конструкцию 75 и сгибаться посредством этой конструкции. Катушка 35 также содержит второй слой 85 витков кабеля, лежащих внутри первого слоя. Кабель 37 намотан так, что витки во внутреннем слое 85 по меньшей мере опосредованно поддерживаются в согнутом состоянии внешним слоем 83. Кроме того, катушка 35 намотана снаружи внутрь. Таким образом, первый, внешний слой 83 витков намотан на начальном этапе, а второй, внутренний слой 85 витков намотан на следующем этапе.
Устройство 27 содержит несколько разделительных элементов 79, расположенных между слоями 83, 85. Каждый разделительный элемент 79 содержит первую и вторую опорную поверхность, выполненные для того, чтобы опираться соответственно на каждый слой 83, 85. Опорные поверхности закруглены, чтобы уменьшить риск повреждения кабеля 37 разделительными элементами 79. Разделительные элементы 79 выполнены для удерживания слоев 83 и 85 на расстоянии друг от друга так, что между слоями 83, 85 получается воздушный промежуток. Таким образом, поток воздуха может проходить между слоями 83 и 85, что позволяет осуществить эффективное и простое охлаждение устройства.
Разделительные элементы 79 выполнены продолговатыми и проходят в направлении длины катушки 35. Таким образом, слои 83, 85 разделены так, что воздушные промежутки проходят через все устройство 27 в направлении длины устройства. Воздушные промежутки содержат одно отверстие в нижней части устройства 27 и одно отверстие в верхней части устройства 27. Кроме того, воздушные промежутки являются прямыми, причем падение давления мало, когда воздушный поток проходит через воздушные промежутки. В этом примере приспособление 49 также выполнено внутри указанных воздушных промежутков. Поскольку приспособление 49 содержит только тонкие проводники, падение давления в значительной степени не увеличивается.
Устройство 27 дополнительно содержит вентиляторное устройство 81, предназначенное для получения воздушного потока через воздушные каналы, что обеспечивает эффективное охлаждение катушки 35. В другом примере устройства воздух может циркулировать за счет естественной конвекции. Еще в одном примере устройства воздушные промежутки могут быть заменены каналами с текучей средой, в которых в качестве охлаждающей среды может циркулировать жидкость.
В этом примере устройство 27 также содержит третий слой 86 витков кабеля, расположенный внутри второго слоя 85, причем разделительные элементы 79 также расположены между вторым и третьим слоями 85, 86. Разделительные элементы 79, таким образом, расположены в чередующемся порядке, так что один разделительный элемент, расположенный между первым и вторым слоями, расположен в середине между двумя разделительными элементами, расположенными между вторым и третьим слоями.
Опорная конструкция 75 содержит полый цилиндр из металла, который разрезан в направлении своей длины, чтобы избежать тока, индуцированного в опорной конструкции 75 магнитным потоком от катушки 35. Опорная конструкция 75, таким образом, содержит герметизацию из непроводящего материала, чтобы поддерживать форму цилиндра. Опорная конструкция 75 выполнена прочной, так что она выдерживает растягивающие усилия, возникающие при возможном коротком замыкании катушки 35. Эти силы в противном случае создают риск разрыва устройства 27.
В следующем примере со ссылкой на Фиг.7 описан один пример способа изготовления индуктивного устройства. На Фиг.7 показаны опорная конструкция 87, гибкий кабель 89, намотанный на кабельную катушку 91, элемент 93 укладки кабеля, разделительный элемент 95 и соединительное устройство 97. Способ изготовления устройства включает то, что по меньшей мере одну часть катушки, предназначенной для индуктивного устройства, изготавливают путем намотки гибкого кабеля 89 в по меньшей мере один виток. Кабель 89 может иметь такую же конструкцию, как кабель 19, описанный в связи с Фиг.1, но в этом примере кабель имеет такую конструкцию, как кабель 37 на Фиг.2-6.
Намотка кабеля 89 включает подачу кабеля 89 во внутреннее пространство 99, ограниченное внутренней поверхностью 90 опорной конструкции 87. Кабель 89, таким образом, разматывают с кабельной катушки 91 и подают в пространство 99 опорной конструкции 87. Кабельную катушку 91 поворачивают по отношению к опорной конструкции 87 во время разматывания кабеля, чтобы уменьшить кручение в кабеле 89. Это достигается поворотом или вращением либо опорной конструкции 87, либо кабельной катушки 91, либо обеих.
Кроме того, намотка включает укладку кабеля 89 в виде указанных витков таким образом, что кабель 89 удерживается закрепленным во внутреннем пространстве за счет того, что кабель 89 стремится распрямиться в направлении внутренней поверхности 90 опорной конструкции 87. Кабель 89 зажат неподвижно, поскольку внутренняя поверхность 90 опорной конструкции является вогнутой и содержит противоположные части поверхности. Способ, кроме того, включает изгибание кабеля 89 на внутренней поверхности опорной конструкции 87 в форму, соответствующую виткам катушки. Кабель 89, таким образом, изгибается за счет того, что он прижимается к внутренней поверхности.
Кроме того, кабель 89 укладывают внутри внутреннего пространства с помощью элемента 93 укладки. Элемент 93 укладки имеет форму чаши и содержит вогнутую U-образную поверхность, по которой скользит кабель во время разматывания кабеля 89. При помощи элемента укладки, имеющего форму чаши, просто управлять укладкой кабеля, передвигая укладочный элемент.
В этом примере по меньшей мере некоторые из витков катушки наматывают снаружи внутрь. Притом что кабель наматывают в указанные витки снаружи внутрь, во время намотки требуется меньшая сила, так как не требуется сила натяжения, чтобы, например, наматывать кабель вокруг внутренней катушки. Когда кабель наматывается снаружи внутрь, это достигается также и во время намотки внутренних витков катушки.
На первом этапе кабель, таким образом, наматывают в первый виток, опирающийся на внутреннюю поверхность 90. В этом примере слой, содержащий несколько витков, наматывают вдоль внутренней части опорной конструкции 87. После этого изготовление устройства включает укладку по меньшей мере одного разделительного элемента 79 внутри первого слоя внешних витков. На следующем этапе изготовление устройства включает намотку внутреннего витка. Внутренний виток опирается на внутреннюю поверхность разделительных элементов 79 и изгибается по направлению к ней. Благодаря разделительным элементам 79 между внешним витком и внутренним витком образуется воздушный промежуток.
Наконец, изготовление включает присоединение устройства, имеющего форму, удобную для электрического соединения между второй оболочкой и электрически функциональным модулем, ко второй оболочке кабеля 89. Это соединение в данном примере выполняется непрерывно, одновременно с намоткой кабеля 89 в указанные витки. Таким образом, устройство легко присоединяется к оболочке без всякой помехи со стороны уже намотанных витков. Устройство также присоединяется к указанным электрически функциональным модулям.
Изготовление также содержит ряд других дальнейших этапов, которые не описаны подробно в заявке, так как они могут легко быть выполнены специалистами. Эти этапы, например, включают установку железного сердечника, установку защитного корпуса, присоединение вентиляторного устройства и т.д.
Изобретение не ограничено показанными здесь вариантами выполнения, но может свободно изменяться в рамках следующих далее пунктов формулы изобретения. Например, различные примеры и различные признаки могут свободно комбинироваться друг с другом, чтобы получить новые варианты выполнения. Кроме того, устройство не обязательно должно обладать всеми признаками, показанными в конкретном примере.
Количество конструктивных элементов, упомянутых в примерах, таких как число витков, катушек, слоев или витков, модулей и т.д., выбрано только, чтобы доступно проиллюстрировать изобретение. Специалист может без лишних усилий изменять это количество, чтобы оно отвечало конкретному случаю. Соответствующим образом порядок, в котором выполняются различные этапы во время изготовления, может быть различным.
Кроме того, катушка может содержать витки, которые намотаны изнутри наружу, например, для самых внутренних витков катушки. Устройство может содержать разделительные элементы, размещенные между внешними витками и опорной конструкцией, чтобы между ними также получался воздушный промежуток. Устройство может также содержать больше чем одну опорную конструкцию, например конструкции, размещенные одна в другой.
Управляющие модули, управляющие электрически функциональными модулями, могут содержать переключатели, реле или электронные управляющие цепи. Управляющие модули могут быть предназначены, чтобы переключать соединение между одной частью второй оболочки и двумя разными функциональными модулями.