EA001636B1

EA001636B1 - Обмотка с механическим креплением

Info

Publication number: EA001636B1
Application number: EA199900706A
Authority: EA
Inventors: Сёрен Берггрен; Матс Лейён
Original assignee: Абб Аб
Priority date: 1997-02-03
Filing date: 1998-02-02
Publication date: 2001-06-25
Also published as: EP0956568A1; AU5891198A; CA2276441A1; JP2001509964A; SE9704419D0; BR9807137A; UA54486C2; KR20010049163A; CN1244286A; WO1998034243A1; EA199900706A1

Abstract

Силовой трансформатор (1) или реактор содержит обмотку (3), выполненную в виде катушки (2) с концентрическими витками, в которой, по меньшей мере, один виток обмотки образован высоковольтным кабелем (111), имеющим внешний полупроводящий слой (115), причем обмотка (3) содержит разделители (8, 9), установленные в осевом направлении между всеми витками обмотки и скрепляющие обмотку (3) в осевом направлении.

Description

Область техники

Настоящее изобретение относится к обмотке силового трансформатора с обмоткой из проводников с воздушным охлаждением или обмотке реактора, в которой между обмотками из проводников имеются разделители для обеспечения воздушного охлаждения и заземления механически скрепленной в одно целое конструкции обмотки.

Уровень техники

Современные силовые трансформаторы обычно имеют масляное охлаждение. Сердечник, состоящий из множества стержней, соединенных ярмами, и обмотки (первичная, вторичная, управляющая) заключены в закрытый контейнер, заполненный маслом. Тепло, создаваемое в катушках и сердечнике, отбирается маслом, циркулирующим внутри через катушки и сердечник. Масло выходит наружу во внешний блок, где его охлаждают. Циркуляция масла может быть вынужденной, т.е. масло прокачивают по контуру, или же естественной, за счет разности температур в масле. Циркулирующее масло охлаждают снаружи за счет воздушного или водяного охлаждения. Внешнее воздушное охлаждение может быть как вынужденным, так и естественным, конвекционным. Помимо функции переноса тепла в высоковольтных силовых трансформаторах масло выполняет также функцию изолятора.

Сухие трансформаторы обычно имеют воздушное охлаждение. Они обычно охлаждаются за счет естественной конвекции, так как современные сухие трансформаторы являются маломощными. Современная технология включает использование осевых охлаждающих каналов, созданных в гофрированной обмотке, как описано в ОВ 1147049, осевых каналов для охлаждения обмоток в заливочной смоле, как описано в ЕР 83107410.9, и использование вентиляторов со скрещенными потоками при пиковых нагрузках, как описано в 8Е 7303919-0.

Кроме того, обычные силовые трансформаторы имеют специальные кольца для обеспечения устойчивости обмотки при возникновении сил, обусловленных коротким замыканием. Обмотки устанавливают на сердечнике как единый узел. Затем последовательно устанавливают набор нажимных плит, который зажимают ограничительным цилиндром. Всю сборку ровно устанавливают на нижней кольцевой прокладке. Между ярмом сердечника и обмоткой располагают сжимающее кольцо, которое осуществляет предварительное сжатие обмотки. Следовательно, силы, обусловленные коротким замыканием, берет на себя ярмо железного сердечника и зажимы, которые удерживают пластинчатую структуру вместе.

Если обмотка должна использоваться в реакторе для компенсирования реактивной мощности, катушка обмотки может быть выполнена без железного сердечника. В этом случае обмотка состоит только из катушки.

Известен проводник, описанный в патенте И8 5036165, в котором имеются внутренний и внешний слои изоляции из полупроводящего пиролитического стекловолокна. Известно также использование проводников с такой изоляцией в электрическом генераторе, как описано, например, в патенте И8 5066881, где слой из полупроводящего пиролитического стекловолокна находится в контакте с двумя параллельными стержнями, образующими проводник, а изоляция в пазах статора окружена внешним слоем полупроводящего пиролитического стекловолокна. Пиролитическое стекловолокно считается подходящим, так как оно сохраняет свое удельное сопротивление даже после пропитки.

Цель изобретения

Целью изобретения является создание нового типа обмотки силового трансформатора или реактора, содержащей высоковольтный кабель, имеющий внешний полупроводящий слой. Обмотка содержит разделители, которые формируют каналы охлаждения между концентрическими витками обмотки, а также представляют собой средство предварительного сжатия обмотки в осевом направлении. Тем самым решается проблема, связанная с возникновением сил при коротком замыкании в обмотке, так что зажимы, ранее использовавшиеся для поглощения сил, например, в трансформаторах, могут быть сделаны более легкими и иметь меньшие размеры. Это приводит к уменьшению вихревых токов в зажимах и, тем самым, уменьшению полных потерь из-за вихревых токов.

Таким образом, обмотки представляют собой механически плотный интегральный модуль, способный поглощать нагрузки, например, силы, обусловленные коротким замыканием, без передачи этих сил железному сердечнику трансформатора.

Еще одной целью является создание осевых цилиндрических каналов между всеми витками в обмотках, где хладагент должным образом распределен, чтобы удовлетворить различные требования, предъявляемые к обмоткам. Цилиндрические каналы создают введением разделителей при намотке катушки. Поток хладагента создается с помощью вентиляторов, а размер разделителей выбирают так, чтобы обеспечить такой поток через каналы, который обеспечивает требуемое охлаждение отдельных обмоток.

Еще одним преимуществом настоящей конструкции трансформатора является то, что обмотки могут быть заранее смонтированы на кабельных барабанах на заводе-изготовителе и затем, на месте, установлены на железном сердечнике. Это представляет собой важное преимущество трансформаторов такого типа.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение относится к обмотке силового трансформатора или реактора. Обмотка содержит высоковольтный кабель, намотанный вокруг сердечника в трансформаторе. Обмотка содержит множество разделителей, проходящих в осевом направлении вдоль обмотки и отделяющих каждый виток обмотки кабеля в радиальном направлении для создания, помимо прочего, осевых цилиндрических каналов охлаждения.

Таким образом, согласно изобретению, обмотка имеет осевые цилиндрические каналы охлаждения между всеми витками обмотки, выходящие наружу, причем эти каналы образованы разделителями в процессе обмотки сердечника.

Согласно этому варианту выполнения изобретения разделители, кроме того, выполнены так, чтобы сжать обмотки вместе в осевом направлении и сформировать интегральный модуль обмотки, который помимо прочего может поглощать механические силы, обусловленные коротким замыканием.

Кроме того разделители снабжены эластичным слоем для поглощения вибраций, которые могут возникнуть в обмотке.

В силовом трансформаторе, выполненном согласно изобретению, обмотки выполнены из кабелей, имеющих твердую, сформированную путем экструзии, изоляцию и в настоящее время используемых для энергоснабжения, например кабелей с изоляцией из полиэтилена с межмолекулярными связями или кабелях с изоляцией из этилен-пропиленового каучука. Такой кабель содержит внутренний проводник, состоящий из одной или более жил, внутренний полупроводящий слой, который окружает проводник и вокруг которого имеется сплошной изолирующий слой, и внешний полупроводящий слой, окружающий изолирующий слой. Такие кабели являются гибкими, что в данном контексте важно, поскольку технология создания устройства согласно изобретению базируется прежде всего на системах намотки, в которых обмотка формируется из кабеля, который в процессе сборки сгибают. Гибкость кабеля с изоляцией из полиэтилена с межмолекулярными связями обычно соответствует радиусу кривизны приблизительно 20 см для кабеля с диаметром 30 мм и радиусу кривизны приблизительно 65 см для кабеля с диаметром 80 мм. В настоящем описании термин гибкий используется для указания на то, что обмотку можно согнуть до радиуса кривизны, приблизительно в четыре раза превышающего диаметр кабеля, а предпочтительно - от восьми до двенадцати раз.

Согласно изобретению обмотки выполнены так, что сохраняют свои свойства даже тогда, когда они согнуты и испытывают температурные нагрузки во время эксплуатации. Очень важно, чтобы при этом сохранялась адгезия ме жду слоями. Свойства материалов, из которых изготовлены слои, являются здесь решающими, особенно их эластичность и относительные коэффициенты теплового расширения. Например, в кабеле с изоляцией из полиэтилена с межмолекулярными связями изолирующий слой состоит из полиэтилена с низкой плотностью с межмолекулярными связями, а полупроводящие слои состоят из полиэтилена с примесью сажи и металлических частиц. Изменения объема в результате температурных флуктуаций полностью поглощаются изменением радиуса кабеля и, благодаря сравнительно небольшому различию между коэффициентами теплового расширения слоев и при соответствующей эластичности этих материалов, радиальное расширение может иметь место без нарушения адгезии между слоями.

Описанные выше комбинации материалов должны рассматриваться только в качестве примеров. Очевидно, что и другие комбинации материалов, удовлетворяющие описанным требованиям, а также являющиеся полупроводящими, то есть имеющими удельное сопротивление в диапазоне 10^-1-10⁶ Ом-см, например 1-500 Ом-см, или 10-200 Ом-см, также находятся в объеме изобретения.

Изолирующий слой может состоять, например, из твердого термопластичного материала, например полиэтилена с низкой плотностью, полиэтилена с высокой плотностью, полипропилена, полибутилена, полиметилпентена, материалов с межмолекулярными связями, например полиэтилена с межмолекулярными связями, или каучука, например этиленпропиленового каучука или силиконового каучука.

Внутренний и внешний полупроводящие слои могут быть выполнены из того же базового материала, в который добавлены частицы проводящего материала, например сажи или металлического порошка.

На механические свойства этих материалов, в частности, на их коэффициенты теплового расширения, относительно слабо влияет примесь сажи или металлического порошка, по меньшей мере, в количестве, требуемом для достижения проводимости, необходимой согласно изобретению. Таким образом, изолирующий слой и полупроводящие слои имеют по существу одинаковые коэффициенты теплового расширения.

Подходящими полимерами для создания полупроводящих слоев могут являться сополимеры этилен-винил-ацетат/нитрильный каучук, полиэтилен, привитый бутил-каучуком, сополимеры этилен-бутил-акрилат и сополимеры этилен-этил-акрилат. Даже когда в качестве основы в различных слоях используются различные типы материала, желательно, чтобы их коэффициенты теплового расширения были по существу одинаковыми. Именно это и имеет место для комбинаций материалов, перечисленных выше.

Материалы, перечисленные выше, имеют относительно хорошую эластичность, с модулем упругости Е меньше 500 МПа, предпочтительно меньше 200 МПа. Такая эластичность достаточна для того, чтобы любые незначительные различия между коэффициентами теплового расширения материалов слоев поглощались в радиальном направлении за счет эластичности материала, чтобы не появлялось никаких трещин или других повреждений и слои не отходили друг от друга. Материал слоев является эластичным, а адгезия между слоями, по меньшей мере, не меньше, чем прочность наименее прочного из материалов.

Проводимость двух полупроводящих слоев достаточна по существу для выравнивания потенциала вдоль каждого слоя. Проводимость внешнего полупроводящего слоя достаточно велика, чтобы удерживать электрическое поле в кабеле, но достаточно мала, чтобы не вызвать существенных потерь из-за индуцированных токов в направлении вдоль слоя.

Таким образом, каждый из двух полупроводящих слоев по существу образует одну эквипотенциальную поверхность, и эти слои по существу удерживают электрическое поле между ними. Естественно, что один или более дополнительных полупроводящих слоев могут быть размещены в изолирующем слое.

Краткое описание чертежей

Ниже изобретение описано более подробно со ссылками на сопровождающие чертежи, где на фиг. 1 схематично показано осевое сечение центра обмотки, выполненной согласно настоящему изобретению;

на фиг. 2 - сечение (по линии А-А) катушки с обмоткой, изображенной на фиг. 1 и снабженной разделителями, выполненными согласно изобретению;

на фиг. 3 а - частичное сечение верхней нажимной плиты, выполненной согласно настоящему изобретению;

на фиг. 3Ь - частичное сечение нижней нажимной плиты, выполненной согласно настоящему изобретению;

на фиг. 4 - сечение высоковольтного кабеля, выполненного согласно настоящему изобретению.

Подробное описание изобретения

На фиг. 1 показано сечение силового трансформатора 1, имеющего катушку 2 с обмотками 3, намотанными в виде спирали, идущей от нижней плиты 4 по направлению вверх. Обмотки могут быть соединены друг с другом, но необязательно. Разные обмотки имеют различные диаметры кабеля. Как показано на чертеже, из-за различия диаметров кабеля в различных витках, каждая обмотка снабжена осевыми прокладками а, Ь, с для подгонки осевого положения каждой обмотки катушки. Между каждыми из витков 5, 6, 7 обмотки вставлено множество разделителей 8, 9. Таким образом, первый разделитель 8 вставлен между первым витком 5 обмотки и вторым витком 6 обмотки, расположенными концентрически. Второй разделитель 9 вставлен между вторым витком 6 обмотки и третьим, также концентрическим, витком 7 обмотки и т.д. Каждый разделитель 8, катушки 2 обмотки зажат на нижней нажимной плите 4 и натянут зажимными средствами с опорой на верхнюю нажимную плиту 11. Как показано на фиг. 1, первый разделитель 8 является более толстым, чем, например, второй, и создает более широкий канал между витками обмотки. Катушка обмотки составляет самостоятельную часть, независимую от железного сердечника, которую не обязательно прикреплять к железному сердечнику для компенсации всех возможных сил, обусловленных коротким замыканием. Обмоточная структура может контактировать с железным сердечником в так называемом окне, но это не обязательно. Катушка 2 обмотки окружает магнитный стержень 12 железного сердечника, причем этот стержень своим нижним и верхним концами соединен с ярмом 13 для создания контакта с другим стержнем (не показан) сердечника. Разделители 8, 9 являются цилиндрическими или прямоугольными в сечении и имеют, по меньшей мере, на одном конце зажимные средства в виде гайки с резьбой или клина. Как показано на фиг. 2, разделители 8, 9 расположены вдоль радиусов по направлению от стержня 12 железного сердечника, а нажимные плиты 4, 11 расположены в виде спиц. В предпочтительном варианте выполнения имеется 12 нажимных плит 11, распределенных по всей катушке 2 обмотки, однако количество нажимных плит может меняться от восьми до шестнадцати в зависимости от размера обмотки. Через каждую спицу проходят пять разделителей, расположенных вдоль радиуса. Разделители 8, 9 также формируют осевые цилиндрические каналы охлаждения 13, 14 между всеми расположенными в радиальном направлении обмотками 5, 6, 7. Витки обмоток охлаждаются воздухом, который нагнетается через каналы вентиляторами (не показаны). Разделители 8, 9 расположены по всей катушке 2 обмотки и вытянуты в осевом направлении. Разделители вставляют между витками обмотки в процессе намотки катушки.

Таким образом, каждая катушка обмотки окружена каналом охлаждения, в котором протекает охлаждающий воздух. Для разных обмоток требования к охлаждению различны, что требует различных охлаждающих потоков в концентрических каналах. Как сказано выше, для достижения надлежащего охлаждения каналов, последние имеют различные размеры в радиальном направлении.

Первый разделитель 8 выполнен из металла или усиленной пластмассы и покрыт резиновым слоем 16, который пружинит для демпфирования вибраций, возникающих в обмотке в процессе эксплуатации. В одном из вариантов выполнения изобретения зажимные средства выполнены в виде клина, а во втором варианте выполнения изобретения - в виде винтового механизма. Таким образом, модуль обмотки может быть сжат так, чтобы обмотка работала как механически независимый модуль. Давление, создаваемое при прижиме, достаточно для удерживания обмоток на месте и не превышает давления, которое кабель с изоляцией из полиэтилена с межмолекулярными связями способен выдержать. Кроме того в этом варианте выполнения изобретения трансформаторный модуль дополнительно крепится к железному сердечнику подходящим способом.

На фиг. 3 а показана верхняя нажимная плита 11, имеющая отверстия 16, количество которых соответствует количеству разделителей

8. Разделители 8 проходят через отверстия 16 и натягиваются в осевом направлении с опорой на нажимную плиту 11 посредством затягивающей гайки 18. В случае электропроводящего разделителя его конец соединен с заземляющими средствами 20. Кроме того на фиг. 3а показано, что сердечник 22 разделителя 8 своей верхней частью соединен с приваренным верхним болтом 31, который имеет резьбу 32 для натягивания его гайкой 18 с опорой на верхнюю нажимную плиту 11.

Сердечник разделителя 8 соединен своей нижней частью 33, см. фиг. 3Ь, с приваренным к нему нижним болтом 34, который, аналогично верхнему, имеет резьбу 35 для нижней гайки 36 для затягивания его с опорой на нижнюю нажимную плиту 4. На чертеже витки обмотки обозначены позициями 1-8, причем самый внутренний виток обмотки обозначен позицией 1, а наружный виток обмотки обозначен позицией 8. Как показано на чертеже, каждый разделитель 8 имеет гибкое демпфирующее средство 40, предпочтительно из резины. Толщина демпфирующих средств 40 подобрана с учетом расстояния между витками обмотки и различного диаметра различных витков обмотки. Кроме того модуль обмотки прикреплен к сердечнику трансформатора посредством детали 42, задающей расстояние до сердечника и привинченной к нижнему болту 34, которая в свою очередь прикреплена при помощи винтового соединения к сердечнику трансформатора через опорную плиту 44.

На фиг. 4 показано сечение высоковольтного кабеля 111 для использования в обмотке трансформатора согласно настоящему изобретению. Высоковольтный кабель 111 содержит множество жил 112, например из меди (Си), с круглым поперечным сечением. Эти жилы 112 находятся в середине высоковольтного кабеля 111. Вокруг жил 112 расположен первый полу проводящий слой 113. Вокруг первого полупроводящего слоя 113 находится изолирующий слой 114, например с изоляцией из полиэтилена с межмолекулярными связями. Вокруг изолирующего слоя 114 расположен второй полупроводящий слой 115. Таким образом концепция высоковольтного кабеля в настоящей заявке не включает внешнюю оболочку, которая обычно окружает такие кабели, предназначенные для энергоснабжения. Диаметр высоковольтного кабеля лежит в диапазоне 20-250 мм, а площадь проводящей части - в диапазоне 40-3000 мм².

Изобретение применимо как к силовому трансформатору, так и к реактору.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Силовой трансформатор (1) или реактор, содержащий обмотку (3), выполненную в виде катушки (2) с концентрическими витками, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один виток обмотки выполнен из высоковольтного кабеля (111), имеющего внешний полупроводящий слой (115), а обмотка (3) снабжена разделителями (8, 9), проходящими в осевом направлении между всеми витками обмотки и выполненными так, чтобы скреплять обмотку (3) в осевом направлении.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что разделители (8, 9) выполнены с возможностью взаимодействия с опорными средствами (4, 11), проходящими радиально с обеих сторон катушки (2), для создания механической структуры, в которой обмотки размещены концентрически в конструкции типа клетки.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что опорные средства (4, 11) выполнены в виде верхней нажимной плиты (11) с отверстиями (16), через которые проходят разделители (8, 9), причем разделители (8, 9) выполнены с возможностью натягивания их в осевом направлении с опорой на верхнюю нажимную плиту (11).
4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что верхняя нажимная плита (11) проходит радиально по всей катушке обмотки от самого внутреннего витка (5) обмотки до наружного витка обмотки.
5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что множество опорных средств (4, 11) установлены радиально по всей, по меньшей мере, одной стороне катушки (2) с формированием опорной поверхности в виде спиц.
6. Устройство по любому из пп.2-5, отличающееся тем, что одно опорное средство (4, 11) выполнено в виде нижней нажимной плиты (4), к которой прикреплены разделители (8, 9), или нижняя нажимная плита (4) имеет отверстия (16), через которые проходят разделители (8, 9), а разделители выполнены с возможностью натягивания их в осевом направлении с опорой на верхнюю нажимную плиту (11).
7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что множество нижних нажимных плит (4) установлены радиально по всей стороне катушки (2) обмотки с формированием нижней опорной поверхности в виде спиц.
8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что внешний полупроводящий слой (115) заземлен.
9. Устройство по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что обмотка является гибкой и содержит электропроводящую сердцевину, окруженную внутренним полупроводящим слоем (113), а также изолирующий слой (114) из твердого материала, окружающий внутренний полупроводящий слой (113), и внешний полупроводящий слой (115), окружающий изолирующий слой (114), причем указанные слои (113, 114, 115) соединены друг с другом.
10. Устройство по любому из пп.1-9, отли- чающееся тем, что указанные слои (113, 114, 115) выполнены из материалов, имеющих такую эластичность и такой коэффициент теплового расширения, что изменения объема слоев (113, 114, 115), обусловленные температурными

Фиг. 1 флуктуациями в процессе эксплуатации, поглощаются за счет эластичности материала так, что сохраняется адгезия слоев (113, 114, 115) друг к другу при температурных флуктуациях, которые имеют место в процессе эксплуатации.
11. Устройство по любому из пп.1-10, отличающееся тем, что материал указанных слоев (113, 114, 115) имеет высокую эластичность, предпочтительно с модулем упругости меньшим, чем 500 МПа, а наиболее предпочтительно меньшим, чем 200 МПа.
12. Устройство по любому из пп.1-11, отличающееся тем, что коэффициенты теплового расширения материалов указанных слоев (113, 114, 115) по существу одинаковы.
13. Устройство по любому из пп.1-12, отличающееся тем, что адгезия между слоями (113, 114, 115), по меньшей мере, не меньше, чем прочность наименее прочного из материалов.
14. Устройство по любому из пп.1-13, отличающееся тем, что каждый из полупроводящих слоев (113, 115) по существу образует одну эквипотенциальную поверхность.