RU2178596C2 - Coreless-transformer high- and medium-voltage winding - Google Patents

Abstract

FIELD: distribution-line transformers. SUBSTANCE: winding coil is square or rectangular in direct cross-sectional area and has insulating sheath of synthetic material incorporating set of series- connected turns formed by insulation covered metal wire. Longitudinal or radial turns are laid in layer-by-layer manner, their number depending on thickness of insulating coating on metal conductor, so that voltage between two adjacent turns placed at highest potential difference were not over breakdown voltage (Td) applied in the open to mentioned insulated conductor according to Paschen's law. Coreless transformer is wound simply by laying separate coils of said type. Air in turn-to-turn gaps functions as insulation. EFFECT: facilitated manufacture. 7 cl, 9 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к трансформаторам без сердечника для распределительных сетей. Говоря точнее, изобретение рассматривает усовершенствованный вид обмоток среднего и высокого напряжения, которыми оснащаются такие трансформаторы. The present invention relates to coreless transformers for distribution networks. More specifically, the invention considers an improved form of medium and high voltage windings, which are equipped with such transformers.

Обмотки среднего и высокого напряжения, являющиеся первичными обмотками распределительных трансформаторов, т. е. рассчитанными на входное напряжение 20000 B и более на фазу, обычно изготавливаются из металлического провода с изоляционным покрытием (чаще всего эмалевой пленкой), наматываемого последовательными витками. Medium and high voltage windings, which are the primary windings of distribution transformers, i.e. designed for an input voltage of 20,000 V or more per phase, are usually made of a metal wire with an insulating coating (most often enamel film), wound in successive turns.

Схематично представлены два способа получения обмоток, оба из которых выполняются в воздухе. Schematically presents two methods for producing windings, both of which are performed in air.

Способ, используемый наиболее часто, включает намотку витков в виде концентрических металлических полос, соприкасающихся друг с другом, или слоев, расположенных продольно вдоль оси катушки. При использовании этого способа, аналогичного обычно используемому способу намотки бобин, широко применяемому в текстильном производстве, металлический провод наматывается с натягом на фиксирующую оправку возвратно-поступательным движением, параллельным оси катушки, таким образом, что за каждый проход наматывается один слой плотно прилегающих друг к другу витков. The method used most often includes winding coils in the form of concentric metal strips in contact with each other, or layers located longitudinally along the axis of the coil. When using this method, similar to the commonly used bobbin winding method, widely used in textile production, a metal wire is wound with an interference fit on the fixing mandrel in a reciprocal motion parallel to the axis of the coil, so that for each pass one layer is wound tightly adjacent to each other turns.

Другой способ состоит в том, что намотка провода витками происходит по спирали до образования плоской дисковой катушки. Another method is that the winding of the wire by turns occurs in a spiral until the formation of a flat disk coil.

Этот способ, описанный, в частности, в Европейском патенте заявителя N 0081446, состоит в синхронизации скорости подачи провода в заполняемый патрон исключительно под действием собственного веса со скоростью вращения самого патрона. В этом случае провод накладывается возвратно-поступательным движением перпендикулярно оси катушки, при этом за один ход в одном направлении образуется один слой. This method, described, in particular, in the European patent of the applicant N 0081446, consists in synchronizing the feed speed of the wire into the filled cartridge solely under the influence of its own weight with the rotation speed of the cartridge itself. In this case, the wire is superimposed by reciprocating perpendicular to the axis of the coil, with one layer being formed in one direction in one direction.

В области трансформаторов без сердечника, рассматриваемых в настоящем изобретении, т. е. трансформаторов с воздушным охлаждением, только что намотанная катушка обычно погружается в форму, заполненную литьевой электроизоляционной смолой, из которой наружу выходят концы проводов, которые в дальнейшем будут служить вводом/выводом катушки. Эта электроизоляционная смола используется не только для увеличения механической прочности обмотки, но и служит межвитковой изоляцией. In the field of coreless transformers contemplated by the present invention, i.e., air-cooled transformers, a newly wound coil is usually immersed in a mold filled with dielectric insulating resin, from which the ends of the wires exit, which will subsequently serve as the input / output of the coil . This electrical insulating resin is used not only to increase the mechanical strength of the winding, but also serves as interturn insulation.

Независимо от вида намотки, будь она дисковой или цилиндрической, остается нерешенной проблема проникновения диэлектрического материала в обмотку для покрытия изолирующим слоем каждого отдельного витка. Процесс изоляции используемыми в качестве литьевой смолы синтетическими материалами будет проходить с меньшими сложностями, если он проводится непосредственно в процессе намотки, а сложности эти тем больше, чем выше вязкость применяемого изоляционного материала. Это объясняет ограничение использования термопластичных материалов по сравнению с термореактивными несмотря на определенные преимущества термопластичных материалов, которые более технологичны, а именно не твердеют необратимо и могут размягчаться путем простого нагрева. Regardless of the type of winding, whether it is disk or cylindrical, the problem of penetration of dielectric material into the winding to cover with an insulating layer of each individual coil remains unresolved. The insulation process used with synthetic materials used as a casting resin will be less difficult if it is carried out directly during the winding process, and these difficulties are all the more, the higher the viscosity of the insulation material used. This explains the limitation of the use of thermoplastic materials compared to thermosets, despite the certain advantages of thermoplastic materials, which are more technologically advanced, namely, they do not harden irreversibly and can be softened by simple heating.

Целью настоящего изобретения является предложение по решению вышеназванной проблемы. Суть его состоит в том, что обмотка среднего и высокого напряжения трансформатора без сердечника, отличающаяся тем, что она образована отдельными катушками, уложенными и закрепленными друг на друге, соединенными электрически последовательно своими вводами/выводами. При этом каждая из этих катушек изготавливается из металлического провода с изоляционным покрытием, который смотан в виде множества последовательных витков, образующих собой тесно соприкасающиеся слои, загерметизированные в расплаве электроизоляционного синтетического материала, а вводы/выводы остаются оголенными. Число слоев витков должно быть такое, чтобы для любого данного электрического напряжения, прикладываемого между упомянутыми выводами, напряжение между двумя соприкасающимися между собой витками, относящимися к двум смежным слоям и имеющими наибольшую разницу потенциалов, не должно превышать значение напряжения пробоя, определяемое законом Пашена для вышеназванных покрытых изоляционной оболочкой проводов, находящихся в воздухе. The aim of the present invention is a proposal to solve the above problems. Its essence lies in the fact that the winding of medium and high voltage transformer without a core, characterized in that it is formed by separate coils, stacked and secured to each other, connected electrically in series with their inputs / outputs. At the same time, each of these coils is made of a metal wire with an insulating coating, which is wound in the form of many consecutive turns, forming closely adjoining layers sealed in a melt of an electrically insulating synthetic material, and the inputs / outputs remain bare. The number of layers of coils should be such that for any given electrical voltage applied between the mentioned terminals, the voltage between two adjacent coils related to two adjacent layers and having the largest potential difference should not exceed the value of the breakdown voltage determined by the Paschen law for the above insulated wires in the air.

Наглядное представление о рассматриваемом изобретении дает рассмотрение кривых, приведенных на фиг. 2. На этих кривых представлено соотношение толщины изоляции и электрического напряжения между соседними витками катушки, превышение которого приводит к появлению частичных разрядов. A visual representation of the subject invention provides an examination of the curves shown in FIG. 2. These curves show the ratio of the thickness of the insulation and the voltage between adjacent turns of the coil, the excess of which leads to the appearance of partial discharges.

Изобретение основано на том факте, что закон Пашена применим в этом конкретном случае и может лечь в основу решения рассматриваемой проблемы. Упомянутый закон Пашена, открытый в конце прошлого века, показывает, что напряжение пробоя между двумя телами (проводниками) с разными электрическими потенциалами в определенной газовой среде, например в воздухе, является непрерывной функцией произведения расстояния между этими телами (проводниками) и давления окружающей атмосферы. Те, кого интересует эта проблема, могут обратиться к статьям и работам, посвященным этой теме, например, работе Пьера Сегура в "Engineering Techniques" под заголовком "Изоляционные газы" D2350 4-7 или изучить раздел 9.5 работы Роберта Фурнье, озаглавленной "Изоляторы в электротехнических концепциях и теориях", изданной в 1986 г EYROLLES в Париже. Кроме этого, можно вспомнить, что уже 15 лет тому назад упоминалось о применении этого закона при производстве трансформаторов без сердечника (патент US 4496926); там рекомендовалось для увеличения значения напряжения пробоя в катушке повышать давление расплавленной герметизирующей смолы. The invention is based on the fact that the Paschen law is applicable in this particular case and can form the basis for solving the problem under consideration. The mentioned Paschen law, discovered at the end of the last century, shows that the breakdown voltage between two bodies (conductors) with different electric potentials in a certain gas medium, for example in air, is a continuous function of the product of the distance between these bodies (conductors) and the pressure of the surrounding atmosphere. Those who are interested in this problem can refer to articles and papers devoted to this topic, for example, Pierre Segur’s work in Engineering Techniques under the heading “Insulating Gases” D2350 4-7 or study section 9.5 of Robert Fournier’s entitled, “Insulators in electrical concepts and theories, published in 1986 by EYROLLES in Paris. In addition, we can recall that already 15 years ago it was mentioned the application of this law in the manufacture of coreless transformers (patent US 4496926); there it was recommended to increase the pressure of the breakdown voltage in the coil to increase the pressure of the molten sealing resin.

Для решения возникающей проблемы настоящее изобретение применяет этот закон к случаю, когда провод с изоляционным покрытием наматывается в воздухе. На фиг. 2 представлены графики зависимости напряжения пробоя между смежными витками от толщины изоляционного покрытия. При этом в качестве примера используется давление воздуха в пространстве между катушками. To solve the problem, the present invention applies this law to the case when an insulated coating wire is wound in air. In FIG. 2 shows graphs of the dependence of the breakdown voltage between adjacent turns on the thickness of the insulating coating. In this case, as an example, the air pressure in the space between the coils is used.

Целью данного изобретения является не отыскание способов заполнения пустых пространств между витками катушки изоляционным материалом, а скорее определение условий наматывания, при которых воздух естественно присутствует в этих пустотах и при этом играет роль эффективной изоляции в электрических обмотках, которые могут быть использованы в трансформаторах, рассчитанных для работы при напряжениях порядка нескольких десятков тысяч вольт на фазу. The aim of this invention is not to find ways to fill the empty spaces between the turns of the coil with insulating material, but rather to determine the winding conditions under which air is naturally present in these voids and at the same time plays the role of effective insulation in electrical windings that can be used in transformers designed for work at voltages of the order of several tens of thousands of volts per phase.

Таким образом, использование простой герметизации при помощи изоляционных синтетических материалов является вполне достаточным. Thus, the use of simple sealing with synthetic insulating materials is sufficient.

В соответствии с предпочтительным вариантом предлагаемого изобретения форма прямого поперечного сечения витков имеет вид квадрата или слегка вытянутого прямоугольника. Изобретение показывает, в частности, преимущества в возможности сборки первичных обмоток трансформаторов без сердечника с учетом переменных размеров из отдельных стандартных модулей, соединенных последовательно, при этом число таких модулей определяется уровнем электрического напряжения, которое должно прикладываться к вводам первичной обмотки. В современной электротехнической промышленности так же, как и во многих других отраслях производства, преимущество отдается модульному принципу, который позволяет обеспечить максимальную гибкость в процессе реализации продукции, а также снижает время производства. In accordance with a preferred embodiment of the invention, the straight cross-sectional shape of the turns is in the form of a square or slightly elongated rectangle. The invention shows, in particular, the advantages in the possibility of assembling the primary windings of transformers without a core, taking into account variable sizes from separate standard modules connected in series, the number of such modules being determined by the level of electrical voltage that must be applied to the inputs of the primary winding. In the modern electrical industry, as well as in many other industries, the advantage is given to the modular principle, which allows for maximum flexibility in the process of product sales and also reduces production time.

Особенности и преимущества настоящего изобретения становятся более понятными из описаний приведенных ниже чертежей. Features and advantages of the present invention will become more apparent from the descriptions of the drawings below.

На фиг. 1 приведена в чисто демонстрационных целях кривая Пашена в воздухе, взятая из вышеупомянутой работы Р. Фурнье. In FIG. Figure 1 shows, for purely demonstrative purposes, the Paschen curve in the air, taken from the aforementioned work of R. Fournier.

На фиг. 2 представлен график зависимости напряжения пробоя между двумя витками, находящимися в контакте, в воздухе от толщины изоляционного покрытия металлического провода, который образует витки; в качестве параметра взято давление воздуха. In FIG. 2 is a graph of the breakdown voltage between two turns in contact in air versus the thickness of the insulating coating of the metal wire that forms the turns; air pressure is taken as a parameter.

На фиг. 3a показана такая зависимость для цилиндрических катушек. In FIG. 3a shows such a relationship for cylindrical coils.

На фиг. 3b приведена такая зависимость для дисковых катушек. In FIG. 3b shows such a relationship for disk coils.

На фиг. 4а-е представлены 5 последовательных этапов получения отдельной катушки в соответствии с предлагаемым в настоящем изобретении способом и обмотка среднего напряжения, предназначенная для многофазного трансформатора без сердечника. In FIG. 4a-e show 5 consecutive steps for producing a separate coil in accordance with the method of the present invention and a medium voltage winding for a multiphase coreless transformer.

Из фиг. 1 ясно видно, что для данной окружающей среды (в данном случае это воздух) напряжение пробоя Ud является только функцией произведения d•p расстояния d между двумя телами, находящимися под разными электрическими потенциалами, и давления воздуха p между ними. From FIG. 1 it is clearly seen that for a given environment (in this case, air), the breakdown voltage Ud is only a function of the product d • p of the distance d between two bodies under different electric potentials and the air pressure p between them.

Следует отметить, что это соотношение перестает быть справедливым в случаях, когда значения этих произведений очень большие или очень маленькие. It should be noted that this ratio ceases to be true in cases where the values of these works are very large or very small.

В диапазоне его действия (т. е. от 3•10^-3 до 4•10² бар. мм) напряжение пробоя Ud возрастает равномерно с увеличением расстояния (и/или давления), за исключением низких значений этого произведения (менее 8•10^-3), когда наблюдается обратное явление. Эта кривая, один из вариантов которой здесь показан, является общей для любой кривой Пашена и показывает, что напряжение пробоя всегда сначала быстро проходит через минимум, а потом начинает нарастать с увеличением произведения d•p.In the range of its action (i.e., from 3 • 10 ^-3 to 4 • 10 ² bar. Mm), the breakdown voltage Ud increases uniformly with increasing distance (and / or pressure), except for low values of this product (less than 8 • 10 ^-3 ) when the opposite phenomenon is observed. This curve, one of the variants of which is shown here, is common for any Paschen curve and shows that the breakdown voltage always first passes through a minimum and then begins to increase with an increase in the product d • p.

Анализируя вышесказанное, можно сделать вывод, что для индуктивных обмоток, образованных из соприкасающихся витков, намотанных из проводов с изоляционным покрытием, максимально допустимое напряжение между витками, при котором не возникают частичные разряды, должно быть ниже минимума на кривой Пашена. При этом следует всегда оставаться на восходящем отрезке кривой при прохождении по поверхности провода в пространстве между витками в направлении от точки соприкосновения и, следовательно, стремиться сохранить положение, при котором напряжение пробоя может только возрастать с увеличением расстояния между проводниками. Analyzing the foregoing, we can conclude that for inductive windings formed of contacting coils wound from insulated coated wires, the maximum allowable voltage between the coils, at which partial discharges do not occur, should be lower than the minimum on the Paschen curve. In this case, you should always stay on the ascending segment of the curve when passing along the surface of the wire in the space between the turns in the direction from the point of contact and, therefore, strive to maintain a position in which the breakdown voltage can only increase with increasing distance between the conductors.

Число слоев витков, образующих обмотку, способных выдержать прикладываемое к их концам напряжение, может быть определено исходя из самого материала и толщины изоляционного покрытия. The number of layers of coils forming a winding capable of withstanding the voltage applied to their ends can be determined based on the material itself and the thickness of the insulation coating.

Другими словами, значение максимального напряжения, которое может быть приложено к выводам такой обмотки, определяется количеством слоев витков, составляющих эту обмотку. Путем набора отдельных стандартных катушек можно получить обмотки, рассчитанные на любое заданное напряжение. In other words, the value of the maximum voltage that can be applied to the terminals of such a winding is determined by the number of layers of turns making up this winding. By means of a set of separate standard coils, windings designed for any given voltage can be obtained.

Следует обратить внимание, что созданные таким способом конструкции являются "холодными", т. е. полученными при нормальной температуре окружающей среды, в этом случае при появлении в обмотке электрического тока давление газа в пространстве между витками может только увеличиваться. It should be noted that the structures created in this way are “cold”, that is, obtained at normal ambient temperature, in this case, when an electric current appears in the winding, the gas pressure in the space between the turns can only increase.

Все вышесказанное иллюстрируется количественно кривыми, изображенными на фиг. 2. Эти кривые, имеющие общий параметр, которым является давление воздуха в пространстве между витками, дают значение напряжения пробоя Td (в вольтах) в функции расстояния Ер между двумя металлическими проводами, соприкасающимися друг с другом и покрытыми одинаковым слоем обычной изоляционной эмали. Другими словами, Ер является двойной толщиной изоляционного покрытия наматываемого провода. Например, можно видеть, что в случае, когда давление воздуха в промежутках между витками равно 0,2 бар или не устанавливается ниже этого значения, риск возникновения частичных разрядов между соприкасающимися витками отсутствует до тех пор, пока напряжение между ними не превысит значение 550 В при толщине эмалевого покрытия 0,15 мм или более (т. А на графике). Другой пример: при толщине изоляции 0,025 мм риск возникновения частичных разрядов отсутствует, пока напряжение Td между соседними витками при давлении 0,5 бар (или более) не превышает 400 В (т. B) или 330 B при давлении 0,2 бар (т. C). При давлении 0,2 бар такое же значение напряжения пробоя достигается при толщине эмалевого покрытия 0,06 мм (т. D). Приведенные значения давления соответствуют абсолютным значениям; обычно, когда нет тока, давление отрицательное и оно остается таковым до тех пор, пока после включения трансформатора температура обмотки не достигнет своего номинального рабочего значения. На фиг. 2 для напряжения Td даны действующие значения, а на фиг. 1 для напряжения Ud - амплитудные. На фиг. 3а и 3b даны схематические изображения двух типов обмоток: цилиндрической и дисковой соответственно. Эти изображения иллюстрируют основную идею представленного изобретения, и одни и те же элементы обозначены одинаковыми цифрами. All of the foregoing is quantified by the curves depicted in FIG. 2. These curves, having a common parameter, which is the air pressure in the space between the turns, give the value of the breakdown voltage Td (in volts) as a function of the distance Ep between two metal wires that are in contact with each other and coated with the same layer of ordinary insulating enamel. In other words, Ep is the double thickness of the insulating coating of the wound wire. For example, you can see that in the case when the air pressure in the spaces between the turns is 0.2 bar or is not set below this value, there is no risk of partial discharges between the contacting turns until the voltage between them exceeds 550 V at the thickness of the enamel coating is 0.15 mm or more (t. A on the graph). Another example: with an insulation thickness of 0.025 mm, there is no risk of partial discharges until the voltage Td between adjacent turns at a pressure of 0.5 bar (or more) exceeds 400 V (t. B) or 330 V at a pressure of 0.2 bar (t . C). At a pressure of 0.2 bar, the same value of the breakdown voltage is achieved with an enamel coating thickness of 0.06 mm (t. D). The pressure values shown are absolute values; usually, when there is no current, the pressure is negative and it remains so until, after turning on the transformer, the temperature of the winding reaches its rated operating value. In FIG. 2, the effective values are given for voltage Td, and in FIG. 1 for voltage Ud are amplitude. In FIG. 3a and 3b are schematic illustrations of two types of windings: cylindrical and disk, respectively. These images illustrate the basic idea of the present invention, and the same elements are denoted by the same numbers.

На фиг. 3а и 3b дано поперечное сечение катушки, позволяющее получить наглядное представление о ее внутреннем устройстве. Обмотка 1 на фиг. 3a получена из гибкого электрического провода 2, покрытого эмалевой изоляционной пленкой 3 обычного качества и имеющего круглое поперечное сечение. Этот провод наматывается вокруг оси на держатель обмотки 4 витками, располагающимися концентрическими продольными слоями. После того как на один из концов держателя 4 будет намотан первый виток 5, намотка следующих витков будет продолжаться в направлении, указываемом стрелкой Fv, вплоть до достижения второго конца этого держателя; такая намотка производится по спирали, шаг которой равен диаметру наматываемого провода. Таким образом, плотность намотки витков первого продольного слоя 6 достигается за счет натяжения самого провода при вращении держателя 4 вокруг своей оси X. Второй слой 7 получается таким же образом при движении в противоположном направлении, как показано стрелкой Fv'. In FIG. 3a and 3b give a cross section of the coil, allowing you to get a visual representation of its internal structure. The winding 1 in FIG. 3a is obtained from a flexible electric wire 2 coated with an enamel insulating film 3 of conventional quality and having a circular cross section. This wire is wound around the axis on the winding holder with 4 turns located in concentric longitudinal layers. After the first turn 5 is wound on one end of the holder 4, the winding of the next turns will continue in the direction indicated by the arrow Fv until the second end of this holder is reached; such winding is done in a spiral, the step of which is equal to the diameter of the wire being wound. Thus, the winding density of the turns of the first longitudinal layer 6 is achieved by tensioning the wire itself when the holder 4 rotates around its axis X. The second layer 7 is obtained in the same way when moving in the opposite direction, as shown by the arrow Fv '.

Итак, намотка получается плотной при возвратно-поступательном движении вдоль оси X. За каждый проход в одном направлении наматывается один слой, витки которого чередуются с витками предыдущего слоя. В результате получается намотка, состоящая из тесно соприкасающихся концентрических слоев. Последний виток 8 имеет общие концы с первым витком 5, которые путем соединений образуют выходящие из обмотки ввод и вывод 9 и 10. So, the winding is dense during the reciprocating motion along the X axis. For each pass in one direction, one layer is wound, the turns of which alternate with the turns of the previous layer. The result is a winding consisting of closely contacting concentric layers. The last turn 8 has common ends with the first turn 5, which, through connections, form the input and output 9 and 10 emerging from the winding.

Обмотка 11 (см. фиг. 3b) получена аналогичным образом, но при этом намотка провода производилась в виде плоских дисковых слоев 13, наложенных один на другой. Эти слои или диски образуются за счет укладки электрического провода в витки также возвратно-поступательным движением, но в отличие от первого случая это движение направлено перпендикулярно к оси X. Пластина держателя 12, оснащенная концевыми фланцами 14 и 15, предназначенными для продольной фиксации набора дисков 13, вращается вокруг своей оси. The winding 11 (see Fig. 3b) was obtained in a similar way, but the winding of the wire was carried out in the form of flat disk layers 13 superposed one on top of the other. These layers or disks are formed due to the laying of the electric wire in the turns also by reciprocating motion, but unlike the first case, this motion is directed perpendicular to the X axis. The holder plate 12, equipped with end flanges 14 and 15, designed for longitudinal fixing of the set of disks 13 rotates around its axis.

Провод 2 наматывается исключительно под действием своей силы тяжести, а скорость вращения пластины держателя согласуется со скоростью подачи провода таким образом, чтобы витки укладывались в нужном месте диска. Промышленная система такого вида автоматической намотки была описана, как указывалось ранее, в Европатенте N 0081446. The wire 2 is wound solely under the influence of its gravity, and the rotation speed of the holder plate is consistent with the feed speed of the wire so that the coils fit in the right place on the disk. An industrial system of this type of automatic winding has been described, as previously indicated, in Europatent N 0081446.

За каждый проход образуется один виток, укладываемый в радиальном направлении. Заполнение пространства, предназначенного для укладки намотки, начинается снизу. Как показано на фиг. 3b, диск 17 начинается с внутреннего витка 16 напротив фланца 14 и затем укладывается в направлении от центра, как показано стрелкой Fh до внешнего фланца 15. Следующий диск 18 формируется на первом диске при движении к центру по направлению к внутреннему фланцу 14. И, таким образом, происходит намотка дисков до тех пор, пока не будет намотан последний диск 19, вывод которого 20 вместе с выводом 21 первого диска 16 служат вводом/выводом обмотки. Намотанная любым из описанных ранее способов, либо концентрическими (3а), либо радиальными (3b) слоями, обмотка помещается в форму, в которую инжектируется электроизоляционный полимерный материал. В качестве такого материала может быть использован термореактивный пластик, например эпоксидная смола, отвердевающая в присутствии ангидридов, или термопластичный материал, такой как полиамидный или акриловый. В результате электрическая обмотка герметизируется этим электроизоляционным полимером, а оголенными остаются только выводы 9, 10 и 20, 21. For each pass, one turn is formed, stacked in the radial direction. Filling the space for winding starts from the bottom. As shown in FIG. 3b, the disk 17 starts from the inner turn 16 opposite the flange 14 and then is laid in the direction from the center, as shown by the arrow Fh to the outer flange 15. The next disk 18 is formed on the first disk when moving toward the center towards the inner flange 14. And, thus Thus, the winding of the disks occurs until the last disk 19 is wound, the output of which 20 together with the output 21 of the first disk 16 serve as input / output of the winding. Wound by any of the methods described above, either in concentric (3a) or radial (3b) layers, the winding is placed in a mold into which an insulating polymer material is injected. As such a material, a thermosetting plastic, for example, an epoxy resin curing in the presence of anhydrides, or a thermoplastic material, such as polyamide or acrylic, can be used. As a result, the electrical winding is sealed with this insulating polymer, and only terminals 9, 10 and 20, 21 remain bare.

При обоих видах намотки, рассмотренных ранее, как бы плотно не были уложены витки, все равно между ними будут иметься воздушные промежутки, большая часть из которых из-за плотности самой обмотки частично или полностью остается незаполненной изолирующим материалом, даже тогда, когда он инжектируется под давлением. In both types of windings considered earlier, no matter how tightly the turns were laid, there would still be air gaps between them, most of which, due to the density of the winding itself, partially or completely remains unfilled with insulating material, even when it is injected under pressure.

В соответствии с законом Пашена любые два соприкасающихся друг с другом витка не должны иметь толщину изоляционного слоя 3 меньше той, что приведена на кривых фиг. 2 для данного прикладываемого напряжения. В противном случае появляется риск возникновения частичных разрядов. Выполнение этого условия является наиболее существенным для двух соприкасающихся друг с другом витков, принадлежащих двум соседним слоям с наибольшей разностью электрических потенциалов между собой, т. е. таких, которые расположены соответственно в начале и в конце этих двух соседних слоев. In accordance with the Paschen law, any two turns in contact with each other must not have a thickness of the insulating layer 3 less than that shown in the curves of FIG. 2 for a given applied voltage. Otherwise, there is a risk of partial discharges. Fulfillment of this condition is most essential for two coils in contact with each other, belonging to two adjacent layers with the greatest difference in electric potentials between themselves, i.e., those located at the beginning and at the end of these two adjacent layers.

Примерами такой пары витков являются витки 22 и 23 на фиг. 3а и витки 24 и 25 на фиг. 3b. Examples of such a pair of turns are turns 22 and 23 in FIG. 3a and turns 24 and 25 in FIG. 3b.

Кроме этого напряжение u между такой парой витков определяется напряжением U, которое прикладывается к вводам обмотки 1 или 11, и зависит от общего числа слоев n в соответствии с соотношением u= U/n. In addition, the voltage u between such a pair of turns is determined by the voltage U, which is applied to the inputs of the winding 1 or 11, and depends on the total number of layers n in accordance with the ratio u = U / n.

Исходя из вышеописанного становится понятным, что любую вероятность возникновения частичных разрядов в пространстве между витками 26 можно исключить, если для любого прикладываемого к обмотке напряжения U число слоев, составляющих эту обмотку, определяется таким образом, чтобы напряжение u между двумя соприкасающимися витками с наибольшей разницей потенциалов, принадлежащих двум соседним слоям, не превышало значения Td, которое определяется законом Пашена для воздуха. Based on the foregoing, it becomes clear that any probability of the occurrence of partial discharges in the space between the turns 26 can be eliminated if, for any voltage U applied to the winding, the number of layers making up this winding is determined so that the voltage u between two contacting turns with the largest potential difference belonging to two neighboring layers did not exceed the value of Td, which is determined by the Paschen law for air.

Другими словами, это означает, что число слоев должно быть, по крайней мере, равно или в два раза больше полученного значения из отношения U/u, округленного до ближайшего целого числа в сторону увеличения. In other words, this means that the number of layers must be at least equal to or twice as large as the value obtained from the U / u ratio, rounded up to the nearest whole number.

Теперь обратимся к фиг. 4а-е, на которых приведены, как указывалось ранее, этапы процесса образования отдельной катушки по заявленному способу, которые используются для получения обмотки "среднего напряжения" для многофазного трансформатора без сердечника. Turning now to FIG. 4a-e, which show, as indicated earlier, the steps of the process of forming a separate coil according to the claimed method, which are used to obtain a "medium voltage" winding for a multiphase transformer without a core.

В частности, эта катушка 27 имеет форму кольца с прямым поперечным сечением в виде квадрата или несколько вытянутого прямоугольника, т. е. таким, длина которого не более чем в три раза превышает его ширину. Эта отдельная катушка 27, являющаяся составной частью обмотки "среднего" или "высокого" напряжения для трансформатора без сердечника, получается следующим образом. In particular, this coil 27 has the shape of a ring with a direct cross section in the form of a square or a somewhat elongated rectangle, i.e., one whose length is no more than three times its width. This separate coil 27, which is part of the winding "medium" or "high" voltage for a transformer without a core, is obtained as follows.

Фиг. 4a. FIG. 4a.

Гибкий медный или алюминиевый эмалированный провод 2 в витках 30 (таких витков, например, может быть 200-300) сначала наматывается в форме кольца 28. Намотка может производиться, например, концентрическими продольными слоями по типу, представленному на фиг. 3a. В случае необходимости для придания минимальной механической прочности слои пропитываются клеем. The flexible copper or aluminum enameled wire 2 in turns 30 (such turns, for example, may be 200-300) is first wound in the form of a ring 28. Winding can be carried out, for example, with concentric longitudinal layers of the type shown in FIG. 3a. If necessary, to impart minimal mechanical strength, the layers are impregnated with glue.

Фиг. 4b. FIG. 4b.

Кольцо 28 помещается в форму (не показано), в которую инжектируется электроизоляционная смола 29, образующая герметизирующий кольцо слой толщиной в несколько миллиметров. При этом необходимо принимать определенные меры, чтобы смола не попадала на концы, которые служат выводами 9 и 10. Как только произойдет отвердение смолы, отдельная стандартная катушка может считаться готовой. Ring 28 is placed in a mold (not shown) into which an insulating resin 29 is injected, forming a layer of a few millimeters thick sealing ring. In this case, it is necessary to take certain measures so that the resin does not fall on the ends, which serve as terminals 9 and 10. As soon as the resin hardens, a separate standard coil can be considered ready.

В соответствии с настоящим изобретением, например, катушку, состоящую из 15 слоев и имеющую максимальную разность потенциалов между двумя соприкасающимися витками 350 В, можно использовать на напряжение 2500 В. Таким образом, например, для катушки с почти квадратным поперечным сечением, имеющей 15 слоев по 12 витков в каждом, последняя цифра может быть при необходимости изменена. Однако, нельзя забывать, что в соответствии с изобретением важно, чтобы форма поперечного сечения имела квадрат или чуть вытянутый прямоугольник (длина не должна превышать ширину более чем в три раза) для использования модульного принципа получения обмотки, о чем упоминалось ранее. Как уже говорилось, смола может представлять собой термопластичный или термореактивный полимер, которые позволяют обеспечить очень высокие электроизоляционные характеристики для обмоток в трансформаторах среднего (или высокого) напряжения, используемых при напряжениях несколько десятков тысяч вольт на фазу. In accordance with the present invention, for example, a coil consisting of 15 layers and having a maximum potential difference between two contacting turns of 350 V can be used for a voltage of 2500 V. Thus, for example, for a coil with an almost square cross section having 15 layers of 12 turns each, the last digit can be changed if necessary. However, we must not forget that in accordance with the invention it is important that the cross-sectional shape has a square or a slightly elongated rectangle (the length should not exceed the width of more than three times) to use the modular principle of obtaining the winding, as mentioned earlier. As already mentioned, the resin can be a thermoplastic or thermosetting polymer that can provide very high electrical insulation characteristics for windings in medium (or high) voltage transformers used at voltages of several tens of thousands of volts per phase.

Фиг. 4c. FIG. 4c.

Обмотка 31 для трансформатора получается путем наложения необходимого числа отдельных катушек 27 до получения требуемой высоты. Жесткость конструкции обеспечивается с помощью соответствующих приспособлений, например с помощью стержня. По завершении сборки катушки одна с другой электрически соединяются последовательно при помощи небольших соединительных втулок 32, которые потом опрессовываются с выводами 9, 10. The winding 31 for the transformer is obtained by superimposing the required number of individual coils 27 to obtain the desired height. The rigidity of the structure is ensured using appropriate devices, for example, using a rod. Upon completion of the assembly, the coils are electrically connected to each other in series using small connecting sleeves 32, which are then crimped with leads 9, 10.

Фиг. 4d. FIG. 4d.

Затем эта зона электрически изолируется от оголенных концов. Процесс изоляции производится путем покрытия зоны слоем термопластичной смолы, которая наносится горячим прессованием. This area is then electrically isolated from the bare ends. The insulation process is carried out by coating the zone with a layer of thermoplastic resin, which is applied by hot pressing.

С помощью выреза сектора под углом 10-20 градусов из цилиндра, образованного наложением друг на друга отдельных катушек 27, показано, как из выступа 33, проходящего вдоль всех катушек, выступают вводы/выводы наверху и внизу обмотки, служащие для соединения ее с такими же обмотками других фаз трансформатора. Поэтому было бы целесообразно оснастить эти вводы/выводы механическим способом небольшими дисками 34, назначение которых закрыть эти концы соединяющих шин между фазами. Аналогично, если обмотка среднего напряжения является первичной (трансформатор работает как понижающий), желательно промежуточный ввод/вывод, служащий обычно для регулирования прикладываемого к трансформатору напряжения, снабжать центральным диском 35. Using the cutout of the sector at an angle of 10-20 degrees from the cylinder formed by superimposing individual coils 27 on each other, it is shown how from the protrusion 33 passing along all the coils, the inputs / outputs at the top and bottom of the winding serve to connect it to the same windings of other phases of the transformer. Therefore, it would be advisable to mechanically equip these inputs / outputs with small disks 34, the purpose of which is to close these ends of the connecting busbars between the phases. Similarly, if the medium voltage winding is primary (the transformer works as a step-down), it is advisable to provide an intermediate input / output, which usually serves to regulate the voltage applied to the transformer, with a central disk 35.

Фиг. 4e. FIG. 4e.

Однако, прежде, чем снабдить концы дисками, желательно в соответствии с предлагаемым способом покрыть всю собранную конструкцию смолой 36, обладающей умеренными электропроводящими свойствами, слоем толщиной несколько миллиметров, после чего этот слой следует заземлить 37. Этот слой, металлизированный напылением или горячим изостатическим прессованием, если эта смола термопластична, служит в качестве электрического экрана, который делает безопасной работу вблизи трансформатора. Это, в частности, означает, что трансформатор может оставаться на открытом воздухе и не помещаться в трансформаторную будку, что позволит снизить его стоимость и упростить обслуживание и эксплуатацию. However, before providing the ends with disks, it is advisable, in accordance with the proposed method, to coat the entire assembled structure with a resin 36 having moderate conductive properties, a layer several millimeters thick, after which this layer should be grounded 37. This layer, metallized by spraying or hot isostatic pressing, if this resin is thermoplastic, it serves as an electric shield, which makes it safe to work near the transformer. This, in particular, means that the transformer can remain in the open air and not fit in a transformer box, which will reduce its cost and simplify maintenance and operation.

По завершении этих операций получаем первичный индуктор, готовый для размещения вокруг вторичной обмотки до установки магнитопровода для всей собранной конструкции. Таким образом, можно легко составлять обмотки для трансформаторов на заданное входное напряжение с помощью модулей, коими являются эти отдельные стандартные катушки. Итак, если, например, собрать десять одинаковых катушек 27, каждая из которых рассчитана на работу при напряжении 2500 B без риска пробоя, то в этом случае обмотка сможет работать в системе с напряжением 25000 B. Upon completion of these operations, we obtain the primary inductor, ready for placement around the secondary winding before installing the magnetic circuit for the entire assembled structure. Thus, it is possible to easily make windings for transformers for a given input voltage using modules, which are these individual standard coils. So, if, for example, you assemble ten identical coils 27, each of which is designed to operate at a voltage of 2500 V without the risk of breakdown, then in this case the winding can work in a system with a voltage of 25000 V.

Естественно, обмотки могут быть изготовлены из стандартных отдельных катушек с различными характеристиками, такими как ее высота или допустимое входное напряжение. По практическим причинам очевидно, что желательно, чтобы все они имели одинаковую ширину, исключением будут случаи, когда внешние условия требуют иного. Naturally, the windings can be made of standard individual coils with different characteristics, such as its height or allowable input voltage. For practical reasons, it is obvious that it is desirable that they all have the same width, with the exception of cases where external conditions require otherwise.

Очевидно, что настоящее изобретение не ограничивается приведенными примерами, а может быть использовано и в других альтернативных или эквивалентных вариантах при условии, что будут выдержаны все указанные положения. It is obvious that the present invention is not limited to the above examples, but can be used in other alternative or equivalent embodiments, provided that all of these provisions are met.

Claims (7)

1. Обмотка среднего или высокого напряжения для трансформаторов без сердечника, отличающаяся тем, что она образована путем наложения отдельных катушек (27), скрепленных между собой и соединенных электрически последовательно своими вводами/выводами (9, 10), каждая отдельная катушка (27), намотанная в воздухе из металлического провода (2) с изоляционным покрытием (3), состоящая из множества последовательных витков (30), образующих соприкасающиеся между собой слои (6, 7, . . . ), а затем герметизированная с помощью электроизоляционного синтетического материала (29), из которого выступают вводы/выводы (9, 10), число слоев (6, 7, . . . ) витков (30) является таким, что для любого данного электрического напряжения, прикладываемого между упомянутыми вводами, напряжение между двумя соприкасающимися между собой витками (22, 23) с наибольшей разницей потенциалов, принадлежащими двум соседним слоям (6, 7), не должно превышать значение напряжения пробоя (Td), определяемое законом Пашена для упомянутого металлического провода (2) с изоляционным покрытием в воздухе. 1. Medium or high voltage winding for coreless transformers, characterized in that it is formed by stacking separate coils (27), fastened together and connected electrically in series with their I / O (9, 10), each individual coil (27), wound in air from a metal wire (2) with an insulating coating (3), consisting of many consecutive turns (30), forming adjacent layers (6, 7,...), and then sealed with an insulating synthetic mat series (29), from which the inputs / outputs (9, 10) protrude, the number of layers (6, 7,...) of turns (30) is such that for any given electrical voltage applied between the mentioned inputs, the voltage between two the coils (22, 23) in contact with each other with the largest potential difference belonging to two adjacent layers (6, 7) should not exceed the breakdown voltage (Td) determined by the Paschen law for the mentioned metal wire (2) with an insulating coating in air. 2. Обмотка среднего или высокого напряжения для трансформаторов без сердечника, отличающаяся тем, что она образована путем наложения отдельных катушек (27), скрепленных между собой и соединенных электрически последовательно своими вводами/выводами (9, 10), каждая отдельная катушка (27) намотана в воздухе из металлического провода (2) с изоляционным покрытием (3), и состоит из множества витков (30), образующих соприкасающиеся между собой слои (6, 7, . . . ), герметизированные изоляционным синтетическим материалом, из которого выступают вводы/выводы, количество слоев (6, 7, . . . ), по меньшей мере, в два раза больше отношения U/u, округленного до ближайшего целого числа в сторону увеличения, где U - напряжение, приложенное к вводам обмотки (9, 10), u - напряжение между парой соприкасающихся витков (30) с наибольшей разницей потенциалов, принадлежащих двум соседним слоям (6, 7, . . . ), не превышающее значение пробивного напряжения между этими соприкасающимися витками (30), определяемого по кривым зависимости напряжения между витками (30) и давлении воздуха между ними в зависимости от толщины их изоляционного покрытия. 2. Medium or high voltage winding for coreless transformers, characterized in that it is formed by stacking separate coils (27), fastened together and connected electrically in series with their I / O (9, 10), each individual coil (27) is wound in air from a metal wire (2) with an insulating coating (3), and consists of many turns (30), forming layers (6, 7, ...) in contact with each other, sealed with an insulating synthetic material from which the inputs / outputs protrude , count the number of layers (6, 7,...) is at least two times greater than the U / u ratio, rounded to the nearest integer upward, where U is the voltage applied to the winding inputs (9, 10), u - voltage between a pair of contacting coils (30) with the largest potential difference belonging to two adjacent layers (6, 7,...), not exceeding the breakdown voltage between these contacting coils (30), determined from the voltage dependence between the coils (30) ) and the air pressure between them, depending on the thickness of their insulating rytiya. 3. Обмотка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что витки намотаны продольными слоями (6, 7, . . . ). 3. A winding according to claim 1 or 2, characterized in that the windings are wound in longitudinal layers (6, 7,...). 4. Обмотка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что витки намотаны радиальными слоями (17, 18, . . . ). 4. A winding according to claim 1 or 2, characterized in that the turns are wound with radial layers (17, 18,...). 5. Обмотка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что изоляционный синтетический материал (29) является термореактивным синтетическим материалом. 5. The winding according to claim 1 or 2, characterized in that the insulating synthetic material (29) is a thermosetting synthetic material. 6. Обмотка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что изоляционный синтетический материал (29) является термопластичным материалом. 6. The winding according to claim 1 or 2, characterized in that the insulating synthetic material (29) is a thermoplastic material. 7. Обмотка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что множество витков (30) образуют конструкцию с поперечным сечением, имеющим форму квадрата или слегка вытянутого прямоугольника. 7. A winding according to claim 1 or 2, characterized in that the plurality of turns (30) form a structure with a cross section in the form of a square or slightly elongated rectangle.

Images