BR112017012853B1

BR112017012853B1 - dispositivo indutor

Info

Publication number: BR112017012853B1
Application number: BR112017012853-5A
Authority: BR
Inventors: Kjell Walberg; Roger Eklund
Original assignee: Abb Schweiz Ag
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2021-02-23
Also published as: BR112017012853B8; BR112017012853A2; CN107112118B; ZA201704113B; EP3035348B1; EP3035348A1; CN107112118A; US20170352472A1; US10026542B2; WO2016096960A1

Abstract

A presente invenção refere-se a um dispositivo indutor (TR) compreendendo um primeiro e um segundo enrolamento concêntrico (W1, W2U, W2L) enrolados ao redor de um eixo central do dispositivo indutor, onde o segundo enrolamento é colocado fora do primeiro enrolamento e fornecido em duas partes separadas, uma primeira parte superior (W2U) e uma segunda parte inferior (W2L), em que há uma abertura entre a primeira e a segunda partes do segundo enrolamento e o primeiro enrolamento tem uma primeira conexão de enrolamento (W1C) que passa por meio da dita abertura, o dispositivo indutor compreendendo, ainda, um elemento de proteção elétrico concêntrico (SH) ao redor do eixo central e estendendo-se todo o caminho entre a parte superior e a parte inferior (W2U, W2L) do segundo enrolamento, o elemento de proteção compreendendo uma camada de proteção metálica.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[01] A presente invenção, de modo geral, refere-se a dispositivosde aplicações de alta tensão. Mais particularmente, a presente invenção refere-se a um dispositivo indutor compreendendo primeiro e segundo enrolamentos.

ANTECEDENTE

[02] As tensões utilizadas nos sistemas de transmissão deenergia estão ficando cada vez mais altas. Os níveis de tensão na faixa de 600 - 1200 kV são conhecidos por serem utilizados.

[03] Nesses níveis, o tamanho do equipamento utilizado égrande, o que é especialmente o caso dos dispositivos indutores como transformadores. Um transformador, que deve operar nos níveis de tensão acima mencionados, pode ser tão grande e volumoso que é difícil de transportar. Os diferentes componentes, como os enrolamentos também podem tornar-se pesados.

[04] Há, portanto, uma necessidade de limitar o tamanho. Aomesmo tempo, é importante que o isolamento seja capaz de fornecer isolamento suficiente. O isolamento é geralmente fornecido através do uso de celulose e óleo de transformador. Os enrolamentos também podem tornar-se pesados

[05] Embora os problemas acima mencionados sejamimportantes em níveis de alta tensão, deve ser percebido que eles também podem ser de interesse em níveis de tensão mais baixos. [06] Uma maneira de reduzir o tamanho dos indutores dedispositivos é revelada em JPS 62-126609. JPS 62-126609 descreve um transformador enrolado em folha, onde são fornecidos enrolamentos de baixa voltagem ao redor dos enrolamentos de alta tensão. Além disso, os fios de ligação de alta tensão conduzem para fora dos enrolamentos internos de alta voltagem no centro entre os enrolamentos externos.

[06] Em um transformador do tipo acima descrito, também énecessário fornecer uma proteção do enrolamento através do qual os fios principais conduzem. A forma tradicional de fornecer essa proteção é através da provisão de proteção como dois anéis separados de proteção fina na parte superior e inferior do enrolamento. No entanto, o campo elétrico será não uniforme e alto nos anéis de proteção.

[07] Também é necessário fornecer isolamento entre os fioscentrais e os enrolamentos através dos quais eles passam. Este isolamento pode ser difícil de elaborar.

[08] Um problema que enfrenta o design do isolamento é que osistema de proteção acima mencionado causa altas tensões de fluência dielétricas no isolamento.

[09] Outro problema que o design do isolamento pode enfrentaré como elaborá-lo para que ele também seja capaz de receber as forças de montagem, bem como as forças de curto-circuito no enrolamento externo.

[10] Há a este respeito, a necessidade de uma proteçãomelhorada que resolva pelo menos alguns dos problemas mencionados acima.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[11] Um objetivo da presente invenção é fornecer um dispositivoindutor compacto com proteção melhorada.

[12] Este objeto está de acordo com a presente invenção obtidaatravés de um dispositivo indutor compreendendo: um primeiro e um segundo enrolamento concêntrico enrolados ao redor de um eixo central do dispositivo indutor, onde o segundo enrolamento é colocado fora do primeiro enrolamento e fornecido em duas partes separadas, uma primeira parte superior e uma segunda parte inferior, em que há uma abertura entre a primeira e a segunda parte do segundo enrolamento e o primeiro enrolamento apresenta uma primeira conexão de enrolamento que passa por meio da dita abertura, o dispositivo indutor compreendendo, ainda, um elemento de proteção elétrico concêntrico ao redor do eixo central e estendendo-se todo o caminho entre a parte superior e uma parte inferior do segundo enrolamento, o elemento de proteção compreendendo uma camada de proteção metálica.

[13] A presente invenção apresenta várias vantagens. Elafornece um dispositivo indutor compacto e menos volumoso. Além disso, conforme o elemento de proteção estende-se todo o caminho da primeira parte do segundo enrolamento para a segunda parte do segundo enrolamento, não há bordas no isolamento perto de qualquer parte do segundo enrolamento. Assim, o problema de altas tensões de fluência dielétrica no isolamento é evitado.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[14] A presente invenção será a seguir descrita com referênciasendo feita aos desenhos anexos, onde

[15] a figura 1 esquematicamente mostra um transformador,

[16] a figura 2 esquematicamente mostra um corte transversalpor meio do transformador na figura 2,

[17] a figura 3 esquematicamente mostra um corte transversalpor meio de um elemento de proteção utilizado no transformador,

[18] a figura 4 mostra uma vista transversal das partes doisolamento, o elemento de proteção e um enrolamento em uma parte de uma abertura no elemento de proteção, onde a parte do elemento de proteção que circunda a abertura é uma seção de conexão com uma abertura, e

[19] a figura 5 mostra um corte transversal detalhado da seção de conexão com uma abertura do elemento de proteção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[20] A presente invenção refere-se a um dispositivo indutor, porexemplo, um transformador, que pode ser utilizado em aplicações de alta tensão como em Transformador Conversor de Alta Tensão. O dispositivo indutor pode, como um exemplo, ser utilizado em aplicações de Tensão Ultra-alta AC (UHVAC) e tensão ultra-alta DC (UHVDC), onde a tensão AC está na faixa de 750 kV - 1000 kV e a tensão DC pode estar na faixa de 600 - 800 kV.

[21] Entretanto, deve ser destacado que é meramente um campono qual a presente invenção pode ser utilizada.

[22] Um dispositivo indutor, como um transformador, pode, então,ser equipado com um primeiro enrolamento concentricamente circundado por um segundo enrolamento.

[23] A capacidade de transferência de energia de tal dispositivoindutor pode precisar ser alta, que por sua vez requer grandes distâncias de isolamento e, portanto, grandes enrolamentos.

[24] Os dispositivos indutores como os transformadores podemse tornar volumosos, onde um fator que influencia o volume é, assim, a distância de isolamento necessária. É, entretanto, possível reduzir o tamanho. Uma forma de reduzir o tamanho é tendo a conexão ao primeiro enrolamento fisicamente removido por meio do centro do segundo enrolamento do dispositivo indutor.

[25] Uma forma de reduzir o tamanho é, assim, por meio dofornecimento de um primeiro enrolamento condutor para conexão ao primeiro enrolamento por meio do meio do segundo enrolamento.

[26] A figura 1 mostra uma vista em perspectiva de umtransformador esquemático tendo este tipo de realização. A figura 2 mostra uma vista transversal esquemática do transformador na figura 1.

[27] Como pode ser visto na figura 1 e na figura 2, o transformador TR apresenta um formato cilíndrico e compreende vários enrolamentos físicos enrolados ao redor de um núcleo C. Há aqui um primeiro enrolamento interno W1 e fora deste primeiro enrolamento W1 há um segundo enrolamento externo, cujo segundo enrolamento é fornecido em duas partes separadas; uma primeira parte superior W2U e uma segunda parte inferior W2L. O núcleo C, assim, forma ou define um eixo central ao redor do qual o primeiro enrolamento W1 e o segundo enrolamento são enrolados, onde o segundo enrolamento é enrolado fora do primeiro enrolamento W1. Os enrolamentos podem ser indutivamente acoplados entre si. Os enrolamentos são, então, fornecidos concentricamente ao redor do núcleo C do transformador. A extremidade inferior do núcleo é conectada a um primeiro jugo Y1 e a extremidade superior é conectada a um segundo jugo Y2.

[28] A primeira parte superior W2U e a segunda parte inferiorW2L são, ainda, separadas por um elemento de proteção estático concêntrico SH que se estende todo o caminho da parte superior à parte inferior W2U e W2L do segundo enrolamento. A proteção é, ainda, galvanicamente conectada ao segundo enrolamento. Assim, o elemento de proteção estático é também fornecido concentricamente ao redor do eixo central.

[29] Além disso, como pode ser visto nas figuras 1 e 2, a primeiraconexão de enrolamento W1C, ou seja, uma conexão elétrica ao primeiro enrolamento W1 é fornecida no meio deste primeiro enrolamento W1. A primeira conexão de enrolamento W1C ainda estende-se ou passa por meio de uma abertura entre as partes superior e inferior W2U e W2L do segundo enrolamento. O elemento de proteção SH ainda envolve a abertura. Na área circundante da abertura, a proteção SH é fornecida com uma seção de conexão com uma abertura. A seção de conexão com uma abertura pode ter um formato que pareça metade de um toroide que envolve completamente o furo. Isto significa que a seção de interface de abertura pode ter uma área transversal que pareça metade de um círculo.

[30] Além disso, o elemento de proteção pode ser fornecido emduas metades ou partes. Pode haver uma parte superior SHU que se estende da parte superior W2U do segundo enrolamento e uma parte inferior SHL que se estende da parte inferior W2L do segundo enrolamento. Uma primeira e uma segunda parte do elemento de proteção podem, então, na direção do eixo central se encontrar na abertura.

[31] Através da provisão do elemento de proteção em duaspartes, a montagem do transformador é simplificada.

[32] Embora não mostrado nas figuras 1 e 2, pode haverisolamento entre o primeiro enrolamento W1, o segundo enrolamento e a primeira conexão de enrolamento W1C. Tal isolamento pode, então, tipicamente ainda ser fornecido na abertura entre o elemento de proteção SH e a primeira conexão de enrolamento W1C. Ainda pode haver um isolamento entre o núcleo C e o primeiro enrolamento W1. Além disso, pode haver o isolamento fornecido fora do segundo enrolamento, ou seja, no lado voltado distante do eixo central, bem como ao redor da primeira conexão de enrolamento W1C deixando o transformador TR.

[33] A realização mostrada acima da primeira conexão deenrolamento W1C que deixa o transformador TR por meio da abertura entre as partes superior e inferior W2U e W2L do segundo enrolamento apresenta a vantagem de fornecer um transformador mais compacto. Assim, o transformador TR é mais fácil de transportar e ainda mais fácil de manipular. Ainda é fornecido um transformador que é econômico, apresenta baixas perdas e ata confiabilidade. Além disso, uma captura de tensão do primeiro enrolamento W1 na direção axial, ou seja, através do primeiro ou do segundo jugo Y1 e Y2, apresenta um potencial substancialmente menor do que o potencial da primeira conexão de enrolamento W1C devido ao sistema de isolamento não uniforme.

[34] Entretanto, a menos que atenção especial seja dada àrealização de proteção, vários problemas associados com o isolamento fornecido ao redor do segundo enrolamento podem ocorrer.

[35] Um dos problemas que normalmente ocorreriam é oproblema de altas tensões de fluência dielétricas causadas pelo campo elétrico não uniforme.

[36] Devido ao fato de que o elemento de proteção SH estende-se todo o caminho entre as partes superior e inferior W2U e W2L do segundo enrolamento, a proteção não apresenta bordas em qualquer uma das partes superior e inferior do segundo enrolamento. Isto é, então, benéfico de um ponto de vista dielétrico pelo campo elétrico ser uniforme e altas tensões dielétricas podem ser evitadas.

[37] Outro problema associado com o isolamento é que osenrolamentos serão expostos à força de montagem e forças de curto circuito. Estas forças podem complicar o design do isolamento entre as partes superior e inferior W2U e W2L do segundo enrolamento.

[38] Uma variação da invenção é referida com este problemaadicional. De acordo com esta variação, o elemento de proteção SH se apoia na parte inferior W2L do segundo enrolamento, com a parte superior W2U do segundo enrolamento apoiado no elemento de proteção. Assim, o elemento de proteção SH recebe todas as forças de montagem e curto-circuito. Por causa do elemento de proteção SH receber todas as forças, o isolamento fornecido na abertura para isolamento entre o enrolamento secundário e o primeiro enrolamento condutor W1C não recebe esta força. Portanto, este isolamento apenas deve ser dimensionado para fornecer boas propriedades de isolamento. Não há necessidade de considerar as forças de montagem e curto- circuito, que simplifica a construção do isolamento.

[39] A figura 3 esquematicamente mostra um corte transversalpor meio do elemento de proteção SH que é adequado para receber a força da parte superior do segundo enrolamento, cujo corte transversal é considerado em uma área separada da área que circunda o furo.

[40] O elemento de proteção compreende uma camada dematerial de suporte SUM elaborado para receber e suportar as forças do segundo enrolamento, uma camada de material de isolamento INM que circunda a camada do material de suporte SUM e uma camada de material de proteção SHM entre a camada de material de suporte SUM e a camada de material de isolamento INM. A camada de material de suporte SUM ou a camada de suporte é, portanto, mais espessa do que a camada de material de proteção SHM ou camada de proteção e com vantagem mais espessa do que a camada de proteção e a camada de material de isolamento INM ou a camada de isolamento juntas.

[41] A camada de suporte pode ser feita em um material que écapaz de suportar as forças. Portanto, pode, com vantagem, ser uma fibra de vidro enrolado em filamento.

[42] A camada de proteção é, por sua vez, elaborada tendo umaboa capacidade de proteção. Pode, por esta razão, ser um material eletricamente condutor, como um metal com boa condução elétrica. Pode, por exemplo, ser uma folha ou filme de alumínio, que é adicionalmente leve. Pode, assim, ainda ser visto que a proteção deve ser uma proteção elétrica.

[43] A camada de isolamento pode ser uma camada deconvencional como uma camada de celulose.

[44] Este tipo de estrutura apresenta uma boa capacidade desuportar as forças mecânicas.

[45] Acima, mencionou-se que a seção de conexão com umaabertura é formada como metade de um toroide com um corte transversal circular. Isto pode ser variado de alguma forma.

[46] A figura 4 mostra uma vista transversal de partes deisolamento IS, uma parte da seção de conexão com uma abertura HIS da parte inferior do elemento de proteção SHL, bem como uma seção da parte inferior W2L do segundo enrolamento na área da abertura. O corte transversal da seção de conexão com uma abertura HIS é mostrado em mais detalhes na figura 5.

[47] Pode ser visto que a seção de conexão com uma aberturaHIS não é bem circular, mas apresenta uma curvatura que desvia do circular. A curvatura ainda estende-se cento e oitenta graus de um primeiro ponto FP voltado ao primeiro enrolamento W1 em ângulos retos ao eixo central em um segundo ponto SP voltado distante do primeiro enrolamento W1 em ângulos retos ao eixo central.

[48] Além disso, o raio R da curvatura do corte transversal varia.O raio R é mais alto na direção radialmente para dentro, ou seja, em direção ao primeiro enrolamento W1, do que radialmente para fora do transformador.

[49] A camada de isolamento INM da seção de conexão com umaabertura HIS ainda estende-se aproximadamente cento e vinte graus do primeiro ponto em direção ao segundo ponto SP.

[50] Esta realização da seção de conexão com uma abertura HISapresenta a vantagem de fornecer mais melhorias em relação ao isolamento e especialmente na redução de tensões dielétricas.

[51] Uma área óbvia onde a invenção é de vantagem é emrelação à transmissão de energia em altas tensões, porque nesta área as limitações de tamanho são de interesse. Entretanto, as limitações do tamanho podem ser de interesse ainda em outras faixas de tensão. Consequentemente, deve ser percebido que a invenção não está de modo algum limitada às aplicações de alta tensão. Além disso, apesar de a invenção ter sido descrita em relação a um transformador, deve saber-se que pode ser implementado em qualquer dispositivo que tenha pelo menos dois enrolamentos concêntricos.

[52] A partir da discussão supracitada é evidente que a presenteinvenção pode ser variada de várias maneiras.

[53] Consequentemente, deve ser percebido que a presenteinvenção é apenas limitada pelas seguintes concretizações.

Claims

1. Dispositivo indutor (TR) compreendendo: - um primeiro e um segundo enrolamento concêntrico (W1, W2U, W2L) enrolados ao redor de um eixo central do dispositivo indutor, onde o segundo enrolamento é colocado fora do primeiro enrolamento e fornecido em duas partes separadas, uma primeira parte superior (W2U) e uma segunda parte inferior (W2L), - sendo que há uma abertura entre a primeira e a segunda partes (W2U, W2L) do segundo enrolamento e o primeiro enrolamento apresenta uma primeira conexão de enrolamento (W1C) que passa por meio da dita abertura, - caracterizado pelo fato de que o dispositivo indutor compreende ainda, um elemento de proteção elétrico concêntrico (SH) sendo concêntrico com o dito enrolamento e compreendendo uma camada de proteção (SHM) feita de um metal com boa capacidade de condutividade para proteção em relação a um campo elétrico, o elemento de proteção se estendendo todo o caminho entre a parte superior e a parte inferior (W2U, W2L) do segundo enrolamento.

2. Dispositivo indutor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito elemento de proteção (SH) apoiado na segunda parte (W2L) do segundo enrolamento, com a primeira parte (W2U) do segundo enrolamento apoiado no elemento de proteção, de modo que o elemento de proteção receba a força gravitacional da parte superior (W2U) do segundo enrolamento, o elemento de proteção ainda envolve a abertura.

3. Dispositivo indutor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o elemento de proteção compreende uma parte superior (SHU) que se estende da parte superior do segundo enrolamento (W2U) e uma parte inferior (SHL) que se estende da parte inferior (W2L) do segundo enrolamento, a primeira e a segunda partes do elemento de proteção se encontram na direção do eixo central na abertura.

4. Dispositivo indutor, de acordo com qualquer uma das reivindicação anterior, caracterizado pelo fato de que o elemento de proteção compreende uma camada de suporte (SUM) elaborada para receber e suportar a força gravitacional da parte superior do segundo enrolamento e uma camada de isolamento (INM) ao redor da camada de suporte e a camada de proteção (SHM) entre a camada de suporte e a camada de isolamento.

5. Dispositivo indutor, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a camada de suporte é um filamento de fibra de vidro enrolado.

6. Dispositivo indutor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que a camada de proteção é uma folha metálica, como uma folha de alumínio.

7. Dispositivo indutor, de acordo com qualquer uma das reivindicação anterior, caracterizado pelo fato de que o elemento de proteção apresenta uma seção de interface de abertura (HIS) que envolve a abertura, a dita seção de interface de abertura (HIS) é curvada, a curvatura se estendendo cento e oitenta graus de um primeiro ponto (FP) voltado ao primeiro enrolamento (W1) em ângulos retos ao eixo central em um segundo ponto (SP) voltado para longe do primeiro enrolamento (W1) em ângulos retos ao eixo central.

8. Dispositivo indutor, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a curvatura apresenta um raio (R) que é mais alto na direção para do que distante do primeiro enrolamento (W1).

9. Dispositivo indutor, de acordo com a reivindicação 8, quando dependente da reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a camada de isolamento da seção de conexão com uma abertura se estende cento e vinte graus do primeiro ponto em direção ao segundo ponto.

10. Dispositivo indutor, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende ainda, o isolamento (IS) na abertura entre o elemento de proteção (SH) e a primeira conexão de enrolamento (W1C).

11. Dispositivo indutor, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que compreende ainda o isolamento entre o primeiro enrolamento, o segundo enrolamento e a primeira conexão de enrolamento.

12. Dispositivo indutor, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que é elaborado para operação em uma faixa de 600 a 1200 kV.

13. Dispositivo indutor, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que é um transformador (TR).

14. Dispositivo indutor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que é um reator.