EA000993B1 - Электромагнитное устройство - Google Patents

Description

Область техники

Настоящее изобретение относится к электромагнитному устройству, применяемому в электроэнергетике, содержащему электрическую цепь, генерирующую магнитное поле, которая включает, по меньшей мере, один провод с изоляционной системой. Такое электромагнитное устройство может использоваться в любой электротехнической схеме. Оно может работать в диапазоне мощностей от ВА до 1000 МВА. Устройство предназначено, главным образом, для различных приложений напряжения и до используемых сегодня передач высоких напряжений.

В соответствии с первым аспектом изобретения, рассматривается вращающаяся электрическая машина. Такие электрические машины включают синхронные машины, используемые, в основном, в качестве генераторов в схемах распределительных и передающих сетей, называемых ниже энергосетями или энергосистемами. Синхронные машины используют также в качестве двигателей, а также для фазовой компенсации и регулирования напряжения при использовании их в качестве механических машин холостого хода. Такие машины относятся к области техники, охватывающей машины с двойным питанием, асинхронные конвертерные каскады, машины с явными полюсами, машины с синхронными магнитными потоками и асинхронные машины.

В соответствии со вторым аспектом изобретения, электромагнитное устройство образовано силовым трансформатором или реактором. Трансформаторы используют во всех системах распределения и передачи электроэнергии, и они служат для обмена электроэнергией между двумя или более энергосистемами, для чего применяется хорошо известная электромагнитная индукция. Относящиеся к настоящему изобретению трансформаторы принадлежат к классу так называемых силовых трансформаторов с номинальной мощностью от нескольких сотен кВА до более 1 000 МВА и номинальным напряжением от 3-4 кВ до очень высоких передаваемых напряжений - от 400 кВ до 800 кВ или выше.

Хотя нижеследующее описание существующего уровня техники, имеющего отношение ко второму аспекту изобретения, касается силовых трансформаторов, настоящее изобретение также применимо к хорошо известным реакторам, которые могут быть однофазными или трехфазными. Что касается изоляции и охлаждения реакторов, то они такие же как и для трансформаторов. Таким образом, изобретение применимо к изолированным от воздуха и масла, самоохлаждаемым, охлаждаемым маслом под давлением и т.д. реакторам. Хотя реакторы имеют одну обмотку (на фазу) и могут быть с магнитным сердечником или без него, описание уровня техники, тем не менее, в большой степени относится к реакторам.

Г енерирующие магнитное поле цепи могут быть в некоторых примерах осуществления без магнитного сердечника, но, как правило, они содержат магнитный сердечник из пакета обычных или ориентированных пластин или из другого, например, аморфного или на основе порошка материала, обеспечивающий переменный магнитный поток, и обмотку. Трансформатор на основе такой цепи часто предусматривается с какой-либо охлаждающей системой. В случае вращающейся электрической машины обмотка может находиться в статоре или роторе или и там и там.

Изобретение предусматривает также способ управления электрическим полем в электромагнитом устройстве и способ изготовления магнитной цепи.

Для возможности пояснения и описания изобретения ниже будет дано описание уровня техники в отношении вращающихся электрических машин и силовых трансформаторов.

Вращающаяся электрическая машина

Такая вращающаяся электрическая машина будет описана на примере синхронной машины. Первая часть описания практически касается магнитной цепи такой машины и ее сборки в соответствии с традиционной технологией. Поскольку описываемая магнитная цепь в большинстве случаев расположена в статоре, она будет описываться ниже со ссылкой на статор с пластинчатым сердечником, обмотка которого будет называться статорной обмоткой, а пазы в указанном сердечнике для обмотки будут называться статорными пазами или просто пазами.

В большинстве синхронных машин обмотка возбуждения расположена в роторе, где основной магнитный поток генерируется постоянным током, и переменным током, идущим по обмотке, расположенной в статоре. Синхронные машины обычно бывают трехфазными. Иногда синхронные машины конструируют с явными (выступающими) полюсами, и тогда обмотка переменного тока находится в роторе. Тело статора для больших синхронных машин часто изготавливают сварной конструкции из листовой стали. Пластинчатый сердечник обычно изготавливают из лакированных пластин из электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. Для более крупных машин из стального листа штампуют сегменты, которые крепят к телу статора клиньями или соединением ласточкин хвост. Пластинчатый сердечник закрепляют запрессованными штифтами и пластинами.

Для охлаждения обмоток синхронной машины существует три различных охлаждающих системы.

В случае воздушного охлаждения, обмотки статора и ротора охлаждаются протекающим через них воздухом. Каналы для воздуха расположены в роторе и пластинах статора. В случае радиальной вентиляции и воздушного охлаждения, стальной пластинчатый сердечник, по меньшей мере, машин средних и больших размеров предусматривается со стояками, связанными с вентиляционными радиальными и осевыми каналами, расположенными в сердечнике. Охлаждающим воздухом может быть атмосферный воздух, но в случае высокой мощности машины, используют замкнутые охлаждающие системы с теплообменниками. Для охлаждения турбогенераторов и больших синхронных компенсаторов используют водород. В этом случае охлаждение происходит так же, как и при воздушном охлаждении с применением теплообменников, но здесь вместо охлаждающего воздуха используют газ водород. Водород обладает лучшей охлаждающей способностью по сравнению с воздухом, но с ним возникают проблемы уплотнений и утечек. Для турбогенераторов повышенной мощности применяют водяное охлаждение статорной и роторной обмоток. Охлаждающие каналы выполняют в форме трубок, помещаемых внутри расположения проводов статорной обмотки. С большими машинами связана проблема, заключающаяся в том, что охлаждение имеет тенденцию быть неравномерным, что ведет к повышению разницы температур по всей машине. Статорная обмотка расположена в пазах пластинчатого сердечника, имеющих прямоугольное или трапецеидальное сечение. Каждая обмотка фазы содержит несколько последовательно соединенных групп катушек, а каждая группа катушек содержит несколько последовательно соединенных катушек. Различные части катушек, каждая, имеют сторону, которая помещается в статоре, в то время как торец каждой части катушки располагается снаружи статора. Катушка содержит один или более проводов, укладываемых вместе по высоте и/или ширине. Между каждым проводом предусмотрена тонкая изоляция, например, из полимерного волокна или стекловолокна.

Катушку изолируют относительно паза соответствующей изоляцией для ее защиты от номинального напряжения машины относительно земли. В качестве изолирующего материала могут использоваться различные пластмассы, лакированные материалы, стекловолокна и т.д. Обычно используют так называемую слюдяную ленту, представляющую собой смесь слюды и твердого пластика, и предназначенную для выдерживания частичных разрядов, которые могут быстро разрушить изоляцию. Катушку изолируют путем намотки вокруг нее нескольких слоев слюдяной ленты. Изоляцию пропитывают, а затем, с целью улучшения контакта стороны катушки с окружающим заземленным статором, ее красят краской на основе угля.

Площадь проводов катушки определяется силой тока и способом охлаждения. С целью доведения до максимума количества проводов в пазу, проводу и катушке придают, обычно, прямоугольную форму. Типичную катушку выполняют из так называемых стержней Рёбеля (Roebel), некоторые из которых могут быть полыми для прохода охладителя. Стержень Рёбеля содержит несколько параллельно соединенных медных проводов, сгруппированных вдоль паза по окружности в 360°. Могут иметь место 540°ные и другие группировки в таких стержнях. Группировку выполняют для избежания циркулирующих токов, которые генерируются в сечении проводов с учетом влияния магнитного поля.

По ряду механических и электрических факторов машину нельзя изготовить любого заданного размера. Мощность машины определяется, практически, тремя факторами.

- Площадь провода обмоток. При нормальной рабочей температуре медь, например, допускает нагрузку максимум 3-3,5 А/мм².

- Максимальная плотность магнитного потока в материале статора и ротора.

- Максимальная напряженность электрического поля в изоляционном материале, так называемая электрическая прочность.

Многофазные обмотки переменного тока выполняют либо как однослойные, либо как двухслойные обмотки. В случае однослойных обмоток, на паз приходится только одна сторона катушки, а в случае двухслойной обмотки - две стороны катушки на паз. Двухслойными обмотками обычно являются шаблонные обмотки, в то время как однослойными обмотками могут быть как шаблонные обмотки, так и концентрические обмотки. В случае шаблонной обмотки, существует только одна хордовая катушка или возможно две хордовые катушки, в то время как плоские обмотки выполняют как концентрические обмотки, т. е. со значительно меняющейся шириной катушки. Под шириной катушки подразумевается расстояние в штриховом угловом измерении между двумя сторонами одной катушки либо в отношении полюсного шага, либо в отношении промежуточных пазовых шагов. Обычно используют различные варианты связок, например, дробношаговые, с целью получения обмотки с требуемыми свойствами. Тип катушки говорит о том, как катушки в пазах, т.е. стороны катушек, соединяются вместе снаружи статора, т.е. у торцов катушек.

Снаружи пакетированных пластин статора катушка не предусмотрена с покрашенным полупроводниковым заземленным слоем. Торец катушки обычно предусматривают с регулировкой, относящейся к полю земли, выполненной в форме так называемой защищающей от коронного разряда лакировки, предназначенной для превращения радиального поля в осевое поле, что означает, что изоляция на торцах катушки имеет место при высоком потенциале относительно земли. Это иногда приводит к увеличению числа разрушительных коронных разрядов в зоне торцов катушек. Так называемые точки регулирования поля у торцов катушек вызывают проблемы во вращающихся электрических машинах.

Обычно все большие машины конструируют с двухслойной обмоткой и одинаково большими катушками. Каждая катушка располагается одной стороной в одном слое, а другой стороной - в другом слое. Это означает, что все катушки пересекаются друг с другом в торце катушки. При использовании более двух слоев указанные пересечения создают трудности в работе обмоток и проблемы с торцом катушек.

Известно, что подсоединение синхронной машины или генератора к энергосети должно осуществляться через подсоединенный по схеме Δ или Y (треугольник или звезда) так называемый повышающий трансформатор, поскольку напряжение в сети обычно выше напряжения вращающейся электрической машины. Таким образом, синхронная машина и трансформатор составляют интегрированные блоки одной установки. Кроме того, что трансформатор очень дорог, он к тому же снижает полную эффективность работы всей системы. В случае возможности изготовления машин на значительно более высокие напряжения, повышающий трансформатор можно было бы не использовать.

В течение последних нескольких десятилетий увеличивалась потребность во вращающихся электрических машинах на более высокие напряжения, чем это было возможно ранее при их конструировании. Максимальное напряжение, которое, в соответствии с уровнем техники, было достигнуто для синхронных машин при требуемом выпуске катушек, составляло около 25-30 кВ.

Определенные попытки нового подхода к конструированию синхронных машин описаны в статье под заголовком Охлаждаемый водой и маслом турбогенератор ТУМ-300 в журнале Электротехника № 1, 1970 г., стр.6-8, в патенте US № 4 429 244 Статор генератора и в авторском свидетельстве СССР № 955369.

Водо- и маслоохлаждаемая синхронная машина, описанная в журнале “Электротехника”, предназначена для напряжений до 20 кВ. В статье описана новая изоляционная система на основе масляной или бумажной изоляции, которая позволяет полностью погружать в масло статор. Масло затем может использоваться как в качестве охладителя, так и в качестве изоляции. Для предотвращения утечки масла из статора в ротор на внутренней поверхности сердечника предусмотрено диэлектрическое маслоразделительное кольцо. Обмотку статора изготавливают из полых проводников овальной формы с масляной и бумажной изоляцией. Стороны катушек с их изоляцией крепят клиньями к пазам прямоугольного сечения. Охлаждающее масло проходит через полые проводники и отверстия в стенках статора. Однако такие охлаждающие системы связаны с наличием большого количества соединительных элементов для масла и электрических соединений у торцов катушек. Толстая изоляция ведет к увеличенному радиусу кривизны проводников, который, в свою очередь, ведет к увеличенному размеру лобовой части обмотки.

Упомянутый патент US № 4 429 244 относится к статорной части синхронной машины, которая содержит магнитный пластинчатый сердечник с трапецеидальными пазами для обмотки статора. Пазы выполняют суживающимися на конус, поскольку необходимость в изоляции статорной обмотки уменьшается в направлении внутрь ротора, где расположена часть обмотки, ближайшая к нулевой точке. Кроме того, статорная часть содержит диэлектрический маслоразделительный цилиндр, ближайший к внутренней поверхности сердечника. Без этого цилиндра статорная часть может привести к увеличенной потребности намагничивания относительно машины. Статорную обмотку изготавливают из погружаемых в масло многожильных проводов одинакового диаметра для каждого слоя катушки. Слои разделены прокладками в пазах и крепятся клиньями. Особенным для обмотки является то, что она содержит две так называемых полуобмотки (гемитропическая обмотка статора с одной катушкой на фазу на пару полюсов), соединенных последовательно. Одна из двух полуобмоток расположена в центре внутри изолирующей втулки. Проводники статорной обмотки охлаждаются окружающим их маслом. Такое большое количество масла в системе связано с риском утечек, а также с большими очистными работами при неисправностях. Те части изолирующей втулки, которые расположены снаружи пазов, имеют цилиндрическую форму, а их конический концевой участок армирован токопроводящими слоями, назначение которых - регулировать напряженность магнитного поля в зоне входа многожильного провода в торец обмотки.

В авт. св. СССР № 955369 сделана другая попытка повысить номинальное напряжение синхронной машины, обмотка охлаждаемого маслом статора которой содержит известный высоковольтный многожильный кабель одинакового диаметра для всех слоев. Кабель располагается в пазах статора, представляющих собой круглые, радиально расположенные отверстия, соответствующие площади сечения кабеля, и имеющие пространство для фиксирования кабеля и прохода охладителя. Различные радиально расположенные слои обмотки окружены изоляционными трубками, в которых они фиксируются. Изоляционные прокладки фиксируют трубки в пазу статора. Ввиду масляного охлаждения, здесь также необходимо внутреннее диэлектрическое кольцо для уплотнения, предотвращающее утечки масла через внутренние воздушные зазоры. В конструкции имеется также очень узкое радиальное сужение между различ7 ными пазами статора, что связано с большой потерей магнитного потока в пазах, которая сильно влияет на требования к намагничиванию машины.

В докладе Энергетического Исследовательского Института Electric Power Research Institute, EPRI, EL-3391, 1984 г. приведен обзор идей по достижению повышенного напряжения вращающейся электрической машины с целью ее подключения в сеть без промежуточного трансформатора. Такое решение созрело в результате исследований, и оно должно было обеспечить получение эффективных результатов и больших экономических преимуществ. Основная идея, которая была рассмотрена, возможно, в 1984 г., заключалась в необходимости начала разработки генераторов, непосредственно включаемых в энергосеть, и она возникла тогда, когда был изготовлен сверхпроводящий ротор. Большая намагничивающая способность сверхпроводящего поля позволяла использовать обмотку с воздушным зазором достаточной толщины, чтобы выдерживать электростатическое напряжение. Путем объединения многообещающей концепции, в соответствии с проектом, разработки магнитной цепи с обмоткой, так называемой монолитной цилиндрической броней кабеля, и концепции, в соответствии с которой обмотка содержит два цилиндра из проводников, концентрически заключенных в три цилиндрические изоляционные оболочки, а вся конструкция фиксируется к стальному сердечнику без зуба, было выработано мнение, что вращающаяся электрическая машина на высокое напряжение может непосредственно включаться в энергосеть. Решение означало, что основная изоляция должна быть достаточно толстой, чтобы выдержать потенциалы между сетями (сеть-сеть) и между сетью и землей (сетьземля). Изоляционная система, которая после рассмотрения всех известных в то время решений была признана подходящей для увеличения напряжения до напряжения, которое обычно использовалось для силовых трансформаторов, состояла из пропитанного жидким диэлектриком целлюлозного прессшпана. Очевидные недостатки предложенного решения заключались в том, что кроме требования сверхпроводящего ротора, оно требовало очень толстую изоляцию, увеличивающую размеры машины. Торцы катушек должны быть изолированы и должны охлаждаться маслом или фреонами для регулирования больших электрических полей в торцах катушек. Для защиты жидкого диэлектрика от абсорбирующей влаги атмосферы вся машина должна быть герметично закрыта.

При производстве вращающихся электрических машин, в соответствии с существующим уровнем техники, обмотку с проводниками и изоляционными системами изготавливают в несколько этапов, так что обмотка должна быть готова перед ее установкой в магнитную цепь.

Пропитку изоляционной системы осуществляют после установки обмотки в магнитную цепь.

Силовой трансформатор или реактор

Для возможности включения силового трансформатора или реактора в соответствии с изобретением в нужный контекст и отсюда для возможности описания нового подхода к проблеме, предлагаемого изобретением так же как и преимуществ изобретения над прототипами, ниже будет дано сравнительно полное описание силового трансформатора современной конструкции, так же как недостатков и проблем существующих при расчетах, конструировании, установке, заземлении, изготовлении, применении, проверке, транспортировании и т. д. этих трансформаторов.

Основное назначение силового трансформатора заключается в обеспечении обмена электроэнергией между двумя или более электрическими системами, обычно, с различными напряжениями при одинаковой частоте.

Стандартный силовой трансформатор содержит трансформаторный сердечник, называемый ниже сердечником, часто набираемый из ориентированных пластин, обычно из кремнистого железа. Сердечник содержит несколько стержней, соединенных ярмами трансформатора, которые вместе образуют одно или более окошек сердечника. Вокруг стержней сердечника располагаются несколько обмоток, обычно называемыми первичными, вторичными обмотками и обмотками управления. В силовых трансформаторах указанные обмотки практически всегда располагаются концентрически вдоль длины упомянутых стержней. На сердечнике обычно расположены круглые катушки, при этом для более плотного заполнения стержней катушками сердечники предусмотрены с суживающимися на конус участками.

Известны также другие типы конструкций сердечников, например, содержащиеся в так называемых броневых трансформаторах. Такие трансформаторы часто предусматриваются с прямоугольными катушками и прямоугольным участком стержней сердечника.

Стандартные силовые трансформаторы, работающие в нижней части упомянутого диапазона мощностей, иногда предусматриваются с воздушным охлаждением для избежания присущих трансформатору потерь. Для защиты от контакта с окружающей средой и, возможно, для снижения наружного магнитного поля трансформатора, он часто предусматривается с наружным кожухом, имеющим вентиляционные отверстия.

Однако большинство стандартных силовых трансформаторов охлаждаются маслом. Одна из причин состоит в том, что масло дополнительно выполняет очень важную функцию изолирующей среды. Поэтому охлаждаемый и изолируемый маслом силовой трансформатор окружается наружным баком, в котором, как станет яснее из нижеследующего описания, имеется высокая потребность. Обычно предусматриваются также средства для водяного охлаждения катушек.

Следующая часть описания большей частью касается силовых трансформаторов, заполненных маслом.

Обмотки трансформатора образованы из одной или нескольких последовательно соединенных катушек, которые, в свою очередь, состоят из ряда последовательно соединенных витков. Кроме того, катушки предусмотрены со специальным устройством, обеспечивающим коммутацию между выводами катушек. Такое устройство может быть предназначено для переключений с помощью клемм или чаще всего с помощью специального переключателя, способного работать вблизи бака. Если переключение происходит, когда трансформатор находится под напряжением, то в этом случае переключатель называется переключателем ответвлений под нагрузкой. Если переключение происходит при обесточенном трансформаторе, такой переключатель называется переключателем обесточенных ответвлений.

В случае трансформаторов, охлаждаемых и изолируемых маслом, и работающих в верхней части упомянутого диапазона мощностей, размыкающие элементы упомянутых, находящихся под нагрузкой переключателей, помещаются в специальных заполненных маслом контейнерах, непосредственно связанных с баком трансформатора. Размыкающие элементы работают чисто механически от приводного вращающегося вала, быстро срабатывая в течение переключения при разомкнутых контактах, и срабатывая медленнее при замкнутых контактах. Однако, сами находящиеся под нагрузкой переключатели располагаются фактически в баке трансформатора. В течение работы возникают дуговые разряды и искрение. Это ведет к деструкции масла в контейнерах. С целью уменьшения дуговых разрядов и отсюда уменьшения образования сажи и уменьшения износа контактов, работающие под нагрузкой переключатели обычно подсоединяют к высоковольтной стороне трансформатора. Так делают потому, что токи в размыкаемой и замыкаемой, соответственно, цепи меньше на упомянутой высоковольтной стороне, чем на низковольтной стороне трансформатора. Статистика неисправностей стандартных, заполненных маслом силовых трансформаторов, показывает, что наиболее частой причиной неисправностей являются работающие под нагрузкой переключатели.

В работающих в нижней части диапазона мощностей, охлаждаемых и изолируемых маслом силовых трансформаторах, функционирующие под нагрузкой переключатели и их размыкающие элементы помещают внутри бака. Это означает, что упомянутые проблемы деструкции масла в течение работы, вследствие дуговых разрядов, влияют на всю масляную систему.

Что касается приложенного или наведенного напряжения, то вообще говоря, напряжение, которое постоянно по всей обмотке, распределяется равномерно на каждый виток обмотки, т. е. напряжение в витке равно напряжению во всех витках.

Однако, с точки зрения электрического потенциала ситуация совершенно иная. Одна торцевая часть обмотки обычно заземлена. Однако это означает, что электрический потенциал каждого витка возрастает линейно практически от нуля в витке, ближайшего к потенциалу земли, до потенциала в витках, расположенных у другой торцевой части обмотки, соответствующего приложенному напряжению.

Такое распределение потенциала определяет структуру изоляционной системы, поскольку необходимо иметь достаточную изоляцию между смежными витками обмотки и между каждым витком и землей.

Обычно в отдельной катушке витки собраны вместе в геометрический единый узел, физически размежеванный с другими катушками. Расстояние между катушками определяется также напряжением диэлектрика, которое может иметь место между катушками. Это также означает, что между катушками требуется определенное, данное изолирующее расстояние. В соответствии со сказанным, также требуются достаточные изолирующие расстояния для других электропроводных элементов, расположенных в электрическом поле, для их защиты от локального электрического потенциала, который может иметь место в катушках.

Из сказанного выше, таким образом, ясно, что разница напряжений внутри между физически смежными проводящими элементами относительно низка, в то время как разница напряжения снаружи других металлических элементов, например, других катушек, может быть относительно высокой. Разница напряжений определяется напряжением, наведенным магнитной индукцией, так же как и распределенными напряжениями, которые могут возникать от подключенных наружных электрических систем на наружных соединениях трансформатора. Типы напряжений, которые могут возникнуть снаружи, включают кроме рабочего напряжения перенапряжения разрядов и перенапряжения переключении.

В проводниках катушек дополнительные потери возникают в результате потерь магнитного поля вокруг проводника. Для поддержания таких потерь насколько возможно низким, особенно в силовом трансформаторе, работающем в верхней части упомянутого диапазона мощностей, проводники обычно разделяют на ряд проводящих элементов, часто называемых жилами, соединенных в течение работы параллельно. Такие жилы должны группироваться по такому шаблону, чтобы напряжение, наведенное в каждой жиле, было насколько возможно идентичным, и чтобы разница в наведенном напряжении между каждой парой жил была насколько возможно небольшой и поддерживалась на приемлемом уровне с точки зрения потерь для внутренних токопроводящих компонентов.

Основная задача при конструировании стандартных трансформаторов заключалась в обеспечении максимального количества проводников в пределах данной площади, ограниченной так называемым окошком трансформатора, характеризуемым фактором заполнения, который должен был быть насколько возможно высоким. Имеющееся в пределах данной площади пространство должно содержать, кроме проводников, изолирующий материал, связанный с катушками, и частично расположенный внутри между катушками, и частично связанный с другими металлическими компонентами, включающими магнитный сердечник.

Изоляционная система, обычно выполняемая в виде сплошной целлюлозной или на основе лака изоляции, ближайшей к отдельному проводнику, расположена частично внутри катушки/обмотки и частично между катушками/обмотками и другими металлическими элементами, и снаружи в виде сплошной целлюлозной, жидкой и, возможно, газообразной изоляции. Обмотки с изоляцией и, возможно, крепежными элементами занимают, таким образом, большие объемы, подвергаемые действию высоких напряженностей электрических полей, которые возникают внутри и вокруг активных электромагнитных элементов трансформатора. Для возможности предварительного определения величин возникающих напряжений диэлектрика, связанных с минимальным риском их разрушения, требуется хорошее знание свойств изоляционных материалов. Важно также обеспечить такую окружающую среду, в которой не изменялись бы и не ухудшались изоляционные свойства.

Современная распространенная изоляционная система для высоковольтных силовых трансформаторов содержит целлюлозный материал, в качестве твердой изоляции и трансформаторное масло, в качестве жидкой изоляции. Трансформаторное масло основано на так называемом минеральном масле.

Трансформаторное масло выполняет двойную функцию, т.е. служит в качестве изолятора и активно способствует охлаждению сердечника, обмоток и т.д., удаляя выделяемое трансформатором тепло, точнее - тепловые потери. Масляное охлаждение требует наличия масляного насоса, наружного охлаждающего элемента, компенсационной муфты и т.д.

Электрическая связь между наружными соединениями трансформатора и непосредственно связанными катушками/обмотками осуществляется через ввод трансформатора, проходящий через бак, который, в случае маслонаполненных силовых трансформаторов, окружает сам трансформатор. Ввод часто является отдельным элементом, фиксируемым к баку, и он должен удовлетворять требованиям изоляции снаружи и внутри бака, будучи одновременно способным выдерживать токи нагрузки и, следовательно, токи различной силы. Следует отметить, что те же описанные выше требования к изоляционной системе обмоток, применимы также для внутренних соединений между катушками, между вводами и катушками, для различных типов переключателей и самих вводов.

Все металлические элементы, расположенные внутри трансформатора, за исключением токонесущих проводников, заземляются, т.е. подсоединяются к потенциалу земли. Таким путем устраняется риск нежелательного, трудно контролируемого возрастания потенциала, являющегося результатом распределения емкостного напряжения между находящимися под высоким потенциалом проводниками и землей. Упомянутое возрастание потенциала может вызвать частичные так называемые коронные разряды. Эти разряды могут возникать при обычных приемочных испытаниях, в случае отклоняющихся от номинальных значений повышенных напряжения и частоты. Коронные разряды могут вызвать повреждения оборудования в течение работы.

Индивидуальные катушки трансформатора должны быть таких механических размеров (сечения проводов и т.д.), чтобы они могли выдерживать любые напряжения, являющиеся следствием возрастания токов и результирующих сил токов при коротких замыканиях в цепи. Обычно катушки конструируют так, чтобы возникающие упомянутые силы поглощались внутри каждой отдельной катушки, что, в свою очередь, может означать, что катушка не может иметь оптимальные размеры для ее нормального функционирования в течение обычной работы.

Для силовых трансформаторов, работающих в узком диапазоне напряжений и мощностей, выполняют так называемые листовые обмотки. Это означает, что индивидуальные проводники упомянутого типа заменяют тонкими листами. Силовые трансформаторы с листовыми обмотками изготавливают на напряжения до 20-30 кВ и мощности до 20-30 МВт.

Изоляционная система силовых трансформаторов, работающих в верхней части упомянутого диапазона мощностей, кроме относительно сложной конструкции, требует также особых практических мер для возможности оптимального использования ее свойств. Для обеспечения хорошей изоляции, такая система должна иметь низкое содержание влаги, твердая часть изоляции должна быть хорошо пропитана окружающим маслом, а риск наличия в твердой части изоляции остаточных газовых пузырей должен быть минимальным. Для гарантии со13 блюдения указанных требований весь сердечник в сборе с обмотками перед его погружением в бак подвергают особой сушке и пропитке. После упомянутых сушки и пропитки трансформатор опускают в бак, который затем уплотняют. Перед заполнением маслом бак вместе с трансформатором должен быть освобожден полностью от воздуха, что необходимо для проведения специальной вакуумной обработки. После такой обработки бак заполняют маслом.

Для обеспечения требуемого срока службы трансформатора упомянутой вакуумной обработкой предусмотрена откачка воздуха до достижения почти абсолютного вакуума. Таким образом, окружающий трансформатор бак должен находиться под полным вакуумом, что требует значительного расхода различных материалов и производственного времени.

Если в маслонаполненном силовом трансформаторе случаются электрические разряды или происходит локальное значительное повышение температуры в любой части трансформатора, масло разлагается, а газообразные продукты разложения растворяются в масле. Поэтому трансформаторы обычно предусматривают с контрольными устройствами для определения газа, растворенного в масле.

Из-за большого веса крупные силовые трансформаторы транспортируют без масла. В месте установки трансформатора у потребителя требуется повторная вакуумная обработка. Такая обработка повторяется каждый раз, когда бак открывают для каких-либо целей или для проверки.

Очевидно, что эти процессы требуют много времени и средств, составляя значительную часть полного времени, требующегося на изготовление и ремонт трансформаторов, одновременно нуждаясь в доступе к обширному ассортименту материалов.

В стандартных силовых трансформаторах изоляционный материал составляет большую часть всего объема трансформатора. Для силового трансформатора, работающего в верхней части диапазона мощностей, может требоваться порядка сотен кубометров трансформаторного масла. Это масло, которое имеет определенное подобие с дизельным топливом, является низковязкой жидкостью с относительной низкой температурой вспышки. Таким образом, очевидно, что масло вместе с целлюлозой в значительной мере пожароопасны в случае случайного нагрева, например, при внутреннем искрении или пробое с последующим разливом масла.

Также очевидно, что с маслонаполненными силовыми трансформаторами связана очень большая проблема их транспортирования. Полный вес такого высокомощного силового трансформатора может сосставлять до 1000 тонн. Понятно, что габариты такого трансформатора должны иногда соответствовать параметрам транспортных коммуникаций для возможности их провоза по мостам, через туннели и т. д.

Далее следует краткое описание существующего уровня техники, касающегося маслонаполненных силовых трансформаторов, из которого можно судить об их недостатках и проблемах.

Маслонаполненный стандартный силовой трансформатор

- содержит наружный бак, вмещающий трансформатор, который включает трансформаторный сердечник с катушками, масло для изоляции и охлаждения, механические крепежные устройства разных типов и т.д. К баку предъявляются очень большие конструктивные требования, поскольку он должен быть способен вместе с трансформатором, но без масла, подвергаться вакуумной обработке до достижения практически полного вакуума. Бак требует очень тщательных изготовления и испытаний, а его габариты обычно ведут к транспортным проблемам;

- обычно содержит так называемое принудительное (под давлением) охлаждение маслом. Такой способ охлаждения требует наличия масляного насоса, наружного охлаждающего элемента, компенсационной емкости, компенсационной муфты и т.д.;

- содержит электрическую связь между наружными соединениями трансформатора и непосредственно соединенными катушками/обмотками в виде ввода, зафиксированного на баке. Ввод должен удовлетворять любым требованиям к изоляции снаружи и внутри бака;

- содержит катушки/обмотки, проводники которых разделены на ряд проводящих элементов, жил, сгруппированных таким образом, чтобы напряжение наводимое в каждой жиле, было насколько возможно идентичным и чтобы разница в наведенном напряжении между каждой парой жил была насколько возможно малой;

- содержит изоляционную систему частично внутри катушки/обмотки и частично между катушками/обмотками и другими металлическими элементами, которая выполнена в виде сплошной целлюлозной или основанной на лаке изоляции, ближайшей к отдельному проводящему элементу, а снаружи его в виде сплошной целлюлозной, жидкой и возможно также газообразной изоляции. Кроме того, очень важно, что изоляционная система имеет очень низкое содержание влаги;

- содержит в качестве интегрированного узла работающий под нагрузкой переключатель ответвлений, окруженный маслом, и обычно подсоединенный к высоковольтной обмотке трансформатора для осуществления управления напряжением;

- содержит масло, которое может обладать значительной пожароопасностью при внутренних частичных, так называемых коронных раз15 рядах, искрениях в указанном переключателе и других аварийных ситуациях;

- содержит, обычно, контрольное устройство для определения содержания газа, растворенного в масле, что бывает в случае электрических разрядов в масле или в случае локального увеличения температуры;

- содержит масло, которое при неисправностях или случайно может разлиться, нанеся значительный экологический ущерб.

Сущность изобретения

Основной задачей настоящего изобретения является создание электромагнитного устройства, в котором устранены, по меньшей мере, один или несколько указанных выше недостатков, присущих известным подобным устройствам. Кроме того, второй задачей изобретения является создание способа управления электрическим полем в электромагнитном устройстве, применяемом в мощных энергосистемах, и способа изготовления магнитной цепи для вращающейся электрической машины.

Основная задача изобретения решается с помощью устройства типа, определенного в приложенных пунктах формулы изобретения и, прежде всего, в отличительной части любого из пп.1-5.

В широком смысле установлено, что конструкция, в соответствии с изобретением, снижает имеющие место потери настолько, что устройство может работать с более высокой эффективностью, вследствие того, что изобретение позволяет практически заключить электрическое поле проводника в изоляционную систему. Снижение потерь ведет, в свою очередь, к уменьшению температуры устройства и, соответственно, к уменьшению потребности в охлаждении, и позволяет конструировать более простые, чем до изобретения, возможно используемые охлаждающие устройства.

Проводник с изоляционной системой, в соответствии с изобретением, может быть выполнен в качестве эластичного кабеля, обладающего существенными преимуществами в производстве и монтаже по сравнению с готовыми жесткими обмотками, которые до настоящего времени были стандартными. Изоляционная система, используемая в соответствии с изобретением, предусматривает отсутствие газообразной и жидкой изоляции.

Что касается второго аспекта изобретения, относящегося к вращающимся электрическим машинам, то оно делает возможным работу машины при таком высоком напряжении, что отпадает необходимость в использовании подключаемого по схеме Δ/Y (треугольник/звезда) повышающего трансформатора. Это означает, что машина может работать при значительно более высоком напряжении по сравнению с известными машинами, что позволяет непосредственно включать машину в силовую сеть. Это подразумевает значительное уменьшение капиталовложений в системы с вращающейся электрической машиной при увеличении полной эффективности всей системы. Изобретение устраняет необходимость отдельных контрольных измерений поля в определенных зонах обмотки, которые были обязательными в известных устройствах. Другое преимущество изобретения состоит в том, что оно позволяет более просто обеспечить подмагничивание и перемагничивание, с целью уменьшения реактивных эффектов, имеющих место при несовпадении фаз напряжения и тока по отношению друг к другу.

Что касается аспекта изобретения, относящегося к силовому трансформатору/реактору, то оно, прежде всего, устраняет необходимость заполнения маслом силовых трансформаторов и, соответственно, связанные с этим проблемы и недостатки.

Конструкция обмотки такова, что она содержит, по меньшей мере, вдоль части ее длины изоляцию из сплошного изоляционного материала, причем внутри изоляции находится внутренний слой, а снаружи ее наружный слой, причем оба указанных слоя выполнены из полупроводникового материала, что позволяет заключить электрическое поле всего устройства внутри обмотки. Используемый здесь термин Сплошной изоляционный материал означает, что обмотка не предусмотрена с жидкой или газообразной изоляцией, например, в случае жидкости, в виде масла. В настоящем случае изоляцию выполняют из полимерного материала. Указанные внутренний и наружный слои также выполняют из полимерного, хотя и полупроводникового материала.

Внутренний слой и сплошная изоляция жестко связаны друг с другом, по существу, по всей поверхности раздела. Наружный слой и сплошная изоляция также жестко связаны друг с другом, по существу, по всей поверхности раздела между ними. Внутренний слой, благодаря полупроводниковым свойствам, выполняет функцию уравнивания потенциала и, соответственно, уравнивания электрического поля снаружи этого слоя.

Наружный слой также выполняют из полупроводникового материала, при этом его электропроводность, по крайней мере, выше, чем изоляции, вследствие чего при его заземлении или при подсоединении к относительно низкому потенциалу он выполняет функцию уравнивания потенциала и, по существу, заключает в себе электрическое поле проводника. С другой стороны, удельное сопротивление наружного слоя должно быть достаточным, чтобы свести до минимума электрические потери в нем.

Жесткая взаимосвязь между материалом изоляции и внутренним и наружным полупроводниковыми слоями должна быть одинаковой по всей поверхности раздела между ними с тем, чтобы вдоль нее не образовывались полости, поры и т.п.

Высокие напряжения, используемые в изобретении, и связанные с ними электрические и тепловые нагрузки побуждают предъявлять очень высокие требования к изоляционному материалу. Известно, что так называемые частичные разряды являются серьезной проблемой для изоляционного материала в высоковольтных установках. В случае появления в изолирующем слое полостей, пор и т.п., при высоких напряжениях могут возникнуть внутренние коронные разряды, вызывающие постепенное ослабление свойств материала изоляции с последующим, в результате, электрическим пробоем изоляции. Это может привести к серьезным неисправностям электромагнитного устройства. Таким образом, изоляция должна быть однородной.

Расположенный внутри изоляции внутренний слой должен иметь более низкую, чем у проводника электропроводность, но достаточную, чтобы этот слой выполнял функцию уравнивания потенциала и, соответственно, электрического поля снаружи этого слоя. Такая функция внутреннего слоя в комбинации с его жесткой связью с изоляционным материалом по, практически, всей поверхности их раздела при отсутствии упомянутых полостей, пор и т.п. обеспечивает одинаковое электрическое поле снаружи внутреннего слоя и минимальный риск частичных разрядов.

Предпочтительно, чтобы внутренний слой и сплошная изоляция были выполнены из материалов, по существу, с равными коэффициентами теплового расширения. То же предпочтительно для наружного слоя и сплошной изоляции. Это означает, что внутренний и наружный слои и сплошная электрическая изоляция образуют изоляционную систему, которая при изменениях температуры будет равномерно, как единое целое, расширяться и сжиматься без какого-либо разрушения или разъединения в зоне поверхности раздела, вызываемых до сих пор изменениями температуры. Таким образом, гарантируется плотный поверхностный контакт между поверхностями внутреннего и наружного слоев и сплошной изоляции, и созданы условия для поддержания такого контакта в течение длительных рабочих периодов.

Вследствие того, что расположенные внутри и снаружи вокруг изоляции внутренний и наружный слои из полупроводникового материала будут стремиться образовывать, по существу, эквипотенциальные поверхности (поверхности равных потенциалов), а электрическое поле, в результате, будет распределяться относительно равномерно по толщине изоляции, электрическая нагрузка на изоляционную систему будет уменьшенной.

Известны, сами по себе, высоковольтные кабели для передачи электроэнергии с проводниками с изоляцией из сплошного материала, предусмотренной с внутренним и наружным слоями из полупроводникового материала. Давно известно, что в изоляции проводников, служащих для передачи электроэнергии, не должно быть дефектов. Однако в высоковольтных кабелях упомянутого назначения электрический потенциал не изменяется вдоль длины кабеля, оставаясь, в основном, на одном и том же уровне. Также, однако, в таких высоковольтных кабелях, вследствие кратковременных явлений, таких как разряд, может возникнуть мгновенная разница потенциалов. В соответствии с настоящим изобретением, в качестве обмотки в электромагнитном устройстве используют гибкий кабель, определенный приложенными пунктами формулы изобретения.

Дополнительного усовершенствования можно достичь путем выполнения проводника обмотки из меньших по размеру так называемых жил, по крайней мере, некоторые из которых изолированы друг от друга. Благодаря выполнению жил с относительно небольшим, предпочтительно, почти круглым сечением, пронизывающее их магнитное поле будет иметь постоянную конфигурацию, а случаи вихревых токов будут сведены до минимума.

В соответствии с изобретением обмотку/обмотки изготавливают, предпочтительно, в виде кабеля, содержащего, по меньшей мере, один проводник и ранее описанную здесь изоляционную систему, внутренний слой которой расположен вокруг жил проводника. Снаружи указанного внутреннего полупроводникового слоя расположена основная изоляция кабеля в виде сплошного изоляционного материала.

Наружный полупроводниковый слойоболочка, в соответствии с изобретением, обладает электрическими свойствами, гарантирующими уравнивание потенциала вдоль проводника. Однако, наружный слой может не обладать такими электропроводящими свойствами, вследствие чего наведенный ток пойдет вдоль поверхности, что может вызвать потери, которые, в свою очередь, могут создать нежелательную тепловую нагрузку. Величины сопротивлений (при 20°С) внутреннего и наружного слоев, определенные в пп. 5 и 6 формулы изобретения, являются обоснованными. Внутренний полупроводниковый слой должен иметь достаточную электропроводность, чтобы гарантировать уравнивание потенциалов электрического поля, но одновременно этот слой должен иметь такое сопротивление, чтобы гарантировать охват электрического поля. Важно, чтобы внутренний слой выравнивал неровности на поверхности проводника и образовывал очень чисто отделанную эквипотенциальную поверхность (поверхность равных потенциалов) у поверхности раздела со сплошной изоляцией. Внутренний слой может быть выполнен переменной толщины, но с гарантированной ровной поверхностью, граничащей с проводником и сплошной изоля19 цией, причем соответствующая толщина составляет 0,5-1 мм.

Такой гибкий обмоточный кабель, который используют, в соответствии с изобретением, в электромагнитном устройстве, является усовершенствованием кабеля с изоляцией из сетчатого полиэтилена (XLPE кабель) или из этиленпропиленового каучука (ЕР каучук) или другого каучука, например, силикона. Усовершенствование содержит новую конструкцию жил проводников и кабеля, где кабель, по меньшей мере, в некоторых вариантах осуществления не имеет наружной оболочки для его механической защиты. Однако, изобретение позволяет расположить проводящий металлический экран и внешнюю оболочку снаружи наружного полупроводникового слоя. Металлический экран будет выполнять функцию внешней механической и электрической защиты кабеля, например, от разрядов. Предпочтительно, чтобы внутренний полупроводниковый слой располагался в зоне потенциала проводника. С этой целью, по меньшей мере, одна из жил проводника должна быть неизолирована и расположена так, чтобы она имела хороший электрический контакт с внутренним полупроводниковым слоем. С другой стороны, различные жилы могут альтернативно располагаться в электрическом контакте с указанным внутренним слоем.

Изготовление трансформаторных или реакторных обмоток из упомянутого кабеля связано с существенными различиями в распределении электрического поля в стандартных силовых трансформаторах/реакторах и силовом трансформаторе/реакторе, в соответствии с изобретением. Значительное преимущество выполненной из кабеля обмотки, в соответствии с изобретением, состоит в том, что электрическое поле заключено в обмотке, и что электрическое поле отсутствует снаружи наружного полупроводникового слоя. Электрическое поле, создаваемое токонесущим проводником, имеет место только в сплошной основной изоляции. С конструктивной и производственной точки зрения это дает следующие значительные преимущества:

- обмотки трансформатора могут быть выполнены без принятия во внимание любого распределения электрического поля, а группировка жил, упомянутая при ссылке на прототип, не применяется,

- сердечник трансформатора может быть выполнен без принятия во внимание любого распределения электрического поля;

- для электрической изоляции обмотки не требуется масло, т.е. средой, окружающей обмотку, может быть воздух;

- отсутствуют специальные связи, требующиеся для электрического соединения между наружными соединениями трансформатора и непосредственно связанными катушками/обмотками, поскольку электрическое соединение, в отличие от стандартных установок, интегрировано с обмоткой;

- технология производства и испытаний силового трансформатора, в соответствии с изобретением, значительно проще используемой для стандартного силового трансформатора/реактора, поскольку в настоящем случае не требуются пропитка, сушка и вакуумные обработки, упомянутые при ссылке на известное устройство, что существенно сокращает время на изготовление трансформатора;

- использование способа изоляции, в соответствии с изобретением открывает значительные возможности для совершенствования известной магнитной части трансформатора.

При применении изобретения к вращающейся электрической машине достигается существенно уменьшенная тепловая нагрузка на статор. Таким образом, временные перегрузки машины будут менее критическими, что позволит работать машине при перегрузке в течение длительного периода без риска возникновения неисправности. Это дает значительные преимущества владельцам силовых генерирующих установок, которые оперативно, в случае производственных нарушений, подключают установку к другому оборудованию, удовлетворяя тем самым требованиям поставки энергии, установленных законом.

В случае использования вращающейся электрической машины, в соответствии с изобретением, могут быть значительно снижены эксплуатационные расходы, поскольку в схему подключения машины к силовой энергосети не включаются трансформаторы и прерыватели цепи.

Выше упоминалось, что наружный полупроводниковый слой обмоточного кабеля заземляется, т. е. подключается к потенциалу земли. Это делается для того, чтобы этот слой поддерживался, в основном, под потенциалом земли на протяжении всей длины кабеля. Допускается разделение указанного наружного слоя путем его разрезания на ряд частей, распределенных вдоль длины обмоточного кабеля, при этом каждая отдельная часть этого слоя заземляется, подключаясь к потенциалу земли. Таким способом обеспечивается лучшая равномерность заземления кабеля вдоль его длины.

Как упоминалось, сплошная изоляция и внутренний и наружный слои могут быть получены, например, экструзией. Однако могут применяться с успехом и другие способы их изготовления, например, формирование этих внутренних и внешних слоев и изоляции путем напыления материала на проводник/обмотку.

Предпочтительно, чтобы обмоточный кабель был выполнен круглого сечения. Однако если требуется достичь лучшей плотности его укладки, могут использоваться и другие его сечения.

Для обеспечения повышения напряжения во вращающейся электрической машине, кабель располагают в пазах магнитного сердечника несколькими последовательными витками. С целью уменьшения числа пересечений на торцах катушек обмотка может быть выполнена в виде многослойной концентрической кабельной обмотки. Кабель, для лучшего использования магнитного сердечника, может быть выполнен со скошенной изоляцией, для чего форма пазов может быть подогнана под скошенную изоляцию обмотки.

Значительное преимущество вращающейся электрической машины, в соответствии с изобретением, заключается в том, что поле земли (Е поле) в зоне торцов катушек снаружи наружного полупроводникового слоя близко к нулю, и в том, что при наличии наружной оболочки, находящейся под земным потенциалом, электрическое поле не требует регулирования. Это означает, что поле не концентрируется ни внутри листов, ни в зонах торцов катушек, ни в переходах между ними.

Настоящее изобретение относится также к способу управления электрическим полем в электромагнитном устройстве для силовых энергосистем, определенному в п.37 формулы изобретения.

Изобретение относится также к способу изготовления магнитной цепи, определенному в п.38 формулы, в соответствии с которым гибкий кабель вворачивается в отверстия пазов магнитного сердечника вращающейся электрической машины будучи используемым в качестве обмотки. Поскольку кабель гибок, он может быть согнут, что позволяет размещать его в катушке в виде нескольких витков. В этом случае торцы катушек будут образованы участками сгиба кабелей. Кабель может быть также сочленен таким образом, что его свойства остаются постоянными по всей его длине. Этот способ значительно проще известных способов. Так называемые стержни Рёбеля не являются гибкими, но им может быть предварительно придана требуемая форма. Применяемая при изготовлении современных вращающихся электрических машин пропитка является очень сложным и дорогостоящим технологическим приемом.

Резюмируя, можно сказать, что вращающаяся электрическая машина, в соответствии с изобретением, обладает рядом значительных преимуществ над соответствующими известными машинами. Прежде всего, она может быть непосредственно подключена к силовой энергосети при всех уровнях высокого напряжения. Под высоким напряжением здесь подразумеваются напряжения, превышающие 1 0 кВ и до значений напряжений, под которыми могут работать силовые энергосети. Другое важное преимущество состоит в том, что выбранный потенциал, например потенциал земли, согласованно распределяется по всей обмотке, благодаря чему зона торцов катушек может быть выполнена компактной, а упомянутые крепежные средства в этой зоне могут находиться под практически земным или любым другим выбранным потенциалом. Еще одно важное преимущество заключается в том, что во вращающейся электрической машине не требуются базирующиеся на масле изоляционные и охлаждающие системы, о чем говорилось выше в отношении силовых трансформаторов/реакторов. Это означает отсутствие проблем уплотнения и отказ от применения упомянутого диэлектрического кольца. Преимущество также состоит в том, что всякое принудительное охлаждение может быть выполнено в конструкции, находящейся под земным потенциалом.

Краткое описание чертежей

Ниже будет дано более конкретное описание примеров осуществления изобретения со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:

фиг. 1 - вид с частичным вырывом, иллюстрирующий элементы, содержащиеся в электрическом модифицированном стандартном кабеле;

фиг. 2 - осевой вид торца сектора или полюсного деления магнитной цепи, в соответствии с изобретением;

фиг. 3 - вид, иллюстрирующий распределение электрического поля вокруг обмотки стандартного силового трансформатора/реактора;

фиг. 4 - перспективный вид, иллюстрирующий пример осуществления силового трансформатора, в соответствии с изобретением;

фиг. 5 - поперечное сечение кабеля, модифицированного по отношению к кабелю, показанному на фиг. 1 , и содержащего несколько проводников; и фиг. 6 - поперечное сечение другого кабеля, содержащего несколько проводников, но иной, чем на фиг. 5, конструкции.

Описание предпочтительных примеров осуществления

Вращающаяся электрическая машина в соответствии с фиг. 1 и 2

Важным условием для возможности изготовления магнитной цепи, в соответствии с описанием изобретения, является использование для обмотки электрического кабеля со сплошной электрической изоляцией с внутренним полупроводниковым слоем или оболочкой между изоляцией и одним или более проводниками, расположенными внутри этого слоя, и наружным полупроводниковым слоем или оболочкой, расположенным снаружи изоляции. Такие кабели используют в качестве стандартных кабелей в других инженерных областях, связанных с силовыми установками, а именно при передаче энергии. Для возможности описания примера осуществления изобретения сначала будет дано краткое описание стандартного кабеля. Внут23 ренний токонесущий проводник содержит ряд неизолированных жил. Вокруг жил расположен внутренний полупроводниковый слой. Вокруг этого полупроводникового слоя расположен слой сплошной изоляции. Сплошная изоляция выполняется из полимерного материала, характеризуемого низкими электрическими потерями и высокой прочностью на пробой. В качестве примеров конкретных полимерных материалов можно упомянуть полиэтилен (РЕ) и особенно сетчатый полиэтилен (XLPE), а также этиленпропилен (ЕР). Вокруг наружного полупроводникового слоя могут быть предусмотрены металлический экран и наружная изоляционная оболочка. Полупроводниковые слои выполнены из полимерного материала, например, сополимера этилена с электропроводящей составляющей, например, проводящей сажей или углеродной сажей. Такие кабели названы дальше силовыми кабелями.

Предпочтительный пример осуществления кабеля для обмотки вращающейся электрической машины показан на фиг. 1. Кабель 1 содержит проводник 2 тока, включающий сгруппированные неизолированные и изолированные жилы. Могут использоваться также электромеханически сгруппированные жилы с экструдированной изоляцией. Эти жилы могут быть скручены/сгруппированы в несколько слоев. Вокруг проводника 2 расположен внутренний полупроводниковый слой 3, который, в свою очередь, окружен однородным слоем сплошного изоляционного материала. Изоляция 4 не является изоляцией жидкого или газообразного типа. Слой 4 изоляции окружен наружным полупроводниковым слоем 5. Кабель, используемый в предпочтительном примере осуществления в качестве обмотки, может быть предусмотрен с металлическим экраном и наружной оболочкой, но это нежелательно. С целью устранения наведенных токов и связанных с ними потерь в наружном полупроводниковом слое 5 этот слой разделяется разрезкой предпочтительно в торце катушки, т. е. в переходах от листового пакета к торцевым обмоткам. Разделение осуществляют так, чтобы указанный слой 5 разделялся на несколько частей, расположенных вдоль кабеля, которые полностью или частично электрически разделены друг с другом. Каждая отдельная часть слоя 5 затем заземляется, благодаря чему слой 5 оказывается на протяжении всего кабеля под земным или близким к нему потенциалом. Это означает, что вокруг обмотки, изолированной сплошной изоляцией у торцов катушек, контактные поверхности, а также поверхности, загрязненные после некоторого периода эксплуатации, будут находиться под очень незначительным потенциалом по отношению к земле, который вызовет очень незначительные электрические поля.

Для оптимизации работы вращающейся электрической машины конструкция элементов магнитной цепи, таких как пазы и зубцы имеет решающее значение. Как упоминалось, пазы должны располагаться насколько возможно близко к оболочке сторон катушек. Желательно также, чтобы зубцы на каждом радиальном уровне были насколько возможно широкими. Это важно для сведения до минимума потерь, для удовлетворения требованиям намагничивания и т. д. машины.

При использовании в качестве проводника для обмотки, например, описанного выше кабеля появляются большие возможности оптимизации магнитного сердечника с нескольких точек зрения. Ниже будет описана магнитная цепь статора вращающейся электрической машины. На фиг. 2 показан осевой вид с торца сектора 6 с делением полюсов машины, в соответствии с изобретением. На этой фигуре ротор с роторным полюсом обозначен позицией 7. Статор, как обычно, состоит из пластинчатого сердечника, набранного из выполненных из электротехнической стали пластин или листов, которым удачно придана форма сектора. Из тыльной части 8 сердечника, расположенной у радиально крайнего торца, радиально внутрь в направлении ротора выступают ряд зубцов 9. Между зубцами расположен соответствующий ряд пазов 10. Использование кабелей 11, описанных выше, кроме всего прочего, позволяет увеличить глубину пазов для высоковольтных машин по сравнению с известными машинами. Пазы имеют поперечное сечение, суживающееся в направлении ротора, поскольку для каждого слоя обмотки необходимость изоляции кабеля в направлении воздушного зазора уменьшается. Как видно на фиг. 2, паз имеет круглое поперечное сечение 1 2 и расположен вокруг каждого слоя обмотки с суживающимися участками 1 3 между слоями. С некоторой оговоркой такое сечение паза может быть названо циклическим цепным пазом. В примере осуществления, показанном на фиг. 2, используют кабели трех различных размеров, расположенных посекционно в трех секциях 1 4, 1 5 и 1 6 соответствующих размеров, т. е. с получением на практике модифицированного циклического цепного паза. На этой фигуре также видно, что зубцы статора имеют практически постоянную ширину по всей глубине паза.

В соответствии с альтернативным примером осуществления, используемый в качестве обмотки кабель может быть стандартным силовым кабелем, описанным выше. Заземление наружного полупроводникового слоя осуществляют через металлический экран и оболочку кабеля, вскрывая их для этой цели в соответствующих местах.

Изобретение охватывает большое число альтернативных вариантов осуществления в зависимости от размеров имеющегося кабеля, когда речь идет об изоляции наружного полупроводникового слоя и т. д. Кроме того, приме25 ры осуществления с так называемыми циклическими цепными пазами могут быть модифицированы в большей степени, чем здесь описано.

Как упоминалось выше, магнитная цепь может находиться в статоре и/или роторе вращающейся электрической машины. Однако конструкция магнитной цепи будет, главным образом, соответствовать данному выше описанию независимо от того, расположена ли она в статоре и/или роторе.

В качестве обмотки используют, предпочтительно, многослойную концентрическую кабельную обмотку. Такая обмотка до минимума сводит число пересечений у торцов катушек путем помещения всех катушек внутри одной группы радиально снаружи друг друга. Это также обеспечивает упрощенный способ изготовления статорной обмотки и ее вворачивания в различные пазы. Поскольку используемый в соответствии с изобретением кабель легко сгибаем, обмотку можно получить с помощью сравнительно простой операции вворачивания гибкого кабеля в отверстия 12 пазов 10.

Силовой трансформатор/реактор (фиг. 3 и 4)

На фиг. 3 показан упрощенный, основной вид, иллюстрирующий распределение электрического поля вокруг обмотки стандартного силового трансформатора/реактора, на котором позицией 17 обозначена обмотка, позицией 18 сердечник и позицией 19 - эквипотенциальные линии, т. е. линии, где электрическое поле имеет одинаковую величину. Предполагается, что нижняя часть обмотки заземлена, т.е. находится под потенциалом земли.

Распределение потенциала определяет структуру изоляционной системы, поскольку необходимо иметь достаточную изоляцию между смежными витками обмотки и между каждой обмоткой и землей. Фиг. 3, таким образом, показывает, что изоляция верхней части обмотки подвержена очень высоким нагрузкам. Конструкция и расположение обмотки относительно сердечника определяется, таким образом, в основном, распределением электрического поля в окошке сердечника.

Кабель, который может быть использован в обмотках сухих трансформаторов/реакторов, в соответствии с изобретением, описан со ссылкой на фиг. 1 . Как указывалось ранее, кабель может быть предусмотрен с другими дополнительными наружными слоями для специальных целей, например, для предотвращения чрезмерных электрических нагрузок на другие зоны трансформатора/реактора. Площадь проводников кабеля составляет 2-3000 мм², а наружный диаметр кабеля составляет 20-250 мм.

Обмотки силового трансформатора/реактора, изготовленные из кабеля, описанного здесь в разделе Краткое изложение сущности изобретения могут быть использованы для однофазных, трехфазных и многофазных трансформаторов/реакторов независимо от формы сердечника. На фиг. 4 показан пример осуществления трехфазного трансформатора с пластинчатым сердечником. Сердечник содержит, как обычно, три стержня 20, 21 и 22 и удерживающие ярма 23 и 24 (поперечины). В этом примере осуществления стержни и ярма имеют суживающееся по их длине поперечное сечение.

Вокруг стержней сердечника концентрически расположены образованные кабелем обмотки. Как следует из фиг. 4, этот пример осуществления имеет обмотки, каждая, образованная тремя концентрическими витками 25, 26 и 27. Крайний внутренний виток 25 может служить в качестве первичной обмотки, а два других обмоточных витка 26 и 27 в качестве вторичных обмоток. Чтобы не перегружать фиг. 4 слишком большим количеством деталей, не показаны соединения обмоток. С другой стороны, на этой фигуре видно, что в определенных местах вокруг обмоток расположены промежуточные стержни 28 и 29, выполняющие несколько различных функций. Указанные промежуточные стержни, которые могут быть выполнены из изоляционного материала, предназначены для обеспечения определенного пространства между концентрическими обмоточными витками для их охлаждения, крепления и т.д. Эти стержни могут быть также выполнены из электропроводящего материала с тем, чтобы составлять, таким образом, часть системы заземления обмоток.

Альтернативные конструкции кабеля

В варианте конструкции кабеля, показанной на фиг. 5, используются те же ссылочные позиции, что и на фиг. 1 , но только с добавлением буквы а. В этом примере осуществления кабель содержит несколько электрических проводников 2а, разделенных изоляцией 4а. Другими словами, изоляция 4а служит в качестве изоляции между отдельными смежными проводниками 2а и между последними и окружающими их элементами. Различные проводники 2а могут располагаться различным образом в кабелях различного сечения. Как показано на фиг.5, проводники 2а располагаются на прямой линии при относительно плоском поперечном сечении кабеля. Из этого можно сделать вывод, что форма сечения кабеля может изменяться в широких пределах.

В примере осуществления, показанном на фиг.5, напряжение между смежными проводниками предположительно меньше фазного напряжения. В частности, предполагается, что проводники 2а по разному намотаны в обмотке, вследствие чего напряжение между смежными проводниками является сравнительно низким.

Как упоминалось выше, полупроводниковый наружный слой 5а снаружи изоляции 4а образуется из сплошного изоляционного материала. Вокруг каждого проводника 2а расположен внутренний слой 3а из полупроводникового материала, т.е. каждый проводник имеет свой собственный окружающий его внутренний полупроводниковый слой 3а. Этот слой 3а будет, соответственно, служить для уравнивания потенциала в отношении отдельного проводника.

В варианте конструкции кабеля, показанной на фиг.6, используются те же ссылочные позиции, что и на фиг. 1, но с добавлением буквы b. В этом варианте предусмотрены три проводника 2b. Предполагается, что между этими проводниками существует фазное напряжение, т.е. значительно более высокое напряжение, чем между проводниками 2а в примере осуществления в соответствии с фиг. 5. Как показано на фиг. 6, внутри внутреннего полупроводникового слоя 3b расположено три проводника 2b. Однако каждый проводник 2b окружен дополнительно собственным слоем 30, свойства которого соответствуют свойствам упомянутого внутреннего слоя 3b. Между каждым слоем 30 и слоем 3b расположен изоляционный материал. Соответственно, слой 3b будет служить в качестве уравнивающего потенциал слоя снаружи дополнительных слоев 30 из полупроводникового материала, являющихся, таким образом, электрическими проводниками, причем слои 30, будучи связанными с соответствующими электропроводниками 2b, находятся под тем же потенциалом, что и соответствующие проводники.

Возможные модификации

Очевидно, что изобретение не ограничено только описанными выше примерами осуществления. Специалисту понятно, что в пределах основной концепции изобретения, определенной приложенными пунктами формулы изобретения, возможен ряд соответствующих детализированных модификаций. Например, изобретение не ограничивается только особыми материалами, приведенными выше в качестве примеров. Вместо них могут использоваться другие материалы с соответственно подобными функциональными назначениями. При изготовлении изоляции, в соответствии с изобретением, возможны иные, чем экструзия и напыление, технологические приемы для обеспечения плотного контакта между различными слоями. Кроме того, могут быть предусмотрены дополнительные эквипотенциальные слои. Например, один или более эквипотенциальных слоев из полупроводникового материала могут быть расположены между упомянутыми выше внутренним и наружным слоями изоляции.

Claims (40)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1 . Электромагнитное устройство, содержащее электрическую цепь, генерирующую магнитное поле, включающую, по меньшей мере, один электрический проводник с изоляционной системой, при этом изоляционная система содержит электрическую изоляцию (4), образованную сплошным изоляционным материалом, и наружный слой (5) снаружи изоляции (4), электропроводность которого выше, чем изоляции (4), что делает наружный слой (5) способным при его заземлении или же при соединении с относительно низким потенциалом выполнять функцию уравнивания потенциала и, по существу, заключать электрическое поле, создаваемое указанным электрическим проводником (2), внутри себя, причем изоляционная система содержит внутри изоляции (4) внутренний слой (3), а, по меньшей мере, один электрический проводник (2) расположен внутри внутреннего слоя (3), при этом электропроводность внутреннего слоя (3) меньше электропроводности проводника (2), но достаточна для выполнения этим слоем функции уравнивания потенциала и, соответственно, электрического поля снаружи внутреннего слоя (3).
2. 2. Электромагнитное устройство, содержащее, по меньшей мере, один электрический проводник (2) с изоляционной системой, причем изоляционная система содержит, по меньшей мере, два потенциальных слоя (3, 5), а между этими слоями - электрическую изоляцию (4) из сплошного изоляционного материала, причем указанные потенциальные слои и изоляция обладают, по существу, подобными тепловыми свойствами.
3. 3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один проводник (2) образует, по меньшей мере, один индуктивный виток.
4. 4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что внутренний и/или наружный слой (3, 5) содержат полупроводниковый материал.
5. 5. Устройство по любому из пп. 1 -4, отличающееся тем, что внутренний слой (3) и/или наружный слой (5) имеют удельное сопротивление в диапазоне 10^-6 Ом-см - 100 кОм-см, годное 10^-3-1000 Ом-см, предпочтительное 1-500 Ом-см.
6. 6. Устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что внутренний слой (3) и/или наружный слой (5) имеют сопротивление, которое на 1 м длины слоя составляет 50 мкОм - 5 МОм.
7. 7. Устройство по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что сплошная изоляция (4), внутренний слой (3) и/или наружный слой (5) выполнены из полимерных материалов.
8. 8. Устройство по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что внутренний слой (3) и/или наружный слой (5) и сплошная изоляция (4) жестко связаны друг с другом, по существу, по всей поверхности раздела.
9. 9. Устройство по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что внутренний слой (3) и/или наружный слой (5) и сплошная изоляция (4) выполнены из материалов, имеющих, по существу, одинаковый коэффициент теплового расширения.
10. 10. Устройство по любому из пп.1-9, отличающееся тем, что сплошную изоляцию (4) получают экструзией.
11. 11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что внутренний слой (3) и/или наружный слой (5) получают экструзией одновременно с экструзией сплошной изоляции (4).
12. 1 2. Устройство по любому из пп. 1 -11, отличающееся тем, что проводник (2) и изоляционная система представляют обмотку, образованную гибким кабелем (1 ).
13. 1 3. Устройство по п. 1 2, отличающееся тем, что площадь, по меньшей мере, одного электрического проводника кабеля составляет 2-3000 мм², а наружный диаметр кабеля составляет 20250 мм.
14. 14. Устройство по любому из пп.1-13, отличающееся тем, что внутренний слой (3) и/или наружный слой (5) содержат полимерный материал, включающий электропроводную составляющую.
15. 15. Устройство по любому из пп.1-14, отличающееся тем, что внутренний слой (3) находится в электрическом контакте, по меньшей мере, с одним электрическим проводником (2).
16. 16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один электрический проводник (2) содержит ряд жил, причем, по меньшей мере, одна жила электрического проводника (2), по меньшей мере, частично неизолирована и находится в электрическом контакте с внутренним слоем (3).
17. 1 7. Устройство по любому из пп. 1 -1 6, отличающееся тем, что внутри внутреннего слоя (3b) расположено несколько изолированных друг от друга электрических проводников (2b).
18. 18. Устройство по п. 17, отличающееся тем, что внутренний слой (3b) расположен вокруг каждого из указанных нескольких электрических проводников (2b).
19. 19. Устройство по п.17, отличающееся тем, что внутри внутреннего слоя (3b) имеются дополнительные слои (30) вокруг каждого из нескольких проводников (2b), причем свойства дополнительных слоев (30) соответствуют свойствам внутреннего слоя.
20. 20. Устройство по любому из пп.1-19, отличающееся тем, что проводник (2) и его изоляционная система предназначены для высокого напряжения свыше 10 кВ, в частности, свыше 36 кВ, и, предпочтительно, выше 72,5 кВ.
21. 21 . Устройство по любому из пп. 1 -20, отличающееся тем, что наружный слой (5) разделен на несколько частей, которые по отдельности заземлены или же соединены с низким потенциалом.
22. 22. Устройство по любому из пп. 1 -21 , отличающееся тем, что оно представляет собой вращающуюся электрическую машину.
23. 23. Устройство по п.22, отличающееся тем, что генерирующая магнитное поле электрическая цепь расположена в статоре и/ или роторе машины.
24. 24. Устройство по любому из пп.22-23, отличающееся тем, что генерирующая магнитное поле электрическая цепь содержит один или более магнитных сердечников (8) с пазами (10) для обмотки (1 ).
25. 25. Устройство по любому из пп.22-24, отличающееся тем, что при заземлении наружного слоя (5) электрическое поле машины снаружи наружного слоя в пазах (1 0) и в зоне торцов катушек будет близко к нулю.
26. 26. Устройство по любому из пп.22-25, отличающееся тем, что пазы (10) образованы в виде ряда цилиндрических отверстий (12), разделенных узким суживающимся участком (13) между этими отверстиями.
27. 27. Устройство по п.26, отличающееся тем, что поперечное сечение отверстий пазов (10) уменьшается от тыльного участка магнитного сердечника (8).
28. 28. Устройство по п.27, отличающееся тем, что поперечное сечение пазов (1 0) уменьшается непрерывно или прерывисто.
29. 29. Устройство по любому из пп.22-28, отличающееся тем, что оно представляет собой генератор, двигатель или синхронный компенсатор.
30. 30. Устройство по п.29, отличающееся тем, что генератор представляет собой гидрогенератор или турбогенератор.
31. 31. Устройство по любому из пп.22-30, отличающееся тем, что оно непосредственно без промежуточного трансформатора подключается к силовой энергосети, работающей под высоким напряжением порядка 36 кВ и более.
32. 32. Устройство по любому из пп.1-21, отличающееся тем, что оно представляет собой силовой трансформатор/реактор.
33. 33. Устройство по п.32, отличающееся тем, что оно содержит магнитный сердечник.
34. 34. Устройство по пп.32 или 33, отличающееся тем, что оно представляет собой воздушный трансформатор, изготовленный без магнитного сердечника.
35. 35. Устройство по любому из пп.32-34, отличающееся тем, что содержит, по меньшей мере, две гальванически развязанных обмотки, причем обмотки (25-27) расположены концентрически по отношению друг к другу.
36. 36. Высоковольтная электросиловая установка, содержащая одно или более электромагнитных устройств по любому из пп.1-35.
37. 37. Силовая энергосеть, содержащая одно или более электромагнитных устройств по любому из пп.1-35.
38. 38. Способ управления электрическим полем в электромагнитном устройстве, содержащем генерирующую магнитное поле цепь, имеющую, по меньшей мере, одну обмотку (1), по меньшей мере, с одним электрическим проводником (2) и электроизоляцией (4) снаружи электрического проводника (2), при этом изоляцию (4) выполняют из сплошного изоляционного материала, снаружи изоляции (4) предусматривают наружный слой (5), который заземляют или же соединяют с относительно низким потенциалом, причем наружный слой имеет электропроводность выше, чем у изоляции (4), но ниже, чем у электрического проводника (2), что позволяет слою (5) выполнять функцию уравнивания потенциала и заключать в обмотке, расположенной внутри наружного слоя (5), электрическое поле, при этом внутренний слой (3) располагают внутри сплошной изоляции (4) и, по меньшей мере, один проводник (2) располагают внутри внутреннего слоя (3), электропроводность которого ниже, чем у электрического проводника (2), но достаточна для возможности выполнения этим слоем функции уравнивания электрического поля, имеющегося снаружи внутреннего слоя (3).
39. 39. Способ изготовления магнитной цепи для вращающейся электрической машины, за- ключающийся в том, что магнитную цепь располагают в статоре и/или роторе вращающейся электрической машины, причем магнитная цепь содержит магнитный сердечник (8) с пазами (10) для обмотки, образованными отверстиями (12), в качестве обмотки используют высоковольтный гибкий кабель (1 ), причем этот высоковольтный кабель вворачивают в отверстия (12).
40. 40. Кабель для образования в электромагнитном устройстве генерирующей магнитное поле обмотки, содержащий, по меньшей мере, один электрический проводник (2) с изоляционной системой, включающей, по меньшей мере, два потенциальных слоя, между которыми расположена изоляция, выполненная из сплошного электрически изоляционного материала, причем потенциальные слои и сплошная изоляция обладают, по существу, подобными тепловыми свойствами.