EA001869B1 - Трансформаторы с осевым воздушным охлаждением - Google Patents

Abstract

Силовой трансформатор (1) содержит трансформаторный сердечник, обмотанный высоковольтным кабелем (111), который состоит из сердцевины, имеющей множество жил (112), внутреннего полупроводящего слоя (113), окружающего сердцевину, изолирующего слоя (114), окружающего внутренний полупроводящий слой (113), и внешнего полупроводящего слоя (115), окружающего изолирующий слой (114), причем обмотка снабжена разделителями (4, 12) для разделения всех витков кабеля в обмотке в радиальном направлении, чтобы создать осевые цилиндрические каналы (3) охлаждения.

Description

Настоящее изобретение относится к силовым трансформатором с обмоткой из проводника с воздушным охлаждением и к способу воздушного охлаждения таких трансформаторов.

Уровень техники

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

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

Для мощных силовых трансформаторов с обмоткой из проводника требования к охлаждению повышаются. Для удовлетворения требований по охлаждению всех обмоток необходима принудительная конвекция. Естественной конвекции недостаточно для охлаждения проводных обмоток. Важно обеспечить короткий путь для отводимого тепла до хладагента, а также эффективную передачу тепла хладагенту. Поэтому важно, чтобы все обмотки имели непосредственный контакт с достаточным количеством хладагента.

Известен проводник, описанный в патенте И8 5036165, в котором имеются внутренний и внешний слои изоляции из полупроводящего пиролитического стекловолокна. Известно также использование проводников с такой изоляцией в электрическом генераторе, как описано, например, в патенте и8 5066881, где слой из полупроводящего пиролитического стекловолокна находится в контакте с двумя параллельными стержнями, образующими проводник, а изоляция в пазах статора окружена внешним слоем полупроводящего пиролитического стек ловолокна. Пиролитическое стекловолокно считается подходящим, так как оно сохраняет свое удельное сопротивление даже после пропитки.

Цель изобретения

Целью изобретения является создание устройства, выполненного согласно формуле изобретения, то есть устройства такого типа, как описанное во вводной части, которое обеспечивает воздушное охлаждение силового трансформатора с кабельной обмоткой, включающей высоковольтный проводник описанного здесь типа. В первом варианте выполнения изобретения осевые цилиндрические каналы, где хладагент распределяется должным образом, сформированы между всеми витками в обмотках, чтобы удовлетворить различные требования, предъявляемые к обмоткам. Цилиндрические каналы созданы введением разделителей при намотке катушки. Поток хладагента обеспечивается с помощью вентиляторов, а размер разделителей выбран так, чтобы обеспечить такой поток через каналы, который обеспечивает требуемое охлаждение отдельных обмоток.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение относится к силовому трансформатору, содержащему трансформаторный сердечник, обмотанный кабелем, причем в обмотке установлены разделители, разделяющие все витки кабеля обмотки в радиальном направлении для создания осевых цилиндрических каналов.

Таким образом, первый вариант выполнения изобретения включает осевые цилиндрические каналы охлаждения, которые проходят между всеми витками обмотки, расположенными один над другим, причем указанные каналы образованы с помощью разделителей, установленных при намотке катушки. Кроме того, цилиндрический канал имеется между стержнями сердечника и первым слоем кабеля, ближайшим к сердечнику. Этот вариант выполнения изобретения включает также вентиляторы для продувки воздуха через осевые цилиндрические каналы. Размеры разделителей в каналах выбраны так, чтобы обеспечить различное сопротивление потоку, таким образом распределяя поток хладагента так, чтобы удовлетворить требованиям к охлаждению в индивидуальных осевых каналах, поскольку требования к охлаждению обмоток неодинаковы. Несмотря на то, что в качестве хладагента упоминается воздух, подходящими являются и другие газовые хладагенты, например газообразный гелий.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Краткое описание чертежей

Ниже изобретение описано более подробно со ссылками на сопровождающие чертежи.

На фиг. 1 в перспективе показан один из вариантов выполнения силового трансформатора согласно изобретению;

на фиг. 2а - вид сверху обмоток с охлаждающими каналами, разделителями и внешним покрытием для первого варианта выполнения настоящего изобретения;

на фиг. 2Ь - вид сбоку варианта выполнения изобретения, изображенного на фиг.2а, в котором на каждую катушку приходится по одному вентилятору;

на фиг. 3 - сечение катушки, изготовленной согласно варианту выполнения изобретения, показанному на фиг. 1 , с осевыми каналами между обмотками;

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

Подробное описание изобретения

На фиг. 1 показан вариант выполнения изобретения, относящийся к силовому трансформатору 1 с тремя катушками 2, каждая из которых содержит ряд обмоток, состоящих из витков, отделенных в радиальном направлении осевыми разделителями 4 для создания осевых концентрических каналов 3 охлаждения. Трансформатор имеет обычный железный сердечник.

На фиг. 2а показан вид сверху трехфазного силового трансформатора 1, имеющего обмотки 2, образующие катушки с каналами 3 охлаждения, созданными с помощью проходящих в осевом направлении разделителей 4, установленных между всеми радиально лежащими витками обмотки. Распределение разделителей 4 в показанном варианте выполнения таково, что в каждом концентрическом канале 3 охлаждения находится шесть разделителей. С точки зрения охлаждения форма и материал разделителей деталей имеют второстепенное значение. Механические, магнитные и электрические параметры трансформатора определяют форму, количество и материал разделителей. На чертеже показано также ярмо 5 трансформатора, которое составляет часть железного сердечника. Ярмо показано в сечении и имеет продольные трубки 6 охлаждения. Каждая катушка обмотки также окружена вентиляционным каналом 7, внутри которого проходит воздух. Для разных обмоток требования к охлаждению различаются, что означает, что охлаждающие потоки в концентрических каналах разные. Для достижения надлежащего распределения хладагента каналы имеют разные размеры в радиальном направлении, чтобы создать различное сопротивление потоку воздуха и, таким образом, распределить поток в соответствии с потребностями каналов. Таким образом, каналы, которым требуется небольшое охлаждение, имеют меньший размер в радиальном направлении, чем каналы, которым требуется большее охлаждение и которые поэтому имеют больший размер в радиальном направлении. Трансформатор с обмоткой из кабеля, опи санный в этом варианте выполнения изобретения, имеет большие расстояния между низковольтными обмотками, то есть обмотками, наиболее близкими к сердечнику, чем между высоковольтными обмотками.

На фиг. 2Ь показан вид сбоку силового трансформатора, изображенного на фиг. 2а и имеющего соответствующие обмотки и соответствующее ярмо 5 с тремя стержнями 8, образующими железный сердечник. Вентиляционный канал 7 на одном конце катушек образует кожух 9 вентилятора, в котором установлен, по меньшей мере, один вентилятор 10. В варианте выполнения изобретения, изображенном на этом чертеже, показаны три вентилятора, установленные вблизи соответствующих катушек для создания воздушного потока в осевых цилиндрических каналах 3 охлаждения. Катушки заключены во внешний цилиндрический кожух 11 для предотвращения утечки воздуха в радиальном направлении и для направления воздуха в осевом направлении через катушки. Кожух 11 вокруг наружной кабельной обмотки образует внешний канал для охлаждения внешней части наружной кабельной обмотки. Понятно также, что в этом варианте выполнения изобретения для каждой катушки имеется свой вентилятор. Каждый вентилятор 10 может подавать воздух или отводить его через катушку. Вентиляционный канал 7 со стороны катушки, противоположной вентилятору 10, полностью открыт для протекания воздуха внутрь или наружу, в зависимости от того, подает ли вентилятор воздух или отводит его. Со стороны вентилятора канал 7 имеет отверстия того же назначения.

На фиг. 3 показано сечение катушки с осевыми цилиндрическими каналами 3 охлаждения между всеми радиальными обмотками 2. Здесь установлены также разделители для создания осевого канала охлаждения между стержнями 8 сердечника и ближайшей к сердечнику обмоткой. Каналы охлаждения образованы разделителями, помещенными между обмотками, см. фиг.2а. Разделители расположены в поперечном сечении по окружности и проходят в осевом направлении. Разделители устанавливают между витками обмотки при намотке катушки. Стрелки на чертеже указывают направление воздушного потока через обмотки катушки. Воздух может течь вдоль стрелок или навстречу в зависимости от того, подает ли вентилятор воздух или отводит его.

На фиг. 4 показано сечение высоковольтного кабеля 111 для использования в обмотке трансформатора согласно настоящему изобретению. Высоковольтный кабель 111 содержит множество жил 112, например из меди (Си), с круглым поперечным сечением. Эти жилы 112 находятся в середине высоковольтного кабеля

111. Вокруг жил 112 расположен первый полупроводящий слой 113. Вокруг первого полупроводящего слоя 113 находится изолирующий слой 114, например с изоляцией из полиэтилена с межмолекулярными связями. Вокруг изолирующего слоя 114 расположен второй полупроводящий слой 115. Таким образом концепция высоковольтного кабеля в настоящей заявке не включает внешнюю оболочку, которая обычно окружает такие кабели, предназначенные для энергоснабжения. Диаметр высоковольтного кабеля лежит в диапазоне 20-250 мм, а площадь проводящей части - в диапазоне 40-3000 мм².

Изобретение не ограничено показанными примерами. В пределах объема изобретения возможны несколько модификаций. Например, нет необходимости в установке вентилятора для каждой катушки. Конструкция может иметь один вентилятор, обеспечивающий достаточный поток воздуха всем трем катушкам. Для достижения требуемого охлаждения воздух может или подаваться, или отводиться через катушки. Точно также жестко не устанавливается ни количество разделителей, ни их форма; для достижения надлежащего охлаждения возможно использование нескольких различных вариантов выполнения разделителей. Также не обязательно, чтобы разделители в первом варианте выполнения изобретения полностью проходили в осевом направлении - они могут размещаться по разному.

Другой модификацией является регулирование частоты вращения вентилятора при помощи температурных датчиков для осуществления различных условий охлаждения в зависимости от нагрузки трансформатора.

Кожух также может иметь множество других конструкций, кроме описанных выше вариантов выполнения. В качестве внешнего кожуха может быть использована наружная обмотка кабеля, а внешнее охлаждение может осуществляться посредством естественной конвекции.

Claims (13)

1. Силовой трансформатор (1), содержащий трансформаторный сердечник и отличающийся тем, что сердечник обмотан кабелем, который является высоковольтным кабелем (111) и содержит сердцевину, включающую множество жил (112), внутренний полупроводящий слой (113), окружающий сердцевину, изолирующий слой (114), окружающий внутренний полупроводящий слой (113), и внешний полупроводящий слой (115), окружающий изолирующий слой (114), причем обмотка снабжена разделителями (4, 12) для отделения каждого витка кабеля в обмотке в радиальном направлении так, чтобы создать осевые цилиндрические каналы (3) охлаждения.

2. Силовой трансформатор по п.1, отличающийся тем, что разделители (4, 12) проходят в осевом направлении между всеми витками обмотки.

3. Силовой трансформатор по п.2, отличающийся тем, что, по меньшей мере, шесть разделителей (4) распределены равномерно вокруг стержней (8) сердечника трансформатора.

4. Силовой трансформатор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что обмотка трансформатора снабжена кожухом (9) вентилятора, установленным с уплотнением на одном конце наружного витка обмотки, к этому кожуху присоединен вентилятор (10) для подачи или отвода газа, например воздуха, от всех витков обмотки в направлении вдоль оси (8) сердечника трансформатора.

5. Силовой трансформатор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что диаметр высоковольтного кабеля (111) лежит в диапазоне 20250 мм, а площадь проводящей части - в диапазоне 40-3000 мм².

6. Силовой трансформатор по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что кабель (111) является гибким и слои примыкают друг к другу.

7. Силовой трансформатор по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что указанные слои выполнены из материалов, имеющих такую эластичность и такой коэффициент теплового расширения, что изменения объема слоев, обусловленные температурными флуктуациями в процессе эксплуатации, поглощаются за счет эластичности материала и сохраняется адгезия слоев друг с другом при температурных флуктуациях, которые происходят в процессе эксплуатации.

8. Силовой трансформатор по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что материал указанных слоев имеет высокую эластичность, предпочтительно с модулем упругости меньшим, чем 500 МПа, а наиболее предпочтительно - меньшим, чем 200 МПа.

9. Силовой трансформатор по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что коэффициенты теплового расширения материалов указанных слоев по существу одинаковы.

10. Силовой трансформатор по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что адгезия между слоями, по меньшей мере, не меньше, чем прочность самого непрочного из материалов.

11. Силовой трансформатор по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что каждый из полупроводящих слоев по существу образует одну эквипотенциальную поверхность.

12. Способ воздушного охлаждения силового трансформатора с кабельной обмоткой, выполненного согласно любому из предыдущих пунктов, заключающийся в том, что с помощью, по меньшей мере, одного вентилятора (10) подают или отводят воздух вдоль поверхности стержней сердечника (8) трансформатора в осевом направлении между всеми витками обмотки.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что температурные датчики управляют скоростью вентилятора для создания надлежащего воздушного потока.