PL185200B1

PL185200B1 - Urządzenie elektryczne, indukcyjne, korzystnie transformator lub dławik, zwłaszcza transformator energetyczny

Info

Publication number: PL185200B1
Application number: PL97330800A
Authority: PL
Inventors: Mats Leijon
Original assignee: Abb Ab
Priority date: 1996-05-29
Filing date: 1997-05-27
Publication date: 2003-03-31
Also published as: PL330288A1; CN1225753A; AU714564B2; AP9801408A0; EA199801072A1; KR20000016121A; IS1798B; IL127307A0; WO1997045907A3; NO985582D0; WO1997045847A1; OA11018A; CN1225743A; PE73398A1; AR007341A1; CA2256347A1; EA001488B1; IL127316A0; PL330216A1; NO985581D0

Abstract

1 . Urzadzenie elektryczne, indukcyjne, korzystnie transformator lub dlawik, zwlaszcza transformator energetyczny, posiadajacy co najmniej jedno uzwojenie i rdzen, przy czym kazde uzwojenie sklada sie z co najmniej jedne- go przewodu pradowego znamienne tym, ze wokól kazdego przewodu (4) uzwojenia (1) jest umieszczona wewnetrzna warstwa pólprze wodzaca (6) w postaci plaszcza o wlasnosciach pólprzewodzacych, wokól której to wewnetrz- nej warstwy pólprzewodzacej (6) jest umiesz- czona warstwa izolacji stalej (7), a wokól warstwy izolacyjnej umieszczona jest zewne- trzna warstwa pólprzewodzaca (8) w postaci plaszcza o wlasnosciach pólprzewodzacych. Fig. 2 PL PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie elektryczne, indukcyjne, korzystnie transformator lub dławik, zwłaszcza transformator energetyczny, posiadający co najmniej jedno uzwojenie, który zgodnie z wynalazkiem charakteryzuje się tym, że każde jego uzwojenie składa się z co najmniej jednego przewodu prądowego, przy czym wokół każdego takiego przewodujest umieszczona wewnętrzna warstwa półprzewodząca w postaci płaszcza o własnościach poiprzewodzących. Wokół wewnętrznej warstwy półprzewodzącej umieszczonajest warstwa izolacji stałej, a wokół warstwy izolacyjnej znajduje się zewnętrzna warstwa półprzewodząca w postaci płaszcza o własnościach połprzewodzących.

Zgodnie z wynalazkiem, zewnętrzna warstwa półprzewodząca jest w kontakcie elektrycznym z elementem otoczenia, i stanowi powierzchnię ekwipotencjalną, która otacza przewód lub przewody.

Zewnętrzna warstwa półprzewodząca jest, korzystnie, połączona z potencjałem ziemi.

Wewnętrzna warstwa półprzewodząca, zgodnie z wynalazkiem, jest w styku z przewodem i ma w zasadzie taki sam potencjał jak przewód.

Obie warstwy półprzewodzące, wewnętrzna i zewnętrzna oraz warstwa izolująca są z materiału o takim samym współczynniku rozszerzalności cieplnej, dla zapobiegania uszkodzeniom, pęknięciom i im podobnym w warstwie granicznej pomiędzy warstwami półprzewodzącymi i izolacją, powstającym przy przemieszczeniach termicznych w uzwojeniu.

Każda z połprzewodzących warstw w postaci płaszcza przylega do sąsiadującej z nią warstwy izolacji stałej na całej sąsiadującej powierzchni.

Przy zmianach temperatury izolacja wraz z warstwami półprzewodzącymi stanowi swoisty monolit, w wyniku czego nie powstają uszkodzenia spowodowane różnicami temperatur w izolacji i sąsiednich warstwach.

Uzwoj enie lub uzwoj enia skonstruowane sąw postaci elastycznego kabla, który ma powierzchnie przewodzenia od 30 do 3000 mm², a którego zewnętrzna średnica wynosi od 20 do 250 mm.

Korzystnie, izolacja stała, wewnętrzna warstwa półprzewodząca i zewnętrzna warstwa półprzewodząca są, korzystnie, wykonane z polimerów, przy czym izolacja stała, korzystnie, jest wykonana za pomocą operacji wytłaczania.

185 200

Korzystnie, przewód prądowy składa się z szeregu żył odizolowanych od siebie i kilku żył, które co najmniej częściowo sąnieizolowane wzdłuż długości, w celu zapewnienia elektrycznego styku z wewnętrzną warstwą półprzewodząca. Korzystnie, jeśli przewód prądowy zawiera szereg żył odizolowanych od siebie, przy czym ma co najmniej jednąz żył, która nie jest izolowana na całej jej długości i wykonana tak, aby zapewnić styk z wewnętrzną warstwą półprzewodzącą·

W urządzeniu według wynalazku co najmniej jedno uzwojenie jest umieszczone na rdzeniu z materiału magnetycznego, przy czym rdzeń może stanowić żelazny rdzeń, składający się z kolumn i jarzm. W innym wykonaniu urządzenia według wynalazku co najmniej jedno uzwojenie urządzenia jest umieszczone na rdzeniu powietrznym, tworząc transformator powietrzny.

Uzwojenia, korzystnie, są nawinięte koncentrycznie i przyłączone do dwóch lub większej ilości poziomów napięcia, a końcówki co najmniej jednego uzwojenia wysokiego i/lub niskiego napięcia sąprzyłączone do kabla zasilającego, wykonane podobnie do końcówki (końcówek) kabla zasilającego.

W zasadzie, izolacja elektryczna w transformatorze lub w dławiku zgodnym z wynalazkiem jest zamknięta pomiędzy przewodem a zewnętrzną warstwą półprzewodzącą w postaci półprzewodzącego płaszcza. Izolacja taka ma postać izolacji stałej.

Transformator energetyczny może być chłodzony płynem i/lub gazem wykazującym potencjał ziemi.

Przy wytwarzaniu transformatora, jako uzwojenie, stosuje się, korzystnie elastyczny kabel.

Kabel, zastosowany zgodnie z wynalazkiem, jest udoskonalonym kablem z izolacją z materiału termoplastycznego i/lub z materiału termoplastycznego o krzyżowych połączeniach, takiego jak XLPE lub kablem z izolacją z kauczuku etylenowo-propylenowego (EP) lub innego kauczuku, na przykład silikonowego. Wynalazek obejmuje, między innymi, konstrukcję zarówno w odniesieniu do żył przewodów j ak i do tego, że kabel nie ma zewnętrznej osłony dla ochrony kabla przed mechanicznymi uszkodzeniami.

Izolacja, w skład której wchodzi taki kabel, z powodu występującego w niej rozkładu pola elektrycznego, spełnia zupełnie odmienne wymagania z izolacyjnego punktu widzenia od wymagań, które dotyczą uzwojeń konwencjonalnych transformatorów lub dławików. Aby wykorzystać zalety płynące z zastosowania wyżej wymienionego kabla można zastosować według wynalazku inne możliwości uziemienia transformatora niż te, które dotyczą konwencjonalnych olejowych transformatorów energetycznych.

Zgodnie z wynalazkiem końcówki uzwojeń wysokiego i niskiego napięcia mogą być wykonane albo w formie złączy kablowych, gdy przyłączone są do systemu kablowego albo listew zaciskowych kablowych (gdy przyłączone są do szaty rozdzielczej lub napowietrznej linii przesyłowej). Części te także zbudowane są ze stałego materiału izolacyjnego, spełniając w ten sposób takie same wymagania w zakresie wyładowań częściowych (PD) j ak cały system izolacyjny.

Zgodnie z wynalazkiem transformator lub dławik może mieć chłodzenie wewnętrzne albo zewnętrzne. Przez chłodzenie zewnętrzne rozumie się układ chłodzenia gazem lub płynem połączony z potencjałem ziemi, a przez chłodzenie wewnętrzne rozumie się układ chłodzenia gazem lub płynem na potencjale uzwojenia.

Natomiast przy wytwarzaniu uzwojeń transformatorów lub dławików z kabli skonstruowanych w sposób konwencjonalny, uzyskuje się drastyczne różnice w rozkładzie pola elektrycznego w konwencjonalnych transformatorach, dławikach i transformatorach energetycznych. Decydującą zaletą uzwojeń wykonanych z kabla w elektrycznych urządzeniach tego typu zgodnych z wynalazkiem jest to, że pole elektryczne zamkniętejest w uzwojeniu i że dzięki temu nie występuje ono na zewnątrz zewnętrznej warstwy półprzewodzącej. Pole elektryczne wytwarzane przez przewód prądowy obecne jest tylko w głównej izolacji stałej. Ma to znaczne zalety zarówno z punktu widzenia projektowania, jak i produkcji.

Główna zaleta tych urządzeń polega na tym, że projektuje się je bez potrzeby uwzględnienia rozkładu pola elektromagnetycznego i nie jest konieczne skręcanie żył omówione w części opisu, dotyczącej niedogodności rozwiązań znanych w stanie techniki.

185 200

Ponadto, przy konstruowaniu rdzenia nie ma potrzeby uwzględniania rozkładu pola elektromagnetycznego, a nadto nie jest wymagane stosowanie oleju jako izolacji elektrycznej uzwojenia, bowiem czynnikiem otaczającym uzwojenie może być powietrze, a tym samym olej nie jest konieczny dla chłodzenia uzwojenia. Chłodzenie może być dokonywane na potencjale ziemi, a czynnikiem chłodzącym może być gaz lub płyn.

Eliminuje się również konieczność stosowania specjalnych złączy dla połączeń elektrycznych pomiędzy zewnętrznymi łączami i bezpośrednio przyłączonymi cewkami/uzwojeniami, gdyż złącze elektryczne, w przeciwieństwie do konwencjonalnych maszyn, zintegrowane jest z uzwojeniem.

Nie ma także potrzeby stosowania tradycyjnych wyprowadzeń uzwojeń transformatorów i dławików. Zamiast tego można dokonać konwersji pola radialnego na osiowe na zewnątrz transformatora czy dławika, podobnie jak przy tradycyjnych końcówkach kabli.

Technologia produkcji i testowania transformatorów energetycznych lub dławików, zgodnych z wynalazkiem, jest znacznie prostsza, niż w przypadku konwencjonalnych urządzeń elektrycznych tego typu, gdyż niepotrzebne sąprocesy impregnacji, suszenia i wytwarzania próżni, opisane na wstępie opisu patentowego. Skraca to znacznie czas produkcji.

W wyniku zastosowania konstrukcji izolacji zgodnej z wynalazkiem wzrastają znacznie możliwości wytwarzania magnetycznego obwodu transformatora w porównaniu z poprzednim stanem techniki.

Wynalazek jest bliżej objaśniony na podstawie przykładu jego wykonania pokazanego na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia rozkład pola elektrycznego wokół uzwojenia konwencjonalnego urządzenia działającego jako transformator energetyczny lub dławik, fig. 2 ukazuje konstrukcję uzwojenia w formie kabla w transformatorach energetycznych lub dławikach, zgodnie z wynalazkiem, oraz fig. 3 ukazuje konstrukcję urządzenia transformatorowego, zgodnego z przedmiotowym wynalazkiem.

Na figurze 1 pokazano uproszczony i ogólny widok rozkładu pola elektrycznego wokół konwencjonalnego transformatora energetycznego dławika z uzwojeniem 1, rdzeniem 2, liniami ekwipotencjalnymi 3, to jest liniami obszaru, na którym pole elektryczne ma taką samąwielkość. Przyjmuje się, że dolna część uzwojenia 1 ma potencjał ziemi.

Rozkład potencjału określa budowę systemu izolacyjnego, gdyż niezbędne jest zapewnienie wystarczającej izolacji zarówno pomiędzy przylegającymi do siebie zwojami uzwojenia 1, jak i pomiędzy każdym zwojem i ziemią. Na rysunku pokazano, że górna część uzwojenia 1 podlega najwyższym naprężeniom dielektrycznym. Konstrukcja i rozmieszczenie uzwojenia 1 względem rdzenia 2 zależą, w podobny sposób, głównie od rozkładu pola elektrycznego w oknie rdzenia 2.

Na fiurze 2 pokazano przykładowy kabel, który może być zastosowany w uzwojeniach transformatorów energetycznych/dławików, zgodnie z wynalazkiem. Taki kabel posiada co najmniej jeden przewód 4, złożony z pewnej ilości żył 5 z wewnętrzną warstwąpółprzewodzącąó w postaci płaszcza, nałożoną wokół tych żył. Na zewnątrz tej wewnętrznej warstwy półprzewodzącej 6 znajduje się główna izolacja kabla w formie warstwy izolacji stałej 7, a wokół tej izolacji stałej znajduje się zewnętrzna warstwa półprzewodząca 8, również w postaci płaszcza. Warstwami półprzewodzącymi są, na przykład, wytłaczane warstwy odpowiedniego materiału termoplastycznego, takiego jak PE (polietylen) o połączeniach krzyżowych, XLPE i EPR (kauczuk etylenowo-propylenowy). Materiał izolacyjny powinien być materiałem o niskich stratach z wysokąwytrzymalościąna rozerwanie, kurczącym się przy obciążeniu, aby zredukować do minimum ryzyko występowania odkształceń lub uszkodzeń.

Zgodnie z wynalazkiem, zewnętrzna warstwa półprzewodzącą 8 powinna wykazywać takie właściwości elektryczne, które zapewnią wyrównanie potencjału wzdłuż przewodu 4. Zewnętrzna warstwa półprzewodzącą 8 nie może jednak wykazywać takich własności przewodnictwa, aby indukowany prąd powodował niepożądane obciążenia cieplne. Zatem, własności przewodnictwa tej warstwy musząbyć wystarczające dla zapewnienia uzyskania powierzchni o równym potencjale. Oporność właściwa p, zewnętrznej warstwy półprzewodzącej 8 musi mieć wartość co najmniej

185 200 p_min = 1 Qcm oraz najwyżej p_max = 100 kQcm, a ponadto rezystancja tej warstwy półprzewodzącej najednostkę długości w wymiarze osiowym R kabla musi wynosić co najmniej R_min = 50 Ω/m i najwyżej R_milx = 50 ΩΩ/m.

Natomiast wewnętrzna warstwa półprzewodząca 6 musi wykazywać wystarczającą przewodność elektryczną w celu oddziaływania w sposób wyrównujący potencjał i tym samym oddziaływać wyrównujące w odniesieniu do pola elektrycznego na zewnątrz wewnętrznej warstwy półprzewodzącej 6. W związku z tym ważne jest, żeby warstwa ta miała takie własności, aby wyrównywała wszelkie nieregulamości powierzchni przewodu 4 i aby tworzyła powierzchnię o równym potencjale i o wysokim stopniu gładkości powierzchni na warstwie graniczącej z izolacją stalą7. Warstwa ta może mieć różną grubość, lecz by zapewnić równą powierzchnię w odniesieniu do przewodu 4 i izolacji stałej 7 grubość ta powinna wynosić od 0,5 do 1 mm. Wewnętrzna warstwa półprzewodząca 6 w postaci płaszcza nie może jednak wykazywać tak dobrego przewodnictwa, które mogłoby wywoływać indukowanie napięć. Dla wewnętrznej warstwy półprzewodzącej 6 wartości oporności właściwej i rezystancji powinny mieścić się w granicach p_mm = 106Ω:ιη, R^_in = 50 μΩ/m oraz odpowiednio = 100 kΩcm, Rmax = 50Mft'm.

Jak podano uprzednio, kabel może być wyposażony w dodatkowe warstwy dla celów specjalnych, na przykład dla ochrony innych części transformatora/ dławika przed zbyt wysokimi elektrycznymi naprężeniami. Jeśli chodzi o wymiary geometryczne, omawiane kable utworzą powierzchnię przewodzenia od 30 do 3000 mm², a zewnętrzna średnica kabla wynosić będzie od 20 do 250 mm.

Uzwojenia transformatorów energetycznych/ dławików zgodnych z wynalazkiem, wykonywane z kabli omówionych w opisie wynalazku mogą być stosowane zarówno dla jednofazowych jak i trójfazowych i wielofazowych transformatorów jak i dławików, niezależnie od kształtu ich rdzeni. Jedna z konstrukcji pokazana jest na rysunku - fig. 3, przedstawiającym trójfazowy transformator z laminowanym rdzeniem. Rdzeń składa się, przy konwencjonalnym sposobie wykonania, z trzech kolumn rdzenia 9, 10 i 11 orazmocującychjarzm 12 i 13. Wpokazanej konstrukcji zarówno kolumny, jak i jarzma, mają przekroje zwężające się na brzegach.

Uzwojenia utworzone z kabla umieszczone sąkoncentrycznie wokół kolumn. Jak widać na fig. 3 w konstrukcji tej są trzy koncentryczne zwoje uzwojenia 14. 15 i 16. Umieszczone najbardziej od wewnątrz uzwojenie 14 może przedstawiać sobą uzwojenie pierwotne, a pozostałe dwa zwoje uzwojenia 15 i 16 mogą przedstawiać sobą uzwojenia wtórne. Zwykle, uzwojenie jest przystosowane do wysokich napięć, ponad 10 kV, w szczególności ponad 36 kV, a najlepiej ponad 72,5 kV i do bardzo wysokich napięć przesyłowych, takich jak 400 kV do 800 kV lub wyżej, a sam transformator lub dławik skonstruowany dla zakresu mocy powyżej 0,5 MVA, najlepiej ponad 30 MVA.

Aby nie przeładować nadmiernie rysunku zbyt wieloma szczegółami, nie pokazano połączeń uzwojeń. W konstrukcji pokazanej na rysunku występująpręty dystansowe 17 i 18, rozmieszczone w określonych punktach wokół uzwojeń, spełniaj ące różnorodne zadania. Pręty dystansowe 17,18 mogą być wykonane z materiału izolacyjnego i imajązapewniać określoną wolną przestrzeń pomiędzy koncentrycznymi zwojami uzwojenia 14 dla chłodzenia, mocowania itp. Mogą być one również wykonane z materiału przewodzącego prąd i stanowić będą część instalacji uziemiającej uzwojenie.

185 200

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz Cena 4.00 zt

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Urządzenie elektryczne, indukcyjne, korzystnie transformator lub dławik, zwłaszcza transformator energetyczny, posiadający co najmniej jedno uzwojenie i rdzeń, przy czym każde uzwojenie składa się z co najmniej jednego przewodu prądowego znamienne tym, że wokÓł każdego przewodu (4) uzwojenia (1) jest umieszczona wewnętrzna warstwa półprzewodząca (6) w postaci płaszcza o własnościach półprzewodzących, wokół której to wewnętrznej warstwy półprzewodzącej (6) jest umieszczona warstwa izolacji stałej (7), a wokół warstwy izolacyjnej umieszczona jest zewnętrzna warstwa półprzewodząca (8) w postaci płaszcza o własnościach półprzewodzących.
2. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że wewnętrzna warstwa półprzewodząca (6) jest w styku z przewodem (4).
3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że zewnętrzna warstwa półprzewodząca (8) jest w kontakcie elektrycznym z elementem otoczenia.
4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że zewnętrzna warstwa półprzewodząca (8) połączona jest z potencjałem ziemi.
5. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że wewnętrzna warstwa półprzewodząca (6) i zewnętrzna warstwa półprzewodząca (8) oraz warstwa izolacji stałej (7) są z materiału o takim samym współczynniku rozszerzalności cieplnej, do zapobiegania uszkodzeniom i pęknięciom w warstwie granicznej pomiędzy warstwami półprzewodzącymi i izolacją przy przemieszczeniach termicznych w uzwojeniu.
6. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że każda z półprzewodzących warstw wewnętrzna (6) i zewnętrzna (8), w postaci płaszcza przylega do sąsiadującej z nią warstwy izolacji stałej (7) zasadniczo na całej sąsiadującej powierzchni.
7. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że uzwojenia (1) są w postaci elastycznego kabla.
8. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że kabel ma powierzchnie przewodzenia od 30 do 3000 mm², a zewnętrzna średnica kabla wynosi od 20 do 250 mm.
9. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że izolacja stała (7) jest z polimerowego tworzywa sztucznego.
10. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że co najmniej jedna z warstw półprzewodzących (6,8) posiada strukturę utworzoną przez tworzywo polimerowe.
11. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że izolacja stała (7) posiada strukturę charakterystyczną dla formowania przez wytłaczanie.
12. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że przewód prądowy (4) składa się z szeregu żył odizolowanych od siebie i zawiera kilka żył co najmniej częściowo nieizolowanych wzdłuż ich długości, dla zapewnienia elektrycznego styku z wewnętrzną warstwą półprzewodzącą (6).
13. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że przewód prądowy (4) składa się z szeregu żył odizolowanych od siebie i zawiera co najmniej jednążyłę nieizolowmiąna całej długości.
14. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że co najmniej jedno uzwojenie (1) jest umieszczone na rdzeniu (2) z materiału magnetycznego.
15. Urządzenie według zastrz. 14, znamienne tym, że rdzeń (2) jest utworzony z kolumn i jarzm.
16. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że co najmniej jedno uzwojenie (1) jest umieszczone na rdzeniu powietrznym.

185 200
17. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że uzwojenia (1) nawinięte są koncentrycznie.
18. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że co najmniej jedno uzwojenie (1) (wysokiego lub niskiego napięcia) posiada końcówki przyłączone do kabla zasilającego.
19. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że cała izolacja elektryczna zamknięta jest pomiędzy przewodem (4) a zewnętrzną warstwą półprzewodzącą (8) w postaci płaszcza półprzewodzącego, i izolacja ta ma postać izolacji stałej.
20. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że uzwojenia (1) są w styku z medium (cieczą lub gazem) chłodzącym, połączonym z uziemieniem.

Przedmiotowy wynalazek dotyczy urządzenia elektrycznego, indukcyjnego, korzystnie transformatora lub dławika, zwłaszcza transformatora energetycznego.

W szczególności, wynalazek dotyczy transformatora należącego do grupy transformatorów energetycznych o mocy znamionowej od paruset kVA do ponad 1000 MVA oraz napięciu znamionowym od 3-4 kV do bardzo wysokich napięć przesyłowych, od 400 kV do ponad 800 kV.

Koncepcja będąca podstawą niniejszego wynalazku odnosi się także do dławika, jakkolwiek podany poniżej opis technicznego wykonania wynalazku dotyczy głównie transformatorów energetycznych. Wiadomo jednak, że dławiki mogą być wykonane jako dławiki jednofazowe lub trójfazowe. Jeśli chodzi o izolację i chłodzenie, zastosowane w nich rozwiązania konstrukcyjne są w zasadzie takie same, jak w przypadku transformatorów. Znane są dławiki o izolacji powietrznej i olejowej, z chłodzeniem naturalnym, chłodzone olejem itp. Chociaż dławiki mają pojedyncze uzwojenie (na fazę) i mogą być wykonane zarówno z rdzeniem żelaznymjak i bez niego, opis stanu techniki odnosi się zatem także w dużym stopniu do dławików.

Znane rozwiązania obejmujące dziedzinę techniki w zakresie wynalazku zostały szeroko opisane w literaturze fachowej, dotyczącej ogólnie transformatorów oraz, bardziej szczegółowo, transformatorów energetycznych, dla przykładu opisanych w publikacji: The J & P Transformer Book, A Practical Technology of the Power Transformer, autorzy A. C. Franklin i D. P. Franklin, wydawnictwo Butterworths, wydanie 11,1990. Jeśli chodzi o znane w wcześniejszym stanie techniki realizacje wewnętrznych izolacji elektrycznych uzwojeń itd. można także przytoczyć Transformerboard, Die Verwendung von Transformerboard in Grossielstungstransformatoren autor H.P. Moser, wydawnictwa H. Weidman AG, CH-8640 Rapperswil.

Ponadto w 15 tomowym wydaniu encyklopedycznym , w tomie I, wydanym w 1960r. przez McGraw-Hill Bock Company, Inc. pt. “Encyclopedia of Science and Technology” na stronie 349 podano, że dławiki mająizolację i konstrukcję podobną do transformatorów energetycznych przeznaczonych do takich samych systemów energetycznych . Natomiast na stronach 692 i 693 w tej samej publikacji opisano szeroko autotransformator, który stanowi szczególny rodzaj transformatora z tylko jednym uzwojeniem, którego część jest wspólna zarówno dla obwodu pierwotnego jak i dla obwodu wtórnego. Prąd w obwodzie wysokonapięciowym przepływa szeregowo przez część wspólną i część, która pracuj e wyłącznie w tym obwodzie. Autotransformatory są stosowane głównie do połączeń wzajemnych systemów wysokonapięciowych.

Podstawowym zadaniem transformatorów energetycznych jest umożliwienie wymiany energii elektrycznej pomiędzy dwoma lub większą ilością systemów elektrycznych o różnym napięciu i tej samej częstotliwości.

Konwencjonalny transformator energetyczny składa się z rdzenia transformatora, zwanego dalej rdzeniem, wykonanego często z laminowanej blachy teksturowanej, zwykle ze stali krzemowej. Rdzeń składa się z pewnej ilości kolumn połączonych jarzmami, które wspólnie tworzą okna rdzenia. Transformatory z takim rdzeniem nazywane są często transformatorami rdzeniowymi. Wokół kolumn nawinięte są uzwojenia, które określane sąjako uzwojenia pierwotne, wtórne i sterownicze. W transformatorach energetycznych uzwojenia te praktycznie zawsze są ułożone koncentrycznie i rozmieszczone na całej długości kolumn rdzenia. Transformator

185 200 rdzeniowy ma zwykle cewki o przekroju kołowym oraz cieniej ukształtowane kolumny rdzenia, aby zapełnić okno w sposób najbardziej efektywny.

Poza transformatorami rdzeniowymi istnieją transformatory płaszczowe. Mają one często cewki o przekroju prostokątnym i kolumny rdzenia o przekroju prostokątnym.

Czasami konwencjonalne transformatory energetyczne w niższym przedziale wymienionego wyżej zakresu mocy, w celu odprowadzenia wydzielanego ciepła, są chłodzone powietrzem. Często dla ochrony przed zetknięciem się z czynnikami zewnętrznymi oraz także dla zmniejszenia zewnętrznego pola magnetycznego transformatory są wyposażone w zewnętrzną obudowę wyposażoną w otwory wentylacyjne.

Większość konwencjonalnych transformatorów energetycznych chłodzona jest olejem.

Jednym z powodów takiej konstrukcji jest to, że olej ma dodatkowe bardzo ważne zadanie jako czynnik izolujący. Chłodzony i izolowany olejem transformator energetyczny umieszczony jest w kadzi, której stawia się, jak wynikać będzie z poniższego opisu, bardzo wysokie wymagania. Olej chłodzony jest zwykle przy pomocy systemu chłodzenia wodnego. Dalsza część opisu odnosić się będzie głównie do olejowych transformatorów energetycznych.

Uzwojenie transformatora składa się z jednej lub kilku cewek połączonych szeregowo, składających się z pewnej liczby szeregowo połączonych zwojów. Ponadto cewki wyposażone są w specjalne urządzenie pozwalające na dokonywanie przełączeń pomiędzy zaczepami cewek. W takim urządzeniu przełączenie zaczepów może być dokonywane za pomocą złączy śrubowych lub częściej za pomocą specjalnego przełącznika umieszczonego w pobliżu kadzi. W przypadku, kiedy przełączanie odbywa się gdy transformator jest pod napięciem, przełącznik taki nazywanyjest przełącznikiem zaczepów pod obciążeniem, a w innych przypadkach nazywany jest przełącznikiem zaczepów baz obciążenia.

W transformatorach energetycznych, chłodzonych i izolowanych olejem, stosowanych w górnym przedziale zakresów mocy, styki przełącznika zaczepów pod obciążeniem umieszczone są w specjalnych pojemnikach wypełnionych olejem, mających bezpośrednie połączenie z kadzią transformatora. Styki te obracane są mechanicznie za pośrednictwem obrotowego wału napędzanego silnikiem i skonstruowane są tak, aby uzyskać szybki ruch podczas przełączania gdy styk się otwiera oraz wolniejszy ruch, gdy styk się zamyka. Przełączniki zaczepów pod obciążeniem instalowane są w kadzi transformatora. W czasie ich pracy wytwarza się łuk elektryczny i iskry. Powoduje to obniżeniejakości oleju w zbiornikach. Aby ograniczyć występowanie łuków i w ten sposób zmniejszyć tworzenie się sadzy i ograniczyć zużycie styków, przełączniki zaczepów pod obciążeniem instalowane sązazwyczaj po stronie wyższego napięcia. Dzieje się tak dlatego, że prądy, które należy przerwać i odpowiednio połączyć, są mniejsze po stronie wyższego napięcia niż wówczas, gdyby przełącznik zaczepów pod obciążeniem był przyłączony do strony niższego napięcia. Statystyka usterek konwencjonalnych olejowych transformatorów energetycznych wykazuje, że są one spowodowane często działaniem przełączników zaczepów pod obciążeniem.

W niższych przedziałach zakresu mocy transformatorów energetycznych, chłodzonych i izolowanych olejem, zarówno przełączniki zaczepów pod obciążeniem, jak i ich styki, są umieszczone sąwewnątrz kadzi. Oznacza to, że wyżej wymienione problemy dotyczące pogarszaniajakości oleju, wywołane powstawaniem łuków elektrycznych podczas pracy itd., ujemnie wpływają na cały system olejowy.

Mając na uwadze napięcie zasilania, lub napięcie indukowane, można generalnie zauważyć, że napięcie występujące na całym uzwojeniu rozdzielane jest równo na każdy zwój uzwojenia, to znaczy, napięcie zwoju jest takie samo na wszystkich zwojach.

Natomiast z punktu widzenia potencjału elektrycznego, sytuacja jest całkowicie odmienna. Jeden koniec uzwojeniajest zwykle połączony z ziemią. Oznacza to, że potencjał elektryczny każdego zwoju wzrasta liniowo, praktycznie od wartości zero w zwoju najbliższym potencjałowi ziemi, aż do potencjału w zwojach znajdujących się na drugim końcu uzwojenia, odpowiadającemu napięciu zasilania. Taki rozkład potencjału determinuje konstrukcję całego systemu

185 200 izolacji, ponieważ niezbędne jest zapewnienie wystarczającej izolacji zarówno pomiędzy sąsiednimi zwojami uzwojenia, jak również pomiędzy każdym zwojem i ziemią.

Zwoje w poszczególnych cewkach są zwykle skupione w geometrycznie spójny zespół, oddzielony fizycznie od innych cewek. Odległość między cewkami zależy także od naprężeń dielektrycznych, które mogąpowstać pomiędzy cewkami. Oznacza to, że cewki musi oddzielać pewna odległość izolacyjna. Zgodnie z powyższym dostatecznie duże odległości izolacyjne muszą być również pomiędzy innymi elementami przewodzącymi elektryczność znajdującymi się wewnątrz pola elektrycznego wywołanego potencjałem elektrycznym istniejącym w cewkach.

Z powyższego opisu wynika, że w przypadku poszczególnych cewek różnice napięcia, które występują wewnętrznie pomiędzy fizycznie przyległymi do siebie elementami przewodów cewki są stosunkowo niskie, podczas, gdy różnica napięcia w stosunku do innych zewnętrznych elementów metalowych - w tym innych cewek - może być stosunkowo wysoka. Ta różnica napięcia zależy od napięcia indukowanego przez indukcję magnetyczną, jak również przez pojemnościowo rozłożone napięcia, które mogą powstawać w wyniku przyłączenia zewnętrznego systemu elektrycznego do wyprowadzeń uzwojeń transformatora. Rodzaje napięcia, które mogą być doprowadzone od zewnątrz obejmują, poza napięciem roboczym, przepięcia atmosferyczne i przełączeniowe.

W obecnie stosowanych przewodach cewek powstają dodatkowe straty w wyniku zamykania się pola magnetycznego wokół przewodu. Aby je zmniejszyć, zwłaszcza w przypadku transformatorów energetycznych dla wyższych zakresów mocy, przewody są zwykle podzielone na szereg elementów przewodzących, często określanych jako żyły, które są połączone równolegle podczas pracy. Żyły muszą być skręcone na długości w taki sposób, aby indukowane napięcie w każdej żyle było możliwie identyczne i aby różnica w indukowanym napięciu pomiędzy każdą parą żył była możliwie mała tak, by udziały wewnętrznie krążących prądów (wirowych) zmniejszyć do poziomu rozsądnego z punktu widzenia strat.

Przy konstruowaniu transformatorów', zgodnie ze znanym stanem techniki, głównym celem jest umieszczenie w przestrzeni ograniczonej tzw. oknem transformatora, maksymalnie dużej ilości materiału przewodnika, co ogólnie określane jest jako uzyskiwanie maksymalnie wysokiego współczynnika wypełnienia. Przestrzeń ta zawiera poza materiałem przewodnika, także materiał izolacyjny związany z cewkami, częściowo umieszczony wewnętrznie pomiędzy cewkami a częściowo oddzielający je od innych części metalowych, w tym rdzenia magnetycznego.

System izolacyjny, częściowo wewnątrz cewki/uzwojenia, a częściowo pomiędzy cewkami/uzwojeniami i innymi częściami metalowymi, składa się zwykle ze stałej izolacji wykonanej na bazie celulozy lub lakieru, nałożonej na element przewodu, oraz z ułożonej na zewnątrz niej stałej izolacji celulozowej i płynnej, ewentualnie także gazowej. W taki sposób uzwojenia z izolacją, oraz ewentualnie z częściami mocującymi, przedstawiają sobą znaczne objętości, na które oddziaływać będą znaczne siły pola elektrycznego, które powstają wewnątrz oraz wokół czynnych elektromagnetycznych części transformatora. Dla określenia powstających naprężeń dielektrycznych oraz określenia wymiarów, przy których ryzyko ewentualnej awarii zmniejszone będzie do minimum, niezbędna jest dobra znajomość właściwości materiałów izolacyjnych. Ważne jest także stworzenie takiego zewnętrznego środowiska, które nie zmieni ani nie zmniejszy tych własności izolacyjnych.

Obecnie dominuje system izolacyjny dla transformatorów energetycznych wysokiego napięcia, który obejmuje materiały celulozowe jako izolację stałą oraz olej transformatorowy jako izolację płynną. Olej transformatorowy wytwarza się na bazie oleju mineralnego.

Olej transformatorowy spełnia podwójną funkcję, niezależnie od tego, że jest czynnikiem izolującym, przyczynia się także aktywnie do chłodzenia rdzenia, uzwojenia itd. poprzez odprowadzenie ciepła wydzielonego przez transformator. System chłodzenia musi być wyposażony w pompę oleju, zewnętrzną chłodnicę, naczynie wyrównawcze itd..

Połączenie elektryczne pomiędzy zewnętrznymi przyłączami transformatora oraz bezpośrednio połączonymi cewkami/uzwojeniami, zwane jest wyprowadzeniem uzwojenia i ma na

185 200 celu przewodzenie prądu poprzez ścianę kadzi, w której, zgodnie z aktualnymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi, umieszczony jest olejowy transformator energetyczny.

Wyprowadzenie uzwojenia ma często postać oddzielnego elementu przymocowanego do ściany kadzi i skonstruowanego tak, aby zapewnić całkowitą izolację zarówno na zewnętrznej jak i wewnętrznej strony kadzi, ajednocześnie wytrzymać obciążenia prądowe oraz wynikające z działania prądu obciążenia mechaniczne.

Należy podkreślić, że takie same wymagania, jak dla opisanego powyżej systemu izolacyjnego, dotyczącego uzwojeń, odnoszą się do niezbędnych wewnętrznych połączeń pomiędzy cewkami, pomiędzy wyprowadzeniami uzwojeń i cewkami, pomiędzy różnymi rodzajami wyłączników i pomiędzy samymi wyprowadzeniami uzwojeń.

Wszystkie części metalowe wewnątrz transformatora mocy, za wyjątkiem przewodów prądowych, są zwykle przyłączone do potencjału ziemi. W ten sposób wyeliminowane jest ryzyko niepożądanego i trudnego do opanowania wzrostu potencjału, będącego wynikiem rozdziału pojemnościowego napięcia pomiędzy przewodami prądu o wysokim potencjale i ziemią. Taki niepożądany wzrost potencjału może wywoływać częściowe wyładowania, tzw. ulot, który można wykryć podczas rutynowych testów odbiorczych, które czasami są przeprowadzane przez zadanie zwiększonego napięcia i częstotliwości w porównaniu z wartościami nominalnymi. Ulot może wywoływać uszkodzenia podczas pracy.

Poszczególne cewki transformatora muszą mieć takie wymiary mechaniczne, aby wytrzymały wszelkie naprężenia, które powstająw konsekwencji występujących prądów i sił wywoływanych zwarciami. Zwykle cewki skonstruowane są w taki sposób, że powstające siły absorbowane są wewnątrz każdej cewki, co z kolei może oznaczać, że cewka nie może mieć optymalnych wymiarów umożliwiających jej spełnienie funkcji, dla pełnienia którychjest przeznaczona w czasie normalnej pracy.

W wąskim przedziale zakresów napięcia i mocy olejowych transformatorów energetycznych uzwojenia ich konstruowane są w formie tak zwanych uzwojeń spiralnych. Oznacza to, że zamiast poszczególnych przewodów omawianych powyżej zastosowań, są cienkie blachy. Transformatory energetyczne ze spiralnym uzwojeniem produkowane są dla napięć do 20-30 kV i mocy do 20-30 MW.

Systemy izolacyjne transformatorów energetycznych w wyższych zakresach mocy wymagają, poza ich stosunkowo skomplikowaną konstrukcją, także stosowania specjalnych metod produkcji, umożliwiających wykorzystanie własności systemu izolacyjnego w optymalnie możliwy sposób. Aby uzyskać dobrą izolację, system izolacji musi mieć niską zawartość wilgoci, stała część izolacji musi być dobrze impregnowana otaczającym ją olejem, a ryzyko występowania kieszeni “gazowych” w części stałej musi być zminimalizowane. Aby to zapewnić, przed umieszczeniem kompletnego rdzenia z uzwojeniami w kadzi, przeprowadza się specjalny proces suszenia i impregnacji. Po tym procesie suszenia i impregnacj i transformator opuszcza się do kadzi, która zostaje następnie uszczelniona. Przed napełnieniem kadzi olejem, z kadzi z zainstalowanym w niej transformatorem, należy wypompować całe znajdujące się w niej powietrze. Etap ten przeprowadza się przy pomocy specjalnego procesu próżniowego. Po jego zakończeniu kadź napełnia się olejem.

W celu uzyskania zakładanej żywotności itd. proces usuwania powietrza musi zapewnić powstanie absolutnej próżni. Założenie to wymaga, aby kadź, otaczająca transformator, miała konstrukcję umożliwiającą utrzymanie próżni, co z kolei pociąga za sobą znaczne zużycie materiału i wydłużenie czasu produkcji.

Jeśli w transformatorze olejowym występują wyładowania elektryczne lub w którejkolwiek części transformatora następują znaczne miejscowe wzrosty temperatury, to następuje rozkład oleju a produkty gazowe rozpuszczają się w oleju. W związku z tym, transformatory są zwykle wyposażone w urządzenia do wykrywania gazu, rozpuszczonego w oleju. W celu zmniejszenia ciężaru duże transformatory energetyczne przewożone sąbez oleju. Instalowanie transformatorów w miejscu ich pracy wymaga z kolei przeprowadzenia powtórnego procesu

185 200 próżniowego. Ponadto jest to proces, który należy powtórzyć za każdym razem, gdy kadź zostanie otwarta dla dokonania naprawy lub przeglądu.

Oczywiste jest, że procesy takie są niezwykle pracochłonne i kosztowne oraz pochłaniają znaczą część całkowitego czasu produkcji i remontu, a także wymagają zastosowania skomplikowanych urządzeń.

Materiał izolacyjny w konwencjonalnych transformatorach energetycznych stanowi znaczną część całkowitej masy transformatora. W niektórych transformatorach energetycznych, w górnym zakresie mocy, ilości potrzebnego oleju sięgają kilkudziesięciu metrów sześciennych. Olej ten, wykazujący pewne podobieństwo do oleju silnikowego, jest płynem o małej gęstości i stosunkowo niskim punkcie zapłonu. Jest więc oczywiste, że olej wraz z celulozą stanowią znaczne zagrożenie pożarowe w przypadku niepożądanego wzrostu temperatury, na przykład przy wewnętrznych przeskokach iskry i w wyniku rozlania się oleju.

Jest także oczywiste, że wywołuje to, zwłaszcza w transformatorach olejowych, znaczne problemy transportowe. Omawiany transformator energetyczny, w górnym zakresie mocy, może mieścić w sobie kilkadziesiąt metrów sześciennych oleju i ważyć kilkaset ton. Należy również zwrócić uwagę, że zewnętrzny kształt transformatora musi być dostosowany do konkretnych warunków transportu, to znaczy ma umożliwiać przejazd pod mostami, w tunelach itp.

Celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji urządzenia elektrycznego indukcyjnego, korzystnie transformatora lub dławika, zwłaszcza transformatora energetycznego o zakresie mocy podanym na wstępie opisu, to znaczy elektrycznego urządzenia indukcyjnego o mocy nominalnej od kilkuset kVA do ponad 1000 MVA, o nominalnym napięciu od 3-4 kV aż do bardzo wysokich napięć przesyłowych takich, jak 400 kV do 800 kV i wyżej, przy czym konstrukcja tego urządzenia powinna być pozbawiona wad, problemów i ograniczeń, które dotycząw szczególności olejowych transformatorów energetycznych, znanych ze stanu techniki.