RU2037897C1

RU2037897C1 - Process of manufacture of coils with butt cooling for electrophysical plants

Info

Publication number: RU2037897C1
Authority: RU
Inventors: А.А. Алпатов; И.В. Ермилов; Н.В. Попова; В.В. Финкель
Original assignee: Всероссийский электротехнический институт им.В.И.Ленина
Priority date: 1991-09-02
Filing date: 1991-09-02
Publication date: 1995-06-19

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: insulation material of inner layer of body insulation is reeled on metal mandrel, layers of ribbon copper and of electric insulation material of interturn insulation are reeled in turn on it. Then electric insulation material of outer layer of body insulation is wound and metal serving is put with clearance between surfaces of serving and outer layer of body insulation. Spacers are inserted into clearance and later coil is impregnated with modified epoxy compound which vitrification temperature in hardened state equals specified temperature of serving under operational condition of coil. Hardening is carried out at temperature equal to specified vitrification temperature. After it butts of coils are machined by cutting and chemical etching. Mandrel and serving used in process are produced from metal having coefficient of thermal expansion equal to or differing by 5-10% from coefficient of thermal expansion of copper. EFFECT: facilitated manufacture of coils. 5 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам изготовления катушек больших размеров с торцовым охлаждением для электрофизических установок. Область применения предлагаемого способа изготовление обмоток тороидального поля в установках типа токамак. The invention relates to electrical engineering, in particular to methods for manufacturing large-sized coils with mechanical cooling for electrophysical installations. The scope of the proposed method is the manufacture of windings of a toroidal field in tokamak-type installations.

Известны способы изготовления катушек больших размеров для электрофизически установок, в которых корпусную изоляцию изготовляют намоткой препреговой ленты из стекла и слюды, пропитанной эпоксидным составом [1] Катушка имеет большие размеры (диаметр около 2 м) и способна выдерживать значительные механические нагрузки при эксплуатации. Known methods for the manufacture of coils of large sizes for electrophysical installations, in which case insulation is made by winding a prepreg tape of glass and mica, impregnated with an epoxy composition [1] The coil is large (diameter about 2 m) and is able to withstand significant mechanical stress during operation.

Однако использование препрегов, которые имеют большую усадку при опрессовке, требует применения специального намоточного оборудования, обеспечивающего нагрев и опрессовку материалов при намотке. Кроме того, в этой катушке торцы покрыты толстым слоем изоляции, что затрудняет теплоотвод во время эксплуатации катушки и уменьшает ее нагрузочную способность. However, the use of prepregs, which have a large shrinkage during crimping, requires the use of special winding equipment that provides heating and crimping of materials during winding. In addition, in this coil, the ends are covered with a thick layer of insulation, which complicates heat removal during operation of the coil and reduces its load capacity.

Известен также способ изготовления катушек для электрофизических установок, при котором на металлическую оправку наматывают непропитанный электроизоляционный материал (стеклоткань) для внутреннего слоя корпусной изоляции, на него наматывают попеременно слои ленточной меди и слои электроизоляционного материала межвитковой изоляции. Затем наматывают непропитанный электроизоляционный материал (стеклоткань) внешнего слоя корпусной изоляции, производят монтаж металлического бандажа, пропитку эпоксидным компаундом, отвреждение при повышенной температуре, обработку торцов катушки резанием и химическое травление торцов катушки для удаления заусенцев и уменьшения вероятности межвитковых замыканий. Благодаря отсутствию на торцах катушки корпусной изоляции значительно улучшается теплоотвод от катушки. Катушка при такой технологии может быть выполнена клиновидной (в осевом сечении). При использовании таких катушек в обмотках тороидального поля увеличивается коэффициент заполнения медью обмотки. Это позволяет повысить рабочую индукцию в обмотке тороидального поля, а также уменьшить гофрировку магнитного поля. There is also a known method of manufacturing coils for electrophysical installations, in which an impregnated electrical insulation material (fiberglass) is wound onto a metal mandrel for the inner layer of case insulation, layers of tape copper and layers of electrical insulation material of inter-turn insulation are wound on it. Then, an impregnated insulating material (fiberglass) is wound on the outer layer of the body insulation, a metal bandage is installed, impregnated with epoxy compound, damaged at elevated temperature, the ends of the coils are cut and chemically etched to end the coils to remove burrs and reduce the likelihood of inter-turn faults. Due to the absence of case insulation at the ends of the coil, the heat removal from the coil is significantly improved. The coil with this technology can be made wedge-shaped (in axial section). When using such coils in the windings of a toroidal field, the fill factor of the copper windings increases. This allows you to increase the working induction in the winding of the toroidal field, as well as reduce the corrugation of the magnetic field.

Однако отсутствие изоляции на торцах катушки уменьшает устойчивость катушки к механическим воздействиям, особенно к воздействию сил, сдвигающих витки катушки относительно друг друга в осевом направлении. Такие нагрузки могут возникать в аварийных режимах обмоток тороидального поля. However, the lack of insulation at the ends of the coil reduces the resistance of the coil to mechanical stresses, especially to the effects of forces shifting the turns of the coil relative to each other in the axial direction. Such loads can occur in emergency conditions of the toroidal field windings.

Как показали исследования, значение усилия сдвига склеенных витков относительно друг друга зависит от значения силы, нормально приложенной к поверхности проводников (радиально направленной), а именно усилие сдвига возрастает с увеличением нормально приложенной силы, прижимающей витки друг к другу. As studies have shown, the value of the shear force of glued coils relative to each other depends on the value of the force normally applied to the surface of the conductors (radially directed), namely, the shear force increases with an increase in the normally applied force pressing the coils to each other.

Вследствие этого целесообразно изготавливать катушку таким образом, чтобы в условиях эксплуатации на витки действовали преимущественно усилия, прижимающие витки друг к другу, к оправке и к бандажу, что повысит устойчивость ее к эксплуатационным воздействиям. As a result of this, it is advisable to manufacture the coil in such a way that under operating conditions, the coils act mainly on the forces pressing the coils against each other, to the mandrel and to the bandage, which will increase its resistance to operational influences.

Указанная задача решается в способе изготовления катушек с торцовым охлаждением для электрофизических установок, при котором на металлическую оправку наматывают электроизоляционный материал внутреннего слоя корпусной изоляции, на него наматывают попеременно слои ленточной меди и слои электроизоляционного материала межвитковой изоляции, затем наматывают электроизоляционный материал внешнего слоя корпусной изоляции, проводят монтаж металлического бандажа, пропитку эпоксидным компаундом, отверждение при повышенной температуре, обработку торцов катушки резанием и химическое травление, благодаря тому, что используют оправку и бандаж из металла с коэффициентом температурного расширения, равным или отличающимся на 5-10% от коэффициента температурного расширения меди, бандаж монтируют с зазором между поверхностями бандажа и внешнего слоя корпусной изоляции. В указанный зазор вводят прокладки, используют модифицированный эпоксидный компаунд, температура стеклования которого в отвержденном состоянии равна задаваемой температуре бандажа в рабочем режиме катушки, и отверждение осуществляют при температуре, равной указанной температуре стеклования. This problem is solved in a method of manufacturing mechanical cooling coils for electrophysical installations, in which the insulating material of the inner layer of the casing insulation is wound on a metal mandrel, layers of tape copper and layers of the electrical insulation material of the interturn insulation are wound on it, then the electrical insulation material of the outer layer of the casing insulation is wound, carry out the installation of a metal bandage, impregnation with an epoxy compound, curing at elevated temperature, about the work of the ends of the coil by cutting and chemical etching, due to the fact that they use a mandrel and a metal band with a coefficient of thermal expansion equal to or different by 5-10% from the coefficient of thermal expansion of copper, the band is mounted with a gap between the surfaces of the band and the outer layer of the casing insulation. Gaskets are introduced into the specified gap, a modified epoxy compound is used, the glass transition temperature of which in the cured state is equal to the specified temperature of the bandage in the operating mode of the coil, and curing is carried out at a temperature equal to the specified glass transition temperature.

Зазор может быть заполнен прокладками или клиньями со стеклотекстолита с высоким содержанием наполнителя (стекловолокна). The gap can be filled with gaskets or wedges from fiberglass with a high content of filler (fiberglass).

Может быть получено дополнительное предварительное напряжение катушек путем наматывания поверх внешнего слоя корпусной изоляции с натягом тканой ленты из материала, у которого при температуре сушки и пропитки катушки усадка отсутствует, а при температуре отверждения есть. В качестве такого материала может быть использован полиэтилентерефталат (лавсан). Additional prestressing of the coils can be obtained by winding over the outer layer of the body insulation with an interference fit of a woven tape made of a material that does not shrink at the drying and impregnation temperature of the coil, but has a curing temperature. As such a material, polyethylene terephthalate (lavsan) can be used.

При выборе материалов для изоляции и прокладок стараются подбирать их в конструкции так, чтобы избежать чрезмерных температурных напряжений в отдельных элементах катушки. When choosing materials for insulation and gaskets, they try to select them in the structure so as to avoid excessive temperature stresses in individual coil elements.

Для этой же цели отверждение пропиточно-заливочного компаунда проводят при температуре, равной температуре стеклования отвержденного компаунда. При этом подбирают компаунд с температурой стеклования, равной или не превышающей нижней границы задаваемой рабочей температуре бандажа, благодаря чему сводится к минимуму возможность появления трещин в катушке при более высокой температуре. For the same purpose, the curing of the impregnation-casting compound is carried out at a temperature equal to the glass transition temperature of the cured compound. In this case, a compound is selected with a glass transition temperature equal to or not exceeding the lower limit of the specified operating temperature of the bandage, thereby minimizing the possibility of cracks in the coil at a higher temperature.

Для уменьшения капитальных затрат на создание специального технологического оборудования при изготовлении катушки можно использовать в качестве пропиточной емкости полость катушки. Для этого перед сушкой на торцы оправки и бандажа герметично устанавливают технологические крышки со штуцерами и сушку производят в вакуумной печи, затем катушку с крышками извлекают из печи и пропитывают. To reduce capital costs for the creation of special technological equipment in the manufacture of the coil, the cavity of the coil can be used as an impregnating tank. For this, before drying, technological covers with fittings are tightly installed on the ends of the mandrel and the bandage and drying is carried out in a vacuum oven, then the coil with covers is removed from the furnace and impregnated.

Для получения качественной катушки в данном способе важным является использование компаунда с определенными термомеханическими свойствами в отвержденном состоянии. Наилучшие результаты получают при использовании эпоксидного компаунда следующего состава, мас.ч. (который далее именуется в тексте как компаунд ПК):
Эпоксидная смола с массовой долей эпоксидных групп 20-24 100
Изометилтетрагидро- фталевый ангидрид 80
Смесь этиловых эфиров
высших жирных кислот
(С₁₆-С₁₈ с йодным числом
80-200 мг йода/100 г эфира) 18-30
Карбоксилированный каучук 25-45
Катализатор аминного типа 0,05-0,5 которым пропитывают катушку при 65-70^оС, а запечку производят при температуре 110^оС в течение 72 ч.To obtain a high-quality coil in this method, it is important to use a compound with certain thermomechanical properties in the cured state. The best results are obtained using an epoxy compound of the following composition, parts by weight (which is hereinafter referred to in the text as a PC compound):
Epoxy resin with a mass fraction of epoxy groups 20-24 100
Isomethyltetrahydrophthalic anhydride 80
A mixture of ethyl esters
higher fatty acids
(C ₁₆ -C ₁₈ with iodine number
80-200 mg of iodine / 100 g of ether) 18-30
Carboxylated Rubber 25-45
0.05-0.5 amine type catalyst which is impregnated coil at 65-70 ^C and zapechku performed at a temperature of 110 ^{° C} for 72 hours.

Предлагаемый способ изготовления катушек иллюстрируется фиг.1-4. На фиг. 1-3 изображены схемы намотки катушек; на фиг.4 изображена технологическая схема герметизации катушки. The proposed method for manufacturing coils is illustrated in figures 1-4. In FIG. 1-3 shows the scheme of winding coils; figure 4 shows the technological scheme of sealing the coil.

При изготовлении катушки используется известное технологическое оборудование. In the manufacture of the coil using well-known technological equipment.

На оправку 1 (см. фиг. 1) из нержавеющей стали 12х18Н10Т (ТКР равен 17^.10^-6 град^-1) наматывают с максимальным натягом одновременно стеклолакоткань 2 на кремнийорганическом связующем ЛСК (155/180 толщиной 0,1 мм и стеклоткань 3 марки Э-43 толщиной 0,04 мм до достижения заданной толщины корпусной изоляции. (Эта намотка после пропитки термореактивным составом и отверждения образует внутреннюю корпусную изоляцию).The mandrel 1 (see. FIG. 1) of stainless steel 12X18H10T (TCR is ^17. 10 ^-6 deg ^-1) is wound simultaneously with the maximum interference glass fabrics 2 BFV silicone binder (155/180 0.1 mm thick glass cloth grade 3 E-43 with a thickness of 0.04 mm until the specified thickness of the shell insulation is reached. (This winding after impregnation with a thermosetting composition and curing forms an inner shell insulation).

Затем поверх указанной намотки наматывают (см.фиг.2) с максимальным натягом одновременно ленточную медь 4 толщиной 2 мм (в 2 параллельные ленты) и стеклолакоткань 2 такой же марки и толщины (в 1 слой). Then, over the specified winding, they are wound (see Fig. 2) with maximum tension at the same time tape copper 4 with a thickness of 2 mm (in 2 parallel tapes) and fiberglass cloth 2 of the same grade and thickness (in 1 layer).

Поверхность меди при сходе с рулона подвергается очистке при помощи протиров 5, смоченных растворителем (ацетоном), для обезжиривания и очистки поверхности. При намотке катушки на поверхность меди можно также нанести слой клеящего состава на основе эпоксиноволачной смолы путем пропускания меди через наносящие валики или ванночку 6 с указанным составом. Медь с нанесенным составом при намотке обдувают воздухом, нагретым до 70-80^оС.When leaving the coil, the surface of the copper is cleaned with 5 rubbers moistened with a solvent (acetone) to degrease and clean the surface. When winding the coil on the surface of copper, you can also apply a layer of adhesive composition based on epoxy resin by passing copper through the application rollers or bath 6 with the specified composition. Copper with a deposited composition during winding is blown with air heated to 70-80 ^about C.

После присоединения выводных проводников на катушку наносят внешний слой корпусной изоляции аналогично внутреннему слою. After connecting the lead conductors to the coil, an outer layer of case insulation is applied similarly to the inner layer.

Затем на цилиндрическую внешнюю поверхность катушки (поверх корпусной изоляции) наматывают с натягом тканую ленту 7 марки ЛТСп-25 для получения толщины намотки 3 мм. Лента ЛТСп-25 изготовлена из лавсановых волокон; линейная усадка ленты при 70^оС практически равна 0, при 110^оС усадка составляет в среднем 3%
На намотанную таким образом катушку монтируют бандаж 8 из нержавеющей стали 12х18Н10Т (см. фиг. 3). Зазор (4-6 мм) между поверхностью намотки из тканой лавсановой ленты и металлическим бандажом 8 заполняют клиньями 9 из стеклотекстолита СТЭФ.Then, a woven tape 7 of LTSp-25 grade is wound tightly onto the cylindrical outer surface of the coil (over the housing insulation) to obtain a winding thickness of 3 mm. LTSp-25 tape is made of lavsan fibers; linear shrinkage tape at 70 ° ^C substantially equal to 0 at ¹¹⁰ ° C shrinkage is on average 3%
A bandage 8 of 12x18H10T stainless steel is mounted on a coil wound in this way (see Fig. 3). The gap (4-6 mm) between the surface of the wound from a woven dacron tape and a metal bandage 8 is filled with wedges 9 made of fiberglass STEF.

Внутренние поверхности технологических крышек 10 (см. фиг.4) покрывают антиадгезионной смазкой на основе СКТ, пастой КПД, К-21 или иной пригодной. Покрытие просушивают на воздухе. Крышки 10 герметично устанавливают на торцах оправки 1 и бандажа 8 при помощи шпилек 11 и уплотнений. Штуцеры 12 выворачивают и отверстия оставляют открытыми. The inner surfaces of the technological covers 10 (see Fig. 4) are coated with SKT-based release grease, KPD paste, K-21 or another suitable one. The coating is dried in air. The covers 10 are hermetically mounted on the ends of the mandrel 1 and the bandage 8 using the studs 11 and seals. The fittings 12 are turned out and the holes are left open.

Подготовленную таким образом катушку К помещают в вакуумную печь и производят сушку в течение 1 сут при температуре 70±5^оС и остаточном давлении 1-5 мм рт.ст.Thus prepared is placed in the coil to a vacuum oven and allow to dry for 1 day at 70 ± 5 ^{° C} and residual pressure of 1-5 mmHg

После сушки и извлечения катушки из печи полость, образованную технологическими крышками 10, оправкой 1 и бандажом 8, присоединяют к вакуумному насосу 13, емкости 14 с пропиточно-заливочным составом и баллону 15 со сжатым газом по схеме, изображенной на фиг.4. Для уменьшения потерь тепла целесообразно накрыть корпус катушки теплоизолирующей оболочкой, например, из асбестовой ткани. Производится вакуумирование полости корпуса катушки в течение 3-5 ч при остаточном давлении не более 0,5 мм рт.ст. After drying and removing the coil from the furnace, the cavity formed by technological covers 10, mandrel 1 and bandage 8 is connected to a vacuum pump 13, a container 14 with an impregnating-filling composition and a compressed gas cylinder 15 according to the scheme shown in Fig. 4. To reduce heat loss, it is advisable to cover the coil housing with an insulating sheath, for example, from asbestos fabric. The cavity of the coil housing is evacuated for 3-5 hours at a residual pressure of not more than 0.5 mm Hg.

Температуру обмотки контролируют по термопаре 16. После окончания вакуумной сушки при непрерывном вакуумировании в полость катушки подают модифицированный эпоксидный компаунд ПК, предварительно нагретый до температуры 65±5^оС. После появления компаунда в ловушке 17 вакуумирование прекращают, отсоединяют вакуумный насос 13, извлекают из корпуса теpмопару 16, закрывают отверстия заглушками, в промежуточную емкость 18 подают азот и постепенно в течение 30 мин создают давление 0,8 МПа и поддерживают в течение 3-4 ч.Winding temperature is monitored by thermocouple 16. After the vacuum drying under continuous evacuation of the cavity the coil is supplied a modified epoxy compound PC preheated to a temperature of 65 ± 5 ° ^C. When the compound in the trap 17, vacuum is stopped, the vacuum pump 13 is disconnected, removed from the housing thermocouple 16, cover the holes with plugs, supply nitrogen to the intermediate container 18 and gradually create a pressure of 0.8 MPa over 30 minutes and maintain for 3-4 hours.

По окончании пропитки корпус катушки отсоединяют от промежуточной емкости, извлекают заглушки из верхней крышки и помещают в печь. Запечку производят в течение 3 сут при 110-112^оС. После запечки и охлаждения катушки до 50-60^оС технологические крышки снимают и производят механическую обработку торцов катушки резанием и известным способом химическое травление торцов катушки, при котором часть медных проводников стравливается, в результате чего удаляются заусенцы и увеличивается расстояние между соседними витками по поверхности изоляции.At the end of the impregnation, the coil body is disconnected from the intermediate tank, the plugs are removed from the top cover and placed in the oven. Zapechku produce for 3 days at 110-112 ^C. After cooling coil and zapechki 50-60 ^C. technological cover removed and produce machined ends of the coils in known manner by cutting and chemical etching of the coil ends in which a portion of copper conductors is discharged in As a result, burrs are removed and the distance between adjacent turns along the insulation surface increases.

Предлагаемым способом могут быть изготовлены катушки любой формы (например, D-образной) с внешним диаметром до 3 м, а также катушки частично клиновидные, частично цилиндрические. Изменяя толщину витка, можно согласовать сопротивление обмотки тороидального поля с источником питания для непосредственного питания обмотки от сети 6-10 кВ через выпрямительное устройство. The proposed method can be made coils of any shape (for example, D-shaped) with an external diameter of up to 3 m, as well as partially wedge-shaped coils, partially cylindrical. By changing the thickness of the coil, it is possible to coordinate the resistance of the winding of the toroidal field with a power source for directly supplying the winding from the 6-10 kV network through a rectifier device.

Был разработан и в заводских условиях изготовлен опытный образец катушки с размерами: внутренний диаметр катушки 0,9 м, внешний диаметр 1,6 м, средняя ширина катушки 0,2 м, угол клиновидности 1,39, масса меди в катушке 2,5 т. Катушка имеет коэффициент заполнения медью 0,95. Экспериментально определенные сопротивление и индуктивность катушки хорошо согласуются с расчетными величинами. A prototype coil with dimensions was developed and manufactured in the factory: coil inner diameter 0.9 m, outer diameter 1.6 m, average coil width 0.2 m, wedge angle 1.39, copper mass in the coil 2.5 t The coil has a copper fill factor of 0.95. The experimentally determined resistance and inductance of the coil are in good agreement with the calculated values.

Claims

1. METHOD FOR MANUFACTURING COILS WITH TORQUE COOLING FOR ELECTROPHYSICAL INSTALLATIONS, in which the insulating material of the inner layer of the casing insulation is wound on a metal mandrel, a layer of tape copper and a layer of electrical insulating material of the interturn insulation are alternately wound on it, then the outer casing is wound around the wiring metal bandage, impregnated with epoxy compound, cured at elevated temperature, processed ends of coils and cutting and chemical etching is performed, characterized in that a mandrel and a metal band are used with a coefficient of thermal expansion equal to or different in value by 5 10% of the coefficient of thermal expansion of copper, the band is mounted with a gap between the surfaces of the band and the winding of the outer layer of case insulation , gaskets are introduced into the specified gap, a modified epoxy compound is used for impregnation, the glass transition temperature of which in the cured state is equal to or does not exceed the lower boundary the desired temperature of the bandage in the operating mode of the coil, and curing is carried out at a temperature equal to the specified glass transition temperature.

2. The method according to claim 1, characterized in that glass-fiber laminate gaskets are introduced into the gap.

3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that over the outer layer of the casing insulation a woven tape is wound tightly from a material characterized by the absence of shrinkage at the temperature of drying and impregnation of the coil and shrinkage at the temperature of curing.

4. The method according to claims 1 to 3, characterized in that before drying the technological covers with fittings are tightly installed on the ends of the mandrel and the bandage and drying is carried out in a vacuum oven, then the coil with covers is removed from the furnace and impregnated, while using an impregnation tank cavity formed by thermotechnological covers, mandrel and bandage.

5. The method according to PP.1 to 4, characterized in that the epoxy compound used in the impregnation contains, by weight.h.

Epoxy resin with a mass fraction of epoxy groups 20 24 100
Isomethyltetrahydrophthalic anhydride 80
A mixture of ethyl esters of higher fatty acids (C ₁ ₆ - C ₁ ₈ with an iodine number of 80,200 mg of iodine / 100 g of ether) 18 30
Carboxylated rubber 25 45
Amine type catalyst 0.05 0.5
the impregnation is carried out at 65 70 ^o C, and baking is carried out at 110 - 112 ^o for 3 days.