RU2155404C1

RU2155404C1 - High-voltage high-frequency transformer

Info

Publication number: RU2155404C1
Application number: RU99107933A
Authority: RU
Inventors: С.С. Подоскин; С.И. Гусев
Original assignee: Государственное унитарное предприятие "Всероссийский электротехнический институт им.В.И.Ленина"
Priority date: 1999-04-14
Filing date: 1999-04-14
Publication date: 2000-08-27

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: invention refers specifically to high-voltage high- frequency transformers with solid insulation and intensive cooling, predominantly, liquid, that can be used in the capacity of high-voltage power supply sources of various assignment Proposed high-voltage high-frequency transformer has at least one toroidal magnetic core encapsulated in hollow coolers forming magnetic system that carries windings with solid insulation and sector not occupied by one winding where leads of one winding and branch pipes for inlet and outlet of cooling agent are located. Hollow coolers are manufactured in the form of diamagnetic hollow rings put on external butts of toroidal magnetic core, their spaces having baffles and holes. In this case holes are located on both sides of baffle on external generatrix of ring. Spaces of rings intercommunicate in sequence. EFFECT: enhanced operational reliability, reduced dimensions and simplified manufacturing process. 1 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к высоковольтным высокочастотным трансформаторам с твердой изоляцией и интенсивным охлаждением, преимущественно жидкостным, которые могут использоваться в качестве высоковольтных источников питания различного применения. The invention relates to electrical engineering, in particular to high-voltage high-frequency transformers with solid insulation and intensive cooling, mainly liquid, which can be used as high-voltage power supplies for various applications.

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому является тороидальный трансформатор с твердой изоляцией и жидкостным охлаждением [1]. В таком трансформаторе магнитопровод заключен в полый охладитель, состоящий из двух частей, располагаемых на внешней и внутренней образующей магнитопровода и имеющих патрубки для ввода и вывода хладоагента к каждой полости в отдельности. В качестве хладоагента используется любая жидкость, например вода. Недостатком такой конструкции является сложность изготовления охладителя и сложность герметизации магнитопровода. Поэтому в случае применения вакуумно-нагнетательной технологии пропитки изоляции пропиточный компаунд попадает в магнитопровод и портит магнитные характеристики сердечника. Перечисленные недостатки устраняются предлагаемым решением. Closest to the technical solution to the proposed one is a toroidal transformer with solid insulation and liquid cooling [1]. In such a transformer, the magnetic circuit is enclosed in a hollow cooler, consisting of two parts located on the outer and inner generators of the magnetic circuit and having nozzles for introducing and discharging the refrigerant to each cavity individually. Any liquid, such as water, is used as a refrigerant. The disadvantage of this design is the complexity of the manufacture of the cooler and the complexity of sealing the magnetic circuit. Therefore, in the case of applying vacuum-injection insulation impregnation technology, the impregnating compound enters the magnetic circuit and spoils the magnetic characteristics of the core. These shortcomings are eliminated by the proposed solution.

Цель изобретения - повышение надежности, уменьшение габаритов, упрощение изготовления. The purpose of the invention is to increase reliability, reduce dimensions, simplify manufacturing.

Указанная цель достигается тем, что в известном высоковольтном высокочастотном трансформаторе содержится, по меньшей мере, один тороидальный магнитопровод, на котором расположены обмотки с твердой изоляцией и сектором, не занятым, по крайней мере, одной обмоткой, в котором расположены выводы одной из обмоток и патрубки для ввода и вывода хладоагента. Охладители выполнены в виде диамагнитных полых колец, устанавливаемых на внешних торцах магнитопровода, полости которых имеют поперечную перегородку и отверстия для ввода и вывода хладоагента, при этом отверстия расположены по обе стороны перегородки на внешней образующей кольца, причем полости охладителей соединены между собой последовательно. В случае нескольких тороидальных магнитопроводов между смежными магнитопроводами дополнительно расположен охладитель, имеющий две полости, соприкасающиеся с внутренними торцами магнитопроводов. При этом охладитель разделен кольцевой перемычкой, имеющей отверстия в ней, соединяющие обе полости. Кроме того, поперечные перегородки выполнены в каждой полости, а входные и выходные отверстия для хладоагента расположены по обе стороны от поперечной перегородки, причем полости всех охладителей соединены последовательно. This goal is achieved by the fact that the known high-voltage high-frequency transformer contains at least one toroidal magnetic circuit, on which there are windings with solid insulation and a sector not occupied by at least one winding, in which the conclusions of one of the windings and the pipe are located for input and output of refrigerant. Coolers are made in the form of diamagnetic hollow rings mounted on the outer ends of the magnetic circuit, the cavities of which have a transverse baffle and openings for the input and output of the refrigerant, the openings being located on both sides of the baffle on the outer generatrix of the ring, and the cooler cavities are interconnected in series. In the case of several toroidal magnetic circuits between adjacent magnetic circuits there is additionally a cooler having two cavities in contact with the internal ends of the magnetic circuits. In this case, the cooler is divided by an annular jumper having openings in it connecting both cavities. In addition, transverse partitions are made in each cavity, and the inlet and outlet openings for the refrigerant are located on both sides of the transverse partition, and the cavities of all coolers are connected in series.

На фиг. 1 показан высоковольтный высокочастотный трансформатор, разрез; на фиг. 2 и 3 - расположение вводов обмоток трансформатора и патрубков для ввода и вывода хладоагента; на фиг. 4 и 5 - одна из половин охладителя, примыкающая к внешнему торцу магнитопровода; на фиг. 6 и 7 - охладитель, примыкающий к внутренним торцам магнитопровода в случае использования более чем одного магнитопровода. In FIG. 1 shows a high voltage high frequency transformer, section; in FIG. 2 and 3 - the location of the inputs of the transformer windings and pipes for the input and output of the refrigerant; in FIG. 4 and 5 - one of the halves of the cooler adjacent to the outer end of the magnetic circuit; in FIG. 6 and 7 - a cooler adjacent to the inner ends of the magnetic circuit in the case of using more than one magnetic circuit.

Тороидальный магнитопровод 1 с внешних торцов охвачен полыми охладителями в виде диамагнитных полых колец 2 и 3, имеющими поперечные перегородки 4 и 5 для организации потока хладоагента. Полые охладители в виде диамагнитных полых колец 2 и 3 изолированы от магнитопровода 1 диэлектриком в виде тонких колец 6 и 7. По обе стороны от перегородок 4 и 5 имеются отверстия 8, 9, 10 и 11 для входа и выхода хладоагента. Две полости охладителей 2 и 3 соединены между собой через отверстия 9 и 11 перемычкой 12, а через два других отверстия 8 и 10 с помощью патрубков 13 и 14 вводится и выводится хладоагент. Таким образом охладители 2 и 3 соединены последовательно по прохождению хладоагента. Герметизация охладителей 2 и 3 осуществляется по поверхности, прилегающей к торцовой поверхности магнитопровода 1 и по внутренней и внешней образующей охладителей 2 и 3. Магнитопровод 1 с охладителями образуют магнитную систему трансформатора и обматываются по всему периметру изоляционными лентами, пропитанными термореактивными смолами в 2-3 слоя, и термообрабатываются, образуя монолитную систему. На полученную таким образом магнитную систему накладывается первичная низковольтная обмотка 15, выводы которой 16 и 17 расположены по обе стороны патрубков 13 и 14 для ввода и вывода хладоагента и перемычки 12 на внешней образующей поверхности магнитопровода 1. Поверх первичной обмотки 15 накладывается межобмоточная изоляция 18 по всему периметру. Далее накладывается вторичная высоковольтная обмотка 19 в секторе между выводами 16 и 17 первичной обмотки. Вторичная высоковольтная обмотка 19 может быть однослойной и многослойной. Выводы 20 и 21 вторичной высоковольтной обмотки 19 расположены по внешней образующей трансформатора на диаметрально противоположных сторонах. Межобмоточная изоляция 18 и межслоевая изоляция низковолтной 15 и высоковольтной 19 обмоток осуществляются стеклослюдинитовыми лентами с последующей пропиткой компаундом вакуумно-нагнетательным способом и термообработкой. Затем трансформатор заливается полимерным составом в форме, образуя внешнюю изоляцию и высоковольтные вводы 20 и 21. The toroidal magnetic circuit 1 from the outer ends is covered by hollow coolers in the form of diamagnetic hollow rings 2 and 3, having transverse partitions 4 and 5 for organizing the flow of refrigerant. Hollow coolers in the form of diamagnetic hollow rings 2 and 3 are isolated from the magnetic circuit 1 by a dielectric in the form of thin rings 6 and 7. On both sides of the partitions 4 and 5 there are openings 8, 9, 10 and 11 for the inlet and outlet of the refrigerant. Two cavities of coolers 2 and 3 are interconnected through openings 9 and 11 with a jumper 12, and through two other openings 8 and 10, coolant is introduced and discharged using pipes 13 and 14. Thus, coolers 2 and 3 are connected in series through the passage of the refrigerant. Sealing of coolers 2 and 3 is carried out along the surface adjacent to the end surface of the magnetic circuit 1 and along the internal and external generators of the coolers 2 and 3. The magnetic circuit 1 with coolers form the magnetic system of the transformer and are wrapped around the entire perimeter with insulating tapes impregnated with thermosetting resins in 2-3 layers , and are heat treated to form a monolithic system. The primary low-voltage winding 15 is superimposed on the magnetic system thus obtained, the terminals of which 16 and 17 are located on both sides of the nozzles 13 and 14 for the input and output of the refrigerant and the jumper 12 on the outer forming surface of the magnetic circuit 1. Over the primary winding 15, winding insulation 18 is applied throughout perimeter. Next, a secondary high-voltage winding 19 is applied in the sector between the terminals 16 and 17 of the primary winding. The secondary high-voltage winding 19 can be single-layer and multi-layer. The findings 20 and 21 of the secondary high-voltage winding 19 are located on the outer generatrix of the transformer on diametrically opposite sides. The inter-winding insulation 18 and the interlayer insulation of the low-voltage 15 and high-voltage 19 windings are carried out with glass mica tapes, followed by impregnation with the compound by a vacuum-discharge method and heat treatment. Then the transformer is filled with a polymer composition in the form, forming an external insulation and high-voltage bushings 20 and 21.

В случае использования в магнитопроводе более одного тороидального магнитопровода между ними устанавливается охладитель 22, состоящий из двух половин, разделенный кольцевой перемычкой 23. В кольцевой перемычке 23 сделаны отверстия 24, соединяющие обе половины. В охладителе 22 имеется перемычка 25, перекрывающая канал в обеих его половинах. По обе стороны от перемычки 25 имеются отверстия 26 и 27 для ввода и вывода хладоагента. Все охладители соединены между собой последовательно для прохождения хладоагента. If more than one toroidal magnetic circuit is used in the magnetic circuit, a cooler 22 is installed between them, consisting of two halves, separated by an annular jumper 23. Holes 24 are made in the annular jumper 23, connecting both halves. In cooler 22 there is a jumper 25, overlapping the channel in both its halves. On both sides of the jumper 25 there are openings 26 and 27 for the input and output of the refrigerant. All coolers are interconnected in series for the passage of the refrigerant.

Трансформатор работает следующим образом. Выводы первичной обмотки подключаются к автономному инвертору (f = 3 - 20 кГц). Изменение магнитного поля в тороидальном магнитопроводе 1 индуцирует высоковольтную ЭДС в многовитковой вторичной обмотке 19, выводы которой 20 и 21 расположены по образующей трансформатора на диаметрально противоположных сторонах. В высокочастотном режиме работы и высоком напряжении тепловые потери локализуются в тороидальных магнитопроводах, в проводниках обмоток и изоляции. Конструктивно магнитопровод 1 отделен от обмоток 15 и 19 и изоляции охладителями 2, 3. Таким образом, тепловые потоки от магнитопровода 1 и обмоток 15 и 19, а также изоляции 18 разделены и направлены к охладителям 2 и 3. Жидкий хладоагент, например, техническая вода подается с заданным расходом через патрубки 13 и 14 в каналы 4 и 5 охладителей 2 и 3. Хладоагент, проходя сначала, например, по охладителю 2, а затем через соединительный патрубок 12 по охладителю 3, уносит выделяемое тепло в магнитопроводе 1, а также в обмотках 15 и 19 и изоляции 18. Такое внутреннее охлаждение распределяет тепловые потоки таким образом, что исключается подогрев изоляции 18 теплом, выделяемым в магнитопроводе 1 и в первичной обмотке 15. Первичная обмотка 15, изготавливаемая из фольги, практически полностью охватывает охладитель и по температуре незначительно отличается от температуры охладителя. Твердая изоляция 18 как межобмоточная, так и межслоевая, охлаждаясь по всему объему равномерно, исключает возможность местных повышений температур, т.е. теплового пробоя изоляции. The transformer operates as follows. The conclusions of the primary winding are connected to a stand-alone inverter (f = 3 - 20 kHz). A change in the magnetic field in the toroidal magnetic circuit 1 induces a high voltage EMF in the multi-turn secondary winding 19, the terminals of which 20 and 21 are located along the transformer generatrix on diametrically opposite sides. In the high-frequency mode of operation and high voltage, heat losses are localized in toroidal magnetic cores, in the conductors of windings and insulation. Structurally, the magnetic circuit 1 is separated from the windings 15 and 19 and insulation by coolers 2, 3. Thus, the heat fluxes from the magnetic circuit 1 and windings 15 and 19, as well as insulation 18 are separated and directed to coolers 2 and 3. Liquid refrigerant, for example, process water is supplied with a predetermined flow rate through the pipes 13 and 14 into the channels 4 and 5 of the cooler 2 and 3. The refrigerant, passing, for example, through the cooler 2, and then through the connecting pipe 12 through the cooler 3, carries off the generated heat in the magnetic circuit 1, as well as windings 15 and 19 and insulation 18. Such an internal oh azhdenie distributes heat flows so that heating insulation 18 is eliminated by heat generated in the magnetic core 1 and the primary winding 15. The primary winding 15, manufactured from foil, is almost completely covers the cooler and the temperature differs insignificantly from the coolant temperature. Solid insulation 18, both inter-winding and interlayer, cooling uniformly throughout the entire volume, eliminates the possibility of local temperature increases, i.e. thermal breakdown of insulation.

Трансформатор может использоваться при создании малогабаритных систем питания различных электрофизических приборов, для заряда емкостных накопителей и в источниках питания различных технологических установок в диапазоне напряжения от единиц до десятков киловольт и мощностью до сотен киловатт в единице с высокими удельными показателями. Так, например, трансформатор мощностью 100 кВт и напряжением 40 кВ имеет 3,5 кВт/кГ. The transformer can be used to create small-sized power systems for various electrophysical devices, for charging capacitive storage devices and in power supplies of various technological installations in the voltage range from units to tens of kilovolts and with power up to hundreds of kilowatts per unit with high specific indicators. So, for example, a transformer with a capacity of 100 kW and a voltage of 40 kV has 3.5 kW / kg.

Источники информации
1. Авторское свидетельство N 1555713, кл. H 01 F 27/16, 1987 г. (прототип).Sources of information
1. Copyright certificate N 1555713, cl. H 01 F 27/16, 1987 (prototype).

Claims

1. A high-voltage high-frequency transformer containing at least one toroidal magnetic circuit enclosed in hollow coolers forming a magnetic system on which windings with solid insulation are located and a sector not occupied by at least one winding in which the terminals of one from windings and nozzles for input and output of a refrigerant, characterized in that the hollow coolers are made in the form of diamagnetic hollow rings mounted on the outer ends of the toroidal magnetic circuit, the cavities of which have a transverse the main partition and the holes for the input and output of the refrigerant, the holes are located on both sides of the partition on the outer generatrix of each hollow cooler, while the cavity of the coolers are interconnected in series.

2. The transformer according to claim 1, characterized in that it contains several toroidal magnetic cores, between the adjacent of which there is additionally a cooler, which has two cavities in contact with the inner ends of the toroidal magnetic cores, and is divided by an annular bridge with holes connecting both cavities in each of which the transverse partitions are made, while the inlet and outlet openings for the input and output of the refrigerant are located on both sides of the transverse partition, while all the coolers are connected by been consistent.