Силовой трансформатор/реактор, способ управления его электрическим полем.
Формула / Реферат
1. Силовой трансформатор/реактор, который содержит, по крайней мере, одну обмотку, при этом обмотка/обмотки содержит/содержат, по крайней мере, один проводник (4), содержащий внутренний полупроводниковый слой (6), вне этого внутреннего полупроводникового слоя находится основная изоляция (7) в форме твердой изоляции и окружающий твердую изоляцию внешний полупроводниковый слой (8).
2. Силовой трансформатор/реактор по п.1, отличающийся тем, что электрический проводник размещен с возможностью проводящего контакта с внутренним полупроводниковым слоем вдоль длины проводника.
3. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам, отличающийся тем, что внешний полупроводниковый слой (8) размещен так, что он, по существу, составляет эквипотенциальную поверхность, которая окружает проводник/проводники.
4. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам, отличающийся тем, что внешний полупроводниковый слой (8) соединен с потенциалом заземления.
5. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам, отличающийся тем, что полупроводниковые слои (6, 8) и изоляционная часть (7) имеют в основном одинаковый коэффициент теплового расширения, такой, что при тепловом перемещении в обмотке отсутствуют дефекты, трещины или что-либо подобное в пограничном слое между полупроводниковыми слоями и изоляционной частью.
6. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам, отличающийся тем, что каждый из полупроводниковых слоев (6, 8) прикреплен к смежной твердой изоляционной части (7) вдоль, по существу, всей примыкающей поверхности.
7. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам, отличающийся тем, что обмотка/обмотки имеют форму гибкого кабеля.
8. Силовой трансформатор/реактор по п.7, отличающийся тем, что кабель изготовлен с площадью проводника, которая лежит между 30 и 3000 мм2, и внешним диаметром кабеля, который лежит между 20 и 250 мм.
9. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам, отличающийся тем, что твердая изоляция (7) сформирована из полимерных материалов.
10. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам, отличающийся тем, что внутренний полупроводниковый слой (6) и/или внешний полупроводниковый слой (8) сформированы из полимерных материалов.
11. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам, отличающийся тем, что твердая изоляция (7) получена экструзией.
12. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам, отличающийся тем, что токонесущий проводник (4) включает ряд жил, указанные жилы изолированы друг от друга за исключением нескольких жил, между которыми отсутствует изоляция, чтобы гарантировать электрический контакт с внутренним полупроводниковым слоем (6).
13. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам, отличающийся тем, что, по крайней мере, у одной из жил проводника (4) изоляция отсутствует и размещена она с возможностью достижения электрического контакта с внутренним полупроводниковым слоем.
14. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам, отличающийся тем, что силовой трансформатор/реактор включает сердечник, который состоит из магнитного материала.
15. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам, отличающийся тем, что силовой трансформатор/реактор включает железный сердечник, состоящий из деталей сердечника и ярм.
16. Силовой трансформатор/реактор по пп.1-13, отличающийся тем, что средой, которая окружает обмотку/обмотки, является воздух.
17. Силовой трансформатор/реактор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что обмотка/обмотки располагается/располагаются концентрически вокруг сердечника.
18. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам, отличающийся тем, что соединен, по крайней мере, с двумя высоковольтными электрическими системами с различными напряжениями.
19. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам, отличающийся тем, что вывод/выводы высоко- и/или низковольтной обмотки/обмоток соединена/соединены с силовым кабелем и/или сделаны подобно концевой разделке силового кабеля.
20. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам, отличающийся тем, что в основном вся электрическая изоляция в трансформаторе/реакторе заключена между проводником (4) и внешним полупроводниковым слоем (8) обмоток и таковая изоляция находится в форме твердой изоляции.
21. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам, отличающийся тем, что обмотка выполнена с возможностью работы с высоким напряжением, применимо более 10 кВ, в особенности более 36 кВ и предпочтительно больше чем 72,5 кВ, и для очень высоких напряжений передачи, таких как от 400 кВ до 800 кВ или выше.
22. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам, отличающийся тем, что трансформатор/реактор выполнен с возможностью работы в диапазоне мощностей более 0,5 МВА, предпочтительно более 30 МВА.
23. Силовой трансформатор/реактор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что силовой трансформатор/реактор охлаждают жидкостью и/или газом при потенциале заземления.
24. Способ управления электрическим полем в силовом трансформаторе/реакторе, содержащем схему, которая генерирует магнитное поле, которая имеет, по крайней мере, одну обмотку, по крайней мере, с одним электрическим проводником и изоляцией и присутствует извне него, при этом изоляцию формируют из твердого изоляционного материала и вне изоляции обеспечивают наружный слой, указанный наружный слой соединяют с потенциалом заземления или другим сравнительно низким потенциалом, и наличие удельной электропроводности, которая выше чем проводимость изоляции, но ниже чем проводимость электрического проводника, осуществляют выравнивание потенциала и удерживают электрическое поле, в основном, в обмотке внутри наружного слоя.
Текст
1 Представленное изобретение относится к силовому трансформатору/реактору. Трансформаторы используют для всей передачи и распределения электрической энергии,и их задача состоит в том, чтобы делать возможным обмен электрической энергией между двумя или больше электрическими системами. Трансформатор является классическим электрическим изделием, которое существует, и теоретически, и фактически больше чем 100 лет. Это явно видно из Немецкого описания патента DE 40414 1885 г. Трансформаторы доступны для всех диапазонов мощности от единиц ВА до 1000 МВА. Относительно диапазона значений напряжения имеется спектр до самых высоких напряжений передачи, которые сегодня используют. Трансформатор принадлежит к группе электрических изделий, которые, по причине фундаментального способа работы, сравнительно просто понять. Для передачи энергии между электрическими системами используют электромагнитную индукцию. Существует большое число учебников и статей, которые более или менее теоретически и практически описывают теорию, расчет, производство, срок службы и т.д. трансформатора. Кроме того, имеется большое количество патентных документов, которые относятся к последовательно улучшенным примерам осуществления различных частей трансформатора, таких, например, как обмотки, сердечник, бак, комплектующие принадлежности,охлаждение, и т.д. Изобретение относится к трансформатору,который принадлежит к так называемым силовым трансформаторам с номинальной мощностью в пределах от нескольких сотен кВА до больше чем 1000 МВА с номинальным напряжением в пределах от 3-4 кВ и до очень высоких напряжений передачи, от 400 кВ до 800 кВ или выше. Изобретательская концепция, которая является основанием представленного изобретения, применима также к реакторам. Нижеследующее описание уровня техники, однако, относится главным образом к силовым трансформаторам. Как известно, реакторы разрабатывают как однофазные и трехфазные реакторы. Что касается изоляции и охлаждения, для них имеются, в принципе, те же самые примеры осуществления, что и для трансформаторов. Таким образом, доступны реакторы с воздушной изоляцией и масляной изоляцией, самоохлаждаемые и охлаждаемые маслом и т.д. Хотя реакторы имеют одну обмотку (на фазу) и их можно разработать как с железным сердечником, так и без него, описание уровня техники в большой степени относится и к реакторам. Уровень техники, проблемы Чтобы поместить силовой трансформатор/реактор согласно изобретению в присущий ему контекст и, следовательно, иметь возмож 001181 2 ность описать новый подход в соответствии с изобретением в дополнение к преимуществам,предоставляемым изобретением относительно известных решений, ниже также будет сначала дано относительно полное описание силового трансформатора, как его конструируют в настоящее время, в дополнение к ограничениям и проблемам, которые существуют, когда доходит до расчета, конструирования, изоляции, заземления, производства, использования, испытаний, перевозки и т.д. этих трансформаторов. Относительно вышеупомянутого, существует всеобъемлющая литература, которая описывает трансформаторы вообще, и более особенно силовые трансформаторы. Можно сослаться, например, на следующий источник:Technology of the Power Transformer, авторы А.С. Franklin и D.P.Franklin, издательство Butterworths, издание 11, 1990. Относительно внутренней электрической изоляции обмоток и т.д. можно упомянуть следующий источник:by H.P.Moser, издательство Weidman AG, CH8640 Rapperswil. С вполне общей точки зрения первичная задача силового трансформатора состоит в том,чтобы допускать обмен электрической энергией между двумя или больше электрическими системами, обычно с различными напряжениями, с одинаковой частотой. Стандартный силовой трансформатор включает трансформаторный сердечник, ниже упоминаемый как сердечник, часто из ламинированных ориентированных листов обычно из кремнистой стали. Сердечник включает ряд деталей сердечника, которые соединяют ярмами,которые вместе образуют одно или более окон сердечника. Трансформаторы с таким сердечником часто упоминают как трансформаторы на сердечнике. Вокруг деталей сердечника имеется ряд обмоток, на которые обычно ссылаются как на первичную, вторичную и управляющую обмотки. Насколько это касается силовых трансформаторов, эти обмотки фактически всегда размещают концентрически и распределяют вдоль длины деталей сердечника. Трансформатор на сердечнике обычно имеет круговые витки, также как заостренное сечение детали сердечника, чтобы заполнить окно насколько возможно эффективно. В дополнение к трансформатору сердечникового типа существует так называемый броневой трансформатор. Последние часто конструируют с прямоугольными витками и прямоугольным сечением детали сердечника. Традиционные силовые трансформаторы на нижнем конце вышеупомянутого диапазона мощностей иногда конструируют с воздушным охлаждением для рассеивания теплоты собст 3 венных потерь. Для защиты против контакта, и для возможного уменьшения внешнего магнитного поля трансформатора, его часто обеспечивают внешним корпусом, который обеспечивают вентиляционными отверстиями. Большинство традиционных силовых трансформаторов, однако, являются охлаждаемыми маслом. Одна из причин для этого состоит в том, что масло имеет очень важную дополнительную функцию как изоляционный материал. Охлаждаемый маслом и изолированный маслом силовой трансформатор окружают, следовательно, внешним баком, на который, как будет ясно видно из описания ниже, накладывают очень высокие требования. Обычно обеспечивают устройство для водяного охлаждения масла. Следующая часть описания главным образом относится к заполненным маслом силовым трансформаторам. Обмотки трансформатора формируют из одной или нескольких соединенных последовательно катушек, которые создает некоторое количество соединенных последовательно витков. Кроме того, витки обеспечивают специальным устройством, чтобы дать возможность переключения между отводами витков. Такое устройство можно сконструировать для отводов при помощи винтовых сцепок или более часто при помощи специального переключателя, который работает в окрестности бака. Когда коммутация может происходить для трансформатора под напряжением, переключатель называют нагрузочным переключателем отводов, в то время как иначе его называют безнагрузочным переключателем отводов. В случае охлаждаемых маслом и изолированных маслом силовых трансформаторов в верхнем диапазоне мощностей, контакты нагрузочных переключателей отводов помещают в специальные заполненные маслом контейнеры с прямым соединением с трансформаторным баком. Контакты приводят в действие чисто механически с помощью приводимого в движение двигателем вала вращения и размещают так,чтобы получить быстрое перемещение во время коммутации, когда контакт размыкают, и более медленное перемещение, когда контакт замыкают. Однако сами нагрузочные переключатели отводов помещают в действующий трансформаторный бак. Во время эксплуатации происходит горение дуги и искрение. Это ведет к деградации масла в контейнерах. Чтобы получать меньшее количество дуг и также, следовательно, образование меньшего количества сажи и меньший износ контактов, нагрузочные переключатели отводов обычно соединяют с высоковольтной стороной трансформатора. Это делают вследствие того, что токи, которые нужно размыкать и соединять, соответственно, являются меньшими на высоковольтной стороне,чем если нагрузочные переключатели отводов 4 соединять с низковольтной стороной. Статистика отказов традиционных маслонаполненных силовых трансформаторов показывает, что часто именно нагрузочные переключатели отводов вызывают повреждения. В нижнем диапазоне мощности охлаждаемых маслом и изолированных маслом силовых трансформаторов и нагрузочные переключатели отводов и их контакты помещают внутри бака. Это означает, что вышеупомянутые проблемы относительно деградации масла из-за искрения во время эксплуатации и т.д., влияют на масляную систему в целом. С точки зрения приложенного или наведенного напряжения, можно в общем сказать,что напряжение, которое является постоянным поперек обмотки, распределено одинаково на каждый виток обмотки, т.е. напряжение витка равно на всех витках. С точки зрения электрического потенциала, однако, ситуация полностью отличается. Один конец обмотки обычно соединяют с заземлением. Это означает, однако, что электрический потенциал каждого витка увеличивается линейно от практически равного нулю на витке,который является самым близким к потенциалу заземления до потенциала на витках, которые находятся на другом конце обмотки, который соответствует приложенному напряжению. Это распределение потенциала определяет строение системы изоляции, так как необходимо иметь достаточную изоляцию и между смежными витками обмотки и между каждым витком и заземлением. Витки в индивидуальной катушке обычно соединяют в геометрические связные секции,которые физически разграничивают от других витков. Расстояние между витками определяет также напряжение на диэлектрике, возникновение которого между витками можно допускать. Это означает, таким образом, что между витками необходимо некоторое заданное изолирующее расстояние. Согласно сказанному выше,необходимо также достаточное изолирующее расстояние до других электрически проводящих объектов, которые находятся в пределах электрического поля от электрического потенциала,который локально возникает в витках. Таким образом, из вышеупомянутого описания ясно, что для индивидуальных витков внутренняя разность потенциалов между физически смежными элементами проводника является сравнительно низкой, в то время как внешняя разность потенциалов относительно других металлических объектов - включая другие катушки - может быть сравнительно высокой. Разность потенциалов определяет напряжение,которое наводит магнитная индукция, также как распределенные емкостные напряжения, которые могут являться результатом присоединенной внешней электрической системы на внешних соединениях трансформатора. Типы напря 5 жения, которые могут поступать извне, включают в дополнение к рабочему напряжению перенапряжения от молнии и перенапряжения коммутации. В проводниках тока катушек возникают дополнительные потери в результате магнитного поля рассеяния вокруг проводника. Чтобы сохранить эти потери настолько низкими, насколько это возможно, особенно для силовых трансформаторов в верхнем диапазоне мощностей, проводники обычно разделяют на ряд элементов проводника, которые часто упоминают как жилы, которые во время эксплуатации соединяют параллельно. Эти жилы необходимо переплетать согласно такому узору, при котором наведенное напряжение на каждой жиле становится насколько возможно одинаковым и так, чтобы разность в наведенном напряжении между каждой парой жил стала как можно меньше для того, чтобы подавлять внутренние циркулирующие составляющие тока до приемлемого уровня с точки зрения потерь. При проектировании трансформаторов согласно известным решениям общая цель состоит в том, чтобы иметь насколько возможно большое количество материала проводника в пределах заданной площадки, ограниченной так называемым трансформаторным окном, что обычно описывают как наличие насколько возможно высокого коэффициента заполнения. Доступное пространство должно заключать в себе в дополнение к материалу проводника также связанный с катушками изоляционный материал, частично внутри между витками и частично к другим металлическим компонентам, включая магнитный сердечник. Систему изоляции частично в пределах катушки/обмотки и частично между катушками/обмотками и другими металлическими частями обычно проектируют как твердую, основанную на целлюлозе или лаке изоляцию, ближайшую к индивидуальным элементам проводника, а вне его как твердую целлюлозу и жидкостную, возможно также газообразную изоляцию. Таким образом, обмотки с изоляцией и возможными опорными частями представляют собой большие объемы, которые подвергают воздействию высоких напряженностей электрического поля, которые возникают в активных электромагнитных частях трансформатора и вокруг них. Чтобы заранее определять напряжения, которые возникают на диэлектриках, и добиться определения размеров с минимальным риском пробоя, необходимо хорошее знание свойств изоляционных материалов. Также важно получить такую окружающую среду, что она не изменяет и не уменьшает изоляционные свойства. Преобладающая в настоящее время система изоляции для высоковольтных силовых трансформаторов включает целлюлозный материал как твердую изоляцию и трансформатор 001181 6 ное масло как жидкостную изоляцию. Трансформаторное масло основано на так называемых нефтепродуктах. Трансформаторное масло имеет двойную функцию, поскольку в дополнение к изоляционной функции оно активно способствует охлаждению сердечника, обмотки, и т.д. посредством отвода тепловых потерь трансформатора. Для масляного охлаждения необходимы масляный насос, внешний охлаждающий элемент,расширительный бак и т.д. Электрическое соединение между внешними соединениями трансформатора и непосредственно присоединенными катушками/обмотками называют вводом, который предназначен для токопроводящего соединения через стенку бака, который в случае заполненных маслом силовых трансформаторов окружает собственно трансформатор. Ввод часто представляет собой отдельный компонент, который прикрепляют к стенке бака и конструируют так,чтобы выдержать требования изоляции и на наружной части и внутри бака, в то время как он при этом должен выдержать возникающие токовые нагрузки и результирующие токовые усилия. Следует указать, что те же требования для системы изоляции, как описано выше относительно обмоток, относятся также к необходимым внутренним соединениям между катушками, между вводами и катушками, различными типами переключателей и вводами как таковыми. Все металлические компоненты внутри силового трансформатора за исключением токонесущих проводников обычно соединяют с данным потенциалом заземления. Таким образом, избегают риска нежелательных и трудно контролируемых увеличений потенциала в результате емкостного распределения напряжения между токовводами с высоким потенциалом и заземлением. Такое нежелательное увеличение потенциала может вызывать частичные разряды,так называемую корону, которые можно обнаружить во время нормальных приемочных испытаний, которые частично выполняют, по сравнению с номинальными данными, с увеличенными напряжением и частотой. Корона может вызывать повреждения во время эксплуатации. Индивидуальные катушки в трансформаторе должны иметь такие механические размеры, что они могут выдерживать любые напряжения, которые возникают как следствие возникновения токов, и результирующие токовые усилия во время процесса короткого замыкания. Катушки обычно конструируют таким образом,что возникающие усилия поглощают в пределах каждой индивидуальной катушки, что в свою очередь может означать, что размеры катушки невозможно определить оптимально для нор 7 мального функционирования во время нормального режима эксплуатации. В пределах узкого диапазона напряжения и мощности заполненных маслом силовых трансформаторов обмотки конструируют как так называемые винтовые обмотки. Это подразумевает, что упомянутые выше индивидуальные проводники заменяют тонкими листами. Силовые трансформаторы с винтовой намоткой, изготавливают для напряжений до 20-30 кВ и мощностей до 20-30 МВт. Система изоляции силовых трансформаторов в пределах верхнего диапазона мощностей требует также, в дополнение к сравнительно сложной конструкции, специальных производственных мер, чтобы использовать свойства системы изоляции наилучшим возможным способом. Чтобы получить хорошую изоляцию,которую необходимо получить, система изоляции должна иметь низкую влажность, твердая часть изоляции должна быть хорошо пропитана окружающим маслом, и риск сохранения "газовых" карманов в твердой части должен быть минимален. Чтобы гарантировать это, на полном сердечнике с обмотками выполняют специальные процессы сушки и пропитки, прежде чем его опускают в бак. После этих процессов сушки и пропитки трансформатор опускают в бак, который затем герметизируют. Перед заполнением маслом из бака с погруженным трансформатором необходимо удалить весь содержащийся в нем воздух. Это выполняют в связи со специальной вакуумной обработкой. После выполнения этого бак заполняют маслом. Чтобы получить обещанный срок службы и т.д. во время вакуумной обработки необходим почти абсолютный вакуум. Это таким образом предполагает, что бак, который окружает трансформатор, проектируют для полного вакуума, что влечет за собой значительный расход материала и времени изготовления. Если в заполненном маслом силовом трансформаторе происходят электрические разряды, или если происходит локальное значительное увеличение температуры в любой части трансформатора, масло распадается, и газообразные продукты растворяются в масле. Трансформаторы, следовательно, обычно обеспечивают контрольными приборами для обнаружения растворенного в масле газа. По соображениям веса большие силовые трансформаторы транспортируют без масла. Установка трансформатора на месте у заказчика требует, в свою очередь, возобновления вакуумной обработки. Кроме того, это процесс, который к тому же необходимо повторять каждый раз, когда бак открывают для некоторой ремонтной работы или осмотра. Очевидно, что эти процессы являются очень трудоемкими и дорогостоящими и составляют значительную часть общих затрат 8 времени на производство и ремонт и в то же время требуют доступа к обширным ресурсам. Изоляционный материал в традиционных силовых трансформаторах составляет большую часть общего объема трансформатора. Для силового трансформатора в пределах верхнего диапазона мощностей не являются необычными количества масла порядка нескольких десятков кубических метров трансформаторного масла. Масло, которое проявляет некоторое сходство с дизельным топливом, является легкоподвижной жидкостью и проявляет сравнительно низкую температуру вспышки. Таким образом очевидно, что масло вместе с целлюлозой составляет пожароопасность в случае случайного нагрева,например, при внутреннем искрении и возникающей в результате утечке масла, которой нельзя пренебрегать. Также очевидно, что особенно для заполненных маслом силовых трансформаторов, существует очень большая транспортная проблема. Такой силовой трансформатор в пределах верхнего диапазона мощностей может иметь общий объем масла, который равен нескольким десяткам кубических метров и может иметь вес до нескольких сотен тонн. Понятно, что внешнюю конструкцию трансформатора иногда необходимо адаптировать к данному профилю транспортирования, т.е. для любого прохождения мостов, туннелей и т.д. Дальше следует короткое резюме известных решений относительно заполненных маслом силовых трансформаторов, в котором описаны и ограничения и проблемные области: Заполненный маслом традиционный силовой трансформатор- включает внешний бак, который предназначают для вмещения трансформатора, который содержит трансформаторный сердечник с катушками, масло для изоляции и охлаждения,механические опорные устройства различных видов и т.д. На бак накладывают очень большие механические требования, поскольку без масла,но с трансформатором он должен быть способен выдержать вакуумную обработку до фактически полного вакуума. Бак требует очень продолжительных процессов изготовления и испытания, а большие наружные размеры бака также обычно влекут за собой значительные транспортные проблемы;- обычно включает так называемое масляное охлаждение под давлением. Этот способ охлаждения требует обеспечения масляного насоса, внешнего охлаждающего элемента,расширительного бака и соединения для расширения и т.д.;- включает электрическое соединение между внешними соединениями трансформатора и непосредственно присоединенными катушками/обмотками в форме ввода, который закрепляют на стенке бака. Ввод конструируют так, 9 чтобы выдержать требования изоляции и на наружной части и внутри бака;- включает катушки/обмотки, проводники которых разделяют на некоторое количество элементов проводника, жил, которые необходимо переплетать согласно такому узору, при котором наведенное напряжение на каждой жиле становится насколько возможно одинаковым и так, чтобы разность в наведенном напряжении между каждой парой жил стала как можно меньше;- включает систему изоляции, частично в пределах катушки/обмотки и частично между катушками/обмотками и другими металлическими частями, которую проектируют как твердую, основанную на целлюлозе или лаке изоляцию, ближайшую к индивидуальным элементам проводника, а вне его как твердую целлюлозу и жидкостную, возможно также газообразную изоляцию. Кроме того, чрезвычайно важно, что система изоляции проявляет очень низкую влажность;- включает как интегрированную часть нагрузочный переключатель отводов, который окружают маслом и обычно соединяют с высоковольтной обмоткой трансформатора для регулирования напряжения;- содержит масло, которое может повлечь за собой пожароопасность в связи с внутренними частичными разрядами, так называемой короной, искрением в нагрузочных переключателях отводов и другими дефектными состояниями, которой нельзя пренебречь;- обычно содержит контрольный прибор для текущего контроля газа, растворенного в масле, который возникает в случае электрических разрядов в нем или в случае локальных увеличений температуры;- содержит масло, которое в случае повреждения или несчастного случая, может приводить к проливу масла и обширному повреждению окружающей среды. Краткое описание изобретения,преимущества В основу данного изобретения положена задача предложить концепцию трансформатора в пределах диапазона мощностей, который описан согласно описанию уровня техники, т.е. так называемых силовых трансформаторов с номинальной мощностью в пределах от нескольких сотен кВА до более чем 1000 МВА с номинальным напряжением в пределах от 3-4 кВ и до очень высоких напряжений передачи, таких как от 400 кВ до 800 кВ или выше, и которая не влечет за собой недостатков, проблем и ограничений, которые связаны с известными решениями заполненных маслом силовых трансформаторов согласно тому, что является ясным из вышеупомянутого описания уровня техники. Изобретение основано на осознании того, что посредством конструирования обмотки или обмоток в трансформаторе/реакторе так, что она 10 включает твердую изоляцию, которую окружают внешним и внутренним уравнивающим потенциал полупроводниковым слоем, в пределах какового внутреннего слоя размещают электрический проводник, обеспечивают возможность удержания электрического поля всего устройства в пределах обмотки. Электрический проводник следует, согласно изобретению, размещать так, что он имеет такой проводящий контакт с внутренним полупроводниковым слоем, что в пограничном слое между самой внутренней частью твердой изоляции и окружающим внутренним полупроводником вдоль длины проводника не может возникать никакой вредной разности потенциалов. Силовой трансформатор,согласно изобретению, демонстрирует очевидные значительные преимущества относительно традиционного заполненного маслом силового трансформатора. Преимущества будут описаны более подробно ниже. Как упомянуто во вводной части описания, изобретение обеспечивает также концепцию, которую нужно применить к реакторам, как с железным сердечником, так и без него. Существенное отличие между традиционными заполненными маслом силовыми трансформаторами/реакторами и силовым трансформатором/реактором согласно изобретению состоит в том, что обмотка/обмотки таким образом включает твердую изоляцию, которую окружают внешним и внутренним потенциальным слоем, также как по крайней мере один электрический проводник, который размещают внутри внутреннего потенциального слоя, который конструируют как полупроводники. Определение того, что включает концепция полупроводника, будет описано ниже. Согласно предпочтительному примеру осуществления, обмотку/обмотки конструируют в форме гибкого кабеля. При уровнях высокого напряжения, которые необходимы в силовом трансформаторе/реакторе согласно изобретению, который соединяют с высоковольтными сетями с очень высокими рабочими напряжениями, электрические и тепловые нагрузки, которые могут возникать, накладывают чрезвычайные требования на изоляционный материал. Известно, что так называемые частичные разряды, ЧР, обычно составляют серьезную проблему для изоляционного материала в высоковольтных установках. Если в изолирующем слое возникают раковины, поры или нечто подобное, при высоких электрических напряжениях может возникать внутренний коронный разряд, по причине чего изоляционный материал постепенно деградирует и что, в конце концов, может привести к электрическому пробою через изоляцию. Понятно, что это может приводить к серьезной аварии, например, силового трансформатора. Изобретение, между прочим, основано на осознании того, что полупроводниковые потен 11 циальные слои проявляют сходные теплофизические свойства в том, что касается коэффициента теплового расширения, и что слои прикрепляют к твердой изоляции. Предпочтительно, полупроводниковые слои согласно изобретению объединяют с твердой изоляцией, чтобы гарантировать, что эти слои и смежная изоляция проявляют подобные теплофизические свойства, чтобы гарантировать хороший контакт независимо от изменений в температуре, которые возникают в линии при различных нагрузках. При температурных градиентах изоляционная часть с полупроводниковыми слоями составляет монолитную часть и дефекты, которые вызывает различное тепловое расширение изоляции и окружающих слоев, не возникают. Электрическую нагрузку на материале снижают как следствие того обстоятельства, что полупроводниковые части вокруг изоляции составляют эквипотенциальные поверхности, и что электрическое поле в изолирующей части, следовательно,распределено почти однородно по толщине изоляции. Согласно изобретению необходимо обеспечить, чтобы изоляцию не разрушили описанные выше явления. Этого можно достигнуть посредством использования в качестве изоляции слоев, которые изготавливают таким способом,при котором риск раковин и пор является минимальным, например, экструдированных слоев подходящего термопластического материала,такого как сшитый ПЭ (полиэтилен), СВПЭ и ПЭК (каучук пропилена этилена). Изоляционный материал, таким образом, представляет собой материал с малыми потерями с высокой прочностью на излом, который под нагрузкой демонстрирует усадку. Электрическую нагрузку на материале снижают вследствие того обстоятельства, что полупроводниковые части вокруг изоляции составляют эквипотенциальные поверхности, и что электрическое поле в изоляционной части,следовательно, распределено почти однородно по толщине изоляции. В связи с передающими кабелями для высокого напряжения и для передачи электрической энергии, известны конструкции проводников с экструдированной изоляцией, которые сами по себе основывают на предпосылке, что изоляция должна быть бездефектной. В этих передающих кабелях потенциал лежит, в принципе, на одном уровне вдоль всей длины кабеля,что обеспечивает высокое электрическое напряжение в изоляционном материале. Передающий кабель обеспечивают одним внутренним и одним внешним полупроводниковым слоем для выравнивания потенциала. Представленное изобретение таким образом основано на осознании того, что, посредством конструирования обмотки согласно отличительным особенностям, описанным в формуле изобретения, в том, что касается твердой изоля 001181 12 ции и окружающих уравнивающих потенциал слоев, можно получить трансформатор/реактор,в котором электрическое поле удерживают в пределах обмотки. Дополнительные усовершенствования можно также получить посредством конструирования проводника из меньших изолированных частей, так называемых жил. Благодаря тому, что эти жилы делают маленькими и круглыми, магнитное поле поперек жил обнаруживает постоянную геометрию относительно поля, и минимизируют возникновение вихревых токов. Согласно изобретению обмотку/обмотки,таким образом, предпочтительно делают в форме кабеля, который включает, по крайней мере,один проводник, который содержит некоторое количество жил и с внутренним полупроводниковым слоем вокруг жил. Снаружи этого внутреннего полупроводникового слоя находится основная изоляция кабеля в форме твердой изоляции и вокруг этой твердой изоляции находится внешний полупроводниковый слой. Кабель может в некоторых контекстах иметь дополнительные наружные слои. Согласно изобретению, внешний полупроводниковый слой должен проявлять такие электрические свойства, чтобы обеспечить выравнивание потенциала вдоль проводника. Полупроводниковый слой не должен, однако, проявлять такие свойства проводимости, при которых индуктивный ток вызывает нежелательную тепловую нагрузку. Далее, проводящие свойства слоя должны быть достаточны, чтобы гарантировать получение эквипотенциальной поверхности. Удельное сопротивлениеполупроводникового слоя должно показывать минимальное значение мин = 1 Омсм и предельное значение макс = 100 кOмсм, и, кроме того, сопротивление полупроводникового слоя на единицу длины в осевом направлении, R, кабеля должно показывать минимальную величину Rмин = 50 Ом/м и предельное значение Rмакс = 50 МОм/м. Внутренний полупроводниковый слой должен показывать для этого достаточную удельную электропроводность, чтобы функционировать уравнивающим потенциал способом и,следовательно, выравнивания относительно наружной части электрического поля внутреннего слоя. В этом отношении важно, что слой имеет такие свойства, что он выравнивает любые неоднородности поверхности проводника и что он формирует эквипотенциальную поверхность с высоким качеством обработки поверхности у пограничного слоя с твердой изоляцией. Слой можно, как таковой, сформировать с переменной толщиной, но так, чтобы гарантировать ровную поверхность по отношению к проводнику и твердой изоляции, его надлежащая толщина лежит между 0,5 и 1 мм. Однако слой не должен проявлять такую большую проводимость, что он дает вклад в индуцирование на 13 пряжения. Для внутреннего полупроводникового слоя, таким образом, мин = 10-6 Омсм,Rмин = 50 мкОм/м и, соответствующим образом,макс = 100 кОмсм, Rмакс = 50 МОм/м. Такой кабель, который используют согласно изобретению, представляет собой усовершенствование термопластического кабеля,и/или сшитого термопласта типа СВПЭ, или кабеля с изоляцией из каучука пропилена этилена (ПЭ), или другого каучука, например, силиконового. Усовершенствование включает,между прочим, новую конструкцию и в отношении жил проводников и в том, что кабель не имеет никакой внешней оболочки для механической защиты кабеля. Обмотка, которая содержит такой кабель,влечет за собой совершенно отличные условия с точки зрения изоляции от тех, которые применяют к обмоткам традиционных трансформаторов/реакторов благодаря распределению электрического поля. Имеются другие возможные примеры осуществления для того, чтобы использовать преимущества, которые предоставляет использование упомянутого кабеля, в том,что касается заземления трансформатора/реактора согласно изобретению, чем те, которые применяют к традиционным заполненным маслом силовым трансформаторам. Существенным и необходимым для обмотки в силовом трансформаторе/реакторе согласно изобретению является то, что, по крайней мере,одну из жил проводника не изолируют и размещают так, что достигают хорошего электрического контакта с внутренним полупроводниковым слоем. Внутренний слой, таким образом,всегда сохраняет потенциал проводника. В качестве альтернативы, можно поочередно проводить в электрический контакт с внутренним полупроводниковым слоем различные жилы. Что касается остальной части жил, все из них или некоторые из них можно покрывать лаком и, следовательно, изолировать. Согласно изобретению зажимы высоковольтных и низковольтных обмоток могут или иметь тип разъема (когда происходит соединение с кабельной системой) или тип концевой кабельной муфты (когда происходит соединение с коммутационным устройством или с воздушной линией электропередачи). Эти части также состоят из твердого изоляционного материала,и, таким образом, выполняют те же требования ЧР, как вся система изоляции. Согласно изобретению трансформатор/реактор может или иметь внешнее или внутреннее охлаждение, причем внешнее значит газовое или жидкостное охлаждение при потенциале заземления, а внутреннее значит газовое или жидкостное охлаждение внутри обмотки. Производство обмоток трансформатора или реактора из кабеля согласно вышеупомянутому влечет за собой глубокие различия в от 001181 14 ношении распределения электрического поля между традиционными силовыми трансформаторами/реакторами и силовым трансформатором/реактором согласно изобретению. Решающее преимущество с образованной кабелем обмоткой согласно изобретению состоит в том,что электрическое поле заключают в обмотке и что таким образом не существует электрического поля вне полупроводникового слоя. Электрическое поле из токонесущего проводника присутствует только в твердой основной изоляции. И с точки зрения конструкции и с точки зрения производства это имеет значительные преимущества:- обмотки трансформатора можно сформировать без необходимости рассматривать какоелибо распределение электрического поля, а переплетение жил, упомянутое в уровне техники,можно опустить;- конструкцию сердечника трансформатора можно сформировать без необходимости рассматривать какое-либо распределение электрического поля;- не нужно никакого масла для электрической изоляции обмотки, т.е. средой, которая окружает обмотку, может быть воздух;- не нужно никакого масла для охлаждения обмотки. Охлаждение можно выполнять при потенциале заземления и в качестве охлаждающей среды можно использовать газ или жидкость;- не нужны никакие специальные соединения для электрического соединения между внешними соединениями трансформатора и непосредственно присоединенными катушками/обмотками, поскольку электрическое соединение в противоположность традиционным устройствам объединяют с обмоткой;- не нужны традиционные вводы трансформатора/реактора. Вместо этого преобразование поля от радиального к осевому полю трансформатора/реактора можно осуществить подобно традиционной концевой разделке конца кабеля;- технология производства и испытаний,которая необходима для силового трансформатора согласно изобретению, значительно более проста, чем для традиционного силового трансформатора/реактора, так как не нужны пропитка, сушка и вакуумная обработка, описанные согласно описанию уровня техники. Это обеспечивает значительно более короткие времена изготовления;- посредством использования способа изоляции согласно изобретению обеспечивают значительные возможности для формирования такой магнитной цепи трансформатора, которая дана согласно известным решениям. Краткое описание чертежей Изобретение будет теперь описано со ссылками на сопутствующие чертежи, на которых 15 фиг. 1 показывает распределение электрического поля вокруг обмотки традиционного силового трансформатора/реактора; фиг. 2 - пример осуществления обмотки в форме кабеля в силовых трансформаторах/реакторах согласно изобретению; и фиг. 3 - пример осуществления силового трансформатора согласно изобретению. Описание предпочтительных вариантов осуществления Фиг. 1 показывает упрощенный и фундаментальный вид распределения электрического поля вокруг обмотки традиционного силового трансформатора/реактора, где 1 обозначает обмотку, 2 обозначает сердечник и 3 иллюстрирует эквипотенциальные линии, т.е. линии, где электрическое поле имеет одинаковую величину. Предполагается, что нижняя часть обмотки находится при потенциале заземления. Распределение потенциала определяет состав системы изоляции, так как необходимо иметь достаточную изоляцию и между смежными витками обмотки и между каждым витком и заземлением. Таким образом, фигура показывает, что верхнюю часть обмотки подвергают воздействию самого высокого напряжения диэлектрика. Конструкцию и расположение обмотки относительно сердечника, таким образом, определяет в основном распределение электрического поля в окне сердечника. Фиг. 2 показывает пример кабеля, который можно использовать в обмотках, которые включают в силовые трансформаторы/реакторы согласно изобретению. Такой кабель включает, по крайней мере, один проводник 4, который состоит из ряда жил 5 с внутренним полупроводниковым слоем 6, который располагают вокруг жил. Вне этого внутреннего полупроводникового слоя находится основная изоляция 7 кабеля в форме твердой изоляции и окружающий эту твердую изоляцию внешний полупроводниковый слой 8. Как предварительно упомянуто,кабель можно обеспечивать другими дополнительными слоями для специальных целей, например, для предотвращения слишком высоких электрических напряжений на других областях трансформатора/реактора. С точки зрения геометрического измерения, обсуждаемые кабели имеют площадь проводника, которая лежит между 30 и 3000 мм 2 и внешний диаметр кабеля,который лежит между 20 и 250 мм. Обмотки силового трансформатора/ реактора, которые изготавливают из кабеля,описанного в резюме изобретения, можно использовать для однофазных, трехфазных и многофазных трансформаторов/реакторов независимо от того, какую форму имеет сердечник. Один пример осуществления показан на фиг. 3,которая показывает трехфазный трансформатор с многослойным сердечником. Сердечник включает стандартным способом три детали сердечника 9, 10 и 11 и удерживающие ярма 12 16 и 13. В показанном примере осуществления и детали сердечника и ярма имеют заостренное поперечное сечение. Концентрически вокруг деталей сердечника располагают обмотки, которые формируют из кабеля. Ясно, что пример осуществления,показанный на фиг. 3, имеет три концентрических витка обмотки 14, 15 и 16. Самый внутренний виток обмотки 14 может представлять собой первичную обмотку, и другие два витка обмотки 15 и 16 могут представлять собой вторичные обмотки. Чтобы не перегружать фигуру слишком многими деталями, соединения обмоток не показаны. Иначе фигура показывает, что в показанном примере осуществления, распорные стержни 17 и 18 с несколькими различными функциями размещают в некоторых точках вокруг обмоток. Распорные стержни можно сформировать из изоляционного материала, который предназначают для обеспечения некоторого пространства между концентрическими витками обмотки для охлаждения, поддержки, и т.д. Их можно также сформировать из электропроводящего материала, чтобы образовать часть заземления обмоток. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Силовой трансформатор/реактор, который содержит, по крайней мере, одну обмотку,при этом обмотка/обмотки содержит/содержат,по крайней мере, один проводник (4), содержащий внутренний полупроводниковый слой (6),вне этого внутреннего полупроводникового слоя находится основная изоляция (7) в форме твердой изоляции и окружающий твердую изоляцию внешний полупроводниковый слой (8). 2. Силовой трансформатор/реактор по п.1,отличающийся тем, что электрический проводник размещен с возможностью проводящего контакта с внутренним полупроводниковым слоем вдоль длины проводника. 3. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам, отличающийся тем, что внешний полупроводниковый слой (8) размещен так, что он, по существу, составляет эквипотенциальную поверхность,которая окружает проводник/проводники. 4. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам, отличающийся тем, что внешний полупроводниковый слой (8) соединен с потенциалом заземления. 5. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам, отличающийся тем, что полупроводниковые слои(6, 8) и изоляционная часть (7) имеют в основном одинаковый коэффициент теплового расширения, такой, что при тепловом перемещении в обмотке отсутствуют дефекты, трещины или что-либо подобное в пограничном слое между 17 полупроводниковыми слоями и изоляционной частью. 6. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам, отличающийся тем, что каждый из полупроводниковых слоев (6, 8) прикреплен к смежной твердой изоляционной части (7) вдоль, по существу,всей примыкающей поверхности. 7. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам, отличающийся тем, что обмотка/обмотки имеют форму гибкого кабеля. 8. Силовой трансформатор/реактор по п.7,отличающийся тем, что кабель изготовлен с площадью проводника, которая лежит между 30 и 3000 мм 2, и внешним диаметром кабеля, который лежит между 20 и 250 мм. 9. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам, отличающийся тем, что твердая изоляция (7) сформирована из полимерных материалов. 10. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам,отличающийся тем, что внутренний полупроводниковый слой (6) и/или внешний полупроводниковый слой (8) сформированы из полимерных материалов. 11. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам,отличающийся тем, что твердая изоляция (7) получена экструзией. 12. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам,отличающийся тем, что токонесущий проводник(4) включает ряд жил, указанные жилы изолированы друг от друга за исключением нескольких жил, между которыми отсутствует изоляция, чтобы гарантировать электрический контакт с внутренним полупроводниковым слоем(6). 13. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам,отличающийся тем, что, по крайней мере, у одной из жил проводника (4) изоляция отсутствует и размещена она с возможностью достижения электрического контакта с внутренним полупроводниковым слоем. 14. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам,отличающийся тем, что силовой трансформатор/реактор включает сердечник, который состоит из магнитного материала. 15. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам,отличающийся тем, что силовой трансформатор/реактор включает железный сердечник, состоящий из деталей сердечника и ярм. 16. Силовой трансформатор/реактор по пп.1-13, отличающийся тем, что средой, которая окружает обмотку/обмотки, является воздух. 17. Силовой трансформатор/реактор по любому из предыдущих пунктов, отличающий 001181 18 ся тем, что обмотка/обмотки располагается/располагаются концентрически вокруг сердечника. 18. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам,отличающийся тем, что соединен, по крайней мере, с двумя высоковольтными электрическими системами с различными напряжениями. 19. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам,отличающийся тем, что вывод/выводы высокои/или низковольтной обмотки/обмоток соединена/соединены с силовым кабелем и/или сделаны подобно концевой разделке силового кабеля. 20. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам,отличающийся тем, что в основном вся электрическая изоляция в трансформаторе/реакторе заключена между проводником (4) и внешним полупроводниковым слоем (8) обмоток и таковая изоляция находится в форме твердой изоляции. 21. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам,отличающийся тем, что обмотка выполнена с возможностью работы с высоким напряжением,применимо более 10 кВ, в особенности более 36 кВ и предпочтительно больше чем 72,5 кВ, и для очень высоких напряжений передачи, таких как от 400 кВ до 800 кВ или выше. 22. Силовой трансформатор/реактор по одному или более предшествующим пунктам,отличающийся тем, что трансформатор/реактор выполнен с возможностью работы в диапазоне мощностей более 0,5 МВА, предпочтительно более 30 МВА. 23. Силовой трансформатор/реактор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что силовой трансформатор/реактор охлаждают жидкостью и/или газом при потенциале заземления. 24. Способ управления электрическим полем в силовом трансформаторе/реакторе, содержащем схему, которая генерирует магнитное поле, которая имеет, по крайней мере, одну обмотку, по крайней мере, с одним электрическим проводником и изоляцией и присутствует извне него, при этом изоляцию формируют из твердого изоляционного материала и вне изоляции обеспечивают наружный слой, указанный наружный слой соединяют с потенциалом заземления или другим сравнительно низким потенциалом, и наличие удельной электропроводности, которая выше чем проводимость изоляции,но ниже чем проводимость электрического проводника, осуществляют выравнивание потенциала и удерживают электрическое поле, в основном, в обмотке внутри наружного слоя.
МПК / Метки
МПК: H01F 27/34
Метки: силовой, управления, электрическим, способ, полем
Код ссылки
<a href="https://eas.patents.su/11-1181-silovojj-transformator-reaktor-sposob-upravleniya-ego-elektricheskim-polem.html" rel="bookmark" title="База патентов Евразийского Союза">Силовой трансформатор/реактор, способ управления его электрическим полем.</a>