Обмотка в электрической машине с неподвижными частями

1 Настоящее изобретение относится к обмотке, описанной в ограничительной части п.1 формулы изобретения, в электрической машине с неподвижными частями, например, мощном трансформаторе, предназначенном для использования при высоких напряжениях, под которыми понимаются, главным образом, электрические напряжения, превышающие 10 кВ. Типичный рабочий диапазон для трансформатора,выполненного согласно изобретению, может быть 36-800 кВ. Обычные мощные трансформаторы, как отмечено, например, в книге "Fredrik Gustavson.Electriska Maskiner, Kungliga Tekniska Hogskolan, 1996", стр. 3.6-3.12, обычно охлаждаются и изолируются маслом. Однако в таких маслозаполненных трансформаторах возникает ряд проблем. Требуется внешний корпус для трансформатора, имеющего сердечник с обмотками,требуется масло для изоляции и охлаждения, и механические средства крепления различных типов. Механические требования к этому корпусу весьма жесткие и процессы изготовления и сборки требуют много времени. Наконец, габариты корпуса велики, что создает транспортные проблемы. Охлаждение маслом, в особенности охлаждение маслом под давлением, также требует масляных насосов, внешних охлаждающих элементов, расширителей для масла и т.д. Изолирующий материал должен быть чрезвычайно чистым и свободным от проводящих частиц. Содержание влаги как в масле, так и в другом изолирующем материале, должно быть значительно ниже, чем в атмосфере. В нормальном производстве содержание влаги в отдельных процессах уменьшается до значений ниже 1% для бумаги и других материалов из целлюлозы и до нескольких тысячных частей для масла. Вся система изоляции должна быть тщательно просушена в конце процесса изготовления. Эта высокая степь чистоты и низкое содержание влаги должны поддерживаться во время транспортировки и во время работы трансформатоpa. Например, из JP 4179107, JP 6196343 и JP 7057951 уже известна обмотка в виде заранее изготовленных барабанов. Однако в такой обмотке не используется высоковольтный кабель. Из патента США 5036165 известен проводник, в котором изоляция обеспечивается с помощью внутреннего и внешнего слоев из полупроводящего пиролизного стекловолокна. Известно также, что в электрических динамомашинах используют проводники с такой изоляцией, как описано, например, в патенте США 5066881, где полупроводящий слой из пиролизного стекловолокна находится в контакте с двумя параллельными стержнями, образующими проводник, а изоляция в статорных пазах окружена внешним слоем из полупроводящего пиролизного стекловолокна. Пиролизное стекловолокно описано как подходящий материал,так как оно сохраняет свое удельное электриче 002171 2 ское сопротивление даже после процесса пропитки. Целью настоящего изобретения является решение вышеуказанных проблем и дальнейшее усовершенствование таких машин путем упрощения их изготовления, облегчения транспортировки и уменьшения стоимости изготовления и сборки. Эта цель достигается тем, что машина,согласно изобретению, выполнена в соответствии с отличительной частью п.1 формулы изобретения. Преимущества изобретения наиболее очевидны при использовании высоковольтного кабеля, содержащего сердечник с множеством жил, внутренний полупроводящий слой, окружающий сердечник, изолирующий слой, окружающий внутренний полупроводящий слой, и внешний полупроводящий слой, окружающий изолирующий слой. Более конкретно, это относится к такому кабелю с диаметром в пределах 20-200 мм и площадью сечения проводящей области в пределах 80-3000 мм 2. Такое осуществление изобретения является предпочтительным. В устройстве, выполненном согласно изобретению, обмотки предпочтительно выполнены из кабелей, имеющих твердую, полученную методом экструзии изоляцию, таких как кабели,используемые в настоящее время для распределения энергии, например, кабели с изоляцией из полиэтилена с межмолекулярными связями или из этилен-пропиленового каучука. Такой кабель содержит внутренний проводник, состоящий из одной или более жил, внутренний полупроводящий слой, окружающий проводник, твердый изолирующий слой, окружающий его, и внешний полупроводящий слой, окружающий изолирующий слой. Такие кабели являются гибкими,что является важным качеством в данном случае, так как конструкция устройства согласно изобретению основана, главным образом, на системах обмоток, в которых обмотка формируется из кабеля, изгибаемого во время сборки. Гибкость кабеля с изоляцией из полиэтилена с межмолекулярными связями обычно соответствует радиусу кривизны приблизительно 20 см для кабеля диаметром 30 мм и радиусу кривизны приблизительно 65 см для кабеля диаметром 80 мм. В настоящем описании термин "гибкий" означает, что обмотка может быть согнута вплоть до радиуса кривизны порядка четырех диаметров кабеля, предпочтительно - от восьми до двенадцати диаметров кабеля. Обмотку следует конструировать так, чтобы ее свойства сохранялись даже тогда, когда она изгибается, и при этом слои сохраняли адгезию друг к другу. Свойства материалов слоев имеют решающее значение, в особенности их упругость и относительные коэффициенты теплового расширения. В кабеле с изоляцией из полиэтилена с межмолекулярными связями,например, изолирующий слой состоит из поли 3 этилена с межмолекулярными связями низкой плотности, а полупроводящие слои состоят из полиэтилена с добавлением частиц сажи и металла. Изменения объема в результате флуктуаций температуры полностью поглощаются изменениями радиуса кабеля и, благодаря сравнительно малой разнице между коэффициентами теплового расширения слоев по сравнению с упругостью этих материалов, радиальное расширение может происходить без потери адгезии между слоями. Комбинации материалов, приведенные выше, следует рассматривать только как примеры. Другие комбинации, соответствующие указанным требованиям, а также являющиеся полупроводящими, т.е. имеющими удельное сопротивление в диапазоне 10-1-106 Омсм, например 1-500 Омсм или 10-200 Омсм, естественно,также попадают в область, охватываемую изобретением. Изолирующий слой может быть выполнен,например, из твердого термопластичного материала, такого как полиэтилен низкой плотности,полиэтилен высокой плотности, полипропилен,полибутилен, полиметилпентен, структурированного материала, такого как полиэтилен с межмолекулярными связями, или каучука, такого как этилен-пропиленовый каучук или силиконовый каучук. Внутренний и внешний полупроводящие слои могут быть выполнены из того же основного материала, но с добавлением в него частиц проводящего материала, такого как сажа или металлический порошок. На механические свойства этих материалов, а именно, на их коэффициенты теплового расширения, относительно слабо влияет добавление сажи или металлического порошка, по меньшей мере, в пропорциях, требуемых, чтобы достичь необходимой проводимости согласно изобретению. Изолирующий слой и полупроводящие слои, таким образом, имеют по существу одинаковые коэффициенты теплового расширения. Сополимеры этилен-винил-ацетата/ нитрильный каучук, полиэтилен, привитый бутилкаучуком, сополимеры этилен-бутил-акрилата и этилен-этил-акрилата могут также представлять подходящие полимеры для полупроводящих слоев. Даже когда в качестве основы различных слоев используются разные типы материалов,желательно, чтобы их коэффициенты теплового расширения были по существу одинаковы. Это требование выполняется для комбинаций материалов, перечисленных выше. Материалы, перечисленные выше, имеют относительно хорошую упругость, с модулем упругости менее 500 МПа, предпочтительно менее 200 МПа. 4 Упругость достаточна для того, чтобы любые небольшие различия между коэффициентами теплового расширения материалов слоев поглощались в радиальном направлении, чтобы не появилось никаких трещин или других повреждений и чтобы слои не отделялись друг от друга. Материал слоев является упругим и адгезия между слоями имеет, по меньшей мере, такую же величину, как прочность наименее прочного из материалов. Проводимость двух полупроводящих слоев достаточна для того, чтобы по существу выравнять потенциал вдоль каждого слоя. Проводимость внешнего полупроводящего слоя достаточно велика, чтобы сосредоточить электрическое поле в кабеле, но достаточно мала, чтобы не вызвать значительного увеличения потерь изза токов, индуцированных в слое в продольном направлении. Таким образом, каждый иэ двух полупроводящих слоев по существу представляет собой одну эквипотенциальную поверхность и обмотка с этими слоями будет по существу заключать электрическое поле внутри себя. Понятно, что можно разместить один или более дополнительных полупроводящих слоев в изолирующем слое. Изобретение будет описано более подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи, где фиг. 1 схематически показывает сечение одной фазы мощного трансформатора согласно изобретению и фиг. 2 показывает поперечное сечение кабеля обмотки, используемого в трансформаторе согласно изобретению. Фиг. 1 показывает в сечении часть мощного трансформатора, содержащую трансформаторный сердечник 11, низковольтную обмотку 12 и высоковольтную обмотку 13. Согласно изобретению, обмотки намотаны на изготовленные заранее барабаны 14 и 15. Обмотки на эти барабаны полностью наматываются на заводе,затем они транспортируются на место, где должен использоваться трансформатор и где их устанавливают на соответствующих фазах сердечника (на фиг. 1 показана только одна фаза трансформатора). В примере, показанном на фиг. 1, высоковольтная обмотка 13 разделена на два барабана 15 из соображений удобства изготовления и транспортировки. Когда обмотка разделена на несколько барабанов, кабели отдельных обмоток соединяются кабельным соединением 16 на месте. Фиг. 2 показывает сечение мощного кабеля 1 для использования в "сухом" мощном трансформаторе согласно настоящему изобретению. Кабель 1 содержит ряд жил 2, образующих проводник, например, из меди, с круглым поперечным сечением. Этот проводник расположен в середине кабеля 1. Вокруг проводника находится первый полупроводящий слой 3. Вокруг пер 5 вого полупроводящего слоя 3 находится изолирующий слой 4, например, изоляция из полиэтилена с межмолекулярными связями. Вокруг изолирующего слоя 4 находится второй полупроводящий слой 5. В этом случае, следовательно, кабель не включает внешнюю оболочку,которая обычно окружает такие кабели, предназначенные для распределения энергии. Кабель может иметь размеры, указанные во вводной части. Трубки или каналы для охлаждающего воздуха размещены между кабелями обмоток,чтобы охлаждать обмотку в трансформаторе согласно настоящему изобретению. Эти трубки или каналы соответствующим образом размещены в барабанах 14 и 15 при изготовлении,прежде чем трансформатор будет отправлен на место, где он должен использоваться. Благодаря изобретению, создан "сухой" трансформатор, который проще в изготовлении,чем обычные трансформаторы. Трансформатор не требует транспортировки с завода на площадку в виде единого блока и транспортировка и сборка становятся менее дорогостоящими. Очевидно, что изобретение не ограничивается мощным трансформатором, но также применимо к другим электрическим машинам с неподвижными частями, таким как индуктивные реакторы. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Обмотка в высоковольтной электрической машине с неподвижными частями и обмотками в виде заранее изготовленных барабанов (15), устанавливаемых в электрическую 6 машину на месте ее использования, на которые намотан проводник (1), образующий обмотку,отличающаяся тем, что обмотка (13) выполнена из высоковольтного кабеля (1). 2. Обмотка по п.1, отличающаяся тем, что высоковольтный кабель (1) содержит сердцевину (2) с множеством жил, внутренний полупроводящий слой (3), окружающий сердцевину (2),изолирующий слой (4), окружающий внутренний полупроводящий слой, и внешний полупроводящий слой (5), окружающий изолирующий слой. 3. Обмотка по п.2, отличающаяся тем, что высоковольтный кабель (1) имеет диаметр в пределах 20-200 мм и площадь сечения проводящей области в пределах 80-3000 мм 2. 4. Обмотка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что электрическая машина представляет собой мощный трансформатор, имеющий сердечник (11), на котором установлены указанные барабаны (14, 15). 5. Обмотка по п.4, отличающаяся тем, что обмотка (13) разделена на ряд барабанов (15) для каждой фазы, соединенных кабельными соединениями (16). 6. Обмотка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в барабанах (14, 15) размещены трубки или каналы для охлаждения обмоток (12, 13). 7. Мощный трансформатор, отличающийся тем, что он содержит обмотку по любому из пп.1-6. 8. Индуктивный реактор, отличающийся тем, что он содержит обмотку по любому из пп.1-6.