Обмотка трансформатора или индуктора

1 Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение касается силовых трансформаторов или индукторов в системе генерации, передачи или распределения энергии диапазоном номинальной мощности от нескольких сотен кВА до более чем 1000 МВА и с диапазоном номинального напряжения от 3-4 кВ и выше до очень высоких напряжений передачи,от 400 кВ до 800 кВ или выше. Более конкретно,изобретение касается обмотки силовых трансформаторов или индукторов. Уровень техники В конструкции силового трансформатора/индуктора важной характеристикой является коэффициент заполнения обмотки, то есть соотношение между объемом, занимаемым проводником обмотки, и общим объемом обмотки. Обмотки с высоким коэффициентом заполнения предпочтительны, поскольку они обеспечивают компактность конструкции и низкий поток рассеяния. Задачей настоящего изобретения является создание силового трансформатора или индуктора, содержащего гибкий проводник, имеющий средство удержания электрического поля, а также внутреннее средство выравнивания электрического поля, который представляет собой технически эффективную конструкцию и обеспечивает высокий коэффициент заполнения. Возможность осуществления изобретения обеспечивается использованием указанного гибкого проводника, по меньшей мере, в части обмотки или обмоток силового трансформатора/индуктора. Примером гибкого проводника, имеющего средство удержания электрического поля, является гибкий кабель XLPE-типа, используемый для распределения энергии. Такой кабель содержит проводящий сердечник, первый полупроводящий слой, обеспеченный вокруг указанного проводящего сердечника, твердый изоляционный слой, обеспеченный вокруг указанного первого полупроводящего слоя и второй полупроводящий слой, обеспеченный вокруг указанного изоляционного слоя. При условии заземления второго полупроводящего слоя, кабель способен удерживать внутри себя электрическое поле, возникающее от тока в проводящем сердечнике. Электростатическое напряжение таким образом поглощается в твердой изоляции кабеля, и с наружной стороны второго полупроводящего слоя электрического поля фактически нет. В XLPE-кабеле различные слои плотно прилегают друг к другу. Также твердый изоляционный слой и полупроводящие слои изготовлены из материалов, имеющих почти одинаковый коэффициент расширения. Поэтому кабель может подвергаться воздействию механических и термических напряжений без отделения слоев друг от друга и образования полостей между слоями. Это важный признак, поскольку в по 001716 2 лостях будут появляться частичные разряды,если напряжение электрического поля превысит диэлектрическую плотность газа в полости. Особенно важно, чтобы первый полупроводящий слой и твердый изоляционный слой плотно прилегали друг к другу, поскольку эта часть кабеля находится под наибольшим напряжением электрического поля. Расщепление в этой области будет приводить к поступлению воздуха в участок между слоями и, таким образом,приведет к частичным разрядам. Кабель подобного типа описан в РСТ-заявках WO-97/45847 иWO-97/45921. Известно, что напряжение в силовом трансформаторе или индукторе неравномерно распределяется по виткам обмотки. Например, в однофазном силовом трансформаторе или индукторе, где обмотка заземлена одним концом, а другим концом соединена с линейным выводом,часть обмотки, соединенная с землей, будет иметь близкий к нулю электрический потенциал. С другой стороны, часть обмотки, соединенная с линейным выводом, будет иметь максимальный электрический потенциал, близкий к фазному напряжению. Поэтому подключенная к линии сторона обмотки подвергается более высокой нагрузке изоляции, чем заземленная сторона. Для предотвращения пробоев между обмоткой и деталями, близкими к ней, например,сердечником или оболочкой трансформатора/индуктора, на подключенной к линии стороне требуется лучшая электрическая изоляция,чем на заземленной стороне. Таким образом,требуемая электрическая изоляция изменяется по длине обмотки. Для трехфазных систем существует два основных способа соединения обмоток фаз: соединение звездой (Y) и соединение треугольником . Соединения звездой или треугольником могут быть произвольно выбраны для стороны с высоким напряжением и стороны с низким напряжением. При соединении звездой обмоточные концы каждой фазы с одной стороны соединены вместе, образуя нейтраль. Если нейтраль заземлена, часть обмотки,соединенная с ней, будет иметь электрический потенциал, близкий к нулю, а часть обмоток,соединенная с линейным выводом, будет иметь максимальный электрический потенциал, близкий к UL/ 3 , где UL - линейное напряжение. Ситуация, таким образом, подобна вышеупомянутой однофазной схеме, в которой требуемая электрическая изоляция изменяется по длине обмотки. В случае схем с соединением треугольником, обмотки всех фаз образуют замкнутый контур-треугольник, а терминалы линии соединены так, что образуют три угла треугольника. Если схема симметрична, электрический потенциал в середине каждой обмотки будет близок к нулю. С другой стороны, максимальный электрический потенциал на конце каждой обмотки будет равен UL/2. Нагрузка изоляции 3 также будет изменяться по длине обмоток, как и требуемая электрическая изоляция. В силовом трансформаторе или индукторе,где, по меньшей мере, часть обмотки образована кабелем, можно выбрать толщину изоляции кабеля по фактической нагрузке изоляции по длине обмоток. При использовании подобного сужающегося гибкого проводника в обмотках получают несколько преимуществ. Коэффициент заполнения каждой обмотки может быть увеличен, поскольку ненужную изоляцию кабеля можно удалить. Поэтому для данной расчетной мощности можно сделать обмотку меньше и,таким образом, весь трансформатор/индуктор будет меньше и дешевле. Уменьшение толщины обмотки и, таким образом, уменьшение расстояния между проводником и сердечником также приводит к уменьшению потерь потока и, таким образом, к уменьшению импеданса трансформатора/индуктора. Альтернативно, при поддержании коэффициента заполнения неизменным, охлаждение будет более эффективным, поскольку охлаждающая среда будет свободнее циркулировать в трансформаторе/индукторе при уменьшении изоляции кабеля. Поскольку в конструкции силового трансформатора/индуктора охлаждение часто является ограничивающим фактором,расчетная мощность трансформатора/индуктора данного размера может быть увеличена. В идеале толщина изоляционного слоя кабеля должна быть такой, чтобы электростатическое напряжение в кабеле, по существу, было одинаковым на каждом витке всей обмотки. Это требует, чтобы площадь поперечного сечения изоляционного слоя изменялась по длине кабеля. Площадь поперечного сечения может меняться непрерывно или ступенчато, при одной или более ступенях. Кабель со ступенчатым изменением площади поперечного сечения изоляции может быть изготовлен из соединенных вместе частей кабеля с различными, но постоянными площадями поперечного сечения изоляции. Поперечное сечение изоляции может уменьшаться по длине кабеля, при этом кабель имеет наименьшее поперечное сечение изоляции на конце обмотки. Альтернативно, кабель может иметь наименьшее поперечное сечение изоляции в середине обмотки, что удобно для обмоток треугольником, либо в любом другом положении, в соответствии с изменением нагрузки изоляции вдоль обмотки. Краткое описание чертежей Далее приводится подробное описание различных предпочтительных вариантов выполнения изобретения со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых фиг. 1 - упрощенный вид, показывающий распределение электрического поля вокруг обмотки традиционного силового трансформатора или индуктора; 4 фиг. 2 - упрощенный вид, показывающий распределение электрического поля вокруг обмотки силового трансформатора или индуктора типа, описанного в РСТ-заявках WO-97/45847 иWO-97/45921; фиг. 3 - упрощенный вид, показывающий распределение электрического поля вокруг обмотки силового трансформатора или индуктора согласно первому предпочтительному варианту выполнения изобретения; фиг. 4 - упрощенный вид, показывающий распределение электрического поля вокруг обмотки силового трансформатора или индуктора согласно второму предпочтительному варианту выполнения изобретения; фиг. 5 - упрощенный вид сбоку, показывающий два примера ступенчато сужающихся кабелей и два примера непрерывно сужающихся кабелей, используемых в обмотках силового трансформатора или индуктора по изобретению. Подробное описание изобретения На фиг. 1-3 представлены упрощеннные и схематические виды. Эти фигуры могут представлять индуктор, с сердечником или без него,а также силовой трансформатор. Для простоты,на каждой фигуре показана только одна обмотка. Также для простоты, на фигурах показаны обмотки только с одним слоем и только из четырех витков, однако нижеследующие рассуждения справедливы по отношению к обмоткам с многочисленными слоями и множеством витков. На фиг. 1 показан упрощенный вид распределения электрического поля вокруг обмотки традиционного силового трансформатора или индуктора с обмоткой 11 и сердечником 12. Вокруг каждого витка обмотки 11 существуют эквипотенциальные линии 13, то есть линии, показывающие, где величина электрического поля постоянна. Принято, что нижняя часть обмотки заземлена, а верхняя часть обмотки соединена с линейным выводом. Распределение потенциала определяет структуру изоляционного слоя, поскольку необходимо обеспечить достаточную изоляцию как между соседними витками обмотки, так и между витками обмотки и заземленными деталями, окружающими обмотку. Эквипотенциальные линии 13 на чертеже показывают, что верхняя часть обмотки подвергается более высокой нагрузке изоляции. На фиг. 2 показан упрощенный вид распределения электрического поля вокруг обмотки силового трансформатора или индуктора,описанного в РСТ-заявках WO-97/45847 и WO97/45921. Обмотка 21 образована кабелем 28,намотанным вокруг сердечника 22. В кабеле 28 показаны эквипотенциальные линии 23. Кабель 28 содержит проводящий сердечник 24, окруженный первым полупроводящим слоем 25,твердым изоляционным слоем 26 равномерной толщины и вторым полупроводящим слоем 27. Второй полупроводящий слой 27 заземлен. 5 Принято, что нижняя часть обмотки заземлена,а верхняя часть обмотки соединена с линейным выводом. Электрическое поле, возникающее от тока в проводящем сердечнике, заключено в кабеле 28 посредством полупроводящего слоя 27 и с наружной стороны кабеля 28 электрического поля нет. Верхняя часть обмотки подвергается более высокой нагрузке изоляции и электростатическое напряжение, поглощаемое внутри изоляционного слоя кабеля, в верхней части обмотки больше, чем напряжение, поглощаемое в нижней части. На фигуре это отображено посредством интервалов между эквипотенциальными линиями 23 в кабеле, которые больше в верхней части по сравнению с нижней частью обмотки. Размеры изоляционного слоя в кабеле заданы таким образом, чтобы выдерживать наибольшее электростатическое напряжение в обмотке, то есть напряжение в верхней части обмотки. Это означает, что нет необходимости в использовании толстого изоляционного слоя в нижней части обмотки. По изобретению эффективная конструкция силового трансформатора или индуктора, содержащего кабель, получена посредством выбора толщины изоляции кабеля по фактической нагрузке изоляции по длине обмотки. Для примера обратимся к фиг. 2, таким образом, можно уменьшить толщину изоляционного слоя кабеля в нижней части обмотки 21 кабеля. Это достигнуто посредством использования сужающегося кабеля, в котором поперечное сечение изоляционного слоя уменьшается по направлению к заземленной стороне, то есть к нижней части обмотки. В идеале, толщина изоляции должна быть такой, чтобы электростатическое напряжение в кабеле, по существу, было одинаковым по всей длине обмотки. Распределение электрического поля вокруг такой обмотки кабеля показано на фиг. 3, где изображен упрощенный вид первого предпочтительного варианта выполнения изобретения. Согласно чертежу кабель 38 намотан вокруг сердечника 32, образуя обмотку 31. В кабеле 38 показаны эквипотенциальные линии 33. Как и на фиг. 2 принято, что нижняя часть обмотки заземлена, а верхняя часть соединена с линейным выводом. Площадь поперечного сечения изоляционного слоя кабеля в обмотке изменяется непрерывно таким образом,что электростатическое напряжение в кабеле, по существу, постоянно по всей обмотке, как показывают эквипотенциальные линии 33. По сравнению с силовым трансформатором/индуктором, показанным на фиг. 2, охлаждение будет более эффективным, поскольку охлаждающая среда будет свободнее циркулировать в трансформаторе/индукторе при уменьшении изоляции. На фиг. 4 показан упрощенный вид силового трансформатора/индуктора, согласно второму предпочтительному варианту выполнения изобретения. Аналогично фиг. 2 и фиг. 3, кабель 48 намотан вокруг сердечника, образуя обмотку 6 41. В кабеле 48 показаны эквипотенциальные линии 43. Опять же, принято, что нижняя часть обмотки заземлена, а верхняя часть соединена с линейным терминалом. На фиг. 4 витки сужающегося кабеля размещены последовательно друг над другом. По сравнению с обмотками на фиг. 2 и 3, коэффициент заполнения обмотки, таким образом, увеличивается, и силовой трансформатор/индуктор может быть меньше и, таким образом, дешевле. Вместо кабеля с непрерывно изменяющейся площадью поперечного сечения изоляции в обмотке, можно использовать кабель со ступенчато изменяющейся площадью поперечного сечения изоляции. Такой кабель можно получить путем соединения вместе частей кабеля с различными, но постоянными площадями поперечного сечения. На фиг. 5 показаны четыре кабеля: 50 а, 50b, 50 с и 50d, которые можно использовать в силовом трансформаторе/индукторе. Кабели 50 а и 50b выполнены из трех частей кабеля: 51 а, 52 а, 53 а и 51b, 52b, 53b соответственно. В местах соединений 54 а, 55 а и 54b, 55b, соответственно, соединены проводящий сердечник 56 а, соответственно, 56b, первый полупроводящий слой (не показан) и второй полупроводящий слой (не показан) соседних частей кабеля. Каждый из кабелей 50 с и 50d выполнен из одной части кабеля, площадь поперечного сечения изоляции которого непрерывно изменяется по длине кабеля. В кабеле 50 а и 50 с площадь поперечного сечения изоляции увеличивается по длине кабеля. Такой кабель удобен для силового трансформатора/индуктора, в котором нагрузка изоляции непрерывно увеличивается вдоль обмотки, как например в случае трехфазного трансформатора с соединением звездой, где нейтраль заземлена. В кабеле 50b и 50d наименьшая площадь поперечного сечения изоляции находится в середине. Такой кабель удобен в трехфазном трансформаторе с соединением треугольником, где наименьшие нагрузки изоляции приходятся на середину обмоток. Количество частей кабеля в кабелях 50 а и 50b не должно ограничиваться тремя. При использовании большого количества частей кабеля с разными длинами и площадями поперечного сечения можно изготовить кабель с площадью поперечного сечения изоляции, меняющейся более или менее непрерывно. Конструкция обмотки, описанная выше,показывает, как использовать сужающийся кабель для обмотки, чтобы выполнить силовой трансформатор или индуктор по изобретению. Очевидно, однако, что можно использовать сужающийся кабель для одно- или многофазных трансформаторов, с одной или многими обмотками, а также индукторов, с сердечниками или без них, содержащих одну или множество обмоток без выхода за рамки изобретения. Также очевидно, что в рамках изобретения можно использовать сужающийся кабель для силового трансформатора/индуктора, где только часть обмотки состоит из кабеля. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Силовой трансформатор или индуктор в системе генерирования, передачи или распределения энергии, содержащий, по меньшей мере,одну обмотку (31, 41), отличающийся тем, что обмотка, по меньшей мере частично, образована гибким проводником, имеющим средство удержания электрического поля (38, 48), причем площадь поперечного сечения указанного гибкого проводника изменяется вдоль, по меньшей мере, части длины указанного гибкого проводника. 2. Силовой трансформатор или индуктор по п.1, отличающийся тем, что гибкий проводник образован кабелем (38, 48), содержащим проводник (24), первый слой (25) с полупроводящими свойствами, твердый изоляционный слой (26), обеспеченный вокруг указанного первого слоя, и второй слой (27) с полупроводящими свойствами, обеспеченный вокруг указанного твердого изоляционного слоя. 3. Силовой трансформатор или индуктор по п.1 или 2, отличающийся тем, что указанная 8 площадь поперечного сечения гибкого проводника или кабеля (50 с, 50d) непрерывно изменяется вдоль, по меньшей мере, части длины указанного гибкого проводника или кабеля. 4. Силовой трансформатор или индуктор по п.1 или 2, отличающийся тем, что указанная площадь поперечного сечения гибкого проводника или кабеля (50 с, 50d) ступенчато изменяется вдоль, по меньшей мере, части длины указанного гибкого проводника или кабеля. 5. Силовой трансформатор или индуктор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что электростатическое напряжение в гибком проводнике или кабеле (38, 48) является, по существу, постоянным по всей длине указанного гибкого проводника или кабеля. 6. Силовой трансформатор по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что он содержит три фазы, соединенные звездой. 7. Силовой трансформатор по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что он содержит три фазы, соединенные треугольником. 8. Силовой трансформатор по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что один конец, по меньшей мере, одной обмотки заземлен.