ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ТОКА Российский патент 1995 года по МПК H01F38/28 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкции измерительного трансформатора тока высоких и сверхвысоких напряжений с изоляционным заполнением.

Известен высоковольтный трансформатор тока наружной установки [1] содержащий первичную обмотку в виде прямолинейного проводника (стержня или трубы), многовитковую вторичную обмотку, намотанную на тороидальный магнитопровод, размещенную на первичной обмотке и изолированную от нее конденсаторной изоляцией, часть которой наложена на первичную обмотку, а часть на вторичную обмотку с магнитопроводом, металлический бак, в котором размещены обмотки, установленный на опорной изоляционной колонке, выводы первичной обмотки с фарфоровыми проходными изоляторами, содержащими аналогичную конденсаторную изоляцию и закрепленными на баке, и выводы вторичной обмотки, проходящие в изоляционной колонке. Бак трансформатора и изоляционная колонка заполнены маслом или другим изоляционным наполнителем.

Использование конденсаторной изоляции между первичной и вторичной обмотками трансформатора приводит к невысокой надежности известного трансформатора, поскольку изоляция работает в тяжелом тепловом режиме, отвод тепла от токоведущих частей и магнитопровода через нее затруднен, что приводит к частым тепловым пробоям. Кроме того, обкладки из фольги, находящиеся между слоями изоляционного материала, трудно выполнить без заусенцев и неровностей, что ведет к появлению местной концентрации напряженности электрического поля и возникновению частичных разрядов (ЧР) в такой изоляции и ее пробою. Недостатком известного трансформатора являются также его большие габариты из-за значительных осевых размеров высоковольтных вводов первичной обмотки, размещенных в фарфоровых проходных изоляторах, размер которых определяется необходимостью обеспечения требуемой электрической прочности относительно бака, находящегося под потенциалом, зависящей от длины пути утечки вдоль поверхности фарфоровых проходных изоляторов.

Известен также высоковольтный трансформатор тока наружной установки [2] содержащий металлический корпус, установленный на изоляционной опорной колонке и заполненный изолирующей средой, в котором размещены первичная обмотка в виде прямолинейного проводника, вторичные обмотки на тороидальных магнитопроводах, охваченные тороидальным электростатическим экраном, и система дистанцирования вторичных обмоток с экраном относительно первичной обмотки и корпуса из изоляционных элементов.

В таком трансформаторе вторичные обмотки с экраном дистанцируются относительно первичной обмотки и корпуса с помощью трех изоляционных втулок, расположенных в радиальном направлении по внешнему периметру тороидального электростатического экрана под углом 120^о, которые крепятся с одной стороны к цилиндрической стенке корпуса, а с другой к хомутам, встроенным во вторичные обмотки с экраном, закрепленным на тех же хомутах. Такая конструкция высоковольтного трансформатора тока позволяет отказаться от применения конденсаторной изоляции между обмотками, а за счет этого уменьшить осевые размеры трансформатора вдоль высоковольтных вводов первичной обмотки общие габариты в целом, улучшить условия теплопередачи, исключить тепловые пробои и возникновение ЧР из-за некачественных конденсаторных обкладок.

Однако надежность этого трансформатора тока оказывается недостаточной, а конструкция его сложна в изготовлении. При такой конструкции трансформатора изоляционные втулки выполняют одновременно функции радиальных растяжек, фиксирующих положение массивного компонента низковольтных вторичных обмоток (с магнитопроводами и экраном) относительно первичной обмотки и корпуса, имеющих высокий потенциал. Находясь под воздействием полного напряжения (рабочего и испытательного) и больших механических нагрузок, изоляционные втулки и их крепление должны удовлетворять, с одной стороны, требованиям обеспечения необходимой электрической прочности изоляционной системы, с другой, требованиям механической прочности и жесткости крепления, включая обеспечение минимально возможного эксцентриситета комплекта вторичных обмоток с экраном относительно проводника первичной обмотки. Выполнение этих требований связано с повышенными требованиями к характеристикам материала изоляционных втулок и качеству их исполнения, к точности весьма трудоемкой сборки их с корпусом и комплектом вторичных обмоток, с усложнением конструкции, т.е. требуется встраивание усиленных хомутов по периметру вторичных обмоток, повышение прочности стенок корпуса за счет толщины используемого материала или дополнительных элементов жесткости наряду с устройством узлов крепления втулок. При этом распределенные по периметру экрана изоляционные втулки механически соединяют изолируемые друг от друга элементы, что создает условия для возникновения частичных и поверхностных разрядов при превышении критической величины напряженности поля вдоль поверхности. Для предотвращения этих явлений приходится идти на усложнение конфигурации изоляционных втулок или дополнительно увеличивать изоляционное расстояние между корпусом и комплектом вторичных обмоток с электростатическим экраном, учитывая что целостность экрана в местах крепления втулок нарушается и снижается эффективность его влияния на равномерность поля по всему периметру. Перечисленные обстоятельства затрудняют достижение требуемой надежности трансформатора тока, приводят к усложнению его конструкции и технологии изготовления, повышению стоимости.

С целью устранения указанных недостатков в предлагаемом высоковольтном трансформаторе тока наружной установки, содержащем металлический корпус, установленный на изоляционной опорной колонке и заполненные изолирующей средой, в котором размещены первичная обмотка в виде прямолинейного проводника, вторичные обмотки, охваченные тороидальным электростатическим экраном, и система дистанционирования вторичных обмоток с экраном относительно первичной обмотки и корпуса из изоляционных элементов, изоляционные элементы системы дистанционирования вторичной обмотки с экраном выполнены в виде соосного с проводником первичной обмотки каркаса, на котором размещены вторичные обмотки с экраном, и изоляционных распорок, установленных между проводником первичной обмотки и каркасом у его торцов вне зоны максимальной напряженности электростатического поля сосредоточенной между экраном вторичных обмоток и проводником первичной обмотки. При этом изоляционный каркас выполнен цилиндрическим, например, в виде отрезка трубы из изоляционного материала или из изоляционных стержней, расположенных по образующим цилиндрической поверхности. Изоляционные распорки, обеспечивающие соосное с проводником первичной обмотки положение каркаса и необходимое, исходя из характеристик изолирующей среды, изоляционное расстояние между экраном вторичных обмоток и первичной обмоткой, могут быть выполнены дискообразной формы, а также из радиально расположенных изоляционных стержней, образующих, например, крестовины, закрепленные на первичной обмотке.

На фиг. 1 изображен трансформатор тока с частичным продольным разрезом; на фиг.2 трансформатор тока, вид сбоку, с частичным поперечным разрезом; на фиг.3-5 показаны варианты выполнения изоляционных каркаса и распорок.

Измерительный высоковольтный трансформатор тока содержит цилиндрический металлический корпус 1, заполненный элегазом или другой изолирующей средой (например, трансформаторным маслом). В корпусе размещены первичная обмотка 2 и комплект многовитковых вторичных обмоток 3, намотанных на тороидальные магнитопроводы (не показаны), который охвачен тороидальным электростатическим экраном 4. Одновитковая первичная обмотка выполнена в виде прямолинейного проводника (стержня или трубы), один выходящий наружу конец которого закреплен непосредственно в торцовой крышке 5 корпуса и имеет с корпусом одинаковый потенциал, а другой в его противоположной торцовой стенке посредством изолирующей втулки 6.

Система дистанцирования вторичных обмоток с окружающим их тороидальным экраном относительно первичной обмотки и корпуса, находящихся под полным напряжением на необходимые, исходя из характеристик изолирующей среды, изоляционные расстояния включает в себя каркас 7 цилиндрической формы из изоляционного материала, соосный с проводником первичной обмотки, и изоляционные распорки 8. Вторичные обмотки с экраном размещены на изоляционном каркасе. Каркас может быть выполнен в виде сплошного цилиндра 9 (фиг.3, 5) отрезка трубы из изоляционного материала или образован из изоляционных стержней 10 (фиг.4), расположенных вдоль образующих цилиндрической поверхности и размещенных с интервалом по внутреннему периметру тороидального экрана вторичных обмоток.

Изоляционные распорки установлены по торцам каркаса между ним и проводником первичной обмотки, фиксируя их соосное расположение, и могут быть выполнены в виде дисков 11 (фиг.3, 4) или из радиально расположенных изоляционных стержней 12 (фиг.5), образующих закрепленные на первичной обмотке крестовины. При этом протяженность изоляционного каркаса вдоль проводника первичной обмотки такова, что его торцы выходят за размер электростатического экрана с обоих сторон так, что изоляционные распорки, расположенные по торцам каркаса, удалены от зоны максимальной напряженности электростатического поля, сосредоточенной между проводником первичной обмотки и экраном вторичных обмоток. Поэтому они не подвергаются воздействию полной величины разности потенциалов между экраном и первичной обмоткой. Размер распорок в радиальном направлении определяется необходимым изоляционным расстоянием между экраном вторичных обмоток и первичной обмоткой.

Металлический корпус установлен на изоляционной опорной колонке 13, которая герметично сочленена как с корпусом, так и с основанием 14 (цоколем). Место стыка металлического корпуса и изоляционной колонки защищено электростатическим экраном 15. Отводы 16 вторичных обмоток проходят внутри цилиндрического электростатического экрана 17.

Предлагаемый высоковольтный трансформатор тока по сравнению с известным (прототипом) имеет более высокую надежность, менее сложен и менее трудоемок в изготовлении.

Устройство системы дистанцирования в нем обеспечивает получение в зонах максимальной напряженности между изолируемыми частями: экран вторичных обмоток первичная обмотка и экран вторичных обмоток корпус (в местах наибольшего их сближения) поля со значительно меньшей неоднородностью (чем у прототипа) за счет того, что в указанных зонах отсутствуют элементы твердой изоляции, соединяющие изолируемые поверхности, находящиеся под различными потенциалами.

Внешняя и внутренняя поверхности цилиндрического каркаса, находящегося между первичной обмоткой и экраном вторичных обмоток, расположены по эквипотенциальным линиям электрического поля в зоне, где напряженность электрического поля уже мала и каркас находится под воздействием незначительной разности потенциалов. Изоляционные распорки также подвергаются воздействию только части полного (рабочего или испытательного) напряжения между изолируемыми частями трансформатора. Кроме того, вынос их из зон максимальной напряженности поля, наряду с достаточным вылетом торцов каркаса, обеспечивает гораздо меньшие величины напряженности поля вдоль поверхностей изоляционных элементов системы дистанцирования. В этих условиях отпадает необходимость в значительных усложнениях их формы (для снижения поверхностной напряженности поля) и могут быть использованы для них более дешевые изоляционные материалы.

Упрощается конструкция электростатического экрана вторичных обмоток, а повышение равномерности электростатического поля между экраном и корпусом также увеличивает надежность или позволяет уменьшить размер изоляционного промежутка. Отпадает необходимость во встраивании усиленных хомутов в комплект вторичных обмоток и оборудовании специальных узлов крепления элементов системы дистанцирования на вторичных обмотках с экраном и на корпусе.

При размещении массивных вторичных обмоток с экраном на поверхности жесткого цилиндрического каркаса (в место крепления в трех точках), опирающегося торцами на изоляционные распорки, закрепленные на прямолинейном проводнике первичной обмотки, достигаются более устойчивая и надежная фиксация их положения и взаимная центровка с первичной обмоткой и корпусом. В то же время упрощается сборка трансформатора.

Использование: в электротехнике. Сущность: трансформатор тока содержит корпус, заполненный изолирующей средой (элегазом или трансформаторным маслом). В корпусе размещены первичная обмотка в виде прямолинейного проводника и комплекс многовитковых вторичных обмоток, охваченных тороидальным электростатическим экраном. Вторичные обмотки с экраном размещены на изоляционном цилиндрическом каркасе, соосном с проводником первичной обмотки. Между проводником первичной обмотки и каркасом у его торцов установлены радиальные изоляционные распорки, находящиеся вне зоны максимальной напряженности электростатического поля, сосредоточенной между экраном вторичных обмоток и проводником первичной обмотки. Повышается надежность трансформатора, снижается трудоемкость его сборки. 4 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ТОКА наружной установки, содержащий металлический корпус, установленный на изоляционной опорной колонке, заполненный изолирующей средой, в котором размещены первичная обмотка в виде прямолинейного проводника, вторичные обмотки, охваченные тороидальным электростатическим экраном, и система дистанцирования вторичных обмоток с экраном относительно первичной обмотки и корпуса из изоляционных элементов, отличающийся тем, что изоляционные элементы системы дистанцирования вторичных обмоток с экраном относительно первичной обмотки и корпуса выполнены в виде соосного с проводником первичной обмотки каркаса, на котором размещены вторичные обмотки с экраном, и изоляционных распорок, установленных между проводником первичной обмотки и каркасом у его торцов вне зоны максимальной напряженности электростатического поля, сосредоточенной между экраном вторичных обмоток и проводником первичной обмотки. 2. Трансформатор по п. 1, отличающийся тем, что каркас выполнен цилиндрическим, например, в виде отрезка трубы из изоляционного материала. 3. Трансформатор по п. 1, отличающийся тем, что каркас выполнен из изоляционных стержней, расположенных по образующим цилиндрической поверхности. 4. Трансформатор по пп. 1 3, отличающийся тем, что изоляционные распорки выполнены дискообразной формы. 5. Трансформатор по пп. 1 3, отличающийся тем, что распорки выполнены из радиально расположенных изоляционных стержней.