СУХОЙ ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 2016 года по МПК H01F27/28 H01F29/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к сухому трансформатору, содержащему обмотку с зоной ответвления, имеющему уменьшенные потери в вышеупомянутой обмотке.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Сухие трансформаторы для классов, имеющих высокое напряжение, в последние годы широко использовались на многих предприятиях и сооружениях производственного назначения благодаря их высокой надежности. Для некоторых из этих сухих трансформаторов требуется использование высоких напряжений, высоких уровней мощностей и больших диапазонов регулирования, что приводит к проблемам нагрева и мест локального перегрева, связанным с потерями от вихревых токов и потерям по постоянному току (или омическим) в обмотках трансформатора.

Эти вихревые токи индуцируются посредством магнитного потока, сгенерированного посредством электрического тока, текущего через обмотку, и они зависят, главным образом, от модуля и направления магнитного потока: в целом, можно сказать, что, чем больше радиальность магнитного потока, тем выше потери.

Кроме того, в сухих трансформаторах, для которых требуется большой диапазон переключения ответвлений, при работе в самом низком положении переключателя ответвлений трансформатора, высокие потери появляются в частях обмотки, находящихся рядом с точками соединения переключателя ответвлений, что приводит к высокой температуре места локального перегрева в пределах зон, окружающих вышеупомянутые точки соединения.

В масляных трансформаторах, регулировочная обмотка используется для уменьшения горячих точек, созданных вихревыми токами вдоль обмотки; однако такая регулировочная обмотка может не являться подходящим или соответствующим решением для сухого трансформатора, поскольку благодаря его системе воздушного охлаждения для сухого трансформатора потребовалось бы добавление очень большой и дорогой регулировочной катушки.

Настоящее изобретение стремится к обеспечению сухого трансформатора, который решает, по меньшей мере, частично, вышеупомянутые недостатки посредством уменьшения потерь вследствие вихревых токов, по меньшей мере, в более проблематичных рабочих положениях переключателя ответвлений.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В первом аспекте, изобретение обеспечивает сухой трансформатор, содержащий обмотку с зоной ответвления, причем зона ответвления является зоной, в которой могут быть сделаны, по меньшей мере, два соединения, что позволяет изменять количество витков обмотки и, следовательно, изменять коэффициент трансформации трансформатора, и, по меньшей мере, с первой зоной без ответвлений, в которой обмотка содержит проводник, имеющий, по меньшей мере, в части зоны ответвления, первую ширину в осевом направлении обмотки, и имеющий, по меньшей мере, в части первой зоны без ответвлений, вторую ширину в осевом направлении обмотки, причем первая ширина меньше второй ширины.

Использование проводника, имеющего такую меньшую ширину в зоне ответвления, уменьшает осевую длину этой зоны, и, в частности, уменьшает промежуток неиспользованных витков в нижнем положении переключателя ответвлений трансформатора, то есть в положении, в котором обмотка имеет меньшее количество витков. Это уменьшение промежутка приводит к большей интенсивности осевого магнитного потока, уменьшая его радиальную составляющую; как следствие этого изменения в магнитном потоке, уменьшаются вихревые токи и соответствующие потери, вызванные радиальным магнитным потоком в этих зонах без ответвлений обмотки, которые являются смежными с зоной ответвления.

Дополнительные задачи, преимущества и отличительные признаки вариантов осуществления изобретения станут очевидны для специалистов в данной области техники после изучения описания, или могут быть получены посредством осуществления изобретения на практике.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Конкретные варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны ниже посредством неограничивающих примеров со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:

Фиг.1 схематически изображает сухой трансформатор, содержащий обмотку высокого напряжения и обмотку низкого напряжения, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.2 схематически изображает проводники обмотки высокого напряжения сухого трансформатора, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Фиг.1 схематически изображает сухой трансформатор, согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Более конкретно, на ней схематически изображена конфигурация обмотки трансформатора в соответствии с частичным разрезом, выполненным вдоль плоскости, которая содержит ось обмоток.

Сухие трансформаторы, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, могут быть трансформаторами, которые выполнены для работы с определенной номинальной силой тока, текущего через обмотку высокого напряжения (HV). Следовательно, по существу, ток такой же силы течет через все проводники, формирующие обмотку, даже если обмотка может содержать несколько проводников, размещенных последовательно с различными физическими элементами.

Трансформатор может содержать обмотку 100 HV и обмотку 200 низкого напряжения (LV), индуктивно связанную с обмоткой HV, причем каждая обмотка содержит проводник, и обе обмотки отображены на чертеже в обычной конфигурации, в которой обмотка LV закреплена коаксиально внутри обмотки HV; обмотка 100 HV может содержать зону 110 ответвления, две зоны 120 без ответвлений и переключатель ответвлений (не показан), который позволяет изменять коэффициент трансформации обмотки для изменения коэффициента преобразования сухого трансформатора. Переключатель ответвлений может содержать два соединительных разъема (не показаны), которые могут соединяться с различными точками проводника вдоль зоны 110 ответвления из обмотки 100 HV таким образом, чтобы исключить множество витков обмотки HV, таким образом, позволяя изменять коэффициент трансформации трансформатора.

Следует отметить, что проводник, формирующий обмотку HV, может быть сформирован посредством, например, множества проводящих частей, соединенных друг с другом посредством пайки или использования соединительной части, такой, как, например, непроводящая часть, соединяющая вместе обе проводящие части для обеспечения возможности прохождения через них соответствующего электрического тока.

Например, на Фиг.1, согласно этому конкретному варианту осуществления, обмотка 100 HV может быть сформирована посредством двух структур 101, 102 отдельных обмоток, соединенных друг с другом в промежуточной точке 111 зоны 110 ответвления. Однако другие варианты осуществления могут содержать обмотку HV, имеющую единую структуру или более двух структур отдельных обмоток, в зависимости от физической структуры обмотки, используемой для конфигурации трансформатора.

Фиг.2 схематически изображает часть обмотки HV трансформатора согласно сечению, выполненному вдоль плоскости, которая содержит ось (A) обмотки.

Согласно Фиг.2, проводник, формирующий HV обмотку 100, может быть сформирован в виде полосы 300, имеющей ширину w, которая может быть выполнена с возможностью формирования множества «дисков» 10 спиральной формы, причем ширина проводника в форме полосы внутри каждого диска является однородной в осевом направлении обмотки. Кроме того, диски могут быть связаны друг с другом, и спираль в каждом диске может иметь внутренний конец 301 полосы, и внешний конец 302 полосы. Каждый диск 10 спиральной формы может быть соединен со смежными посредством подходящего электрического соединения 303, соединяющего внешний конец 302 полосы каждого диска с внутренним концом 301 полосы следующего диска таким образом, что диски соединяются последовательно, формируя обмотку 100. На Фиг.2 изображены четыре таких диска 10, соединенных друг с другом.

Кроме того, как можно заметить на Фиг.1, по меньшей мере, часть 112 дисков 10a в зоне 110 ответвления могут быть сконфигурированы таким образом, что они содержат проводник в форме полосы, имеющий меньшую ширину w_a в осевом направлении обмотки (направлении x), чем ширина w_b проводника в форме полосы дисков 10b зоны 120 без ответвлений. Часть дисков 10a, имеющих проводник с такой шириной w_a, изображена в виде ссылки на 112 на Фиг.1, и часть дисков 10b, имеющих проводник с такой шириной w_b, изображена в виде ссылки 114 на Фиг.1.

Таким образом, осевая длина зоны ответвления уменьшена, тем самым, уменьшая промежуток с неиспользованными витками, когда переключатель ответвлений работает на низком диапазоне, то есть в положении, в котором обмотка имеет меньшее количество витков. Это уменьшение позволяет уменьшить потери, связанные с вихревыми токами, вызванными радиальным магнитным потоком в этих зонах 120 без ответвлений обмоток, смежных с зоной 110 ответвления.

Согласно варианту осуществления, диски 10a зоны 110 ответвления могут иметь проводник с шириной w_a в осевом направлении обмотки 100 HV, которая может составлять между 40% и 80% от ширины w_b дисков зоны 120 без ответвлений, и, предпочтительно, может составлять приблизительно 60% от ширины дисков зоны 120 без ответвлений.

Кроме того, согласно варианту осуществления, проводники дисков 10a, 10c зоны 110 ответвления выполнены из материала с более высокой проводимостью, чем материалы, используемые в дисках 10b, 10d зон 120 без ответвлений.

Это улучшает коэффициент полезного действия трансформатора при его работе на высоком диапазоне в переключателе ответвлений, то есть в положении, в котором обмотка имеет большее количество витков: в этом положении в дисках 10a, 10c зоны 110 ответвления возникают омические потери, и эти потери могут относиться к дискам, имеющим относительно небольшую ширину, поскольку омические потери будут зависеть пропорционально от размеров проводника. Такие потери могут быть уменьшены при использовании дисков 10a, 10c с более высокой проводимостью в зоне 110 ответвления.

Согласно некоторым вариантам осуществления, диски 10a, 10c зоны 110 ответвления могут быть выполнены из меди, а диски 10b, 10d зон 120 без ответвлений могут быть выполнены из алюминия.

Использование дисков меньших размеров в зоне ответвления приводит к уменьшению потерь при работе переключателя ответвлений в нижнем диапазоне, и изготовление этих дисков из меди уменьшает потери вследствие вышеупомянутого уменьшения размеров дисков, когда переключатель ответвлений работает в верхнем диапазоне.

Кроме того, проводник части дисков 10c на концах зоны 110 ответвления, смежных с зонами 120 без ответвлений, может иметь ширину w_c, которая больше w_a. Эта относительно большая ширина позволяет сократить потери по постоянному току или омические потери в дисках 10c для компенсации общих потерь, которые также содержат вихревые потери в дисках 10c, при работе трансформатора в высоком диапазоне в переключателе сигнала. Часть дисков 10c, имеющих проводник с такой шириной w_c, изображена со ссылкой 113 на Фиг.1 (в примере изображен только один диск 10c в каждой структуре обмотки).

Кроме того, согласно варианту осуществления, проводник части дисков 10d на концах зон 120 без ответвлений, находящийся на расстоянии от зоны 110 ответвления, также может иметь ширину w_d, которая больше w_b. Таким образом, уменьшение потерь по постоянному току или омических потерь достигается в вышеупомянутых дисках 10d для компенсации вихревых потерь, вызванных радиальным магнитным потоком на концах зон без ответвлений, находящихся на расстоянии от зоны ответвления. Часть дисков 10d, имеющих такую ширину w_d, изображены в виде ссылки 115 на Фиг.1 (в примере изображен только один диск 10d в каждой структуре обмотки).

Следует отметить, что каждый из вышеупомянутых отличительных признаков, относящихся к ширине и материалу проводника, может быть реализован в сухом трансформаторе независимо от других, поскольку каждый из них обеспечивает эффект, который является независимым от других, несмотря на то, что суммарные эффекты могут быть более существенными.

В соответствии с результатами экспериментов, в катушке трансформатора высокого напряжения 25 МВА на 66 кВ с диапазоном ответвлений, составляющим +-18%, было достигнуто уменьшение потерь, вызванных вихревыми токами, приблизительно на 40%, при работе трансформатора в нижнем положении переключателя ответвлений, и отношение ширин составляет: w_a составляет 60% от w_b, w_c равно w_b, а w_d составляет 120% от w_b. Большая часть вышеупомянутого уменьшения приходится на диски зоны (120) без ответвлений, являющиеся смежными с зоной (110) ответвления, где было достигнуто уменьшение температуры места локального перегрева с 210°C до 116°C.

Несмотря на то, что в настоящем документе были раскрыты только некоторые конкретные варианты осуществления и примеры изобретения, оно должно восприниматься специалистами в данной области техники так, что возможны и другие альтернативные варианты осуществления и/или использование изобретения и его очевидные модификации и эквиваленты. Кроме того, настоящее изобретение охватывает все возможные сочетания конкретных описанных вариантов осуществления. Ссылочные обозначения, связанные с чертежами и помещенные в круглые скобки в формуле изобретения, предназначены исключительно для повышения ясности формулы изобретения, и не должны рассматриваться как ограничивающие объем формулы изобретения. Следовательно, объем настоящего изобретения не должен быть ограничен конкретными вариантами осуществления, но должен быть определен исключительно точным прочтением нижеследующей формулы изобретения.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в уменьшении потерь от вихревых токов. Сухой трансформатор содержит обмотку (101) с зоной (110) ответвления, являющейся зоной, в которой, по меньшей мере, могут быть выполнены два соединения, позволяющие изменять количество витков обмотки (100) и, таким образом, изменять коэффициент трансформации трансформатора. Обмотка трансформатора выполнена, по меньшей мере, с первой зоной (120) без ответвлений, в которой обмотка (100) содержит проводник, имеющий, по меньшей мере, в части зоны (110) ответвления, первую ширину (w_a) в осевом направлении (x) обмотки (100), и имеющий, по меньшей мере, в части первой зоны (120) без ответвлений, вторую ширину (w_b) в осевом направлении (x) обмотки. Первая ширина (w_a) меньше второй ширины (w_b). 14 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Сухой трансформатор, содержащий обмотку (101) с зоной (110) ответвления, причем зона (110) ответвления является зоной, в которой, по меньшей мере, могут быть выполнены два соединения, позволяющие изменять количество витков обмотки (100) и, таким образом, изменять коэффициент трансформации трансформатора, и, по меньшей мере, с первой зоной (120) без ответвлений, в которой обмотка (100) содержит проводник, имеющий, по меньшей мере, в части зоны (110) ответвления первую ширину (w_a) в осевом направлении (x) обмотки (100), и имеющий, по меньшей мере, в части первой зоны (120) без ответвлений вторую ширину (w_b) в осевом направлении (x) обмотки, причем первая ширина (w_a) меньше второй ширины (ВБ).

2. Сухой трансформатор по п. 1, в котором проводник обмотки (100) выполнен, по меньшей мере, из двух материалов, имеющих различную проводимость.

3. Сухой трансформатор по п. 2, в котором проводник обмотки (100), по меньшей мере, в части зоны (110) ответвления, выполнен из первого материала, а проводник, по меньшей мере, части остальной части обмотки выполнен из второго материала.

4. Сухой трансформатор по п. 3, в котором этими двумя материалами являются медь и алюминий.

5. Сухой трансформатор по п. 4, в котором проводник обмотки (100), по меньшей мере, в части зоны (110) ответвления выполнен из меди, а проводник обмотки (100), по меньшей мере, в части зоны (120) без ответвлений выполнен из алюминия.

6. Сухой трансформатор по п. 1, в котором длина проводника в зоне (110) ответвления, смежной с зоной (120) без ответвлений, имеет третью ширину (w_c) в осевом направлении (x) обмотки, которая отличается от первой ширины (w_a) проводника.

7. Сухой трансформатор по п. 6, в котором третья ширина (w_c) больше первой ширины (w_a) проводника.

8. Сухой трансформатор по п. 1, в котором первая ширина (w_a) составляет между 40% и 80% от второй ширины (w_b), предпочтительно, приблизительно 60% от второй ширины (w_b).

9. Сухой трансформатор по п. 8, в котором третья ширина (w_c) приблизительно равна второй ширине (w_b).

10. Сухой трансформатор по п. 1, в котором, по меньшей мере, часть проводника сформирована в виде полосы (300).

11. Сухой трансформатор по п. 1, в котором проводник выполнен с возможностью формирования множества дисков (10) спиральной формы, причем проводник (300) в форме полосы в пределах каждого диска (10) имеет равномерную ширину в осевом направлении (x) обмотки.

12. Сухой трансформатор по п. 11, в котором проводник (300) в форме полосы выполнен из одного и того же материала в пределах каждого диска (10).

13. Сухой трансформатор по п. 6, в котором длина проводника в конце зоны (120) без ответвлений, находящаяся на расстоянии от зоны (110) ответвления, имеет четвертую ширину (w_d) в осевом направлении (x) обмотки, которая отличается от второй ширины (w_b) проводника.

14. Сухой трансформатор по п. 12, в котором четвертая ширина (w_d) больше второй ширины (w_b) проводника.

15. Сухой трансформатор по п. 1, в котором обмотка (100) является обмоткой высокого напряжения трансформатора.