КОМПАКТНЫЙ СУХОЙ ТРАНСФОРМАТОР С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ОБМОТКОЙ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ОБМОТКИ Российский патент 2020 года по МПК H01F27/28 H01F27/32 H01F27/36 H01F41/12 

Изобретение относится к покрытию изоляционного корпуса сухого трансформатора.

Сухие трансформаторы, особенно трансформаторы из литьевой смолы, представляют собой силовые трансформаторы, которые используются в энергетике для преобразования напряжений примерно до 36 кВ на стороне высшего напряжения. В таких трансформаторах обмотка низшего напряжения и обмотка высшего напряжения расположены коаксиально вокруг плеча сердечника. При этом обмоткой низшего напряжения называется обмотка с более низким напряжением, а обмоткой высшего напряжения называется обмотка с более высоким напряжением. Обе обмотки встроены в твердый изоляционный материал, в случае обмотки высшего напряжения для этого часто используется литьевая смола. Такой сухой трансформатор известен из ЕР 1133779 В1.

Из еще не опубликованного документа EP 15185886 A1 (= внутренний номер дела 201519004) известно дальнейшее развитие вышеописанного сухого трансформатора, в частности, для более высоких напряжений, чем 36 кВ. В нем раскрыта более компактная конструкция сухого трансформатора, которая характеризуется, среди прочего, тем, что сухой трансформатор имеет меньшие размеры, другими словами, имеет более компактную конструкцию, и в этом случае воздух в качестве изолятора также заменяется подходящей литьевой смолой в качестве твердого изоляционного тела (корпуса).

На поверхности твердого изоляционного корпуса, в который встроена электрическая обмотка, т.е., в частности, намотанная с образованием катушки обмотка высшего и/или низшего напряжения, предусмотрено покрытие, которое предпочтительно выполнено из полупроводящего материала.

К химическим и/или физическим свойствам этого полупроводящего покрытия предъявляются особые требования, в частности, что касается термической, механической и химической стабильности наряду с определенным сопротивлением слоя.

В настоящее время используются лаки с микромасштабными частицами наполнителя, такие как используются, например, проводящая сажа, проводящий графит, и/или частицы слюды с покрытием. Как правило, они представляют собой системы с высоким заполнением со степенями наполнения намного более 10 объемных % и 20 массовых % и особенно более 30 массовых %. Размер частиц наполнителей лежит обычно в диапазоне от нескольких микрон и выше, из-за чего требуются большие величины содержания наполнителя. Из-за высоких степеней наполнения из микромасштабных частиц наполнителя, покрытие значительно более удорожается, а также становится более трудным в обработке, поскольку текучесть композиций с высокими степенями наполнения микромасштабными частицами наполнителя хуже, чем у композиций с менее высокими степенями наполнения. Кроме того, при высоких степенях наполнения ухудшаются эксплуатационные характеристики из-за увеличения хрупкости покрытия.

Существует потребность, предоставить подходящую композицию для покрытия изоляционного корпуса сухого трансформатора, которая удовлетворяет подобному профилю характеристик, но имеет пониженное содержание микромасштабного наполнителя, предпочтительно не содержит микромасштабного наполнителя.

Поэтому задачей настоящего изобретения является создание электрической обмотки для сухого трансформатора в компактной конструкции, а также способа изготовления покрытия для изоляционного корпуса такой электрический обмотки сухого трансформатора в компактной конструкции, причем по меньшей мере на одной поверхности изоляционного корпуса предусмотрено покрытие, у которого сопротивление слоя лежит в диапазоне от 10² до 10⁵ Ом/квадрат и которое проявляет высокую термостойкость, высокую механическую прочность и устойчивость к влияниям окружающей среды, таким как влажность и инсоляция.

Для этого, предусмотрена электрическая обмотка, в частности, обмотка высшего напряжения для сухого трансформатора с проводником обмотки, который намотан во множество витков с образованием катушки, причем катушка встроена в твердый изоляционный корпус, причем по меньшей мере одна поверхность изоляционного корпуса имеет покрытие с определенным сопротивлением слоя, которое включает в себя полимерный (смоляной) компонент, а также по меньшей мере один наномасштабный и электропроводный наполнитель, причем электропроводный наполнитель присутствует с размером частиц, который по меньшей мере в одной размерности меньше 500 нм.

При этом проводник обмотки может быть пленочным проводником, полосовым проводником или проволочным проводником. Катушка встроена в изоляционный корпус из твердого изоляционного материала. Часто с этой целью используют литьевую смолу, которой катушка заливается и которая отверждается после заливки. В результате получают механически стабильную обмотку в форме полого цилиндра, катушка которой хорошо защищена от влияний окружающей среды. В соответствии с изобретением, по меньшей мере на одной поверхности изоляционного корпуса нанесено покрытие из полимерной смеси с содержанием наномасштабного наполнителя менее 20 массовых % и /или менее 10 объемных %.

Указанная задача также решается способом изготовления электрической обмотки со следующими этапами способа:

- наматывание проводника обмотки во множество витков с образованием катушки,

- встраивание катушки в твердый изоляционный корпус, предпочтительно путем заливки литьевой смолой с последующим отверждением изоляционного корпуса,

- установка предопределенного сопротивления слоя в композиции (составе) для изготовления покрытия путем введения по меньшей мере одной наномасштабной фракции наполнителя из электропроводных частиц наполнителя в неотвержденную смолу,

- нанесение композиции для получения покрытия по меньшей мере на одной поверхности изоляционного корпуса.

В соответствии с предпочтительной формой выполнения изобретения, наполнитель присутствует в форме по меньшей мере одной наномасштабной фракции наполнителя, в которой содержание наполнителя составляет менее 20 массовых % и/или менее 10 объемных % покрытия.

Согласно предпочтительной форме выполнения изобретения, в покрытии присутствуют по меньшей мере две фракции частиц наполнителя.

При этом особенно предпочтительно, что определенное сопротивление слоя может быть определено через количество и/или материал, в котором в покрытии присутствует по меньшей мере одна наномасштабная фракция наполнителя.

С другой стороны, определенное сопротивление слоя также может быть определено через отношение двух наномасштабных фракций наполнителя, которые присутствуют в наполнителе.

Согласно другой форме выполнения, наномасштабная фракция наполнителя присутствует в комбинации с микромасштабной фракцией наполнителя.

Покрытие может быть изготовлено путем нанесения композиции (состава). При этом поддающуюся обработке, то есть предпочтительно текучую смесь из неотвержденного полимерного компонента с отвердителем, либо как два отдельных компонента, либо присутствующие в одном компоненте, смешивают с наполнителем и наносят в растворе на поверхность. Затем эта композиция на поверхности отверждается, например, за счет термической и/или UV-инициированной реакции с образованием готового покрытия.

Согласно одной форме выполнения, полимерная матрица присутствует в виде двухкомпонентной системы из смолы (полимера) и отвердителя. При этом водорастворимая 2-компонентная система является особенно предпочтительной, поскольку при изготовлении покрытия можно избежать органических растворителей, которые обычно рассматриваются как наносящие вред окружающей среде. При этом отвердитель и/или полимерный компонент могут использоваться в водном растворе.

Поэтому особенно предпочтительно, если используется одно- или двухкомпонентная полимерная система, которая является экологически безвредной, в частности, за счет использования растворителя на водной основе. Например, при использовании водной полиуретан-акрилатной полимерной системы реализуются такие экологические аспекты, как отсутствие вторичной переработки (рециклирования) или дожигания растворителя. При этом также реализуется облегчение охраны труда для оператора и/или изготовителя, например, лакировщика.

Поэтому в соответствии с этой предпочтительной формой выполнения изобретения, для изготовления композиции, которая для получения покрытия наносится по меньшей мере на одну поверхность изоляционного корпуса, достаточны растворители на водной основе.

В кругу специалистов и в смысле изобретения, материал рассматривается как электропроводный, если электрическое сопротивление меньше 10⁸ Ом/квадрат. Выше этого значения, материал считается изолятором или непроводящим. Покрытие должно наноситься по меньшей мере на внутренней боковой поверхности изоляционного корпуса, предпочтительно также на торцевых поверхностях. Особенно предпочтительно, покрытие наносится на всей поверхности изоляционного корпуса, то есть, в дополнение к внутренней боковой поверхности и торцевым поверхностям, также на внешней боковой поверхности. За счет такого покрытия электрическое поле электрической обмотки в значительной степени снижается в литьевой смоле и, таким образом, уменьшается за пределами обмотки до величины, которая допускает то, что расстояние до других компонентов трансформатора, таких как сердечник или обмотка низшего напряжения, может благодаря этому быть меньше, что обеспечивает возможность создания более компактной конструкции.

Покрытие предпочтительно выполнено из полупроводящего материала. В качестве полупроводящего в кругу специалистов и в смысле изобретения рассматривается материал, если его удельное сопротивление меньше, чем 10⁸ Ом/квадрат, и больше, чем 10¹ Ом/квадрат. Так как электропроводное покрытие, особенно на всей поверхности, обмотки представляет обмотку короткого замыкания, в последней будет протекать ток, который генерирует мощность потерь. С помощью покрытия из полупроводящего материала эта мощность потерь может ограничиваться.

Подходящие проводящие или полупроводящие покрытия основаны на полимерной системе, в которую внесен наномасштабный полупроводящий наполнитель, предпочтительным образом, в количестве меньше, чем 20 массовых, % и/или меньше, чем 10 объемных %.

Было обнаружено, что для этого подходит, например, двухкомпонентная полимерная система, имеющая первый компонент, выбранный из группы следующих смол: эпоксидной, полиуретановой, акрилатной, полиимидной и/или полиэфирной полимерной системы и любых смесей, сополимеров и сочетаний из вышеупомянутых смол. В качестве второго компонента к композиции добавляют, например, отвердитель, подходящий для соответствующей смолы, такой как амин, ангидрид кислоты, пероксид, полиизоцианат, особенно алифатический полиизоцианат. Особенно предпочтительным является водорастворимый компонент отвердителя, ввиду экологической безопасности, потому что при этом отсутствует дожигание растворителя, и вообще применение органических растворителей в смысле долговременной устойчивости имеет отрицательные последствия для экологии.

Композиция имеет определенное время обработки, за которое она наносится как несшитая полимерная композиция для покрытия по меньшей мере на одну поверхность изоляционного корпуса. Нанесение осуществляется, например, путем распыления, разбрызгивания, окрашивания, накатки и/или погружения. После отверждения, полимерная композиция сшивается и достигает стабильного состояния по отношению к влияниям окружающей среды, инсоляции, механическому нагружению и т.д. Сшивание поддерживается, например, за счет нагревания.

В соответствии с предпочтительной формой выполнения изобретения покрытие имеет стабильность при температурах до 170°С.

Для достижения определенной электропроводности, к композиции добавляют наномасштабный наполнитель. Он присутствует в композиции в количестве ниже 20 массовых %, предпочтительно ниже 15 массовых % и особенно предпочтительно ниже 10 массовых % сухой массы композиции или соответствующего объемного процента ниже 10 объемных %.

В качестве наполнителя пригодным является, в частности, наномасштабный наполнитель, который по меньшей мере в одной размерности имеет длину менее 500 нм, в частности, менее 200 нм и особенно предпочтительно менее 100 нм.

Наполнитель может включать все типы форм частиц наполнителя. Например, могут иметься смешанные глобулярные и пластинчатые наполнители. Для очень легких частиц наполнителя, которые присутствуют в комбинации или отдельно в композиции, предел менее чем 20 массовых % и соответствующий объемный процент, например, приблизительно 10 объемных % принимается в качестве верхнего предела.

Частицы наполнителя предпочтительно выполнены из полупроводящего материала. Например, материалом может быть проводящая сажа, проводящий графит, оксид металла и/или нитрид металла, а также любые их смеси. Особенно принимаются в расчет также полупроводящие наночастицы, такие как углеродные нанотрубки, углеродные волокна и/или графен. Особенно предпочтительными оказались многослойные углеродные нанотрубки.

За счет использования наночастиц становится возможным, что степень наполнения полупроводящими частицами наполнителя в смоле при установке электрического сопротивления в диапазоне от 10³ Ом/квадрат до 10⁴ Ом/квадрат снижается до величин ниже 10 массовых процентов.

Частицы наполнителя могут также быть полыми, в частности, полыми волокнами и/или полыми шариками также в смысле настоящего изобретения по отдельности или в комбинации с другим фракциями частиц наполнителя.

В качестве полупроводящих покрытий предпочтительно используются как металлы, оксиды металлов, так и легированные оксиды металлов. Полупроводящие полые шарики, полые волокна или чешуйки могут также использоваться в качестве частиц наполнителя. Верхняя граница в случае этих очень легких частиц наполнителя соответствует тогда примерно 10 объемных % степени заполнения в покрытии.

Наполнители из наночастиц могут использоваться в мультимодальных комбинациях, то есть в разных размерах частиц наполнителя и/или формах частиц наполнителя.

Толщина покрытия лежит, например, в диапазоне от 1 мкм до 5 мкм, предпочтительно в диапазоне от 30 мкм до 500 мкм, особенно в диапазоне от 70 мкм до 130 мкм.

За счет подходящего выбора материала частиц наполнителя, размера частиц наполнителя, формы частиц наполнителя, структуры частиц наполнителя, распределения размеров зерна, величины удельной поверхности и/или поверхностной активности наполнителя, в покрытии может быть сформирован обширный профиль свойств. В соответствии с изобретением доля наномасштабного наполнителя в покрытии лежит в диапазоне ниже 20 массовых %, однако этот наномасштабный наполнитель с размером частиц менее 500 нм в по меньшей мере одной размерности может также дополняться, например, микромасштабным наполнителем размером по меньшей мере 1 мкм. При этом содержание микромасштабного наполнителя в смеси наполнителей является произвольным, причем предпочтительно малые количества микромасштабного наполнителя комбинируются с наномасштабным наполнителем. Например, менее чем 50 массовых % или соответствующий объемный процент в случае легких и микромасштабных частиц наполнителя, таких как полые частицы, комбинируются в композиции с наномасштабным наполнителем.

Предпочтительным образом, покрытие имеет удельное поверхностное сопротивление, также называемое сопротивлением слоя, от 10² Ом/квадрат до 10⁵ Ом/квадрат, предпочтительно от 10³ Ом/квадрат до 10⁴ Ом/квадрат. Это поверхностное сопротивление электрическая обмотка имеет, когда она новая. Старение, влияния окружающей среды или загрязнение могут изменить его. Поверхностное сопротивление этого порядка величины, с одной стороны, особенно эффективно ограничивает потери мощности, а с другой стороны, все еще предоставляет достаточные возможности для уменьшения поверхностного сопротивления из-за загрязнения.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения покрытие наносится путем окрашивания и/или распыления. В частности, нанесение путем распыления обеспечивает, с одной стороны, равномерную толщину слоя и, с другой стороны, предотвращает воздушные включения, которые привели бы к частичным разрядам.

Считается предпочтительным, если покрытие электрически заземлено. В результате, электрическое поле вне обмотки особенно эффективно уменьшается.

Покрытие можно наносить на всю поверхность или только на части поверхности изоляционного корпуса, как уже описано. Изоляционный корпус выполнен, например, из эпоксидной смолы, причем предпочтительной является определенная шероховатость поверхности изоляционного корпуса на покрываемых сторонах для адгезии покрытия на поверхности.

Для того чтобы оптимизировать однородное распределение частиц наполнителя, к композиции может быть добавлена диспергирующая присадка, например, тензид (поверхностно-активное вещество) и/или присадка на ионной основе.

При таком способе может изготавливаться электрическая обмотка, электрическое поле которой в значительной степени экранируется покрытием, и которая при использовании в сухом трансформаторе обеспечивает возможность создания более компактной конструкции. Предпочтительно покрытие представляет собой лак. При этом нанесение покрытия может быть выполнено распылением, разбрызгиванием, окрашиванием, накаткой и/или лакированием погружением. При этом некоторые из упомянутых способов могут использоваться последовательно или одновременно для нанесения композиции.

В соответствии с предпочтительной формой выполнения способа, поверхность изоляционного корпуса перед нанесением композиции обрабатывается, так что обеспечивается хорошая адгезия композиции и затем покрытия на изоляционном корпусе.

Предпочтительным образом покрытие представляет собой полупроводящий материал.

Особенно предпочтительно покрытие наносят способом распыления, благодаря чему может быть получена особенно равномерная толщина слоя.

Ниже изобретение более подробно поясняется со ссылкой на чертеж.

На фиг. 1 показан график, на котором показано старение полупроводящего покрытия в соответствии с настоящим изобретением в течение 150 дней при 170°С. После упрочнения покрытия в течение первых дней, можно видеть стабильное поддержание определенного сопротивления слоя, несмотря на хранение при температуре 170°С в течение всего периода наблюдения по крайней мере в течение полугода.

Далее изготовление примерной композиции для изготовления покрытия согласно форме выполнения изобретения поясняется более подробно с помощью табличного представления:

Пример:

Полимерный компонент, например акрилат или полиуретан
или смесь полиуретана-акрилата 100 г Компонент отвердителя, например изоцианат или
полиизоцианат Наномасштабный наполнитель, например CNTs

В показанном примере приведена композиция с наномасштабным наполнителем для покрытия лаком сухого трансформатора в компактной конструкции, причем комбинация экологически безопасной технологии лакирования за счет компонента отвердителя на водной основе и достигнутая надежность в механическом и термическом аспекте, о чем свидетельствует фиг. 1, подтверждает техническую инновацию показанной здесь композиции, в частности, при использовании для сухих трансформаторов.

Изобретение относится к электрической обмотке для сухого трансформатора, которая позволяет создавать компактный сухой трансформатор даже при более высоких классах напряжения. Для этой цели электрическая обмотка имеет множество намотанных с образованием катушки витков проводника обмотки. Катушка встроена в твердый изоляционный корпус. В соответствии с изобретением предусмотрено, что по меньшей мере на одной поверхности изоляционного корпуса нанесено покрытие из электропроводного материала, включающего в себя полимерную матрицу с по меньшей мере 0,05 массового % наномасштабного наполнителя.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в повышении термостойкости, механической прочности и устойчивости к влияниям окружающей среды. Электрическая обмотка для сухого трансформатора имеет множество намотанных витков проводника обмотки для образования катушки. Катушка встроена в твердый изоляционный корпус, который является частью обмотки. По меньшей мере на одну поверхность изоляционного корпуса нанесено покрытие, изготовленное путем нанесения композиции, содержащей воду в качестве растворителя. Покрытие включает в себя полимерный компонент и по меньшей мере один наномасштабный и электропроводный наполнитель. 2 н. и 15 з.п. ф-лы,1 ил.

1. Электрическая обмотка для сухого трансформатора с проводником обмотки, в частности обмотка высшего напряжения для диапазона напряжений до 36 кВ, который навит во множество витков для образования катушки, причем катушка встроена в твердый изоляционный корпус, который является частью обмотки,

отличающаяся тем,

что по меньшей мере на одной поверхности изоляционного корпуса предусмотрено покрытие с определенным сопротивлением слоя в диапазоне от 102 Ом/квадрат до 105 Ом/квадрат, покрытие может изготавливаться путем нанесения композиции, содержащей воду в качестве растворителя, и включает в себя полимерный компонент и по меньшей мере один наномасштабный и электропроводный наполнитель, причем наномасштабный наполнитель присутствует с размером частиц менее 500 нм и включает в себя углеродные нанотрубки (УНТ).

2. Электрическая обмотка по п. 1, отличающаяся тем,

что наномасштабный наполнитель присутствует в покрытии в количестве менее 20 массовых % и/или менее 10 объемных %.

3. Электрическая обмотка по п. 1 или 2, отличающаяся тем,

что покрытие полностью покрывает поверхность изоляционного корпуса.

4. Электрическая обмотка по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем,

что покрытие выполнено из полупроводящего материала.

5. Электрическая обмотка по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем,

что покрытие заполнено по меньшей мере бимодальным образом, то есть в покрытии присутствуют по меньшей мере две фракции частиц наполнителя.

6. Электрическая обмотка по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем,

что поверхностное сопротивление покрытия составляет от 103 Ом/квадрат до 104 Ом/квадрат.

7. Электрическая обмотка по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем,

что композиция для получения покрытия может быть нанесена методом распыления.

8. Электрическая обмотка по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем,

что наномасштабный наполнитель включает в себя многостенные углеродные нанотрубки (МУНТ).

9. Электрическая обмотка по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем,

что покрытие заземлено.

10. Электрическая обмотка по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем,

что определенное сопротивление слоя покрытия может быть установлено путем регулирования отношения по меньшей мере двух фракций частиц наполнителя в композиции.

11. Электрическая обмотка по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем,

толщина покрытия лежит в диапазоне от 1 мкм до 5 мм.

12. Способ изготовления электрической обмотки для сухого трансформатора со следующими этапами способа:

- наматывание проводника обмотки во множество витков для образования катушки,

- встраивание катушки в твердый изоляционный корпус, предпочтительно путем заливки литьевой смолой и последующего отверждения изоляционного корпуса,

- изготовление композиции для получения покрытия с предопределенным сопротивлением слоя,

- нанесение композиции для получения покрытия по меньшей мере на одной поверхности изоляционного корпуса, причем композицию наносят в качестве растворителя на водной основе, и покрытие включает в себя полимерный компонент, а также наномасштабный и электропроводный наполнитель, причем наномасштабный наполнитель присутствует с размером частиц менее 500 нм и включает в себя углеродные нанотрубки.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем,

что покрытие наносят на всю поверхность изоляционного корпуса.

14. Способ по любому из пп. 12 или 13, отличающийся тем,

что покрытие состоит из полупроводящего материала.

15. Способ по любому из пп. 12-14, отличающийся тем,

что покрытие изготавливают путем распыления композиции и последующего отверждения.

16. Способ по любому из пп. 13-15, отличающийся тем,

что композицию наносят путем лакирования, распыления, окраски, накатки и/или лакирования погружением.

17. Способ по любому из пп. 12-16, отличающийся тем,

при изготовлении композиции для получения покрытия с предопределенным сопротивлением слоя в композицию вводятся многостенные углеродные нанотрубки (МУНТ).