Изолирующий трансформатор для защиты светодиодных светильников Российский патент 2024 года по МПК H01F30/16 H01F17/06 H01F27/26 

Изобретение относится к области электротехники и электрооборудования для стационарных объектов и электрических транспортных средств, в частности к изолирующим трансформаторам, работающим в электрических цепях с последовательным питанием потребителей для защиты светодиодных светильников от высоковольтных импульсных перенапряжений.

Общеизвестно, что стабильное качество выходного напряжения устройства оказывает существенное влияние на электрооборудование стационарных объектов и электрических транспортных средств, в частности, на электронное электрооборудование аппаратуры автоматики, телемеханики, сигнализации, источников питания и осветительной техники.

Изолирующие трансформаторы применяются для изменения выходного напряжения в большую или меньшую сторону. Без них невозможно представить себе современную электротехнику. Одним из самых высокоэффективных является изолирующий тороидальный трансформатор.

Сегодня изолирующие тороидальные трансформаторы применяют в различных сферах промышленности, и наиболее часто данные трансформаторы устанавливают в источники бесперебойного питания, в стабилизаторы напряжения, применяют для питания осветительной техники и радиотехники, часто изолирующие тороидальные трансформаторы можно увидеть в медицинском и диагностическом оборудовании, в сварочном оборудовании и т.д.

Таким образом, является очевидным тот факт, что для безопасной и долгосрочной бесперебойной работы электрооборудования стационарных объектов и электрических транспортных средств, в частности светодиодных светильников, находящихся под действием разности потенциалов между высоковольтной сетью и низковольтными токоведущими частями, необходимы высоконадежные по электроизоляции и конструкции изолирующие трансформаторы, обеспечивающие подачу потребителям необходимого качества стабильной бесперебойной электроэнергии.

Так из уровня техники известен изолирующий тороидальный трансформатор (RU 2157015, 27.09.2000), в котором изолирующий трансформатор содержит тороидальный магнитопровод (сердечник), низковольтную и высоковольтную обмотки, расположенные определенным образом и отделенные друг от друга межобмоточной изоляцией, состоящей из слюдосодержащих материалов, пропитанных вакуумнонагнетательным способом термореактивным компаундом с последующей термообработкой, а также два электростатических экрана, один из которых соединен со средней точкой высоковольтной обмотки.

Недостатком данного изобретения является сравнительно низкая электрическая прочность межобмоточной изоляции. Примененные в известном изолирующем трансформаторе слюдосодержащие материалы имеют электрическую прочность 10…30 кВ/мм (см. Слюдинит гибкий высоконагревостойкий ГСКВ. ТУ 3492-070-05758799-2002 или Лента слюдяная непропитанная ЭЛПОР. ТУ 3492-064-05758799-2003). Низкая электрическая прочность изоляции в сочетании с высоким напряжением или высоким потенциалом одной из обмоток приводит к необходимости увеличивать толщину изолирующего слоя и, соответственно, массу и габаритные размеры трансформатора. Кроме того, диэлектрическая проницаемость слюдосодержащих материалов достигает 6 единиц. Это приводит к большому значению межобмоточной емкости, что снижает качество трансформатора, особенно в области высоких частот. Увеличению межобмоточной емкости способствует также наличие экранов.

Также известны изолирующие трансформаторы, содержащие размещенные на тороидальном магнитопроводе (сердечнике) первичную и вторичную обмотки, каждая из которых помещена в тороидальный экран, при этом экраны идентичны по конструктивному исполнению (см., например, SU 633084, 15.11.1978).

Недостатками известных изолирующих трансформаторов являются отсутствие внутренней изоляции трансформаторов и не стабильное качество электроэнергии, подаваемой потребителям из-за неустойчивости к пробоям и, а также избыточные массогабаритные характеристики.

Наиболее близким к заявленному, является изолирующий трансформатор для аэродромных светосигнальных систем, содержащий тороидальный магнитопровод, на котором установлены последовательно чередующиеся слои: изоляции, первичной обмотки, изоляции, вторичной обмотки и изоляции. Первичная обмотка подключена к регулятору яркости, который является источником стабильного тока. Вторичная обмотка подключена к потребителю: лампе огня аэродромной светосигнальной системы ("Трансформаторы изолирующие серии ИОТ". Техническое описание и инструкция по эксплуатации, БТЛИ.670111.006, 1984 г., лист 6, 7, раздел 3).

Недостатками известного изолирующего трансформатора являются низкая электрическая прочность межобмоточной изоляции трансформатора и не стабильное качество электроэнергии, подаваемой потребителям из-за неустойчивости к пробоям. Также недостатком данного трансформатора являются избыточные массогабаритные характеристики.

Таким образом, существующие на данный момент технические решения изолирующих трансформаторов с усиленной изоляцией по расположению межобмоточной изоляции, ее составу и толщине слоя, взаимному расположению выводов обмоток и применяемым материалам, не обеспечивают требуемый уровень изоляции между первичной и вторичной обмотками трансформатора. Кроме того, известные устройства типа ОПН, УЗИП, УЗО, УТКЗ также не решают в полной мере задачи защиты потребителей от перенапряжений и токов короткого замыкания, т.к. обладают однонаправленной защитой и при реализации своего функционала (срабатывании или разрушении) требуют обслуживания или замены, что с учетом их расположения на конструкциях контактной сети весьма затратно.

Поэтому особенно в области преобразователей переменного тока в переменный ток ощущается потребность в изолирующих трансформаторах для защиты осветительной техники, которые могут сочетать внутреннюю простоту компоновки тороидального сердечника с обмотками с возможностью обеспечения высокой прочности межобмоточной изоляции трансформатора и устойчивости к пробоям. 

Техническим результатом заявленного решения является повышение прочности изоляции внутри изолирующего трансформатора, и как следствие, повышение стабильности и устойчивости качества электроэнергии, подаваемой потребителям. Дополнительным результатом заявленного решения является расширение арсенала технических средств.

Указанный технический результат достигается тем, что изолирующий трансформатор для защиты светодиодных светильников содержит внешний цилиндрический корпус, закрепленный на прямоугольном основании, выполненном монолитно с клеммными коробками для подключения питания светодиодных светильников, расположенными по бокам прямоугольного основания, внутри внешнего цилиндрического корпуса расположен тороидальный сердечник, покрытый одним слоем изоляционного материала – лавсаном, на который наматывается первичная обмотка и изолируется межобмоточной фторопластовой изоляцией, выполненной в виде внутреннего цилиндрического корпуса, на который затем наматывается вторичная обмотка, причем образовавшаяся полость между вторичной обмоткой и внешним цилиндрическим корпусом, а также первичной обмоткой и тороидальным сердечником, заливается компаундом для предотвращения скапливания влаги, при этом концы первичной обмотки помещаются в трубку внутреннего цилиндрического корпуса, а концы вторичной обмотки помещаются в трубку внешнего цилиндрического корпуса, причем указанные трубки выполнены монолитно с внутренним и внешним корпусами.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами.

На фигуре 1 представлено конструктивное выполнение изолирующего трансформатора для защиты светодиодных светильников в разрезе, где

1 - железный тороидальный сердечник, покрытый одним слоем изоляционного материала – лавсаном,

2 – первичная обмотка,

3 - межобмоточная фторопластовая изоляция, выполненная в виде внутреннего цилиндрического корпуса толщиной 3 мм (может состоять из двух половинок),

4 – вторичная обмотка,

5 – внешний цилиндрический корпус из атмосферостойкого пластика.

На фигуре 2 представлен общий вид изолирующего трансформатора для защиты светодиодных светильников, где

6 – прямоугольное основание из диэлектрического композита - фторопласта,

7 - клеммные коробки для подключения питания светодиодных светильников.

На фигуре 3 представлен внешний вид первичной обмотки с наложенной межобмоточной фторопластовой изоляцией, выполненной в виде внутреннего цилиндрического корпуса, где

3 - межобмоточная фторопластовая изоляция, выполненная в виде внутреннего цилиндрического корпуса,

8 – трубка внутреннего цилиндрического корпуса.

На фигуре 4 представлен внешний вид изолирующего трансформатора с наложенным внешним цилиндрическим корпусом на вторичную обмотку, где

5 - внешний цилиндрический корпус из атмосферостойкого пластика,

9 – трубка внешнего цилиндрического корпуса.

Заявленный изолирующий трансформатор предназначен для защиты светодиодных светильников от высоковольтных импульсных помех, и, по сути, представляет собой источник питания потребителей, устанавливаемых на объектах электросетевой инфраструктуры, а также контактной сети постоянного тока напряжением 3кВ и переменного тока 27кВ. На устройство подается входное напряжение от сети 380В переменного тока для питания потребителей классом напряжения 220В переменного тока (возможно исполнение до 220В постоянного тока), расположенных на несущих конструкциях сетей (опоры, ригели, мачты и пр.).

Изолирующий трансформатор для защиты светодиодных светильников содержит внешний цилиндрический корпус (5) из атмосферостойкого пластика, например, фторопласта, закрепленный на прямоугольном основании (6) из диэлектрического композита, такого как фторопласт. Прямоугольное основание выполнено монолитно с клеммными коробками ввода кабеля на 380В и кабеля питания потребителей 220В для подключения питания светодиодных светильников (7), расположенными по бокам прямоугольного основания (6) (см. фиг.2). В зависимости от типа потребителя, в клеммных коробках могут также размещаться устройства релейной защиты, диагностики, плавного пуска и т.д.

Как показано на фиг.1 внутри внешнего цилиндрического корпуса (5) изолирующего трансформатора расположен железный тороидальный сердечник (1), покрытый одним слоем изоляционного материала – лавсаном, на который наматывается первичная обмотка (2), которая затем изолируется межобмоточной фторопластовой изоляцией (3) толщиной 3 мм для обеспечения гальванической развязки между первичной и вторичной обмотками. Причем межобмоточная фторопластовая изоляция (3) выполнена в виде внутреннего цилиндрического корпуса, также закрепленного на прямоугольном основании (6) из диэлектрического композита, и способна выдерживать 27,5 кВ действующего значения напряжения. На внутренний цилиндрический корпус (3), который является изоляционным барьером, наматывается вторичная обмотка (4). Образовавшаяся полость между вторичной обмоткой (4) и внешним цилиндрическим корпусом (5), а также первичной обмоткой (2) и железным тороидальным сердечником (1), заливается компаундом для предотвращения скапливания влаги. При этом воздух в указанной образовавшейся полости должен быть вытеснен не только для удаления влаги, но и для исключения ионизации, которая может привести к пробою изоляции.

Также как показано на фиг.3 и 4 для дополнительной защиты от пробоя концы обмоток изолирующего трансформатора помещаются в трубки (8) и (9), которые отливаются монолитно при изготовлении внутреннего (3) и внешнего (5) корпусов, т.е. не имеют соединительных швов. Так концы первичной обмотки (2) помещаются в трубку (8) внутреннего цилиндрического корпуса (3) (фиг.3), а концы вторичной обмотки (4) помещаются в трубку (9) внешнего цилиндрического корпуса (5). Первичная обмотка (2) получает питание от преобразователя собственных нужд, а вторичная обмотка (4) подключена к оборудованию, находящемуся под повышенным потенциалом 3,3 кВ.

Таким образом, за счет использования изоляционного материала между тороидальным сердечником (1) и первичной обмоткой (2), между вторичной обмоткой (4) и внешним цилиндрическим корпусом (5), а также между первичной (2) и вторичной (4) обмотками, уровень межобмоточной изоляции заявленного изолирующего трансформатора выдерживает пробивное напряжение 95кВ и соответствует требованиям ГОСТ Р 52082-2003 к оборудованию классом напряжения 35кВ, поэтому может применяться в сетях до 35кВ в т.ч. и на контактной сети РЖД.

Конструкция заявленного изолирующего трансформатора для защиты светодиодных светильников позволяет использование его на открытом воздухе без применения дополнительной защиты. Внешний корпус изолирующего трансформатора изготовлен из атмосферостойкого пластика, устойчивого к ультрафиолету с высокими диэлектрическими свойствами, например, полиамид 6-блочный (капролон) или фторопласта. Полиамид-6 (капролон) является конструктивным полимером-диэлектриком, который обладает антифрикционными свойствами, износостойкостью и устойчивостью к трению, имеет высокие показатели усталостного сопротивления. Материал широко применяется в разных отраслях промышленности, в том числе в электротехнике, а также имеет небольшой вес, он в 6 раз легче стали.

Изолирующий трансформатор для защиты светодиодных светильников выпускается неразборным, в твердой изоляции, в следующих вариантах: наружного исполнения классом защиты IP 67 и для внутренней установки в шкафах IP54.

Результаты испытаний заявленного изолирующего трансформатора для защиты светодиодных светильников подтвердили высокую прочность изоляции внутри изолирующего трансформатора, и как следствие, высокую устойчивость к пробоям, и стабильность качества электроэнергии, подаваемой потребителям.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к изолирующим трансформаторам, работающим в электрических цепях с последовательным питанием потребителей для защиты светодиодных светильников от высоковольтных импульсных перенапряжений. Технический результат заключается в повышении прочности изоляции внутри изолирующего трансформатора, повышении стабильности и устойчивости качества электроэнергии, подаваемой потребителям. Изолирующий трансформатор для защиты светодиодных светильников содержит внешний цилиндрический корпус, закрепленный на прямоугольном основании, выполненном монолитно с клеммными коробками для подключения питания светодиодных светильников, расположенными по бокам прямоугольного основания. Внутри внешнего цилиндрического корпуса расположен тороидальный сердечник, покрытый одним слоем изоляционного материала – лавсаном, на который наматывается первичная обмотка и изолируется межобмоточной фторопластовой изоляцией, выполненной в виде внутреннего цилиндрического корпуса, на который затем наматывается вторичная обмотка. Образовавшаяся полость между вторичной обмоткой и внешним цилиндрическим корпусом, а также первичной обмоткой и тороидальным сердечником заливается компаундом для предотвращения скапливания влаги. Концы первичной обмотки помещаются в трубку внутреннего цилиндрического корпуса, а концы вторичной обмотки помещаются в трубку внешнего цилиндрического корпуса. Указанные трубки выполнены монолитно с внутренним и внешним корпусами. 4 ил.

Изолирующий трансформатор для защиты светодиодных светильников, содержащий внешний цилиндрический корпус, закрепленный на прямоугольном основании, выполненном монолитно с клеммными коробками для подключения питания светодиодных светильников, расположенными по бокам прямоугольного основания, внутри внешнего цилиндрического корпуса расположен тороидальный сердечник, покрытый одним слоем изоляционного материала – лавсаном, на который наматывается первичная обмотка и изолируется межобмоточной фторопластовой изоляцией, выполненной в виде внутреннего цилиндрического корпуса, на который затем наматывается вторичная обмотка, причем образовавшаяся полость между вторичной обмоткой и внешним цилиндрическим корпусом, а также первичной обмоткой и тороидальным сердечником заливается компаундом для предотвращения скапливания влаги, при этом концы первичной обмотки помещаются в трубку внутреннего цилиндрического корпуса, а концы вторичной обмотки помещаются в трубку внешнего цилиндрического корпуса, причем указанные трубки выполнены монолитно с внутренним и внешним корпусами.