Трансформатор преобразовательный трехфазный многообмоточный с жидкостной системой охлаждения

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к трансформаторостроению, и может быть использована в составе многоуровневых преобразователей частоты частотно-регулируемых приводов магистральных насосных агрегатов нефтепроводов.
Из уровня техники известен электромагнитный трансформатор, который имеет первичную и вторичную обмотки, размещенные соответственно на внешнем и внутреннем сердечниках для создания вращающегося электромагнитного поля. При подаче на первичную обмотку трехфазного напряжения образуется вращающееся магнитное поле, которое создает во вторичных обмотках несколько трехфазных напряжений. Первичная и вторичная обмотки соединяются в звезду или в треугольник. Вращающееся магнитное поле является симметричным по отношению к любой из вторичных обмоток. В этом главное преимущество трансформаторов на основе магнитопроводов, аналогичных конструкции статора трехфазных электродвигателей. Подобный входной трансформатор защищен патентом США US 7948340 «Трехфазный многообмоточный трансформатор», опубл. 05.03.2009, МПК H01F 27/24; H01F 30/14, патент США на изобретение № 5317299, опубл. 31.05.1994, МПК H01F 30/12; H01F 33/00; H02J 3/00.
Недостатком трансформаторов с тороидальными магнитопроводами является сложность их изготовления на большие мощности (17 MBА и выше) с обеспечением заданных показателей надежности при работе в составе преобразователей частоты частотно-регулируемых приводов магистральных насосных агрегатов нефтепроводов.
Также известен многофазный трансформатор, в котором в качестве составной части в многоуровневом частотном преобразователе предлагается использование многофазного трансформатора. Данный трансформатор состоит из сердечника, первичной и вторичной обмоток. Магнитопровод набран из шихтованных пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга и соединенных между собой ярмом. Секции трехфазной первичной обмотки выполнены в виде одинаковых катушек, пропитанных изоляционным лаком в вакууме, витки которых образованы расщепленным медным проводником, представляющим собой несколько пластин, разделенных между собой диэлектриком, ширина пластин соответствует ширине окна магнитопровода, концы и начала изолированных пластин соединены между собой в выводы, при этом концы пластин соединены в звезду, а их начала образуют выводы первичной обмотки. Каждая из первичных обмоток представляет собой высоковольтный фильтр на входе многофазного трансформатора, вторичные обмотки каждой из фаз имеют одинаковое количество витков, выполненных из медного расщепленного проводника, круглого или прямоугольного сечения. Каждая из обмоток охватывает стержень 3-стержневого магнитопровода и расположена на промежуточных диэлектрических держателях одна над другой по длине стержня для отдельно взятой фазы, начала вторичных обмоток являются выводами, концы обмоток объединены в звезду с нулевым выводом (патент РФ № 113416, опубликован 10.02.2012, МПК H01F 30/12, H01F 27/245, H01F 27/28).
Описанную конструкцию можно считать типовой, однако она имеет ряд ограничений при выполнении трансформаторов на большие мощности и трансформаторов для преобразователей частоты с высокой степенью пульсности схемы выпрямления.
К основным ограничениям относятся
высокие значения потерь в обмотках и магнитопроводе трансформатора; высокие значения добавочных потерь;
существенные значения токов короткого замыкания во вторичных обмотках трансформатора;
существенные броски тока намагничивания (сравнимы по величине с токами короткого замыкания) в момент постановки трансформатора под напряжение; сложности в организации эффективного отвода тепла от нагретых элементов трансформатора большой протяженности;
трудности при размещении многочисленных отводов вторичных обмоток в главном изоляционном канале с учетом требований к электрической прочности обмоток трансформатора и требований к показателям надежности трансформатора.
Техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель, заключается в разработке трехфазного преобразовательного многообмоточного трансформатора мощностью 17 MBА на класс напряжения 10 кВ с жидкостной системой охлаждения, обеспечивающего функционирование преобразователя частоты с высокой пульсностью схемы выпрямления.
Технический результат, достигаемый при реализации полезной модели, заключается в повышении надежности трехфазного преобразовательного многообмоточного трансформатора, обеспечивающего работоспособность многоуровневого преобразователя частоты типа Perfect Harmony WCIII фирмы «Siemens» для частотно-регулируемых электроприводов магистральных насосных агрегатов нефтепроводов.
Указанный технический результат достигается за счет того, что магнитопровод выполнен наборным из пластин из анизотропной электротехнической стали с шихтовкой типа «Step-lap»; первичная обмотка выполнена внутренней и охватывает стержни магнитопровода; вторичная обмотка выполнена внешней, охватывает снаружи первичную обмотку и располагается от нее на расстоянии, обеспечивающем заданную электрическую прочность изоляционного промежутка; дополнительно снабжен обмоткой предварительного заряда силовых ячеек преобразователя частоты, расположенной внизу стержня магнитопровода под первичной и вторичной обмотками; первичная обмотка выполнены из медного транспонированного провода, изолированного электротехнической бумагой; вторичная обмотка и обмотка предварительного заряда выполнены из прямоугольного медного провода, изолированного электротехнической бумагой; трансформатор помещен в бак, заполненный силиконовой жидкостью, при этом система охлаждения включает в себя пластинчатый охладитель, выполненный по системе «двойной стенки», масляная полость которого посредством трубопровода соединена с баком, а водяная - с источником охлаждающей жидкости, основной насос для перекачивания нагретой силиконовой жидкости, соединенный посредством трубопровода с баком и охладителем, адсорбер, соединенный с баком и с трубопроводом для перекачивания нагретой силиконовой жидкости.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели трансформатор дополнительно включает резервный насос для перекачивания нагретой силиконовой жидкости.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели для контроля температуры силиконовой и охлаждающей жидкости на входах и выходах пластинчатого охладителя установлены термометры.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели для контроля давления силиконовой и охлаждающей жидкости на входах и выходах пластинчатого охладителя установлены манометры.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели для контроля работы рабочего электронасоса система охлаждения включает также индикаторы циркуляции силиконовой жидкости, подключенные к шкафу управления.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели для контроля расхода охлаждающей жидкости установлен расходомер.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели под охладителем установлен блок контроля утечек.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели для стабилизации по высоте вторичных обмоток применяются дистанционные прокладки из не усаживаемого картона Nomex.
3
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели система охлаждения снабжена запорно-регулирующим клапаном, установленным на входе охладителя, причем запорно-регулирующий клапан обеспечивает расход охлаждающей жидкости на уровне 25-27 м/ч.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели мощность обмотки предварительного заряда составляет не менее 1% от полной мощности трансформатора, а напряжение питания составляет 380 В.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели углы отставания для секций вторичных обмоток равны 25°, или 15°, или 5°, или -5°, или -15°, или -25°.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели вторичная обмотка располагается от первичной обмотки на расстоянии, обеспечивающем электрическую прочность изоляционного промежутка не менее 28 кВ.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели первичная, вторичная обмотки и магнитопровод снабжены датчиками температуры.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели в качестве датчика температуры используются оптоволоконные датчики температуры.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели по высоте стержня магнитопровода вторичная обмотка разделена на отдельные секции, объединенные в группы, причем разные секции вторичной обмотки внутри одной группы имеют различное число витков, обеспечивающих заданные углы отставания, кроме того, секции вторичной обмотки с заданными углами отставания расположены в одинаковой последовательности внутри каждой из групп, а обмотки одной секции, расположенные на разных стержнях магнитопровода, имеют одинаковое число витков, при этом вторичная обмотка располагается от первичной обмотки на расстоянии, обеспечивающем необходимую электрическую прочность изоляционного промежутка.
Заявленная конструкция трансформатора поясняется чертежом, на котором изображен общий вид трансформатора с гидравлической схемой охлаждения.
На чертеже обозначено:
1 - магнитопровод;
2 - первичная обмотка;
3 - вторичная обмотка;
4 - обмотка предварительного заряда;
5 - секция вторичной обмотки;
6 - группа секций вторичной обмотки;
7 - отвод секции вторичной обмотки;
8 - бак;
9 - пластинчатый охладитель;
10.1 - трубопровод;
10.2 - трубопровод;
10.3 - трубопровод;
10.4 - трубопровод;
11 - основной электронасос;
12 - резервный электронасос;
13 - адсорбер;
14 - термометр;
15 - манометр;
16 - индикатор циркуляции охлаждающей жидкости;
17 - расходомер охлаждающей жидкости;
18 - линейные отводы обмоток.
19 - поток нагретой силиконовой жидкости;
20 - поток охлажденной силиконовой жидкости;
21 - фарфоровые вводы;
22 - кабельные вводы.
Магнитопровод 1 трансформатора выполнен трехстержневым и изготовлен из анизотропной электротехнической стали с шихтовкой пластин типа «Step-Lap», что обеспечивает снижение значений тока и потерь холостого хода. Магнитопровод 1 имеет каналы охлаждения (на чертежах не показаны) для прохождения жидкого диэлектрика.
Первичная 2, вторичная 3 обмотки и обмотка 4 предварительного заряда силовых ячеек преобразователя частоты (далее обмотка 4 предварительного заряда) имеют открытые вертикальные и горизонтальные каналы охлаждения (на чертежах не показаны) для прохождения жидкого диэлектрика.
В предпочтительном варианте реализации полезной модели первичная обмотка выполнена из медного транспонированного провода, изолированного электротехнической бумагой, что позволяет уменьшить потери короткого замыкания и повысить стойкость трансформатора к токам короткого замыкания, вторичная обмотка и обмотка предварительного заряда выполнены из прямоугольного медного провода, изолированного электротехнической бумагой.
Первичная обмотка 2 и обмотка 4 предварительного заряда имеют схему соединения «звезда», а вторичная обмотка 3 реализована по схеме соединения «треугольник с продолженными сторонами». Вторичная обмотка 3 состоит из 18 секций 5 вторичной обмотки, каждая из которых расположена на трех стержнях магнитопровода 1.
В качестве изоляции при изготовлении обмоток трансформатора используется электротехническая бумага, в качестве дистанционных прокладок (на чертежах) не показаны при формировании блоков обмоток, применен не усаживаемый картон Nomex, который обладает высокой электрической и механической прочностью, хорошей стойкостью к химическим продуктам и повышенной нагревостойкостью, не воспламеняется и не поддерживает горение, что позволяет увеличить регламентные сроки проведения капитального ремонта трансформатора.
Первичная обмотка 2 выполнена внутренней и располагается непосредственно возле стержня магнитопровода 1, охватывая его. Вторичная обмотка 3 выполнена внешней, охватывает снаружи первичную обмотку 2 и располагается от нее на расстоянии, обеспечивающем необходимую электрическую прочность изоляционного промежутка, предпочтительно не менее 28 кВ, что обеспечивает электрическую безопасность трансформатора при эксплуатации. При большом количестве секций 5 вторичной обмотки данное расположение позволяет выполнять сложные схемы соединения обмоток (в разработанном трансформаторе реализована схема соединения «треугольник с продолженными сторонами»), а также осуществлять присоединение кабелей преобразователя частоты (на чертежах не показан) к отводам секций 5 вторичной обмотки с учетом требований безопасности, надежности и простоты обслуживания. Реализация внешнего расположения вторичной обмотки 3 по отношению к первичной обмотке 2 позволяет повысить надежность трансформатора за счет улучшения условий охлаждения обмоток и повышения электрической прочности изоляционного промежутка между первичной 2 и вторичной 3 обмотками за счет переноса из пространства между первичной 2 и вторичной 3 обмотками кабелей для соединения преобразователя частоты и отводов секций вторичной обмотки 3 и их схемных перемычек (на чертежах не показаны). Дополнительным положительным эффектом является простота обслуживания контактных соединений отводов секции вторичных обмоток 3.
По высоте стержня вторичная обмотка 3 разделена на самостоятельные обмотки - секции 5 вторичной обмотки, которые вдоль стержня магнитопровода 1 выделяются в группы 6 секций вторичной обмотки. Разные секции 5 вторичной обмотки внутри одной группы 6 имеют различное число витков для достижения различных групп 6 соединения с заданными углами отставания. В разработанном трансформаторе заданы следующие углы отставания для секций 5 вторичной обмотки: 25°, 15°, 5°, -5°, -15°, -25°. Секции 5 вторичной обмотки с заданными углами отставания расположены в одинаковой последовательности внутри каждой из групп 6. Обмотки одной секции 5 вторичной обмотки, расположенные на разных стержнях магнитопровода 1, имеют одинаковое число витков.
Также трансформатор включает в себя обмотку 4 предварительного заряда, которая представляет собой дополнительную маломощную обмотку, предназначенную для предварительного заряда силовых ячеек преобразователя частоты (на чертежах не показан) и исключения броска тока намагничивания в момент постановки трансформатора под напряжение. Обмотка 4 предварительного заряда рассчитана на кратковременный режим работы, по конструкции аналогична первичным 2 и вторичным 3 обмоткам и располагается внизу стержней магнитопровода 1 под всеми остальными обмотками 2 и 3. Включение в конструкцию трансформатора обмотки предварительного заряда 4 позволяет изготавливать трансформаторы большой мощности без использования в составе преобразователя частоты дополнительных трансформаторов, предназначенных для предотвращения бросков тока намагничивания в момент пуска, что позволяет повысить стойкость трансформатора к электродинамическим воздействиям, и, следовательно, повысить надежность трансформатора. Для эффективного отвода большого количества тепла от нагретых протяженных элементов трансформатора требуется подача жидкого диэлектрика к поверхностям и каналам обмоток 2, 3, 4 и магнитопровода 1.
В целях отвода тепловых потерь трансформатора организована система охлаждения с принудительной циркуляцией охлаждающей жидкости и диэлектрика с ненаправленным потоком. В качестве жидкого диэлектрика в предпочтительном варианте реализации полезной модели целесообразно использовать силиконовую трансформаторную жидкость «Софэксил» (далее по тексту силиконовая жидкость), а в качестве охлаждающей жидкости - деионизированную воду с содержанием этиленгликоля до 50% (далее по тексту охлаждающая жидкость).
Для создания системы охлаждения трансформатор помещен в бак 8, заполняемый силиконовой жидкостью.
Система охлаждения включает в себя пластинчатый охладитель 9 для охлаждения силиконовой жидкости, предпочтительно серии ND100TV/CDL-10/64 (производитель - «Кельвион Машимпэкс»), масляная полость которого соединена трубопроводом 10.4 с нижней частью бака 8, трубопроводом 10.3 - с верхней частью бака 8, а водяная полость соединена трубопроводом 10.1 и 10.2 с источником охлаждающей жидкости (на чертежах не показано), основной электронасос 11 и резервный электронасос 12, осуществляющие перекачивание нагретой силиконовой жидкости в пластинчатый охладитель 9, адсорбер 13, соединенный с трубопроводом 10.3 и нижней частью бака 8. Бак 8 снабжен по меньшей мере тремя запорными устройствами, выполненными, например, в виде дисковых затворов (на чертежах не показаны) для подсоединения трубопроводов 10.1 и 10.2. Также в баке 8 выполнены воздухоспускные пробки (на чертежах не показаны), предназначенные для выпуска воздуха при заполнении бака силиконовой жидкостью. Адсорбер 13 предназначен для регенерации силиконовой жидкости.
Пластинчатый охладитель 9 снабжен выходом, предназначенным для подачи силиконовой жидкости силиконовой жидкости в бак 8, входом, предназначенным для приема нагретой силиконовой жидкости из бака 8, входом, предназначенным для приема охлаждающей жидкости из источника (на чертежах не показано) - и выходом подачи для охлаждающей жидкости.
Пластинчатый охладитель 9 выполнен по системе «двойной стенки», предотвращающей смешивание охлаждающей жидкости и силиконовой жидкости при возникновении протечки одного из контуров охлаждения.
3
На входе охладителя 9 установлен запорно-регулирующий клапан (на чертежах не показан), обеспечивающий расход охлаждающей жидкости на уровне 25-27 м/ч.
Для контроля температуры силиконовой и охлаждающей жидкости на входах и выходах пластинчатого охладителя 9 установлены термометры 14 предпочтительно типа MT-ST160SK (ТТ) серии Compact. Для контроля давления силиконовой и охлаждающей жидкости на входах и выходах пластинчатого охладителя 9 установлены манометры 15 предпочтительно ДМ 2010 Сг. Для контроля работы основного 11 и резервного 12 электронасосов система охлаждения включает также индикаторы 16 циркуляции силиконовой жидкости, предпочтительно CCL2, подключенные к шкафу управления (на чертеже не показано). Для контроля расхода охлаждающей жидкости установлен расходомер 17 предпочтительно ELETTA FM серии S.
Для контроля утечек пластинчатого охладителя 9 в поддон (на чертежах не показан) под охладителем установлен блок контроля утечек (на чертеже не показано) предпочтительно типа L1 фирмы «GEA». Объем жидкости, на который срабатывает блок контроля утечек, обеспечивается конструктивно.
Трансформатор работает следующим образом.
При постановке трансформатора под напряжение на линейные отводы 18 первичной обмотки, выведенные на фарфоровые вводы 21, подается трехфазное напряжение промышленной частоты. Протекающий по первичной обмотке 2 ток намагничивания создает в магнитопроводе 1 переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, наводит во вторичной обмотке 3 электродвижущую силу. При этом первичная обмотка 2, соединенная по схеме «звезда», является фильтром высших гармоник. При подключении отводов вторичной обмотки 3, соединенных по схеме «треугольник с продолженными сторонами», к преобразователю частоты в секциях 5 вторичной обмотки возникает ток, пропорциональный нагрузке. Линейные отводы вторичной обмотки 3 выведены на кабельные вводы 22.
Поскольку нагрузкой для вторичной обмотки 3 являются конденсаторы схемы выпрямления преобразователя частоты (на чертежах не показаны), то в момент подачи напряжения на трансформатор ток намагничивания достигает значений, сопоставимых с токами короткого замыкания (разряженные конденсаторы схемы выпрямления фактически находятся в режиме короткого замыкания). При выполнении трансформатора на большие мощности значение тока намагничивания становится значительным, что ведет к увеличению амплитуды бросков тока намагничивания, и, как следствие, увеличению амплитуды электродинамических усилий, действующих на обмотки трансформатора, что существенно снижает надежность трансформатора.
В целях повышения надежности в конструкцию трансформатора включена маломощная обмотка 4 предварительного заряда. Перед подачей на первичную обмотку 2 трехфазного напряжения промышленной частоты производится подача трехфазного напряжения промышленной частоты на обмотку 4 предварительного заряда, при этом номинальное значение напряжения может соответствовать напряжению, подаваемому на первичную обмотку, либо может быть снижено до значения менее 1 кВ, что позволит упростить конструкцию и повысить надежности трансформатора. В разработанном трансформаторе обмотка 4 предварительного заряда рассчитана на номинальное напряжение 380 В, а мощность данной обмотки выбирается исходя из условия обеспечения заряда конденсаторов силовых ячеек преобразователя частоты. В разработанном трансформаторе мощность обмотки предварительного заряда 4 составляет не более 1% от полной мощности трансформатора. По завершении заряда конденсаторов схемы выпрямления преобразователя частоты напряжение с обмотки 4 предварительного заряда снимается, одновременно производится подача напряжения на линейные отводы первичной обмотки 2 и последующее преобразование данного напряжения во вторичной обмотке 3.
Работа системы охлаждения осуществляется следующим образом.
Силиконовая жидкость предварительно заливается в расширительный бачок (на чертежах не показан) бака 8 выше нормального уровня. Заливку силиконовой жидкости производят через нижний дисковый затвор (на чертежах не показан) бака 8 при закрытых верхних дисковых затворах. Одновременно с заполнением силиконовой жидкостью открывают воздухоспускные пробки (на чертежах не показаны) бака 8 для выпуска воздуха в системе охлаждения. После окончания заполнения всей системы охлаждения силиконовой жидкостью и выпуска из нее воздуха воздухоспускные пробки уплотняют, верхние и нижние дисковые затворы на баке 8 трансформатора полностью открыты.
В процессе эксплуатации трансформатора нагретая силиконовая жидкость 19 подается основным электронасосом 11 из верхней части бака 8 по трубопроводу 10.3 в полость пластинчатого теплообменника 9, при этом часть потока проходит через адсорбер 13, в котором происходит регенерация силиконовой жидкости (осушка и очистка), и попадает обратно в бак 8. В пластинчатом охладителе 9 силиконовая жидкость охлаждается охлаждающей жидкостью в теплообменных пластинах (на чертеже не показано). Далее охлажденная силиконовая жидкость 20 по трубопроводу 10.4 возвращается в бак 8 трансформатора.
Применение предложенных технических решений позволяет изготавливать трансформаторы трехфазные преобразовательные многообмоточные большой мощности для работы в составе преобразователя частоты с высокой пульсностью схемы выпрямления и обеспечивает высокую надежность изделия.
Проведенные испытания разработанного трансформатора трехфазного преобразовательного многообмоточного мощностью 17 MBА на класс напряжения 10 кВ в условиях испытательной лаборатории, последующие испытания на объекте эксплуатации в составе ПЧ и проведенная опытно-промышленная эксплуатация подтвердили высокий уровень надежности и эффективности трансформатора и принятых технических решений. В ходе испытаний было установлено, что номенклатура показателей надежности по ГОСТ 27.003-90 соответствует следующим показателям: установленная наработка на отказ - не менее 40000 ч, назначенный ресурс - 340000 ч, вероятность безотказной работы на наработку 8800 ч - не менее 0,995, срок службы - не менее 40 лет.
Полезная модель обеспечивает надежное бесперебойное функционирование эксплуатируемых на объектах трубопроводной системы «ВСТО-1» ОАО «АК «Транснефть» преобразователей частоты типа Perfect Harmony WCIII.