ТРАНСФОРМАТОР ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ И БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ С ГРОЗОЗАЩИТНЫМ ЭКРАНОМ ДОЛЮКА
HIGH-VOLTAGE TRANSFORMER AND HIGH-CAPACITY WITH LIGHTNING-PROTECTION SCREEN BY DOLYUK

Область техники
Изобретение относится к электроэнергетической отрасли, конкретнее, к силовым трансформаторам высокого напряжения (ВН) и большой мощности.
Предшествующий уровень техники
Известен трансформатор ВН и большой мощности с подключенным к линейному вводу обмотки ВН грозозащитным экраном (ГЭ), который представляет собой электрическую цепь последовательно соединенных витков-конденсаторов, которая состоит минимум из двух по всей длине слоев изолированных обкладок с промежутком между ближними точками предыдущей и последующей обкладок в каждом слое и с таким взаимным смещением слоев обкладок, что середина обкладки одного слоя перекрывает промежуток между обкладками другого слоя, а витки-конденсаторы размещены на ближних к линейному выводу катушках обмотки ВН и соединены между собой последовательно в спираль вокруг обмотки ВН (а.с. СССР №456310, №706855; книга Долюка Р.П. Грозоупорность трансформаторов, М., Энергоатомиздат, 1993, с.77-86). Конструкция, технология, расчетные формулы проверены на полноразмерных фазах трансформаторов класса напряжения 500 кВ при действии повышенных испытательных напряжений и в длительном рабочем режиме; результаты подтвердили работоспособность: обмотка ВН выполнена непрерывной намоткой с малой изоляцией между витками и между катушками. Однако выявлены недостатки самого ГЭ: наличие собственных высокочастотных колебаний при действии грозового импульса и сложность технологии его изготовления и размещения в трансформаторе.
Известен трансформатор ВН и большой мощности с подключенным к линейному выводу обмотки ВН ГЭ, который представляет собой электрическую цепь последовательно соединенных витков-конденсаторов, которая состоит минимум из двух по всей длине слоев изолированных обкладок с промежутком между ближними точками предыдущей и последующей обкладок в каждом слое и с таким взаимным смещением слоев обкладок, что середина обкладки одного слоя перекрывает промежуток между обкладками другого слоя, а витки-конденсаторы размещены на ближних в линейному выводу катушках обмотки ВН и соединены между собой так, что емкостные токи одной части обкладок имеют встречные по кругу направления относительно емкостных токов другой части обкладок (патент Украины №73849 H01F 27/32, H01F 41/06).
Трансформатор по патенту Украины имеет ряд позитивных свойств: оптимальное число витков-конденсаторов ГЭ, отдельное изготовление ГЭ и его доставка и размещение на обмотке ВН трансформатора, отсутствие собственных колебаний ГЭ. Однако имеется потребность упростить процесс изготовления и размещения ГЭ на обмотку ВН, повысить электрическую прочность и механическую гибкость ГЭ. Трансформатор по патенту Украины принят как прототип.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения - разработка более прочной и гибкой конструкции и более простого и надежного процесса изготовления и размещения ГЭ на обмотке ВН трансформатора ВН и большой мощности.
Решение поставленной задачи обеспечивает создание трансформатора ВН и большой мощности с подключенным к линейному выводу обмотки ВН ГЭ, который представляет собой электрическую цепь последовательно соединенных витков-конденсаторов, которая состоит минимум из двух по всей длине слоев изолированных обкладок с промежутком между ближними точками предыдущей и последующей обкладок в каждом слое и с таким взаимным смещением слоев обкладок, что середина обкладки одного слоя перекрывает промежуток между обкладками другого слоя, а витки-конденсаторы размещены на ближних к линейному выводу катушках обмотки ВН и соединены так, что токи одной части обкладок имеют встречные по кругу направления относительно токов другой части обкладок за счет того, что обкладки всех слоев изготовлены в форме пластины с тонким овалом в поперечном сечении с изоляцией по всему периметру и длине, и слои изолированных пластин прижаты боковыми плоскими сторонами между собой, а соединение между витками-конденсаторами выполнено путем изгибания середины пластины, которая размещена одной своей половиной длины в предыдущем витке-конденсаторе, а другой своей половиной длины - в последующем витке-конденсаторе;
дополнительно при этом присоединенная к линейному выводу обмотки ВН пластина ГЭ выполнена длиной полвитка, и это присоединение размещено на геометрической середине (или краю) витка-конденсатора, а остальная часть ГЭ сформирована из изолированных пластин длиною витка, и соединения между витками-конденсаторами размещены последовательно в электрической цепи и расположены тоже на геометрических серединах (или краях) витков-конденсаторов;
при этом цельная электрическая цепь последовательно соединенных витков-конденсаторов телесно выполнена в форме геометрически разомкнутого по кругу многовиткового кольца с зигзагообразной траекторией емкостного тока в цепи обкладок и со свойством гибкого охватывания этим кольцом поверхности обмотки и тесного прижимания последовательных витков-конденсаторов ГЭ к соответствующим последовательным катушкам обмотки ВН с размещением соединений между витками-конденсаторами ГЭ на свободных от выступающих элементов частях поверхности обмотки ВН.
Технические результаты, достигнутые при использовании изобретения:
- непрерывный бесспаечный процесс изготовления обмотки ВН 330-1200 кВ с малыми размерами межвитковой и межкатушечной изоляции;
- простой процесс изготовления ГЭ: одинаковые обкладки-пластины с одинаковой изоляцией на пластине, формирование соединений витков-конденсаторов путем изгибания части изолированных пластин на их серединах (пайки отсутствуют), простая сборка ГЭ путем взаимного размещения и взаимного прижатия и удержания пластин слоем внешней общей изоляции;
- простой и надежный процесс размещения ГЭ на обмотке ВН путем охвата цилиндрической поверхности обмотки гибким геометрическим разомкнутым и развернутым кольцом ГЭ и последующего тесного прижатия витков-конденсаторов к поверхностям соответствующих катушек;
- повышенная электрическая прочность изоляции витков-конденсаторов, которые образованы изолированными и прижатыми плоскими сторонами пластинами с овальным поперечным сечением (за счет лучшего распределения электрического поля в изоляции);
- повышенная механическая гибкость ГЭ (изъят охват обкладки другой обкладкой по всему периметру и длине), изгибание одиночной обкладки для формирования межвиткового соединения;
- надежный процесс определения параметров и размеров ГЭ, отдельного изготовления, доставки и установки ГЭ на трансформаторе;
- безындуктивность и бесколебательность ГЭ.
Краткое описание чертежей
Строение ГЭ и процессы его изготовления и размещения на трансформаторе объяснены в ниже приведенном описании и на чертежах, где:
Фиг.1 - схемы раскладки пластин в ГЭ (из трех слоев):
а, б - вариант размещения соединений между витками-конденсаторами и присоединения к линейному выводу обмотки ВН на геометрическом краю витка-конденсатора;
а - в ГЭ, размещенном на обмотке ВН;
б - в в развернутом ГЭ с показом направлений емкостных токов в обкладках;
в, г - варианты размещения соединений между витками-конденсаторами и присоединения к линейному выводу обмотки ВН на геометрической середине витка-конденсатора;
в - в ГЭ, размещенном на обмотке ВН;
г - в развернутом ГЭ с показом направлений емкостных токов в обкладках (два подварианта);
Фиг.2 - пример формы ГЭ (из двух слоев пластин):
а - размещение ГЭ на обмотке ВН;
б - схема раскладки пластин в развернутом ГЭ;
в - пластина в поперечном сечении;
г - виток-конденсатор из двух слоев в поперечном сечении;
д - виток-конденсатор ГЭ-прототипа в поперечном сечении;
е, ж - варианты соединения между витками-конденсаторами, выполненного перегибаниями толщины на середине длины пластины;
з, i - варианты соединения между витками-конденсаторами, выполненного изгибаниями длины на середине длины пластины;
Фиг.3 - пример раскладки пластин в ГЭ при размещении соединений между витками-конденсаторами на геометрических краях и серединах витков-конденсаторов;
Фиг.4 - пример формы ГЭ с размещением соединений витков-конденсаторов только на их геометрических серединах.
2
3
23
2
2
3
3
2
2
3
3
2
3
23
2
2
3
3
2
2
3
3
2
3
2
2
3
3
2
2
3
3
Трансформатор ВН и большой мощности с подключенным к линейному выводу обмотки ВН ГЭ, что представляет собой электрическую цепь последовательно соединенных витков-конденсаторов B1, В2, …, которая состоит минимум из двух по всей длине слоев изолированных обкладок (на фиг.1 три слоя, а на фиг.2 два слоя изолированных обкладок ах с промежутками (зазорами) З между ближними точками х(а) предыдущей обкладки и точками а(х) последующей обкладки в каждом слое) и с таким взаимным смещением слоев, что середина С обкладки одного слоя перекрывает промежуток З между обкладками другого слоя (точки а и х обкладки соответствуют направлению тока от а к х по часовой стрелке, а цифровые индексы соответствуют последовательности вхождения обкладки в электрическую цепь, на фиг.1в, г ближними точками являются соединения между витками-конденсаторами, т.е. середины обкладок), а витки-конденсаторы B1, В2, … размещены на ближних к линейному выводу катушках обмотки ВН (на фиг.2а обкладка ах витка-конденсатора В1 размещена тесно на катушке, присоединенной к линейному выводу обмотки ВН, к этому же выводу присоединен вывод a1 ГЭ) и соединены так, что емкостные токи одной части обкладок имеют встречные по кругу направления относительно емкостных токов другой части обкладок (в ГЭ типа фиг.1а, б токи одного витка-конденсатора встречны с токами соседнего витка-конденсатора, а в ГЭ типа фиг.1в, г токи встречны в обкладках каждого полувитка-конденсатора), при этом обкладки всех слоев изготовлены в форме пластины с тонким овалом в поперечном сечении и с изоляцией по всему периметру и длине (фиг.2в), и слои изолированных пластин прижаты боковыми сторонами один к другому (фиг.2г), а соединение между витками-конденсаторами выполнено путем изгибания (фиг.2е, ж, з, i) середины С пластины, которая размещена одной своей половиной длины в предыдущем витке-конденсаторе, а другой своей половиной длины в последующем витке-конденсаторе (на фиг.1а, б соединение хх выполнено изгибаниями середины С пластины ахха, которая размещена одной своей половиной ах в правом полувитке предыдущего витка-конденсатора В1, а другой своей половиной ха в одноименном правом полувитке последующего витка-конденсатора В2, т.е. в этом варианте раскладки соединительные полупластины размещены в одноименных полувитках; на фиг.1в, г возможны два подварианта раскладки пластин: 1) верхний, где соединение ха выполнено изгибаниями середины С пластины ахах, которая размещена одной своей половиной ах в правом полувитке предыдущего витка-конденсатора В1, а другой своей половиной ах в иноименном левом полувитке последующего витка-конденсатора В2, т.е. в этом подварианте соединительные полупластины размещены в разноименных полувитках; и 2) нижний, где соединение хх выполнено изгибаниями середины пластины ахха, которая размещена одной своей половиной ах в правом полувитке предыдущего витка-конденсатора В1, а другой своей половиной ха в одноименном правом полувитке последующего витка-конденсатора В2, т.е. в нижнем подварианте соединительные полупластины размещены в одноименных полувитках);
1
1
1
2
3
2
3
2
3
при этом присоединенная к линейному выводу обмотки ВН пластина ax ГЭ выполнена длиной полувитка и ее присоединение a размещено на геометрической середине фиг.1в, г (или краю фиг.1а, б) витка-конденсатора В1, а остальная часть электрической цепи сформирована из изолированных пластин длиной витка, а соединения между последовательными витками-конденсаторами размещены последовательно в электрической цепи на геометрических серединах ха или хх фиг.1в, г (или краях хх фиг.1а, б);
2
3
2
3
при этом цельная электрическая цепь последовательно соединенных витков-конденсаторов B1, В2, … выполнена телесно в форме геометрически разомкнутого по кругу с разрывами Р на фиг.1 и 2 многовиткового кольца с зигзаговой траекторией емкостного тока в цепи из обкладок со свойством гибкого охватывания этим кольцом поверхности обмотки и тесного прижимания последовательных витков-конденсаторов ГЭ к соответствующим последовательным катушкам обмотки ВН с размещением соединений хх, ха на свободных от выступающих элементов (межкатушечных прокладок, отводов) частях поверхности обмотки ВН.
Кроме двух вариантов мест размещения соединений между витками-конденсаторами (только на геометрических краях фиг.1а, б и только на геометрических серединах фиг.1в, г витков-конденсаторов), возможно сочетание в одном ГЭ обоих вариантов соединений (фиг.3).
Размещение соединения на геометрическом краю витка связано с попутным направлением тока в обкладках соединяемых полувитков-конденсаторов, а размещение соединения на геометрической середине витка связано со встречным направлением токов в обкладках соединяемых полувитков-конденсаторов.
Лучший вариант устройства
Лучшей схемой ГЭ является схема с размещением всех соединений между витками-конденсаторами на их геометрической середине (фиг.4); при этом соединения образуют хребет, закрепляющий вертикальное размещение витков-конденсаторов, не стесняя гибких, технологически необходимых движений полувитков в горизонтальной плоскости. Такая схема технологичнее при изготовлении, транспортировке и установке ГЭ на трансформаторе.
Промышленная применимость
Обкладка выполняет свою функцию образования электрического поля конденсатора электропроводной поверхностью М с овальным периметром фиг.2в; на поверхность обкладки намотана изоляция 0,5Δ половинной толщины (прижатые боковыми поверхностями две обкладки-пластины образуют общую изоляцию 0,5Δ+0,5Δ=Δ); обкладка с учетом удобств для изгибания соединений может быть выполнена несколькими вариантами:
1) сплошная металлическая пластина, т.е. остов О и поверхность М представляют единое проводниковое тело, например, из мягкого алюминия толщиной 0,4…0,6 мм;
2) металлическая полоса толщиною 0,2…0,3 мм, согнутая на торцах вдоль длины с образованием закругленных краев и боковых стенок овального сечения;
1
1
3) с диэлектрическим остовом О, на который нанесена обкладка М из фольги. Присоединенная к линейному выводу обмотки ВН обкладка ax может быть выполнена из меди для простоты пайки к медному выводу обмотки, остальные обкладки могут быть выполнены из иного диамагнитного материала. Пластины с соединениями-изгибами могут иметь свою специфику в материалах и способе формирования по сравнению с пластинами без изгибов.
ГЭ сформирован раскладкой, прижатием и изолировкой витков-конденсаторов, прижатие боковых стенок (фиг.2г) образует более равномерную картину электрического поля в изоляции по сравнению с прототипом фиг.2д, где внутренняя обкладка с остовом О и фольгою М изолирована изоляцией толщиной Δ, на которую нанесена внешняя обкладка Мв и внешняя изоляция Δв - такой конденсатор имеет неравномерное электрическое поле на торцах, не обладает механической гибкостью, а процесс изготовления сложный, с пайками соединений.
Строение по изобретению сформировало комплекс необходимых качеств:
1) простота изготовления;
2) высокие электрические, магнитные и механические свойства (равномерное электрическое поле в изоляции витков-конденсаторов, отсутствие магнитного поля и индуктивности электрической цепи из ряда последовательно соединенных витков-конденсаторов, механическая гибкость одиночной с половинной 0,5Δ изоляцией пластины); простота и надежность размещения ГЭ на обмотке ВН.
1
1
1
В обмотке ВН без ГЭ при действии на линейный ввод грозового импульса сверхвысокой амплитуды Ub на ближних к линейному выводу межкатушечных каналах возникают высокие напряжения  (С, K - емкость изоляции между парой катушек обмотки ВН и обмоткою низкого напряжения (НН), продольная емкость пары катушек обмотки ВН). Высокое опасное напряжение ΔU возникает из-за того, что грозовой ток, который ответвляется из обмотки ВН через емкость изоляции на обмотку НН, протекает через продольную емкость K пары катушек и создает на паре катушек падение напряжения ΔU.
1
В обмотке с ГЭ часть ответвляемого емкостного тока протекает не через емкости K пар катушек, а через витки-конденсаторы ГЭ и снижает ΔU до безопасных допустимых значений ΔU∂
; ;
N - число пар витков-конденсаторов в ГЭ; ΔK(N) - емкость подключенной к выводу обмотки ВН пары витков-конденсаторов, емкости последующих пар витков-конденсаторов имеют спадающие меньшие значения.
Изготовление ГЭ состоит из нескольких операций:
1) изготовление пластин;
2) изолировка пластин;
3) формирование соединений-переходов;
4) сборка ГЭ.
Процесс изготовления пластин зависит от выбранной конструкции пластины и может быть:
а) изготовление сплошной пластины из заготовки путем литья, прессовки, прокатки, протяжки, плющения;
б) изготовление из полосы путем продольного двустороннего изгибания;
в) намотка ленты фольги на диэлектрический остов, например, из картона 0,5 мм.
Процесс изолировки может иметь 2 варианта:
а) намотка бумажной ленты;
б) намотка на выпрямленную на всю длину пластину 6-8 м до 10 витков длинного полотна бумаги путем вращения пластины вокруг своей продольной оси.
Изгибание переходов-соединений допускает локальные деформации пластины и морщины в изоляции, поскольку эти деформации и морщины не входят в состав конденсатора, и тут отсутствует электрическое поле между слоями пластин.
На транспортной оправке, например в вакуумной упаковке, ГЭ доставляют на сборку трансформатора. Вес ГЭ составляет несколько килограммов и не создает проблем для погрузки-перевозки-разгрузки.
Установка ГЭ на обмотку ВН представляет собой совмещение витков-конденсаторов с боковыми поверхностями соответствующих катушек обмотки. При вертикальном положении обмотки кольцо ГЭ опускают-садят на обмотку. При горизонтальном положении обмотки кольцо ГЭ частично развертывают-раздвигают витковые разрывы Р до размера диаметра обмотки - и размещают частично развернутое кольцо на боковую поверхность обмотки, заводят края витков на противоположный бок обмотки, сдвигают разрывы Р и прижимают витки-конденсаторы к соответствующим катушкам, присоединительную пластину подключают к линейному выводу обмотки ВН.
Впервые достигнут полный комплекс необходимых физических, конструктивных и технологических качеств, что сделало ГЭ совершенным, простым и надежным устройством, повышающим техническую стойкость и экономичность трансформаторов и электропередач 110…1200 кВ.