ИЗОЛЯЦИОННЫЙ МОДУЛЬ МАСЛЯНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
OIL TRANSFORMER INSULATION MODULE

Изобретение относится к изоляционному модулю масляного трансформатора, содержащему по меньшей мере один первый плоский и второй соседний с ним и преимущественно параллельный слой из механически прочного, плоскостного первого изоляционного материала.
Хорошо известно, что трансформаторы высокого напряжения или же дроссели высокого напряжения, например, с номинальным напряжением на стороне высокого напряжения в 220 кВ или 380 кВ, номинальной мощностью более 100 МВА и весом 200 т и выше, с целью изоляции и охлаждения в большинстве случаев размещаются в баке трансформатора, заполненном маслом, при этом масло служит как для изоляции, так и для улучшенного охлаждения. Расстояние трансформатора высокого напряжения от внутренних стенок масляного бака по существу обуславливается изоляционно-техническими аспектами, т.е. в конечном итоге от расстояния имеющей потенциал зоны до заземленной или имеющей другой потенциал зоны, а также геометрической формой изолированных относительно друг друга компонентов. Однако в зависимости от заданных краевых условий может потребоваться минимальное изоляционное расстояние, которое делает масляный бак излишне большим, соответственно, вообще не имеющимся в распоряжении.
Поэтому в особенно критичных с точки зрения изоляции зонах внутри бака трансформатора, заполненного маслом, обычно расположены аналогичные стенкам так называемые изоляционные барьеры, с помощью которых лишь ограниченно нагружаемые изолирующие участки в масле разделяются или располагаются так, что не превышается максимальный градиент напряжения. Это обеспечивает то преимущество, что нет необходимости выполнять заполненное маслом пространство между трансформатором и стенками бака излишне обширным. Такие барьерные системы имеют в большинстве случаев массивные пластины из прессшпана, которые расположены на сложной удерживающей конструкции в соответствии с индивидуальными требованиями внутри бака трансформатора.
Однако недостатком является то, что такие барьерные системы являются очень не гибкими и трудно монтируемыми и относительно подлежащих реализации геометрических форм по существу ограничены одной формой пластин, за счет чего с точки зрения изоляции при известных условиях также не обеспечивается возможность оптимальных расположений. Кроме того, барьерные системы перед их установкой в трансформатор необходимо сушить в вакууме под воздействием тепла, за счет чего обычные барьерные системы коробятся, так что зачастую они более не отвечают требованиям к изоляции.
Исходя из уровня техники, задачей изобретения является создание изоляции масляного трансформатора с улучшенной изоляционной способностью, которая является особенно гибкой по конструкции и стабильной по форме в сравнении с процессами сушки.
Эта задача решена с помощью изоляционного модуля масляного трансформатора упомянутого выше вида. Решение характеризуется тем, что первый и второй слой изоляционного материала соединены с третьим, расположенным между ними волнистым слоем из механически прочного, плоскостного второго изоляционного материала и расположены на расстоянии друг от друга, при этом третий слой имеет боковые кромки и имеет такую волнистость, что все образованные за счет волнистой формы полые пространства выполнены с возможностью полного заполнения жидкостью через боковые кромки.
Основная идея изобретения состоит в применении вместо массивных барьеров из прессшпана барьеров с полыми пространствами, которые при работе трансформатора полностью заполнены маслом. Каждый путь вдоль нормали к поверхности, определяющей кратчайший путь пробоя, через образованный таким образом изоляционный модуль масляного трансформатора проходит не исключительно в твердом изоляционном материале, напротив, полые пространства образованы за счет волнистой формы третьего слоя так, что всегда часть пути также проходит через масло. За счет различных изоляционных способностей масла и твердого изоляционного материала, такого как прессшпан в комбинации с различными диэлектрическими постоянными и обусловленными этим вытеснениями электрического поля, обеспечивается в целом более высокая изоляционная способность при одинаковой толщине. Путь, проходящий лишь через твердый изоляционный материал, следует в изоляционном модуле масляного трансформатора, согласно изобретению, в некоторых зонах за волнистой формой третьего слоя и поэтому наклонен и, соответственно, длиннее по сравнению с кратчайшим путем вдоль нормали к поверхности, так что также в этом отношении обеспечивается улучшенная изоляционная способность.
Однако предпосылкой для изоляционной способности, согласно изобретению, изоляционного модуля во время работы является то, что его полые пространства полностью заполняются маслом и исключаются включения воздуха. Для этого все полые пространства выполнены так, что они обеспечивают возможность заполнения по меньшей мере с одной стороны, предпочтительно с двух сторон. Естественно, что вместо испытанного жидкого изоляционного средства в виде масла можно применять также другое подходящее жидкое изоляционное средство. Заполнение изоляционного модуля масляного трансформатора маслом происходит через его открытые боковые кромки, в которые входят возникающие за счет третьего волнистого слоя полые пространства, так сказать, в виде каналов. Поэтому изоляционный модуль масляного трансформатора предпочтительно необходимо размещать внутри масляного бака так, что образованные полыми пространствами каналы проходят в вертикальном направлении, т.е. снизу вверх. Таким образом, еще находящиеся в каналах включения воздуха могут просто уходить вверх, когда изоляционный модуль масляного трансформатора погружен в масло. За счет вакуума можно особенно надежно удалять возможные включения воздуха также из каналов, расположенных вертикально и образованных полыми пространствами.
Для обеспечения механической стабильности изоляционного модуля масляного трансформатора необходимо применять механически прочный изоляционный материал для образования трех слоев. В этом отношении особенно в комбинации с изоляционным средством в виде масла пригодным оказался изоляционный материал прессшпан или другой соответствующий твердый материал на основе целлюлозы. В противоположность этому полностью непригодным является мягкий целлюлозный материал, такой как картон. Таким образом, в соединении слоев от первого до третьего обеспечивается высокая механическая стабильность изоляционного модуля масляного трансформатора.
В этой связи следует еще раз указать на то, что коробление изоляционного модуля масляного трансформатора на основании его слоистой конструкции исключается или по меньшей мере значительно уменьшается. Таким образом, можно также, например, создавать плоскостные изоляционные барьеры с плоскостным изоляционным модулем с поверхностью в несколько квадратных метров, который имеет вдоль всей поверхности постоянное расстояние в несколько миллиметров, например, 10 мм или 20 мм, до плоскостного подлежащего изоляции компонента. Возникающие за счет возможного коробления барьера изменения расстояния как раз и приводят к уменьшению изоляционной способности системы, даже когда и именно когда за счет этого расстояние в некоторых местах становится больше желаемого расстояния.
В одном особенно предпочтительном варианте выполнения изоляционного модуля масляного трансформатора, согласно изобретению, третий слой, по меньшей мере, в некоторых зонах имеет трапециевидную волнистость. Это обеспечивает возможность улучшенного плоскостного соединения плато, третьего волнистого слоя, образованного за счет трапециевидной формы, с граничащими плоскими первым и вторым слоями, что положительно сказывается также на изоляционной способности изоляционного модуля масляного трансформатора. Кроме того, предпочтительно повышается механическая стабильность за счет приблизительно прямой формы распорок сторон трапеции между первым и третьим слоем.
В соответствии с другим вариантом выполнения изоляционного модуля масляного трансформатора, согласно изобретению, по меньшей мере один другой плоский слой и соединенный с ним другой волнистый слой расположены между первым и вторым слоем, так что образуется чередующаяся последовательность из плоских и волнистых слоев. Эта многослойная структура предпочтительно приводит к повышению как электрической изоляционной способности, так и механической стабильности. Количество чередующихся слоев может составлять в экстремальном случае 20 или больше, так что при очень небольшой квадратной площади основания изоляционного модуля масляного трансформатора с длиной кромки, например, 10 см и, соответственно, множестве слоев можно создавать вертикальный опорный элемент с превосходными изоляционными свойствами. Однако обычно изоляционный модуль масляного трансформатора имеет три или максимально пять слоев и площадь основания в один квадратный метр или больше с целью обеспечения возможности его использования в предназначенной для него функции в качестве барьерной стенки.
Согласно другому варианту выполнения, первый изоляционный материал соответствует второму изоляционному материалу, за исключением волнистой формы. За счет этого упрощается изготовление изоляционного модуля масляного трансформатора. Различия в изоляционном материале могут основываться, например, на его толщине, например, 1-4 мм, или его гибкости, при этом варианты из прессшпана являются предпочтительной формой выполнения.
В особенно предпочтительном варианте выполнения высота полых пространств, образованных за счет волнистой формы, соответствует по меньшей мере двойной толщине не волнистого второго изоляционного материала, при этом вполне пригодна также четырехкратная или шестикратная толщина. За счет этого обеспечивается, что каждый изоляционный путь, проходящий вдоль нормали к поверхности через изоляционный модуль масляного трансформатора, проходит минимально через масло, за счет чего предпочтительно повышается изоляционная способность и минимизируется вытеснение электрического поля вследствие более высокой диэлектрической проницаемости прессшпана. При этом изоляционный модуль образует барьерную систему, которая за счет стабильности своей формы также после термических и вакуумных процессов предпочтительно прилегает непосредственно к подлежащему изоляции конструктивному элементу.
Согласно одному предпочтительному варианту выполнения, полые пространства, соответственно, каналы, образованные полыми пространствами, проходят параллельно оси ориентации, при этом изоляционный модуль по меньшей мере в некоторых зонах изгибается вокруг параллельной ей оси изгиба. Слоистая структура изоляционного модуля масляного трансформатора обеспечивает возможность реализации простым образом также изогнутых участков контура. Свою высокую механическую прочность изоляционный модуль масляного трансформатора достигает лишь при соединении слоев, так что сначала необходимо привести отдельные слои в желаемую форму, прежде чем создать соединение за счет, например, приложения давления прессования. При этом наиболее целесообразным вариантом выполнения является изгибание третьего волнистого слоя параллельно оси ориентации. Подходящим средством соединения является стойкое к высокому напряжению клеящее вещество, такое как, например, казеин. Образованные таким простым способом фасонные части обеспечивают возможность согласования их геометрии с соответствующими требованиями к изоляции масляного трансформатора. Так, например, можно изготавливать полый цилиндрический изоляционный модуль масляного трансформатора, который можно располагать, например, в выходном куполе бака масляного трансформатора. Своей желаемой изоляционной способности изоляционный модуль, согласно изобретению, достигает лишь тогда, когда все полые пространства заполнены маслом или другим подходящим изоляционным средством.
Согласно другому предпочтительному варианту выполнения изоляционного модуля масляного трансформатора, согласно изобретению, по меньшей мере одна боковая кромка волнистого слоя смещена внутрь относительно прилегающих слоев, так что образуется канавка. Эту канавку можно предпочтительно использовать для установления соединения с канавкой другого изоляционного модуля масляного трансформатора и тем самым для создания модульной системы в блочном исполнении из стандартных модулей.
В соответствии с этим, согласно одному варианту расположения изоляционных модулей масляного трансформатора, два изоляционных модуля масляного трансформатора, имеющих каждый по меньшей мере одну канавку, расположены рядом друг с другом на стороне канавки, при этом за счет граничащих друг с другом канавок образуется общее полое пространство канавки. При этом оба изоляционных модуля масляного трансформатора соединяются друг с другом с помощью согласованного по форме с общим полым пространством канавки и расположенного в нем другого изоляционного модуля масляного трансформатора. А именно, если применять в качестве соединительного элемента массивный изоляционный элемент, это приводит к образованию слабого места в изоляции соединенных модулей в месте их соединения, поскольку как раз здесь не реализуется преимущество с точки зрения изоляции заполненных маслом полых пространств. Однако за счет применения изоляционного модуля масляного трансформатора для соединения двух других изоляционных модулей масляного трансформатора обеспечивается, что также в месте соединения имеется достаточно высокая изоляционная способность.
Из такой модульной системы можно предпочтительно с помощью геометрических основных модулей составлять самые различные системы, например, несколько изоляционных модулей масляного трансформатора, изогнутых по меньшей мере в некоторых зонах, можно составлять в кольцеобразную структуру, которые затем окружают в осевом направлении, например, критичные с точки зрения изоляции компоненты масляного трансформатора, например, внутри купола масляного бака. При этом в зависимости от требований можно выполнять как скорее четырехугольные, так и скорее круговые структуры, которые можно просто располагать в виде сегментов вокруг компонента, что было бы невозможно при не модульной кольцевой структуре. Такие кольцевые структуры можно реализовывать особенно простым образом также из четырех одинаковых сегментов, что упрощает изготовление. Однако возможна также любая другая комбинация, например, ступенчатая или U-образная. Естественно, что необходимо избегать острых кромок и конструировать с соответствующим радиусом изгиба, например, 5 см.
Таким образом, масляный трансформатор с масляным баком и по меньшей мере с одним изоляционным модулем масляного трансформатора, согласно изобретению, или с системой изоляционных модулей масляного трансформатора можно предпочтительно изготавливать с несколько меньшим масляным баком.
Другие предпочтительные возможности выполнения содержатся в других зависимых пунктах формулы изобретения.
Ниже приводится подробное описание изобретения, других вариантов выполнения и других преимуществ на основе примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - сечение заполненного маслом изоляционного модуля масляного трансформатора;
фиг.2 - сечение двух соединенных изоляционных модулей масляного трансформатора; а также
фиг.3 - сечение двух других соединенных изоляционных модулей масляного трансформатора;
фиг.4 - сечение четырех соединенных изоляционных модулей масляного трансформатора.
На фиг.1 показано сечение 10 участка заполненного маслом изоляционного модуля масляного трансформатора. Первый плоский слой 12 из первого изоляционного материала в нескольких местах соединения, из которых в качестве примера одно место обозначено ссылочной позицией 22, соединен с третьим волнистым слоем 16 второго изоляционного материала. Другая сторона третьего волнистого слоя 16 соединена со вторым плоским слоем 14 первого изоляционного материала в других местах 24 соединения, так что между плоскими слоями 12, 14 и волнистым слоем 16 образованы полые пространства 18, 20, которые, как показано на фиг.1, заполнены маслом 26. Они открыты на боковых кромках изоляционного модуля масляного трансформатора и имеют форму каналов. Тем самым обеспечивается, что каждый канал через боковые кромки может заполняться жидкой изоляционной средой, в данном примере маслом 26. Изоляционный модуль масляного трансформатора проявляет свою полную электрическую изоляционную способность, лишь когда все полые пространства полностью заполнены соответствующей жидкой изоляционной средой и больше нет заполненных воздухом зон. В качестве изоляционных материалов пригодны, в частности, варианты материалов из прессшпана или из другого стабильного целлюлозного материала; при этом толщина соответствующего первого или, соответственно, второго слоя может составлять, например, 2-5 мм, а толщина волнистого третьего слоя, например, 10-20 мм; при этом указанное последним значение складывается из собственно толщины 30 материала и высоты 28 соответствующего полого пространства 18, 20. В не заполненном маслом состоянии эта конструкция имеет особенно небольшой вес, так что такой модуль по сравнению с массивной изоляционной барьерной стенкой особенно прост в обращении, например, при монтаже в масляном баке подлежащего изготовлению масляного трансформатора.
За счет трапециевидной формы волнистого слоя 16 обеспечивается возможность плоскостного контактирования 22, 24 первого слоя 12 и второго слоя 14 с третьим слоем 16 по сглаженным поверхностям, что по сравнению с синусоидальной формой волны на основании большей поверхности контакта положительно сказывается как на механической стабильности изоляционного модуля масляного трансформатора, так и на лучшей изоляционной способности. А именно, образованная за счет трапециевидной формы наклонная соединительная перемычка проходит под точно заданным углом к первому слою 12, а не как при синусной форме под произвольным острым углом, за счет которого прилегающие каналообразные полые пространства 18, 20 в зоне мест соединения имеют также остроконечную форму и трудно заполняются маслом, что отрицательно сказывается на изоляционной способности. Места 22, 24 соединения могут быть реализованы, например, с помощью подходящего стойкого к высокому напряжению клеящего вещества, такого как казеин.
На фиг.2 показано сечение 40а двух изоляционных модулей 42, 44 масляного трансформатора, которые в свою очередь имеют на одной из своих боковых кромках канавку, с помощью которой образовано соответствующее полое пространство 46, 46 канавки. Технологически каждая канавка реализована посредством смещения или укорочения волнистого слоя вовнутрь, так что оба наружных слоя, соответственно, выступают наружу. Оба изоляционных модуля 42, 44 расположены рядом друг с другом на стороне канавки, так что за счет обоих полых пространств 46, 48 образовано общее пространство канавки, как показано в сечении 40а. Сечение 40b соответствует сечению 40а, однако здесь вместо полых пространств канавки на их местоположении показан третий изоляционный модуль масляного трансформатора, который расположен с геометрическим замыканием в общем полом пространстве канавки и соединяет друг с другом оба других изоляционных модуля масляного трансформатора. Третий изоляционный модуль 50 масляного трансформатора также имеет слоистую структуру, согласно изобретению, с каналообразными полыми пространствами, за счет чего он имеет улучшенную изоляционную способность по сравнению с соответственно массивно выполненным модулем. Поэтому предпочтительно предотвращается уменьшение в месте соединения изоляционной способности соединенных таким образом изоляционных модулей масляного трансформатора. Глубина канавки должна соответствовать, например, от двойной до шестикратной толщины волнистого слоя, с целью обеспечения механически достаточно стабильного соединения.
На фиг.3 показано сечение 60 двух других соединенных изоляционных модулей 62, 64 масляного трансформатора, которые расположены в масле 70. Они имеют каждый структуру в форме получаши и образуют в составленном вместе состоянии полый цилиндрический элемент, который проходит вокруг оси 72 вращения. Оба изоляционных модуля 62, 64 масляного трансформатора имеют на своих соответствующих обеих прямых кромках канавку и расположены относительно друг друга так, что соответствующие лежащие противоположно друг другу канавки образуют соответствующее общее полое пространство канавки. В этих полых пространствах канавки расположены, соответственно, один немного более тонкий шестой 66 и седьмой 67 изоляционный модуль масляного трансформатора, с помощью которых оба других изоляционных модуля 62, 64 соединены друг с другом с геометрическим замыканием. Следует еще указать на то, что слоистая структура, согласно изобретению, с выполненными с возможностью полыми пространствами на этой фигуре не изображены, однако их следует рассматривать как имеющиеся и как заполненные маслом 70.
Оба изоляционных модуля 62, 64 масляного трансформатора выполнены соответственно в форме половины цилиндра, при этом сначала каждый отдельный слой приведен в желаемую форму, снабжен на некоторых участках клеящим веществом и соединен с одним или двумя прилегающими слоями. Затвердевание клеящего вещества происходит предпочтительно под повышенным давлением при повышенной температуре, например, в печи. Как обычно в слоистых материалах они имеют после образования соединения экстремальную прочность при одновременно незначительном весе.
На фиг.4 показано сечение четырех однотипных изоляционных модулей масляного трансформатора, которые соединены с помощью четырех других изоляционных модулей масляного трансформатора в четырехугольную кольцевую структуру, при этом в данном случае углы имеют радиус изгиба.
ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ
10 Сечение изоляционного модуля масляного трансформатора, заполненного маслом
12 Первый плоский слой
14 Второй плоский слой
16 Третий волнистый слой
18 Полое пространство
20 Второе полое пространство
22 Первое место соединения
24 Второе место соединения
26 Масло
28 Высота полого пространства
30 Толщина второго изоляционного материала
40а, b Сечение двух соединенных изоляционных модулей масляного трансформатора
42 Первый изоляционный модуль масляного трансформатора
44 Второй изоляционный модуль масляного трансформатора
46 Первое полое пространство
48 Второе полое пространство
50 Третий изоляционный модуль масляного трансформатора
60 Сечение двух других соединенных изоляционных модулей масляного трансформатора
62 Четвертый изоляционный модуль масляного трансформатора
64 Пятый изоляционный модуль масляного трансформатора
66 Шестой изоляционный модуль масляного трансформатора
68 Седьмой изоляционный модуль масляного трансформатора
70 Масло
72 Ось вращения
80 Сечение четырех соединенных изоляционных модулей масляного трансформатора.