ВИНТОВАЯ ОБМОТКА С ИЗОЛЯЦИЕЙ СОЕДИНЕННЫХ КОНЦОВ ПРОВОДОВ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно, к конструкции элементов электрического оборудования, в частности, винтовых обмоток электрических реакторов и/или силовых трансформаторов, и может быть использована для усиления изоляции соединения концов разрезанных проводов винтовой обмотки, в отношении которых выполнена транспозиция.
Винтовая обмотка состоит из витков, наматываемых по винтовой линии. Каждый виток состоит из параллельных проводов, образующих ряды, расположенные в радиальном направлении.
В конструкциях обмоток электрических реакторов и силовых трансформаторов необходимо обеспечить надежную изоляцию проводов с целью предотвращения короткого замыкания в цепи, в результате которого могут возникнуть динамические нагрузки, произойти изменение геометрии обмотки и изменение характеристик электромагнитного поля, что, в свою очередь, может привести к аварийным ситуациям.
Во всех обмотках изгибы проводов являются одним из наиболее опасных мест с точки зрения возможности повреждения изоляции [адрес интернет-страницы: https://leg.co.ua/transformatory/praktika/tehnologiya-izgotovleniya-obmotok-transformatorov-2.html], поэтому операции гибки проводов производят чрезвычайно тщательно и аккуратно, с помощью гибочных приспособлений, а после выполнения гибки изогнутые участки изолируют. Также при выполнении намотки дополнительно изолируют концы (отводы, входы/выходы) проводов обмоток. Кроме того, при выполнении транспозиции, когда транспонируемые провода разрезают, а концы разрезанных проводов соединяют, например, пайкой или сваркой, то также выполняют изоляцию соединенных концов.
Механические повреждения изоляции проводов могут произойти, в частности, на изогнутых участках проводов (при гибке, выполняемой в процессе осуществления намотки) или в результате внешних воздействий посторонними предметами на выступающие за пределы обмотки концы проводов (это, например, могут быть отводы катушек или соединенные концы разрезанных проводов, в отношении которых выполнена транспозиция).
В случаях повреждения изоляции требуется ее восстановление до первоначальной толщины. Например, известен способ намотки двухходовой винтовой катушки [патент № CN 109036834 A «A winding method of a double helical elliptical coil», МПК H01F41/063, H01F41/071, H01F41/076, H01F41/12,  дата публ. 18.12.2018], согласно которому при транспозиции провода выполняют его S-образный изгиб, в случае повреждения изоляции на изгибе провода удаляют слой поврежденной изоляции, а затем на этом участке восстанавливают изоляцию до первоначальной толщины (например, обматывают плетеной изоляционной лентой). При формировании отводов обмотки соответствующие участки проводов изгибают (в случае необходимости восстанавливают изоляцию), а выведенные концы проводов изолируют.
Для предотвращения повреждения изоляции (для повышения изоляционных характеристик) в ряде конструкций обмоток выполняют утолщение изоляции проводов в местах переходов (изгибов). Например, известно техническое решение по патенту № CN 102969144 A [«Double-layer cylindrical winding technique for low-voltage coils of transformer», МПК H01F41/071, H01F41/12, дата публ. 13.03.2013], согласно которому при намотке катушек трансформатора провода изгибают для формирования выводов обмоток, выводы соединяют между собой при помощи сварки, а провода в местах изгибов обматывают утолщенным слоем изоляционного материала. Однако, даже утолщенный слой изоляционного материала может быть поврежден в процессе дальнейшего изготовления обмотки.
В ряде случаев для предотвращения аварийных ситуаций предлагается применять автоматизированный контроль параметров проводов обмоток, и при угрозе аварийной ситуации отключать работу системы. Например, известно техническое решение, относящееся к конструкции транспонированного провода для намотки катушки трансформатора [патент № CN 101707073 A «Transposed conductor with sensing function», МПК G01B7/16, G01K11/32, H01B7/32, H01F27/40, дата публ. 12.05.2010], согласно которому провод содержит элементы контроля деформации (датчик давления) и повышения температуры (термочувствительный элемент), обеспечивающие постоянный контроль параметров функционирования провода. Контрольные элементы расположены в проводе между двумя линиями проводников, узкие края которых контактируют друг с другом. При повышении температуры (при токах КЗ) или давления (при деформации провода) информация передается в блок контроля параметров, и в случае превышения допустимых значений происходит отключение трансформатора. Данное техническое решение позволяет обеспечить контроль состояния проводов обмотки для своевременного получения сигнала о повреждении изоляции проводов (расплавление изоляционного материала и/или механическое повреждение изоляции) и отключения трансформатора, однако при этом характеризуется очень высокой конструктивной сложностью, а также требует включения в автоматическую систему управления дополнительных функциональных блоков, контролирующих состояние соответствующих датчиков (контрольных элементов). Указанные факторы в значительной степени повышают сложность изделия в целом, снижая при этом его эксплуатационную надежность.
В качестве технического решения (прототипа), наиболее близкого к заявляемой полезной модели по конструктивному выполнению, предлагается трансформаторная обмотка по патенту № US8154374B2  [«Transformer winding and a method of reinforcing a transformer winding», МПК H01F27/28, дата публ. 10.04.2012]. Известное техническое решение может быть использовано в конструкциях различных типов обмоток, в том числе, в винтовых обмотках, входящих в состав электрических реакторов или силовых трансформаторов. Обмотка содержит множество витков. Каждый виток обычно образован рядами параллельных проводов, расположенными в радиальной плоскости обмотки. Как правило, обмотки, в том числе винтовые, выполняются с транспозицией проводов, необходимой для выравнивания электрических и индуктивных сопротивлений. В местах обмоточных переходов (под которыми понимают места, где путь проводника отклоняется от обычного пути намотки, т.е. в местах изгибов проводов; также используется термин «переходы»), расположены усиливающие части (элементы), охватывающие провод более чем на 180 градусов. Усиливающие элементы могут иметь трубчатую форму и, как указано в описании известного технического решения, выполнены в форме целой трубы, покрывающей 360 градусов окружности проводника (т.е. имеют замкнутую поверхность), или в форме частичной трубы (т.е. имеющей разомкнутую поверхность), покрывающей менее 360 градусов окружности проводника.
Преимущественными местами расположения усиливающих элементов, согласно известному техническому решению, являются переходы слоев между слоями обмотки, переходы между дисками, переходы и концевые участки входа/выхода проводника в обмотке.
Применение в известной конструкции обмотки усиливающих элементов обеспечивает повышение механической прочности (а именно, прочности на изгиб провода в местах установки указанных элементов) и диэлектрической прочности обмотки при действии, например, изгибающих напряжений, возникающих вследствие магнитных сил Лоренца в местах обмоточных переходов в случае короткого замыкания.
Согласно известному техническому решению усиливающие части (элементы) выполнены из армированных волокном термореактивных полимеров, обладающих изоляционными свойствами, например, эпоксидная смола, сложный виниловый эфир, полиэфир и т.д. В качестве армирующих волокон может быть применено стекловолокно, углеродное волокно, параарамидные волокна и т.д.
Следует отметить, что применение усиливающего элемента трубчатой формы с замкнутой поверхностью обеспечивает более высокую прочность и надежность по сравнению с усиливающим элементом, имеющим разомкнутую поверхность. Кроме того, при использовании усиливающего элемента в форме частичной трубы (т.е. с разомкнутой поверхностью) его необходимо располагать так, чтобы минимальное изгибающее напряжение возникало вдоль той части окружности проводника, которая не покрывается усиливающим элементом.
Формирование усиливающего элемента производят путем нанесения на провод волокнистой ленты или мата, предварительно пропитанного термореактивным материалом, либо путем последовательного нанесения сначала армирующего волокна (например, в форме ровинга, однонаправленной волоконной нити, тканого материала), а затем (после нанесения волокна) - термореактивного полимера. Термореактивный полимер обычно наносят с помощью кисти, валика, впрыска и т. д. Затем полимер отверждают. Отверждение может выполняться одновременно с горячей сушкой обмотки. Таким образом, выполнение усиливающего элемента из термореактивного армированного волокном полимера, содержащего два компонента, каждый из которых подготавливается отдельно, обуславливает сложность конструкции и ее нетехнологичность.
Следует отметить, что возможно предварительное изготовление усиливающего элемента, включающее его формирование из компонентов термореактивного армированного волокном полимера и последующее отверждение состава, после чего, например, концевой участок проводника входа/выхода обмотки может быть пропущен через трубчатый элемент. Однако в этом случае необходимо отметить, что внутреннее отверстие предварительно изготовленного и отвержденного усиливающего элемента должно быть выполнено такого размера, чтобы обеспечить возможность свободного пропускания провода через трубчатый элемент, вследствие чего соединение "трубчатый элемент - провод" будет иметь гарантированный зазор и потребуется дополнительное закрепление трубчатого элемента на проводе (чтобы исключить самопроизвольное смещение трубчатого элемента на проводе), что приведет к повышению конструктивной сложности обмотки и ухудшению технологичности. Названные выше обстоятельства обуславливают нецелесообразность применения предварительно изготовленного трубчатого элемента для усиления отдельных участков проводов обмотки. Кроме того, принимая во внимание указанные факторы, также представляется нецелесообразным применение предварительно изготовленного трубчатого элемента и в случае, когда провод имеет переменное сечение, или, например, в случае соединения концов проводов (пайкой, сваркой, скруткой и т.д.), когда толщина соединения по длине проводника неравномерна.
Таким образом, приведенные выше факторы свидетельствуют о том, что недостатком известного технического решения является его конструктивная сложность и обусловленная этим нетехнологичность конструкции.
Техническим результатом, достижение которого обеспечивается заявляемой полезной моделью, является упрощение конструкции винтовой обмотки, позволяющее, в свою очередь, обеспечить повышение ее технологичности.
Для достижения указанного выше технического результата предлагается винтовая обмотка, которая содержит витки, каждый из которых содержит параллельные провода, образующие ряды, расположенные в радиальном направлении. Между рядами выполнена сосредоточенная транспозиция параллельных проводов, причем параллельные провода, в отношении которых выполнена упомянутая транспозиция, разрезаны, а их концы соединены между собой. Соединенные между собой концы разрезанных проводов, в отношении которых выполнена транспозиция, размещены внутри трубчатого элемента, выполненного из электроизоляционного термоусаживаемого материала.
В заявляемом техническом решении выполнение соединенных между собой концов разрезанных проводов размещенными внутри трубчатого элемента, выполненного из электроизоляционного термоусаживаемого материала (термоусаживаемой трубки, широко применяемой в электротехнике), представляет собой более простое конструктивное выполнение по сравнению с прототипом, в котором усиливающий трубчатый элемент выполнен из армированного волокном термореактивного полимера, требующего отдельной предварительной подготовки каждого компонента состава и раздельного нанесения компонентов на провод. Кроме того, конструкция трубчатого элемента, выполненного из термоусаживаемого материала, обеспечивает по сравнению с прототипом существенное упрощение выполнения установки трубчатого элемента на участок провода, требующий усиления, т.е. обеспечивает повышение технологичности конструкции, при этом при осуществлении нагрева трубчатого элемента из термоусаживаемого материала трубчатый элемент, сжимаясь под действием температурного воздействия, плотно обхватит усиливаемый участок (соединенные между собой концы проводов), даже в случае неравномерной толщины участка, по всей его протяженности.
Концы разрезанных проводов, в отношении которых выполнена транспозиция, могут быть соединены между собой посредством сварки или пайки, так как эти виды соединения проводов являются наиболее технологичными и надежными.
С целью упрощения конструкции винтовой обмотки и повышения ее технологичности участки проводов в местах обмоточных переходов могут быть выполнены размещенными внутри трубчатых элементов, выполненных из электроизоляционного термоусаживаемого материала. Следует отметить, что термоусаживаемая трубка, до того, как она подвергнута температурному воздействию, является гибким элементом и может быть протянута по проводнику и установлена на участке обмоточного перехода (на участке изгиба провода), а после термического воздействия произойдет ее усадка и она плотно обхватит участок провода, на котором расположена.
С целью обеспечения более высокой прочности соединенные между собой концы разрезанных проводов винтовой обмотки могут быть заизолированы и размещены внутри трубчатого элемента, выполненного из электроизоляционного термоусаживаемого материала.
С целью повышения технологичности конструкции соединенные между собой концы разрезанных проводов винтовой обмотки, в отношении которых выполнена транспозиция, могут быть расположены за наружным диаметром винтовой обмотки, при этом указанные провода проходят через горизонтальный канал, выполненный между соседними витками винтовой обмотки.
Также возможно выполнение винтовой обмотки, при котором соединенные между собой концы разрезанных проводов, в отношении которых выполнена транспозиция, расположены в упомянутом выше горизонтальном канале и при этом не выступают за наружный диаметр винтовой обмотки.
Функционирование винтовой обмотки, выполненной согласно заявляемому техническому решению, осуществляется в составе электротехнического оборудования, а именно, электрических реакторов или силовых трансформаторов.
Графические материалы содержат пример выполнения заявляемой винтовой обмотки с сосредоточенной транспозицией.
На фиг. 1 представлено схематичное изображение винтовой обмотки, входящей в состав электрического реактора.
На фиг. 2 представлено схематичное изображение фрагмента винтовой обмотки в поперечном разрезе (вид сверху на горизонтальный канал), содержащее соединенные между собой концы разрезанных проводов (расположены за наружным диаметром винтовой обмотки) и места изгибов проводов.
На фиг. 3 представлено схематичное изображение (в увеличенном масштабе) одной из пар соединенных между собой концов разрезанных проводов винтовой обмотки, в отношении которых выполнена сосредоточенная транспозиция, и размещенных внутри трубчатого элемента и мест изгибов проводов, где участки проводов в местах их изгибов также размещены внутри трубчатых элементов.
Одним из основных узлов электрического реактора любого типа или силового трансформатора является обмотка, в частности, винтовая. Каждый виток 1 содержит параллельные провода 2, образующие ряды 3 (фиг. 2, 3). Ряды 3 расположены в радиальном направлении (в радиальной плоскости обмотки). Между рядами выполнена сосредоточенная транспозиция параллельных проводов. Провода 2.1, 2.2, в отношении которых выполнена транспозиция, разрезаны, а их концы 4.1, 4.2 (фиг. 2, 3) соединены между собой, например, с помощью сварки (также возможно соединение пайкой и др.). В приведенном примере выполнения винтовой обмотки сформирован горизонтальный канал 5 (например, посредством установки реек 6 в радиальной плоскости обмотки, фиг. 1), через который проходят провода 2, концы 4 которых соединены между собой согласно заданной схеме транспозиции. Концы разрезанных проводов, соединенные между собой, размещены внутри трубчатого элемента 7 (фиг. 3) - электроизоляционной термоусаживаемой трубки (например, Термоусаживаемая трубка VT-220). В представленном примере выполнения винтовой обмотки в местах обмоточных переходов 8 (местах изгибов проводов) участки проводов также размещены внутри трубчатых элементов 9 – термоусаживаемых трубок.
При изготовлении винтовой обмотки осуществляют намотку проводов и выполняют сосредоточенную транспозицию параллельных проводов. Транспозицию выполняют с целью выравнивания длин проводов, их электрических и индуктивных сопротивлений, обеспечения равномерной плотности тока, а также снижения добавочных потерь в обмотках. Раскладку разрезанных проводов, в отношении которых выполняют транспозицию, производят согласно заранее заданной схеме, при этом концы проводов (еще до их соединения между собой) выводят через горизонтальный канал 5 и располагают за пределами наружного диаметра обмотки. Концы 4 разрезанных проводов 2 соединяют (например, сваркой или пайкой) между собой по заданной схеме. Соединение сваркой или пайкой является предпочтительным с точки зрения технологичности и надежности. При этом технологически предпочтительнее соединять сваркой или пайкой концы проводов, когда эти концы выведены за пределы наружного диаметра обмотки (фиг. 2). Соединение между собой концов разрезанных проводов при выполнении транспозиции обеспечивает уменьшение осевого габарита обмотки. На соединенные между собой концы 4.1 и 4.2 разрезанных проводов 2.1 и 2.2 надевают термоусаживаемую трубку 7 (фиг. 2, 3). Необходимо отметить, что в местах обмоточных переходов 8 термоусаживаемые трубки 9 размещают в процессе намотки проводника, так как термоусаживаемая трубка (до температурного воздействия на нее) является гибким элементом и при намотке проводника может быть протянута по проводнику и размещена на изогнутом участке 8 провода. Диаметр термоусаживаемой трубки выбирают таким образом, чтобы иметь возможность свободно разместить в трубчатом элементе соединенные между собой концы проводов, в отношении которых выполнена транспозиция, либо установить трубку на участке изгиба отдельного провода. После соединения концов проводов и размещения их в термоусаживаемой трубке соединенные концы могут быть оставлены расположенными за пределами наружного диаметра обмотки (фиг. 2) либо загнуты внутрь горизонтального канала (т.е. расположены внутри канала, фиг. 1), чтобы исключить случайные механические повреждения внешними предметами. Также следует обратить внимание, что после соединения концов разрезанных проводов их можно сначала заизолировать, а уже заизолированные соединенные концы разместить внутри трубчатого элемента, что обеспечит повышение как механической, так и диэлектрической прочности соединения. Термоусадка трубки может быть осуществлена на заключительном этапе изготовления обмотки, например, при выполнении технологической операции горячей сушки обмотки или в качестве отдельной технологической операции. При нагревании происходит усадка трубки, и она плотно обхватывает тот участок провода, на котором расположена.
Таким образом, применение в заявляемом техническом решении трубчатого элемента, выполненного из электроизоляционного термоусаживаемого материала (термоусаживаемой трубки), обеспечивает по сравнению с прототипом упрощение конструкции, так как в прототипе применяется трубчатый элемент, выполненный из армированного волокном термореактивного полимера, содержащего два компонента, а также обеспечивает повышение технологичности конструкции, так как при изготовлении обмотки согласно заявляемой полезной модели термоусаживаемая трубка надевается на участок проводника (на соединенные между собой концы проводов и/или на участок обмоточного перехода), в то время как при изготовлении обмотки согласно прототипу необходимо отдельно подготовить каждый из двух компонентов армированного волокном термореактивного полимера, из которого выполняют усиливающий трубчатый элемент, и нанести каждый компонент на поверхность участка проводника, который подлежит усилению.
В процессе работы электрического оборудования, в состав которого входит винтовая обмотка, например, электрического токоограничивающего реактора, при прохождении тока короткого замыкания проводник в местах обмоточных переходов подвергается действию изгибающих напряжений в результате действия магнитных сил Лоренца, что может привести к деформации проводника вплоть до его механического повреждения. Применение трубчатых элементов (термоусаживаемых трубок), находящихся на отдельных участках проводника, позволяет обеспечить необходимую механическую и диэлектрическую прочность проводника в условиях тяжелых режимов работы устройства (при повышенном напряжении, коротком замыкании и т.д.).
Кроме того, следует отметить, что при изготовлении обмотки, в частности, при выполнении транспозиции, проводники подвергаются механическому воздействию, например, изгибанию, в результате чего изоляция, покрывающая провод, может получить как явные механические повреждения (надрыв изоляции), так и визуально незаметные повреждения, но которые могут впоследствии привести к пробою и расплавлению изоляции. В этом случае наличие трубчатого элемента (термоусаживаемой трубки) на участке провода с поврежденной изоляцией обеспечит необходимые диэлектрические характеристики провода в процессе работы электрооборудования.
Выполнение заизолированных соединенных между собой концов проводов, в отношении которых выполнена транспозиция, находящимися в термоусаживаемой электроизоляционной трубке обеспечивает высокую механическую и диэлектрическую прочность указанных соединенных концов проводов и тем самым защищает от возможных внешних механических воздействий (царапин, повреждений), а также от пробоя и оплавления изоляции (например, при попадании посторонних металлических предметов на проводник, которые при нахождении в магнитном поле могут нагреваться и нагревать при этом изоляцию провода).
Иногда посторонние металлические предметы могут попадать и в канал транспозиции (горизонтальный канал, сформированный между витками обмотки), в связи с чем (для обеспечения высокой диэлектрической прочности) после раскладки проводов транспозиции и их подготовки к сварке (зачистки концов проводов) на каждый проводник надевают термоусаживаемую трубку от места выхода проводника из слоя до начала участка, подготовленного под сварку.
Таким образом, как следует из вышеприведенных сведений, предлагаемое выполнение винтовой обмотки обеспечивает по сравнению с прототипом более простое конструктивное выполнение и обусловленное этим повышение технологичности конструкции при обеспечении механической и диэлектрической прочности изоляции проводов.