ПОГРУЖНАЯ УПРАВЛЯЕМАЯ СИЛОВАЯ ТРАНСФОРМАТОРНАЯ УСТАНОВКА

Заявляемое решение (полезная модель) относится к области судового электрооборудования, в частности к погружным электрическим машинам и аппаратам, которые применяются для обеспечения питания электроприводов различных подводных забортных механизмов управляемых обитаемых и необитаемых аппаратов и установок.
Известны сухие трансформаторы типа ТСЗ - 1000/10 с естественным воздушным охлаждением, в котором обмотки, магнитопровод и другие части трансформатора имеют непосредственное соприкосновение с окружающим воздухом, охлаждение происходит путем излучения и естественной конвекции воздуха. Применяются на мощности до 1000 кВА при напряжении с высокой стороны до 10 кВ (см. «Электротехнический справочник», т. 2, с.100, М. Энергоиздат, 1981). Однако данные силовые трансформаторы не могут работать в контакте с пресной и морской водой, загерметизировать его в отдельную капсулу для погружения на большую глубину технически невозможно.
Из известных силовых трансформаторов наиболее близким к заявляемому, выбранному заявителем за прототип, является масляный силовой трансформатор типа ТМ - 1000/10 с естественным масляным охлаждением активных частей трансформатора (см. там же, с.94), в котором магнитопровод с обмотками помещается в бак, заливаемый трансформаторным маслом. Охлаждение обмоток и сердечника происходит путем естественной конвекции масла и передачи тепла на корпус бака, а от бака путем излучения и естественной конвекции воздуха. Данные трансформаторы предназначены для работы на воздухе, выпускаются мощностью до 10000 кВА, напряжением до 35 кВ. Эта конструкция трансформатора при погружении в морскую воду не может работать, она выйдет из строя от короткого замыкания на изоляторах и от попадания морской воды в масло, трансформаторное масло работает при обводнении до 0,01%.
Задачей данного технического решения является устранить указанные недостатки и разработать конструкцию силового трансформатора с охлаждением его активных частей окружающей морской водой при ее непосредственном контакте с магнитопроводом и обмоткой. Морская вода наряду с высокими свойствами охладителя обладает большой химической активностью и является хорошим электролитом с ионной электропроводностью, при контакте с которым активных металлических частей трансформаторного устройства между ними будет возникать электрохимическая коррозия, от которой необходимо защитить устройство. Кроме того, необходимо избавиться от нефтепродуктов, нарушающих
экологическое равновесие и значительно повышающих массу и габариты устройства в целом.
Задача решается тем, что в известном устройстве, содержащем магнитопровод с ярмами и обмотками высшего и низшего напряжения и кабелями, питающими и отходящими с охлаждением внутренних частей окружающей жидкостью, каждая фаза обмоток магнитопровода выполнена непрерывной из обмоточного провода с полимерной монолитной изоляцией, и в качестве охлаждающей жидкости применена окружающая морская вода, магнитопровод жестко укреплен на платформе и закрыт кожухом, в верхней части которого расположены равномерно распределенные проходные окна, закрытые сеткой, причем на ярмах магнитопровода закреплены с плотным электрическим контактом шины - протекторы из алюминиево-магниево-цинкового сплава, с двух сторон соразмерные ярму, а к платформе по торцам магнитопровода закреплены аналогичные шины - протекторы, платформа снабжена двумя реверсивными погружными электродвигателями с гребными винтами с взаимно перпендикулярным размещением на носу и корме и бортовыми колесами с шинами и нарезкой на них, причем два передних и два задних колеса имеют шарнирный поворот на угол до 15° относительно оси платформы на каждый борт. Изоляция подсоединения кабелей, питающего и отходящих, и соединение обмоток в «звезду» выполнена спеченными монолитными полимерными пленками, на каждом торце кожуха установлена неподвижная телеантенна с углом обзора до 120°, платформа снабжена вьюшками для кабелей.
Заявляемое решение поясняется чертежами, в которых:
на фиг.1 показан продольный разрез погружной управляемой силовой трансформаторной установки (ПУСТУ);
на фиг.2 - вид сверху ПУСТУ с разрезом кожуха и трансформатора;
на фиг.3 - магнитопровод трансформатора с шинами-протекторами, установленными на верхнем и нижнем ярмах;
на фиг.4 - схема электрических соединений обмоток понижающего трансформатора;
на фиг.5 - схема электрических соединений обмоток трансформатора в случае исполнения его как автотрансформатора;
на фиг 6 - участок стенки из верхней части кожуха с проходными окнами.
Согласно решению (фиг.1, 2, 3, 6) установка ПУСТУ содержит магнитопровод с ярмами 1 и тремя стержнями 2, на которые намотана к стали непрерывная трехфазная обмотка низшего напряжения (НН) 3, в верхнем слое намотана обмотка высшего напряжения (ВН) 4, каждая фаза обмоток изготовлена из единого куска обмоточного провода, например, с двухслойной полимерной монолитной изоляцией из облученного сшитого полиэтилена и фторопласта. Для охлаждения магнитопровода с обмотками используется окружающая забортная морская вода. Магнитопровод с обмотками крепится жестко и неподвижно к сварной платформе 5 из угловой стали и закрыт кожухом 6, предназначенным для механической защиты обмоток. Кожух 6 выполняется из любого материала и любой конфигурации
из металла или сплава или другого неметаллического материала с достаточной механической прочностью. В верхней части кожуха 6 имеются проходные окна 7, закрытые сеткой 8 (фиг.6) и равномерно расположенные по периметру для прохода морской воды при подводных течениях и обеспечения остойчивости устройства при его движении.
Для исключения электрохимической контактной коррозии магнитопровод имеет протекторную защиту в виде шин-протекторов 9 (фиг.36) из алюминиево-магниево-цинкового сплава, например, марки АМг - ЗМ, закрепленных с плотным электрическим контактом с двух сторон к нижнему и верхнему ярмам 1. Толщина шин должна быть не менее 8 ÷ 10 мм из расчета скорости коррозии сплава АМг - ЗМ 0,3 ÷ 0.4 мм/год. Ширина и длина шин-протекторов 9 равны ширине и длине ярма 1. Указанные геометрические размеры шин-проекторов обеспечивают гарантированный срок службы сердечника трансформатора в течение 15 - 20 лет без изменения его геометрических размеров.
Для исключения контактной коррозии платформы 5 к ней с торцов магнитопровода закреплены аналогичные шины-протекторы 10 из того же сплава толщиной 8 ÷ 10 мм, остальные геометрические размеры определяются из отношения площади поверхностей шин к защищаемой площади поверхности платформы как 1/ 20, которые обеспечат тот же ресурс. При малых скоростях движения воды и скорости хода устройства в качестве материала для протекторов можно применять технический алюминий или алюминиевый сплав марки Д16Т.
Передвижение платформы 5 с малыми скоростями взад-вперед осуществляется маршевым реверсивным погружным электродвигателем 11 с гребным винтом и насадкой, например, типа ЭМВ открытого исполнения (см. патент №2043691, Бюл. №25, 1995), который установлен на корме платформы. Упор, созданный ПЭД с гребным винтом, воздействует на колеса 12, расположенные с двух бортов платформы, обеспечивая ход устройства. Колеса 12 имеют широкие шины 13 с нарезкой, обеспечивающие соответствующий коэффициент трения по дну моря. Два передних колеса 14 и два задних 15 имеют шарнирное вращение в цапфе 16 на угол до 15° относительно оси платформы на каждый борт. Для создания упора поворота с помощью этих колес на носовой части платформы 5 установлен реверсивный ПЭД 17 с гребным винтом и насадкой той же конструкции, что и маршевый, но расположен перпендикулярно оси платформы (см. ЭМВ, патент №1835114, Бюл. №30, 1993).
Питающий кабель 18 от трехфазного генератора переменного тока, установленного на судне-носителе, с напряжением 6 ÷ 10 кВ наматывается на вьюшку 20, установленную на платформе 5. Силовые кабели 19 напряжением 380 В от корабельной сети судна-носителя для питания маршевого ПЭД 11 и подруливающего ПЭД 17 наматываются на вьюшку 21, а с вьюшки через электрические разъемы кабели подключаются непосредственно к погружным двигателям 11 и 17. Отходящий кабель 22 с вторичной обмотки низкого напряжения 4 трансформатора подсоединен к коробке штепсельных разъемов
23 для питания подводных аппаратов и потребителей. Электрическое соединение жил кабелей с выводами обмотки ВН 24 и соединение «звезда» 25, а также соединение кабелей электрических разъемов 23 потребителей с выводами обмотки НН 26 трансформатора (фиг.4) осуществляется способом сварки или пайки, а места соединения изолируются спеченной полимерной монолитной пленкой в несколько слоев.
Если трансформаторное устройство предназначено для питания единичных крупных погружных электродвигателей для ГПА напряжением 3,0 ÷ 4,0 кВ, то обмотки трансформатора выполняются по схеме автотрансформатора (фиг.5) с коэффициентом трансформации k=l,4 ÷ 2,0. Электрическое соединение выводов 27 АВС и выводов 28 авс, а также соединение отпаек 29 на авс и соединение «звезда» 30 производятся по той же технологии электрических соединений и изолировки.
Визуальный контроль рельефа дна моря и курса передвижения ПУСТУ осуществляется телеантеннами 31 с углом обзора по курсу до 120°, телеантенны установлены на торцах кожуха 6.
Пуск в работу ПУСТУ осуществляется следующим образом. После всех электрических соединений кабелей с обмотками и укладки необходимой длины кабеля ВН на вьюшку 20 и кабелей для ПЭД на вьюшку 21 и после подключения потребителей через разъемы 23, ПУСТУ опускают с судна-носителя на дно моря. Морская вода заполняет все пространство под кожухом 6, в том числе вокруг обмоток ВН и НН трансформатора, при этом активные части устройства полностью вступают в контакт с морской водой, которая становится рабочей высоко эффективной охлаждающей средой. Для включения установки в работу подают напряжение 6 ÷ 10 кВ на трансформатор от корабельного генератора. Так как в конструкции ПУСТУ применены различные металлы и сплавы, контактирующие между собой, то при наличии электролита (морской воды) будет происходить электрохимическая контактная коррозия материалов. Металлы или сплавы с низким электродным потенциалом являются анодами, которые будут подвергаться контактной коррозии и уменьшаться в размерах, а металлы и сплавы с более высоким потенциалом будут нести катодные свойства, сохраняют исходное состояние. В нашем случае все металлы и сплавы платформы 5, колес 12, кожуха 6 и др. будут сохранять исходное состояние на протяжении всего ресурса, в течение 15 - 20 лет, в морской воде, а шины-протекторы 9 и 10 будут коррозировать со скоростью коррозии 0,3 ÷ 0,4 мм/год.
Движение ПУСТУ за движущимися ГПА (глубоководными подводными аппаратами), которые выполняют заданные работы по освоению Мирового океана, достигается с помощью маршевого ПЭД 11, и маневрирование при обходе препятствий и поворотов осуществляется подруливающим ПЭД 17. Управляют этими движителями с борта судна-носителя. Визуальное наблюдение и контроль за ходом работ и движением ПУСТУ осуществляется с помощью неподвижных телеантенн 31,
передающих изображение на борт судна-носителя в обзоре подводного горизонта до 120°.
Заявляемое решение позволяет значительно уменьшить электрические потери мощности, передаваемой с судна-носителя к исполнительным глубоководным аппаратам и установкам, особенно находящимся на больших глубинах Мирового океана, за счет повышения питающего напряжения. Кроме того, заявляемое решение приводит к значительному снижению массы устройства и уменьшению его габаритов за счет непосредственного снятия тепла с рабочих обмоток трансформатора окружающей морской водой. Обмотки трансформатора в данном устройстве не будут нагреваться выше 50°С даже в поверхностном слое воды тропической зоны океана при температуре воды 32°С, т.е. при малых погружениях в этой зоне. При этих условиях охлаждения значительно повышается надежность трансформатора, который может работать при любых токах в обмотках до величины тока короткого замыкания длительное время без нарушения изоляции из-за нагрева обмоток (обмотка не нагреется выше приведенной температуры).