ГИБКАЯ СИСТЕМА ТРАНСФОРМАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ
FLEXIBLE VOLTAGE TRANSFORMATION SYSTEM

Перекрестная ссылка на родственную заявку
Настоящая заявка претендует на приоритет согласно статье 35 U.S.C. 119(e), имеющийся у предварительной заявки на выдачу патента США № 62/489,197, которая подана 24 апреля 2017 г. под названием «Гибкая система трансформации напряжения» ("Flexible Voltage Transformation System") и содержание которой включено сюда посредством ссылки во всей своей полноте.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к модульному силовому трансформатору и, более конкретно, к силовому трансформатору, содержащему множество трансформаторных модулей, избирательно соединенных одни с другими.
Предпосылки к созданию изобретения
Силовые трансформаторы используются при передаче энергии из пункта генерации энергии в пункт использования энергии. Полученную энергию от генератора часто передают на большие расстояния при высоком напряжении до подстанции, где трансформатор понижает напряжение поступившей энергии до уровня, используемого потребителем.
Силовой трансформатор содержит первичные обмотки, принимающие переменные токи и напряжения для генерации переменного магнитного потока в сердечнике трансформатора. Этот переменный магнитный поток индуцирует напряжение во вторичных обмотках, генерирующих выходные напряжения и токи. Величины этих выходных напряжений и токов прямо связаны с величинами входных напряжений и токов в соответствии с отношением числа витков первичных обмоток к числу витков вторичных обмоток.
Хотя конструкция силового трансформатора может казаться относительно простой, силовые трансформаторы средней и большой мощности обладают определенными недостатками. Например, проектирование и изготовление таких трансформаторов требует большого объема единовременно выполняемых опытно-конструкторских работ. В общем случае возможен лишь небольшой ряд устройств «массового производства» (множество устройств с одинаковыми размерами, формой и электрическими характеристиками) вследствие специфичных для каждого места эксплуатации требований к напряжению, электрическому сопротивлению и стоимостью. В среднем для каждого конкретного приложения применяют только 1.3 трансформаторных блока, следовательно, большое число однотипных трансформаторных блоков просто не требуется. Силовые трансформаторы также требуют относительно продолжительного производственного цикла. Обычно необходимо больше пяти месяцев от момента первоначальной заявки потребителя до окончательной поставки трансформатора.
Силовые трансформаторы также трудно перевозить. Один трансформатор может весить сто (100) тонн или более, так что его нелегко перевозить по существующим дорогам. Из-за этих сложностей необходима специальная организация перевозок, чтобы выбрать адекватные дороги и маршруты, а также выбрать время транспортировки, часто перевозить трансформаторы приходится глубокой ночью, чтобы уменьшить нежелательное воздействие на дорожное движение. Когда трансформатор выходит из строя, этот отказ воспринимается как отказ в единственном уязвимом месте. В случае каких-то отклонений и неполадок силового трансформатора отключается весь трансформаторный блок, что оказывает отрицательное воздействие на всю систему, для которой этот трансформаторный блок поставляет энергию. Эти отказы представляют особенно большие проблемы на некоторых силовых подстанций, которые считаются «критически важными». Поэтому, необходимы силовые трансформаторы, способные преодолеть эти недостатки.
Краткое изложение существа изобретения
Совокупность примеров настоящего изобретения содержит уникальные системы, способы, технологии и аппаратуру для модульных силовых трансформаторов. Другие варианты, формы, цели, признаки, преимущества, аспекты и выгоды настоящего изобретения должны стать очевидными из последующего описания и чертежей.
В одном из вариантов предложена матричная силовая трансформаторная система, содержащая первый блок трансформаторов, имеющий в составе первую группу из множества трансформаторных модульных сборок, каждая из первых трансформаторных модульных сборок содержит первичную обмотку, имеющую вход и выход, и вторичную обмотку, имеющую вход и выход. Второй трансформаторный блок содержит вторую группу из множества трансформаторных модульных сборок. Каждая из трансформаторных модульных сборок второй группы содержит первичную обмотку, имеющую вход и выход, и вторичную обмотку, имеющую вход и выход, первичные обмотки первой группы трансформаторных модульных сборок соединены с первичными обмотками второй группы трансформаторных модульных сборок. Вторичные обмотки каждой из первых трансформаторных модульных сборок связаны с вторичными обмотками другой из трансформаторных модульных сборок первой группы, а вторичные обмотки каждой из трансформаторных модульных сборок второй группы связаны с вторичными обмотками другой из трансформаторных модульных сборок второй группы.
В другом варианте предложена матричная силовая трансформаторная система, содержащая первый трансформаторный блок, имеющий в составе первую группу из множества трансформаторных модульных сборок, каждая из первых трансформаторных модульных сборок содержит первичную обмотку, имеющую вход и выход, и вторичную обмотку, имеющую вход и выход. Второй трансформаторный блок содержит вторую группу трансформаторных модульных сборок, по меньшей мере одна из модульных сборок второй группы имеет выбираемое или регулируемое полное сопротивление, использующее регулировочные обмотки с переключателем отводов, регулируемых в режиме онлайн или в режиме офлайн.
Еще в одном другом варианте предложена матричная силовая трансформаторная система, содержащая один или несколько трансформаторных блоков, каждый из трансформаторных блоков содержит группу из множества трансформаторных модульных сборок. Каждая из трансформаторных модульных сборок содержит первичную обмотку и вторичную обмотку, первичные обмотки каждой из этих трансформаторных модульных сборок связаны с первичными обмотками другой из трансформаторных модульных сборок из этой же группы. Вторичные обмотки каждой из этих трансформаторных модульных сборок связаны с вторичными обмотками другой из трансформаторных модульных сборок первой группы. По меньшей мере одна из группы трансформаторных модульных сборок имеет выбираемое или регулируемое полное сопротивление, использующее регулировочные обмотки с переключателем отводов, регулируемых в режиме онлайн или в режиме офлайн.
Матричная силовая трансформаторная система, которая содержит группу из множества трансформаторных блоков, позволяет уменьшить объем единовременно выполняемых опытно-конструкторских работ, поскольку одни и те же блоки могут быть использованы при многочисленных различных напряжениях, уровнях мощности и полных сопротивлениях. Имея стандартный блок трансформаторов, можно сократить продолжительность производственного цикла, поскольку блоки могут быть изготовлены и затем храниться в качестве производственных запасов у поставщика или у потребителя, такого как коммунальные службы, для использования в пунктах с самыми разнообразными требованиями. Транспортные расходы также оказываются уменьшены, поскольку каждый блок можно перевозить просто по дорогам, без использования каких-то специальных средств (например, таких как рельсовые тележки или вагоны). В дополнение к этому, больше нет единственного уязвимого места отказа, поскольку блоки, соединенные параллельно, можно собирать и устанавливать не под нагрузкой (офлайн) и заменять по одному за раз.
Помимо улучшения рабочих характеристик, обеспечиваемого матричной силовой трансформаторной системой, требование к системе, которые должен учитывать проектировщик или изготовитель трансформаторов, также оказываются ослаблены. Например, требования к управлению тепловым режимом также оказываются ослаблены из-за распределения источников тепла в пространстве, являющегося следствием возможности комбинировать блоки трансформаторов в нужных конфигурациях. Аналогично, механические требования оказываются ослаблены вследствие распределения сил короткого замыкания. Кроме того, массовое производство стандартизованных компонентов и субкомпонентов обеспечивает снижение стоимости.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представлена упрощенная схема примера системы трансформации напряжения, содержащей матричный силовой трансформатор.
Фиг. 2A - 2D представляют упрощенные схемы нескольких примеров силовых трансформаторных модулей для матричных силовых трансформаторов.
Фиг. 3A представляет упрощенную схему примера блока силовых трансформаторов, содержащего множество трансформаторных модулей.
Фиг. 3B представляет график напряжений трансформатора, соответствующего варианту, показанного на фиг. 3A.
Фиг. 4 представляет упрощенную схему примера блока силовых трансформаторов, содержащего множество трансформаторных модулей.
Фиг. 5 представляет упрощенную схему примера трансформаторного модуля, имеющего выбираемое напряжение или полное сопротивление, с раздельными входами регулировочной обмотки и низковольтной обмотки сверху и выходами этих обмоток снизу.
Фиг. 6 представляет упрощенную схему примера трансформаторного модуля, имеющего выбираемое напряжение или полное сопротивление, с раздельными входами регулировочной обмотки и низковольтной обмотки сверху и выходами этих обмоток снизу.
Фиг. 7 представляет упрощенную схему примера трансформаторного модуля, имеющего выбираемое напряжение или полное сопротивление в одной и той же обмотке.
Фиг. 8A - 8E представляют упрощенные схемы примеров сердечников, входящих в состав примера трансформаторного модуля.
Фиг. 9A - 9C представляют упрощенные схемы примеров шестиобмоточных трансформаторный модулей.
Фиг. 10A представляет упрощенную схему примера трансформаторного модуля типа 1/4.
Фиг. 10B представляет эквивалентную схему трансформаторного модуля, показанного на фиг. 10A.
Фиг. 11A представляет упрощенную схему примера трансформаторного модуля типа 2/4.
Фиг. 11B представляет эквивалентную схему трансформаторного модуля, показанного на фиг. 11A.
Фиг. 12A представляет упрощенную схему примера трансформаторного модуля типа 4/4.
Фиг. 12B представляет эквивалентную схему трансформаторного модуля типа 4/4, показанного на фиг. 12A.
Фиг. 13 представляет несколько эквивалентных схем примеров трансформаторных модулей, имеющих различные соединения между высоковольтными обмотками и различные соединения между низковольтными обмотками.
Фиг. 14A и 14B представляют несколько эквивалентных схем примеров блоков, содержащих примеры трансформаторных модулей типа 1/4 и типа 4/4.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
Для целей ясности, краткости и точности описания неограничивающих примеров вариантов настоящего изобретения, способа и процедуры изготовления и использования этого изобретения, а также для того, чтобы позволить практически осуществить изготовление и использование изобретения, ссылки будут сделаны на некоторые примеры вариантов, включая те, которые иллюстрированы на чертежах, а для описания этих вариантов будут использованы конкретные формулировки. В дополнение к этому, хотя промышленные системы содержат множество различных типов и марок элементов оборудования, устройств, компонентов и установок, эти термины здесь используются взаимозаменяемо, если только не указано иное. В то же время, следует понимать, что это не создает никаких ограничений для объема настоящего изобретения, и что настоящее изобретение охватывает и защищает такие изменения, модификации и другие приложения примеров вариантов, какие может представить себе специалист в рассматриваемой области для получения преимуществ настоящего изобретения.
Фиг. 1 иллюстрирует упрощенную схему силовой матричной трансформаторной системы или сборки 10, содержащей множество сборок 12 силовых трансформаторных блоков, или блоков 12. Каждая из сборок 12 блоков конфигурирована для функционального соединения с источником 14 энергии по входной силовой линии 16. Каждый из этих блоков 12 далее конфигурирован для функционального соединения с нагрузкой 18 по выходной силовой линии 20. Каждый из этих трансформаторных блоков 12 содержит одну или несколько трансформаторных модульных сборок 23 или модулей 23. В дополнение к этим модулям 23 в блок 12 введен модуль 25 с гибким полным сопротивлением, построенный для подстройки полного сопротивления ассоциированного блока 12 таким образом, чтобы согласовать его с полным сопротивлением другого блока 12. Хотя иллюстрируемый вариант показывает, что каждый из блоков 12 содержит одинаковое число модулей 23, в других вариантах этих блоки 12 содержат различное число модулей 23. В дополнение к этому, хотя показано, что каждый из блоков 12 содержит только один модуль 25 с гибким полным сопротивлением, в других вариантах эти блоки 12 могут иметь или могут не иметь один модуль с гибким полным сопротивлением. Еще в одном другом варианте только один из блоков 12 содержит модуль с гибким полным сопротивлением.
По меньшей мере в одном из вариантов, каждый из блоков 12 конфигурирован в виде транспортируемого блока, содержащего множество стандартизированных трансформаторных модулей, избирательно соединенных одни с другими для того, чтобы функционировать в качестве силового трансформатора с выбираемыми уровнями напряжений, отношением числе витков и полными сопротивлениями. Блоки могут быть собраны на заводе-изготовителе и по отдельности перевезены в удаленный пункт, такой как подстанция, и соединены вместе между источником энергии переменного тока и нагрузкой с целью образования модульного силового трансформатора. Эти компоненты конфигурированы для реализации трансформаторов средней или большой мощности, в частности, имеющих номинальную полную мощность более ста (100) МегаВольт-Ампер (МВА) и напряжения на высоковольтной стороне выше ста (100) килоВольт (кВ). Хотя здесь рассматриваются трансформаторы средней или большой мощности, предполагаются и другие размеры трансформаторов.
За счет создания множества индивидуальных трансформаторных блоков 12 значительно легче доставить полный трансформатор и собрать его в конечном пункте назначения, поскольку каждый из блоков 12 является по отдельности транспортируемым, если нужно. В различных вариантах силовая трансформаторная система содержит один или несколько транспортируемых силовых блоков, каждый из блоков имеет вес приблизительно меньше сорока (40) тонн и размеры, приблизительно соответствующие размерам стандартного транспортного контейнера. Транспортные контейнеры имеют различные размеры, но наиболее доступные транспортные контейнеры могут быть двадцать (20) футов или сорок (40) футов в длину, восемь (8) футов в ширину, и восемь (8) футов, шесть (6) дюймов в высоту. Могут рассматриваться также другие размеры.
Каждый индивидуальный блок 12 выполняет функции силового трансформатора и содержит оболочку (бак), высоковольтные (HV) клеммы, низковольтные (LV) клеммы, проходные изоляторы, механизм для рассеивания тепла и другие устройства и оборудование, используемые в силовых трансформаторах.
В одном из примеров вариантов блоки 12 функционально соединены параллельно для достижения более высокой номинальной мощности. В частности, высоковольтные (HV) клеммы блоков соединены параллельно и низковольтные (LV) клеммы блоков соединены параллельно.
Поскольку каждый из блоков является конфигурируемым так, чтобы содержать одинаковые компоненты, один тип конструкции построен на основе заданного числа блоков, тогда как второй тип конструкции содержит такие же блоки, но имеет другое число блоков или другую конфигурацию. Это уменьшает проблемы, ассоциированные с большим объемом единовременно выполняемых опытно-конструкторских работ и большой продолжительностью цикла изготовления и сборки.
Как показано на фиг. 1, каждый из блоков 12 содержит два или более стандартизированных трансформаторных модуля 23. Все эти модули 23 содержат одинаковые сердечники, одинаковые первичные обмотки и одинаковые вторичные обмотки, соединяемые заранее, прежде сборки матричной трансформаторной системы 10 в конечном пункте назначения. За счет определения конструкции каждого индивидуального модуля 23 прежде конечной установки каждый трансформаторный блок 12 оказывается хорошо приспособлен для применения, для которого используется конечная трансформаторная система.
Фиг. 2A - 2D иллюстрируют упрощенные схемы трансформаторного модуля 23, имеющего различные конфигурации, чтобы показать, что в различных вариантах один и тот же набор трансформаторных модулей может быть конфигурирован для работы при различных уровнях напряжения и отношениях числа витков с целью получения конечной силовой трансформаторной системы в зависимости от конструкции.
1
2
1
2
В варианте, показанном на фиг. 2A, первичная обмотка 30 содержит первую первичную обмотку 32, составленную из трех обмоток W1, соединенных последовательно, и вторую первичную обмотку 34, составленную из трех обмоток W1, соединенных последовательно. Эти первая и вторая обмотки соединены параллельно. Такая конфигурация первичной обмотки обозначена как модуль 3S-2P, в котором три обмотки соединены последовательно и две обмотки соединены параллельно. Вторичная обмотка 36 содержит первую вторичную обмотку 38, составленную из трех обмоток W2, соединенных параллельно, и вторую вторичную обмотку 40, составленную из трех обмоток W2, соединенных параллельно. Эти первая вторичная обмотка 38 и вторая вторичная обмотка 40 соединены последовательно. Такая вторичная обмотка обозначена как 3P-2S, три обмотки соединены параллельно и две обмотки соединены последовательно. Эффективное отношение числа витков равно 3N/2N. Здесь N обозначает число витков в первичной обмотке W1, и N обозначает число витков вторичной обмотки W2.
В варианте, показанном на фиг. 2B, первичная обмотка 42 конфигурирована как 3S-2P. Вторичная обмотка конфигурирована как 2S-3P. В этом варианте напряжение и отношение числа витков являются такими же, как в варианте, показанном на фиг. 2A. Вариант этот, однако, слегка отличается. Вторичная обмотка содержит три группы обмоток, соединенных параллельно. Каждая группа содержит обмотки, соединенные последовательно.
1
2
В варианте, показанном на фиг. 2C, первичная обмотка 46 конфигурирована как 6S. Вторичная обмотка 48 конфигурирована как 3S-2P. В этом варианте эффективное отношение числа витков равно 6N/3N.
1
2
Фиг. 2D иллюстрирует дополнительный вариант модуля 23, имеющий первичную обмотку 50, конфигурированную как 2S-3P. Вторичная обмотка 52 конфигурирована как 6P. В этом варианте эффективное отношение числа витков равно 2N/N и является таким же, как для варианта, показанного на фиг. 2C. Полная мощность и эффективное отношение числа витков являются такими же, как для варианта, показанного на фиг. 2C, но первичное и вторичное напряжения уменьшены вдвое.
1
2
1
2
Фиг. 2A - 2D иллюстрируют примеры упрощенных схем трансформаторного модуля 23, имеющего некоторые конфигурации. Общая форма первичной обмотки может иметь вид модуля mS-nP с n группами, соединенными параллельно. Каждая группа содержит m обмоток W1, соединенных последовательно. Общая форма первичной обмотки может иметь вид модуля jS-kP с k группами, соединенными параллельно. Каждая группа содержит j обмоток W2, соединенных последовательно. Для этой общей конфигурации имеем m + n = k + j и отношение числа витков равно mN/jN. Здесь N обозначает число витков первичной обмотки W1, и N обозначает число витков вторичной обмотки W2.
На фиг. 3A представлена упрощенная схема одного варианта, изображенного на фиг. 2B, эта схема показывает трансформаторный блок, содержащий множество трансформаторных модулей. Как видно на фиг. 3A, первичная обмотка 42 конфигурирована для функционального соединения с источником 54 энергии, генерирующим переменный ток. Вторичная обмотка 44 конфигурирована для функционального соединения с нагрузкой 56. Эффективное отношение числа витков модуля 23, показанного на фиг. 2B определяют как результат деления суммарного числа витков первичных обмоток, соединенных последовательно, на суммарное число витков вторичных обмоток, соединенных последовательно.
На фиг. 3B представлен график напряжений трансформатора для варианта, показанного на фиг. 3A. Как видно на нижнем графике 57, показанном на фиг. 3B, индивидуальные напряжения для каждого из трансформаторов X11, X12, X21, X22, X31 и X32 являются по существу одинаковыми на входе и выходе, входное напряжение 58 является по существу таким же, как выходное напряжение 60.
На верхнем графике 61, показанном на фиг. 3B, входное напряжение 62 идентифицировано как имеющее нормированные максимальные величины +3 и -3. Нормированное выходное напряжение 64, однако, идентифицировано как имеющее нормированные максимальные величины +2 и -2. Эффективное отношение числа витков дает отношение напряжений, равное 3/2, что подтверждается максимальными величинами каждого из напряжений - входного напряжения 62 и выходного напряжения 64.
Фиг. 4 иллюстрирует один из вариантов полного силового трансформаторного блока 66, содержащего множество модулей 67. Каждый из этих модулей 67 имеет входные линии, соединенные с входными обмотками, и выходные линии, соединенные с выходными обмотками, как показано на фиг. 2. Каждая из входных линий для индивидуальных модулей 67 функционально соединена с входом 68, при этом обеспечивается сигнал с однофазными напряжением и током. Вход 68 представляет собой входную линию для трансформаторного блока 66. Для каждой из входных обмоток модулей 67 создана линия 70 заземления. Каждая из выходных линий каждого из модулей 67 функционально соединена с выходом 72 силового трансформатора 66. Каждая выходная обмотка каждого индивидуального модуля 67 функционально соединена с линией 74 заземления. В другом варианте каждая из иллюстрируемых обмоток содержит по три провода, параллельных, и используется по одному проводу для каждой из трех фаз. В других вариантах используются другие типы трансформаторов с другим числом фаз.
Силовой трансформаторный блок 66 показан в виде однофазного трансформатора, содержащего шестьдесят однофазных модулей 67, каждый из которых имеет только одну фазу. В других вариантах этот трансформаторный блок представляет собой трехфазный трансформатор, содержащий шестьдесят трехфазных модулей. Можно представить себе также другие матричные трансформаторы, содержащие трансформаторы с другим числом фаз. В иллюстрируемом варианте каждый из однофазных модулей 67 содержит одну первичную обмотку, имеющую две клеммы, функционально соединяемые с входной линией 68 и с заземлением 70. Каждый из однофазных модулей 67 содержит также вторичную обмотку, имеющую две клеммы, функционально соединенные с выходной линией 72 и с линией заземления 74.
Для каждой из первичных обмоток каждого из модулей 67 входная линия 68 соединена с первой клеммой первичной обмотки каждого из шести модулей 67 в первой колонке 76 модулей. Другая клемма первичной обмотки каждого из шести модулей 67 в этой колонке 76 соединена с первой клеммой первичной обмотки соответствующего одного из шести модулей 67 во второй колонке 78. Эта схема соединений повторяется от одной колонки модулей к соседней колонке модулей. Когда предпоследняя колонка 80 соединена с последней колонкой 82 модулей, вторые клеммы каждой из первичных обмоток каждого из модулей 67 в последней колонке 82 соединены все вместе с заземлением 70.
К вторичным обмоткам применима такая же самая концепция за исключением того, что вторичные обмотки соединены в вертикальном направлении, как показано на чертеже, вместо горизонтального направления. Например, каждая из вторичных входных обмоток каждого из модулей 67 имеет первую клемму и вторую клемму. Каждая из первых клемм одного из модулей в первом ряду 84 модулей соединена со второй клеммой расположенного рядом модуля из второго ряда 86 модулей. Все вторые клеммы первого ряда 84 модулей соединены с заземлением 74. В последнем ряду 88 модулей каждая из первых клемм соединена с выходом 72.
В одной из конфигураций вариант, показанный на фиг. 4, используется для реализации соединения звезда-звезда 230 кВ - 138 кВ (LL) трансформаторного матричного блока с использованием модулей 13.2 кВ - 13.2 кВ (ф). Входная линия 68 принимает линейное напряжение 230 кВ, фазное напряжение 132 кВ. В выходную линию поступает линейное напряжение 138 кВ, фазное напряжение 80 кВ.
Хотя вариант, показанный на фиг. 4, ориентирован на матричный силовой трансформаторный блок размером шесть рядов (строк) на десять колонок (столбцов) и иллюстрирован как принимающий заданное входное напряжение и генерирующий заданное выходное напряжение, настоящее изобретение не ограничивается таким матричным трансформаторным блоком шесть на десять, так что можно рассматривать и другие матричные трансформаторные блоки, имеющие другие сочетания строк (рядов) и столбцов (колонок). В других вариантах соединение между модулями осуществляется посредством соединения обмоток последовательно и/или параллельно.
Фиг. 5 иллюстрирует один из вариантов трансформаторного модуля 90 с регулируемыми напряжением и полным сопротивлением для использования в различных вариантах силового матричного трансформатора, имеющего множество трансформаторных модулей. Трансформаторный модуль 90 конфигурирован для создания выбираемого или регулируемого полного сопротивления с использованием регулировочных обмоток с переключателями отводов, регулируемыми в режиме онлайн или в режиме офлайн. В одном из вариантов силового матричного трансформатора, например, все модули за исключением одного из этих модулей, являются стандартизированными трансформаторными модулями, такими как показано на фиг. 2A - 2D. Стандартизированный модуль содержит заданное число первичных обмоток и вторичных обмоток, электрически соединенных по фиксированной схеме, которую не изменяют и не регулируют после изготовления. По меньшей мере один из модулей в составе вариантов силовых матричных трансформаторов, содержащих стандартизированные модули, является регулируемым трансформаторным модулем, таким как показано на фиг. 5, 6 и 7. Также рассматриваются и другие типы и конфигурации трансформаторных модулей с регулируемым напряжением или регулируемым полным сопротивлением.
Однотрансформаторный модуль 90, показанный на фиг. 5, содержит сердечник 92, регулировочную обмотку A, низковольтную обмотку B и высоковольтную обмотку C 98. Регулировочная обмотка A имеет несколько слоев 100 в зависимости от требований заказчика к величине шага переключения - восемь слоев на этой схеме. Входы и выходы слоев соединены с отводами, маркированными с 1 по 9, что дает шаги напряжения. В дополнение к этому регулировочная обмотка A имеет первый слой 104, соединенный с отводом 1, и последний слой 102, соединенный с отводом 21. Низковольтная обмотка B представляет собой однослойную спиральную обмотку, но также может быть выполнена в виде двухслойной спиральной обмотки, слоистой обмотки или дисковой обмотки. Высоковольтная обмотка C представляет собой дисковую обмотку с входом 99 в центре и выходом, соединенным с отводами 9 и 20. Используя переключатель отводов под нагрузкой (On-Load Tap Changer (OLTC)) и соединяя отвод 20 с отводом 21 или 22, трансформаторный модуль 90 может получить позиции максимального, промежуточного и максимального напряжений.
На фиг. 5 «P» обозначает положительную полярность и «N» обозначает отрицательную полярность обмоток. Этот однотрансформаторный модуль имеет две стороны: низковольтную сторону 96 и высоковольтную сторону 94. Заземление 108 и выход 110 низкого напряжения находятся на низковольтной стороне 96. Заземление 106 и выход 99 высокого напряжения находятся на высоковольтной стороне 94.
Фиг. 6 иллюстрирует другой вариант однотрансформаторного модуля 111 с регулируемым в режиме офлайн напряжением или регулируемым в режиме офлайн полным сопротивлением, имеющего отдельную регулировочную обмотку A. Трансформаторный модуль 111, показанный на фиг. 6, содержит сердечник 124, регулировочную обмотку A 115, двухслойную низковольтную обмотку (слой B 120 и слой C 122) и высоковольтную обмотку D 126. Регулировочная обмотка A имеет несколько слоев в зависимости от требований заказчика к шагу регулирования. Вход и выход этих слоев соединены с отводами, маркированными с 2 по 6, что дает позиции для минимального, промежуточного и максимального высокого напряжения. Низковольтная обмотка представляет собой двухслойную спиральную обмотку. Высоковольтная обмотка D представляет собой дисковую обмотку с входом 128 в центре, а выход обмотки соединен с началом первого слоя регулировочной обмотки A и с отводом 2. Используя переключатель отводов без нагрузки (De-Energized Tap Changer (DETC)) и соединяя отвод 1 с отводами 2 - 6, трансформаторный модуль 111 может получить позиции максимального, промежуточного и максимального напряжений.
На фиг. 6 «POS» обозначает положительную полярность и «NEG» обозначает отрицательную полярность обмоток. Этот однотрансформаторный модуль 111 имеет две стороны: низковольтную сторону 114 и высоковольтную сторону 112. Заземление 130 и выход 132 низкого напряжения находятся на низковольтной стороне 114. Заземление соединено с отводом 1, а выход 128 высокого напряжения находятся на высоковольтной стороне 112.
Фиг. 6 иллюстрирует двухслойную низковольтную обмотку 114, имеющую заземление 130 на верхней стороне и выход 132 тоже на верхней стороне. Низковольтная обмотка может также представлять собой расщепленную в осевом направлении спиральную обмотку с расположенными на верхней стороне заземлением и выходом.
Фиг. 7 иллюстрирует еще один другой вариант регулируемого в режиме офлайн напряжения или регулируемого в режиме офлайн полного сопротивления в однотрансформаторном модуле 140 с объединенными в одной обмотке регулировочной обмоткой и высоковольтной обмоткой. Как показано на фиг. 7, модуль 140 содержит сердечник 143, двухслойную низковольтную обмотку (слой A 144 и слой B 146) и высоковольтную обмотку C 148. Высоковольтная обмотка содержит регулировочную область с отводами 150, соединяемыми с одним или двумя переключателями DETC в зависимости от тока высокого напряжения. Низковольтная обмотка представляет собой двухслойную спиральную обмотку. Высоковольтная обмотка C 148 представляет собой дисковую обмотку с входом 154 в центре и выходом 152 обмотки. Используя один или два переключателя DETC, трансформаторный модуль 140 может получить позиции для максимального, промежуточного и минимального напряжения. На фиг. 7 «POS» обозначает положительную полярность и «NEG» обозначает отрицательную полярность обмоток. Этот однотрансформаторный модуль имеет две стороны: низковольтную сторону 142 и высоковольтную сторону 141. Заземление 156 и выход 158 низкого напряжения расположены на низковольтной стороне 142. Заземление 152 и выход 154 высокого напряжения расположены на высоковольтной стороне 141.
В этом варианте низковольтная обмотка представляет собой двухслойную обмотку, имеющую заземление 156 на верхней стороне и выход 158 тоже на верхней стороне. Низковольтная обмотка также может представлять собой расщепленную в осевом направлении спиральную обмотку с заземлением и выходом, расположенными на верхней стороне. Для регулирования высокого напряжения и в зависимости от тока высокого напряжения этот вариант использует один или два переключателя DETC.
На фиг. 5, 6 и 7 показаны некоторые примеры модулей 67. Регулировочные обмотки, низковольтные обмотки и высоковольтные обмотки могут быть одно или многосекционными обмотками, слоистыми, спиральными или дисковыми обмотками с расположенным сверху и/или в центре входом.
В различных вариантах матричного силового трансформатора каждый из модулей (т.е. модулей 67) может быть заменен одним из модулей с регулируемым напряжением или полным сопротивлением, показанных на фиг. 5, 6 и 7. По меньшей мере один из стандартизированных трансформаторных модулей заменен модулем, имеющим средства для реализации выбираемого или регулируемого полного сопротивления с использованием регулировочных обмоток с переключателем отводов (для работы в режиме офлайн или в режиме онлайн).
До тех пор, пока модуль с регулируемым напряжением или полным сопротивлением имеет «разомкнутые обмотки», т.е. фазы не соединены перекрестно внутри модуля, местонахождение такого модуля с регулируемым напряжением или полным сопротивлением можно выбирать в любом месте в одной из колонок или рядов матричного трансформатора. Однако в различных вариантах местонахождение модуля с регулируемым напряжением или полным сопротивлением определяют в функции физического доступа к отводам или другим соединителям модуля в полностью собранном физически матричном трансформаторе. Во многих вариантах местонахождение это выбирают физически рядом с клеммой заземления. В тех вариантах, в которых высоковольтная обмотка является регулируемой обмоткой, как показано на фиг. 5, 6 и 7, любой из модулей, расположенных в колонке 82, может быть заменен одним из модулей с регулируемым напряжением или полным сопротивлением. В различных вариантах один или несколько модулей 67 в колонке 82 может быть заменен одним из таких модулей с регулируемым напряжением или полным сопротивлением.
Еще в одном другом варианте низковольтная обмотка представляет собой регулируемую обмотку в модулях с регулируемым напряжением или полным сопротивлением. В этих вариантах один или несколько модулей 67 в ряду 84 могут быть заменены одним из модулей с регулируемым напряжением или полным сопротивлением. В каждом из этих вариантов каждый из модулей в первом ряду 84 и в последней колонке 82 заменен регулируемыми модулями.
На фиг. 8A - 8C, показаны несколько возможных сердечников трансформаторов, входящих в состав примеров однофазных трансформаторных модулей. Каждый сердечник может конструктивно представлять собой наборный сердечник или витой сердечник. Как показано, сердечник трансформатора может быть сердечником стержневого типа или сердечником броневого типа. Фиг. 8A иллюстрирует сердечник типа D 810, содержащий верхнее ярмо 811, нижнее ярмо 813 и два стержня 815. Фиг. 8B иллюстрирует сердечник типа EY 820, содержащий верхнее ярмо 821, нижнее ярмо 823 и три стержня 825. Фиг. 8C иллюстрирует сердечник типа DY 830, содержащий верхнее ярмо 831, нижнее ярмо 833 и четыре стержня 835.
На фиг. 8D - 8E, показаны несколько сердечников, входящих в состав примера трехфазных трансформаторных модулей. Фиг. 8D иллюстрирует сердечник типа T 840, содержащий верхнее ярмо 841, нижнее ярмо 843 и три стержня 845. Фиг. 8E иллюстрирует сердечник типа TY 850, содержащий верхнее ярмо 851, нижнее ярмо 853 и пять стержней 855.
Показанные на фиг. 9A - 14B трансформаторные модули называются трансформаторными модулями типа X/Y, где X обозначает число первичных обмоток и Y обозначает число вторичных обмоток в трансформаторном модуле. Как показано, высоковольтные (HV) обмотки являются первичными обмотками, а низковольтные (LV) обмотки являются вторичными обмотками. В других вариантах высоковольтные (HV) обмотки могут быть вторичными обмотками, а низковольтные (LV) обмотки могут быть первичными обмотками. Первичные обмотки каждого трансформаторного модуля построены так, что они могут быть соединены одни с другими параллельно, последовательно или по комбинированной последовательно-параллельной схеме. Вторичные обмотки каждого трансформаторного модуля также построены так, что они могут быть соединены одни с другими параллельно, последовательно или по комбинированной последовательно-параллельной схеме.
На фиг. 9A, представлен пример трансформаторного модуля 900 типа 6/6, имеющего общий сердечник 901, шесть высоковольтных (HV) обмоток HV1 - HV6 и шесть низковольтных (LV) обмоток LV1 - LV6. Каждая обмотка содержит две выходные клеммы: высоковольтная обмотка HV1 имеет выходные клеммы H1a и H1b, высоковольтная обмотка HV2 имеет выходные клеммы H2a и H2b, высоковольтная обмотка HV3 имеет выходные клеммы H3a и H3b, высоковольтная обмотка HV4 имеет выходные клеммы H4a и H4b, высоковольтная обмотка HV5 имеет выходные клеммы H5a и H5b, высоковольтная обмотка HV6 имеет выходные клеммы H6a и H6b, низковольтная обмотка LV1 имеет выходные клеммы L1a и L1b, низковольтная обмотка LV2 имеет выходные клеммы L2a и L2b, низковольтная обмотка LV3 имеет выходные клеммы L3a и L3b, низковольтная обмотка LV4 имеет выходные клеммы L4a и L4b, низковольтная обмотка LV5 имеет выходные клеммы L5a и L5b и низковольтная обмотка LV6 имеет выходные клеммы L6a и L6b.
В некоторых вариантах одна клемма обмотки соединена с первым концом этой обмотки, а вторая клемма этой обмотки соединена со вторым концом этой обмотки. В некоторых вариантах одна клемма обмотки соединена с центром этой обмотки, а вторая клемма этой обмотки соединена с обоими концами этой обмотки.
В некоторых вариантах высоковольтные (HV) обмотки HV1 - HV6 построены так, что напряжения этих высоковольтных обмоток HV1 - HV6 соотносятся как 1:1:1:1:1:1. Отношение напряжений представляет собой отношение напряжений на каждой обмотке для группы низковольтных (LV) обмоток или высоковольтных (HV) обмоток. Отношение напряжений пропорционально отношению числа витков для группы низковольтных (LV) обмоток или высоковольтных (HV) обмоток. Например, если трансформаторный модуль 900 принимает энергию переменного тока с напряжением 138 кВ на свои высоковольтные (HV) обмотки, соединенные одна с другими последовательно, напряжение на каждой высоковольтной (HV) обмотке равно 23 кВ, поскольку отношение числа витков и отношение напряжений для высоковольтных (HV) обмоток имеет вид 1:1:1:1:1:1. Аналогично, низковольтные (LV) обмотки LV1 - LV6 построены так, что отношение напряжений для низковольтных (LV) обмоток LV1 - LV6 имеет вид 1:1:1:1:1:1. В некоторых вариантах эффективное отношение напряжений между соединенными последовательно высоковольтными (HV) обмотками и соединенными последовательно низковольтными (LV) обмотками может отличаться от 1:1. Следует понимать, что любые или все приведенные выше признаки трансформаторного модуля 900 могут также иметь место в других трансформаторных модулях, описываемых здесь.
На фиг. 9B, показан пример трансформаторного модуля 910 типа 2/6, содержащего общий сердечник 911, две высоковольтные (HV) обмотки HV1 - HV2 и шесть низковольтных (LV) обмоток LV1 - LV6. Каждая обмотка имеет две выходные клеммы: высоковольтная обмотка HV1 имеет выходные клеммы H1a и H1b, высоковольтная обмотка HV2 имеет выходные клеммы H2a и H2b, низковольтная обмотка LV1 имеет выходные клеммы L1a и L1b, низковольтная обмотка LV2 имеет выходные клеммы L2a и L2b, низковольтная обмотка LV3 имеет выходные клеммы L3a и L3b, низковольтная обмотка LV4 имеет выходные клеммы L4a и L4b, низковольтная обмотка LV5 имеет выходные клеммы L5a и L5b и низковольтная обмотка LV6 имеет выходные клеммы L6a и L6b.
В некоторых вариантах высоковольтные (HV) обмотки HV1 - HV2 построены так, что напряжения на этих высоковольтных (HV) обмотках HV1 - HV2 соотносятся как 1:1, и низковольтные (LV) обмотки LV1 - LV6 построены так, что напряжения на этих низковольтных (LV) обмотках LV1 - LV6 соотносятся как 1:1:1:1:1:1. Далее, отношений напряжений между высоковольтными (HV) обмотками, соединенными последовательно, и низковольтными (LV) обмотками, соединенными последовательно, равно 1:1. Например, когда последовательно соединенные высоковольтные (HV) обмотки HV1 и HV2 принимают энергию переменного тока при напряжении 138 кВ, напряжение на каждой из высоковольтных (HV) обмоток равно 69 кВ и напряжение на каждой из соединенных последовательно низковольтных (LV) обмоток равно 23 кВ.
На фиг. 9C показан пример трансформаторного модуля 920 типа 1/6, содержащего общий сердечник 921, одну высоковольтную (HV) обмотку HV1 и шесть низковольтных (LV) обмоток LV1 - LV6. Каждая обмотка имеет две выходные клеммы: высоковольтная обмотка HV1 имеет выходные клеммы H1a и H1b, низковольтная обмотка LV1 имеет выходные клеммы L1a и L1b, низковольтная обмотка LV2 имеет выходные клеммы L2a и L2b, низковольтная обмотка LV3 имеет выходные клеммы L3a и L3b, низковольтная обмотка LV4 имеет выходные клеммы L4a и L4b, низковольтная обмотка LV5 имеет выходные клеммы L5a и L5b и низковольтная обмотка LV6 имеет выходные клеммы L6a и L6b.
В некоторых вариантах низковольтные (LV) обмотки LV1 - LV6 построены так, что напряжения этих низковольтных (LV) обмоток LV1 - LV6 соотносятся как 1:1:1:1:1:1, и отношение напряжения на высоковольтной (HV) обмотке HV1 к напряжению на низковольтных (LV) обмотках, соединенных последовательно, равно 1:1. Например, когда высоковольтная (HV) обмотка HV1 принимает энергию переменного тока с напряжением 138 kV, напряжение на каждой из низковольтных (LV) обмоток равно 23 кВ.
На фиг. 10A, иллюстрирован пример трансформаторного модуля 1000 типа 1/4, содержащего общий сердечник 1001, одну высоковольтную (HV) обмотку HV1 и четыре низковольтные (LV) обмотки LV1 - LV4. Каждая обмотка имеет две выходных клеммы: высоковольтная обмотка HV1 имеет выходные клеммы H1a и H1b, низковольтная обмотка LV1 имеет выходные клеммы L1a и L1b, низковольтная обмотка LV2 имеет выходные клеммы L2a и L2b, низковольтная обмотка LV3 имеет выходные клеммы L3a и L3b, и низковольтная обмотка LV4 имеет выходные клеммы L4a и L4b.
Низковольтные (LV) обмотки LV1 - LV4 построены так, что напряжения на этих низковольтных (LV) обмотках LV1 - LV4 соотносятся как 5:1:1:5, и высоковольтная (HV) обмотка HV1 построена так, что отношение напряжения этой обмотки HV1 к напряжению на низковольтных (LV) обмотках, соединенных последовательно, равно 5:3. Например, когда высоковольтная (HV) обмотка HV1 принимает энергию переменного тока с напряжением 138 кВ, напряжение на низковольтной (LV) обмотке LV1 равно 57.5 кВ, напряжение на низковольтной (LV) обмотке LV2 равно 11.5 кВ, напряжение на низковольтной (LV) обмотке LV3 равно 11.5 кВ и напряжение на низковольтной (LV) обмотке LV4 равно 57.5 кВ.
На фиг. 10B, показана эквивалентная схема 1010, иллюстрирующая трансформаторный модуль типа 1/4, такой как трансформаторный модуль 1000, показанный на фиг. 10A. Схема 1010 содержит выходные клеммы L1a-b, L2a-b, L3a-b, L4a-b низковольтных (LV) обмоток и выходные клеммы H1a-b и H2a-b высоковольтных обмоток.
На фиг. 11A показан пример трансформаторного модуля 1100 типа 2/4, содержащего общий сердечник 1101, две высоковольтные (HV) обмотки HV1 - HV2 и четыре низковольтные (LV) обмотки LV1 - LV4. Каждая обмотка имеет две выходные клеммы: высоковольтная обмотка HV1 имеет выходные клеммы H1a и H1b, высоковольтная обмотка HV2 имеет выходные клеммы H2a и H2b, низковольтная обмотка LV1 имеет выходные клеммы L1a и L1b, низковольтная обмотка LV2 имеет выходные клеммы L2a и L2b, низковольтная обмотка LV3 имеет выходные клеммы L3a и L3b, и низковольтная обмотка LV4 имеет выходные клеммы L4a и L4b.
Низковольтные (LV) обмотки LV1 - LV4 построены так, что напряжения на этих низковольтных (LV) обмотках LV1 - LV4 соотносятся как 5:1:1:5, и высоковольтные (HV) обмотки HV1 - HV2 построены так, что напряжения на этих обмотках HV1 и HV2 соотносятся как 1:1. Отношение напряжения на высоковольтных (HV) обмотках, соединенных последовательно, к напряжению на низковольтных (LV) обмотках, соединенных последовательно, равно 1:1. Например, когда высоковольтные (HV) обмотки принимают энергию переменного тока с напряжением 138 кВ, напряжение на обмотке HV1 равно 69 кВ, напряжение на обмотке HV2 равно 69 kV, напряжение на низковольтной (LV) обмотке LV1 равно 57.5 кВ, напряжение на низковольтной (LV) обмотке LV2 равно 11.5 кВ, напряжение на низковольтной (LV) обмотке LV3 равно 11.5 кВ и напряжение на низковольтной (LV) обмотке LV4 равно 57.5 кВ.
На фиг. 11B, показана эквивалентная схема 1110, иллюстрирующая трансформаторный модуль типа 2/4, такой как трансформаторный модуль 1100, иллюстрируемый на фиг. 11A. Схема 1010 содержит выходные клеммы L1a-b, L2a-b, L3a-b, L4a-b низковольтных (LV) обмоток и выходные клеммы H1a-b и H2a-b высоковольтных (HV) обмоток.
На фиг. 12A, иллюстрирован пример трансформаторного модуля 1200 типа 4/4, содержащего общий сердечник 1201, четыре высоковольтные (HV) обмотки HV1 - HV4 и четыре низковольтные (LV) обмотки LV1 - LV4. Каждая обмотка имеет две выходные клеммы: высоковольтная обмотка HV1 имеет выходные клеммы H1a и H1b, высоковольтная обмотка HV2 имеет выходные клеммы H2a и H2b, высоковольтная обмотка HV1 имеет выходные клеммы H3a и H3b, высоковольтная обмотка HV4 имеет выходные клеммы H4a и H4b, низковольтная обмотка LV1 имеет выходные клеммы L1a и L1b, низковольтная обмотка LV2 имеет выходные клеммы L2a и L2b, низковольтная обмотка LV3 имеет выходные клеммы L3a и L3b и низковольтная обмотка LV1 имеет выходные клеммы L4a и L4b.
Низковольтные (LV) обмотки LV1 - LV4 построены так, что напряжения на этих низковольтных (LV) обмотках LV1 - LV4 соотносятся как 5:1:1:5, и высоковольтные (HV) обмотки HV1 - HV4 построены так, что напряжения на этих обмотках HV1 - HV4 соотносятся как 5:1:1:5. Отношение напряжения на высоковольтных (HV) обмотках, соединенных последовательно, к напряжению на низковольтных (LV) обмотках, соединенных последовательно, равно 1:1. Например, когда высоковольтные (HV) обмотки принимают энергию переменного тока с напряжением 138 кВ, напряжение на высоковольтной (HV) обмотке HV1 равно 57.5 кВ, напряжение на высоковольтной (HV) обмотке HV2 равно 11.5 kV, напряжение на высоковольтной (HV) обмотке HV3 равно 11.5 кВ и напряжение на высоковольтной (HV) обмотке HV4 равно 57.5 кВ; напряжение на низковольтной (LV) обмотке LV1 равно 57.5 kV, напряжение на низковольтной (LV) обмотке LV2 равно 11.5 кВ, напряжение на низковольтной (LV) обмотке LV3 равно 11.5 кВ и напряжение на низковольтной (LV) обмотке LV4 равно 57.5 кВ.
На фиг. 12B представлена эквивалентная схема 1210, иллюстрирующая трансформаторный модуль 4/4, такой как трансформаторный модуль 1200, показанный на фиг. 12A. Схема 1210 содержит выходные клеммы L1a-b, L2a-b, L3a-b, L4a-b низковольтных (LV) обмоток и выходные клеммы H1a-b, H2a-b, H3a-b и H4a-b высоковольтных (HV) обмоток.
На фиг. 13, представлены эквивалентные схемы 1310, 1320, 1330, 1340, 1350, 1360 и 1370 трансформаторных модулей. Схемы 1310, 1320, 1330 и 1340 демонстрируют различные соединения между высоковольтными (HV) обмотками и низковольтными (LV) обмотками трансформаторного модуля 1200, показанного на фиг. 12A. Схемы 1350, 1360 и 1370 демонстрируют различные соединения между высоковольтными (HV) обмотками и низковольтными (LV) обмотками трансформаторного модуля 1000 типа 1/4, показанного на фиг. 10A.
Схема 1310 иллюстрирует трансформаторный модуль 1200 типа 4/4, в котором все четыре высоковольтные (HV) обмотки соединены последовательно между входными клеммами 1311 и все низковольтные (LV) обмотки соединены последовательно между выходными клеммами 1313. Поскольку эффективное отношение напряжений на высоковольтных (HV) обмотках и низковольтных (LV) обмотках равно 1:1, напряжение переменного тока, принимаемое этим трансформаторным модулем на входные клеммы 1311, является таким же, как напряжение переменного тока, передаваемое на выходные клеммы 1313.
Схема 1320 иллюстрирует трансформаторный модуль 1200 типа 4/4, в котором все четыре высоковольтные (HV) обмотки соединены последовательно между входными клеммами 1321, и низковольтные (LV) обмотки LV1 и LV4 соединены последовательно между выходными клеммами 1323. Поскольку эффективное отношение напряжений на высоковольтных (HV) обмотках и низковольтных (LV) обмотках равно 6:5, входное напряжение 138 кВ будет понижено до 115 кВ.
Схема 1330 иллюстрирует трансформаторный модуль 1200 типа 4/4, в котором высоковольтные (HV) обмотки HV1 и HV4 соединены последовательно между входными клеммами 1331, и все четыре низковольтные (LV) обмотки соединены последовательно между выходными клеммами 1313. Поскольку эффективное отношение напряжений на высоковольтных (HV) обмотках и низковольтных (LV) обмотках равно 5:6, входное напряжение 115 кВ будет повышено до 138 кВ.
Схема 1340 иллюстрирует трансформаторный модуль 1200 типа 4/4, в котором высоковольтные (HV) обмотки HV1 и HV4 соединены последовательно между входными клеммами 1341, и низковольтные (LV) обмотки LV1 и LV4 соединены последовательно между выходными клеммами 1343. Поскольку эффективное отношение напряжений на высоковольтных (HV) обмотках и низковольтных (LV) обмотках равно 1:1, выходное напряжение на выходных клеммах 1343 равно входному напряжению на входных клеммах 1311.
Схема 1350 иллюстрирует трансформаторный модуль 1000 типа 1/4, в котором высоковольтная (HV) обмотка HV1 соединена с входными клеммами 1351 и все четыре низковольтные (LV) обмотки соединены последовательно. Поскольку эффективное отношение напряжений на высоковольтных (HV) обмотках и низковольтных (LV) обмотках равно 5:3, входное напряжение 230 кВ будет понижено до 138 кВ.
Схема 1360 иллюстрирует трансформаторный модуль 1000 типа 1/4, в котором высоковольтная (HV) обмотка HV1 соединена с входными клеммами 1351 и низковольтные (LV) обмотки LV1 и LV4 соединены последовательно. Поскольку эффективное отношение напряжений на высоковольтных (HV) обмотках и низковольтных (LV) обмотках равно 2:1, входное напряжение 230 кВ будет понижено до 115 кВ.
Схема 1370 иллюстрирует трансформаторный модуль 1000 типа 1/4, в котором высоковольтная (HV) обмотка HV1 соединена с входными клеммами 1351, низковольтные (LV) обмотки LV1 и LV2 соединены последовательно и соединены параллельно последовательно соединенным обмоткам LV3 и LV4. Поскольку эффективное отношение напряжений на высоковольтных (HV) обмотках и низковольтных (LV) обмотках равно 10:3, входное напряжение 230 кВ будет понижено до 69 кВ.
На фиг. 14A и 14B иллюстрированы примеры частей трансформаторных блоков 1410, 1420, 1430, 1440 и 1450, содержащих комбинации трансформаторного модуля 1000 типа 1/4, показанного на фиг. 10A, и трансформаторного модуля 1200 типа 4/4, показанного на фиг. 12A. Важно отметить, в каждой конфигурации таких стандартизированных трансформаторных блоков трансформаторные модули могут быть выполнены так, что не меньше 83.3% обмоток в каждом трансформаторном модуле не используется, что уменьшает ненужные затраты и расходование конструкционных материалов.
Трансформаторный блок 1410 содержит один трансформаторный модуль 1415 типа 1/4 и два трансформаторных модуля 1417 и 1419 типа 4/4. Все высоковольтные (HV) обмотки из состава каждого модуля соединены последовательно между входными клеммами 1411a и 1411b. Низковольтные (LV) обмотки LV1 и LV4 в составе каждого модуля соединены последовательно, а низковольтные (LV) обмотки модуля 1415 соединены последовательно с параллельно соединенными низковольтными (LV) обмотками модулей 1417 и 1419 между выходными клеммами 1413a и 1413b. Поскольку эффективное отношение напряжений на высоковольтных (HV) обмотках и низковольтных (LV) обмотках равно 11:5, входное напряжение 500 кВ будет понижено до приблизительно 230 кВ.
Трансформаторный блок 1420 содержит три трансформаторных модуля 1425, 1427 и 1429 типа 4/4. Низковольтные (LV) обмотки LV1 и LV4 в составе каждого модуля соединены последовательно, а также низковольтные (LV) обмотки каждого модуля соединены вместе последовательно между клеммами 1421a и 1421b. Все высоковольтные (HV) обмотки в каждом модуле соединены последовательно, после чего высоковольтные (HV) обмотки модулей соединены параллельно между выходными клеммами 1423a и 1423b. Поскольку эффективное отношение напряжений на низковольтных (LV) обмотках и высоковольтных (HV) обмотках равно 5:2, входное напряжение 345 кВ будет понижено до 138 кВ.
Трансформаторный блок 1430 содержит три трансформаторных модуля 1435, 1437 и 1439 типа 4/4. Высоковольтные (HV) обмотки HV1 и HV4 в каждом модуле соединены последовательно, и высоковольтные (HV) обмотки из каждого модуля соединены вместе последовательно между клеммами 1431a и 1431b. Низковольтные (LV) обмотки LV1 и LV4 в составе каждого модуля соединены последовательно, а также низковольтные (LV) обмотки из каждого модуля соединены параллельно между выходными клеммами 1433a и 1433b. Поскольку эффективное отношение напряжений на высоковольтных (HV) обмотках и низковольтных (LV) обмотках равно 3:1, входное напряжение 345 кВ будет понижено до 115 кВ.
Трансформаторный блок 1440 содержит три трансформаторных модуля 1445, 1447 и 1449 типа 1/4. Высоковольтные (HV) обмотки этих модулей 1445, 1447 и 1449 соединены параллельно между входными клеммами 1441a и 1441b. Низковольтные (LV) обмотки LV1 и LV4 в составе каждого модуля соединены вместе последовательно, а также низковольтные (LV) обмотки из каждого модуля соединены параллельно между выходными клеммами 1443a и 1443b. Поскольку эффективное отношение напряжений на высоковольтных (HV) обмотках и низковольтных (LV) обмотках равно 2:1, входное напряжение 230 кВ будет понижено до 115 кВ.
Трансформаторный блок 1450 содержит три трансформаторных модуля 1455, 1457 и 1459 типа 1/4. Высоковольтные (HV) обмотки этих модулей 1455, 1457 и1459 are соединены параллельно между входными клеммами 1451a и 1451b. Низковольтные (LV) обмотки LV1 и LV2 в составе каждого модуля соединены вместе последовательно, а низковольтные (LV) обмотки LV3 и LV4 в составе каждого модуля соединены вместе последовательно и параллельно низковольтным (LV) обмоткам LV1 и LV2 этого модуля, а также низковольтные (LV) обмотки каждого модуля соединены параллельно низковольтным (LV) обмоткам других модулей между выходными клеммами 1453a и 1453b. Поскольку эффективное отношение напряжений на высоковольтных (HV) обмотках и низковольтных (LV) обмотках равно 10:3, входное напряжение 230 кВ будет понижено до 69 кВ.
Другие письменные описания ряда примеров вариантов здесь теперь представлены не будут. Один из вариантов представляет собой матричную силовую трансформаторную систему, содержащую: один или несколько трансформаторных блоков, при этом каждый трансформаторный блок содержит множество трансформаторных модульных сборок; каждая из этих трансформаторных модульных сборок содержит первичную обмотку и вторичную обмотку; первичные обмотки каждой из трансформаторных модульных сборок соединены с первичными обмотками другой из группы трансформаторных модульных сборок; вторичные обмотки каждой из этих трансформаторных модульных сборок соединены с вторичными обмотками другой из первой группы трансформаторных модульных сборок; по меньшей мере одна из группы трансформаторных модульных сборок имеет выбираемое или регулируемое полное сопротивление с использованием регулировочных обмоток с переключателями отводов, регулируемых в режиме онлайн или в режиме офлайн.
Другой вариант представляет собой матричную силовую трансформаторную систему, содержащую: первый трансформаторный блок, содержащий первую совокупность из нескольких трансформаторных модульных сборок, каждая из первой совокупности трансформаторных модульных сборок содержит первичную обмотку, имеющую вход и выход, и вторичную обмотку, имеющую вход и выход; и второй трансформаторный блок, содержащий вторую группу из нескольких трансформаторных модульных сборок, по меньшей мере одна из второй группы модульных сборок имеет выбираемое или регулируемое полное сопротивление с использованием регулировочных обмоток с переключателями отводов, регулируемых в режиме онлайн или в режиме офлайн.
Следующий пример варианта представляет собой матричную силовую трансформаторную систему, содержащую: несколько блочных сборок, каждая из которых содержит множество трансформаторных модулей, каждый трансформаторный модуль содержит первичную обмотку, соединенную с входом, и вторичную обмотку, соединенную с выходом, входы каждого трансформаторного модуля в составе одной блочной сборки соединены вместе, и выходы всех трансформаторных блоков соединены вместе, одна из вторичных обмоток имеет несколько отводов, построенных так, что они могут быть избирательно соединены с выходом ассоциированной трансформаторной модульной сборки или с другой вторичной обмоткой в составе этой ассоциированной модульной сборки.
В некоторых формах описанной выше матричной силовой трансформаторной системы каждая блочная сборка сконструирована так, чтобы весить меньше 40 тонн, и при этом такая матричная силовая трансформаторная система имеет номинальную мощность более 100 МегаВольт-Ампер (МВА (MVA)). В некоторых вариантах каждый трансформаторный модуль содержит несколько первичных обмоток, соединенных последовательно или параллельно, а также каждый трансформаторный модуль содержит несколько вторичных обмоток, соединенных последовательно или параллельно. В некоторых формах, каждый вход имеет две входные клеммы, каждая из этих входных клемм соединена по меньшей мере с одной клеммой другой трансформаторной модульной сборки, а также каждый выход имеет две выходные клеммы, каждая из этих выходных клемм соединена по меньшей мере с одной клеммой другой трансформаторной модульной сборки. В некоторых вариантах группа из нескольких трансформаторных модульных сборок содержит первую группу трансформаторных модульных сборок, входы которых соединены последовательно, и вторую группу трансформаторных модульных сборок, входы которых соединены последовательно, и при этом указанные первая группы трансформаторных модульных сборок и вторая группа трансформаторных модульных сборок соединены параллельно. В некоторых формах, каждая блочная сборка сконструирована так, что она может быть закрыта в баке. В некоторых формах, бак сконструирован так, чтобы вписываться в оболочку размером 40 фут на 8 фут на 8 фут 6 дюйм.
Следующий вариант представляет собой модульный силовой трансформатор с номинальной мощностью более 100 МВА, содержащий: несколько трансформаторных блоков, каждый из которых содержит: корпус, первую группу блочных клемм, вторую группу блочных клемм и множество трансформаторных модулей, расположенных внутри корпуса, каждый модуль содержит: первую группу модульных клемм, вторую группу модульных клемм, по меньшей мере одну первичную обмотку, соединенную с первой группой модульных клемм, по меньшей мере одну вторичную обмотку, соединенную со второй группой модульных клемм, и сердечник трансформатора, первичные обмотки трансформаторных модулей в одном трансформаторном блоке соединены вместе между блочными клеммами первой группы и вторичные обмотки трансформаторных модулей в этом же трансформаторном блоке соединены вместе между блочными клеммами второй группы.
В некоторых вариантах описанного выше модульного силового трансформатора каждый трансформаторный блок весит не больше 40 тонн. В некоторых вариантах первичные обмотки трансформаторных модулей в одном трансформаторном блоке соединены вместе параллельно, последовательно или в соответствии с комбинацией параллельного и последовательного соединений. В некоторых вариантах описанного выше трансформатора по меньшей мере один из трансформаторных модулей содержит первую первичную обмотку, вторую первичную обмотку, третью первичную обмотку, четвертую первичную обмотку, первую вторичную обмотку, вторую вторичную обмотку, третью вторичную обмотку и четвертую вторичную обмотку, напряжения на первой первичной обмотке, второй первичной обмотке, третьей первичной обмотке и четвертой первичной обмотке соотносятся как 5:1:1:5, и напряжения на первой вторичной обмотке, второй вторичной обмотке, третьей вторичной обмотке и четвертой вторичной обмотке соотносятся как 5:1:1:5. В некоторых вариантах по меньшей мере один из трансформаторных модулей содержит первую первичную обмотку, вторую первичную обмотку, третью первичную обмотку, четвертую первичную обмотку, первую вторичную обмотку и вторую вторичную обмотку, напряжения на первой первичной обмотке, второй первичной обмотке, третьей первичной обмотке и четвертой первичной обмотке соотносятся как 5:1:1:5, и напряжения на первой вторичной обмотке и второй вторичной обмотке соотносятся как 1:1. В некоторых вариантах по меньшей мере один из трансформаторных модулей содержит первую первичную обмотку, вторую первичную обмотку, третью первичную обмотку, четвертую первичную обмотку и вторичную обмотку, напряжения на первой первичной обмотке, второй первичной обмотке, третьей первичной обмотке и четвертой первичной обмотке соотносятся как 5:1:1:5. В некоторых вариантах по меньшей мере один из трансформаторных модулей содержит первую первичную обмотку, вторую первичную обмотку, третью первичную обмотку, четвертую первичную обмотку, пятую первичную обмотку, шестую первичную обмотку, первую вторичную обмотку, вторую вторичную обмотку, третью вторичную обмотку, четвертую вторичную обмотку, пятую вторичную обмотку и шестую вторичную обмотку, напряжения на первой первичной обмотке, второй первичной обмотке, третьей первичной обмотке, четвертой первичной обмотке, пятой первичной обмотке и шестой первичной обмотке соотносятся как 1:1:1:1:1:1, и напряжения на первой вторичной обмотке, второй вторичной обмотке, третьей вторичной обмотке, четвертой вторичной обмотке, пятой вторичной обмотке и шестой вторичной обмотке соотносятся как 1:1:1:1:1:1. В некоторых вариантах по меньшей мере один из трансформаторных модулей содержит первую первичную обмотку, вторую первичную обмотку, третью первичную обмотку, четвертую первичную обмотку, пятую первичную обмотку, шестую первичную обмотку, первую вторичную обмотку и вторую вторичную обмотку, напряжения на первой первичной обмотке, второй первичной обмотке, третьей первичной обмотке, четвертой первичной обмотке, пятой первичной обмотке и шестой первичной обмотке соотносятся как 1:1:1:1:1:1, и напряжения на первой вторичной обмотке и второй вторичной обмотке соотносятся как 1:1. В некоторых вариантах по меньшей мере один из трансформаторных модулей содержит первую первичную обмотку, вторую первичную обмотку, третью первичную обмотку, четвертую первичную обмотку, пятую первичную обмотку, шестую первичную обмотку и первую вторичную обмотку, напряжения на первой первичной обмотке, второй первичной обмотке, третьей первичной обмотке, четвертой первичной обмотке, пятой первичной обмотке и шестой первичной обмотке соотносятся как 1:1:1:1:1:1. В некоторых вариантах один или более из указанной совокупности нескольких блоков содержит модуль с гибким полным сопротивлением или гибким напряжением.
Еще один объект изобретения представляет собой способ сборки модульного силового трансформатора, содержащий: выбор множества трансформаторных модулей из ряда стандартизированных трансформаторных модулей, каждый стандартизированный трансформаторный модуль содержит первичную обмотку, вторичную обмотку и сердечник; сборку множества трансформаторных блоков путем соединения групп из выбранных множества трансформаторных модулей, так что вес каждого трансформаторного блока не превышает 40 тонн; транспортировку каждого трансформаторного блока по отдельности в удаленный пункт; и подключение всех трансформаторных блоков в указанном удаленном пункте между источником энергии переменного тока и нагрузкой.
В некоторых вариантах приведенного выше способа ряд стандартизированных трансформаторных модулей содержит первый стандартизированный трансформаторный модуль, содержащий первую первичную обмотку, вторую первичную обмотку, третью первичную обмотку, четвертую первичную обмотку, первую вторичную обмотку, вторую вторичную обмотку, третью вторичную обмотку и четвертую вторичную обмотку, напряжения на первой первичной обмотке, второй первичной обмотке, третьей первичной обмотке и четвертой первичной обмотке соотносятся как 5:1:1:5, и напряжения на первой вторичной обмотке, второй вторичной обмотке, третьей вторичной обмотке и четвертой вторичной обмотке соотносятся как 5:1:1:5. В некоторых вариантах ряд стандартизированных трансформаторных модулей содержит второй стандартизированный трансформаторный модуль, содержащий первую первичную обмотку, вторую первичную обмотку, третью первичную обмотку, четвертую первичную обмотку, первую вторичную обмотку и вторую вторичную обмотку, напряжения на первой первичной обмотке, второй первичной обмотке, третьей первичной обмотке и четвертой первичной обмотке соотносятся как 5:1:1:5, и напряжения на первой вторичной обмотке и второй вторичной обмотке соотносятся как 1:1. В некоторых вариантах ряд стандартизированных трансформаторных модулей содержит второй стандартизированный трансформаторный модуль, содержащий первую первичную обмотку, вторую первичную обмотку, третью первичную обмотку, четвертую первичную обмотку и вторичную обмотку, напряжения на первой первичной обмотке, второй первичной обмотке, третьей первичной обмотке и четвертой первичной обмотке соотносятся как 5:1:1:5. В некоторых вариантах ряд стандартизированных трансформаторных модулей содержит первый стандартизированный трансформаторный модуль, содержащий первую первичную обмотку, вторую первичную обмотку, третью первичную обмотку, четвертую первичную обмотку, пятую первичную обмотку, шестую первичную обмотку, первую вторичную обмотку, вторую вторичную обмотку, третью вторичную обмотку, четвертую вторичную обмотку, пятую вторичную обмотку и шестую вторичную обмотку, напряжения на первой первичной обмотке, второй первичной обмотке, третьей первичной обмотке, четвертой первичной обмотке, пятой первичной обмотке и шестой первичной обмотке соотносятся как 1:1:1:1:1:1, и напряжения на первой вторичной обмотке, второй вторичной обмотке, третьей вторичной обмотке, четвертой вторичной обмотке, пятой вторичной обмотке и шестой вторичной обмотке соотносятся как 1:1:1:1:1:1. В некоторых вариантах ряд стандартизированных трансформаторных модулей содержит второй стандартизированный трансформаторный модуль, содержащий первую первичную обмотку, вторую первичную обмотку, третью первичную обмотку, четвертую первичную обмотку, пятую первичную обмотку, шестую первичную обмотку, первую вторичную обмотку и вторую вторичную обмотку, напряжения на первой первичной обмотке, второй первичной обмотке, третьей первичной обмотке, четвертой первичной обмотке, пятой первичной обмотке и шестой первичной обмотке соотносятся как 1:1:1:1:1:1, и напряжения на первой вторичной обмотке и второй вторичной обмотке соотносятся как 1:1. В некоторых вариантах ряд стандартизированных трансформаторных модулей содержит второй стандартизированный трансформаторный модуль, содержащий первую первичную обмотку, вторую первичную обмотку, третью первичную обмотку, четвертую первичную обмотку, пятую первичную обмотку, шестую первичную обмотку и первую вторичную обмотку, напряжения на первой первичной обмотке, второй первичной обмотке, третьей первичной обмотке, четвертой первичной обмотке, пятой первичной обмотке и шестой первичной обмотке соотносятся как 1:1:1:1:1:1.
В то время, как настоящее изобретение было проиллюстрировано и описано подробно на чертежах и в приведенном выше описании, эти чертежи и описание следует считать только иллюстративными и никак не ограничивающими по своей природе, понятно, что были показаны и описаны только некоторые примеры вариантов и что все изменения и модификации, которые укладываются в пределы смысла настоящего изобретения подлежат защите. Следует понимать, что хотя применение таких слов, как «предпочтительный», «предпочтительно», «предпочтенный» или «более предпочитаемый», используемых в приведенном выше описании, указывает, что описываемый таким термином признак может быть более желательным, тем не менее, этот признак может не быть обязательным, и варианты, не имеющие этого признака, также могут рассматриваться как попадающие в пределы объема настоящего изобретения, как этот объем определен прилагаемой Формулой изобретения. При чтении этой Формулы изобретения следует понимать, что когда в ней используются такие слова как неопределенный артикль («некоторый», “a” “an”), «по меньшей мере один» или «по меньшей мере одна часть», это не имеет целью ограничить соответствующий пункт Формулы или Формулу изобретения в целом только одним объектом, если только в этом пункте специально не указано противоположное. Термин «из» или «с» (“of”) может иметь дополнительное значение ассоциации или соединения с другим объектом, равно как принадлежность другому объекту или присоединение к нему, как это следует из контекста, в котором применен этот термин. Термины «присоединен к», «соединен с» и другие подобные термины охватывают непрямое соединение или связь и дополнительно могут охватывать, но не требовать прямое соединение или связь, если только в явном виде не указано противоположное. Когда применяется термин «по меньшей мере часть» или «часть», рассматриваемый объект может содержать только часть и/или весь объект целиком, если только специально не указано противоположное.