ТРАНСФОРМАТОР С ЗАПОЛНЕНИЕМ СЖАТЫМ ВОЗДУХОМ

Полезная модель относится к электротехнике, к силовым трансформаторам и может быть использована в основном электротехническом оборудовании электростанций, подстанций, линий электропередачи.
Известны трансформаторы /1/ - электромагнитные статические преобразователи электрической энергии, имеющие две и более индуктивно связанных первичных и вторичных обмоток. Они служат для создания магнитного поля, посредством которого осуществляется передача электрической энергии от первичной обмотки к вторичной. Магнитопровод служит для усиления магнитной связи между обмотками. Трансформаторы заполнены маслом, которое является изолирующей и охлаждающей средой.
Однако такие трансформаторы являются пожаро-взрывоопасным оборудованием, а также представляют определенную экологическую проблему, связанную с утилизацией масла.
Известны трансформаторы с заполнением синтетическими жидкостями 121, которые имеют более высокую температуру воспламенения. Однако это не снимает полностью проблему пожарной и взрывобезопасности и остается проблема экологии.
Известны трансформаторы с газовой изоляцией /3/, заключенные в металлический бак, внутри которого расположены магнитопровод и обмотки. Охлаждение трансформатора осуществляется принудительной циркуляцией газа. Газ нагнетается в бак трансформатора нагнетателем и он, протекая по каналам магнитопровода и обмоток, охлаждает их. Передача тепла в окружающую среду осуществляется охладителем. В качестве охлаждающего и изолирующего газа используется элегаз (SF6).
Прототипом предлагаемого трансформатора является трансформатор с элегазовой изоляцией /4/. Трансформатор содержит размещенные в герметичном металлическом корпусе магнитопровод, две и более индуктивно связанных вторичных обмоток. Охлаждение обмоток и магнитопровода осуществляется принудительной циркуляцией газа. Внешний контур элегаза состоит из нагнетателя газа и охладителя, отводящего тепло в окружающую среду. Такой трансформатор пожаро-взрывобезопасен, однако значительное количество элегаза в трансформаторе создает определенную проблему экологии. Элегаз - инертный газ, однако в случае его утечки вследствие разгерметизации бака трансформатора он создает проблему для персонала подстанции, поскольку такой трансформатор, как правило, располагается в силу своего пожаро-взрывобезопасности в закрытых помещениях. Кроме того, элегаз является парниковым газом, который негативно влияет на атмосферу земли (Киотский протокол, Парижское соглашение).
Техническим результатом изобретения является достижение абсолютной экологичности трансформатора путем замены элегаза сжатым воздухом при сохранении пожаро-взрывобезопасности.
Технический результат достигается за счет того, что воздух из окружающей среды нагнетается компрессором в бак трансформатора до требуемого давления. Давление воздуха выбирается таким, чтобы основные технические характеристики трансформатора были эквивалентны техническим характеристикам трансформаторов с масляным заполнением или элегазовых трансформаторов.
Основными техническими задачами при создании трансформатора являются:
обеспечение требований к изоляции для данного класса напряжения;
обеспечение номинальной мощности трансформатора.
С целью удовлетворения электрической прочности изоляции трансформатора нормированным испытательным напряжениям выбор давления воздуха основывается на расчете начальных напряжений частичных разрядов, а также на расчете развития электрического разряда в изоляционных промежутках трансформатора на основе имеющихся экспериментальных данных и данных о механизме развития разряда в сжатом воздухе. Поскольку электрическая прочность сжатого воздуха зависит от чистоты и влажности воздуха необходимо выполнять мероприятия по очистке воздуха от загрязнений и по осушке воздуха.
Для обеспечения требуемой мощности необходимо рассматривать процессы теплопередачи в обмотках трансформатора и охладителе. Коэффициент теплопередачи является функцией давления газа и его скорости. Газодинамический и тепловой расчеты обмоток трансформатора и охладителя позволяют определить то давление воздуха, которое обеспечит требуемую мощность трансформатора.
По результатам расчетов по пп. 1 и 2 выбирается давление воздуха (наибольшее).
Вариант конкретного исполнения трансформатора иллюстрируется рисунками.
На фиг. 1 показан общий вид трансформатора. В баке трансформатора 1 расположены магнитопровод и обмотки (первичная и вторичные). Во внешнем контуре расположены нагнетатели 2, охладители 3, а также газовые затворы 4. Кроме того во внешнем контуре может быть предусмотрен фильтр-осушитель для очистки воздуха. Имеется также устройство регулирования напряжения под нагрузкой 5.
На фиг. 2 показан разрез бака трансформатора. Пространство бака разделено экраном 6, в баке размещены обмотки и магнитопровод 7.
В рабочем режиме сжатый воздух от нагнетателя подается в пространство под экраном 6, который поднимается вверх по каналам в магнитопроводе и обмотках высокого напряжения и низкого напряжения 7. Далее воздух через выходное отверстие поступает во внешний контур 8 по газопроводу к охладителю, в котором отдает накопленное тепло во внешнюю среду, и далее нагнетателем направляется опять в пространство под экран 6.
3
Скорость движения воздуха определяется характеристиками нагнетателя и газодинамическим сопротивлением трансформатора и охладителя. На фиг. 3 показаны зависимости газодинамических сопротивлений от расхода газа трансформатора, охладителя и нагнетателя. В точке пересечения характеристики нагнетателя и суммарного газодинамического сопротивления трансформатора и охладителя определяется расход газа в м/с. Далее, в зависимости от сечений каналов магнитопровода и обмоток, определяются скорости в этих каналах и в охладителе. По тепловой характеристике охладителя для известной скорости газа и мощности потерь трансформатора определятся температура газа на входе и выходе охладителя. Тепловой расчет трансформатора для известных скоростей потока газа в каналах и его температуры на входе в трансформатор определяет максимальные температуры проводников катушек и температуру магнитопровода.
Изоляционные характеристики различных узлов трансформатора определяются расчетом на основе экспериментально определенной и известной зависимости коэффициента ионизации воздуха от давления газа, а также экспериментально определенных характеристик основных изоляционных промежутков трансформатора.
Список используемых источников информации:
1. А.В. Сапожников, Конструктирование трансформаторов, 1959г., Госэнергоиздат.
2. Z.D. Wang, Q. Liu, X. Wang and others. Ester insulating liquids for power transformers, OGRE 2012, A2-209.
3. Патент JP 2011077385 2011.04.14
4. Гура Ю.Л. «Силовой трансформатор с элегазовым заполнением», Электрик, №1-2, 2009.