СУХОЙ ТРАНСФОРМАТОР ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области электротехники, в частности, к трансформаторостроению, и может найти применение в сухих трансформаторах класса напряжения ПО кВ и выше с регулированием напряжения.
Известно техническое решение по трансформатору с регулированием напряжения, применяемое для класса напряжения 110 кВ и выше (Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов: Учеб. Пособие для вузов. - 5-е изд., перераб. и доп. - М: Энергоатомиздат, 1986, стр. 528) - [1], в котором трансформатор содержит магнитопровод и не менее трех обмоток, концентрически расположенных на стержне магнитопровода, первая из которых - обмотка низшего напряжения (НН), вторая - обмотка высшего напряжения (ВН) с линейным отводом в середине высоты, третья - регулировочная обмотка (РО), имеющая в средней своей части свободную от витков зону для прохода линейного отвода обмотки ВН; обмотка ВН трехфазного трансформатора соединена в звезду с выведенной нейтралью, регулирование напряжения выполняют в нейтрали обмотки ВН. В этом техническом решении нижнюю часть линейного высоковольтного ввода обмотки ВН, как правило, располагают снаружи обмоток ВН и РО - в промежутке между обмоткой РО и заземленной стенкой бака (кожуха). При работе трансформатора напряжение обмотки РО, а также напряжение между обмотками РО соседних фаз (в случае трехфазного трансформатора) оказывается невелико (соответствует диапазону регулирования напряжения). Применительно к трехфазному трансформатору это позволяет сделать изоляционные промежутки между наружной обмоткой РО и заземленной стенкой бака (кожуха), а также между обмотками РО соседних фаз сравнительно небольшими, что является преимуществом этого технического решения.
Недостатком технического решения [1] является то, что при работе трансформатора между частями обмотки РО и линейным отводом обмотки ВН в месте его прохода сквозь обмотку РО, между обмоткой РО и нижней частью линейного высоковольтного ввода обмотки ВН, а также между нижней частью линейного высоковольтного ввода обмотки ВН и заземленной стенкой бака (кожуха) напряжение близко к фазному напряжению стороны ВН, что требует соответствующих изоляционных расстояний, увеличивающих габариты трансформатора в целом.
Известно техническое решение по трансформатору с регулированием напряжения (RU 106436 U1, МПК: H01F 29/02, H01F 27/32, опубл. 10.07.2011) - [2], предназначенное, в том числе, для применения в сухих трансформаторах класса напряжения 110 кВ, в котором концентр регулировочной обмотки располагается ближайшим к концентру обмотки низшего напряжения (НН) и один из этих двух концентров расположен ближайшим к стержню магнитопровода. Таким образом, обмотка ВН оказывается наружной по расположению, и в этом случае отсутствует упоминаемый выше изоляционный промежуток между линейным концом (отводом) обмотки ВН и обмоткой РО, а также промежуток между обмоткой РО и нижней частью высоковольтного ввода, рассчитанные на фазное напряжение.
Недостатком расположения обмоток согласно [2] в трехфазном трансформаторе является то, что напряжение между обмотками соседних фаз (наружными обмотками ВН) при его работе оказывается равным линейному напряжению стороны ВН, что требует применения достаточно больших изоляционных промежутков между обмотками этих соседних фаз. Кроме того, в этом техническом решении необходимо обеспечить изоляцию отводов обмотки РО относительно магнитопровода и обмотки НН.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является техническое решение (SU 890456 A1, МПК: H01F 27/28, опубл. 15.12.1981) - [3], в котором трансформатор содержит магнитопровод, на стержне которого концентрически размещены обмотки, не менее двух, одна из которых внутренняя с линейным отводом в середине осевого размера, а другая -наружная, имеющая для прохода линейного отвода внутренней обмотки свободную от витков зону, в которой расположен электростатический экран с закругленной поверхностью, обращенной к линейному отводу, и барьерную изоляцию между обмотками, состоящую из цилиндров изоляционных элементов на линейном отводе и барьеров на экране, отличающееся тем, что с целью снижения материалоемкости, трудоемкости и потерь электроэнергии в зоне, свободной от витков наружной обмотки, выполнен электростатический экран в виде кольца, расположенного концентрически на линейном отводе внутренней обмотки.
Недостатком решения [3] является то, что в нем, как и в других рассмотренных выше технических решениях, место электрического соединения линейного отвода обмотки ВН и высоковольтного ввода или концевой кабельной муфты расположено за пределами обмоток, потому требуется обеспечить изоляционные промежутки от наружной обмотки и стенки бака (кожуха) до нижней части высоковольтного ввода или наконечника концевой кабельной муфты, которые необходимо выполнять на фазное напряжение. Применительно к сухим трансформаторам класса напряжения 110 кВ с воздушно-барьерной изоляцией использование такого технического решения приводит к значительным габаритам трансформатора в целом и снижению его технико-экономических показателей.
Технической задачей полезной модели является создание конструкции сухого трансформатора высокого напряжения, позволяющей исключить изоляционный промежуток от внешней поверхности наружной обмотки до нижней части высоковольтного ввода или наконечника концевой кабельной муфты и сократить изоляционный промежуток от заземленной стенки бака (кожуха) до нижней части высоковольтного ввода или наконечника концевой кабельной муфты.
Технический результат, достигаемый в полезной модели, состоит в снижении массогабаритных показателей сухого трансформатора высокого напряжения без снижения при этом электрической прочности его внутренней изоляции.
Поставленная задача решается благодаря тому, что:
- в сухом трансформаторе высокого напряжения по варианту 1, содержащем магнитопровод по крайней мере с одним стержнем, на котором концентрически расположены не менее двух обмоток, одна из которых внутренняя высшего напряжения с линейным отводом в середине высоты, а другая - наружная регулировочная обмотка выполнена со свободной от витков зоной для прохода линейного отвода внутренней обмотки высшего напряжения, и по крайней мере один высоковольтный ввод, при этом линейный отвод внутренней обмотки высшего напряжения имеет электростатический экран, предложено согласно настоящей полезной модели установить высоковольтный ввод под углом к плоскости, перпендикулярной оси стержня магнитопровода, разместить нижнюю часть высоковольтного ввода на уровне свободной от витков зоны наружной регулировочной обмотки и охватить электростатическим экраном место электрического присоединения линейного отвода внутренней обмотки высшего напряжения к нижней части высоковольтного ввода;
- в сухом трансформаторе высокого напряжения по варианту 2, содержащем магнитопровод по крайней мере с одним стержнем, на котором концентрически расположены не менее двух обмоток, одна из которых внутренняя высшего напряжения с линейным отводом в середине высоты, а другая - наружная регулировочная обмотка выполнена со свободной от витков зоной для прохода линейного отвода внутренней обмотки высшего напряжения, и по крайней мере одну концевую кабельную муфту высокого напряжения с наконечником, при этом линейный отвод внутренней обмотки высшего напряжения имеет электростатический экран, предложено согласно настоящей полезной модели установить концевую кабельную муфту под углом к плоскости, перпендикулярной оси стержня магнитопровода, разместить наконечник концевой кабельной муфты на уровне свободной от витков зоны наружной регулировочной обмотки и охватить электростатическим экраном место электрического присоединения линейного отвода внутренней обмотки высшего напряжения к наконечнику концевой кабельной муфты.
Технический результат предлагаемого устройства определяется следующим. В традиционных трансформаторах класса напряжения ПО кВ и выше, в отличие от предлагаемого решения, нижние части высоковольтных вводов или наконечники концевых кабельных муфт высокого напряжения размещают снаружи всех обмоток. При традиционном расположении обмоток на магнитном стержне в порядке НН-ВН-РО в таком случае требуется обеспечение необходимых изоляционных расстояний снаружи от обмотки РО до нижней части высоковольтного ввода или наконечника концевой кабельной муфты, а также до линейного отвода обмотки ВН, соединенного с нижней частью высоковольтного ввода или наконечником кабельной муфты, а также от нижней части высоковольтного ввода или наконечника концевой кабельной муфты до заземленной стенки бака (кожуха).
Установка высоковольтного ввода (концевой кабельной муфты) под углом к плоскости, перпендикулярной оси стержня магнитопровода, и размещение нижней части высоковольтного ввода (наконечника концевой кабельной муфты) на уровне свободной от витков зоны наружной обмотки позволяет исключить изоляционный промежуток между наружной поверхностью внешней обмотки и нижней частью высоковольтного ввода (наконечником концевой кабельной муфты) и сократить изоляционный промежуток между нижней частью высоковольтного ввода (наконечником концевой кабельной муфты) и заземленной стенкой бака (кожуха), что позволяет значительно сократить габариты трансформатора в целом и повысить технико-экономические показатели сухих трансформаторов класса напряжения 110 кВ и выше.
Для дополнительного сокращения изоляционных промежутков без снижения электрической прочности изоляции, место электрического соединения нижней части высоковольтного ввода или наконечника концевой кабельной муфты и линейного отвода внутренней обмотки высшего напряжения закрыто электростатическим экраном.
Сопоставительный анализ предлагаемых вариантов сухого трансформатора высокого напряжения с известными устройствами аналогичного назначения и отсутствие описания таковых в известных источниках информации позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемой полезной модели критерию «новизна».
На фиг. 1 и 2 схематично показан вариант предлагаемой конструкции сухого трансформатора высокого напряжения, выполненной согласно п.1 формулы полезной модели; на фиг. 1 показан вид сбоку, сечение выполнено по оси стержня магнитопровода в плоскости, перпендикулярной продольной оси магнитопровода; на фиг. 2 показан вид сверху и сечение в плоскости «А-А», перпендикулярной оси стержня магнитопровода.
На фиг. 3 схематично показан вариант предлагаемой конструкции сухого трансформатора высокого напряжения, выполненной согласно п.2 формулы полезной модели - вид сбоку, сечение выполнено по оси стержня магнитопровода в плоскости, перпендикулярной продольной оси магнитопровода.
В сухом трансформаторе высокого напряжения по варианту 1, показанному на фиг. 1 и 2, элементы конструкции обозначены следующим образом:
1 - магнитопровод;
2 - стержень магнитопровода 1;
3 - обмотка низшего напряжения НН;
4 - обмотка высшего напряжения ВН;
5 - регулировочная обмотка РО;
6 - заземленный кожух;
7 - высоковольтный ввод;
8 - плоскость, перпендикулярная оси стержня 2 магнитопровода 1;
9 - нижняя часть высоковольтного ввода 7;
10 - линейный отвод обмотки ВН;
11 - электростатический экран.
Сухой трансформатор высокого напряжения на Фиг. 1 и 2 имеет магнитопровод 1 по крайней мере с одним стержнем 2 и по крайней мере одним высоковольтным вводом 7, при этом число высоковольтных вводов 7 соответствует числу линейных отводов 10 обмоток высшего напряжения ВН4. По крайней мере на части стержней 2 магнитопровода 1 концентрически расположены обмотки - обмотка низшего напряжения НН 3, обмотка высшего напряжения ВН4 и регулировочная обмотка РО 5. В регулировочной обмотке РО 5 имеется свободная от витков зона («разрыв»). Высоковольтный ввод 7 установлен под углом α к плоскости 8, перпендикулярной оси стержня 2 магнитопровода 1, так, что конец его нижней части 9 расположен в свободной от витков зоне «разрыве» обмотки РО 5 на уровне линейного отвода 10 обмотки ВН 4, электрически присоединенного к нижней части 9 высоковольтного ввода 7. Для выравнивания электрического поля и обеспечения высокой электрической прочности в нижней части 9 высоковольтного ввода 7 установлен электростатический экран 11 с большим радиусом кривизны, который при этом экранирует место электрического соединения линейного отвода 10 обмотки ВН 4 и нижней части 9 высоковольтного ввода 7.
Другой вариант конструкции сухого трансформатора высокого напряжения, выполненной согласно п.2 формулы полезной модели (фиг. 3), отличается тем, что подключение сухого трансформатора к сети высокого напряжения может предусматривать по крайней мере один силовой кабель высокого напряжения 12, заканчивающийся со стороны трансформатора по крайней мере одной концевой кабельной муфтой 13. При этом концевая кабельная муфта 13 установлена под углом α к плоскости 8, перпендикулярной оси стержня 2 магнитопровода 1, так, что ее наконечник 14 расположен в свободной от витков зоне («разрыве») обмотки РО 5 на уровне линейного отвода 10 обмотки ВН 4, электрически присоединенного к наконечнику 14 кабельной муфты 13. Для выравнивания электрического поля и обеспечения высокой электрической прочности в области расположения наконечника 14 кабельной муфты 13 кабеля высокого напряжения 12 установлен электростатический экран 11 с большим радиусом кривизны, который при этом экранирует место электрического соединения линейного отвода 10 обмотки ВН 4 и концевой кабельной муфты 13.
Угол установки α высоковольтного ввода 7 или концевой кабельной муфты 13 относительно плоскости 8 зависит от конкретного исполнения регулировочной обмотки РО 5, определяется исходя из условия обеспечения необходимых изоляционных расстояний от нижней части 9 высоковольтного ввода 7 или наконечника 14 концевой кабельной муфты 13 до регулировочной обмотки РО 5 и заземленной стенки бака (кожуха) 6. Оптимальные величины угла α находятся в диапазоне от 0 до 60°. Примеры реализации, показанные на фиг. 1 и 3 (варианты конструкции), характеризуются углом α=35°.
При работе сухого трансформатора высокого напряжения по пунктам 1 и 2 формулы полезной модели напряжение на линейном отводе 10 обмотки ВН 4 и электрически соединенной с ним нижней части 9 высоковольтного ввода 7 или наконечнике 14 концевой кабельной муфты 13 равно фазному напряжению стороны высшего напряжения трансформатора. Поскольку обмотка ВН 4, как правило, соединена в звезду с выведенной нейтралью, а регулирование напряжения выполняют в нейтрали обмотки ВН 4, напряжение на обмотке РО 5 оказывается невелико и определяется диапазоном регулирования напряжения на стороне высшего напряжения. Таким образом, разность потенциалов между нижней частью 9 высоковольтного ввода 7 или наконечника 14 концевой кабельной муфты 13 и обмоткой РО 5 практически равна фазному напряжению стороны высшего напряжения, что требует применения соответствующих изоляционных расстояний. Располагая нижнюю часть 9 высоковольтного ввода 7 или наконечник 14 концевой кабельной муфты 13 в «разрыве» обмотки РО 5 можно существенно сократить длину линейного отвода 10 обмотки ВН 4 и исключить наличие токоведущих частей, находящихся под фазным напряжением и расположенных снаружи обмотки РО 5. Как следствие, такое расположение позволяет сократить габаритные размеры сухого трансформатора высокого напряжения в целом без снижения электрической прочности его внутренней изоляции.
При работе трансформатора наличие металлических частей с острыми кромками в месте электрического соединения линейного отвода 10 обмотки ВН 4 и нижней части 9 высоковольтного ввода 7 или наконечника 14 концевой кабельной муфты 13 может привести к усилению напряженности электрического поля и возникновению локальных очагов коронного разряда. Размещая по крайней мере часть линейного отвода 10 обмотки ВН 4 и место электрического соединения линейного отвода 10 обмотки ВН 4 с нижней частью 9 высоковольтного ввода 7 или наконечником 14 концевой кабельной муфты 13 внутри электростатического экрана 11 с большим радиусом кривизны, можно обеспечить существенное снижение напряженности и выравнивание электрического поля, исключить появление локальных очагов коронного разряда и повысить электрическую прочность внутренней изоляции предлагаемого сухого трансформатора.