ПРОВОД ОБМОТОЧНЫЙ ПОДРАЗДЕЛЕННЫЙ С ПРЯМОУГОЛЬНЫМИ МЕДНЫМИ ЖИЛАМИ

Область техники, к которой относится полезная модель.
Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована, например, в силовых электрических машинах (например, в обмотках силовых трансформаторов), в частности, в обмоточных подразделенных проводах с эмалевой изоляцией.
Уровень техники.
В современных силовых электрических устройствах, в частности в трансформаторах, широко используются эмалированные обмоточные провода, содержащие прямоугольные токопроводящие жилы, каждая из которых покрыта изоляционным слоем из изоляционного лака. Для обеспечения работы трансформатора указанные обмоточные провода должны выдерживать электродинамические механические нагрузки, возникающие в нем в результате взаимодействия магнитных полей, создаваемых токоведущими частями трансформатора при коротком замыкании.
Из уровня известен обмоточный подразделенный провод (патент РФ №69307, опубл. 10.12.2007), содержащий медные прямоугольные токопроводящие жилы, сопряженные большей стороной друг с другом. Каждая жила покрыта слоем изоляции из электроизоляционного лака, а все жилы покрыты общим слоем изоляции из электроизоляционной бумаги. Недостатком технического решения является относительно невысокая механическая прочность междужильного сцепления, что приводит к нежелательным смещениям жил (и повреждению трансформаторных обмоток) при больших электродинамических нагрузках, возникающих при коротком замыкании.
Известно техническое решение (Патент РФ №186329, опубл. 16.01.2019) - транспонированный обмоточный провод. Он содержит не менее 5 прямоугольных проводников (жил) с эмалевым изоляционным покрытием и клеящим эпоксидным покрытием. По всей длине проводники изменяют свое положение в проводе по прямоугольному контуру. Провод имеет также охватывающую все жилы изоляцию. Клеящее эпоксидное покрытие в виде полосы занимает не более 80% поверхности каждой широкой стороны прямоугольного проводника. К недостаткам указанного технического решения относятся ограничение его использования для транспонированных проводов, причем в проводе согласно техническому решению минимум необходимо 5 жил, кроме того, распределение клеящего эпоксидного покрытия в виде полосы не оптимизировано с учетом формы типичной прямоугольной жилы, имеющей обычно скругленные углы.
Ближайшим аналогом полезной модели (прототипом) является техническое решение (см. международная заявка WO 1998014964 A1, опубликована 09.04.1998) - многожильный подразделенный провод для обмоток электрических машин и устройств. Провод обмоточный содержит прямоугольные токопроводящие медные жилы, каждая из которых покрыта слоем эмалевой изоляции и имеет сопряженную продольную сторону с соответствующей стороной соседней жилы, при этом в области сопряжения вышеуказанных сопряженных сторон между ними выполнена протяженная по длине жилы область в виде полосы из эпоксидного покрытия, обеспечивающая адгезионное соединение указанных сопряженных сторон. Все жилы охвачены общим слоем изоляции, выполненным из электроизоляционной бумаги. Площадь покрытия смолой составляет примерно 80-95% контактной поверхности (т.е. ширина области с эпоксидным покрытием составляет примерно 95-80% от ширины контактной поверхности, а краевая область контактных площадок жил свободна от эпоксидного покрытия). К недостаткам указанного технического решения относится недостаточно точная оптимизации положения полосы из эпоксидного покрытия относительно краев сопряженной области, недостаточно точная оптимизация площади контактной поверхности (по ширине), не учитывающая особенности реальной геометрии прямоугольных жил (наличие у нее скругленных краев заданного радиуса) и толщину эпоксидного покрытия. Это может привести к повышению вероятности возникновения частичных разрядов на обмотках при коротком замыкании на выдавленных (при сборке провода и в процессе эксплуатации) микрочастицах эпоксидной смолы (из-за избыточной ширины области с эпоксидной смолой). Также в указанном техническом решении не достаточно высока и адгезионная прочность между жилой (поверхностью медной основы) и изоляционным слоем в условия нагрева обмотки выше 95°С. Указанные факторы снижают стойкость обмотки электрической машины к динамическим силам, возникающим при коротком замыкании в цепи и снижают соответственно рабочий ресурс электрической машины.
Раскрытие сущности полезной модели
Задачей настоящей полезной модели является повышение электродинамической стойкости силовых электрических машин, использующих обмоточные подразделенные провода (обмотки) с эмалевой изоляцией и прямоугольными токопроводящими жилами. В частности, необходимо такое улучшение прочностных характеристик обмоток силовых трансформаторов при высоких температурах, которое позволяет трансформатору работать длительное время без повреждений, даже в условиях больших электродинамических сил, возникающих в обмотках в результате взаимодействия магнитных полей, создаваемых при коротком замыкании.
Основным техническим результатом полезной модели является увеличение срока службы обмоточного подразделенного провода с прямоугольными медными жилами (при его использовании в силовых обмотках электрических машин) за счет увеличения механической прочности кабельной обмотки при высокой температуре (прежде всего при температурах свыше 90°С) (снижения вероятности деформации обмотки) и одновременном повышении уровня электрической изоляции (электрической прочности) провода. Дополнительным преимуществом указанного полезной модели является одновременное достижение (с основным техническим результатом) эффекта снижения количества нежелательных скоплений эпоксидного лака на скругленных краях жил. Это позволяет не только снизить вероятность коронного разряда - т.е. сохранить и/или повысить электрическую прочность кабеля, но и обеспечить снижение расхода эпоксидных материалов и снижения габаритных размеров обмоточного провода с прямоугольными медными жилами. Кроме того, указанные провода обладают меньшим разбросом величины механической прочности, т.е. более стабильными воспроизводимыми параметрами механической прочности. Положительным дополнительным техническим эффектом является и повышение электрической прочности изоляции в условиях действия больших электродинамических сил и тепловых нагрузок, возникающих при коротком замыкании в цепи силовой электрической машины.
Для достижения заявленного технического результата разработан новый обмоточный подразделенный провод с прямоугольными медными жилами. Каждая жила покрыта слоем эмалевой изоляции и имеет продольную сторону, сопряженную с соответствующей стороной соседней жилы. Между ними в области сопряжения указанных сторон выполнена протяженная по длине жилы область в виде полосы из эпоксидного покрытия, обеспечивающая адгезионное соединение вышеуказанных сторон. Все жилы охвачены общим слоем изоляции, выполненным из электроизоляционной бумаги. Число прямоугольных токопроводящих медных жил не более 4.
Полоса с эпоксидным покрытием имеет следующие характеристики. Края полосы с эпоксидным покрытием равноудалены от соответствующих краев сопряженной области. Ширина каждой полосы эпоксидного покрытия W=(Z-2*r)*K, где K - эмпирический безразмерный коэффициент, удовлетворяющий условию 0.6≤K≤0.8, Z - заданная ширина каждой прямоугольной токопроводящей медной жилы, r - радиус закругленных углов прямоугольной жилы, при этом выполнено условие 0<r<Z/4. Толщина полосы из эпоксидного покрытия h, при этом выполнено условие 0.015 мм≤h≤0.025 мм. В проводе обмоточном Z и r может удовлетворять соответственно условиям 0.3 мм≤r≤1.25 мм, 3 мм≤Z≤20 мм, а высота прямоугольной токопроводящей медной жилы Н может удовлетворять условию 0,8 мм≤Н≤6.0 мм.
Слой эмалевой изоляции может быть выполнен из смол на основе поливинилформаля. Между слоем эмалевой изоляции и поверхностью медной основы каждой вышеуказанной жилы может быть выполнен слой из смолы на основе ароматического полиамида толщиной от 0.003 до 0.008 мм. Вышеуказанное эпоксидное покрытие может содержать термореактивное эпоксидное связующее.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 Провод обмоточный подразделенный с прямоугольными медными жилами в сборе (поперечный разрез).
Фиг. 2 Прямоугольная медная жила с эпоксидным покрытием на сопряженной стороне (поперечный разрез).
Фиг. 3 Пример сравнительных испытаний механической прочности неоптимизированного провода (прототипа) и провода по заявленному техническому решению.
Осуществление полезной модели
На Фиг. 1 показан поперечный разрез обмоточный подразделенный провод 1 с двумя прямоугольными медными жилами 5 (в подразделенном проводе по определению жилы идут параллельно к другу). Каждая жила 5 покрыта слоем эмалевой изоляции 3. Высота жилы Н, ширина жилы Z, а r радиус закругленных углов (далее скруглений) прямоугольной жилы 6 (для каждой из четырех кромок жилы) (см. Фиг. 2). Жилы обращены широкими сторонами 7 и 8 друг к другу (т.е. выполнено стандартное сопряжение жил - широкими сторонами), иначе говоря, 7 это поверхность сопряженной стороны жилы 1, а 8 поверхность сопряженной стороны жилы 2. Ширина сопряженной области S (см. Фиг. 2) практически совпадает с шириной Z прямоугольной токопроводящей медной жилы (имеющих одинаковые размеры) для двух сопряженных жил, примыкающих своими сторонами друг к другу. Область сопряжения жил может быть ограничена сопряженными сторонами соседних жил и внутренней поверхностью электроизоляционной бумаги 2, охватывающей эти жилы. При этом в области сопряжения вышеуказанных сопряженных сторон - между ними есть протяженная по длине жилы область в виде полосы 4 из эпоксидного покрытия. Она обеспечивает адгезионное соединение между сопряженными сторонами жил. Края полосы с эпоксидным покрытием равноудалены от соответствующих краев сопряженной области с шириной S. Толщина полосы 4 эпоксидного покрытия h, а ее ширина W.
На Фиг 2. отмечена условная прямоугольная система координат с осями Ох и Оу с центром в точке О (расположенной в центре поперечного сечения жилы, через точку О проходит центральная ось симметрии жилы, которая будет перпендикулярна плоскости хОу). Полоса эпоксидного покрытия может иметь ось симметрии, совпадающую по направлению с центральной осью симметрии жилы. Эпоксидное покрытие (термореактивное эпоксидное связующее) имеет как необходимую адгезионную силу, и соответственно требуемую механическую прочность в случае короткого замыкания в силовых обмотках, выполненных из подразделенного провода. Кроме того, все жилы 5 охвачены общим слоем изоляции, выполненным из электроизоляционной бумаги 2, который плотно намотан поверх сборки, обеспечивая не только необходимый дополнительный уровень изоляции обмоток, но и необходимое дополнительное упрочнение сборки. В указанном многожильном проводе обеспечена повышенная механическая прочность и эпоксидное покрытие в нем (например, термореактивное эпоксидное связующее) имеет необходимую адгезионную силу, требуемую механическую прочность, дающую гарантию более длительной работы провода даже в случае короткого замыкания в обмотках.
Для увеличения прочности сцепления между изоляционными слоями соседних проводов требуется максимизировать площадь соприкосновения. В первом приближении ширина нанесения полосы эпоксидного лака может быть рассчитана по формуле. W=Z-2*r, где Z - ширина жилы, а r - радиус скруглений проводника. Однако надо учесть, что при воздействии давления на проводники в момент их склеивания, эпоксидная смола может выдавливаться на радиусные скругления. В этом случае возникают негативные эффекты, такие как возникновение частичных разрядов на выдавленных (на края сопряженной зоны шириной S) микрочастиц (комков) эпоксидной смолы. Поэтому необходимо дополнительно уменьшить ширину нанесения и подобрать оптимальную толщину эпоксидного слоя п. Опытным путем установлено, что растекание лака происходит примерно на 20-30%. Расположение краев полосы (с эпоксидным покрытием) должно быть равноудаленными от соответствующих краев сопряженной области. Неравномерность расположения разных краев (технологическая) полосы до 5-7% (т.е один край полосы ближе к краю сопряженной зоны, чем другой не более чем на 5-7%) допустима и считается, что равноудаленность сохраняется. Такое практически строгое симметричное расположение полосы по отношению к краям сопряженной зоны обеспечивает снижение неблагоприятных эффектов образования эпоксидных микрочастиц. С учетом обеспечения необходимой адгезионной прочности соединения сопряженных зон жил и минимизации вышеуказанных нежелательных эффектов была подобрана эмпирическая формула для оптимизации ширины нанесения такого эпоксидного слоя (для эпоксидной полосы с равноудаленными краями от краев сопряженной зоны и толщины эпоксидного покрытия h, 0.015 мм≤h≤0.025 мм). Ширина полосы эпоксидного покрытия W=(Z-2*r)*K, где K -эмпирический безразмерный коэффициент 0.6≤K≤0.8, Z - заданная ширина каждой прямоугольной токопроводящей медной жилы (стандартно одинаковых), r - радиус скруглений жилы, при этом выполнено условие 0<r<Z/4.
Отметим, что признак технического решения "число прямоугольных токопроводящих медных жил в подразделенном проводе не более 4 является необходимым для данного конструктивного решения. Это связано с тем, в частности с тем, что предлагаемая конструкция провода оптимизирована именно для проводов, содержащих не более 4 проводников. В случае случая большего количества проводов (и соответственно других взаимных расположений жил относительно друг друга (и с другой схемой расположения сопряженных строи) могут потребоваться другие конструктивные решения с другими параметрами эпоксидного покрытия (возможно, и другой толщины).
Изоляционный слой эмалевый слой для жил, достаточно часто выполняют из смол на основе поливинилформаля, так как этот материал обеспечивает стойкую и стабильную электрическую прочность изоляции в электроизоляционном масле. При этом недостатком является невысокая температурная стойкость. Температура стеклования поливинилформаля 85-95°С. При возникновении короткого замыкания в цепи трансформатора происходит резкое повышение температуры жилы провода, которое нагревает прилегающие к жиле слои изоляционного покрытия из поливинилформаля. Температура прилегающих слоев при этом доходит до 120°С и выше, в результате чего поливинилформаль размягчается и в определенной степени теряет адгезионную прочность. Для решения этой проблемы используют термореактивную смолу для эпоксидного покрытия в сочетании с нанесением тонкого слоя смолы на основе ароматического полиамида (толщиной от 0.003 до 0.008 мм), который дает улучшение адгезионного сцепления меди со слоем изоляции на 10%, (и повышение электрической прочности провода) а при повышении температуры свыше 90°С не происходит потери адгезии, за счет того что полиамидный слой имеет превосходную термостойкость с температурой размягчения около 180°С.
Таким образом, указанные модификации провода дополнительно содействует повышению увеличению срока службы обмоточного подразделенного провода с прямоугольными медными жилами (при его использовании в силовых обмотках электрических машин) за счет увеличения механической прочности кабельной обмотки. Подчеркнем что именно сочетание вышеуказанной смолы на основе ароматического полиамида с использованием термореактивного эпоксидного связующего, которое не расплавляется при повышении температуры даже свыше 90°С дополнительно гарантирует прочность провода склеивания при высоких температурах.
Пример осуществления полезной модели
Были проведены испытания разных вариантов обмоточного подразделенного провода с прямоугольными медными жилами (с 2, 3 и 4 жилами). Рабочие параметры медных жил выбирались с учетом ГОСТ 434-78 "Проволока прямоугольного сечения и шины медные для электрических целей технические условия" или IEC 60851-0-2. Использовалась в частности, вариант провода с проволокой медной мягкой (ПММ). Например, ПММ 0,80×3,00 мм. Рассматривались различные конструктивные варианты, включая вариант применения дополнительного слоя из смолы на основе ароматического полиамида толщиной от 0.003 до 0.008 мм и эпоксидного покрытия с термореактивным эпоксидным связующем. Испытания на прочность склеивания проводились с учетом ГОСТ IEC 60851-3-2016 "ПРОВОДА ОБМОТОЧНЫЕ Методы испытаний Часть 3 Механические свойства". Они показали, что для конструктивных вариантов провода в соответствии с настоящим техническим решением, происходит увеличение механической прочности (прочности склеивания) кабельной обмотки, использующей провод по настоящей полезной модели) при высоких температурах (см. Фиг. 3).
Испытания показали, что заявленное техническое решение обеспечивает увеличение динамической стойкости обмоток электрических машин во всем диапазоне температур до 120°С. Техническое решение обеспечивает также снижение габаритных размеров провода за счет отсутствия эпоксидного клеящего слоя на несопряженных сторонах провода (там, где отсутствует необходимость адгезионного соединения). Улучшается электрическая прочность изоляции, за счет отсутствия (или существенного снижения количества) неравномерных скоплений эпоксидного связующего (образующего эпоксидное покрытие) на ребрах и радиусах закругления. (В местах таких скоплений повышается вероятность возникновения коронных разрядов - ведущих к снижению электрической прочности).
В результате использования полезной модели наряду с ростом электрической прочности происходит существенное увеличение механической прочности (склеивания) проводников, которое требуется для увеличения стойкости обмотки электрической машины к динамическим силам, возникающим при коротком замыкании в цепи и предотвращении деформации обмотки. В целом происходит комплексное повышение факторов, обеспечивающих повышенные прочностные параметры провода - растут адгезионная прочность между жилой провода и изоляционным слоем, адгезионная прочность между изоляционным слоем и изоляционным слоем соседнего провода и обеспечивается сохранение прочностных параметров провода при повышении температуры свыше 90°С (по меньшей мере, до 130°С).