ТРАНСФОРМАТОР ДЛЯ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
TRANSFORMER FOR TRACTION SUBSTATIONS OF ALTERNATING CURRENT

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к трансформаторостроению, и может найти применение в трансформаторах для тяговых подстанций переменного тока.
Известен трехфазный силовой трансформатор для тяговых подстанций переменного тока, содержащий плоскую магнитную систему, обмотку, соединенную в звезду, линейные вводы которой предназначены для подключения к фазам питающей сети, обмотку, соединенную в треугольник, линейные вводы которой предназначены для подсоединения к двум однофазным потребителям энергии таким образом, что один ввод является общим для обеих нагрузок, а каждый из остальных вводов соединен с одной из нагрузок. При этом суммарное сечение проводов у каждой обмотки на всех фазах одинаково. (Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог / К.Г. Марквардт. - Учебник для вузов ж.-д. транспорта. - М.: Транспорт, 1982. - с. 24-25).
Указанный трансформатор для тяговых подстанций переменного тока рассчитывается из условия питания симметричной трехфазной нагрузки, то есть с равными мощностями по фазам. Поэтому конструкция и размеры обмоток на всех фазах одинаковы. При питании двух однофазных потребителей одна из фаз трансформатора нагружается меньше, чем другие две фазы. В этой связи, недостатками указанного трансформатора для тяговых подстанций переменного тока являются повышенный расход активных и конструктивных материалов и большие габариты трансформатора.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является трансформатор для тяговых подстанций переменного тока (патент на полезную модель №23347, дата публикации 10.06.2002, бюл. №16), содержащий обмотку, предназначенную для подсоединения к фазам питающей сети, и обмотку, по крайней мере, одна часть которой соединена в треугольник, по меньшей мере, одна фаза которого выполнена из проводов с суммарным сечением S, а линейные вводы этой обмотки предназначены для подсоединения к двум однофазным потребителям энергии таким образом, что один ввод является общим для обеих нагрузок, а каждый из остальных вводов соединен с одной из нагрузок, и, по крайней мере, одна из фаз обмотки, соединенной в треугольник, выполнена из проводов с суммарным сечением, равным 0,3≤S<1,0.
В соответствии с описанием полезной модели, одну из фаз обмотки, соединенной в треугольник, выполняют меньшим суммарным сечением, чем суммарное сечение любой другой ее фазы в связи с протеканием по ней меньшего тока. Указанная полезная модель позволила частично снизить расход активных материалов по сравнению с первым аналогом. Недостатком данного трансформатора является повышенный расход активных и конструктивных материалов и большие габариты трансформатора.
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение является создание трехфазного трансформатора для питания двух однофазных нагрузок, имеющего меньший расход активных и конструктивных материалов, а также уменьшенные габариты.
Технический результат заявленного изобретения достигается благодаря тому, что в трансформаторе для тяговых подстанций переменного тока, содержащем, плоскую магнитную систему, первичную обмотку, предназначенную для подсоединения к фазам питающей сети, соединенную в звезду, вторичную обмотку, соединенную в треугольник, при этом, одна из фаз вторичной обмотки, выполнена из проводов с суммарным сечением от 0,3 до 1,0 от суммарного сечения проводов любой другой фазы вторичной обмотки, причем линейные вводы вторичной обмотки предназначены для подсоединения к двум однофазным потребителям энергии таким образом, что один ввод является общим для обеих нагрузок, а каждый из остальных вводов соединен с одной из нагрузок, согласно настоящему изобретению, одна фаза первичной обмотки, соответствующая фазе с уменьшенным суммарным сечением проводов вторичной обмотки, выполнена из проводов, с суммарным сечением от 0,3 до 0,7 от суммарного сечения проводов любой другой фазы первичной обмотки, при этом, соответствующие фазы первичной и вторичной обмоток с уменьшенным суммарным сечением проводов расположены на центральном стержне магнитной системы и выполнены с минимальными радиальными размерами при максимально возможных высотах в окне магнитной системы, внутренний диаметр внутренней обмотки фазы с уменьшенным суммарным сечением проводников выполнен равным или меньшего размера по сравнению с внутренними диаметрами внутренних обмоток других фаз, а наружный диаметр наружной обмотки фазы с уменьшенным суммарным сечением проводов выполнен меньшего размера по сравнению с наружными диаметрами наружных обмоток других фаз.
Сущность изобретения поясняется следующим образом.
Выполнение одной из фаз первичной обмотки с суммарным сечением от 0,3 до 0,7 от суммарного сечения проводов двух других фаз, позволяет сократить расход активных материалов. Под суммарным сечением фазы обмотки понимается общее суммарное сечение параллельных проводов, которыми намотана фаза обмотки.
Также выполнение соответствующих фаз первичной и вторичной обмоток с уменьшенными суммарными сечениями проводов с минимальными радиальными размерами при максимально возможных их высотах в окне магнитной системы позволяет максимально уменьшить их диаметры. Под максимально возможной высотой обмотки фазы в окне магнитной системы понимается наибольшая высота обмотки фазы, которая получается в размерах окна магнитной системы с учетом выполнения требований по охлаждению, по размерам продольной и ярмовой изоляции, по размерам прессующей системы, которые приняты для данного трансформатора. Выполнение внутреннего диаметра внутренней обмотки фазы с уменьшенным суммарным сечением проводников равным или меньшего размера по сравнению с внутренними диаметрами внутренних обмоток других фаз обеспечивает минимальный диаметр этой обмотки и сокращает в ней расход провода. Наружный диаметр наружной обмотки фазы с уменьшенным суммарным сечением проводов выполняется меньшего размера по сравнению с наружным диаметром наружных обмоток других фаз. Величина данного уменьшения определяется из требований к величине напряжения короткого замыкания этих пар обмоток и обеспечения требований к уровню изоляции и интенсивности охлаждения обмоток. Уменьшение наружного диаметра наружной обмотки и внутреннего диаметра внутренней обмотки, а также размещение их на центральном стержне магнитной системы наряду с уменьшением расхода провода уменьшает межосевое расстояние между стержнями магнитной системы, что снижает расход электротехнической, конструкционной стали и уменьшает габариты трансформатора.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
- на фигуре 1 изображена электрическая схема трансформатора;
- на фигуре 2 схематично изображен разрез трансформатора (вид спереди);
- на фигуре 3 разрез А-А на фигуре 2, схематично изображен разрез трансформатора (вид сверху).
На фигурах обозначено:
1 - магнитная система трансформатора;
2 - боковой стержень магнитной системы трансформатора;
3 - центральный стержень магнитной системы трансформатора;
4, 5, 6 - первичные обмотки фаз трансформатора;
7, 8, 9 - линейные концы первичной обмотки трансформатора;
10, 11, 12 - вторичные обмотки фаз трансформатора;
13, 14, 15 - линейные концы вторичной обмотки трансформатора;
16, 17 - однофазные нагрузки (потребители энергии):
1У
δ - радиальный размер первичной обмотки фазы с уменьшенным суммарным сечением проводов;
2У
δ - радиальный размер вторичной обмотки фазы с уменьшенным суммарным сечением проводов;
1
δ - радиальный размер первичной обмотки фазы;
2
δ - радиальный размер вторичной обмотки фазы;
1
h - высота первичной обмотки фазы с уменьшенным суммарным сечением проводов;
2
h - высота вторичной обмотки фазы с уменьшенным суммарным сечением проводов;
o
h - высота окна магнитной системы;
o
m - межосевое расстояние стержней магнитной системы;
1У
d - наружный диаметр первичной обмотки фазы с уменьшенным суммарным сечением проводов;
2У
d - внутренний диаметр вторичной обмотки фазы с уменьшенным суммарным сечением проводов;
1
d - наружный диаметр первичной обмотки фазы;
2
d - внутренний диаметр вторичной обмотки фазы;
С2У
а - расстояние от обмотки фазы с уменьшенным суммарным сечением проводов до стержня магнитной системы;
С2
а - расстояние от обмотки фазы до стержня магнитной системы;
12У
a - расстояние между первичной и вторичной обмотками фазы с уменьшенными суммарными сечениями проводов;
12
a - расстояние между первичной и вторичной обмотками фазы.
Трансформатор для тяговых подстанций переменного тока содержит плоскую магнитную систему 1 (фиг. 1), которая содержит боковые стержни 2 (фиг. 2) и центральный стержень 3, первичную обмотку, обмотки фаз 4, 5, 6 которой, соединены в звезду и линейные концы 7, 8, 9 которой, подключены к фазам питающей сети, вторичную обмотку, обмотки фаз 10, 11, 12 которой, соединены в треугольник и линейные концы 13, 14, 15 которой, предназначены для подсоединения двух однофазных нагрузок 16, 17.
В частном случае, фазы вторичной обмотки 10, 11, 12 выполнены ближайшими к стержням магнитной системы и располагаются внутри фаз первичной обмотки 4, 5, 6.
В частном случае, линейный ввод 7 обмотки фазы 4 соединен с фазой А питающей сети, линейный ввод 8 обмотки фазы 5 соединен с фазой В и линейный ввод 9 обмотки фазы 6 с фазой С. Линейные вводы 13, 14, 15 вторичной обмотки фаз 10, 11, 12, предназначены для подсоединения к двум однофазным потребителям энергии (нагрузкам) 16, 17, таким образом, что один ввод (линейный ввод 15) является общим для обеих нагрузок 16, 17, каждый из остальных линейных вводов 13, 14 соединен с одной из нагрузок, в частности, линейный ввод 13 соединен с нагрузкой 16, а ввод 14 - с нагрузкой 17.
1У
2У
1
2
2У
2
1У
1
При этом вторичная обмотка фазы 11 (фазы В) (на фиг. 1 изображена тонкой линией) выполнена из проводов с суммарным сечением от 0,3 до 1,0 от суммарного сечения проводов обмотки фазы 10 (фазы А) или обмотки фазы 12 (фазы С). Соответствующая ей фаза первичной обмотки 5 (фазы В) (на фиг. 1 изображена тонкой линией) имеет суммарное сечение проводов равное от 0,3 до 0,7 от суммарного сечения проводов любой другой фазы первичной обмотки, фазы 4 (фазы А) или фазы 6 (фазы С). При этом первичная обмотка фазы 5 (фазы В) и вторичная обмотка фазы 11 (фазы В) располагаются на центральном стержне 3 магнитной системы 1. Первичная обмотка фазы 5 (фазы В) имеет минимальный радиальный размер - δ, а вторичная обмотка фазы 11 (фазы В) имеет минимальный радиальный размер - δ, которые достигаются при максимально возможных высотах этих обмоток, соответственно, для первичной обмотки фазы 5 (фазы В) в размере - h, а для вторичной обмотки фазы 11 (фазы В) в размере - h. При этом внутренний диаметр d (фиг. 3) вторичной обмотки фазы 11 (фазы В) выполнен равным или меньшего размера по сравнению с внутренними диаметрами d вторичных обмоток других фаз 10 (фазы А) и 12 (фазы С). Наружный диаметр d первичной обмотки фазы 5 (фазы В) имеет меньший размер по сравнению с наружными диаметрами d первичных обмоток других фаз 4 (фазы А), 6 (фазы С).
т
1У
2У
1
2
0
2У
2
С2У
С2
С2
С2У
С2
2У
2
С2
С2У
С2
С2У
2У
2
1У
1
o
1У
Трансформатор работает следующим образом. При протекании одинаковых токов по нагрузкам 16, 17, по первичной 5 (фазы В) и вторичной 11 (фазы В) обмоткам фазы будут протекать токи составляющие 37% от соответствующих токов протекаемых по первичным 4 (фазы А), 6 (фазы С) и вторичным 10 (фазы А), 12 (фазы С) обмоткам фаз. Отсюда видно, что суммарные сечения проводов первичной 5 (фазы В) и вторичной 11 (фазы В) обмоток фазы могут быть уменьшены до 30% от суммарного сечения проводов обмоток других фаз А и С, без сокращения нормального срока службы трансформатора. Дополнительное снижение суммарного сечения проводов объясняется, в ряде случаев, улучшенными условиями охлаждения обмоток фазы 5 (фазы В), 11 (фазы В) по сравнению с обмотками фазы 4 (фазы А), 10 (фазы А) и 6 (фазы С) 12 (фазы С). При уменьшении суммарного сечения проводов первичной 5 (фазы В) и вторичной 11 (фазы В) обмоток фазы занимаемый ими объем, в соответствии с заявленным изобретением, также должен быть уменьшен. При этом, для максимального уменьшения радиального размера δ первичной обмотки фазы 5 (фазы В) и δ вторичной обмотки фазы 11 (фазы В), соответствующие высоты этих обмоток h, h выполняются максимально возможной величины в окне магнитной системы 1. Высота окна h магнитной системы 1 определяется из размеров обмоток фаз 4, 10 (фазы А) и 6, 12 (фазы С), ярмовой изоляции и прессующей системы для фаз А, С, которые обеспечивают заданные технические параметры, надежность и минимальную стоимость трансформатора. Внутренний диаметр d вторичной обмотки фазы 11 (фазы В) выполнен равным или меньшего размера по сравнению с внутренними диаметрами d вторичных обмоток других фаз 10 (фазы А) и 12 (фазы С). При этом, расстояние а от обмотки фазы 11 (фазы В) до стержня 3 и расстояния а от обмоток фаз 10 (фазы А) и 12 (фазы С) до стержня 2 магнитной системы 1 должны обеспечивать требуемые уровни изоляции и условия охлаждения. Когда определяющим условием для выбора расстояний а от обмоток фаз 10 (фазы А) и 12 (фазы С) до стержня 2 является уровень изоляции обмоток фаз 10 (фазы А) и 12 (фазы С), то в этом случае, расстояние а от обмотки фазы 11 (фазы В) до стержня 3 принимается равным расстояниям а от обмоток фаз 10 (фазы А) и 12 (фазы С) до стержня 2 и внутренний диаметр d вторичной обмотки фазы 11 (фазы В) выполняется одинакового размера по сравнению с внутренними диаметрами d вторичных обмоток других фаз 10 (фазы А) и 12 (фазы С). Когда определяющим условием для выбора расстояний а от обмоток фаз 10 (фазы А) и 12 (фазы С) до стержня 2 являются условия охлаждения обмоток фаз 10 (фазы А) и 12 (фазы С), то в этом случае, расстояние а от обмотки фазы 11 (фазы В) до стержня 3 может быть выполнено меньшим по сравнению с расстояниями а от обмоток фаз 10 (фазы А) и 12 (фазы С) до стержня 2. При этом принятый размер этого расстояния а от обмотки фазы 11 (фазы В) до стержня 3 должен обеспечивать требуемый уровень изоляции и условия охлаждения обмотки фазы 11 (фазы В). Тогда внутренний диаметр d вторичной обмотки фазы 11 (фазы В) выполняется меньшего размера по сравнению с внутренними диаметрами d вторичных обмоток других фаз 10 (фазы А) и 12 (фазы С). Наружный диаметр d первичной обмотки фазы 5 (фазы В) имеет меньший размер по сравнению с наружными диаметрами d первичных обмоток других фаз 4 (фазы А), 6 (фазы С). Размещение первичной обмотки фазы 5 (фазы В) на центральном стержне 3 магнитной системы 1 максимально уменьшает межосевое расстояние стержней m магнитной системы 1. Наружный диаметр d первичной обмотки фазы 5 (фазы В) определяется из требования к значению напряжения короткого замыкания.
12У
12
В частном случае, значения напряжения короткого замыкания по фазам трансформатора А, В, С должны быть равны, что приведет к несколько большему расстоянию a между первичной 5 (фазы В) и вторичной 11 (фазы В) обмотками фазы, чем расстояния a между первичной 4 (фазы А) и вторичной 10 (фазы А) обмотками фазы и между первичной 6 (фазы С) и вторичной 12 (фазы С) обмотками фазы. При этом средний диаметр обмотки фазы 5 (фазы В) по величине будет меньше среднего диаметра первичных обмоток фаз 4 (фазы А) и 6 (фазы С) или должно удовлетворяться следующее условие
1У
1У
1
1
d-δ < d-δ
В этом случае, в первичной обмотке фазы 5 (фазы В) дополнительно снижается масса провода.
1У
o
Таким образом, в трансформаторе для тяговых подстанций переменного тока достигается уменьшение массы обмоточных проводов за счет снижения суммарного сечения проводов и уменьшения диаметров первичной 5 (фазы В) и вторичной 11 (фазы В) обмоток фаз, а также за счет уменьшения наружного диаметра d первичной обмотки фазы 5 (фазы В) достигается уменьшение межосевого расстояния стержней m магнитной системы 1 и уменьшение габаритов трансформатора, что снижает расход электротехнической и конструкционной стали трансформатора.