ТРАНСФОРМАТОР
TRANSFORMER

Изобретение относится к области электротехники, в частности к трансформаторостроению, и касается конструкций высоковольтных трансформаторов.
Известен трансформатор, содержащий магнитопровод, на котором концентрически размещены низковольтная и высоковольтная обмотки, выполненные из витков, образующих слои, при этом высоковольтная обмотка соединена с высоковольтным экраном (Дымков A.M. и др. Трансформаторы напряжения / A.M.Дымков, В.М.Кибель, Ю.В.Тишенин. - М.: Энергия, 1975, 104 с.).
Низкая надежность такой конструкции трансформатора объясняется отсутствием выравнивания неравномерности распределения напряжения по длине слоев в начале высоковольтной обмотки.
Известен трансформатор, содержащий магнитопровод, на котором концентрически размещены низковольтная и высоковольтная обмотки, между низковольтной обмоткой и высоковольтной обмоткой размещен низковольтный экран, электрически соединенный с магнитопроводом и заземленный, снаружи высоковольтной обмотки расположен высоковольтный экран, электрически соединенный с высоковольтной обмоткой (RU, №2087967, H01F 30/10, H01F 27/36, опубл. 20.08.1997). Низковольтный экран экранирует низковольтную обмотку и тем самым защищает ее и подключенные к ней низковольтные цепи от попадания высокого напряжения. Высоковольтный экран выравнивает неравномерности распределения напряжения по длине слоев обмотки.
Низкая надежность трансформатора обусловлена тем, что снижение градиентов перенапряжений выполняется только с одной стороны, в конце высоковольтной обмотки.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является трансформатор, содержащий магнитопровод, на котором концентрически размещены низковольтная и высоковольтная обмотки, выполненные из витков, образующих слои, при этом слой высоковольтной обмотки, наиболее удаленный от магнитопровода, расщеплен на две секции, соединенные параллельно и имеющие равное число витков, а высоковольтный экран содержит две идентичные секции, соединенные с высоковольтным выводом (RU, №2087968, H01F 30/10, H01F 27/28, H01F 27/36, опубл. 20.08.1997). Расщепление крайнего слоя высоковольтной обмотки на две секции с одними намоточными характеристиками приводит к разветвлению входного импульсного тока с крутым фронтом на две части и тем самым к снижению градиентов перенапряжений на каждой секции высоковольтной обмотки. Каждая из двух секций высоковольтного экрана позволяет выравнивать распределение напряжения в соответствующей секции высоковольтной обмотки.
К недостаткам такого включения следует отнести низкую надежность трансформатора за счет того, что витки секций расщепленной фазы, находящиеся на разном удалении от магнитопровода, обладают различной емкостью по отношению к магнитопроводу, который заземлен, а значит, и по отношению к земле. В этом случае при импульсных воздействиях перенапряжения будут возникать между одинаковыми витками различных секций расщепленной фазы. Также к недостаткам изобретения следует отнести то, что снижение градиентов перенапряжений выполняется только с одной стороны, в конце высоковольтной обмотки.
Задачей изобретения является повышение надежности трансформатора за счет выравнивания напряжения в крайних слоях со стороны начала и конца высоковольтной обмотки трансформатора при воздействии волн перенапряжений с крутыми фронтами.
Технический результат достигается тем, что трансформатор, содержащий магнитопровод, на котором концентрически размещены низковольтная и высоковольтная обмотки, выполненные из витков, образующих слои, при этом высоковольтная обмотка соединена с высоковольтными выводами, а слой высоковольтной обмотки, наиболее удаленный от магнитопровода, снабжен высоковольтным экраном, соединенным с высоковольтным выводом, дополнительно содержит второй высоковольтный экран, расположенный перед начальным слоем высоковольтной обмотки, причем каждый из высоковольтных экранов выполнен в виде двух изолированных проводников, намотанных в один слой, при этом противоположные концы проводников первого высоковольтного экрана соединены с концом высоковольтной обмотки, а противоположные концы второго высоковольтного экрана соединены с началом высоковольтной обмотки, при этом другие концы проводников высоковольтных экранов остаются изолированными.
На фиг.1 представлена схема трансформатора.
На фиг.2 представлена схема начальных слоев высоковольтной обмотки и второго высоковольтного экрана.
Трансформатор (фиг.1) содержит магнитопровод 1, на котором концентрически размещены низковольтная 2 и высоковольтная 3 обмотки, выполненные из витков, образующих слои, при этом высоковольтная обмотка 3 соединена с высоковольтными выводами A и X, а слой высоковольтной обмотки, наиболее удаленный от магнитопровода, снабжен высоковольтным экраном 4, соединенным с высоковольтным выводом X, второй высоковольтный экран 5, расположен перед начальным слоем высоковольтной обмотки 3, причем каждый из высоковольтных экранов 4 и 5 выполнен в виде двух изолированных проводников, намотанных в один слой, при этом противоположные концы проводников первого высоковольтного экрана 4 соединены с концом высоковольтной обмотки 3, а противоположные концы второго высоковольтного экрана 5 соединены с началом высоковольтной обмотки 3, при этом другие концы проводников высоковольтных экранов 4 и 5 остаются изолированными.
Известно, что при воздействии импульсных напряжений на обмотку трансформатора в начале процесса обмотка ведет себя как система емкостей, а в конце решающим фактором является магнитное поле с учетом индуктивностей обмотки. Переход от начального состояния к конечному происходит путем свободных колебаний всей системы емкостей и индуктивностей. Обмотка отличается от линии тем, что каждый ее элемент как электростатически, так и электромагнитно связан с другими ее элементами.
Распределение напряжения по емкостям трансформатора происходит за несколько сотых микросекунды, что очень мало по сравнению с продолжительностью переходного процесса от начального емкостного распределения напряжения до установившегося состояния.
Если учитывать только емкости, то начальное распределение напряжения в однослойной обмотке определяется по следующему выражению:
где L - осевая длина однослойной обмотки; x - расстояние от начала обмотки до точки наблюдения; , где K - емкость между витками на единицу длины, C - емкость обмотки относительно земли на единицу длины.
Градиент напряжения определяется как падение напряжения на элементе длины обмотки
Емкость на землю однослойной цилиндрической обмотки вызывает нелинейное начальное распределение напряжения при действии импульса. Увеличение емкости между витками выравнивает начальное распределение напряжения. Переход от нелинейного начального распределения напряжения к конечному сопровождается свободными колебаниями.
Уменьшение емкости обмотки на землю и одновременно увеличение емкости между витками уменьшает свободные колебания в обмотке. Исходя из этого, в трансформаторах на стороне высшего напряжения применяют многослоевые обмотки. При такой конструкции обмотки только первый и последний слои обмотки обладают заметной емкостью на землю.
Влияние собственных колебаний в слоях многослоевой обмотки на возникновение градиентных перенапряжений в крайних слоях многослоевой обмотки поясним на схеме, представленной на фиг.2, где показаны начальные слои высоковольтной двойной слоевой обмотки 3 (слой 1, слой 2, слой 3, слой 4 и т.д.), а также провода второго высоковольтного экрана 5 (провод 1, провод 2), включенного со стороны начала высоковольтной обмотки.
2-4
2-2
Рассмотрим процессы, происходящие в высоковольтной обмотке 3 при отсутствии предлагаемых высоковольтных экранов 4 и 5. При прохождении тока в витках номер 2 во втором и четвертом слоях от наблюдателя (см. фиг.2) потоки рассеяния от этих токов, показанные в виде векторов магнитной индукции В и В (первая цифра обозначает номер витка, а вторая цифра обозначает номер слоя), во втором витке третьего слоя вычитаются и не создают продольной ЭДС в витке.
2-1
2-3
Во втором витке второго слоя вычитаются векторы магнитной индукции потока рассеяния второго витка первого слоя (B) и второго витка третьего слоя (В).
2-2
2-2
При отсутствии экранов 4 и 5 во втором витке первого слоя вектор магнитной индукции потока рассеяния второго витка второго слоя (B) наводит продольную ЭДС в витке, так как поток В ничем не скомпенсирован.
Аналогично взаимодействуют все смежные витки первого и второго, последнего и предпоследнего слоев трансформатора, создавая градиенты перенапряжений в крайних слоях высоковольтной обмотки 3.
На крайние слои высоковольтной обмотки 3 при собственных колебаниях в отдельных слоях оказывают влияние не только смежные (рядом расположенные) слои и витки, но и последующие слои и витки, расположенные на расстоянии, при котором такое влияние оказывается значимым.
Выполнение высоковольтных экранов 4 и 5 в виде проводов позволяет создать дополнительные колебания в отдельных участках высоковольтных экранов 4 и 5, скомпенсировать потоки рассеяния в крайних слоях высоковольтной обмотки 3 и, тем самым, снизить градиенты перенапряжений в крайних слоях высоковольтной обмотки 3 трансформатора.
Предлагаемые высоковольтные экраны 4 и 5 технологичны в изготовлении, так как представляют собой дополнительные слои проводников. Такие экраны могут быть изготовлены как в заводских условиях при изготовлении трансформатора, так и при капитальном ремонте в условиях электротехнических мастерских.
Для исследования процессов в слоях высоковольтной обмотки 3 был намотан трансформатор однофазный масляный с отпайками от витков высоковольтной обмотки 3 и с экранами 4 и 5, выполненными согласно предлагаемой в данной заявке на изобретение технологии намотки и месте установки высоковольтных экранов 4 и 5. Макет трансформатора позволял отключать провода экранов 4 и 5 от высоковольтной обмотки 3 и включать провода экранов 4 и 5 раздельно и совместно. Испытания показали, что при включении предлагаемых экранов градиенты перенапряжений на первой половине начальной обмотки снизились на 41%, а на всей начальной обмотке на 50%. Наибольший эффект был получен при включении двух проводников в каждом экране.
Выполнение высоковольтных экранов 4 и 5 в виде слоя обмотки, намотанной из двух проводов, соединенных определенным образом и включенных со стороны начала и конца высоковольтной обмотки 3, позволяет снизить градиенты перенапряжений в крайних слоях, в начале и в конце высоковольтной обмотки 3 трансформатора при воздействии волн перенапряжений с крутыми фронтами и, таким образом, повысить электрическую прочность, а следовательно, и надежность трансформатора как со стороны начала, так и со стороны конца высоковольтной обмотки.