ВИНТОВАЯ ОБМОТКА

Полезная модель относится к области электротехники, в частности, к конструкции элементов электрического оборудования, а именно, электрических реакторов или силовых трансформаторов, и может быть использована, например, при разработке воздушных электрических реакторов сухого типа различного назначения (в том числе, токоограничивающих).
В настоящее время воздушные электрические реакторы сухого типа находят широкое применение в системах передачи и распределения электроэнергии, в составе оборудования электростанций и т.д. Воздушные реакторы имеют высоколинейную вольт-амперную характеристику, в силу чего широко применяются в качестве ограничителей токов короткого замыкания.
Основу конструкции электрического реактора составляет катушечная обмотка, имеющая индуктивное сопротивление. Высокая электродинамическая и механическая прочность реактора, необходимые для устойчивости к динамическим нагрузкам, возникающим при токах короткого замыкания, обеспечивается при использовании винтовых обмоток. Винтовые обмотки успешно применяются в конструкциях электрических реакторов различного назначения – токоограничивающих, сглаживающих, шунтирующих, коммутирующих и т.д., а также в конструкциях силовых трансформаторов.
Винтовая обмотка состоит из ряда витков, наматываемых по винтовой линии. Каждый виток состоит из нескольких одинаковых параллельных проводов, обычно – прямоугольного сечения, укладываемых плашмя или на ребро в радиальном направлении. Так как параллельные провода винтовой обмотки расположены концентрически и находятся на разном расстоянии от ее оси, то провода, расположенные ближе к оси, будут короче, а более удаленные от нее — длиннее. Разница в длине и положении параллельных проводов вызывает неравенство их активных и индуктивных сопротивлений, и следовательно, неравномерное распределение тока между ними. Для обеспечения равномерного распределения тока по проводникам и соответственно уменьшения дополнительных потерь винтовые (многопараллельные) обмотки выполняют с транспозицией (т.е. с перекладкой параллельных проводов витка во время намотки).
При изготовлении винтовых обмоток, выполняя сосредоточенную транспозицию параллельных проводов в витке согласно заданной схеме, концы разрезанных параллельных проводов соединяют между собой (например, с помощью сварки или пайки), что обеспечивает уменьшение осевого габарита обмотки. При этом соединенные концы разрезанных проводов расположены за пределами наружного диаметра обмотки.
Так, например, известны патенты, относящиеся к конструктивному выполнению винтовых обмоток: № RU 188932 U1 («Винтовая обмотка», МПК H03F1/00, H01F27/28, дата публ. 29.04.2019); № RU 2670647 C9 («Винтовая обмотка и способ ее изготовления», МПК H03F1/00, дата публ. 24.10.2018 (публ. корр. 11.12.2018)); № UA 34584 U («Method for manufacturing a screw-type winding», МПК H01F27/28, дата публ. 11.08.2008), согласно которым винтовая обмотка образована витками, каждый из которых содержит параллельные провода, образующие ряды, расположенные перпендикулярно оси обмотки (т.е в радиальном направлении). Между рядами выполнена сосредоточенная транспозиция параллельных проводов, а в месте выполнения сосредоточенной транспозиции параллельные провода разрезаны, их концы расположены за наружным диаметром обмотки и соединены между собой с помощью сварки или пайки.
Однако следует отметить, что при расположении снаружи обмотки соединенных концов разрезанных проводов, в отношении которых выполнена транспозиция, указанные концы проводов могут быть механически повреждены при монтажных работах, транспортировке и т.п., может быть нарушена их изоляция, что может повлечь короткое замыкание или иные сбои в работе оборудования.
В качестве технического решения (прототипа), наиболее близкого по совокупности существенных признаков к заявляемой полезной модели, предлагается винтовая обмотка [патент № RU 80624 U1 «Винтовая обмотка», МПК H01F27/28, дата публ. 10.02.2009, конвец. з. № UA U200804965], содержащая витки, каждый из которых содержит три или более параллельных проводов, образующих три или более рядов, при этом ряды расположены перпендикулярно оси обмотки (т.е. в радиальном направлении обмотки). Между рядами выполнена транспозиция параллельных проводов. В месте выполнения сосредоточенной транспозиции винтовой обмотки параллельные провода разрезаны, их концы расположены за пределами наружного диаметра обмотки и соединены между собой согласно заданной схеме транспозиции. Концы разрезанных проводов выведены за наружный диаметр обмотки через сформированный для этого горизонтальный канал. Обмотка может быть выполнена одно- или многоходовой. Соединение концов проводов обмотки осуществляют с помощью сварки или пайки.
Известное техническое решение обеспечивает уменьшение осевого габарита (высоты) обмотки, а также обеспечивает возможность формирования вертикальных каналов, что повышает эффективность охлаждения обмотки.
Однако необходимо отметить, что известному техническому решению присущи такие же недостатки, что и описанным ранее винтовым обмоткам (по патентам №№ RU 188932 U1, RU 2670647 C9, UA 34584 U). Как показывает практика, вследствие расположения соединенных концов разрезанных проводов, в отношении которых выполнена транспозиция, за пределами наружного диаметра (т.е. снаружи) винтовой обмотки указанные соединенные между собой концы разрезанных проводов могут быть подвержены механическим повреждениям при выполнении монтажных работах, транспортировке и т.п., в результате чего произойти нарушение изоляции концов проводов и, как следствие, - короткое замыкание обмотки или иные сбои в работе электрооборудования. Кроме того, выступающие наружу соединенные между собой концы проводов являются концентраторами скопления токопроводящей пыли, что также может стать причиной короткого замыкания и нарушить работу устройства. Таким образом, расположение соединенных между собой концов разрезанных проводов, в отношении которых выполнена транспозиция, снаружи винтовой обмотки снижает эксплуатационную надежность работы винтовой обмотки и электротехнического изделия в целом.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является повышение эксплуатационной надежности винтовой обмотки за счет минимизации вероятности механического повреждения соединенных концов разрезанных проводов, в отношении которых выполнена транспозиция.
Для достижения указанного выше технического результата предлагается винтовая обмотка, которая содержит витки, каждый из которых содержит параллельные провода, образующие ряды, расположенные в радиальном направлении. Между рядами выполнена сосредоточенная транспозиция параллельных проводов. Параллельные провода, в отношении которых выполнена сосредоточенная транспозиция, разрезаны, а их концы соединены между собой и расположены внутри горизонтального канала, выполненного между соседними витками винтовой обмотки. При этом соединенные между собой концы разрезанных проводов расположены таким образом, что не выступают за наружный диаметр винтовой обмотки.
Выполнение в заявляемом техническом решении (в отличие от прототипа) соединенных концов разрезанных проводов, в отношении которых выполнена сосредоточенная транспозиция, не выступающими за пределы наружного диаметра обмотки, а именно – расположенными внутри горизонтального канала, выполненного между соседними витками винтовой обмотки, обеспечивает повышение эксплуатационной надежности устройства, так как при заявляемом конструктивном выполнении обмотка не имеет выступающих наружу соединенных концов разрезанных проводов, а значит, существенно снижается вероятность механических повреждений и, следовательно, нарушения изоляции указанных соединенных концов разрезанных проводов вследствие случайного воздействия внешними предметами при монтажных работах, транспортировке и т.п. Кроме того, при заявляемом конструктивном выполнении винтовой обмотки минимизируется вероятность скопления токопроводящей пыли на соединенных концах разрезанных проводов, что также обеспечивает повышение эксплуатационной надежности устройства.
Наиболее технологичным, простым и обеспечивающим высокую надежность представляется выполнение, при котором соединенные между собой концы разрезанных проводов выполнены загнутыми внутрь горизонтального канала.
Наиболее распространенным в силу своей технологичности и надежности является соединение концов разрезанных проводов, в отношении которых выполнена транспозиция, посредством сварки или пайки.
С целью упрощения конструкции и, как следствие, повышения эксплуатационной надежности, горизонтальный канал может быть образован путем установки реек, расположенных в радиальном направлении, между витками винтовой обмотки.
Графические материалы содержат пример выполнения винтовой обмотки, которая входит в состав токоограничивающего воздушного реактора сухого типа.
На фиг. 1 представлено схематичное изображение электрического реактора, содержащего винтовую обмотку.
На фиг. 2 представлено схематичное изображение фрагмента винтовой обмотки в поперечном разрезе (вид сверху на горизонтальный канал), содержащее соединенные между собой концы разрезанных проводов, до их расположения в горизонтальном канале.
На фиг. 3 представлено схематичное изображение фрагмента винтовой обмотки в поперечном разрезе (вид сверху на горизонтальный канал), содержащее соединенные между собой концы разрезанных проводов, загнутые в горизонтальный канал.
На фиг. 4 представлено схематичное изображение фрагмента горизонтального канала винтовой обмотки с загнутыми в него соединенными концами разрезанных проводов.
На фиг. 5 представлен разрез А-А фиг. 4: схематично показано расположение в горизонтальном канале одного из соединений концов разрезанных проводов.
Обмотка является одним из основных узлов электрических реакторов или силовых трансформаторов.
Винтовая обмотка представляет собой совокупность витков, наматываемых по винтовой линии (фиг. 1). Каждый виток 1 содержит параллельные провода 2, образующие ряды 3, расположенные в радиальном направлении (т.е. перпендикулярно оси обмотки). Обычно используют провода прямоугольного сечения, например, АППТСД со стекловолокнистой и полиимидной изоляцией, которые укладывают плашмя или на ребро в радиальном направлении. Между рядами 3 выполнена сосредоточенная транспозиция параллельных проводов (фиг. 2, 3). Провода, в отношении которых выполнена транспозиция, разрезаны, их концы 4 соединены между собой, например, с помощью сварки (также возможно соединение пайкой и др.). Соединяемые концы проводов перед их соединением должны быть зачищены от изоляции, а после соединения – заизолированы и закреплены, например, с помощью ленты стеклянной бандажной пропитанной ЛСБЭ.
Соединенные концы 4.1 и 4.2 разрезанных проводов 2.1, 2.2 (фиг. 2), в отношении которых выполнена сосредоточенная транспозиция, расположены внутри горизонтального канала 6, выполненного между витками 1 винтовой обмотки. Соединенные между собой концы разрезанных проводов выполнены загнутыми внутрь горизонтального канала 6 и не выступают за пределы наружного диаметра винтовой обмотки (фиг. 4, 5).
В представленном примере горизонтальный канал 6 выполнен путем установки реек 7 между витками 1 винтовой обмотки, при этом рейки 7 расположены в радиальном направлении.
Выполнение транспозиции параллельных проводов винтовой обмотки обеспечивает выравнивание длин проводов, их электрических и индуктивных сопротивлений, равномерное распределение тока по проводникам и уменьшение дополнительных потерь в обмотке.
Раскладку разрезанных проводов 2, в отношении которых выполняют транспозицию, и соединение их концов 4 между собой производят согласно заранее заданной схеме. Транспозиция, например, может быть выполнена по следующей схеме: первый из пронумерованных по возрастающей от внутреннего диаметра обмотки к наружному диаметру обмотки параллельных проводов хода обмотки до разреза соединен с концом n-го параллельного провода хода обмотки после разреза, конец второго параллельного провода хода обмотки до разреза соединен с концом (n-1)-го параллельного провода хода обмотки после разреза, и далее концы всех параллельных проводов каждого хода обмотки до разреза соединены с концами всех параллельных проводов каждого хода обмотки после разреза таким же образом.
За счет того, что транспозицию выполняют путем соединения между собой концов разрезанных проводов, обеспечивается уменьшение осевого габарита (т.е. высоты) обмотки.
Соединение концов проводов (сваркой или пайкой) более технологично выполнять, когда концы 4.1 и 4.2 проводов 2.1 и 2.2 выведены через горизонтальный канал 6 за пределы наружного диаметра винтовой обмотки (фиг. 2).
Затем, после того как выполнят соединение (например, сваркой) концов проводов и заизолируют соединенные концы, требуется (в соответствии с заявляемым техническим решением) разместить соединенные концы внутри горизонтального канала, например, загнуть их в полость горизонтального канала так, чтобы они не выступали за пределы наружного диаметра обмотки (фиг. 3, 4, 5).
Следует отметить, что возможно выполнение, при котором соединение концов параллельных проводов осуществляют не выводя указанные концы за пределы обмотки, однако такая технология является чрезвычайно сложной, трудоемкой, с высокой вероятностью повреждения уложенных в виток проводов.
Выполнение, при котором соединенные концы проводов не выступают за пределы наружного диаметра винтовой обмотки, позволяет практически исключить возможность механического повреждения соединений концов проводов (изоляции соединенных концов) в результате внешнего случайного воздействия при проведении монтажных работ, транспортировке и т.д., а также позволит минимизировать вероятность скопления токопроводящей пыли на соединенных концах разрезанных проводов.
Функционирование винтовой обмотки, выполненной согласно заявляемому техническому решению, осуществляется в составе электротехнического оборудования (электрического реактора, силового трансформатора), например, в составе токоограничивающего воздушного реактора сухого типа.
К электрическим реакторам, как и к любому электрооборудованию, предъявляются высокие требования по эксплуатационной надежности, в связи с чем необходимо минимизировать факторы, которые могут привести к сбоям в работе, например, к короткому замыканию.
При прохождении тока по винтовой обмотке в процессе работы электрического реактора (или силового трансформатора) в случае механического повреждения (нарушения изоляции) соединенных концов разрезанных проводов, в отношении которых выполнена сосредоточенная транспозиция, или возможного скопления токопроводящей пыли может произойти короткое замыкание или иные сбои в работе, что приведет к аварийной ситуации и остановке работы оборудования.
Выполнение соединенных концов разрезанных проводов, в отношении которых выполнена транспозиция, расположенными внутри горизонтального канала и не выступающими за пределы наружной поверхности винтовой обмотки позволяет по сравнению с прототипом значительно уменьшить вероятность короткого замыкания и иных сбоев в работе, которые могут возникнуть в результате механического повреждения соединенных концов разрезанных проводов или скопления на них токопроводящей пыли.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает по сравнению с прототипом повышение эксплуатационной надежности винтовой обмотки.