ИЗОЛИРУЮЩИЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
INSULATING TRANSFORMERS

Настоящая заявка испрашивает преимущество и приоритет согласно документу № EP17382321, поданному 31 мая 2017 года.
Область техники
Настоящее изобретение относится к трансформаторам, в частности к электрической изоляции трансформаторов.
Уровень техники
Как хорошо известно, трансформатор преобразует электрическую энергию одного уровня напряжения в электрическую энергию другого уровня напряжения, которое характеризуется или более низким, или более высоким значением. Трансформатор осуществляет такое преобразование напряжения, используя первую обмотку и вторую обмотку, каждая из которых охватывает ферромагнитный сердечник и содержит совокупность витков электрического проводника. Первая обмотка соединена с источником напряжения, а вторая обмотка соединена с нагрузкой. Отношение витков в первичной обмотке к виткам во вторичной обмотке («отношение витков обмоток трансформатора») будет таким же, что и отношение напряжения источника к напряжению нагрузки.
Хорошо известны также и трансформаторы других типов, которые называются многообмоточными трансформаторами. Такие трансформаторы используют множество обмоток, соединенных последовательно или параллельно или функционирующих автономно, что зависит от предъявляемых требований к функциональным возможностям трансформатора.
Для изолирования друг от друга двух частей, находящихся под напряжением, таких как первая обмотка и вторая обмотка, иногда используются изоляционные барьеры. Эти изоляционные барьеры помещаются между частями под напряжением перпендикулярно электрическому полю. Таким образом, включение изоляционных барьеров усиливает электрическое поле (и, соответственно, напряжение), которое они могут поддерживать. Воздушный зазор между обмотками заданной ширины может выдерживать более высокое напряжение, если общий объем пространства воздушного зазора разделить на несколько секций меньшего размера. Этот подход применяется при изолировании сухих трансформаторов путем установки изоляционных барьеров между обмотками высокого напряжения (HV) и низкого напряжения (LV). Изоляционные барьеры разделяет воздушный зазор между этими обмотками.
Другой пример предусматривает соединение или параллельное подсоединение двух частей под напряжением с помощью твердотельного изоляционного элемента. В этом случае считается общепринятой практикой дополнять указанный элемент изоляционными барьерами или ребрами, проходящими перпендикулярно электрическому полю, с целью улучшения диэлектрических свойств. Такое решение можно встретить в электрических изоляторах.
Еще один пример предусматривает использование опорных блоков для обмоток в сухих трансформаторах. Эти опорные блоки отделяют обмотки под напряжением от металлических конструкций, и они могут быть снабжены указанными ребрами.
Сухие трансформаторы с уровнем прочности изоляции, превышающим определенное значение (например, 12 кВ), обычно характеризуются наличием одной или нескольких цилиндрических перегородок между обмотками высокого напряжения и низкого напряжения. В этом случае также принято использовать в опорных блоках один или несколько горизонтальных экранов для увеличения длины пути утечки. Но даже при относительно высоких уровнях прочности изоляции (например, 72,5 кВ) эти перегородки и экраны не образуют интегрированный элемент.
Для трансформаторов, заполняемых жидким диэлектриком, которые характеризуются уровнем прочности изоляции, превышающим определенное значение, принято использовать горизонтальные экраны (изогнутые кольца, диски), выполненные заодно с цилиндрическими перегородками высокого и низкого напряжения. На фиг. 1 показан трансформатор 100, заполненный жидким диэлектриком, который снабжен HV-обмоткой 105, LV-обмоткой 110 и цилиндрическими перегородками 115 между указанными обмотками. Изогнутые кольца 120 охватывают цилиндрические перегородки, тогда как опорные блоки 125 разделяют и удерживают изогнутые кольца над HV-обмоткой. Для изготовления изогнутых колец или дисков используется целлюлоза, поскольку ей можно придать нужную форму без особых дополнительных затрат. Однако в сухих трансформаторах использование этого материала представляется нецелесообразным, так как для выполнения своих функций он должен быть пропитан жидкостью. Кроме того, он не подходит из-за своей низкой механической стойкости и низкой рабочей температуры. В сухих трансформаторах могут быть использованы другие материалы (например, Nomex ™ или полиэфирный пластик), но они дорого стоят, и/или им трудно придать определенную форму. Кроме того, на их использование в сухих трансформаторах накладываются дополнительные механические ограничения и ограничения, связанные с охлаждением. По сути, в трансформаторах, заполняемых жидким диэлектриком, изогнутые кольца или диски проходят в тангенциальном направлении на 360°, охватывая всю окружность обмотки. Более того, опорные блоки представляют собой потенциально слабые звенья, поскольку они являются связующими элементами с максимально большой разностью потенциалов (например, между высоким и низким напряжением и между высоким напряжением и сердечником или зажимом). Хотя во избежание проблем в этой зоне сохранен достаточный зазор, любое усовершенствование изоляции, предусматривающее использование опорных блоков и уход от более сложного и дорогостоящего решения с использованием дисков или изогнутых колец, даст более компактное решение.
Сущность изобретения
Для устранения указанных недостатков предложены изоляционные модули, снабженные опорными блоками с гибкими L-образными экранами. Предложенное решение может оказаться полезным для трансформаторов с двумя или более обмотками и цилиндрическими перегородками между ними, а в предпочтительном варианте - для трансформаторов с более высоким уровнем прочности изоляции, например, 72,5 кВ или 123 кВ. Предложенное решение представляет собой конструкцию, которая решает практическую задачу изоляции с уменьшенными затратами.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения раскрыт изоляционный модуль трансформатора. Изоляционный модуль может содержать диэлектрический экран и опорный блок. Опорный блок может удерживать диэлектрический экран над первой обмоткой трансформатора. Диэлектрический экран может характеризоваться наличием первой по существу ровной части, выполненной с возможностью вписывания в пространство, заданное соответствующей цилиндрической перегородкой, которая располагается между первой и второй обмотками трансформатора; и второй по существу ровной части, поперечной по отношению к первой части и первой обмотке трансформатора и отходящей наружу от первой части и за пределы опорного блока.
В контексте настоящего документа термин «ровный» означает гладкий и без неровностей поверхности. В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения первая и/или вторая часть/части могут быть плоскими и ровными, тогда как в других примерах первая и/или вторая часть/части могут быть изогнутыми и ровными. В контексте настоящего документа термин «поперечный» означает, что плоскость второй части пересекает первую часть по одной или нескольким линиям. В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения вторая часть может проходить перпендикулярно первой части.
За счет наличия диэлектрических экранов между опорными блоками и цилиндрическими перегородками прямой путь разряда вдоль поверхности опорных блоков оказывается разорванным. Диэлектрические экраны могут характеризоваться L-образной формой и гибкостью, чтобы их было легче подогнать под цилиндрические перегородки. Возможны следующие два варианта установки экранов:
- Если опорные блоки выполнены из эпоксидной смолы, то экраны могут быть вставлены до отливки. Это позволяет обеспечить достаточный путь утечки;
- Если опорные блоки собираются из разных частей, то экраны могут располагаться между ними. Два соседних опорных блока могут быть соединены друг с другом через узел сопряжения, например, через соединение типа «отверстие-штифт», предусмотренное между ними.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения вторая часть может содержать отверстие для приема соединительной части опорного блока. В этом случае опорные блоки могут укладываться один поверх другого, образуя пакет опорных блоков, а вторые части перемежаются с взаимно-замкнутыми опорными блоками. Поскольку отверстие нарушает изоляцию, оно может быть выбрано или спроектировано таким образом, чтобы его размеры были минимальными, и чтобы оно было в общем и целом отцентровано относительно поперечного сечения опорных блоков для обеспечения достаточной длины пути утечки.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения трансформатор может содержать множество цилиндрических перегородок. В этом случае изоляционный модуль может характеризоваться наличием множества диэлектрических экранов. Каждый диэлектрический экран может быть выполнен с возможностью совмещения с разными цилиндрическими перегородками трансформатора. Поскольку высота цилиндрических барьеров может увеличиваться в направлении от внешней обмотки к внутренней обмотке, это позволяет обеспечить лучшее распределение L-образных экранов вдоль пакета опорных блоков и последовательное добавление изоляционных модулей во время сборки трансформатора. Таким образом, может быть реализована конструкция с множеством изоляционных модулей, которая может быть объединена с конструкцией цилиндрических перегородок трансформатора.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения изоляционный модуль может содержать гибкие диэлектрические экраны, загибающиеся на границе перехода между первой частью и второй частью. Это облегчает вставку первой части изоляционного модуля между цилиндрическими перегородками. Это также обеспечивает переменную длину между первой и второй частями; иначе говоря, диэлектрический экран может загибаться по линии в соответствии с расстоянием между соответствующим опорным блоком и цилиндрической перегородкой. Это позволяет использовать один и тот же тип диэлектрических экранов при разных расстояниях цилиндрических перегородок.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения первая часть может быть установлена заранее, или же она может быть сформирована во время установки при условии, что диэлектрический экран выполнен гибким.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения изоляционный модуль может быть выполнен в виде единого целого из диэлектрического материала. Единое целое может состоять из диэлектрических экранов и опорных блоков.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения диэлектрические экраны и/или опорные блоки могут быть изготовлены из каучука. Использование каучука может придать изоляционному модулю изолирующие свойства.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения диэлектрические экраны могут содержать один или несколько изолирующих слоев. Число изолирующих слоев может обуславливать улучшенные изолирующие свойства (чем больше слоев, тем надежнее изоляция) и/или повышенную гибкость (чем меньше слоев, тем больше гибкость). Слои могут также не соответствовать друг другу, т.е. первая часть может содержать иное число слоев в сравнении со второй частью.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения изоляционный модуль может дополнительно содержать горизонтальные ребра, отходящие радиально наружу от опорных блоков. Это позволяет улучшить изоляцию между HV-обмоткой и ярмом и зажимами, поскольку указанные ребра увеличивают длину пути утечки вдоль поверхности опорных блоков.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, первая или вторая часть диэлектрического экрана может частично окружать вторую обмотку вдоль соответствующей цилиндрической перегородки. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения вокруг цилиндра может быть распределено несколько изоляционных модулей числом более одного. Например, вокруг цилиндрических барьеров могут располагаться четыре изоляционных модуля, каждый из которых охватывает четверть окружности цилиндрического барьера.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, один блок выступает над цилиндрическими перегородками и содержит участок, который опирается на вторую обмотку трансформатора. Это повышает прочность общей конструкции трансформатора.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения раскрыт трансформатор. Трансформатор может содержать, по меньшей мере, первую обмотку; по меньшей мере, вторую обмотку; цилиндрические перегородки между, по меньшей мере, первой и второй обмотками; и изоляционные модули согласно примерам осуществления заявленного изобретения, раскрытым в настоящем документе.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения трансформатор может представлять собой сухой трансформатор, причем его первая обмотка может представлять собой обмотку низкого напряжения, а его вторая обмотка может представлять собой обмотку высокого напряжения.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения трансформатор может содержать множество обмоток. В этом случае между последовательными обмотками могут располагаться множества изоляционных модулей.
Краткое описание чертежей
Ниже представлены примеры осуществления настоящего изобретения, носящие неограничительный характер, которые описаны в привязке к прилагаемым чертежам, где:
На фиг. 1 представлено схематическое изображение в частичном разрезе трансформатора предшествующего уровня техники, содержащего изогнутые кольца.
На фиг. 2A представлено перспективное изображение изоляционного модуля согласно одному из примеров осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 2B показан вид в разрезе изоляционного модуля согласно одному из примеров осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 2C представлено перспективное изображение многоэкранного изоляционного модуля согласно одному из примеров осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 3 представлено схематическое изображение в частичном разрезе трансформатора, содержащего изоляционные модули согласно одному из примеров осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 4 показан схематический вид в разрезе трансформатора, содержащего изоляционные модули согласно одному из примеров осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 5A показан вид в разрезе изоляционного модуля, отлитого в виде единого целого, согласно одному из примеров осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 5B представлено перспективное изображение части трансформатора с изоляционным модулем согласно одному из примеров осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 6 показан вид в разрезе трансформатора с изоляционным блоком, отлитым в виде единого целого, согласно одному из примеров осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
На фиг. 2 представлено схематическое изображение изоляционного модуля согласно одному из примеров осуществления настоящего изобретения. Изоляционный модуль 200 может содержать экран 205 и опорный блок 210. Экран может характеризоваться наличием первой части 215 и второй части 220. Вторая часть 220 может отходить от линии загиба первой части 215, и она может быть по существу плоской и перпендикулярной первой части 215. Первая часть 215 может содержать один или несколько слоев диэлектрического материала, и она может характеризоваться размером (толщиной), обеспечивающим возможность вписывания в пространство, заданное одной или несколькими цилиндрическими перегородками трансформатора. Такое пространство может представлять собой пространство между обмоткой и цилиндрической перегородкой или пространство между двумя последовательными цилиндрическими перегородками.
Вторая часть 220 может содержать отверстие. Это отверстие может быть рассчитано на размещение в нем, по меньшей мере, части опорного блока 210. В примере, приведенном на фиг. 2A и 2B, отверстие может иметь круглое сечение, а опорный блок 210 может характеризоваться наличием верхней части с отверстием или выемкой R, по существу соответствующей отверстию второй части 220 экрана. Как показано на фиг. 2B, выемка R может иметь такие размеры, чтобы ее можно было совместить с соответствующим выступом P другого опорного блока 212.
Пример, приведенный на фиг. 2A и 2B, служит лишь одним примером того, как могут быть соединены между собой вторая часть и опорный блок. В других примерах верхняя часть опорного блока может характеризоваться наличием выступа, а другой опорный блок может содержать выемку в своей нижней части для приема указанного выступа. В некоторых других примерах вторая часть и опорный блок могут быть отлиты в виде единого целого. А в некоторых других примерах в виде единого целого может быть отлито более одного экрана и более одного опорного блока. Таким образом, может отсутствовать необходимость в наличии отверстий и/или взаимозацепляющихся элементов. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что возможны и иные конфигурации.
На фиг. 2C представлено перспективное изображение многоэкранного изоляционного модуля согласно одному из примеров осуществления настоящего изобретения. Изоляционный модуль 250 может содержать пакет 255 опорных блоков, выполненный в виде цельного элемента из диэлектрического материала (например, эпоксидной смолы) с диэлектрическими экранами 260. Нижняя часть пакета 255 опорных блоков может быть выполнена с возможностью опирания на обмотку, например, на HV-обмотку трансформатора. Каждый экран может быть снабжен одним или несколькими отверстиями, обеспечивающими возможность растекания эпоксидной смолы на этапе отливки пакета 255 опорных блоков, вследствие чего все элементы образуют единое целое. Каждый экран характеризуется наличием первой части 260A, проходящей по существу параллельно пакету 255 опорных блоков, и второй части 260B, проходящей поперек пакета 255 опорных блоков. Указанное поперечное пересечение пакета 255 опорных блоков может быть перпендикулярно оси пакета опорных блоков. Первые части могут быть выполнены с такой возможностью, или им может быть придана такая форма, например, изогнутая, чтобы они могли вписаться в пространство между цилиндрическими перегородками трансформатора. Начиная от нижнего диэлектрического экрана в направлении вверх, вторые части 260B могут постепенно удлиняться, поскольку соответствующие диэлектрические экраны могут соотноситься с цилиндрическими перегородками, которые все дальше отходят от пакета 255 опорных блоков. Вторые части также могут быть снабжены центральным отверстием, обеспечивающим для опорных блоков возможность вхождения во взаимное зацепление через соединение типа «отверстие-штифт», как это показано на фиг. 2A и 2B.
На фиг. 3 представлено схематическое изображение в частичном разрезе трансформатора, содержащего изоляционные модули согласно одному из примеров осуществления настоящего изобретения. Трансформатор 300 может представлять собой сухой трансформатор. Трансформатор 300 может содержать HV-обмотку 305 и LV-обмотку 310. Совокупность цилиндрических перегородок 315 может быть помещена между HV-обмоткой 305 и LV-обмоткой 310. Поверх HV-обмотки может быть установлен изоляционный модуль 320. Изоляционный модуль 320 может содержать опорные блоки 325 и гибкие L-образные экраны 330, уложенные в пакет один поверх другого. Каждый опорный блок 325 может удерживать на себе экран 330. Каждый экран 330 может быть совмещен с определенной цилиндрической перегородкой. Начиная снизу в направлении вверх, первый экран 330 может быть совмещен с первой цилиндрической перегородкой между HV-обмоткой и LV-обмоткой. Таким образом, первый (нижний) опорный блок 325 может удерживать на себе первый (самый нижний) экран 330. Соответственно, второй опорный блок 325 может удерживать на себе второй экран и так далее. Вторая часть второго экрана может быть частично выдвинута вверх над первой цилиндрической перегородкой таким образом, чтобы первая часть экрана могла быть совещена со второй цилиндрической перегородкой. Соответственно, вторая часть третьего экрана может быть частично выдвинута вверх над первой и второй цилиндрическими перегородками таким образом, чтобы первая часть третьего экрана могла быть совмещена с третьей цилиндрической перегородкой. Поскольку расстояние между HV-обмоткой и перегородками возрастает по мере приближения экранов с цилиндрическими перегородками к LV-обмотке 310, вторая часть может становиться все длиннее в радиальном направлении трансформатора. Для максимального усиления опорной конструкции опорные блоки могут быть размещены поверх самого верхнего экрана и выступать за пределы наиболее близкой к центру цилиндрической перегородки, образуя второй пакет, который может опираться на LV-обмотку. Экраны L-образной формы могут располагаться по существу параллельно эквипотенциальным линиям, что максимально улучшает изолирующие свойства. Для реализации этого решения радиус изгиба по линии перехода от первой части ко второй части может увеличиваться по мере увеличения расстояния от HV-обмотки.
На фиг. 4 показан схематический вид в разрезе трансформатора, содержащего изоляционные модули согласно одному из примеров осуществления настоящего изобретения. В примере, который проиллюстрирован на фиг. 4, между HV-обмоткой 405 и LV-обмоткой 410 располагается шесть цилиндрических перегородок. Изоляционный модуль 420 располагается между HV-обмоткой 405 и LV-обмоткой 410. Изоляционный модуль 420 может содержать совокупность опорных блоков 425, перемежающихся поперечными L-образными экранами 430. В примере, который проиллюстрирован на фиг. 4, три экрана 430 сопряжены, соответственны, с тремя цилиндрическими перегородками. Каждый экран 430 опирается на соответствующий опорный блок 425. Поверх самого верхнего экрана 430 установлен опорный блок, который выдвинут вверх над наиболее близкой к центру цилиндрической перегородкой и выходит за ее пределы, и который вытянут по вертикали таким образом, чтобы он мог опираться на LV-обмотку, в результате чего изоляционный модуль 420 может характеризоваться π-образной формой (в виде буквы пи) с опорой в форме перевернутой пирамиды.
Каждый опорный блок может содержать элемент, выполненный в виде единого целого, как это показано на фиг. 5, или же он может содержать один элементы для LV-обмотки и другой элемент для HV-обмотки без механического соединения между ними. Последнее из указанных решений является предпочтительным для опорных блоков, изготовленных из эпоксидной смолы, поскольку это упрощает их отливку. Более того, некоторые опорные блоки могут содержать горизонтальные ребра, отходящие наружу от основной конструкции опорных блоков. Кроме того, предусмотрена возможность объединения изоляционных модулей с углообразующими кольцами или дисками. Как показано на фиг. 3, ребра 435 размещены между опорными блоками, что максимально улучшает изолирующие свойства трансформатора.
На фиг. 5A показан вид в разрезе изоляционного модуля, отлитого в виде единого целого, согласно одному из примеров осуществления настоящего изобретения. Изоляционный модуль 500 может содержать пакет 510 опорных блоков, интегрированные диэлектрические экраны 520 и диски 525. Пакет опорных блоков и диэлектрические экраны могут быть отлиты в виде единого целого и изготовлены, например, из эпоксидной смолы. Таким образом, наружу от опорных блоков могут отходить различные выступы, увеличивающие длину пути утечки. Диски 525 могут опираться на верхнюю часть экранов 520. В других примерах диэлектрические экраны могут быть отлиты с использованием той же литейной формы, и также могут быть выполнены из каучука.
На фиг. 5B представлено перспективное изображение части трансформатора с изоляционным модулем согласно одному из примеров осуществления настоящего изобретения. Трансформатор 550 может содержать изоляционный модуль 555, обмотку 560, цилиндрические перегородки 565 и диски 570. Изоляционный модуль 555 может содержать опорные блоки 557 и диэлектрические экраны 559. Диэлектрические экраны 559 могут характеризоваться наличием первой части, параллельной пакету опорных блоков, и они могут быть выполнены с возможностью вписывания в пространство между цилиндрическими перегородками 565. Вторая часть может проходить поперечно, предпочтительно перпендикулярно, первой части, и пересекаться с пакетом опорных блоков. Диски 570 могут опираться на верхнюю часть второй части диэлектрических экранов 559.
На фиг. 6 показан вид в разрезе трансформатора с изоляционным модулем, отлитым в виде единого целого, согласно одному из примеров осуществления настоящего изобретения. Трансформатор 600 может содержать первую обмотку 605 и вторую обмотку 650. Сверху на первую обмотку 605 может опираться изоляционный модуль 610. В частности, изоляционный модуль 610 может содержать пакет 615 опорных блоков и диэлектрические экраны 620. Между первой обмоткой 605 и второй перегородкой 650 могут располагаться цилиндрические перегородки. Первые части диэлектрических экранов могут располагаться в пространстве между цилиндрическими перегородками, выходить за пределы цилиндрических перегородок и соединяться по линии изгиба со вторыми частями, проходя поперечно, предпочтительно перпендикулярно, первым частям. Вторая часть может проходить поперек пакета опорных блоков и выходить за пределы пакета опорных блоков. Диски 625 могут опираться сверху на вторые части диэлектрических экранов 620.
Хотя в настоящем документе раскрыт лишь ряд примеров осуществления заявленного изобретения, возможны иные альтернативные решения, модификации, варианты использования и/или эквиваленты этих примеров. Более того, настоящим документом охватываются все возможные комбинации описанных примеров. Таким образом, объем заявленного изобретения не должен ограничиваться конкретными примерами его осуществления, а должен определяться на основании добросовестного изучения последующей формулы изобретения. Если в формуле изобретения ссылочные позиции, относящиеся к чертежам, заключены в скобки, то они используются лишь для того, чтобы попытаться повысить уровень доступности формулы для понимания, и не должны рассматриваться как ограничивающие объем формулы изобретения.