МОДУЛЬ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
HIGH-VOLTAGE TRANSFORMER MODULE

Изобретение относится к модулю высоковольтного трансформатора, который (модуль) включает в себя сердечник трансформатора с, по меньшей мере, одной обмоткой, и к электрической энергосистеме с модулем высоковольтного трансформатора.
Общеизвестно, что высоковольтные трансформаторы, работающие, например, в диапазоне напряжений от 110 кВ или 380 кВ и в диапазоне мощностей от 100 МВт и выше как для целей осмотра, так и после окончания возможных работ по обслуживанию или ремонту, а также непосредственно после их (трансформаторов) изготовления, должны быть подвергнуты интенсивному контролю, для того чтобы обеспечить их безаварийную работу в течение следующего периода эксплуатации, который зачастую является периодом в несколько лет. Используются как стационарные, так и мобильные испытательные участки. Последние собираются в частности для испытания трансформаторов на месте, после этого разбираются и транспортируются к следующему месту эксплуатации. Несмотря на то, что транспортировка и сборка мобильного испытательного участка связана в большинстве случаев с очень высокими расходами, тем не менее эти расходы чаще всего меньше, чем расходы на транспортировку трансформатора с массой, например, в 200 тонн до стационарного испытательного участка. Кроме того, в этом случае предпочтительным образом значительно сокращено время простоя находящегося на проверке трансформатора.
При этом используются испытательные участки как постоянного (DC), так и переменного (AC) тока, при помощи которых могут создаваться соответствующие условия проверки. В частности испытательный участок переменного тока должен быть в состоянии выработать высокую электрическую мощность при испытаниях с изменяющейся частотой и изменяющимся напряжением в течение длительного, часто продолжающегося несколько часов, периода времени, например для теста на длительную нагрузку или для теста на короткое замыкание. Наряду с силовыми электронными компонентами, как например инверторами и выпрямителями, обычно требуется также испытательный трансформатор, для того чтобы, например, преобразовывать переменное напряжение, которое создано преобразователями частоты переменного тока, на необходимый для испытания уровень напряжения, или же также для того, чтобы адаптировать напряжение имеющегося в распоряжении энергопитания под инверторы.
Подобный трансформатор за счет высокой необходимой максимальной испытательной мощности - например, 20 МВт и выше - является компонентом значительной величины и значительной массы, например 15 тонн. Транспортировка такого трансформатора происходит невыгодным образом при помощи специального транспорта, например на низкорамном грузовом автомобиле, и тем самым требует очень много времени и расходов. Сборка, монтаж и ввод в эксплуатацию подобного испытательного трансформатора на месте также связаны со значительными временными и логистическими расходами.
Исходя из этого уровня техники задача изобретения состоит в предоставлении высоковольтного трансформатора и соответствующей электрической энергосистемы, которую можно наиболее просто транспортировать и устанавливать на месте.
Эта задача решается с помощью модуля высоковольтного трансформатора упомянутого вида. Этот модуль отличается тем, что сердечник трансформатора жестко встроен в механическую несущую конструкцию с угловыми точками, которые расположены в форме прямоугольного параллелепипеда, причем угловые точки выполнены в виде точек переноса нагрузки и расположены в соответствии с габаритными размерами контейнера CSC.
C
S
C
С одной стороны основная идея изобретения состоит в том, чтобы собирать испытательную систему для высоковольтных трансформаторов из по возможности небольшого количества стандартизированных модулей, которые можно просто транспортировать, и которые могут просто подключаться к полностью оснащенной испытательной системе на месте, например, при помощи соответствующих электрических штекерных соединений. Для того чтобы упростить транспортировку модуля высоковольтного трансформатора, который следует рассматривать как существенный компонент испытательной системы, угловые точки несущей конструкции адаптированы к стандартизированному растровому размеру угловых точек стандартных контейнеров, соответствующих конвенции CSC (International onvention for ave ontainers - Международная конвенция по безопасным контейнерам - КБК). Контейнеры CSC имеют, например, стандартизированные габаритные размеры: по ширине 2,438 м, по высоте 2,591 м и по длине 6,058 м или 12,192 м. Восемь угловых точек контейнера являются одновременно его нагрузочными точками, через которые силы тяжести передаются вниз, и соответственно через которые воспринимаются силы тяжести контейнеров, находящихся над ними.
Механическая несущая конструкция выполнена, например, в виде каркаса из трубных профилей подходящих поперечных сечений из высококачественной стали, причем в таком случае в предпочтительном варианте трансформатор может быть расположен по центру. Так трансформатор может быть встроен в уже сам по себе несущий каркас, например, закрепляясь на предусмотренных для этого опорных точках каркаса при помощи винтовых или зажимных соединений. Однако, если в частности размеры трансформатора вплотную приближаются к размерам контейнера, также возможно выполнять каркас, который выдается в данном случае лишь не на много, в качестве неотъемлемой части самого трансформатора.
Таким образом, соответствующий изобретению модуль высоковольтного трансформатора можно как стандартный контейнер присоединить к любому штабелю контейнеров и транспортировать совместно с ним, например на судне. Однако для модуля высоковольтного трансформатора предпочтительным образом существует также большое количество других возможностей транспортировки для стандартных контейнеров, как например железная дорога или грузовой автомобиль, так что его транспортировка значительно упрощается вследствие этого.
Установка модуля высоковольтного трансформатора на месте также значительно упрощается благодаря механической несущей конструкции, в которую трансформатор встроен на постоянной основе. Для того чтобы обеспечить устойчивое состояние нужно обеспечить только опору на четыре нижние точки переноса нагрузки, например посредством подходящих сегментов основания из бетона. Верхние четыре точки переноса нагрузки служат при монтаже, например, в качестве крепежных проушин для опускания подъемным краном. Следовательно, размещение трансформатора с сердечником и обмоткой в несущей конструкции должно быть осуществлено таким образом, чтобы была обеспечена его безопасная с точки зрения изоляции работа в несущей конструкции, которая является неотъемлемой составной частью соответствующего изобретению модуля высоковольтного трансформатора. В частности, поэтому должны быть выдержаны обусловленные с точки зрения изоляции минимальные расстояния до электрических разъемов трансформатора. В соответствии с вариантом осуществления модуля высоковольтного трансформатора трансформатор выполнен в виде сухого трансформатора для диапазона напряжений, например, до 30 кВ, 60 кВ или же даже до 110 кВ. При этом возможны как 1-фазные, 3-фазные осуществления, так и специальные конструктивные исполнения, как например потенциальные разделители или тому подобное.
Кроме того, согласно другому варианту осуществления соответствующего изобретению модуля высоковольтного трансформатора угловые точки выполнены в виде углов стандартного контейнера, то есть имеют, в частности, соответствующие высверленные отверстия и внутреннюю полость, так что созданы условия, например, для взаимного скрепления граничащих друг с другом углов контейнера.
Согласно наиболее предпочтительному варианту осуществления соответствующего изобретению модуля высоковольтного трансформатора поверхности, отходящие от угловых точек, образованы в виде стенки, так что образован подобный контейнеру резервуар с внутренним пространством. Таким образом, обеспечена в частности защита при транспортировке для модуля высоковольтного трансформатора, благодаря чему его транспортировка еще более упрощена. Однако подобная стенка служит также для защиты при эксплуатации. Опционально можно предусматривать возможность доступа - например дверь - к внутренней части подобного контейнеру резервуара, для того чтобы обеспечить возможность технического обслуживания. В этом случае трансформатор также должен быть сконструирован и расположен внутри резервуара таким образом, что при имеющихся стенках обеспечена безопасная с точки зрения изоляции работа. Кроме того, электрические разъемы трансформатора должны выводиться наружу при помощи подходящих выводов, например через боковую стенку. Также возможен непосредственный вывод изолированных соответствующим образом кабелей, причем в этом случае соответственно вытягиваемая петля кабеля должна предпочтительно удерживаться внутри резервуара.
Для того чтобы обеспечить полную совместимость соответствующего изобретению модуля высоковольтного трансформатора с существующими системами транспортировки контейнеров, резервуар предпочтительно выполнен в виде контейнера согласно конвенции CSC.
Согласно другому варианту изобретения, стенки выполнены, по меньшей мере, частично в каждом случае в виде двойных стенок. Таким образом, защитная функция стенки увеличивается еще больше, так что даже при повреждении одной стенки защита обеспечена второй стенкой.
Согласно другому варианту осуществления изобретения во внутреннем пространстве предусмотрена, по меньшей мере, одна поперечная стенка, посредством которой это внутреннее пространство разделено на, по меньшей мере, первое и второе внутреннее пространство, причем сердечник трансформатора с обмоткой расположен в первом внутреннем пространстве. Разделение общего внутреннего пространства на первое и второе внутреннее пространство делает возможной, например, интеграцию в модуль высоковольтного трансформатора других компонентов общей системы, которые, будучи в этом случае предпочтительным образом отделены от трансформатора поперечной стенкой, расположены во втором внутреннем пространстве. Однако этот вариант осуществления возможен только при более незначительных мощностях трансформаторов, где еще имеется в распоряжении соответствующее место во внутреннем пространстве подобного контейнеру резервуара.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, общее внутреннее пространство или первое внутреннее пространство, в котором в зависимости от варианта расположен трансформатор, выполнены герметично-непроницаемыми. Именно это обеспечивает возможность заполнения соответствующего внутреннего пространства трансформаторным маслом, так что находящийся в нем трансформатор выполнен, в конечном счете, в виде масляного трансформатора. За счет изолирующего свойства масла это представляет интерес в частности при более высоких напряжениях, чем указанные ранее напряжения, например при 110 кВ и выше. В этом случае первое внутреннее пространство служит в качестве бака трансформатора и должно быть также выполнено в соответствии с баком масляного трансформатора, например с перегородками, причем в таком случае также требуются монтируемые предпочтительно на месте отводы. Таким же образом заполнение бака маслом должно быть предпочтительно произведено на месте, для того чтобы таким образом ограничить увеличение транспортировочного веса. По соображениям безопасности соответственно заполненное маслом или заполняемое маслом внутреннее пространство должно быть окружено двойной стенкой.
Согласно другому варианту соответствующего изобретению модуля высоковольтного трансформатора в пределах внутреннего пространства или второго внутреннего пространства предусмотрено электрическое коммутационное устройство, которое соединено с, по меньшей мере, одной обмоткой трансформатора при помощи гальванического соединения. Однако опционально в пределах внутреннего пространства или второго внутреннего пространства также предусмотрен, по меньшей мере, один инвертор и/или выпрямитель, который соединен с, по меньшей мере, одной обмоткой при помощи гальванического соединения. Само собой разумеется, оба варианта осуществления возможны только при еще достаточном свободном месте внутри контейнера или внутри подобного контейнеру резервуара, то есть, например, при мощности трансформатора лишь в несколько мегаватт (МВт). Следовательно, предпочтительным образом можно встраивать дальнейшие составные части модульной общей системы в модуль высоковольтного трансформатора и сокращать, таким образом, количество необходимых общих модулей необходимых им образом трансформатора воды трансформатора форматора.
Согласно предпочтительному варианту изобретения в пределах внутреннего пространства соответственно первого и/или второго внутреннего пространства предусмотрена система охлаждения с, по меньшей мере, одним теплообменником, причем, кроме того, предусмотрено устройство перемещения, при помощи которого, по меньшей мере, один теплообменник может перемещаться из транспортного положения внутри одного из внутренних пространств в рабочее положение, которое находится, по меньшей мере, частично снаружи.
Во время своей работы трансформаторы производят электрическую мощность потерь, которая приводит к поступлению тепла в контейнер. В частности при размещении трансформатора в закрытом подобном контейнеру резервуаре это быстро приведет к недопустимо большому повышению температуры внутри резервуара. Этот эффект достигается также посредством других компонентов, производящих тепло потерь, внутри резервуара, в частности также шкафами преобразователей частоты с их силовой электроникой. Поэтому особо важную роль играет проблема отвода возникающего во время работы тепла потерь.
Согласно этому варианту изобретения соответствующее изобретению преимущество системы охлаждения заключается в наиболее малогабаритном и компактном расположении теплообменника внутри модуля высоковольтного трансформатора для транспортных целей, причем для эксплуатации модуля высоковольтного трансформатора теплообменник перемещен, по меньшей мере, частично наружу из модуля. За счет увеличенной в данном случае контактной поверхности с окружающим воздухом достигнута значительно повышенная эффективность системы охлаждения. Предпочтительно подобная система охлаждения выполнена в виде замкнутого контура охлаждения с конденсатором и испарителем, причем посредством испарения охлаждающей жидкости один или даже несколько испарителей поглощают тепловую энергию внутри модуля высоковольтного трансформатора и отдают ее в конденсатор, который может перемещаться наружу. Подобный конденсатор расположен, например, в верхней части испытательного модуля и может перемещаться наружу из этого модуля наподобие выдвижного ящика через соответствующее отверстие. Благодаря направленному на поверхность конденсатора вентилятору эффективность подобной системы охлаждения можно при необходимости дополнительно повысить.
Согласно предпочтительному варианту модуля высоковольтного трансформатора в, по меньшей мере, одной стенке предусмотрена, по меньшей мере, одна выемка, которая может закрываться при помощи крышки. Выемка служит в частности для проведения электрических питающих линий или разъемов модуля высоковольтного трансформатора, так что она (выемка) без проблем может электрически соединяться с другими модулями общей системы. Крышка служит для защиты при транспортировке. После установки на месте защита больше не требуется, и крышка может сниматься, так что выемка остается открытой. Соответствующим образом изолированные соединительные кабели могут проводиться либо непосредственно через нее - при необходимости с использованием соответствующего электрического ввода, известного специалисту. Либо может, например, также использоваться планка с зажимами для соответствующих электрических разъемов, которая (планка) была расположена во время транспортировки внутри контейнера и уже имеет все обратные соединения внутри модуля, например для трансформатора. Таким образом, обеспечивается как безопасная транспортировка без контура помех на месте присоединения, так и простое подключение модуля высоковольтного трансформатора к другим модулям.
Задача решается также с помощью электрической энергосистемы, которая имеет модульное строение и включает в себя, по меньшей мере, один соответствующий изобретению модуль высоковольтного трансформатора. Как упоминалось вначале, модульная конструкция, предпочтительно с использованием в качестве корпуса контейнеров или подобных контейнерам резервуаров, обеспечивает простую транспортировку и беспроблемную сборку на месте, в частности, так как компоненты системы расположены в неподвижном положении внутри контейнера. В своем неподвижном положении компоненты уже прочно подключены внутри корпуса, так что подключаться должен лишь модуль как таковой. Кроме того, модульная конструкция обеспечивает необходимое при определенных обстоятельствах электрическое совместное подключение нескольких стандартизированных, расположенных в контейнере, системных модулей, таких как, например, модули преобразователей частоты, к электрической энергосистеме. Так благодаря вводу в эксплуатацию других, расположенных в контейнере системных модулей может соответственно увеличиваться, например, мощность модульной электрической энергосистемы.
Предпочтительно модульная электрическая энергосистема является испытательной системой для силовых трансформаторов, то есть она предусмотрена для того, чтобы преобразовывать заданное напряжение электрического питания в испытательное напряжение (однофазное или также трехфазное) с изменяющейся величиной и частотой. Однако, само собой разумеется, расположенная в контейнере модульная электрическая энергосистема подходит также для других целей применения, например она может также использоваться в качестве энергосистемы для ветряных парков соответственно также для оффшорных ветряных парков. Модуль высоковольтного трансформатора в варианте осуществления в виде контейнера с трансформатором и преобразователями частоты может без проблем быть сконструирован, например, таким образом, что он подходит в качестве преобразователя/преобразователя частоты для ветроэнергетической установки. Задача подобного преобразователя частоты для ветроэнергетических установок состоит в преобразовании созданного переменного напряжения в определенное питающее напряжение, и таким образом эта задача, в конечном счете, очень похожа на задачу испытательной системы. Преимущества выполненного таким образом соответствующего изобретению модуля высоковольтного трансформатора, а именно упрощение его транспортировки и монтажа на месте, в равной степени играют важную роль при возведении ветряных парков, так что изобретение может предпочтительно использоваться также и в этой отрасли.
Другие предпочтительные варианты осуществления могут быть раскрыты в других зависимых пунктах формулы изобретения.
Примеры и варианты осуществления изобретения, а также другие преимущества изобретения более подробно описываются посредством чертежей, на которых показано:
фиг. 1 - в качестве примера первый модуль высоковольтного трансформатора,
фиг. 2 - в качестве примера второй модуль высоковольтного трансформатора,
фиг. 3 - в качестве примера третий модуль высоковольтного трансформатора,
фиг. 4 - укладку в штабель модулей высоковольтных трансформаторов, а также
фиг. 5 - четвертый сердечник трансформатора с обмоткой.
На Фиг. 1 показан на виде сверху в разрезе в качестве примера первый модуль 10 высоковольтного трансформатора. Трансформатор 12 неподвижно встроен в рамную механическую несущую конструкцию 14 и опирается на нее. Несущая конструкция 14 проходит к четырем нижним точкам 16 переноса нагрузки и к четырем другим непоказанным верхним точкам переноса нагрузки, которые в итоге расположены в форме прямоугольного параллелепипеда. Форма прямоугольного параллелепипеда соответствует габаритным размерам 40-футового стандартного контейнера, так что модуль 10 высоковольтного трансформатора можно интегрировать в штабель с контейнерами CSC.
Поверхностные области между точками переноса нагрузки выполнены в виде двойных стенок 18, 20, так что подобный контейнеру резервуар выполнен с внутренним пространством. Кроме того, между боковыми стенками предусмотрена двойная внутренняя поперечная стенка 24, 26, так что образованы окруженное оболочкой из двойных стенок, герметично-непроницаемое, первое внутреннее пространство 36 и прилегающее к нему второе внутреннее пространство 38. Первое, окруженное оболочкой из двойных стенок, внутреннее пространство 36, в котором расположен трансформатор 12, наполнено маслом, а во втором внутреннем пространстве 38 расположено трехфазное электрическое коммутационное устройство 32. Оно соединено с трансформатором 12 гальваническими соединительными проводами 34, причем эти провода проведены в первое, наполненное маслом, внутреннее пространство 36 при помощи герметично-непроницаемых вводов 28 через внутреннюю поперечную стенку 24, 26. Конструктивное выполнение этих вводов соответствуют вводам, которые известны специалисту в области техники. Кроме того, коммутационное устройство 32 соединено при помощи трех гальванических соединительных проводов 34 с другим модулем контейнера, который находится снаружи подобного контейнеру резервуара, причем эти провода проведены через соответствующие вводы на внешней торцевой стенке.
На Фиг. 2 показан в качестве примера второй модуль 40 высоковольтного трансформатора на трехмерной блок-схеме, на которой в целях наглядности не изображена механическая несущая конструкция. Четыре нижние 44 и четыре верхние точки 46 переноса нагрузки образуют угловые точки обозначенного пунктиром, подобного прямоугольному параллелепипеду, похожего на контейнер резервуара 50, который имеет габаритные размеры стандартного контейнера. Обозначенные кубиками точки 44, 46 переноса нагрузки выполнены из чугуна и имеют на своих трех находящихся снаружи сторонах соответствующие высверленные отверстия, которые заканчиваются внутренней полостью соответствующего кубика. Таким образом, граничащие друг с другом углы контейнера в каждом случае можно хорошо соединить друг с другом через отверстия, например, в целях защиты во время транспортировки. Трансформатор 48 изображен по центру внутри подобного контейнеру резервуара 50 и опирается на не изображенную несущую конструкцию. В этом примере трансформатор является сухим трансформатором с номинальным напряжением в диапазоне 60 кВ и номинальной мощностью в 20 МВт, причем эти значения представляют собой только примерные значения. Боковые стенки контейнера изготовлены из гофрированной листовой стали. Также без проблем возможно, располагать несколько трансформаторов в общей механической несущей конструкции.
На Фиг. 3 показан на виде сверху в разрезе в качестве примера третий модуль 60 высоковольтного трансформатора. Обозначенный в виде прямоугольного параллелепипеда сухой трансформатор 62 расположен по центру в контейнере, причем контейнер изображен со своими боковыми стенками 68, 70 и своими торцевыми стенками 72, 74, и, причем, посредством стенок контейнера образовано внутреннее пространство 82. Трансформатор 62 является составной частью механической несущей конструкции 64, которая обозначена в частности полыми профильными соединениями, которые исходят из соответствующих угловых точек обозначенного в виде прямоугольного параллелепипеда сухого трансформатора 62, и которые переходят в соответствующие точки 66 переноса нагрузки. Над трансформатором 62, однако, внутри контейнера обозначены два выполненных наподобие выдвижного ящика теплообменника в транспортном положении 76, которые при помощи непоказанного устройства перемещения могут перемещаться вдоль направления 80 перемещения в рабочее положение 78. Теплообменники являются частью встроенной системы охлаждения модуля высоковольтного трансформатора, для того чтобы отводить тепло потерь, возникающее при эксплуатации трансформатора. Наиболее эффективной оказывается система охлаждения с замкнутым контуром охлаждения, циркулирующим охлаждающим веществом, конденсатором и испарителем, что как таковое известно специалисту, то как таковое тем не менее известно для того чтобы.
На Фиг. 4 показана укладка 90 в штабель двух модулей 92, 94 высоковольтных трансформаторов, причем соответствующие силы тяжести передаются через точки переноса нагрузки, которые находятся на соответствующих угловых точках. Подобная укладка в штабель встречается, например, при транспортировке судном. Однако также без проблем возможно, если это допускают габаритные условия на месте, располагать несколько совместно подключенных к электрической энергосистеме или также к испытательной системе модулей контейнера, которые для их работы уложены в штабель подобным образом.
На Фиг. 5 показан на изображении 100 четвертый сердечник 102 трансформатора с обмоткой 104, 106. На других фигурах соответствующий сердечник трансформатора с обмоткой был обозначен в каждом случае в виде прямоугольного параллелепипеда, в то время, как это изображение является более реалистичным примером изображения. Тем не менее также возможны другие различные конструктивные исполнения, как например импульсные трансформаторы, автотрансформаторы, однофазные варианты осуществления.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
10 первый примерный модуль высоковольтного трансформатора
12 первый сердечник трансформатора с обмоткой
14 первая механическая несущая конструкция
16 точки переноса нагрузки
18 внешняя стенка
20 внутренняя стенка
22 полость между внешней и внутренней стенкой
24 внешняя поперечная стенка
26 внутренняя поперечная стенка
28 внутренний ввод
30 внешний ввод
32 электрическое коммутационное устройство
34 гальваническое соединение
36 наполненное маслом первое внутреннее пространство
38 второе внутреннее пространство
40 второй примерный модуль высоковольтного трансформатора
44 нижние точки переноса нагрузки
46 верхние точки переноса нагрузки
48 второй сердечник трансформатора с обмоткой
50 подобный контейнеру резервуар
60 третий примерный модуль высоковольтного трансформатора
62 третий сердечник трансформатора с обмоткой
64 вторая механическая несущая конструкция
66 точки переноса нагрузки
68 первая боковая стенка
70 вторая боковая стенка
72 первая торцевая стенка
74 вторая торцевая стенка
76 теплообменник в транспортном положении
78 теплообменник в рабочем положении
80 направление перемещения
82 внутреннее пространство
90 укладка в штабель модулей высоковольтных трансформаторов
92 первый модуль высоковольтного трансформатора
94 второй модуль высоковольтного трансформатора
96 передача усилия на точках переноса нагрузки
100 четвертый сердечник трансформатора с обмоткой
102 сердечник трансформатора
104 первая обмотка
106 вторая обмотка.