ВИНТОВАЯ ОБМОТКА С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМИ ОПОРАМИ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к конструкции элементов электрического оборудования, в частности, обмоток электрических реакторов любого типа или силовых трансформаторов, и может быть использована при разработке конструкции винтовой обмотки с сосредоточенной транспозицией.
Катушечная обмотка является одним из основных узлов в электрических реакторах различного назначения (токоограничивающих, сглаживающих, шунтирующих, коммутирующих и т.д.), а также в конструкциях силовых трансформаторов.
При разработке конструкций обмоток к ним предъявляются высокие требования по эксплуатационной надежности.
Высокая электродинамическая и механическая прочность реактора или силового трансформатора, необходимые для устойчивости к динамическим нагрузкам, возникающим в процессе работы электрического оборудования, например, при токах короткого замыкания, при внешних вибрационных воздействиях и т.д., обеспечивается при использовании винтовых обмоток.
Винтовая обмотка состоит из ряда витков, наматываемых по винтовой линии. Каждый виток состоит из нескольких одинаковых параллельных проводов, обычно - прямоугольного сечения, укладываемых в радиальном направлении.
Так как параллельные провода винтовой обмотки расположены концентрически и находятся на разном расстоянии от ее оси, то имеет место неравенство их активных и индуктивных сопротивлений, и следовательно, неравномерное распределение тока между ними. Для обеспечения равномерного распределения тока по проводникам (выравнивания сопротивления) и соответственно уменьшения дополнительных потерь винтовые обмотки выполняют с транспозицией (т.е. с перекладкой параллельных проводов витка во время намотки). Наиболее часто применяется сосредоточенная транспозиция параллельных проводов.
При изготовлении винтовой обмотки формируют воздушные охлаждающие каналы - горизонтальные (расположены в радиальном направлении) и вертикальные (расположены в осевом направлении). Вертикальные каналы обычно формируют с помощью реек (стержней), установленных в осевом направлении, например, между рядами параллельных проводов винтовой обмотки. Горизонтальные каналы (каналы между витками обмотки) обычно формируют с помощью прокладок (планок, вставок), расположенных между витками обмотки и скрепленных с вертикальными рейками. Рейки и прокладки выполняют из электроизоляционного материала.
В процессе работы электрических реакторов и силовых трансформаторов при протекании электрического тока по обмотке возникают усилия, сжимающие обмотку в осевом направлении и растягивающие ее в радиальном направлении. Кроме того, обмотки испытывают динамические нагрузки при токах короткого замыкания, внешних вибрационных воздействиях и т.д. В связи с этим актуальной задачей при разработке конструкций винтовых обмоток является обеспечение конструктивной прочности, а следовательно, и эксплуатационной надежности, что, в свою очередь, направлено на обеспечение эксплуатационной надежности электрооборудования в целом.
Следует отметить, что прокладки, служащие для создания горизонтальных каналов между витками обмотки, представляют собой опорные элементы, воспринимающие осевые усилия, воздействующие на обмотку, и несут большую механическую нагрузку, особенно при коротких замыканиях, сохраняя геометрию обмотки и исключая прогиб проводников в процессе эксплуатации, тем самым сохраняя параметры создаваемого электромагнитного поля и предотвращая замыкание друг на друга проводников соседних витков, что в свою очередь позволяет решить задачу обеспечения эксплуатационной надежности винтовой обмотки.
Известна винтовая обмотка силового трансформатора [авт. св. СССР № SU 1693647 A1 «Винтовая обмотка мощного трансформатора», МПК H01F27/28, дата публ. 23.11.1991], в которой обеспечивается повышение динамической стойкости обмотки к действию тангенциальных сил при токах короткого замыкания. На наружной поверхности обмотки по винтовой линии в направлении, противоположном намотке витков, установлены бандажи, прикрепленные к виткам обмотки.
Однако такое выполнение бандажей не ограничивает смещение проводников в осевом направлении, а также увеличивает габарит обмотки в радиальном направлении.
Известны технические решения, относящиеся к конструкциям обмоток, в которых между соседними витками установлены изолирующие прокладки/вставки, удерживающие витки обмотки разнесенными друг от друга:
спиральная обмотка [патент № RU 2616591 С2 «Линейный фильтр для систем передачи на линиях электропередач переменного тока среднего/высокого напряжения», МПК H01F27/28, H01F27/32, дата публ. 18.04.2017], витки которой имеют Н-образное сечение в осевом направлении, в углублениях которых размещены прокладки, создающие опору для каждого витка;
силовой реактор, представляющий собой катушку индуктивности [патент № RU 198556 U1 «Высокочастотный заградитель», МПК H04B3/54, дата публ. 15.07.2020], между соседними витками которой установлены плотно прилегающие к ним вставки Н- или Т-образной формы, в пазах которых плотно размещены витки (проводники), вставки установлены в вертикальном направлении друг под другом, в горизонтальном - равноудаленно, что обеспечивает равномерное распределение нагрузки при протекании токов короткого замыкания.
Известные технические решения направлены на повышение стойкости к деформации обмотки (т.е. повышение прочности конструкции обмотки), однако характеризуются конструктивной сложностью (фигурное выполнение витков и вставок в поперечном сечении), нетехнологичностью конструкции (необходимость точного позиционирования вставок и проводников при намотке катушки), а также недостаточной надежностью крепления прокладок/вставок, которые могут под действием динамических нагрузок сместиться и даже выпасть из мест установки, результатом чего будет снижение конструктивной прочности обмотки.
Известна винтовая обмотка [патент № RU 188932 U1 «Винтовая обмотка», МПК H03F1/00, H01F27/28, дата публ. 29.04.2019], в которой между рядами витков выполнена сосредоточенная транспозиция параллельных проводов, при этом в месте ее выполнения сформирован горизонтальный канал, при этом в месте выполнения транспозиции параллельные провода разрезаны, их концы расположены за наружным диаметром обмотки и соединены между собой.
Однако следует отметить, что в известном техническом решении не предусмотрена установка опорных элементов между витками в местах выполнения сосредоточенной транспозиции, что негативно отражается на конструктивной прочности винтовой обмотки.
Известна спиральная (винтовая) обмотка, входящая в состав электрического реактора сухого типа с воздушным сердечником [патент № CA 2102467 A1 «Air core reactor with conductor winding rigidly anchored to structural sleeve», МПК H01F27/32, H01F29/02, H01F41/04, дата публ. 06.05.1994]. Винтовая обмотка образована витками, каждый из которых содержит индивидуально изолированные параллельные провода, образующие ряды, которые расположены в радиальном направлении. В обмотке сформированы вертикальные охлаждающие каналы с помощью стержней, армированных стекловолокном и установленных между слоями обмотки. Между соседними витками обмотки расположена распорная полоса для обеспечения заданного расстояния между витками, при этом край полосы размещен в выточке канавки, выполненной в теле проводника.
Однако следует отметить, что геометрия профиля проводника, соответствующая профилю распорной полосы, обуславливает высокую конструктивную сложность, а необходимость точного пространственного совмещения полосы и проводника в процессе намотки, а также необходимость их плотного прилегания к каркасу, на который наматывается обмотка, обуславливает технологическую сложность изготовления (т.е. нетехнологичность конструкции). Кроме того, в зонах выполнения сосредоточенной транспозиции распорная полоса не может быть размещена, что снижает прочностные характеристики обмотки.
В качестве технического решения (прототипа), наиболее близкого по совокупности существенных признаков к заявляемой полезной модели, предлагается винтовая обмотка, которая содержит витки, намотанные по винтовой линии, при этом каждый виток состоит из нескольких параллельных проводов, укладываемых в ряды в радиальном направлении [адрес интернет-страницы: https://forca.ru/knigi/arhivy/proizvodstvo-obmotok-i-izolyacii-silovyh-transformatorov.html: Технология и механизация производства обмоток и изоляции силовых трансформаторов/ Герасимова Л.С., Дейнега И.А., Пшеничный Г.И., Чечелюк Я.3. - Москва: Энергия, 1979. - 336 с. (Трансформаторы; Вып. 35)]. В винтовой обмотке сформированы вертикальные и горизонтальные каналы. Вертикальные каналы образованы за счет установки реек, расположенных вертикально. Горизонтальные каналы (т.е. каналы между витками винтовой обмотки) образованы за счет дистанционных прокладок (опорных элементов), расположенных между соседними витками обмотки и выполненных из листового электроизоляционного картона в виде плоских пластин, по одной стороне или двум противоположным сторонам которых выполнены открытые скобкообразные пазы с загибами по наружному краю, служащими для сцепления дистанционной прокладки с краем вертикальной рейки (фиг. 1, 2): на фиг. 1 показана дистанционная прокладка H1, в которой паз выполнен с одной стороны; на фиг. 2 показана дистанционная прокладка H2, в которой пазы выполнены с двух противоположных сторон. Как уже было отмечено выше, для выравнивания сопротивления параллельных проводов и уменьшения потерь винтовые обмотки выполняют с транспозицией, причем наиболее часто применяется сосредоточенная транспозиция параллельных проводов. Обмотка может быть выполнена одноходовой, двухходовой или многоходовой.
Как было отмечено ранее, конструкционные элементы, служащие для создания горизонтальных каналов между витками винтовой обмотки, воспринимают осевые усилия, воздействующие на обмотку в процессе эксплуатации электрооборудования, подвержены динамическим нагрузкам (возникающим, например, при внешних вибрационных воздействиях, при токах короткого замыкания и т.д.) и несут большую механическую нагрузку, обеспечивая тем самым конструктивную прочность, а следовательно, и эксплуатационную надежность обмотки.
Однако в отношении известного технического решения необходимо отметить следующее.
Применение дистанционных прокладок требует высокой точности их изготовления и точного позиционирования при установке в обмотке, т.е. представляет собой сложный технологический процесс, что негативно влияет на технологичность конструкции.
Выполнение соединительных элементов дистанционной прокладки, с помощью которых обеспечивается соединение (сцепление) с вертикальной рейкой, в виде загибов («усиков») по краю паза не обеспечивает надежного закрепления дистанционной прокладки, т.к. при динамических нагрузках, возникающих, например, при токах короткого замыкания, соединительные элементы («усики») могут деформироваться и/или получить механические повреждения, в результате чего дистанционная прокладка может отсоединиться от вертикальной рейки и сместиться или даже выпасть из обмотки, что ослабит конструкцию обмотки, т.е. снизит ее прочность. В результате может измениться геометрия обмотки, произойти смыкание проводников соседних витков или иные негативные последствия, что может привести к сбою работы электрооборудования.
Кроме того, следует отметить, что в области выполнения сосредоточенной транспозиции винтовой обмотки установка дистанционных прокладок, проходящих по всей ширине обмотки (в радиальном направлении), невозможна в силу конструктивного выполнения перекладки проводников при выполнении транспозиции (установке прокладки будут препятствовать места переходов проводников), что приведет к ослаблению (уменьшению прочности) винтовой обмотки в области выполнения сосредоточенной транспозиции. А применение дистанционных прокладок, длина которых будет соответствовать расстоянию между соседними переходами (то есть ограничена расстоянием до места перехода проводников в транспозиции), не обеспечит достаточной прочности обмотки в зоне выполнения сосредоточенной транспозиции в силу описанных выше факторов (при динамических нагрузках велика вероятность деформаций, механических повреждений и как следствие, смещение или выпадение из обмотки), что снизит конструктивную прочность обмотки в целом.
Техническим результатом, достижение которого обеспечивается заявляемой полезной моделью, является повышение конструктивной прочности винтовой обмотки.
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 параллельных проводов имеются вертикальные каналы, образованные путем установки реек, расположенных в вертикальном направлении. Между рядами выполнена сосредоточенная транспозиция параллельных проводов.
При этом согласно заявляемой полезной модели, в области выполнения сосредоточенной транспозиции в горизонтальном канале, образованном между соседними витками обмотки, установлены опорные элементы, размещенные на рейках, расположенных в вертикальном направлении, причем каждый из опорных элементов выполнен со сквозным отверстием, через которое проходит рейка, расположенная в вертикальном направлении, на которой размещен указанный опорный элемент (т.е. опорные элементы нанизаны на вертикально расположенные рейки).
Таким образом, за счет того, что в заявляемой конструкции винтовой обмотки, в которой (в отличие от прототипа) в горизонтальном канале, образованном между соседними витками обмотки, в области выполнения сосредоточенной транспозиции установлены опорные элементы так, как описано выше (а именно: каждый из опорных элементов выполнен со сквозным отверстием, посредством которого он нанизан на соответствующую вертикально расположенную рейку) обеспечивается надежное опирание проводников на опорные элементы (причем один элемент будет являться опорой для проводников, расположенных по обеим сторонам от вертикальной рейки) в области выполнения сосредоточенной транспозиции как при работе обмотки в штатном режиме (когда при протекании тока на обмотку действуют осевые сжимающие усилия), так и при внешнем воздействии вибрационных нагрузок, при динамических нагрузках, возникающих в случае протекания токов короткого замыкания и т.д., так как опорный элемент, нанизанный на вертикальную рейку через свое сквозное отверстие, более прочно и надежно соединен с рейкой, чем дистанционная прокладка, соединенная с рейкой с помощью загибов («усиков») краевого паза, выполненного в виде скобы, и будет более надежно удерживаться на месте при действии внешних динамических нагрузок. Таким образом, заявляемая винтовая обмотка обладает более высокой конструктивной прочностью по сравнению с известным техническим решением (прототипом), что позволяет обеспечить сохранение геометрии обмотки и исключить замыкание проводников соседних витков, между которыми установлены опорные элементы, в процессе работы электрооборудования, тем самым повысить эксплуатационную надежность.
Наиболее технологичным выполнением опорных элементов и обеспечивающим при этом высокую конструктивную прочность обмотки (за счет развитой площади опорной поверхности) является выполнение, при котором опорные элементы выполнены цилиндрической формы с осевым отверстием, причем опорные элементы выполнены с замкнутой наружной поверхностью.
Для повышения механической прочности конструкции обмотки (за счет исключения провисания проводов в области выполнения сосредоточенной транспозиции при штатном режиме эксплуатации обмотки) каждый из опорных элементов может быть установлен таким образом, что его торцевые поверхности примыкают к соответствующим поверхностям параллельных проводов, между которыми расположена вертикальная рейка, проходящая через сквозное отверстие указанного опорного элемента.
С целью обеспечения более высокой конструктивной прочности, а также технологичности конструкции обмотки горизонтальный канал между соседними витками обмотки может быть образован путем установки реек, расположенных в радиальном направлении.
Графические материалы содержат чертежи и схемы, поясняющие уровень техники, а также пример выполнения заявляемой винтовой обмотки с дополнительными опорами.
На фиг. 1 и 2 представлены изображения (общий вид) дистанционных прокладок, применяемых в конструкции известной обмотки (в прототипе) и служащих для создания горизонтальных каналов; на фиг. 1 показана дистанционная прокладка Н1, в которой паз выполнен с одной стороны; на фиг. 2 показана дистанционная прокладка Н2, в которой пазы выполнены с двух противоположных сторон.
На фиг. 3 представлено схематичное изображение расположения опорных элементов обмотки, главный вид (снаружи обмотки).
На фиг. 4 представлена схема расположения областей (зон) выполнения транспозиции, вид сверху.
На фиг. 5 представлено схематичное изображение расположения опорных элементов обмотки на схеме раскладки проводников транспозиции (вид сверху в поперечном сечении по горизонтальному каналу).
На фиг. 6 представлено схематичное изображение вертикальной рейки с размещенным на ней опорным элементом.
В представленном примере выполнения (фиг. 3-6) винтовая обмотка 1 содержит витки 2, каждый из которых образован изолированными параллельными проводами (проводниками) 3, которые образуют ряды 4 в радиальном направлении.
Для обеспечения требуемых характеристик изоляции и охлаждения в обмотке сформированы воздушные вертикальные (осевые) 5 и горизонтальные (радиальные) 6 каналы. Вертикальные каналы 5 выполнены между рядами 4 параллельных проводов 3 и образованы путем установки реек 7, расположенных в вертикальном направлении. Между витками 2 обмотки 1 выполнены горизонтальные каналы 6. Количество выполняемых каналов (вертикальных и горизонтальных) определяется требуемыми параметрами обмотки. Известны конструкции винтовых обмоток, выполненных как с одним горизонтальным каналом, так и с несколькими. В представленном примере горизонтальные каналы 6 сформированы путем установки реек 8, расположенных в радиальном направлении. Такое выполнение является более простым и технологичным по сравнению, например, с формирование горизонтальных каналов с помощью дистанционных прокладок (или вставок) из листового электроизоляционного картона. Вертикальные и горизонтальные рейки могут быть выполнены, например, из стеклотекстолита марки СТЭФ-I ГОСТ 12652-74 или стеклопластика профильного электроизоляционного ГОСТ 27380-87.
Между рядами выполнена сосредоточенная транспозиция параллельных проводов, обеспечивающая равномерное распределение тока по проводникам и уменьшение дополнительных потерь в обмотке. Возможная схема расположения областей (зон) выполнения транспозиции показана на фиг. 4. Пример схемы раскладки проводников сосредоточенной транспозиции показан на фиг. 5.
Горизонтальные рейки, формирующие горизонтальный канал между витками винтовой обмотки и служащие опорой для проводников, которые с ними контактируют, проходят между соседними витками вдоль всех рядов витка по радиусу обмотки (т.е. на ширину обмотки по радиусу), однако в областях D выполнения транспозиции (фиг. 4) горизонтальная рейка не может быть беспрепятственно установлена вдоль всех рядов проводников из-за перекладки проводов, в отношении которых выполнена транспозиция. В связи с этим в процессе намотки проводов при изготовлении винтовой обмотки (когда намотан нижний виток горизонтального канала) на каждую вертикальную рейку 7 в области D выполнения сосредоточенной транспозиции надевают (нанизывают) опорный элемент 9, выполненный со сквозным отверстием. Опорные элементы 9 могут быть выполнены различной формы, например, в виде цилиндра, бочонка, кольца, куба и т.д. Однако наиболее технологичным представляется выполнение опорного элемента 9 цилиндрической формы с замкнутой наружной поверхностью и сквозным осевым отверстием (фиг. 6), причем такое конструктивное выполнение опорного элемента обеспечивает его высокую прочность. Опорный элемент 9 своей нижней торцевой поверхностью (на фиг. не обозначена) располагается на поверхности 10 (фиг. 3) нижнего витка горизонтального канала. В данном случае положение «верх»-«низ» определяется расположением обмотки при ее обычном функционировании, когда ось обмотки расположена вертикально. После установки опорных элементов 9 выполняют намотку следующего витка (верхнего витка горизонтального канала), который своей нижней поверхностью 11 будет прилегать к верхним торцевым поверхностям (на фиг. не обозначены) опорных элементов 9. Диаметр сквозного отверстия опорного элемента 9 таков, чтобы элемент 9 мог быть легко установлен на вертикальную рейку 7 (без значительного трения по поверхности рейки). Размер опорного элемента 9 в радиальном направлении (для цилиндрического элемента - это наружный диаметр цилиндра) выбирается в зависимости от количества параллельных проводников, образующих ряд, и схемы расположения опорных элементов. Предпочтительно выбирать указанный размер опорного элемента 9 так, чтобы все проводники витка имели возможность взаимодействия с торцевыми поверхностями опорных элементов (т.е. опирались на них). Высота опорного элемента 9 соответствует высоте горизонтального канала 6. Опорные элементы могут быть изготовлены, например, из стеклопластика профильного электроизоляционного ГОСТ 27380-87, или трубок стеклопластиковых эпоксифенольных марки ТСЭФ по ГОСТ 12496-88, или трубок стеклопластиковых D ТСПП-Э ТУ У 25.2-25462405-004:2007, где D - это наружный диаметр трубки.
Функционирование заявляемой винтовой обмотки осуществляется в составе электрического реактора или силового трансформатора.
При протекании электрического тока в штатном режиме на винтовую обмотку 1 действуют сжимающие усилия в осевом направлении. Это стационарные нагрузки, действующие на обмотку, на которые рассчитан запас прочности проводников, и, кроме того, эти нагрузки равномерно распределяются между опорными поверхностями горизонтальных реек 8 и опорных элементов 9. При работе электрооборудования возможно воздействие внешних вибрационных нагрузок, динамических нагрузок, возникающих при коротком замыкании, и т.д.
В этом случае опорные элементы 9, установленные в горизонтальных каналах 6 в областях D выполнения транспозиции (где выполнена перекладка проводов 3 и имеются места их переходов/изгибов, что представляет собой фактор риска при нештатных ситуациях), дополнительно обеспечивают прочность конструкции винтовой обмотки 1; исключают (в зонах выполнения сосредоточенной транспозиции) провисание и замыкание друг на друга проводов 3 соседних витков, между которыми образован горизонтальный канал; обеспечивают сохранение геометрии обмотки.
Таким образом, заявляемое техническое решение обеспечивает по сравнению с прототипом повышение конструктивной надежности, что, в свою очередь, позволяет повысить эксплуатационную надежность винтовой обмотки и электрооборудования в целом.