Кріогенний трансформатор

Настоящее изобретение относится к трансформаторам электрического тока и может быть использовано при создании мало-габаритных энергоемких источников питания транспортных энергосистем, в частности, ускорителей заряженных частиц, электросварочных аппаратов и др. Криогенная электротехника, основанная на использовании сверхпроводников и проводников из высокочистых металлов, охлажденных до криогенных температур, является важным направлением развития современной энергетики. Известен трансформатор, состоящий из обмоток низкого и высокого напряжения, размещенных на каркасе из изоляционного материала [1]. Недостатком такой конструкции каналов является трудность охлаждения проводников, расположенных под рейками. Неохлаждаемые участки обмотки являются местами перегрева проводников, что приводит к повышению их электросопротивления, следовательно, к потере мощности в обмотках. Для предотвращения этого явления в обмотках уменьшают плотность тока за счет дополнительных секций, что приводит к снижению снимаемой полезной мощности с единицы объема. В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать криогенный трансформатор, в котором благодаря улучшению условий охлаждения проводников повышается надежность работы трансформатора и появляется возможность увеличения числа проводников в обмотках, что повышает коэффициент полезного действия на единицу объема трансформатора. Поставленная задача решается тем, что криогенный трансформатор, состоящий из обмоток, размещенных на каркасах из изоляционного материала, согласно изобретению, снабжен замками жесткости и стержнями на каждом из торцов трансформатора, каркасы выполнены с отверстиями, замки жесткости выполнены в виде радиально расположенной гребенки с толщиной зуба равного расстоянию между обмоткой и следующим каркасом другой обмотки и расположены на торцах трансформатора, а стержень проходит через зубья гребенки и торцы каркасов обмоток. Наилучший результат достигается, когда начало и конец каждой обмотки располо-жены на одном и том же торце трансформатора, площадь отверстий в каркасах обмоток составляет 30-40% от общей площади поверхности каркаса, а трансформатор снабжен, по крайней мере, тремя замками жесткости и стержнями на каждом из торцов трансформатора. Под объемом трансформатора понимают полезный объем, занимаемый самим трансформатором, и окружающее его пространство, заполненное хладагентом. Снабжение трансформатора замками жесткости и стержнями на каждом из торцов трансформатора, выполнение каркасов с отверстиями позволяет обеспечить охлаждение обмоток по всей их поверхности, исключая перегрев проводников, а выполнение замков жесткости в виде радиально расположенной гребенки с толщиной зуба равного расстоянию между обмоткой и следующим каркасом другой обмотки и расположение гребенок на торцах трансформатора, а также прохождение стержня через зубья гребенки и торцы каркасов обмоток позволяет обеспечить равномерное охлаждение проводников в обмотках, повышает возможность увеличения числа проводников в обмотках и исключается повреждение проводников во время изготовления обмоток, что в итоге повышает коэффициент полезного действия на единицу объема трансформатора и надежность. Намоткой и установкой на стержне обмотки высокого напряжения таким образом, чтобы ее начало и конец располагались в нижней части трансформатора, обеспечивается кратчайшее расстояние соединений между обмотками при их коммутации треугольником на объемном магнитолроводе и предельно компактное расположение трехфазного выпрямителя в криостате трансформатора. В итоге данные технические решения по охлаждению проводников в обмотке, их соединению и расположению выпрямителя приводят к повышению КПД трансформатора и уменьшению его габарита. Выполнение каркаса обмотки с каналами повышает эффективность охлаждения проводников, уложенных в обмотку. Нижний предел площади каналов (30%) обусловлен отводом джоулева тепла, выделяющегося в проводниках на уровне бескаркасной намотки, а верхний (40%) -сохранением механической жесткости каркаса при намотке и эксплуатации обмотки. На чертеже показан в разрезе криогенный трансформатор, имеющий четыре каркаса. Криогенный трансформатор состоит из обмоток 1, размещенных на каркасах 2, выполненных в виде коаксиально расположенных цилиндров из изоляционного материала. На торцах 3 каркасов 2 размещены замки жесткости 4, выполненные в виде гребенок, расположенных радиально. Зубья 5 замков жесткости 4 имеют толщину равную расстоянию между обмоткой 1 и следующим каркасом 2 другой обмотки. Замки жесткости 4 снабжены стержнями 6, проходящими через зубья 5 гребенки и торцы 3 каркасов 2. Каркасы 2 снабжены отверстиями 7 для прохождения хладагента. Внутри внутреннего каркаса 2 размещен стальной стержень (на чертеже не показан). В случае выполнения 3-фазного трансформатора стержни соединены между собой ярмами. Криогенный трансформатор помещают в криостат (на чертеже не показан) с жидким азотом. На первичную обмотку расположенную на вн утреннем каркасе 2 подают напряжение 220 В, 400 Гц. Со вторичной обмотки расположенной на средних и внешних каркасах 2 снимается напряжение 20 кВ. Выпрямленный ток подается к нагрузке. Пример. Технические требования к трансформатору, выполненному по заявляемому техническому решению, ставились следующие: номинальная мощность при охлаждении обмоток жидким азотом -50 кВ.А. ВН (высокое напряжение) - 20 kB, HH (низкое напряжение) - 220 В, частота тока - 400 Гц, схема соединений обмоток У/Д. Для намотки первичной и вторичной обмоток использовали фольгу из высокочистого алюминия марки А 999 (толщина ленты 0,1 и 0,11мм). Удельное электрическое сопротивление при температуре кипения жидкого азота 77,4 Κ-2.20Ί0 Ομ·μ. Объемный магнитопровод наматывали из электротехнической стальной ленты (3.4.2,5) толщиной 0,13 мм. Магнитн ую индукцию насыщения в стали трансформатора принимали равной 1,3 Т. ЭДС на виток определяли из Ео =4,4xSстxK3 xfxBст где Sст - площадь сечения стержня: К3 - коэффициент заполнения стержня, f - частота тока, Вс - магнитная индукция стали. В оптимальном варианте Ео составляло 5,26 В на виток обмотки при К3 = 0,95 и Sст -= 2,4 10-3 м 2. Весовые характеристики обмоток и стали составляют: масса первичной обмотки - 0,806 кг, масса вторичных обмоток равна 0,661 кг, масса стержня и ярма 3-х фазного трансформатора равна ~15,5 кг. Обмотки выполнены из 3-х секций. На внутренней секции уложена первичная обмотка, на двух остальных - вторичная. Диаметр внешней секции обмотки равен 90 мм, высота обмотки - 140 мм. Расстояние обмоток от стенки криостата - 20 мм, между обмотками -. 12 мм. Поверхность каркасов обмотки содержит 36-38% каналов. На каждом торце обмотки установлено по 4 замка жесткости. Промежутки между магнитопроводом и каркасом первичной обмотки, зазоры между отдельными секциями, а также между обмотками и стенками криостата, обусловлены изоляционными свойствами жидкого и газообразного азота, пробивное напряжение в котором равно 28 и 10 кВ/мм (соответственно) при 77,4 К. При потерях в стали 8 Вт на 1 кг суммарные потери в магнитопроводе, определенные по току холостого хода, равны 124 Вт, а в проводниках при 77 К (по току короткого замыкания) составили 102 Вт. КПД трансформатора без учета энергозатрат на ожижение азота равен более 99,5%. При учете энергозатрат на ожижение азота КПД трансформатора снизится до 96,5%. При непрерывной работе трансформатора расход жидкого азота составляет не более 4,7 л/ч при максимальной мощности (5, кВ.А). Криостат, в котором установлен трансформатор, содержит запас азота на 2,5 ч непрерывной работы. При длительной эксплуатации жидкий азот по мере расхода пополняют из отдельного резервуара. Объем криостата, занимаемый трансформатором с преобразователем 3-фазного тока в постоянный и хладагентом, равен 11,78 дм 3, что соответствуе т 4,24 кВт *с дм 3. Известный криотрансформатор на такую же мощность имеет в каждой обмотке по 5 секций - по две в первичной обмотке, и три — во вторичной. Увеличение числа секций связано с нагревом проводников в обмотках, что приводит к частичной потере их высокой проводимости. Это обстоятельство рассматривалось выше. С увеличением числа секций в обмотке возрастают ее габариты, что в свою очередь требует увеличения количества проводника и металла магнитспровода. В рассматриваемом примере по прототипу масса первичной обмотки увеличивается более чем на 10% (с 0,806 кг до 0,893 кг), вторичной- 18% (с 0,661 кг до 0,781 кг), а стали на 2,3 кг или на 14,8%. Изменение размеров обмотки и магнитопровода приводит к изменению габарита трансформатора и уменьшению энергосъема с единицы объема до 3,15 кВт-с дм. Из приведенного примера видно, что трансформатор, выполненный по настоящему техническому решению, более чем на 25% увеличивает энергосъем с единицы объема трансформатора при уменьшении проводникового материала на 14,1% и расхода жидкого азота на охлаждение проводников и магнитопровода на 27%. Намотка второй, третьей и др. секций фольгой непосредственно на рейки приводит к многократным повреждениям проводника, что вынуждает проводниковую ленту дополнительно покрывать изоляционной пленкой толщиной 0,1-0,2 мм, а это ухудшает теплообмен проводников с хладагентом. Таким образом, каналы между секциями обмоток, выполненные сплошными по всей поверхности обмотки путем установки замков жесткости на каждом из торцов обмотки, значительно повышают эффективность охлаждения проводников в обмотке и увеличивают энергосъем с единицы объема трансформатора. При этом снижается расход проводникового материала и металла магнитопровода. Повышение надежности криотрансформатора подтверждается отсутствием случаев повреждения проводников из тонкой фольги при изготовлении трех обмоток состоящих из трех секций каждая. Кроме того, конструкция трансформатора обеспечивает надежную его работу в условиях многократных циклов охлаждения-отогрева и включения-выключения. Из описания заявляемого технического решения, направленного на повышение съема полезной мощности с единицы объема трансформатора и повышение его надежности, и примера осуществления заявляемого объекта следует, что настоящее решение имеет ряд преимуществ по сравнению с известными. Основными из них являются: 1. Высокая эффективность теплосъема джоулевого тепла с проводников в обмотках хладагентом, циркулирующим по сплошным каналам между секциями обмотки, 2. Образование сплошных каналов между секциями обмотки замками жесткости, выполненными из радиально расположенной гребенки с толщиной зуба, равной ширине канала и стержня, проходящего через зубья гребенки и торцы секций обмотки, наряду с аффективными отводом тепла и повышением энергосъема с единицы объема трансформатора, обеспечивает повышение надежности работы и легкий доступ при ремонте или замене поврежденных секций обмотки. При этом исключается повреждение проводников из тонкой фольги, т.е. каждая секция наматывается отдельно от други х и только в готовом виде (вместе с другими) собирается в обмотку.