Трансформатор високої напруги і великої потужності з кутниковою шайбою

1. Трансформатор високої напруги і великої потужності з кутниковою шайбою, що обхоплює кут і прикутові частини радіально-плоскої та циліндричної поверхонь котушки з неперервною намоткою витків і міжвитковими каналами, який відрізняється тим, що кутникова шайба щільно притиснута по всьому колу кутом і стінками до відповідних частин поверхні котушки, причому кутникові шайби сусідніх протилежних кутів з C2 2 (19) 1 3 намоткою витків і з можливим міжвитковим каналом біля всякого витка [4;5]. Недолік трансформатора в недостатній електричній стійкості міжкотушкових проміжків при грозових імпульсах перенапруги, однак, наявність кутникової шайби в міжкотушковому проміжку дає можливість вирішити технічне протиріччя між електричною та тепловою стійкістю. Це рішення вибране за прототип. Відома будова трансформатора [3] з обмоткою ВН і великої потужності з кутниковою шайбою, що охвачує кут і прикутові частини циліндричної та радіальної поверхней крайньої котушки з можливим каналом на відстані від кута котушки. Перевага трансформатора в утворенні русла із міжкотушкових проміжків і міжвиткових каналів для циркуляції охолоджуючої рідини. Недолік недостатня електрична стійкість між котушкових проміжків при грозових імпульсах перенапруги. Задача винаходу заключаеться: 1. В розробці процесу виготовлення кутникової шайби точних необхідних розмірів, з властивістю щільного прилягання до кута електроду (обмотки, котушки, витка), з високою електричною міцністю, з малими затратами на виготовлення; 2. В розробці будови трансформатора з використанням нових можливостей створеної кутникової шайби для підвищення електричної і механічної та збереження теплової стійкості трансформатора за рахунок розміщення кутникових шайб на визначальних кутах електродів, де діють найбільші електричні напруженості, що спричиняють в цих місцях електричні розряди, старіння ізоляції, і цими процесами задають надійність і тривалість роботи трансформатора. Добавочна задача заключається в суттєвому зменшенні максимальної напруженості на визначальних кутах електродів шляхом вирівнювання розподілу напруженості вздовж силової лінії, що виходить із кута електроду. Вирішення поставлених задач забезпечує: 1. створення процесу виготовлення ізолюючої кутникової шайби для трансформатора ВН і великої потужності, що передбачає формування 4кутної (в поперечному плані) і кільцевої по довжині оправки, кругову намотку на оправку витками тонких пласких покритих клеєм стрічок ізоляційного матеріалу до утворення шару потрібної товщини, дію-Ц температури і розрізання по довжині за рахунок того, що стрічку покривають віддаленими мікро краплями клею і скріплюють витки шару ізоляції дією вакууму, температури і притискуючої сили; 2. створення будови трансформатора ВН і великої потужності з кутниковою шайбою, що охвачує кут і прикутові частини радіально плоскої та циліндричної поверхнею котушки з неперервною намоткою витків і можливими міжвитковими каналами за рахунок того, що кутникова шайба щільно притиснута по всьому колу своїми кутом і стінками до відповідних частин поверхні котушки, при чому, кутникові шайби на парі сусідніх проти стоячих кутів з великою між ними градієнтною перенапругою мають радіально 81002 4 плоскі стінки з шириною меншою половини ширини котушки, розміщені в одному проміжку між котушками і щільно притиснуті між собою, а міжвиткові канали в цих котушках розміщені так, що з'єднані з частиною міжкотушкового проміжку без шайб; 3. вдосконалення процесу виготовлення ізолюючої кутникової шайби по п.1 за рахунок того, що в ході намотки у внутрішній половині товщини шару ізоляції по всій довжині кола вкладають вирівнюючу кутникову обкладку із фольги і покривають нею дужку кута і частини радіально плоскої та циліндричної стінок шайби. Технічні результати, що досягаються при використанні винаходів: 1. Створено новий процес виготовлення кутникових шайб, що дає вищі електричні характеристики самої шайби (паперово-масляна структура з точковим скріпленням створює високу електричну міцність) і вищу електричну міцність ізоляції трансформатора на кутах зі згущеним електричним полем, бо нова шайба забезпечує всякі без винятку радіуси дужки без деформацій і без розривів на куту і щільно без шкідливих масляних зазорів прилягає до електродів. Новий процес виготовлення кутникових шайб на основі намотки паперових стрічок забезпечує високу точність бажаної форми, розмірів, структури м'якості-твердості, легко автоматизується, потребує значно менше часу, енергії, матеріалів (не потребує води); 2. Нова кутникова шайба дозволяє малими локальними засобами - розміщенням кутникових шайб на визначальних кутах конструкції (на витках і котушках обмоток, на торцях і виводах обмоток) вирішувати найгостріші проблеми підвищення запасів міцності без залучення масивних затратних деталей (ємнісних кілець, екранів, збільшених ізоляційних проміжків). 3. Розміщення нових кутникових шайб в високо градієнтній прикутовій частині міжкотушкового проміжку створює новий комплексний ефект: а) збільшує електричну ємність між котушками і цим зменшує імпульсну перенапругу на проміжкові, б)підвищує електричну міцність міжкотушкового проміжку і запас його електричної міцності, в) підвищує електричну міцність від кута котушки до сусідніх частин трансформатора (при цьому також підвищується механічна стійкість обмотки завдяки збільшенню площі опори між котушками. Залишення частини міжкотушкового проміжку без шайби і з'єднання цієї частини з міжвитковими каналами влаштовує циркуляцію охолоджуючого масла — тобто і теплова стійкість цих котушок теж забезпечується); 4.суттєво зменшена напруженість електричного поля на визначальних кутах обмотки ВН шляхом вкладання у внутрішню половину товщини шару ізоляції по всій довжині кола обкладки із фольги і покриття нею дужки кута і частини радіально плоскої та циліндричної стінок шайби. Процес виготовлення ізолюючої кутникової шайби для трансформатора ВН і великої 5 потужності та будова такого трансформатора з кутниковою шайбою по винаходах пояснюється нижче приведеним описом і кресленнями, де: Фіг.1 зв'язок форми оправки для виготовлення ізолюючої кутникової шайби по винаходу п.1 з будовою трансформатора ВН і великої потужності по винаходу п.п.2 і 3: а) форма оправки в плані; б) форма оправки з намотаним комплектом із чотирьох кутникових шайб ( в перетині); в) форма кутникової шайби (у перетині, б і в у збільшеному масштабі); г) будова обмотки ВН по винаходу п.1. з ізолюючою кутниковою шайбою, виготовленою по винаходу п.2.; д) складові електричного поля на парі протистоячих котушкових кутів з градієнтною перенапругою між ними; є) розміщення на куту кутникової шайби з вкладеною внутр її товщини обкладкою із фольги для зменшення згущення напруженості поля на куту. Фіг.2. - приклад обмотки ВН будови трансформатора по винаходу п.2. Процес виготовлення ізолюючої кутникової шайби для трансформатора ВН і великої потужності по винаходу п.1. фіг. 1.в) починають з формування багатокутної оправки 1 фіг. 1а) і б) з замкнутим профілем ( на даній фіг.1 профіль сформовано з 4 кутникових частин з кутовою дужкою радіуса г) і внутрішнім Дв та зовнішнім Дз діаметрами по колу, які відтворюють відповідні діаметри обмотки фіг.1 .г. з центром Ц і віссю Вц циліндра обмотки; далі намотують на профіль оправки 1 тонкі плоскі стрічки 2 ізоляційного матеріалу ( наприклад, електротехнічного паперу товщиною 0,08мм і шириною 100...300мм) витками круг центра Цо профілю оправки і вздовж кола з перекриттям наступним попереднього витка ( внутрішні витки не повинні прилипати до оправки ) і утворенням шару ізоляції потрібної товщини tni; далі скріплюють витки шару ізоляції дією на нього вакууму (евакуюють повітря із щілей між витками паперу), температури (при підвищенні температури розм'якшують клей, наприклад, епоксидну смолу, який заздалегідь наносять окремими віддаленими краплями на папір), і притискуючої сили ( розсувкою кутів оправки 1. утворюють силу стиснення витків і склеюють намотаний шар ізоляції у механічно скріплену замкнуту оболонку); далі замкнуту скріплену оболонку розрізають по колу на пари кутникових шайб і на відокремлені кутникові шайби 3., що мають (фіг. 1.в) дужки радіусом г і сполучені з дужками радіально плоскі стінки шириною ΔRш та циліндричні стінки висотою ΔΗ ( ± ΔRш вказують на орієнтацію відносно радіуса кола циліндричної стінки). Комплект кутникових шайб 3 насаджують на горизонтальну циліндричну оправку обмотки перед її намоткою і по одній встановлюють на відповідних кутах котушок в процесі їх намотки. При намотці обмотки на вертикальну оправку є доступ для насадки кутникових шайб по одній. Будова трансформатора ВН великої потужності з кутниковою шайбою ( фіг. 1г.) має 81002 6 кутникову шайбу 3, що розміщена з обхватом кута і прикутових частин радіально плоскої та циліндричної поверхней котушки 4 з неперервною намоткою витків і влаштуванням міжвиткових каналів 5, при цьому кутникова шайба 3 щільно притиснута по всьому колу своїми кутом і стінками до відповідних частин поверхні котушки 4, при чому кутникові шайби 3 на парі сусідніх протистоячих кутів з великою між ними градієнтною перенапругою ΔU мають радіально плоскі стінки шириною ΔRш меншої половини ширини ΔR котушки, розміщені в перенапруженій частині проміжку між котушками і щільно притиснуті між собою, а міжвиткові канали 5 цих котушок з'єднані з мало напруженою частиною 6 міжкотушкового проміжку без шайб, що утворює добавочне русло 5+6 для циркуляції охолоджуючого масла. На фіг.2 приклад обмотки ВН трансформатора по винаходу п.2., де ширина ΔRш шайб 3 зменшена з віддаленням котушки 4 від лінійного виводу А, що покращує розподіл градієнтних перенапруг ΔU між кутами котушок та зменшує площу тих поверхонь котушок, до яких безпосередньо не подається циркулююче охолоджуюче масло. Пара крайніх кутів з високим між ними градієнтом напруги ΔU і високими напругами відносно сусідніх частин 7 трансформатора утворює два складових поля (фіг.1.д): поперечне поле Еu та повздовжнє випукле поле EΔur (між радіально плоскими поверхнями пари електродів той самий градієнт напруги AU утворює однорідне поле EΔu=ΔU/Ah, яке на куту переходить у різко неоднорідне поле з найбільшою напруженістю EΔur на поверхні кута). Біля верхнього кута ( з потенціалом U+ΔU ) обидві складові поля мають однакові напрямки ( перпендикулярні до дужки кута ) і складаються, утворюючи мікро об'єм з найбільшою напруженістю ΕΣ = Eu+ΕΔu. Якраз в цьому мікро об'ємі встановлена зі щільним приляганням до кута кутникова шайба, яка має електричну міцність вищу ніж масло, що придає всьому трансформатору стійкість до високих потенціалів (U+ΔU) та великих міжкутових градієнтів ΔU (бо інші об'єми трансформатора мають напруженості менші порівняно з кутами, витки в нутрі котушки потенціали U мають, але поля Еu не мають). Розміщення кутникової шайби між парою кутів з градієнтною напругою ΔU зменшує ΔU, бо введення тіла шайби з діелектричною проникністю eш (eш»1,7ε масла) відповідно збільшує повздовжню ємність між котушками. Причому, високо градієнтна частина міжкотушкового проміжку має більшу питому ємність ніж мало градієнтна: ємність Кш високо градієнтної частини міжкотушкового проміжку з кутниковими шайбами, що щільно прилягають до котушок і між собою радіально плоскими стінками з їх відносною шириною ΔRш/ΔR, складає таку частину від всієї ємності (К) між котушками: ΔRш/ΔR 1/2 1/3 Кш/К 1,49 1,2 ΔКш/К 0,61 0,49 1/4 0,98 0,4 7 Добавлена ємність ΔΚш збільшує високочастотну електропровідність і призводить до зменшення ΔU. Якщо добавлену ємність ΔКш зменшувати для віддалених від лінійного виводу А міжкотушкових проміжків, то це дає менший градієнт ΔU, а також зменшує загальну площу поверхонь, до яких безпосередньо не підходить циркулююче масло охолодження. Введення кутникових шайб зі щільним приляганням по всьому колу між собою і до котушок збільшує площу опори для механічних сил, що підвищує стійкість трансформатора при КЗ в ЛЕП. На фіг.1е) пояснюється удосконалення будови трансформатора і підвищення його стійкості за рахунок введення в ході намотки у внутрішню половину шару ізоляції по всьому колу обкладки 8 із фольги і покриття нею дужки кута і частин радіально плоскої та циліндричної стінок кутникової шайби. При цьому одержано ефект зменшення визначальної напруженості EΔur на дужці кута за рахунок того, що частина ΔRo обкладки розміщена під витком, де діє рівномірне електричне поле EΔu і на частині Аtш товщини шару ізоляції діє частина ΔUш градієнта напруги ΔU: Dtш (1); DUш = 0,5 DU tш при цьому напруженість на куту зменшена Dtш ´ 0,5 DU DUш ErDuш = = (2); Dtш + r Dtш + r r ln t шrln r r До введення обкладки напруженість на цьому ж куті рівняється 0,5 DU ErDu = (3); tш + r rln r Співвідношення tш + r Dtшln ErDuш r (4); = Dtш + r ErDu tшln r Розмір Δtш вибрано таким, що (5); r + Dtш = r ( tш + r ) тому ErDuш Dtш (5-а); =2 ErDu tш Для tш=2,5мм ; r=0,1мм одержано Δtui = 0,41мм ErDuш = 0,33, ErDu тобто введення обкладки знизило напруженість на куту з 1 до 0,33. Згущення поля біля кута в малому об'ємі вилучено завдяки малому засобу - обкладці в нутрі тіла кутникової шайби, що дає великий технічний та економічний результат, бо відповідає властивості електричного поля - електричний розряд відбувається в одній точці з підвищеною напруженістю, але виводить із роботи весь крупний електричний устрій із-за наступних явищ: 81002 8 - електричної дуги, - загорання, - припинення електропостачання, (3а, 8а - кутникова шайба з обкладкою, що охвачують два кути котушки). Переваги процесу п.1 проявляються у виробництві (менше затрат матеріалів, енергії, часу) і в його розвиткові: відкриті можливості намотки ізоляційних деталей: не тільки прямокутної шайби, але шайб зі всяким іншим кутом, деталей інших форм ( коробка, багатокутник), деталей з різною товщиною шару ізоляції на різних частинах, деталей з введеними внутрішніми обкладками всякої форми. Можливе створення оправки всякого профілю і спіральної форми по довжині, що дає можливість виробляти кутникові шайби та інші деталі довжиною у кілька кіл ( наприклад, для спіральної регулюючої обмотки). Переваги будови трансформатора по п.2., п.3. проявляються в експлуатації та при випробуваннях: приходячи з ЛЕП перенапруги діють на лінійний вивід А і визивають високі потенціали на кутах котушок по відношенню до сусідніх частин трансформатора, а також високі градієнти U, які спричиняють виникнення на зовнішніх кутах згущених електричних полів; для запобігання електричних розрядів вкладені малі деталі - ізолюючі кутникові шайби, виготовлені по процесу п.1 і розміщені по п.2 і 3 ( замість збільшення розмірів Г і Δh, що призводить до збільшення габаритів та маси трансформатора ). Джерела інформації: 1. Книга серії „Трансформаторы" Герасимова Л.С., Дейнека И.А., Пшеничный Г.И., Чечеток Я. Технология и механизация производства обмоток и изоляции силовых трансформаторов. М.Энергия, 1979, с.262-265. 2. А.с. СССР №476613, H01F41/12 3. Книга Л.И Сиротинского ТВН часть 3, Госэнергоиздат М.Л. 1959, с. 155 рис. 3-43 4. Та ж книга с.37-40 рис. 2-5,2-6 5. Патенти: США №4363013H01F 27/08,1980: Франції №2036307 H01F27/00,1969 і №236679 H01F29/00, 1977. 9 81002 10