Силовий трансформатор або індуктор у системі генерування, передачі або розподілу енергії

1 Силовий трансформатор або індуктор у системі генерування, передачі або розподілу енергії, що містить сердечник і принаймні одну обмотку (31, 41), який відрізняється тим, що обмотка принаймні частково утворена гнучким провідником, що має засіб утримання електричного поля (38, 48), причому площа поперечного перерізу зазначеного гнучкого провідника змінюється вздовж принаймні частини довжини зазначеного гнучкого провідника 2 Силовий трансформатор або індуктор за п 1, який відрізняється тим, що гнучкий провідник утворений кабелем (38, 48), що містить провідник (24), перший шар (25) з напівпровідними властивостями, твердий ІЗОЛЯЦІЙНИЙ шар ПЕРЕДАЧІ АБО розташований навколо зазначеного першого шару, і другий шар (27) з напівпровідними властивостями, розташований навколо зазначеного твердого ІЗОЛЯЦІЙНОГО шару 3 Силовий трансформатор або індуктор за пп 1 або 2, який відрізняється тим, що зазначена площа поперечного перерізу гнучкого провідника або кабелю (50с, 50d) безперервно змінюється вздовж принаймні частини довжини зазначеного гнучкого провідника або кабелю 4 Силовий трансформатор або індуктор за пп 1 або 2, який відрізняється тим, що зазначена площа поперечного перерізу гнучкого провідника або кабелю (50с, 50d) східчасто змінюється вздовж принаймні частини довжини зазначеного гнучкого провідника або кабелю 5 Силовий трансформатор або індуктор за будьяким з пп 1-4, який відрізняється тим, що електростатична напруга в гнучкому провіднику або кабелі (38, 48) є по суті постійною по всій довжині зазначеного гнучкого провідника або кабелю 6 Силовий трансформатор за будь-яким з пп 1-5, який відрізняється тим, що він містить три фази, з'єднані зіркою 7 Силовий трансформатор за будь-яким з пп 1-5, який відрізняється тим, що він містить три фази, з'єднані трикутником 8 Силовий трансформатор за будь-яким з пп 1-6, який відрізняється тим, що один кінець принаймні однієї обмотки заземлено (26), Даний винахід стосується силових трансформаторів або індукторів у системі генерації, передачі або розподілу енергії діапазоном номінальної потужності від кількох сотень кВА до більш ніж 1000МВА і з діапазоном номінальної напруги від 3-4кВ і вище до дуже високих напруг передачі, від 400кВ до 800кВ або вище Більш конкретно, винахід стосується обмотки силових трансформаторів або індукторів У конструкції силового трансформатора/індуктора важливою характеристикою є коефіцієнт заповнення обмотки, тобто співвідношення між об'ємом, що займається провідником обмотки, і загальним об'ємом обмотки Обмотки з високим коефіцієнтом заповнення кращі, оскільки вони забезпечують компактність конструкції і низький потік розсіювання Завданням даного винаходу є створення силового трансформатора або індуктора, що О о 00 (О містить гнучкий провідник, який має засіб утримування електричного поля, а також внутрішній засіб вирівнювання електричного поля, що являє собою технічно ефективну конструкцію і забезпечує високий коефіцієнт заповнення Можливість здійснення винаходу забезпечується використанням зазначеного гнучкого провідника принаймні в частині обмотки або обмоток силового трансформатора/індуктора Прикладом гнучкого провідника, що має засіб утримування електричного поля, є гнучкий кабель XLPE-типу, що використовується для розподілу енергії Такий кабель містить провідний сердечник, перший напівпровідний шар, який забезпечено навколо зазначеного провідного сердечника, твердий ІЗОЛЯЦІЙНИЙ шар, забезпечений навколо зазначеного першого напівпровідного шару і другий напівпровідний шар, забезпечений навколо зазначеного ІЗОЛЯЦІЙНОГО шару За умови заземлення другого напівпровідного шару, кабель здатний утримувати всередині себе електричне поле, що виникає від струму в провідному сердечнику Електростатична напруга в такий спосіб поглинається у твердій ізоляції кабелю, і з зовнішнього боку другого напівпровідного шару електричного поля фактично немає УХІ_РЕ-кабелі різні шари щільно прилягають один до одного Також твердий ІЗОЛЯЦІЙНИЙ шар і напівпровідні шари виготовлені з матеріалів, які мають майже однаковий коефіцієнт розширення Тому кабель може піддаватися впливу механічних і термічних напруг без відділення шарів один від одного й утворення порожнин між шарами Це важлива ознака, оскільки в порожнинах будуть з'являтися часткові розряди, якщо напруга електричного поля перевищить діелектричну ЩІЛЬНІСТЬ газу в порожнині Особливо важливо, щоб перший напівпровідний шар і твердий ІЗОЛЯЦІЙНИЙ прошарок щільно прилягали один до одного, оскільки ця частина кабелю перебуває під найбільшою напругою електричного поля Розщеплення в цій області буде призводити до надходження повітря в ділянку між шарами і, таким чином, призведе до часткових розрядів Кабель подібного типу описаний у РСТ-заявках WO-97/45847 і WO-97/45921 Відомо, ЩО напруга в силовому трансформаторі або індукторі нерівномірно розподіляється по витках обмотки Наприклад, в однофазному силовому трансформаторі або індукторі, де обмотка заземлена одним кінцем, а іншим кінцем з'єднана з ЛІНІЙНИМ ВИВОДОМ, частина обмотки, з'єднана з землею, матиме близький до нуля електричний потенціал 3 іншого боку, частина обмотки, з'єднана з ЛІНІЙНИМ ВИВОДОМ, буде мати максимальний електричний потенціал, близький до фазної напруги Тому підключена до лінії сторона обмотки піддається більш високому навантаженню ізоляції, ніж заземлена сторона Для запобігання пробоям між обмоткою і деталями, близькими до неї, наприклад, сердечником або оболонкою трансформатора/індуктора, на підключеній до лінії стороні потрібна краща електрична ІЗОЛЯЦІЯ, НІЖ на заземленій стороні Таким чином, необхідна електрична ІЗОЛЯЦІЯ змінюється по довжині 46890 обмотки Для трифазних систем існує два основні способи з'єднання обмоток фаз з'єднання зіркою (Y) і з'єднання трикутником (Д) З'єднання зіркою або трикутником можуть бути довільно вибрані для сторони з високою напругою і сторони з низькою напругою При з'єднанні зіркою обмоткові КІНЦІ кожної фази з однієї сторони з'єднані разом, створюючи нейтраль Якщо нейтраль заземлено, частина обмотки, з'єднана з нею, матиме електричний потенціал, близький до нуля, а частина обмоток, з'єднана з ЛІНІЙНИМ ВИВОДОМ, буде мати максимальний електричний потенціал, близький до UL/V3, де ІІ|_-лінійна напруга Ситуація, таким чином, подібна до зазначеної вище однофазної схеми, в якій необхідна електрична ІЗОЛЯЦІЯ змінюється по довжині обмотки У випадку схем із з'єднанням трикутником, обмотки усіх фаз утворюють замкнутий контур - трикутник, а термінали лінії з'єднані так, що утворюють три кути трикутника Якщо схема симетрична, електричний потенціал у середині кожної обмотки буде близьким до нуля З іншого боку, максимальний електричний потенціал на КІНЦІ кожної обмотки дорівнюватиме U|_/2 Навантаження ізоляції також буде змінюватися по довжині обмоток, як і необхідна електрична ІЗОЛЯЦІЯ У силовому трансформаторі або індукторі, де принаймні, частина обмотки утворена кабелем, можна вибрати товщину ізоляції кабелю по фактичному навантаженню ізоляції по довжині обмоток При використанні подібного гнучкого провідника, що звужується, в обмотках, одержують кілька переваг Коефіцієнт заповнення кожної обмотки може бути збільшений, оскільки непотрібну ІЗОЛЯЦІЮ кабелю можна вилучити Тому, для даної розрахункової потужності можна зробити обмотку меншою і, таким чином, весь трансформатор/індуктор буде меншим і дешевшим Зменшення товщини обмотки і, таким чином, зменшення відстані між'провідником і сердечником також веде до зменшення втрат потоку і, таким чином, до зменшення імпедансу трансформатора/індуктора Альтернативно, з підтриманням коефіцієнта заповнення незмінним, охолодження буде більш ефективним, оскільки охолодне середовище буде вільніше циркулювати в трансформаторі/індукторі при зменшенні ізоляції кабелю Оскільки В конструкції силового трансформатора/індуктора охолодження часто є обмежувальним фактором, розрахункову потужність трансформатора/індуктора даного розміру може бути збільшено В ідеалі товщина ІЗОЛЯЦІЙНОГО шару кабелю повинна бути такою, щоб електростатична напруга в кабелі, по суті, була однаковою на кожному витку всієї обмотки Це потребує того, щоб площа поперечного перерізу ІЗОЛЯЦІЙНОГО шару змінювалася по довжині кабелю Площа поперечного перерізу може змінюватися неперервно або східчасто, при одному чи більше ступенях Кабель з східчастою зміною площі поперечного перерізу ізоляції може бути виготовлений з з'єднаних разом частин кабелю з різними, але постійними площами поперечного перерізу ізоляції Поперечний переріз ізоляції 46890 може зменшуватися по довжині кабелю, при цьому кабель має найменший поперечний переріз ізоляції на КІНЦІ обмотки Альтернативно, кабель може мати найменший поперечний переріз ізоляції в середині обмотки, що зручно для обмоток трикутником, або в будь-якому іншому положенні, ВІДПОВІДНО до зміни навантаження ізоляції вздовж обмотки Далі наводиться докладний опис різних більш прийнятних варіантів здійснення винаходу з посиланням на супровідні креслення, на яких Фіг 1 - спрощений вид, що показує розподіл електричного поля навколо обмотки традиційного силового трансформатора або індуктора, Фіг 2 - спрощений вид, що показує розподіл електричного поля навколо обмотки силового трансформатора або індуктора типу, описаного в РСТ-заявках WO-97/45847 і WO-97/45921, Фіг 3 - спрощений вид, що показує розподіл електричного поля навколо обмотки силового трансформатора або індуктора ВІДПОВІДНО ДО першого більш прийнятного варіанта здійснення винаходу, Фіг 4 - спрощений вид, що показує розподіл електричного поля навколо обмотки силового трансформатора або індуктора ВІДПОВІДНО ДО другого більш прийнятного варіанта здійснення винаходу, Фіг 5 - спрощений вид збоку, що показує приклад кабеля, який східчасте звужується, який використовується в обмотках силового трансформатора або індуктора ВІДПОВІДНО ДО винаходу, Фіг 6 - спрощений вид збоку, що показує ще один приклад кабеля, який східчасто звужується, який використовується в обмотках силового трансформатора або індуктора ВІДПОВІДНО ДО винаходу, Фіг 7 - спрощений вид збоку, що показує приклад кабеля, який неперервно звужується, який використовується в обмотках силового трансформатора або індуктора ВІДПОВІДНО ДО винаходу, Фіг 8 - спрощений, вид збоку, що показує ще один приклад кабеля, який неперервно звужується, який використовується в обмотках силового трансформатора або індуктора ВІДПОВІДНО до винаходу На Фіг 1-3 подані спрощені і схематичні види Ці фігури можуть являти собою індуктор, з сердечником або без нього, а також силовий трансформатор Для простоти, на кожній фігурі показано лише одну обмотку Також для простоти, на фігурах показані обмотки лише з одним шаром і тільки з чотирьох витків, проте наведені нижче міркування справедливі відносно до обмоток з численними шарами і множиною витків На Фіг 1 показаний спрощений вид розподілу електричного поля навколо обмотки традиційного силового трансформатора або індуктора з обмоткою 11 і сердечником 12 Навколо кожного витка обмотки 11 існують еквіпотенціальні лінії 13, тобто лінії, що показують, де величина електричного поля є постійною Прийнято, що нижню частину обмотки заземлено, а верхню частину обмотки з'єднано з ЛІНІЙНИМ ВИВОДОМ РОЗПОДІЛ потенціалу визначає структуру ІЗОЛЯЦІЙНОГО шару, оскільки необхідно забезпечити достатню ІЗОЛЯЦІЮ як між сусідніми витками обмотки, так і між витками обмотки та заземленими деталями, які оточують обмотку Еквіпотенціальні лінії 13 на кресленні показують, що верхня частина обмотки піддається більш високому навантаженню ізоляції На Фіг 2 показаний спрощений вид розподілу електричного поля навколо обмотки силового трансформатора або індуктора, описаного в РСТзаявках WO97/45847 і WO-97/45921 Обмотка 21 утворена кабелем 28, намотаним навколо сердечника 22 У кабелі 28 показані еквіпотенціальні лінії 23 Кабель 28 містить провідний сердечник 24, оточений першим напівпровідним шаром 25, твердим ІЗОЛЯЦІЙНИМ шаром 26 рівномірної товщини і другим напівпровідним шаром 27 Другий напівпровідний шар 27 заземлено Прийнято, що нижню частину обмотки заземлено, а верхню частину обмотки з'єднано з ЛІНІЙНИМ виводом Електричне поле, що виникає від струму в провідному сердечнику, замкнуте в кабелі 28 за допомогою напівпровідного шару 27 і з зовнішньої сторони кабелю 28 електричного поля немає Верхня частина обмотки піддається більш високому навантаженню ізоляції, і електростатична напруга, що поглинається всередині ІЗОЛЯЦІЙНОГО шару кабелю, у верхній частині обмотки більша, ніж напруга, що поглинається в нижній частині На фігурі це відображено за допомогою інтервалів між еквіпотенціальними ЛІНІЯМИ 23 у кабелі, які більшими у верхній частині порівняно з нижньою частиною обмотки Розміри ІЗОЛЯЦІЙНОГО шару в кабелі задані таким чином, щоб витримувати найбільшу електростатичну напругу в обмотці, тобто напругу у верхній частині обмотки Це означає, що немає необхідності у використанні товстого ІЗОЛЯЦІЙНОГО шару в нижній частині обмотки ВІДПОВІДНО ДО винаходу, ефективну конструкцію силового трансформатора або індуктора, що містить кабель, отримано за допомогою вибору товщини ізоляції кабелю по фактичному навантаженню ізоляції по довжині обмотки Для приклада звернемося до Фіг 2, таким чином, можна зменшити товщину ІЗОЛЯЦІЙНОГО шару кабелю в нижній частині обмотки 21 кабелю Це досягається за допомогою використання кабелю, що звужується, у якого поперечний переріз ІЗОЛЯЦІЙНОГО шару зменшується у напрямку до заземленої сторони, тобто до нижньої частиниобмотки В ідеалі товщина ізоляції повинна бути такою, щоб електростатична напруга в кабелі, по суті, була однаковою по всій довжині обмотки Розподіл електричного поля навколо такої обмотки кабелю подано на Фіг 3, де зображений спрощений вид першого більш прийнятного варіанта втілення винаходу ВІДПОВІДНО ДО креслення кабель 38 намотаний навколо сердечника 32, створюючи обмотку 31 У кабелі 38 показані еквіпотенціальні лінії 33 Як і на Фіг 2, прийнято, що нижню частину обмотки заземлено, а верхню частину з'єднано з ЛІНІЙНИМ 46890 8 виводом Площа поперечного перерізу напівпровіднии шар (не показаний) та другий ІЗОЛЯЦІЙНОГО шару кабелю в обмотці змінюється напівпровіднии шар (не показаний) сусідніх частин неперервно таким чином, що електростатична кабелю Кожен з кабелів 50с і 50d виконаний з напруга в кабелі, по суті, є постійною по всій однієї частини кабелю, площа поперечного обмотці, як показують еквіпотенціальні лінії 33 перерізу ізоляції якого неперервно змінюється по Порівняно з силовим довжині кабелю У кабелі 50а і 50с площа поперечного перерізу ізоляції збільшується по трансформатором/індуктором, показаним на Фіг 2, довжині кабелю Такий кабель зручний для охолодження буде більш ефективним/ оскільки силового трансформатора/індуктора, у якому охолодне середовище буде вільніше циркулювати навантаження ізоляції неперервно збільшується в трансформаторі/індукторі при зменшенні ізоляції вздовж обмотки, як наприклад у випадку На Фіг 4 показаний спрощений вид силового трифазного трансформатора із з'єднанням зіркою, трансформатора/індуктора, ВІДПОВІДНО ДО другого де нейтраль заземлено У кабелі 50Ь і 50d більш прийнятного варіанта здійснення винаходу найменша площа поперечного перерізу ізоляції Аналогічно до Фіг 2 і Фіг 3, кабель 48 намотаний знаходиться в середині Такий кабель зручний у навколо сердечника, створюючи обмотку 41 У трифазному трансформаторі S3 з'єднанням кабелі 48 показані еквіпотенціальні лінії 43 Знову трикутником, де найменші навантаження ізоляції ж, прийнято, що нижню частину обмотки припадають на середину обмоток КІЛЬКІСТЬ частин заземлено, а верхню частину з'єднано з ЛІНІЙНИМ кабелю в кабелях 50а і 50Ь не повинна терміналом На Фіг 4 витки кабелю, що обмежуватися трьома При використанні великої звужується, розміщені послідовно один над одним КІЛЬКОСТІ частин кабелю з різними довжинами і Порівняно з обмотками на Фіг 2 і Фіг 3, коефіцієнт площами поперечного перерізу, можна виготовити заповнення обмотки, таким чином, збільшується, і кабель із площею поперечного перерізу ізоляції, силовий трансформатор/індуктор може бути яка змінюється більш-менш безперервно меншим і, таким чином, дешевшим Замість кабелю з площею поперечного перерізу ізоляції в обмотці, що непепервно змінюється, можна використовувати кабель з площею поперечного перерізу ізоляції, що змінюється східчасто Такий кабель можна одержати шляхом з'єднання разом частин кабелю з різними, але постійними площами поперечного перерізу На Фіг 5-8 показані чотири кабелі 50а, 50Ь, 50с і 50d, які можна використовувати в силовому трансформаторі/індукторі Кабелі 50а і 50Ь виконані з трьох частин кабелю 51а, 52а, 53а та 51Ь, 52Ь, 53Ь ВІДПОВІДНО У місцях з'єднань 54а, 55а і 54b, 55b, ВІДПОВІДНО, з'єднані провідний сердечник 56а, ВІДПОВІДНО, 56Ь, перший Конструкція обмотки, яку описано вище, показує, як використовувати кабель для обмотки, що звужується, щоб виготовити силовий трансформатор або індуктор ВІДПОВІДНО ДО винаходу Очевидно, однак, що можна використовувати кабель, що звужується, для одно, або багатофазних трансформаторів, з одною або багатьма обмотками, а також індукторів, з сердечниками або без них, які містять одну або множину обмоток, не виходячи за рамки винаходу Також очевидно, що в рамках винаходу можна використовувати кабель, що звужується, для силового трансформатора/індуктора, де лише частина обмотки складається з кабелю ФІГ. 1 46890 10 Фіг. 2 Фіг. З Фіг. 4 Ял 52а 53а 50а I 55a Фіг. 5 56s 11 46890 51b 52b 12 53b 50Ь -r 54b ^ ~ 55b 56b ФІГ. 6 Фіг. 7 •и я Фіг. 8 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна (044) 456 - 20 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71