трансформатор

Классы МПК:H01F27/36 электрические или магнитные экраны или щиты
Автор(ы):, , , ,
Патентообладатель(и):Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Петербургский государственный университет путей сообщения" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2010-01-11
публикация патента:

Изобретение относится к электротехнике, в частности к трансформаторостроению, и касается конструкций высоковольтных трансформаторов. Технический результат состоит в повышении надежности трансформатора за счет выравнивания напряжения в крайних слоях со стороны начала и конца высоковольтной обмотки трансформатора при воздействии волн перенапряжений с крутыми фронтами. Трансформатор содержит магнитопровод (1), на котором концентрически размещены низковольтная (2) и высоковольтная (3) обмотки, выполненные из витков, образующих слои. Высоковольтная обмотка (3) соединена с высоковольтными выводами (А) и (X). Слой высоковольтной обмотки, наиболее удаленный от магнитопровода, снабжен высоковольтным экраном (4), соединенным с высоковольтным выводом (X). Второй высоковольтный экран (5) расположен перед начальным слоем высоковольтной обмотки (3). Каждый из высоковольтных экранов (4) и (5) выполнен в виде двух изолированных проводников, намотанных в один слой. Противоположные концы проводников первого высоковольтного экрана (4) соединены с концом высоковольтной обмотки (3). Противоположные концы второго высоковольтного экрана (5) соединены с началом высоковольтной обмотки (3). Другие концы проводников высоковольтных экранов: (4) и (5) остаются изолированными. 2 ил. трансформатор, патент № 2410784

трансформатор, патент № 2410784 трансформатор, патент № 2410784

Формула изобретения

Трансформатор, содержащий магнитопровод, на котором концентрически размещены низковольтная и высоковольтная обмотки, выполненные из витков, образующих слои, при этом высоковольтная обмотка соединена с высоковольтными выводами, а слой высоковольтной обмотки, наиболее удаленный от магнитопровода, снабжен высоковольтным экраном, соединенным с высоковольтным выводом, отличающийся тем, что он содержит второй высоковольтный экран, расположенный перед начальным слоем высоковольтной обмотки, причем каждый из высоковольтных экранов выполнен в виде двух изолированных проводников, намотанных в один слой, при этом противоположные концы проводников первого высоковольтного экрана соединены с концом высоковольтной обмотки, а противоположные концы второго высоковольтного экрана соединены с началом высоковольтной обмотки, при этом другие концы проводников высоковольтных экранов остаются изолированными.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, в частности к трансформаторостроению, и касается конструкций высоковольтных трансформаторов.

Известен трансформатор, содержащий магнитопровод, на котором концентрически размещены низковольтная и высоковольтная обмотки, выполненные из витков, образующих слои, при этом высоковольтная обмотка соединена с высоковольтным экраном (Дымков A.M. и др. Трансформаторы напряжения / A.M.Дымков, В.М.Кибель, Ю.В.Тишенин. - М.: Энергия, 1975, 104 с.).

Низкая надежность такой конструкции трансформатора объясняется отсутствием выравнивания неравномерности распределения напряжения по длине слоев в начале высоковольтной обмотки.

Известен трансформатор, содержащий магнитопровод, на котором концентрически размещены низковольтная и высоковольтная обмотки, между низковольтной обмоткой и высоковольтной обмоткой размещен низковольтный экран, электрически соединенный с магнитопроводом и заземленный, снаружи высоковольтной обмотки расположен высоковольтный экран, электрически соединенный с высоковольтной обмоткой (RU, № 2087967, H01F 30/10, H01F 27/36, опубл. 20.08.1997). Низковольтный экран экранирует низковольтную обмотку и тем самым защищает ее и подключенные к ней низковольтные цепи от попадания высокого напряжения. Высоковольтный экран выравнивает неравномерности распределения напряжения по длине слоев обмотки.

Низкая надежность трансформатора обусловлена тем, что снижение градиентов перенапряжений выполняется только с одной стороны, в конце высоковольтной обмотки.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является трансформатор, содержащий магнитопровод, на котором концентрически размещены низковольтная и высоковольтная обмотки, выполненные из витков, образующих слои, при этом слой высоковольтной обмотки, наиболее удаленный от магнитопровода, расщеплен на две секции, соединенные параллельно и имеющие равное число витков, а высоковольтный экран содержит две идентичные секции, соединенные с высоковольтным выводом (RU, № 2087968, H01F 30/10, H01F 27/28, H01F 27/36, опубл. 20.08.1997). Расщепление крайнего слоя высоковольтной обмотки на две секции с одними намоточными характеристиками приводит к разветвлению входного импульсного тока с крутым фронтом на две части и тем самым к снижению градиентов перенапряжений на каждой секции высоковольтной обмотки. Каждая из двух секций высоковольтного экрана позволяет выравнивать распределение напряжения в соответствующей секции высоковольтной обмотки.

К недостаткам такого включения следует отнести низкую надежность трансформатора за счет того, что витки секций расщепленной фазы, находящиеся на разном удалении от магнитопровода, обладают различной емкостью по отношению к магнитопроводу, который заземлен, а значит, и по отношению к земле. В этом случае при импульсных воздействиях перенапряжения будут возникать между одинаковыми витками различных секций расщепленной фазы. Также к недостаткам изобретения следует отнести то, что снижение градиентов перенапряжений выполняется только с одной стороны, в конце высоковольтной обмотки.

Задачей изобретения является повышение надежности трансформатора за счет выравнивания напряжения в крайних слоях со стороны начала и конца высоковольтной обмотки трансформатора при воздействии волн перенапряжений с крутыми фронтами.

Технический результат достигается тем, что трансформатор, содержащий магнитопровод, на котором концентрически размещены низковольтная и высоковольтная обмотки, выполненные из витков, образующих слои, при этом высоковольтная обмотка соединена с высоковольтными выводами, а слой высоковольтной обмотки, наиболее удаленный от магнитопровода, снабжен высоковольтным экраном, соединенным с высоковольтным выводом, дополнительно содержит второй высоковольтный экран, расположенный перед начальным слоем высоковольтной обмотки, причем каждый из высоковольтных экранов выполнен в виде двух изолированных проводников, намотанных в один слой, при этом противоположные концы проводников первого высоковольтного экрана соединены с концом высоковольтной обмотки, а противоположные концы второго высоковольтного экрана соединены с началом высоковольтной обмотки, при этом другие концы проводников высоковольтных экранов остаются изолированными.

На фиг.1 представлена схема трансформатора.

На фиг.2 представлена схема начальных слоев высоковольтной обмотки и второго высоковольтного экрана.

Трансформатор (фиг.1) содержит магнитопровод 1, на котором концентрически размещены низковольтная 2 и высоковольтная 3 обмотки, выполненные из витков, образующих слои, при этом высоковольтная обмотка 3 соединена с высоковольтными выводами A и X, а слой высоковольтной обмотки, наиболее удаленный от магнитопровода, снабжен высоковольтным экраном 4, соединенным с высоковольтным выводом X, второй высоковольтный экран 5, расположен перед начальным слоем высоковольтной обмотки 3, причем каждый из высоковольтных экранов 4 и 5 выполнен в виде двух изолированных проводников, намотанных в один слой, при этом противоположные концы проводников первого высоковольтного экрана 4 соединены с концом высоковольтной обмотки 3, а противоположные концы второго высоковольтного экрана 5 соединены с началом высоковольтной обмотки 3, при этом другие концы проводников высоковольтных экранов 4 и 5 остаются изолированными.

Известно, что при воздействии импульсных напряжений на обмотку трансформатора в начале процесса обмотка ведет себя как система емкостей, а в конце решающим фактором является магнитное поле с учетом индуктивностей обмотки. Переход от начального состояния к конечному происходит путем свободных колебаний всей системы емкостей и индуктивностей. Обмотка отличается от линии тем, что каждый ее элемент как электростатически, так и электромагнитно связан с другими ее элементами.

Распределение напряжения по емкостям трансформатора происходит за несколько сотых микросекунды, что очень мало по сравнению с продолжительностью переходного процесса от начального емкостного распределения напряжения до установившегося состояния.

Если учитывать только емкости, то начальное распределение напряжения в однослойной обмотке определяется по следующему выражению:

трансформатор, патент № 2410784

где L - осевая длина однослойной обмотки; x - расстояние от начала обмотки до точки наблюдения; трансформатор, патент № 2410784 , где K - емкость между витками на единицу длины, C - емкость обмотки относительно земли на единицу длины.

Градиент напряжения определяется как падение напряжения на элементе длины обмотки

трансформатор, патент № 2410784

Емкость на землю однослойной цилиндрической обмотки вызывает нелинейное начальное распределение напряжения при действии импульса. Увеличение емкости между витками выравнивает начальное распределение напряжения. Переход от нелинейного начального распределения напряжения к конечному сопровождается свободными колебаниями.

Уменьшение емкости обмотки на землю и одновременно увеличение емкости между витками уменьшает свободные колебания в обмотке. Исходя из этого, в трансформаторах на стороне высшего напряжения применяют многослоевые обмотки. При такой конструкции обмотки только первый и последний слои обмотки обладают заметной емкостью на землю.

Влияние собственных колебаний в слоях многослоевой обмотки на возникновение градиентных перенапряжений в крайних слоях многослоевой обмотки поясним на схеме, представленной на фиг.2, где показаны начальные слои высоковольтной двойной слоевой обмотки 3 (слой 1, слой 2, слой 3, слой 4 и т.д.), а также провода второго высоковольтного экрана 5 (провод 1, провод 2), включенного со стороны начала высоковольтной обмотки.

Рассмотрим процессы, происходящие в высоковольтной обмотке 3 при отсутствии предлагаемых высоковольтных экранов 4 и 5. При прохождении тока в витках номер 2 во втором и четвертом слоях от наблюдателя (см. фиг.2) потоки рассеяния от этих токов, показанные в виде векторов магнитной индукции В2-4 и В2-2 (первая цифра обозначает номер витка, а вторая цифра обозначает номер слоя), во втором витке третьего слоя вычитаются и не создают продольной ЭДС в витке.

Во втором витке второго слоя вычитаются векторы магнитной индукции потока рассеяния второго витка первого слоя (B2-1) и второго витка третьего слоя (В2-3).

При отсутствии экранов 4 и 5 во втором витке первого слоя вектор магнитной индукции потока рассеяния второго витка второго слоя (B2-2) наводит продольную ЭДС в витке, так как поток В2-2 ничем не скомпенсирован.

Аналогично взаимодействуют все смежные витки первого и второго, последнего и предпоследнего слоев трансформатора, создавая градиенты перенапряжений в крайних слоях высоковольтной обмотки 3.

На крайние слои высоковольтной обмотки 3 при собственных колебаниях в отдельных слоях оказывают влияние не только смежные (рядом расположенные) слои и витки, но и последующие слои и витки, расположенные на расстоянии, при котором такое влияние оказывается значимым.

Выполнение высоковольтных экранов 4 и 5 в виде проводов позволяет создать дополнительные колебания в отдельных участках высоковольтных экранов 4 и 5, скомпенсировать потоки рассеяния в крайних слоях высоковольтной обмотки 3 и, тем самым, снизить градиенты перенапряжений в крайних слоях высоковольтной обмотки 3 трансформатора.

Предлагаемые высоковольтные экраны 4 и 5 технологичны в изготовлении, так как представляют собой дополнительные слои проводников. Такие экраны могут быть изготовлены как в заводских условиях при изготовлении трансформатора, так и при капитальном ремонте в условиях электротехнических мастерских.

Для исследования процессов в слоях высоковольтной обмотки 3 был намотан трансформатор однофазный масляный с отпайками от витков высоковольтной обмотки 3 и с экранами 4 и 5, выполненными согласно предлагаемой в данной заявке на изобретение технологии намотки и месте установки высоковольтных экранов 4 и 5. Макет трансформатора позволял отключать провода экранов 4 и 5 от высоковольтной обмотки 3 и включать провода экранов 4 и 5 раздельно и совместно. Испытания показали, что при включении предлагаемых экранов градиенты перенапряжений на первой половине начальной обмотки снизились на 41%, а на всей начальной обмотке на 50%. Наибольший эффект был получен при включении двух проводников в каждом экране.

Выполнение высоковольтных экранов 4 и 5 в виде слоя обмотки, намотанной из двух проводов, соединенных определенным образом и включенных со стороны начала и конца высоковольтной обмотки 3, позволяет снизить градиенты перенапряжений в крайних слоях, в начале и в конце высоковольтной обмотки 3 трансформатора при воздействии волн перенапряжений с крутыми фронтами и, таким образом, повысить электрическую прочность, а следовательно, и надежность трансформатора как со стороны начала, так и со стороны конца высоковольтной обмотки.

Класс H01F27/36 электрические или магнитные экраны или щиты

труба для прокладки выводов -  патент 2516368 (20.05.2014)
электростатический экран -  патент 2466473 (10.11.2012)
вращающийся трансформатор -  патент 2449398 (27.04.2012)
магнитопровод трансформатора с магнитным экраном -  патент 2412498 (20.02.2011)
устройство защиты технического средства обработки информации от утечки информации по каналу побочных электромагнитных излучений и наводок в линии передачи данных локальных вычислительных сетей -  патент 2408173 (27.12.2010)
высоковольтный трансформатор, снабженный защитным экраном, защитный экран и способ изготовления такого экрана -  патент 2408105 (27.12.2010)
энергетическая установка с помехоподавляющим устройством, имеющим пониженную вносимую электрическую емкость -  патент 2293390 (10.02.2007)
способ получения переносного объема с магнитным вакуумом -  патент 2231846 (27.06.2004)
устройство для формирования импульса тока -  патент 2222067 (20.01.2004)
литой трансформатор тока -  патент 2216809 (20.11.2003)