CZ387998A3

CZ387998A3 - Transformátor/reaktor

Info

Publication number: CZ387998A3
Application number: CZ983879A
Authority: CZ
Inventors: Mats Leijon
Original assignee: Abb Ab
Priority date: 1996-05-29
Filing date: 1997-05-27
Publication date: 1999-02-17
Also published as: BR9709385A; DE69728972T2; ID19692A; EP0888662A2; NZ333017A; CN1105413C; BG103009A; PL330800A1; AR007342A1; IS4896A; CN1257593C; CA2256347A1; US20020063487A1; CA2256535A1; NO985582D0; UA44857C2; JPH11514151A; BG63442B1; DE69727917D1; EP0888662B1

Description

Oblast techniky

Vynález se týká silového transformátoru/reaktoru.

Transformátory jsou používány pro všechny druhy přenosu a distribuce elektrické energie, zejména pro výměnu elektrické energie mezi dvěma nebo více elektrickými systémy. Transformátor je klasickým elektrický prvkem, který je teoreticky i prakticky používán více než 100 let. To dokládá německý patent DE 40414 z roku 1885. Transformátory jsou dostupné ve všech výkonových rozmezí od 1 VA až do 1000 MVA. Pokud jde o napěťová rozmezí, horní hranice tohoto rozmezí dosahuje hodnot nej vyšších přenosových napětí, která jsou v současné době používána.

Transformátor patří mezi elektrické prvky, jejichž funkce je snadno pochopitelná. Pro přenos energie mezi dvěma elektrickými systémy je používána elektromagnetická indukce. Existuje velké množství odborné literatury, která více nebo méně teoreticky a prakticky popisuje teorii, výpočty, výrobu, použití, dobu životnosti, apod., transformátorů. Kromě toho je k dispozici velký počet patentových dokumentů, které se týkají následně zlepšených provedení různých částí transformátoru, např. vinutí, jádra, nádrže, příslušenství, chladícího systému, apod..

Vynález se týká tzv. silových transformátorů se jmenovitým výkonem v rozmezí od několika stech k VA až k více než 1000 MVA a s jmenovitým napětím v rozmezí od 3-4 kV až k velmi vysokým přenosovým hodnotám napětí, tj . 400 kV až 800 kV nebo více.

Vynálezecká myšlenka, která je základem vynálezu je rovněž aplikovatelná na reaktorech. Nicméně následující odstavec této přihlášky Dosavadní stav techniky se zejména • · »·· týká silových transformátorů. Jak je to dobře známé, reaktory mohou být provedeny jako jednofázové a třífázové reaktory. Pokud jde o izolaci a chlazení, reaktory mají stejné provedení jako transformátory. Takže jsou dostupné vzduchem-izolované, olejem-izolované, samochladící, olejemchlazené, apod., reaktory.

Dosavadní stav techniky

Za účelem vymezení silového transformátoru/reaktoru podle vynálezu vůči dosavadnímu stavu techniky a tudíž popisu nového přístupu k dané problematice vedle výhod poskytovaných vynálezem je v tomto odstavci této přihlášky učiněn relativně úplný popis silového transformátoru jaký je v současné době používán vedle omezení a problémů, ke kterým dochází při výpočtech, návrhu provedení, izolování, uzemňování, výrobě, použití, testování, přepravě, apod., těchto transformátorů.

V souvislosti s výše uvedeným existuje úplná literatura popisující obecně transformátory a rovněž zejména silové transformátory. V následujícím textu budou dělány odkazy, např. knihu The J & P Transformer Book, A Practical Technology of the Power Transformer, A.C. Franklin a D.P. Franklin, publikovanou vydavatelstvím Butterworths, edice 11, 1190.

Co se týče vnitřní elektrické izolace vinutí, apod., budou činěny odkazy na poblikaci Transformerboard, Die Verwendung von Transformerboard in Grossleistungstransformatoren, Η. P. Moser, publikovanou vydavatelstvím Weidman AG, CH-8640 Rapperswil.

Z čistě obecného hlediska hlavním úkolem silového transformátoru je umožnit výměnu elektrické energie mezi dvěma nebo více elektrickými systémy obvykle s rozdílnými napětími a se stejnými frekvencemi.

♦ · · · *· transformátor zahrnuje bude v následujícím textu fc

Konvenční transformátorové nazýváno jádrem, silový jádro, které přičemž toto jádro je často vytvořeno z vrstvených orientovaných plechu, obvykle z křemíkové oceli. Jádro zahrnuje určitý počet sloupců vzájemně spojených jhy, přičemž tyto sloupce spolu tvoří jedno nebo více vinutí. Tento transformátor je obvykle nazýván jádrovým transformátorem. Kolem sloupců jádra je uspořádán určitý jsou normálně počet vinutí, sekundárním a transformátory, která nazyvana primárním, řídicím vinutím. Pokud jde o silové tyto vinutí jsou prakticky vždy soustředně uspořádány a distribuovány podél délky sloupců jádra. Jádro transformátoru obvykle má kruhové cívky rovněž i sloupce jádra ze zužujícím průřezem za účelem pokud možno co nej efektivnějšího vyplnění prostoru mezi sloupci jádra.

Kromě jádrového transformátoru existuje tzv. plášťový transformátor. Tento transformátor má obvykle obdélníkové cívky a sloupce jádra s obdélníkovým průřezem.

Konvenční silové transformátory s výkonem při spodní hranici výše uvedeného výkonového rozmezí mají někdy provedení se vzduchovým chlazením pro rozptýleni tepla vyvinutého v důsledku vlastních ztrát transformátoru. Za účelem zamezení kontaktu se silovým transformátorem a případného omezení externího magnetického pole transformátoru je tento transformátor často opatřen vnějším krytem s ventilačními otvory. Avšak většina konvenčních silových transformátorů je chlazena olejem. Jednim z důvodů použiti oleje jako chladícího media je to, že olej má dodatečnou velmi důležitou funkci jako izolační médium. Olejem-chlazený a olejem izolovaný silový transformátor je tudíž obklopen vnější nádrží, na kterou, jak to bude zřejmé z níže uvedeného popisu, jsou kladeny velmi vysoké požadavky.

Transformátor často zahrnuje prostředky pro chlazení oleje vodou.

· ·

Následující část popisu bude z převážné části věnována olejem-plnšnému silovému transformátoru.

Vinuti transformátoru jsou tvořena jednou nebo více cívkami zapojenými do série, přičemž tyto cívky zahrnují určitý počet sériové spojených závitů. Kromě toho cívky jsou opatřeny speciálním zařízením pro sepnutí mezi odbočkami cívek. V případě použití tohoto zařízení může být odbočení provedeno pomocí šroubových spojů nebo častěji pomocí speciálního spínače, který působí v blízkosti nádrže. Jestliže je sepnutí realizováno u transformátoru pod napětím, přepínač je nazýván přepínačem odboček při zatížení, zatímco v ostatních případech je nazýván přepínačem odboček bez zatížení.

Pokud jde o olejem-chlazené a olejem-izolované výkonové transformátory s výkonem v horní oblasti uvedeného výkonového rozmezí, kontakty přepínače odboček pod zatížením jsou umístěny ve speciálních olejem-naplněných nádobách s přímým spojením s transformátorovou nádrží. Funkce kontaktů je čistě mechanická a je zajišťována motorem poháněným rotační hřídelí, přičemž tyto kontakty jsou uspořádány tak, aby byl dosažen rychlý pohyb během spínání v případě, že kontakt je otevřen, a pomalejší pohyb v případě, že kontakt má být uzavřen. Avšak samotné přepínače odboček pod zatížením jsou umístěny ve skutečné transformátorové nádrži. V průběhu provozu transformátoru dochází k hoření oblouku a jiskření. To vede k degradaci oleje v uvedených nádobách. Za účelem dosažení menšího počtu oblouků a tudíž rovněž nižší tvorby sazí na uvedených kontaktech a nižšího opotřebení těchto kontaktů přepínače odboček při zatížení obvykle působí na vysokonapěťové straně transformátoru. To je kvůli skutečnosti, že proudy, které mají být přepnuty jsou nižší na vysokonapěťové straně než, v případě, že přepínače odboček pod zatížením jsou zapojeny na nízkonapěťové straně transformátoru. Poruchové statistiky konvenčních ·· ···· olejem-plněných silových transformátorů ukázaly, že tyto přepínače odboček pod zatížením jsou často těmi prvky transformátoru, které způsobují poruchy transformátorů.

U olejem-chlazených a olejem-izolovaných silových transformátorů s výkonem v horní oblasti uvedeného výkonového rozmezí, jak přepínače odboček pod napětím tak i jejich kontakty jsou umístěny uvnitř nádrže. To znamená, že výše uvedené problémy spočívající v degradaci oleje v důsledku hoření oblouku během provozu transformátoru, apod., ovlivňují celý olejový systém.

Z hlediska přiloženého nebo indukovaného napětí může být obecně konstatováno, že napětí, které je stacionární ve vinutí, je distribuováno stejnou měrou na každý závit vinutí, tj. napětí na závitu je stejné na všech závitech.

Avšak z hlediska elektrického potenciálu je situace úplně odlišná. Jeden konec vinutí je obvykle spojen se zemí. Avšak to znamená, že se elektrický potenciál každého závitu zvyšuje prakticky od nuly v závitu, který je nejblíže k zemnímu potenciálu, až k potenciálu v závitech, které se nacházejí při ostatním konci vinutí, který odpovídá přiloženému napětí.

Tato distribuce potenciálu stanovuje konfiguraci izolačního systému, poněvadž je žádoucí mít dostatečnou izolaci jak mezi přilehlými závity vinutí tak i mezi každým závitem a zemí.

Závity v samostatné cívce jsou obvykle sloučeny do geometrické koherentní jednotky fyzicky vymezené vůči ostatním cívkám. Vzdálenost mezi cívkami je rovněž určena dielektrickým namáhání, ke kterému dochází mezi cívkami. To tudíž znamená, že žádoucí, aby cívky byly vzájemně odsazeny o jistou danou izolační vzdálenost. Vzhledem k výše uvedenému je rovněž žádoucí, aby i ostatní elektricky vodivé prvky transformátoru, které se nacházejí uvnitř elektrického pole, fe* fe* fe fefe · fe fe fefe fe «•fefe • fe • fe byly od elektrického potenciálu, který se lokálně vyskytuje v cívkách, odsazeny o dostatečné izolační vzdálenosti.

Z výše uvedeného popisu je tudíž zřejmé, že, pokud jde o individuální cívky, napěťový rozdíl interně mezi fyzicky přilehlými vodičovými členy je relativně nízký, zatímco napěťový rozdíl externě vzhledem k ostatním kovovým předmětům, např. ostatním cívkám zahrnutým v transformátoru, může být relativně vysoký. Tento napěťový rozdíl je určen napětím indukovaným magnetickou indukcí rovněž i kapacitně distribuovanými napětími, které mohou vzniknout na externích spojích transformátoru v důsledku přítomnosti vnějšího elektrického systému připojeného k transformátoru. Napětí, která mohou být externě přiložena k transformátoru, zahrnují vedle provozního napětí bleskové přepětí a spínací přepětí.

V proudových vodičích cívek vznikají dodatečné ztráty v důsledku magnetického rozptylového pole kolem vodiče. Za účelem udržení těchto ztrát na pokud možno co nejnižší úrovni, zejména v případě silových transformátorů s výkonem v horním výkonovém rozmezí, tyto vodiče jsou rozděleny do množiny dílčích vodičů, které jsou často nazývány prameny, přičemž tyto dílčí vodiče jsou zapojeny paralelně běhen provozu transformátoru. Tyto prameny musí být překříženy podle určitého vzoru, který zajišťuje, že indukované napětí v každém pramenu se stává pokud možno co nejvíce rovné indukovanému napětí v každém jiném pramenu, v důsledku čehož se rozdíl indukovaných napětí mezi dvěma prameny stává pokud možno do nejnižší pro interně cirkulující proudové složky za účelem udržení těchto složek při dostatečné úrovni z hlediska ztrát transformátoru.

V případě transformátorů spadajících do oblasti stavu techniky je hlavním cílem, aby transformátor měl pokud možno co největší počet vodičového materiálu uvnitř dané plochy vymezené tzv. transformátorovým oknem, jinými slovy řečeno, aby měl pokud možno co nejvyšší faktor plnění. Dostupný prostor v transformátoru je vyplněn vedle vodičového materiálu rovněž izolačním materiálem sdruženým s cívkami částečně interně mezi cívkami a částečně mezi cívkami a ostatními kovovými členy zahrnutými v magnetickém jádru.

Izolační systém uspořádaný částečně uvnitř civky/vinutí a částečně mezi cívkami/vinutími a ostatními kovovými částmi je obvykle proveden v místě nejbližším k samostatnému vodičovému členu jako izolace na bázi celulózy a laku a vně tohoto vodiče jako pevná izolace na bázi celulózy a jako kapalná, případě rovněž plynná, izolace. V tomto případě vinutí s izolací a případnými nosnými částmi představuje velký objem materiálu, který je vystaven vysoké intenzitě elektrického pole, které vzniká v činných částí transformátoru a kolen těchto částí. Za účelem stanovení dielektrického namáháni, ke kterému dochází v transformátoru, a dimenzování izolace s minimální rizikem pozdějšího proražení izolace jsou potřebné získat dostatečné znalosti o vlastnostech izolačních materiálů, Je rovněž důležité vytvořit takové prostředí obklopující izolaci, které by neměnilo nebo neomezovalo izolační vlastnosti této izolace.

V současné době převážně používané izolační systémy pro vysokonapěťové silové transformátory zahrnují celulózový materiál jako pevná izolace a transformátorový olej jako kapalná izolace. Tento transformátorový olej je založen na tzv. minerálním oleji.

Transformátorový olej má dvojí funkci, poněvadž vedle izolační funkce aktivně přispívá k chlazení jádra, vinutí, apod., odvedením ztrátového tepla transformátoru. Systém olejového chlazení zahrnuje olejové čerpadlo, vnější chladící člen, expanzní nádobu, apod..

Elektrické spojení mezi externími spoji transformátoru a bezprostředně připojenými cívkami/vinutími se nazývá průchodkou pro vodivé spojení skrze stěnu nádrže,

která v případě olejem-naplněných silových transformátorů obklopuje skutečný transformátor. Tato průchodka je obvykle tvořena samostatnou komponentou připevněnou ke stěně nádrže, přičemž je provedena tak, aby splňovala izolační požadavky kladené jak na vnější část tak i vnitřní část nádrže a současně odolala proudové zátěži a rezultujícím proudovým silám.

Je nutné poznamenat, že stejné požadavky kladené na výše popsaný izolační systém, pokud jde o vinutí transformátoru, jsou rovněž uplatňované pro nutná spojení mezi cívkami, mezi průchodkami a cívkami a pro rozdílné typy spínačů a průchodek jako takových.

Všechny kovové komponenty uvnitř silového transformátoru jsou obvykle spojené s daným zemním potenciálem s výjimkou proud-vodících vodičů. Tímto způsobem je vyloučeno riziko nežádoucího a obtížně regulovatelného nárůstu potenciálu v důsledku kapacitní napětové distribuce mezi proudovými vedeními při vysokém potenciálu a zemí. Tento nežádoucí přírůstek potenciálu může způsobit částečné výboje, tzv. korónové výboje, které mohou být objeveny v průběhu běžných přejímacích testů srovnáním zvýšeného napětí a frekvence s jmenovitými hodnotami transformátoru. Tyto korónové výboje mohou způsobit poškození transformátoru během jeho provozu.

Individuální cívky v transformátoru musi být mechanicky dimenzovány takovým způsobem, aby odolaly napětím, ke kterým dochází v důsledku proudů generovaných v cívkách a proudových sil vyplývajících z těchto proudů během spojení nakrátko. Cívky jsou obvykle provedeny tak, aby síly působící v cívkách byly absorbovány uvnitř každé samostatné cívky, což zase znamená, že cívku nelze optimálně dimenzovat pro její normální funkci během normálního chodu.

Uvnitř úzkého napěúového a výkonového rozmezí

olejem-plněných transformátoru jsou vinutí tvořena tzv. šroubovícovými vinutími. To znamená, že individuální výše uvedené vodiče jsou nahrazeny tenkými plechy. Silové transformátory se šroubovicovým vinutím jsou vyrobeny pro napětí až k 20 - 30 kV a pro výkony až k 20 - 30 MW.

Pro izolační systém silových transformátorů s výkony uvnitř horního výkonového rozmezí jsou žádoucí vedle relativně komplikovaného provedení rovněž speciální výrobní opatření, které vedou k nej lepšímu možnému využití vlastností izolačního systému. Za účelem dosažení žádoucí izolace izolační systém měl by mít nízký obsah vlhkosti, pevná část izolace měla by být dobře impregnována obklopujícím olejem a riziko zbylých plynových kapes v pevné části izolace musí být minimální. Za účelem zajištění výše uvedeného speciální sušení a impregnování je provedeno na kompletním jádru s vinutími před tím, než je toto jádro s vinutími vloženo do nádrže. Po tomto sušení a impregnování je transformátor umístěn do nádrže, která je nato utěsněna. Před naplněním olejem musí být z nádrže s ponořeným transformátorem odveden všechen vzduch. To je provedeno speciální podtlakovou technikou. Po provedení této operace je nádrž naplněna olejem.

Za účelem dosažení žádoucí životnosti transformátoru, apod., je nutné během uvedené podtlakové techniky dosáhnout téměř úplného vakua. To tudíž předpokládá, že nádrž, která obklopuje transformátor je dimenzována pro úplné vakuum, což způsobuje značnou spotřebu materiálu pro vyrobení této nádrže a výrazně dlouhou dobu výroby této nádrže.

V případě, že v olejem-naplněným silovým transformátoru dojde k elektrickým výbojům nebo že v libovolné části transformátoru dojde k lokálnímu značnému přírůstku teploty, potom se v oleji, který má dezintegrující účinky, rozloží plynné produkty vytvořené výše uvedenými jevy. Transformátory jsou proto obvykle opatřeny monitorovacími • ·

zařízeními pro detekci plynu rozpuštěného v oleji.

Z důvodu velké hmotnosti nádrže naplněné olejem a zahrnující transformátor jsou nádrže s transformátory přepravovány bez oleje. Potom, co je transformátor instalován na místě použití tohoto transformátoru, je nutné z nádrže znovu odčerpat vzduch uvedenou podtlakovou technikou. Kromě toho je nutné tuto operaci opakovat vždy v rámci opravy nebo kontroly transformátoru.

Je zřetelné, že tyto procesy jsou velmi časově náročné a nákladné a tvoří značnou část celkové doby nutné pro výrobu a opravu transformátoru, přičemž po stejnou dobu je nutné zajistit náhradní zdroje.

Izolační transformátorech transformátoru.

materiál v konvenčních silových tvoří velkou část celkového objemu Je běžnou skutečnosti, že silový rozmezí vyžaduje řádově transformátorového oleje, vlastnosti jako motorová transformátor s výkonem v horní části uvedeného výkonového několik set kubických metrů Tento olej, který má podobné nafta, je řídkou tekutinou a vykazuje relativně nízký bod vzplanutí. Je tudíž zřejmé, že olej spolu s celulózou představuje nezanedbatelné nebezpečí vzniku požáru v případě neúmyslného vývinu tepla v transformátoru způsobeného, např. interním přeskokem jiskry, a následného rozlití oleje do okolí.

Je rovněž očividné, že zejména v případě olejem-plněných transformátorů vyvstává velmi závažný problém spočívající v transportu těchto transformátorů. Tento transformátor s výkonem v horní části uvedeného výkonového rozmezí může obsahovat několik desítek kubických metrů oleje a může mít hmotnost až několik set tun. Kromě toho je nutné si uvědomit, že vnější provedení transformátoru musí být někdy uzpůsobeno obvyklým transportním profilům, to znamená, že musí být uzpůsobeno daným podmínkám transportu « ·· · transformátoru, např. průjezdu mosty, tunely, apod..

V následujícím textu bude uveden krátký výčet znaků olejem-plněných silových transformátorů spadajících do oblasti stavu techniky, přičemž z tohoto výčtu budou zřejmé jak některá omezení pro tyto transformátory tak i problémy, ke kterým dochází v souvislosti s použitím těchto transformátorů.

Olejem-naplněný konvenční silový transformátor zahrnuje vnější nádrž, která obklopuje transformátor zahrnující transformátorové jádro s cívkami, olej pro izolaci a chlazení transformátoru, různá mechanická nosná zařízení, apod.. Velké požadavky jsou kladeny na nádrž, poněvadž z této nádrže s uloženým transformátorem před jejím naplněním olejem musí být odčerpán vzduch podtlakovou technikou za účelem dosažení v podstatě úplného vakua. Výroba nádrže a její následné zkoušky jsou velmi rozsáhlé, přičemž velké externí rozměry nádrže rovněž obvykle způsobují značné transportní problémy;

obvykle zahrnuje systém tlakového chlazení olejem. Tento chladící systém zahrnuje olejové čerpadlo, externí chladící člen, expanzní nádobu a dilatační spojku, apod.;

zahrnuje elektrické spojení mezi vnějšími vývody transformátoru a cívkami/vinutími bezprostředně připojenými k těmto vývodům, přičemž toto spojení je tvořeno průchodkou připevněnou ke stěně nádrže. Tato průchodka je provedena tak, aby její izolace byla odolná vůči podmínkám převládajícím uvnitř a vně transformátoru;

zahrnuje cívky/vinutí, jejichž vodiče jsou rozděleny do množiny vodivých členů, pramenů, které musí být překříženy takovým způsobem, aby napětí indukované v každém pramenu bylo pokud možno co nejvíce rovné s napětím každého jiného pramenu a tudíž aby rozdíl indukovaných napětí mezi dvojicí pramenů byl pokud možno co nej nižší,zahrnuje izolační systém uspořádaný částečně uvnitř cívky/vinutí a částečné mezi cívkami/vinutími a ostatními kovovými částmi, přičemž tento systém v místě nalézající se nejblíže samostatnému vodiči je tvořen pevnou izolací z celulózy nebo izolací na bázi laku a v externí oblasti tohoto vodiče je tvořen pevnou izolací z celulózy a kapalnou, případně rovněž plynnou, izolací. Kromě toho je velmi důležité, aby tento izolační systém obsahoval velmi nízké množství vlhkosti;

zahrnuje přepínač odboček pod zatížením, který je integrován do transformátoru, obklopen olejem a obvykle připojen k vysoko-napěťovému vinutí za účelem napěťové kontroly;

obsahuje olej, který může způsobit nezanedbatelné nebezpečí požáru ve spojení s vnitřními částečnými výboji, tzv. koronóvými výboji, jiskřením v přepínačích odboček pod zatížením a ostatními poruchovými spojeními;

zahrnuje obvykle monitorovací zařízení pro monitorování plynu rozpuštěného v oleji a vyvinutého v důsledku elektrických výbojů uvnitř oleje nebo lokálních přírůstků teploty, zahrnuje olej, který v případě poruchy nebo poškození transformátoru muže uniknout do okolního prostředí a toto prostředí závažně znečistit.

Podstata vynálezu

Předmětem vynálezu je transformátor s výkonem uvnitř výkonového rozmezí, které bylo uvedeno v předcházejícím odstavci této přihlášky, tj . odstavci Dosavadní stav techniky, to znamená tzv. silový transformátor s jmenovitým výkonem v rozsahu od několika set kVA až k hodnotě přes 1000 MVA a s jmenovitým napětím v rozsahu od 3-4 kV a až k velmi vysokým přenosovým napětím, např. 40 0 kV až 800 kV nebo vyšší, přičemž tento transformátor nemá nevýhody a omezení olejem-naplněných silových transformátorů spadající do oblasti stavu techniky a u tohoto transformátoru nedochází k problémům, které se vyskytují u konvenčních olejem-naplněných transformátorů, přičemž tyto nevýhody, omezení, apod., jsou zřejmé z předcházejícího odstavce týkajícího se dosavadního stavu techniky. Vynález je založen na skutečnosti, že provedením vinutí nebo vinutí v transformátoru/reaktoru tak, že zahrnuje pevnou izolaci obklopenou vnější a vnitřní potenciál-vyrovnávájící polovodičovou vrstvou, uvnitř které se nalézá vnitřní vrstva elektrického vodiče, je možné udržet elektrické pole v celém zařízení uvnitř vinutí. Elektrický vodič musí být, podle vynálezu, uspořádán tak, že má takové vodivém spojení s vnitřní polovodičovou vrstvou, že v hraniční vrstvě mezi nejvnitřnější částí pevné izolace a obklopujícím vnitřním polovodičem podél délky vodiče nemůže vzniknout žádný nežádoucí rozdíl potenciálů. Silový transformátor má zřetelné výhody oproti konvenčnímu olejem-plněnému transformátoru. Tyto výhody budou detailněji popsány v níže uvedeném textu. Jak to bylo již uvedeno v odstavci popisující oblast techniky, je vynálezecké myšlenka použitá u výše uvedeného transformátoru aplikována rovněž i u reaktoru jak s železným jádrem tak i bez železného jádra.

Hlavní rozdíl mezi konvenčními olejem-plněnými silovými transformátory a silovým transformátorem/reaktorem podle vynálezu spočívá v tom, že vinutí/vinutí zahrnují pevnou izolaci obklopenou vnější a vnitřní potenciální vrstvu rovněž i alespoň jeden elektrický vodič uspořádaný uvnitř vnitřní potenciální vrstvy provedené jako polovodič. Vymezení pojmu polovodič bude provedeno v níže uvedeném textu. Podle výhodného provedení vinutí/vinutí je provedeno/jsou provedena ve formě pružného kabele.

Při vysokonapětových úrovní, které jsou žádoucí v transformátoru/reaktoru podle vynálezu, který je připojen k vysokonapětovým sítím s velmi vysokými provozními napětími, muže být izolační materiál elektricky a tepelně zatížen, což klade na tento materiál vysoké požadavky. Je známé, že tzv. částečné výboje obecně představují vážný problém pro izolační materiál ve vysokonapětových izolací. V případě, že izolační vrstva obsahuje dutiny, póry, apod., může dojít k vnitřním koronovým výbojům při vysokých napětí, čímž izolační materiál postupně degraduje, což vede k nebezpečí následného elektrického proražení izolace. Předpokládá se, že to může způsobit vážnou poruchu, např. silového transformátoru.

Vynález je, mimo jiné, založen na skutečnosti, že polovodičové potenciálové vrstvy mají stejné tepelné vlastnosti, pokud jde o koeficient tepelné roztažností a že tyto vrstvy jsou připevněny k pevné izolaci. Výhodně polovodičové vrstvy podle vynálezu jsou sjednoceny s pevnou izolací do jednoho celku, aby tyto vrstvy a přilehlá izolace vykazovaly stejné tepelné vlastnosti za účelem zajištění dobrého vzájemného kontaktu nezávisle na tepelných změnách, ke kterým dochází ve shodě s rozdílnými zátěžemi. Při tepelných gradientech izolační část s polovodičovými vrstvami tvoří monolitickou Část a nedochází k defektům způsobeným rozdílnou tepelnou roztažností v izolaci a obklopujících vrstvách. Elektrická zátěž materiálu je omezena v důsledku skutečnosti, že polovodičové části kolem izolace vytvářejí ekvipotenciální plochy a že elektrické pole v izolační části tudíž bude distribuováno téměř rovnoměrně v tloustce izolace.

Podle vynálezu musí být zajištěno, aby izolace nebyla proražena výše uvedenými jevy. To může být dosaženo použitím izolačních vrstev vyrobených takovým způsobem, že riziko existence dutin a pórů je minimální, přičemž mezi tyto vrstvy náleží, např. vrstvy vytlačené z vhodného termoplastického materiálu, jakým je např. zesítěný polyethylen, XLPE a kaučuk • ·

na bázi ethylenpropylenu. Uvedený izolační materiál je tudíž tvořen materiálem s malými ztrátami a s vysokou průraznou pevností, přičemž se tento materiál při zatížení stahuje.

Elektrická zátěž materiálu je omezena v důsledku skutečnosti, že polovodičové částí kolem izolace tvoří ekvipotenciální plochy a že elektrické pole v izolační části je tudíž distribuováno téměř rovnoměrně v tloušťce izolace.

Jak je to známé v souvislosti s přenosovými kabely pro vysoké napětí a pro přenos elektrické energie, provedení vodičů s vytlačenou izolací vychází z předpokladu, že izolace by měla být prostá defektů. V těchto přenosových kabelech potenciál leží zpravidla při stejné úrovni podél celé délky kabelu, v jehož izolačním materiálu dochází k vysokému elektrickému napětí. Uvedený přenosový kabel zahrnuje jednu vnitřní a jednu vnější polovodičovou vrstvu pro vyrovnání potenciálů na stejnou úroveň.

Vynález je tudíž založen na skutečnosti, že provedením vinutí podle charakteristických znaků popsaných v nárocích, pokud jde o pevnou izolaci a obklopující potenciál-vyrovnávájící vrstvy, může být dosažen transformátor/reaktor, ve které elektrické pole je udrženo uvnitř vinutí. Dodatečná zlepšení mohou být rovněž dosažena sestavením vodiče z menších izolovaných částí, tzv. pramenů. V důsledku toho, že tyto prameny jsou provedeny tak, že mají kruhový průřez o malém poloměru, magnetické pole v těchto pramenech má konstantní geometrii, čímž je výskyt vířivých proudů omezen na minimum.

Podle vynálezu vinutí/vinutí má/mají tudíž formu kabele zahrnujícího alespoň jeden vodič sestavený z množiny pramenů a vnitřní polovodičovou vrstvu kolem pramenů. Vně této vnitřní polovodičové vrstvy se nalézá hlavní izolace kabelu ve formě pevné izolace, přičemž kolem této pevné izolace je uspořádána vnější polovodičová vrstva. Uvedený kabel může v jistých případech zahrnovat další vnější vrstvy.

Podle vynálezu vnější polovodičová vrstva má takové elektrické vlastnosti, že je zajištěno vyrovnání potenciálu na stejnou úroveň podél vodiče. Avšak tato polovodičová vrstva nesmí vykazovat takové vodivostní vlastnosti, že indukované proudy způsobují nežádoucí tepelné zatížení. Mimoto vodičové vlastnosti uvedené vrstvy musí být dostatečné k dosažení ekvipotenciálního povrchu. Měrný odpor, p, uvedené polovodičové vrstvy má mít minimální hodnotu, p_min = 1 Ωαη, a maximální hodnotu, p_max = 100 kQcm, a kromě toho odpor, R, této polovodičové vrstvy na jednotku délky v axiálním směru kabelu má mít minimální hodnotu, R_min = 50 Ω/m a maximální hodnotu, R_max = 50 ΜΩ/m.

Vnitřní polovodičová vrstva musí mít dostatečnou elektrickou vodivost, aby byla zajištěna její funkce spočívající ve vyrovnání potenciálu na stejnou úroveň vzhledem k elektrickému poli působícímu vně této vnitřní vrstvy. V této souvislosti je důležité, Se tato vrstva má takové vlastnosti, že vyrovnává libovolné nepravidelnosti v povrchu vodiče a že tvoři ekvipotenciální plochy s vysokou jakostí povrchu při hraniční vrstvě s pevnou izolací. Uvedená vrstva, jako taková, může mít proměnlivou tloušťku, avšak za účelem zajištění hladkého povrchu vzhledem k vodiči a pevné izolaci tloušťka této vrstvy je výhodně mezi 0,5 a 1 mm. Nicméně uvedená vrstva nesmí mít takovou vodivost, která by přispívala k indukci napětí. Pro vnitřní polovodičovou vrstvu tudíž platí p_min = 10’^Ě, R_min = 50 μΩ/m a p_max = 100 kΩcm, R_max = 5 ΜΩ/m.

Kabel, který je použit podle vynálezu, je vylepšený kabel z termoplastu a/nebo zesítěného termoplastu, např. XLPE, nebo kabel s izolací z kaučuku na bázi ethylenpropylenu nebo jiného kaučuku, např. silikonového kaučuku. Zlepšení, mimo jiné, spočívá v novém provedení kabelu, pokud jde jak o prameny vodičů tak i o to, že kabel nemá vnější plášť pro

mechanickou ochranu kabele.

Vinutí zahrnující výše uvedený kabel způsobuje zcela odlišné podmínky z hlediska izolace od podmínek vyvolaných vinutím konvenčních transformátorů/reaktorů v důsledku zlepšené distribuce elektrického pole. Za účelem využití výhod poskytnutých použitím uvedeného kabelu existují jiná případná provedení, pokud jde o uzemnění transformátoru/ reaktoru podle vynálezu, než ta, která byla aplikována u konvenčních olejem-plněných silových transformátorů.

Pro vinutí v silovém transformátoru/reaktoru podle vynálezu je podstatné a žádoucí to, aby alespoň jeden z pramenů vodiče byl neizolován a uspořádán tak, že je dosažen dobrý elektrický kontakt s vnitřní polovodičovou vrstvou. Tato vnitřní vrstva tudíž vždy zůstane při potenciálu vodiče. Alternativně rozdílné prameny mohou být alternativně v elektrickém kontaktu s vnitřní polovodičovou vrstvou.

Pokud jde o zbývající prameny, všechny z nich nebo některé z nich mohou být nalakovány a tudíž izolovány.

Podle vynálezu ukončení vysokonapěúového a nízkonapěťového vinutí může být tvořeno kabelovou spojkou v případě připojení vinutí ke kabelovému systému nebo kabelovou koncovkou v případě připojení vinutí k rozvodně nebo nadzemnímu přenosovému vedení. Tyto části rovněž zahrnují pevný izolační materiál, Čímž splňují požadavky na ochranu před částečnými výboji jako celý izolační systém.

Podle vynálezu transformátor/reaktor může mít bud' vnější nebo vnitřní chlazení, přičemž vnějším chlazení se rozumí plynové nebo kapalinové chlazení při zemním potenciálu a vnitřním chlazení je míněno plynové nebo kapalinové chlazení uvnitř vinutí.

Výroba transformátorů nebo reaktorů s vinutím tvořeným výše uvedeným kabelem způsobuje výrazné rozdíly, * 000 · «0 · 0 · <

pokud jde o distribuci mezi konvenčními transformátory/ reaktory a silovým transformátorem/reaktorem podle vynálezu. Rozhodující výhodou kabelem-tvořeného vinutí podle vynálezu je to, že elektrické pole je uzavřeno ve vinutí a že tudíž neexistuje žádné elektrické pole vně vnější polovodičové vrstvy. Elektrické pole z proud-vodíčího vodiče se vyskytuje pouze v pevné hlavní izolaci. Z hlediska provedení transformátoru/reaktoru a z hlediska jeho výroby uvedená skutečnost přináší značné výhody:

uvažována distribuce odstavci

Při konstrukci vinutí nemusí být elektrického pole a překřížení pramenu uvedené v popisujícím stav techniky je vynecháno.

Při konstrukci jádra transformátoru nemusí být uvažována distribuce elektrického pole.

Pro elektrickou izolaci vinutí není nutný žádný olej, to znamená, že médiem obklopujícím vinutí může být vzduch.

Pro chlazení vinutí není třeba žádný olej. Chlazení může být provedeno při zemním potenciálu a jako chladící médium může být použit plyn nebo kapalina.

Pro elektrické spojení mezi vnějšími vývody transformátoru a cívkami/vinutími bezprostředně připojenými k těmto vývodům nejsou potřebná žádná speciální spojení, poněvadž elektrické spojení oproti konvenčním zařízením je s vinutím spojeno v jeden celek.

Konvenční transformátorové/reaktorové průchodky nejsou žádoucí. Místo toho, polová konverze z radiálního pole na axiální pole vně transformátoru/reaktoru může být provedena podobně jako u konvenční kablové koncovky.

Výroba a kontrola silového transformátoru podle vynálezu je mnohem jednodušší než výroba a kontrola konvenčního silového transformátoru/reaktoru, poněvadž impregnace, sušení a odvedení vzduchu podtlakovou technikou popsané v odstavci • ·· · ·· *· · · · » w · • · · · * · · • · · · · ··;:

• · · · · · ««·· · ··· ··· ·· « popisující stav techniky nejsou žádoucí. To vede ke značnému zkrácení doby produkce transformátoru.

Použitím izolačního systému podle vynálezu se objevily nové možnosti pro vývoj magnetického obvodu transformátoru podle dosavadního stavu techniky.

Stručný přehled obrázku

V následujícím textu bude vynález popsán pomocí příkladného provedení, přičemž při tomto popisu budou dělány odkazy na přiložený výkres, na kterém obr. 1 zobrazuje distribuci elektrického pole kolem vinutí konvenčního silového transformátoru/reaktoru, obr. 2 zobrazuje provedení vinutí ve formě kabelu v silovém transformátoru/reaktoru podle vynálezu, a obr. 3 zobrazuje provedení silového transformátoru podle vynálezu.

Příklad provedení vynálezu

Obr. 1 znázorňuje zjednodušený a fundamentální pohled na distribuci elektrického pole kolem vinutí konvenčního silového transformátoru/reaktoru, přičemž vztahová značka 1 označuje vinutí, vztahová značka 2. označuje jádro a vztahová značka 3 označuje ekvipotenciální čáry, tj . linie, podél kterých elektrické pole má stejnou velikost. Předpokládá se, že spodní část tohoto vinutí má zemní potenciál.

Distribuce potenciálů určuje konstrukci izolačního systému, poněvadž je žádoucí mít dostatečnou izolaci jak mezi přilehlými závity vinutí tak i mezi každým závitem a zemí. Z obrázku je zřejmé, že na horní část vinutí působí nejvyšší dielektrické napětí. Provedení vinutí a poloha tohoto vinutí fe vůči jádru jsou stanoveny v podstatě distribucí elektrického pole v oknu jádra.

Obr. 2 zobrazuje příklad kabelu, který může být použit ve vinutí, která jsou zahrnuta v silových transformátorech/ reaktorech podle vynálezu. Tento kabel zahrnuje alespoň jeden vodič 4 sestavený z množiny pramenů 5. a vnitřní polovodičovou vrstvu 6. uspořádanou kolem těchto pramenů. Vně této vnitřní polovodičové vrstvy je hlavní izolace J_ kabele ve formě pevné izolace, přičemž tuto pevnou izolaci obklopuje vnější polovodičová vrstva 8.. Jak to bylo výše uvedeno, kabel může zahrnovat ostatní dodatečné vrstvy pro speciální účely, např. pro zamezení příliš vysokého elektrického napětí v ostatních oblastech transformátoru/reaktoru. Z hlediska geometrických rozměrů dotyčné kabely mají vodičovou plochu mezi 30 a 3000 mm² a vnější průměr mezi 20 a 250 mm.

Vinutí silového transformátoru/reaktoru vyrobené z kabelu výše popsaného v odstavci podstaty vynálezu může být použito jak pro jednofázové tak i třífázové a vícefázové transformátory/reaktory, a to nezávisle na tvaru jádra. Jedno z provedení je znázorněno na obr. 3, který zobrazuje třífázový transformátor s vrstveným jádrem. Toto jádro zahrnuje, stejně jako je tomu u konvenčních transformátorů, tři jádrové sloupce 9, 10 a 11 a jádro-uzavíraj ící jha 12 a

13. V tomto zobrazeném provedení jak jádrové sloupce tak i jha mají zužující se průřez.

Soustředně kolem jádrových sloupců je uspořádáno vinutí tvořené kabelem. Jak je to zřejmé z obr. 3, zobrazené provedení má tři soustředné závity 14, 15 a 16 vinutí. Nejvnítřnější závit 14 vinutí může představovat primární vinutí a ostatní dva závity 15 a 16 vinutí mohou reprezentovat sekundární vinutí. Z důvodu lepší přehlednosti obrázek nezobrazuje vývody jednotlivých vinutí. Jinak obrázek zobrazuje, že se v zobrazeném provedení v jistých místech *0 « 0 « « * 0 00 « 0 •0 0000 kolem vinutí nacházejí distanční tyče 17 a 18 s několika rozdílnými funkcemi. Tyto distanční tyče mohou být vyrobeny z izolačního materiálu a poskytují jistý prostor mezi soustřednými závity vinutí za účelem chlazení, neseni, apod., těchto závitu. Uvedené distanční tyče mohou být vyrobeny rovněž z elektricky vodivého materiálu za účelem vytvoření části zemnícího systému vinutí.

• fl fl··· ·«··

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Silový transformátor/reaktor zahrnující alespoň jedno vinutí, vyznačený tím, že vinutí/vinut í zahrnují jeden nebo více proud-vedoucích vodičů, přičemž kolem každého vodiče (4) je uspořádána prvá vrstva (6) s polovodičovými vlastnostmi, přičemž kolem této prvé vrstvy je uspořádána pevná izolační část (7) , kolem které je uspořádána druhá vrstva (8) s polovodičovými vlastnostmi.
2. Silový transformátor/reaktor podle nároku, vyznačený t í m, že prvá vrstva (6) má v podstatě stejný potenciál jako vodič.
3. Silový transformátor/reaktor podle některého z předcházejících nároku, vyznačený tím, že druhá vrstva (8) je uspořádána tak, že v podstatě tvoří ekvipotenciální plochy obklopující vodič/vodiče.
4. Silový transformátor/reaktor podle některého z předcházejících nároků, vyznačený tím, že druhá vrstva (8) je připojena k zemnímu potenciálu.
5. Silový transformátor/reaktor podle některého z předcházejících nároků, vyznačený tím, že polovodičové vrstvy (6,8) a izolační část (7) mají v podstatě stejný koeficient tepelné roztažnosti, takže při tepelném pohybu ve vinutí nedochází v hraniční vrstvě mezi polovodičovými vrstvami a izolační částí ke vzniku defektů, • * · · • · * · • · * * • Β · · · Β Β Β ·

Β Β · » Β trhlin, apod..
6. Silový transformátor/reaktor podle některého z předcházejících nároků, vyznačený tím, že každá z polovodičových vrstev (6,8) je připevněna k přilehlé pevné izolační čisti (7) podél v podstatě celého sousedícího povrchu.
7. Silový transformátor/reaktor podle některého z předcházej ících nároků, vyznačený tím, že vinutí/vinutí je/jsou provedena ve formě pružného kabele.
8. Silový transformátor/reaktor podle nároku 7, v y z n a č e n ý t í m, že kabel má vodičovou plochu mezi 30 a 3000 mm² a vnější kabelový průměr mezi 20 a 250 mm.
9. Silový transformátor/reaktor podle některého z před cházej ících nároků, vyznačený tím, že pevná izolace (7) je vyrobena z polymerního materiálu.
10. Silový transformátor/reaktor podle některého z před cházejících nároku, vyznačený tím, že prvá vrstva (6) a/nebo druhá vrstva (8) jsou vyrobeny z polymerního materiálu.
11. Silový transformátor/reaktor podle některého z před cházej ících nároků, vyznačený tím, že pevná izolace (7) byla vyrobena vytlačovaci technikou.

Η Ή Pf-y p ·· · · ' «

« * « · .

Silový transformátor/reaktor podle některého z před cházejících nároků, vyznačený tím, že proud-vodíci vodič (4) zahrnuje množinu pramenů, které jsou vzájemně izolovány s výjimkou několika pramenů, které jsou neizolovány pro zajištění elektrického kontaktu s první polovodičovou vrstvou (6) .
13. Silový transformátor/reaktor podle některého z před cházej ících nároků, vyznačený tím, že alespoň jeden z pramenů vodiče (4) je neizolován a uspořádán tak, že je dosažen elektrický kontakt s vnitřní polovodičovou vrstvou.
14. Silový transformátor/reaktor podle některého z před cházej ících nároků, vyznačený tím, že zahrnuje jádro vyrobené z magnetického materiálu.
15. Silový transformátor/reaktor podle některého z před cházejících nároků, vyznačený tím, že zahrnuje kovové jádro zahrnující jádrové sloupce a jha.
16. Silový transformátor/reaktor podle některého z před cházejících nároků, vyznačený tím, že je tvořen silovým transformátorem/reaktorem bez kovového jádra, tj. vzduchovým transformátorem/reaktorem.
17. Silový transformátor/reaktor zahrnující alespoň dvě galvanicky oddělené vinutí podle některého z předcházejících nároků, vyznačený tím, že tato vinutí jsou soustředně navinuty.

·· flfl* · > V Iv Μ ' ‘ Μ • flfl flfl
18. Silový transformátor/reaktor podle některého z před cházejících nároků, vyznačený tím, že je připojen ke dvěma nebo více napěťovým úrovním.
19. Silový transformátor/reaktor podle některého z před cházejících nároků, vyznačený tím, že vývody vysokonapěťového a/nebo nízkonapěťového vinutí jsou spojeny se silovým kabelem a/nebo vytvořeny stejně jako vývody silových kabelů.
20. Silový transformátor/reaktor podle některého z před cházejících nároků, vyznačený tím, že v podstatě všechny elektrické izolace v transformátoru/reaktoru jsou uzavřeny mezi vodič (4) a druhou vrstvu (8) vinutí a jsou ve formě pevné izolace.
21. Silový transformátor/reaktor podle některého z před cházejících nároků, vyznačený tím, že vinutí silového transformátoru/reaktoru je provedeno pro vysoké napětí, vhodně pro hodnotu nad 10 kV, zejména hodnotu nad 36 kV a výhodně hodnotu nad 72,5 KV a až k velmi vysokým přenosovým napětím, např. 400 kV až 800 kV nebo vyšší.
22. Silový transformátor/reaktor podle některého z před cházejících nároků, vyznačený tím, že je proveden pro výkonové rozmezí nad 0,5 MVA, výhodně nad 30 MVA.
23. Chlazení silového transformátoru/reaktoru podle některého z předcházejících nároků, vyznačené tím, že silový transformátor/reator je chlazen kapalinou a/nebo · · 0 0 plynem při zemním potenciálu.
24. Způsob regulace elektrického pole v silovém transformátoru/reaktoru zahrnujícím obvod pro generování magnetického pole, který má alespoň jedno vinutí s alespoň jedním elektrickým vodičem a izolací uspořádanou vně tohoto vodiče, vyznačený tím, že izolace je tvořena pevným izolačním materiálem a vně této izolace je uspořádána vnější vrstva, která je spojena se zemním potenciálem nebo jiným relativné nízkým potenciálem a má elektrickou vodivost vyšší než vodivost izolace, avšak nižší než vodivost elektrického vodiče, takže vyrovnává potenciál na stejnou úroveň a způsobuje, že elektrické pole je v podstatě uzavřeno ve vinutí uvnitř vnější vrstvy.
25. Způsob výroby silového transformátoru/reaktoru podle některého z předcházejících nároků, vyznačený tím, že jako vinutí je použit pružný kabel a vinutí kabelu za účelem vytvoření vinutí/vinutí transformátoru/reaktoru je sestaveno na místě.

Zastupuj e:

. .. .3« Sř« - <í<ř

3 3 3 · > 3 · ·· • 3 ··· ♦ · • ♦ · * • 3 ·· ··

1/1

33 3