CZ269999A3 - Vinutí transformátoru nebo tlumivky - Google Patents

Description

Vinutí transformátoru nebo tlumivky

Oblast techniky

Vynález se týká silových transformátorů nebo tlumivek v systému výroby, přenosu nebo distribuce elektrické energie s jmenovitým výkonem v rozsahu od několika stovek kVA až k hodnotám větším než 1000 MVA a s jmenovitým napětím v rozsahu od 3-4kV až k velmi vysokým přenosovým napětím, tj . 400 kV až 800 kV nebo vyšší. Vynález se zejména týká vinutí silových transformátorů nebo tlumivek.

Oblast techniky

Důležitým parametrem silových transformátorů nebo tlumivek je prostorový faktor vinutí, tj. poměr mezi objemem zabíraným vodičem ve vinutí a celkovým objemem zaujímaným vinutím. Vinutí s vysokým prostorovým faktorem jsou výhodné, poněvadž mají kompaktní provedení a nízké rozptylové toky.

Podstata vynálezu

Předmětem vynálezu je silový transformátor nebo tlumivka zahrnující pružný vodič mající prostředek obsahující elektrické pole, rovněž i prostředek pro vyrovnání vnitřního elektrického pole, přičemž tento silový transformátor nebo tlumivka má z technického hlediska výhodné provedení a vysoký prostorový faktor. Kromě toho v alespoň části vinutí uvedeného transformátoru nebo tlumivky je použit pružný vodič.

Jako příklad pružného vodiče, který má prostředek obsahující elektrické pole, může být uveden pružný kabel XLPE používaný pro distribuci elektrické energie. Tento kabel zahrnuje vodivé jádro, prvou polovodičovou vrstvu uspořádanou kolem uvedeného vodivého jádra, pevnou izolační vrstvu • · 9 9 · 9 · · · · ·

9·· 9 99·· • 999 · · 9 9 · ··· 999 • · 9 * · · ·

9 9 9 9 9 ·9 9 9 99 uspořádanou kolem uvedené polovodičové vrstvy a druhou polovodičovou vrstvu uspořádanou kolem uvedené izolační vrstvy. Za podmínky, ze druhá polovodičová vrstva je uzemněna, kabel má schopnost nutit elektrické pole vzniklé v důsledku průtoku elektrické proudu vodivým jádrem k tomu, aby působilo pouze uvnitř uvedeného kabelu. Elektrické zatížení je tudíž absorbováno uvnitř pevné izolace kabelu a vně druhé polovodičové vrstvy prakticky nepůsobí žádné elektrické pole.

V kabelu XLPE jsou rozdílné vrstvy vzájemně pevně připevněny.

Kromě toho pevná izolační vrstva a polovodičová vrstva jsou vyrobeny z materiálů, které mají téměř stejné koeficienty rcztažností. Tudíž kabel může být vystaven mechanickému a tepelnému namáhání, aniž by došlo k oddělení jedné vrstvy od druhé, což by jinak vedlo k tvorbě dutin mezi dotyčnými vrstvami. To je důležitá vlastnost kabele, poněvadž v případě, že intenzita elektrického pole v případné dutině překročí dielektrickou pevnost plynu vyplňujícího tuto dutinu, potom v dutině dochází k částečným výbojům. Mimoto je »

zejména důležité, že prvá polovodičová vrstva a pevná izolační vrstva jsou vzájemně pevně připojeny, poněvadž intenzita elektrického pole je právě nejvyšší v této části kabelu. V případě oddělení jedné vrstvy od druhé se vytvoří vzduchová dutina, ve které může za jistých okolností dojít k částečným výbojům. Uvedený kabel je stejný jako kabel popsaný v mezinárodních přihláškách WO-97/45847 a WO-97/45921.

Je známé, že napětí v silovém transformátoru nebo tlumivce je nerovnoměrně distribuováno v závitech vinutí. Tak např., v případě jednofázového silového transformátoru nebo tlumivky, ve které jeden konec vinutí je uzemněn a druhý konec vinutí je spojen k vývodu vedení, Část vinutí spojená se zemí má elektrický potenciál blízký k nule. Naproti tomu, část vinutí spojená s vývodem vedení má maximální elektrický potenciál blízký k fázovému napětí. Tudíž izolace části vinutí spojené s vývodem vedení je vystavena zatížení většímu, než je vystavena izolace části vinutí spojené se «4 ·· ···· 4· 44

4 4 4 4 4 » 4 4 4 4

4 4 · · 4 4 4 4 · • ··· · 4 · 4 4 »♦· ··· • · · 4 4 4 4

I4·4 4 4 44 4 44 44 zemí. V důsledku toho za účelem zamezení přeskoku jiskry mezi vinutím a částmi transformátoru nebo tlumivky blízkými k tomuto vinutí, např. jádrem nebo krytem obklopujícím silový transformátor nebo tlumivku, je žádoucí aby, v části vinutí spojené k vývodu vedení byla elektrická izolace lepší, než je elektrická izolace v části vinutí spojené se zemí. Tudíž žádoucí elektrická izolace se mění podél délky vinutí. V případě třífázových systémů existují dva základní způsoby zapojení vinutí fází, a to zapojení do hvězdy (Y) a zapojení do trojúhelníka (Δ). Na straně transformátoru s vysokým napětím a na straně transformátoru s nízkým napětím může být zvoleno libovolné z těchto dvou způsobů zapojení vinutí. V případě zapojení vinutí do trojúhelníka jsou jedny konce vinutí všech fází spojeny dohromady, čímž se vytváří nulový vývod. V případě, ze nulový vývod je uzemněn, potom Část vinutí spojená s nulovým vývodem má elektrický potenciál blízký k nule a část vinutí spojená s vývody vedení má maximální elektrický potenciál blízký k hodnotě U_L/VT, kde U_L je sdružené napětí. Pokud jde o izolaci vinutí, je to stejná situace jako ve výše uvedeném případě jednofázového transformátoru, to znamená, že se žádoucí elektrická izolace mění podél délky vinutí. V případě zapojení vinutí do trojúhelníka vinutí všech fází tvoří uzavřenou smyčku ve tvaru trojúhelníka, k jehož třem vrcholům jsou připojeny vývody vedení. V případě, že systém je symetrický, potom elektrický potenciál ve středu každého vinutí je blízký k nule. Naproti tomu při konci každého vinutí bude maximální elektrický potenciál rovný hodnotě U_L/2. Tudíž i v tomto případě dochází ke změně zatížení elektrické izolace podél délky vinutí, a v důsledku toho i ke změně žádoucí elektrické izolace.

V silovém transformátoru nebo tlumivce, ve které alespoň část vinutí, je tvořena kabelem, je možné přizpůsobit tlouščku izolace kabelu ke skutečnému zatížení izolace podél vinutí. Použitím zúženého pružného vodiče ve vinutích má

00 0 • · · «0 0 0·00 000 00 0 0000

000 0 0 0 0 0 000 000 následující výhody. Prostorový faktor každého vinutí může být zvýšen, poněvadž muže být vyloučena ta část izolace, která by vzhledem ke skutečnému zatížení této části izolace, byla nadbytečná. Tudíž pro dané zatížení transformátoru či tlumivky vinuti zaujímá nižší objem, v důsledku čehož rozměry celého transformátoru/tlumivky jsou nižší, rovněž i náklady na výrobu transformátoru/tlumivky jsou nižší. Omezená tloušfka vinutí, a tudíž omezená průměrná vzdálenost mezi vodičem a jádrem rovněž vede k omezenému rozptylovému toku, a tudíž nižší impedanci transformátoru/tlumivky. V případe zachování stejného prostorového faktoru chlazení transformátoru/tlumivky může být účinnější, poněvadž chladící médium může snadněji proudit v transformátoru/tlumivce, když izolace kabelu je omezena. Poněvadž chlazení je Často limitujícím faktorem pro provedení transformátoru/tlumivky, zatížitelnost transformátoru/tlumivky o dané velikosti se může zvýšit.

V ideálním případě by tloušfka izolační vrstvy kabelu měla být taková, aby elektrické namáhání v kabelu zpravidla bylo stejné v celém rozsahu každého závitu vinutí. To vyžaduje změnu průřezu izolační vrstvy podél délky kabelu. Průřez izolační vrstvy se může měnit nepřetržitě nebo skokově, tj . po jednom stupni nebo více stupních. Kabel se stupňovitou změnou průřezu izolační vrstvy může být zhotoven z dílčích kabelů s rozdílnými avšak neměnnými průřezy izolační vrstvy, které jsou spojeny dohromady. Průřez izolace se může snižovat podél délky kabelu, a tudíž kabel má nejniřší průřez izolace na jednom konci vinutí. Případně kabel může mít nejnižši průřez ve středu vinutí, což je výhodné pro vinutí zapojená libovolném jiném místě vinutí, uvedeno, průřez izolace bude izolace podél vinutí.

nebo v již bylo zatížení do trojúhelníka, přičemž, jak to odpovídat změnám • 4 4

444 444

Stručný přehled obrázků

Vynález bude lépe zřejmý z následujícího popisu příkladných provedení vynálezu, přičemž při tomto popisu budou dělány odkazy na přiložené výkresy, na kterých obr. 1 zjednodušeně zobrazuje distribuci elektrického pole kolem vinutí konvenčního silového transformátoru nebo tlumivky, obr. 2 zjednodušeně zobrazuje distribuci elektrického pole kolem vinutí silového transformátoru nebo tlumivky, které jsou popsány v mezinárodní přihlášce vynálezu WO-97/45847 a WO-97/45921, obr. 3 zjednodušeně zobrazuje distribuci elektrického pole kolem vinutí silového transformátoru nebo tlumivky podle prvého výhodného provedeni vynálezu, obr. 4 zjednodušeně zobrazuje distribuci elektrického pole kolem vinutí silového transformátoru nebo tlumivky podle druhého výhodného provedení vynálezu, a obr. 5 zjednodušeně zobrazuje boční pohledy na dva příklady stupňovitě zúženého kabelu a dva příklady nepřetržitě zúženého kabelu použitého ve vinutí silového transformátoru nebo tlumivky podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Obr. 1 až 3, na které se odkazuje níže uvedený text, mají zjednodušenou a fundamentální formu. Zařízení schématicky zobrazené na těchto obrázcích může být tvořeno tlumivkou s jádrem nebo tlumivkou bez jádra, rovněž i silovým transformátorem. Za účelem zjednodušení zobrazení distribuce elektrického pole je na každém z uvedených obrázků zobrazeno pouze jedno vinutí. Rovněž za účelem zjednodušení zobrazení distribuce elektrického pole je na uvedených obrázcích • ft ···· • «•ft ftft · · * · · • ftft ftft · · · · · • ftftft ftftft· · ftftft ftftft • · · « ft ♦ · ··· ftft ftft * ft* ftft zobrazeno vinutí pouze s jednou vrstvou a pouze čtyřmi závity, nicméně je samozřejmé, ze zobrazená a níže popsaná diszribuce elektrického pole platí rovněž pro vinutí s více vrstvami a velkým množstvím závitů.

Obr. 1 zjednodušeně zobrazuje distribuci elektrického pole kolem vinutí konvenčního silového transformátoru nebo tlumivky s vinutím 11 a jádrem 12 . Kolem každého závitu vinutí 11 se vyskytují ekvipotenciální linie 13 , to znamená linie, ve kterých má elektrické pole konstantní velikost. Potenciálová distribuce určuje složení izolačního systému, poněvadž je žádoucí, aby se jak mezi přilehlými závity vinutí tak i mezi závity vinutí a uzemněnými částmi transformátoru nebo tlumivky, které obklopují uvedené vinutí nacházela dostatečná izolace. Ze zobrazených ekvipotenciálnich linií je zřejmé, že izolace v horní části vinutí je vystavena nej vyššímu zatížení.

Obr. 2 schématicky zobrazuje distribuci elektrického pole kolem vinutí silového transformátoru nebo tlumivky, které jsou popsány v mezinárodni přihlášce WO-97/45847 a WO-97/45921. Vinutí 21 vytvořené z kabelu 28 je navinuto kolem jádra 22 . V kabelu 28 jsou zobrazeny ekvipotencialní linie 23 . Kabel 28 zahrnuje vodivé jádro 24 obklopené prvou vodivou vrstvou 2 5, pevnou izolační vrstvu 2 6 o stejné tloušťce a druhou polovodičovou vrstvu 27 . Tato druhá polovodičová vrstva je spojena se zemním potenciálem. Je učiněn předpoklad, že spodní část vinutí se nalézá při zemním potenciálu a horní část vinutí je spojena s vývodem vedeni. Elektrické pole vytvořené v důsledku průchodu elektrického proudu vodivým jádrem je uzavřeno uvnitř kabelu 2 8 polovodičovou vrstvou 2 7, a tudíž vně kabelu 2 8 nepůsobí žádné elektrické pole. Izolace vrchní části vinutí je vystavena nej vyšší zátěži, a proto elektrické namáhání absorbované uvnitř izolační vrstvy kabelu v horní části vinutí je větší, než je elektrické namáhání absorbované • 4 «4 4444 »4

4 « 4 44 4 «444

444 ·4 · 4444 »4· 4 4 4 4 4 444 444

4 4 4 4 » 4

4444 44 4 44 44 uvnitř izolační vrstvy kabelu ve spodní části vinutí. To je na ccr. 2 vyznačeno vzdálenostmi mezi ekvipotenciálními liniemi 2 3 v kabelu, které jsou menší v horní části vinutí ve srovnání se spodní částí vinutí. Izolační vrstva kabelu je dimenzovaná tak, aby odolala nejvyššímu elektrickému namáhání ve vinutí, to znamená elektrickému namáhání v horní části vinutí. V důsledku toho je izolační vrstva ve spodní části vinutí zbytečně tlustá.

V rozsahu vynálezu výhodného provedení silového transformátoru nebo tlumivky je dosaženo přizpůsobením tlouščky izolace kabelu skutečnému izolačnímu zatížení podél vinutí. Takové přizpůsobení je např. možné provést u silového transformátoru nebo tlumivky v provedení na obr. 2 omezením tlouštíky izolační vrstvy kabelu ve spodní části vinutí 21 kabelu. Uvedeného omezení tlouštíky izolační vrstvy je možné dosáhnout použitím zúženého kabele, u kterého se průřez izolační vrstvy snižuje směrem k uzemněné straně vinutí, to znamená ke spodní části vinutí. V ideálním případě by tlouštíka izolační vrstvy měla být taková, aby elektrické namáhání v kabelu bylo v podstatě stejné v celé délce vinutí. Distribuce elektrického pole kolem kabelu v takovém vinutí je zřejmá z obr. 3, který znázorňuje prvé výhodné provedení vynálezu. V tomto výhodném provedení kabel 3 8 je navinut kolem jádra 3 2 , čímž vytváří vinutí 31. V kabelu 3 8 jsou znázorněny ekvipotenciální linie 33 . Předpokládá se, že stejně jako v provedení vynálezu na obr. 2 spodní část vinutí se nachází při zemním potenciálu a vrchní část vinutí je spojena s vývodem vedení. Průřez izolační vrstvy kabelu ve vinutí se kontinuálně mění tak, že elektrické namáhání v kabelu je v podstatě konstantní v celém rozsahu vinutí, což je znázorněno ekvipotenciálními liniemi 3 3 . V porovnání se silovým transformátorem nebo tlumivkou na obr. 2 chlazení je účinnější, poněvadž chladící médium může snadněji cirkulovat v transformátoru nebo tlumivce, když izolace kabelu je omezena.

• ·· · ♦ · · ♦ · · · * · · · « · A · A A A · · • ··♦ · · · · · ··· ««· • · · · « A · ···· ·· ·* · ·· ··

Na obr. 4 je schématicky zobrazen sílový transformátor/tlumivka podle druhého výhodného provedení vynálezu. Stejně jako je tomu v provedení vynálezu na obr. 2, kolera jádra 42 je navinut kabel 4S, který tvoří vinutí 4 1. V tomto kabelu 48 jsou zobrazeny ekvipotenciální linie. Opět se předpokládá, že spodní část vinutí je při zemní potenciálu a horní část vinutí je připojena k vývodu vedení. Z obr. 4 je zřejmé, že závity zúženého kabelu jsou uspořádány tak, že každý výše uložený závit se dotýká vrchní, části každého bezprostředně následujícího níže uloženého závitu. Tudíž v porovnání s provedeními na obr. 2 a 3 je prostorový faktor vinutí zvýšen a dotyčný silový ťransformátor/tlumivka múze mít nižší rozměry, v důsledku čehož může být vyroben s nižšími náklady.

Namísto použití kabelu s kontinuální změnou průřezu izolace může být použit kabel se stupňovitou změnou průřezu izolace. Takový kabel může být dosažen spojením dvou nebo více dílčích kabelů s rozdílným, avšak konstantním, průřezem izolace- Na obr. 5 jsou zobrazeny čtyři kabely 50a, 50b, 50c.

a 5Qd, které mohou být použity v silovém transformátoru/tlumivce podle vynálezu. Kabely 5Qa a 50b jsou vyrobeny ze tří dílčích kabelů 51a, 52a, 53a resp. dílčích kabelů 51b,

52b, 53b. V místě spojení 54a, 55a resp. spojení 54b, 55b vodivá jádra 55a resp. vodivá jádra 56b, prvé polovodičové vrstvy (nejsou zobrazeny) a druhé polovodičové vrstvy (nejsou zobrazeny) sousedních dílčích kabelů jsou spojeny. Každý z kabelů 5 0c a 5 Od je vyroben z jednoho kusu kabelu, jehož průřez izolace se mění nepřetržitě podél délky kabelu. V kabelu 50a a kabelu 50c se průřez izolace zvyšuje podél délky kabelu. Takový kabel je výhodný pro silový transformátor nebo tlumivku, ve kterých se namáhání izolace rovnoměrně zvyšuje podél vinutí, to znamená, např. pro do hvězdy-zapojený třífázový transformátor s uzemněným nulovým bodem. V kabelu 50b a kabelu 5Od je průřez izolace nejmenší ve středu délky těchto kabelů. Takový kabel je výhodný pro do ·· ··*· ♦♦a· *· troj úhelníka-zapojený transformátor, ve kterém namáhání izolace jsou. nejnižší v polovině délky jednotlivých vinutí. Počet dílčích kabelů 50a a 50b nemusí být omezen na tři. Použitím množiny dílčích kabelů s rozličnou délkou a rozličným průřezem izolace může být vyroben kabel s více nebo méně kontinuálně měnícím se průřezem izolace.

Z výše uvedených příkladů uspořádání vinutí je zřejmý způsob použití zúženého kabelu ve vinutí pro dosažení silového transformátoru nebo tlumivky podle vynálezu. Pro odborníka v daném oboru je samozřejmé, že je možné použít zúžené kabely v jednofázových či vicefázových transformátorech s jedním vinutím nebo množinou vinutí, rovněž i v tlumivkách, s jádrem nebo bez jádra, zahrnující jedno vinutí nebo množinu vinutí, aniž by takové použití překročilo rozsah ochrany vynálezu vymezený přiloženými patentovými nároky. Je rovněž zřejmé, že je možné uvnitř rozsahu ochrany vynálezu použít zúžený kabel v silovém transformátoru nebo tlumivce, ve kterých pouze část vinutí zahrnuj e kabel.

Claims (8)

1. Silový transformátor nebo tlumivka v systému pro výrobu, přenos nebo distribuci elektrické energie, přičemž tento silový transformátor nebo tlumivka obsahuje alespoň jedno vinutí (31,41), vyznačující se tím, že uvedené vinutí je alespoň částečně vytvořeno z pružného vodiče, který má prostředek (38,48) obsahující elektrické pole, přičemž se průřez uvedeného pružného vodiče mění podél alespoň části délky uvedeného pružného vodiče.

2. Silový transformátor nebo tlumivka podle nároku 1, vyznačující se tím, že pružný vodič je tvořen kabelem (38,48) zahrnujícím vodič (24), prvou vrstvu (25) mající polovodičové vlastnosti, pevnou izolační vrstvu (26) uspořádanou kolem uvedené prvé vrstvy a druhou vrstvu (27), která má polovodičové vlastnosti a je uspořádána kolem uvedené pevné izolační vrstvy.

3. Silový transformátor nebo tlumivka podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že se uvedený průřez pružného vodiče nebo kabelu (50c,50d) mění nepřetržitě podél alespoň části délky uvedeného pružného vodiče nebo kabelu.

4 . Silový transformátor nebo tlumivka podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že se uvedený průřez pružného vodiče nebo kabelu (50a,50b) mění stupňovitě podél alespoň části délky uvedeného pružného vodiče nebo kabelu.

··· ····

'.Λ « · *·· • · ·· ·· ···

5. Silový transformátor nebo tlumivka podle nároku I až 4, vyznačující se tím, že elektrické namáhání v pružném vodiči nebo kabelu (38,48) je zpravidla konstantní v celé délce uvedeného pružného vodiče nebo kabelu.

6. Silový transformátor nebo tlumivka podle nároku 1 až 5, vyznačující se tím, že silový transformátor zahrnuje tři fáze, které jsou zapojeny do hvězdy.

7. Sílový transformátor nebo tlumivka podle nároku 1 až 5, vyznačující se tím, že silový transformátor zahrnuje tři fáze, které jsou zapojeny do trojúhelníka.

8. Silový transformátor nebo tlumivka podle některého z nároků 1 až 6,vyznačuj ící se tím, že jeden konec alespoň jednoho vinutí je při zemním potenciálu.