КОМПАКТНЫЙ СУХОЙ ТРАНСФОРМАТОР С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ОБМОТКОЙ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ОБМОТКИ

Изобретение относится к покрытию изоляционного корпуса трансформатора сухого типа.

Сухие трансформаторы, особенно трансформаторы из литьевой смолы, представляют собой силовые трансформаторы, которые используются в энергетике для преобразования напряжений примерно до 36 кВ на стороне высшего напряжения. В таких трансформаторах обмотка низшего напряжения и обмотка высшего напряжения расположены коаксиально вокруг плеча сердечника. При этом обмоткой низшего напряжения называется обмотка с более низким напряжением, а обмоткой высшего напряжения называется обмотка с более высоким напряжением. Обе обмотки встроены в твердый изоляционный материал, в случае обмотки высшего напряжения для этого часто используется литьевая смола. Такой сухой трансформатор известен из ЕР 1133779 В1.

Из еще не опубликованного документа EP 15185886 A1 (= внутренний номер дела 201519004) известно дальнейшее развитие вышеописанного сухого трансформатора, в частности, для более высоких напряжений, чем 36 кВ. В нем раскрыта более компактная конструкция сухого трансформатора, которая характеризуется, среди прочего, тем, что сухой трансформатор имеет меньшие размеры, другими словами, имеет более компактную конструкцию, и в этом случае воздух в качестве изолятора также заменяется подходящей литьевой смолой в качестве твердого изоляционного тела (корпуса).

На поверхности твердого изоляционного корпуса, в который встроена электрическая обмотка, т.е., в частности, намотанная с образованием катушки обмотка высшего и/или низшего напряжения, предусмотрено покрытие, которое предпочтительно выполнено из полупроводящего материала.

К химическим и/или физическим свойствам этого полупроводящего покрытия предъявляются особые требования, в частности, что касается термической, механической и химической стабильности наряду с определенным сопротивлением слоя.

Существует потребность, предоставить подходящее покрытие изоляционного корпуса сухого трансформатора, которое удовлетворяет подобному профилю характеристик.

Поэтому задачей настоящего изобретения является создание электрической обмотки для сухого трансформатора в компактной конструкции, а также способа изготовления покрытия для изоляционного корпуса такой электрический обмотки сухого трансформатора в компактной конструкции, причем по меньшей мере на одной поверхности изоляционного корпуса предусмотрено покрытие, у которого сопротивление слоя лежит в диапазоне от 10² до 10⁵ Ом/квадрат и проявляет высокую термостойкость, высокую механическую прочность и устойчивость к влияниям окружающей среды, таким как влажность и инсоляция.

Для этого, предусмотрена электрическая обмотка, в частности, обмотка высшего напряжения для сухого трансформатора с проводником обмотки, который намотан во множество витков с образованием катушки, причем катушка встроена (заделана) в твердый изоляционный корпус, причем по меньшей мере одна поверхность изоляционного корпуса имеет покрытие с определенным сопротивлением слоя, которое включает в себя полимерный (смоляной) компонент, а также по меньшей мере один микромасштабный и электропроводный наполнитель, причем электропроводный наполнитель присутствует с размером частиц в диапазоне от 1 мкм до 2 мм.

Проводник обмотки может быть пленочным проводником, полосовым проводником или проволочным проводником. Катушка встроена в изоляционный корпус из твердого изоляционного материала. Часто с этой целью используют литьевую смолу, которой катушка заливается и которая отверждается после заливки. В результате получают механически стабильную обмотку в форме полого цилиндра, катушка которого хорошо защищена от влияний окружающей среды. В соответствии с изобретением, по меньшей мере на одной поверхности изоляционного корпуса нанесено покрытие из полимерной смеси с микромасштабным и электропроводным наполнителем.

Указанная задача также решается способом изготовления электрической обмотки со следующими этапами способа:

- наматывание проводника обмотки во множество витков с образованием катушки,

- встраивание катушки в твердый изоляционный корпус, предпочтительно путем заливки литьевой смолой с последующим отверждением изоляционного корпуса,

- установка предопределенного сопротивления слоя в композиции (составе) для изготовления покрытия путем введения по меньшей мере одной микромасштабной фракции наполнителя из электропроводных частиц наполнителя в неотвержденную смолу,

- нанесение композиции для получения покрытия по меньшей мере на одной поверхности изоляционного корпуса.

В соответствии с предпочтительной формой выполнения изобретения, наполнитель присутствует в форме по меньшей мере одной микромасштабной фракции наполнителя, в которой содержание наполнителя составляет более 20 массовых % и/или более 10 объемных % покрытия.

Согласно предпочтительной форме выполнения изобретения, в покрытии присутствуют по меньшей мере две фракции частиц наполнителя. Особенно предпочтительно, если по меньшей мере две фракции наполнителя содержат микромасштабные частицы наполнителя.

При этом особенно предпочтительно, что определенное сопротивление слоя может быть определено отношением, в котором в покрытии присутствуют по меньшей мере две фракции наполнителя.

Покрытие может быть изготовлено путем нанесения композиции (состава). При этом поддающуюся обработке, то есть предпочтительно текучую смесь из неотвержденного полимерного компонента с отвердителем, либо как два отдельных компонента, либо присутствующие в одном компоненте, смешивают с наполнителем и наносят в растворе на поверхность. Затем эта композиция на поверхности отверждается, например, за счет термической и/или UV-инициированной реакции с образованием готового покрытия.

Согласно одной форме выполнения, полимерная матрица присутствует в виде двухкомпонентной системы из смолы (полимера) и отвердителя. При этом водорастворимая 2-компонентная система является особенно предпочтительной, поскольку при изготовлении покрытия можно избежать органических растворителей, которые обычно рассматриваются как наносящие вред окружающей среде. При этом отвердитель и/или полимерный компонент могут использоваться в водном растворе.

Поэтому особенно предпочтительно, если используется одно- или двухкомпонентная полимерная система, которая является экологически безвредной, в частности, за счет использования растворителя на водной основе. Например, при использовании водной полиуретан-акрилатной полимерной системы реализуются такие экологические аспекты, как отсутствие вторичной переработки (рециклирования) или дожигания растворителя. При этом также реализуется облегчение охраны труда для оператора и/или изготовителя, например, лакировщика.

Поэтому в соответствии с этой предпочтительной формой выполнения изобретения, для изготовления композиции, которая для получения покрытия наносится по меньшей мере на одну поверхность изоляционного корпуса, достаточны растворители на водной основе.

В кругу специалистов и в смысле изобретения, материал рассматривается как электропроводный, если электрическое сопротивление меньше 10⁸ Ом/□. Выше этого значения, материал считается изолятором или непроводящим. Покрытие должно наноситься по меньшей мере на внутренней боковой поверхности изоляционного корпуса, предпочтительно также на торцевых поверхностях. Особенно предпочтительно, покрытие наносится на всей поверхности изоляционного корпуса, то есть, в дополнение к внутренней боковой поверхности и торцевым поверхностям, также на внешней боковой поверхности. За счет такого покрытия электрическое поле электрической обмотки в значительной степени снижается в литьевой смоле и, таким образом, уменьшается за пределами обмотки до величины, которая допускает то, что расстояние до других компонентов трансформатора, таких как сердечник или обмотка низшего напряжения, может благодаря этому быть меньше, что обеспечивает возможность создания более компактной конструкции.

Покрытие предпочтительно выполнено из полупроводящего материала. В качестве полупроводящего в кругу специалистов и в смысле изобретения рассматривается материал, если его удельное сопротивление меньше, чем 10⁸ Ом/□, и больше, чем 10¹ Ом/□. Так как электропроводное покрытие, особенно на всей поверхности, обмотки представляет обмотку короткого замыкания, в последней будет протекать ток, который генерирует мощность потерь. С помощью покрытия из полупроводящего материала эта мощность потерь может ограничиваться.

Подходящие проводящие или полупроводящие покрытия основаны на полимерной системе, в которую внесен микромасштабный полупроводящий наполнитель, предпочтительным образом, в количестве больше, чем 20 массовых % и/или 10 объемных %, особенно в диапазоне от 20 массовых % до 80 массовых%, особенно предпочтительно от 50 массовых % до 60 массовых % и/или соответствующих объемных процентных пределов в случае легких, особенно полых частиц наполнителя.

Было обнаружено, что для этого подходит, например, двухкомпонентная полимерная система, имеющая первый компонент, выбранный из группы следующих смол: эпоксидной, полиуретановой, акрилатной, полиимидной и/или полиэфирной полимерной системы и любых смесей, сополимеров и сочетаний из вышеупомянутых смол. В качестве второго компонента к композиции добавляют, например, отвердитель, подходящий для соответствующей смолы, такой как амин, ангидрид кислоты, пероксид, полиизоцианат, особенно алифатический полиизоцианат. Особенно предпочтительным является водорастворимый компонент отвердителя, ввиду экологической безопасности, потому что при этом отсутствует дожигание растворителя, и вообще применение органических растворителей в смысле долговременной устойчивости имеет отрицательные последствия для экологии.

Композиция имеет определенное время обработки, за которое она наносится как несшитая полимерная композиция для покрытия по меньшей мере на одну поверхность изоляционного корпуса. Нанесение осуществляется, например, путем распыления, разбрызгивания, окрашивания, накатки и/или погружения. После отверждения, полимерная композиция сшивается и достигает стабильного состояния по отношению к влияниям окружающей среды, инсоляции, механическому нагружению и т.д. Сшивание поддерживается, например, за счет нагревания.

В соответствии с предпочтительной формой выполнения изобретения покрытие имеет стабильность при температурах до 170°С.

Для достижения определенной электропроводности, к композиции добавляют по меньшей мере две фракции микромасштабного наполнителя. Он присутствует в сухой массе композиции и/или в покрытии в количестве более 20 массовых % и/или 10 объемных %, он может даже присутствовать в количестве до 80 массовых % сухой массы, однако предпочтительно присутствует в диапазоне от 35 массовых % до 75 массовых %, особенно от 40 массовых % до 60 массовых % сухой массы композиции и/или соответствующего объемного процента в случае легких частиц наполнителя.

В качестве наполнителя пригодным является, в частности, микромасштабный наполнитель, который имеет средний размер зерна D₅₀ в диапазоне от приблизительно 1 мкм до 2 мм, например, в диапазоне от 5 мкм до 100 мкм, особенно предпочтительно в диапазоне от 10 мкм до 50 мкм.

Наполнитель может включать все типы форм частиц наполнителя. Например, могут иметься смешанные глобулярные и пластинчатые наполнители. Для очень легких частиц наполнителя, которые присутствуют в комбинации или отдельно в композиции, предел по меньшей мере 20 массовых % и соответствующий объемный процент, например, приблизительно 10 объемных % принимается в качестве нижнего предела.

Частицы наполнителя предпочтительно выполнены из полупроводящего материала. Например, материалом может быть проводящая сажа, проводящий графит, графит, оксид металла и/или нитрид металла, а также любые их смеси. Частицы наполнителя могут также содержать сердцевину с оболочкой или сердцевину с покрытием.

Частицы наполнителя могут также быть полыми, в частности, полыми волокнами и/или полыми шариками также в смысле настоящего изобретения по отдельности или в комбинации с другим фракциями частиц наполнителя.

Например, в качестве наполнителя используется покрытая полупроводящим материалом сердцевина, например, из слюды. Кроме того, здесь в качестве наполнителя применяется наполнитель из кварцевой муки с покрытием, а также любые смеси из покрытых и непокрытых частиц наполнителя.

В качестве полупроводящих покрытий предпочтительно используются как металлы, оксиды металлов, так и легированные оксиды металлов. Полупроводящие полые шарики, полые волокна или чешуйки могут также использоваться в качестве частиц наполнителя. Нижняя граница в случае этих очень легких частиц наполнителя соответствует тогда примерно 10 объемных % степени заполнения в покрытии.

Наполнители могут использоваться мультимодально, то есть в разных размерах частиц наполнителя и/или формах частиц наполнителя.

За счет подходящего выбора материала частиц наполнителя, размера частиц наполнителя, формы частиц наполнителя, структуры частиц наполнителя, распределения размеров зерна, величины удельной поверхности и/или поверхностной активности наполнителя, в покрытии может быть сформирован обширный профиль свойств.

Предпочтительным образом, покрытие имеет удельное поверхностное сопротивление, также называемое сопротивлением слоя, от 10² Ом/□ до 10⁵ Ом/□, предпочтительно от 10³ Ом/□ до 10⁴Ом/□. Это поверхностное сопротивление электрическая обмотка имеет, когда она новая. Старение, влияния окружающей среды или загрязнение могут изменить его. Поверхностное сопротивление этого порядка величины, с одной стороны, особенно эффективно ограничивает потери мощности, а с другой стороны, все еще предоставляет достаточные возможности для уменьшения поверхностного сопротивления из-за загрязнения.

Толщина покрытия лежит по меньшей мере в диапазоне размера частиц наполнителя, например, в диапазоне от 1 мкм до 5 мм, предпочтительно в диапазоне от 30 мкм до 500 мкм, особенно в диапазоне от 70 мкм до 130 мкм.

Например, в композиции для покрытия используется смесь из фракции наполнителя с частицами наполнителя с покрытием, такими как частицы слюды с покрытием из полупроводящего оксида металла, и фракции наполнителя из полупроводящего материала, такого как проводящая сажа. В смеси, обе фракции наполнителя могут, например, присутствовать в соотношении 1:1, или могут присутствовать разные количества, причем отношения частиц наполнителя с покрытием к частицам наполнителя без покрытия при использовании находится в диапазоне от 0,5 до 2,5, предпочтительно от 0,7 до 1,5 и особенно предпочтительно от 0,8 до 1,2.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения покрытие наносится путем окрашивания и/или распыления. В частности, нанесение путем распыления обеспечивает, с одной стороны, равномерную толщину слоя и, с другой стороны, предотвращает воздушные включения, которые привели бы к частичным разрядам.

Считается предпочтительным, если покрытие электрически заземлено. В результате, электрическое поле вне обмотки особенно эффективно уменьшается.

Покрытие можно наносить на всю поверхность или только на части поверхности изоляционного корпуса, как уже описано. Изоляционный корпус выполнен, например, из эпоксидной смолы, причем предпочтительной является определенная шероховатость поверхности изоляционного корпуса на покрываемых сторонах для адгезии покрытия на поверхности.

Для того чтобы оптимизировать однородное распределение частиц наполнителя, к композиции может быть добавлена диспергирующая присадка, например, тензид (поверхностно-активное вещество) и/или присадка на ионной основе.

При таком способе может изготавливаться электрическая обмотка, электрическое поле которой в значительной степени экранируется покрытием, и которая при использовании в сухом трансформаторе обеспечивает возможность создания более компактной конструкции. Предпочтительно покрытие представляет собой лак. При этом нанесение покрытия может быть выполнено распылением, разбрызгиванием, окрашиванием, накаткой и/или лакированием погружением. При этом некоторые из упомянутых способов могут использоваться последовательно или одновременно для нанесения композиции.

В соответствии с предпочтительной формой выполнения способа, поверхность изоляционного корпуса перед нанесением композиции обрабатывается, так что обеспечивается хорошая адгезия композиции и затем покрытия на изоляционном корпусе.

Предпочтительным образом покрытие представляет собой полупроводящий материал.

Особенно предпочтительно покрытие наносят способом распыления, благодаря чему может быть получена особенно равномерная толщина слоя.

Ниже изобретение более подробно поясняется со ссылкой на чертеж.

На фиг. 1 показан график, на котором показано старение полупроводящего покрытия в соответствии с настоящим изобретением в течение 150 дней при 170°С. После упрочнения покрытия в течение первых дней, можно видеть стабильное поддержание определенного сопротивления слоя, несмотря на хранение при температуре 170°С в течение всего периода наблюдения по крайней мере в течение полугода.

Далее изготовление примерной композиции для изготовления покрытия согласно форме выполнения изобретения поясняется более подробно с помощью табличного представления:

Пример:

В показанном примере приведена композиция для покрытия лаком сухого трансформатора в компактной конструкции, причем комбинация экологически безопасной технологии лакирования за счет компонента отвердителя на водной основе и достигнутая надежность в механическом и термическом аспекте, о чем свидетельствует фиг. 1, подтверждает техническую инновацию показанной здесь композиции, в частности, при использовании для трансформаторов сухого типа.

Изобретение относится к электрической обмотке для сухого трансформатора, которая позволяет создавать компактный сухой трансформатор даже при более высоких классах напряжения. Для этой цели электрическая обмотка имеет множество намотанных с образованием катушки витков проводника обмотки. Катушка встроена в твердый изоляционный корпус. В соответствии с изобретением предусмотрено, что по меньшей мере на одной поверхности изоляционного корпуса нанесено покрытие из электропроводного материала, включающего в себя полимерную матрицу и микромасштабный наполнитель.