Трансформатор

Техническое решение относится к электротехнике, в частности к трансформаторам, к силовым низковольтным трансформаторам, трансформаторам для распределительных сетей, высоковольтным трансформаторам, и может быть использовано в их производстве.

Известен трансформатор (патент RU 2572874 на изобретение), содержащий магнитопровод, выполненный из стальных полос, из которых сформирован пакет с расположением примыкающих друг к другу полос длинными сторонами в одном и том же направлении - продольном направлении. На средний участок пакета, соответствующий стержню, установлены первичная и вторичная обмотки, которые выполнены из алюминиевого провода с керамической изоляцией. Керамическая изоляция получена микродуговым оксидирование алюминиевого проводника. В пакете полосы распределены на два блока, каждый блок набран из М субпакетов с М≥2, каждый субпакет набран из N полос с N≥1 одинаковой ширины. Ширина полос разных субпакетов одного и того же блока - разная. Субпакеты с полосами наибольшей ширины расположены в середине пакета. Субпакеты в блоках расположены друг относительно друга, с соблюдением уменьшения ширины их полос в направлении от середины пакета к его краю, с получением блоков, характеризующихся поперечными сечениями на участке пакета, соответствующем стержню, симметричными относительно плоскости, проходящей через центр пакета и параллельной поверхности полос, с получением на участке пакета, соответствующем стержню, поперечного сечения магнитопровода ступенчатой формы, приближающейся по фигуре к эллипсу или кругу. Длина каждой полосы в пакете и расположение полос друг относительно друга в продольном направлении выбраны с возможностью обеспечения плотного огибания магнитопроводом установленных на участок, соответствующий стержню, обмоток. Концы полос блоков соединены стык в стык, с локализацией соединения относительно соединений концов ближайших соседних полос в разных местах. Обмотки, первичная и вторичная, установлены посредством бескаркасной намотки на участок, соответствующий стержню, провода с натяжением и с возможностью оказания на магнитопровод стягивающего усилия.

Известен трансформатор (патент RU 2633960 на изобретение), содержащий магнитопровод в составе трех стержней, ярм, на каждом стержне установлены первичная и вторичная обмотки, которые выполнены из алюминиевого провода с керамической изоляцией. Керамическая изоляция получена микродуговым оксидирование алюминиевого проводника. Магнитопровод выполнен из стальных полос. Из полос сформированы три пакета с расположением примыкающих друг к другу полос длинными сторонами в одном и том же направлении - продольном направлении. Каждый стержень выполнен в виде среднего участка пакета. В пакете полосы распределены на два блока, каждый блок набран из М субпакетов с М≥2, каждый субпакет набран из N полос с N≥1 одинаковой ширины. Ширина полос разных субпакетов одного и того же блока - разная. Субпакеты с полосами наибольшей ширины расположены в середине пакета. Субпакеты в блоках расположены друг относительно друга, с соблюдением уменьшения ширины их полос в направлении от середины пакета к его краю, с получением блоков, характеризующихся поперечными сечениями на участке пакета, соответствующем стержню, симметричными относительно плоскости, проходящей через центр пакета и параллельной поверхности полос, с получением на участке пакета, соответствующем стержню, поперечного сечения магнитопровода ступенчатой формы, приближающейся по фигуре к эллипсу или кругу. Длина каждой полосы в пакете и расположение полос друг относительно друга в продольном направлении выбраны с возможностью обеспечения плотного огибания магнитопроводом установленных на участки, соответствующие стержням, обмоток. Концы полос каждого из блоков среднего пакета соединены стык в стык с концами соответствующих полос ближайших блоков крайних пакетов, образуя участки магнитопровода, выполняющие функцию ярм. Кроме того, для магнитопровода характерна локализация соединений концов соответствующих полос относительно соединений концов ближайших соседних соответствующих полос в разных местах. Концы соответствующих полос дальних блоков крайних пакетов соединены также стык в стык, образуя участки магнитопровода, выполняющие функцию ярм, с локализацией соединений концов соответствующих полос относительно соединений концов ближайших соседних полос в разных местах. Обмотки, первичная и вторичная, установлены посредством бескаркасной намотки на каждый участок, соответствующий стержню, провода с натяжением и с возможностью оказания на магнитопровод стягивающего усилия.

Хотя применение в приведенных трансформаторах в обмотках алюминиевого проводника с керамической изоляцией является залогом их надежности, однако техническая проблема надежности трансформатора до конца не исчерпывается.

Керамическая изоляция алюминиевого проводника, полученная микродуговым оксидированием, характеризуется неоднородностью, имеет поры. В поры проникает из окружающей атмосферы воздух, заполняет их, и, хотя является важнейшим для электротехнической практики диэлектриком, однако подвержен пробою, что негативно отражается в целом на устойчивости обмоток к пробою. Кроме того, не использованы дополнительные возможности улучшения теплоотвода. Задача теплоотвода решается только за счет бескаркасной намотки на магнитопровод провода с натяжением и с возможностью оказания на магнитопровод стягивающего усилия.

Технической проблемой, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение надежности трансформатора с обмотками из алюминиевого проводника, покрытого керамической изоляцией, за счет нижеследующего технического результата.

Техническим результатом является:

- повышение величины напряжения, соответствующего наступлению пробоя обмоток, при сохранении условия безопасности эксплуатации трансформатора;

- повышение теплоотвода обмоток.

Технический результат достигается трансформатором, содержащим магнитопровод с установленными, по крайней мере, одной первичной и вторичной обмотками, которые выполнены из алюминиевого провода с керамической изоляцией, который дополнительно снабжен герметизируемым металлическим корпусом, содержащим газ-диэлектрик, в котором размещен магнитопровод с обмотками вплотную к корпусу, при этом в корпусе установлено давление газа-диэлектрика 5⋅10^-2 Па или менее.

В трансформаторе металлический корпус выполнен из нержавеющей стали или алюминия.

В трансформаторе в качестве газа-диэлектрика использован воздух, или азот, или аргон.

Суть технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.

На Фиг. 1 представлены кривые Пашена для различных газов.

На Фиг. 2 схематически показан в сборке однофазный трансформатор с обмотками из алюминиевого проводника с керамической изоляцией, располагаемый в герметизируемом вакуумируемом корпусе (корпус не показан).

На Фиг. 3 схематически показан в сборке трехфазный трансформатор с обмотками из алюминиевого проводника с керамической изоляцией, располагаемый в герметизируемом вакуумируемом корпусе (корпус не показан).

Достижение технического результата базируется на выполнении в трансформаторе герметизируемого металлического корпуса, в котором размещен магнитопровод с обмотками, и в отношении, которого выполнена откачка до пониженного давления газа-диэлектрика 5⋅10^-2 Па или менее.

Для керамической изоляции алюминиевого проводника, полученной микродуговым оксидированием, характерно наличие пор - промежутков керамической изоляции. Характерные размеры их в поперечнике составляют от 1 до 50 мкм. Указанные промежутки заполнены газом, в частности воздухом из окружающей трансформатор воздушной атмосферы.

Газы как диэлектрики в обычных условиях характеризуются высоким удельным сопротивлением и малыми диэлектрическими потерями. Воздух, как отмечено выше, является важнейшим для электротехнической практики диэлектриком. В качестве достоинств газов следует отметить способность восстановления электроизоляционных свойств после пробоя, отсутствие ухудшения свойств со временем (старение). Недостатком их является невысокая (по сравнению с жидкими и твердыми диэлектриками) электрическая прочность при нормальном давлении. В целях увеличения электрической прочности могут прибегать как к повышению давления газов, так и к глубокому их разрежению.

Газы в слабых электрических полях и при не очень высоких температурах обладают незначительной удельной проводимостью. При этих условиях весьма немногочисленные свободные носители заряда - электроны и ионы - образуются лишь под действием внешних ионизаторов невысокой интенсивности. Поэтому при указанных условиях газы являются отличными диэлектриками с удельным сопротивлением порядка 10¹⁸ Ом⋅м, практически не имеющим диэлектрических потерь. Повышение электропроводности газов происходит, когда при столкновении частицы газа оказываются в состоянии ионизовать друг друга (термическая ионизация). В основе механизма пробоя газов лежит процесс ударной ионизации, обусловленный свободными электронами. Электроны, будучи разогнаны электрическим полем, соударяясь с нейтральными молекулами газа, ионизуют последние. Развитие пробоя может также происходит при участии фотоионизации, обусловленной фотонами, испускаемыми возбужденными в результате соударения с электронами молекулами газа. Развитие пробоя зависит от степени однородности электрического поля, в котором происходит пробой газа. В однородном поле пробой наступает практически мгновенно по достижении определенного напряжения U_b (Физические величины: Справочник / Бабичев А.П., Бабушкина Н.А., Братковский А.М. и др.; Под ред. Григорьева И.С, Мейлихова Е.З., М.: Энергоатомиздат, 1991, 1232 с., стр. 545).

Для газов установлен закон Пашена. При неизменной температуре пробивное напряжение газа зависит от произведения его давления р на расстояние d между электродами (величина разрядного промежутка); U_b=f(pd) (Кудрявцев А.А., Смирнов А.С., Цендин Л.Д., Физика тлеющего разряда: Учебное пособие, СПб.: Издательство «Лань», 2010, 512 с, стр. 307). Зависимости U_b(pd) называют кривыми Пашена, для различных газов они показаны на Фиг. 1.

Качественно ход кривой Пашена объясняется следующим образом. Эффективность процессов ударной ионизации определяется, во-первых, средним числом столкновений электронов, приходящимся на единицу длины пути и, во-вторых, вероятностью того, что столкновение электрона с молекулой или атомом закончится ионизацией. Одновременное действие этих двух факторов при разном диапазоне значений р и d обусловливает величину U_b газового промежутка: при малых pd в основном влияет первый фактор, а при больших - второй. Положение минимума пробивного напряжения газов (см. Фиг. 1) соответствует перегибу кривой зависимости α - коэффициента ионизации газа электронами от Е - напряженности электрического поля, то есть непосредственно связано с ударной ионизацией электронами (Электрорадиоматериалы, Тареев Б.М., Короткова Р.В., Петров В.М., Преображенский А.А.; Под ред. Тареева Б.М.: Учеб. пособие для студентов втузов. - М.: Высш. школа, 1978, 336 с., стр. 148).

Для каждого газа характерно существование минимального значения пробивного напряжения при определенном значении pd - для воздуха 327 В при pd=665 Па⋅мм.

В общем, для повышения напряжения пробоя U_b в газовых промежутках, в частности в газовых промежутках керамической изоляции алюминиевого проводника обмоток трансформатора, разместив магнитопровод с обмотками в герметичном корпусе, возможно использовать как повышение давления (обычно до 1,5 МПа), так и глубокое разрежение газа (вакуум).

При значениях давления выше нормального газ сжимается (правая ветвь кривой Пашена) и, как следствие, уменьшается средняя длина свободного пробега электрона. Наступление пробоя происходит в этом случае при повышении напряженности электрического поля Е. В целях повышения величины напряжения, соответствующего наступлению пробоя обмоток, повышение давление газа в герметичном корпусе с расположенным в нем магнитопродом с обмотками могло бы быть использовано. Однако с позиции безопасной эксплуатации трансформатора, во избежание возможности его взрыва, данный путь повышения напряжения пробоя U_b нежелателен.

При значительном снижении давления газа (левая ветвь кривой Пашена) U_b растет из-за затруднения образования газового разряда вследствие малой вероятности столкновения заряженных частиц с молекулами. При разряжении газа средняя длина свободного пробега электрона возрастает, причем электроны могут приобретать добавочную энергию даже при меньшем значении напряженности поля. Данный путь повышения величины напряжения, соответствующего наступлению пробоя обмоток, благоприятен в целях безопасной эксплуатации трансформатора, поскольку использование низких давлений не допускает возможности его взрыва. Кроме того, низкие, относительно нормального, давления газа в откачанном корпусе обеспечивают дополнительный прижим обмоток к металлическому корпусу и, как следствие, дополнительный теплоотвод.

В предлагаемом техническом решении величина давления газа-диэлектрика в корпусе трансформатора соответствует давлению 5⋅10^-2 Па или менее. Конкретная величина давления разреженного газа-диэлектрика с учетом реальных размеров пор, конкретного выполнения выводов обмоток, используемого конкретного газа-диэлектрика - воздух, азот, аргон - варьируется в зависимости от приведенных факторов.

В общем случае выполнения предлагаемый трансформатор содержит: магнитопровод с установленными, по крайней мере, одной первичной и вторичной обмотками, герметизируемый корпус. Магнитопровод с обмотками размещен в указанном корпусе. Размещение магнитопровода с обмотками выполнено вплотную к металлическому корпусу для реализации дополнительного теплоотвода от обмоток. Обмотки выполнены из алюминиевого проводника с керамической изоляцией, полученной микродуговым оксидированием. В корпусе установлено давление газа-диэлектрика 5⋅10^-2 Па или менее, что обеспечивает в совокупности повышение величины напряжения, соответствующего наступлению пробоя обмоток, при сохранении условия безопасности эксплуатации трансформатора и улучшение теплоотвода обмоток.

В частных случаях реализации магнитопровод с обмотками может быть выполнен в однофазном варианте (см. Фиг. 2), как подробно приведено в известном решении по патенту RU 2572874 на изобретение или может быть выполнен в трехфазном варианте (см. Фиг. 3), как подробно приведено в известном решении по патенту RU 2633960 на изобретение.

Металлический корпус выполнен из нержавеющей стали или алюминия. Установленное в корпусе давление газа-диэлектрика, равно не более 5⋅10^-2 Па или менее. В качестве газа-диэлектрика использован воздух, или азот, или аргон. При использовании в качестве газа-диэлектрика воздуха или азота давление составляет не более 5⋅10^-3 Па. Если в качестве газа диэлектрика использован аргон, давление выбирают равным не более 5⋅10^-2 Па.

Работа предлагаемого трансформатора не отличается принципиально от работы однофазного трансформатора или трехфазного трансформатора с обмотками из алюминиевого проводника с керамической изоляцией, которые были приведены выше в качестве аналогов. Обмотки фаз первичного и вторичного напряжений соединяют звездой или треугольником. Выводы от обмоток подключают к соответствующим токоотводам, смонтированным с учетом герметизации под вакуумом корпуса (пониженного давления газа-диэлектрика, которым заполнен корпус).

Трансформатор работает на двух базовых принципах. Во-первых, изменяющийся во времени электрический ток, протекающий по первичной обмотке, создает изменяющееся во времени магнитное поле в магнитопроводе. Во-вторых, изменяющийся магнитный поток, проходящий через вторичную обмотку, создает в этой обмотке ЭДС.

На одну из обмоток, являющуюся первичной обмоткой, подают напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток намагничивания создает переменный магнитный поток в магнитопроводе. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создает во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции.

Трансформатор при работе обладает повышенной стойкостью обмоток к электрическому пробою, так как поры (промежутки) керамической изоляции, полученной микродуговым оксидированием, заполнены газом-диэлектриком при давлении газа-диэлектрика 5⋅10^-2 Па или менее, причем за счет пониженного давления газа-диэлектрика относительно нормального давления достигается безопасность его эксплуатации, выражающейся в предотвращении возможности взрыва. Кроме того, трансформатор в ходе его эксплуатации обладает улучшенным теплоотводом обмоток, благодаря расположению магнитопровода с обмотками в герметичном содержащем разреженный газ-диэлектрик корпусе, вплотную обмотками к корпусу.