Высоковольтный тороидальный трансформатор

 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к источникам питания различных электрофизичеких устройств и накопителей энергии. Высоковольтный трансформатор содержит тороидальный сердечник, низковольтную обмотку, занимающую часть сектора тороидального сердечника, и высоковольтную обмотку, расположенную в секторе тороидального сердечника, отделенные друг от друга межобмоточной изоляцией, а также электростатический экран, расположенный между обмотками и соединенный с сердечником и землей. Согласно изобретению высоковольтная обмотка выполнена из двух частей, каждая из которых расположена в части сектора тороида, занимаемого высоковольтной обмоткой, начало и конец которой выведены с наружного слоя обмотки на диаметрально противоположные стороны. Кроме того, трансформатор содержит дополнительный электростатический экран, расположенный под высоковольтной обмоткой, соединенный с ее средней точкой и выходящий за пределы высоковольтной обмотки, при этом на обоих торцах экрана выполнены закругления. Технический результат от использования данного изобретения состоит в повышении надежности и уменьшении габаритов высоковольтного трансформатора. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к источникам питания различных электрофизических устройств и накопителей энергии.

Известен тороидальный высоковольтный трансформатор с сухой изоляцией, содержащий магнитопровод, обмотки, межобмоточную изоляцию и электростатический экран, расположенный между обмотками и соединенный с магнитопроводом и землей. Основным недостатком такой конструкции является слабая продольная изоляция, особенно в торцовой части обмоток и в зоне высоковольтных выводов.

Наиболее близким по техническому решению является трансформатор, продольная изоляция высоковольтной обмотки в торцовой зоне которого усилена полупроводниковыми вставками и вставками эластомера, образующими замкнутую монолитную структуру в торцовой зоне обмоток и высоковольтных выводов [1]. Недостатком такой конструкции является сложность изготовления, требующая мощных прессов и специальных пресс-форм сложной конфигурации. Кроме того, начало и конец высоковольтной обмотки выполнены с внутреннего и наружного слоев обмотки, что вызывает сложности в размещении и их изоляции.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков прототипа, а именно повышение надежности работы и уменьшение габаритов трансформатора.

Указанная цель достигается тем, что в высоковольтном трансформаторе, содержащем тороидальный сердечник, первичную низковольтную обмотку, занимающую часть сектора тороида, и вторичную высоковольтную обмотку, которые отделены друг от друга межобмоточной изоляцией, электростатический экран, расположенный между обмотками и соединенный с сердечником и землей, новым является то, что высоковольтная обмотка выполнена из двух частей, каждая из которых расположена в части сектора тороида, занимаемого высоковольтной обмоткой, причем начало и конец высоковольтной обмотки выведены с наружного слоя обмотки на диаметрально противоположные стороны, а под высоковольтной обмоткой расположен дополнительный электростатический экран, выходящий за пределы высоковольтной обмотки и соединенный с ее средней точкой, при этом на обоих торцах экрана выполнены закругления.

На чертеже приведено схематическое расположение магнитопровода, обмоток, экранов, выводов обмоток и экранов и изоляции высоковольтного тороидального трансформатора.

Трансформатор содержит тороидальный сердечник 1, на котором расположена первичная низковольтная обмотка 2. выполненная из фольговых лент, снаружи - высоковольтная обмотка 3, состоящая из двух симметричных частей 4 и 5 и межобмоточной изоляции 6, состоящей из слюдосодержащих лент, пропитанных вакуумнонагнетательным способом термореактивным компаундом с последующей термообработкой. Начало 7 и конец 8 высоковольтной обмотки 3 выводятся с наружного слоя обмотки и расположены на диаметрально противоположных сторонах и могут выводиться как на наружную образующую, так и на торцовую сторону трансформатора. Высоковольтная обмотка 3 расположена в секторе 360°-α, оставляя свободное пространство, определяемое углом α, для прохождения выводов 9 и 10 низковольтной обмотки 2. В случае выполнения высоковольтной обмотки 3 многослойной каждый следующий слой частей 4 и 5 высоковольтной обмотки 3 расположен в секторе 360°-(α+β), где β - угол между частями 4 и 5 высоковольтной обмотки 3, причем α<α₁<α₂<...<α_n и β<β₁<β₂<...<β_n. Между обмотками 2 и 3 расположены электростатические экраны 11 и 12. Экран 11 охватывает низковольтную обмотку 2 по всей длине и имеет вывод 13, который присоединен к земле. Кроме того, экран 11 соединен с магнитопроводом 1. Дополнительный экран 12 охватывает межобмоточную изоляцию 6, расположен под высоковольтной обмоткой 3 и соединен гальванически с средней точкой высоковольтной обмотки 3. Он расположен в секторе 360°-α, занимаемом высоковольтной обмоткой 3. Торцы экрана 12 выходят за пределы высоковольтной обмотки 3 и оканчиваются закруглениями 14 и 15, радиусы которых определяются напряжением высоковольтной обмотки 3.

Трансформатор работает следующим образом.

Низковольтная первичная обмотка 2 подключается к источнику питания, например к высокочастотному инвертору. В тороидальном сердечнике 1 возбуждается высокочастотный магнитный поток, который в свою очередь индуцирует в высоковольтной обмотке 3 высокочастотную ЭДС, которая снимается с высоковольтных выводов 7 и 8. Разность напряжений, существующая между обмотками 2 и 3, действует на межобмоточную изоляцию 6 и направлена поперек слоев изоляции, а в зоне торцов высоковольтной обмотки 3 (в секторах, определяемых углами α и β ) напряжение действует вдоль слоев изоляции. Высоковольтная обмотка 3 занимает часть тороида, располагаясь в секторе 360°-α, оставляя не занятое высоковольтной обмоткой 3 пространство на внешней образующей тороида, в котором проходят выводы 9 и 10 низковольтной обмотки 2, а также вывод 13 экрана 11 и другие возможные низкопотенциальные или заземленные элементы трансформатора, например вводы и выводы системы охлаждения. В случае, когда высоковольтная обмотка 3 состоит из нескольких слоев, она делится на две симметричные части 4 и 5, которые занимают сектор 360°-(α_n+β_n), причем выполняется соотношение α<α₁<...<α_n и β<β₁<...<β_n, где n - номер слоя высоковольтной обмотки 3. Угол определяется, исходя из пространства, необходимого для размещения низкопотенциальных элементов трансформатора, в частности выводов 9, 10 низковольтной обмотки 2, и напряжения, действующего между высокопотенциальными частями обмотки 3 и низкопотенциальными частями, находящимися в секторе α. Угол β определяется, исходя из разности потенциалов частей 4 и 5 высоковольтной обмотки 3. Такая конструкция высоковольтной обмотки 3 позволяет снизить напряжение, действующее на межслоевую изоляцию 6. При этом начало и конец высоковольтной обмотки 3 расположены на наружном слое. Таким образом, высоковольтные выводы 7 и 8 не проходят через слои высоковольтной обмотки 3 и расположены диаметрально по обе стороны трансформатора, т.е. на наибольшем удалении друг от друга.

Электростатические экраны 11 и 12 расположены между обмотками 2 и 3. Экран 11 расположен вблизи низковольтной обмотки 2, заземлен и имеет вывод 13. Экран 12 расположен под высоковольтной обмоткой 3 и соединен со средней точкой высоковольтной обмотки 3. Экраны 11 и 12 позволяют выравнять электрическое поле в межслоевой изоляции 6, устраняя влияния неравномерности намотки обмоток 2 и 3 на внутренней и наружной образующей тороидального сердечника, а также неровности низковольтной обмотки 2, образующиеся при ее намотке. Соединение электростатического экрана 12 со средней точкой высоковольтной обмотки 3 позволяет вдвое снизить напряжение, действующее на межобмоточную изоляцию 6. Закругления 14 и 15, выполненные на торцах экрана 12, позволяют снизить напряжение, действующее на продольную изоляцию в зоне прохождения низкопотенциальных элементов трансформатора и торцов высоковольтной обмотки 3, разделив пополам напряжение, действующее между экранами 11 и 12 и низкопотенциальными элементами трансформатора (выводы 9 и 10 низковольтной обмотки 2) и между торцами высоковольтной обмотки 3 (частей 4 и 5) и экранами 11 и 12. Кроме того, экраны 11 и 12 круглого сечения, диаметр которого определяется напряжением высоковольтной обмотки 3, облегчая выполнение продольной изоляции.

Таким образом, появляется возможность уменьшить толщину межобмоточной изоляции 6 и угол α, т.е. увеличить сектор, занимаемый высоковольтной обмоткой 3. Все это позволяет уменьшить габариты трансформатора и повысить надежность его работы.

Трансформатор может быть использован при создании малогабаритных систем питания различных электрофизических устройств, для зарядки емкостных накопителей энергии и в источниках питания различных технологических установок в диапазоне напряжений от единиц киловольт до десятков киловольт и мощностью от сотен ватт до сотен киловатт в единице с высокими удельными показателями. Так, например, трансформатор мощностью 100 кВт и напряжением 40 кВ имеет весовой показатель 3,5 кВт/кГ при рабочей частоте 7 кГц.

Источники информации 1. Гинзбург Л.Д. "Высоковольтные трансформаторы и дроссели с эпоксидной изоляцией", Ленинград, Энергия, 1978 г., стр. 148-160, рис. 8-2.

Формула изобретения

Высоковольтный трансформатор, содержащий тороидальный сердечник, низковольтную обмотку, занимающую часть сектора тороидального сердечника, высоковольтную обмотку, расположенную в секторе тороидального сердечника, отделенные друг от друга межобмоточной изоляцией, отличающийся тем, что содержит электростатический экран, расположенный между обмотками и соединенный с тороидальным сердечником и землей, высоковольтная обмотка выполнена из двух частей, каждая из которых расположена в части сектора тороидального сердечника, занимаемого высоковольтной обмоткой, причем начало и конец высоковольтной обмотки выведены с наружного слоя обмотки на диаметрально противоположные стороны, а под высоковольтной обмоткой расположен дополнительный электростатический экран, выходящий за пределы высоковольтной обмотки и соединенный с ее средней точкой, при этом на обоих торцах экрана выполнены закругления.

РИСУНКИ

Рисунок 1