Система и способ изоляции трансформатора
Изобретение относится к электротехнике, к системам изоляции электрических машин. Технический результат состоит в увеличении эксплуатационного ресурса. Трансформатор (10) содержит магнитный сердечник (14), который включает в себя несколько ламинированных пакетов, имеющих по меньшей мере одно отверстие. Трансформатор (10) содержит обмотку (30), размещенную вокруг магнитного сердечника (14) по меньшей мере в одном отверстии (20) и окруженную изолирующим слоем (54) с диэлектрической постоянной, которая изменяется в зависимости от напряжения. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится в целом к системам изоляции для электрических машин и обмоток машин и, более конкретно, к системе изоляции, обладающей нелинейными диэлектрическими свойствами.
Предшествующий уровень техники
Электрические машины и устройства, такие как генераторы, двигатели, силовые приводы, трансформаторы и т.п., постоянно подвергаются различным электрическим, механическим, термическим нагрузкам и нагрузкам со стороны окружающей среды. Такие нагрузки имеют тенденцию ухудшать качество машин и устройств, соответственно уменьшая срок их службы. В качестве одного из примеров можно привести статическое магнитное поле, которое остается после отключения электропитания в стальном сердечнике в трансформаторах вследствие остаточной намагниченности. Когда электропитание затем подается снова, остаточное поле вызывает высокий пусковой ток, протекающий до тех пор, пока влияние остаточной намагниченности не уменьшится, обычно после нескольких циклов приложенного переменного тока. Устройства для защиты от чрезмерного тока, такие как плавкие предохранители в трансформаторах, соединенных с длинными линиями передачи электропитания, не в состоянии защитить трансформаторы от индуцированных токов, обусловленных геомагнитными возмущениями во время солнечных бурь, которые могут вызвать насыщение стального сердечника и неправильное функционирование устройств для защиты трансформатора. В большинстве случаев наблюдается, что доминирующим фактором отказов вышеуказанных устройств является ухудшение их изоляции.
Системы изоляции для электрических машин, таких как генераторы, двигатели и трансформаторы, постоянно совершенствуются, чтобы улучшить эксплуатационные качества машин. Материалы, обычно используемые для электрической изоляции, включают полиимидную пленку, композиционный материал на базе эпоксидной смолы и стеклянных волокон и микаленту. Изолирующие материалы обычно должны иметь такие механические и физические свойства, которые обеспечивают их противостояние различным жестким электрическим воздействиям на электрические машины, таким как грозовые перенапряжения и коммутационные перенапряжения. Кроме того, некоторые из желательных свойств системы изоляции включают противостояние экстремальным изменениям рабочей температуры и длительный расчетный срок службы.
Вышеуказанные изолирующие материалы обладают в основном постоянной диэлектрической постоянной, которая предотвращает их электропроводность с учетом составной электрической прочности. Однако определенные факторы, такие как рабочая температура, окружающая среда, градиенты электрического напряжения, циклическое воздействие тепловых нагрузок и скачки напряжения от грозовых и коммутационных перенапряжений, ухудшают качество изолирующих материалов на протяжении длительного периода времени, соответственно снижая их срок годности и эксплуатационный ресурс.
Сущность изобретения
Технической задачей настоящего изобретения является создание системы изоляции, в которой учитывались бы вышеуказанные проблемы, и которая отвечала бы текущим потребностям промышленности.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предложен трансформатор, содержащий магнитный сердечник, который содержит множество ламинированных пакетов, имеющих по меньшей мере одно отверстие. Трансформатор также имеет обмотку, содержащую электропроводный материал, размещенную вокруг магнитного сердечника в по меньшей мере одном отверстии и окруженную изолирующим слоем с диэлектрической постоянной, которая изменяется в зависимости от напряжения.
В соответствии с другим аспектом данного изобретения предложен способ формирования системы изоляции в трансформаторе. Данный способ включает размещение изолирующего слоя вокруг по меньшей мере части обмотки, данный изолирующий слой имеет диэлектрическую постоянную, которая изменяется в зависимости от напряжения.
Краткое описание чертежей
Эти и другие признаки, особенности и преимущества данного изобретения будут лучше поняты из представленного ниже подробного описания со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает общий вид трансформатора, содержащего магнитный сердечник с обмотками, использующими нелинейный или вариабельный диэлектрический материал в качестве изоляции, согласно изобретению;
Фиг.2 - поперечный разрез трансформатора по Фиг.1, где показано множество витков в обмотках, согласно изобретению;
Фиг.3 - поперечный разрез системы изоляции с нелинейным диэлектриком, согласно изобретению;
Фиг.4 - угловую часть обмотки, представленной на Фиг.2, которая испытывает электрическую нагрузку, согласно изобретению;
Фиг.5 - диаграммы диэлектрической постоянной как функции напряженности электрического поля для пленки из поливинилиденфторида без наполнителей и с наполнителями, все из которых могут быть использованы в электрической машине и с обмотками, согласно изобретению;
Фиг.6 - диаграмму напряженности электрического поля вокруг угловой части, представленной на Фиг.4, согласно изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Варианты осуществления данного изобретения включают систему изоляции с использованием материалов, обладающих нелинейными или изменяющимися диэлектрическими свойствами. Термин «нелинейный» означает неравномерное изменение диэлектрической постоянной с изменением напряжения. Раскрытая система изоляции может быть использована в машинах, функционирующих при высоких напряжениях, которые включают, однако не ограничиваются ими, трансформаторы. Данная система изоляции имеет присущую ей способность к адаптации, т.е. диэлектрическая постоянная нелинейного диэлектрика может увеличиваться в тех местах машины, в которых изоляция испытывает высокую электрическую нагрузку, и обеспечивает желательную электрическую защиту машины. Электрическая защита создается посредством выравнивания электрической нагрузки и снижения локальной напряженности электрического поля.
На Фиг.1 показан общий вид трансформатора 10, включающего резервуар 12. Трансформатор 10 в описываемом варианте осуществления представляет собой трехфазный трансформатор. В другом варианте осуществления трансформатор 10 может быть однофазным трансформатором. Трансформатор 10 содержит магнитный сердечник 14, имеющий первую часть 16 сердечника и вторую 18 часть сердечника, которые имеют по меньшей мере одно отверстие 20 и расположены одна рядом с другой. В отдельных вариантах осуществления первая часть 16 сердечника и вторая часть 18 сердечника могут иметь три отверстия 20 каждая. Первая часть 16 сердечника и вторая часть 18 сердечника могут также включать в себя несколько наложенных один на другой ламинированных пакетов 22. В отдельных вариантах осуществления ламинированные пакеты 22 могут содержать ламинированные пакеты, изготовленные из металла, такого как сталь, однако не ограничиваются ею. Трансформатор 10 содержит также электрические фазные обмотки 24, 26 и 28. Каждая из электрических фазных обмоток 24, 26 и 28 может включать в себя несколько обмоток 30, которые изолированы слоем из нелинейного диэлектрика (не показан) и размещены в стопке прилегая друг к другу. Обмотки 30 могут окружать первую часть 16 сердечника и вторую часть 18 сердечника через отверстия 32 и отверстие 20.
На Фиг.2 представлен поперечный разрез трансформатора 10 иллюстрирующий обмотки 30. Обмотки 30 могут включать электропроводный материал, который намотан по спирали с образованием множества витков 36, 38 и 40. В отдельных вариантах осуществления используемая электропроводная проволока является обычно проволокой для обмотки электромагнита. Проволока для обмотки электромагнита представляет собой медную проволоку с покрытием из лака или другого синтетического материала. В одном из неограничивающих примеров число витков может варьироваться в интервале от нескольких витков до нескольких тысяч витков, в зависимости от мощности и вида применения.
На Фиг.3 представлен поперечный разрез обмотки 30. Каждый из витков 36, 38 и 40 имеет внешние жилы 42, 44 и 46 соответственно. Аналогичным образом витки 36, 38 и 40 имеют внутренние жилы 48, 50 и 52, соответственно. Жилы 42 и 48 расположены в ряд в каждом витке 36, так что множество витков 36, 38 и 40 могут быть расположены параллельно один другому. Изолирующий слой 54 из нелинейного диэлектрика 54 может быть размещен сверху вокруг каждой из внешних жил 42, 44 и 46. Аналогичным образом изолирующий слой 54 из нелинейного диэлектрика 54 может быть расположен поверх вокруг каждой из внутренней жил 48, 50 и 52. Кроме того, изолирующий слой 56 из нелинейного диэлектрика может быть сформирован между витками 36, 38 и 40. В рассматриваемом варианте осуществления диэлектрическая постоянная слоев 54 и 56 изоляции из нелинейного диэлектрика увеличивается с увеличением напряжения или локального электрического поля.
В отдельных вариантах осуществления изоляция из нелинейного диэлектрика может включать композиционный материал из стеклоткани, эпоксидного связующего, листовой слюды и наполнителя с размером частиц по меньшей мере от около 5 нм. Некоторые неограничивающие примеры наполнителя могут включать наполнитель с частицами микронных размеров и наполнитель с наноразмерными частицами. Как указано выше, такие наполнители могут включать цирконат свинца, гафнат свинца, цирконат-титанат свинца, цирконат-станнат-титанат свинца, легированный лантаном, ниобат натрия, титанат бария, титанат стронция, титанат бария-стронция и ниобат свинца-магния. В другом примере изоляция из нелинейного диэлектрика может включать полиэфиримид, полиэтилен, сложный полиэфир, полипропилен, политетрафторэтилен, поливинилиденфторид и сополимеры поливинилиденфторида. Некоторые из неограничивающих примеров слюды могут включать мусковит, флогопит, анандит, аннит, биотит и битит. Стеклоткань может иметь разную плотность плетения. Некоторые неограничивающие примеры стеклоткани представлены ниже в таблице 1.
| Таблица 1 | |||||||||
| Плотность основы | Плот-ность утка | Масса | Толщина | Прочность | |||||
| Тип | Переплетение | унции/кв. ярд | г/м2 | милы | мм | Основа фунты/ дюйм |
Уток фунты/ дюйм |
||
| 1076 | Полотняное | 60 | 25 | 0,96 | 33 | 1,8 | 0,05 | 120 | 20 |
| 1070 | Полотняное | 60 | 35 | 1,05 | 36 | 2 | 0,05 | 100 | 25 |
| 6060 | Полотняное | 60 | 60 | 1,19 | 40 | 1,9 | 0,05 | 75 | 75 |
| 1080 | Полотняное | 60 | 47 | 1,41 | 48 | 2,2 | 0,06 | 120 | 90 |
| 108 | Полотняное | 60 | 47 | 1,43 | 48 | 2,5 | 0,06 | 80 | 70 |
| 1609 | Полотняное | 32 | 10 | 1,48 | 50 | 2,6 | 0,07 | 160 | 15 |
| 1280/1086 MS | Полотняное | 60 | 60 | 1,59 | 54 | 2,1 | 0,05 | 120 | 120 |
В список включены стеклоткани с разной плотностью плетения, массой, толщиной и прочностью. Первым примером стеклоткани является тип 1076 с полотняным переплетением, имеющий плотность основы 60 и массу 33 г/м2. Аналогичным образом, другие примеры включают типы 1070, 6060, 1080, 108, 1609 и 1280. Стеклоткань действует в качестве механической опоры для системы изоляции и также добавляет неорганический компонент к композиционному материалу, что улучшает теплопроводность конечной композиционной системы. Слюда действует как первичный изолирующий компонент для композиционного материала. Эпоксидное связующее является лишь органической частью композиционной системы изоляции и действует как клей для объединения системы. Кроме того, нелинейный наполнитель обеспечивает нелинейную характеристику данной системы изоляции, а также улучшает теплопроводность композиционного материала. Нагрузка со стороны электрического поля может воздействовать на края внешних жил 42, 44 и 46 и внутренних жил 48, 50 и 52. Имеет место также высокий уровень нагрузки со стороны электрического поля, измеренной на угловых частях витков 36, 38 и 40 во время функционирования трансформатора. Слои 54 и 56 изоляции из нелинейного диэлектрика обеспечивают более равномерное распределение электрического поля и смягчают воздействие высокой электрической нагрузки.
Имеется несколько способов включения наполнителя в состав изолирующего композиционного материала. Некоторые неограничивающие примеры включают экструзию наполнителя и полимера, образующих систему наполненного полимера, диспергирование наполнителя и полимера в растворителе с последующим испарением растворителя и формированием пленки и использование способов трафаретной печати или нанесения покрытия окунанием для включения наполнителя в места пересечения нитей основы и утка стеклоткани. Кроме того, было найдено, что обработка наполнителя и стекла силаном, таким как глицидоксипропилтриметоксисилан, однако без ограничения им, важна для придания желательной адгезии наполнителя по отношению к стеклоткани и конечной композиционной структуры. Выбор способа включения наполнителя зависит от конечной структуры изолирующего композиционного материала. В качестве примера, пленки наполненного полимера обычно формируют экструзией или диспергированием в растворителе. В другом варианте осуществления ленты из слюды, стеклоткани и эпоксидной смолы обычно получают трафаретной печатью или нанесением покрытия на стеклоткань окунанием.
На Фиг.4 схематически изображена нагрузка со стороны электрического поля, действующая на угловую часть 60 витка 36 в обмотке 30. Угловая часть 60 может включать изолирующий слой 56 из нелинейного диэлектрика, как указывалось выше. Угловая часть 60 является областью витка 36, которая может подвергаться максимальной нагрузке со стороны электрического поля во время функционирования. Желательно снижение такой электрической нагрузки. Снижение электрической нагрузки может увеличить максимально допустимое напряжение трансформатора. Изолирующий слой 56 из нелинейного диэлектрика распределяет электрическое поле равномерно на угловой части 60, так что уменьшается до минимума нагрузка, обусловленная неравномерностью распределения электрического поля. Когда нагрузка со стороны электрического поля увеличивается на угловой части 60, то слой 56 из нелинейного диэлектрика адаптируется в соответствии с этим таким образом, чтобы обеспечить более равномерное распределение 62 электрического поля вокруг угловой части 60 по сравнению с тем распределением, которое имело бы место в случае использования обычных материалов с однородной диэлектрической прочностью, что, соответственно, защищает виток 36 от возможного электрического повреждения.
В другом варианте осуществления данного изобретения раскрыт способ 70 формирования изоляции в трансформаторе. Изолирующий слой, обладающий диэлектрической постоянной, которая изменяется в зависимости от напряжения или напряженности электрического поля, может быть размещен вокруг по меньшей мере части обмотки на этапе 72. В одном из вариантов осуществления изолирующий слой может быть размещен вокруг угловой части обмотки. В другом варианте осуществления изолирующий слой может быть размещен между множеством жил в обмотке. В другом варианте осуществления изолирующий слой может быть изготовлен из слюды, эпоксидной смолы, стеклоткани и керамического наполнителя. В еще одном варианте осуществления стеклоткань и керамический наполнитель могут быть покрыты силаном. В рассматриваемом варианте осуществления керамический наполнитель может быть закреплен на стеклоткани способом трафаретной печати или нанесением покрытия окунанием.
ПРИМЕРЫ
Примеры, представленные ниже, приведены с иллюстративной целью и не должны рассматриваться как ограничивающие объем заявленного изобретения.
На Фиг.5 представлены диаграммы 90 диэлектрической постоянной как функции напряженности электрического поля для пленки из поливинилиденфторида (PVDF) без наполнителей и с наполнителями. На оси X 92 отложена напряженность электрического поля в кВ/мм. На оси Y 94 отложена диэлектрическая постоянная пленки из PVDF. Кривая 96 представляет диэлектрическую постоянную пленки из PVDF без наполнителя. Как можно видеть, диэлектрическая постоянная не изменяется существенным образом в зависимости от напряженности электрического поля. Кривая 98 представляет диэлектрическую постоянную пленки из PVDF с 20% по объему наполнителя из цирконата свинца с частицами микронных размеров. Кривые 100, 102 и 104 представляют диэлектрическую постоянную как функцию напряженности электрического поля для пленки из PVDF с 20% по объему наполнителя из цирконата свинца с наноразмерными частицами, 40% по объему наполнителя из цирконата свинца с частицами микронных размеров и 40% по объему наполнителя из цирконата свинца с наноразмерными частицами. Как показано, диэлектрическая постоянная увеличивается значительным образом от около 30 до максимальной величины, составляющей около 80, в зависимости от напряженности электрического поля в случае 40% по объему наполнителя из цирконата свинца с наноразмерными частицами. Следовательно, добавление наноразмерных наполнителей в пленку из PVDF увеличивает изменение диэлектрической постоянной с изменением напряженности электрического поля и улучшает приспособляемость системы изоляции к флуктуациям нагрузки со стороны электрического поля.
На Фиг.6 представлена диаграмма 110 профиля напряженности электрического поля на угловой части 60 как функции расстояния от проводника, такого как виток 36, имеющего изолирующий слой из нелинейного диэлектрика. На оси X 112 отложено расстояние от витка 36 через изолирующий слой из нелинейного диэлектрика в мм. На оси Y 114 отложена напряженность электрического поля в киловольтах/мм. Как можно видеть из кривой 116, электрическое поле имеет стабильную величину в 10 кВ/мм при изменении расстояния от витка 36. В электростатике произведение диэлектрической постоянной и напряженности электрического поля зависит от разности потенциалов и диэлектрических свойств среды. Если диэлектрическая постоянная поддерживалась бы постоянной, то напряженность локального электрического поля на поверхности, прилегающей к электропроводному элементу, была бы очень высокой вследствие ее сравнительно малой площади. Напряженность электрического поля затем уменьшалась бы и достигала минимума на внешней поверхности изоляции, которая находится под потенциалом земли. Однако, если бы диэлектрической постоянной была предоставлена возможность увеличения с ростом напряженности электрического поля, то этот компенсирующий эффект вызывал бы равномерность напряженности по всему материалу, как показано. Соответственно, изолирующий слой из нелинейного диэлектрика обеспечивает в основном равномерное распределение поля в проводнике, устраняя или уменьшая возможность электрического повреждения проводника.
С точки зрения преимуществ, описанные выше система и способ изоляции способны к подавлению пульсирующего напряжения и внезапных бросков тока в трансформаторах. Кроме того, снижения воздействия переходных напряжений обеспечивает более продолжительный срок службы трансформаторов. Использование таких систем изоляции также способствует принятию мер по защите в отношении вышеуказанных факторов без значительного увеличения размеров трансформаторов.
Несмотря на то, что здесь проиллюстрированы и описаны лишь некоторые характерные черты данного изобретения, специалисты в данной области техники могут осуществить его многочисленные модификации и изменения. Поэтому следует понимать, что прилагаемая формула изобретения предназначена для охвата всех таких модификаций и изменений, если они входят в объем данного изобретения.
1. Трансформатор (10), содержащий
магнитный сердечник (14), содержащий несколько ламинированных пакетов (22), имеющих по меньшей мере одно отверстие; и
множество обмоток (30), содержащих электропроводный материал, размещенных вокруг магнитного сердечника (14) в указанном по меньшей мере одном отверстии и окруженных изолирующим слоем (54), причем указанный изолирующий слой (54) содержит материал наполнителя, который обеспечивает нелинейный отклик на действие электрического поля, имеет диэлектрическую постоянную, которая изменяется в зависимости от напряжения, и размещен на множестве угловых частей (60) каждой из множества обмоток (30).
2. Трансформатор (10) по п.1, в котором изолирующий слой (54) размещен между множеством обмоток (30).
3. Трансформатор (10) по п.1, в котором изолирующий слой (54) размещен между множеством жил в каждой из множества обмоток (30).
4. Трансформатор (10) по п.1, в котором изолирующий слой (54) содержит полимерные композиционные материалы.
5. Трансформатор (10) по п.1, в котором изолирующий слой (54) содержит по меньшей мере один наполнитель с наноразмерными частицами.
6. Способ (70) формирования изоляции в трансформаторе, заключающийся в том, что размещают изолирующий слой вокруг по меньшей мере части обмотки, причем указанный изолирующий слой содержит материал наполнителя, который обеспечивает нелинейный отклик на действие электрического поля, имеет диэлектрическую постоянную, которая изменяется в зависимости от напряжения, и размещен на множестве угловых частей каждой из множества обмоток.
7. Способ (70) по п.6, в котором размещение содержит размещение изолирующего слоя вокруг угловой части обмотки.
8. Способ (70) по п.6, в котором размещение содержит размещение изолирующего слоя между множеством жил в обмотке.
