Силовой трансформатор

 

Изобретение относится к электротехнике. Предложен силовой трансформатор 1, имеющий, по меньшей мере, одну электрическую обмотку, содержащую электропроводящее средство 13-15, охлаждающее средство для охлаждения электропроводящего средства для повышения его удельной электропроводности и окружающее электроизолирующее средство 20-22, которое содержит внутренний слой 20 полупроводникового материала, находящийся в электрическом контакте с указанным электропроводящим средством, наружный слой 21 полупроводникового материала под регулируемым электрическим потенциалом вдоль его длины и промежуточный слой 22 электроизолирующего материала между указанными внутренним и наружным слоями 20, 21. Технический результат от использования изобретения состоит в создании силового трансформатора с обмотками из высокотемпературных сверхпроводников и с электрической изоляцией, которая не страдает проблемами коронного разряда. 25 з.п.ф-лы, 5 ил., 1 табл.

Изобретение относится к силовому трансформатору того типа, который имеет, по меньшей мере, одну электрическую обмотку, содержащую электропроводящее средство, охлаждающее средство для охлаждения электропроводящего средства для улучшения его свойств электропроводности, и окружающее электроизолирующее средство. В частности, но не исключительно, проводящее средство обладает свойствами сверхпроводимости, и изобретение относится к сверхпроводящим силовым трансформаторам, имеющим номинальные мощности от нескольких мегавольтампер (МВА) до более 1000 МВА и номинальные напряжения от 3-4 кВ до очень высоких напряжений передачи, например от 400 до 800 кВ. Хотя изобретение относится главным образом к стержневым трансформаторам, его также можно отнести к трансформаторам других типов, например броневым трансформаторам и бесстержневым, например воздушным трансформаторам.

Предшествующий уровень техники Сверхпроводники 2-го рода (например, титанат ниобия, NbTi) можно охарактеризовать их свойством постепенного изменения от состояния сверхпроводимости к состоянию нормального сопротивления, когда они подвергаются воздействию увеличивающегося внешнего магнитного поля. Вместо перехода непосредственно в нормальное состояние, эти материалы попадают во вторую фазу, называемую вихревым или смешанным состоянием, в котором некоторая часть магнитной индукции В в виде потока линии магнитной индукции пронизывает материал, и при протекании постоянного тока возникают очень маленькие потери. С увеличением приложенного магнитного поля, все более и более значительная индукция пронизывает материал до тех пор, пока при некотором поле, именуемом Н_к2, сверхпроводник не станет насыщенным и заработает нормально. Физические свойства сверхпроводника 2-го рода можно суммировать на графике температуры, магнитного поля и плотности тока, изображенном на фиг.1. Все известные сверхпроводники, представляющие возможный интерес для сектора электроэнергетики, являются сверхпроводниками 2-го рода, которые работают в смешанном состоянии.

Термодинамическое равновесие в сверхпроводнике достигается, когда магнитная индукция распределена равномерно - это условие, которое не может наступить, когда по сверхпроводнику протекает ток. Когда магнитная индукция перемещается и течет ток, возникает измеримая потеря энергии, которая нежелательна в электроэнергетических приложениях. Материалы, в которых поле перемещается, а равновесие достигается быстро, известны как "обратимые" или "мягкие". Материалы, в которых поле не перемещается (о таком поле говорят как о "пиннингованном (закрепленном)"), называют "необратимыми" или "жесткими" сверхпроводниками 2-го рода.

Когда ток течет по сверхпроводнику в присутствии магнитного поля, сила Лоренца F (произведение J, плотности тока, и В, магнитной индукции) старается переместить поток линий магнитной индукции в боковом направлении. При увеличении плотности тока и/или магнитной индукции, сила Лоренца увеличивается до тех пор, пока не превысит силу линнинга (закрепляющую силу), тем самым рассеивая энергию. Момент, когда поток линий магнитной индукции начинает перемещаться, соответствует критической плотности тока, J_к, которая зависит от магнитной индуктивности и температуры, как показано на фиг.1. Как правило, символом Т_к обозначают переходную или критическую температуру для нулевого приложенного магнитного поля и нулевой плотности тока. Точно так же, принято обозначать символом Н_к критическое магнитное поле для нулевой температуры и нулевой плотности тока. Вместе с тем, символ j_к, традиционно обозначает критическую плотность тока при реальных рабочих условиях, например, 77К (-196^oС) в поле 1 Тл.

Обычные "низкотемпературные" сверхпроводники 2-го рода, которые работают при температурах, близких к абсолютному нулю, известны уже много лет. Однако полезное применение таких сверхпроводников обусловило потребность в использовании охлаждения дорогостоящим жидким гелием для поддержания температуры сверхпроводников ниже 4К (-269^oС). В последние годы были разработаны высокотемпературные сверхпроводники (далее именуемые ВТС) 2-го рода, которые имеют переходную или критическую температуру Т_к до 135К (-138^oС) (или 164К (-109^oС) при наличии давления), т.е. значительно выше температуры кипения жидкого азота при 77K (-196^oC). Со времени открытия ВТС, стала привлекать внимание разработка сверхпроводящих силовых трансформаторов.

К преимуществам сверхпроводящих силовых трансформаторов над обычными маслонаполненными трансформаторами относятся уменьшение их размера и массы, меньшие омические потери в них, исключение из них трансформаторного масла и вытекающие отсюда меньшие затраты на изготовление сверхпроводящих силовых трансформаторов. Более подробное обсуждение известных сверхпроводящих силовых трансформаторов и преимуществ таких сверхпроводящих силовых трансформаторов над обычными маслонаполненными трансформаторами приведено в статье "Преобразующие трансформаторы", Сэм П.Мехта, Николя Аверса и Майкл С.Уокер, в сборнике "Спектр Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (ИИЭР)" ("Transforming Transformers" by Sam P.Mehta, Nicola Aversa и Michael S.Walker in "IEEE Spectrum"), июль 1977.

Типовой известный сверхпроводящий силовой трансформатор описан в ЕР-А-0740315. В этом известном силовом трансформаторе первичная и вторичная катушки состоят из ВТС, внедренных в эпоксидный или пластмассовый материал. Катушки погружены в охлаждающее вещество, как правило - жидкий азот, который также служит в качестве диэлектрического изолятора. Если электрическое напряжение, вызываемое электрическим полем сверхпроводника, превышает электрическую прочность диэлектрика, то возникнут разряды, особенно, если в жидком азоте образуются пузырьки. Частичные разряды могут также возникнуть в эпоксидном или пластмассовом материале, в который внедрены ВТС-обмотки. Например, при понижении температур до криогенных температур для достижения сверхпроводимости, материалы дают усадку. В зависимости от их состава, материалы будут давать усадку с различными скоростями, увеличивая таким образом вероятность образования полостей между материалами, например между проводниками и эпоксидным материалом. Чтобы предотвратить появление разрядов, проводники и эпоксидный материал должны иметь идентичные коэффициенты теплового расширения, а это возможно только в случае, если материалы, о которых идет речь, одинаковы.

Краткое изложение сущности изобретения Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать усовершенствованный силовой трансформатор, имеющий охлаждаемые обмотки, например, из сверхпроводников, таких, как высокотемпературные сверхпроводники, снабженные электрической изоляцией, которая не страдает проблемами коронного разряда.

В соответствии с настоящим изобретением, силовой трансформатор упомянутого типа отличается тем, что электроизолирующее средство содержит внутренний слой полупроводникового материала, находящийся в электрическом контакте с указанным электропроводящим средством, наружный слой полупроводникового материала под регулируемым электрическим потенциалом вдоль его длины и промежуточный слой электроизолирующего материала между внутренним и наружными слоями.

В этом описании термин "полупроводниковый материал" означает вещество, которое имеет значительно более низкую проводимость, чем электрический проводник, но которое не имеет настолько низкую проводимость, чтобы являться электрическим изолятором. В подходящем, но не исключительном, случае полупроводниковый материал должен иметь объемное удельное сопротивление от 1 до 10⁵ Ом•см, предпочтительно от 10 до 500 Ом•см, наиболее предпочтительно от 10 до 100 Ом•см, как правило около 20 Ом•см.

Электрическая изоляция обычно имеет унитарную форму со слоями, находящимися либо в плотном механическом контакте, либо, что более предпочтительно, соединенных вместе, например сцепленных посредством экструзии. Слои обычно сформированы из пластмассового материала, обладающего упругими или эластичными свойствами, по меньшей мере, при окружающих рабочих температурах. Это обеспечивает кабелю, образующему обмотку, гибкость и возможность формообразования с получением требуемой формы обмотки. Путем использования для таких слоев только тех материалов, которые можно изготавливать с минимальными, если они вообще есть, дефектами, и имеющих аналогичные тепловые свойства, уменьшают тепловые и электрические нагрузки внутри изоляции. В частности, изолирующий промежуточный слой и полупроводниковые внутренний и наружный слои должны иметь, по меньшей мере, по существу одинаковые коэффициенты (α) теплового расширения, чтобы не возникали дефекты, вызываемые разными тепловыми расширениями, когда слои подвергаются нагреву или охлаждению. В идеальном случае, будет осуществляться совместная экструзия слоев вокруг проводящего средства.

Как правило, электроизолирующий промежуточный слой содержит сплошной термопластовый материал, такой, как полиэтилен низкой или высокой плотности (ПЭНП или ПЭВП), полипропилен (ПП), полибутилен (ПБ), полиметилпентен (ПМП), сополимер этилена и (этил)акрилата, сшитые материалы, такие, как сшитый полиэтилен (СПЭ), или каучуковую изоляцию, такую, как этиленпропиленовый каучук (ЭПК) или кремнийорганический каучук. Полупроводниковые внутренний и наружный слои могут содержать материал, аналогичный промежуточному слою, но со внедренными в него проводящими частицами, например частицами углеродной сажи или копоти. Вообще говоря, обнаружено, что конкретный изолирующий материал, такой, как ЭПК, имеет аналогичные механические свойства, когда не содержит углеродные частицы или содержит их немного. Промежуточный слой может быть разделен на два или более подслоев одним или более дополнительными промежуточными слоями полупроводникового материала.

Экраны из полупроводниковых наружного и внутреннего слоев образуют, по существу, эквипотенциальные поверхности внутри и снаружи изолирующего промежуточного слоя, так что, в случае концентрических полупроводниковых и изолирующих слоев, электрическое поле является, по существу, радиальным и ограничено внутри промежуточного слоя. В частности, полупроводниковый внутренний слой расположен так, что находится в электрическом контакте и под одинаковым потенциалом с проводящим средством, которое он окружает. Полупроводниковый наружный слой предназначен для действия в качестве экрана для предотвращения потерь, вызываемых индуцируемыми напряжениями. Индуцируемые напряжения в наружном слое можно уменьшить путем увеличения удельного сопротивления наружного слоя. Удельное сопротивление можно увеличить путем уменьшения толщины наружного слоя, но толщину нельзя уменьшать до значения, которое меньше некоторой минимальной толщины. Удельное сопротивление можно также увеличивать путем выбора - для этого слоя - материала, имеющего более высокое удельное сопротивление. С другой стороны, если удельное сопротивление полупроводникового наружного слоя слишком велико, потенциал напряжения в середине между соседними отстоящими друг от друга точками при регулируемом потенциале, например потенциале заземления, станет достаточно высоким, чтобы возник риск появления коронного разряда в изоляции с последующей эрозией изоляции и полупроводниковых слоев. Следовательно, полупроводниковый наружный слой отражает компромисс между проводником, имеющим низкое удельное сопротивление и высокие потери на индуцируемые напряжения, но легко подсоединяемым к регулируемому потенциалу, как правило, потенциалу заземления или "земли", и изолятором, который имеет высокое удельное сопротивление с низкими потерями на индуцируемые напряжения, но требует подсоединения к регулируемому потенциалу вдоль своей длины. Таким образом, удельное сопротивление ρ_пп полупроводникового наружного слоя должно находиться в диапазоне ρ_min<ρ_пп<ρ_max, где ρ_min определяется допустимой потерей мощности, вызываемой потерями на вихревые токи и резистивными (активными) потерями, вызываемыми напряжениями, индуцируемыми магнитным потоком, ρ_max определяется требованием отсутствия коронного или тлеющего разряда.

Если полупроводниковый наружный слой замкнут на заземление или подсоединен к какому-то другому регулируемому потенциалу на отстоящих друг от друга интервалах вдоль своей длины, то нет необходимости в наружном металлическом экране и защитном кожухе, окружающем полупроводниковый наружный слой. Таким образом, диаметр кабеля уменьшается, что позволяет получить больше витков для заданного размера обмотки.

В большинстве практических приложений, проводящее средство обладает свойствами сверхпроводимости. Однако изобретение не сводится к проводящему средству, обладающему свойствами сверхпроводимости, и предназначено для охвата любых проводящих средств, свойства электропроводности которых значительно улучшаются при низких температурах, например при температурах ниже 200К (-73^oС). В предпочтительном случае проводящего средства, обладающего свойствами сверхпроводимости, это сверхпроводящее средство может содержать низкотемпературные полупроводники, но в наиболее предпочтительном случае содержит ВТС-материалы, например ВТС-провода или ленту, спирально намотанную на внутреннюю трубку. Обычная ВТС-лента содержит BSCCO-2212 или BSCCO-2223 в серебряной оболочке (где цифровые обозначения указывают число атомов каждого элемента в молекуле [Bi, Рb]₂Sr₂Cа₂Сu₃О_х), и в дальнейшем такие ВТС-ленты будут именоваться "BSCCO-лентами". BSCCO-ленты изготавливают путем заключения тонких нитей оксидного сверхпроводника в матрицу серебра или оксида серебра посредством процессов вытяжки порошка в трубке (ВПТ), волочения, спекания и скатывания в рулон. В альтернативном варианте, ленты можно формировать с помощью процесса нанесения покрытия на поверхность. В любом случае, оксид расплавляют и повторно отверждают - в качестве завершающего технологического этапа. Другие ВТС-ленты, например ТiВа₂Са₂Сu₃О_х (ТВССО-1223) и (YВа₂Сu₃О_x (YBCO-123), изготавливали различными методами нанесения покрытия на поверхность или осаждения на поверхность. В идеальном случае, ВПТ-провод должен иметь плотность тока выше j_к~10⁵ А/см² при рабочих температурах от 65К (-208^oС), а предпочтительно выше 77К (-196^oС). Коэффициент заполнения ВТС-материала в матрице должен быть таким, чтобы иметь расчетную плотность тока j_к≥10⁴ А/см², j_к не должна резко уменьшаться с приложением поля в диапазоне Тесла. Спирально намотанную ВТС-ленту охлаждают ниже критической температуры Т_к для ВТС с помощью охлаждающей текучей среды, предпочтительно жидкого азота, пропускаемого по внутренней опорной трубке.

Вокруг спирально намотанной ВТС-ленты может быть расположен криостатный слой для теплоизоляции охлаждаемой ВТС-ленты от электроизолирующего материала. Однако в альтернативном варианте криостатный слой может быть распределенным, и при этом, вместо предыдущего варианта, осуществляют полное погружение узла обмоток в охлаждающее вещество, например в ванну жидкого азота. В этом последнем случае электроизолирующий материал можно наносить непосредственно поверх проводящего средства. В альтернативном варианте можно предусмотреть пространство между проводящим средством и электроизолирующим материалом, причем это пространство является либо пустым пространством, либо пространством, заполненным сжимаемым материалом, таким, как вспененный материал высокой сжимаемости. Это пространство уменьшает силы расширения и/или усадки, воздействующие на систему изоляции во время нагрева от криогенных температур и/или охлаждения до этих температур. Если пространство заполнено сжимаемым материалом, последний может быть сделан полупроводниковым для гарантии электрического контакта между полупроводниковым внутренним слоем и проводящим средством.

Возможны другие конструкции проводящего средства, причем изобретение посвящено обмоткам трансформатора, образованным из охлаждаемых, предпочтительно, сверхпроводящих кабелей любой подходящей конструкции, имеющих окружающую электрическую изоляцию вышеописанного типа. Например, другие типы проводящих средств, обладающих свойствами сверхпроводимости, могут содержать, помимо ВТС, охлаждаемых изнутри, ВТС, охлаждаемые извне, или ВТС, охлаждаемые и изнутри, и извне. В последнем случае ВТС-кабеля, используют два концентрических ВТС-проводника, разделенные криогенной изоляцией и охлаждаемые жидким азотом, для передачи электричества. Наружный проводник работает как канал возврата, и оба ВТС-проводника можно сформировать из одного или многих слоев ВТС-ленты для переноса электрического тока. Внутренний проводник может содержать ВТС-ленту, намотанную на трубчатую опору, по которой пропускают жидкий азот. Наружный проводник охлаждают снаружи жидким азотом, а весь узел может быть окружен теплоизолирующим криостатом.

Желательно иметь низкое внешнее магнитное поле, чтобы обеспечить более высокие плотности тока в состоянии сверхпроводимости. В конкретно предпочтительной конструкции это достигается путем смешения обмоток низкого и высокого напряжения трансформатора. Таким образом, магнитные поля, по меньшей мере, частично исключают друг друга, уменьшая таким образом индуктивность рассеяния и обеспечивая более высокие плотности тока. Этого очень трудно достичь в обычном сверхпроводящем трансформаторе, потому что приходится диэлектрически изолировать обмотки друг от друга, а это требует, чтобы обмотки отстояли друг от друга. В настоящем изобретении, электрическое поле снаружи обмоток пренебрежимо мало, что позволяет перемешивать обмотки высокого и низкого напряжения, в результате чего получается более компактная конструкция трансформатора.

Краткое описание чертежей Теперь, лишь в качестве примера, будут описаны конкретные варианты осуществления изобретения с конкретными ссылками на прилагаемые чертежи, где фиг. 1 изображает график, показывающий изменение температуры, магнитного поля и плотности тока сверхпроводника 2-го рода, фиг. 2 изображает схематический вид магнитного сердечника и обмоток силового трансформатора, соответствующего изобретению, фиг.3 изображает разрез по линии А-А, показанной на фиг.2, фиг.4 изображает схематический разрез в увеличенном масштабе через часть сверхпроводящего кабеля, из которого намотана обмотка трансформатора, фиг.5А и 5В изображают схематические иллюстрации частей обмоток высокого и низкого напряжения, перемешанных друг с другом и обмотанных вокруг стержня сердечника трансформатора.

Фиг.2 и 3 изображают трехфазный сверхпроводящий силовой трансформатор 1, содержащий шихтованный магнитный сердечник 2, имеющий стержни 3, 4 и 5 для трех разных фаз и соединительные верхнее и нижнее ярма 6 и 7. Стержни 3, 4 и 5 имеют обмотки 8, 9 и 10, соответственно намотанные на них. Каждая обмотка 8, 9 и 10 содержит три концентрических витка обмотки, отделенных друг от друга электрической изоляцией 11. По поводу обмотки 8 следует отметить, что крайние изнутри обмотки 8а и 8b представляют собой первичные обмотки или обмотки высокого напряжения, а другая обмотка 8с представляет собой вторичную обмотку или обмотку низкого напряжения.

Каждая обмотка образована из сверхпроводящего кабеля 12, схематически изображенного на фиг.4. Сверхпроводящий кабель 12 содержит внутреннюю медную трубчатую опору 13, на которую спирально намотан удлиненный ВТС-материал, например BSCCO-лента или что-либо подобное, для образования сверхпроводящего слоя 14 вокруг трубчатой опоры 13. Криостат 15, расположенный снаружи сверхпроводящего слоя, содержит две отстоящие друг от друга гибкие гофрированные трубки 16 и 17. В пространстве между трубками 16 и 17 поддерживается вакуум, и оно содержит тепловую сверхизоляцию 18. Жидкий азот или другая охлаждающая текучая среда пропускается по трубчатой опоре 13 для охлаждения окружающего сверхпроводящего слоя 14 до температуры, которая ниже его критической температуры Т_к сверхпроводимости. Трубчатая опора 13, сверхпроводящий слой 14 и криостат 15 вместе образуют сверхпроводящее средство кабеля 12.

Электрическая изоляция расположена снаружи сверхпроводящего средства. Электрическая изоляция имеет унифицированную форму и содержит внутренний полупроводниковый слой 20, находящийся в электрическом контакте со сверхпроводящим слоем 14, наружный полупроводниковый слой 21 и промежуточный между этими полупроводниковыми слоями изолирующий слой 22. Слои 20-22 предпочтительно содержат термопластовые материалы, находящиеся в плотном механическом контакте или, предпочтительно, прочно соединенные друг с другом на поверхностях их раздела. Для удобства, эти термопластовые материалы имеют аналогичные коэффициенты теплового расширения и являются упругими или эластичными, по меньшей мере, при комнатной температуре. Слои 20-22 предпочтительно получают путем совместной экструзии вокруг сверхпроводящего средства для обеспечения монолитной структуры с тем, чтобы минимизировать риск появления полостей и пор внутри электрической изоляции. Присутствие таких пор и полостей в изоляции нежелательно, поскольку это приводит к коронному разряду в электрической изоляции при высоких напряженностях электрического поля. Если полупроводниковый слой 20 находится в контакте с трубкой 17, контактирующие поверхности должны быть гладкими, чтобы способствовать тепловому движению между этими поверхностями, когда происходит изменение теплового (температурного) градиента между внутренней и наружной поверхностями кабеля 12.

Только в качестве примера отметим, что сплошной изолирующий слой может содержать сшитый полиэтилен (СПЭ). Вместе с тем, в альтернативном варианте сплошной изолирующий слой может содержать другие сшитые материалы, полиэтилен низкой плотности (ПЭНП), полиэтилен высокой плотности (ПЭВП), полипропилен (ПП) или каучуковую изоляцию, такую, как этилен-пропиленовый каучук (ЭПК), каучук на основе тройного сополимера этилена и пропилена с диеновым сомономером (КОТСЭПДС) или кремнийорганический каучук. Полупроводниковый материал внутреннего и наружного слоев 20 и 21 может содержать, например, основной полимер из того же материала, что и сплошной изолирующий слой 22, и обладающие высокой электропроводностью частицы, например частицы углеродной сажи или металла, внедренные в основной полимер. Объемное удельное сопротивление, например около 20 Ом•см, этих полупроводниковых слоев можно регулировать по потребности путем изменения типа и пропорции углеродной сажи, добавленной в основной полимер. Ниже приведен пример способа, которым можно изменять удельное сопротивление, используя разные типы и количества углеродной сажи.

Наружный полупроводниковый слой 21 подсоединен в отстоящих друг от друга областях вдоль его длины к регулируемому потенциалу. В большинстве практических приложений этот регулируемый потенциал будет потенциалом заземления или "земли", при этом конкретные промежутки, разделяющие соседние точки заземления, зависят от удельного сопротивления слоя 21.

Полупроводниковый слой 21 действует как статический экран и как заземленный наружный слой, который гарантирует, что электрическое поле сверхпроводящего кабеля обмотки заключено внутри сплошной изоляции между полупроводниковыми слоями 20 и 21. Потери, вызываемые индуцируемыми напряжениями в слое 21, уменьшают путем увеличения удельного сопротивления слоя 21. Однако, поскольку слой 21 должен иметь, по меньшей мере, некоторую минимальную толщину, например менее 0,8 мм, удельное сопротивление можно увеличить лишь путем выбора материала слоя таким образом, чтобы он имел относительно высокое удельное сопротивление. Однако удельное сопротивление нельзя увеличивать слишком сильно, иначе напряжение слоя 21 в середине между двумя соседними точками заземления будет слишком высоким, и возникнет связанный с этим риск появления коронных разрядов.

Толщина электрической изоляции не обязательно должна быть равномерной вдоль длины обмотки. Толщина должна быть больше для высоких напряжений и не должна быть такой же большой для более низких напряжений. Поэтому толщина электрической изоляции может ступенчато изменяться вдоль ее длины, при этом более толстая изоляция имеет место на конце (концах) обмотки высокого напряжения. На практике, кабели с разной толщиной изоляции соединяют вместе для образования конкретной обмотки. Если, например, обмотка образована вокруг трансформатора стержневого типа, кабель с одной толщиной электрической изоляции может быть намотан вокруг стержня сердечника, а затем соединен снаружи конструкции сердечника с другим кабелем, имеющим другую толщину электрической изоляции. Кроме того, можно соединять кабели вдоль длины обмотки на стыках, отдаленных от конструкции сердечника, что приводит к получению обмотки, имеющей разные толщины изоляции вдоль ее длины.

Обмотки 8а, 8b и 8с не обязательно должны быть физически отделены друг от друга, и на самом деле предпочтительной является компоновка, обуславливающая перемешивание обмоток с тем, чтобы уменьшить индуктивность рассеяния. Это становится возможным потому, что электрическое поле снаружи обмоток пренебрежимо мало. Путем уменьшения индуктивности рассеяния можно обеспечить более высокую критическую плотность тока. Кроме того, перемешивание обмоток позволяет трансформатору иметь более компактную конструкцию, особенно, когда обмотки имеют "ступенчатую" форму, описанную выше, с электрическими изоляциями разной толщины.

Примеры смешанных обмоток схематически изображены на фиг.5А и 5В. Фиг.3А изображает трансформатор с коэффициентом трансформации 1:2, причем слои обмоток низкого напряжения обозначены позицией 26, а слои обмотки высокого напряжения обозначены позицией 28. Шихтованный магнитный материал 27 и прокладки 29 для обеспечения воздушных зазоров размещены между разными слоями обмоток и витков для повышения кпд трансформатора. Фиг.5В изображает компоновку, в которой витки и слои обмоток 30 низкого напряжения и обмотки 32 высокого напряжения симметричны и равномерно перемешаны в регулярном порядке.

Хотя настоящее изобретение посвящено главным образом силовым трансформаторам, имеющим обмотки, в которых проводящие средства обладают свойствами сверхпроводимости и охлаждаются до температур такой сверхпроводимости при эксплуатации, изобретение также предназначено для охвата проводящих средств, которые имеют повышенную удельную электропроводность при низкой рабочей температуре, достигающей, но предпочтительно не превышающей 200К (-73^oС), но которые могут не обладать свойствами сверхпроводимости, по меньшей мере, при надлежащей низкой рабочей температуре. При этих более высоких криогенных температурах можно использовать жидкий диоксид углерода для охлаждения проводящего средства.

Электроизолирующее средство силового трансформатора, соответствующего изобретению, предназначено для отработки очень высоких напряжений и являющихся их следствием электрических и тепловых нагрузок, которые могут возникать при этих напряжениях. В качестве примера, отметим, что силовые трансформаторы, соответствующие изобретению, могут иметь номинальные мощности от нескольких сотен мегавольтампер (МВА) до более 1000 МВА, причем номинальные напряжения находятся в диапазоне от 3-4 кВ до очень высоких напряжений передачи порядка 400-800 кВ. При высоких рабочих напряжениях серьезную проблему для известных систем изоляции представляют частичные разряды или ЧР. Если в изоляции есть полости или поры, может возникнуть внутренний коронный разряд, из-за которого изолирующий материал постепенно ухудшается, что в перспективе приводит к пробою изоляции. Электрическую нагрузку на электрическую изоляцию силового трансформатора, соответствующего настоящему изобретению, уменьшают, гарантируя, что внутренний слой изоляции находится, по существу, под тем же электрическим потенциалом, что и внутреннее проводящее средство, а наружный слой изоляции находится под регулируемым потенциалом, например, потенциалом заземления. Таким образом, электрическое поле в промежуточном слое изолирующего материала между внутренним и наружным слоями распределено, по существу, равномерно по толщине промежуточного слоя. Кроме того, при наличии материалов с аналогичными тепловыми свойствами и с незначительными дефектами в слоях изолирующего материала, уменьшается возможность ЧР при заданных рабочих напряжениях. Поэтому можно сконструировать силовой трансформатор, выдерживающий очень высокие рабочие напряжения, как правило до 800 кВ или выше.

Хотя предпочтительным является экструдируемое по месту электроизолирующее средство, можно построить систему электрической изоляции из плотно наматываемых перекрывающихся слоев пленки или листообразного материала. Таким способом можно формировать как полупроводниковые слои, так и электроизолирующий слой. Систему изоляции можно изготавливать из полностью синтетической пленки, при этом внутренний и наружный полупроводниковые слои или части будут выполнены из тонкой полимерной пленки, изготовленной, например, из полипропилена (ПП), полиэтилентерефталата (ПЭТ), полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) или полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) с внедренными проводящими частицами, например частицами углеродной сажи или металла, и с изолирующим слоем или частью между полупроводниковыми слоями, или частями.

Применительно к замыслу, лежащему в основе изобретения, достаточно тонкая пленка будет иметь зазоры на стыках меньше, чем так называемые минимумы Пашена (Paschen), вследствие чего пропитка жидкостью станет необязательной. Сухая намотанная многослойная тонкопленочная изоляция также имеет хорошие тепловые свойства и может сочетаться со сверхпроводящей трубкой в качестве электрического проводника, а по этой трубке можно прокачивать охлаждающее вещество, такое, как жидкий азот.

Другой пример системы электрической изоляции аналогичен обычному кабелю с изоляцией на основе целлюлозы, в котором тонкий материал на основе целлюлозы или синтетической бумаги, или нетканый - намотан внахлест вокруг проводника. В этом случае полупроводниковые слои на любой стороне изолирующего слоя можно изготавливать из целлюлозной бумаги или нетканого материала, состоящего из волокон изолирующего материала, и с внедренными проводящими частицами. Изолирующий слой можно изготавливать из того же основного материала, или можно использовать другой материал.

Другой пример системы изоляции получают, комбинируя пленочный и волокнистый изолирующий материал в виде либо слоистого, либо сформованного внахлест материала. Примером такой системы изоляции является промышленно поставляемый, так называемый слоистый материал на основе бумаги и полипропилена, СМОБПП, но возможны и несколько других комбинаций пленочных и волокнистых частей. В этих системах можно использовать различные пропитки, например минеральное масло или жидкий азот.

Формула изобретения

1. Силовой трансформатор 1, имеющий, по меньшей мере, одну электрическую обмотку, содержащую электропроводящее средство 13-15, охлаждающее средство для охлаждения электропроводящего средства для повышения его удельной электропроводности и окружающее электроизолирующее средство 20-22, отличающийся тем, что указанное электроизолирующее средство содержит внутренний слой 20 полупроводникового материала, находящийся в электрическом контакте с указанным электропроводящим средством, наружный слой 21 полупроводникового материала под регулируемым электрическим потенциалом вдоль его длины и промежуточный слой 22 электроизолирующего материала между указанными внутренним и наружным слоями 20, 21.

2. Силовой трансформатор по п. 1, отличающийся тем, что полупроводниковый наружный слой 21 имеет удельное сопротивление 1 - 10⁵ Ом•см.

3. Силовой трансформатор по п. 1, отличающийся тем, что указанный наружный слой 21 имеет удельное сопротивление 10 - 500 Ом•см, предпочтительно 10 - 100 Ом•см.

4. Силовой трансформатор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что удельное сопротивление на единицу длины вдоль оси полупроводникового наружного слоя 21 составляет 5 - 50000 Ом•м^-1.

5. Силовой трансформатор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что удельное сопротивление на единицу длины вдоль оси полупроводникового наружного слоя 21 составляет 500 - 25000 Ом•м^-1, предпочтительно 2500 - 5000 Ом•м^-1.

6. Силовой трансформатор по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что полупроводниковый наружный слой контактирует с проводящим средством под регулируемым электрическим потенциалом на отстоящих друг от друга областях вдоль его длины, причем соседние области контакта достаточно близки друг к другу, чтобы напряжения средних точек между соседними областями контакта были недостаточными для возникновения коронных разрядов внутри электроизолирующего средства.

7. Силовой трансформатор по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что указанный регулируемый электрический потенциал равен потенциалу "земли" или близок к нему.

8. Силовой трансформатор по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что указанный промежуточный слой 22 находится в плотном механическом контакте с каждым из указанных внутреннего и наружного слоев 20 и 21.

9. Силовой трансформатор по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что указанный промежуточный слой 22 соединен с каждым из указанных внутреннего и наружного слоев 20 и 21.

10. Силовой трансформатор по п. 9, отличающийся тем, что сила адгезии между указанным промежуточным слоем 22 и полупроводниковым наружным слоем 21 имеет величину того же порядка, что и собственная прочность материала промежуточного слоя.

11. Силовой трансформатор по п. 9 или 10, отличающийся тем, что указанные слои 20-22 соединены вместе путем экструзии.

12. Силовой трансформатор по п. 11, отличающийся тем, что внутренний и наружный слои 20 и 21 полупроводникового материала и изолирующий промежуточный слой 22 нанесены вместе поверх проводящего средства через мундштук для многослойной экструзии.

13. Силовой трансформатор по любому из пп. 1-12, отличающийся тем, что указанный внутренний слой 20 содержит первый пластмассовый материал, имеющий диспергированные внутри него первые электропроводящие частицы, указанный наружный слой 21 содержит второй пластмассовый материал, имеющий диспергированные внутри него вторые электропроводящие частицы, а указанный промежуточный слой 22 содержит третий пластмассовый материал.

14. Силовой трансформатор по п. 13, отличающийся тем, что каждый из указанных первого, второго и третьего пластмассовых материалов содержит каучук на основе сополимера этилена и бутилакрилата, каучук на основе тройного сополимера этилена и пропилена с диеновым сомономером, каучук на основе сополимера этилена и пропилена, полиэтилен низкой плотности, полиэтилен высокой плотности, полипропилен, сшитый полиэтилен, этилен-пропиленовый каучук или кремнийорганический каучук.

15. Силовой трансформатор по п. 13 или 14, отличающийся тем, что указанные первый, второй и третий пластмассовые материалы имеют, по меньшей мере, по существу те же самые коэффициенты теплового расширения.

16. Силовой трансформатор по любому из пп. 13, 14 или 15, отличающийся тем, что указанные первый, второй и третий пластмассовые материалы представляют собой один и тот же материал.

17. Силовой трансформатор по любому из пп. 1-16, отличающийся тем, что указанное проводящее средство 13-15 обладает свойствами сверхпроводимости и указанное охлаждающее средство выполнено с возможностью охлаждения проводящего средства до температуры, которая ниже критической температуры последнего.

18. Силовой трансформатор по п. 17, отличающийся тем, что сверхпроводящее средство содержит высокотемпературный сверхпроводящий (ВТС) материал.

19. Силовой трансформатор по п. 18, отличающийся тем, что ВТС-материал содержит спирально намотанные ВТС-ленты или проводники.

20. Силовой трансформатор по п. 18, отличающийся тем, что ВТС-материал содержит ВТС-ленту, спирально намотанную на опорную трубку, охлаждающая текучая среда, например жидкий азот, пропускается по опорной трубке для охлаждения ВТС-ленты до температуры, которая ниже критической температуры ВТС-материала.

21. Силовой трансформатор по любому из пп. 17-20, отличающийся тем, что проводящее средство включает в себя теплоизолирующий наружный слой.

22. Силовой трансформатор по любому из пп. 1-16, отличающийся тем, что при эксплуатации трансформатора указанное охлаждающее средство охлаждает проводящее средство до температуры ниже 200К (-73^oС).

23. Силовой трансформатор по любому из пп. 1-22, отличающийся тем, что полупроводниковый внутренний слой имеет удельное сопротивление 1 - 10⁵ Ом•см, как правило, 10 - 500 Ом•см, а предпочтительно 50 - 100 Ом•см.

24. Силовой трансформатор по любому из пп. 1-23, отличающийся тем, что обмотки низкого и высокого напряжения смешаны друг с другом для уменьшения индуктивности рассеяния.

25. Силовой трансформатор по любому из пп. 1-24, отличающийся тем, что указанное электроизолирующее средство предназначено для высокого напряжения, обычно составляющего свыше 10 кВ, в частности свыше 36 кВ и предпочтительно более 72,5 кВ и до очень высоких напряжений передачи, таких, как 400 кВ - 800 кВ или выше.

26. Силовой трансформатор по любому из пп. 1-25, отличающийся тем, что указанное электроизолирующее средство предназначено для диапазона мощности свыше 0,5 МВА, предпочтительно свыше 30 МВА и до 1000 МВА.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6