Патент на изобретение №2273908

(54) ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР

(57) Реферат:

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в высоковольтных системах постоянного или переменного тока высокой или низкой частоты. Высоковольтный трансформатор состоит из элементов, расположенных в двух различных группах: элементы с положительным напряжением и элементы с отрицательным напряжением. Оба типа элементов разделены одной изолирующей перегородкой. Один из выводов всех элементов подсоединен к земляному уровню или “нулевому напряжению”, постепенно увеличивающемуся по направлению к другому выводу в элементах с положительным напряжением и постепенно уменьшающемуся в элементах с отрицательным напряжением так, что элементы в каждой группе имеют эквипотенциальные напряжения на одном уровне или расстоянии от основного энергетического уровня. Технический результат заключается в устранении паразитных емкостей и обеспечении установки элементов очень близко друг к другу, что значительно уменьшает размеры и, следовательно, стоимость. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к высоковольтному трансформатору, при этом при его создании необходимо значительно снизить его размеры и стоимость.

Очевидно, что изобретение может быть использовано во всех тех применениях, где необходима подача высоковольтного напряжения как постоянного тока, так и переменного тока высокой или низкой частоты.

Предшествующий уровень техники

Обычно общеизвестно применение высоковольтных трансформаторов, конструкция которых представляет максимальную сложность в достижении электрической изоляции между различными элементами (трансформаторы, высоковольтные переключатели, выпрямители, делители напряжения, разрядники и т.д.), из которых они состоят. Их изоляция обычно выполняется тремя различными способами:

1. Наполнением в вакууме и в сухой среде всей внутренней полости бака или кожуха, содержащего различные элементы трансформатора, жидкой или газообразной средой, которой обычно является силиконовое масло или минеральное масло вследствие их малой стоимости.

2. Использованием твердотельных изолирующих частей, например, из пластмассы, стекла, фарфора, смолы и т.д.

3. Вакуумной герметизацией всего узла высоковольтными изолирующими кремнийсодержащими соединениями или смолами.

При любом из этих трех способов выполнения изоляции необходимо поддерживать некоторые минимальные расстояния между различными элементами, составляющими трансформатор. Это минимальное расстояние зависит от напряжения, приложенного между различными элементами, так что необходимо поддерживать минимальное изоляционное расстояние между точками наибольшего напряжения, что приводит к тому, что в большинстве случаев изоляционное расстояние становится чрезмерным для выполнения изоляции между точками с малым напряжением. Конечным результатом является то, что элементы занимают очень большой объем, причем этот объем, кроме того, должен быть заполнен изоляционным материалом, что значительно повышает массу и, особенно, увеличивает стоимость трансформатора.

Кроме того, эта конструкция для достижения минимальных расстояний делает трудной сборку различных элементов трансформатора, что в равной степени увеличивает его стоимость.

В патенте США 4587606 описывается вторичная обмотка, разделенная на множество секций, расположенных вокруг первичной обмотки, по типу с воздушным сердечником. Первые и вторые диодные группы расположены на четырех подложках, которые окружают вторичную обмотку. Диоды в каждой первой и второй диодных группах расположены на двух соседних подложках, так что эти диоды подключены последовательно, чтобы получить соответственно одинаковую полярность.

Первые и вторые диодные группы разделены соответственно на множество диодных секций. Выводы начала обмотки и выводы конца обмотки подсоединены между соответствующими двумя соседними диодными секциями.

Диодные секции, расположенные на каждой подложке, установлены разнесенными вдоль осевого направления первичной обмотки. Одна диодная секция, к которой подведены индуцированные напряжения секций обмотки, расположена на двух соседних подложках, а другая диодная секция расположена на других двух соседних подложках. Положение этих диодных секций сдвинуто вдоль осевого направления первичной обмотки. Поэтому диодные секции, к которым подведены индуцированные напряжения секций обмотки, расположены на различных подложках, и они не находятся в одной плоскости.

В заявке на патент Японии 6333754 А описывается трансформатор для циклоконвертера с одинаковыми показателями сопротивления и реактивного сопротивления утечки в положительных и отрицательных группах обмоток.

В первом варианте выполнения провод обмотки положительной группы и провод обмотки отрицательной группы наматываются одновременно сдвоенными по осевому направлению стержня магнитопровода.

Во втором варианте выполнения обмотка положительной группы и обмотка отрицательной группы размещаются на отдельных участках по осевому направлению стержня магнитопровода. Затем подающая электроэнергию обмотка делится на две части, и они располагаются вокруг каждой внешней границы обмоток положительной и отрицательной групп.

Сущность изобретения

Для устранения вышеуказанных недостатков в изобретении разработан новый высоковольтный трансформатор, который характеризуется тем, что обычные элементы, из которых он состоит, распределены по двум различным группам, причем в одной группе находятся элементы для положительного напряжения, а в другой группе – элементы для отрицательного напряжения, при этом эти группы разделены изолирующим средством.

Кроме того, расположение элементов обеспечивает то, что они преимущественно выполнены так, что один из всех их выводов имеет основной энергетический уровень или “нулевое” напряжение. Это напряжение постепенно увеличивается к противоположному выводу в элементах с положительными напряжениями и постепенно уменьшается в элементах с отрицательными напряжениями; причем таким образом, что на одинаковом расстоянии от основного энергетического уровня элементы каждой группы имеют эквипотенциальные напряжения.

Большое преимущество этой конструкции заключается в том, что элементы одной группы не требуют изоляции между собой, так что значительно уменьшается расстояние, необходимое для их разделения, и, кроме того, элементы, занимающие одну область потенциала, совсем не имеют влияния на паразитную емкость, так что нет ограничений ни в отношении их близости, ни в отношении противолежащих поверхностей между ними.

Таким образом, посредством изобретения, так как элементы выполнены так, что их уровни напряжения находятся в соответствии с областью потенциала, которую они занимают, можно приблизить элементы друг к другу, так что значительно уменьшается объем и, таким образом, значительно уменьшается количество изолятора, наполняющего внутреннюю часть кожуха или бака трансформатора.

В результате этого уменьшения объема достигается значительное снижение массы вследствие того факта, что бак имеет меньшие размеры и что требуется меньшее количество наполняющего изолятора.

Другим преимуществом настоящего изобретения является уменьшение паразитной емкости, что устраняет некоторые нежелательные побочные эффекты.

Постепенное увеличение напряжения в элементах с положительным напряжением и постепенное уменьшение напряжения в элементах с отрицательным напряжением является линейным.

Предпочтительно, что земляной уровень или “нулевое напряжение” расположено в области, где находятся сигналы низковольтного ввода.

В предпочтительном варианте выполнения уровень “нулевого напряжения” расположен на верхней стороне трансформатора, так что максимальный уровень потенциала определяется на нижних выводах высоковольтных переключателей.

Изолирующее средство, разделяющее две группы элементов, представляет собой одно-единственное твердотельное изолирующее средство, что значительно упрощает сборку различных элементов трансформатора с одновременным снижением его стоимости.

Другим отличительным признаком изобретения является то, что оно имеет средство для минимизации паразитной емкости между элементами одной группы и элементами другой группы. Это средство определяется расположением различных элементов одной группы и другой; при этом упомянутые элементы расположены так, что минимизируется поверхность элементов одной группы, противолежащей поверхности элементов другой группы.

Благодаря изобретению уменьшается количество поддерживающих и электроизоляционных деталей, а также требуется меньшая рабочая сила, необходимая для сборки.

В результате вышесказанного очевидно, что изобретение значительно снижает общую стоимость бака, а также стоимость его хранения и транспортировки.

Для лучшего понимания этого описания, и как неотъемлемая часть этого описания, ниже приведены несколько чертежей, на которых изобретение представлено в иллюстративном, неограничивающем виде.

Перечень фигур

Фиг.1 представляет схематический вид сверху возможного варианта выполнения трансформатора настоящего изобретения. На этом чертеже снята верхняя поверхность или крышка кожуха или бака трансформатора.

Фиг.2 представляет вид сбоку трансформатора, показанного на предыдущем чертеже, у которого удалена боковая поверхность для лучшего понимания расположения различных элементов.

Фиг.3 представляет разрез по линии А-В предыдущего чертежа.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Ниже приведено описание изобретения, выполненное на основе вышеупомянутых чертежей.

Трансформатор настоящего изобретения представляет в качестве отличительного признака тот факт, что обычные элементы, из которых он состоит, расположены в двух различных группах таким образом, что с одной стороны расположены элементы с положительными напряжениями, а с другой стороны – элементы с отрицательными напряжениями.

Для этого в одной продольной половине трансформатора расположены: высоковольтный трансформатор 1 с его магнитным сердечником 7, выпрямитель 2, фильтр 3, резистивный делитель 4 и переключатель 5 положительного напряжения, которые составляют элементы, несущие положительные напряжения.

В другой продольной половине расположены высоковольтный трансформатор 1′ с его магнитным сердечником 7′, выпрямитель 2′, фильтр 3′, резистивный делитель 4′ и переключатель 5′ отрицательного напряжения, которые составляют элементы, несущие отрицательные напряжения.

Между двумя группами расположено твердотельное изолирующее средство 6, обеспечивающее соответствующую изоляцию между двумя группами, тогда как изоляция между различными элементами каждой группы достигается при помощи фиксации к “нулевому напряжению” или земляному уровню на верхней стороне, которое постепенно увеличивается по направлению к нижнему выводу в элементах с положительным напряжением и которое постепенно уменьшается в элементах с отрицательными напряжениями таким образом, что на одинаковом расстоянии от земляного уровня элементы каждой группы имеют равные напряжения, как представлено на фиг.2 и 3, где отмечены уровни напряжения 0, ±20 кВ, ±40 кВ, ±80кВ.

Таким образом, потенциал линейно увеличивается от уровня 0 вольт вниз, в результате чего максимальный потенциал определяется нижними выводами переключателей 5 и 5′.

Создание эквипотенциальных уровней позволяет элементы, занимающие один уровень потенциала, приблизить друг к другу почти до их соприкосновения, так как они не требуют изолятора и совсем не оказывают влияние на паразитную емкость и, таким образом, нет ограничений ни в отношении их близости, ни в отношении противолежащих между ними поверхностей, в результате чего значительно снижается общий объем трансформатора.

Кроме того, как показано на фиг.1, минимальна поверхность элементов одной группы, противолежащая противоположной поверхности элементов другой группы, тем самым минимизируются паразитные емкости.

Все описанные элементы заключены в кожух 8, который закрывается на своей верхней стороне крышкой 9, составляющей точку нулевого напряжения, в которой расположен низковольтный ввод 10. Уровень напряжения упомянутого низковольтного ввода является незначительным по сравнению с высоким напряжением, генерируемым на различных уровнях, и, поэтому, может рассматриваться как уровень нулевого напряжения.

Как было описано выше в разделе “Предпосылки создания изобретения”, внутренняя полость бака или кожуха 8 наполнена изоляционным материалом, которым в этом варианте выполнения является силиконовое масло или минеральное масло, и, как в качестве примера, можно указать, что количество этого изолятора, необходимое для наполнения всего объема, составляет 4 литра, которое, по сравнению с 36 литрами, необходимыми для обычных трансформаторов, представляет очень большое снижение объема с последующей вызванной этим экономией.

Очевидно, как уже указано в разделе “Предпосылки создания изобретения”, используемый изолятор может быть создан посредством вакуумной герметизации всего узла высоковольтными изолирующими кремнийсодержащими соединениями или смолами.

Формула изобретения

1. Высоковольтный трансформатор, содержащий множество элементов для трансформации напряжения, которыми являются, по меньшей мере, средства высоковольтной трансформации с магнитными сердечниками, выпрямитель, фильтр, резистивный делитель, высоковольтный переключатель, низковольтный ввод, отличающийся тем, что каждое средство высоковольтной трансформации с магнитным сердечником, каждый выпрямитель, фильтр, резистивный делитель, высоковольтный переключатель имеют первый вывод и противоположный ему второй вывод, первые выводы всех указанных элементов присоединены к уровню нулевого напряжения, при этом все указанные элементы расположены двумя группами, разделенными твердотельными изолирующими средствами, причем первая группа содержит элементы, несущие положительное напряжение, а вторая группа – элементы, несущие отрицательное напряжение, при этом напряжение в каждой указанной группе элементов постепенно увеличивается по направлению к противоположному второму выводу в элементах, несущих положительное напряжение, и постепенно уменьшается в элементах, несущих отрицательное напряжение, так что на одинаковом расстоянии от уровня нулевого напряжения элементы каждой группы имеют эквипотенциальное напряжение.

2. Высоковольтный трансформатор по п.1, отличающийся тем, что постепенное увеличение напряжения в элементах, несущих положительное напряжение, и постепенное уменьшение напряжения в элементах, несущих отрицательное напряжение, является линейным.

3. Высоковольтный трансформатор по п.1, отличающийся тем, что уровень нулевого напряжения определяется уровнем напряжения его низковольтного ввода, являющегося точкой нулевого напряжения.

4. Высоковольтный трансформатор по п.3, отличающийся тем, что точка нулевого напряжения расположена на его верхней части.

5. Высоковольтный трансформатор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что уровень максимального напряжения определяется напряжением вторых выводов высоковольтных переключателей.

6. Высоковольтный трансформатор по п.1, отличающийся тем, что указанные две группы элементов разделены одним твердотельным изолирующим средством.

7. Высоковольтный трансформатор по п.1, отличающийся тем, что указанные группы элементов расположены так, что элементы одной группы противолежат элементам второй группы минимальной поверхностью для минимизации паразитных емкостей между элементами первой группы и элементами второй группы.

РИСУНКИ