обмотка трансформатора

К надежности винтовых обмоток трансформаторов и реакторов

Эта статья открывает серию публикаций на сайте ELTIZ, касающихся научно-технических, опытно-конструкторских и опытно-технологических работ, включая анализ публикаций о новинках применительно к трансформаторам и электрическим реакторам (хэштэг «НИОКР»)

 

Не смотря на внешнюю простоту конструкции, трансформаторы и электрические реакторы относятся к одним из наиболее сложных, с точки зрения прикладной науки, изделий. А в их производстве, как и любой иной продукции, всегда актуальны снижение трудоемкости и повышение потребительских качеств, в том числе и для отдельных деталей и узлов, производимых массово. К таким узлам в области трансформаторостроения относятся, например,  обмотки, в том числе винтовые, для трансформаторов и электрических реакторов.

ЧП ЭЛТИЗ изготавливает винтовые обмотки для сухих трансформаторов и электрических реакторов по запатентованным техническим решениям. Одно из них – патент  Российской Федерации №2387037 от 20.04.2010 «ВИНТОВАЯ ОБМОТКА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ». Автор – Арфаницкий С.В.

24.10.2018 опубликован патент РФ №2670647 с таким же названием — «Винтовая обмотка и способ ее изготовления», Автор – Моляков С.А. (скорректированное описание изобретения к патенту)  В нем в качестве аналога как раз взята «Винтовая обмотка и способ ее изготовления» по патенту РФ №2387037 Арфаницкого С.В.

Поэтому интересно проанализировать то новое, что заявлено через восемь с половиной лет после публикации патента Арфаницкого С.В. как улучшение (полезность).

Вначале посмотрим на цель улучшения, указанную в патенте Молякова С.А.:  «Технический результат заключается в снижении трудоемкости изготовления винтовой обмотки». Формулировка полностью совпадает с целью изобретения Арфаницкого С.В.  Это бывает, но совпала не только цель: у Молякова С.А. в качестве прототипа выбрано техническое решение по патенту РФ 2170466 от 10.07.2001, уже указанное как прототип у Арфаницкого С.В.  Дальше – больше, критика прототипа дословно переписана Моляковым С.А. у Арфаницкого С.В., т.е. никаких новых недостатков, которые Моляков С.А. предлагает устранить, у прототипа не найдено.

Поскольку у Молякова С.А. в качестве аналога  указан патент Арфаницкого С.В., сравним эти патенты. Как показано далее,  в патенте Молякова С.В. имеется единственное отличие. Справедливо ожидать, что это отличие устранит недостатки прототипа в большей мере, чем это сделано Арфаницким С.В., ведь критика прототипа, повторимся, в обоих патентах совпадает дословно.

Поскольку изобретением Арфаницкого С.В. уже было достигнуто и зафиксировано значительное снижение трудоемкости изготовления винтовой обмотки в сравнении с прототипом, определим, какое именно дополнительное снижение трудоемкости изготовления винтовой обмотки предложено в патенте Молякова С.А. в сравнении с уже достигнутым техническим результатом Арфаницкого С.В.

Вначале рассмотрим собственно отличие технических решений по сравниваемым патентам. Оба решения относятся к способу транспозиции параллельных проводов винтовой обмотки. Каждое решение отличается от прототипа, а также эти два решения отличаются между собой. Решение Молякова С.А. не было бы признано изобретением, если бы не отличалось от аналога по изобретению Арфаницкого С.В. Таким образом, практический интерес представляет ответ на вопрос: насколько прогрессивным является отличие нового решения от предыдущего аналогичного, и достигается ли поставленная изобретением Молякова С.А. цель (полезность) в сравнении с аналогом? Ведь совпадающие по обоим патентам результаты уже, очевидно, достигнуты изобретением Арфаницкого С.В. Возможно, те же самые результаты достигнуты Моляковым С.А. другим, более прогрессивным, чем у Арфаницкого С.В., способом?

Для понимания заявленных в качестве изобретения способах транспозиции провода достаточно рассмотреть один виток, провод которого транспонируется. Дальнейшее изложение основано на том, что отличительной особенностью от аналога в патенте Молякова С.А. указан способ транспозиции, в котором только один-единственный параллельный провод транспонируется с его позиции с наибольшим диаметром в позицию с наименьшим диаметром без разреза месте транспозиции (способ транспонирования параллельных проводов с использованием их разреза запатентован Арфаницким С.В.). Т.е. кроме отсутствия разреза одного из параллельных проводов все остальное в транспозиции соответствует патенту Арфаницкого С.В., даже вывод, без всякой необходимости, этого неразрезанного провода за наружный диаметр обмотки. Очевидно, что выводить за наружный диаметр обмотки требуется только разрезанные параллельные провода, чтобы соединить их сваркой или пайкой в месте разреза по схеме транспозиции. Для сравнения достаточно взглянуть на соответствующие рисунки из каждого патента, иллюстрирующие способ транспозиции параллельных проводов.

Рисунок. 1. Схема транспозиции параллельных проводов по патенту Арфаницкого С.В.

Пронумерованы параллельные провода, участки которых, расположенные в обмотке на разных диаметрах, соединены в местах разреза по схеме общей транспозиции в цельные транспонированные параллельные провода.

Рисунок 2. Схема транспозиции параллельных проводов по патенту Молякова С.А.

Пронумерованы (без штриха и со штрихом) позиции участков параллельных проводов. Параллельный провод, занимающий позицию с наибольшим диаметром, транспонируется в позицию с наименьшим диаметром без разреза. Участки остальных параллельных проводов, расположенные в обмотке на разных диаметрах, соединены в местах разреза по схеме общей транспозиции в цельные транспонированные параллельные провода способом по патенту Арфаницкого С.В.

Проанализируем возможность выполнения транспозиции провода без его разрезания в сочетании с транспозицией остальных разрезаемых  проводов путем соединения их участков в месте разреза (см. рисунок 3) и последствия отказа от использования разреза одного из параллельных проводов в месте его транспозиции.

Предположим, витки провода, предшествующие его транспозиции, намотаны на условную цилиндрическую поверхность большего диаметра, а следующие после транспозиции витки провода — на условную цилиндрическую поверхность меньшего диаметра. Их число для рассмотрения способа транспозиции значения не имеет, поэтому на рисунке 3 они не показаны.  Рисунок иллюстрирует единственное отличие патента Молякова С.А. от патента Арфаницкого С.В. — решение производить транспозицию одного параллельного провода с большего диаметра намотки на меньший диаметр без разреза этого провода. Уточним, что у Арфаницкого, С.В. такой провод в месте транспозиции разрезается с последующим соединением так же, как и все остальные транспонируемые параллельные провода.

Как известно, витки обмотки наматываются по винтовой линии на условную цилиндрическую поверхность определенного диаметра.  Ввиду большого числа параллелей в винтовой обмотке требуется перекладка (транспозиция) параллельных проводов. Цель такой перекладки – выравнивание токов в параллельных проводах. Транспозиция – перемещение провода с условной цилиндрической поверхности одного диаметра так, чтобы следующие витки этого же параллельного провода были намотаны на условную цилиндрическую поверхность другого диаметра.  Представленный на рисунке 3 виток провода почти на половине его длины расположен на условной цилиндрической поверхности большего диаметра, а его вторая часть после перехода – на условной цилиндрической поверхности  меньшего диаметра. Часть витка при транспозиции располагается в осевом канале. В реальной обмотке имеется потребность в вертикальных каналах (вдоль оси обмотки) для прохождения в таких каналах охлаждающего воздуха или жидкости. Однако, до изобретения Арфаницкого С.В. (выведения проводов для транспозиции за наружный диаметр обмотки) такие каналы были неэффективны, так как параллельные провода в месте транспозиции перекрывают путь потоку охлаждающего воздуха или масла. А вот по патенту Арфаницкого С.В. такое перекрытие совсем незначительное. Вертикальный канал между соседними витками, расположенными на разных диаметрах, образуют рейки между цилиндрическими поверхностями, на которые намотаны витки. Именно возможность образования эффективных вертикальных каналов для охлаждения обмотки, не перекрываемых транспозицией проводов,  является новой отличительной особенностью технического решения   Арфаницкого С.В. Наличие таких каналов резко расширяет эксплуатационные возможности и надежность винтовых обмоток. Но это тема другой статьи.

Из рисунка легко сделать вывод, что осуществить транспозицию провода без его предварительного разреза с большего диаметра на меньший возможно только при отсутствии реек в месте намотки на меньшем диаметре. В противном случае провод придется просовывать под каждую рейку при намотке каждого последующего витка! Намотка обмотки без вертикальных каналов сводится к традиционному способу транспозиции с потребностью в специальной конструкции укрепления участка обмотки, на котором производится транспозиция параллельных проводов. Но вертикальные каналы дают еще одно преимущество – произвести осевую стяжку витков обмотки, например, стеклобандажами. При намотке по способу Молякова С.А. осевая стяжка стеклобандажами исключается.

Единственный способ произвести эту транспозицию с рейками на всю длину обмотки – наматывать части обмотки  раздельно, т.е. вначале намотка производится на меньшем диаметре до места транспозиции, провод разрезается, далее наматывается следующая часть витков на том же диаметре, затем укладываются рейки, а после этого наматывается следующий параллельный провод  на большем диаметре. Для получения целого параллельного провода достаточно  соединить провод пайкой или сваркой в месте разреза в соответствии со схемой транспозиции. Именно этот способ транспозиции параллельных проводов и защищен Арфаницким С.В. по патенту РФ №2387037.

Дальнейший анализ показывает, что воспользоваться решением Молякова С.А. по патенту РФ №2670647 теоретически все же возможно, но представляет это чисто академический интерес. И вот почему.

Для выполнения транспозиции неразрезанного провода необходимо намотать только часть обмотки (до места транспозиции): вначале способом Арфаницкого С.В. намотать и разрезать все параллельные провода за исключением одного, наматываемого в позиции с наибольшим диаметром.  При этом можно использовать рейки длиной от начала намотки до места транспозиции. Затем произвести транспозицию провода с наибольшего диаметра витка на наименьший и намотать ряд витков наименьшего диаметра до конца следующей после транспозиции части обмотки. Затем намотка оставшихся параллельных транспонируемых проводов вновь производится способом Арфаницкого С.В., но с использованием реек длиной на эту часть обмотки. Техническое решение делить обмотку на несколько частей, а транспозицию параллельных проводов проводить между частями (при этом провода не разрезаются), изложено в патенте РФ 2488185 «Катушка индуктивности токоограничивающего реактора», публикация 20.07.2013. В этом патенте предложена обмотка, разделенная на несколько частей по высоте, каждая часть на отдельном каркасе, между частями производится транспозиция параллельных проводов, при этом каркасы жестко соединены между собой и с основным каркасом обмотки. Очевидно, что без системы жестко соединенных каркасов, и автор изобретения это прекрасно понимает, такая обмотка не будет обладать необходимой для работоспособности электрического реактора электродинамической стойкостью.

В результате анализа последствий отказа от разреза всего лишь одного из параллельных проводов при его транспозиции, сохраняя при этом  разрез и последующее соединение для транспозиции всех остальных параллельных проводов (способом Арфаницкого С.В. по патенту РФ №2387037), приходим к следующим выводам:

  1. Даже если изготовить винтовую обмотку указанным Моляковым С.А. в патенте РФ №2670647 способом, такая обмотка в месте транспозиции будет ослаблена из-за нецельности реек, что потребует принятия специальных мер повышения жесткости. Можно попытаться решить проблему, применяя технологические рейки, заменяемые на цельные после намотки всей обмотки, однако очевидна очень большая вероятность повреждения изоляции провода, как при извлечении технологических реек, так и при установке эксплуатационных реек, которые должны плотно держаться в каналах, иначе конструкция обмотки окажется недостаточно стойкой электродинамически, что приведет к выпадению реек в эксплуатации и нарушению конструкции обмотки. Замена технологических реек на эксплуатационные может также привести к созданию условий для межвитковых замыканий. Не говоря уже о дополнительных расходах средств и времени на материал и изготовление технологических реек, и их замену эксплуатационными.
  2. Крепление и вывод за наружный диаметр обмотки концов параллельных проводов частей обмотки (а вывод должен быть строго перпендикулярным к оси обмотки) без наличия жестко укрепленных реек в месте транспозиции представляет собой отдельную достаточно сложную и трудоемкую технологическую операцию.
  3. При намотке параллельных проводов с одного барабана количество перемещений каретки с барабаном к началу намотки увеличивается на количество дополнительных частей обмотки, за счет чего время намотки растет.
  4. При нескольких транспозициях, а обычно производят одну общую и две групповых, обмотка будет разделена на несколько частей, которые нужно будет укреплять механически (см.п.1).
  5. Намотка больших многопараллельных обмоток из нескольких частей приводит к существенной неравномерности весовой нагрузки на оправку, вследствие чего возможны микродеформации оправки, способные привести к перекосу витков во время намотки частей обмотки.
  6. На рисунке в патенте Молякова С.А. неразрезанный провод образует петлю, находящуюся в осевом поле обмотки, и это повлияет на ток в таком параллельном проводе, что недопустимо.

Все перечисленные технологические трудности отсутствуют при условии, что транспозиция абсолютно всех проводов осуществляется через разрез и последующее соединение их в месте транспозиции. Изложенное Моляковым С.А. в патенте РФ №2670647 единственное отличие от патента РФ №2387037 Арфаницкого С.В.  не только не обеспечивает достижение декларируемой цели снизить трудоемкость изготовления винтовой обмотки, а в значительной мере ухудшает как технологичность намотки винтовых обмоток (повышая трудоемкость изготовления), так и надежность самих обмоток. Поэтому способ изготовления винтовой обмотки и ее конструкция по патенту РФ №2670647 Молякова С.А. не просто не имеет практической ценности, но в случае применения без принятия дополнительных мер реально опасны  для  работоспособности трансформаторов и электрических реакторов, если их винтовые обмотки будут изготовлены способом Молякова С.А. По имеющимся у нас сведениям  Моляков С.А. симулирует использование его патента при изготовлении винтовых обмоток при попытках самому производить трансформаторы и электрические реакторы, сам же незаконно использует патент РФ №2387037 Арфаницкого С.В., поскольку применить свой патент Моляков С.А.  не может. Причины указаны выше.

На эту же тему у Молякова С.А. имеется более поздний патент РФ уже на полезную модель «Винтовая обмотка», №188 932, публикация 29.04.2019. В ней имеется ссылка на тот же прототип, а вот на аналог ссылка уже отсутствует. Почему отсутствует, и в чем запатентованная новизна этой полезной модели планируется рассказать в следующей статье.

Виногреев М.Ю., к.т.н.