обмотка трансформатора

До надійності гвинтових обмоток трансформаторів і реакторів

Ця стаття відкриває серію публікацій на сайті ELTIZ, що стосуються науково-технічних, дослідно-конструкторських і дослідно-технологічних робіт, включаючи аналіз публікацій про новинки стосовно трансформаторів і електричних реакторів

 

Не дивлячись на зовнішню простоту конструкції, трансформатори та електричні реактори відносяться до одних з найбільш складних, з точки зору прикладної науки, виробів. А в їх виробництві, як і будь-якій іншій продукції, завжди актуальні зниження трудомісткості і підвищення споживчих якостей, в тому числі і для окремих деталей і вузлів, вироблених масово. До таких вузлів в області трансформаторобудування відносяться, наприклад, обмотки, в тому числі гвинтові, для трансформаторів і електричних реакторів.

ПП ЕЛТІЗ виготовляє гвинтові обмотки для сухих трансформаторів та електричних реакторів по запатентованим технічним рішенням. Одне з них – патент Російської Федерації №2387037 від 20.04.2010 «ГВИНТОВА ОБМОТКА І СПОСІБ ЇЇ ВИГОТОВЛЕННЯ». Автор – Арфаницький С.В.

24.10.2018 опубліковано патент РФ №2670647 з такою ж назвою – «ГВИНТОВА ОБМОТКА І СПОСІБ ЇЇ ВИГОТОВЛЕННЯ», Автор – Моляков С.А. (скоригований опис винаходу до патенту). У ньому в якості аналога якраз взята «Гвинтова обмотка і спосіб її виготовлення» за патентом РФ №2387037 Арфаницького С.В.

Тому цікаво проаналізувати щось нове, що заявлено через вісім з половиною років після публікації патенту Арфаницького С.В. як поліпшення (корисність).

Спочатку подивимося на мету поліпшення, зазначену в патенті Молякова С.А .: «Технічний результат полягає в зниженні трудомісткості виготовлення гвинтових обмоток». Формулювання повністю збігається з метою винаходу Арфаницького С.В. Це буває, але збіглася не тільки мета: у Молякова С.А. в якості прототипу вибрано технічне рішення за патентом РФ 2170466 від 10.07.2001, вже зазначене як прототип у Арфаницького С.В. Далі – більше, критика прототипу дослівно переписана Моляковим С.А. у Арфаницького С.В., тобто ніяких нових недоліків, які Моляков С.А. пропонує усунути, у прототипу, не знайдено.

Оскільки у Молякова С.А. в якості аналога вказано патент Арфаницького С.В., порівняємо ці патенти. Як показано далі, у патента Молякова С.В. є єдина відмінність. Справедливо очікувати, що ця відмінність усуне недоліки прототипу в більшій мірі, ніж це зроблено Арфаницьким С.В., адже критика прототипу, повторимося, в обох патентах збігається дослівно.

Оскільки винаходом Арфаницького С.В. вже було досягнуто і зафіксовано значне зниження трудомісткості виготовлення гвинтових обмоток в порівнянні з прототипом, визначимо, яке саме додаткове зниження трудомісткості виготовлення гвинтових обмоток запропоновано в патенті Молякова С.А. в порівнянні з вже досягнутим технічним результатом Арфаницького С.В.

Спочатку розглянемо власне відмінності технічних рішень по порівнюваним патентам. Обидва рішення належать до способа транспозиції паралельних проводів гвинтової обмотки. Кожне рішення відрізняється від прототипу, а також ці два рішення відрізняються між собою. Рішення Молякова С.А. не було б визнано винаходом, якби не відрізнялося від аналога даного винаходу Арфаницького С.В. Таким чином, практичний інтерес представляє відповідь на питання: наскільки прогресивним є відмінність нового рішення від попереднього аналогічного, і чи досягається поставлена ​​винаходом Молякова С.А. мета (корисність) в порівнянні з аналогом? Адже збігаються по обом патентам результати вже, очевидно, досягнуті винаходом Арфаницького С.В. Можливо, ті ж самі результати досягнуті Моляковим С.А. іншим, більш прогресивним, ніж у Арфаницького С.В., способом?

Для розуміння заявлених як винахід способів транспозиції дротів досить розглянути один виток, провід якого транспонується. Подальший виклад заснований на тому, що відмінною рисою від аналога в патенті Молякова С.А. зазначений спосіб транспозиції, в якому тільки один-єдиний паралельний дріт транспонується з його позиції з найбільшим діаметром в позицію з найменшим діаметром без розрізу в місці транспозиції (спосіб транспонування паралельних проводів з використанням їх розрізу запатентований Арфаницьким С.В.). Тобто крім відсутності розрізу одного з паралельних проводів все інше в транспозиції відповідає патенту Арфаницького С.В., навіть вивід, без будь-якої необхідності, цього нерозрізаного дроту за зовнішній діаметр обмотки. Очевидно, що виводити за зовнішній діаметр обмотки потрібно тільки розрізані паралельні дроти, щоб з’єднати їх зварюванням або паянням в місці розрізу по схемі транспозиції. Для порівняння досить поглянути на відповідні малюнки з кожного патенту, що ілюструють спосіб транспозиції паралельних проводів.

Малюнок 1. Схема транспозиції паралельних проводів за патентом Арфаницького С.В.

Пронумеровані паралельні дроти, ділянки яких, розташовані в обмотці на різних діаметрах, з’єднані в місцях розрізу по схемі загальної транспозиції в цільні транспоновані паралельні дроти.

Малюнок 2. Схема транспозиції паралельних проводів за патентом Молякова С.А.

Пронумеровані (без штриха і зі штрихом) позиції ділянок паралельних проводів. Паралельний провід, який займає позицію з найбільшим діаметром, транспонується в позицію з найменшим діаметром без розрізу. Ділянки інших паралельних проводів, розташовані в обмотці на різних діаметрах, з’єднані в місцях розрізу по схемі загальної транспозиції в цільні транспоновані паралельні дроти способом за патентом Арфаницького С.В.

Проаналізуємо можливість виконання транспозиції дроту без його розрізання в поєднанні з транспозицією інших розрізаних проводів шляхом з’єднання їх ділянок в місці розрізу (див. Малюнок 3) і наслідки відмови від використання розрізу одного з паралельних проводів в місці його транспозиції.

Транспозиція витка проводу з позиції, що має більший діаметр, на позицію з меншим діаметром

Припустимо, витки проводу, що передують його транспозиції, намотані на умовну циліндричну поверхню більшого діаметру, а наступні після транспозиції витки проводу – на умовну циліндричну поверхню меншого діаметру. Їх число для розгляду способу транспозиції значення не має, тому на малюнку 3 вони не показані. Малюнок ілюструє єдину відмінність патенту Молякова С.А. від патенту Арфаницького С.В. – рішення виробляти транспозицію одного паралельного проведення з більшого діаметру намотування на менший діаметр без розрізу цього проводу. Уточнимо, що у Арфаницького, С.В. такий провід в місці транспозиції розрізається з подальшим з’єднанням так само, як і всі інші паралельні дроти що транспонуються.

Як відомо, витки обмотки намотуються по гвинтовій лінії на умовну циліндричну поверхню певного діаметру. Зважаючи на велике число паралелей в гвинтовій обмотці потрібна перекладка (транспозиція) паралельних проводів. Мета такої перекладки – вирівнювання струмів в паралельних проводах. Транспозиція – переміщення дротів з умовної циліндричної поверхні одного діаметра так, щоб наступні витки цього ж паралельного дроту були намотані на умовну циліндричну поверхню іншого діаметру. Представлений на малюнку 3 виток проводу майже на половині його довжини розташований на умовній циліндричній поверхні більшого діаметра, а його друга частина після переходу – на умовній циліндричній поверхні меншого діаметру. Частина витка при транспозиції розташовується в осьовому каналі. У реальній обмотці є потреба в вертикальних каналах (уздовж осі обмотки) для проходження в таких каналах охолоджуючого повітря або рідини. Однак, до винаходу Арфаницького С.А. (виведення проводів для транспозиції за зовнішній діаметр обмотки) такі канали були неефективні, через те, що паралельні дроти в місці транспозиції перекривають шлях потоку охолоджуючого повітря або масла. А ось за патентом Арфаницького С.В. таке перекриття зовсім незначне. Вертикальний канал між сусідніми витками, розташованими на різних діаметрах, утворюють рейки між циліндричними поверхнями, на які намотані витки. Саме можливість утворення ефективних вертикальних каналів для охолодження обмотки, що не перекриваються транспозицією проводів, є новою відмінною рисою технічного рішення Арфаницького С.В. Наявність таких каналів різко розширює експлуатаційні можливості і надійність гвинтових обмоток. Але це тема іншої статті.

З малюнку легко зробити висновок, що здійснити транспозицію дроту без його попереднього розрізу з більшого діаметру на менший можливо тільки при відсутності рейок в місці намотування на меншому діаметрі. В іншому випадку провід доведеться просовувати під кожну рейку під час намотування кожного наступного витка! Намотування обмотки без вертикальних каналів зводиться до традиційного способу транспозиції з потребою в спеціальній конструкції зміцнення ділянки обмотки, на якому проводиться транспозиція паралельних проводів. Але вертикальні канали дають ще одну перевагу – провести осьову стяжку витків обмотки, наприклад, склобандажами. При намотуванні за способом Молякова С.А. осьова стяжка склобандажами виключається.

Єдиний спосіб зробити цю транспозицию з рейками на всю довжину обмотки – намотувати частини обмотки окремо, тобто спочатку намотування проводиться на меншому діаметрі до місця транспозиції, провід розрізається, далі намотується наступна частина витків на тому ж діаметрі, потім укладаються рейки, а після цього намотується наступний паралельний дріт на більшому діаметрі. Для отримання цілого паралельного провода досить з’єднати провід пайкою або зварюванням в місці розрізу відповідно до схеми транспозиції. Саме цей спосіб транспозиції паралельних проводів і захищений Арфаницьким С.В. за патентом РФ №2387037.

Подальший аналіз показує, що скористатися рішенням Молякова С.А. за патентом РФ №2670647 теоретично все ж можливо, але це представляє суто академічний інтерес. І ось чому.

Для виконання транспозиції нерозрізаного дроту необхідно намотати тільки частину обмотки (до місця транспозиції): спочатку способом Арфаницького С.В. намотати і розрізати всы паралельні дроти за винятком одного, намотуваного в позиції з найбільшим діаметром. При цьому можна використовувати рейки довжиною від початку намотування до місця транспозиції. Потім зробити транспозицыю дроту з найбільшого діаметра витка на найменший і намотати ряд витків найменшого діаметра до кінця наступноъ після транспозиції частини обмотки. Потім намотування паралельних транспонуємих проводів, що залишилися знову проводиться способом Арфаницького С.В., але з використанням рейок довжиною на цю частину обмотки. Технічне рішення ділити обмотку на кілька частин, а транспозицію паралельних проводів проводити між частинами (при цьому дроти не розрізаються), викладено в патенті РФ 2488185 «Котушка індуктивності струмообмежувального реактора», публікація 20.07.2013. В цьому патенті запропонована обмотка, розділена на кілька частин по висоті, кожна частина на окремому каркасі, між частинами проводиться транспозиція паралельних проводів, при цьому каркаси жорстко з’єднані між собою і з основним каркасом обмотки. Очевидно, що без системи жорстко з’єднаних каркасів, і автор винаходу це прекрасно розуміє, така обмотка не володітиме необхідною для працездатності електричного реактора електродинамічною стійкістю.

В результаті аналізу наслідків відмови від розрізу всього лише одного з паралельних проводів при його транспозиції, зберігаючи при цьому розріз і подальше з’єднання для транспозиції всіх інших паралельних проводів (способом Арфаницького С.В. за патентом РФ №2387037), приходимо до наступних висновків:

  1. Навіть якщо виготовити гвинтову обмотку зазначеним Моляковим С.А. в патенті РФ №2670647 способом, така обмотка в місці транспозиції буде ослаблена через нецільність рейок, що буде потребувати прийняття спеціальних заходів підвищення жорсткості. Можна спробувати вирішити проблему, застосовуючи технологічні рейки, які буде замінено на цільні після намотування всієї обмотки, проте очевидна дуже велика ймовірність пошкодження ізоляції проводу, як при добуванні технологічних рейок, так і при установці експлуатаційних рейок, які повинні щільно триматися в каналах, інакше конструкція обмотки виявиться недостатньо стійкою електродинамічно, що призведе до випадання рейок в експлуатації і порушення конструкції обмотки. Заміна технологічних рейок на експлуатаційні може також привести до створення умов для міжвиткових замикань. Не кажучи вже про додаткові витрати коштів і часу на матеріал і виготовлення технологічних рейок,  їх заміну експлуатаційними.
  2. Кріплення та вивід за зовнішній діаметр обмотки решти паралельних проводів частин обмотки (а вивід повинен бути строго перпендикулярним до осі обмотки) без наявності жорстко укріплених рейок в місці транспозиції є окремою досить складною і трудомісткою технологічною операцію.
  3. При намотуванні паралельних проводів з одного барабана кількість переміщень каретки з барабаном до початку намотування збільшується на кількість додаткових частин обмотки, за рахунок чого час намотування зростає.
  4. При декількох транспозиціях, а зазвичай виробляють одну загальну і дві групових, обмотка буде розділена на кілька частин, які потрібно буде зміцнювати механічно (див.п.1).
  5. Намотування великих багатопаралельних обмоток з декількох частин призводить до суттєвої нерівномірності вагового навантаження на оправлення, внаслідок чого можливі мікродеформації оправлення, здатні привести до перекосу витків під час намотування частин обмотки.
  6. На малюнку в патенті Молякова С.А. нерозрізаний провід утворює петлю, що знаходиться в осьовому полі обмотки, і це вплине на ток в такому паралельному дроті, що неприпустимо.

Всі перераховані технологічні труднощі відсутні за умови, що транспозиція абсолютно всіх проводів здійснюється через розріз і подальше з’єднання їх в місці транспозиції. Викладена Моляковим С.А. в патенті РФ №2670647 єдина відмінність від патенту РФ №2387037 Арфаницького С.В. не тільки не забезпечує досягнення декларованої мети знизити трудомісткість виготовлення гвинтовоЇ обмотки, а в значній мірі погіршує як технологічність намотування гвинтових обмоток (підвищуючи трудомісткість виготовлення), так і надійність самих обмоток. Тому спосіб виготовлення гвинтової обмотки і її конструкція за патентом РФ №2670647 Молякова С.А. не просто не має практичної цінності, але в разі застосування без прийняття додаткових заходів реально небезпечний для працездатності трансформаторів і електричних реакторів, якщо їх гвинтові обмотки будуть виготовлені способом Молякова С.А. За наявними у нас даними Моляков С.А. симулює використання його патенту при виготовленні гвинтових обмоток при спробах самому виробляти трансформатори та електричні реактори, сам же незаконно використовує патент РФ №2387037 Арфаницького С.В., оскільки застосувати свій патент Моляков С.А. не може. Причини вказані вище.

На цю ж тему у Молякова С.А. є більш пізній патент РФ вже на корисну модель «Гвинтова обмотка», №188 932, публікація 29.04.2019. У ній є посилання на той же прототип, а ось на аналог посилання вже відсутнє. Чому відсутнє, і в чому запатентована новизна цієї корисної моделі планується розповісти в наступній статті.

.

Виногрєєв М.Ю., к.т.н.