CN101512690B - 具有屏蔽的铁心/线圈组件的干式变压器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变压器以及制造该变压器的方法，其中铁心和线圈组件布置在保护性壳体内，该保护性壳体具有至少部分地覆盖有导电涂层的外表面。包括绝缘树脂的壳层封装该保护性壳体。导电体电连接至导电涂层并且从壳层的外部可接近。

Description

具有屏蔽的铁心/线圈组件的干式变压器及其制造方法

技术领域

本发明涉及变压器并且更具体地涉及具有带固体绝缘的干式构造的变压器。

背景技术

具有干式构造的变压器包括至少一个安装至铁心的线圈，从而形成铁心/线圈组件。铁心是铁磁体并且通常包括金属板堆迭或由晶粒取向硅钢组成的迭片结构。将铁心/线圈组件封装在固定绝缘材料中以使该铁心/线圈组件与外部环境绝缘并且密封。

通常具有干式构造的一类变压器是互感器。互感器与诸如仪表和继电器的设备一起用在测量和保护性应用中。互感器将系统的电流或电压“降低”为可由相关联设备处理的标准化值。例如，电流互感器可以将范围为10到2500安培的电流降低到范围为1到5安培的电流，而电压互感器可以将范围为12000到40000伏特的电压降低到范围为100到120伏特的电压。

用于封装干式变压器的铁心/线圈组件的固体绝缘材料通常是热塑聚合物，其是通过能量的添加而固化(cure)为更强形式的聚合物材料。该能量可以是通过化学反应或辐射的热量形式(通常在200摄氏度以上)。在固化之前，热塑树脂通常是液态的或有延展性的，这允许对树脂进行铸模。当热塑树脂固化时，树脂中的分子交联，这使得树脂变硬。在固化之后，在不破坏其原始特征的情况下，热塑树脂不能再熔化或再次被铸模。热塑树脂包括环氧树脂、三聚氰胺树脂、酚醛树脂和尿素树脂。

当热塑树脂固化时，树脂通常收缩。因为树脂环绕铁心/线圈组件，收缩热塑树脂对变压器的铁心施加了很高的机械应力和应变。这些应力和应变扰乱了铁心的晶粒取向，并且增加了迭片结构中磁通流的磁阻(resistance)。该扰乱和增加的磁阻导致了较高的铁心损耗，这使得变压器的灵敏度降低并且降低了变压器的精确度。此外，当热塑树脂围绕边缘和凸起收缩时，在该热塑树脂中可以形成裂纹。该裂纹可以随时间增长并且损害热塑树脂的绝缘性质。结果，可能发生局部放电。局部放电是桥接铁心/线圈组件的各部分之间的热塑树脂的电火花。局部放电不一定发生在铁心/线圈组件处，其可以发生在电场强度超过热塑树脂击穿强度的任何地方。局部放电导致热塑树脂的退化，这缩短了变压器的使用寿命。

因此，希望提供一种干式变压器，其中变压器的铁心被保护不受热塑树脂收缩施加的应力，并且其中防止局部放电。本发明涉及此类变压器和用于制造此类变压器的方法。

发明内容

根据本发明，提供一种变压器，其包括至少部分地覆盖有导电涂层的外表面的保护性壳体。铁心和线圈组件布置在该保护性壳体中。壳层封装该保护性壳体。该壳层包括绝缘树脂。导电体电连接至导电涂层并且从壳层的外部可接近。

还根据本发明，提供一种制造变压器的方法。根据该方法，提供一种至少部分地覆盖有导电涂层的外表面的保护性壳体。将铁心和线圈组件布置在该保护性壳体中。继而将具有布置在其中的铁心和线圈组件的保护性壳体封装在绝缘树脂中。导电涂层连接至导电体。

附图说明

参照以下描述、所附权利要求书和附图，将更好地理解本发明的特征、多个方面和优势，附图中：

图1是根据本发明实现的变压器的示意图；

图2是变压器的内部壳体的透视图，其中内部壳体的盖和本体在空间上隔开以显示出安装在该内部壳体内的铁心/线圈组件；

图3是内部壳体的本体的透视图；

图4是内部壳体的盖的内侧的透视图；

图5是内部壳体一部分的剖面图；以及

图6示出了图5的内部壳体的剖面图的一部分的放大视图，其中该部分在图5中标识为字母“D”。

具体实施方式

应该指出，在下面的详细描述中，同样的部件具有相同的参考数字，而不论它们是否在本发明的不同实施方式中示出。还应该指出，为了清楚地以及简明地公开本发明，可以不必按比例绘制附图并且可以以某些示意性形式示出本发明的某些特征。

现在参考图1，示出了根据本发明构造的变压器10的示意性视图。变压器10是适于外部使用的电流互感器。变压器10通常包括铁心12、主绕组或高压绕组14、次级绕组或低压绕组16、由树脂26形成的内壳或内部壳体22以及外壳或壳层24。铁心12、高压绕组14、低压绕组16和内部壳体22被铸造进树脂26，从而将被封装在壳层24内。如下更详细的描述，内部壳体22包围铁心12和低压绕组16，并且在铸造工艺期间保护它们不接触树脂。

铁心12具有带有中心开孔的环形(torroidal)形状并且包括铁磁材料，诸如钢或铁。铁心12可以包括钢带(诸如晶粒取向硅钢)，其缠绕在心轴上形成线圈。低压绕组16包括围绕铁心12缠绕的导线(诸如铜线)长度，以形成围绕铁心12周围布置的多个匝。低压绕组16的末端紧固到变压器引线(leads)30上(或形成变压器引线30)，变压器引线30连接至安装在外壳层24外部的接线板。铁心12和低压绕组16的组合下文称作铁心/线圈组件18。高压绕组14包括开环金属导体，其可以包括铜。高压绕组14延伸通过内部壳体22和铁心/线圈组件18，下面将更全面地描述。一对矩形连接器32分别紧固至高压绕组14的末端。

现在参考图2-图6，内部壳体22具有两片构造并且包括本体34和盖38，其中每个都包括耐冲击性(high impact)绝缘塑料。可以使用的绝缘塑料的示例包括聚碳酸酯和环氧树脂，诸如疏水性脂环族环氧树脂(cycloaliphatic epoxy resin)。

本体34包括圆柱形侧壁40，其与具有扩大的中央开孔的环形端壁42结合。开孔形成在侧壁40中，端子引线30穿过侧壁40延伸。侧壁40的自由端具有形成于其中的向外的凹口44(在图6中示出)，从而有助于将盖38紧固至本体34，下面将更全面地描述。圆柱形支架(mount)46结合至端壁42，其围绕中心开孔并且与侧壁40共轴地延伸。然而，支架46比侧壁40从端壁42延伸得更远。侧壁40、支架46和端壁42协同以限定环形槽48，其适于容纳铁心/线圈组件18。在本体34底部处的一对支脚52紧固至侧壁40。一对接地连接器54铸模地插入每个支脚52(否则紧固至每个支脚52)并且从其向下延伸。每个接地连接器54具有在其中形成的带螺纹的孔。

盖38是环形形状并且包括其中央有开孔58的碟形壁56。内缘60围绕开孔58布置并且延伸远离壁56。外缘62(在图6中示出得最清楚)围绕壁56的外围布置并且延伸远离壁56。外缘62的自由端62a向内稍微弯曲并且成形以互锁、卡扣方式装配在本体34的侧壁40的凹口44中，如图6所示。

本体34和盖38的外表面每个都覆盖有导电涂层66，其可以是导电涂料，或可以由化学镀或真空金属喷镀形成。导电涂层66与接地连接器54接触，从而允许电流从涂层50流到接地连接器54。

化学镀是产生纯的、连续的以及均匀的金属(诸如铜)涂层的自催化的化学镀工艺。在利用化学镀的实施方式中，每个导电涂层都可以是双涂层，包括具有非电解沉积的镍磷合金覆盖层的非电解沉积的纯铜层。

真空金属喷镀原理上是铝的真空沉积。在使用真空金属喷镀的实施方式中，本体34和盖38置于包含布置在加热的蒸发器单元上的纯铝片的腔室中。在腔室中抽真空并且旋转本体34和盖38。来自于蒸发器单元的铝蒸汽随着本体34和盖38的旋转，凝结在其上，从而产生由铝组成的导电涂层。

导电涂料包括粘合剂、载体和导电微粒或颜料。粘合剂是聚合物材料，其附着于本体34和盖38的塑料。粘合剂可以是丙烯酸、丙烯酸乳液、聚乙酸乙烯酯(PVA)、聚氯乙烯(PVC)、环氧树脂或前述的混合物，诸如PVA/丙烯酸、PVC/丙烯酸、PVA/丙烯酸乳液或PVC/丙烯酸乳液。更具体地，粘合剂可以从包括以下内容的组中选择：丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸甲脂、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸烯丙酯、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸异丁酯、环氧树脂、聚氯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚偏二氯乙烯(polyvinylidinechloride)以其混合物。载体可以是从包括以下内容的组中选择的有机溶剂：甲基溶纤剂(methyl cellusolve)、乙基溶纤剂(ethylcellosolve)、丁酮(MEK)、甲基正丁基甲酮(MBK)和其混合物。水还可以用作载体或共载体(co-carrier)。导电微粒被精细地分成金属微粒，并且可以从由包括以下内容的组中选择：银、铜、镍、镀银铜、导电碳、石墨及其混合物。其他粘合剂兼容成分也可以包括在导电涂料中，诸如表面活性剂、缓和剂、润湿剂和增稠剂。导电涂料的全部固体含量从约20重量百分比到约60重量百分比，更特别地从约30重量百分比到约40重量百分比。干燥的导电涂料在厚度为1mil时具有小于5000ohm/sq的电阻，更特别地具有小于1000ohm/sq的电阻，仍更特别地具有小于500ohm/sq的电阻。导电涂料可以通过刷子或喷枪涂覆于本体34和盖38。

在本发明的一个实施方式中，导电涂层66具有从约1mil到约3mil的厚度，更特别地具有从约1.5mil到2.5mil的厚度，并且是包括热塑粘合剂和石墨微粒的基于水的导电涂料。可以用于导电涂层的商业上可获取的导电涂料是DX-1584-B-III，其由St.Petersburg，Florida的Kemco International Associates出售。

铁心/线圈组件18布置在本体34的槽48中，从而铁心/线圈组件18与端壁42邻接并且凸起46延伸通过铁心/线圈组件18的中央开口。在铁心/线圈组件18如此定位的同时，盖38布置在本体34上，从而支架46布置在盖38内部，与内缘60相抵靠，并且外缘62的自由端62a咬接在本体34的侧壁40的外部凹口44中。这样，盖38以卡扣方式紧固至本体34，从而包围内部壳体22中的铁心/线圈组件18，并且从而在具有铁心/线圈组件18的内部壳体22被铸造进树脂26中以形成外壳层24时，相对于树脂26密封铁心/线圈组件18，下面将对其进行描述。

树脂26可以是丁基橡胶或环氧浇注树脂(epoxy cast resin)。在本发明的一个实施方式中，树脂26是脂环族环氧树脂、更具体地是疏水性脂环族环氧树脂。在该实施方式中，外壳层24在自动压力凝胶(APG)工艺中由树脂26形成。根据APG工艺，在真空条件下，树脂26(液态形式)被除气并且预加热到约40℃到约60℃。带有布置在其中的铁心/线圈组件18的内部壳体22置于加热到树脂26的固化温度的模子的腔中。变压器引线30、连接器32和接地连接器54伸出腔外，从而在铸造工艺之后从壳层24突出。然后，在低压条件下，将经过除气以及预加热的树脂26引入包含内部壳体22的腔中。在该腔内，树脂26很快开始胶凝。然而，腔中的树脂26保持与从腔外引入的、受压的树脂26接触。这样，腔中胶凝的树脂26的收缩由后续进一步在压力下添加经过除气以及预加热的树脂26进入腔来补偿。当树脂26胶凝并且全面固化时，树脂26收缩并且向内部壳体22施加力。内部壳体22保护铁心/线圈组件18免受这些力，从而防止铁心12的取向晶粒被扰乱。

应该理解，代替由根据APG工艺来形成，可以使用压缩铸模工艺或真空铸造工艺来形成壳层24。

在树脂26固化之后，具有在其中铸模的内部壳体22的固体壳层24被从模腔中移除。固体壳层24包括具有形成在其中的多个环形散热片或边围70的顶部24a和具有扁平端壁的底部24b。用于高压绕组14的连接器32从顶部24a向上突出，同时变压器引线30从底部24b横向突出。包含接线板的壳(未示出)紧固至壳层24的底部24a。变压器引线30布置在壳中并且连接至接线板。接地连接器54延伸通过底部24a的端壁，从而接地连接器54的端表面基本上与端壁平齐。包括诸如铝的导电金属的底板72通过螺栓或其他固定装置紧固至底部24a的端壁。底板72中的开孔与接地连接器54中的孔对齐。将包括导电金属的螺栓通过底板72中的开孔插入，并且螺纹连接地(threadably)容纳在接地连接器54的孔中。螺栓的头部邻接底板72的外表面。因此，螺栓形成底板72和接地连接器54之间的电连接。当安装变压器10以使用时，底板72电连接至接地。由于底板72电连接至接地连接器54，该接地连接器54电连接至导电涂层66，导电涂层66也变为接地。这样，导电涂层66形成围绕铁心/线圈组件18的法拉第屏蔽。该法拉第屏蔽将有助于减少，如果没有消除的话，可以损坏壳层24的局部放电。

应该理解，对前述一个或多个示例性实施方式的描述仅旨在进行说明，而不是穷举本发明。本领域的技术人员将能够对所公开主题的一个或多个实施方式做出某些添加、删除和/或修改而不脱离本发明的精神或其范围，本发明的精神或范围由所附权利要求书限定。

Claims (20)

1.一种变压器，包括：

保护性壳体，具有至少部分地覆盖有导电涂层的外表面；

铁心和线圈组件，布置在所述保护性壳体中；

壳层，其封装所述保护性壳体，所述壳层包括绝缘树脂；以及

导电体，电连接至所述导电涂层，其中所述导电体从所述壳层的外部可接近。

2.根据权利要求1所述的变压器，其中所述保护性壳体包括可释放地紧固至本体上的盖。

3.根据权利要求1所述的变压器，其中所述绝缘树脂包括环氧树脂。

4.根据权利要求3所述的变压器，其中所述绝缘树脂包括疏水性脂环族环氧树脂。

5.根据权利要求1所述的变压器，其中所述保护性壳体包括塑料。

6.根据权利要求5所述的变压器，其中所述保护性壳体包括聚碳酸酯。

7.根据权利要求5所述的变压器，其中所述保护性壳体包括疏水性脂环族环氧树脂。

8.根据权利要求1所述的变压器，其中所述导电涂层是包括粘合剂、载体和导电微粒的导电涂料。

9.根据权利要求8所述的变压器，其中所述粘合剂包括热塑树脂并且其中所述载体包括水。

10.根据权利要求9所述的变压器，其中所述导电微粒包括石墨。

11.根据权利要求1所述的变压器，其中所述铁心和线圈组件包括围绕环形铁心缠绕的次级绕组。

12.根据权利要求11所述的变压器，进一步包括延伸通过所述环形铁心的初级绕组。

13.根据权利要求12所述的变压器，其中所述初级绕组包括开环金属导体。

14.根据权利要求1所述的变压器，其中所述导电体包括紧固到所述壳层上的金属板。

15.根据权利要求14所述的变压器，其中所述金属板通过紧固至所述保护性壳体的接地导体连接至所述导电涂层。

16.根据权利要求15所述的变压器，其中所述金属板连接至接地，从而将所述导电涂层接地并且形成围绕所述铁心和线圈组件的法拉第屏蔽。

17.一种制造变压器的方法，包括：

提供保护性壳体，所述保护性壳体具有至少部分地覆盖有导电涂层的外表面；

提供铁心和线圈组件；

将所述铁心和线圈组件布置在所述保护性壳体内；

将所述保护性壳体封装在绝缘树脂中；以及

将所述导电涂层连接至导电体。

18.根据权利要求17所述的方法，其中在自动压力凝胶工艺或真空铸造工艺中利用所述绝缘树脂封装所述保护性壳体。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述绝缘树脂包括疏水性脂环族环氧树脂。

20.根据权利要求17所述的方法，其中所述导电涂层是包括热塑粘合剂、水和导电微粒的导电涂料。

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