CN102144269A - 高压变压器 - Google Patents
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Abstract
一种用于提供千伏范围内的交变电压的高压变压器(1)，所述高压变压器带有至少一个次级绕组(12)，该次级绕组缠绕在包围变压器芯(2)的线圈支承体(11)上，其中，为了所述次级绕组(12)的电绝缘，设置包封所述次级绕组(12)的绝缘壳体(5，6)，该绝缘壳体通过支承所述次级绕组(12)的线圈支承体(11)和通过由塑料制成的并且在形成环形间隙(13)的情况下包围所述次级绕组(12)的包封体(14)形成壁，其中，所述次级绕组(12)和所述包封体(14)之间的环形间隙(13)用绝缘流体填充，其中，用绝缘流体填充的环形间隙(13)具有在横截面上看小于或等于20mm的间隙宽度，其中，包封体(14)具有小于或等于20mm的壁厚，其中，所述塑料是聚丙烯，并且其中，没有为绝缘流体提供单独的膨胀容积。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于提供千伏范围内的交变电压的高压变压器，该高压变压器带有至少一个次级绕组，该次级绕组缠绕在包围变压器芯的线圈支承体上。
背景技术
这种高压变压器已经由现有技术充分公开。这种高压变压器通常是(必要时可移动的)检测或测量装置的组件，其中，可在至少一个次级绕组上量取的高压用作用于待检测的部件或其它测量目的的检测电压。
在此，在变压器的初级绕组上施加输入交变电压，该初级绕组例包围例如由铁或铁叠片组成的铁磁性的变压器芯。因此在变压器芯中感应出的磁场然后在至少一个次级侧绕组上感应出在其振幅上基本上与初级绕组和次级绕组各自的匝数的比例有关的次级电压。在当前涉及的高压范围内，变压器或次级绕组的电绝缘方面要特别注意。
开头所述类型的高压变压器中有刚好一个次级绕组，其输出交变电压相对接地信号测量。此外，已知高压变压器带有总共两个次级线圈，所述次级线圈提供分别一个相对彼此相移180°的输出电压。因此，通过量取压差可以在次级绕组构造相同时获得可在次级绕组上量取的最大电压的加倍。因此，次级绕组必须仅分别针对较低的(例如在构造相同时是一半)的输出电压设计。然而明确规定，本发明不限于特定的变压器装置或变压器几何形状。
如现有技术公开的那样，支承次级绕组并且由电绝缘材料制成的线圈支承体相对线圈几何形状而言径向向内相对变压器芯对次级绕组进行绝缘。线圈支承体为此有利地具有中间孔，例如变压器芯的臂可穿过所述孔。在现有技术中还已知有用于进一步绝缘(通常本身由绝缘的金属丝组成的)次级绕组的两种不同的基本绝缘方案。
在第一种变型中，也就是所谓的干式变压器，次级绕组借助于浇铸树脂包封，浇铸树脂在硬化之后用于为次级绕组提供足够的对外电绝缘。然而，干浇铸树脂中的小缺陷(例如气泡或在真空环境下浇铸时的真空泡)会由于击穿导致变压器大多不可修复的破坏。考虑到在现有技术中公开的浇铸树脂的坚韧的粘性，尽可能没有废品地制造这种干式变压器需要大的费用。
另外要考虑的是，新型高压变压器的次级绕组乐于应用薄的绕组线，这可与浇铸树脂的坚韧粘性不兼容。然后，浇铸树脂不再能够足够安全地没有缺陷地封闭相邻的金属丝之间可能的间隙。因此，有时在干式变压器中已经在用树脂包封绕组之前用更稀的绝缘介质对绕组进行“预防水处理”。然而，在此不希望的缺陷的危险或者为避免这种饱含缺陷的绝缘所带来的制造成本非常高。因此，干式变压器大多应用在次级线圈的绕组线直径较大的情况。
尤其在可移动的检测或测量装置中使用开头所述类型的高压变压器时，主要由于变压器的重量确定的检测或测量装置的总重量是一个重要的标准。
在前述类型的干式变压器中，浇铸树脂由于高压绝缘目的已经具有必要的层厚并且由于其通常在约1.3至1.7g/cm3的密度而对变压器的总重量值做出不能忽略的贡献。为次级线圈使用较厚的金属丝同样不利地导致干式变压器的重量增加。
高压变压器的第二种变型为绝缘目的使用绝缘流体，该绝缘流体包围由金属组成的变压器壳体内的整个变压器。在此，通常使用绝缘油或者(常常是加压的)绝缘气体(例如六氟化硫(SF6))。
在此，整个变压器，包括变压器芯和线圈都由绝缘油包围。由于绝缘油在变压器运行或者在由其他原因提高的环境温度时不能忽略的热膨胀，假如这些变压器不使用带有连续并且冷却的油循环作为控制器，这些油绝缘的变压器还必须提供专门的膨胀容积(例如形式为膨胀容器)，绝缘油在需要时可以膨胀到所述膨胀容积中，如例如在按DE1226119的油变压器中的情况一样。包围整个变压器的油量以及金属壳体的重量明显增大了这种变压器的总重量。
其他油变压器由CH470738和DE714480公开，然而这些油变压器同样包括用于提供单独的膨胀容积的装置。
发明内容
在这种背景下，本发明所要解决的技术问题是，这样继续扩展开头所述类型的高压变压器，使得该高压变压器在结构简单、廉价并且可靠的同时在节约重量方面超过由现有技术公开的高压变压器。
该技术问题通过按权利要求1所述的高压变压器解决。
在按本发明的高压变压器中，作为对开头所述特征的补充设计为，为了次级绕组的电绝缘，该高压变压器具有包封次级绕组的绝缘壳体，该绝缘壳体关于线圈几何形状(径向)朝内通过支承次级绕组的线圈支承体并且关于几何形状(径向)朝外通过由塑料制成的并且在形成环形间隙的情况下包围次级绕组的包封体形成壁，其中，次级绕组和包封体之间的环形间隙用绝缘流体填充。
在此当然应理解为，用于次级绕组的按本发明的包封的绝缘壳体也必须沿轴向，也就是在绝缘壳体相互相对的端侧封闭。为了与次级绕组的必要(低压和高压侧)接触，绝缘壳体还必须具有恰当的缺口或孔，所述缺口或孔以恰当的方式流体密封地封闭或密封。
通过按本发明设计的绝缘壳体在形成外部的、以绝缘流体填充的环形间隙的情况下包封次级线圈，可以相比由现有技术公开的高压变压器，其中，整个变压器，包括变压器芯支承在绝缘油中，较大程度地减少出于绝缘目的使用的绝缘流体、尤其是绝缘油的量。这首先有助于按本发明实现的重量节约。另外，由塑料制成的包封体由于在环形间隙完全以绝缘流体填充的情况下包围次级绕组，可以以比在次级绕组的区域用浇铸树脂包围的干式变压器的树脂外壳为了足够高压绝缘的目的所需的壁厚明显更薄的壁厚制造。并且最后，按本发明设计的绝缘壳体的包封体可以用简单并且廉价的方式由塑料注塑而成，而不需要如在用浇铸树脂环绕包封次级绕组的情况下那样为避免缺陷而带来特别高的开销。在次级绕组卷绕在线圈支承体上之后，包封体简单地套在次级绕组上并且在端侧密封，也就是流体密封地封闭成绝缘壳体。环形间隙通过绝缘壳体恰当的(之后封闭的)孔填充绝缘流体。
环形间隙中并且没有硬化的绝缘流体相对浇铸树脂提高的流动性以简单的方式实现次级绕组没有缺陷的电绝缘，即便在次级绕组的丝线直径较小的情况下。
通过使用绝缘流体，也就是未硬化的绝缘油或者绝缘气体，还可以以特别有利的方式为次级绕组使用特别薄的丝线，这尤其相比传统的干式变压器实现了进一步的重量减小。
此外被证明特别有利的是，次级绕组通过绝缘壳体的包封在径向内部通过线圈支承体并且在径向外部通过(包围填充有绝缘油的环形间隙的)包封体实现。变压器芯或变压器的其他部件也以有利的方式不直接与绝缘流体接触，这也有助于所使用的绝缘流体尽可久保持纯度。在现有技术中，其中，在油绝缘的变压器中铁磁性的变压器芯也始终与绝缘油直接接触，绝缘油连续上升的不纯度(尤其也带有导电颗粒)导致，绝缘油必须定期更新或清洁。反之，按本发明的高压变压器的绝缘流体在变压器的寿命中要么完全不需要更换，要么在较长的运行间隔之后才需要更换。此外表明，由于借助于塑料包封体包封并且由于相比现有技术明显更少量的绝缘油，不必为绝缘油提供单独的膨胀体积，这相对现有技术中其它的油绝缘的变压器是另一个优点。
最后，在形成环形间隙的情况下优选紧密包围次级绕组的包封体或者绝缘壳体由于较小的尺寸也由于其他的材料选择具有比用于油绝缘的变压器的已知金属壳体明显减小的重量。
显然，在需要时，尤其当按本发明的高压变压器安装在可移动的检测或测量装置中时，设置恰当的冷却机构，通过该冷却机构抑制在变压器运行时的过度变热。尤其是在以下继续讨论类型的可移动的检测或测量装置的情况下，对这种冷却机构的要求保持在合理的范围内，因为例如提供75kV的均方根电压已经可以通过电池或蓄电池驱动的、功率仅为12-15瓦的检测装置实现。然而，在此也有效的是，本发明不应当限于变压器或检测/测量装置的特征功率范围，尽管按本发明的教导以优选的方式规定使用于最大检测或测量电压为(至少)75kV的均方根电压(也优选100或者甚至200kV的均方根电压)，功率在数瓦到100、200甚至300瓦的范围内的应用。
结果，本发明提供明显更轻易简单并且廉价地制造的高压变压器，该高压变压器尤其适合可移动的应用。
按照原理规定，次级绕组的高压绝缘在外面通过位于环形间隙中的绝缘流体和包封体实现。然而表明，在本发明的范围内，为了在包封体壁厚同时较薄时(参见下面)充分绝缘kV范围内的高压，间隙宽度较薄的环形间隙(也就是少量的绝缘油)也足够。因此，围绕次级绕组的、用绝缘流体填充的环形间隙按照本发明具有在横截面上看小于或等于20mm，在优选小于等于10mm的间隙宽度。为了在相关的次级绕组上充分绝缘直至均方根电压40kV(有效电压)的交变电压，在相应低的绝缘要求并且与具有数量级为约5mm的壁厚的塑料包封体的绝缘特性结合时，约3mm的间隙宽度甚至被证明是有利的。在此，优选在次级绕组的整个长度以及在环形间隙的整个长度上的横截面内保持恒定的间隙宽度。因此，相比用于可移动的检测装置的传统油绝缘的高压变压器，所需要的绝缘油的量减少至多90％，这显然与特别显著的重量减小相关联。
另外，按本发明设计为，包封体具有小于或等于20mm，再次有利地小于等于10mm或者小于或约等于5mm的壁厚。尤其结合已经述及的、用于绝缘流体的环形间隙的宽度，这被证明是在大于10kV，小于100kV的范围内的高电压中足够用于希望的绝缘目的，并又相比现有技术，尤其是相比传统的干式变压器实现显著的重量节约。对于提供直至200kV的均方根电压的、分为两个带有单独的绝缘壳体的次级绕组的、可移动的检测或测量装置，通过约15-20mm的绝缘壳体的壁厚和约20mm的环形间隙宽度就已经可以通过该绝缘壳体提供足够的绝缘。在电压较低时可以相应减小包封体的壁厚和环形间隙的宽度的数值。
在本发明的框架内，使用聚丙烯作为用于包封体或绝缘壳体的塑料，聚丙烯尤其由于其良好的绝缘特性和其约0.97g/cm3的密度而特别适合本发明。
在本发明的第一种优选的构造中，在绝缘壳体上设置可气密地封闭的绝缘流体注入接管，通过该绝缘流体注入接管可将绝缘流体填充到包围次级绕组的环形间隙中。该绝缘流体注入接管优选构造在径向包围次级绕组的包封体上，其中，必要时在端侧的布置也是有意义的。在变压器首次运行之前将绝缘流体通过注入接管注入。另外也优选的是，在相应需要时绝缘流体也可以通过注入接管排出并由新的绝缘流体替换。尤其在使用绝缘油的情况下，填充优选在真空或负压条件下进行，因此保证用绝缘油完全填满绝缘壳体内部的环形间隙。在使用绝缘气体的情况下，为了足够的绝缘效果，必要时也可以在一定的负压下将绝缘气体泵入绝缘壳体中，因而就必须考虑绝缘壳体、尤其是包封体足够的耐压强度。
注入接管优选也可以构造在绝缘壳体的一个孔处，次级绕组的低压或高压侧的连接线通过所述孔从所述壳体伸出。
鉴于绝缘壳体特别容易实现的几何形状和由于在变压器的运行中在环形间隙内(些许)膨胀的绝缘油造成的特别均匀的压力分布，在本发明的一种优选的扩展设计中规定，包封体基本上构造为管状。这尤其在次级绕组的横截面基本上是圆形的几何形状时实现了绝缘壳体特别紧凑并且稳定的结构形式。然而再次指出的是，本发明通常不限于变压器芯或者次级绕组的特定横截面几何形状。
本发明的另一种优选的实施形式设计为，次级绕组由直径小于或等于0.2mm或者小于或等于0.1mm的金属丝制成。当然，金属丝应当已经配有自身的绝缘，例如形式为漆绝缘。通过所要求保护的高压变压器的、按本发明的构造甚至可以以特别优选的方式使用直径小于等于0.05mm的更薄的绕组丝，尤其是直径约为0.04mm的金属丝。这种已经一次或两次涂漆绝缘的金属丝可以在市场上买到。这些金属丝可以用现有技术中公知的卷绕技术，例如分层卷绕或者盘式卷绕或者其他卷绕方法围绕线圈支承体缠绕。
在此，为了产生kV范围内的、希望的交变电压，次级绕组优选通过大于或等于50000，100000甚至150000匝实现。
在本发明的再一个优选的扩展设计中规定，线圈支承体和包封体由相同的塑料制成。当线圈支承体和包封体为形成按本发明的、用于次级绕组的包封而相互在端侧焊接，这被证明是特别有利的。此外，在轴向延伸的线圈支承体和/或包封体上可以设置适于在端侧封闭绝缘壳体的、径向延伸的边缘，所述边缘为了气密地密封壳体与分别另一个部件焊接。然而作为替代也可以使用单独的、布置在线圈支承体和包封体的端侧之间的、并且必要时同样由相同的塑料制成的端盖，该端盖为了流体密封地包封次级绕组连同绝缘流体而与线圈支承体和包封体焊接或者借助于恰当的密封器件相对绝缘流体密封。
优选使用迄今由现有技术公开的绝缘油作为绝缘流体。在此，相对原本出于重量原因优选的绝缘气体获得了这样的优点，即，绝缘油不必在负压之下填充到绝缘壳体中，使得减少了对绝缘壳体的设计要求。
除了高压变压器之外，本发明尤其也包括可移动的、也就是尤其是便携的、带有检测或测量装置壳体和设置在检测或测量装置壳体内部所述类型的变压器的检测或测量装置。之前所述的优点，尤其是相比已知的变压器减少重量在此以特殊的方式实现。在这种类型的检测装置中，要么设计为蓄电池驱动，要么设计有通过恰当的接头的单独供电。
在本发明的框架中，在这种检测装置的一种特别的扩展设计中设计为，检测装置是用于检测绝缘油或其它检测物的击穿强度的高压检测装置，其中，高压变压器适于提供起检测电压作用的、数十kV，尤其是直至或至少75、100甚至200kV均方根电压(有效电压)的次级电压。在检测绝缘油的击穿强度的情况下，为待检测的绝缘油设置恰当的测试空间。在此有利的是设置两个次级绕组。如开头已经所述，在此有利地这样一种装置，其中，次级绕组提供相对彼此错移180度相位的输出电压，其中，量取的压差用作用于检测待测试并且位于测试空间内部的绝缘油的击穿强度。因为为此不必要特别高的电流强度通过次级绕组，可以这些应用情况下尤其也为次级绕组使用特别薄的金属丝(参见以上说明)。
这种检测装置通过蓄电池运行并且由现有技术公开的高压变压器迄今(包括蓄电池和所有其他的检测装置部件)的总重量都超过25kg。仅在本发明的框架内实现了将其重量或质量减小到小于或等于25kg。在此，实现这种较轻的、用于提供大于或等于75kV的均方根电压的检测装置的主要原因是轻重量的高压变压器，其(包括初级和次级绕组、变压器芯和绝缘壳体以及绝缘油)为检测装置的总重量贡献小于7.5kg(在优选的变形中甚至仅为6.5kg)的质量。这种重量减小被证明具有特别大的意义，因为在许多国家的劳动保护法规中对可移动的装置要求重量限制，以便这些装置能够由人携带。
因为这种检测装置的变压器具有两个次级绕组，所以又出于重量原因有利的是，根据本发明每个次级绕组由一个单独的绝缘壳体包封。
附图说明
以下根据附图详细说明本发明的实施例。在附图中示出：
图1是按本发明的高压变压器的一种实施例的主要部件的立体视图，
图2是图1所示的高压变压器的绝缘壳体的剖视图，以及
图3是按本发明的检测装置的一种实施例的立体视图，图1所示的高压变压器设置在其检测装置壳体内部。
具体实施方式
在图1中所示的高压变压器1包括铁磁性的变压器芯2，当前围绕该变压器芯在不同的臂上缠绕有两个初级绕组3，4(设计为盘形绕组并且单独绝缘)。
另外，图1示出了两个分别包围变压器芯2的各一个臂的绝缘壳体5，6，其中为位于各自的绝缘壳体5，6中的次级绕组12提供各一个低压侧的接头7，8和高压侧的接头9，10。所有的连接头7，8，9，10是这样设计的，使得其与次级绕组的相关端部接触或者使相应的接触穿过该接头实现。
图2所示的剖视图垂直于绝缘壳体5的纵轴线L并且出于清楚地原因，既剖切经过低压侧的接头7，也经过高压侧的接头9，因此可以得出绝缘壳体5的精确结构，其与第二绝缘壳体6结构相同。
绝缘壳体5在剖面内径向向内通过由塑料制成的线圈支承体11限定边界或形成壁，该线圈支承体在其一侧(在图2中未示出)包围变压器芯2的腿。次级绕组12借助于恰当的缠绕方法缠绕在线圈支承体11上，其中，次级绕组12在形成环形间隙13的情况下由同样由塑料制成的、并且基本上管状的包封体14包封，该包封体形成绝缘壳体5的径向外部的壁。
环形间隙13被用绝缘油填充。
用于次级绕组12的低压侧的接头7构造为带有中心孔16的接管15的形式，因此接头同时可以用作绝缘油注入接管，为此环形间隙13通过孔16在负压条件下用绝缘油填充。次级绕组12的低压侧被穿过孔16接触，其中，接头7或者其孔16在变压器1开始运行之前，也就是在环形间隙13用绝缘油完全填满之后，以恰当的方式密封。
绝缘壳体5上高压侧的接头9在保护套17下方以类似的方式具有相应的接管18，该接管又配备有中央的、指向包封体内侧的孔19。在此也穿过孔19实现次级绕组12的高压侧端部的电接触，所述孔接着以恰当的方式密封。这种接管18也可以用于用绝缘油填充环形间隙13。
绝缘壳体5当然也在两个端侧，也就是朝向相邻的初级绕组3(参见图1)和与此相对的一侧，完全流体密封地封闭，因此最终是次级绕组12和在环形间隙13内包围次级绕组12的绝缘油完全被包封。在此，绝缘油不与变压器芯2接触。
包封体14和线圈支承体11由相同的塑料制成。
图3最后示出了一种可移动的、也就是可携带的高压检测装置20，用于检测绝缘油的击穿强度。为此，检测装置20具有由透明的壳体包围的并且可用盖21封闭的测试空间22，该测试空间能够用于待测试的绝缘油填充。在测试腔22内部设置有两个相向的高压电极23，24，在所述电极上施加75kV均方根电压的检测电压。
检测电压借助于在图1和图2所示的高压变压器1提供，该高压变压器设置在检测装置壳体25的内部。为此，两个高压电极23，24与高压变压器的两个高压输出9，10中的各一个接触。为此使用恰当绝缘的连接元件26，27，所述元件插入检测壳体25中。
Claims (11)
1.一种用于提供千伏范围内的交变电压的高压变压器(1)，该高压变压器带有至少一个次级绕组(12)，该次级绕组缠绕在包围变压器芯(2)的线圈支承体(11)上，
其中，为了所述次级绕组(12)的电绝缘，设置包封所述次级绕组(12)的绝缘壳体(5，6)，该绝缘壳体通过支承所述次级绕组(12)的线圈支承体(11)和通过由塑料制成的且在形成环形间隙(13)的情况下包围所述次级绕组(12)的包封体(14)形成壁，
其中，所述次级绕组(12)和所述包封体(14)之间的环形间隙(13)用绝缘流体填充，
其中，用绝缘流体填充的环形间隙(13)具有在横截面上看小于或等于20mm的间隙宽度，
其中，包封体(14)具有小于或等于20mm的壁厚，
其中，所述塑料是聚丙烯，并且
其中，没有为绝缘流体提供单独的膨胀容积。
2.如权利要求1所述的高压变压器(1)，其特征在于，所述绝缘壳体(5，6)具有可气密地封闭的绝缘流体注入接管(15，16)，绝缘流体通过所述绝缘流体注入接管注入包围所述绝缘壳体(5，6)内部的次级绕组(12)的环形间隙(13)。
3.如权利要求1所述的高压变压器(1)，其特征在于，所述包封体(14)基本上构造为管状。
4.如权利要求1所述的高压变压器(1)，其特征在于，所述次级绕组(12)由直径小于或等于0.2mm的金属丝制成。
5.如权利要求4所述的高压变压器(1)，其特征在于，所述次级绕组(12)包括大于或等于50000匝。
6.如权利要求1所述的高压变压器(1)，其特征在于，所述线圈支承体(11)由与所述包封体(14)相同的塑料制成并且与所述包封体在端侧焊接。
7.如权利要求1至6之一所述的高压变压器(1)，其特征在于，所述绝缘流体是绝缘油。
8.一种可移动的检测或测量装置，所述检测或测量装置带有一个检测或测量壳体(25)和一个设置在所述检测或测量壳体(25)内部的、按权利要求1至7之一所述的高压变压器(1)。
9.如权利要求8所述的可移动的检测装置(20)，其特征在于，所述检测装置是用于检测绝缘油或其它检测物的击穿强度的高压检测装置，其中，高压变压器(1)适于提供起检测电压作用的、数十kV均方根电压(有效电压)的次级电压。
10.如权利要求9所述的可移动的检测装置(20)，其特征在于，每个次级绕组(12)借助于按权利要求1所述的、单独的绝缘壳体(5，6)绝缘。
11.如权利要求8至10之一所述的可移动的检测装置(20)，其特征在于，所述检测装置(25)的总质量不超过25kg。
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