CN102349121A - 具有改进的冷却系统的电力变压器 - Google Patents

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Abstract

一种电力变压器，包括：磁芯；布置成围绕磁芯的一部分并且包括多个绕组的至少一个线圈组件；适于对磁芯和/或绕组施加夹紧力的结构；以及，适于把冷却流体直接输送到线圈组件内的冷却回路。

Description

具有改进的冷却系统的电力变压器
技术领域
本发明涉及一种具有改进的冷却系统的电力变压器。已知在本领域中使用利用电磁感应来在电力线上适当地传输及分配电力的电感应设备，诸如电抗器或变压器等。
背景技术
特别地，电力变压器的基本任务是允许在两个或更多个通常具有不同电压的电力系统间交换电能。
最常见的电力变压器通常包括由轭架连接的一个或更多个铁芯(leg)或磁铁芯(limb)所组成的磁芯，其中，这些铁芯一起形成一个或更多个芯窗口。对于每个相，环绕着铁芯布置有包括了多个绕组的线圈，这些绕组通常表示为低压绕组和高压绕组、或初级绕组和次级绕组。还可以有控制绕组或调节绕组。
相绕组是通过缠绕适当的导体例如电线、电缆或带状导体以便获得期望的匝数而被实现的。典型的构造配置是例如所谓的多层配置或盘配置，其中，导体是围绕着圆柱形管来被缠绕的，对于用有用的材料填充可利用的区域并且还提供最短的回路强度，这表示了最佳的配置。
具体地，在多层绕组技术中，线圈所需的导体匝例如在一个或更多个串联的同心导体层中被缠绕而成的，每个导体层的匝沿着线圈的轴向长度方向并排缠绕而成直到该导体层满为止。在每对导体层之间放置了一层绝缘材料。也可以在每对导体层之间形成轴向延伸的冷却通道。在第7,023,312号美国专利中，预形成的冷却通道是在缠绕线圈时插入到导体层之间的。
在盘形绕组技术中，线圈所需的导体匝是例如在沿着线圈的轴向长度方向串联放置的多个盘中缠绕而成的，在每个盘中，匝沿径向方向缠绕而成，一匝在另一匝上，即，每层一匝。这些盘通常以串联回路关系连接，并且通常是从内向外与从外向内交替地被缠绕而成的，以使得可以用同一导体来形成盘。这样的交替绕组的示例在第5,167,063号美国专利中示出。
由于这些设备固有的结构特性和功能，各种的变压器部件，尤其是有源电磁部件例如绕组，会受到过热的影响。因此，为了确保变压器的恰当功能，一个非常重要的方面涉及为了冷却变压器的有源电磁部件尤其是相绕组而采用的系统。实际上，过高温度会损害绕组，尤其会损害绕组的绝缘元件，因而导致机械损耗/电损耗并给变压器的总体性能带来不利影响。
为此，在现有技术中并根据广泛使用的方案，将磁芯和各种线圈浸入被容纳于变压器箱内的冷却流体中，该冷却流体通常为矿物油。一个或更多个外部散热器设置在变压器箱的一侧或更多侧。由于自然对流，冷却流体流入散热器，与外界空气进行热交换，然后以较低的温度返回到箱内。有时候，通过使用泵来便于箱内冷却流体的循环。
虽然这种冷却方案工作正常，但期望提供具有进一步改进的冷却系统的电力变压器。本发明旨在这样的变压器。
发明内容
根据本发明，提供一种电力变压器，该电力变压器包括：磁芯；至少一个线圈组件，该至少一个线圈组件被布置成围绕所述磁芯的一部分并且包括多个绕组；适于对所述磁芯和/或绕组施加夹紧力的结构，所述夹紧结构包括至少第一夹杆；冷却回路，适于把冷却流体直接输送到所述至少一个线圈组件内。
附图说明
参照以下描述、所附权利要求和附图，本发明的各个特征、方面和优点将会变得更好理解，在附图中：
图1是示出了电力变压器的示例的透视图；
图2是示出了根据本发明的三相电力变压器的一些部件的透视图；
图3是更详细地示出了图2中的变压器的一部分的透视图；
图4至图5是示出了在具有分别根据多层配置和盘配置实现的绕组的线圈组件中使用的根据本发明的电力变压器的冷却系统的示意图。
具体实施方式
应该注意，在以下的详细描述中，相同的部件有相同附图标记，无论这些部件是否是在本发明的不同实施例中示出的。还应该注意，为了清楚简明地公开本发明，附图可以不必成比例绘制，且本发明的某些特征可以示出为略为示意的形式。
图1示出了由附图标记100所表示的电力变压器的示例性实施例，该变压器100包括容纳绝缘流体(例如矿物油或植物油)的箱101，并且为了冷却目的，变压器的一些电磁部件(即由磁芯和相绕组构成的组件)浸入在绝缘流体中。在箱101的一侧或更多侧设置有多个散热器元件102。根据本领域公知的因此在下文中并未详细描述的方案，可以根据许多构造布局来以各种不同形状成形的散热器元件102构成了广泛使用在电力变压器中的通常的冷却系统。
图2至图3示出了变压器100的位于箱101内部的部件的可能的实施例，其中，为了更加清楚地观察变压器100的一些部件，在图3中省略了已在图2中示出的一些部件。
如所示的，变压器100包括具有至少一个铁芯1的磁芯，在图2的实施例中，磁芯对于每一相包括一个铁芯1，也就是说共有3个铁芯，根据也是本领域公知因此在下文中并未详细描述的构造配置，铁芯1通过轭架2(图3中部分可见)互相连接。
虽然变压器100被示出并被描述为三相变压器，但是应该理解，本发明并不限于三相变压器。
如图2至图3所示，由附图标记10表示的至少一个线圈组件被布置成环绕磁芯的一部分，优选为环绕铁芯1；特别地，对变压器100的每个相都设置有线圈组件10，即，在附图所示的实施例中设置有三个线圈组件10。
每个线圈组件10都被布置成环绕磁芯的相关部分，例如相应的铁芯1，并且每个线圈组件10都包括多个绕组11，例如具有第一额定电压的内部绕组和被布置成环绕内部绕组并具有与第一额定电压不同的第二额定电压的外部绕组。如图所示，根据本领域公知的方案，通过环绕着管状元件来缠绕合适的导体(例如铜片或铝片)来建造绕组11以使得每一个线圈组件10都具有整体的圆柱状配置。如已知的，导体形成多个匝，并且可以根据在图4中所示意性示出的多层技术或者根据图5中所示意性示出的盘形配置对导体进行缠绕。此外，绕组11可以相互同心地布置，即，如前面所述的设置为一个绕组在另一个绕组内部，或者绕组11可以沿磁芯的相关部分轴向地放置，即，一个绕组在另一个绕组上面。
每个线圈组件10还包括设置在相邻匝之间的不同位置处的多个冷却通道12。
如图2中所更详细地示出的，变压器100包括适用于将夹紧力施加到磁芯和/或线圈组件10的绕组11上的结构或框架，该结构或框架总体由附图标记20表示。夹紧结构或框架20有以下任务：将磁芯和线圈组件10保持在其被设计到的恰当位置处，并用于使得磁芯和线圈组件10更加有效地抵挡在运输、安装及操作变压器期间所产生的力。
夹紧结构20包括至少第一夹杆21。优选地，在所示的实施例中，夹紧结构20包括第一夹杆21和第二夹杆22，第一夹杆21和第二夹杆22位于线圈组件10的一端，即较低端，并借助于一个或更多个连接元件23相互连接起来。在所示的实施例中，这些连接元件由横向的板23表示，可替代地，可以使用不同的元件例如拉杆或任何其他合适的元件。
此外，所示的夹紧结构20还包括第三夹杆24和第四夹杆25，第三夹杆24和第四夹杆25位于线圈组件10的第二端，即线圈组件10的上端，并借助于一个或更多个连接元件23相互连接起来，其中，连接元件23诸如横板23、拉杆或等效元件。
四个夹杆21、22、24、25(也可以用等效的术语例如芯夹(core clamps)来表示)由被适当地成形的金属片形成，沿并排布置的一系列线圈组件的方向延伸。另外，第一夹杆21和第三夹杆24、第二夹杆22和第四夹杆25分别借助于一个或更多个通常为拉杆的连接元件26相互连接起来，其中，这些夹杆一旦机械地连接起来，就允许对磁芯-线圈组件10施加夹紧力。在杆21、22、24和25与线圈组件10之间可以设置有一些元件27，例如，所谓的例如木制的缠绕台。
优选地，在根据本发明的电力变压器100中，除了传统的冷却散热器102之外，还设置有适于把冷却流体(诸如矿物油或植物油等)直接输送到至少一个线圈组件10内的专门的冷却回路30。优选地，根据本发明的冷却回路30适于把冷却流体直接输送到线圈组件10的一个或更多个冷却通道12内。
优选地，冷却回路30适于把冷却流体直接输送到每个线圈组件10内，更加优选地，冷却回路30适于把冷却流体直接输送到每个线圈组件10的一个或更多个冷却通道12内。
根据特定优选实施例，第一夹杆21是冷却回路30的一部分并适于允许冷却流体朝向至少一个线圈组件10流动，更加优选地，第一夹杆21适于允许冷却流体朝向每个线圈组件10流动。
为此，夹杆21适当地成形，例如，夹杆21具有闭合的通道状主体，其中，该闭合的通道状主体适于允许其内部的冷却流体通过而基本上没有泄漏。如下文中所进行的详细描述，夹杆21的主体在期望的位置处有一个或更多个入口和出口以便允许冷却流体从夹杆21的主体中流入流出。特别地，第一夹杆21与至少一个线圈组件10的内部部分流体连通，优选地，第一夹杆21与线圈组件10的一个或更多个冷却通道12流体连通，更优选地，第一夹杆21与每个线圈组件10流体连通，更特别地，第一夹杆21与每个线圈组件10的一个或更多个冷却通道12流体连通。
如图4所示意性示出，冷却回路30包括用于将冷却流体从流体容器泵送到第一夹杆21中的泵31。泵可以直接连接到第一夹杆21或者通过导管34连接到第一夹杆21。
优选地，冷却回路30所使用的冷却流体是容纳在箱101中的冷却流体，或者，可以将回路30所使用的流体容纳在不同的容器中。另外，根据本发明的冷却回路30包括能够连接到线圈组件10之一的第一流体扩散器32，并且包括从第一夹杆21横向伸出并且连接到第一流体扩散器32的一个或更多个管33。
优选地，冷却回路30包括多个流体扩散器32，其中，每个流体扩散器32都能够连接到相关联的线圈组件10并适于允许冷却流体流入到相关联的线圈组件10的一个或更多个冷却通道12中。每个流体扩散器32都借助于从第一夹杆21横向地伸出的一个或更多个管33连接到第一夹杆21。
每个扩散器32都包括可以根据应用而成形的主体。在附图的示例中，扩散器32具有环形体并且能够连接到相关联的线圈组件10的一端。环形体在上部可以完全地打开，即，环形体被配置为附接在线圈组件10的一端处的盖，或者环形体在上部可以闭合并在相关联的线圈组件10的冷却通道12的入口处设置有开口。
有利地，在根据本发明的电力变压器100中，第二夹杆22也是冷却回路30的一部分并且适于允许冷却流体朝向一个或更多个线圈组件10流动，第二夹杆22优选地适于允许冷却流体朝向所有的线圈组件10流动。优选地，第二夹杆22也能够耦连到泵31，具有与第一夹杆21的主体相同或非常类似的成形主体，并且与一个或更多个线圈组件10的内部部分流体连通。或者，能够使用能够连接到第二夹杆22的另一种泵，该泵泵送来自箱102的内部或来自另一个不同的流体容器的流体。
优选地，第二夹杆22与每个线圈组件10流体连通。更优选地，第二夹杆与每个线圈30的一个或更多个冷却通道流体连通。特别地，第二夹杆22借助于从第二夹杆22自身横向地伸出的一个或更多个管33连接到每个流体扩散器32。
最后，如图5所示意性示出，在一个或更多个线圈组件10内部可以提供一个或更多个导向元件35，该导向元件35位于相关联的线圈组件10内部并且具有适于将冷却流体导入到冷却通道12中的成形主体。例如，导向元件35可以由具有两个部分的平板所形成，其中，这两个部分被布置为使得冷却流体在冷却通道12内部适当地转变方向。
在实践中，已经发现，相对于已知的电力变压器，根据本发明的电力变压器给出了一些显著的优点和改进。确实，因为以下冷却回路的出现，所以相对于使用传统冷却装置(例如散热器)的已知类型的变压器，提高了变压器的总体冷却性能：该冷却回路把冷却流体强制地直接输送到线圈组件内、特别是不同的冷却通道内。要注意，这些改进是通过利用已知变压器中的一些现有部件例如夹杆实现的，并且这些改进可以用于不同类型的线圈绕组配置中。
由于总体改进的冷却系统，因此根据本发明的变压器与相同尺寸和特性的已知设备相比具有改进了的性能，或者根据本发明的变压器以较小尺寸并因此以较低成本提供了相同的性能。
如此设计的电力变压器能够有各种修改和变型，所有的修改和变型都在如所附权利要求限定的发明构思的范围之内。例如，一个或更多个部件例如夹杆或扩散器、或者导向元件都可以有不同的形状和位置。最后，所有细节还可以由其他的技术等效元件替代，并且，根据需要以及技术状态，材料和尺寸可以是任意的，只要与本申请的范围以及功能相一致。

Claims (16)

1.一种电力变压器(100)，其特征在于，所述电力变压器(100)包括：
-磁芯(1，2)；
-至少一个线圈组件(10)，被布置成围绕所述磁芯(1，2)的一部分并且包括多个绕组(11)；
-被配置为对所述磁芯(1，2)和/或绕组(11)施加夹紧力的结构(20)，所述夹紧结构(20)包括至少第一夹杆(21)；以及
-冷却回路(30)，被配置为把冷却流体直接输送到所述至少一个线圈组件(10)内。
2.根据权利要求1所述的电力变压器(100)，其特征在于，所述至少一个线圈组件(10)包括多个冷却通道(12)，所述冷却回路(30)被配置为把冷却流体直接输送到所述冷却通道(12)的一个或更多个内。
3.根据权利要求1或2所述的电力变压器(100)，其特征在于，所述第一夹杆(21)是所述冷却回路(30)的一部分并且被配置为允许所述冷却流体流向所述至少一个线圈组件(10)。
4.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的电力变压器(100)，其特征在于，所述第一夹杆(21)流体连通于所述至少一个线圈组件(10)的内部部分。
5.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的电力变压器(100)，其特征在于，所述冷却回路(30)包括用于将冷却流体从流体容器泵送到所述第一夹杆(21)中的泵(31)。
6.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的电力变压器(100)，其特征在于，所述冷却回路(30)包括第一流体扩散器(32)，所述第一流体扩散器(32)工作连接到所述至少一个线圈组件(10)并被配置为允许所述冷却流体流入所述冷却通道(12)中。
7.根据权利要求6所述的电力变压器(100)，其特征在于，所述冷却回路(30)包括一个或更多个管(33)，所述一个或更多个管(33)从所述第一夹杆(21)横向地伸出并且连接到所述第一流体扩散器(32)。
8.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的电力变压器(100)，其特征在于，所述电力变压器(100)包括一个或更多个导向元件(35)，所述一个或更多个导向元件(35)位于所述至少一个线圈组件(10)内部并且被配置为把所述冷却流体导入所述冷却通道(12)中。
9.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的电力变压器(100)，其特征在于，所述电力变压器(100)包括多个线圈组件(10)，所述多个线圈组件(10)中的每一个都包括多个绕组(11)并且被布置成围绕所述磁芯(1，2)的相应部分，其中，所述冷却回路(30)被配置为把冷却流体直接输送到所述多个线圈组件(10)的每一个内。
10.根据权利要求9所述的电力变压器(100)，其特征在于，所述线圈组件(10)中的每一个都包括多个冷却通道(12)，所述冷却回路(30)被配置为把冷却流体直接输送到每个线圈组件(10)的一个或更多个冷却通道(12)内。
11.根据权利要求9所述的电力变压器(100)，其特征在于，所述第一夹杆(21)流体连通于所述多个线圈组件(10)中的每个线圈组件(10)的内部部分。
12.根据权利要求10所述的电力变压器(100)，其特征在于，所述冷却回路(30)包括多个流体扩散器(32)，所述多个流体扩散器(32)中的每个都工作连接到所述多个线圈组件(10)中的相关线圈组件(10)，并且都被配置为允许所述冷却流体流入所述相关线圈组件(10)的所述冷却通道(12)中。
13.根据权利要求12所述的电力变压器(100)，其特征在于，所述多个扩散器(31)中的每个流体扩散器都借助于从所述第一夹杆(21)横向伸出的一个或更多个管(33)连接到所述第一夹杆(21)。
14.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的电力变压器(100)，其特征在于，所述夹紧结构(20)包括第二夹杆(22)，所述第二夹杆(22)是所述冷却回路(30)的一部分并且被配置为允许所述冷却流体流向所述线圈组件(10)中的一个或更多个。
15.根据权利要求14所述的电力变压器(100)，其特征在于，所述第二夹杆(22)工作耦连到所述泵(31)，并且流体连通于所述多个线圈组件(10)中的一个或更多个的内部部分。
16.根据权利要求15所述的电力变压器(100)，其特征在于，所述多个扩散器(32)中的每个流体扩散器(32)都借助于从所述第二夹杆(22)横向地伸出的一个或更多个管(33)连接到所述第二夹杆(22)。
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