CN102473508B - 具有改进冷却的干式变压器 - Google Patents

Abstract

一种具有安装到铁磁芯的线圈组件的配电变压器。所述线圈组件包括：安装到芯的树脂封装的低压线圈，布置在低压线圈周围的树脂封装的第一高压线圈，以及布置在第一高压线圈周围的树脂封装的第二高压线圈。第一高压线圈与低压线圈被环形第一间隔隔开，以及第二高压线圈与第一高压线圈被环形第二间隔隔开。低压线圈以及第一高压线圈和第二高压线圈被同心地布置。低压线圈以及第一高压线圈和第二高压线圈具有不同的轴向长度。

Description

具有改进冷却的干式变压器

对相关申请的交叉引用

本申请要求2009年6月30日提交的美国临时专利申请No.61/221,836的利益，其通过整体引用结合于此。

技术领域

本发明涉及变压器，且更具体地涉及具有改进冷却特征的干式变压器。

背景技术

众所周知，变压器将处于一个电压的电转换为处于另一电压的电，具有更高或更低的值。变压器使用初级线圈和次级线圈获得这种电压转换，其中每个线圈绕在铁磁芯上，以及包括若干匝电导体。初级线圈连接到电压源，以及次级线圈连接到负载。初级线圈的匝数与次级线圈匝数的比率(“匝数比”)和源电压与负载电压的比率相同。

变压器可以由空气或液体电介质冷却。空气冷却的变压器典型地称为干式变压器。在很多应用中，比如在商业建筑中或附近，优选使用干式变压器而不是液体冷却变压器。通常，干式变压器的线圈使用真空室、胶化炉等涂有电介质树脂或铸造在其中。将线圈封装在电介质树脂中保护线圈，但是导致了散热问题。为了从线圈周围散热，冷却管通常形成在线圈中预定的位置。这种冷却管提高了线圈的工作效率并延长了线圈的工作寿命。带有冷却管的树脂封装的示例公开在Lanoue等人的美国专利No.7,023,312中，其被转让给本发明的受让人，并通过引用结合于此。

虽然使用冷却管产生良好的结果，但是在线圈中创建冷却管增加了线圈的人工和材料成本。因此，需要提供带有减少或消除冷却管的使用的树脂封装线圈的变压器。本发明针对这种变压器。

发明内容

根据本发明，提供一种配电变压器，且该配电变压器包括安装到铁磁芯的线圈组件。所述线圈组件包括树脂封装的低压线圈、布置在低压线圈周围的树脂封装的第一高压线圈，以及布置在第一高压线圈周围的树脂封装的第二高压线圈。第一高压线圈与低压线圈被环形第一间隔隔开，以及第二高压线圈与第一高压线圈被环形第二间隔隔开。低压线圈以及第一高压线圈和第二高压线圈被同心布置。

根据本发明还提供了一种制造配电变压器的方法。所述方法包括提供铁磁芯、树脂封装的低压线圈、树脂封装的第一高压线圈以及树脂封装的第二高压线圈。将低压线圈安装到芯，以及将第一高压线圈布置在低压线圈周围以形成二者之间的环形第一间隔。将第二高压线圈布置在第一高压线圈周围以形成二者之间的环形第二间隔。

附图说明

根据下列说明、所附权利要求书和附图，将更好理解本发明的特征、方面和优点，其中：

图1是根据本发明实现的变压器的一部分的顶部前透视图；

图2是变压器的俯视图；

图3是安装在支撑块上的变压器的线圈组件的截面图，其中线圈组件具有根据本发明第一实施方式构建的第一和第二高压线圈；以及

图4是根据本发明第二实施方式构建的第一和第二高压线圈的一部分的截面图。

具体实施方式

应注意，在以下的详细说明中，相同部件具有相同标号，不论它们是否展示在本发明的不同实施方式中。还应注意，为了清楚简明地公开本发明，附图可能并非必然按规定比例，以及本发明的某些特征可以展示为某些示意形式。

现在参考图1和图2，展示了根据本发明实现的配电变压器10的一部分。变压器10是配电变压器且具有的kVA额定值范围为从约112.5kVA到约15000kVA。变压器10的高压侧具有的电压范围从约600V到约35kV，而变压器10的低压侧具有的电压范围从约120V到约15kV。

变压器10包括安装到芯18并封闭在外壳(未示出)中的至少一个线圈组件12。如果变压器10是单相变压器，则仅提供一个线圈组件12，而如果变压器10是三相变压器，则提供三个线圈组件12(每相一个)。芯18由铁磁金属(比如硅晶粒取向钢)组成，以及可能一般形状为矩形。芯18包括在一对轭24之间延伸的至少一个支柱22(仅示出其中之一)。三个均匀间隔的分开的支柱22可在轭24之间延伸，如果变压器10是单相变压器，单个线圈组件12可以安装到以及布置在支柱22的中间一个的周围。如果变压器10是三相变压器，三个线圈组件12被安装到以及分别布置在支柱22周围。最好如图2所示，每个支柱22可由具有不同宽度的多个板形成，其用于为支柱22提供十字形截面。

每个线圈组件12包括树脂封装的低压线圈26和包括树脂封装的第一和第二高压线圈30、32的高压线圈组件28。下面将更详细地说明，每一低压线圈26、第一高压线圈30和第二高压线圈32单独产生，以及然后被安装到芯18。低压线圈26以及第一和第二高压线圈30、32中的每一个各自可以是圆筒形的。如果变压器10是降压变压器，高压线圈组件28形成初级线圈结构以及低压线圈26形成次级线圈结构。可替换地，如果变压器10是升压变压器，高压线圈组件28形成次级线圈结构以及低压线圈26形成初级线圈结构。在每一个线圈组件12中，第一和第二高压线圈30、32以及低压线圈26被同心地安装，低压线圈26布置在第一和第二高压线圈30、32内部并且自其径向朝内。最好如图2所示，低压线圈26与第一高压线圈30被环形高/低间隔36隔开，其径向宽度决定线圈组件12的阻抗值。高/低间隔36延伸第一高压线圈30的整个轴向长度且具有开放末端。第一高压线圈30与第二高压线圈32被环形冷却间隔38隔开，其延伸第二高压线圈32的整个轴向长度且具有开放末端。第一高压线圈30与第二高压线圈32通过一个或多个跳线电连接，下面将详细说明。

第一高压线圈30、第二高压线圈32和低压线圈26都具有不同的轴向长度。更具体地，低压线圈26具有比第一高压线圈30更大的轴向长度，第一高压线圈30具有比第二高压线圈32更大的轴向长度。轴向长度的这些不同最好示出在图3中。在本发明的另一实施方式中，低压线圈26可以与第一高压线圈30具有相同的轴向长度。

一个或多个抽头从第一高压线圈30延伸以及一个或多个抽头从第二高压线圈32延伸。这些抽头的数量和设置取决于第一和第二高压线圈30、32的绕组结构，下面将更详细说明。如图1和图3所示，抽头40、42和44横向地或径向地从第二高压线圈32的外表面向外延伸，而抽头46、48横向地或径向地从第一高压线圈30的外表面向外延伸。抽头46布置在第二高压线圈32的顶部上方，以及抽头48布置在第二高压线圈32的底部下方。

现在参考图3，图示了由多个支撑块50支撑的线圈组件12的截面图。为了更好地展示线圈组件12的特征，图3中未展示芯18。支撑块50支撑和保持低压线圈26以及第一和第二高压线圈30、32的相对位置。使用2个或更多块50支撑每个线圈。在一个实施方式中，使用4个块50支撑每个线圈。支撑块50由坚固耐用的绝缘材料组成，比如高冲击塑料。这种塑料的示例包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)以及环氧树脂。这种塑料可以是纤维增强的。每个块50包括用于线圈组件12的每个线圈的水平支撑表面52。支撑表面52被帮助形成和保持每对线圈之间的间隔的垂直延伸的间隔物54隔开。支撑表面52a支撑低压线圈26，支撑表面52b支撑第一高压线圈30以及支撑表面52c支撑第二高压线圈32。间隔物54a帮助形成和保持高/低间隔36以及间隔物54b帮助保持和形成冷却间隔38。间隔物54a延伸到高/低间隔36中，而间隔物54b延伸到冷却间隔38中。

低压线圈26、第一高压线圈30和第二高压线圈32每一个单独形成。这些线圈中每一个可以使用分层绕组技术形成，其中导体绕在一个或多个串联的同心导体层中。导体可以是一个或多个条带、一个或多个片或者具有矩形或圆形横截面。导体可以由铜或铝组成。绝缘材料层布置在每对导体层之间。

替代由分层绕组技术形成，第一和第二高压线圈30、32中每一个可以使用盘式绕组技术形成，如图3所示。在这种技术中，一个或多个导体被绕在沿线圈的轴长度方向串行布置的多个盘56中。在每个盘56中，线匝按径向方向缠绕，一个在另一个顶部，即每层一匝。盘56以串联电路关系连接，以及典型地将交替地从内向外缠绕和从外向内缠绕。盘56可以连续缠绕或具有降压(drop-down)。绝缘层可以布置在每层导体或每匝导体之间。绝缘层可由聚酰亚胺膜组成。

如图3所示，第一和第二高压线圈30、32的绕组可以开始于第一高压线圈30的顶部，在主抽头46处，以及继续向下到第一高压线圈30的底部。连接在抽头44、48之间的跳线58将第一高压线圈30的盘56中最底部的那个盘连接到第二高压线圈32的盘56中最底部的那个盘。绕组继续向上到第二高压线圈32的顶部，一对相邻盘56之间具有缝隙，以及结束于主抽头42。抽头40是标称的抽头，用于根据输入(标称)功率(如果变压器10是降压变压器)选择变压器10的匝数比。一对标称抽头40通过跳线(未示出)连接在一起，以关闭缝隙并使高压绕组电路完整。主抽头42、46用于到电压源的连接以及，如果变压器10是三相变压器，则用于到另一高压线圈组件28的一个或多个主抽头42、46的连接。如果变压器10是三相变压器，高压线圈组件28可以按三角形配置或Y形(或星形)配置连接在一起。

应该理解，可以提供具有不同于图3所示的绕组结构的其他高压线圈。例如，图4图示了可用于替代第一和第二高压线圈30、32的第一高压线圈60和第二高压线圈62的一部分的截面图。第一和第二高压线圈60、62的绕组开始于第二高压线圈62的中心，在主抽头64处，以及继续到第二高压线圈62的顶部。连接在标称抽头68、70之间的跳线66将第二高压线圈62的盘56中位于顶部部分的盘连接到第一高压线圈60的盘56中位于顶部部分的盘。绕组继续沿第一高压线圈60向下到最底部的盘56之一。连接在标称抽头76、78之间的跳线74将第一高压线圈60的盘56中位于底部部分中的盘连接到第二高压线圈62的盘56中位于底部部分的盘。绕组继续向上到第二高压线圈62的中心，以及结束于主抽头80处。虽然未示出，但在第一和第二高压线圈60、62中每个的顶部提供其他标称抽头以及在第一和第二高压线圈60、62中每个的底部提供其他标称抽头。将第一和第二高压线圈60、62的顶部和底部处不同对的标称抽头连接在一起改变了变压器10的匝数比。

在图3所示的实施方式中，低压线圈26由交替的薄片导体层和薄片绝缘层形成，它们连续缠绕在包裹在由玻璃织物组成的绝缘层中的内部金属模具周围。薄片导体层可以由具有与低压线圈26的轴向长度基本相同的宽度的连续的传导薄片形成。

在图3所示的本发明的实施方式中，线圈26、30、32中都没有形成冷却管。因此，线圈26、30、32中每一个基本是实心的且没有冷却通道在其中延伸。但是，在其他实施方式中，可以在线圈26、30、32的全部或一些中的导体层之间形成有限数量的冷却管。冷却管可以如Lanoue等人的美国专利No.7023312所示那样预先形成，其通过引用结合于此。

对于每个线圈26、30、32，一旦线圈已缠绕，使用铸造工艺，线圈被封装在绝缘树脂82中。线圈被放置在金属模具中以及在炉中预热以去除绝缘和绕组的潮湿。这个预热的步骤也可用于固化浸在插入到导体的匝之间的绝缘层中的任何粘合剂/树脂。然后，线圈/模具组件被放置在真空铸造室中，其然后被抽真空以去除任何剩余的潮湿和气体。树脂82(处于液态)然后被注入仍保持在真空的模具中，直到线圈被完全浸没。线圈保持在树脂82中浸没足以允许树脂82浸没绝缘层以及填充相邻线圈绕组之间的所有间隔的一段时间。然后，真空被释放以及线圈/模具组件被从真空室中移除。随后线圈被放置在炉中以使树脂82固化成固态。当树脂82被完全固化之后，线圈/模具组件被从炉中移除以及模具组件被从线圈中移除。

绝缘树脂82可以是环氧树脂或聚脂树脂。已发现环氧树脂特别适合用作绝缘树脂82。环氧树脂可以是填充或未填充的。可用于绝缘树脂82的环氧树脂的示例公开在美国专利No.6852415中，其被转让给ABB Research Ltd.且通过引用结合于此。可用于绝缘树脂82的环氧树脂的另一示例是Rutapox VE-4883，其来自德国的Iserlohn的Bakelite AG，可在市场上买到。

在线圈26、30、32已被分别形成之后，线圈26、30、32被安装到芯18的支柱22。支撑块50被放置在支柱22周围较低的轭24的顶部上的其期望位置中。支撑块50可通过粘合剂或物理紧固件固定到轭24。低压线圈26首先被布置在支柱22上以及被定位静止在支撑块50的支撑表面52a上，间隔物54a从低压线圈26的外表面沿径向向外布置。然后第一高压线圈30布置在低压线圈26之上以及定位静止在支撑块的支撑表面52b上，间隔物54a从第一高压线圈30的内表面沿径向向内布置以及间隔物54b从第一高压线圈30的外表面沿径向向外布置。然后第二高压线圈32布置在第一高压线圈30之上以及定位静止在支撑块50的支撑表面52c上，间隔物54b从第二高压线圈32的内表面沿径向向内布置。在第一和第二高压线圈30、32被安装到支柱22之前或之后，第一和第二高压线圈30、32可以电连接在一起。

虽然已经图示和说明了仅两个高压线圈30、32，但是应理解可使用另外的高压线圈。例如，可提供具有3个或4个同心设置的被环形冷却间隔隔开的高压线圈的变压器。此外，替代提供单个的低压线圈26，可提供多个同心设置的被环形冷却间隔隔开的低压线圈。

可以理解上述一个或多个示例性实施方式的说明仅是为了图示而不是穷举本发明。本领域普通技术人员将能对公开的主题的一个或多个实施方式做出某些增加、删除和/或修改，而不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种配电变压器，包括：

铁磁芯；

安装到芯的线圈组件，所述线圈组件包括：

树脂封装的低压线圈；

布置在树脂封装的低压线圈周围的树脂封装的第一高压线圈；以及

布置在树脂封装的第一高压线圈周围的树脂封装的第二高压线圈；以及

其中树脂封装的第一高压线圈与树脂封装的低压线圈被环形第一间隔隔开，以及树脂封装的第二高压线圈与树脂封装的第一高压线圈被环形第二间隔隔开，以及其中树脂封装的低压线圈以及树脂封装的第一高压线圈和树脂封装的第二高压线圈被同心地布置，并且其中所述树脂封装的第一高压线圈具有与所述树脂封装的第二高压线圈不同的轴向长度。

2.根据权利要求1所述的配电变压器，其中所述第一高压线圈与所述第二高压线圈具有不同的轴向长度。

3.根据权利要求2所述的配电变压器，其中所述低压线圈与所述第一高压线圈具有不同的轴向长度。

4.根据权利要求2所述的配电变压器，其中所述线圈组件被支撑在多个块上，每个块具有第一水平表面、第二水平表面和第三水平表面，分别用于支撑低压线圈、第一高压线圈和第二高压线圈。

5.根据权利要求4所述的配电变压器，其中第一水平表面和第二水平表面被垂直延伸的第一间隔物隔开，以及第二水平表面和第三水平表面被垂直延伸的第二间隔物隔开。

6.根据权利要求5所述的配电变压器，其中所述第一间隔物延伸到第一间隔中以及所述第二间隔物延伸到第二间隔中。

7.根据权利要求4所述的配电变压器，其中第一水平表面、第二水平表面和第三水平表面分别布置在不同的高度处。

8.根据权利要求1所述的配电变压器，其中所述低压线圈是次级线圈以及所述第一高压线圈和所述第二高压线圈是初级线圈。

9.根据权利要求1所述的配电变压器，其中所述低压线圈、所述第一高压线圈和所述第二高压线圈每一个被封装在环氧树脂中。

10.根据权利要求1所述的配电变压器，其中所述配电变压器是三相变压器，所述线圈组件是第一线圈组件，以及所述配电变压器还包括第二线圈组件和第三线圈组件，其中每一个具有与第一线圈组件基本相同的构造。

11.根据权利要求1所述的配电变压器，还包括多个第一抽头，其横向地从第一高压线圈的外表面向外延伸。

12.根据权利要求11所述的配电变压器，还包括多个第二抽头，其横向地从第二高压线圈的外表面向外延伸。

13.根据权利要求11所述的配电变压器，其中所述第一抽头的至少一个布置在所述第二高压线圈的顶端之上。

14.根据权利要求11所述的配电变压器，其中所述抽头的至少一个布置在所述第二高压线圈的底端之下。

15.根据权利要求1所述的配电变压器，其中所述第一高压线圈不具有在所述第一高压线圈的顶端和底端之间延伸的任何冷却通道。

16.根据权利要求1所述的配电变压器，其中所述第一高压线圈电连接到所述第二高压线圈。

17.一种制造配电变压器的方法，所述方法包括：

提供铁磁芯；

提供树脂封装的低压线圈；

提供树脂封装的第一高压线圈；

提供树脂封装的第二高压线圈；

将树脂封装的低压线圈安装到芯；

在树脂封装的低压线圈周围布置树脂封装的第一高压线圈，以形成二者之间的环形第一间隔；以及

在树脂封装的第一高压线圈周围布置树脂封装的第二高压线圈，以形成二者之间的环形第二间隔，其中所述树脂封装的第一高压线圈具有与所述树脂封装的第二高压线圈不同的轴向长度。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括将所述第一高压线圈电连接到所述第二高压线圈。

19.根据权利要求17所述的方法，还包括：

提供多个支撑块，每个支撑块具有第一水平表面、第二水平表面和第三水平表面，第一水平表面和第二水平表面被垂直延伸的第一间隔物隔开，以及第二水平表面和第三水平表面被垂直延伸的第二间隔物隔开；以及

将多个支撑块放置得接近于芯；以及

其中安装低压线圈的步骤包括：将低压线圈放置在芯的支柱上以及支撑块的第一水平表面上以使得第一间隔物布置为从低压线圈的外表面沿径向向外；以及

其中布置第一高压线圈的步骤包括：将第一高压线圈布置在支撑块的第二水平表面上以使得第一间隔物布置为从第一高压线圈的内表面沿径向向内以及第二间隔物布置为从第一高压线圈的外表面沿径向向外；以及

其中布置第二高压线圈的步骤包括：将第二高压线圈放置在支撑块的第三水平表面上以使得第二间隔物布置为从第二高压线圈的内表面沿径向向内。

20.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一高压线圈与所述第二高压线圈具有不同的轴向长度。