CN102666463B - 变压器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及变压器(2)，其包括：电有源部分(4)，其配置在绝缘空间(14)中且包括初级绕组(8)、次级绕组(6)和磁芯(10)，所述绕组(6、8)缠绕磁芯(10)且由包含绝缘流体(16；16a)的绕组空间(12)彼此径向间隔开。所述变压器(2)还包括限定隔室(20)使其封闭且与剩余绝缘空间(22)隔开的隔块(18)，所述封闭隔室(20)至少部分地配置在所述绕组空间(12)内。本发明的特征在于所述封闭隔室(20)包含绝缘流体(16a)，所述绝缘流体(16a)与在所述变压器(2)的剩余绝缘空间(22)中包含的绝缘流体(16b)不同，在所述封闭隔室(20)中包含的所述绝缘流体(16a)具有比在所述剩余绝缘空间(22)中包含的所述绝缘流体(16b)高的介电击穿场强。
Description
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的变压器和根据权利要求13所述的变压器在10-300kV、优选20-150kV、更优选36-110kV范围内且最优选约72.5kV的电压下的用途。
变压器在本领域中熟知且称为经感应耦合的导体(即变压器绕组)将电能从一个电路传输到另一电路的装置。一般来讲，绕组缠绕磁芯。在第一(“初级”)绕组中的电流在磁芯中产生磁场，所述磁场在第二(“次级”)绕组中引发电压。该效应称为互感。
包括绕组和磁芯的电有源部分的各部件必须视在其间的介电需求而彼此绝缘。
就绝缘而言，可分成两种类型的变压器：
一方面，在液体或气体变压器中，包括绕组和磁芯的电有源部分(electricalactive part)配置在填充了具有比空气好的绝缘性质的介电绝缘介质的槽或容器中。具体地讲，在液体绝缘变压器中，绝缘介质为液体，诸如油、聚硅氧烷或Midel，且在气体绝缘变压器中，绝缘介质为气体，诸如处于大气压或高压下的SF6或N2。
另一方面，干式变压器没有槽，且电有源部分因此由常压空气围绕。
对于高于36kV的电压，通常使用气体或液体变压器。由于绝缘介质具有比较高的绝缘性能，在电有源部分的各部件之间的间隙比较小。然而，这些变压器具有比较复杂且由于使用槽和不同于空气的绝缘介质而成本比较高的缺点。并且，在这类变压器中常需要冷却装置以主动冷却绝缘空间，且尤其是在绕组之间的空间。这些冷却装置进一步导致气体和液体变压器的复杂性和高成本。
通常在至多36kV的电压下使用的干式变压器较不复杂，但具有由于空气的较低的绝缘性能而引起的间隙大的缺点。因此，干式变压器的空间需求比较大且其重量比较大。由于材料的需求量，因此干式变压器的成本也比较高。
基于目前工艺水平的上述缺点，本发明的目标在于提供一种变压器，即使指定比较高的电压，其也允许非常简单且紧凑的设计且同时也允许制造成本显著降低。
该目标由根据权利要求1所述的变压器解决。在从属权利要求中给出所述变压器的优选实施方案。
本发明的变压器包括限定隔室使其封闭且与所述变压器的剩余绝缘空间隔开的隔块。所述封闭隔室至少部分地配置在绕组之间的空间内，即在绕组空间内。
所述变压器的特征在于所述封闭隔室包含与在变压器的剩余绝缘空间中包含的绝缘流体不同的绝缘流体，在封闭隔室中包含的绝缘流体具有比在剩余绝缘空间中包含的绝缘流体高的介电击穿场强。
本发明利用了在绕组之间的间隙与例如在高压绕组和磁芯之间的间隙相比对变压器的总制造成本具有大得多的影响的发现。具体地讲，绕组之间的间隙与变压器的阻抗有关，其对绕组的匝数和磁芯的截面积有影响。一般来讲，本发明的变压器的绕组为环形绕组(circular windings)。
由于存在封闭隔室，因此，在介电性能至关重要的地方即在绕组空间，可选择性地提供具有特别高的介电性能、尤其是高介电击穿场强的绝缘流体。因此，根据本发明的绕组之间的间隙被显著降低，其伴随着变压器电阻较低、绕组匝数较高、磁芯截面积减小和最终制造成本降低。
在封闭隔室外部的剩余绝缘空间中，可在不显著增加变压器的重量的情况下使用常压空气，且因此仅适度增加变压器的空间尺寸且可获得紧凑的变压器而不需要槽。
因此，与油或气体绝缘的常规变压器相比较，根据本发明通过消除槽和较大部分的绝缘介质的成本而实现节约。与干式常规变压器相比较，根据本发明通过减少磁芯所需要的材料量而实现节约。该第二方面的经济影响非常明显，其通过在常规干式变压器中磁芯的材料成本占变压器总成本的约一半的事实而得到强调。
由于在绕组空间中的高绝缘性能，本发明的变压器可在高至较高的电压下使用。
因此，本发明组合了干式变压器的优势与液体或气体变压器的优势。
根据一个优选的实施方案，所述封闭隔室至少大致对应绕组空间。
在根据本发明的变压器的封闭隔室和剩余绝缘空间中使用的绝缘流体可为液相或气相。也可以考虑所述绝缘流体形成包括处于液相的第一部分和处于气相的第二部分的两相体系。
例如，在封闭隔室中包含的绝缘流体可为包含以下或基本由以下组成的绝缘气体：处于高压的SF6或空气或具有高介电性能、尤其具有高介电击穿场强的任何其他绝缘气体。或者，所述绝缘流体可为例如选自Midel 7131(M&I Materials Limited)、硅油和矿物油的绝缘液体。
根据又一优选的实施方案，所述封闭隔室包含具有比在变压器的剩余空间中包含的绝缘气体高的压力的绝缘气体。由于绝缘流体的介电性能可通过增加其压力而增强的事实，所以这是有利的。例如，处于5atm(506625Pa)的绝对压力的空气具有比处于常压的空气高到约3倍的介电强度，以使得可以使初级(高压)绕组和次级(低压)绕组之间的间隙减小约60％-70％。
如果在约2atm(202650Pa)-5atm(506625Pa)的绝对压力下使用，除了空气以外，已经发现选自N2、CO2、SF6的绝缘气体或选自在CO2中的SF6(SF6的摩尔比通常为约1％)或在N2中的SF6(SF6的摩尔比通常为约5％-10％)的绝缘气体混合物特别合适。
根据一个特别优选的实施方案，所述绝缘流体包含具有4-12个碳原子的氟酮。已经意外地发现这些氟酮具有高绝缘能力或绝缘性能、尤其是高介电强度(或击穿场强)，且同时具有极低的全球变暖潜力(GWP)。
一般来讲，根据该优选的实施方案的氟酮具有通用结构：
R1-CO-R2
其中R1和R2为至少部分氟化的链，所述链彼此独立地为直链或支链且具有1-10个碳原子。该定义涵盖全氟酮以及氢氟酮。
更优选所述氟酮具有6个碳原子(也称作C6-氟酮)。如上所提到，所述C6-氟酮可为全氟酮(具有分子式C6F12O)或氢氟酮。
如果使用绝缘气体，则其可为气体混合物，其优选包含上述氟酮以及作为缓冲气或载气的空气或至少一种空气组分，尤其选自二氧化碳(CO2)、氧气(O2)和氮气(N2)。或者，所述绝缘气体可基本由氟酮组成。
在具有6个碳原子的最优选的氟酮之中，已经发现十二氟-2-甲基戊-3-酮由于其高绝缘性质及其极低的GWP而特别优选。
先前仅考虑十二氟-2-甲基戊-3-酮(也称为1，1，1，2，2，4，5，5，5-九氟-4-(三氟甲基)-3-戊酮、全氟-2-甲基-3-戊酮或CF3CF2C(O)CF(CF3)2)可用于完全不同的应用，即，加工熔融活性金属(如在WO 2004/090177中所提到)、用于清洁蒸气反应器(如在WO 02/086191中所提到)和用在灭火体系中或以液态用于冷却电子系统或在小型发电站中用于Rankine过程(如在EP-A-1764487中所提到)。
十二氟-2-甲基戊-3-酮为透明无色且几乎无味的。其结构式如下给出：
十二氟-2-甲基戊-3-酮在大气中具有约5天的平均寿命且其GWP仅为约1。另外，其臭氧消耗潜力(ODP)为零。因此，环境负担比典型常规绝缘气体之一低得多。
另外，十二氟-2-甲基戊-3-酮无毒性且提供人类安全性的突出容限。
十二氟-2-甲基戊-3-酮在1巴下具有49.2℃的沸点。在25℃下其蒸气压(即，蒸气与其非气相平衡时的压力)为约40kPa。因此，甚至可在比较低的温度下获得足以提供优良介电性质的十二氟-2-甲基戊-3-酮的分压。
根据又一优选的实施方案，所述绕组包埋在隔块材料中。在该实施方案中，所述隔块材料进一步对绕组之间的绝缘作出贡献。
所述隔块材料的介电常数优选高于封闭隔室中包含的绝缘流体的介电常数。更优选所述隔块材料的介电常数高到至少1.5倍且更优选高到3倍。
由于在封闭隔室中的绝缘流体的介电常数比隔块材料的介电常数低，所以降低了隔块材料的介电应力和放电现象且因此极低。因此，由于不存在放电现象，隔块材料的介电可靠性和寿命得到改善且不依赖于其品质。
根据一个特别优选的实施方案，所述隔块优选由环氧树脂制成。所述环氧树脂具有约4.3的相对介电常数，其因此比例如在空气(相对介电常数为1)和十二氟-2-甲基戊-3-酮(相对介电常数为1.84)中高得多。
为了进一步改善在绕组空间中获得的介电性能，根据又一优选的实施方案，所述封闭隔室由至少一个障壁分成至少两个子隔室。
根据又一优选的实施方案，所述变压器还包括指定用以控制封闭隔室中的压力的压力控制系统。由例如气体泄漏或温度改变引起的压力变化可借助于压力控制系统有效补偿。
为了让隔块冷却，进一步优选所述变压器还包括冷却系统，所述冷却系统包括使绝缘流体在从封闭隔室到在其中释放热的外部空间的闭合环路中循环的装置。这对于热成为问题的实施方案特别优选，因为绕组空间不能像在上述常规干式和气体/液体变压器中一样通过绝缘流体的对流来冷却。具体地说，所述冷却系统包括让绝缘流体在封闭隔室和外部冷却空间之间循环的泵，其中绝缘流体例如借助于外部换热器冷却。
本发明的变压器特别适合在10kV-300kV、优选20kV-150kV、更优选36kV-110kV且最优选约72.5kV的电压下使用。这归因于这样一个事实，在所提到的范围内可以实现材料需求量的最大程度减少且因此成本的相应节约。
通过图1进一步说明本发明，图1示意性表示根据本发明的变压器的一部分上的剖视图。
根据图1的变压器2包括电有源部分4，其包括作为电有源部分各部件的初级绕组8、次级绕组6和磁芯10。
绕组6、8缠绕磁芯10且通过绕组空间12彼此径向间隔开。在图1中给出的实施方案中，径向内部次级绕组6为低压绕组且径向外部初级绕组8为高压绕组。
电有源部分4配置在包含绝缘流体16的绝缘空间14中。
根据图1，绕组6、8包埋在由环氧树脂制成的隔块18中，所述隔块18限定封闭隔室20使其与剩余绝缘空间22隔开。该封闭隔室20配置在绕组6、8之间且因此在绕组空间12内。在图1中所示的实施方案中，封闭隔室20具有细长形状且具有伸出绕组6、8的上端6’、8’和下端6”、8”的末端。在封闭隔室20中，配置纵向延伸的障壁24，将封闭隔室20分成两个子隔室26a、26b。该实心障壁24将防止绝缘流体16a的带电组分(charged component)在封闭隔室20中电加速并诱发任何闪络。
配置在绕组空间12内的封闭隔室20与剩余绝缘空间22完全隔开的事实允许封闭隔室20包含与剩余绝缘空间22的绝缘流体16b不同和/或具有不同压力的绝缘流体16a。因此，可在绕组空间12中选择性地提供特别高的介电强度。
所述电有源部分可由槽(未示出)包围，诸如在常规液体或气体变压器中，且因此其配置在封闭绝缘空间中。或者，变压器2可没有槽，诸如在常规干式变压器中。在封闭隔室20外部的剩余绝缘空间22中的绝缘流体在该后一实施方案中为常压空气。
图1还示意性表示了用以冷却隔块18的冷却系统28。冷却系统28将优选包括使绝缘流体16a在从封闭隔室20到在其中释放热的外部空间30的闭合环路中循环的装置。这对于热成为问题的实施方案特别优选，因为绕组空间12不能像在常规干式和气体/液体变压器中一样通过绝缘流体16或16a、16b的对流来冷却。具体地说，冷却系统28可包括让在另外封闭隔室20中包含的绝缘流体16a在封闭隔室20和外部冷却空间30之间循环的泵，其中绝缘流体16a例如借助于外部换热器冷却。
图1此外示意性表示包括指定用以控制封闭隔室20中的压力的压力控制系统32的变压器2的实施方案。由例如气体泄漏或温度改变引起的压力变化可借助于压力控制系统32有效补偿。
附图标记清单
2 变压器
4 电有源部分
6 次级绕组
8 初级绕组
10 磁芯
12 绕组空间，绕组间隙空间
14 绝缘空间
16 绝缘流体
16a 在封闭隔室中包含的绝缘流体
16b 在剩余绝缘空间中包含的绝缘流体
18 隔块
20 封闭隔室
22 剩余绝缘空间
24 障壁
26a，26b 子隔室
28 冷却系统
30 外部空间、热交换或冷却空间
32 压力控制系统
Claims (27)
1.变压器(2)，其包括：
电有源部分(4)，其配置在绝缘空间(14)中且包括初级绕组(8)、次级绕组(6)和磁芯(10)，
所述绕组(6、8)缠绕所述磁芯(10)且由包含绝缘流体(16a, 16b)的绕组空间(12)彼此径向间隔开，
其中所述变压器(2)还包括限定与剩余绝缘空间(22)隔开的封闭隔室(20)的隔块(18)，所述封闭隔室(20)至少部分地配置在所述绕组空间(12)内，
其特征在于所述封闭隔室(20)包含绝缘流体(16a)，所述绝缘流体(16a)与在所述变压器(2)的剩余绝缘空间(22)中包含的绝缘流体(16b)不同，在所述封闭隔室(20)中包含的所述绝缘流体(16a)具有比在所述剩余绝缘空间(22)中包含的所述绝缘流体(16b)高的介电击穿场强，且其特征在于在所述封闭隔室(20)中包含的所述绝缘流体(16a)和/或在所述剩余绝缘空间(22)中包含的所述绝缘流体(16b)包含具有4-12个碳原子的氟酮。
2.前述权利要求1的变压器(2)，其特征在于所述封闭隔室(20)至少大致对应所述绕组空间(12)。
3.前述权利要求1的变压器(2)，其特征在于所述封闭隔室(20)包含绝缘气体(16a)，所述绝缘气体(16a)具有比在所述变压器(2)的剩余绝缘空间(22)中包含的绝缘气体(16b)高的压力。
4.前述权利要求1的变压器(2)，其特征在于所述氟酮的通用结构为R1-CO-R2，其中R1和R2为至少部分氟化的链，所述链彼此独立地为直链或支链且具有1-10个碳原子，所述氟酮为全氟酮或氢氟酮。
5.前述权利要求3的变压器(2)，其特征在于所述氟酮的通用结构为R1-CO-R2，其中R1和R2为至少部分氟化的链，所述链彼此独立地为直链或支链且具有1-10个碳原子，所述氟酮为全氟酮或氢氟酮。
6.前述权利要求4的变压器(2)，其特征在于所述绝缘流体(16)为十二氟-2-甲基戊-3-酮。
7.前述权利要求1的变压器(2)，其特征在于所述变压器(2)没有槽，且在封闭隔室(20)外部的剩余绝缘空间(22)中的绝缘流体(16, 16b)为常压空气。
8.前述权利要求2-6中任一项的变压器(2)，其特征在于所述变压器(2)没有槽，且在封闭隔室(20)外部的剩余绝缘空间(22)中的绝缘流体(16, 16b)为常压空气。
9.前述权利要求1的变压器(2)，其特征在于所述绕组(6、8)包埋在所述隔块(18)的材料中。
10.前述权利要求2-7中任一项的变压器(2)，其特征在于所述绕组(6、8)包埋在所述隔块(18)的材料中。
11.前述权利要求1的变压器(2)，其特征在于所述隔块(18)的材料的相对介电常数比在所述封闭隔室(20)中的绝缘流体(16a)的相对介电常数高。
12.前述权利要求11的变压器(2)，其特征在于所述隔块(18)的材料的相对介电常数比在所述封闭隔室(20)中的绝缘流体(16a)的相对介电常数高至少1.5倍。
13.前述权利要求2-7和9中任一项的变压器(2)，其特征在于所述隔块(18)的材料的相对介电常数比在所述封闭隔室(20)中的绝缘流体(16a)的相对介电常数高。
14.前述权利要求13的变压器(2)，其特征在于所述隔块(18)的材料的相对介电常数比在所述封闭隔室(20)中的绝缘流体(16a)的相对介电常数高至少1.5倍。
15.前述权利要求1的变压器(2)，其特征在于所述隔块(18)由环氧树脂制成。
16.前述权利要求2-7，9和11中任一项的变压器(2)，其特征在于所述隔块(18)由环氧树脂制成。
17.前述权利要求1的变压器(2)，其特征在于所述封闭隔室(20)由至少一个障壁(24)分成至少两个子隔室(26a、26b)。
18.前述权利要求2-7，9，11和15中任一项的变压器(2)，其特征在于所述封闭隔室(20)由至少一个障壁(24)分成至少两个子隔室(26a、26b)。
19.前述权利要求1的变压器(2)，其特征在于其还包括指定用以控制在所述封闭隔室(20)中的压力的压力控制系统(32)。
20.前述权利要求2-7，9，11，15和17中任一项的变压器(2)，其特征在于其还包括指定用以控制在所述封闭隔室(20)中的压力的压力控制系统(32)。
21.前述权利要求2-7，9，11，15，17和19中任一项的变压器(2)，其特征在于其还包括用于冷却所述隔块(18)的冷却系统(28)，所述冷却系统(28)包括用以使所述绝缘流体(16a)在从所述封闭隔室(20)到在其中释放热的外部空间(30)的闭合环路中循环的装置。
22.前述权利要求12的变压器(2)，其特征在于所述隔块(18)的材料的相对介电常数比在所述封闭隔室(20)中的绝缘流体(16a)的相对介电常数高超过3倍。
23.前述权利要求14的变压器(2)，其特征在于所述隔块(18)的材料的相对介电常数比在所述封闭隔室(20)中的绝缘流体(16a)的相对介电常数高超过3倍。
24.前述权利要求1-7，9，11，15，17和19中任一项的变压器(2)在10kV-300kV的电压下操作的用途。
25.前述权利要求24的用途，其特征在于所述变压器(2)在20kV-150kV的电压下操作。
26.前述权利要求24的用途，其特征在于所述变压器(2)在36kV-110kV的电压下操作。
27.前述权利要求24的用途，其特征在于所述变压器(2)在约72.5kV的电压下操作。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP09173371 | 2009-10-19 | ||
| EP09173371.7 | 2009-10-19 | ||
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
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| US3164666A (en) * | 1961-06-26 | 1965-01-05 | Gen Electric | Fluid insulated electrical apparatus |
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2853540A (en) * | 1954-01-06 | 1958-09-23 | Gen Electric | Gas insulated electrical apparatus |
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