CN103493157B

CN103493157B - 线缆及包括其的电磁设备

Info

Publication number: CN103493157B
Application number: CN201280017443.0A
Authority: CN
Inventors: C·索恩克维斯特; G·埃里克森; J·哈杰克; J·席斯林; M·普拉德汉
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: Hitachi Energy Co ltd
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2012-04-05
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2032-04-05
Also published as: EP2695174A1; US9013260B2; CN103493157A; BR112013025666B1; EP2695174B1; ES2531887T3; BR112013025666B8; WO2012136754A1; US20140035712A1

Abstract

提出了一种用于电磁设备的绕组的线缆（10）。该线缆（10）包括导体（13）以及层（17），层（17）包括具有处于2至100000范围内的相对磁导率的磁性材料，其中该层（17）至少部分包围该导体（13）。

Description

线缆及包括其的电磁设备

技术领域

本公开总体上涉及电力系统，并且尤其涉及一种用于电磁设备的绕组的线缆以及具有包括这样的线缆的绕组的电磁设备。

背景技术

诸如变压器和电抗器之类的电磁设备在电力系统中被用于电压等级控制。就此而言，变压器是一种被用来升高或降低电力系统中的电压以便以成本有效的方式生成、传送和利用电力的电磁设备。就更为一般的意义而言，变压器具有两个主要部分，例如由层叠的铁所制成的磁性回路、芯部，以及通常由铝或铜线所制成的电气回路、绕组。

在电力网络中使用的较大型的变压器通常被设计为具有高效率并且具有一系列严格的操作标准，例如电介质、热、机械和声音标准。由于变压器持续增加的功率处理容量，即额定功率和电压，变压器的设计面临着越来越多的约束。

除其它之外，现代的变压器设计实践设计涉及到芯部和绕组中材料使用的平衡。由于大型电力变压器所处理的大量功率并且由于通常为40年的长的服务寿命，如果能够通过成本来证明，则损耗减少方面的任何改进都将是有益的。

变压器中由于负载电流的功率损耗是总体损耗的一大部分。负载损耗（LL）基于其起因由可见的三种不同类型的损耗所构成，i）由于绕组导体的固有电阻的I²R损耗，ii）绕组中由于所有绕组导体中的负载电流所产生的随时间变化的磁场即漏磁场的涡流电流损耗（ECL），以及iii）杂散损耗，即变压器的其它结构部件中由于漏磁场的ECL。

当前用于减少涡流电流损耗的解决方案包括多线束的连续换位线缆（continuously transposed cable,CTC）。这些线缆需要较强的铜以便能够应对高压应用中的短路。此外，具有多个充分纤细且换位的线束的CTC线缆的制造是非常昂贵的过程并且需要利用环氧基树脂进行线束的粘合和绝缘。因此高电压电感性设备的材料成本极大地增加。

发明内容

本公开的目标是提供一种用于电磁设备的绕组的线缆，该线缆在之前已经可能的较低的成本当处于负载的条件下时降低了绕组中的损耗。

因此，在本公开的第一方面，提供了一种用于电磁设备的绕组的线缆，其中该线缆包括导体，以及包括具有处于2至100000范围内的相对磁导率的磁性材料的层，其中该层至少部分包围该导体。

贯穿本文，该磁性材料具有的相对磁导率表示该磁性材料的相对磁性磁导率μr。

通过至少部分地在导体周围提供适当选择的与制成该导体的材料相比具有合理的高相对磁导率的磁性材料的纤薄层，漏通量将重新分布并且其一部分将被限制在该层，并且因此实质性地降低导体中的涡流损耗。因此，可以使得包括该线缆的电磁设备的操作为更有效的性能优越。特别地，针对特定应用而言，利用经优化磁性材料参数，设想损耗降低可以处于5-10%的量级。

此外，由于该磁性材料，更多的磁性能量能够被存储在线缆中并且因此存储在绕组中，由此大型电磁设备抵御由于短路电流而出现的力度的能力有所提升。换句话说，配置有本文所呈现的线缆的电磁设备的阻抗能够通过该磁性材料进行控制。为此，根据本公开的线缆对于存在高电流并因此导致高损耗的高电压应用是特别有利的。然而，所要注意的是，该线缆也能够被用于中等电压应用甚至低电压应用。

此外，由于磁性材料所提供的涡流电流损耗的降低，可以使得线缆横截面是实心的，或者可以利用较少数量的线束来制造该线缆，其中每个线束具有更厚的横截面尺寸。另外，降低了对于较强的铜质材料即屈服强度的需求。具有较厚尺寸的线束的制造较不昂贵，由此降低了制造该线缆的成本。

根据一个实施例，该磁性材料的相对磁导率处于10至500的范围内。可替换地，该磁性材料的相对磁导率处于100-5000的范围内。测试已经显示出，对于该范围内的特别是高于300的相对磁导率数值而言，在线缆被部署为用于电磁设备的绕组时，能够提供每个绕组层或盘的大幅降低的总体涡流电流损耗。

根据一个实施例，该层完全包围该导体。

根据一个实施例，该磁性材料是铁磁体。

一个实施例包括若干个同中心排列的层。

根据实施例，层之一包括半传导材料。

根据一个实施例，当该线缆被形成为绕组时，在呈现用于具体应用的绕组的最内部或最外部的匝的那些导体表面上的该层更厚。

根据一个实施例，涂层包括具有磁性属性的电绝缘材料，其中该磁性属性由该磁性材料所提供。

根据一个实施例，该磁性材料以磁性颗粒形式分散在复合绝缘材料中。

根据一个实施例，该电磁设备是高电压电磁设备。

根据一个实施例，该电磁设备是电力变压器。

根据一个实施例，涂层具有至少为100μm的厚度。

根据一个实施例，涂层具有处于200至800μm范围之内的厚度。发明人所执行的测试已经显示，每个绕组层的总体损耗在该涂层厚度的范围内被大幅减小。

根据一个实施例，该磁性材料具有每米1*10⁶西门子（siemens）或更小的量级的传导率。

根据一个实施例，该磁性材料具有小于或等于20W/m³的斯坦梅茨（Steinmetz）系数。有时被称作斯坦梅茨常数或磁滞系数的斯坦梅茨系数η是斯坦梅茨等式Q=η*B^1.6中的磁性损耗系数，其中B是最大电感。发明人已经进行实验，该实验显示损耗降低对于具有非常低的磁性损耗系数即斯坦梅茨系数的磁性材料而言具有实质性改进。特别地，针对20或更低的斯坦梅茨系数的数值获得了有利的结果。

根据一个实施例，该磁性材料是非晶材料。

根据一个实施例，该导体具有限定了具有轴向和径向延伸的导体部分的第一终端和第二终端，其中该第一终端和第二终端没有该层。由此，该层在该线缆是电磁设备的绕组的一部分时将不连接至另一层，因此排除了在层中生成循环电流。因此，可以减少由于循环电流所引起的损耗。

根据一个实施例，该层为涂层。

在本发明的第二方面，提供了一种包括磁性芯部和在该磁性芯部周围进行布置的绕组的电磁设备，其中该绕组包括至少一个根据本文所呈现的第一方面的线缆。

根据一个实施例，该至少一个线缆具有第一终端和第二终端，该至少一个线缆被布置为使得处于该第一终端和第二终端处的层并不电连接至限定绕组的任意其它线缆的层。

根据一个实施例，该电磁设备是电力变压器。

总体上，除非在本文明确以其它方式所定义，否则在权利要求中所使用的所有术语要根据其在该技术领域中的普通含义进行解释。除非以其它方式明确指出，否则对于“一/一个元件、设备、部件、装置”等的所有引用都要被开放性地解释为指代该元件、设备、部件、装置等的至少一个实例。

附图说明

现在将参考附图通过示例对发明性概念的具体实施例进行描述，其中：

图1a是根据现有技术的用于电磁设备的绕组的线缆；

图1b是根据本公开的线缆的示例；

图2a-b示出了根据本公开的线缆的示例；

图3a-b示出了根据本公开的线缆的示例；

图4a-c针对层的相对磁导率的三个不同数值而示出了电磁设备的绕组中的漏通量分布；以及

图5和6分别是作为处于不同涂层厚度数值的涂层磁导率的函数而绘制的电感和每个盘的总损耗的图形。

具体实施方式

随后将参考其中示出了示例性实施例的附图对本发明的概念进行更为全面地描述。然而，本发明的概念可以以许多不同形式来体现，并且不应当被解释为局限于这里所给出的实施例；而是，这些实施例通过示例的方式而被提供以使得本公开将是全面且完整的，并且将向本领域技术人员完全传递本发明性概念的范围。同样的附图标记贯穿该描述而指代同样的元件。

图1a是根据现有技术的用于绕组的线缆1的截面图。例如可以是连续换位线缆（CTC）的线缆1包括用作用于传导电流的导体的线束3。线束3彼此轴向相邻地进行布置以形成具有矩形横截面的线缆。每个线束3设置有作用为绝缘体的搪瓷5。多个线束3可以设置有环氧树脂7或类似绝缘材料的层，因此封闭线束3的部分或整体布置。环氧树脂7的层可以另外设置有纸9或其它基于纤维素的材料的层。

图1b是用于电磁设备的绕组的线缆10的一个示例的截面图。线缆10包括一个或多个线束13，其中每个线束13可以具有比用于电磁设备的绕组的现有线缆1的线束3更大的横截面尺寸。线束3形成限定用于传导电流的导体的线束的捆。

线束例如可以包括铜、铝、铜和铝的组合，或者适于以低损耗传导电流的任何其它传导材料。

每个线束13可以设置有绝缘层15，绝缘层15例如包括搪瓷15或任意其它适当材料的聚合物。根据图1b的示例的线束13被布置从而形成线缆10的矩形形状的横截面。其它横截面形状也是可能的，其示例在以下给出。

该线缆包括层17，层17包括磁性材料。层17可以根据一种变化形式完全包围线束3的捆，即导体。为此，层17可以沿其纵向延伸而被同中心地围绕导体进行布置。

根据另一种变化形式，该层可以部分包围导体。对于矩形线缆而言，该层例如可以被部署在导体的相对两侧，例如利用粘合剂或其它粘合手段。这样的侧面优选地在该线缆被布置为处于工作状态的电磁设备的磁性芯部周围的绕组时对应于磁通量的方向。换句话说，针对这样的实施例，该层可以在该线缆被布置为磁性芯部周围的绕组时被布置在该线缆的垂直侧面上。

根据一个实施例，该线缆可以进一步包括诸如纸的纤维素材料的层19。层17可以被纤维素材料的层19所包围。所要注意的是，根据本公开的线缆并非必然需要设置有绝缘层15和/或纤维素材料的层19。

图2a和2b示出了可能的线缆几何形状的另外的示例。图2a示出了线缆10'，其具有圆形横截面并且包括作为用于传导电流的导体的单个线束13'。线缆10'进一步具有包围线束13'的层17'，并且该层17'包括磁性材料。

图2b公开了线缆10''的另一个示例。根据该示例，线缆10''包括多个线束13''、包括磁性材料的层17''，其中该层17''被提供在每个单独的线束3的周围，并且在线束13''的捆的周围布置绝缘层19''。

根据一种变化形式，绝缘层19''可以被划分为若干个子层。绝缘层19''例如可以包括内部绝缘层以及外部层，外部层包括磁性材料。可替换地，绝缘层19''可以包括包含磁性材料的内部层以及包含绝缘材料的外部层。该绝缘材料例如可以是纸和/或诺梅克斯（Nomex）和/或环氧树脂粘合剂和/或交联聚乙烯。根据一种变化形式，绝缘层19''的子层之一可以包括半导体材料。

通常，层的顺序、绝缘材料、磁性材料、任意聚合物、纸或半传导层可以针对不同应用（即，损耗水平设计、电压和安全性）进行优化。

根据一种变化形式，层17、17'、17''包括电绝缘材料，该电绝缘材料具有磁性属性而因此形成复合绝缘材料。该磁性属性由磁性材料所提供。该磁性材料例如可以以磁性颗粒的形式分散在该复合绝缘材料中。这样的复合绝缘材料例如可以是磁化的纸或者填充以磁性颗粒的环氧树脂。

根据一种变化形式，层17、17'、17''可以是单个层。可替换地，该层可以包括若干子层。在后者的情况下，磁性材料的层可以被绝缘材料的层所包围，或者绝缘材料的层可以被磁性材料的层所包围。根据各种变化形式的这些层进一步被纸和环氧树脂或者纸和交联聚乙烯的附加层所包围，或者仅被交联聚乙烯的层所包围。

图3a和3b示出了线缆的变化形式的截面图，其中在导体表面上的层更厚，该导体在线缆被形成为绕组时并不面向任何其它导体。当线缆被布置为磁芯周围的绕组时，该层例如可以针对该线缆的出现于内部绕组的最外部线缆匝的那些部分而言是较厚的，具有较厚的层的表面径向地朝向外侧。此外，当线缆被布置在磁芯周围时，该层例如可以针对该线缆的出现在外部绕组的最内部线缆的那些部分而言是较厚的，具有较厚的层的表面径向地朝向内侧。可替换地，该线缆的顶部和底部表面可以设置有包括磁性材料的较厚的层，该顶部和底部表面是在线缆被布置为磁芯周围的绕组时限定其顶部和底部的那些表面。

较厚的层例如可以如图3所示的由单个较厚的层所限定，或者如图3b所示的由若干较薄的子层所限定。

根据本公开的线缆具有第一终端和第二终端，它们被布置为电连接以便由电流馈送。该第一终端和第二终端可以是具有纵向延伸的导体的一部分，而不仅是径向延伸。根据一种变化形式，该线缆被布置为使得第一终端和第二终端免于（即，没有）磁性材料的层。因此在第一终端和第二终端处没有提供在导体周围的包括磁性材料的层。由此，包括磁性材料的层无法电连接至包括限定绕组的任意其它线缆的磁性材料的层。作为结果，在工作期间，在包括磁性材料的层中将不会产生将提供另外损耗的净循环电流。

图4a-c示出了高电压电磁设备的绕组中的漏通量的分布。特别地，示出了沿电磁设备的绕组的对称轴线的一侧的轴向截面图。根据该示例，构造绕组的线缆的层厚度为300μm。针对图4a-c中的每一个图的左侧的低电压绕组LV出于简单而具有三个匝/盘，并且针对图4a-c中每一个图的右侧的高电压绕组HV则出于简单而具有四个匝/盘，使用CTC类型的线缆。三幅图中并没有示出线束。如所能够看到的，通过增加绕组线缆中包括磁性材料的层的相对磁导率μr，线缆内的磁场有所降低，并且因此损耗有所降低。

图5示出了被绘制为层的磁导率函数的每绕组盘的泄漏电感，其中N是绕组模型中的盘的数量。能量由于层的磁化和场的弯曲而随磁导率增加，并且电感因此而增加。所要注意的是，N=Inf表示在其中忽略了端效应的模型，并且描述了其中通量方向为轴向的盘的情形。d表示层的厚度。

图6示出了针对层厚度的不同数值而被绘制为层的相对磁导率函数的每盘的总损耗。涂层的传导率被假设为1*10⁵S/m并且负载电流为1A。

示例

根据本文所给出的任意示例，磁性材料可以具有处于2至100000的范围之内的相对磁导率。有利的是，磁性材料的相对磁导率处于10至500的范围内。可替换地，磁性材料的相对磁导率处于100-5000的范围内。有利的是，磁性材料的相对磁导率可以大于300，优选地高于500。

适当磁性材料例如可以是磁性合金2605SA1。然而，所要注意的是，表现出处于本文所定义的范围之内的参数的其它材料也可以被用作层中的磁性材料。

层可以具有至少为100μm，优选地处于200至800μm范围内的厚度。根据一个示例，磁性材料的传导率相对低，其传导率处于每米10000西门子或更低的量级。根据一种变化形式，磁性材料具有其数值小于或等于20优选地小于10的斯坦梅茨系数。磁性材料的其它变化形式可以表现出比20更高的斯坦梅茨系数。

根据一种变化形式，磁性材料包括非晶材料。可替换地，磁性材料可以包括晶体材料。磁性材料可以为铁磁体。根据一种变化形式，磁性材料具有至少0.5特斯拉（tesla）的饱和通量密度。

该层例如可以是涂层、带、条或管。

根据本文所呈现的任意实施例，该导体可以包括例如铜、铝、铜和铝的组合，或者适于以低损耗传导电流的任意其它传导材料，并且该传导材料具有比该磁性材料的相对磁导率更低的相对磁导率。

以下表格示出了适当磁性材料的属性。

属性	适当范围示例	可能范围
			磁导率	10-500	2-100000
传导率	100000或更低	10e7-10e-12
			饱和通量密度	0.5或更高	高于0
磁性损耗	低损耗

磁导率是相对磁性磁导率（无单位）

传导率（siemens每米-S/m）

饱和通量强度（tesla）

如何向每个线束或者线束的捆所形成的导体应用磁性材料存在着若干种可能性。

该层例如可以是纤薄的磁化带或磁化纸，其与具有分散于其中的磁性颗粒的纤维素纸类似。

可替换地，纤薄的磁性材料层可以通过例如挤压的适当手段而被应用于导体或线束表面。

适当大小的磁性颗粒可以与环氧树脂进行混合以形成凝胶并且作为涂层进行应用。

磁性颗粒可以源自于本身或人工生产的所谓铁的任意铁磁材料、钴镍合金、它们的氧化物以及所有的组合。

磁性材料可以是具有晶畴（domain）的晶体结构或者非晶类型，或者其适当混合。

如通过引用结合于此的日本专利申请JP20062222322中所公开的，磁性层可以通过将绝缘材料与稀土金属进行混合而形成。

该层可以由纤薄的非晶体铁磁涂层所制成，该涂层由Fe75Si15B10所制成并且通过火花电蚀加工粉末的热喷涂加以应用，或者由Fe B Si C所制成。

如通过引用结合于此的US3653986中所公开的，该磁性材料可以通过适当手段而以具有较高磁导率。

现有线缆的线束绝缘可以得以保留或者可以被具有磁性和绝缘功能的适当材料的单层所替代，上述绝缘在CTC线缆中通常为搪瓷。在例如搪瓷和磁性材料的分离绝缘层的情况下，该层可以进行互换。

除了以上之外，为了减轻用于漏通量的路径，当线缆被布置为电磁设备中的绕组时，导管附近的匝可以被覆盖有较厚的磁条以处理绕组末端处的通量弯曲。该条可以作为用于漏通量的磁性路径并且还作为电屏蔽，因此提高了盘式绕组的雷电电压的抵受度。

除了以上之外，还可以通过在具有大于1的相对磁导率的导管中使用压板圆筒而对漏通量进行重新分布来减少涡流电流损耗。

由如本文所公开的线缆所限定的绕组可以被浸入含铁磁流体腔室中而与绝缘液体隔离开来。

如本文所公开的线缆可以被用于构造用于电磁设备的绕组。这样的电磁设备例如可以是电力变压器、电抗器或发电机。线缆10、10'、10''有利地可以被用于高电压应用。因此，有益的是，该电磁设备可以是高电压电磁设备。该线缆可以有利地被用于50-60Hz的应用。

以上已经参考数个示例对本发明的概念进行了描述。然而，如本领域技术人员所轻易意识到的，上文中所公开的以外的其它实施例同样可能处于如所附权利要求所限定的本发明性概念的范围之内。

实施例的详细列表

1.一种用于高电压电磁设备的绕组的导体，其中该导体包括：

传导元件，其适于传导高电压电流，以及

布置在该传导元件周围的至少一个层，其中该至少一个层沿该传导元件的轴向方向延伸，并且该至少一个层包括具有大于100的相对磁性磁导率的磁性材料。

3.根据项目1的导体，其中该相对磁性磁导率大于300。

4.根据之前任一项目的导体，其中该相对磁性磁导率大于500。

5.根据之前任一项目的导体，其中该至少一层同中心地被布置在该传导元件周围。

6.根据之前任一项目的导体，其中该磁性材料是铁磁体。

7.根据之前任一项目的导体，其中该磁性材料时非晶的。

8.根据之前任一项目的导体，其中该至少一层具有至少100μm的厚度。

9.根据之前任一项目的导体，其中该至少一层具有处于200-800μm的范围之内的厚度。

10.根据之前任一项目的导体，其中该磁性材料具有每米10⁵西门子或更低的量级的传导率。

11.根据之前任一项目的导体，其中该磁性材料具有小于30W/m³的斯坦梅茨系数。

12.根据之前任一项目的导体，其中该磁性材料具有小于20W/m³的斯坦梅茨系数。

13.一种包括感应的芯部和布置在该感应的芯部周围的绕组的电磁设备，其中该绕组包括根据项目1-12中任一项的导体。

14.根据项目13的电磁设备，其中该电磁设备是高电压变压器。

15.根据项目13的电磁设备，其中该电磁设备是高电压电抗器。

Claims

1.一种用于电磁设备的绕组的线缆(10；10'；10”)，其中所述线缆(10；10'；10”)包括：

导体(13；13'；13”)，以及

层(17；17'；17”)，包括具有处于100至5000范围内的相对磁导率的磁性材料，其中所述层(17；17'；17”)至少部分包围所述导体，其中所述层为涂层，并且其中所述涂层具有处于200至800μm范围之内的厚度。

2.根据权利要求1所述的线缆(10；10'；10”)，其中所述层(17；17'；17”)完全包围所述导体(13；13'；13”)。

3.根据权利要求1或2所述的线缆(10；10'；10”)，其中所述磁性材料是铁磁体。

4.根据权利要求1所述的线缆(10；10'；10”)，包括若干个同心布置的层。

5.根据权利要求4所述的线缆(10；10'；10”)，其中所述层中的一个层包括半导体材料。

6.根据权利要求1所述的线缆(10；10'；10”)，其中所述层(17；17'；17”)在所述导体(13；13'；13”)的如下表面上更厚，所述表面当所述线缆(10；10'；10”)被形成为绕组时呈现用于具体应用的绕组的最内部或最外部的匝。

7.根据权利要求1所述的线缆(10；10'；10”)，其中所述层包括具有磁性属性的电绝缘材料，其中所述磁性属性由所述磁性材料提供。

8.根据权利要求7所述的线缆(10；10'；10”)，其中所述磁性材料以磁性颗粒形式分散在复合绝缘材料中。

9.根据权利要求1所述的线缆(10；10'；10”)，其中所述电磁设备是高电压电磁设备。

10.根据权利要求1所述的线缆(10；10'；10”)，其中所述电磁设备是电力变压器。

11.根据权利要求1所述的线缆(10；10'；10”)，其中所述磁性材料具有每米100000西或更小的量级的传导率。

12.根据权利要求1所述的线缆(10；10'；10”)，其中所述磁性材料是非晶材料。

13.根据权利要求1所述的线缆(10；10'；10”)，其中所述导体具有第一终端和第二终端，所述第一终端和所述第二终端限定具有轴向和径向延伸两者的所述导体的部分，其中所述第一终端和所述第二终端没有所述层(17；17'；17”)。

14.一种包括磁芯和在所述磁芯周围布置的绕组的电磁设备，其中所述绕组包括至少一个根据权利要求1-13中任一项所述的线缆(10；10'；10”)。