CN103650076A

CN103650076A - 气体绝缘式三角形变压器

Info

Publication number: CN103650076A
Application number: CN201280034023.3A
Authority: CN
Inventors: J.斯马吉; A.伊奥达尼迪斯; B.加勒蒂; T.斯泰恩梅茨; B.佩特梅尔
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2011-07-08
Filing date: 2012-07-09
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2032-07-09
Also published as: ES2531365T3; KR101474205B1; WO2013007697A1; CN103650076B; US9208936B2; EP2729945B1; KR20140024477A; US20140118099A1; EP2729945A1

Abstract

一种用于中等电压至高电压的封装式三角形变压器包括包围空间的密闭性地封闭的壳体、位于壳体中的三角形变压器，以及用于流体的通路，通路延伸通过壳体，其中通路所包围的空间与壳体的外部处于流体连接。

Description

气体绝缘式三角形变压器

技术领域

本文描述的主题大体涉及用于中等电压和高电压的多边形变压器，并且更具体地，涉及具有改进冷却属性的气体绝缘式多边形变压器。

背景技术

干式变压器具有优于油浸式单元的若干众所周知的优点。存在降低的火灾和爆炸的风险，环境友好性更高，它们不用维护，并且可安装成更靠近消费点。

提出了具有不同的横截面形状的三角型变压器芯体，作为具有共平面的柱的经典的堆叠芯体设计的备选方案，因为它们展现若干相当好的优点：无载荷损耗较低，大小和重量典型地较小，涌入电流较低，并且总的谐波畸变较低。中国公司海龙变压器例如生产三角形芯体变压器，其包括三个各自具有大致半圆形横截面的卷绕芯体环。卷绕三角形芯体的另一个实施例由瑞典公司Hexaformer AB提供。名称Hexaformer因此来自于柱的横截面形成规则六边形，同时柱的布置仍然产生旋转对称的三角形芯体。WO 2006/056057A1公开具有冷却通道的无护罩的三角形变压器，冷却通道在3个芯体柱之间设置在变压器的中心。通过置于通道的端部处的风扇吹送到通道内部的空气来从变压器移除热。

当前，大多数情况下，SF₆用作绝缘气体。由于SF₆的良好的介电和冷却能力，甚至制造了具有典型地等于或低于2巴的中等SF₆压力的高端配电变压器，其具有高达170kV和60MVA的额定电压和功率。

但是，由于缺少油，干式变压器关于介电和热设计的要求更高，并且因此它们比对应的油浸式变压器更大和更重。DE4029097A1公开在气体绝缘式圆柱形壳体中的三角形变压器。冷却通道在三角形芯体的各个拐角形成在两个相邻芯体柱(limb)之间。照这样，实现变压器壳体内的气体循环。

当增大干式变压器的额定电负荷时，冷却变成越来越重要的目标，因为不存在可用作冷却介质的液体，如在油浸式单元的情况下那样。实际上，典型地绝缘气体也用于将产生的热传递到变压器的外部。但是，与相同体积的液体相比，气体典型地具有较小的传热能力。因而，与传统的油浸型相比，在设计阶段需要更多地注意将热传递到气体绝缘式三角形变压器的外部。

即便这样，要注意，由于三角形变压器的旋转对称性，与变压器中心线相邻的高电压线圈外壁具有几乎相同的温度。由于这个原因，变压器的三角形布置的特征在于，在面向其中心的壁部分之间的辐射热交换有限。实际上，从线圈发射向其它两个线圈的热被那些线圈吸收，例如当与具有平行地布置在平面中的三个线圈的设计(共平面设计)相比时，这总体上有力地降低从变压器向外部发射的热。

关于上面所述，合乎需要的是具有用于三角形变压器的提供改进的冷却能力的设计。

发明内容

上面提到的问题至少部分地通过根据权利要求1的封装式三角形变压器解决。

根据第一方面，提供一种用于中等电压至高电压的封装式三角形变压器。其包括包围空间的封闭的壳体、位于壳体中的三角形变压器，以及延伸通过壳体且包括三角形变压器的中间轴线的至少一部分的通路，具体而言是在用于流体的烟囱中的通路，其中，烟囱包围的空间与壳体的外部处于流体连接。烟囱包括接触烟囱的壁的导热元件。烟囱与导热元件处于物理接触，使得热被烟囱的壁和导热元件传导。导热元件增强烟囱的热交换，使得扩大吸热表面和/散热表面。利用导热元件，可到达三角形变压器的离烟囱较远的发热位置，并且热可以这个方式高效地传导到烟囱的壁。烟囱置于三角形变压器中，使得包括三角形变压器的中间轴线的至少一部分，并且在使用变压器的芯体支腿之间的空间的同时，可优化烟囱的作用。

根据从属权利要求、描述和附图，本发明的另外的方面、优点和特征是显而易见的。

附图说明

在说明书的其余部分中更具体地对本领域普通技术人员阐述了完整和能够实施的公开，包括其最佳模式，说明书参照了附图，其中：

图1示意性地显示三角形变压器的示例，其具有位于圆柱形壳体中的卷绕芯体；

图2示意性地显示根据实施例的具有卷绕芯体的封装式三角形变压器；

图3显示图2的封装式三角形变压器的横截面俯视图；

图4示意性地显示根据另外的实施例的具有卷绕芯体的封装式三角形变压器；

图5显示图4的封装式三角形变压器的横截面俯视图；

图6示意性地显示根据另外的实施例的具有卷绕芯体的封装式三角形变压器；

图7显示图6的封装式三角形变压器的横截面图；

图8示意性地显示根据另外的实施例的具有卷绕芯体的封装式三角形变压器；

图9显示图8的封装式三角形变压器的横截面俯视图；

图10示意性地显示根据另外的实施例的具有堆叠芯体的封装式三角形变压器；

图11显示图10的封装式三角形变压器的横截面俯视图；

图12示意性地显示根据另外的实施例的具有堆叠芯体的封装式三角形变压器；

图13显示图12的封装式三角形变压器的横截面俯视图；

图14示意性地显示根据另外的实施例的封装式三角形变压器的横截面俯视图；

图15示意性地显示根据另外的实施例的封装式三角形变压器的横截面俯视图。

具体实施方式

现在将详细参照各种实施例详，在各个图中的示出实施例的一个或多个示例。以阐述的方式提供各个示例且它们不意图作为限制。例如，示出或描述为一个实施例的一部分的特征可用于其它实施例上或与其它实施例结合起来使用，以产生另外的实施例。意图的是本公开包括这样的修改和变型。

在附图的以下描述中，相同的参考标号指示相同构件。大体上，仅描述了相对于单独的实施例的差异。

在下面，用语“烟囱”和“通路的护罩”，相应地“护罩”可互换地使用，并且表示烟囱或护罩的内部的流体相对于壳体的空间而密封，并且因此不与封闭的壳体的内部的空间连通。另外，本文描述的用语“三角形变压器”大体涉及多相变压器，其特征在于，在至少一个横截面图中，变压器芯体为三角形，具体而言线圈的横截面共同形成三角形，优选等边三角形；更具体而言，线圈的中间轴线在变压器的至少一个横截面图中位于三角形的拐角上。

本文描述的实施例包括位于壳体中的三角形变压器，壳体典型地为圆柱形。为了通过对流对周围空气提供最佳热散布，壳体设置成使得圆柱体的中间轴线在变压器的运行期间在竖向方向上。为了改进散热，用于流体的通路集成在壳体中，其中通路典型地从圆柱形壳体的一个平面延伸到另一个平面。在实施例中，通路由沿着圆柱形壳体的中间轴线设置的护罩或烟囱形成，诸如管或圆柱体。这个烟囱也在壳体中沿着三角形变压器的中间轴线延伸。从而，烟囱包围的空间与壳体的周围(即典型地周围空气)处于流体连接。另外，冷却元件(例如板)可安装到烟囱的外壁上。由于通路是典型地从壳体的下部表面延伸到上部表面的竖向通道，所以在运行期间，当变压器比环境更热时，产生烟囱作用。壳体的包围通路的部分，或换句话说烟囱的壁，在它们的面向变压器线圈的侧部上吸热，并且通过热传导将热传递到与烟囱壁接触的空气。空气因而加热到高于周围的温度的温度，这导致空气通过对流而在烟囱(相应地，通路)内部上升。

空气然后通过烟囱的上部开口排出，并且新鲜空气持续通过烟囱的下部开口吸入，这对壳体内部的变压器提供对流冷却作用。因此，上面的实施例用于促进消散从变压器(相应地，从变压器线圈)发出的热。

提出的解决方案的冷却原理基于协同作用的歧管。在一方面，形成烟囱的护罩壁和可选的任何内部板热连接到烟囱壁上，用作从高电压线圈外部表面吸取辐射热通量的收集器。在另一方面，受强制对流或自由对流驱动，流体(空气、冷却气体，或液体)在烟囱内部循环，将热带出烟囱/护罩壁且将热传递到外部环境。此外，存在孔有助于增加烟囱内部的加压流体和外部环境空气之间的交换区域，这导致扩大从变压器移除的热量。

图1显示封装式三角形变压器10的示例，也就是位于圆柱形加压壳体70中的三角形变压器20。三个线圈40围绕变压器20的柱50而设置。变压器芯体包括三个各自具有大致半圆形横截面的卷绕芯体环12、14、16，其中，芯体环各自包括两个柱50和两个轭30。

图2显示根据实施例的封装式三角形变压器10。三角形变压器20位于圆柱形壳体70中。三个线圈40设置成围绕变压器20的成对的柱50，更具体而言，各个线圈40围绕相邻芯体环的一对柱50而卷绕。在圆柱形壳体70的平面75、80之间，提供了通路60。通路具有设置在平面75、80中的两个开口110、120。通路60的空间由烟囱100包围，烟囱100典型地为壳体70的组成部分。烟囱100可具有圆形形状，如显示的那样，或椭圆形、六边形或其它形状。在壳体70典型地用绝缘气体35(在实施例中为SF₆)加压时，圆形形状针对气体35施加的力提供良好的稳定性，而其它形状可具有下面进一步提出的不同的优点。

以拓扑的方式表达，连接的可定向的表面的亏格(genus)是整数，其表示在不使得到的歧管脱开的情况下沿着不相交的封闭的单曲线的最大切割数。根据这个逻辑，球体具有为0的亏格，而圆环或具有圆柱形膛孔的圆柱体具有为1的亏格。因此，具有作为中心间隙的通路60的壳体70具有为1的拓扑亏格。因此，根据上面的实施例的封装式三角形变压器10的壳体70具有为1的亏格。

如上面描述，在封装式三角形变压器10的运行期间，线圈40发热，这主要由于线圈的绕组中的欧姆损耗。朝壳体70的外部圆柱体90的方向发出的热由壳体吸收。热然后经由红外辐射部分地传递到变压器10的外部，并且同时，传递到与壳体70的外部表面接触的空气。线圈40朝具有被包围的通路60的烟囱100的方向发出的热由烟囱吸收。烟囱100通过对流和辐射将热传递到通路60中的流体，典型地为空气。经由上面描述的烟囱作用，空气上升离开烟囱100，相应地离开通路60，并且因此将热传到封装式三角形变压器10的外部。

在实施例中，通路60可包括液体，作为冷却介质。即，多相热交换器可设置在通路中。多相热交换器典型地特征在于用于吸热的第一部分，以及第二部分，在第二部分中，用将热带离热源的冷却介质将热散布到周围空气、冷凝器或冷却回路。在实施例中，第一部分位于通路60或烟囱100内部，其中，第二部分位于封装式变压器10的外部。

另外，通路60可设计成具有仅一个开口110、120，开口位于圆柱形壳体的一个平面中，其中与封装式变压器10的周围的热交换通过单个开口110、120来提供。这表示，具有通路60的烟囱100在其一端处封闭，并且仅另一端与壳体70的外部处于流体连接。因为上面描述的烟囱作用未出现在这种情况下，所以这样的实施例需要主动措施来将热从通路60的内部消散出去。这可通过水冷却或两相冷却系统(诸如热管)来实现。

图3显示图2的封装式三角形变压器10的横截面图。在实施例中，实现为散热器的导热元件130设置在烟囱100的内部面上，导热元件130延伸到通路60中。它们改进烟囱100的用于与通路60内部的流体热交换的有效区域。另外，冷却风扇140(未显示)可设置在开口110、120附近或开口110、120中，以便进一步促进通路60中的烟囱作用，相应地主动将流体(典型地环境空气)吹送通过通路60。从而，可增强具有通路的给定壳体70的冷却能力，当与沿着通路60的长度设置的一个或若干散热器130结合时，甚至更强，如上面描述的那样。

图4显示根据另外的实施例的封装式三角形变压器10。其中，通路60的烟囱100具有六边形，其在其横截面上类似于变压器20的内部形状，如也显示在图5的横截面图中的那样。从而，通路60的烟囱100的有效的吸热面可设置成比在具有图2的圆形烟囱的实施例中更大，而变压器20具有相同形状和外部尺寸。这个类型的烟囱100的设计比在圆形横截面的情况下需要更多的注意，因为护罩必须承受壳体70的内部的加压绝缘气体35和周围(因此也在烟囱100中)的大气压力之间的压力差。因为壳体内部的介电材料典型地具有介于1.5和6巴之间的压力，所以在用于高负荷的具有相应的外部尺寸的变压器的情况下，仅烟囱100上的力就可增加几百千牛或更大。典型地，包括通路60的烟囱100的壳体70由钢制成，更具体而言由铸造或焊接标准结构钢制成。取决于单独的设置，可采用其它钢类型，例如具有更大的强度，并且因而允许烟囱100和壳体70有更小的厚度。对壳体和烟囱选择适当的材料和计算必要的尺寸(如厚度)的任务对于技术人员是标准任务。在不锈钢的情况下，必须考虑较低的导热能力。在实施例中，烟囱100也可具有三角形横截面(未显示)。

图6显示根据实施例的封装式三角形变压器10，其可与本文描述的其它实施例结合。变压器10类似于图2中显示的变压器，但是具有另外的冷却板150。板典型地具有正方形形状，并且典型地用一个边缘焊接到烟囱60的面上。它们在变压器20的相邻柱之间延伸，相应地在相邻线圈40之间延伸。在实施例中，板150包括与壳体70和烟囱100相同的材料，典型地为钢。它们用作壳体70内部的额外的热吸收元件，将主要从线圈40发出的热引导到烟囱100，在烟囱100中，热通过通路60消散。为了防止电击穿，钢作为板的材料仅在相邻线圈之间可保持足够的距离的情况下合适。如果例如通过技术人员所熟知的模拟方法确定钢不适当(对于特定变压器可能是这样)，则板也可包括介电材料。

板典型地(但不必须)具有类似于线圈40的长度的长度(在变压器20的中间轴线的方向上)，如图6中显示的那样。线圈40发射到角度范围α(也显示在图7中)中的热通量由板150和烟囱100吸收。因而，板152和烟囱100从线圈40吸取辐射热。如果板和烟囱不存在，则线圈40的面向角度范围α的表面将不能以有效方式通过辐射散热，因为它们有限地暴露于壳体70的较冷的壁，并且因为围绕中心线有对称的温度分布。冷却板150和烟囱100比线圈表面更冷，因而具有使得在中心区域中能够通过从较热的线圈表面吸取(相应地吸收)热进行辐射热传递的作用。这允许在之前存在非常小的辐射热净出口处有较大的辐射热净出口，从而增大封装式三角形变压器10的冷却效率。因而，通过添加冷却板150，可甚至进一步增强图2至5中显示的具有烟囱100的封装式变压器10的冷却能力。

因而，三个线圈40所限定的区域中的辐射热通量部分地由板150收集，板150平均比面向板150的线圈外表面的部分更冷。然后这样板用作辐射翅，通过辐射从线圈40移除热，并且通过自然对流将热传递到壳体70内的加压流体，并且通过热传导和对流机制经由烟囱100传递到周围。在板150的面向壳体70的壁的外边缘处，板150也可与壳体的壁接触(未显示)，这可进一步促进与壳体70的热交换。

在实施例(未显示)中，板150的长度可超过线圈40的长度，并且大于变压器20沿着其中间轴线的总高度。因此，板设有间隙，以接纳变压器20的轭50。即，轭典型地垂直地延伸通过板150，并且部分地由板包围。如在这个情况下，金属板将用作用于线圈的短路绕组，必须采取措施来提供安全操作。在实施例中，板具有从用于轭的间隙向外延伸到板的边缘的缝隙，使得围绕轭不再存在闭合的电流路径，闭合的电流路径将围绕轭产生短路。

图7显示图6的实施例的横截面图。根据可与本文描述的其它实施例结合的另外的实施例，板150可备选地包括介电材料，典型地聚合物。从而，介电板启动上面描述的辐射交换，并且同时改进变压器的介电承受属性。

图8显示实施例，其中，图4和5中显示的实施例的烟囱形状与图6和7中显示的实施例的冷却板150结合。

图9显示图8中显示的实施例的俯视横截面图。

图10显示根据实施例的封装式三角形变压器10，其基于图8中显示的变压器。但是，其进一步包括基本包括两个部分160、170的堆叠芯体，在线圈40已经单独地卷绕之后，两个部分160、170可安装(相应地堆叠)在一起。在实施例中，堆叠芯体的第一部分160包括下部轭31和柱50，其中，芯体的第二部分160包括上部轭32。相比之下，图2至9中的实施例包括传统的三角形变压器卷绕芯体，其中，轭30和各个环的柱50一体地形成。在线圈40卷绕期间，柱50需要较多的工作，因为用于线圈的线材不能从一个旋转部件提供，而是在各个旋转期间必须例如从一个部件交替到另一个并且反过来。但是，对于描述的堆叠芯体，线圈可单独地产生。一旦卷绕所有三个线圈40且此后将它们置于柱50上，就将芯体的第二部分170放置就位，与制造上面描述的具有传统的卷绕芯体的变压器相比，这显著地节省了时间。当应用于用于中等功率额定值到高功率额定值(即，在50MVA至300MVA的范围中)的气体绝缘式三角形变压器时，堆叠设计可特别有利。

图11显示图10的封装式三角形变压器的俯视横截面图。

在图10和11的实施例中，紧固器件180(仅示意性地显示)可设置在烟囱100上，以便相对于烟囱100固定芯体的第二部分170。紧固器件180也可提供来将第二部分170向下挤压在第一部分160上。另一个紧固器件(由于透视图而不可见)可设置在第一部分160下方，以便使其相对于烟囱固定，使得变压器固定或保持在这个下部紧固器件和上部紧固器件180之间。

图12显示类似于图10和11中显示的变压器的封装式三角形变压器，其中，堆叠芯体的顶部部分160具有不同的形状。形状类似于三角形，如图13的横截面图中显示。另外，线圈40也具有带有圆边的三角形形状。烟囱100具有六边形横截面。

图13显示图12的封装式三角形变压器的横截面图。

图14是根据另外的实施例的封装式三角形变压器的横截面图。其基于图2中显示的实施例，但是它设有位于变压器和壳体70之间的另外的烟囱200。另外的烟囱200进一步改进集成的三角形变压器10的冷却能力。在其它实施例中，可采样通过壳体的不同数量的烟囱100、200，相应地不同数量的通路60。要理解烟囱也可具有比本文的非限制性的示例中显示的更小或更大的横截面。根据上面另外提出的拓扑观点，根据图14显示的实施例的封装式变压器10具有为4的拓扑亏格。在其它实施例中，不同数量的烟囱100(相应地不同数量的通路60)可获得不同的拓扑亏格的封装式变压器10。

在图15中，具有图14的实施例的具有额外的烟囱200的三角形变压器与上面描述的冷却板150相结合。板典型地焊接到中心烟囱100上，以及焊接到外部烟囱200上，使得板吸收的辐射热可通过内部烟囱100或外部烟囱200两者消散，因而进一步改进冷却。

要理解到，本文描述的通路的概念和范围不限于上面描述的笔直的竖向烟囱，而是根据本公开的通路也可具有显著不同的形状，例如弯曲，只要它提供本文描述的冷却作用。

本文描述的系统和方法不限于描述的特定实施例，而是实际上，系统的构件和/或方法的步骤可与本文描述的其它构件和/或步骤单独和分开来使用。实际上，示例性实施例可与许多其它应用，具体而言与高电压装备结合起来实现和使用。

虽然本发明的各种实施例的具体特征可能显示在一些图中而未显示在其它图中，但是这仅是为了方便。根据本发明的原理，附图的任何特征可结合任何其它图的任何特征来进行参照和/或要求保护。

本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且也使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。虽然在前述内容中公开了各种具体实施例，但是本领域技术人员将认识到，权利要求的精神和范围允许进行等效的修改。具体而言，上面描述的实施例的相互不排斥的特征可彼此结合。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有不异于权利要求的字面语言的结构元素，或者如果这样的其它实例包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则它们意图处于权利要求的范围之内。

Claims

1. 一种用于中等电压至高电压的封装式三角形变压器(10)，包括：

包围空间的封闭的壳体(70)；

位于所述壳体(70)中的三角形变压器(20)；

用于流体的烟囱(60、100)，其延伸通过所述壳体(70)，并且包括所述三角形变压器(20)的中间轴线的至少一部分，其中，所述烟囱(60、100)包围的空间与所述壳体(70)的外部处于流体连接，并且其中，所述烟囱(60、100)包括接触所述烟囱(100)的壁的导热元件(130、150)。

2. 根据权利要求1所述的封装式三角形变压器(10)，其特征在于，所述壳体(70)具有圆柱形形状且被密闭性地封闭，并且其中，在所述三角形变压器(20)的运行状态中，所述圆柱体(90)的中间轴线沿竖向定向。

3. 根据权利要求2所述的封装式三角形变压器(10)，其特征在于，所述烟囱(60、100)从所述圆柱形壳体(70)的一个平面(75、80)延伸到另一个平面。

4. 根据前述权利要求中的任一项所述的封装式三角形变压器(10)，其特征在于，与所述封装式变压器(10)的周围的热交换通过所述烟囱(60、100)的一端处的单个开口(110、120)提供。

5. 根据前述权利要求中的任一项所述的封装式三角形变压器(10)，其特征在于，所述烟囱(60、100)具有圆柱形、三角形或六边形形状。

6. 根据前述权利要求中的任一项所述的封装式三角形变压器(10)，其特征在于，所述导热元件(130)是散热器且与所述烟囱(60、100)的内部的流体接触。

7. 根据前述权利要求中的任一项所述的封装式三角形变压器(10)，其特征在于，所述烟囱(60、100)包括热交换器，具体而言包括热管。

8. 根据权利要求7所述的封装式三角形变压器(10)，其特征在于，所述热交换器包括用于吸热的第一部分，以及用于利用冷却介质将热散布到周围空气、冷凝器或另一个冷却回路的第二部分，其中所述第一部分位于所述烟囱(60、100)的内部，其中所述第二部分位于所述封装式变压器(10)的外部。

9. 根据前述权利要求中的任一项所述的封装式三角形变压器(10)，其特征在于，所述烟囱(60、100)连接到设置在所述壳体(70)的内部的至少一个导热元件(150)上。

10. 根据权利要求9所述的封装式三角形变压器(10)，其特征在于，所述至少一个导热元件是板(150)，其从所述烟囱(100)沿径向向外延伸。

11. 根据权利要求10所述的封装式三角形变压器(10)，其特征在于，所述板(150)的至少一部分位于所述三角形变压器(20)的两个相邻的柱(50)之间。

12. 根据前述权利要求中的任一项所述的封装式三角形变压器(10)，其特征在于，包括多个烟囱(60、100)，其优选平行于所述壳体(70)的中间轴线而延伸。

13. 根据前述权利要求中的任一项所述的封装式三角形变压器(10)，其特征在于，所述烟囱(100、200)通过板(150)而部分地彼此互连。

14. 根据前述权利要求中的任一项所述的封装式三角形变压器(10)，其特征在于，所述壳体(70)包括处于高达6巴的压力的绝缘气体(35)。

15. 根据前述权利要求中的任一项所述的封装式三角形变压器(10)，其特征在于，所述三角形变压器(20)包括堆叠芯体或卷绕芯体。