CN104081480B - 高压变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高压变换器（10），包括：至少一个变换器芯（12、30），其由非晶带状材料（32、52）围绕至少一个内空心（14、16、44、46）缠绕，其中，两个相对的层叠前面侧由所缠绕的所述带状材料（32、52）的边缘形成，并且其中，形成至少两个相对的芯柱区（34、36、38）和上轭区（40、98）及下轭区（42、64）。至少一个空心圆筒变换器线圈（18、20、22）围绕至少一个变换器芯（12、30）的芯柱区（34、36、38）布置。冷却装置（54、58、72、94、96）与层叠前面侧的至少一个的至少一部分连接。
Description
技术领域
本发明涉及高压变换器，其包括由非晶带状材料围绕至少一个内空心（innerhollow）缠绕的至少一个变换器芯，其中，由缠绕的带状材料的边缘形成两个相对的层叠前面侧（front side），并且其中，形成至少两个相对的芯柱区（limb area）和上轭区及下轭区（yoke area），其中，至少一个空心圆筒变换器线圈围绕至少一个变换器芯的芯柱区布置。
背景技术
已知用于功率传输的高压变换器的额定电压等级例如为10kV、60kV、110kV或者以上，而额定功率量例如为1MVA、10MVA甚至100MVA。用于这种变换器的变换器芯典型地基于堆叠金属片。由于在这种变换器芯的操作期间永磁体重新取向，会产生磁损耗，这还会对变换器芯带来加热效果。堆叠金属片的标准变换器芯能在高达几百℃的温度下操作，而在这种情况下例如180℃-200℃的所属线圈的耐热性对于整个变换器而言是限制温度因子。
还已知由非晶材料制成的变换器芯与标准变换器芯相比，会提供减小的芯损耗。非晶材料典型可作为耐火带状材料得到，对任何机械应力极敏感。因此，非晶变换器芯需要由这种带状材料缠绕，而这种带的宽度能是例如30cm的量，而需要缠绕几千层。另外，缠绕的非晶变换器芯对于例如通过机械碰撞产生的任何机械应力敏感。而且要承受变换器的重量，该重量本身被认为是机械应力。
由于非晶变换器芯的高脆弱性，并且由于带状非晶材料的可用宽度的限制，考虑到实际的框架条件，具有非晶变换器芯的变换器的最大额定功率被限制为大致5-10MV。由于减小的芯损耗的效果例如仅在低于100℃-140℃的温度范围获得，否则芯损耗会不利地增大，非晶材料的变换器芯需要在操作期间被冷却。因此，非晶高压变换器的最大额定功率也由这种变换器的冷却系统或冷却装置限制。由于其布置在充油容器中，因此非晶油变换器已具有相当有效的油基冷却系统，使得在大多数情况下不需要额外的冷却工作。另一方面，在没有加强的冷却系统的情况下，非晶干式变换器受到例如2-4MVA的最大额定功率的限制。
发明内容
基于本领域的这一现状，本发明的目的在于提供一种干式高压变换器，其具有由非晶带状材料缠绕的变换器芯，具有改善的冷却特性。
该问题由上述种类的高压变换器解决。其特征在于，冷却装置与层叠前面侧的至少一个的至少一部分连接。
本发明的基本想法是，在一个或者两个层叠前面侧将诸如冷却元件或者热交换器的冷却装置连接至非晶变换器芯。一方面，冷却装置适于从与非晶变换器芯接触的面积的热传输，以获得对于非晶变换器芯的冷却效果。另一方面，布置在一个或者两个层叠前面侧能在非晶变换器芯其自身内实现显著更高的冷却效果或热传输。
由非晶带状材料缠绕的变换器芯内的热传导性并非在所有几何方向都是相同的。进一步而言，非晶带材料的相同层内的热传导性最高，而与其垂直通过邻近层的热传导性显著降低。由于非晶带状材料的机械敏感性，与常规变换器芯的堆叠金属片相比，不会以这种压力将邻近层压在一起，使得邻近层之间的热传输可由于可能存在的极小的间隙而减弱。此外,非晶变换器芯的缠绕层数与常规类似的变换器芯的堆叠金属片数相比显著更高(例如为5000)，而后者例如只包括几百层。因此，通过所有层的热通道的数量对于由非晶带状材料缠绕的变换器芯而言，与类似尺寸的常规堆叠的变换器芯相比显著更高。
因此，将冷却装置连接至由非晶带状材料缠绕的变换器芯的一个或者两个层叠前面侧会对非晶变换器芯提供显著增大的冷却效果，并能够组成具有2-4MVA以上的增大的额定功率的、具有非晶变换器芯的干式变换器。另外，更大的变换器芯可以以如下方式随之冷却：在其操作期间在内变换器芯内不超过例如100℃-140℃的临界材料温度。
在本发明的变形中，冷却装置包括至少一个具有平坦侧的冷却元件，该冷却元件与变换器芯的前面侧面对面地邻近安装。如果变换器芯与冷却元件具有公共边界表面，那么这两个组件之间的热传递被有利地改善。冷却装置可包括若干组件，并基于若干类型的冷却原理。例如可以使用基于空气的冷却系统，其中，冷却元件部分地被环境空气包围，当被加热时，环境空气向上移动，以给出自然空气流。空气流可以由例如送风机或者风扇或者此类改善，以便这种冷却系统的效率以有利方式改善。而且，具有热交换器或蒸发器和凝结器和封闭式冷却回路的冷却系统也在本发明的范围内。封闭式冷却回路能以有利方式填充有冷却液体，以便冷却系统的效率再次增大。
根据本发明的优选的实施例，变换器芯的至少一个层叠前面侧至少部分是肋形，冷却装置包括其中至少一个具有平坦侧和对应的凹口的冷却元件，该凹口面对面并有齿地邻近安装在变换器芯的前面侧的所属部分。冷却装置或冷却元件与非晶变换器芯的公共边界表面随之扩大，使得两个组件之间的热传递再次增大。在变换器芯的层叠前面侧上的肋形可通过带状非晶材料的宽度的所属变化来实现。例如可选的是改变带状材料的层的封装，例如在其位置具有相同的宽度为各250层的封装。在这种情况下，肋形成在变换器芯的两个层叠表面侧（face side）、以及芯柱区和轭区。典型而言，空心圆筒线圈围绕每个芯柱区布置，使得围绕芯柱区几乎没有可用的、用于冷却元件的空间。然而芯柱区中的肋之间的凹口可以被用作例如冷却通道。因此，可以布置其中具有冷却液体的管通过芯柱区，该管需要被视为是冷却装置。但是，还可以在缠绕状态改变非晶带状材料的宽度，使得肋仅形成于轭区，轭区提供充分的空间来连接冷却元件。
根据本发明的其他实施例，至少一条固体热传导材料缠绕在带状材料的邻近层之间，并热连接至至少一个冷却元件。这种条或杆提供从内变换器芯向一个或者两个非晶变换器芯的层叠前面侧的改善的热传递，其中可见冷却装置。因此，在非晶变换器芯内获得更同质的温度分布，这会再次改善关于减小损耗的其磁行为。
根据本发明的其他实施例，至少一个冷却元件包括冷却肋，冷却肋避开变换器芯的所属层叠前面侧。因此，冷却元件的外表面被再次扩大，例如对于与周围空气的热交换提供改善的冷却效果。
根据本发明的其他实施例，冷却装置通过至少部分胶粘接合，与层叠前面侧的至少一部分连接。优选的是胶以液体形式施加，使得所有可能存在于邻近组件之间的要被胶粘在一起的空腔填充有胶。优选的是胶具有良好的热传导特性，其可例如通过增加一些氮化硼而增强。因此改善了变换器芯与冷却装置之间的热传递。
也由于相同的原因，冷却装置与层叠前面侧至少一个部分的连接包括例如重量的1%的热传导物质、诸如氮化硼，尤其是在如果其以液体状态施加的情况下。
根据本发明的其他实施例，冷却装置与轭区的层叠侧面连接。轭区对例如冷却元件的附接提供最佳的可达性和空间。冷却元件的可选的冷却肋优选垂直取向，使得肋可被自然空气流冷却。而且芯柱区适于在其中、例如芯柱与变换器线圈之间的可用空间内安装冷却通道。
根据本发明的其他实施例，至少一个层叠前面侧的区域倾斜，且冷却装置与其连接。一方面，倾斜区域在变换器芯与冷却装置之间提供扩大的接触区域，以改善热传递；另一方面，芯柱的横截面能以类似圆形或多边形方式成形，使得芯柱的横截面适合围绕芯柱布置的空心圆筒变换器线圈的内开口的横截面。倾斜区域由带状非晶材料的宽度的所属变化来实现。
根据本发明的其他实施例，由非晶带状材料缠绕的变换器芯包括两个内空心和三个芯柱区。这种变换器芯适于在其上布置三个线圈，以建立三相变换器。
本发明的其他有利实施例在从属权利要求中提出。
附图说明
现在通过示例性实施例和参考附图进一步解释本发明，其中：
图1示出高压变换器，
图2示出由非晶带状材料缠绕的第二变换器芯，
图3示出具有冷却装置的第三变换器芯的截面，
图4示出具有冷却装置的第四变换器芯的截面，
图5示出具有冷却装置的第五变换器芯的截面，以及
图6示出具有冷却装置的第六变换器芯的截面。
具体实施方式
图1从侧视示出高压变换器10。三个空心圆筒变换器线圈18、20、22围绕由非晶带状材料缠绕的变换器芯12的所属芯柱布置。变换器芯12在芯柱之间包括两个空心14、16。在上轭区中的层叠前面侧可见冷却元件24，其包括具有垂直取向的肋。冷却元件24被胶粘在变换器芯12的所属层叠前面侧。一方面，这改善了两个组件12与24相互之间的热传递，另一方面，随之改善了缠绕的变换器芯12的机械稳定性。
图2示出在一个其层叠前面侧的视图中的、由非晶带状材料缠绕的第二变换器芯。围绕两个内空心44、46，非晶带状材料是缠绕的层状32，以便形成三个芯柱区34、36、38和上轭区40及下轭区42。可见总共三个带状非晶材料的环：围绕各个空心44、46的各一个内环和围绕两个内环的第三外环。每个环可能包括几千层。
图3示出通过变换器芯的内空心60和邻近轭64的、第三变换器芯的截面50。空心60的中心轴标有参考标号62。在这种情况下，冷却装置是具有冷却肋56的冷却元件54、58，冷却肋56在上轭区及下轭区64中附接在变换器芯的两个层叠表面侧。在该图中，仅显示了非晶带状材料的几个缠绕层52，而在实际的非晶变换器芯中，可见这些层的几千层。
图4示出通过变换器芯的内空心和邻近轭的、第四变换器芯的截面70。在该示例中，轭区的横截面中包括肋和凹口76，而冷却元件72的所属侧包括与其对应的肋和凹口。因此，建立了具有所属冷却元件72的变换器芯的层叠前面侧的有齿78连接。热传递随之增大。为了进一步增大冷却效果，冷却元件72包括冷却肋74。
图5示出类似于图3的第五变换器的截面80。此外，第五变换器芯包括由固体热传导材料制的条或杆84，其在非晶带状材料的邻近层之间缠绕，热连接至冷却元件82，冷却元件82安装在变换器芯的两个层叠表面侧。合适的热材料例如是钢铁。
图6示出具有冷却装置或冷却元件94、96的第六变换器芯的截面。上芯柱98和下芯柱的横截面包括倾斜区域92。冷却元件94也附接至倾斜区域。
参考标号列表
10 高压变换器
12 由非晶带状材料缠绕的第一变换器芯
14 第一变换器芯的第一内空心
16 第一变换器芯的第二内空心
18 第一空心圆筒变换器线圈
20 第二空心圆筒变换器线圈
22 第三空心圆筒变换器线圈
24 第一冷却元件
30 由非晶带状材料缠绕的第二变换器芯
32 非晶带状材料的缠绕层
34 第一芯柱区
36 第二芯柱区
38 第三芯柱区
40 上轭区
42 下轭区
44 第二变换器芯的第一内空心
46 第二变换器芯的第二内空心
50 具有冷却装置的第三变换器芯的截面
52 非晶带状材料的缠绕层
54 第三变换器芯的第一冷却元件
56 避开第三变换器芯的前面侧的冷却肋
58 第三变换器芯的第二冷却元件
60 第三变换器芯的内空心
62 虚拟中心轴
64 第三变换器芯的下轭区的横截面
70 具有冷却装置的第四变换器芯的截面
72 第四变换器芯的冷却元件
74 避开第四变换器芯的前面侧的冷却肋
76 第四变换器芯的冷却元件的凹口
78 有齿区域
80 具有冷却装置的第五变换器芯的截面
82 第五变换器芯的冷却元件
84 固体热传导材料的条
90 具有冷却装置的第六变换器芯的截面
92 层叠前面侧的倾斜区域
94 安装在层叠前面侧的倾斜区域的冷却元件
96 安装在层叠前面侧的非倾斜区域的冷却元件
98 第六变换器芯的上轭区的横截面。
Claims (10)
1.一种高压变换器（10），包括：
·至少一个变换器芯（12、30），其由非晶带状材料（32、52）围绕至少一个内空心（14、16、44、46）缠绕，其中，两个相对的层叠前面侧由所缠绕的带状材料（32、52）的边缘形成，并且其中，形成至少两个相对的芯柱区（34、36、38）和上轭区（40、98）及下轭区（42、64），
·至少一个空心圆筒变换器线圈（18、20、22）围绕所述至少一个变换器芯（12、30）的芯柱区（34、36、38）布置，
其特征在于，
冷却装置（54、58、72、94、96）与所述层叠前面侧的至少一个的至少一部分连接。
2.如权利要求1所述的高压变换器，其特征在于，所述冷却装置（54、58、72、94、96）包括具有平坦侧的至少一个冷却元件（54、58），所述至少一个冷却元件（54、58）与所述变换器芯（12、30）的前面侧面对面地邻近安装。
3.如权利要求1或2所述的高压变换器，其特征在于，所述变换器芯（12、30）的至少一个层叠前面侧至少部分是肋形，并且所述冷却装置（54、58、72、94、96）包括其中具有平坦侧和对应的凹口（76）的至少一个冷却元件（72），所述至少一个冷却元件（72）面对面并有齿（78）地邻近安装在所述变换器芯的（12、30）的前面侧的所属部分上。
4.如权利要求2所述的高压变换器，其特征在于，至少一条固体热传导材料（84）缠绕在所述带状材料（32、52）的邻近层之间，并热连接至所述冷却元件（54、58、72、94、96）之一。
5.如权利要求2或4所述的高压变换器，其特征在于，所述至少一个冷却元件（54、58、72、94、96）包括避开所述变换器芯（12、30）的所述层叠前面侧的冷却肋（56、74）。
6.如权利要求1、2和4中的任一项所述的高压变换器，其特征在于，所述冷却装置（54、58、72、94、96）至少部分通过胶粘接合，与所述层叠前面侧的所述至少一部分连接。
7.如权利要求1、2和4中的任一项所述的高压变换器，其特征在于，所述冷却装置（54、58、72、94、96）与所述层叠前面侧的至少一部分的连接包括热传导物质。
8.如权利要求1、2和4中的任一项所述的高压变换器，其特征在于，所述冷却装置（54、58、72、94、96）与所述上轭区（40、98）及下轭区（42、64）的所述层叠前面侧连接。
9.如权利要求1、2和4中的任一项所述的高压变换器，其特征在于，所述层叠前面侧的所述至少一个区域倾斜（92），并且冷却装置（54、58、72、94、96）连接至所述层叠前面侧的所述至少一个区域。
10.如权利要求1、2和4中的任一项所述的高压变换器，其特征在于，由非晶带状材料（32、52）缠绕的所述变换器芯（12、30）包括两个内空心（14、16、44、46）和三个芯柱区（34、36、38）。
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