CN108463861A - 用于远程高压设备的电力变压器 - Google Patents

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CN108463861A
CN108463861A CN201680079062.3A CN201680079062A CN108463861A CN 108463861 A CN108463861 A CN 108463861A CN 201680079062 A CN201680079062 A CN 201680079062A CN 108463861 A CN108463861 A CN 108463861A
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阿诺·阿莱
艾伯特·佩雷拉
米歇尔·梅尔梅-格瓦耶内特
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Abstract

本发明涉及一种电力变压器(1)，包括电缆(11)，电缆(11)包括：中心部分(2)、中间部分(3)和外围部分(4)，中心部分(2)包括初级电路的第一绕组(21)、次级电路的第一绕组(22)以及在初级电路的所述绕组与次级电路的所述绕组之间的第一绝缘层(23)，中间部分(3)包围中心部分(2)，并且包括磁芯(31)，外围部分(4)包围中间部分(3)并且包括初级电路的第二绕组(41)和次级电路的第二绕组(42)以及初级电路的所述绕组和次级电路的所述绕组之间的第二绝缘层(43)；初级电路的第一和第二绕组之间以及次级电路的第一和第二绕组之间的电连接器(51、52)。

Description

用于远程高压设备的电力变压器
本发明涉及用于高压网络的设备，特别涉及电网中的远程设备之间的电力传输、这些远程设备的电流绝缘以及这些远程设备之间的电压电平的变换。
由IEEE于2011年出版的Arun Kadavelugu先生的文献“双有源电桥1200V SiC场效应管DC-DC转换器的高频设计考虑(High-Frequency Design Considerations of DualActive Bridge 1200V SiC Mosfet DC-DC converter)”第314-320页描述了一种DC/DC转换器，其中，两个H-桥借助于同轴变压器而电流绝缘。该同轴变压器包含两个臂，它们在其端部处互连并由电枢支撑。每个臂包含配备有多个初级电路绕组的内部部分和配备有多个次级电路绕组的外部部分。初级电路和次级电路是相互绝缘的。磁芯放置在初级电路和次级电路的外围。为了冷却变压器，该磁芯包括多个隔开的部分。为了更紧凑，两个臂的磁芯相互缠绕。
如果期望连接两个远程DC网络或设备，转换器在其输入端处连接到第一网络，并且其输出端借助于电缆连接到第二网络。
在实践中，这种类型的安装具有缺点，即在高电压应用的情况下，两个网络之一中的变压器占据的体积异常庞大。特别地，变压器的冷却与不可忽略的空间需求相关联。
这种类型的同轴变压器在这种情况下是不合适的。因此选择更多的常规变压器，其配备有包围在初级电路和次级电路中的磁芯。通常由在初级电路和次级电路之间流动的流体(例如气体或油)来提供电绝缘。对这种流体的管理存在安全、环境、维护和空间需求方面的问题，当变压器位于恶劣环境中时，例如在海上风电场中，这尤其成问题。
即使在本地变换应用中，这种类型的更多的常规变压器的冷却和电绝缘也是成问题的。
文献DE4318270描述了一种同轴电力变压器，包括初级电路绕组、包围初级电路绕组的磁芯以及包围磁芯的次级电路绕组。
文献US2011/0291792描述了一种同轴变压器，其中初级电路绕组和次级电路绕组布置在磁芯内。
文献GB2447963描述了一种同轴电力变压器，包括初级电路绕组、包围初级电路绕组的磁芯以及包围磁芯的次级电路绕组。
本发明旨在解决这些缺点中的一个或更多个。本发明因此涉及如在所附权利要求1中限定的电力变压器。
本发明还涉及在所附从属权利要求中限定的变型。本领域的技术人员将理解，这些变型的特征中的每个都能够独立地与权利要求1的特征组合，而不构成中间概括。
本发明还涉及如所附权利要求中限定的电力基础设施。
在以下描述中，参考附图清楚地说明了本发明的其它特征和优点，该描述是说明性而非限制的，在附图中：
-图1示出了根据本发明的变压器的示例性安装的示意图；
-图2示出了根据本发明的示例性变压器中的电缆的各个部分的示意性横截面图；
-图3示出了根据本发明的变压器的电缆的第一形式的实施例的横截面图；
-图4示出了图3的电缆在纵向平面中的截面图；
-图5示出了根据本发明的变压器的电缆的第二形式的实施例的横截面图；
-图6示出了图5的电缆在纵向平面中的截面图；
-图7示出了电缆末端的示例性互连的纵截面图；
-图8和9示出了次级电路的绕组之间的示例性布线的示意图；
-图10示出了根据本发明的变压器的电缆的第一形式的实施例的变型的横截面图。
本发明提出了一种电力变压器，其中，初级电路和次级电路的绕组容纳在单个电缆中，例如用于连接高压网络中的两个远程设备。这种变压器的电缆包括同心布置的中心部分、中间部分和外围部分。中心部分包括至少一个初级电路绕组、一个次级电路绕组以及在所述初级电路绕组和所述次级电路绕组之间的电流绝缘体。中间部分包围中心部分，并且包含磁芯。外围部分包围中间部分，并且包括初级电路绕组和次级电路绕组。外围部分还包括在所述初级电路绕组和所述次级电路绕组之间的电流绝缘体。分别包含在中心部分和外围部分中的这两个初级电路绕组在电缆的一个轴向端部处电连接。分别包含在中心部分和外围部分中的这两个次级电路绕组在电缆的一个轴向端部处电连接。
图1图示了根据本发明的变压器1的示例性安装。变压器1包括具有轴向端部111和112的细长的电缆11。如下文详述的，电缆11包含初级变压器电路的绕组、级次变压器电路的绕组和磁芯。在端部111处，电缆11包含构成变压器1的初级电路的端子的连接端子121和123。在端部112处，电缆11包含构成变压器1的次级电路的端子的连接端子122和124。
在该特定示例中，变压器1用于高电压DC网络上的两个远程设备82和84之间的电能的传输以及电压电平的变换。初级电路的端子121和123连接到DC/AC转换器81上的AC接口。设备82连接到DC/AC转换器81上的DC接口。次级电路的端子122和124连接到DC/AC转换器83上的AC接口。设备84连接到DC/AC转换器83上的DC接口。
图2示出了根据本发明的示例性变压器1中的电缆11的各个部分的示意性横截面图。在该电缆11中，可以区分中心部分2、中间部分3和外围部分4，其中部分2、3和4是同心的。外围部分4包围中间部分3，中间部分3包围中心部分2。
图3示出了根据本发明的变压器1中电缆11的第一示例性形式的实施例的横截面图。图4示出了电缆11沿纵向平面的截面图。
电缆11的中心部分2包括变压器1的初级电路的多个绕组21、变压器1的次级电路的多个绕组22以及固体电流绝缘体23。
电流绝缘体23被配置成包围初级电路的绕组21的电绝缘层(在环境温度下为固体)的形式。次级电路的绕组22定位成与该绝缘层23的外表面接触。绕组21围绕电缆11的轴径向分布。各个绕组21通过在所述绕组21之间的径向方向上延伸的绝缘分隔物25(在环境温度下为固体)隔开和绝缘。绕组22围绕电缆11的轴径向分布。各个绕组22通过在所述绕组22之间的径向方向上延伸的绝缘分隔物26(在环境温度下为固体)隔开和绝缘。
中间部分3包围中心部分2。中间部分3包括磁芯或电路31。在这种情况下，磁芯31包围中心部分2。这里，磁芯31占据中间部分3的整个容积。
电缆11的外围部分4包括变压器1的初级电路的多个绕组41、变压器1的次级电路的多个绕组42以及固体电流绝缘体43。
电流绝缘体43被配置成包围次级电路的绕组42的电绝缘层(在环境温度下为固体)的形式。绕组42围绕电缆11的轴径向分布。在这种情况下，绕组42与磁芯31接触。各个绕组42通过在所述绕组42之间的径向方向上延伸的绝缘分隔物46(在环境温度下为固体)隔开和绝缘。初级电路的绕组41设置成与该绝缘层43的外表面接触。绕组41围绕电缆11的轴径向分布。各个绕组41通过在所述绕组41之间的径向方向上延伸的绝缘分隔物45(在环境温度下为固体)隔开和绝缘。
这种类型的变压器1通过在电缆11的整个长度上对流而冷却。电缆11的长度因此有利于变压器1的冷却，从而允许消除或减少将电缆11浸入冷却剂流体流中的需求。此外，在这种情况下，借助于固体材料实现电流绝缘，由此既降低了泄漏的风险又降低了对变压器1的维护的限制。由于电气变换是沿着也用于能量传输的电缆11的长度进一步实现的，因此变压器1在与其连接的远程设备处的空间需求尤其减小。
在这种形式的实施例中，旨在通过将初级电路的绕组和次级电路的绕组布置在不同的层中以便于制造电缆11。这种电缆的制造是便利的，其中电流绝缘体23和43能够用本身已知的方法通过挤压或缠绕容易地形成。此外，这种形式的实施例容易在各绕组之间形成厚度相当大的电流绝缘体。
电缆11的外围部分4还包含包围绕组41的绝缘分隔物48(在环境温度下为固体)。电缆11的外围部分4还有利地包含形成电磁屏或屏蔽的导电层49(例如金属层)。形成屏的层49包围绝缘分隔物48。
在图示的实施例的形式中，电缆11有利地包含机械加强件29。机械加强件有利地在电缆11的整个长度上延伸(或者突出超过电缆11，以便允许其在其端部处附接)。机械加强件29有利地定位在中心部分2的中心处，在电缆11的轴中，使得其在电缆11弯曲期间保持最小应变。机械加强件29能够包括例如覆盖有绝缘体的金属电缆、合成纤维或纤维增强聚合物。
在图示的实施例的形式中，绝缘分隔物25在机械加强件29和绝缘层23之间径向延伸。在图示的示例性实施例的形式中，绝缘分隔物26在绝缘层23和磁芯31之间径向延伸。在图示的实施例的示例性形式中，绝缘分隔物46在磁芯31和绝缘层43之间径向延伸。在图示的实施例的示例性形式中，绝缘分隔物45在绝缘层43和绝缘层48之间径向延伸。
磁芯31例如能够采用通过挤压或通过同心缠绕来实现的形式。磁芯31能够例如由填充有磁性粉末的聚合树脂形成。磁芯31也能够例如由包围在绝缘体中的轧制金属板形成。例如，能够选择这种类型的材料，使得其相对磁导率为至少是150，优选至少200，并且有利地是500。根据仿真，磁耦合至少是0.99，其中，磁芯31的相对磁导率至少为150。
用于固体绝缘体23、25、26、43、45或46中之一的材料例如选自由以下组成的组：绝缘交联聚乙烯、聚丙烯、橡胶(EPR、HEPR)或硅树脂。
用于绕组21、22、41或42的材料例如选自：铜及其合金或铝及其合金。
根据第一形式的实施例的用于变压器1的电缆11的尺寸的一个示例可以如下。详细说明如下：
-由变压器1传输的额定功率为10MW；
-初级电路的端子处的的电压为10kV，次级电路的端子处的电压为100kV；
-频率为20kHz时，初级电路中的电流为1000A，次级电路中的电流为100A，；
-电流密度为1A/mm2；
-磁感应强度为0.2T。
作为参考，通过Boucherot公式计算线圈绕组的端子处的正弦电压V：
V＝π＊√2＊N＊B＊S＊f
其中，N：是绕组中的匝数，
B：是磁感应强度，
S：是磁路的横截面，
F：是工作频率。
为绕组21、22、41和42选择的材料是铜。
为屏蔽层49选择的材料是铝。
用于固体绝缘体23、26、43和46的材料是交联聚乙烯。
中心部分2中(和外围部分4中)的初级电路的绕组的数量是1。中心部分2中(和外围部分4)的次级电路的绕组的数量是10。
空气通道开口(图3中未示出)，代替机械加强件29，布置在中心部分2的中心，并且半径配置为10mm。绕组21的厚度是10.5mm。绝缘层23的厚度是5mm。绕组22的厚度是5.6mm。绝缘分隔物26的宽度至少是1mm，优选至少2mm。磁芯31的厚度是10mm。绕组42的厚度是3.7mm。绝缘层43的厚度是5mm。绕组41的厚度是3.1mm。绝缘层48的厚度是5mm。屏蔽层49的厚度是2.75mm。电缆11具有62.5m的长度。
绕组21和41的节距(在这种情况下，与绕组22和42的节距相同)例如是电缆11的直径的5到30倍。
在以上图示的示例中，一方面端子121和123以及另一方面端子122和124布置在电缆11的相对端部处。然而，也可以将变压器1用于本地应用，其中，端子121至124定位在电缆11的同一端处。这种类型的变压器1也受益于在电缆长度上施加的冷却以及固体电流绝缘体的绝缘性能。
在图7中所示的纵向截面图中，图示了具有在同一端部布置的端子的电缆11的示例性端部结构。该图示旨在表示中心部分2中和外围部分4中的初级电路的绕组之间或者中心部分2中和外围部分4中的次级电路的绕组之间的互连。
因此，端部件5附接到电缆11的一端。端部件5可以包含在此未示出的主或副连接端子。端部件5包含电连接器52，该电连接器52将外围部分中的绕组42电连接到中心部分2中的绕组22。电连接器52例如通过焊接附接到其相应的绕组22和42。
电连接器52在其外围处由绝缘体53包围。绝缘体53被配置为绝缘层23和43的连续部，并且覆盖电连接器52的轴向端部。绝缘体53包围电连接器52。
端部件5还包含电连接器51，该电连接器51将外围部分中的绕组41电连接到中心部分2中的绕组21。电连接器51例如通过焊接附接到其相应的绕组21和41。电连接器51在其外围处由绝缘体54包围。绝缘体54被配置为绝缘层48的连续部，并且覆盖电连接器51的轴向端部。
在这种情况下，机械加强件29轴向延伸穿过并超出端部件5。
为了约束施加到各个绝缘分隔物26和46上的电场，图8和图9图示了根据上面详述的数值应用(部分2和4中的每一个中的次级电路的10个绕组)的次级电路的绕组22和42的示例性互连。图8和图9图示了电缆11的相应的相对端部处的互连。这里图示的互连允许限制相邻绕组22之间或相邻绕组42之间的电势差。在这种情况下，互连由虚线示意性地图示。在图9中，为了清楚起见，仅图示了互连的末端。绕组22和42以索引n°n编号，其中，索引n°n的绕组22和42位于径向相对的位置。通过它们的索引n°n识别的绕组22(以及类似地，绕组42)以如下顺序径向定位：1-2-4-6-8-10-9-7-5-3。绕组之间的互连如下：
-索引n°1的绕组22和42通过互连521电连接；
-索引n°1的绕组22和索引n°2的绕组42通过互连612电连接；
-索引n°2的绕组22和42通过互连522电连接；
-索引n°2的绕组22和索引n°3的绕组42通过互连623电连接；
-索引n°3的绕组22和42通过互连523电连接；
-索引n°3的绕组22和索引n°4的绕组42通过互连634电连接；
-索引n°4的绕组22和42通过互连524电连接；
-索引n°4的绕组22和索引n°5的绕组42通过互连645电连接；
-索引n°5的绕组22和42通过互连525电连接；
-索引n°5的绕组22和索引n°6的绕组42通过互连656电连接；
-索引n°6的绕组22和42通过互连526电连接；
-索引n°6的绕组22和索引n°7的绕组42通过互连667电连接；
-索引n°7的绕组22和42通过互连527电连接；
-索引n°7的绕组22和索引n°8的绕组42通过互连678电连接；
-索引n°8的绕组22和42通过互连528电连接；
-索引n°8的绕组22和索引n°9的绕组42通过互连689电连接；
-索引n°9的绕组22和42通过互连529电连接；
-索引n°9的绕组22和索引n°10的绕组42通过互连690电连接；
-索引n°10的绕组22和42通过互连520电连接。
在初级电路中心部分2中和外围部分4中包括多个绕组的情况下，对于绕组21和41可以采用相似模式的互连，以便约束施加到绝缘分隔物25和45的电场。
根据第一形式的实施例的用于变压器1的电缆11的尺寸的另一个示例可以如下。详细描述如下：
-变压器1传输额定功率为1MW；
-初级电路的端子处的电压为5kV，次级电路的端子处的电压为5kV；
-频率为5kHz时，初级电路中的电流200A，次级电路中的电流200A，；
-电流密度为1A/mm2；
-磁场为0.2T。
为绕组21、22、41和42选择的材料是铜。
为屏蔽层49选择的材料是铝。
用于固体绝缘体23和43的材料是交联聚乙烯。
中心部分2中(和外围部分4中)的初级电路的绕组的数量是1。中心部分2中(和外围部分4中)的次级电路的绕组的数量是1。
空气通道开口(图3中未示出)，代替机械加强件29，布置在中心部分2的中心，并且半径配置为10mm。绕组21的厚度是2.8mm。绝缘层23的厚度是5mm。绕组22的厚度是1.7mm。磁芯31的厚度是10mm。绕组42的厚度是1.1mm。绝缘层43的厚度是5mm。绕组41的厚度是0.9mm。绝缘层48的厚度是5mm。屏蔽层49的厚度是2.75mm。电缆11具有125m的长度。
绕组21和41的节距(在这种情况下，与绕组22和42的节距相同)例如是电缆11的直径的5到30倍。
图5示出了根据本发明的变压器1中电缆11的实施例的第二示例性形式的横截面图。图6示出了电缆11的纵向平面中的截面图。
电缆11的中心部分2包括变压器1的初级电路的多个绕组21和变压器1的次级电路的多个绕组22。在这种情况下，中心部分2包括围绕电缆11的轴分布的绕组的交替布置。这里，绕组22的数量是绕组21的数量的两倍。
电缆11还包括绝缘元件27(在环境温度下为固体)形式的电流绝缘。绝缘元件27围绕电缆11的轴径向分布。绝缘元件27使中心部分2中的两个相邻绕组隔开。在这种情况下，绝缘元件27构成在两个相邻绕组21或22之间在径向方向上延伸的绝缘分隔物。
中间部分3包围中心部分2。中间部分3包括磁芯或电路31。在这种情况下，磁芯31包围中心部分2。这里，磁芯31占据中间部分3的整个容积。
电缆11的外围部分4包括变压器1的初级电路的多个绕组41和变压器1的次级电路的多个绕组42。在这种情况下，外围部分4包括围绕电缆11的轴分布的绕组的交替布置。这里，绕组42的数量是绕组41的数量的两倍。
电缆11还包括绝缘元件47(在环境温度下为固体)形式的电流绝缘。绝缘元件47围绕电缆11的轴径向分布。绝缘元件47使外围部分4中的两个相邻绕组隔开。在这种情况下，绝缘元件47构成在两个相邻绕组41或42之间在径向方向上延伸的绝缘分隔物。
初级电路的绕组41和次级电路的绕组42定位成与磁芯31的外表面接触。
电缆11的外围部分4还包括包围绕组41和42的绝缘分隔物48(在环境温度下为固体)。电缆11的外围部分4还有利地还包括形成电磁屏或屏蔽的导电层49(例如金属层)。形成屏的层49包围绝缘分隔物48。
在图示的实施例的形式中，电缆11有利地包含机械加强件29。机械加强件有利地在电缆11的整个长度上延伸(或者突出超过电缆11，以便允许其在其端部处附接)。机械加强件29有利地定位在中心部分2的中心处，在电缆11的轴中，使得其在电缆11弯曲期间保持最小应变。机械加强件29能够具有与第一示例性形式的实施例中相同的组成。
在图示的实施例的形式中，绝缘分隔物27在机械加强件29和磁芯31之间径向延伸。在图示的实施例的形式中，绝缘分隔物47在磁芯31和绝缘层48之间径向延伸。
为了简化，通过描述具有直线轴的电缆11图示了根据本发明的变压器1的电缆11的各种形式的实施例。然而，在大多数配置中，这种类型的电缆11是灵活的。因此，电缆11的轴可以是弯曲的，例如其中电缆11缠绕成线圈，或者电缆11的中间部分经受与弯曲相关的应变。
在所描述的各种形式的实施例中，变压器1的初级电路和次级电路各自包括中心部分2中的多个绕组以及外围部分4中的多个绕组。然而，可以设想，变压器1的初级电路和/或次级电路包括中心部分2中的单个绕组以及外围部分4中的单个绕组。
为了冷却电缆11以及在远程网络上的设备之间传输电力，电缆11的长度有利地至少是其外部直径的100倍。
在图示的示例中，变压器1用于在远程高压设备之间传输电力。高压设备之间的距离可以大于电缆11的长度。在这种类型的概念性情况下，电力传输电缆可以连接到初级电路的端子和/或次级电路的端子，以便适于分隔所述高电压设备的距离。
图10示出了根据本发明的变压器1的电缆11的第一示例性形式的实施例的变型的横截面图。电缆11与图3中表示的有如下不同：
-存在环绕中心部分2的电流绝缘体91。这里，电流绝缘体91有利地使绕组22相对于磁芯31绝缘；
-存在环绕中间部分3的电流绝缘体92。这里，电流绝缘体92有利地使绕组42相对于磁芯31绝缘。

Claims (13)

1.一种电力变压器(1)，包括具有第一和第二轴向端部(111、112)的电缆(11)，其特征在于，所述电缆包括：
-同心布置的中心部分(2)、中间部分(3)和外围部分(4)；
-其中，所述中心部分(2)包括至少一个第一初级电路绕组(21)、至少一个第一次级电路绕组(22)以及在所述第一初级电路绕组与所述第一次级电路绕组之间的至少一个第一固体电流绝缘体(23)；
-其中，所述中间部分(3)包围所述中心部分(2)，并且包含磁芯(31)；
-其中，所述外围部分(4)包围所述中间部分(3)，并且包括至少一个第二初级电路绕组(41)、至少一个第二次级电路绕组(42)和在所述第二初级电路绕组和所述第二次级电路绕组之间的至少一个第二固体电流绝缘体(43)；
-连接到所述第一初级电路绕组和所述第二初级电路绕组之间的电缆的所述轴向端部之一的电连接器(51)；
-连接到所述第一次级电路绕组和所述第二次级电路绕组之间的电缆的所述轴向端部之一的电连接器(52)。
2.根据权利要求1所述的电力变压器(1)，包括布置在所述电缆(11)的第一端部(111)处的连接到所述初级电路的两个连接端子(121、123)，并且包括布置在所述电缆(11)的第二端部(112)处的连接到所述次级电路的两个连接端子(122、123)。
3.根据权利要求1或2所述的电力变压器(1)，其中，所述中心部分(2)包含在所述电缆(11)的整个长度上延伸的机械加强件(29)，其中，所述机械加强件(29)位于所述中心部分的中心。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电力变压器(1)，其中，所述中心部分(2)包含绝缘层(23)，所述绝缘层(23)包围所述初级电路和所述次级电路之一的多个绕组，所述初级电路和所述次级电路中的另一个具有与所述绝缘层(23)的外表面接触的多个绕组。
5.根据权利要求4所述的电力变压器(1)，其中，与所述绝缘层(23)的外表面接触的所述绕组(22)通过具有至少1mm宽度的绝缘分隔物(26)相互隔开。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的电力变压器(1)，其中，所述中心部分(2)包括围绕所述电缆的轴径向分布的初级电路绕组和次级电路绕组的交替布置，其中，所述第一电流绝缘体包括围绕所述电缆的轴径向分布并且以这种交替布置使绕组隔开的绝缘元件(27)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电力变压器(1)，其中，所述第一电流绝缘体由从包括聚丙烯或交联聚乙烯的组中选择的材料组成。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电力变压器(1)，其中，所述磁芯(31)由从包括以纳米晶体Vitroperm 500 F销售的材料或以Molypermalloy Powder Core销售的材料的组中选择的材料组成。
9.根据权利要求8所述的电力变压器(1)，其中，所述磁芯(31)在所述电缆(11)的整个长度上连续地延伸。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电力变压器(1)，其中，所述电缆(11)的长度是其直径的至少100倍。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电力变压器(1)，其中，所述第一电流绝缘体具有至少2mm的厚度。
12.根据前述权利要求中任一项所述的电力变压器(1)，其中，所述初级电路绕组的轴向节距为圆形横截面电缆的直径的5到30倍。
13.一种电力基础设施，包括：
-如权利要求2所述的变压器；
-第一电力设备(81)，其在电缆(11)的第一端部处连接到所述初级电路的连接端子(121、123)；
-第二电力设备(83)，其在电缆(11)的第二端部处连接到所述次级电路的连接端子(122、124)，其中，第一或第二电力设备在与其连接的连接端子上施加至少1kV的电压。
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