CN109643604A - 用于绕组的高压电缆以及包括该电缆的电磁感应装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于电磁感应装置的高压绕组的电缆(1)。电缆(1)包括：具有宽度w的导体(5)；以及被布置在导体(5)的至少一部分周围的屏蔽件(3)，其中在导体(5)的任何横截面中，导体具有在范围w/5＜r≤w/3内的半径r的圆角(5a)。本文中还公开了包括形成高压绕组的电缆的高压电磁感应装置。

Description

用于绕组的高压电缆以及包括该电缆的电磁感应装置

技术领域

本公开总体涉及高压设备。特别地，它涉及用于电磁感应装置的高压绕组的电缆。

背景技术

电磁感应装置(诸如，变压器以及电抗器)被用在功率系统中以进行电压电平控制。至此，变压器是用于升高和降低功率系统中的电压的电磁感应装置，以便以有成本效益的方式产生、传输以及利用电功率。在更一般的意义上，变压器具有两个主要部分：磁路，芯，例如由层压铁或钢制成；以及电路，绕组，通常由铝线或铜线制成。

用于电功率网络的较大的变压器通常被设计成具有高效率并且具有一系列严格的操作标准，例如：电介质、热学、机械以及声学标准。由于变压器的功率处理能力(即，功率和电压额定值)不断地增加，变压器设计面临越来越多的约束。

变压器设计的现代实践尤其涉及在损耗以及在芯和绕组中的材料的使用的平衡。由于通过大型功率变压器处理大量功率并且由于长使用寿命(通常为40年)，如果可以通过成本证明，损耗减少的任何改进都将是可观的。

由于负载电流引起的变压器中的功率损耗是总损耗的很大一部分。基于它们的来源，负载损耗(LL)包括可感知的三种不同类型的损耗：i)由于绕组导体的固有电阻引起的I²R损耗，还被称为DC损耗；ii)由于时变磁场引起的绕组中的涡流损耗(ECL)，时变磁场由所有绕组导体中的负载电流产生；漏磁场以及iii)杂散损耗，即由于漏磁场引起的在变压器的其它结构部分中的ECL。

用于降低涡流损耗的当前解决方案包括多股连续换位电缆(CTC)。这些电缆需要更牢固的铜，以便能够处理高压应用中的短路。此外，具有多个足够薄且换位的股线的CTC电缆的制造是非常昂贵的工艺，并且需要借助于环氧树脂来胶合并且绝缘股线。因此，高压感应装置的材料成本大幅增加。

WO2012136754中公开了另一种方法。该文件公开了用于电磁感应装置的绕组的电缆。电缆包括：导体；以及层，该层包括具有在2至100000的范围的相对磁导率的磁性材料，其中层至少部分地围绕导体。由此可以减少涡流损耗。

US 5 545 853公开了用于在电动机的引线以及绕线定子中使用的浪涌(surge)保护电缆。电缆是“滤线”类型，并且通过衰减峰值电压以及瞬态电压尖峰来减少变频驱动(VFD)电机的定子绕组中的故障。“滤线”类型的电缆绝缘防止“脏”功率沿轴线不衰减的行进。滤线电缆的特征在于导电材料的一个或多个股线的芯构件，其覆盖有包含铁氧体和/或磁铁矿的主绝缘层。然后该层进一步覆盖有由高温材料制成的阻燃绝缘夹套(jacket)层。主绝缘层和外夹套层两者都是交联的。

US 2010/294531公开了机动车辆动力电缆，其包括由至少一个第一绝缘元件围绕的至少一个第一扁平导体元件。机动车辆动力电缆进一步包括至少一个第二扁平导体元件和至少一个屏蔽元件，至少一个第二扁平导体元件由至少一个第二绝缘元件围绕，至少一个屏蔽元件围绕至少一个第一绝缘元件以及至少一个第二绝缘元件。除此之外，由第一绝缘元件围绕的第一扁平导体元件以及由第二绝缘元件围绕的第二扁平导体元件以这样的方式布置，使得扁平导体元件的宽表面彼此叠置。

EP 1 453 068公开了纵向矩形横截面的扁平导电电缆，包括沿着矩形侧的较长侧的两个平行表面以及沿着较短矩形侧的两个平行表面，其中两个表面中的一个表面具有由电线组成的覆盖屏蔽件。

CN 202 720 954是实用新型，其公开了具有高的抗干扰性能的电话系统供电电缆。电缆包括由多个铜导体绞合的多个芯线。多个芯线被设置在同一平面中并且被平行布置。多个芯线包裹在具有矩形横截面的低烟无卤绝缘层中。具有矩形横截面的铝箔屏蔽层包裹在低烟无卤绝缘层的外表面。铜线编织屏蔽层包裹在铝箔屏蔽层的外表面。具有矩形横截面的护套层包裹在铜线编织屏蔽层的外表面。

US 4 383 225公开了电缆，其包括针对外部寄生(parasite)免疫的多个单独的屏栅物(screening)，特别是高振幅，其中屏栅物由一个或多个绝缘或轻微导电的磁性层分开，由磁性组合物形成并且通过挤压施加。

发明内容

本发明人已经发现，与通过WO2012136754中公开的设计的可能的涡流损耗相比，可以进一步降低涡流损耗。

因此，本公开的目的是提供用于电磁感应装置的高压绕组的电缆，该电缆在负载状态下减少绕组中的损耗。

因此，在本公开的第一方面中，提供了用于电磁感应装置的高压绕组的电缆，包括：具有宽度w的导体；以及被布置在导体的至少一部分周围的屏蔽件；其中在导体的任何横截面中，导体具有在w/8＜r≤w/2的范围内的半径r的圆角。

发明人已经认识到，涡流损耗在用于绕组的电缆的导体的拐角中是普遍的。通过使导体的拐角变圆，可以去除这些高损耗区域。考虑到在提供有形涡流损耗减小而不过度增加DC损耗之间的折衷，半径值w/8＜r≤w/2的范围包括最佳半径范围。DC损耗是随着导体的横截面面积减小而增加的函数。

根据本公开的电缆对于存在高电流、从而导致高损耗的高电压应用可以是特别地有利的。然而，应该注意，电缆还可以被用于中压应用甚至低压应用。

根据一个实施例，在任何圆角外部形成的空间填充有磁性材料。磁性材料与导体的圆角相结合，进一步降低了涡流损耗。

根据一个实施例，半径在w/6＜r≤w/2的范围内。

根据一个实施例，半径在w/5＜r≤w/2的范围内。

根据一个实施例，半径在w/5＜r≤w/3的范围内。已经发现，考虑到由于导体的圆角而获得的减小的面积，在没有提供导体的面积补偿的情况下，关于涡流减小，最佳半径减小在上述范围内的某处。

根据一个实施例，磁性材料具有相对磁导率μ_r＞1。

根据一个实施例，磁性材料是聚合物磁体。在这种情况下，围绕导体以及屏蔽件的封装可以是聚合物磁体，导致简单的制造工艺，因为在这种情况下，封装具有两个功能；它填充了由于圆角而获得的空间，并且用作导体的封装。

根据一个实施例，磁性材料是磁性凝胶。

根据一个实施例，磁性材料包括与环氧树脂混合的磁性粉尘或胶。

根据一个实施例，磁性材料是磁性流体。

根据本公开的第二方面，提供了高压电磁感应装置，包括：具有臂(limb)的磁芯；以及根据在本文中呈现的第一方面的电缆，其中电缆缠绕在臂周围，形成高压绕组。

根据一个实施例，高压电磁感应装置是高压变压器或高压电抗器。

通常，除非本文另有明确定义，否则权利要求中使用的所有术语将根据它们在技术领域中的普通含义来解释。除非另有明确说明，否则对“一/一个/该元件、设备、部件、器件等”的所有引用应被公开地解释为指代元件、设备、组件、器件等的至少一个实例。

附图说明

现在将参考附图，通过示例的方式，描述本发明构思的具体实施例，其中：

图1示出了用于电磁感应装置的绕组的现有技术电缆的涡流损耗；

图2示出了用于电磁感应装置的绕组的电缆的一个示例的横截面；

图3描绘了用于电磁感应装置的电缆的一个示例的横截面；

图4a示出了针对不同的角半径的用于电磁感应装置的绕组的电缆中的功率损耗的绘图，该电缆没有屏蔽件，并且没有用作楔形物中的填充物的磁性材料；

图4b示出了针对不同的角半径的用于电磁感应装置的绕组的电缆中的功率损耗的绘图，该电缆包括屏蔽件，但是没有用作楔形物中的填充物的磁性材料；

图4c示出了针对不同的角半径的用于电磁感应装置的绕组的电缆中的功率损耗的绘图，该电缆包括屏蔽件、以及用作楔形物中的填充物的磁性材料；

图5是在与图4c中相同的前提下但是具有面积补偿的用于电磁感应装置的绕组的电缆中的功率损耗的绘图；以及

图6是高压电磁感应装置的一部分的截面图，该高压电磁感应装置包括由在图2或图3中示出的电缆制成的绕组。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明构思，附图中示出了示例性实施例。然而，本发明构思可以以许多不同的形式体现，并且不应该被解释为限于在本文中阐述的实施例；相反，这些实施例是通过示例的方式提供的，使得本公开将是彻底和完整的，并且将会向本领域技术人员充分地传达本发明构思的范围。相同的附图标记在整个说明书中指代相同的元件。

本公开涉及用于电磁感应装置(诸如，高压变压器或高压电抗器)的高压绕组的电缆。电缆的设计减少了涡流损耗。通过在电缆的任何横截面中提供圆角可以减少涡流损耗。圆角可以具有在w/8＜r≤w/2的范围中的半径，其中w是形成一部分电缆的导体的宽度。通常，所有圆角具有相同的半径。

通过使电缆拐角变圆，减小横截面面积，如果圆角的半径太大，则导致更高的DC损耗。DC损耗是用于绕组的电缆的横截面面积的函数；横截面面积越大，DC损耗越低。

根据本文中所公开的一个方面，通过在设计阶段补偿由于拐角的变圆而获得的任何横截面面积减少，来提供用于圆角导体的DC损耗补偿。在设计阶段，通过选择较大的导体尺寸，特别是导体的高度和宽度尺寸中的一者或两者，来获得DC损耗补偿，其中对应的量已经通过拐角的变圆被去除或者将通过使拐角变圆被去除。因此，可以在设计阶段选择横截面面积，使得在已经被提供有圆角之后的横截面面积对应于具有矩形拐角的导体的横截面面积。以这种方式，既可以提供减小的涡流损耗又可以维持DC损耗。

图1示出了计算机模拟，其中高电流流过具有矩形横截面并且形成高压绕组的一部分的多个导体C1-C4。可以看出，在拐角具有高的损耗。这些损耗是由于漏磁通感应涡流而出现的。

参考图2和图3，现在将描述用于电磁感应装置的高压绕组的电缆的示例。

图2示出了用于高压绕组的电缆的一个示例的横截面。示例性电缆1包括屏蔽件3以及导体5。

电缆1还可以包括封装，该封装被配置为封装屏蔽件3和导体5、以及围绕封装设置的固体绝缘。例如，封装可以包括环氧树脂，并且固体绝缘可以包括基于纤维素的材料(诸如，纸)。

例如，导体65可以由铜或铝制成。在横截面中，导体5的每个拐角5a是圆形的，具有半径r。每个拐角5a的半径r在w/8＜r≤w/2的范围内。例如，每个拐角5a的半径可以在w/6＜r≤w/2的范围内(诸如，w/5＜r≤w/2或w/4≤r≤w/2或w/4≤r≤w/3。

根据本示例，导体5具有大体细长的横截面形状。除了拐角5a之外，横截面形状大体是矩形的。导体5具有宽度w，其被定义为导体5的长侧之间的距离。导体5还具有高度h，其被定义为短侧之间的距离。根据本示例，宽度w小于高度h。导体5的高度h形成借助于电缆1已被创建的绕组的一个绕组碟的高度的一部分。导体5的宽度w形成借助于电缆1已被创建的绕组的绕组匝的宽度的一部分。

屏蔽件3至少部分地围绕导体5。屏蔽件3优选地被布置在漏磁通方向上，即，与漏磁通平行。这通常意味着屏蔽件3沿着导体5的长侧布置。屏蔽件3包括磁性材料。屏蔽件3被配置为提供导体5的磁屏蔽。屏蔽件3的磁性材料优选地具有2至100000的范围内的相对磁导率μ_r。例如，屏蔽件3可以具有至少100μm(优选地在200至800μm的范围内)的厚度。WO2012136754中提供了合适材料和屏蔽件3的合适特性的示例。

根据本示例，屏蔽件3被设置为沿着导体5的两个长侧。屏蔽件3可以可替代地被设置在整个导体周围，或者它可以被设置为沿导体的短侧而不是长侧，或者仅沿着长侧中的一个或仅沿着短侧中的一个。

由于导体5的拐角5a是圆形的，具有半径r，因此在每个圆角5a的外侧获得空间7。根据一个变型，该空间7填充有磁性材料9。磁性材料9用作填充物，填充空间7。磁性材料9优选地是“软”磁性材料，其指的是可变形的材料，以容易地获得空间7的形状。磁性材料9可以是具有大于1的相对磁导率μ_r的任何软磁材料。例如，磁性材料可以是磁性凝胶，或者它可以包括与环氧树脂混合的磁性粉尘或胶，或者它可以是磁性流体(诸如，铁磁流体)。磁性材料9还可以是聚合物磁体。至此，根据一个变型，封装可以是聚合物磁体，其填充空间7。

图3示出了用于绕组的电缆的另一个示例的横截面。电缆11是多股电缆，并且包括被布置成多个行的多个导体5。根据本示例，行数是2，但是当然可以代之存在多于2个的行或者少于2个的行。每个导体5形成电缆11的股线。每个导体5至少部分地被屏蔽件3围绕，并且所有导体5都具有圆角，如图1所示。电缆11进一步包括：封装13(例如环氧树脂封装)，包围导体5；以及固体绝缘15，包围封装13。

图4a示出了图示用于高压绕组的电缆的损耗的绘图，该电缆在空间7中没有屏蔽件，并且没有磁性材料。x轴示出了拐角5a的不同半径，从在原点处本质上根本没有半径(即，矩形导体)到宽度的一半的最大半径，并且y轴示出了作为半径的函数的功率损耗，从原点处根本没有功率损耗。曲线17示出了导体中的DC损耗。正如预期的，DC损耗随着半径r的增加而增加，因为随着拐角越来越圆，导体的总横截面面积减小。曲线19示出了涡流损耗，其随着半径r的增加而减小。曲线21示出了总损耗，即涡流损耗和DC损耗两者。尽管DC损耗略微抵消了由圆角提供的效率，但随着导体的拐角半径增加，即使对于最大半径，总损耗也略微减小。

图4b示出了图示用于高压绕组的电缆的损耗的绘图，该电缆具有屏蔽件3，但是在空间7中没有磁性材料。x轴和y轴描述了如前面示例中所指示的相同的参数。曲线23示出了屏蔽件中的涡流损耗，并且曲线25示出了屏蔽件中的磁滞损耗，两者相对于拐角5a的半径r中的变化都是恒定的。曲线27示出了导体中的涡流损耗，其随着半径增加而再次减小。曲线29示出了导体中的DC损耗，其随着半径r增加。曲线31示出了总损耗，其随着半径增加而减小。然而，屏蔽件和弯曲半径的组合提供了比图4b中示出的情况小得多的总损耗；在本示例中，对于任何半径的总损耗大约为图4a的示例中的总损耗的一半。

图4c示出了图示用于高压绕组的电缆的损耗的绘图，该电缆具有屏蔽件3以及在空间7中的磁性材料。x轴和y轴描述了如前面两个示例中所示的相同的参数。曲线33和35分别地示出了磁性材料(即，填充物材料)中的涡流损耗和磁滞损耗。曲线37示出了屏蔽件中的涡流损耗，并且曲线39示出了这种情况下的屏蔽件的磁滞损耗。曲线41示出了导体中的涡流损耗，其随着增加的半径而再次减小。曲线43是导体中的DC损耗，并且曲线45是总损耗。再次，总损耗随着导体的拐角的半径r的增加而减小。然而，在存在在空间7中用作填充物的磁性材料以及至少部分地围绕导体5布置的屏蔽件13的情况下，总损耗具有最小值，该最小值基本上小于图4b中所示的情况。该最小值位于半径范围Δr中，其对应于导体5的大约w/5至大约w/3，即在导体5的宽度w的大约五分之一至导体5的宽度w的大约三分之一之间。

在制造期间为导体提供圆角时获得的导体5的面积减小可以得到补偿。可以通过使用导体材料来补偿面积减小，在拐角变圆之前，该导体材料具有比被期望用于DC损耗目的的横截面面积稍大的横截面面积。例如，如果拐角的变圆使总横截面面积减小假设3％，则可以从具有期望的横截面面积的大约103.1％的横截面面积的导体开始。当拐角被变圆时，将获得100％的期望的横截面面积。

图5示出了图示用于高压绕组的电缆的损耗的绘图，该电缆具有屏蔽件3以及在空间7中的磁性材料，在其生产期间具有导体的面积补偿。x轴和y轴描述了如前面的示例中所指示的相同的参数。曲线47和49分别示出了磁性材料(即，填充物材料)中的涡流损耗和磁滞损耗。曲线51示出了屏蔽件中的涡流损耗，并且曲线53示出了在这种情况下的屏蔽件中的磁滞损耗。曲线55示出了导体中的涡流损耗，其随着增加的半径而再次减小。曲线57示出了导体中的DC损耗，其在面积补偿的情况下对于任何半径r是恒定的。与图4c中所示的非补偿的情况类似，它不会随着增加的半径增加而增加。因此对于较大的半径，由曲线59示出的总损耗将低于图4c中所示的没有面积补偿的情况。

图6示出了高压电磁感应装置61的一部分，高压电磁感应装置61包括：磁芯63，由多个层压的钢板制成；以及高压绕组65。磁芯63具有被高压绕组65缠绕的臂。高压绕组65包括多个匝以及绕组碟，并且包括具有本文中所公开的类型的圆角的电缆。因此，高压绕组65可以包括诸如电缆1或电缆11的电缆。

本文中所公开的电缆适于被用于构造高压电磁感应装置的高压绕组，其中涡流损耗是不可忽略的。例如，这种电磁感应装置可以是变压器(诸如，功率变压器、HVDC变压器、电抗器或发电机)。至此，电缆可以有利地被用于高压应用。

以上主要参考几个示例描述了本发明构思。然而，如本领域技术人员容易理解的，除了以上所公开的实施例之外的其它实施例在如由随附的权利要求所限定的本发明构思的范围内同样是可能的。

Claims (9)

1.一种用于电磁感应装置的高压绕组的电缆(1；11)，包括：

导体(5)，具有宽度w，以及

屏蔽件(3)，被布置在所述导体(5)的至少一部分周围，

其中在所述导体(5)的任何横截面中，所述导体具有半径r在w/5＜r≤w/3的范围内的圆角(5a)。

2.根据权利要求1所述的电缆(1；11)，其中在任何圆角(5a)外部形成的空间(7)被填充有磁性材料(9)。

3.根据权利要求2所述的电缆(1；11)，其中所述磁性材料(9)具有相对磁导率μ_r＞1。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的电缆(1；11)，其中所述磁性材料(9)是聚合物磁体。

5.根据权利要求2或33所述的电缆(1；11)，其中所述磁性材料(9)是磁性凝胶。

6.根据权利要求2或33所述的电缆(1；11)，其中所述磁性材料(9)包括与环氧树脂混合的磁性粉尘或胶。

7.根据权利要求2或3所述的电缆(1；11)，其中所述磁性材料(9)是磁性流体。

8.一种高压电磁感应装置(61)，包括：

具有臂的磁芯(63)，以及

根据权利要求1至7中的任一项所述的电缆(1；11)，其中所述电缆(1；11)缠绕在所述臂周围，从而形成高压绕组(65)。

9.根据权利要求8所述的高压电磁感应装置(61)，其中所述高压电磁感应装置(61)是高压变压器或高压电抗器。