CN112652470B - 一种变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的变压器，应用于输配电技术领域，该变压器包括铁芯、本体绕组，以及半导电层，本体绕组套装于铁芯的芯柱之上，半导电层与本体绕组对应设置。辅助电路与本体绕组相连，且辅助电路与本体绕组的预设位置具有相等电位，半导电层的等电位连接点由辅助电路提供，半导电层与辅助电路连接后，即可实现均衡绕组电场分布的作用。本发明提供的变压器，通过辅助电路提供与变压器本体绕组的预设位置具有相等电位的等电位连接点，半导电层直接与该等电位连接点相连，从而在避免破坏litz线股间绝缘的情况下，实现半导电层的既定作用，即改善绕组的电场分布，提高变压器的高压绝缘性能。

Description

一种变压器
技术领域
本发明涉及输配电技术领域，特别涉及一种变压器。
背景技术
在实际应用中，不但需要关注高频高压大功率变压器的高频特性，同时，还应关注此类变压器的高压特性。具体的，针对高频高压大功率变压器的高频特性，为了防止集肤效应与邻近效应带来的高频涡流损耗，常采用litz线绕制变压器绕组。而针对高频高压大功率变压器的高压特性，通常需要用到半导电层改善绕组的电场分布，以防止变压器的局部场强过高。
参见图1，图1中示出现有技术中在高压工频变压器设置半导电层的实现方式，在大多数情况下，一个半导电层对应一个绕组，半导电层通常直接与对应的绕组的指定位置进行等电位连接。
然而，高频高压大功率变压器难以采用图1所示的实现方式，原因在于，高频高压大功率变压器的绕组采用litz线绕制，由于litz线包括多股相互之间绝缘的导线，难以在不破坏litz线股间绝缘的前提下，引出与半导电层相连的连接点，而如果破坏了litz线的股间绝缘，则会导致绝缘破损处的高频涡流损耗带来的发热问题。
发明内容
本发明提供一种变压器，通过辅助电路提供与变压器本体绕组的预设位置具有相等电位的预设连接点，半导电层直接与该预设连接点相连，从而在避免破坏litz线股间绝缘的情况下，实现半导电层的既定作用：改善绕组的电场分布，防止变压器的局部场强过高。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种变压器，包括：铁芯、本体绕组，以及半导电层，其中，
所述本体绕组套装于所述铁芯的芯柱；
所述半导电层与所述本体绕组对应设置；
所述半导电层的等电位连接点由辅助电路提供；
所述辅助电路与所述本体绕组相连，且所述辅助电路与所述本体绕组的预设位置具有相等电位。
可选的，所述辅助电路提供的等电位连接点为使所述半导电层内容性电流最小的连接点。
可选的，所述辅助电路包括套装于所述芯柱的辅助绕组。
可选的，所述辅助绕组与所述本体绕组的绕向相同，且匝数相同。
可选的，所述辅助电路包括与所述变压器相连的变流器。
可选的，所述变流器的直流侧正母线作为所述等电位连接点。
可选的，所述变流器的直流侧负母线作为所述等电位连接点。
可选的，所述变流器的直流侧母线中点作为所述等电位连接点。
可选的，所述辅助电路包括：变流器和辅助绕组，其中，
所述变流器的直流侧母线提供所述等电位连接点；
所述变压器中的N个所述半导电层与相应的变流器的直流侧母线相连，其中，N≥1；
所述变压器中的M个所述半导电层与相应的辅助绕组的等电位连接点相连，其中，M≥1。
可选的，本发明第一方面上述任一项提供的变压器，还包括：容性电流抑制电路，其中，
所述容性电流抑制电路串联于所述辅助电路提供的等电位连接点与所述半导电层之间。
可选的，所述容性电流抑制电路包括电阻和电感中的任意一种。
可选的，所述容性电流抑制电路包括串联连接的电阻和电感。
第二方面，本发明提供一种隔离变流器，包括：第一变流器、第二变流器，以及本发明第一方面任一项所述的变压器，其中，
所述第一变流器与所述变压器一次侧的本体绕组相连；
所述第二变流器与所述变压器二次侧的本体绕组相连。
本发明提供的变压器，包括铁芯、本体绕组，以及半导电层，本体绕组套装于铁芯的芯柱之上，半导电层与本体绕组对应设置。辅助电路与本体绕组相连，且辅助电路与本体绕组的预设位置具有相等电位，半导电层的等电位连接点由辅助电路提供，半导电层与辅助电路连接后，即可实现均衡绕组电场分布的作用。本发明提供的变压器，通过辅助电路提供与变压器本体绕组的预设位置具有相等电位的等电位连接点，半导电层直接与该等电位连接点相连，从而在避免破坏litz线股间绝缘的情况下，实现半导电层的既定作用，即改善绕组的电场分布，提高变压器的高压绝缘性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术中高压工频变压器设置半导电层的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的第一种变压器的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的第二种变压器的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的第三种变压器的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的第四种变压器的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的第五种变压器的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的第六种变压器的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的变压器中半导电层容性电流流通路径示意图；
图9是本发明实施例提供的第七种变压器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
参见图2，图2是本发明实施例提供的第一种变压器的结构示意图，本发明实施例提供的变压器包括铁芯、本体绕组，以及半导电层。
结合实际应用中的变压器结构，本发明实施例提供的变压器包括多个本体绕组，即图2中所示出的本体绕组1、本体绕组2……本体绕组n。当然，本体绕组可以进一步划分为一次侧绕组和二次侧绕组，具体可以参照现有技术，此处不再详述。变压器的本体绕组套装于铁芯的芯柱上，可以想到的是，对于三相变压器而言，本实施例中述及的芯柱，应该包括a、b、c三相对应的芯柱，各个本体绕组同样需要划分为a、b、c三相，并分别套装在对应的铁芯芯柱之上。
进一步的半导电层与本体绕组对应设置。可以想到的是，在大多数情况下，对于变压器的任意一相而言，一次侧绕组和二次侧绕组呈同心式套装在芯柱上，基于此种结构，可以在变压器的一次侧绕组和二次侧绕组表面分别对应设置半导电层。当然，根据实际设计需要，还可以在前述这两个位置处同时设置半导电层。
需要说明的是，本发明各个附图中所给出的结构示意图中体现的本体绕组、铁芯，以及半导电层之间的位置关系，仅仅是为了便于说明本发明实施例以及后续各个实施例中辅助电路与本体绕组与半导电层之间的连接关系，不作为对变压器产品结构的直接限定。并且，对于变压器的具体构成、各构成部分之间的安装结果，以及半导电层的设置，均可以参照现有技术实现，本发明对此不做限定。
重要的是，在本发明实施例以及后续各个实施例提供的变压器中，与本体绕组对应设置的半导电层的等电位连接点由辅助电路提供。辅助电路与本体绕组相连，且辅助电路与本体绕组的预设位置具有相等电位。
当然，辅助电路与本体绕组的连接点应选择本体绕组的引出连接点，比如本体绕组的引出线，由于本体绕组的引出线是专门用于本体绕组连接外部电路的，辅助电路与本体绕组的引出连接点相连，自然不会破坏本体绕组内部线匝的绝缘。对于使用litz线绕制的本体绕组而言，同样不会破坏litz各股线之间的股间绝缘。
根据上述辅助电路、半导电层，以及本体绕组之间的连接关系可以看出，在半导电层与本体绕组之间设置辅助电路，半导电层与辅助电路直接相连，由于辅助电路与本体绕组的预设位置具有相等电位，从效果方面来看，半导电层与辅助电路相连可以等同于现有技术中半导电层直接与本体绕组相连，半导电层改善电场分布的作用并未受到影响。
可选的，在实际应用中，辅助电路提供的等电位连接点，应优选使半导电层内容性电流最小的连接点，从而尽可能的避免由于容性电流过大引起的半导电层、以及连接半导电层和辅助电路的连接线发热的问题。
综上所述，本发明提供的变压器，通过辅助电路提供与变压器本体绕组的预设位置具有相等电位的等电位连接点，半导电层直接与该等电位连接点相连，从而在避免破坏litz线股间绝缘的情况下，实现半导电层的既定作用，即改善绕组的电场分布，提高变压器的高压绝缘性能。
下面结合多个实施例以及相对应的附图，对辅助电路的可选实现方式进行介绍：
参见图3，图3是本发明实施例提供的第二种变压器的结构示意图。在本实施例中，辅助电路由辅助绕组实现。
可选的，作为一种实际生产中最易于实现的设置方式，本实施例提供的辅助绕组与本体绕组共同绕制，因此，本实施例中辅助绕组与本体绕组的绕向相同，而且匝数相同，并且同样套装于铁芯的芯柱上。
基于上述连接方式，辅助绕组与本体绕组处于并联关系，辅助绕组两端的电压与本体绕组两端的电压值以及压降方向完全相同。进一步的，在辅助绕组与本体绕组同时绕制的情况下，辅助绕组与本体绕组的匝数相同，辅助绕组每一匝的感应电压与本体绕组的每一匝的感应电压都是相同的，辅助绕组每一处电位与本体绕组对应位置的电位也完全相同，因此，辅助绕组的每一点，均可以作为半导电层的等电位连接点，在实际应用中，可以根据半导电层与本体绕组的耦合情况任意配置。
可以想到的是，对于变压器整体而言，其包括有多个本体绕组，相应的，需要为每一设置有半导电层的本体绕组，对应设置一辅助绕组，各辅助绕组的出线端与相应的本体绕组的引出连接点相连即可。在实际生产中，辅助绕组可以采用很细的绝缘导线，随绕制本体绕组的litz线一同绕制，工艺实现难度不大。
当然，尽管实现工艺难度不大，在变压器设计过程中，还是要考虑辅助绕组的分流导致的线材发热问题，以及加工工艺、对变压器体积、绝缘性能等方面的影响，此处不再赘述。
可选的，在实际应用中，高频高压变压器的一次侧和二次侧往往都连接有变流器，通过变流器实现交直流的转换。变流器的直流侧存在直流电位，因此，作为一种可选的实现方式，半导电层的等电位连接点可以由与变压器相连的变流器提供。
可选的，参见图4、图5，以及图6所示实施例，分别示出将变流器作为辅助电路，提供等电位连接点的实现方式。
具体的，在图4所示实施例中，变流器的直流侧正母线作为等电位连接点；相应的，在图5所示实施例中，变流器的直流侧负母线作为等电位连接点。对于包括母线中点的变流器而言，变流器的母线中点同样可以作为等电位连接点，具体连接关系如图6所示。
在图4、图5以及图6所示实施例中，辅助电路由变流器实现，不需对变压器自身的结构进行改进，而且接线简单，与图3所示实施例相比，更易于实现。当然，其弊端就在于只能应用于设置有变流器的应用场景中。
当然，还可以结合实际应用场景，综合使用上述两种辅助电路的实现方式，特别是仅在变压器的一侧设置有变流器的应用场景中，综合应用上述两种实现方式，可以最大限度的降低变压器生成过程的难度。
可选的，参见图7，图7是本发明实施例提供的第六种变压器的结构示意图，在本实施例中，辅助电路基于变流器和辅助绕组共同实现，即变流器的直流侧母线以及辅助绕组分别提供等电位连接点。
在实际应用中，变压器中的N个半导电层与相应的变流器的直流侧母线相连，其中，N≥1；变压器中的M个半导电层与相应的辅助绕组的等电位连接点相连，其中，M≥1。可以想到的是，N和M的和，即为变压器所包括的全部本体绕组的数量。
需要说明的是，对于上述实施例中N和M的具体取值，应结合变压器的具体应用场景，特别是应用场景中变流器的设置数量选取。
基于半导电层的基本原理可知，要想使得半导电层的容性电流尽可能的小，应结合半导电层与本体绕组的耦合情况选取连接半导电层的等电位连接点。
下面结合图7，以半导电层与本体绕组对称耦合的情况为例，对半导电层的容性电流的流通情况进行说明。
如图7所示，变压器本体绕组中心点两侧电压跳变相反，若半导电层接母线的中点，则等效为接变压器本体绕组中点，由于半导电层与绕组中点两侧的耦合也对称，则流过的容性电流大小相同，方向相反，这样半导电层等电位接线上流过的总容性电流最小，对母线的影响也是最小的。
在上述任一实施例中，在理论情况下可以使得半导电层中的容性电流为零，但在实际应用中，理想的等电位连接点是很难准确确定的，特别是对于由变流器提供等电位连接点的实现方式，变流器所能够提供的等电位连接点的可选位置有限，更加难以使得容性电流为零。
为解决这一问题，本发明实施例提供另一种变压器。参见图9，图9是本发明实施例提供的第七种变压器的结构示意图。在上述任一实施例的基础上，本实施例提供的变压器还包括：容性电流抑制电路。具体的，该容性电流抑制电路串联于辅助电路提供的等电位连接点与半导电层之间。对于容性电流抑制电路的具体设置数量，还应结合变压器各个本体绕组对应的半导电层中的容性电流的大小决定，当然，在生产成本允许的情况下，可以为每一半导电层设置一容性电流抑制电路。
在本实施例提供的变压器中，半导电层与辅助电路之间设置有容性电流抑制电路，通过容性电流抑制电路限制容性电流的大小，从而避免半导电层因为容性电流过大引起的发热问题，并可降低对半导电层所连的等电位连接点的影响。
可选的，容性电流抑制电路可以有电阻和电感中的任意一种实现。对于单纯通过电感实现的容性电流抑制电路，其对于高频信号阻抗较大，可以有效的抑制高频容性电流。对于低频信号，其阻抗较低，电感分压小，可以保证半导电层提供有效的等电位。
当然，容性电流抑制电路还可以由串联连接的电阻和电感共同实现。
可选的，本发明还提供一种隔离变流器，包括：第一变流器、第二变流器，以及上述任一实施例提供的变压器，其中，
所述第一变流器与所述变压器一次侧的本体绕组相连；
所述第二变流器与所述变压器二次侧的本体绕组相连。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的核心思想或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种变压器，其特征在于，包括：铁芯、本体绕组，以及半导电层，其中，
所述本体绕组套装于所述铁芯的芯柱；
所述半导电层与所述本体绕组对应设置；所述变压器的一次侧绕组和/或二次侧绕组表面分别对应设置所述半导电层；
所述半导电层的等电位连接点由辅助电路提供；所述辅助电路包括与所述变压器相连的变流器，所述变流器的直流侧正母线作为所述等电位连接点；
所述辅助电路与所述本体绕组相连，且所述辅助电路与所述本体绕组的预设位置具有相等电位。
2.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述辅助电路提供的等电位连接点为使所述半导电层内容性电流最小的连接点。
3.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述辅助电路包括套装于所述芯柱的辅助绕组。
4.根据权利要求3所述的变压器，其特征在于，所述辅助绕组与所述本体绕组的绕向相同，且匝数相同。
5.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述变流器的直流侧负母线作为所述等电位连接点。
6.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述变流器的直流侧母线中点作为所述等电位连接点。
7.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述辅助电路包括：变流器和辅助绕组，其中，
所述变流器的直流侧母线提供所述等电位连接点；
所述变压器的全部半导电层中的N个所述半导电层与相应的变流器的直流侧母线相连，其中，N≥1；
所述变压器的全部半导电层中的M个所述半导电层与相应的辅助绕组的等电位连接点相连，其中，M≥1。
8.根据权利要求1-7任一项所述的变压器，其特征在于，还包括：容性电流抑制电路，其中，
所述容性电流抑制电路串联于所述辅助电路提供的等电位连接点与所述半导电层之间。
9.根据权利要求8所述的变压器，其特征在于，所述容性电流抑制电路包括电阻和电感中的任意一种。
10.根据权利要求8所述的变压器，其特征在于，所述容性电流抑制电路包括串联连接的电阻和电感。
11.一种隔离变流器，其特征在于，包括：第一变流器、第二变流器，以及权利要求1-10任一项所述的变压器，其中，
所述第一变流器与所述变压器一次侧的本体绕组相连；
所述第二变流器与所述变压器二次侧的本体绕组相连。
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