CN113421754B - 变压器和发电系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种变压器和发电系统，变压器包括铁芯、第一线圈、第二线圈和引线，第一线圈和第二线圈绕制于铁芯；第一线圈包括第一接线端和第二接线端，引线包括第一线段和第二线段，第一线段的第一端连接第一接线端，第二线段的第二端连接第二接线端；第一线段的第二端和第二线段的第一端用于连接外部设备；第一线圈的漏磁场与引线的磁场，在两个磁场的叠加区域，存在互逆分量，实现抑制空间磁场，降低了杂散损耗，可以避免夹件局部过热。

Description

变压器和发电系统

本申请要求于2020年8月14日提交中国专利局，申请号为202010816943.7、发明名称为“变压器和发电系统”的中国专利申请的优先权。

技术领域

本申请涉及电力技术领域，特别是涉及一种变压器和发电系统。

背景技术

变压器是利用电磁感应原理来改变交流电压的装置，包括铁芯(或磁芯)和线圈，线圈通过引线进行接线。

随着我国电力行业的飞速发展，发电机组的容量需求越来越大，配套使用的变压器单台容量也不断增大。特大型变压器在设计研发时面临两个重大问题：一是容量大，线圈会产生很强的漏磁场；二是线圈的电流很大，尤其是低压电流高达几万安培，从而引线的电流很大，大电流引线的磁场不容忽视。

而传统的变压器中，线圈的漏磁场与大电流引线的磁场叠加，极易在固定于铁芯外部的夹件处产生较大的杂散损耗，导致夹件局部过热的问题。

发明内容

基于此，有必要提供一种可以避免夹件局部过热的变压器和发电系统。

一种变压器，包括：铁芯、第一线圈、第二线圈和引线，所述第一线圈和所述第二线圈绕制于所述铁芯；

所述第一线圈包括第一接线端和第二接线端，所述引线包括第一线段和第二线段，所述第一线段的第一端连接所述第一接线端，所述第二线段的第二端连接所述第二接线端；所述第一线段的第二端和所述第二线段的第一端用于连接外部设备；

所述第一线圈的漏磁场与所述引线的磁场，在两个磁场的叠加区域，存在互逆分量。

在其中一个实施例中，所述第一接线端、所述第二接线端以及所述引线位于所述铁芯的同一侧，以所述引线所在的一侧为观察面，所述第一线段位于所述第二线段的左侧；所述第一接线端为所述第一线圈的入电流点；所述第二接线端为所述第一线圈的出电流点；

所述第一线圈的绕线走向为：以所述第一接线端为起点，顺时针绕制于所述铁芯。

在其中一个实施例中，所述第一线段和所述第二线段在所述铁芯的纵切面上的投影，以所述铁芯的中轴为对称轴对称分布。

在其中一个实施例中，所述第一线圈的电压低于所述第二线圈的电压。

在其中一个实施例中，所述第一线圈靠近所述铁芯，所述第二线圈套于所述第一线圈、沿所述第一线圈的外围绕制。

在其中一个实施例中，所述第一线圈为沿所述铁芯的高度方向双层绕制的绕组，所述第一接线端为里层的接线点，所述第二接线端为外层的接线点。

在其中一个实施例中，所述第一接线端和所述第二接线端均位于所述第一线圈远离地面的一端。

在其中一个实施例中，上述变压器还包括第一夹件，所述第一夹件位于所述铁芯和所述引线之间。

在其中一个实施例中，上述变压器还包括第一绝缘件，所述第一绝缘件设置于所述第一夹件和所述铁芯之间。

上述变压器，引线的电流产生的磁场方向与第一线圈的电流产生的漏磁场方向，在两个磁场的叠加区域存在互逆分量，可以实现空间磁场的抑制，降低杂散损耗，避免夹件局部过热。

一种发电系统，包括发电机组和上述的变压器，所述变压器连接所述发电机组。

上述发电系统，由于采用的上述变压器，同理，可以避免变压器的夹件局部过热，降低杂散损耗，提高发电系统的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为常规的变压器线圈引线设计方式的示意图；

图2为图1中线圈引线设计方式的磁场分布示意图；

图3为一实施例中变压器的结构示意图；

图4为一实施例中变压器的磁场分布示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一线圈称为第二线圈，且类似地，可将第二线圈称为第一线圈。第一线圈和第二线圈两者都是线圈，但其不是同一线圈。

空间关系术语例如“在...左侧”、“左侧的”、“在...之右”、“右侧的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件左侧”或“在其之左”或“在其左”元件或特征将取向为在其它元件或特征“右”。因此，示例性术语“在...左侧”和“在...左”可包括左和右两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。

变压器在工作过程中，绕组线圈中的电流必然在其周围产生磁通，由于变压器的铁芯具有较高的磁导率，磁力线大都通过铁芯构成封闭磁力回路，沿变压器铁芯构成磁回路的这部分磁通称为主磁通，主磁通是一二次绕组电磁耦合的媒介，变压器电能的传输就是依靠主磁通的变化而实现的。除此之外，绕组线圈电流产生的磁通还会通过变压器油等弱导磁性介质进入变压器油箱再次构成磁通回路，由于这部分磁通仅与本绕组交连，而与其它绕组不发生耦合，因此对变压器传递电能的工作无任何帮助，故称为漏磁通。

正如背景技术所述，目前传统使用的变压器有夹件局部过热的问题，经发明人研究发现，出现这种问题的原因在于：以低压线圈的引线为例，如图1所示，接点11为出电流点、接点10为入电流点，首端a引线3与低压线圈5的接点11连接，尾端x引线2与低压线圈5的接点10连接，首端a与尾端x之间连接有外部设备；以低压线圈5所绕的铁芯4的芯柱为中心，首端a引线3所在的一边为左方向、尾端x引线2所在的一边为右方向，低压线圈5的绕线走向为以接点10为起点，从右往左沿顺时针方向围绕芯柱绕圈。如图2所示，线圈的漏磁通方向S1为往上走，穿过引线的平面指向铁芯4的上部夹件1，而引线的电流方向S3为从首端a引线3到尾端x引线2，对应产生的磁通方向S2为穿过引线的平面指向上部夹件1。从而，线圈的漏磁场方向与引线的磁场方向一致，相互叠加，强化了空间磁场，使得在上部夹件1处产生较大的杂散损耗，导致夹件局部过热。

基于以上原因，本发明提供了一种可以避免夹件局部过热的方案。

参考图3，在一个实施例中，提供了一种变压器，包括：铁芯110、第一线圈120、第二线圈130和引线，第一线圈120和第二线圈130绕制于铁芯110。其中，第一线圈120和第二线圈130分别为低压线圈和高压线圈；比如，第一线圈120为低压线圈，则第二线圈130为高压线圈；或者第一线圈120为高压线圈，则第二线圈130为低压线圈。

第一线圈120包括第一接线端T1和第二接线端T2。其中，第一接线端T1和第二接线端T2分别为第一线圈120的入电流点和出电流点；若电流从第一接线端T1入，如图3，则第一接线端T1为入电流点，第二接线端T2为出电流点，若电流从第二接线端T2入，则第二接线端T2为入电流点，第一接线端T1为出电流点。引线连接第一线圈120。具体地，引线包括第一线段141和第二线段142；第一线段141的第一端连接第一接线端T1，第二线段142的第二端连接第二接线端T2，第一线段141的第二端和第二线段142的第一端用于连接外部设备。可以理解，根据各线圈接入方式的不同，引线所连接的外部设备也有所不同。例如，当第一线圈120为输出侧时，第一线段141的第二端和第二线段142的第一端具体连接电网系统；当第一线圈120为输入侧时，第一线段141的第二端和第二线段142的第一端具体连接发电机组。

进一步的，第一线圈120的漏磁场与引线的磁场，在两个磁场的叠加区域，存在互逆分量。具体的，如前文所述，第一线圈120通电后，有一部分磁通会形成漏磁通回路，产生漏磁场。与此同时，引线与外部设备构成电流回路，也会形成磁场。第一线圈120的漏磁场与引线的磁场，在两个磁场的叠加区域，存在互逆分量，是指，在磁场叠加区域中的某些空间位置上，两个磁场磁场方向的夹角为大于90°且小于270°，可以产生磁场部分或全部抵消的效果。例如，在两个磁场叠加的区域的某些空间位置上，漏磁场方向与引线的磁场方向的夹角可以为180°，二者中较弱的磁场被全部抵消；也可以是上述角度范围内的其他夹角，如100°、120°、150°、210°、240°或260°等，二者中较弱的磁场被部分抵消。

上述变压器，引线的电流产生的磁场方向与第一线圈120的电流产生的漏磁场方向，在两个磁场的叠加区域存在互逆分量，可以实现空间磁场的抑制，降低杂散损耗，避免夹件局部过热。

在一个实施例中，如图3所示，以引线位于铁芯110的一侧，且第一接线端T1为入电流点，第二接线端T2为出电流点，以引线所在的一侧为观察面，即面向引线所在的一侧进行观察，将第一线段141设置于第二线段142左侧，且第一线圈120的绕制方向为：以第一接线端T1为起点，顺时针绕制于铁芯。此时，引线的磁场方向为穿过引线的平面背离铁芯110，第一线圈120的漏磁场方向为穿过引线的平面指向铁芯110。

具体的，如图3所示，铁芯110包括用于缠绕线圈的芯柱、芯柱两旁且与芯柱平行的旁柱、连接芯柱与旁柱的上铁轭和下铁轭，铁芯的纵切面为旁柱和芯柱所在的、沿铁芯110的高度方向延伸的面。以第一线圈120在铁芯110的纵切面的绕线走向为正方向Z。第一线段141位于第二线段142的左侧，是指第一线段141和第二线段142在铁芯110的纵切面上的投影为第一线段141位于第二线段142的反方向，从而以第一线段141的第一端为起点、第二线段142的第二端为终点，引线在铁芯110的纵切面上投影的线路拐变方向为从反方向到正方向。进一步的，以铁芯110的纵切面为分界，第一线圈120的绕线走向为以第一接线端T1为起点、顺时针围绕芯柱绕圈；第一接线端T1为入电流点、第二接线端T2为出电流点，则如图4所示，第一线圈120的漏磁通方向为往上方向走，穿过引线的平面指向铁芯110一侧。而引线的电流方向为从第二线段142到第一线段141，对应产生的磁通方向为穿过引线的平面背离铁芯110。这样，第一线圈120的漏磁场与引线的磁场存在互逆分量，可以实现抑制空间磁场。

此外，在一个实施例中，第一线段141和第二线段142在铁芯110的纵切面上的投影，以铁芯中轴，也即芯柱中轴，为对称轴对称分布。从面向纵切面的方向观察，引线产生的磁场会沿芯柱中轴对称分布；而第一线圈绕制于芯柱上，从面向纵切面的方向观察，第一线圈产生的漏磁场也是沿芯柱中轴对称分布的。这样，在两个磁场叠加的区域，可抵消的分量增多，有利于进一步提高空间磁场的抑制效果。

其中，第一线段141和第二线段142可以由相互垂直的线段组成。第一线段141的第二端位于对应第一端的反方向一侧，具体是第一线段141的第二端位于第一线段141的第一端的反方向一侧；第二线段142的第二端位于对应第一端的反方向一侧，具体是第二线段142的第二端位于第二线段142的第一端的反方向一侧。第一线段141的第二端位于对应第一端的反方向一侧，从而以第一线段141的第一端为起点、第一线段141的第二端为终点，第一线段141在铁芯110的纵切面上投影的线路走向与第一接线端T1为起点的绕线走向相反。同理，以第二线段142的第一端为起点、第二线段142的第二端为终点，第二线段142在铁芯110的纵切面上投影的线路走向与第一接线端T1为起点的绕线走向相反。

通过采用相互垂直的两条线段组成的第一线段141和第二线段142,引线的线路有拐变，可以适当增大引线所围成范围的面积。例如图3所示，第一线段141在铁芯110的纵切面上的投影为反向的“Z”字形图案，第二线段142在铁芯110的纵切面上的投影为“Z”字形图案。可以理解，第一线段141还可以是“L”形，第二线段142可以为反向的“L”形。第一线段141和第二线段142的形状不限于此，在其他实施例中，还可以为其他形状的线段，从而引线还可以为其他形状。比如，第一线段141和第二线段142可以为圆弧形；或者第一线段141和第二线段142可以为“1”字形。

上述变压器，以第一线圈120的第一接线端T1为起点，顺时针绕制于铁芯110，同时将引线的第一线段141设置于第二线段142的左侧，实现调换引线的电流方向，使得引线的电流产生的磁场与第一线圈120的电流产生的漏磁场存在互逆分量，实现抑制空间磁场，降低了杂散损耗，可以避免夹件局部过热。

需要说明的是，使第一线圈120的漏磁场与引线的磁场相互抵消的实现方式并不唯一。同样以引线位于铁芯110的一侧，且第一接线端T1为入电流点，第二接线端T2为出电流点的情况为例。以引线所在的一侧为观察面，在另一个实施例中，可以将第一线段141设置于第二线段142右侧，且第一线圈120的绕制方向为：以第一接线端T1为起点，逆时针绕制于铁芯。此时，引线的磁场方向为穿过引线的平面指向铁芯110，第一线圈120的漏磁场方向为穿过引线的平面背离铁芯110。

在其中一个实施例中，第一线圈120的电压低于第二线圈130的电压。即，第一线圈120为变压器的低压线圈，第二线圈130为变压器的高压线圈，从而引线为低压线圈的引线。变压器中，低压线圈的电流比较大，尤其是容量大的变压器，低压线圈的电流高达几万安培，因此，低压线圈的引线电流比较大，产生的磁场大，更容易出现引线电流的磁场与低压线圈的漏磁场叠加造成夹件局部过热。通过对低压引线中各线段的位置以及低压线圈的绕制方向进行合理设置，使得引线的大电流产生的磁场与低压线圈的电流产生的漏磁场存在互逆分量，有利于进一步提高空间磁场的抑制效果，更有效的避免夹件局部过热。

可以理解，在其他实施例中，高压线圈也可以连接引线，高压线圈连接的引线相对于高压线圈的位置设置与第一线圈连接的引线相对于低压线圈的位置设置原则相同，在此不做赘述。同样的，使高压线圈的引线产生的磁场与高压线圈漏磁场相互抑制，也可以降低杂散损耗，避免夹件局部发热。

在其中一个实施例中，第一线圈120靠近铁芯110，第二线圈130套于第一线圈120、沿第一线圈120的外围绕制。具体地，第一线圈120为低压线圈，第二线圈130为高压线圈，从而低压的线圈相较于高压的线圈更靠近铁芯110，位于内侧，高压的线圈更远离铁芯，位于外侧。如此，使得低压电压低、大电流的线圈可以靠近铁芯110采用内置，符合从内到外按电压高低顺序排列的设计原则，布置更方便。

在其中一个实施例中，第一线圈120为沿铁芯110的高度方向双层绕制的绕组，第一接线端T1为里层的接线点，第二接线端T2为外层的接线点。双层绕制的第一线圈120，其绕组的线匝以铁芯110在高度方向的一端为起始点，沿铁芯110的高度方向依次排列连续绕制至铁芯110的另一端，然后从另一端再依次排列绕回开始的一端，形成由靠近铁芯110的里层和远离铁芯110的外层组成的双层绕组结构，绕线简单。

在其中一个实施例中，第一接线端T1和第二接线端T2均位于第一线圈120远离地面的一端。具体地，第一接线端T1位于第一线圈120绕制的起始点，第二接线端T2位于第一线圈120绕制的结束点；从铁芯110远离地面的一端为起始点开始绕制，绕至铁芯110朝向地面的一端之后再绕远离地面的一端，即绕线的起始点和结束点均位于远离地面的一端，使第一接线端T1和第二接线端T2均位于第一线圈120远离地面的一端，从而连接的引线位于铁芯110和第一线圈120远离地面的一端，空间设置更合理。

在其中一个实施例中，参考图3，上述变压器还包括第一夹件150，第一夹件150位于铁芯110和引线之间。具体地，以铁芯110的纵切面为分界，铁芯110分为正面和背面，第一夹件150位于铁芯110的正面或背面。若引线位于铁芯110的正面，对应地，第一夹件150位于铁芯110的正面；若引线位于铁芯110的背面，对应地，第一夹件150位于铁芯110的背面。进一步的，变压器还包括与第一夹件150对应设置的第二夹件(图未示)，第二夹件和第一夹件150分别位于铁芯110的两面(即正面和背面)，用于夹紧铁芯110。此外，变压器还包括第三夹件(图未示)和第四夹件(图未示)，第三夹件与第四夹件对应设置于铁芯110的另一侧，也用于夹紧铁芯110。例如，在一个实施例中，第一夹件150和第二夹件位于铁芯110远离地面的一侧，具体用于夹紧铁芯110的上铁轭；第三夹件和第四夹件位于铁芯110靠近地面的一侧，具体用于夹紧铁芯110的下铁轭。

如图3所示，第一接线端T1为起点的绕线走向为顺时针，即以第一接线端T1为起点、往左围绕芯柱绕圈；第一接线端T1为入电流点、第二接线端T2为出电流点，按照顺时针的绕线走向，如图4所示，第一线圈120的漏磁通方向为往远离地面的上方向走，穿过引线的平面指向夹件150，而引线的电流方向为从第二线段142到第一线段141，对应产生的磁通方向为穿过引线的平面背离夹件150。从而，引线的电流产生的磁场与第一线圈120的电流产生的漏磁场存在互逆分量，可以抑制夹件150处的空间磁场，降低了杂散损耗，从而避免夹件150局部过热。

在其中一个实施例中，上述变压器还包括第一绝缘件(图未示)，第一绝缘件设置于第一夹件150和铁芯110之间。进一步的，变压器还包括第二绝缘件(图未示)、第三绝缘件(图未示)和第四绝缘件(图未示)，分别设置于第二夹件、第三夹件、第四夹件和铁芯110之间。通过在第一夹件150、第二夹件、第三夹件、第四夹件和铁芯110之间设置绝缘件，实现绝缘，有利于提高变压器的使用安全性。

在一个实施例中，提供了一种发电系统，包括发电机组和前述的变压器，变压器连接发电机组。变压器将发电机组输出的电压进行变压后输出。具体地，变压器的输入侧连接发电机组，变压器的输出侧连接电网，用于将发电机组的电压转换后输出至电网以供用户使用。比如，若变压器为升压变压器，低压的第一线圈120为变压器的输入侧，高压的第二线圈130为变压器的输出侧；若变压器为降压变压器，低压的第一线圈120为变压器的输出侧，高压的第二线圈130为变压器的输入侧。

上述发电系统，由于采用的前述变压器，同理，可以避免变压器的夹件局部过热，降低杂散损耗，提高发电系统的性能。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种变压器，其特征在于，包括：铁芯、第一线圈、第二线圈和引线，所述第一线圈和所述第二线圈绕制于所述铁芯；

所述第一线圈包括第一接线端和第二接线端，所述引线包括第一线段和第二线段，所述第一线段的第一端连接所述第一接线端，所述第二线段的第二端连接所述第二接线端；所述第一线段的第二端和所述第二线段的第一端用于连接外部设备；

所述第一接线端、所述第二接线端以及所述引线位于所述铁芯的同一侧，以所述引线所在的一侧为观察面，所述第一线段位于所述第二线段的左侧；所述第一接线端为所述第一线圈的入电流点；所述第二接线端为所述第一线圈的出电流点；所述第一线圈的绕线走向为：以所述第一接线端为起点，顺时针绕制于所述铁芯；

所述引线的磁场方向为穿过所述引线所在的平面且背离所述铁芯；所述第一线圈的漏磁场方向为穿过所述引线所在的平面且指向所述铁芯。

2.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述第一线圈的漏磁场方向与所述引线的磁场方向的夹角大小为大于90°且小于270°。

3.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述第一线段和所述第二线段在所述铁芯的纵切面上的投影，以所述铁芯的中轴为对称轴对称分布。

4.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述第一线圈的电压低于所述第二线圈的电压。

5.根据权利要求4所述的变压器，其特征在于，所述第一线圈靠近所述铁芯，所述第二线圈套于所述第一线圈、沿所述第一线圈的外围绕制。

6.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述第一线圈为沿所述铁芯的高度方向双层绕制的绕组，所述第一接线端为里层的接线点，所述第二接线端为外层的接线点。

7.根据权利要求6所述的变压器，其特征在于，所述第一接线端和所述第二接线端均位于所述第一线圈远离地面的一端。

8.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，还包括第一夹件，所述第一夹件位于所述铁芯和所述引线之间。

9.根据权利要求8所述的变压器，其特征在于，还包括第一绝缘件，所述第一绝缘件设置于所述第一夹件和所述铁芯之间。

10.一种发电系统，其特征在于，包括发电机组和根据权利要求1-9中任一项所述的变压器，所述变压器连接所述发电机组。

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