CN117809947A - 变压器线圈 - Google Patents
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Abstract
一种变压器线圈包括低压绕组和高压绕组，低压绕组和高压绕组缠绕在支撑构造上并且浸入主绝缘材料中。变压器线圈还具有第一屏障和第二屏障，第一屏障被布置在低压绕组附近，第二屏障被布置在高压绕组附近。第一屏障和第二屏障是气密的和半导电的，使得在浸入主绝缘材料中期间可能释放的气泡在铸造过程期间或在装置操作期间无法迁移到高电场区域。
Description
技术领域
本发明涉及一种变压器线圈，特别是用于高功率中频变压器的变压器线圈。中频变压器在不同的技术领域有许多应用，例如在电力电子学或电动轨道交通中。它们通常被用作电力转换器。
背景技术
在现有技术中，存在已知的电力变压器，其中线圈用标准导线缠绕。然而，中频变压器的变压器线圈使用利兹线缠绕，以最小化由高频现象(诸如趋肤效应)引起的损失。利兹线是由多个薄铜线制成的，这些薄铜线进行漆包并且相对于彼此换位，以形成单股，在中频下有效地消除趋肤效应。备选地，中频变压器线圈/绕组也用铝箔或铜箔缠绕。
WO2022053995A1公开了一种可以被用于变压器的初级线圈的构造和生产初级线圈的方法。该构造中所包括的元件是具有夹层绝缘的初级绕组。夹层绝缘和初级绕组用环氧树脂浸渍。此外，夹层绝缘材料是可浸渍的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)无纺织物或褶皱纸。具有外部接地屏障的线圈结构可以用低粘度浸渍树脂浸渍而没有空隙，这消除了中压变压器中的局部放电问题。
WO2016176238A1公开了一种电力变压器的构造，它包括位于高压绕组和低压绕组之间、或者高压绕组和铁芯之间、或者多相电力变压器的两个较高电压绕组之间的屏障结构。可以在电力变压器内使用屏障来提供绝缘屏障以防止电力故障。屏障结构包括具有相对较低介电常数值的第一材料(诸如具有约2.5或更小的介电常数值的材料)以及具有相对较高介电常数值的第二材料。由于具有较低介电常数值的第一材料，屏障提供抗闪络性，而第二材料提供抗穿刺性。
EP2833378A1公开了一种变压器(特别是中频变压器)的构造。所述变压器具有由利兹线和/或导电箔形成的绕组。在初级绕组和次级绕组之间放置绝缘元件。而且，该变压器的构造包括导电屏蔽，该导电屏蔽被放置在绝缘元件上，其间没有空气间隙，从而防止间隙中的局部放电。变压器具有冷却通道，它可以被填充有硅胶、变压器油、硅基或氟化烃、聚氨酯、合成橡胶。
US2022037080A1公开了一种变压器的构造，它包括被放置在初级绕组和次级绕组之间的屏蔽布置。此外，至少一个绕组可以包括箔结构。屏蔽布置的作用是屏蔽和/或重定向高强度电场远离绝缘材料的区域，该区域可能由于绝缘材料中的空隙而易于发生故障。电屏蔽可以包括层压结构，该层压结构包括金属层和电介质层，因此也可以是导电的。
在高压中频变压器的变压器线圈的生产过程期间，绕组由利兹线或导电箔制成，需要支撑构造。通常，在铸造过程之前，利兹线绕组借助于玻璃纤维结构和棉绳被固定到位。利用这种构造，很难用主绝缘材料(如二氧化硅填充的环氧树脂)完全浸渍变压器线圈。利兹线的使用可能导致空气被困在复杂的支撑结构内，甚或被困在利兹线内。类似地，当使用铝箔或铜箔形式的绕组时，它们具有简单的支撑结构并且具有绝缘材料的夹层。有必要用绝缘材料的夹层浸渍由铝箔或铜箔制成的线圈。即使使用真空铸造，二氧化硅填充的环氧树脂也几乎不可能渗透棉绳或绝缘材料并且去除所有空气残留。此外，空气可以被困在铝箔或铜箔层之间或绝缘材料中。在铸造过程期间，被困空气可能迁移到绝缘系统的其他区域，并且绝缘系统的关键区域可能出现缺陷。这些问题可能会在型式测试、常规测试期间或者变压器线圈的操作期间触发局部放电，从而可能导致装置损坏。此外，使用棉绳可能会导致利兹线表面分层，这可能进一步触发局部放电。
因此，本发明的目的是提供一种包括利兹线或导电箔的变压器线圈，它防止气体迁移到高电场区域，这可能由于局部放电而降低变压器的性能。
发明内容
本发明涉及一种变压器线圈，该变压器线圈包括被缠绕在支撑构造上并且被浸入主绝缘材料中的低压绕组和高压绕组，并且具有布置在低压绕组附近的第一屏障和布置在高压绕组附近的第二屏障。本发明的本质是第一屏障和第二屏障是气密的和半导电的。
半导性被理解为覆盖400至1000Ω/□(欧姆/平方)之间的范围内的表面电阻。
从绝缘角度来看，最关键的区域是低压绕组和高压绕组之间的区域。用气密半导电屏障屏蔽该区域消除了由气泡引起的局部放电点火的风险，例如在浸渍期间从利兹线释放的气泡。高电场区域的绝缘被有效屏蔽。屏障是气密的，使得在铸造过程或装置操作期间，潜在释放的气泡无法迁移到高电场区域。由于使用第一屏障和第二屏障，气泡的迁移不仅受到限制，而且可以实现无局部放电的绝缘系统，简化变压器的构造，特别是利兹线绕组的支撑构造，减少人力和交付时间。此外，简化了绕组的同心定位，并且也降低了废品率。
当第一屏障和第二屏障由掺杂有碳黑、石墨、石墨烯纳米管、银、铜的半导电热塑性材料或环氧树脂制成时也是有益的。
这些材料在变压器线圈的生产过程期间提供了适当的气密性，被特别指定用于中压频率变压器。气密性在生产过程期间至关重要。在随时可用的变压器中，使用的材料提供耐温性，允许在150℃下连续工作。
优选地，变压器线圈针对每个绕组具有单独的套管，并且第一屏障和/或第二屏障被并入到每个绕组的单独套管中。
低压和/或高压绕组可以被并入到气密半导电套管中。因此，套管可以构成半导电屏障，该半导电屏障并入了气密屏障。在只有低压或高压绕组被并入到套管中的情况下，另一个具有指派的气密的和半导电的屏障。在制造过程期间，套管可以被直接固定至模具壁，从而促进生产过程。它还能够用介电材料填充套管，如聚氨酯(PUR)、硅胶、环氧树脂或油。绝缘材料防止绕组端子与半导电套管短路。
有益地，高压绕组的支撑构造由半导电材料制成，而低压绕组的支撑构造由介电材料制成。
由半导电材料制成的高压绕组的支撑构造屏蔽了高压绕组的引线，而由介电材料制成的低压绕组的支撑构造提供了低压绕组和变压器线圈之间的电绝缘。这样，LV绕组和线圈可以在不同的电位下操作。
优选地，在绕组层之间插入至少一层夹层绝缘材料，并且夹层绝缘材料尤其由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)无纺织物或无纺聚丙烯(PP)制成。
为了提供无空隙和无裂纹并且消除局部放电点火风险的绝缘系统，使用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)无纺织物或无纺聚丙烯(PP)作为绝缘材料。这种织物(特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)无纺织物)通过热粘合或纺粘方法制成。最好使用10至200g/m2之间的克重。克重取决于预期电压。它可能会解决绕组的支撑构造的问题。利兹线可以被简单地缠绕在无纺PET织物的表面上，并且它也可以被用作铝箔片或铜箔片之间的夹层材料。PET织物也可以被用于消除绕组任一侧出现的空白空间。此外，较窄的无纺PET织物被缠绕在绕组的两侧，从而完成变压器的绝缘系统。
优选地，绕组由利兹线制成。
在变压器线圈的构造中，利兹线最小化由高频现象(诸如趋肤效应)引起的损失。
优选地，利兹线具有绝缘屏蔽管道，其中管道的内表面由介电材料制成，并且管道的外表面由半导电材料制成。
在利兹线管道的情况下，可以将气泡困在利兹线内，使得低压绕组和高压绕组之间的区域不会因气泡引起的局部放电而受到威胁。当管道的内表面是电介质时，绕组的末端不会短路。
有用的是，由利兹线制成的绕组的支撑构造具有至少一个线轴的形式。
备选地，利兹线可以以线轴的形式被缠绕在支撑构造上。它消除了在制造过程期间使用玻璃纤维和棉绳作为利兹线支撑的必要性，它可以在套管过程期间捕捉气泡。
当其外壁上的线轴具有带通孔的支撑突起时，这也是好的，利兹线被缠绕在该支撑突起上。
用作支撑构造的线轴可以被加工以形成支撑突起，利兹线被引导到该支撑突起上。在支撑突起中钻孔，以促进环氧树脂通过线轴结构的流动和浸渍，这增强了生产过程，并且在没有被困气泡的情况下提供更好的绝缘。
有益的是，在其外壁上的线轴具有填充材料，利兹线被缠绕在填充材料上。
备选地，用作支撑构造的线轴可以具有填充材料，利兹线被缠绕在该填充材料上。填充材料在线轴上将利兹线保持在其位置上。它还改进了技术过程，在温度变化有限时，最小化铸件出现裂纹的风险。
备选地，绕组由至少一片箔制成，该至少一片箔由具有绝缘材料夹层的铜或铝制成，并且优选地，箔的厚度在0.05mm至0.25mm之间的范围内。有益的是，箔的穿孔高达其表面的20％。
可以使用铝箔或铜箔代替利兹线。线圈用箔片缠绕，箔匝之间有绝缘材料层，尤其是无纺织物夹层。作为绝缘夹层，可以使用塑料箔，例如聚酯薄膜箔或由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成的其他箔。塑料薄膜可以是自粘的，并且被预先施加到铜箔或铝箔。铜箔片的宽度和厚度使得铜箔的横截面面积在操作频率的电阻方面等于等效利兹线的横截面面积。例如，如果导线用6x6 mm2利兹线缠绕，那么等效箔绕组尺寸可以是250mm的宽度和0.144mm的厚度。无纺织物(特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)无纺织物)很容易被环氧树脂渗透，这确保了绕组匝之间的良好绝缘，使得没有必要使用漆包箔-浸渍的无纺织物提供了匝之间的绝缘。如果需要更大的绕组横截面，可以折叠两层或多层漆包箔，以达到所需的绕组尺寸。与无纺绝缘平行缠绕的箔绕组产生紧凑且稳定的绕组。该过程快速有效，并且不需要附加的稳定支撑。绕组可以由宽度等于线圈宽度的箔片制成，或者线圈片可以由几个互连的箔片组成。
提及的箔性质增强了生产过程。具体地，箔中的穿孔有助于环氧树脂在箔和绝缘材料夹层之间流动。
本发明的目的也是一种包括根据本发明的变压器线圈的中频变压器。
优选地，中频变压器具有借助于电位引线(X)来加电位的高压屏障(6)，该电位引线(X)在高压绕组(2)的边缘和中间之间的任意位置处被连接至高压屏障6。
本发明的目的也是一种包括根据本发明的变压器线圈的电感元件。
附图说明
本发明的主题在下文中参照在所附附图中图示的优选示例性实施例更详细地解释，其中：
图1呈现了第一实施例中的通过变压器线圈的横截面；
图2呈现了第二实施例中的通过变压器线圈的横截面；
图3呈现了第三实施例中的通过变压器线圈的横截面；
图4呈现了通过利兹线的横截面；
图5呈现了第四实施例中的变压器线圈的透视图；
图6呈现了第四实施例中的通过变压器线圈的横截面；
图7呈现了第五实施例中的通过变压器线圈的横截面；
图8呈现了变压器线圈的利兹线的横截面，该利兹线具有电位引线。
具体实施方式
高功率中频变压器线圈(图1)包括低压绕组1和高压绕组2。低压绕组1和高压绕组2被缠绕在具有玻璃纤维棒3A和棉花固定绳3B的支撑构造3上。支撑构造3的主要目的是在组装过程期间保持变压器构造。在组装之后，在铸造过程期间将整个构造浸入绝缘材料4中。在该实施例中，使用二氧化硅填充的环氧树脂作为绝缘材料4。在低压绕组1附近存在第一屏障5，并且在高压绕组2附近存在第二屏障6。这两个屏障都是气密的和半导电的。它们之间是高电场区域。在所有本文描述的实施例中，屏障的表面电阻的值为600Ω/□(欧姆/平方)，并且从400至1000Ω/□(欧姆/平方)之间的范围内选择。
低压绕组1和高压绕组2由利兹线7制成。利兹线7已被用于消除中频变压器中由趋肤效应引起的损失。利兹线是由多个薄铜线制成的，这些薄铜线进行漆包并且相对于彼此换位，以形成单股，在中频下有效地消除趋肤效应。在铸造和浸渍过程期间，二氧化硅填充的环氧树脂渗透通过变压器的材料。浸渍过程导致气泡8可能被困在低压绕组1或高压绕组2附近。高电场区域的临界区域由第一屏障5和第二屏障6保护。屏障5、6是气密的，使得潜在释放的气泡8在铸造过程或装置操作期间无法迁移到高电场区域。
屏障5、6由掺杂有碳黑的半导电热塑性材料制成。在其他实施例中，半导电热塑性材料可以被掺杂有石墨、石墨烯纳米管、银或铜。在其他实施例中，屏障可以由掺杂有碳黑、石墨、石墨烯纳米管、银或铜的环氧树脂制成。气密屏障5、6可以以气密管的形式制成。这些管可以由半导电热塑性材料制成，它们可以由涂有半导电涂料的介电材料制成，或者它们可以进行3D打印。
这些材料在生产过程期间提供适当的气密性，并且在变压器线圈的操作期间提供耐温性，从而允许在高温下(例如150℃)连续工作。
在第二实施例(图2)中，变压器线圈构造类似于第一实施例，但是屏障5、6已被并入到低压绕组1和高压绕组2的单独套管10、11中。在组装和生产期间，单独套管10、11通过支撑构造被安装至模具壁12。低压绕组1的支撑构造具有电介质支撑13的形式，而高压绕组2的支撑构造(附图中未呈现)由半导电材料制成。附加地，套管10、11被填充有介电材料14。在该实施例中，它们用硅胶填充。可能出现的气泡8被困在套管10、11内，该套管10、11在其壁中并入了气密的和半导电的屏障5、6。屏障5、6由掺杂有碳黑的半导电热塑性材料制成。
在第三实施例(图3)中，变压器线圈构造类似于第一实施例，但是支撑构造3具有两个线轴3C、3D的形式，利兹线7被缠绕在这两个线轴上。外壁上的线轴3C、3D具有带通孔的支撑突起，并且利兹线由这些突起支撑。突起中的通孔有助于环氧树脂通过线轴结构流动和浸渍。低压绕组1被缠绕在与高压绕组2一起放置在线轴3D内的绕轴3C上。线轴3C、3D的内壁用由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)无纺织物制成的夹层绝缘材料15排列。此外，夹层绝缘材料15、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)无纺织物在组装期间也被用于解决与利兹线7的定位和固定相关的问题。随后用绝缘材料4(特别是环氧树脂)浸泡的夹层绝缘材料15有助于实现无空隙和无裂纹的变压器绝缘系统，这消除了局部放电点火的风险。还使用夹层绝缘材料15以消除出现在绕组任一侧的空白空间，并且较窄的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)无纺织物被缠绕在绕组的两侧。与先前实施例相同，低压绕组1和高压绕组2具有指派的气密的和半导电的屏障5、6。在低压绕组1的外侧，存在第一屏障5。而第二屏障6被放置在具有高压绕组2的线轴3D的内部。屏障5、6由掺杂有碳黑的半导电气密热塑性材料制成。
在其他实施例中，用作支撑构造的线轴可以具有填充材料，利兹线被缠绕在该填充材料上。填充材料在线轴上将利兹线保持在其位置上。在这种实施例中，线轴可以没有支撑突起。
被用于绕组的利兹线7(图4)可以具有绝缘屏蔽管道，其中管道的内表面16由介电材料制成并且形成绝缘层。而管道的外表面17由半导电材料制成。利用这种管道，可以将气泡8困在利兹线7内，使得低压绕组和高压绕组之间的区域不会因气泡引起的局部放电而受到威胁，并且被附加地保护。
在又一实施例中，作为夹层绝缘材料15，已经使用了无纺聚丙烯(PP)。变压器线圈构造的其他特性与第三实施例中的相同。与第三实施例相同，在变压器线圈的生产期间，无纺聚丙烯(PP)随后用绝缘材料4(特别是环氧树脂)浸泡。在第四实施例(图5至6)中，变压器线圈具有由铜箔片制成的低压绕组1和高压绕组2，在箔匝之间具有绝缘材料夹层。作为绝缘材料的夹层，使用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)无纺织物。铜箔的厚度为0.1mm。与先前实施例相同，整个变压器线圈用二氧化硅填充的环氧树脂浸渍，该环氧树脂被用作主绝缘4。在线圈的中心部分中存在支撑构造3。同样如在先前实施例中，低压绕组1和高压绕组2具有指派的气密的和半导电的屏障5、6。屏障5、6是半导电的和气密的，使得潜在释放的气泡8在铸造过程期间或者在装置操作期间无法迁移到高电场区域。屏障5、6由掺杂有碳黑的半导电热塑性材料制成。
在高功率中频变压器的后续实施例中，为了提高其效率，高压屏障6(图7)借助于电位引线18来加电位。在该实施例中，变压器线圈支撑构造3具有线轴3C的形式，利兹线7被缠绕在该线轴3C上。低压绕组1被缠绕在具有带通孔的支撑突起的该线轴3C上，并且利兹线7由这些突起支撑。用于高压绕组2的支撑构造3具有衬套3E的形式。线轴3C被放置在该衬套3E内。衬套3E在外壁上具有填充材料19，并且利兹线被缠绕在填充材料19上。如在先前实施例中，低压绕组1和高压绕组2具有指派的气密的和半导电的屏障5、6。屏障5、6是半导电的和气密的，使得潜在释放的气泡8在铸造过程期间或者在装置操作期间无法迁移到高电场区域。屏障5、6由掺杂有碳黑的半导电热塑性材料制成。
电位引线18在高压绕组2的边缘和中间之间的任意位置处被连接至高压屏障6，其中高压绕组2和高压屏障之间的电位差等于高压绕组2电位的0至50％。
在该实施例中，电位引线18由没有附加绝缘的实心导线制成。电位引线位于填料19下方，该填料19在最高电位差的地点处(即，在高压绕组2的中间)在高压绕组2匝和电位引线18之间提供附加的电绝缘。电位引线通过与高压绕组2相同的衬套3E馈送。电位引线的特殊布置是将其放置在单独的利兹线7束之间(图8)。通过这种方式，电位引线18既被电屏障又被机械保护。
然而，在其他实施例中，电位引线18可以由绞线制成。实心线或绞线可以或者可以不进行漆包或装配附加绝缘。
Claims (15)
1.一种变压器线圈，包括低压绕组(1)和高压绕组(2)，所述低压绕组(1)和所述高压绕组(2)缠绕在支撑构造(3、13)上并且浸入主绝缘材料(4)中，并且所述变压器线圈具有第一屏障(5)和第二屏障(6)，所述第一屏障(5)被布置在所述低压绕组(1)附近，所述第二屏障(6)布置在所述高压绕组(2)附近，其特征在于，所述第一屏障(5)和所述第二屏障(6)是气密的和半导电的。
2.根据权利要求1所述的变压器线圈，其特征在于，所述第一屏障(5)和所述第二屏障(6)由掺杂有碳黑、石墨、石墨烯纳米管、银、铜的半导电热塑性材料或环氧树脂制成。
3.根据权利要求1或2所述的变压器线圈，其特征在于，变压器线圈具有用于每个绕组的单独套管(10，11)，并且第一屏障(5)和/或第二屏障(6)被并入到每个绕组的单独套管(10，11)中。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的变压器线圈，其特征在于，所述高压绕组(2)的所述支撑构造(3，13)由半导电材料制成，并且所述低压绕组(1)的所述支撑构造(3，13)由介电材料制成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的变压器线圈，其特征在于，至少一层夹层绝缘材料(15)介于所述绕组层之间，并且夹层绝缘材料(15)特别是由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)无纺织物或者无纺聚丙烯(PP)制成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的变压器线圈，其特征在于，所述绕组(1，2)由利兹线(7)制成。
7.根据权利要求6所述的变压器线圈，其特征在于，所述利兹线(7)具有绝缘屏蔽管道，其中所述管道的内表面(16)由介电材料制成，并且所述管道的外表面(17)由半导电材料制成。
8.根据权利要求6或7所述的变压器线圈，其特征在于，用于由利兹线制成的绕组的所述支撑构造(3，13)具有至少一个线轴(3C，3D)的形式。
9.根据权利要求8所述的变压器，其特征在于，所述线轴(3C，3D)在所述线轴(3C，3D)的外壁上具有带通孔的支撑突起，所述利兹线(7)被缠绕在所述支撑突起上。
10.根据权利要求8所述的变压器线圈，其特征在于，所述线轴(3C，3D)在所述线轴(3C，3D)的外壁上具有填充(19)材料，所述利兹线(7)被缠绕在所述填充(19)材料上。
11.根据权利要求1至5中任一项所述的变压器线圈，其特征在于，所述绕组(1，2)由至少一片箔制成，所述至少一片箔由具有绝缘材料夹层的铜或铝制成，并且优选地所述箔的厚度在0.05mm至0.25mm范围内。
12.根据权利要求12或13所述的变压器线圈，其特征在于，所述箔具有高达所述箔的表面20％的穿孔。
13.一种中频变压器，包括根据权利要求1至12中任一项所述的变压器线圈。
14.根据权利要求13所述的中频变压器，其特征在于，所述高压屏障(6)借助于电位引线(18)来加电位，所述电位引线(18)在所述高压绕组(2)的所述边缘与所述中间之间的任意位置处被连接至所述高压屏障(6)。
15.一种电感元件，包括根据权利要求1至12中任一项所述的变压器线圈。
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