CN1190242A

CN1190242A - 涡流屏蔽装置和三相变压器

Info

Publication number: CN1190242A
Application number: CN98104069A
Authority: CN
Inventors: 樋口佳也; 小泉真
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-02-07
Filing date: 1998-02-06
Publication date: 1998-08-12
Anticipated expiration: 2018-02-06
Also published as: KR19980071129A; JP3566481B2; FR2759488A1; CN1086502C; FR2759488B1; JPH10223454A; TW359841B

Abstract

一种涡流屏蔽装置,可减小由于绕组漏磁通在铁箱内壁上造成的涡流,抑制热的产生,并且提高运行效率。在包含变压器的铁箱3的内壁3a的侧面安排一个整形屏蔽件,它将在垂直方向围绕,以便包围三个绕组对1a,1b和1c,绕过磁心2的上部和下部,但并不和磁心2链接的垂直一圈屏蔽件14a,14b,和在绕组方向上,即在水平方向(在和绕组的漏磁通链接的方向)围绕的一圈屏蔽件15结合起来,将它们连接成一个屏蔽件,在它们的相交处,即一圈屏蔽件重叠的地方,电气上成为整体。

Description

涡流屏蔽装置和三相变压器

本发明涉及一种涡流屏蔽装置和一种电力变压器，更具体地，涉及一种涡流屏蔽装置，它适用于减少由于封闭在铁箱里，各自集中绕在磁芯上的高压绕组和低压绕组之间气隙中泄漏的磁通在铁箱内壁所产生的涡流，以及采用涡流屏蔽装置的三相变压器。

近年来功率需求增长使得电力变压器容量变大。

许多电力变压器都是包括绕组内部铁芯的内铁型，采用的结构是一次绕组和二次绕组成对地集中绕在一个芯上。带有含油铁箱，用油绝缘和油冷却的变压器的主要趋势是三相集中绕组绕在三相三柱铁芯或者三相五柱铁芯上，并且包含在一个长形箱中。在三相绕组放置在一个铁箱中的情况下，已经考虑到相应相之间有120的相位差，所产生的涡流总体抵销，除了靠近相应绕组的局部以外，很难出现分布广的涡流。

另一方面，虽然涡流难以出现，但是出现的涡流却不小，在例如JP A1-89409，JP A 63-117412，JP A 62-73703，JP A 62-37919等中公布了用于减少在一般变压器的铁箱中涡流的现有技术。

现有技术的JP A1-89409中公布了一种技术，其中，在磁通渗透到的位置上装有诸如铜片的低电阻部件，使得涡流出现在低电阻部件上，由于涡流所产生的反方向磁场，防止磁通渗透到铁制的高电阻部件上，便减小了由于涡流造成的功率损耗。此外，JP A 63-117412，JP A 62-73703，JPA 62-37919均公布了一种现有技术，在磁通渗透的位置上装有难于产生涡流的迭层钢片，防止磁通渗透到铁箱上。

这些装置有效地抑制了在磁通直接渗透到的位置上出现的局部涡流，但是，如以下将要讲述的，对于渗透到平板厚度以内的磁通所造成的环形涡流，和在三相变压器中三次谐波分量磁通所引起的分散环形涡流，它们并不会有很大的效果。

这里参考图3至图5来说明环形涡流，和在三相变压器中三次谐波分量磁通所引起的分散环形涡流。

图3为一个常规三相变压器部分剖开的结构透视图。在图3中，一台三相变压器100包括一个磁心2，三对绕组1a，1b，1c，每一对绕组绕在磁心2的每一个柱上，磁心夹22夹紧并固定磁心2，铁箱3包含这些部件于其中。在铁箱3中充满了作为绝缘和冷却之用的油。变压器100是磁心型的，它的芯柱包含在每一对绕组的内部，每一对绕组采用集中排列，一次绕组4和二次绕组5围绕磁心2排列。一次和二次绕组4，5均绕在一个五柱磁心2上，边轭6为通用的。变压器100的本体安装在一个充油的矩形铁箱3中。在采用三柱磁心的情况下，绕组仍然以同样的方式绕制。

参考变压器剖面图图4和变压器的部分剖开透视图图5来说明在此类三相变压器上出现涡流的状态。

在图4中，一次绕组4绕在磁心2的外周边上，二次绕组5绕在一次绕组4上，两者之间有一个绕组内气隙7，即一次绕组和二次绕组之间的气隙。铁箱3安置在二次绕组5的更外侧。在具有这种内部结构的变压器100中，从绕组4和绕组5之间的绕组内气隙7泄漏的部分磁通8被吸引到由磁性材料制成的铁箱壁上，穿过铁箱壁，返回到绕组内气隙7。此时，在铁箱3的外壁表面3a所包围起来的内部区域中，等量的磁通仅来回地运动，由外壁表面3a所封闭的链接磁通，更具体地说，净磁通并不存在。因此，从绕组内气隙7泄漏的磁通8不会在铁箱3的外壁表面3a上产生任何涡流。

另一方面，铁箱3的内壁表面3b所包围起来的内部区域中，由于通过绕组内气隙7的磁通作为净链接磁通存在，在抵销净链接磁通的方向上出现涡流10。如图5所示，涡流10变成在铁箱3侧表面上，在离开绕组对1a，1b和1c相邻位置的位置上水平方向流动的涡流。

然而，如图5所示，在绕组对1a，1b和1c相邻位置上，由于绕组对1a，1b和1c的相位不同，有一个时刻极性反转，此时，出现了诸如连接相邻绕组对1a，1b和1c的相间跨接磁通21a，21b。由于相间跨接磁通21a，21b出现在图5中的水平方向(垂直于绕组对1a，1b和1c的磁心的方向)，这些磁通所产生的涡流是在垂直方向(平行于绕组对1a，1b和1c的磁心的方向)。因此，涡流的方向从水平方向改变到垂直方向，采取通过铁箱3的顶部或底部，回到相对的表面，再返回来的路线。

在该三相变压器中有另一个大的涡流模式。图6所示为一个接近于矩形波形的交变涡流波形。该波形13是叠加基本正弦波100％中的20％的1/3周期的波形，即三次谐波，和基本正弦波100％中的4％的1/5周期的波形，即五次谐波而形成的。图7所示为通过该波形的富里叶分析所得到的分量。这里，注意三次谐波17和基波16。在图7中，三次谐波17是在基波16的一周中包含三周。因此，当基波16的相位改变120°，三次谐波17的相位相应地从0°开始。在三相交流电流的情况下，处理三个相位各差120°的基波16的交流电流。此时，由于每一个基波16三次谐波17的相位重复地从零开始，每当基波16的相位改变120°，全部相应的三次谐波17的相位变为相同。因而，相邻绕组1a，1b和1c之间在三次谐波17的涡流的相位上并没有差别。与单相变压器的情况相类似，铁箱3的内壁3b的涡流重叠和重复。

这里，图9所示为出现三次谐波涡流9的状态。由于涡流损耗正比例于频率的二次方，三次谐波分量所造成的涡流的损耗比起产生它的感应磁通密度来说很大。例如，在图7所示的例子中，感应磁通密度比(基波：三次谐波)为5∶1，三次谐波17的涡流损耗为感应磁电流的9倍，所以，损耗比变为5∶9，因此，减小三次谐波涡流9是很重要的。

本发明的第一目的是提供一种涡流屏蔽装置，它能将涡流损耗减小到最小。

本发明的第二目的是提供一种三相变压器，它采用涡流屏蔽装置，能将涡流损耗减小到最小。

为了达到上述第一目的，提供了根据本发明的一种涡流屏蔽装置，该装置包括一个闭合电路结构，它由低电阻导体围绕在绕在磁心上的一对绕组的外圆周上组成，由于从带有低电阻导体的绕组对来的链接磁通，在低电阻导电部件中感应出感应电流，抑制了除上述低电阻导体之外的导电结构部件上出现涡流。

在这种情况下，最好将上述低电阻导体绕得和绕组对的漏磁通链接，但不和通过磁心的磁通链接。上述低电阻导体安排在具有比低电阻导体更高电阻的部件内部。

为了达到上述第二目的，提供了根据本发明的一种三相变压器，该变压器包括一个磁心，三对绕组各自由同心绕制在磁心上的低电压绕组和高电压绕组组成，和一个将三对绕组包含其中的铁箱，该变压器进一步包括构成闭合电路的第一低电阻导体，其缠绕方向使得导体和三个绕组对中每一个的漏磁通相链接；和第二，第三低电阻导体，与上述分别绕组对的相间跨接磁通链接，安排在相邻绕组之间，绕过上述磁心的至少一个端面；其中，这些低电阻导体包含在铁箱内部，在铁箱内壁侧的位置上。

此外，上述第二，第三低电阻导体最好各自构成一个绕成一圈的闭合电路，绕过磁心的两个端面，进而，最好在电气上连接第一低电阻导体和第二，第三低电阻导体。第一、第二和第三低电阻导体各自由平板或线型部件制成，其材料最好是铜或铝。

具体地，在包含变压器的铁箱内表面上提供有两个一圈非磁性低电阻导体，即两个一圈屏蔽件，每一个一圈屏蔽件安排为从绕组之间的间隙的相邻位置处，沿铁箱的内壁表面延伸，绕过铁箱的上部，在垂直方向环绕，不和磁心链接。这样一来，称它们为第二一圈屏蔽件和第三一圈屏蔽件。进一步提供第一一圈屏蔽件，它包围三对绕组，在水平方向沿绕组方向绕制一圈。第一和第二，第三一圈屏蔽件在它们重叠的位置上电气连接，它们在电气上结合成为一个单元，使得任一个一圈屏蔽件上流过的电流可以流到其他一圈屏蔽件上。

因此，由于两端的绕组间间隙中的漏磁通作用在铁箱内壁上的电动势改变为作用到一圈屏蔽件上，从而，在一圈屏蔽件上产生感应电流。由于这一感应电流产生的反转磁场抵销了由这一感应电流在两端的绕组间间隙中的漏磁通，铁箱内部的磁通减少，结果作用在铁箱内壁上的电动势减少，铁箱内壁上涡流被抑制。

在上述的方法中，在采用例如铜为一圈屏蔽件的情况下，由于铜的电阻和铁箱所用的铁相比约为1/10，在一圈屏蔽件中的几乎全部涡流以10∶1的比率流动，抑制了流过铁箱的涡流。

图1为显示本发明的一个最佳实施例三相变压器铁箱内部结构的透视图，

图2为显示本发明的另一个最佳实施例三相变压器铁箱内部结构的透视图，

图3为常规大容量电力三相变压器部分剖开结构的透视图，

图4为说明常规大容量电力三相变压器中磁通和电流流动的剖面图，

图5为说明常规大容量电力三相变压器中磁通和涡流流动的部分剖开的透视图，

图6为说明三相变压器中矩形波实例的特性图，

图7为图6所示矩形波实例通过富里叶分析所得到的每一个分量的特性图，

图8为三相交流电流中三相基波和相应的三次谐波之间关系的特性图，和

图9为说明常规大容量电力三相变压器中磁通和涡流流动的部分剖开透视图。

以下参考附图来说明本发明的实施例。

在以下的说明中，对与以前叙述过的现有技术相同的那些部件给以相同的符号或标号，免去重复的叙述。

在本发明中，分析三维涡流考虑了磁特性，研究了三相变压器包含在一个铁箱中这种结构下的涡流分布，结果得到以下知识。

从绕组之间间隙出来的漏磁通穿过由高导磁材料钢制成的铁箱的壁表面。从而，在铁箱内部产生涡流以及包含的磁通。在漏磁通穿过铁箱表面的位置上，出现局部环涡流以便直接封闭在铁箱表面上垂直于铁箱的磁通分量。然而，由于磁通在形成铁箱的平板厚度的范围内穿过，不取广泛围绕铁箱内表面的路径，就不可能封闭磁通。因此，在铁箱的铁板厚度内部渗透的磁通所驱动的涡流流过广泛围绕铁箱内表面的路径。

在铁箱中仅有一对绕组的单相变压器中，广泛围绕路径是沿铁箱的内壁，以绕组的方向绕一圈的路径。然而，在三相变压器有三对绕组的情况下，取以下与此路径略有不同的路径。

在三相变压器中，有一时刻由于相位不同，相邻两对绕组取相反的励磁方向。此时，由两对绕组产生的涡流以相对的方向围绕铁箱的内壁。在与两对绕组相邻位置分开的位置上，每一对绕组对另一对的影响很小，涡流取沿铁箱的内壁，以绕组的方向的路径，与铁箱中只有一对绕组的情况相同。然而，在两对绕组相邻的位置上，由于涡流的方向相反，路径变成分别流过铁箱的上部和下部的路径。由以下作用产生电动势，造成涡流分别流过铁箱的上部和下部。

在具有相反极性的两对绕组相邻的位置上，在绕组之间出现水平的相间跨接磁通。相间跨接磁通产生的电动势由于垂直地跨接，变成垂直方向的电动势，涡流的方向改变为垂直方向，涡流从垂直方向流动。改变为铁箱的上下方向流动的涡流又沿绕组方向在相对侧流动，回到起点，因此形成环形通道。

此外，在以下的实施例中，对三相变压器实例的说明是有效的，但是，对于涡流屏蔽件，本发明原则上不局限于三相变压器。

本发明是在这样知识的基础上获得的。图1所示为本发明的第一实施例。图1所示的这一实施例是一个变压器，其中，在图3所示的三相三绕组对的常规变压器上增加一个涡流屏蔽装置，即一圈屏蔽件。具体地，在包含变压器的铁箱3的内壁3a的侧面安排一个整形屏蔽件，它将在垂直方向围绕，以便包围三个绕组对1a，1b和1c，绕过磁心2的上部和下部，但并不和磁心2链接的垂直一圈屏蔽件14a，14b，和在绕组方向上，即在横向(在和绕组的漏磁通链接的方向)围绕的一圈屏蔽件15结合起来，将它们连接成一个屏蔽件，在它们的相交处，即一圈屏蔽件重叠的地方，电气上成为整体。其他的结构与以前谈到的现有技术的结构相同。安排一圈屏蔽件不和磁心链接的原因是通过磁心的绕组励磁磁通不在一圈屏蔽件上感应电流。

在这种结构下，由于绕组的基波13的漏磁通8a，8b和8c和水平一圈屏蔽件15交链，在一圈屏蔽件上出现如箭头所示的感应电流11，在这种情况下，在如图1所示的一些情况下，由于相位不同，使感应电流11的方向彼此相对。此时，基波13的屏蔽件感应电流11变成在绕组对1a，1b和1c之间的上下方向，在垂直一圈屏蔽件14a，14b的侧面，围绕磁心2的上下方向流动。在这种情况下，在漏磁通8a，8b和8c与相间跨接磁通21a，21b相互抵销方向上产生磁场，结果，减少了与铁箱3跨接的磁通，铁箱上的涡流被抑制。

另一方面，由于三次谐波17所产生的屏蔽件电流12在绕组对之间的相位上没有不同，电流12在一圈屏蔽件15的侧面上以绕组的方向流动。由于电流12产生磁场的方向与漏磁通8a，8b抵销，减少了与铁箱3跨接的磁通，铁箱3上的涡流被抑制。

因此，以这样方式组合垂直一圈屏蔽件14a，14b和水平一圈屏蔽件15，可以减小基波16和三次谐波任何一个的涡流。一圈屏蔽件14a，14b，15不仅广泛地减小了循环的涡流，同时也进一步减小了在漏磁通8a，8b渗透到铁箱3位置上出现的循环涡流20。原因是水平一圈屏蔽件15减小了漏磁通8a，8b，而它们均进入铁箱3，是产生局部循环涡流20的因素。

在本发明的第二实施例中，如图2所示，在和漏磁通跨接的位置上安装了线性分割的一圈屏蔽件。用线性一圈屏蔽件代替了在三相三绕组对变压器中采用的平板型一圈屏蔽件14a、14b和15。

在难以安排板状屏蔽件的情况下，这样的结构是十分有效的。另外，如图2所提到的，在此实施例中，用于基波13的一圈屏蔽件15和用于三次谐波17的一圈屏蔽件14a，14b是分开的。然而，分开并不是一个主要因素，它们也可以合起来。

另外，在采用例如铜作为一圈屏蔽件14a，14b，15的材料的情况下，由于它的电阻与铁箱3采用的铁相比为1/10。涡流变为10/1，几乎全部涡流流过一圈屏蔽件14a，14b，15，流过铁制铁箱3的涡流抑制为约1/10。在这一系统中，涡流密度取决于导体的电感而不是电阻率，流过的量抵销链接磁通。因此，在提供有一圈屏蔽件的情况或在不提供有一圈屏蔽件的情况下，总电流几乎不改变。另一方面，涡流损耗正比例于电阻率的一次方，和涡流的二次方，在提供有一圈屏蔽件的情况下，使总涡流损耗可以减小到现有技术的1/11。

以下利用公式来说明以上的讨论。在以下的公式中，“＝”用来表示接近相等。

关于电阻R，建立以下公式，

R屏蔽件＝0.1×R铁箱 …1

关于感应电流I，

10×I铁箱(有屏蔽件)＝I屏蔽件 …2

I铁箱(没有屏蔽件)＝I铁箱(有屏蔽件)+I屏蔽件 …3

关于损耗W，建立以下公式，

W(没有屏蔽件)＝R铁箱×(I铁箱(没有屏蔽件))² …4

W(有屏蔽件)＝R铁箱×(I铁箱(有屏蔽件))²+

R屏蔽件×(I屏蔽件)² …5

其比率如下，

W(有屏蔽件)/W(没有屏蔽件)＝{R铁箱×R铁箱×(I铁箱(有屏蔽件))²+R屏蔽件×(I屏蔽件)²}/R铁箱×(I铁箱(没有屏蔽件))²

…6

以下利用公式1至3来说明公式6：

W(有屏蔽件)/W(没有屏蔽件)＝1/11。

从上看出，上述的涡流损耗可以被极大地抑制。

如上所述，根据本发明，引入低电阻导体产生感应电流，抑制了涡流出现在具有电阻比导体更大的其他导电结构部件上，从而抑制了由于涡流产生的热，并且减小了由于涡流造成的损耗。

此外，在三相三绕组对的变压器中，由于绕组间气隙在铁箱和铁箱内部部件例如磁心夹等上产生的涡流可以被极大地减小，可以抑制设备产生的热，并且减小了损耗。减少由于涡流损耗的发热便减小了大容量三相变压器的冷却系统的负荷，有可能使这类大容量三相变压器的价格降低。

Claims

1.一种涡流屏蔽装置，包括：

一个闭合电路，它由低电阻导体围绕在绕在磁心上的一对绕组的外圆周上组成，安排所述低电阻导体与所述绕组对来的磁通链接，在所述低电阻导电体中感应出感应电流，

从而抑制了在除上述低电阻导体外的导电结构部件上出现涡流。

2.根据权利要求1的一种涡流屏蔽装置，其特征在于绕制所述低电阻导体不和通过所述磁心的磁通以及所述绕组对的漏磁通链接。

3.根据权利要求1或2的一种涡流屏蔽装置，其特征在于所述低电阻导体安排在具有比所述低电阻导体较高电阻的部件内部。

4.一种三相变压器，提供有一个磁心，三对绕组各自由同心绕制在所述磁心上的低电压绕组和高电压绕组组成，和一个将所述三对绕组包含其中的铁箱，该变压器包括：

第一低电阻导体在和所述绕组对中每一个绕组的漏磁通相链接的方向缠绕一圈形成闭合电路；和

第二和第三低电阻导体各自安排在所述三绕组对的相邻绕组对之间，与每一所述绕组对的相间跨接磁通链接，绕过所述磁心的至少一个端面；

其特征在于，所述第一，第二和第三低电阻导体包含在所述铁箱内部，以便位于所述铁箱内壁侧的位置上。

5.根据权利要求4的一种三相变压器，其特征在于所述第二，第三低电阻导体各自绕成一圈，绕过所述磁心的两个端面，从而构成闭合电路。

6.根据权利要求4或5的一种三相变压器，其特征在于所述第一低电阻导体和所述第二，第三低电阻导体在电气上连接。

7.根据权利要求4，5或6的一种三相变压器，其特征在于所述第一、第二和第三低电阻导体各自形成平板型部件。

8.根据权利要求4，5或6的一种三相变压器，其特征在于所述第一、第二和第三低电阻导体各自形成线型部件。

9.根据权利要求7或8的一种三相变压器，其特征在于所述第一、第二和第三低电阻导体各自为铜或铝制。