CN1244285A - 一种变压器/电抗器和一种制造变压器/电抗器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变压器或电抗器和一种制造变压器/电抗器的方法。变压器/电抗器包括一个铁心和至少一个绕组,其中铁心(1、11、21、31)包括至少两段(4、14、24、25、33、34、36、37),并且绕组是可弯曲的,并且包括由一个内半导体层(8)围绕的一个导电芯(7),一个绝缘层(9)围绕着内半导体层并且由固体材料组成,及一个外半导体层(10)围绕着绝缘层,所述诸层彼此粘结。

Description

一种变压器/电抗器和一种制造变压器/电抗器的方法

本发明涉及一种包括一个铁心和至少一个绕组的变压器/电抗器。

本发明还涉及一种在制造相应变压器/电抗器时使用的方法。

变压器/电抗器可用于从几W(瓦)到1000MW(兆瓦)的所有功率范围。术语“变压器/电抗器”一般指具有从几百kW(千瓦)至超过1000MW的额定输出、和从3-4kV(千伏)高至非常高传输电压的额定电压的变压器/电抗器。

常规电力变压器包括一个由层叠的方向性片金属，通常为硅钢，组成的变压器铁心，下文叫做铁心。铁心包括多个由一个磁轭连接的铁心支柱。多个绕组安置在铁心支柱周围，一般命名为初级、次级和调节绕组。在电力变压器的情况下，这些绕组几乎总是同心地布置，并且沿铁心支柱分布。变压器铁心具有一个绕组经其通过的矩形“窗口”。该矩形窗口主要是当层叠铁心时使用的生产技术的结果。

改变形状的变压器铁心的使用通过例如DE40414、US2 446999、GB2 025 150、US3 792 399、US4 229 721得知。这些文件的一些也公开了由分段组成的铁心。然而，这些文件没有一个涉及高压电力变压器，并且他们由于下面讨论的油冷却的当前技术而不能用于这样的变压器。

在上述功率范围下端的常规电力变压器，有时带有空气冷却，以便除去热形式的不可避免自然损耗。然而，大多数常规变压器是油冷的，一般借助于压力油冷却。这特别适用于大功率变压器。油冷变压器有多种公知的缺陷。他们例如体积大、很笨重，因而带来特别显著的运输问题，以及就安全和外围设备而论有广泛要求。

然而，已经证明，有可能用新型干式变压器在较大程度上替换油冷电力变压器。这种新型干式变压器装有由高压电缆，即高压绝缘电导体实现的绕组。因而能在比以前已经可能的显著高的单位功率下使用干式变压器。词句“干式变压器”和“干式电抗器”因而适用于不是油冷而最好是空气冷却的变压器/电抗器。

就电抗器(电感器)而论，这些包括一个大多数仅装有一个绕组的铁心。在其他方面，以上关于变压器已经进行的描述基本上也与电抗器有关。应该特别注意，大型电抗器也是油冷的。

本发明的目的在于，提供一种能够消除在这里描述的常规设计的电力变压器/电抗器中的一些缺陷的变压器或电抗器，并且还提供一种在制造这样的变压器/电抗器时使用的方法。

该目的借助于具有权利要求1所限定的特征的一种变压器/电抗器、和借助于一种根据权利要求25所限定的特征用来制造这样一种变压器/电抗器的方法而实现。

根据权利要求1中的第一特征，铁心至少由两段组成。相应方法包括制造包括至少两段的铁心的特征。词句“段”或“分段铁心”指由基本相同的、并排接合在一起以形成铁心的段或部分制造变压器/电抗器的铁心。

用诸段制造的铁心具有多个优点。首先，即使相当大的铁心也基本上能制成环形形状，这种形状提供下面将描述的显著优点。

第二，铁心的较简单缠绕是可能的，因为每段能分别缠绕。

分段铁心的第三个优点在于，在制造期间任何时刻能分解和组装。

从制造观点看来，也能得到许多优点，因为铁心能以模块的形式制造，每个模块包括一个或多个段。这也提供了与运输有关的显著优点，因为铁心能分段运输，并且然后在其使用现场组装。如有必要，绕组也能在现场缠绕。

根据权利要求1中的另一个特征，绕组是可弯曲的，并且包括由一个内半导体层围绕的导电铁心，一个绝缘层围绕着内半导体层并且包括固体材料，及一个外半导体层围绕着绝缘层，所述诸层彼此粘结。根据该方法的另一个特征，所述方法包括把绕组安装到铁心上的步骤，该绕组按照权利要求1限定。

因而，在根据本发明的变压器/电抗器中的绕组，最好具有与现在用于配电的类型的带有固体、挤压绝缘物的电缆相对应的类型，如XLPE电缆或带有EPR绝缘的电缆。这样一种电缆包括由一股或多股部分组成的一个内导体，一个内半导体层围绕着该导体，一个固体绝缘层围绕着内半导体层，及一个外半导体层围绕着绝缘层。这样的电缆是可弯曲的，这在该上下文中是一个重要的性质，因为用于根据本发明的装置的技术，主要基于其中绕组由在装配期间挠曲(或弯曲)的电缆形成的绕组系统。XLPE电缆的柔性通常对于具有30毫米直径的电缆，对应于约20厘米的弯曲半径，而对于具有80毫米直径的电缆，对应于约65厘米的弯曲半径。在本申请中，术语“可弯曲”用来指示对低到四倍电缆直径量级，最好是电缆直径的八至十二倍的弯曲半径而可弯曲的绕组。

绕组应该制造成保持其性质，即使当它弯曲时和在工作期间受到热应力时也是如此。在该上下文中关键是诸层保持其彼此粘结。诸层的材料性质在这里是决定性的，特别是其弹性和相对热膨胀系数。在XLPE电缆中，例如，绝缘层包括交联、低密度聚乙烯，而诸半导体层包括有碳黑和金属颗粒混合在其中的聚乙烯。作为温度波动结果的体积变化，作为电缆半径的变化被完全吸收，并且由于诸层中热膨胀系数之间相对于这些材料弹性的比较轻微的差别，能发生径向膨胀而不失去诸层之间的粘结。

上述材料组合应该仅作为例子考虑。其他实现规定条件、还有作为半导体的条件(即具有在10^-1-10⁶欧姆-厘米，例如1-500欧姆-厘米、或10-200欧姆-厘米范围内的电阻率)的组合自然也落入本发明的范围内。

例如，绝缘层可以由如下材料组成，诸如低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、聚丁烯(PB)、聚甲基戊烯(“TPX”)之类的固体热塑性材料，诸如交联聚乙烯(XLPE)之类的交联材料，或诸如乙丙橡胶(EPR)或硅橡胶之类的橡胶。

内和外半导体层可以具有相同的基础材料，但有诸如碳黑或金属粉末之类的导电材料混合在其中。

这些材料的机械性质，特别是其热膨胀系数，受碳黑或金属粉末是否混合在其中的影响较小-至少以要求的比例，以实现根据本发明必需的导电性。绝缘层和半导体层因而具有基本相同的热膨胀系数。

乙烯-乙酸乙烯酯共聚物/腈橡胶(EVA/NBR)、丁基接枝聚乙烯、乙烯-丙烯酸丁酯共聚物(EBA)及乙烯-丙烯酸乙酯共聚物(EEA)也可以构成用于半导体层的适当共聚物。

即使当不同类型材料用作各层中的基础时，也希望其热膨胀系数基本相同。这是关于以上列出的材料组合的情形。

以上列出的材料具有较好的弹性，具有E＜500MPa，最好＜200MPa的E模量。该弹性对于诸层中材料的热膨胀系数之间的任何较小差值，足以在弹性的径向被吸收，从而不会出现裂纹、或其他损坏，并从而诸层不会彼此分离。诸层中的材料是弹性的，并且诸层之间的粘结力至少与材料最弱处的数值相同。

两个半导体层的导电性足以基本上使电位沿每层相等。外半导体层的导电性高得足以把电场包围在电缆内，而且低得足以不会由于层中纵向感应的电流引起显著损耗。

因而，两个半导体层基本上构成一个等电位表面，并且这些层将基本包围在他们之间的电场。

当然，没有什么防止一个或多个附加半导体层布置在绝缘层中。

根据其余从属权利要求，其他特征和优点将是显然的。

除用由一根电缆组成的绕组得到的上述优点外，通过电缆的使用还使遇到的关于漏磁场的问题较少。这具有即使在高压变压器中也能使用环形铁心的优点，条件是解决布置足够大铁心的问题，并且根据本发明通过使用分段铁心来实现这点。随之而来的重要优点是，能使用以前仅用于低压范围和电子场的技术。

根据特别有利的特征，一般认为绕组由高压电缆组成。

作为另一个特征，一般认为高压电缆最好具有在间隔20-250毫米内的直径、和在间隔80-3000mm²内的导体面积。

根据一个特别有利的特征，铁心基本上是环形的。这种结构具有比矩形铁心提供较短磁路、和铁心中流分布较好的优点。比常规铁心具有较短磁路的环形铁心的优点包括铁心需要较少材料、重量较轻和价格较便宜，并且导致较少的功率损耗，且因此更有效。

根据另一个特别有利的特征，铁心具有基本上为环形的形状。在环形铁心中，绕组能绕整个铁心均匀地分布，由此减少多余磁场的问题。高对称度也是有利的，因为磁场随距离减小得较快。

根据一个实施例，变压器/电抗器的铁心带有一个窗口，该窗口基本上为圆形形状，并且铁心的环形形状是圆形的。另外铁心可以包括一个基本上是椭圆形的窗口，并且铁心的环形形状是椭圆形的。铁心也可以是矩形的。

根据一个有利的实施例，铁心由两段组成。在多种情况下，这自然是最简单的选择方案，该选择方案本身构成一个优点。

根据另一个有利实施例，铁心由四段组成，两个直线段和两个成形为半环形的段，两个成形为半环形的段通过两个直线段接合在一起。这个实施例，也作为椭圆形实施例，具有即使在狭窄空间也能使用的优点。

每段包括多块板和铁心制造成层叠铁心也认为是有利的特征。

根据另外的有利特征，板可以由磁性定向钢组成，并且段的数量要足够大，以便磁性定向方向不会丢失。另外，板可以由非晶钢组成。

根据一个实施例，相邻段由带有至少一块突出板的一段保持在一起，该突出板安装到在诸板之间的一个相应间隙中，诸板布置在最近相邻段的相应侧，由此形成重叠接合。这导致不需要专用固定装置以保持一起形成铁心的诸段的优点。然而，另外，或者通过补充，变压器/电抗器可以包括固定装置。

根据另外一个有利特征，分段铁心包含可以用于冷却剂的内部导管。根据冷却导管的一个具体实施例，铁心诸段能由此连接。

最后，根据本发明方法的特征在于这样的有利特征，在把段组装形成铁心之前把铁心的绕组缠绕到段上。

本发明最好供单相变压器之用。

总之，应该强调，通过权利要求1所限定的一个绕组和一个分段铁心的组合，通过本发明有可能提供用于高压的干式变压器/电抗器，具有基本上为环形形状的大铁心，及最好为环形形状。

为了更好地理解本发明，现在参照附图通过例子，将详细描述四个实施例，在附图中：

图1以本发明第一实施例的透视示意图形式表示基本图，

图2表示本发明第二实施例的示意图，

图3表示本发明第三实施例的示意图，

图4表示本发明第四实施例的示意图，

图5表示穿过根据本发明铁心的一段的截面，及

图6表示高压电缆的横截面视图。

本发明的基本图，也构成第一实施例，示意表示在图1中。该图表明一个变压器铁心1，铁心1同样也能是一个电抗器铁心，带有穿过基本上为圆形窗口5的一个绕组2。铁心由相当大数量的段4制造，对其仅使用一个标号。诸段最好是相同的，因为从制造的观点看来这是一个优点，但如果适当，则也能成形为有些差别。该图表示十八个段，每段包括以已知方式已经一块层叠在另一块顶部的多块板3。这些板如何能彼此层叠在顶部上的一个例子表示在图5中，表明穿过一个铁心段的截面。诸板通常粘结在一起。通过把板层叠在彼此的顶部上，得到所谓的层叠铁心。可以使用不同的接合方法，在图5中仅表明其中一种可能的方法。例如，另一种可能的方法称作阶梯重叠。

在图1实施例中表明的各块板具有相当于平行四边形的形状。这意味着铁心的“环形”形状事实上是多边形。然而，就相当大数量的段而论，如在这种情况下那样，环形形状、或者通常就是铁心的环形横截面，近似于多边形形状。

应该强调，术语“环形、圆形窗口和环形”包括圆形横截面，并且所有这些都指铁心，这些术语在该上下文中不仅指几何完美的环、环形或圆，而且也应该认为包括这些几何图形的近似等效图形，这是由于铁心因为诸段可以具有在横向和纵向事实上为多边形的横截面。

图2以从上方看到的、带有段14的铁心11的形式表示本发明的第二实施例。根据图2中的实施例，诸段具有与带有斜截末端的饼块相类似的形状，从而他们可以组合成近似的环，最好具有环形形状。图5中的每块板3因而切成适于图2中所示的饼块形状。在这种情况下，铁心由八段14组成。在这个铁心中的诸段由磁性定向的钢板制造，如图中由箭头所示。当使用磁性定向钢时，重要的是段的数量要足够，使磁性定向方向不丢失。这里，铁心也具有一个绕组或多个绕组打算通过的一个圆形窗口15。

铁心的一个第三实施例表示在图3中。分段铁心21仅由两个半环23、24形式的两段组成，两个半环23、24已经组合成带有基本上为圆形的窗口25的铁心。

第四实施例表示在图4中，由该图能看到，铁心31最好包括四段：两个直线段36、37和半环形式的两段33、34。半环形式的两段33、34经两个直线段36、37连接。铁心具有一个窗口35。

诸段能以各种方式保持在一起或组合，以形成环形铁心。因而用突出到段的实际侧面，即面对着相邻段的侧面的外侧的一些板配置诸段是可行的，并且这些板插入在诸板之间的相应间隙中，诸板布置在最近相邻段的对应侧，反之亦然，从而相邻段中的板重叠。因而在两个相邻段中的诸板之间得到接合，这种接合以与表明在图5中的段内形成的接合例子等效的方式形成。另外，可以使用专用固定装置，如夹具、轭、螺钉等。

分段铁心的一个优点在于，它可以包括用于冷却剂的内导管。这些导管可以包括空隙17，空隙17在层叠期间已经提供在诸板之间。另外，在板的层叠期间，可以把用于冷却剂的管安装在段内。另一种选择方式是穿过诸段以后钻出导管。还有可能由内部冷却导管把诸段保持在一起，其方式是相邻段由至少一段保持在一起，该段装有一根在一个突出管端中结束的冷却导管，该突出管端成形为装配到在相邻段中结束冷却导管的一个相应管端上。

图6最后表示特别适于用在本发明中的一种高压电缆6的横截面。高压电缆6包括多个由例如铜(Cu)制成、且具有圆形横截面的股7。这些股布置在高压电缆的中部。围绕股7的是一个第一半导体层8。围绕该第一半导体层8的是一个绝缘层9，例如XLPE绝缘物。围绕绝缘层9提供一个第二半导体层10。说明的电缆不同于常规高压电缆的地方在于，消除了通常围绕这样的电缆的外机械防护套和金属屏蔽层。因而在本申请中的概念“高压电缆”不必包括通常围绕用于配电的这种电缆的金属屏蔽层或套。

以上说明和描述的实施例应该仅作为例子考虑，并且本发明不应当受其限制，而是能在所附权利要求书中限定的本发明概念范围内变化。因而，表明的三个例子的铁心中的窗口仅用基本上为圆形的形式表示，但是当然也可以是椭圆形的或一些其他形状。类似地，铁心的环形形状可以是椭圆形的，而不是圆形的。例如当可用空间在宽度方向受到限制时，这可能是最好的。而且，自然没有任何东西防止分段铁心制成矩形的，带有一个矩形窗口。

依据关于制造技术、缠绕技术、运输距离等的多种不同考虑，也可以大大地改变段的数量。诸板也可以由除磁性定向钢之外的钢制造，例如由非晶钢制造。

最后，应该指出，通过组合按照本发明制造的三个铁心，本发明自然也可用于三相变压器/电抗器。

Claims (26)

1.一种包括一个铁心和至少一个绕组的变压器/电抗器，其中铁心(1、11、21、31)包括至少两段(4、14、24、25、33、34、36、37)，及绕组是可弯曲的，并且包括由一个内半导体层(8)围绕的一个导电芯(7)，一个绝缘层(9)围绕着内半导体层并且由固体材料组成，而一个外半导体层(10)围绕着绝缘层，所述诸层彼此粘结。

2.根据权利要求1所述的变压器/电抗器，其特征在于所述层(8、9、10)由具有这样弹性的材料组成，并且在材料的热膨胀系数之间有这样一种关系，从而在工作期间由温度波动引起的层中体积的变化能由材料的弹性吸收，由此当在工作期间出现温度波动时诸层保持其彼此粘结。

3.根据权利要求2所述的变压器/电抗器，其特征在于所述层(8、9、10)的材料具有高弹性，具有的E模量小于500MPa较好，小于200MPa最好。

4.根据权利要求3所述的变压器/电抗器，其特征在于所述层(8、9、10)的材料的热膨胀系数具有基本相同的数值。

5.根据权利要求4所述的变压器/电抗器，其特征在于层(8、9、10)之间的粘结力具有至少与材料的最弱处相同的数值。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的变压器/电抗器，其特征在于半导体层(8、10)的每一个基本构成一个等电位表面。

7.根据权利要求1至6任一项所述的变压器/电抗器，其特征在于定子(4)的绕组由高压电缆(6)组成。

8.根据权利要求7所述的变压器/电抗器，其特征在于高压电缆(6)具有在间隔20-250毫米内的直径、和在间隔80-3000mm²内的导体面积。

9.根据上述权利要求任一项所述的变压器/电抗器，其特征在于铁心(1、11、21)基本上是环形的。

10.根据权利要求9所述的变压器/电抗器，其特征在于铁心(1、11、21)包括一个基本上具有圆形形状的窗口(5、15、25)，并且铁心的环形形状是圆形的。

11.根据权利要求9所述的变压器/电抗器，其特征在于铁心包括一个基本上是椭圆形的窗口，并且铁心的环形形状是椭圆形的。

12.根据权利要求1至8任一项所述的变压器/电抗器，其特征在于铁心(31)包括四段：两个直线段(36、37)和成形为半环的两段(33、34)，成形为半环的两段(33、34)经两个直线段接合在一起。

13.根据上述权利要求任一项所述的变压器/电抗器，其特征在于铁心(1、11、21)基本上具有环形形式。

14.根据权利要求1至8任一项所述的变压器/电抗器，其特征在于铁心具有矩形形式。

15.根据权利要求1至11或13至14任一项所述的变压器/电抗器，其特征在于铁心(21)包括两段(23、24)。

16.根据上述权利要求任一项所述的变压器/电抗器，其特征在于每段包括多块板(3)，并且铁心制造成层叠铁心。

17.根据权利要求16所述的变压器/电抗器，其特征在于板(3)由磁性定向钢组成。

18.根据权利要求17所述的变压器/电抗器，其特征在于段的数量足够大，以便磁性定向方向不会丢失。

19.根据权利要求16所述的变压器/电抗器，其特征在于板(3)由非晶钢组成。

20.根据权利要求16至19任一项所述的变压器/电抗器，其特征在于相邻段由带有至少一块突出板的一段保持在一起，该突出板安装到在诸板之间的一个相应间隙中，诸板布置在最近相邻段的相应侧，由此形成重叠接合。

21.根据上述权利要求任一项所述的变压器/电抗器，其特征在于它包括固定装置，最好是夹具或螺钉，以便接合诸段。

22.根据上述权利要求任一项所述的变压器/电抗器，其特征在于分段铁心包含用于冷却剂的内部导管(17)。

23.根据权利要求22所述的变压器/电抗器，其特征在于相邻段由至少一段保持在一起，该段装有一根在一个突出管端中结束的冷却导管(17)，该突出管端设计成装配到在相邻段中结束冷却导管的一个相应管端上。

24.根据上述权利要求任一项所述的变压器/电抗器，其特征在于变压器是一种干式变压器/电抗器。

25.一种在制造包括一个铁心和至少一个绕组的变压器/电抗器时使用的方法，包括制造铁心的步骤，该铁心包括接合以形成所述铁心的至少两段；并且包括把一个绕组安装到所述铁心上的步骤，所述绕组是可弯曲的，并且包括由一个内半导体层(8)围绕的一个导电芯(7)，一个绝缘层(9)围绕着内半导体层并且由固体材料组成，及一个外半导体层(10)围绕着绝缘层，所述诸层彼此粘结。

26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于在把段组装形成铁心之前，把铁心的绕组缠绕到该段上。

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