CN1246956A - 变压器或电感器内的绕组 - Google Patents

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Abstract

这里公开一种电力变压器或电感器。变压器/电感器的绕组(31)由柔性导线(38)制成,该导线具有电场包含设施,可强制使电流在绕组内产生的电场包含在柔性导线(38)的绝缘层之内。柔性导线的绝缘层的厚度可这样设计使用在绕组的整个长度内电介质应力可保持恒定。柔性导线(38)的绝缘层的横截面面积被这样优化,使变压器/电感器的设计能具有高的空间系数。

Description

变压器或电感器内的绕组
技术领域
本发明涉及电力发生传输和分配系统内的电力变压器或电感器，其额定功率从几百KVA到1000MVA以上，其额定电压从3-4KV到极高的输送电压即400到800KV或更高。更具体点说，本发明涉及电力变压器或电感器的绕组。
本发明的背景
在电力变压器/电感器的设计中，绕组的空间系数即绕组内导线所占体积和绕组总体积之比，为一重要参数。绕组以具有高空间系数为佳，因为这样不仅设计紧凑，而且泄漏能量低。
本发明的综述
本发明的目的是要提供一种电力变压器或电感器，其柔性导线具有电场包容设施和内电场均衡设施，这样做出的设计在技术上有利，并可得到高空间系数。本发明之所以可能是因为在电力变压器/电感器的至少一部分绕组中采用了所说柔性导线。
具有电场包容设施的柔性导线的一个例子是电力分配所用的那种柔性的XLPE电缆。这种电缆具有：一个导电芯，一个设在所说导电芯周围的第一半导电层、一个设在所说第一半导电层周围的固体绝缘层、和一个设在所说绝缘层周围的第二半导电层。在第二半导电层接地的条件下，该电缆能在其内部包容由导电芯内的电流产生的电场。介电质应力在电缆的固体绝缘层内被吸收，因此在第二半导电层之外实际上并没有电场。在XLPE电缆内，各个不同层被牢固地连结在一起。而且，固体绝缘层和半导电层都是由具有基本相同的膨胀系数的材料制成的。因此该电缆能承受机构应力和热应力，各层不会互相分开，从而不会在各层之间形成空腔。这是一个重要特性，因为只要电场力超过空腔内气体的介电强度，部分放电便会在空腔内出现。第一半导电层和固体绝缘层之间的牢固连结特别重要，因为电缆在这个部分的电场力最大。在这个区域内的裂开并将使空气进入到层间的部分内并导致发生部分放电。一种与上述相似的电缆在Wo-97/45847和Wo-97/45921的PCT申请中曾有说明。
已知在绕组的各图上电力变压器或电感器的电压是不均匀分布的。例如对一单相电力变压器或电感器来说，其时绕组的一端接地，另一端则接在线路终端上，绕组上接地部分的电位接近零，而绕组上连到线路终端部分将具有接近相电压的最大电位。因此绕组的线路侧比接地侧承受较高的绝缘负担。为了防止绕组和接近绕组的细节如铁芯或环绕组的壳体之间跳火，在线路侧比在接地侧需要有较好的电绝缘。这样所需的电绝缘就应沿着绕组的长度改变。三相系统有两种连接相绕组的基本方法即星形连接法(Y)和三角形连接法(Δ)。变压器的高压铡和低压侧可任选Y或Δ的连接法。在Y连接法中，每一相的一个绕组端都被连接在一起，形成一个中性终端。如将中性终端接地，那么连接到中性端的绕组部分的电位将接近零，而连接到线路终端的绕组部分将有接受于UL/
Figure A9880224000041
的最大电位，其中UL为线路问电压。这样情况就与上述单相的例子雷同即所需电绝缘要沿着绕组的长度改变。在Δ连接系统中，所有相的绕组共同形成一个封闭环或一个三角形，而各个线路终端被连接到三角形的三个角上。如果系统是对称的，那么在第一绕组中部的电位将接近于零，而在每一绕组端头的最大电位将为UL/2。这样绝缘负担以及所需的电绝缘也将沿着绕组的长度改变。
在电力变压器或电感器中如果绕组至少有某些部分是由电缆构成的，那就有可能按照沿着绕组长度的实际绝缘负担来采用电缆绝缘的厚度。在绕组内采用这样一种帝有斜度的柔性导线可以得到许多好处。每一绕组的空间系数可被增加，因为电缆绝缘不需要的部分可被去除。因此对于给定的额定容量，有可能使绕组变小，这样整个变压器/电感器就可变小而可较便宜地制造。减少的绕组厚度以及从而减少导线和铁芯之间的平均距离还能减少散射通量从而减少变压器/电感器的阻抗。或者，如果保持空间系数不变，那么冷却将更为有效，因为当电缆绝缘减薄后，冷却介质将能更容易地在变压器/电感器内循环。由于冷却常为电力变压器/电感器设计中的限制因素，因此对于给定大小的变压器/电感器，额定容量可被增加。
理想的做法是，电缆绝缘层的厚度应该使电缆内的电介质应力贯穿绕组的每一圈大体上都相同。这就需要绝缘层的横截面面积随着电缆的长度而变化。横截面面积可以连续地变化或以一个或多个阶梯来进行的阶梯状变化。具有阶梯状变化的绝缘横截面面积的电缆可由多个具有不同而均匀的绝缘横截面面积的电缆段连续而成。绝缘横截面面积可沿着电缆的长度而递减，这样在绕组的一端，电缆就可具有最小的绝缘横截面面积。电缆也可在绕组的中部具有最小的绝缘横截面面积，这样就可适用于用Δ连接法连接的绕组，或者还可在任一个其他位置上具有这种最小面积，总之应按照绝缘负担如何沿着绕组而变来定。
附图的简要说明
下面将结合附图对本发明的不同的较优实施例进行详细说明。
图1为一简图示出传统的电力变压器或电感器的绕组周围的电场分布。
图2为一简图示出按照Wo-97/45847和Wo-97/45921的PCT申请中说明的那种电力变压器或电感器的绕组周围的电场分布。
图3和4分别为一简图示出按照本发明第一和第二较优实施例的电力变压器或电器的绕组电场分布。
图5为一简化的侧视图示出按照本发明的电力变压器或电感器的绕组中所使用的成阶梯状带斜度的电缆的两个例子和连续带斜度的电缆的两个例子。
本发明的详细说明
下面的本文所要参阅的图1-3为简化的和基本的视图。这些图可以代表一个带或不带铁芯的电感器和电力变压器。为了简化起见，每一图只示出一个绕组。而且为了简化起见，在这些图中示出的绕组只有一层并且只有四圈，但下面所说理由对具有多层和多圈的绕组同样成立。
图1为一简图示出传统的电力变压器或电感器的绕组周围的电场分布，图上11为绕组，12为铁芯。在绕组11的每一图的周围都有等电位线13即电场强度恒定的线。绕组的下部假定在接地电位，而绕组的上部假定连接到线路终端上。电位的分布确定绝缘系统的组成，因为不管在绕组的相邻线圈之间还是在绕组的线圈与环绕组的接地细节之间都必需有足够的绝缘。图中的等电位线13示出绕组的上部具有最大绝缘负担。
图2为一简图示出在Wo-97/45847和Wo-97/45921的PCT申请中所说明的电力变压器或电感器周围的电场分布。由电缆28构成的绕组21卷绕在铁芯22上。在电缆28内可看到等电位线23。电缆28具有一个导电芯24，其外被第一半导电层25、厚度均匀的固体绝缘层26和第二半导电层27包围着。第二半导电层27被连接到接地电位上。绕组的下部假定在接地电位，而上部假定连接到线路终端上。从导电芯内的电流产生的电场被半导电层27封闭在电缆28内，因此在电缆28之外设有电场。绕组的上部承受最大的绝缘负担，在绕组上部电缆的绝缘层内所吸收的电介质应力大于在下部内所吸收的应力。在图中可以看到，在绕组的上部，电缆内等电位线23之间的间距较小，而在下部这个间距较大。电缆内绝缘层的厚度须能承受绕组内的最大介质应力即在绕组上部的应力。这意味着绕组下部的绝缘层可不必那样厚。
按照本发明的电力变压器或电感器的良好设计是使电缆中绝缘层的厚度适合绕组上的实际绝缘负担。例如在图2中就可能减少绕组21下部内电缆绝缘层的厚度。这可用一带斜度的电缆来做到，其内绝缘层的横截面向接地侧即绕组的下部缩减。理想的做法是，绝缘厚度应使贯穿绕组长度的电介质应力大体上相同。在这样一个绕组中环绕电缆的电场分布如图3所示。该图为本发明第一较优实施例的简图。在该图中，电缆38卷绕在铁芯32周围形成绕组31。在电缆38内示出等电位线33。如同图2，绕组的下部假定在接地电位，而上部假定连接到线路终端上。绕组内电缆绝缘层的横截面面积作连续的改变使贯穿绕组的电缆内的电介质应力大体上恒定，如等电位线33所示。该图与图2所示的电力变压器/电感器相比，冷却将更为有效，因为当电缆绝缘厚度缩减后，冷却介质能更容易地在电力电压器/电感器内循环。
图4为按照本发明第二较优实施例的电力变压器/电感器的简图。与图2和3相似，电缆48卷绕在铁芯42上形成绕组。在电缆48内示出等电位线43。绕组的下部假定在接地电位，而上部假定连接到线路终端上。在图4中带斜度电缆的线圈被一个叠在另一个顶上地堆积起来。与图2和3内的绕组相比，绕组的空间系数可被增加，因此能较小和较廉地制出电力变压器/电感器。
除了在绕组内采用绝缘横截面积连续变化的电缆以外，横截面面积也可作阶梯状变化。将个或多个具有不同而均匀的绝缘横截面面积的电缆段连接起来便可得到这样的电缆。在图5中示出能够用在按照本发明的电力变压器/电感器中的四根电缆50a、50b、50c和50d。电缆50a和50b分别由三个电缆段51a、52a、53a和51b、52b、53b制成。在拼接处54a、55a和54b、55b相邻电缆段的导电芯56a或56b、第一半导电层(未示出)和第二半导电层分别被连接起来。电缆50c和50d各由一个电缆段制成，其绝缘横截面面积沿着电缆的长度连续地变化。在电缆50a和50c中，绝缘横截面面积沿着绕组的长度向一个方向增加。这种电缆适宜用于绝缘介电质应力稳定地沿着绕组增加的电力变压器/电感器，如中性端接地的Y连接的三相变压器。在电缆50b和50d中，绝缘横截面面积在绕组的中部为最小。这种电缆适宜用于Δ连接的三相变压器，其时绝缘电介质应力在绕组的半中间为最小。在电缆50a和50b中电缆段的数目不一定被限制为三个。采用多个具有不同长度和绝缘横截面面积的电缆段，可以生产出绝缘横截面面积多少连续变化的电缆。
上述绕组布置说明为了实现按照本发明的电力变压器或电感器，应如何将带有斜度的电缆应用到绕组上。但应知道，也可能将带有斜度的电缆应用到具有一个或多个绕组的变压器，以及带有或不带铁芯、具有一个或多个绕组的电感器上，这并没有偏离本发明的范围。还应知道在本发明的范围内有可能将带有斜度的电缆应用到只有一部分绕组由电缆构成的电力变压器/电感器上。

Claims (8)

1.在电力发生传输和分配系统内使用的一种电力变压器或电感器，具有至少一个绕阻(31、41)，其特征为，至少部分是由柔性导线构成的绕组具有电场包含设施(38、48)并且所说柔性导线的横截面面积沿着所说柔性导线的至少一部分长度变化。
2.按照权利要求1的电力变压器或电感器，其特征为，由电缆(38、48)构成的柔性导线具有：一根导线(24)、一个具有半导电性能的第一层(25)、一个设在所说第一层周围的固体绝缘层(26)和一个具有半导电性能而设在所说固体绝缘层周围的第二层(27)。
3.按照权利要求1或2的电力变压器或电感器，其特征为，柔性导线或电缆(50c、50d)的所说横截面面积沿着所说柔性导线或电缆的至少一部分长度而连续变化。
4.按照权利要求1或2的电力变压器或电感器，其特征为，柔性导线或电缆(50a、50b)的所说横截面面积沿着所说柔性导线或电缆的至少一部分长度作阶梯状变化。
5.按照权利要求1-4中任一项的电力变压器或电缆(38、48)内的电介质应力在所说柔性导线或电缆的整个长度上大体恒定。
6.按照权利要求1-5中任一项的电力变压器，其特征为，电力变压器具有Y连接的三个相位。
7.按照权利要求1-5中任一项的电力变压器，其特征为，电力变压器具有Δ连接的三个相位。
8.按照权利要求1-5中任一项的电力变压器，其特征为，至少有一个绕组的一端在接地电位。
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