CN1272217A - 感应控制电压调节器 - Google Patents

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Abstract

一种主要用于高压调节的感应控制电压调节器,包括一条基于磁心(1)的磁路,磁心(1)带有两个或多个磁通路径或支腿(2),该路径或支腿带有至少一个供给输出电压(U)的主绕组(3)。而且,该电压调节器包括至少一个带有减小导磁率的一个区(5)的可磁化调节支腿(4)。调节支腿由连接到一个可变电容器(8)上的一个调节绕组(6)围绕着。所述绕组的至少一个、或其一部分,由一根高压电缆缠绕,该电缆包括至少一个载流导体,该载流导体由至少一个具有半导体性能的第一层、一个固体绝缘层及一个具有半导体性能的第二层围绕着。

Description

感应控制电压调节器
本发明一般涉及感应控制电压调节器，更具体地说，涉及一种在权利要求1的前言中所定义的通过电气变压器或电抗器装置的感应调节。本发明也涉及一种由权利要求13中所定义的这样一种感应控制电压调节器使用的调节器绕组，并且涉及在权利要求21中所定义的用于电线中的电压控制和用于电厂设备中的无功功率控制的方法。
用于较低电压范围的常规感应控制电压调节器，通过使用带有彼此相对旋转或移动的线圈的电感器而布置，如例如由I.L.Ia Cour和K.Faye-Hansen在书籍Die Wechselstromtechnik Bd.2，“DieTransformatoren”，Verlag von Julius Springer，Berlin，Germany，1936，第586-598页，“Drehtransformator und Schubtransformator”在文献中描述的那样。而且这种方案涉及机械运动。另外，对于高压以合理的成本不能进行这样一种感应控制。绝缘构造是一种严格的设计限制。
另一种技术从US-A-4 206 434得知，其中在感应控制电压调节器的不同支腿之间的磁通描述成由可变直流磁化重新分配。为此目的，需要一个可变直流源。
因而，电气高压控制大都由电气变压器进行，该变压器包括一个或多个缠绕在变压器铁心的一个或多个支腿上的绕组。绕组包括使从变压器供给不同电压级成为可能的抽头。如在上面描述的和在电压干线中使用的当前电力变压器和配电变压器，包括用于电压调节的抽头变换器。他们在机械方面比较复杂，并且由于在触点之间的放电易受机械磨损和电物理腐蚀。调节仅能是分段的。因而，对于与不同抽头的连接需要逐步电压调节和可动触点。包括用于高压控制的可动装置且不能得到无级连续电压供给可能是不利的。
先有技术电压调节的缺点通过根据本发明的感应控制电压调节器避免。要找到的特征特性在于，调节器的磁路包括至少一个带有减小导磁率的区的可磁化调节支腿，并且在于至少一个另外绕组绕所述调节支腿缠绕，所述另外的绕组连接到一个可变电容器上。
使得到这样一种高压，即36kV高至800kV，的电压调节成为可能的一个重要条件是，变压器或电抗器中的至少一个绕组、或其一部分，由一根高压电缆建造，该电缆包括至少一个导体、一个具有半导体性能的第一层、一个固体绝缘层、及一个具有半导体性能的第二层。因而，变压器/电抗器是所谓的干式的。这样一种设计的高压电缆的使用使得有可能“捕获”电缆绝缘物内的电场。这意味着有可能设计用于高压用途的感应控制电压调节器。
另一个优点在于，即使当弯曲电缆时，所述层也布置成彼此粘结。因此，在电缆的整个寿命期间，在诸层之间实现良好接触。
通过把装有可变电容的至少一个绕组放置在磁路的至少一条磁通路径(也称作“支腿”)上，该支腿带有一个跨过磁通减小导磁率的区，通过改变电容能改变该支腿的磁阻。这能用于在磁路不同支腿之间的磁通的重新分配。因而，跨过围绕这些支腿的绕组的感应电压以及绕组的电感也改变。依据变压器/电抗器类型、相数等，该原理能在多种不同的几何排列中使用。
在装有电容的绕组的负磁阻背后的理论，主要由如下理想公式给出。装有电容的绕组形成负磁阻Rc＝-n2w2C。绕组匝数n和电容器电容C可以以这样一种方法选择，以与正磁阻RL＝I/Am1m0相对应，
其中l是磁通路径的长度，
A是磁心的横截面积，
m1是磁通路径的导磁率，及
m0是空气的导磁率。
磁通F在磁心不同支腿上的分布，并因而缠绕在这些支腿上的绕组的电压，作为电容C的函数是可变的。
依据使用的电容调节的类型，电压/电感调节是连续的或以小步幅进行，对应于切换到电路中的分立电容。由于在匝数、电容和磁阻之间的关系，能选择与低电压、大电流和大电容结合的小匝数，或与高电压、小电流和低电容结合的大匝数，这取决于可变电容的哪种实现最实际。使用下面更详细描述的电缆概念，电容器能集成在变压器/电抗器壳体中，因为其绕组是电位自由的。
由如在附图中表明的示范性实施例的如下详细描述，本发明的这些和其他特征和优点将变得更加明白，在附图中：
图1是根据本发明带有两个支腿、一个气隙和一个调节绕组的变压器铁心的一部分的原理图，
图2是根据本发明的变压器铁心的一部分的原理图，该变压器的一个主支腿分成两个子支腿，其中一个包括气隙和调节绕组，
图3是图2中所示变压器铁心部分一种改进，其中两个子支腿都包括气隙和调节绕组，及
图4是在根据本发明的调节绕组中使用的高压电缆的剖视图。
现在参照一些最佳实施例将详细描述本发明，其原理表示在包括的附图中。在各图中使用的类似标号是指具有相应功能的类似或其他设备。图1至3表示仅对本发明重要的电压调节器的部分。
尽管诸图表示根据本发明的一种单相电压调节器，但熟悉本技术的专业人员可以很好地懂得，该发明原理也能用于两相或多相用途。
图1表示通常以磁铁板外壳形式包括在变压器或电抗器磁路中的变压器或电抗器铁心1的一部分。该磁路包括两条或多条主磁通路径2(或支腿，如他们在如下描述中命名的那样)。表示在图1中的主支腿2之一带有一个主绕组3。与主支腿2平行，表示有一个带有减小导磁率的区5的可磁化调节器支腿4。区5可以是一个气隙、多个间隙、在铁心中的凹腔、或具有比铁心材料的导磁率低的导磁率m1的固体材料插入物，或者可以通过任何其他适当方法得到，例如如在US-A-4 047 138中描述的那样。
调节器支腿4由另一个绕组6(下面也称作调节器绕组)围绕着，其导体7连接到一个可变电容器8上。
如上所述，根据装有电容的绕组的负磁阻背后的理论，通过改变电容器8的电容能控制和调节主绕组3的输出电压U。
根据本发明的这种感应控制电压调节器的另一个实施例表示在图2中。在这种情况下，带有主绕组3的主支腿2在主绕组3下面(下游)分成两个子支腿2A和2B。子支腿之一，即2A，相当于参照图1在上面描述的调节器支腿4。因而，子支腿2A包括具有减小导磁率的区5和连接到可变电容器8上的一个调节器绕组6。
来自主绕组3的输出电压U经串联连接到主绕组3上的两个子绕组3A和3B供给。子绕组3A和3B由子支腿2A和2B的相应一个携带。子绕组3A和3B彼此反向着缠绕。因而，子绕组3A和3B以这样一种方式缠绕，从而当磁通在子支腿之一中上升而在另一个支腿中下降时，在子绕组3A、3B中的电压相对于主绕组3得到相同的符号。因此电压调节范围加倍。
图3表示相对于图2在上面讨论的一个实施例的改进实施例。因而，在图3的情况下，子支腿2A和2B都包括具有减小导磁率的区5A和5B及调节器绕组6A和6B，每一个绕组分别连接到一个独立可变电容器8A和8B上。通过带有两个调节支腿，有可能增大调节范围。
为了使得有可能得到高压，即在约36kV至800kV的场中，的调节，通过使用图4中作为一个例子所示的类型的一种高压电缆61，缠绕绕组3、3A、3B、6、6A和6B的至少一个，或其任何一个的一部分。
在本发明中使用的电缆是可弯曲的，并且其种类在WO 97/45919和WO 97/45847中更详细地描述。在WO97/45918、WO97/45930和WO97/45931中能找到有关电缆的另外描述。
因而，在根据本发明的装置中的绕组最好具有与带有固体、挤压绝缘物的电缆相对应的类型，具有现在用于配电的类型，例如XLPE电缆或带有EPR绝缘物的电缆。这样一种电缆包括：由一股或多股部分组成的一个内导体、一个围绕着该导体的内半导体层、一个围绕着该层的固体绝缘层、及一个围绕着该绝缘层的外半导体层。这样的电缆是可弯曲的，这在该上下文中是一种重要的性质，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的电缆形成的绕组系统。XLPE电缆的柔性通常对于直径30毫米的电缆对应于约20厘米的弯曲半径，而对于直径80毫米的电缆，弯曲半径约为65厘米。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。
绕组应该建造成能保持其性质，即使当它弯曲时和在工作期间受到热或机械应力时也是如此。在该上下文中重要的是诸层保持其彼此粘结。诸层的材料性质，特别是其弹性和相对热膨胀系数，在这里是决定性的。在XLPE电缆中，例如，绝缘层包括交联、低密度聚乙烯，而诸半导体层由有碳黑和金属颗粒混合在其中的聚乙烯组成。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，并且由于在诸层中热膨胀系数相对于这些材料的弹性有比较轻微的差别，所以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，或诸如二元乙丙橡胶(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，但带有诸如混合在其中的碳黑或金属粉末之类的导电材料颗粒。
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-至少在要求的比例下是如此，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聚合物。
即使当把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的E模量，最好＜200MPa。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中的数值相同。
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大得足以把电场包含在电缆内，而且同时低得足以不会由于层纵向感应的电流引起显著损耗。
因而，两个半导体层的每一个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，没有东西能防止一个或多个辅助半导体层布置在绝缘层中。
这样一种高压电缆61可以包括一个或多个导电体631。表示在图4中的电缆实施例包括一种绝缘物，并且导体631直接与具有半导体性能的第一层632相连接。第一层632又由一个固体绝缘层633包围着，绝缘层633然后由一个具有半导体性能的第二层634包围着。
在表示本发明与电缆有关的细节的图4中，三层632、633、634布置成，即使当电缆弯曲时也彼此粘结。所示的电缆是可弯曲的，并且在电缆的整个寿命期间保持这种性能。
层632、633、634最好由相同的塑性材料或具有相同膨胀系数的其他材料制造。由此得到的重要优点在于，在绕组中的热运动处避免了缺陷、裂纹等。两个半导体层632、634的塑性材料带有添加到其上的导电材料。
尽管以上参照单相变压器或电抗器已经描述了本发明，但对于熟悉本技术的专业人员，显然不同的用途位于该领域内。因而，例如有可能把本发明用于单相感应控制电压调节器。也有可能实现带载抽头变换器装置，即集成在变压器中的单相感应控制电压调节器。而且，借助于各相控制以及借助于公用相控制，能制成多相感应控制电压调节器。因而，本发明也能应用于诸如具有两相或多相的设备。在这样一种多相变压器中，每一相能装有一个分开的调节支腿4或支腿2A、2B。通过这样做，每相可以具有一个独立调节，或者为了具有接点调节，可以连接调节绕组6、6A和/或6B。
在自耦变压器中和在升压变压器中，同样可以实施本发明思想。

Claims (24)

1.一种感应控制电压调节器，特别是一种变压器或一种电抗器装置，包括一个包含一个可磁化铁心(1)的磁路，铁心(1)带有两个或多个主磁通路径或支腿(2)，该主支腿的至少一个由一个主绕组(3)包围着，所述调节器的特征在于：至少一个可磁化调节支腿(4；2A；2B)带有减小导磁率的一个区(5；5A；5B)，并且至少一个另外的绕组(6；6A；6B)绕所述调节支腿缠绕，所述另外的绕组连接到一个可变电容器(8；8A；8B)上，及主绕组(3)的诸匝的至少一匝包括一根高压电缆(61)，电缆(61)包括一个导体(631)、一个具有半导体性能的第一层(632)、一个绕所述第一层(632)提供的固体绝缘层(633)、及一个绕绝缘层(633)提供的具有半导体性能的第二层(634)。
2.根据权利要求1所述的调节器，并且其特征还在于：另外的绕组(6；6A；6B)的至少一个也包括一根高压电缆(61)，电缆(61)包括一个导体(631)、一个具有半导体性能的第一层(632)、一个绕所述第一层(632)提供的固体绝缘层(633)、及一个绕绝缘层(633)提供的具有半导体性能的第二层(634)。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的调节器，并且其特征还在于：减小导磁率的所述区(5；5A；5B)是气隙类型的。
4.根据权利要求3所述的调节器，其特征在于：每个调节支腿(4；2A；2B)包括一个或多个气隙(5；5A；5B)。
5.根据权利要求3所述的调节器，其特征在于：减小导磁率的所述区(5；5A；5B)通过在每个所述调节支腿(4；2A；2B)中制成的凹腔得到。
6.根据权利要求3所述的调节器，其特征在于：减小导磁率的所述区(5；5A；5B)通过具有低导磁率的一种材料的固体插入物得到。
7.根据任一项以上权利要求所述的调节器，并且其特征还在于：所述主支腿(2)分成两个子支腿(2A、2B)，子支腿之一形成带有一个另外绕组(6A)的所述调节支腿(2A)。
8.根据权利要求1至6任一项所述的调节器，并且其特征还在于：所述主支腿(2)分成两个子支腿(2A、2B)，每一个形成带有一个另外绕组(6A、6B)的调节支腿，连接到一个可变电容器(8A、8B)上。
9.根据权利要求7和8任一项所述的调节器，并且其特征还在于：所述主绕组(3)的至少一部分由两个彼此串联连接的子绕组(3A、3B)形成，每个子绕组绕属于其的子支腿(2A、2B)缠绕。
10.根据任一项以上权利要求所述的调节器，并且其特征还在于：所述调节器是一个在用于每相独立调节的每相中有一个调节支腿(4；2A；2B)的多相变压器。
11.根据权利要求1至9任一项所述的调节器，并且其特征还在于：所述调节器是一个在每相中有一个调节支腿(4；2A；2B)的多相变压器，其中为了具有接点调节，可以连接调节支腿的所述另外调节绕组(6；6A；6B)。
12.根据权利要求1至9任一项所述的调节器，并且其特征还在于：所述调节器是一个自耦变压器或一个升压变压器。
13.根据以上权利要求任一项所述的调节器，并且其特征还在于：所述层(632、633、634)布置成即使当电缆弯曲时也彼此粘结。
14.一种用于根据以上权利要求任一项所述的感应控制电压调节器，特别是包括一个主绕组(3)的变压器或电抗器装置，的调节器绕组(6；6A；6B)，其特征在于：所述绕组(3、6、6A、6B)的至少一个、或其任一个的一部分包括一根电缆(61)，电缆(61)带有至少一个载流导体(631)、一个绕所述导体(631)提供的具有半导体性能的第一层(632)、一个绕所述第一层(632)提供的固体绝缘层(633)、及一个绕所述绝缘层(633)提供的具有半导体性能的第二层(634)。
15.根据权利要求14所述的绕组，其特征在于：所述第一层(632)的电位基本等于导体(631)的电位。
16.根据权利要求14或15所述的绕组，其特征在于：所述第二层(634)布置成基本构成一个围绕所述导体(631)的等电位表面。
17.根据权利要求16所述的绕组，其特征在于：所述第二层(634)连接到一个特定电位上。
18.根据权利要求17所述的绕组，其特征在于：所述特定电位是地电位。
19.根据权利要求14至18任一项所述的绕组，其特征在于：所述层(632-634)的至少两个具有基本上相等的热膨胀系数。
20.根据权利要求14至19任一项所述的绕组，其特征还在于：所述三层(632-634)的每一层基本上沿其整个连接表面牢固地连接到相邻层上。
21.根据权利要求14至20任一项所述的绕组，其特征还在于：所述层(632、633、634)由相同的塑性材料制成，第一和第二层(632、634)的塑性材料带有添加的导电材料。
22.一种用于在电线中的电压控制和/或用于电厂设备中的无功功率控制的方法，该电厂设备包括至少一个变压器或电抗器，该变压器或电抗器使其绕组的至少一个、或其任一个的一部分，是根据以上权利要求任一项所述的高压电缆型的，其中电压控制由感应调节实现。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于：通过供给到绕所述变压器或所述电抗器的一个调节支腿缠绕的绕组的调节电压的变化，得到所述感应调节。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于：通过控制一个具有可控制电容的电容器，得到所述调节电压的变化。
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