CN1279811A - 变压器 - Google Patents
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Abstract
一种电力变压器包括至少一个高压绕组(32)和一个低压绕组(30)。每个绕组包括至少一个载流导体,设在上述导体周围的具有半导体特性的第一层,设在上述第一层周围的固体绝缘层,以及设在上述绝缘层周围的具有半导体特性的第二层。绕组是混合式的,以将高压绕组的匝和低压绕组的匝混合。
Description
本发明涉及到包括至少一个高压绕组和一个低压绕组的一种电力变压器。
此处所说的术语“电力变压器”是这样一种变压器，它的额定输出从数百KVA到1000MVA以上，额定电压是从3-4KV到很高的输电电压，例如是400-800KV或是更高。
在例如
A．C．Franklin and D．P．Franklin，″The J&P Transformer Book，
A Practical Technology of the Power Transformer″，Pubished
By Butterworths，11th edition，1990．
中描述了惯用的电力变压器。
在例如H．P．Moser，″Transformerboard，Die Verwendung von
Transformerboard in Grossleistungstransformatoren″，
published by H．Weidman AG，Rapperswil mit
Gesamtherstellung：Birkhauser AG，Basle，Switzerland．
中讨论了关于内部电气绝缘的问题及相关的主题。
在电能的输配电工程中专门用变压器完成在两个以上电力系统之间的电能变换。目前可供使用的变压器功率从1MVA范围到1000MVA范围，电压可以达到现今最高输电电压。
惯用的电力变压器包括一个变压器铁心，一般都是用层叠排列的硅铁片构成的。用许多通过轭铁连接的腿构成这种铁心，同时轭铁共同构成一或多个铁心窗口。具有这种铁心的变压器习惯上被称为铁心变压器。在铁心腿周围设有许多绕组。在电力变压器中，这些绕组几乎都是按照同心的构造来布置，并且沿着铁心腿的长度分布。
然而也有其他类型的铁心构造，例如是所谓的壳式变压器构造，它通常具有矩形的绕组和设在绕组外侧的矩形腿部分。
用于低功率范围的普通气冷电力变压器是公知的。为了给这些变压器提供屏蔽保护而通常设有一个外壳，它还可以降低来自变压器的外部磁场。
然而，大多数油冷的电力变压器还同时用油作为绝缘介质。一种油冷和油绝缘的普通变压器被封装在一个外壳内，外壳必须满足重量的要求。因此，这种变压器的结构及其相关的电路连接器，断路器元件和电刷是很复杂的。使用油来冷却和绝缘也使变压器的维护复杂化，并且会造成环境污染。
一种没有油绝缘和油冷却的所谓“干式”变压器适合高达1000MVA的额定功率，其额定电压从3-4 KV到很高的输电电压，它包括如图1所示用导体构成的绕组。导体包括由许多没有绝缘(但是可选有一定的绝缘)的线股5构成的中心导电装置。在导电装置周围是一个半导体内壳6，它至少与某些没有绝缘的线股5保持接触。在这个半导体壳6外面包围着电缆的主绝缘，它是一个挤压成形的固体绝缘层7。在这一绝缘层7外围是一个半导体外壳8。电缆的导体面积可从80到3000mm2之间变化，电缆的外径可在20到250mm之间改变。
尽管将壳6和8称为“半导体”，它们实际上是用一种基本聚合物与碳黑或是金属颗粒混合而制成的，并且体电阻率处在1到105Ω．cm之间，最好是在10到500Ω．cm之间。适用于壳6和8(以及绝缘层7)的基本聚合物包括乙烯乙酸乙烯酯共聚物／腈橡胶，丁基嫁接的聚乙烯(butyl grafted polythene)，乙烯丁基丙烯酸盐共聚物(ethylene butyl acrylate copolymer)，乙烯乙烷基丙烯酸盐共聚物(ethylene ethyl acrylate copolymer)，乙丙橡胶(ethylenepropene rubber)，低密度的聚乙烯，聚丁烯，聚甲基戊烯，以及乙烯丙烯酸盐共聚物。
半导体内壳6被刚性地连接到绝缘层7上，盖住二者之间的整个接合面。同样，半导体外壳8被刚性地连接到绝缘层7上，盖住二者之间的整个接合面。壳6和8以及层7构成一个固体的绝缘系统，并且通常是共同挤压成形在线股5的外围。
尽管半导体内壳6的电导率比导电线股5的电导率要低，但仍然能够足以使其整个表面上的电位相等。因此，电场在绝缘层7的外围是均匀分布的，从而造成局部电场增强以及局部放电的危险性极小。
半导体外壳8的电位通常处在零或是地电位，或者是某种其他的控制电位，这是利用壳体的导电性来使这一值平衡的。同时，半导体壳8具有足够的电阻率来封闭这一电场。从电阻率来看，应该按照一定的间距将导电聚合物的壳体接地，或者是连接到其他控制的电位。
按照本发明的变压器可以是一相，三相或是多相变压器，并且可以采用各种形式的铁心。图2表示一种三相层叠式铁心的变压器。这种铁心是普通的结构，并且包括三个铁心腿9，10，11和连接轭铁12，13。
绕组被同心地绕制在铁心腿周围。在图2的变压器中有三个同心的绕组匝14，15，16。最内侧的绕组匝14可以用做原边绕组，而其他两个绕组匝15，16是副边绕组。为了在图中表示得更清楚，省略了绕组的具体连接细节。在绕组周围的某些位置上设有间隔棒17，18。棒17，18可以用绝缘材料制成，用来在绕组匝14，15，16之间限定一定的间隔用于冷却，保持等等，或者是用导电材料制成，用来构成绕组14，15，16的接地系统的一部分。
变压器之单个线圈的机械结构必须使它们能够承受由短路电流产生的作用力。因为这种力在电力变压器中往往是很大的。线圈必须为成比例的并且被布置得，为误差提供一大的容限，因此，线圈的设计不能在正常操作中达到优化的性能。
本发明的主要目的是要解决在干式变压器中与短路力有关的上述问题。
这一目的是用权利要求1所限定的变压器实现的。
通过用使半导体外壳之外面实际上没有电场的导体来制造变压器绕组，就可以随意地混合高、低电压绕组，以便使短路的力最小。如果没有半导体壳或是其他包容电场的装置，这种混合是不可能的，因而在普通的油浸电力变压器中是不可能的，因为绕组的绝缘不能承受高、低压绕组之间的电场。
还有可能降低分布的电感，并且在窗口尺寸和铁心质量之间优化地匹配变压器铁心的结构。
按照本发明的一个实施例，低压绕组的至少一些匝被各自分离成并联连接的许多次匝，用于减少高压绕组匝数与低压绕组的总匝数之间的差别，从而使得高压绕组匝和低压绕组匝的混合尽可能均匀。最好是将每个低压绕组匝分离成并联连接的许多次匝，使低压绕组匝的总数等于高压绕组的匝数。然后就能以均匀的方式混合高压绕组匝和低压绕组匝，让低压绕组匝产生的磁场基本上抵消来自高压绕组匝的磁场。
按照另一个有益的实施例，在通过绕组的截面上看出，高压绕组匝和低压绕组匝被对称地布置成棋盘图形方式。这是一种优化的布局，能够有效地相互抵消来自高、低压绕组的磁场，因而也就是一种用来减少线圈短路力的优化布置方式。
按照再一个有益的实施例，至少两个相邻的层具有基本上相等的热膨胀系数。这样就能避免对绕组的热损伤。
本发明的另一方面提供了一种如权利要求18所限定之变压器的绕制方法。
为了具体地解释本发明，以下参照附图用举例的方式来说明本发明的实施例。
图1表示在按照本发明的变压器绕组中使用的一电缆实例；
图2表示一种普通的三相变压器；
图3和4用截面图表示了本发明的变压器之高、低压绕组的不同布置实施例；以及
图5表示绕制变压器的一种方法。
图3是通过按照本发明的一种电力变压器之变压器铁心22内部的绕组部分的截面图。一层低压绕组26被安置在两层高压绕组28之间。本实施例的变压比是1∶2。
低压绕组26中的电流方向与高压绕组28中的电流方向是相反的，因此，由低压和高压绕组中的电流产生的力彼此之间被部分地抵销。这样就能大大减少电流感应力的影响，这一点在短路的情况下特别重要。
包括用来提供气隙的垫片29在内的层叠磁性材料的支柱27位于绕组26，28之间，用来改善变压器的效率。
如果将低压绕组的匝分离成并联连接的许多次匝，并且最好使低压绕组匝的总数等于高压绕组的匝数，还可以进一步抵消短路的力。这样，如果变压比的值是1∶3，就将每个低压绕组匝分离成三个次匝。这样就能按照一种更加均匀的结构型式来混合高、低压绕组。在图4中表示了一种绕组的最佳布置方式，分别将低压和高压绕组匝30和32对称地布置成一种棋盘图形。在这一实施例中，来自低压和高压绕组30，32的每一匝的磁场基本上被相互抵销，并且几乎能够完全消除短路的力。
如果将一个绕组的匝分离成许多次匝，每个次匝的导电面积就能相应地减小，因为次匝中的总电流强度仍然保持等于原有绕组匝中的电流强度。只要是其他条件不变，在分离绕组匝时就不再需要附加导电材料(一般都是铜)了。
图5示意性地表示了本发明的变压器是如何绕制的。第一鼓40支撑着一个高压导体42，第二鼓44支撑着一个低压导体46。导体42，46从鼓40，44上松开并且绕到变压器鼓48上，所有这三个鼓40，44，48同时转动。这样就能容易地完成高、低压导体的混合绕制。在不同绕组层之间可以设置接头。
在本发明的变压器中，绕组中的磁场能量并因此这漂移的磁场被减弱了。故可以在很宽的范围内选择阻抗。
按照本发明的变压器之绕组的电气绝缘系统应该能够对付很高的电压以及这样高的电压所带来的电负载和热负荷。例如，按照本发明的电力变压器的额定功率有可能超过0．5MVA，最好是超过10MVA，理想的情况是应该大于30MVA并且高达1000MVA，额定电压从3-4KV到超过36KV，最好是超过72．5KV直到400-800KV甚至更高的甚高输电电压。在高运作电压下，局部放电或是PD对公知的绝缘系统会构成严重的问题。如果在绝缘中存在孔隙或是空洞，就可能出现内部电晕放电，使绝缘材料逐渐劣化最终导致绝缘击穿。如果采用本发明的变压器，由于确保具有半导体特性的内部第一层绝缘系统与它所包围的中心导电装置的导体基本上是等电位的，并且具有半导体特性的外部第二层绝缘系统处在一个控制电位例如是地电位，故作用在电气绝缘上的电气负载被降低了。这样就能使处在这些内层和外层之间的固体电绝缘层中的电场基本上均匀地分布在中间层的整个厚度上。如果在绝缘系统的这些层中采用具有相似的热特性并且少有缺陷的材料，就能在给定的运作电压下减少PD的可能性。这样就能将变压器绕组设计成能够承受很高的运作电压，例如是高达800KV或以上。
尽管电绝缘的最佳方式是挤压到位，但也可以通过薄膜叠层或是片状材料的紧密绕制而构成电气绝缘系统。半导体层和电绝缘层都可以采用这种方法来形成。可以用一种完全合成的薄膜制成绝缘系统，其中内、外半导体层或部分是由例如PP，PET，LDPE或者HDPE等聚合物薄膜制成的并且其有嵌入的导电颗粒，例如是碳黑或者金属颗粒，并且在半导体层或部分之间有一或者部分绝缘层。
为了满足搭接的需要，薄膜的对接间隙应该小于所谓的帕斯(Paschen)最小值，这样就无需进行液体浸渍。一种干式绕制的多层薄膜绝缘同样具有良好的热特性。
电气绝缘系统的另一个例子类似于普通的纤维质电缆，将薄的纤维质基的纸或是合成的纸或者是无纺材料被搭叠地绕制在导体外围。在这种情况下，处在绝缘层两侧的半导体层可以用纤维质之纸或者是用绝缘材料之纤维制成的无纺材料来制造，并且嵌入导电颗粒。绝缘层可以用同样的基底材料制成，也可以采用其他材料。
另一例绝缘系统是通过层叠或是搭接的薄膜和纤维绝缘材料组合而成的。这种绝缘系统的一个例子就是商用的纸聚丙烯叠层，即所谓的PPLP，但是也可以使用薄膜和纤维部分的多种其他组合。在这些系统中可以使用各种浸渍剂例如是矿物油。
Claims (22)
1．一种电力变压器包括至少一个高压绕组和一个低压绕组，其特征在于每个上述绕组包括一个柔性的导体，它具有能够包含电场但磁场又能透过的装置，并且将绕组加以混合，让高压绕组的匝与低压绕组的匝混合。
2．按照权利要求1的变压器，其特征是上述低压绕组被绕制成一个低压绕组层，它位于两个对应且相邻的高压绕组层之间。
3．按照权利要求1或2的变压器，其特征是按照一种周期性重复的结构型式布置上述的绕组，即一个高压绕组层，接着是一个低压绕组层，然后是两个高压绕组层，再有一个低压绕组层，最后是两个高压绕组层等。
4．按照权利要求1到3之一的变压器，其特征是将低压绕组中的至少一些匝各自分离成并联连接的许多次匝，用于减少高压绕组匝数与低压绕组的总匝数之间的差别。
5．按照权利要求4的变压器，其特征是将每个低压绕组匝分离成并联连接的许多次匝，次匝的数量等于高压绕组的匝数。
6．按照权利要求5的变压器，其特征是，如通过绕组之截面图上看出的，高压绕组的匝和低压绕组的匝被对称地布置成棋盘图形的方式。
7．按照前述权利要求之一的变压器，其特征是上述导体包括中心导电装置，一在上述导电装置周围设置的具有半导体特性的第一层，一在上述第一层外面设置的固体绝缘层，以及由设在上述绝缘层周围的具有半导体特性的第二层构成的电场包容装置。
8．按照权利要求7的变压器，其特征是上述第一层的电位与导体基本上等电位。
9．按照权利要求7或8的变压器，其特征是由上述第二层基本上构成一包围上述导体的等电位面。
10．按照权利要求9的变压器，其特征是上述第二层连接到一个预定的电位上。
11．按照权利要求10的变压器，其特征是上述的预定电位是地电位。
12．按照权利要求7到11之一的变压器，其特征在于至少两个相邻的层具有基本上相等的热膨胀系数。
13．按照权利要求7到12之一的变压器，其特征在于上述中心导电装置包括多个线股，只有少数上述线股是彼此电接触的。
14．按照权利要求7到13之一的变压器，其特征在于上述三层基本上沿着整个连接面各自被固定连接到相邻的层上。
15．按照权利要求7到14之一的变压器，其特征在于导体还包括一个金属屏蔽件和一个壳件。
16．按照权利要求7到15之一的变压器，其特征在于中心导电装置的截面面积为从80到3000mm2。
17．按照前述权利要求之一的变压器，其特征在于导体的外径是20到250mm。
18．按照前述权利要求之一的变压器，其特征在于层叠磁性材料的支柱(27)被安置在绕组之间。
19．按照前述权利要求之一的变压器，其特征在于电场包容装置是为高电压设计的，适用于10KV以上，特别是36KV以上，最好是超过72．5KV直到400-800KV甚至更高的甚高输电电压。
20．按照前述权利要求之一的变压器，其特征在于电场包容装置是为0．5MVA以上的功率范围设计的，最好是大于30MVA并且最高达1000MVA。
21．一种绕制电力变压器的方法，包括：同时绕制高电压和低电压的柔性导体，这些导体具有能够包容电场但磁场又能透过的装置，让高压绕组的匝与低压绕组的匝混合。
22．按照权利要求19的方法，其特征是高压和低压的导体同时从各自的鼓件上松开并且绕到一个变压器鼓上。
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