CN1279815A - 电力变压器/电抗器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括至少一个绕组(22₁,22₂)的电力变压器/电抗器(100),所述绕组包括至少一个电导体,围绕所述电导体的第一半导体层(14),围绕第一半导体层(14)设置的绝缘层(16),和围绕绝缘层(16)设置的第二半导体层(18),并且,绕组(22₁,22₂)被封闭在充有液体的箱体(102;122)内,所述液体用于冷却。

Description

电力变压器／电抗器

按照第一方面，本发明涉及一种电力变压器／电抗器。

在电能的传输和分配期间，离不开变压器，其任务是在两个或多个电力系统之间进行电能的变换，所述的电力系统一般具有不同的电压等级。具有工作范围从几伏安到1000MVA的变压器。关于电压范围，可以高达目前使用的最高的传输电压。为了在电力系统之间传输电能，使用了电磁感应。

在传输电能时，也使用电抗器作为重要部件，例如用于相位补偿和滤波。

作为本发明的对象的变压器／电抗器属于所谓的电力变压器／电抗器，其额定容量从100KVA到1000MVA以上，额定电压从3-4kV到甚高传输电压。

一般地说，电力变压器的主要任务是在两个或多个电力系统之间进行电能的交换，所述电力系统大部分具有相同频率的不同的电压。

常规的电力变压器／电抗器包括一变压器铁心，下文称作铁心，最好由定向的层叠钢片制成，所述钢片一般由硅铁制成。铁心包括由磁轭相连的几个铁心柱。围绕铁心柱设置有几个绕组，一般被称为一次绕组、二次绕组和控制绕组。关于电力变压器，这些绕组实际上总是同心设置的，并沿着铁心柱的长度分布。

有时可以使用其它类型的铁心结构，例如被包括在所谓的壳式变压器中的或者被包括在环形铁心变压器中的铁心结构。这些铁心结构的例子例如在DE 40414中描述了。铁心可以由常规的可磁化材料制成，例如上述的定向钢片，或者由其它可磁化的材料制成，例如铁氧体、无定形材料、金属丝或金属带。当用于电抗器时，如同熟知的，可以不包括所述可磁化铁心。

上述的绕组由一个或几个串联线圈构成，并包括串联连接的许多匝。每个线圈的各匝一般被连接成一个几何上连续的单元，在物理上和其余线圈分开。

一方面，在线圈／绕组内的绝缘系统，在另一方面，在线圈／绕组和其它金属零件之间的绝缘系统，一般由固体纤维素或在各个导电元件外部的并最靠近其的固态纤维素或基于漆的绝缘材料构成，它们作为固态纤维素绝缘和液态的绝缘可能还有气态的绝缘。用这种方式，具有绝缘的绕组以及可能具有的支柱部件是大的处于高的电场强度下的体积，所述高的电场强度存在于变压器的有源电磁部件内或者有源电磁部件周围。为了能够预先确定出现的介电负荷并获得具有最小的电击穿危险的尺寸，需要具有关于绝缘材料的性能的渊博知识。创造一种不改变或者不影响绝缘性能的周围环境也是重要的。

目前对于高压的常规电力变压器／电抗器的最普通的外部绝缘系统包括一构成固态绝缘的纤维素材料和构成液态绝缘的变压器油。变压器油基于所谓的矿物油。

除去相当复杂的结构之外，常规的绝缘系统还需要专门的制造方法，以便取得绝缘系统的好的绝缘性能。该系统应当具有低的湿气含量，在绝缘系统中的固体应当很好地被周围液体浸渍，并且在所述固体中含有气穴的危险必须最小。因此，在制造期间，在把制成的具有绕组的铁心置于箱体内之前必须对制成的铁心进行专门的干燥处理。在置于箱体并被密封之后，在箱体被冲油之前通过专门的真空处理抽空箱体内的全部空气。这种处理构成总的制造时间的基本部分，同时，需要大量的工程资源。

因为所述的处理需要完全抽出气体以便获得几乎绝对真空，所以包围变压器的壳体或箱体必须被设计成总体真空的结构，这带来材料和制造时间的额外消耗。

此外，现场安装也要求反复的真空处理，每当变压器被打开进行某些测量或检查时，都必须重复这种处理。

已经证明，通过生产用于开头所述的由高压绝缘的导体制成的电力变压器／电抗器的绕组，所述导体具有类似于用于电力传输的电缆的那种固态绝缘，就能够获得许多优点。

用于本发明的绝缘导体或电缆是柔性的，其在WO 97／45919和WO97／45847中被详细说明了。这种绝缘导体或有关的电缆的附加说明可以参见WO 97／45918，WO 97／45930和WO 97／45931。

因而，在按照本发明的结构中，绕组最好是相应于具有固态挤压绝缘的电缆，即目前用于配电的那种电缆的类型的，例如XLPE电缆或具有EPR绝缘的电缆。这种电缆包括由一股或几股导体构成的内部导体，包围所述导体的内半导体层，包围内部半导体层的固态绝缘层，以及包围所述绝缘层的外部半导体层。这种电缆是柔性的，在这种应用中，这是一个重要的性能，因为用于按照本发明的结构的技术主要基于绕组系统，其中绕组由在装配期间被弯曲的电缆构成。XLPE电缆的柔性一般相应于30mm直径的电缆具有大约20cm的曲率半径，以及80mm的电缆具有大约65cm的曲率半径。在本申请中，术语“柔性”用来表示绕组可以被弯曲得下至曲率半径的数量级是电缆直径的4倍，最好是电缆直径的8到12倍。

绕组应当被这样构成，使得即使在其被弯曲以及在操作期间经受热应力和机械应力时仍然保持其性能。在这个意义上，重要的是，各层保持其相互之间的粘附。其中层的材料性能是决定性的，尤其是它们的弹性和相对热膨胀系数。例如在XLPE电缆中，绝缘层由交联的低密度聚乙烯构成，半导体层由其中混合有碳黑和金属颗粒的聚乙烯制成。由于温度波动而引起的体积变化完全被电缆半径的改变所吸收，因为相对于这些材料的弹性，层的热膨胀系数之间相当小的差别，可能发生半径的增大，但是不破坏层之间的粘附。

上述的材料的组合应当认为只是例子而已。满足规定条件以及半导体条件，即电阻率范围为10^-1-10⁶Ω．cm，例如1-500Ω．cm或10-200Ω．cm，的其它组合自然也落在本发明的范围内。

绝缘层可以例如由固态热塑材料制成，例如低密度聚乙烯(LDPE)，高密度聚乙烯(HDPE)，聚丙烯(PP)，聚丁烯(PB)，聚甲基戊烯(“TPX”)，交联材料例如交联聚乙烯(XLPE)，或橡胶例如乙丙橡胶(EPR)或硅橡胶。

内外半导体层可以由相同的基本材料制成，但是其中混合有导电颗粒，例如碳黑或金属粉末。

这些材料的机械性能，尤其是热膨胀系数，受其中是否混入碳黑或金属粉末的影响相当小，至少在为达到按照本发明所需的导电率时搀入必需的碳黑或金属粉末之比例情况下影响相当小。这样，绝缘层和半导体层就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)，丁基嫁接的聚乙烯，乙烯丁基丙烯酸盐共聚物(EBA)和乙烯乙烷基丙烯酸盐共聚物(EEA)也可以作为构成半导体层的合适的聚合物。

即使应用不同类型的材料作为各层的基底材料时，需要使其热膨胀系数基本相同。上述所列的材料的组合便能满足这种要求。

上面所列材料具有相当好的弹性，具有E＜500MPa的弹性模量，最好＜200MPa。所述弹性对于沿弹性的径向吸收层中材料的热膨胀系数之任何微小的差别是足够的，因而不会发生断裂或任何其它的破坏，使得各层不会相互分离。在各层中的材料是有弹性的，并且各层之间的黏附力至少和最弱的材料中的黏附力的大小相同。

两个半导体层的导电率足以基本上均衡沿着每层的电位。外半导体层的导电性足够高以严密地封闭电缆内部的电场，但是不会由于沿着层的纵向感应的电流而产生大的损耗。

因而，两个半导体层的每一层基本上形成一个等位面，并且这些层基本上封闭它们之间的电场。

当然，没有理由阻止在绝缘层内设置一个或几个附加的半导体层。

在常规的油绝缘的变压器中，由铁心损耗和绕组产生的热量借助于油散发。因此，油必须通过绕组组件以合适的路径循环，并且然后被冷却。油可以通过绕组被强制循环，但是许多制造者使用自循环。在自冷的变压器中，油流入变压器箱体的底部，接着在通过绕组期间被加热。热的油通过箱体的上部离开并在散热器或冷却剂中被冷却。

通过美国专利文件1481585还已经得知把绕组浇铸在混凝土中。在这种情况下，绕组由所谓的高压电缆制成，绕组的铁心由油浸纸或涂有漆或清漆的纺织材料绝缘，并且其中电缆用铅包覆。然而，按照这个1919年申请的专利，具有所述类型的绝缘的和相当刚性的金属屏蔽的电缆实际上不能适应在变压器绕组中所需的曲率半径和弯曲力。绝缘被破坏、随后发生电击穿的危险是大的。热变化(热膨胀)和其它机械力容易在绝缘中产生空隙，这些空隙成为电击穿的起点，或者被立即击穿，或者在气体容积中通过局部放电的影响之后被击穿。此外，在那时，术语“高压”指的是几十kV，额定容量为几个MVA的电压，因而，所述的电缆根本不能用于现在所称的“高压”相关的电压及运作水平。

利用其它的绕组结构，绕组在很大程度上被水平流动的油冷却，油的流动需要借助于挡板被控制。对于较小的变压器，油的冷却是简单的。变压器的箱体壁可以配备往返的冷却肋，这样将提供足够的冷却表面，使油向下流过箱体壁。随着变压器容量的增加，每个单元表面的损耗也增加，必须进行更有效的冷却。对于容量范围直到几十MAV的变压器，通常使用使油自循环的散热器。大的变压器通常配备有带循环泵和风扇的小型冷却器，也可以利用水冷代替风冷。

本发明的目的在于解决上述问题。本发明的这个目的是利用权利要求1所述的电力变压器／电抗器实现的，按照本发明的电力变压器／电抗器包括至少一个绕组，其一般被设置在各种几何构型的可磁化的铁心周围。为了使下面的说明简明，下面使用“绕组”这个表述。绕组包括至少一个电导体，一围绕所述电导体的第一半导体层，一围绕第一半导体层设置的绝缘层，和一围绕绝缘层设置的第二半导体层。此外，绕组还被封闭在充有液体的箱体内，所述液体用于冷却。

当绕组利用上述方式构成时，电场将被封闭，这带来的主要优点是，在绕组外部的线圈之端部区域内的电场将接近于0，因而绕组外部的电场不需要被控制。换句话说，电场已经利用这种方式被控制。这意味着在铁心内部以及在线圈端部或者在它们之间的过渡区域，都没有电场的集中。而且变压器／电抗器的冷却被实现了。

因此，如果第一半导体层的电位基本上等于导体的电位，则将具有一个另外的优点。

在至此的连接中，如果提供第二半导体层用于基本上形成一个围绕导体的等位面，将具有另一个优点。

因此，如果电力变压器／电抗器之绕组的至少两个相邻层具有基本上相等的热膨胀系数，将获得另一个优点。这样，当这些层经受温度变化时，在绕组中不会发生断裂。

在这方面，如果导体导体包括许多线股，并且至少一些线股互相电接触，则是有利的。

在这方面，如果所述的3层之每一层基本上沿着整个接触表面直接和相邻的层相连，则更加有利。

在这方面，如果绕组由电缆制成，最好由高压电缆制成，则更加有利。

在这方面，如果高压电缆被定为导电面积在80-3000mm²之间，并且电缆的外经在20-250mm之间，则更加有利。

在这方面，如果高压电缆包括金属屏蔽或外壳将是有利的。

在这方面，如果绝缘的导体或高压电缆是柔性的，则具有另一个优点。

在这方面，如果这些层被设置得即使在绝缘的导体或高压电缆被弯曲时也相互粘结，将是有利的。

使用这种电缆意味着经受高的电负荷的电力变压器／电抗器的区域被局限于电缆的固态绝缘内。变压器／电抗器的其余部分只经受高压范围内的非常适当的电场强度。此外，使用这种电缆意味着在说明本发明的技术背景时所述的几个问题得以消除。本绝缘是非常简单的。和常规的电力变压器／电抗器相比，制造时间被大大缩短。绕组可以单独制造，因而，电力变压器／电抗器可以最后在运行地点组装。

不过，使用这种电缆带来必须回答的新的问题。在电缆中或在电缆的两端附近，外部半导体层必须直接接地，使得在正常运行电压期间以及在瞬变电压期间产生的电负荷之主要部分只由电缆的固态绝缘负担。所述的层和这些直接接地形成一闭合电路其中在操作期间被感应一电流。为了使在层中的电阻损失可以被忽略，层的电阻率必须足够高。

除去这种磁感应电流之外，由于在电缆的两端直接接地，一电容电流将通过所述的层。如果层的电阻率被这样选择，使得其足够高，该电容电流将成为被如此限定，使得在交流电压的一个周期期间，层的部分的电位可偏离地电位如此之多，使得除去绕组的固态绝缘之外，电力变压器／电抗器的其它区域承受一电负荷。通过使半导体层的几个点直接接地，最好每匝绕组有一个点，将确保整个外层处于地电位上，如果层的导电率足够高，则能消除所述问题。

所述外层每匝的一个点接地可以这样实现：使接地点位于绕组的一个母线上，沿着绕组的轴向长度电气地连接接地点，并把接地点直接和一导电的接地轨电气相连，然后把接地轨和公共地电位相连。

为了把外层中的损耗保持尽可能低，层的电阻率需要如此之高，使得可能要求每匝具有多个接地点。绕组的每匝外层上的接地点之数量可以选择，不过，每匝的接地点的数量是相等的。以和上述一个接地点接地的相同的方式，这些接地点可以位于绕组的一个母线上，沿着绕组的轴向长度电气地连接这些接地点，并把接地点直接和导电的接地轨电气相连，然后把接地轨和公共地电位相连。不过，可以以这样的方式选择接地点，使得在对接地轨的连接中没有任何磁感应电流。为了确保实现上述要求，接地点和接地轨之间的连线应当按照优选实施例通过铁心或磁轭。

在极端的情况下，绕组可能经受瞬变过电压，该过电压是如此之快，使得外部半导体层的部分达到这样一个电位，以致除去电缆绝缘之外，电力变压器／电抗器的其它区域也经受不希望的电负荷。为了阻止这种情况出现，对于绕组的每一匝，在所述层和地之间可以连接几个非线性元件，例如火花间隙、气体二极管、齐纳二极管或压敏电阻。通过在外部半导体层和地之间连接一电容器，也能阻止出现任何不希望的电负荷。电容器在50Hz下也减少电压负荷。这些接地原理在下面被称为“间接接地”。

被单独接地的接地轨可以通过以下方式和地相连：

1非线性元件，例如火花间隙或气体二极管；

2和电容器并联的线性元件；

3电容器；

或者这些方案的组合。

如果所述液体是不导电液体，则获得一种按照本发明的电力变压器／电抗器之有利的实施例。

在这方面，如果不导电的液体是绝缘油，则是有利的。

如果所述液体的相对介电常数e相当低，最好e小于等于10，则获得一种按照本发明的电力变压器／电抗器之有利的实施例。

如果所述液体的相对介电常数e相当高，最好e大于10，则获得一种按照本发明的电力变压器／电抗器之另一个有利的实施例。

在这方面，如果第二半导体层通过每个绕组的两端或两端附近接地，并且两端之间的其它点被直接接地将是有利的。

如果所述液体是低导电率液体，则获得一种按照本发明的电力变压器／电抗器之有利的实施例。

在这方面如果低导电率液体具有在1和100000Wm之间的特定电阻率r，则是有利的。

因此，如果低导电率液体具有在10和10000Wm之间的特定电阻率r，则获得另一个优点。

因此，如果低导电率液体由水构成，则是有利的。

如果所述的层由耐水系材料(water tree resistant material)制成，则获得一种按照本发明的电力变压器／电抗器之有利的实施例。水树(water tree)是在暴露于湿气的某类聚合物材料中的一种老化现象，其可以引起绝缘的电击穿。

按照本发明，如果围绕第二半导体层设置不透水层，则获得另一种按照本发明的电力变压器／电抗器之有利的实施例。

按照本发明，如果低导电率液体由有机极性液体构成，则获得另一种按照本发明的电力变压器／电抗器之有利的实施例。

因此，如果有机极性液体由乙烯乙二醇，丙烯乙二醇，乙烯碳酸盐，或丙烯碳酸盐组成，则是有利的。

因此，如果有机极性液体添加有用于调节液体的导电能力的添加剂，则更加有利。

因此，如果所述添加剂由四元铵盐组成，则是有利的。

按照本发明，如果所述液体的相对介电常数e相当低，最好e小于或等于10，则可以获得一个有利的实施例。

按照本发明，如果所述液体的相对介电常数e相当高，最好e大于10，则可以获得电力变压器／电抗器之另一个有利的实施例。

因此，如果箱体呈具有环形横截面的圆柱形，则是有利的。

因此，如果所述箱体具有和液体接触的n(n≥2)的导电部件，则具有另一个优点，所述导电部件被电绝缘材料隔开，并把其中的每一个直接接地，在第二半导体层和所述导电部件之间实现所述电连接。

按照本发明，如果箱体由被n个绝缘的中间扇部分隔开的导电扇形部分构成，则可以获得电力变压器／电抗器之一个有利的实施例。

按照本发明，如果箱体由电绝缘材料制成，所述n个导电部件由导电材料制成的n个电极构成，并被设置在箱体的内部和所述液体接触，则可以获得电力变压器／电抗器之另一个有利的实施例。

按照本发明，如果通过至少一个绕组的至少一匝使n个点(n≥2)直接接地，则可以获得电力变压器／电抗器之另一个有利的实施例。

因此，如果n个直接接地点以这样的方式接地，使得n个接地点之间的电连接，把磁通划分为n份，以便减少由接地产生的损耗，则是有利的。

因此，如果绕组包围一个横截面积A，而且，如果每个绕组匝的圆周具有长度l，其中在n个接地点之间的电连接把所述横截面积A划分为n个子面积A₁，A₂……A_n，使得 $A=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i$ 并且把所述长度l划分为n段l₁，l₂，……l_n，使得 $l=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{l}_i$

并且在n个接地点之间的电连接以这样的方式构成，使得每段l₁的端部以这样的方式电连接，使得只有子面积A_i被所述电连接和所述的段l_i构成的环所包围，并且满足条件 $\frac{{\mathrm{\φ}}_i}{\mathrm{\φ}}=\frac{l_i}{l}$

其中f_i是通过子面积A_i的磁通，则具有另一个优点。

因此，当在铁心的整个横截面上磁通密度B为恒定时，如果在n个接地点之间的电连接以这样的方式设置，使得满足条件： $\frac{A_i}{A}=\frac{l_i}{l}$

则是有利的。

因此，如果第二半导体层在每个绕组的两端之间的至少一个点被间接接地，则具有另外一个优点。

按照本发明，如果间接接地借助于连接在第二半导体层和地之间的一个电容器实现，则获得电力变压器／电抗器之一个有利的实施例。

按照本发明，如果间接接地借助于一具有非线性电压电流特性的并被连接在第二半导体层和地之间的元件实现，则获得电力变压器／电抗器之另一个有利的实施例。

按照本发明，如果间接接地借助于一被连接在第二半导体层和地之间的，并且包括一具有非线性电压电流特性的并和一个电容器并联之元件的电路实现，则获得电力变压器／电抗器之另一个有利的实施例。

因此，如果间接接地借助于一上述方案的组合来实现，则是有利的。

因此，如果该具有非线性电压电流特性的元件由火花间隙、充气二极管、齐纳二极管或压敏电阻构成，则具有另一个优点。

按照本发明，如果所述电力变压器／电抗器包括一由其导磁率比空气之导磁率高的材料制成的铁心，将获得所述电力变压器／电抗器之一个有利的实施例。

按照本发明，如果所述电力变压器／电抗器没有一由其导磁率比空气的导磁率高的材料制成的铁心，将获得所述电力变压器／电抗器之一个有利的实施例。

其中，如果绕组是柔性的，并且如果所述层相互粘结，则是有利的。

因此，如果所述层由这样的材料构成，则具有另一个优点，所述材料具有这样的弹性，并且在热膨胀系数之间具有这样的关系，使得在运行期间，由温度变化引起的层之体积的变化可以被材料的弹性吸收，以便使这些层保持其间的相互接触，而不管在运行其间发生的温度变化。

因此，如果所述层中的材料具有高的弹性，则是有利的。

下面通过参照附图说明本发明的优选实施例更加详细地解释本发明。

图1表示一高压电缆的截面图；

图2示意地表示按照本发明之电力变压器／电抗器的第一实施例；

图3示意地表示按照本发明之电力变压器／电抗器的第二实施例；

图4示意地表示按照本发明之电力变压器／电抗器的第三实施例；

图5是每匝具有3个接地点的绕组的透视图，所述绕组被包括在按照本发明的电力变压器／电抗器中；

图6是每匝具有1个直接接地点和两个间接接地点的绕组的透视图，所述绕组被包括在按照本发明的电力变压器／电抗器中；以及

图7a和7b分别表示用于实现间接接地的不同的元件。

图1是高压电缆10的截面图。所述电缆在传统上用于输送电功率。所示的高压电缆10例如可以是没有外壳和屏蔽的标准的145kVXLPE电缆。高压电缆10包括一电导体，电导体可以包括一个或几个线股12，它们具有圆形截面，并由铜(Cu)制成。这些线股12被设置在高压电缆10的中部。在线股12的周围，设置有一第一半导体层14。在第一半导体层14的周围，设置一绝缘层16，例如XLPE绝缘。在绝缘层16的周围，设置一第二半导体层18，所述3层被这样设置，使得即使电缆被弯曲时，它们也相互粘结在一起。所示的电缆是柔性的，并且在电缆的整个寿命期间都保持这个特性。

图2是按照本发明的电力变压器／电抗器的第一实施例的示意图。电力变压器／电抗器100包括至少一个绕组(未示出，参看图4和图5)，所述绕组例如由图1所示的高压电缆10制备。所述绕组被封闭在充有液体的箱体102内。在图2所示的实施例中，箱体102由4个导电部件104₁，104₂，104₃，104₄构成。在这种情况下，导电部件由导电扇形部分104₁，104₂，104₃，104₄构成，它们和箱体102内的液体接触。导电扇形部分104₁，104₂，104₃，104₄由电绝缘材料分开，在这种情况下，电绝缘材料呈4个绝缘的中间扇形部分106₁，106₂，106₃，106₄的形状。导电扇形部分和电绝缘扇形部分的数量不一定是4个。在一般情况下，具有n(n＞2)个导电扇形部分104₁，104₂……104_n，和n个电绝缘扇形部分106₁，106₂……106_n。在图2所示的实施例中，所述液体是低导电率的液体。这使得在绕组和所述导电扇形部分104₁，104₂，104₃，104₄之间形成电连接。如果绕组用图1所示的高压电缆10制备，则实现第二半导体层18(图1)和导电扇形部分104₁，104₂，104₃，104₄之间的连接。所述液体还用于对绕组进行冷却。在本实施例中，导电扇形部分104₁，104₂，104₃，104₄借助于电连接108₁，108₂，108₃，108₄直接和地110相连。电连接(引线)108₁，108₂，108₃，108₄以这样的方式通过铁心112(图中仅仅是示意的表示)，使得它们把铁心112(因而也是磁通f)的截面区域A划分为4个子区域A₁-A₄。通过以上述的方式接地，在第二半导体层18(图1)中的损耗被保持为最低。如果液体也具有被如此调节的导电能力，使得在液体中的感应电流不会产生太多的损耗，与此同时，所述导电能力对于实现高压电缆的第二半导体层的接地又是足够的，则关于冷却和接地的问题被同时解决了。合适的低导电率液体具有特定的电阻率r，其范围在1和100000Wm之间，最好在10和10000Wm之间。为了进一步说明直接接地的原理，可以参看图5以及对图5的说明。

图3示意地示出了按照本发明的电力变压器／电抗器的第二实施例。电力变压器／电抗器120包括至少一个绕组(未示出，参看图5和图6)，所述绕组例如由图1所示的高压电缆10制备。所述绕组被封闭在充有液体的箱体122内。在图3所示的实施例中，箱体122由绝缘材料制成。箱体122也具有4个导电部件124₁，124₂，124₃，124₄，它们分别由用导电材料制成的并被设置在箱体122内部的和液体接触的4个电极124₁，124₂，124₃，124₄构成。在一般情况下，具有n(n＞2)个电极124₁，124₂……124_n。在图3所示的实施例中，所述液体是低导电率的液体，例如在图2所示的情况下的液体。在本实施例中，电极124₁，124₂，124₃，124₄借助于电连接108₁，108₂，108₃，108₄直接和地110相连。以和按照图2所示的实施例类似的方式，电连接(引线)108₁，108₂，108₃，108₄以这样的方式通过铁心112(图中仅仅是示意的表示)，使得它们把铁心112的截面区域A(因而也是磁通)划分为4个子区域A₁-A₄。至于其余部分，本实施例的工作方式和图2所示的实施例相同。

图2和图3所示的箱体102、122具有一为环形截面的圆柱形形状。箱体102、122还具有一帽和一底，如图2和图3所示。在所示的箱体102、122中，电力变压器／电抗器100、120的铁心／铁心柱被设置在提供在箱体102、122中的圆柱形孔114中。

箱体102、122也可以被制成没有一单独底的一件或两件结构。

图4示意地示出了按照本发明的电力变压器／电抗器的第三实施例。电力变压器／电抗器130包括至少一个绕组(未示出，参看图5和图6)，所述绕组例如由图1所示的高压电缆10制备。所述绕组被封闭在充有液体的箱体132内。如图4所示，箱体132具有3个圆柱孔114₁，114₂，114₃，其中设置有铁心柱134₁，134₂，134₃。虽然图4没有示出，箱体132具有n个导电部件，或者呈相应于图2的导电扇形部分的形状，或者呈和图3所示的和液体接触的电极的形状。在图4所示的实施例中，所述液体是低导电率的液体，例如在图2和图3所示的情况下的液体。以和图2、图3相同的方式，以这样的方式实行直接接地，使得电连接把铁心柱134₁，134₂，134₃的横截面区域A(因而也是磁通)划分为n个子区域A₁-A_n。至于其余部分，本实施例的工作方式和图2以及图3所示的实施例相同。

在按照本发明的以及图2-4所示的电力变压器／电抗器100，120，130中，使用低导电率的液体，根据液体的性能，可以获得要求不同类型之接地的两种情况。

如果低导电率液体具有一相当高的相对介电常数e，最好e＞10，则液体以电容方式实行间接接地或脉冲接地。所需的唯一的另一种接地是图2和图3所示的直接接地。在本文所述的情况下，低导电率液体是水。此时如果层14，16，18(图1)具有耐水系材料(water treeresistant material)是合适的。其中，另一种替代的方法是，在绝缘层16和第二半导体层18之间设置不透水层。具有高的介电常数e的低导电率液体也可以包括有机极性液体。有机极性液体的例子有乙烯乙二醇，丙烯乙二醇，乙烯碳酸盐，或丙烯碳酸盐。有机极性液体也可以增补添加剂，用于调整液体的导电能力。所述的添加剂例如有四元铵盐。

在另一方面，如果低导电率液体具有一相当低的相对介电常数e，最好e≤10，则液体不实行足够有效的间接接地或脉冲接地。在这种情况下，图2-4所示的直接接地必须增补一间接接地(图6)。这种e≤10的低导电率液体的例子有具有添加剂例如四元铵盐的矿物油。

如果在箱体中的液体是不导电的或者绝缘的液体，则可以获得按照本发明的电力变压器／电抗器的另外的实施例。根据液体的性能，其中也可以获得需要不同的接地类型的两种情况。

如果不导电的或者绝缘的液体具有相当高的介电常数e，最好e＞0，则液体以电容方式实行间接接地或脉冲接地。因为通过液体对地具有高的电容，所以实行一电容脉冲接地。一般地说，唯一所需的另一种接地是直接接地，不过和图2-4所示的接地不完全相同(图5)。

然而，如果不导电的或者绝缘的液体具有相当低的介电常数e，最好是e≤10，则液体不能实行间接接地或脉冲接地。因而，需要直接接地，不过不完全和图2、3所示的直接接地相同(比较图5)，也不完全和脉冲接地或间接接地相同(图6)。如果液体是不导电的或者绝缘液体，则箱体没有导电部件，因为不能在液体中实现电连接。这种不导电的液体的例子是绝缘油。这种绝缘油的例子有矿物油，例如变压器油，合成的碳氢化合物和硅油。绝缘液体冷却电力变压器／电抗器，但是不能用于间接接地和直接接地。

图5中示出了每匝具有3个接地点的绕组之透视图，所示绕组被包括在按照本发明的电力变压器／电抗器中。在图5中，标号20表示一被包括在电力变压器或电抗器中的铁心柱，在铁心柱20周围，设置有两个绕组22₁，22₂，所述绕组由图1所示的高压电缆10制备。沿径向提供有间隔部件24₁，24₂，24₃，24₄，24₅，24₆，用于固定绕组22₁，22₂。在图5所示的情况下，每匝绕组具有6个间隔部件。在每个绕组22₁，22₂的两端26₁，26₂；28₁，28₂，外部半导体层接地(对照图1)。用黑线表示的间隔部件24₁，24₃，24₅用于实现每匝的3个接地点。这些间隔部件24₁，24₃，24₅因而和高压电缆10的第二半导体层相连。在绕组22₂的圆周并沿其轴向长度，间隔部件24₁直接和第一接地元件30₁相连，间隔部件24₃直接和第二接地元件30₂相连，间隔部件24₅直接和第三接地元件30₃相连。接地元件30₁，30₂，30₃可以是和公共地电位32相连的接地轨30₁，30₂，30₃。3个接地元件30₁，30₂，30₃借助于两个电连接34₁，34₂(引线)相连。电连接34₁被导入一被设置在铁心柱20中的第一槽36₁中，并和接地元件30₂，30₂相连。电连接34₂被导入一被设置在铁心柱20中的第二槽36₂中，并和接地元件30₁，30₃相连。槽36₁，36₂以这样的方式设置，使得它们把铁心柱20的横截面区域A(因而磁通f)划分为3个子区域A₁，A₂，A₃。因而，槽36₁，36₂把铁心柱20划分为3个部分20₁，20₂，20₃。这使得在到接地轨的连接中没有磁感应电流。通过按上述方式接地，在第二半导体层中的损耗被保持为最小。在图6中示出了绕组的透视图，所述绕组的每匝具有一个直接接地点和两个间接接地点，并且被包括在按照本发明的电力变压器／电抗器中。在图6中，标号20表示一被包括在电力变压器或电抗器中的铁心柱，在这种情况下，在铁心柱20周围设置有两个绕组22₁，22₂，所述绕组包括图1所示的高压电缆10。绕组22₁，22₂的每匝借助于6个间隔部件24₁，24₂，24₃，24₄，24₅，24₆固定。在每个绕组22₁，22₂的两端26₁，26₂；28₁，28₂，第二半导体层接地(对照图1)。在这种情况下，用黑线表示的间隔部件24₁，24₃，24₅用于实现每匝的一个直接接地点和两个间接接地点。间隔部件24₁直接和第一接地元件30₁相连，间隔部件24₃直接和第二接地元件30₂相连，间隔部件24₅直接和第三接地元件30₃相连。由图6可见，接地元件30₁直接和地36相连，而接地元件30₂，30₃间接接地。接地元件30₂被间接接地，因为它通过火花间隙34串联接地。接地元件30₃被间接接地，因为它通过一包括和电容器40并联之火花间隙38的电路串联接地。火花间隙34和38是非线性元件的例子，它们是具有非线性的电压电流特性的元件。

在图7a、7b中，示出了用于实现间接接地的不同的元件。在图7a中，间接接地借助于电路50实现，其包括一具有非线性电压电流特性的并和电容器54并联的元件52，在这种情况下，具有非线性电压电流特性的元件52由火花间隙52构成。元件52也可以由充气二极管、齐纳二极管或压敏电阻构成。在图7b中，间接接地由齐纳二极管56实现。

实际上，上述的直接接地和间接接地的原理根据被使用的液体的性能以不同的方式实现。可以得到4种不同的情况：

·绕组被浸在具有低的相对介电常数e的不导电液体中。按照图5进行直接接地，并按照图6进行间接接地。

·绕组被浸在具有高的相对介电常数e的不导电液体中。按照图5进行直接接地，同时通过由于液体的大的对地电容而实现间接接地。

·绕组被浸在具有高的相对介电常数e的低导电率的液体中。首先，使用一按照图2-4的具有导电部件的箱体。由于液体的大的对地电容而实现间接接地。按照图5的原理局部实现直接接地。不同之处在于，当液体只具有好的导电性时，不需要特定的接地元件50(对照图5)。在电缆的第二／外部半导体层和低导电率的液体之间沿着整个电缆实现均匀的接地。此时电流将流向导电元件102／124，在那里电流被“捕获”并被引导到地。在另一方面，导电元件以图2-5所示的方式和地相连。

·绕组被浸在具有低的相对介电常数e的低导电率的液体中。在这种情况下，同样使用按照图2-4的具有导电部件的箱体。按照图5的原理局部实现直接接地，并且按照图6局部实现间接接地。不同之处在于，当液体是低导电率的液体时，不需要特定的接地元件30(对照图5和图6)。在电缆的第二／外部半导体层和低导电率的液体之间沿着整个电缆实现均匀的接地。此时电流将流向导电元件102／124，在那里电流被“捕获”并被引导到地。在另一方面，导电元件以图2-6所示的方式和地相连，以便实现间接接地和直接接地。

在另一方面，应当指出，上述的所有的接地方法，通过液体或借助于单独的装置直接接地或间接接地，是被组合或者可以同时存在。

在上面所示的图中，电力变压器／电抗器包括可磁化的铁心。在这种情况下，应当说电力变压器／电抗器可以包括由具有比空气高的导磁率的材料制成的铁心。也可以不提供具有由比空气高的导磁率的制成的铁心。

本发明不限于上述的实施例，在所附权利要求的构思内可以作出各种修改和变型。

Claims (47)

1．一种包括至少一个绕组(22₁，22₂)的电力变压器／电抗器(100；120)，其特征在于，所述绕组(22₁，22₂)包括至少一个电导体，一围绕所述电导体的第一半导体层(14)，一围绕第一半导体层(14)设置的绝缘层(16)，和一围绕绝缘层(16)设置的第二半导体层(18)，并且，绕组(22₁，22₂)被封闭在一充有液体的箱体(102；122)内，所述液体用于冷却。

2．如权利要求1所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，第一半导体层(14)的电位基本上和导体的电位相同。

3．如权利要求1或2所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，设置第二半导体层(18)，用于基本上形成一个围绕导体的等位面。

4．如权利要求1-3任何一个所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，所述电力变压器／电抗器之绕组的至少两个相邻的层具有基本上相等的热膨胀系数。

5．如前面任何一个权利要求所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，所述导体包括许多线股(12)，至少一些线股互相电接触。

6．如权利要求1-5任何一个所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，所述的3层之每一层基本上沿着整个接触表面直接和相邻的层相连。

7．如权利要求1-6任何一个所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，绕组(22₁，22₂)由一电缆，最好是一高压电缆(10)制成。

8．如权利要求7所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，高压电缆(10)被生产得具有在80-3000mm²之间的导电面积，并具有在20-250mm之间的电缆外经。

9．如权利要求7或8所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，高压电缆(10)包括一金属屏蔽层或外壳。

10．如权利要求1-9任何一个所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，被绝缘的导体或高压电缆(10)是柔性的。

11．如权利要求10所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，所述层被设置得即使在被绝缘的导体或高压电缆(10)被弯曲时也相互粘结。

12．如前面任何一个权利要求所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，所述液体是一不导电液体。

13．如权利要求12所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，所述不导电的液体是绝缘油。

14．如权利要求12或13所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，所述液体的相对介电常数e相当低，最好e小于或等于10。

15．如权利要求12或13所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，所述液体的相对介电常数e相当高，最好e大于10。

16．如权利要求14或15所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，第二半导体层(18)在每个绕组(221，222)的两端(261，26₂；28₁，28₂)或邻近接地，并且两端(26₁，26₂；28₁，28₂)之间的另一个点被直接接地。

17．如权利要求1-11任何一个所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，所述液体是一低导电率液体。

18．如权利要求17所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，低导电率液体具有在1和100000Wm之间的电阻率r。

19．如权利要求18所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，所述低导电率液体具有在10和10000Wm之间的电阻率r。

20．如权利要求17-19所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，低导电率液体由水构成。

21．如权利要求20所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，所述的层由耐水系材料(water tree resistantmaterial)制成。

22．如权利要求20所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，围绕第二半导体层(18)设置一不透水层。

23．如权利要求17-19任何一个所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，低导电率液体由一有机极性液体构成。

24．如权利要求23所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，有机极性液体由乙烯乙二醇，丙烯乙二醇，乙烯碳酸盐，或丙烯碳酸盐组成。

25．如权利要求24所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，有机极性液体被添加一用于调节液体的导电能力的添加剂。

26．如权利要求25所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，所述添加剂由四元铵盐组成。

27．如权利要求17-19任何一个所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，所述液体的相对介电常数e相当低，最好e小于或等于10。

28．如权利要求17-26任何一个所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，所述液体的相对介电常数e相当高，最好e大于10。

29．如权利要求27或28所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，所述箱体(102；122)呈一具有环形横截面的圆柱形。

30．如权利要求29所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，所述箱体(102；122)具有和液体接触的n(n≥2)个导电部件(104₁-104_n；124₁-124_n)，所述导电部件(104₁-104_n；124₁-124_n)被一电绝缘材料隔开，并且其中的每一个被接地，而且在第二导体层(18)和所述半导体部件(104₁-104_n；124₁-124_n)之间实现电连接。

31．如权利要求30所述的电力变压器／电抗器(100，)，其特征在于，所述箱体(102)由被n个绝缘的中间扇形部分(106₁-106_n)隔开的n个导电扇形部分(104₁-104_n)构成。

32．如权利要求30所述的电力变压器／电抗器(120)，其特征在于，所述箱体(122)由电绝缘材料制成，所述n个导电部件由导电材料制成的n个电极(124₁-124_n)构成，并被设置在箱体的内部和所述液体接触。

33．如权利要求16所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，通过至少一个绕组(221，222)的至少一匝使n个点(n≥2)直接接地。

34．如权利要求30-33任何一个所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，n个直接接地点以这样的方式接地，使得n个接地点之间的电连接把磁通划分为n份，以便减少由接地产生的损耗。

35．如权利要求34所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其中绕组包围的横截面积为A，每个绕组匝的圆周具有长度l，其中在n个接地点之间的电连接(34₁，34₂，……，34_n-1)把所述横截面积A划分为n个子面积A₁，A₂……A_n，使得 $A=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i$ 并且把所述长度l划分为n段l₁，l₂，……l_n，使得 $l=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{l}_i$

其特征在于，在n个接地点之间的电连接以这样的方式构成，使得每段l₁的端部以这样的方式电连接，使得只有子面积A_i被所述电连接(no．i)和所述的段l_i构成的环包围，并且满足条件 $\frac{{\mathrm{\φ}}_i}{\mathrm{\φ}}=\frac{l_i}{l}$

其中f_i是通过子面积A_i的磁通。

36．如权利要求35所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其中在铁心的整个横截面上的磁通密度B为恒定，其特征在于，在n个接地点之间的电连接以这样的方式设置，使得满足条件 $\frac{A_i}{A}=\frac{l_i}{l}.$

37．如权利要求34-36任何一个所述的电力变压器／电抗器(100，120)，条件：从属于权利要求14或27，其特征在于，第二半导体层(18)在每个绕组(221，222)的两端(261，262；281，282)之间的至少一个点被间接接地。

38．如权利要求37所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，间接接地借助于连接在第二半导体层(18)和地之间的一个电容器实现。

39．如权利要求37所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，间接接地借助于一具有非线性电压电流特性的并被连接在第二半导体层(18)和地之间的元件(34)实现。

40．如权利要求37所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，间接接地借助于一被连接在第二半导体层(18)和地之间的，并且包括一具有非线性电压电流特性的并和一个电容器(40)并联的元件(38)的电路(38，40)实现。

41．如权利要求40所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，间接接地借助于一按照权利要求38-40所述方案的组合来实现。

42．如权利要求39-41任何一个所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，所述具有非线性电压电流特性的元件可由火花间隙(34，38，52)、充气二极管、齐纳二极管(56)或压敏电阻构成。

43．如权利要求1-42任何一个所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，所述电力变压器／电抗器包括一由其导磁率比空气的导磁率高的材料制成的铁心。

44．如权利要求1-43任何一个所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，所述电力变压器／电抗器没有由其导磁率比空气的导磁率高的材料制成的铁心。

45．如权利要求1所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，绕组(22₁，22₂)是柔性的，并且所述层相互支承。

46．如权利要求45所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，所述层由这样的材料构成，所述材料具有这样的弹性，并且在其热膨胀系数之间具有这样的关系，使得在运行期间，由温度变化引起的层的体积的变化可以被材料的弹性吸收，以便使这些层保持其间的相互接触，即使在运行其间发生温度变化。

47．如权利要求46所述的电力变压器／电抗器(100，120)，其特征在于，所述层中的材料具有高的弹性。

Images