CN1615530A - 用于树脂套封型配电变压器线圈的一体式冷却导管 - Google Patents

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Abstract

一种套封有树脂的干式变压器线圈，其包括由一定长度的导电材料构成的多个层和多个冷却导管，这些冷却导管由热塑性材料制成并间隔设置在多个导电材料层之间。构成冷却导管的热塑性材料和对多个导电材料层进行封套的树脂可从热学和电学角度共存。

Description

用于树脂套封型配电变压器线圈的一体式冷却导管
发明领域
本发明涉及变压器领域，具体而言，本发明涉及一种套封有树脂的干式变压器线圈，这种变压器线圈上固定安装有冷却导管，而且这些冷却导管能够从热学和电学方面与对线圈进行套封的树脂配合使用。
发明背景
在过去的几十年内，人们一直对变压器线圈的结构和可靠性进行不断地改进。现在，干式套封型变压器线圈或者涂覆有树脂，或者通过真空腔和胶化炉用环氧树脂铸造而成。环氧树脂能够对变压器线圈提供良好的保护；但是，这种材料存在散热问题。为使热量能够从线圈周围散发出去，就需要在线圈内的预定位置上设置冷却导管，以利于冷却，从而提高线圈的操作效率并延长线圈的使用寿命。
形成冷却管子的传统方法就是在卷绕过程中将固体隔板安装在连续的导电材料层之间。固体金属、包覆有织物的金属和涂有油脂的弹性隔板以及垫片均可以用于在线圈层之间形成间隙。在对线圈进行套封处理后，就可以将这些隔板拆卸下来。不论所用隔板为何种类型，该方法都存在效率低下和可能损坏的问题，因为必须利用牵引设备或桥式吊车才能将这些隔板强制拆卸下来。这些隔板在拆卸过程中经常会损坏，这样就需要对其进行修理或更换。
导管隔板，例如铝材，也可能以多种方式造成线圈的损坏。在硬化过程中，由于环氧树脂和铝制隔板的热膨胀量和收缩量存在差别，因此线圈内就会出现应力断裂问题。由于在隔板的拆卸过程中仍然可能在硬化线圈内产生机械断裂，因此，对隔板间最小间距的要求就会减少可以在线圈内设置的冷却导管的数量。这样又会增加导电材料所需的厚度，目的是在操作过程中能够实现充分散热。此外，在隔板的拆卸过程中，环氧树脂片或块经常会从线圈上脱落下来，这样就使这种套封式线圈失去所要起的作用。
发明内容
本发明涉及一种用于套封有树脂的变压器线圈的一体式管状冷却导管，本发明还涉及一种套封有树脂并固定安装有冷却导管的干式变压器线圈，这些冷却导管能够从热力学和电学方面与用来对线圈进行套封的树脂配合使用。
本发明的一个方面在于一种由环氧树脂制成的导管，这种导管适合于作为冷却导管被永久安装在封套有树脂的干式变压器线圈上。这种导管可被加工成一种封套有树脂的玻璃纤维基体，这种基体可通过拉挤和硬化而被加工成一种柔性、耐用的导管。这种硬化导管的热梯度与环氧树脂的热梯度相近似，该环氧树脂将在后面的工序中对变压器线圈进行套封。这样，这些材料就会以基本相同的速度进行膨胀和收缩，从而降低在环氧树脂的硬化周期中必然存在的内应力。一个或多个拉挤导管可被切割成适合于安装在线圈绕组之间的长度。这些导管被切割成略短于线圈的卷绕高度，以便消除在卷绕过程中与操作人员发生干涉的可能性。
在本发明的一个优选实施例中，这种冷却导管被固定安装到套封有树脂的干式变压器线圈中。这种套封的变压器线圈包括：一根线圈，该线圈设置有多个由一种具有连续长度的导电材料加工而成的层；和多个按照上述方式制成的冷却导管，这些冷却导管设置在导电材料的卷绕层之间。用一种树脂对线圈进行套封并包围每个冷却导管。这些冷却导管和套封有树脂的线圈可在热力学和电学方面相匹配。
本发明还包括一种利用一体式树脂冷却导管将变压器线圈封套到铸模树脂中的方法。将一个一次性的内部模具安装到一个环形件上，或支撑于心轴上。接着，将一种由导电材料制成的连续线圈卷绕到该内部模具上，同时将预先切好的冷却导管安装到连续的线圈层之间。在完成卷绕工作时，将线圈从卷绕机的心轴上拆卸下来并竖立在一个硅制底垫(silicon base mat)上，以密封该部件的下端部，从而防止环氧树脂在后续的套封过程中泄漏。充入环氧树脂以对线圈进行封套并包住冷却导管。接着，在一个硬化炉中对该部件进行硬化处理，此后，将内部和外部模具拆下。
本领域的技术人员在接合附图阅读下面对本发明最佳实施例的说明后将会清楚本发明的上述方面及其它方面。应该理解：上面的概括性说明和下面的详细说明仅是示例性和解释性的，并非是对本发明的限制。
附图说明
图1为本发明的树脂冷却导管的透视图；
图2为一种套封有树脂的干式变压器线圈的透视图，其中该变压器线圈固定安装有树脂冷却导管；
图3为图2所示的变压器线圈沿剖面线3-3的剖视图；
图4为一个透视图，图中示出了将一定长度的导电材料卷绕成一个线圈并将多个树脂冷却导管安装在多层导电材料之间的步骤；
图5A为用于临时性安装在本发明的树脂冷却导管端部上的插塞的透视图；
图5B为图5A所示的插塞的端部视图；
图6为一个局部剖开的透视图，图中示出了将外部模具安装在线圈周围并用树脂将内部模具和外部模具之间的空间填满的步骤。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一个方面涉及到一种管子10，该管子可被用作冷却导管并永久性安装在一个套封有树脂的变压器线圈上。该管子道的横截面大体为椭圆形，而且该管子还设置有被倒圆的端部12和基本为直线状的侧面14。尽管对于本发明而言，该管子的几何形状并非是关键性因素，但是已经发现：当该管子的线性尺寸x约为管子宽度d的三倍时，该管子形成能够安装在线绕线圈的交替的层之间的最佳结构形状。而且，还可以利用这些相对尺寸对该管子的结构进行优化，并使封套有树脂的该系统(例如变压器线圈)具有最佳的热传递性能。举例来说，根据本发明构造而成的一个管子其线性尺寸x约为2.7英寸，宽度d约为0.9英寸，壁厚w约为0.1英寸。该管子还被设计成在真空铸模过程中至少能够承受1亳巴的真空作用的结构形式，具体如下所述。
本发明的管子最好由一种合适的热塑性塑料(例如聚酯树脂)通过拉挤法制成。拉挤法是一种用于制造连续的由纤维加强的聚合物型材(例如管体或柱体)的方法，在该方法中，带涂层的纤维通过一个被加热的模具受到拉拔，从而制造出一种具有高强度的形状。用于制造该管子的聚酯树脂的实例为E1586 Polyglas M，该产品可由宾夕法尼亚州的Resolite of Zelienople公司购得。经拉挤成形的管子由玻璃丝进行加固，这些玻璃丝相互对齐形成单向粗纱或多方向的衬垫。用于本发明的管子中的加强结构包括一个外部玻璃纤维加强垫和一个内部玻璃纤维加强垫。该管子一旦被制成后就可以利用本领域公知的传统硬化方法将其硬化超过B级。为了能够成一体地形成干式套封型变压器线圈，就需要一定的材料特性。在本文中所述的管子，当根据ASTM D-638中“用于对塑料的张力特性进行检测的标准方法”对其进行检测时，其极限纵向抗拉强度约为30000psi，横向抗拉强度为6500psi；当按照ASTM D-695中“用于对刚性塑料的挤压特性进行检测的标准方法”对其进行检测时，其极限纵向抗压强度约为30000psi，横向抗压强度约为10000psi；当根据ASTM D-790中“用于对非强化和强化塑料及电绝缘材料的弯曲特性进行检测的标准方法”对其进行检测时，其极限纵向抗弯强度约为30000psi，横向抗弯强度约为10000psi。当根据ASTM D-149中“Standard Test Methodfor Dielectric Breakdown Voltage and Dielectric Strength of SolidElectrical Insulating Material at Commercial Power Frequencies”对该管子进行检测时，其纵向弹性模量约为2.5E6。从电学角度看，根据ASTM D-149，该管子(在油中的)短时电气强度约为200V/mil(垂直方向)和35kV/inch(平行方向)。优选地，该管子的导热率至少为4Btu/(hr*ft2*°F/in)。
该管子的长度l完全决定于其应用条件；即，为能够应用到特定的变压器领域，可将该拉挤管切割成一定的长度。如下所述，管子的总长度应小于变压器绕线线圈的总高度，从而可以将管子完全包起来，同时将管子的端部边缘固定到硬化树脂上。在本发明的一个最佳实施例中，上述的管子被固定安装到一个套封有树脂的干式变压器线圈上。
现参照图2和3，这种套封有树脂的干式变压器线圈20包括：一个线圈22，多个一体式的冷却导管24和一种用于对线圈22进行封套的树脂26。当成形时，变压器线圈20的主体被限定在内表面20a和外表面20b之间，而该内表面和外表面的形状均由模具来限定，具体如下所述。内表面20a沿周向限定了一个开放区域或芯体21，其制造方法具体如下所述。围绕在芯体21周围的线圈22由呈层状交替排列的导体薄板22a和绝缘薄板22b组成。当导体薄板22a和绝缘薄板22b连续卷绕到芯体21上时，将按照上述方式制成的冷却导管24插装并间隔于各个连续的层之间。本发明的冷却导管被永久性安装到套封型变压器线圈内。加入一体式冷却导管24可提高线圈的绝缘强度。如本文所用并在工业中通常定义的那样，“绝缘强度”是指在没有产生破坏的前提下一种材料能够承受的最大电位梯度。一体式冷却导管24不仅具有所需的绝缘特性，而且它们还对卷绕线圈加了一个附加的绝缘屏障。这样就可以提高线圈22的耐用性并延长其使用寿命。由于这样由树脂制成的一体式冷却导管24还可以提高每层线圈22的冷却能力，因此就可以减小为使导体22a获得最佳性能所需的厚度。例如，导体薄板22b的厚度可以在约0.020英寸到0.180英寸的范围内变化，而且一体式导管之间的间距也可以从约0.125英寸至1.0英寸的范围内变化。因此，这种一体式冷却导管结构就不会由于导管杆或隔板的拆卸而导致树脂的破损，而且这种一体式导管24还可以更加紧密地安装在一起，从而可以增加冷却导管24的总数，这样就可以相应地提高冷却能力。当一体式导管的数量增加时，导体22a所需的厚度也就减小了。
经卷绕而成的变压器线圈20被环氧树脂26封套起来，该环氧树脂被灌入于内部和外部模具之间的空间内。封套树脂可从德国伊泽罗姆的Bakelite AG公司购买到，产品号为Rutapox VE-4883。这种热固性树脂可从电学和热学方面与制造冷却导管24所用的树脂相匹配。一旦完成封套和硬化工作，也就形成了具有这种结构的变压器线圈。
本发明还提供一种用于制造被套封在铸模树脂中的变压器线圈的方法。尽管有多种方法可用于制造根据本发明的这种套封有树脂的干式变压器线圈，但是本发明采用了一种设置有一体式卷绕心轴的一次性卷绕和成带模具(disposable wrap and band mold)。在本文中概括性提及的这种方法如授权给Lanoue等人的美国专利6221297所述，其全部内容将被接合到本文中。
如图4所示，一个设置有一传统心轴41的线圈卷绕机40用于制造基本为圆形的线圈20。一旦由薄板金属或其它合适材料制成的内部模具42被安装到心轴41上，从而形成一个芯体时，就可以将线圈卷绕到该芯体上。一般情况下，首先将一种玻璃格栅状的绝缘材料(未示出)卷绕到该内部模具42上，然后卷绕第一匝或第一层线圈22。如图4所示，线圈22由以层状交替排列的铜导体薄板22a和绝缘薄板22b卷绕而成。绝缘薄板的厚度也取决于变压器线圈的具体结构，但在本发明的实施例中，其厚度可在约0.005英寸和0.030英寸的范围内变化。在卷绕过程中，冷却导管24被插装到导体层22a之间，从而在制成的变压器内形成多个冷却导管。应该知道：这种一体式的冷却导管24可被插装在每层导体22a之间或隔层插装等，这也决定于变压器线圈的具体结构。
把可在对线圈22进行树脂套封前随时进行安装的导管插塞25、27插装到冷却导管24的开口端内，以在树脂封套过程中使树脂能够流入导管24内。图5A和5B为插塞25、27的相对位置和几何形状的外部视图。顶部插塞25的尺寸被设计成能够通过摩擦装配在冷却导管24的顶部开口内的结构形式。在本文中，冷却导管的“顶部”位于伸出线圈引线(未示出)的线圈端部上。顶部插塞25向里(即向下)成锥形，而且围绕其周边设置有凸肋25a，以与冷却导管24的内表面形成可靠的密封。插塞的外部(即上部)主体25b向外略成锥形，这样就能够在封套后将其容易地从周围的硬化树脂中取出。一个手柄或抓取部分25c有利于在硬化工序后将插塞取出。由于插塞25、27将在树脂封套和硬化过程中对各个冷却导管24的各个端部进行密封，因此就可以在插塞25上形成一个开放式通道或减压孔25d，以防止冷却导管24破碎。除了不需要真空减压和手柄功能外，底部插塞27与顶部插塞具有相同的功能。底部插塞27还设置有用来与冷却导管24的内壁摩擦接合的凸肋27a。插塞27的最外端27b基本为平面状，这样线圈的底端就可以竖立并密封在一个垫板上，以随后进行树脂封套操作。
在将线圈22卷绕成所需的层数并将足够数量的冷却导管24安装在层与层之间之后，将该线圈从卷绕机40上取下并使顶部插塞面朝上地竖立。将线圈20放置在一个由硅或其它可受压的适当材料制成的垫50上。当这样放置时，底部插塞27的平面端27b将抵压在垫50上。接着，就可以将外部模具包在直立线圈20的周围。从图6中可以看到，一个外部模具60包围着线圈20。外部模具60可由金属薄板或其它能够固定或绑扎到线圈20上的刚性材料制成，同时在模具60和线圈20之间留有一定的间隙，从而将线圈20完全封套起来。Lanoue等人的专利公开了一种外部模具的结构，但也可以采用本领域公知的其它适当形式的模具。抵压在硅垫50上的外部模具60可防止环氧树脂在封套过程中从线圈的底部泄漏。
当外部模具60处于合适位置上时，就可以进行环氧树脂的封套工序。将流动的环氧树脂26灌注到模具内，从而将线圈封套起来并将间隔排列的冷却导管24也包起来。在灌注过程中，沉积在内部和外部模具之间的下部空间内的环氧树脂26将以一定的深度包围底部插塞27，该深度基本与插塞27的平面部分27b平齐。树脂将被一直灌注到延伸至冷却导管24上端的顶部边缘之上约3/16英寸时为止。
硬化工序为传统工序，而且在本领域内是公知的。例如，硬化循环可包括：(1)在约85摄氏度的条件下，进行约5小时的凝胶阶段；(2)在温度从约85℃升高到约140℃的过程中，进行约2小时的爬坡阶段(ramp up portion)；(3)在140℃的条件下，进行约6小时的固化阶段(4)在80℃的条件下，进行约4小时的下坡阶段(ramp downportion)。硬化后，将内部和外部模具拆下。可利用钳子或其它夹紧部件将顶部插塞25容易地取下，而不会破坏周围的树脂。可通过将一个杆或棒(未示出)插到各个冷却导管的顶端中并穿透底部插塞的方式将底部插塞拆下。
尽管已参照最佳实施例对本发明作出了说明，但是应该理解：在本发明的构思和保护范围内，可以进行多种变型和改变，这是本领域技术人员能够知道的。这些修改和变化均落入所附权利要求书及其等同替代方案的保护范围内。

Claims (11)

1.一种由热塑性材料制成的管子，该管子用于作为冷却导管永久性安装到封套有树脂的变压器线圈内，这种变压器线圈具有被卷绕成多个层并由树脂进行封套的导电材料，其特征在于：所述导管从热学和电学方面与用于对变压器线圈进行封套的树脂相匹配。
2.根据权利要求1所述的管子，其特征在于：所述热塑性材料为环氧树脂。
3.根据权利要求2所述的管子，其特征在于：所述环氧树脂为聚酯。
4.一种套封有树脂的干式变压器线圈，其包括：
(a)由一定长度的导电材料构成的多个层；
(b)多个冷却导管，所述冷却导管由热塑性材料制成并间隔设置在所述多个导电材料层之间；
(c)一种树脂，该树脂用于对多个导电材料层进行封套并包围多个冷却导管中的每个导管；
其特征在于：所述多个冷却导管和封套有树脂的多个层在热学和电学方面相匹配。
5.根据权利要求4所述的变压器线圈，其特征在于：所述热塑性材料为一种环氧树脂。
6.根据权利要求5所述的变压器线圈，其特征在于：所述环氧树脂为聚酯.
7.一种用于制造封套有树脂的干式变压器线圈的方法，该方法包括下述步骤：
(a)通过将一定长度的导电材料卷绕到一个芯体上制成多个层；
(b)将多个由热塑性材料制成的冷却导管安装在所述多个导电材料层之间；
(c)利用树脂将所述多个导电材料层封套起来并包围这些冷却导管，所述树脂与由热塑性材料制成的冷却导管在热学和电学方面相匹配；
(d)对该树脂进行硬化处理，在该树脂中一体形成多个冷却导管。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括下述步骤：在用树脂对线圈进行封套并包围所述多个冷却导管之前，将内部和外部模具放置在线圈周围，从而在所述内部和外部模具之间形成一个用于容纳树脂的空间。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括下述步骤：在用树脂对线圈进行封套并包围所述多个冷却导管之前，将插塞安装到每个冷却导管的开口端内。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：在树脂硬化后，将所述插塞从各个冷却导管的端部拆下的步骤。
11.根据权利要求8所述的方法，还包括：将内部和外部模具拆下的最后的步骤。
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