KR20180095074A - 원격 고압 장치를 위한 전기 변압기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 케이블(11)을 포함하는 전기 변압기(1)에 관한 것으로, 상기 케이블은,
- 중심 부분(2), 중간 부분(3) 및 주변 부분(4)을 포함하며,
- 상기 중심 부분(2)은 제 1 일차 회로 권선(21), 제 1 이차 회로 권선(22), 및 상기 제1 일차 회로 권선과 제 1 이차 회로 권선 사이의 제 1 절연체(23)를 포함하며;
- 상기 중간 부분(3)은 상기 중심 부분(2)을 둘러싸고, 자기 코어(31)를 포함하며;
- 상기 주변 부분(4)은 상기 중간 부분(3)을 둘러싸고, 제 2 일차 회로 권선(41), 제 2 이차 회로 권선(42), 및 상기 제 2 일차 회로 권선과 제 2 이차 회로 권선 사이의 제 2 절연체(43)를 포함하며,
- 상기 케이블은, 제 1 및 제 2 일차 회로 권선 사이와 제 1 및 제 2 이차 회로 권선 사이의 전기 접속부(52);를 포함한다.

Description

원격 고압 장치를 위한 전기 변압기

본 발명은 고전압 네트워크들을 위한 장치들, 특히 전기 네트워크 내의 원격 장치들 사이의 전력 전송, 이러한 원격 장치들의 갈바닉 절연 및 이러한 원격 장치들 사이의 전압 레벨의 변환에 관한 것이다.

IEEE에서 2011 년에 발행된 Arun Kadavelugu의 문서 "High-Frequency Design Considerations of Dual Active Bridge 1200V SiC Mosfet DC-DC converter"는 314 내지320 페이지 상에서 DC/DC 컨버터에 대해 기술하며, 여기서 두 개의 H-브리지들은 동축 변압기(coaxial transformer)에 의해 갈바닉 절연되어 있다. 동축 변압기는 두 개의 암들(arms)을 포함하며, 상기 암들은 그들의 단부들에서 상호 연결되고 전기자(armature)에 의해 지지된다. 각각의 암은 복수의 일차 회로 권선들을 갖춘 내측 부분과 복수의 이차 회로 권선들을 갖춘 외측 부분을 포함한다. 일차 권선과 이차 권선은 서로 절연되어 있다. 자기 코어는 일차 권선 및 이차 권선의 주변부에 위치된다. 이러한 자기 코어는 변압기의 냉각을 위해 다수의 이격된 부분들을 포함한다. 더욱 더 소형화하기 위해, 두 개의 암들을 갖는 자기 코어들이 얽힌다.

두 개의 원격 DC 네트워크들 또는 장치들을 연결하고자 하는 경우, 변환기(converter)는 그의 입력부에서 제 1 네트워크에 연결되고, 그의 출력부는 전선들에 의해 제 2 네트워크에 연결된다.

실제로, 이러한 유형의 장치는 고전압 용도들의 경우에 두 네트워크들 중 하나에서 변압기에 의해 점유되는 체적이 예외적으로 부피가 크다는 단점들을 갖는다. 특히, 변압기의 냉각은 상당한 공간 요건과 관련된다.

이러한 유형의 동축 변압기는 이 경우에 적당하지 않다. 따라서, 일차 권선 및 이차 권선에 둘러싸인 자기 코어가 장착된 종래의 변압기들이 선택된다. 전기 절연은 일반적으로 일차 권선과 이차 권선 사이에서 흐르는 가스 또는 오일과 같은 유체에 의해 제공된다. 이러한 유체의 관리는 변압기가 적합하지 않은 환경, 예를 들어 해상 풍력 발전소에 위치할 때 특히 문제가 되는 안전, 환경, 유지보수 및 공간 요건들에 관한 문제를 야기한다.

또한, 이러한 유형의 보다 통상적인 변압기들의 냉각 및 전기 절연은 국부적인 변환 용도들에서도 문제가 된다.

문헌 DE 4318270은 일차 회로 권선, 일차 회로 권선을 둘러싸는 자기 코어, 및 자기 코어를 둘러싸는 이차 회로 권선을 포함하는 동축 변압기를 기술한다.

문헌 US2011/0291792는 일차 회로 권선 및 이차 회로 권선이 자기 코어 내에 배열되는 동축 변압기를 기술한다.

문헌 GB2447963에는 일차 회로 권선, 일차 회로 권선을 둘러싸는 자기 코어, 및 자기 코어를 둘러싸는 이차 회로 권선을 포함하는 동축 전기 변압기를 기술한다.

본 발명은 이러한 단점들 중 하나 이상을 해결하기 위한 것이다.

따라서, 본 발명은 첨부된 청구항 1에 규정된 바와 같은 변압기에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 첨부된 종속항들에서 규정된 변형들에 관한 것이다. 당업자는 중간의 일반화 과정 없이, 이러한 변형들의 특징 각각을 청구항 1의 특징과 독립적으로 조합할 수 있음을 이해할 것이다.

본 발명은 또한 첨부된 청구항들에서 규정된 바와 같이, 전기 기반시설에 관한 것이다.

본 발명의 다른 특징들 및 이점들은 다음의 설명에서 명확하게 나타나며, 다음의 설명은 첨부된 도면들을 참조로 하여 제한으로서가 아닌, 지시로서 제공된다:
도 1은 본 발명에 따른 변압기의 예시적인 설비의 개략도이다;
도 2는 본 발명에 따른 예시적인 변압기 내의 케이블의 다양한 부분들의 개략적인 횡단면도이다;
도 3은 본 발명에 따른 변압기 용 케이블의 제 1 실시예의 횡단면도이다;
도 4는 도 3의 케이블의 종단면에서의 단면도이다;
도 5는 본 발명에 따른 변압기 용 케이블의 제 2 실시예의 횡단면도이다;
도 6은 도 5의 케이블의 종단면에서의 단면도이다;
도 7은 케이블 종단부의 예시적인 상호접속부들의 종단면도이다;
도 8 및 도 9는 이차 회로의 권선들 사이의 예시적인 케이블링의 개략도들을 도시한다.
도 10은 본 발명에 따른 변압기 용 케이블의 제 1 실시예의 변형예의 횡단면도이다.

본 발명은 변압기를 제안하며, 상기 변압기에서 일차 회로의 권선 및 이차 회로의 권선은 예를 들어 고전압 네트워크 내의 두 개의 원격 장치들의 접속을 위해 단일 케이블 내에 수용된다. 이러한 변압기의 케이블은 동심원 상으로 배열된 중심 부분, 중간 부분 및 주변 부분을 포함한다. 상기 중심 부분은 적어도 하나의 일차 회로 권선, 하나의 이차 회로 권선, 및 상기 일차 회로 권선과 상기 이차 회로 권선 사이의 갈바닉 절연체를 포함한다. 중간 부분은 중심 부분을 둘러싸고, 자기 코어를 포함한다. 주변 부분은 중간 부분을 둘러싸고, 일차 회로 권선 및 이차 회로 권선을 포함한다. 또한 상기 주변 부분은 상기 일차 회로 권선과 상기 이차 회로 권선 사이에 갈바닉 절연체를 포함한다. 중심 부분 및 주변 부분 내에 각각 포함된 이러한 두 개의 일차 회로 권선들은 케이블의 하나의 축 방향 단부에서 전기적으로 연결된다. 중심 부분 및 주변 부분 내 각각 포함된 이러한 두 개의 이차 회로 권선들은 케이블의 하나의 축 방향 단부에서 전기적으로 연결된다.

도 1은 본 발명에 따른 변압기(1)의 예시적인 설비를 도시한다. 변압기(1)는 축 방향 단부들(111,112)를 갖는 연장된 케이블(11)을 포함한다. 케이블(11)은 후술하는 바와 같이, 일차 변압기 회로의 권선들, 이차 변압기 회로의 권선들 및 자기 코어를 포함한다. 단부(111)에서, 케이블(11)은 접속 단자들(121,123)을 포함하며, 상기 접속 단자들(121,123)은 변압기(1)의 일차 회로의 단자들을 구성한다. 단부(112)에서, 케이블(11)은 접속 단자들(122,124)을 포함하며, 상기 접속 단자들(122,124)은 변압기(1)의 이차 회로의 단자들을 구성한다.

이러한 특정 예에서, 변압기(1)는 고전압 DC 네트워크 상의 두 개의 원격 장치들(82,84) 사이의 전기 에너지의 전송 및 전압 레벨의 변환을 위해 사용된다. 일차 회로의 단자들(121,123)은 DC/AC 변환기(81) 상의 AC 인터페이스에 접속된다. 장치(82)는 DC/AC 변환기(81) 상의 DC 인터페이스에 접속된다. 이차 회로의 단자들(122,124)은 DC/AC 변환기(83) 상의 AC 인터페이스에 접속된다. 장치(84)는 DC/AC 변환기(83) 상의 DC 인터페이스에 접속된다.

도 2는 본 발명에 따른 예시적인 변압기(1) 내의 케이블(11)의 다양한 부분들의 개략적인 횡단면도를 도시한다. 이러한 케이블(11)에서, 중심 부분(2), 중간 부분(3) 및 주변 부분(4)을 구별하는 것이 가능하며, 여기서 부분들(2,3,4)은 동심이다. 주변부(4)는 중심 부분(2)을 둘러싸는 중간 부분(3)을 둘러싸고 있다.

도 3은 본 발명에 따른 변압기(1) 내의 케이블(11)의 제 1 실시예의 횡단면도를 도시한다. 도 4는 케이블(11)의 종단면에서의 단면도를 도시한다.

케이블(11)의 중심 부분(2)은 변압기(1)의 일차 회로의 복수의 권선들(21), 변압기(1)의 이차 회로의 복수의 권선들(22) 및 고체 갈바닉 절연체(23)를 포함한다.

갈바닉 절연체(23)는 전기-절연 층은 일차 회로의 권선들(21)을 둘러싸는 전기-절연 층(주위 온도에서 고체)의 형태로 구성된다. 이차 회로의 권선들(22)은 이러한 절연 층(23)의 외측 표면과 접촉하여 위치된다. 권선들(21)은 케이블(11)의 축을 중심으로 반경 방향으로 분포된다. 다양한 권선들(21)은 상기 권선들(21) 사이에서 반경 방향으로 연장하는 절연성 격벽들(25)(주위 온도에서 고체)에 의해 분리되고 절연된다. 권선들(22)은 케이블(11)의 축을 중심으로 반경 방향으로 분포된다. 다양한 권선들(22)은 상기 권선들(22) 사이에서 반경 방향으로 연장하는 절연성 격벽들(26)(주위 온도에서 고체)에 의해 분리되고 절연된다.

중간 부분(3)은 중심 부분(2)을 둘러싸고 있다. 중간 부분(3)은 자기 코어 또는 회로(31)를 포함한다. 이 경우, 자기 코어(31)는 중심 부분(2)을 둘러싸고 있다. 여기서, 자기 코어(31)는 중간 부분(3)의 전체 체적을 차지한다.

케이블(11)의 주변 부분(4)은 변압기(1)의 일차 회로의 복수의 권선들(41), 변압기(1)의 이차 회로의 복수의 권선들(42) 및 고체 갈바닉 절연체(43)를 포함한다.

갈바닉 절연체(43)는 이차 회로의 권선들(42)을 둘러싸는 전기-절연 층(주위 온도에서 고체)의 형태로 구성된다. 권선들(42)은 케이블(11)의 축을 중심으로 방사상으로 분포된다. 이 경우, 권선들(42)은 자기 코어(31)와 접촉한다. 다양한 권선들(42)은 상기 권선들(42) 사이에서 반경 방향으로 연장하는 절연성 격벽들(46)(주위 온도에서 고체)에 의해 분리되고 절연된다. 일차 회로의 권선들(41)은 이러한 절연 층(43)의 외측 표면과 접촉하여 위치된다. 권선들(41)은 케이블(11)의 축을 중심으로 반경 방향으로 분포된다. 다양한 권선들(41)은 상기 권선들(41) 사이에서 반경 방향으로 연장되는 절연성 격벽들(45)(주위 온도에서 고체)에 의해 분리되고 절연된다.

이러한 유형의 변압기(1)는 케이블(11)의 전체 길이에 걸쳐서 대류에 의해 냉각된다. 따라서, 케이블(11)의 길이는 변압기(1)의 냉각에 도움을 주어, 냉각제 유체의 플럭스 내에 케이블(11)을 침지시켜야 할 필요를 제거하거나 감소시킬 수 있다. 또한, 이 경우, 갈바닉 절연체는 고체 물질들에 의해 달성되고, 그에 따라 누설의 위험 및 변압기(1)의 유지보수에 대한 제약들을 감소시킨다. 전기적 변환은 또한 에너지의 전달을 위해 사용되는 케이블(11)의 길이에 걸쳐 더 이루어지므로, 변압기(1)에 대한 공간 요건들은 특히 변압기(1)가 연결된 원격 장치들에서 감소된다.

이러한 형태의 실시예에서, 일차 회로의 권선들 및 이차 회로의 권선들을 상이한 층들에 배치함으로써 케이블(11)의 제조를 용이하게 하는 것이 의도된다. 갈바닉 절연체들(23,43)이 그 자체로 공지된 방법들을 사용하여 압출(extrusion) 또는 권취(wrapping)에 의해 용이하게 형성될 수 있는 이러한 유형의 케이블의 제조가 더욱 용이해진다. 더욱이, 이러한 형태의 실시예는 다양한 권선들 사이에서 상당한 두께의 갈바닉 절연체들의 형성을 용이하게 한다.

케이블(11)의 주변 부분(4)은 권선들(41)을 둘러싸는 절연성 격벽(48)(주변 온도에서 고체)을 더 포함한다. 케이블(11)의 주변 부분(4)은 또한 전자파 스크린 또는 차폐부를 형성하는 도전 층(49)(예를 들어, 금속성 층)을 유리하게 포함한다. 차폐부를 형성하는 층(49)은 절연성 격벽(48)을 둘러싸고 있다.

도시된 실시예에서, 케이블(11)은 유리하게는 기계적 보강재(29)를 포함한다.

기계적 보강재는 유리하게는 케이블(11)의 전체 길이에 걸쳐 연장된다(또는 케이블(11)의 단부에 기계적 보강재가 부착되도록 케이블(11)을 넘어서 돌출한다). 기계적 보강재(29)는 케이블(11)의 축에서 중심 부분(2)의 중심에 유리하게 위치되어, 상기 보강재(29)는 케이블(11)을 굽힌 동안 최소한의 변형을 유지한다. 기계적 보강재(29)는 예를 들어, 절연체, 합성 섬유들 또는 섬유-강화 고분자로 덮인 금속 케이블을 포함할 수 있다.

도시된 실시예에서, 절연성 격벽들(25)은 기계적 보강재(29)와 절연 층(23) 사이에서 반경 방향으로 연장된다. 도시된 실시예의 예시적인 형태에서, 절연성 격벽들(26)은 절연 층(23)과 자기 코어(31) 사이에서 반경 방향으로 연장된다. 도시된 실시예의 예시적인 형태에서, 절연성 격벽들(46)은 자기 코어(31)와 절연 층(43) 사이에서 연장한다. 도시된 실시예의 예시적인 형태에서, 절연성 격벽들(45)은 절연 층(43)과 절연 층(48) 사이에서 연장한다.

자기 코어(31)는 예를 들어 압출 또는 동심으로 권취함에 의해 달성될 수 있는 형태를 취한다. 자기 코어(31)는, 예를 들어 자기 분말이 충전된 고분자 수지로 형성될 수 있다. 또한, 자기 코어(31)는, 예를 들어 절연체 내에 둘러싸인 롤링된 시트 금속으로 형성될 수 있다. 이러한 유형의 재료는, 예를 들어, 상대 투자율(relative magnetic permeability)이 적어도 150, 바람직하게는 적어도 200, 및 유리하게 적어도 500이 되도록 선택될 수 있다. 시뮬레이션들에 따르면, 자기 결합(magnetic coupling)은 적어도 0.99이며, 여기서 자기 코어(31)의 상대 투자율은 적어도 150이다.

고체 절연체들(23, 25, 26, 43, 45 또는 46) 중 하나에 사용되는 재료는, 예를 들어, 절연성 망상(reticulated) 폴리에틸렌, 폴리 프로필렌, 고무(EPR,HEPR) 또는 실리콘으로 이루어진 군으로부터 선택된다.

권선들(21, 22, 41 또는 42)에 사용되는 재료는, 예를 들어, 구리 및 구리의 합금들 또는 알루미늄 및 알루미늄의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된다.

제 1 실시예에 따른 변압기(1) 용 케이블(11)의 치수 결정의 일 예는 다음과 같을 수 있다. 다음이 지정된다:

- 변압기(1)에 의한 10MW의 정격 전력의 전송(transmission of a power rating);

- 일차 회로의 단자들에서 10kV의 전압 및 이차 회로의 단자들에서 100kV의 전압;

- 20kHz의 주파수에서 일차 회로 내의 1,000A의 전류 및 이차 회로 내의 100A의 전류;

- 1A/mm²의 전류 밀도;

- 0.2T의 자기 인덕턴스.

참조로서, 코일 권선의 단자들에서 정현파 전압 V는 Boucherot의 공식에 의해 계산된다:

V = π*√2 *N*B*S*f

여기서, N: 권선 내의 턴(turn) 수,

B: 자기 인덕턴스,

S: 자기 회로의 단면,

F: 서비스 주파수.

권선들(21,22,41,42)을 위해 선택된 재료는 구리이다.

차폐 층(49)을 위해 선택된 재료는 알루미늄이다.

고체 절연체들(23,26,43,46)에 사용되는 재료는 망상의 폴리에틸렌이다.

중심 부분(2)(및 주변 부분(4)) 내의 일차 회로의 권선들의 수는 1이다. 중심 부분(2)(및 주변 부분(4))의 이차 회로의 권선들의 수는 10이다.

중심 부분(2)의 중심에는 기계적 보강재(29) 대신에 공기 통과 개구(도 3에 도시되지 않음)가 배치되고, 상기 공기 통과 개구는 반경 10mm로 구성된다. 권선(21)의 두께는 10.5mm이다. 절연 층(23)의 두께는 5mm이다. 권선들(22)의 두께는 5.6mm이다. 절연성 격벽들(26)의 폭은 적어도 1mm, 바람직하게는 적어도 2mm이다. 자기 코어(31)의 두께는 10㎜이다. 권선들(42)의 두께는 3.7mm이다. 절연 층(43)의 두께는 5mm이다. 권선(41)의 두께는 3.1㎜이다. 절연 층(48)의 두께는 5mm이다. 차폐 층(49)의 두께는 2.75mm이다. 케이블(11)의 길이는 62.5m이다.

권선들(21,41)의 피치(이 경우, 권선들(22,42)의 피치와 동일함)는 예를 들어 케이블(11)의 직경의 5 내지 30 배 범위이다.

상기 도시된 예들에서, 케이블(11)의 대향하는 단부들의 일 측에는 단자들(121,123)이, 다른 측에서 단자들(122,124)이 배치된다. 그러나, 단자들(121 내지 124)이 케이블(11)의 동일한 단부에 위치된 상태에서, 국부적인 용도를 위해 변압기(1)를 채택하는 것도 가능하다. 이러한 유형의 변압기(1)는 또한 케이블의 길이에 걸쳐 가해지는 냉각과, 고체 갈바닉 절연체들의 절연 용량으로부터 이익을 얻는다.

동일한 단부에 배치된 단자들을 갖는 케이블(11)의 예시적인 단부 구조가 도 7에 도시된 종단면도에 도시되어 있다. 이러한 도시는 중심 부분(2) 및 주변 부분(4) 내의 일차 회로의 권선들 사이, 또는 중심 부분(2) 및 주변 부분(4)의 이차 회로의 권선들 사이의 상호접속부를 나타내기 위한 것이다.

따라서, 엔드-피스(5)는 케이블(11)의 일 단부에 부착된다. 엔드-피스(5)는 도 7에 도시되지 않은 일차 접속 단자 또는 이차 접속 단자를 포함할 수 있다. 엔드-피스(5)는 주변 부분의 권선(42)을 중심 부분(2)의 권선(22)에 전기적으로 접속시키는 전기적 접속부(52)를 포함한다. 전기적 접속부(52)는, 예를 들어 접속부(52)의 각각의 권선들(22,42)에 용접에 의해 부착된다.

전기적 접속부(52)는 그 둘레가 절연체(53)로 둘러싸여 있다. 절연체(53)는 절연 층들(23,43)과 이어져서 구성되고, 전기적 접속부(52)의 축 방향 단부를 덮는다. 절연체(53)는 전기적 접속부(52)를 둘러싸고 있다.

또한, 엔드-피스(5)는 주변 부분 내의 권선(41)을 중심 부분(2) 내의 권선(21)에 전기적으로 접속시키는 전기적 접속부(51)를 포함한다. 전기적 접속부(51)는, 예를 들어 접속부(51)의 각각의 권선들(21,41)에 용접에 의해 부착된다. 전기적 접속부(51)는 그 둘레가 절연체(54)로 둘러싸여 있다. 절연체(54)는 절연 층(48)과 이어져서 구성되고, 전기적 접속부(51)의 축 방향 단부를 덮는다.

이 경우, 기계적 보강재(29)는 엔드-피스(5)를 넘어 축 방향으로 연장된다.

다양한 절연성 격벽들(26,46)에 인가된 전기장을 제한하기 위해, 도 8 및 도 9는 상술된 수치 적용에 따른 이차 회로의 권선들(22,42)(부분(2) 및 부분(4) 각각의 이차 회로의 10 개의 권선들)에 대한 예시적인 상호접속부를 도시한다. 도 8 및 도 9는 케이블(11)의 대향하는 단부들 각각에서의 상호접속부들을 도시한다. 도 8 및 도 9에 도시된 상호접속부들은 인접한 권선들(22) 사이 또는 인접한 권선들(42) 사이의 전위 차를 제한한다. 이 경우, 상호접속부들은 점선들로 개략적으로 도시된다. 도 9에는 명확성을 위해, 상호접속부들의 종단부들만이 도시되어 있다. 권선들(22,24)은 인덱스 n° n으로 번호가 매겨지며, 인덱스 n° n의 권선들(22,42)은 반경 방향으로 대향되게 위치된다. 그들의 인덱스 n° n에 의해 식별되는 권선들(22)(및 유추에 의해, 권선들(42))은 다음의 순서로 반경 방향으로 위치된다: 1-2-4-6-8-10-9-7-5-3. 권선들 간의 상호 접속부들은 다음과 같다.

- 인덱스 n° 1의 권선들(22,42)은 상호접속부(521)에 의해 전기적으로 접속되며;

- 인덱스 n° 1의 권선들(22) 및 인덱스 n° 2의 권선들(42)은 상호접속부(612)에 의해 전기적으로 접속되며;

- 인덱스 n° 2의 권선들(22,42)은 상호 접속부(522)에 의해 전기적으로 접속되며;

- 인덱스 n° 2의 권선들(22) 및 인덱스 n° 3의 권선들(42)은 상호접속부(623)에 의해 전기적으로 접속되며;

- 인덱스 n° 3의 권선들(22,42)은 상호 접속부(523)에 의해 전기적으로 접속되며;

- 인덱스 n° 3의 권선들(22) 및 인덱스 n° 4의 권선들(42)은 상호접속부(634)에 의해 전기적으로 접속되며;

- 인덱스 n° 4의 권선들(22,42)은 상호 접속부(524)에 의해 전기적으로 접속되며;

- 인덱스 n° 4의 권선들(22) 및 인덱스 n° 5의 권선들(42)은 상호접속부(645)에 의해 전기적으로 접속되며;

- 인덱스 n° 5의 권선들(22,42)은 상호 접속부(525)에 의해 전기적으로 접속되며;

- 인덱스 n° 5의 권선들(22) 및 인덱스 n° 6의 권선들(42)은 상호 접속부(656)에 의해 전기적으로 접속되며;

- 인덱스 n° 6의 권선들(22,42)은 상호 접속부(526)에 의해 전기적으로 접속되며;

- 인덱스 n° 6의 권선들(22) 및 인덱스 n° 7의 권선들(42)은 상호접속부(667)에 의해 전기적으로 접속되며;

- 인덱스 n° 7의 권선들(22,42)은 상호 접속부(527)에 의해 전기적으로 접속되며;

- 인덱스 n° 7의 권선들(22) 및 인덱스 n° 8의 권선들(42)은 상호 접속부(678)에 의해 전기적으로 접속되며;

- 인덱스 n° 8의 권선들(22,42)은 상호접속부(528)에 의해 전기적으로 접속되며;

- 인덱스 n° 8의 권선들(22) 및 인덱스 n° 9의 권선들(42)은 상호접속부(689)에 의해 전기적으로 접속되며;

- 인덱스 n° 9의 권선들(22,42)은 상호 접속부(529)에 의해 전기적으로 접속되며;

- 인덱스 n° 9의 권선들(22) 및 인덱스 n° 10의 권선들(42)은 상호접속부(690)에 의해 전기적으로 접속되며;

- 인덱스 n° 10의 권선들(22,42)은 상호 접속부(520)에 의해 전기적으로 접속된다.

일차 회로가 중심 부분(2) 및 주변 부분(4) 내에 복수의 권선들을 포함하는 경우, 절연성 격벽들(25,45)에 인가된 전기장을 제한하기 위해, 권선들(21,41)에 대해 유사한 방식의 상호접속부가 사용될 수 있다.

제 1 실시예에 따른 변압기(1) 용 케이블(11)의 치수 결정의 다른 예는 다음과 같을 수 있다. 다음이 지정된다:

- 변압기(1)에 의한 1 MW의 정격 전력의 전송;

- 일차 회로의 단자들에서의 5 kV의 전압 및 이차 회로의 단자들에서의 5 kV의 전압;

- 5kHz의 주파수에서 일차 회로 내의 200A의 전류 및 이차측 회로 내의 200A의 전류;

- 1 A/mm²의 전류 밀도;

- 0.2T의 자기장.

권선들(21, 22, 41, 42)을 위해 선택된 재료는 구리이다. 차폐 층(49)을 위해 선택된 재료는 알루미늄이다. 고체 절연체들(23, 43)에 사용되는 재료는 망상의 폴리에틸렌이다.

중심 부분(2)(및 주변 부분(4)) 내의 일차 회로의 권선들의 수는 1이다. 중심 부분(2)(및 주변 부분(4)) 내의 이차 회로의 권선들의 수는 1이다.

중심 부분(2)의 중심부 내에는 기계적 보강재(29) 대신에 공기 통과 개구(도 3에 도시되지 않음)가 배치되고, 상기 공기 통과 개구(3)의 반경은 10mm로 구성된다. 권선(21)의 두께는 2.8mm이다. 절연 층(23)의 두께는 5mm이다. 권선(22)의 두께는 1.7mm이다. 자기 코어(31)의 두께는 10㎜이다. 권선(42)의 두께는 1.1mm이다. 절연 층(43)의 두께는 5mm이다. 권선(41)의 두께는 0.9mm이다. 절연 층(48)의 두께는 5mm이다. 차폐 층(49)의 두께는 2.75mm이다. 케이블(11)은 125m의 길이를 갖는다.

권선들(21,41)의 피치(이 경우, 권선들(22,42)의 피치와 동일함)는, 예를 들어 케이블(11)의 직경의 5배 내지 30배 범위이다.

도 5는 본 발명에 따른 변압기(1) 내의 케이블(11)의 제 2 실시예의 횡단면도를 도시한다. 도 6은 케이블(11)의 종단 면 내에서의 단면도를 도시한다.

케이블(11)의 중심 부분(2)은 변압기(1)의 일차 회로의 복수의 권선들(21) 및 변압기(1)의 이차 회로의 복수의 권선들(22)을 포함한다. 이 경우에, 중심 부분(2)은 케이블(11)의 축 둘레에 분포된 권선들의 교번적인 배열을 포함한다. 여기서, 권선들(22)의 수는 권선들(21)의 수의 2 배이다.

케이블(11)은 절연 요소들(27)(주위 온도에서 고체)의 형태의 갈바닉 절연체를 더 포함한다. 절연 요소들(27)은 케이블(11)의 축을 중심으로 방사상으로 분포된다. 절연 요소들(27)은 중심 부분(2) 내에서 2 개의 인접한 권선들을 분리한다. 이 경우, 절연 요소들(27)은 2 개의 인접한 권선들(21 또는 22) 사이에서 반경 방향으로 연장되는 절연성 격벽들을 구성한다.

중간 부분(3)은 중심 부분(2)을 둘러싸고 있다. 중간 부분(3)은 자기 코어 또는 회로(31)를 포함한다. 이 경우, 자기 코어(31)는 중심 부분(2)을 둘러싸고 있다. 여기서, 자기 코어(31)는 중간 부분(3)의 전체 체적을 차지한다.

케이블(11)의 주변 부분(4)은 변압기(1)의 일차 회로의 복수의 권선들(41)과, 변압기(1)의 이차 회로의 복수의 권선들(42)을 포함한다. 이 경우, 주변 부분(4)은 케이블(11)의 축 주위에 분포된 권선들의 교번적인 배열을 포함한다. 여기서, 권선들(42)의 수는 권선들(41)의 수의 2 배이다.

케이블(11)은 절연 요소들(47)(주위 온도에서 고체)의 형태의 갈바닉 절연체를 더 포함한다. 절연 요소들(47)은 케이블(11)의 축을 중심으로 방사상으로 분포된다. 절연 요소들(47)은 주변 부분(4) 내에서 2 개의 인접한 권선들을 분리한다. 이 경우, 절연 요소들(47)은 2 개의 인접한 권선들(41 또는 42) 사이에서 반경 방향으로 연장되는 절연성 격벽들을 구성한다.

일차 회로의 권선들(41)과 이차 회로의 권선들(42)은 자기 코어(31)의 외측 표면과 접촉하여 위치된다.

케이블(11)의 주변 부분(4)은 권선들(41,42)을 둘러싸는 절연성 격벽(48)(주위 온도에서 고체)을 더 포함한다. 유리하게 케이블(11)의 주변 부분(4)은 전자파 차폐부를 형성하는 도전 층(49)(예를 들어, 금속성 층)을 더 포함한다. 차폐부를 형성하는 층(49)은 절연성 격벽(48)을 둘러싸고 있다.

도시된 실시예의 형태에서, 케이블(11)은 유리하게는 기계적 보강재(29)를 포함한다. 기계적 보강재는 유리하게는 케이블(11)의 전체 길이에 걸쳐 연장된다(또는 케이블(11)의 단부들에 기계적 보강재가 부착되도록 케이블(11)을 넘어서 돌출한다).

기계적 보강재(29)는 케이블(11)의 축에서 중심 부분(2)의 중심에 유리하게 위치되어, 상기 보강재(29)는 케이블(11)을 굽힌 동안 최소한의 변형을 유지한다. 기계적 보강재(29)는 제 1 실시예와 동일한 조성을 가질 수있다.

도시된 실시예의 형태에서, 절연성 격벽들(27)은 기계적 보강재(29)와 자기 코어(31) 사이에서 반경 방향으로 연장된다. 도시된 실시예의 형태에서, 절연성 격벽들(47)은 자기 코어(31)와 절연 층(48) 사이에서 연장한다.

본 발명에 따른 변압기(1)의 케이블(11)의 다양한 실시예들은 단순화를 위해 직선 축을 갖는 케이블(11)의 설명에 의해 예시되었다. 그러나, 대부분의 구성들에서, 이러한 유형의 케이블(11)은 유연할 것이다. 따라서, 케이블(11)의 축은 예를 들어 케이블(11)이 코일로 권취되거나, 또는 케이블(11)의 중심 부분이 구부림과 관련된 변형을 받는 곳에서 만곡될 수 있다.

설명된 다양한 형태들의 실시예에서, 변압기(1)의 일차 회로 및 이차 회로 각각은 중심 부분(2) 내의 복수의 권선들 및 주변 부분(4) 내의 복수의 권선들을 포함한다. 그러나, 변압기(1)의 일차 회로 및/또는 이차 회로는 중심 부분(2) 내에서 단일 권선을 포함하고, 주변 부분(4) 내에서 단일 권선을 포함하는 것이 고려될 수 있다.

케이블(11)의 냉각 및 원격 네트워크들 상의 장치들 간의 전력 전송을 위하여, 케이블(11)의 길이는 유리하게는 케이블의 외측 직경보다 적어도 100 배 크다.

도시된 예에서, 변압기(1)는 원격 고전압 장치들 사이에서 전력의 전송을 위해 사용된다. 고전압 장치들 사이의 거리는 케이블(11)의 길이보다 클 수 있다. 이러한 유형의 명목상의 경우에, 전력 전송 케이블은 상기 고전압 장치들을 분리시키는 거리에 맞추기 위해, 일차 회로의 단자들 및/또는 이차 회로의 단자들에 접속될 수 있다.

도 10은 본 발명에 따른 변압기(1)의 케이블(11)의 제 1 실시예의 변형예의 횡단면도를 도시한다. 케이블(11)은 도 3에 나타낸 것과 다르다:

- 중심 부분(2)을 둘러싸는 갈바닉 절연체(91)의 존재에 의해.

여기서, 갈바닉 절연체(91)는 자기 코어(31)에 대해 권선들(22)을 유리하게 절연시킨다.

- 중간 부분(3)을 둘러싸는 갈바닉 절연체(92)의 존재에 의해.

여기서, 갈바닉 절연체(92)는 자기 코어(31)에 대해 권선들(42)을 유리하게 절연시킨다.

Claims (13)

1. 제 1 축방향 단부 및 제 2 축 방향 단부(111, 112)를 갖는 케이블(11)을 포함하는 전기 변압기(1)로서,
   상기 케이블은,
   - 동심으로 배열된 중심(central) 부분(2), 중간(intermediate) 부분(3) 및 주변(peripheral) 부분(4)을 포함하며,
   - 상기 중심 부분(2)은 적어도 하나의 제 1 일차 회로 권선(21), 적어도 하나의 제 1 이차 회로 권선(22), 및 상기 제 1 일차 회로 권선과 제 1 이차 회로 권선 사이의 적어도 하나의 제 1 고체 갈바닉 절연체(galvanic insulator)(23)를 포함하며;
   - 상기 중간 부분(3)은 상기 중심 부분(2)을 둘러싸고, 자기 코어(31)를 포함하며;
   - 상기 주변 부분(4)은 상기 중간 부분(3)을 둘러싸고, 적어도 하나의 제 2 일차 회로 권선(41), 적어도 하나의 제 2 이차 회로 권선(42), 및 상기 제 2 일차 회로 권선과 제 2 이차 회로 권선 사이의 적어도 하나의 제 2 고체 갈바닉 절연체(43)를 포함하며,
   상기 케이블은,
   - 상기 제 1 일차 회로 권선과 제 2 일차 회로 권선 사이에 배치되며 상기 케이블의 상기 제 1 및 제 2 축 방향 단부들 중 하나로의 전기 접속부(51); 및
   - 상기 제 1 이차 회로 권선과 제 2 이차 회로 권선 사이에 배치되며 상기 케이블의 상기 제 1 및 제 2 축 방향 단부들 중 하나로의 전기 접속부(52);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 변압기(1).
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 케이블(11)의 상기 제 1 단부(111)에 배치된, 상기 일차 회로로의 2 개의 접속 단자들(121,123); 및
   상기 케이블(11)의 상기 제 2 단부(112)에 배치된, 상기 이차 회로로의 2 개의 접속 단자들(122,123);을 포함하는, 전기 변압기(1).
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 중심 부분(2)은 상기 케이블(11)의 전체 길이에 걸쳐 연장되는 기계적 보강재(29)를 포함하며,
   상기 기계적 보강재(29)는 상기 중심 부분의 중심부에 위치된, 전기 변압기(1).
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 중심 부분(2)은 절연 층(23)을 포함하며,
   상기 절연 층(23)은 상기 일차 회로 및 이차 회로 중 하나의 복수의 권선들을 둘러싸며, 상기 일차 회로 및 이차 회로 중 다른 하나의 복수의 권선들은 상기 절연 층(23)의 외측 표면과 접촉하는, 전기 변압기(1).
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 절연 층(23)의 외측 표면과 접촉하는 상기 권선들(22)은 적어도 1mm의 폭을 갖는 절연성 격벽들(26)에 의해 상호 분리되는, 전기 변압기(1).
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 중심 부분(2)은 상기 케이블의 축 둘레에 반경 방향으로 분포된 일차 회로 권선들 및 이차 회로 권선들의 교번적인 배열을 포함하며,
   상기 제 1 갈바닉 절연체는 상기 케이블의 축을 중심으로 반경 방향으로 분포되고 이러한 상기 교번적인 배열 내에서 상기 권선들을 서로 분리하는 절연 요소들(27)을 포함하는, 전기 변압기(1).
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제 1 갈바닉 절연체는 폴리프로필렌, 또는 망상의(reticulated) 폴리에틸렌을 포함하는 군으로부터 선택된 재료를 포함하는, 전기 변압기(1).
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 자기 코어(31)는 표준(reference) 나노결정질 Vitroperm 500F 하에서 시판되는 물질을 포함하는 군으로부터 선택된 물질로 구성되거나, 또는 표준 Molypermalloy 분말 코어 하에서 시판되는 물질로 구성되는, 전기 변압기(1).
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 자기 코어(31)는 상기 케이블(11)의 전체 길이에 걸쳐 연속적으로 연장되는, 전기 변압기(1).
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 케이블(11)은 상기 케이블의 직경보다 적어도 100 배 큰 길이를 갖는, 전기 변압기(1).
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 갈바닉 절연체는 적어도 2mm의 두께를 갖는, 전기 변압기(1).
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 일차 회로 권선들은 원형 단면 케이블의 직경의 5 배 내지 30 배의 축 방향 피치(axial pitch)로 권취된, 전기 변압기(1).
13. 전기 기반시설로서,
    제 2 항에 따른 변압기;
    상기 케이블(11)의 상기 제 1 단부에서 상기 일차 회로의 접속 단자들(121, 123)에 접속된 제 1 전기 장치(81); 및
    상기 케이블(11)의 상기 제 2 단부에서 상기 이차 회로의 접속 단자들(122, 124)에 접속된 제 2 전기 장치(83);를 포함하며,
    상기 제 1 전기 장치 또는 제 2 전기 장치는 자신이 접속된 접속 단자들 양단에 적어도 1kV의 전압을 인가하는, 전기 기반시설.

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