TW414900B - Power transformer and method of winding the same - Google Patents

Description

4I490C A7 B7 、發明説明（ 本發丨 五 發明係有關一由至少一個高壓線圈以及至少一個低 壓線圈所組成的功率變壓器。 在本文中所使用的「功率费壓器」一詞*係指一額定翰 出值在敷百kVA至超過1〇〇〇MVA以上，以及额定電壓值在3 〜4 W至極高的傳輪電壓，例如：高至4〇0〜8〇〇 kv甚至 更高的位準的變壓器〇 有辋習用的功率變壓器，舉例而言，在A* C, Franklin 及p· Franklin在由.於年所出版的 第11版「J & p變壓器叢書*功率變厘器實用技術」一書 中’有所敘述與內部電氣絕緣及其他相關因素有關的問题於 由 Η· P. Moser*.所撰述，由 H· Weidman AG，Rapperswil 與瑞士 Basle的Birkhauser AG共同出版的、變壓器板、高 功率變壓器板的應用-乙書中有所敘述。 在電能的傳輪及分配作業中，一定必須要使用到變壓 器，才能促成兩個或兩個以上的系統之間電能的交換〇變壓 器從功率值在1 MVA範圍至1000 MVA範圍之間，以及電壓, 值高到如今所正使用的最高傳翰電壓值。 經濟部中夬標準局貝工消費合作社印製 一般而言，傳統功率變壓器的構件包括了 一鐵芯，而且 通常是採層片一般定向的矽鐵片材成型為主，鐵芯通常是由 數個「由軛架所聯接」支腳所構成，以形成一個或敷個鐵芯 窗。在鐵芯支腳的周圍設有數捲線圈，就功率楚壓器而言， 逭些線圈幾乎一律是呈同心佈局，且係沿鐵芯支腳的.縱長方 向而分饰^ 但也還有其他類型的鐵芯結構，例如：有所謂的殻型费 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 、斗、 414900 經濟部中央標準局負工消費合作社印裝 Α7 Β7 五、發明説明（4 ) 壓器結構，此一結構一般而言，有矩形線圈以及沿矩形線圈 的外侧配置的矩形支腳構件。 一般又有所謂供較低的功率範固應用的空氣冷卻式傳 統功率變壓器。為使此一類型的變壓器能取得屏罩保護，乃 設置有一外殻，此一外殻亦有可減少變壓器的外部磁場的作 用·> 但絕大部份的變壓器仍然是探油冷卻模式，所使用的油 劑亦可發揮作為一絕緣介質的作用〇凡採油冷卻式以及油絕 緣的傳統變壓器乃罩封於一外殼内，而此一變壓器必須能承 擔嚴苛的性能需求β所以，此類型的變壓器的結構，聯同其 相關的電路藕合器、斷路元件及襯墊，可謂相當複雜。此外， 以油劑作為冷卻及絕緣目的使用，不但導致楚壓器功能的複 雜化，同時也造成了環保方面的問題◊ 有一種所謂的「乾式J變壓器，其中不涉及依賴用油絕 緣及油冷卻操作模式，乃適用於额定功率值最高可達1000 MVA，额定電壓值可自3〜4kV至極高的傳翰電壓值之間， 其線圈可探導線結構，如圖1中所示者。該導線的中央為導 電元，可為由數束無絕緣〈或亦可探其中有些為經絕緣處理 者的實施例〉的股線5所構成。在導電元的周圍有一内半導 體殼6 ’此半導體殼6至少與一部份的非絕緣股線5相接 觸’且此半導體殼6再以呈-擠製成型的義絕緣潛7造型 的電纜主絕線材圍繞。此一絕緣層7再以一外半導體殼單8 覆罩’電境的導電部位，其面積可在8〇〜_腿2之間， 電纜之外徑值則在2〇〜2S0 mm之間。 本紙張尺度通用中國國家標準（CNS ) (1Γ〇Χ297/ΛΪΓ) 、包、 - - - vi> : —1 1 _I · = - - - - - I - - I - - - - - - —--I I— I - , - J t - (請先聞讀背面之注$項再填寫本頁) A7 B7

41490G 五、發明説明（3 ) 雖然以上所稱的殼覃β、S被指述為具有Γ半導電性」， 其實其基材乃取材於摻混有碳黑或金屬微粒的聚合體，且其 容積電阻係數值在1〜10β β cm之間，而尤以在10〜500 Ω cm之間最為適宜〇適宜供作殻罩6、8使用的衆合體基 材〈包括絕緣層T在内〉有乙烯乙酸乙烯酯共聚合物/月青 橡勝、丁基接㈣thene、乙燦丁基賴酸共聚合物、乙稀 乙基丙婦酸共聚合物、乙烯两歸橡勝、低密度聚乙播、聚丁 烯、聚甲基戍烯，以及乙烯丙烯酸共聚合物。 内侧的半導體殼輩6乃沿整個介面與㈣層7形成硬體 聯結’理，料㈣㈣S也是雜個介贿位而與絕緣 層r形成硬髗聯結。殻單6、8以及層7共同形成一可靠的 絕緣系統，且乃便捷地沿股線5的周圍擠製成型。 雖然内半導贿罩㈣料雜㈣賴線5的導電係 敷要小，但仍足以促成沿其表面的電位的均等化。所以，電 場可沿絕緣層7的周圓均匀分佈。因此，電場增強的局部化 以及局部放電等不利效應乃得以減至最低限度。 位於外半導體殼罩8處的電位，不論就是零，或地電位 或其他在控制下的電位置，可因殻罩的電導性，而均匀地維 持於該值。在此同時，半導體殼罩8的電阻係數又足以將整 個電場封閉·>魏於此-電崎性，最好能將射導電性的

聚合驗雜地，或雜卿賴㈣隔雜至其他在控制 下的電位V 依據本發明所提供的變壓器可為一單相、三相，或多相 變壓器’且鐵芯可探任㈣㈣m2獅者乃―三相的 本紙張从適财國國家棣準（CNS )八4胁Γ210Χ297公釐 --------/---^裝------方--1----線、 (請先閲讀背面之注1^項再填窝本頁) 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 A7

J1490C 採層片鐵赶計的變壓器。鐵芯探讎設計，乃由三個鐵芯 支腳9、10、U及聯結軛架、ls所構成。 線^㈣心方式賴於财妨上。_ 2所示的變 壓器而s ’其上設有二具同心镜線座、π、w。最内 層的繞線11 14即為初敏線圈，另夕卜兩輯圈15、16則為 次级線圈°為使圖形得以清晰呈現起見，線_聯結等細節 部位一律予以省略◊在線圈的廟圍特定部位設有隔柵17、 18該等隔柵17、18可採絕緣材製品―以在線蔺14、15、 16之間界定出一定空間，以利冷卻或保持或可採導電材製 品，以形成線圈U、15、16的接地系統的一部份。 一费壓器的個別線圈在設計上必須考慮到的一點就 是*必須能耐抗因短路電流所產生的作用力。由於就一功率 變壓器而言，逭些作用力可能極為強大，所以線圈的配置， 以及在比例上必須容許有相當大的誤差裕度，因為如此，所 以線圈無法設計成在常態操作狀態下具備發揮最佳性能的 能力。 本發明的主要目的即在減輕上述之因乾式變屋器的短 路時的作用力，所產生的栢關問题。 上·述目標可藉一根據申請專利範圍第1項内所界定的 變壓器成就之。 在取一「其外侧的半導體殻罩的外部幾乎無任何電場」 之導體製作出變壓器的線圈之後，高低壓線圈即可任意加以 組合’以將短路效應滅至最低限度，此一任意混組在沒有半 導體殻罩或其他足以將電場單蔽的情況下，是不可能辦得到 本紙張適用tSJSI家梯率（CNS )以酿（210X297公隻〉 -----ΓI^---—·裝------^訂 I^ 線 ^ (請先閲請背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局負工消費合作社印装 414900 五、發明説明（$) 的，所以，那就一傳統的摻油功率髮壓器而言，是辦不到的， 因為在那些情況下，線圈的絕綠將不足以對抗存介於高低歷 線圈間的電場》 欲減少分佈電感以及為求取窗口的大小尺寸與鐵芯質 量間的最佳配合，也是可以辦得到的β 就本發明的一實施例而言，低.壓線圈之中至少有一部份 均分別細分為數小圈並聯聯結，以滅少高壓線圈敷量與低壓 線圈總數量間的差異，以促使高壓線圈與低壓線圈的混淆儘 可能地均勻化。最好，低壓線圈的每一線圈，能分為數個小 圈，彼此並聯，以使低壓線圈的總敷量與高壓線圈的數量相 等。其後高壓及低壓線圈即得以均匀混淆，以使由低壓線圈 所產生的磁場將由高壓線圈所產生的磁場全部抵消掉。 就本發明的另一有利賓施例而言，高壓線圈及低壓線圈 乃呈一棋盤狀對稱配置，如線圈的截切面所示一樣。逭就成 就一分別肇因於高、低壓線圈的磁場之有效相互抵消觀點而 言，實一極佳的配置，也正因此，就減輕線圈的短路效應的 觀黏而言，亦為一極佳的配置。 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 (#先閲讀背面之注^-事項再4-寫本頁) 再就本發明的再一有利實施例而言，至少有兩個互相毗 鄰的層體，其熱膨脹係敷大致相同，如此可防止對線圈所可 能造成的熱傷害◊ 就本發明的另一觀點而言，其所提供者係一根據申請專 利範圍第21項中所界定的功率變壓器之線圈缠繞方法。 圖式簡迷： 為將本發明作進一步的説明起見，兹藉附圖參照著若干 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） 峙、 414900 A7 ___ B7 五、發明説明（6 ) 實施例，説明如下：在附圖中， 圖1為本發明變壓器的線圈中所使用電纜的一實施例。 圖2為一傳統造型的三相髮壓器。 請先閲請背面之注t事項再**'寫本耳〕 圖3及圖4分别為本發明變壓器的高低壓線圈之不同纪置 施例的截面示意圖 圖5為髮壓器的一線圈纏繞方法示意圖。 7:固態絕缘層 12.13:聯結概柴 17*18:隔柵 27:攆件 30:高塍線圈 42:高應導體 變鏖筒 圖式中主要元件説明： y絕i:股線 6:內半導體殼 外半導體殼覃 9.10.11:鐵芯支胸 14.15.1S:同心繞線匝 26:低壓線圈 29:氣隙的隔間 40:第一筒 4S:導體（筒體〉 22:鐵心 28:高壓線圈 32:低壓線圈 44:笫二筒 本案詳細説明 參照圖3，其中所示者乃位於本發明功率變廛器的 22內的線圈截面示意圖，在兩層高壓線圈28之間夹設有〜 低歷線圈26。就此一實施例而言，變壓比率為i : 2。 經濟部中央標準局貝工消費合作社印裝 由於低壓線圈26内電流的方向與高壓線圈眯内電流 方向相反，所以高、低壓線圈電流的合成效應會局部互相抵 消》此一足以將電流所引發的效應加以衰減的可能性非常值 得注意，尤以在發生短路現象的情況下。 層片磁材的撐件27，包括形成氣隙的隔間29在内，係 位於線圈26、28之間，用以改善變歷器的效率◊ 本紙張尺度適用中國國ϋ準（CNS) A4現格（210X297公釐） 414900

五、發明説明（7) 短路效應作用力的抵消，可藉將赌㈣齡為敷個平 行並聯的小_，而得_—步_善，尤时低舉線圈的 總敷量減麟_數量㈣時^龍，舉_言，在夔歷 比是1:3的情況下，低壓線圈每一團即可分為3圈。如此 則可以更_態，.㈣、賴㈣純麻。兹將線 圈之-理想配置模式開示如圖4，其中的高、低歷線围3〇、 32乃呈-棋盤模式對稱記置。就此一實施例而言，肇因於 高、低壓線圈30、32的每—圈而生成乏磁場，大致能彼此 抵消掉，短路效應亦幾乎可完全抵消。 在將-線圈均分為若干小圈時，每一小圈的冑電區域亦 可成比例地減少，因為小圈内的電流強度的總和仍然等於原 始繞捲線圈内的電流強度。所以，在其他條件未變的前提 下，在將線圈等分時，是用不著再使用任何導電材料（一般 而言即為銅）。 圖5所示為本發明變壓器的缠繞示意圖。自其中可見有 一第一筒40其内载有一高壓導體42，另有一第二筒材内 則载有一低壓導體46。導體42、仍自筒體46、44上解 繞’轉而纏繞至一變壓筒48上，40、44、48等二筒係同 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 時同步旋轉。如此可知高、低壓導體可輕易地互栢混淆，在 不同的繞捲層之間可提供接頭部位。 就本發明變壓器而言，線圈中的磁能乃至於游離磁場可 獲衰減。阻抗值甚廣，可供選用。 本發明费壓器線圈的電氣絕緣系統的用意在處理極高 的電壓，以及在該等高壓值域時所可能產生的電氣負载及熱 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） Α7 Β7 414900 五、發明説明（δ) (請先閲讀背面之注_項再¾.寫本頁) 經濟部中央標準扃貝工消費合作社印製 負载。舉例而言，依本發明所提供的功率變歷器，其額定功 率值可大於〇.5 MVA，乃至於大於10 MVA，最好能大於3〇 MVA，甚至到達100〇 MVA，其額定電壓值可在3〜4 kV的 位準乃至於大於36 fcV，最好能大於找.5 kV，甚至到達 400〜8〇〇 kV乃至於更高的位準。在較高的工作電壓情況 下，局部漏電（PD)，對於一些已知的絕緣系統而言，足 以構成一嚴重的問題，若絕緣系統中有凹洞或孔隙存在，則 有可能產生内部電暈放電現象，導致絕緣材料的逐渐劣化， 最後甚至造成絕緣的崩潰。本發明變壓器中所使用的電氣絕 緣體上所承载的電氣負载可在確保絕緣系統之具有半導體 性質的内侧第一層維持於與其所圍繞的中夬導電材料幾乎 相同的電位，以及絕緣系統的外侧第二層處於一在控制下的 電位，即，地電位的情況下，得以減輕。如此，在此等内、 外侧之間的電氣絕緣層内所產生的電場即得以大致均匀地 沿中間㈣厚度部位而分配緣雜的此等層體内採用 具有類似的熱性質以及殆無瑕疵材料之後，局都漏電（FD) 所可能出現的機會，即可抑控於额定的工作電壓情況下而 已。如此’則變壓器的線圈可設計為可耐抗極高的工作電 壓9般而言，耐壓值可高達soo kv甚至更高的位準。 雖然電氣絕緣體以掛壓入定位成型較為理想，但若改以 緊密缠繞’互姆接_片或片材建立―電氣絲系統取而 .代之亦可，不綸是半導體層或電氣絕緣層均可依此方式製 作—麟雜可取材於-純賤合成㈣賴成的膠膜材 料’而其内、外半導_縣域其巾-錄聽聚合薄膜 本紙張尺度適用 ]ί 一 C7 D7 414900 五、創作説明（今） ~ - f，例如：PP、m、_或HDPE，其上藝覆以導電材 .(請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 料’例如1«金属讎，在各導f狀_各部份導宽 層之間再夹插一絕線層β 就搭接技補言，錄用-贿祕片，腦搭接縫隙 將小於所謂的Pasehen Minima，@此可錄錄漬處理方 法…乾型缠繞的多層薄膜缝體，其難能亦甚佳。 就另一電氣絕緣系統實施例而言，其大致上與一傳統型 織维基電嫌類似’係以-薄纖維基或合成紙或不織材料搭繞 於—導電體之上。就此伽言，位於_雜_雙侧上的半 導體層，可輯魏_或__輯料顏成且其中嵌 埋有導體粒子的不織材料。絕緣層可取同一基材製得或者亦 可使用另一材料。 、絕線系統的另一實施例，可在將膜皮與織維質絕綠材料 加以組合’製得㈣片或湘搭接的造型。此-絕緣系統的 —實例是可在市面上購得的所謂紙聚丙烯層片、 PPLP 〇 以若干其他的方式將膜皮及纖維構件加以組合，也是可 行51在這些系統中以類如礦物油可作為浸清用媒質ρ 經濟部中央梯準局貝工消費合作社印製 各紙張尺度逋用中^'通走1*投二----- ®ι冢標率（CNS)八顿洛（210x297公釐 -fl-

Claims (1)

1. Α8 Βδ CS D3 經濟部中央標隼局貝工消費合作社印製 414900 六、申請專利範園 L 一種變蘑器，其係至少由一組以上的高壓線圈以及一組 以上的低壓線圈所組成，其特徵為：上述每一線圈内均設 有一「其中納有電場圍堵組元J，但其本身可供磁場穿越 的撓性導體，且該等線圈係互相混淆，即高壓線圈可與低 壓線圈互相混淆。 2*根據申請專利範圍第I項的變壓器，其特徵為：其中所 稱的低壓線圈係缠繞成坐定於兩個相對應的相毗鄰高歷 線圈層之間的一低壓線圈層β 根據申請專利範圍第1項或第2項的變壓器，其特徵為： 其中所稱的線圈係配置於一由高壓線圈層，繼之以一低壓 線圈層，南個高壓線圈層，一個低壓線圈層，再繼之以兩 個高壓線圈層所組成的遇期性結構之内。 根據申請專利範囿第1項或第2項的變壓器，其特徵為： 至少有一部份的低壓線圈中的每一線圈，係均分成數個彼 此並聯的小圈，以減少高壓線圈數童與低壓線圈總數量間 的差異《 根據申請專利範圍第4項的變壓器，其特徵為：低壓線 圈中的每-賴料分為數量與高歷線_敷量相同的 彼此平行的小圈。 S.根據申請專利範囫第5項的變壓器，其特徵為：高壓線 圈及低歷線圈係對稱地配置成自其截切面觀之，呈一棋盤 樣型的狀態。 ' L根據申請專利範围第1項或第2項的變壓器，其特徵為： 其中所稱的導體組元，係由電導性中央部位，一在該電導 本紙張尺度適用中國因家樣率（CNS ) Α4洗格（210 X 297公釐）

   414900 六、申請專利範圍

   =1=位周圍具有半導體作用的第一廣，-在镇 層的周_提供_態絕綠廣 圍具有半導體作用 構成15 經 ★ 央 標 準 局 Ά 工 消 合 作 社 印 % 8.根據申請專利範園第7項 稱的第一層的電位大致上與電導體的電位相间為：其中所 根據申請專利範圍第？項的變壓器， 稱的第二·配置成-在前魏導體_=中所 致上為等電位的表面。 立有一大 10·根據㈣專魏圍第9 _龍器，其特 稱的第—層乃連接至一事先設定的電位上。’中所 11·根據Ψ請專職_U)韻赌器，騎徵為 稱的事先設定的電位係指地電位。 、 I2.根據申請專利範圍第7項的變壓器，其特徵為：至少有 兩個相毗鄰的層體，其熱膨脹係數大致相同。 11根據申讀專利範圍第7項的變壓器.，其特徵為：其中所 稱的中央導體組元係由數串股線所組成，且其中只有少數 的股線是彼此形成電氣接觴β I4,根據申請專利範圍第7項的變壓器，其特徵為：其中所 稱的三層的每一層均大致上沿整個接繽表面而固接至相 毗鄰的其他兩層上》 π.根據申請專利範圍第7項的變壓器，其特徵為：其中所 稱的電導體内亦設有一金屬罩蔽及一鞘β 16*根據申讀專利範圍第7項的變歷器，其特徵為：中央導 本纸張尺度逋用中國國家揉半（CNS ) Α4规格（210X297公羡） 414900 A8 B3 C8 D8 經濟部中夬標牟局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 體組元的截面積乃在80〜3000 mm2之間。 17. 根據申請專利範圍第7項的變壓器，其特徵為：其中所 稱的導體外徑之值乃在20〜250 _之間。 18. 根據申請專利範圍第1項或第2項的费壓器，其特徵為： 其中所稱的層片磁材的撐體（27)，係位於線圈之間◊- 19. 根據申請專利範圍第1項或第2項的變壓器，其特徵為： 其中所稱的將電場圍堵於其中的組元，其設計的耐歷輻 度，至少在10kV以上，甚至是在36 kV以上，最好是在 72.5 kV以上乃至於極高的傳輪電壓位準，例如400 kV 至800 kV或更高的電壓。 20. 根據申請專利範圍第1項或第2項的毖壓器，其特徵為： 其中所稱的電場圍堵組元，其設計的功率範圍乃在0.5 MVA以上，最好能在30MVA以上，甚至於高到1000MVA。 21. —種變壓器的線圈缠繞方法，其步驟包括同時纏繞其內 設有電場圍堵組元，但又可由磁場穿透的高、低壓撓性導 體，以使高壓線圈及低壓線圈互相缠繞混淆。· 22. 根據申請專利範圍第項的方法，其特徵為：高壓及低 壓導體乃分別同時從各自的筒體上解繞，然後再缠繞至一 變壓器筒體上。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家揉率（CNS ) Μ规格（210X：2M公釐）