TWI427650B - 功率變壓器 - Google Patents

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TWI427650B
TWI427650B TW099127195A TW99127195A TWI427650B TW I427650 B TWI427650 B TW I427650B TW 099127195 A TW099127195 A TW 099127195A TW 99127195 A TW99127195 A TW 99127195A TW I427650 B TWI427650 B TW I427650B
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Description

功率變壓器
本發明大致係關於功率變壓器中包含之絕緣系統。本發明亦大致關於包括上述絕緣系統之功率變壓器的製造方法。
當前可取得的高壓、充液功率變壓器利用充滿介電性流體之纖維素系絕緣材料。更明確地,上述絕緣系統包括配置於下列間之纖維素系材料:轉折之間、盤狀物與片段之間、層之間、線圈之間、及高電壓部件與接地電位部件(諸如,核心、結構件與槽)之間。
為了進行運作,當前可取得的變壓器通常包括含水量低於0.5%重量百分比之絕緣材料。然而,由於纖維素天生會吸收3與6之間重量百分比的水分,通常在纖維素適用於功率變壓器之前在真空下執行相當昂貴的加熱處理。即便按照上述之加熱/真空處理,當纖維素老化(即,隨著時間降解)時,最終如同酸一般形成水分,這會促進老化進程。
由於纖維素老化速度係取決於溫度,當前可取得的功率變壓器之正常運作溫度係105℃或更低。有鑒於相同原因,上述變壓器之最大運作溫度係120℃或更低。由於較高電流產生較高溫度,當傳送更多功率時,得到較高損失。因此,纖維素系絕緣系統限制功率變壓器之運作效率。
至少因為上述原因,樂見具有較不受老化影響的高壓、充液功率變壓器。亦樂見具有較高的正常運作溫度與最大運作溫度之高壓、充液功率變壓器,因為這可減少存放變壓器所需之物理空間。
本發明之一或多個實施例可很大程度上地達到上述需求。根據一上述實施例,提供功率變壓器。功率變壓器包括第一功率變壓器部件、第二功率變壓器部件、及配置於第一功率變壓器部件與第二變壓器部件間之冷卻流體。流體係經選擇以在功率變壓器運作過程中冷卻第一功率變壓器部件與第二變壓器部件。功率變壓器亦包括固體複合結構,其配置於第一功率變壓器部件與第二變壓器部件之間。尤其在功率變壓器運作過程中,冷卻流體接觸複合結構。複合結構本身包括具有第一外表面之第一基底纖維件及具有第二外表面之第二基底纖維件。此外,複合結構亦包括固體結合材料,黏附至第一外表面之至少一部分並黏附至第二外表面之至少一部分,藉此將第一基底纖維件結合至第二基底纖維件。
根據本發明另一實施例,提供製造功率變壓器之方法。方法包括將具有第一熔化溫度之結合材料置於具有第二熔化溫度之第一基底纖維件與第二基底纖維件之間。方法亦包括將結合材料、第一基底纖維件與第二基底纖維件壓縮在一起。方法更包括在壓縮步驟過程中加熱結合材料、第一基底纖維件與第二基底纖維件至一高於第一熔化溫度但低於第二熔化溫度之溫度,藉此形成複合結構。此外,方法亦包括將複合結構配置於第一功率變壓器部件與第二功率變壓器部件之間。方法亦包括在配置步驟後以冷卻流體充滿複合結構。
根據本發明又一實施例,提供另一功率變壓器。此另一功率變壓器包括在功率變壓器中執行第一功能的構件、在功率變壓器中執行第二功能的構件、及冷卻功率變壓器之構件。在功率變壓器運作過程中,冷卻構件通常配置於執行第一功能的構件與執行第二功能的構件之間。此外,此另一變壓器亦包括絕緣功率變壓器的構件,其中絕緣構件係配置於執行第一功能的構件與執行第二功能的構件之間。一般而言,冷卻構件接觸絕緣構件。絕緣構件本身包括提供具有第一外表面之結構的第一構件及提供具有第二外表面之結構的第二構件。絕緣構件亦包括固體構件,黏附至第一外表面至少一部分與第二外表面至少一部分,藉此將提供結構之第一構件結合至提供結構之第二構件。
因此已經相當概括地略述本發明某些實施例以便可更清.楚地理解其之詳細描述,並可更好地理解本發明對技術之貢獻。當然,下方將描述本發明之額外實施例並構成附屬之申請專利範圍的主體。
此態樣中,在詳細解釋本發明至少一實施例之前,可理解本發明不限於下述提出或附圖繪出之構造細節與部件配置應用。本發明能夠實現除了描述以外之實施例並可以不同方式執行與完成。再者,可理解本文及摘要所用之詞組與詞彙係用於描述而不應視為限制因素。
因此,熟悉技術人士可理解此揭露根據之概念可輕易用來作為設計其他執行本發明不同目的之結構、方法與系統之基礎。因此,重要的是在上述等效構造不悖離本發明之精神與範圍時,其被視為包含於申請專利範圍中。
現將參照附圖來描述本發明之實施例,其中相同的元件符號代表相同的部件。第1圖係根據本發明實施例之高壓、充液功率變壓器10的剖面透視圖。如第1圖所示,變壓器10包括多個變壓器部件,其均具有絕緣物配置於其間與/或周圍。更明確地,變壓器10包括電流變壓器(CT)支撐件12、支撐塊14、鎖定帶16、線圈圓筒18、導線支撐件20、根部間隔件22與末端塊24(為了清楚之故,第1圖並無繪示絕緣物)。
運作中,冷卻流體(例如,電性或介電性絕緣流體,諸如環烷礦物油、石蠟系礦物油,包括異鏈烷烴、合成酯類與自然酯類(例如,FR3TM ))在變壓器部件12、14、16、18、20、22、24之間流動並接觸上方提及之絕緣物,且通常至少某些流過其中(再度說明,為了清楚之故,第1圖並無繪示冷卻流體)。冷卻流體係經選擇以不僅在變壓器10運作過程中冷卻變壓器10中之部件,且亦物理上承受變壓器10運作過程中存在於變壓器10中之狀況(諸如,溫度水平、電壓與電流水平等等)。再者,冷卻流體係經選擇而對變壓器部件與絕緣物(配置於這些部件之間)為化學惰性的。
第2圖包括根據本發明實施例之複合結構26的透視圖,複合結構26可用於作為第1圖所示之變壓器10的上述絕緣系統的部分。第2圖所示之複合結構包括一組基底纖維件30,其各自具有外表面32並具有黏附至其之固體結合材料護套34。兩個結合材料謢套34本身彼此結合,因此將兩個基底纖維件30結合在一起。
雖然較小與較大的尺寸亦位於本發明之範圍中,但第2圖所示之各個基底纖維件30的直徑通常為微米層級而各個基底纖維件30之長度通常為毫米或公分層級。因此,將數千個或甚至百萬個上述基底纖維件30結合在一起以形成上述之絕緣系統。絕緣系統一旦形成後,接著將其配置於第1圖所示之變壓器10的不同部件之間。由於結合材料34並不形成連續基質,上述之冷卻流體能夠充滿並至少某種程度地流過複合結構26。
第3圖包括根據本發明另一實施例之複合結構28的透視圖,複合結構28亦可作為第1圖所示之變壓器10之絕緣系統的部分。雖然第2圖所示之複合結構26具有僅圍繞一基底纖維件30並沿著其長度形成護套之結合材料34,但第3圖之複合結構28所示之結合材料34可圍繞複數個基底纖維件30並沿著其長度形成護套。第2圖所示之複合結構26的一優點為複合結構26通常相當容易製造。然而,第3圖所示之複合結構28通常具有較高的機械強度。
第4圖包括根據本發明又一實施例之複合結構36的透視圖,複合結構36亦可作為第1圖所示之變壓器10之絕緣系統的部分。相對於第2圖與第3圖所示之複合結構26、28中形成的謢套而言,第4圖所示之複合結構36中之結合材料34為微粒形式,其可結合至兩或多個基底纖維件30。雖然上述之複合結構均可讓變壓器冷卻流體實質上完全地充滿複合結構,但第4圖所示之複合結構36通常包括最高程度的多孔性。然而,其餘兩個複合結構26、28通常具有較高的機械強度。
一旦執行本發明一或多個實施例之後,根據本發明之基底纖維件30可由熟悉技術人士理解之任何材料所構成。舉例而言,某些第2-4圖所示之基底纖維件30包括短纖維(staple fiber)材料(例如,自然材料,諸如原棉、羊毛、大麻或亞麻)。然而,第2-4圖所示之基底纖維件30包括相當高熔點的熱塑性材料。舉例而言,某些所述之基底纖維件包括一或多個聚乙烯對苯二甲酸酯(PET)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚亞醯胺(PEI)、聚萘二甲酸乙二酯(PEN)與聚醚碸(PES)。
根據本發明某些實施例,基底纖維件30係由在變壓器10最大運作溫度下機械與化學穩定的材料/合成物/合金所構成。再者,為了根據本發明某些實施例隨後描述之製造功率變壓器方法過程中顯而易見之原因,基底纖維件30係由在結合材料34熔化溫度下機械與化學穩定的材料/合成物/合金所構成。
如同基底纖維件30般,結合材料34可為熟悉技術人士一旦執行本發明一或多個實施例之後可理解的任何材料所構成。然而,第2-4圖所示之結合材料34包括非晶與結晶熱塑性材料的至少一者,其在接觸上述冷卻流體時為機械與化學穩定的。舉例而言,根據本發明某些實施例,固體結合材料34包括下列至少一者:聚乙烯對苯二甲酸酯共聚物(CoPET)、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)與拉開的聚苯硫醚(PPS)。
根據本發明之變壓器中基底纖維件30與結合材料34的相對重量或體積百分比上,不設有特定限制。然而,根據本發明某些實施例,複合結構(作為第1圖所示之變壓器10的絕緣體)中基底纖維件30與所有固體結合材料34的重量比例係在約8:1與約1:1之間。再者,雖然其他密度係位於本發明之範圍中,但第1圖所示之變壓器10所包含之固體複合結構(諸如,複合結構26、28、36)的密度在約0.5 g/cm3 與約1.10 g/cm3 之間。再者,根據本發明某些實施例,固體結合材料34及基底纖維件30中之材料係經選擇以具有實質相似於變壓器10中所用之冷卻流體的介電性特徵。
第5圖係流程圖38,其描繪根據本發明實施例之功率變壓器(例如,變壓器10)之製造方法的步驟。如第5圖所示,方法之第一步驟40指明將具有第一熔化溫度之結合材料(例如,結合材料34)配置於具有第二熔化溫度之第一基底纖維件(例如,第2圖所示之頂部基底纖維件30)與第二基底纖維件(例如,第2圖所示之底部基底纖維件30)之間。在實施此配置步驟40時,舉例而言,結合材料可形成圍繞纖維件之完全或部分謢套或者為纖維件之間的微粒。根據本發明某些實施例,藉由共同擠出結合材料與基底纖維件來實施此配置步驟,藉此圍繞基底纖維件之一部分來形成護套。再者,可共同擠出多個纖維件與結合材料以形成例如第3圖所示之結構。
第5圖所示之流程圖38的步驟42指明將結合材料、第一基底纖維件與第二基底纖維件壓縮在一起。接著,步驟44指明在壓縮與拉伸步驟過程中加熱結合材料、第一基底纖維件與第二基底纖維件至高於第一熔化溫度(即,結合材料之熔化溫度)但低於第二熔化溫度(即,基底纖維件之熔化溫度)的溫度,藉此形成複合結構(諸如,第2-4圖所示之任何複合結構26、28、26)。根據本發明某些實施例,壓縮步驟42與加熱步驟44造成密度在約0.5 g/cm3 與約1.1.0 g/cm3 間之複合結構。然而,這些步驟42、44可經修改以致其他密度亦位於本發明之範圍中。亦應當注意的是,根據本發明某些實施例,壓縮步驟42除了提高複合結構之整體密度外,亦可拉伸複合結構中所含的某些纖維件(例如,基底纖維件30)。此拉伸作用有時會造成複合結構中結晶度的提高,這在某些實例中係有益的。
一旦已經形成複合結構後,如流程圖38之步驟46所指明般將複合結構配置於第一功率變壓器部件與第二變壓器部件之間。舉例而言,可將流程圖38所指之複合結構配置於任何或所有下列元件之間:第1圖所示之電流變壓器(CT)支撐件12、支撐塊14、鎖定帶16、線圈圓筒18、導線支撐件20、根部間隔件22與/或末端塊24。因此,根據本發明某些實施例,壓縮步驟42與加熱步驟44實施之方式可形成易於插入功率變壓器10且插入功率變壓器之上述部件間的形狀。
配置步驟46之後,步驟48指明以冷卻流體充滿複合結構。如上所述,舉例而言,冷卻流體可為電性或介電性絕緣流體。由於根據本發明某些實施例之複合結構具有相對開放結構(諸如,第2圖與第3圖所示之複合結構26、28任一者或第4圖所示之複合結構36),充滿步驟48可包括以冷卻流體實質上完全地充滿複合結構。相對於冷卻流體較不易進入絕緣系統部分之結構而言,此提供較佳的介電性特性。
流程圖38所包含之最終步驟係步驟50,其指明挑選結合材料及第一基底纖維件中之材料以具有實質上相似於冷卻流體之那些介電性特徵。上述介電性相容材料的挑選可讓根據本發明之功率變壓器更有效地運作。
如熟悉技術人士一旦執行本發明一或多個實施例後可理解般,上述之設備與方法提供許多優點。舉例而言,上述之絕緣系統可讓功率變壓器在較高溫度下運作。實際上,根據本發明某些實施例,可取得在155℃與180℃間之運作溫度範圍,但這些溫度範圍非為本發明之限制因素。由於較高的運作溫度降低功率變壓器之尺寸需求,針對特定應用而設計之本發明變壓器可小於當前可取得的變壓器,藉此僅需要較少的材料並降低形成/製造變壓器的所有成本。
由於本發明某些功率變壓器之絕緣與冷卻的提高,相對於當前可取得的變壓器而言,物理佔地面積較小之變壓器可提供較多的兆伏安(MVA)(即,電功率)。再者,由於上述絕緣系統中部件的新穎組合,本發明某些變壓器降低因為熱過載而可能危害變壓器可靠性的可能性。此外,相對於當前可取得的系統而言,上述之絕緣系統的新穎結構使其更能夠保留其之可壓縮特徵(即,蔓延較少且不需要再度繃緊)。
由詳細的說明書可理解本發明許多特徵與優點,因此,意圖由隨附之申請專利範圍涵蓋位於本發明之真實精神與範圍中的所有本發明上述特徵與優點。再者,既然熟悉技術人士可輕易相到多種修改與變化,並不希望將本發明限制成所述與所繪之精確結構與運作,因此,可依靠所有落於本發明範圍中之適當修改與等效物。
10...變壓器
12...電流變壓器(CT)支撐件
14...支撐塊
16...鎖定帶
18...線圈圓筒
20...導線支撐件
22...根部間隔件
24...末端塊
26、28、36...複合結構
30...基底纖維件
32...外表面
34...護套
38...流程圖
40、42、44、46、48、50...步驟
第1圖係根據本發明實施例之高壓、充液功率變壓器的剖面透視圖。
第2圖包括根據本發明實施例之複合結構的透視圖,複合結構可作為第1圖所示之變壓器之絕緣系統的部分。
第3圖包括根據本發明另一實施例之複合結構的透視圖,複合結構可作為第1圖所示之變壓器之絕緣系統的部分。
第4圖包括根據本發明又一實施例之複合結構的透視圖,複合結構可作為第1圖所示之變壓器之絕緣系統的部分。
第5圖係流程圖,描繪根據本發明實施例之功率變壓器的製造方法的步驟。
26...複合結構
30...基底纖維件
32...外表面
34...護套

Claims (13)

  1. 一種功率變壓器,包括:一第一功率變壓器部件;一第二功率變壓器部件;一冷卻流體,配置於該第一功率變壓器部件與該第二變壓器部件之間,以在該功率變壓器運作過程中冷卻該第一功率變壓器部件與該第二變壓器部件;及一固體複合結構,配置於該第一功率變壓器部件與該第二變壓器部件之間且接觸該冷卻流體,該複合結構包括:一第一基底纖維件,具有一由固體結合材料之一護套黏附之外表面;及一第二基底纖維件,具有一由固體結合材料之一護套黏附之外表面;其中該第一基底纖維件與該第二基底纖維件由該些護套結合在一起。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之功率變壓器,其中該第一基底纖維件包括一高熔點熱塑性材料。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之功率變壓器,其中該第一基底纖維件包括聚乙烯對苯二甲酸酯(PET)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚亞醯胺(PEI)、聚萘二甲酸乙二酯(PEN)及聚 醚碸(PES)至少一者。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之功率變壓器,其中該第一基底纖維件在該變壓器之最大運作溫度下與在該結合材料之熔化溫度下係穩定的。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之功率變壓器,其中該固體複合結構的密度在約0.5g/cm3 與約1.10g/cm3 之間。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之功率變壓器,其中該第一基底纖維件包括一短纖維(staple fiber)材料。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之功率變壓器,其中該固體結合材料包括一非晶與一結晶熱塑性材料之至少一者,其在接觸該冷卻流體時係穩定的。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之功率變壓器,其中該固體結合材料包括聚乙烯對苯二甲酸酯共聚物(CoPET)、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)與拉開的聚苯硫醚(PPS)至少一者。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之功率變壓器,其中該固體結合材料及該第一基底纖維件中之材料的介電性特徵係實質相似於該冷卻流體之那些介電性特徵。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之功率變壓器,其中該固體複合結構係實質上完全地由該冷卻流體所充滿。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之功率變壓器,其中該複合結構中所有基底纖維件與所有固體結合材料的重量比例係在約8:1與約1:1之間。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之功率變壓器,其中該第一基底纖維件包括複數個個別的纖維件而該第二基底纖維件包括複數個個別的纖維件。
  13. 一種功率變壓器,包括:一第一功率變壓器部件;一第二功率變壓器部件;一冷卻流體,配置於該第一功率變壓器部件與該第二變壓器部件之間,以在該功率變壓器運作過程中冷卻該第一功率變壓器部件與該第二變壓器部件;及一固體複合結構,配置於該第一功率變壓器部件與該第二變壓器部件之間且接觸該冷卻流體,該複合結構包括:一第一基底纖維件,一第二基底纖維件,及一固體結合材料,該固體結合材料形成數個連 結至該第一基底纖維件與該第二基底纖維件的微粒。
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