專利名稱：：用于變壓器的絕緣系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明一般地涉及用于電機(jī)器和機(jī)器繞組的絕緣系統(tǒng)，且更特定地涉及具有非線性介電屬性的絕緣系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：電機(jī)器和設(shè)備，例如發(fā)電機(jī)、馬達(dá)、促動(dòng)器、變壓器等，經(jīng)常受不同的電的、機(jī)械、熱的和環(huán)境應(yīng)力的影響。這樣的應(yīng)力趨向于退化他們，從而減少他們的壽命。在一個(gè)示例中，電力在變壓器鋼芯中斷開后，由于剩磁保持靜態(tài)磁場(chǎng)。當(dāng)電力進(jìn)一步再施加時(shí)，殘余場(chǎng)導(dǎo)致高的突入電流直到剩磁效應(yīng)減少，經(jīng)常在施加交流電幾個(gè)周期后。在可以導(dǎo)致鋼芯飽和和變壓器保護(hù)設(shè)備錯(cuò)誤操作的太陽(yáng)風(fēng)暴期間，變壓器中連接到長(zhǎng)高架電力傳輸線的過電流保護(hù)設(shè)備例如保險(xiǎn)絲不能保護(hù)變壓器免受由于地磁干擾引起的感應(yīng)電流影響。已經(jīng)通常地觀察到，前述設(shè)備中的絕緣件惡化是他們失效中的主要因素。用于電機(jī)器例如發(fā)電機(jī)、馬達(dá)和變壓器的絕緣系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行持續(xù)的發(fā)展以改善機(jī)器性能。電絕緣件中一般使用的材料包括聚酰亞胺膜、環(huán)氧玻璃纖維復(fù)合物和云母帶。絕緣材料一般需要具有能夠忍受電機(jī)器的不同電的苛刻條件例如閃電和切換浪涌的機(jī)械和物理屬性。此外，絕緣系統(tǒng)的一些希望的屬性包括忍受極端的操作溫度變化和長(zhǎng)的設(shè)計(jì)壽命。前述絕緣材料具有基本恒定的介電常數(shù)，其基于他們各自復(fù)合物擊穿強(qiáng)度保護(hù)他們免受電傳導(dǎo)影響。然而，某些因素例如操作溫度、環(huán)境、電壓應(yīng)力、熱循環(huán)和來自閃電和切換的電壓浪涌在長(zhǎng)時(shí)間周期惡化絕緣材料，從而減少他們的使用或者操作壽命。因此，希望提供能夠解決前述問題且滿足工業(yè)應(yīng)用的當(dāng)前需求的絕緣系統(tǒng)。
發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供變壓器。變壓器包括磁芯，其包括具有至少一個(gè)開口的多個(gè)疊置的堆疊。變壓器也包括繞組，其包括通過至少一個(gè)開口圍繞磁芯的導(dǎo)電材料且由具有作為電壓的函數(shù)變化的介電常數(shù)的絕緣層環(huán)繞。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供用于在變壓器中形成絕緣系統(tǒng)的方法。該方法包括圍繞繞組的至少部分布置絕緣層，絕緣層具有作為電壓的函數(shù)變化的介電常數(shù)。當(dāng)參見附圖閱讀以下詳細(xì)的說明書時(shí)，本發(fā)明的這些和其他的特征、方面和優(yōu)勢(shì)將變得更好理解，其中相同的附圖標(biāo)記貫穿附圖代表相同的部件，其中圖1為根據(jù)本發(fā)明包括帶有繞組的磁芯的變壓器的透視圖，繞組采用非線性或變化電介質(zhì)材料作為絕緣件；圖2為圖1中圖示繞組中的多個(gè)臣的變壓器的垂直截面圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明在圖2中采用的非線性電介質(zhì)絕緣系統(tǒng)的截面圖；圖4為經(jīng)歷電應(yīng)力的圖2的繞組的角部示意圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明對(duì)于不帶有和帶有填充物的聚偏二氟乙烯膜的介電常數(shù)作為電場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)的圖解比較，其所有可用于電機(jī)器和與繞組使用；和圖6為圖4中圍繞角部的電場(chǎng)強(qiáng)度的圖形圖示。具體實(shí)施方式如以下詳細(xì)討論的，本發(fā)明的實(shí)施例包括使用非線性或者變化介電屬性材料的絕緣系統(tǒng)。如在此使用的，術(shù)語(yǔ)"非線性"指的是介電常數(shù)隨電壓的非均勻變化。在此披露的絕緣系統(tǒng)可以用于操作在高電壓的機(jī)器，例如但不限于變壓器。絕緣系統(tǒng)包括固有的適應(yīng)屬性，使得在機(jī)器絕緣件經(jīng)歷高的電應(yīng)力的位置處非線性電介質(zhì)的介電常數(shù)增加且提供對(duì)機(jī)器的希望的電氣保護(hù)。通過電應(yīng)力平滑且局部電場(chǎng)強(qiáng)度減少獲得電氣保護(hù)?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)向附圖，圖1為包括箱12的變壓器IO的透視圖。在圖示實(shí)施例中，變壓器10為三相殼工(shell-core)變壓器。在另一實(shí)施例中，變壓器10可以為單相變壓器。變壓器10包括磁芯14，具有第一芯段16和第二芯段18,其具有至少一個(gè)開口20且彼此相鄰布置。在特定實(shí)施例中，第一芯段16和第二芯段18可以各包括三個(gè)開口20。第一芯段16和第二芯段18也可以包括多個(gè)重疊的疊置的堆疊22。在特定實(shí)施例中，疊置的堆疊22可以包括由金屬，例如但不限于鋼制成的疊置的堆疊。變壓器10可以進(jìn)一步包括電氣繞組相24、26和28。每個(gè)電氣繞組相24、26和28可以包括多個(gè)繞組30，其由非線性電介質(zhì)層(未顯示)絕緣且彼此相鄰堆疊。繞組30可以通過開口32和開口20環(huán)繞第一芯段16和第二芯段18。圖2為圖1中圖示繞組30的變壓器10的垂直截面圖。繞組30可以包括導(dǎo)電材料，其螺旋型地纏繞以形成多個(gè)匝36、38和40。在特定實(shí)施例中，使用的導(dǎo)電導(dǎo)線一般為磁體導(dǎo)線。磁體導(dǎo)線為帶有清漆涂層或者一些其他合成涂層的銅導(dǎo)線。在非限制性示例中，取決于功率和應(yīng)用，匝的數(shù)量可以在大約一些到大約幾千個(gè)之間的范圍內(nèi)變化。圖3為圖2中繞組30的截面圖。參見圖2，每個(gè)匝36、38和40分別包括外部束42、44和46。類似地，匝36、38和40分別包括內(nèi)部束48、50和52。束42和48在每個(gè)匪36中布置成一排束，從而多個(gè)匪36、38和40可以布置為平行排列。非線性電介質(zhì)絕緣層54可以圍繞每個(gè)外部束42、44和46應(yīng)用。類似地，非線性電介質(zhì)絕緣層54可以圍繞每個(gè)內(nèi)部束48、50和52應(yīng)用。此外，非線性電介質(zhì)絕緣層56可以在匝36、38和40之間應(yīng)用。在當(dāng)前預(yù)期的實(shí)施例中，非線性電介質(zhì)絕緣層54和56的介電常數(shù)隨電壓或局部電場(chǎng)增加。在特定實(shí)施例中，非線性電介質(zhì)絕緣件可以包括玻璃布(glasscloth)、環(huán)氧粘合劑、云母紙和尺寸為從至少大約5nm范圍的填充物的混合復(fù)合物。填充物的一些非限制性示例可以包括微米填充物和納米填充物。如上述，這樣的填充物可以包括鋯酸鉛、鉿酸鉛、鋯鈦酸鉛、鑭摻雜鋯錫鈦酸鉛、鈮酸鈉、鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鋇鍶和鈮酸鉛鎂。在另一示例中，非線性電介質(zhì)絕緣件可以包括聚醚酰亞胺、聚乙烯、聚酯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、和聚偏二氟乙烯共聚物。云母的一些非限制性示例可以包括白云母、金云母、鋇鐵脆云母、鐵云母、黑云母和bityte。玻璃布可以具有變化數(shù)量的織造密度。玻璃布的一些非限制性示例在以下表1中列出。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>已經(jīng)列出不同織造密度、重量、厚度和強(qiáng)度的玻璃布。玻璃布的第一示例屬于平紋織造的具有經(jīng)紗支數(shù)60和重量33g/m2的1076玻璃纖維類型。類似地，其他示例包括1070、6060、1080、108、1609和1280玻璃纖維類型。玻璃纖維充當(dāng)絕緣系統(tǒng)的機(jī)械支撐件且也增加無機(jī)含量到復(fù)合物，其改善最終復(fù)合物系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)率。云母充當(dāng)復(fù)合物的主要絕緣件。環(huán)氧粘合劑為復(fù)合物絕緣系統(tǒng)僅有的有機(jī)部分且充當(dāng)膠以將系統(tǒng)保持在一起。此外，非線性填充物提供對(duì)絕緣系統(tǒng)的非線性響應(yīng)，也改善復(fù)合物的熱傳導(dǎo)率?？梢栽谕獠渴?2、44和46和內(nèi)部束48、50和52的邊緣處經(jīng)歷電場(chǎng)應(yīng)力。在變壓器操作期間，也存在在匝36、38和40的角部處測(cè)量的高度電場(chǎng)應(yīng)力。非線性電介質(zhì)絕緣層54和56允許更均勻的電場(chǎng)分布且減輕經(jīng)歷高電應(yīng)力的區(qū)域。有幾個(gè)方式將填充物合并到絕緣件復(fù)合物中。一些非限制性的示例包括填充物和聚合體的擠壓，形成填充的聚合體系統(tǒng)；填充物和聚合體的溶劑分散，隨后溶劑蒸發(fā)，形成膜；和使用絲網(wǎng)印刷或者浸漬涂層技術(shù)，以將填充物合并到玻璃布的經(jīng)紗和綽紗纖維的交叉點(diǎn)。此外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)填充物和玻璃纖維的硅烷處理，例如但不限于3-環(huán)氧丙基氧丙基三甲氧基硅烷對(duì)希望的填充物粘附到玻璃布和最終復(fù)合物結(jié)構(gòu)是重要的。填充物合并方法的選擇取決于絕緣復(fù)合物的最終結(jié)構(gòu)。在一個(gè)示例中，填充的聚合體膜通常使用擠壓或者溶劑分散。在另一實(shí)施例中，云母帶、玻璃布和環(huán)氧樹脂在玻璃布技術(shù)上通常使用絲網(wǎng)印刷或者浸漬涂層。圖4為在圖2中繞組30中壓36的角部60處經(jīng)歷的電場(chǎng)應(yīng)力的示范性示意圖。參見圖3,角部60可以包括非線性電介質(zhì)絕緣層56。角部60為操作期間在匝36上遭受最大電場(chǎng)應(yīng)力的區(qū)域。希望減少電應(yīng)力。電應(yīng)力的減少可以增加變壓器的額定電壓。參見圖3,非線性電介質(zhì)絕緣層56在角部60處均勻地分布電場(chǎng)，從而最小化由于電場(chǎng)不均勻分布發(fā)生的應(yīng)力。當(dāng)電場(chǎng)應(yīng)力在角部60處增加時(shí)，非線性電介質(zhì)層56相應(yīng)地調(diào)節(jié)，從而提供圍繞角部60的比如果使用常規(guī)均勻介電強(qiáng)度材料將出現(xiàn)的更均勻的電場(chǎng)分布62，從而保護(hù)匝36免受潛在的電的損害。在本發(fā)明的另一圖示實(shí)施例中，提供在變壓器中形成絕緣件的方法70。在步驟72中，具有作為電壓或者電場(chǎng)的函數(shù)變化的介電常數(shù)的絕緣層可以圍繞繞組的至少部分布置。在特定實(shí)施例中，絕緣層可以圍繞繞組的角部布置。在另一實(shí)施例中，絕緣層可以在繞組中的多個(gè)束之間布置。在另一實(shí)施例中，絕緣層可以由云母、環(huán)氧樹脂、玻璃布和陶瓷填充物制成。在又一實(shí)施例中，玻璃布和陶瓷填充物可以用硅烷涂層。在當(dāng)前預(yù)期的實(shí)施例中，陶瓷填充物可以經(jīng)由絲網(wǎng)印刷或者浸漬涂層技術(shù)接附到玻璃布。示例以下示例僅為圖示性的且不應(yīng)該理解為限制要求的本發(fā)明的范圍。圖5為對(duì)于不帶有填充物和帶有填充物的聚偏二氟乙烯(PVDF)膜的介電常數(shù)作為電場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)的圖解比較90。X-軸線92代表電場(chǎng)強(qiáng)度，單位kV/mm。Y-軸線94代表PVDF膜的介電常數(shù)。曲線96代表不帶有填充物的PVDF膜的介電常數(shù)?？梢钥闯觯殡姵?shù)作為電場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)并不顯著地變化。曲線98代表帶有20%體積百分比微束鋯酸鉛填充物的PVDF膜的介電常數(shù)。類似地，曲線100、102和104分別代表對(duì)于帶有20%體積百分比納米鋯酸鉛填充物、40%體積百分比微米鋯酸鉛填充物和40y。體積百分比納米鋯酸鉛填充物的PVDF膜的作為電場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)的介電常數(shù)?？梢杂^察到，在40%體積百分比納米鋯酸鉛填充物的情況中，介電常數(shù)作為電場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)從大約30顯著地增加到大約80峰值。因此，PVDF膜中的納米填充物的添加增加介電常數(shù)隨電場(chǎng)的變化且提高絕緣系統(tǒng)對(duì)電場(chǎng)應(yīng)力中的波動(dòng)的適應(yīng)性。圖6為圖4中角部60處作為離圖2中具有非線性電介質(zhì)絕緣層的導(dǎo)體如匪36的距離的函數(shù)的電場(chǎng)輪廓的圖形圖示110。X-軸線112代表離臣36通過非線性電介質(zhì)絕緣層的距離，單位mm。Y-軸線114代表電場(chǎng)強(qiáng)度，單位kV/mm。從曲線116可以看出，電場(chǎng)隨離匝36的距離穩(wěn)定在10kV/mm。在靜電學(xué)中，介電常數(shù)和電場(chǎng)的乘積取決于介質(zhì)的電位差和介電屬性。如果介電常數(shù)保持恒定，由于它的相對(duì)小的面積，鄰近電傳導(dǎo)元件的表面上的局部電場(chǎng)將非常高。電場(chǎng)然后減少且在為地電位的絕緣件的最外表面達(dá)到最小值。然而，如果介電常數(shù)允許隨電場(chǎng)增加，這種補(bǔ)償效應(yīng)將迫使通過整個(gè)材料的均勻性，如顯示的。因此，非線性電介質(zhì)絕緣層在導(dǎo)體內(nèi)提供通常均勻的場(chǎng)分布，消除或者減少對(duì)導(dǎo)體的電損害的可能性。有利地，上述絕緣系統(tǒng)和方法能夠在變壓器中抑制脈動(dòng)電壓和突發(fā)的電流浪涌。此外，瞬態(tài)電壓的抑制確保變壓器操作的更長(zhǎng)的壽命時(shí)間。這種絕緣系統(tǒng)的使用也有助于照顧前述的因素而沒有變壓器尺寸的顯著增加。盡管僅在此圖示和描述本發(fā)明的某些特征，本領(lǐng)域中技術(shù)人員將想到許多修改和改動(dòng)。因此，需要理解的是，附上的權(quán)利要求書想要覆蓋落入到本發(fā)明真實(shí)精神內(nèi)的所有這樣的修改和改動(dòng)。零件列表變壓器10箱12磁芯14第一芯段16第二芯段18芯中的開口20疊置的堆疊22繞組相24繞組相26繞組相28繞組30繞組中的開口32匪36匪38臣40外部束42外部束44外部束46內(nèi)部束48內(nèi)部束50內(nèi)部束52非線性電介質(zhì)絕緣層54非線性電介質(zhì)絕緣層56角部60電場(chǎng)分布62在變壓器中形成絕緣件的方法70圍繞繞組的至少部分布置絕緣層，該絕緣層具有作為電壓的函數(shù)變化的介電常數(shù)72對(duì)于不帶有填充物和帶有填充物的聚偏二氟乙烯(PVDF)膜的介電常數(shù)作為電場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)的圖解比較90代表電場(chǎng)強(qiáng)度單位為kV/mm的X-軸線92代表PVDF膜的介電常數(shù)的Y-軸線94不帶有填充物的PVDF膜的介電常數(shù)96帶有20%微米鋯酸鉛填充物的PVDF膜的介電常數(shù)98帶有20%納米鋯酸鉛填充物的PVDF膜的作為電場(chǎng)強(qiáng)度函數(shù)的介電常數(shù)100帶有40%微米鋯酸鉛填充物的PVDF膜的作為電場(chǎng)強(qiáng)度函數(shù)的介電常數(shù)102帶有40%納米鋯酸鉛填充物的PVDF膜的作為電場(chǎng)強(qiáng)度函數(shù)的介電常數(shù)104角部處作為離具有非線性電介質(zhì)絕緣層的導(dǎo)體的距離的函數(shù)的電場(chǎng)輪廓圖形圖示110代表通過非電介質(zhì)絕緣層的離導(dǎo)體的距離的X-軸線112,單位為mm代表電場(chǎng)強(qiáng)度單位為千瓦/mm的Y-軸線114曲線116。權(quán)利要求1.一種變壓器(10)，其包括包括具有至少一個(gè)開口的多個(gè)疊置的堆疊(22)的磁芯(14)；和多個(gè)繞組(30)，其包括通過該至少一個(gè)開口圍繞磁芯(14)的導(dǎo)電材料且由具有作為電壓的函數(shù)變化的介電常數(shù)的絕緣層環(huán)繞。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓器(10)，其中絕緣層(54)布置于多個(gè)繞組(30)之間。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓器(10)，其中絕緣層(54)布置于多個(gè)繞組(30)的每個(gè)中的多個(gè)束之間。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓器(10)，其中絕緣層。4)布置于多個(gè)繞組(30)的每個(gè)的多個(gè)角部(60)處。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓器(10),絕緣層(54)包括聚合體復(fù)合物。6.根據(jù)權(quán)利要求1所迷的變壓器(10),絕緣層。4)包括至少一種納米填充物。7.—種用于在變壓器中形成絕緣件的方法(70),其包括圍繞繞組的至少部分布置絕緣層，絕緣層具有作為電壓的函數(shù)變化的介電常數(shù)。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法(70)，其中布置包括圍繞繞組的角部布置絕緣層。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法(70),其中布置包括在繞組中的多個(gè)束之間布置絕緣層。10.—種三相變壓器(10),其包括包括雙芯段的磁芯(14),雙芯段的每個(gè)具有三個(gè)開口(20);和包括多個(gè)繞組(30)的三繞組相(24),繞組由通過開口(20)圍繞磁芯(14)的導(dǎo)電材料制成且由具有作為電壓的函數(shù)變化的介電常數(shù)的絕緣層(54)環(huán)繞。全文摘要本發(fā)明涉及用于變壓器的絕緣系統(tǒng)和方法。提供一種包括磁芯(14)的變壓器(10)。磁芯(14)包括多個(gè)具有至少一個(gè)開口的疊置的堆疊(22)。變壓器(10)也包括繞組(30)，其包括通過至少一個(gè)開口(20)圍繞磁芯(14)的導(dǎo)電材料且由具有作為電壓的函數(shù)變化的介電常數(shù)的絕緣層(54)環(huán)繞。文檔編號(hào)H01F27/32GK101236826SQ20071030093公開日2008年8月6日申請(qǐng)日期2007年12月14日優(yōu)先權(quán)日2006年12月15日發(fā)明者A·尤恩西,P·C·歐文,Q·譚,Y·曹申請(qǐng)人:通用電氣公司