專利名稱：空心變壓器繞組的單線圈結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于配電的空心變壓器。特別是，本發(fā)明涉及該裝置設(shè)有的稱為M.V.繞組的“中壓”繞組(或高壓繞組)的實(shí)現(xiàn)。
構(gòu)成配電變壓器的初級線圈的“中或高壓”繞組，即設(shè)計為每相輸入20000伏以上電壓的繞組，通常由帶絕緣皮(通常為漆包膜)的金屬導(dǎo)線連續(xù)纏繞而形成。
大致分成兩種類型的線圈繞組，兩者都是在空氣中形成的。
最常見的類型是將線匝繞在沿線圈軸縱向延伸的并列的同心圓柱條或?qū)由?。這種工藝受到紡織工業(yè)中常用的“卷繞”工藝的啟發(fā)，通過以下方式完成當(dāng)金屬線在支承心軸上根據(jù)平行于線圈軸的“來回”運(yùn)動而繞成緊密連續(xù)的匝時，金屬線處于拉伸狀態(tài)，在一個方向上完成的前后運(yùn)動可以獲得一個層面。
另一種工藝是將線匝繞在徑向延伸的并列的螺旋扁平盤上。這種工藝在申請人提交的歐洲專利申請0,081,446中進(jìn)行了詳細(xì)描述，該工藝是使導(dǎo)線在填充容器重量的單一作用下輸入填充容器的輸入速率與該容器的旋轉(zhuǎn)速度同步。隨后在形成過程中，線圈通過垂直于線圈軸的“來回”運(yùn)動附著，在一個方向上完成的來回運(yùn)動可以獲得一個層面。
在本發(fā)明涉及的空心變壓器領(lǐng)域中，即由空氣進(jìn)行冷卻的變壓器領(lǐng)域中，一旦線圈完成，空氣就被吸入只有線的端部露出的模制電絕緣樹脂塊，這些端部形成線圈的輸入/輸出連接器。該樹脂覆層的作用除了為線圈提供機(jī)械強(qiáng)度之外，還使線圈匝之間相互絕緣。
無論線圈采用何種纏繞方式，是纏繞在徑向扁平盤上或是纏繞在縱向?qū)由?，仍然存在無法滿意解決的問題，即令絕緣材料滲進(jìn)繞組使各線匝得以單獨(dú)涂覆。事實(shí)上，在進(jìn)行纏繞時，模制塑料從外部封裝一束線匝比占據(jù)線匝之間內(nèi)部形成的空間的難度要小。
很容易理解，所用材料的粘度越高，這些困難就越大。通過與熱固性塑料相比說明熱塑性材料在這方面的不足，盡管熱塑性材料具有易于加工(不會硬化)并可通過簡單的再次熱熔而無限地復(fù)原等優(yōu)點(diǎn)。
本方面的目的在于提出解決上述問題的方案。
為此，本方面的目的在于獲得一種大致環(huán)形的單獨(dú)的電線圈，其設(shè)計來形成空心變壓器的“中(或高)壓”繞組；一種由金屬導(dǎo)線形成的帶絕緣皮的線圈，在空氣中繞成設(shè)置在并列縱向或徑向?qū)由系亩鄠€串聯(lián)線匝，隨后被電絕緣塑性材料包裹，線圈的輸入/輸出端從中露出，線圈的特征在于對于所述端子之間施加的任何給定電壓，線匝層的數(shù)目使得在兩個相鄰層的電氣距離最遠(yuǎn)的兩鄰接線匝之間的電壓不超過根據(jù)Paschen原理在空氣中作用在鎧裝導(dǎo)體上的電壓值。
參照Paschen原理限定本發(fā)明的等效方式是參考所附圖2所示的曲線，該曲線是根據(jù)導(dǎo)線的絕緣皮厚度給出的，繞組中相鄰線匝之間的電壓不能被超過，以防止線匝之間局部電弧放電現(xiàn)象。
本發(fā)明基于已發(fā)現(xiàn)的Paschen原理適用于這一具體情況的事實(shí)，并構(gòu)成所涉及問題的明確答案的基礎(chǔ)。
回顧一下在上世紀(jì)末建立的Paschen原理，其內(nèi)容是在給定的氣態(tài)介質(zhì)中，例如空氣中，兩個具有不同電勢的物體之間的擊穿電壓為分隔導(dǎo)體的距離和外界環(huán)境壓力之間乘積的連續(xù)函數(shù)。如果需要進(jìn)一步的細(xì)節(jié)，可以參考有關(guān)主題的文章和著作，例如，Pierre SEGUR在“工程技術(shù)”中“絕緣氣體”標(biāo)題下的D2350-4至7；或由EYROLLES，Paris編輯出版的RobertFOURNIER的名為“電氣工程中的絕緣體-定理和原理”著作中9.5部分，其中的內(nèi)容引用作為本發(fā)明的參考。
為解決出現(xiàn)的問題，本發(fā)明將Paschen原理用于在空氣中纏繞但涂覆有絕緣皮的導(dǎo)體的情況，由其建立了圖2中的曲線，圖中給出根據(jù)絕緣皮的厚度的鄰接線匝之間的擊穿電壓，建立曲線所用的參數(shù)是線圈匝之間空間的空氣壓力。
將會理解，本發(fā)明并非通過噴射絕緣材料而填滿線圈匝之間的空缺空間，而是限定了使空氣自然存在于這些封閉空間內(nèi)的纏繞條件，以在導(dǎo)電繞組內(nèi)起到絕緣作用，該導(dǎo)電繞組構(gòu)成設(shè)計為放置于每相幾萬伏的電壓處的變壓器。
在用絕緣塑性材料進(jìn)行簡單封裝后就不再有任何危險。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，線匝組的橫截面具有基本方形或略微拉長的矩形形狀。因此，本發(fā)明具有能夠根據(jù)可變尺寸通過標(biāo)準(zhǔn)單線圈的疊加而構(gòu)成空心變壓器的初級繞組的優(yōu)點(diǎn)，串聯(lián)相連的單線圈的數(shù)量將依賴于施加到初級繞組端子的電壓值。事實(shí)上，目前在電氣工程工業(yè)和所有的制造工業(yè)中還存在使原料和購買的管理有更大的靈活性的模件生產(chǎn)以及減少制造時間的需要。
根據(jù)下面參照附圖的描述，將會更好地明白本發(fā)明以及其它特征和優(yōu)點(diǎn)，其中

圖1從上述R.FOURNIER的文章中摘選出來，純粹資料性地給出空氣中的PASCHEN曲線；圖2給出根據(jù)包絡(luò)形成線匝的金屬導(dǎo)線的絕緣皮的厚度并根據(jù)壓力在空氣中相接觸的兩個線匝之間的擊穿電壓圖；圖3a為示出通過沿縱向?qū)永p繞線匝而形成的繞組的示意圖；圖3b與其類似，但為沿徑向?qū)永p繞的情況；圖4根據(jù)圖4a至4e的五個連續(xù)圖示出本發(fā)明的單線圈及其形成的“中壓”繞組的實(shí)現(xiàn)階段，其設(shè)計為裝備多相空心變壓器。
圖1中的曲線清楚地示出，對于給定的外部環(huán)境，在此為空氣，擊穿電壓Ud僅是分隔兩個置于不同電壓下的物體的距離d和它們之間的空氣壓力p之間的乘積d*p的函數(shù)。
可以看出該關(guān)系在非常低和非常高的d*p值下不再有效。在其有效范圍內(nèi)(即約3×10-3至4×102bar*mm)，擊穿電壓Ud隨距離(及/或壓力)的增加而線性增大，除了在低值(乘積d*p小于8×10-3)情況下產(chǎn)生相反現(xiàn)象。此處示出的通常適于任意Paschen曲線的該曲線示出擊穿電壓總是在隨乘積d*p增大之前首先通過快速達(dá)到的最小值處。
由此現(xiàn)象得出的本發(fā)明的結(jié)論是，在由絕緣導(dǎo)線以相互接觸的線匝纏繞形成的導(dǎo)電繞組的情況下，防止局部放電現(xiàn)象的線匝之間的最大容許電壓必須小于Paschen曲線給出的最低限度的電壓，當(dāng)沿從接觸點(diǎn)離開的方向在線匝之間的空間越過電線表面時其總是在該曲線的上升部，并且其總是在擊穿電壓僅隨導(dǎo)體間的距離增加而增加處的位置。
因此，對于給定性能和厚度的電線的絕緣涂層，可確定構(gòu)成繞組所需以耐受施加于其端部的給定電壓的線匝層的數(shù)量。
換言之，可以通過選擇構(gòu)成該繞組的線匝的層數(shù)調(diào)整可施加到該繞組端部的最大電壓值。然后通過簡單疊加根據(jù)這些設(shè)置構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)單線圈而實(shí)現(xiàn)所需的適于任何高電壓的繞組。應(yīng)注意這些設(shè)置是“冷的”，即在外界溫度下，將其放置于僅在繞組內(nèi)產(chǎn)生電流時線匝間的空間的壓力才增加的位置。
剛才所介紹的內(nèi)容由圖2中的曲線族進(jìn)行量化解釋。這些曲線以占據(jù)線匝之間空間的空氣壓力為參數(shù)，給出作為距離“Ep”的函數(shù)的擊穿電壓Td的值(單位為伏)，距離“Ep”分隔兩個金屬導(dǎo)線，每個導(dǎo)線均涂敷有相同的普通絕緣漆包層并相互接觸。換句話說，“Ep”是線圈導(dǎo)線的絕緣涂層厚度的兩倍。
例如可以看出，如果線匝之間的空間中的空氣壓力是0.2 bar，或在任何不低于此值的情況下，只要在漆包涂層的厚度是0.15mm或更大(圖中A點(diǎn))時這些線匝之間的電壓不超過550伏，則鄰接線匝之間不會有局部放電的危險。另一實(shí)例對于絕緣厚度為0.025mm，在壓力為0.5 bar(或更大)時，只要鄰接線匝之間的電壓Td不超過400伏(B點(diǎn))或在0.2 bar的壓力下不超過330伏(C點(diǎn))，則在線匝之間的空間內(nèi)不會有局部放電的危險。在0.2bar的壓力下，對于0.06mm的漆包厚度(D點(diǎn))可達(dá)到400伏擊穿電壓的同樣值。
此處所指壓力是絕對壓力，線匝之間的空間通常在冷卻相期間進(jìn)行降壓并在變壓器隨后的重新啟動時保持降壓，直到達(dá)到其運(yùn)行溫度。電壓Td是有效(rms)電壓，而圖1中的電壓Ud是峰值電壓。
圖3a和3b示出了兩種分別沿縱向和徑向?qū)拥睦p繞方式，其僅為了便于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明而示意性地給出。在這些圖中，相同的標(biāo)號表示相同元件。
兩個圖均表示略從上部看去的旋轉(zhuǎn)軸為X的圓柱形線圈，其由軸截面截平，從而能夠看到構(gòu)成導(dǎo)電繞組的線匝結(jié)構(gòu)的橫截面。
圖3a的繞組1由現(xiàn)有的圓截面柔性電線2形成，電線2由普通質(zhì)量的絕緣漆包膜3鎧裝而成。該電線以同心縱向?qū)拥姆绞揭来卧诶@組支架4上繞軸X纏繞。當(dāng)?shù)谝痪€匝5固定于支架4的一端之后，隨后的線匝繼續(xù)沿箭頭Fv所指的方向按照等于電線直徑的非常短的節(jié)距的螺旋軌跡纏繞至支架的另一端。因此形成緊密纏繞的第一縱向?qū)?，使電線保持繃緊并可使支架4繞其軸X旋轉(zhuǎn)。第二層7沿相反方向以相同的方式形成，如箭頭Fv′所示。因此纏繞以依據(jù)軸X的“來回”運(yùn)動以緊密線匝的方式進(jìn)行，每一次沿一個方向?qū)崿F(xiàn)與前一層交替的縱向?qū)印?br> 由此，一組并列同心縱向?qū)永@軸X構(gòu)成。繞組的最后線匝8和第一線匝5一起由其伸出繞組的接頭9、10形成繞組的輸入/輸出端子。
圖3b的繞組以相同的方式形成，但是以相互疊加的平徑向?qū)?3纏繞電線。這些層或扁平盤在電線2也按照“來回”運(yùn)動依次設(shè)置時形成，但此時方向垂直于軸X。裝備有端緣14和15的支承板12繞該軸旋轉(zhuǎn)，端緣14和15用于側(cè)向形成扁平盤13的疊加。
在此情況下，電線2沒有繃緊，而僅承受其自身重量，并且支承板的旋轉(zhuǎn)速度連續(xù)調(diào)整至電線的輸入速率，從而線匝的設(shè)置在扁平盤的所需徑向位置進(jìn)行。在歐洲專利0,081,446中描述了可用這種纏繞方式形成工業(yè)產(chǎn)品的自動系統(tǒng)。
每一圈形成徑向延展的一線匝。為繞組所用的空間從底部開始填滿。如圖所示，第一扁平盤17由靠著凸緣14的內(nèi)線匝16開始，如箭頭Fh所示以離心方式徑向延伸至外凸緣15。然后第二扁平盤18在第一扁平盤上沿向心方向延伸到內(nèi)凸緣14而形成，如此一直到由接頭20延伸出線圈之外的最后線匝19，類似于第一線匝16的接頭21，從而一起形成繞組的輸入/輸出端子。
在以圖3a的同心層及以圖3b的徑向?qū)永p繞的情況下，一旦操作進(jìn)行，繞組就被放入有電氣絕緣聚合物噴射進(jìn)的模具中。該聚合物例如是諸如有脫水物時的熱硬性環(huán)氧樹脂的熱固塑性材料，或者是諸如尼龍或丙烯酸物的熱塑材料。由此，導(dǎo)電繞組被封裝在電氣絕緣聚合物殼內(nèi)，只有裸露端子9、10和20、21伸出殼外。
在這兩種纏繞類型中，線匝，即使很緊密，也必須在相互之間限定封閉空間26。大量的這些空間將使得局部甚或全部缺少絕緣材料，絕緣材料由于繞組的緊湊性而在進(jìn)行噴射時不能進(jìn)入這些空間。
根據(jù)Paschen原理，任何兩個連續(xù)的線匝絕緣殼3必須不能薄于比圖2中給定施加電壓下的曲線給定的絕緣殼。否則可能會有局部放電。這種要求對于兩個相鄰層上電氣距離最遠(yuǎn)(電勢差最大)的兩個鄰接線匝，即分別位于這兩個相鄰層的開始和結(jié)束端的線匝來說最為嚴(yán)格。
這種線匝對的實(shí)例是圖3a中的22、23和圖3b的24、25。
此外，根據(jù)關(guān)系u＝U/n，這種線匝對之間的電壓u通過2n個并列的層連接成為施加于繞組1或11的輸入/輸出端子的電壓U。
然后可以明白，根據(jù)本發(fā)明，若對于施加于繞組的任何電壓U，構(gòu)成該繞組的線匝層的數(shù)量以這樣的方式進(jìn)行確定，即在兩個相鄰層上電氣距離最遠(yuǎn)的兩個鄰接線匝之間的電壓u不超過應(yīng)用空氣中的Paschen原理施加的值Td，則可以防止任何由線匝26之間空間的局部放電引起的危險。
換句話說，這意味著層的數(shù)量必須至少等于或兩倍于比值U/u超過第一個較大整數(shù)四舍五入的結(jié)果。
現(xiàn)在將參照圖4，其如已進(jìn)行的介紹示出了本發(fā)明的單線圈和由其產(chǎn)生的“中壓”繞組的實(shí)現(xiàn)階段，其設(shè)計為裝備多相空心變壓器。
實(shí)際上，該線圈27具有方形或略微矩形的橫截面的環(huán)形形狀，即其長度幾乎不會超過其寬度的三倍。構(gòu)成空心變壓器的“中壓”或“高壓”繞組的單線圈27以下述方式實(shí)現(xiàn)-圖4a漆包于線匝30(例如200-300個線匝)內(nèi)的柔性Cu或Al導(dǎo)線2首先纏繞形成環(huán)28。例如根據(jù)參照圖3a所述的“同心縱向?qū)印鳖愋瓦M(jìn)行纏繞。如果需要，組件可通過注膠進(jìn)行加固，以確保如此形成的環(huán)具有最低限度的機(jī)械強(qiáng)度。
-圖4b將環(huán)28放入模具(未示出)中，絕緣介電樹脂29噴射進(jìn)模具中，在使導(dǎo)線端部充分伸出以形成連接所用的端子9、10以后，以幾個毫米的厚度封裝環(huán)。當(dāng)樹脂固化時，就完成了標(biāo)準(zhǔn)單線圈27。
根據(jù)本發(fā)明，例如是15個的層數(shù)已被確定下來，從而電氣距離最大的兩個鄰接線匝之間的最大有效電壓例如是350伏，線圈可用于例如2500伏的電壓。因此優(yōu)選為方形截面的線圈形成為例如15層和每層20線匝，后者的情況可根據(jù)采用的電源的要求進(jìn)行修改。但應(yīng)該記住，根據(jù)本發(fā)明，最好保持基本方形或優(yōu)選的方形形狀(長度小于寬度的三倍)，從而足以得到產(chǎn)生完整的繞組所需的模件性，對此后面將會看到。
根據(jù)已經(jīng)規(guī)定的要求，所用的樹脂可以是熱固性或熱塑性聚合物，假定其電氣絕緣性能非常高的話，因?yàn)樽儔浩鞯闹?或高)壓繞組將要承受每相達(dá)幾萬伏的電壓。
-圖4c隨后通過依次疊加所需數(shù)量的這些單線圈27到需要的高度而完成變壓器的這種繞組31。組件由任意適宜方式緊緊固定，例如通過膠粘。一旦完成了組件，線圈就可通過由卷折固定于接頭9、10的小連接套32而相互串聯(lián)電氣連接。
-圖4d然后該區(qū)域在連接器裸露處必須進(jìn)行電氣絕緣，這通過對該區(qū)域覆蓋一層由熱壓縮熱塑性樹脂板而施加的樹脂形成。
由此得到單線圈27的圓柱形疊加，并帶有在10-20°角的扇區(qū)內(nèi)沿整個長度延伸的凸臺33，構(gòu)成繞組輸入/輸出(I/O)的自由接頭從其頂部和底部伸出，以連接變壓器的其它相的相同繞組。
為此，最好通過繞這些I/O端子進(jìn)行加工而設(shè)置小盤34，覆蓋相之間連接棒的端部。同樣若中壓構(gòu)成初級(變壓器作為降壓變壓器使用)，則最好繞通常用于將變壓器調(diào)整到電源系統(tǒng)分配的電壓的中間I/O設(shè)置中盤35。
-圖4e但是，在實(shí)現(xiàn)這些不同的盤之前，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，最好對疊層覆蓋一層幾毫米的具有適中導(dǎo)電性能的樹脂36，其隨后進(jìn)行接地37。通過對薄片形熱塑性樹脂進(jìn)行金屬化或熱均勻壓縮而涂覆的該層構(gòu)成靜電屏蔽，使得可以不用將空氣作為繞變壓器的絕緣體而操作。這特別意味著變壓器將可以置于室外，而非容納于隔離室內(nèi)，因此將降低成本并更易于維護(hù)和操作。
當(dāng)這一步完成后，初級感應(yīng)線圈38準(zhǔn)備好在繞變壓器的磁路柱安裝所完成的組件之前繞次級繞組放置。
由此通過由適于具體輸入電壓的標(biāo)準(zhǔn)單線圈形成的模件而輕易地構(gòu)成變壓器的一套繞組。因此，如果感應(yīng)線圈38由同樣的線圈27形成，每個線圈27均能在達(dá)到2500伏也不會擊穿的情況下運(yùn)行，則數(shù)十個這樣的線圈串聯(lián)裝配即可在例如25000伏的電源系統(tǒng)電壓下工作。
通常感應(yīng)線圈38可由諸如容許輸入電壓或線圈高度等特征不同的標(biāo)準(zhǔn)單線圈形成。由于明顯的實(shí)用原因，除了特定感應(yīng)線圈所需的階梯形外壁的情況，應(yīng)優(yōu)選使其均具有相同的寬度。
本發(fā)明并不限于上述實(shí)例的情況，還可在符合后面權(quán)利要求所給定的特征的情況下延伸至任何變形或等效形式。
權(quán)利要求
1.一種大致環(huán)形的單獨(dú)的電線圈，其設(shè)計為由配對線圈間的疊加而形成空心變壓器的“中(或高)壓”繞組(31)；一種由帶絕緣皮(3)的金屬導(dǎo)線(2)形成的線圈(27)，在空氣中繞成設(shè)置在并列層(6，7...)上的多個串聯(lián)線匝(30)，隨后被電絕緣塑性材料(29)包裹，線圈的輸入/輸出端(9，10)從中露出，線圈的特征在于對于所述端子(9，10)之間施加的任何給定電壓，線匝(30)的層(6，7)的數(shù)目使得在兩個相鄰層(6，7...)的電氣距離最遠(yuǎn)的兩鄰接線匝(22，23)之間的電壓不超過根據(jù)Paschen原理在空氣中作用在鎧裝導(dǎo)體(2，3)上的電壓值(Td)。
2.一種基本環(huán)形的單獨(dú)的電線圈，其設(shè)計為由配對線圈間的疊加而形成空心變壓器的“中(或高)壓”繞組(31)；一種由帶絕緣皮(3)的金屬導(dǎo)線(2)形成的線圈(27)，在空氣中繞成設(shè)置在并列層(6，7...)上的多個串聯(lián)線匝(30)，隨后被電絕緣塑性材料(29)包裹，線圈的輸入/輸出端(9，10)從中露出，線圈的特征在于對于所述端子(9，10)之間施加的任何給定電壓“U”，線匝(30)的所述層(6，7)的數(shù)目必須至少等于“U”和符合圖2中曲線上讀出的擊穿電壓(Td)的值“u”之間比值結(jié)果的四舍五入后的整數(shù)的兩倍，擊穿電壓(Td)是所述導(dǎo)體的絕緣皮(3)的厚度(Th)的函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的線圈，其特征在于線匝沿縱向?qū)?6，7...)纏繞。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的線圈，其特征在于線匝沿徑向?qū)?17，18...)纏繞。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的線圈，其特征在于封裝電絕緣塑性材料(29)是熱固性塑性材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的線圈，其特征在于封裝電絕緣塑性材料(29)是熱塑性材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的線圈，其特征在于多個線匝(30)形成橫截面基本為方形或略微拉長的矩形形狀的緊湊組件。
8.一種空心電氣變壓器的“中(或高)壓”繞組(38)，其特征在于其由根據(jù)權(quán)利要求1、2或7所述的單線圈(27)的疊加而形成，所述線圈相互固定并由其輸入/輸出接頭(9，10)串聯(lián)電連接。
全文摘要
單線圈(27)具有基本方形或矩形形狀的橫截面，并包括封裝由帶有絕緣皮(3)的導(dǎo)線(2)形成的連續(xù)線匝(30)的組件的絕緣樹脂殼(29)，以縱向或徑向線匝層進(jìn)行纏繞，其數(shù)量根據(jù)絕緣皮(3)的厚度而定，從而對于線圈的設(shè)定輸入電壓，電氣距離最大的兩個鄰接線匝之間的電壓不超過應(yīng)用空氣中的Paschen原理對所述鎧裝導(dǎo)體施加的擊穿電壓值(Td)。特別是空心變壓器的完整繞組(38)可通過這種類型的單線圈的簡單疊加而形成，同時保留空氣作為線匝之間空間的絕緣介質(zhì)。
文檔編號H01F27/32GK1228192SQ9618042
公開日1999年9月8日 申請日期1996年9月4日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月4日
發(fā)明者布里吉特·洛揚(yáng)特, 雅克·懷爾德 申請人:施耐德電器公司