專利名稱：變壓器或電感器內(nèi)的繞組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力發(fā)生傳輸和分配系統(tǒng)內(nèi)的電力變壓器或電感器，其額定功率從幾百KVA到1000MVA以上，其額定電壓從3-4KV到極高的輸送電壓即400到800KV或更高。更具體點(diǎn)說，本發(fā)明涉及電力變壓器或電感器的繞組。
本發(fā)明的背景在電力變壓器/電感器的設(shè)計(jì)中，繞組的空間系數(shù)即繞組內(nèi)導(dǎo)線所占體積和繞組總體積之比，為一重要參數(shù)。繞組以具有高空間系數(shù)為佳，因?yàn)檫@樣不僅設(shè)計(jì)緊湊，而且泄漏能量低。
本發(fā)明的綜述本發(fā)明的目的是要提供一種電力變壓器或電感器，其柔性導(dǎo)線具有電場包容設(shè)施和內(nèi)電場均衡設(shè)施，這樣做出的設(shè)計(jì)在技術(shù)上有利，并可得到高空間系數(shù)。本發(fā)明之所以可能是因?yàn)樵陔娏ψ儔浩?電感器的至少一部分繞組中采用了所說柔性導(dǎo)線。
具有電場包容設(shè)施的柔性導(dǎo)線的一個(gè)例子是電力分配所用的那種柔性的XLPE電纜。這種電纜具有一個(gè)導(dǎo)電芯，一個(gè)設(shè)在所說導(dǎo)電芯周圍的第一半導(dǎo)電層、一個(gè)設(shè)在所說第一半導(dǎo)電層周圍的固體絕緣層、和一個(gè)設(shè)在所說絕緣層周圍的第二半導(dǎo)電層。在第二半導(dǎo)電層接地的條件下，該電纜能在其內(nèi)部包容由導(dǎo)電芯內(nèi)的電流產(chǎn)生的電場。介電質(zhì)應(yīng)力在電纜的固體絕緣層內(nèi)被吸收，因此在第二半導(dǎo)電層之外實(shí)際上并沒有電場。在XLPE電纜內(nèi)，各個(gè)不同層被牢固地連結(jié)在一起。而且，固體絕緣層和半導(dǎo)電層都是由具有基本相同的膨脹系數(shù)的材料制成的。因此該電纜能承受機(jī)構(gòu)應(yīng)力和熱應(yīng)力，各層不會互相分開，從而不會在各層之間形成空腔。這是一個(gè)重要特性，因?yàn)橹灰妶隽Τ^空腔內(nèi)氣體的介電強(qiáng)度，部分放電便會在空腔內(nèi)出現(xiàn)。第一半導(dǎo)電層和固體絕緣層之間的牢固連結(jié)特別重要，因?yàn)殡娎|在這個(gè)部分的電場力最大。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)的裂開并將使空氣進(jìn)入到層間的部分內(nèi)并導(dǎo)致發(fā)生部分放電。一種與上述相似的電纜在Wo-97/45847和Wo-97/45921的PCT申請中曾有說明。
已知在繞組的各圖上電力變壓器或電感器的電壓是不均勻分布的。例如對一單相電力變壓器或電感器來說，其時(shí)繞組的一端接地，另一端則接在線路終端上，繞組上接地部分的電位接近零，而繞組上連到線路終端部分將具有接近相電壓的最大電位。因此繞組的線路側(cè)比接地側(cè)承受較高的絕緣負(fù)擔(dān)。為了防止繞組和接近繞組的細(xì)節(jié)如鐵芯或環(huán)繞組的殼體之間跳火，在線路側(cè)比在接地側(cè)需要有較好的電絕緣。這樣所需的電絕緣就應(yīng)沿著繞組的長度改變。三相系統(tǒng)有兩種連接相繞組的基本方法即星形連接法(Y)和三角形連接法(Δ)。變壓器的高壓鍘和低壓側(cè)可任選Y或Δ的連接法。在Y連接法中，每一相的一個(gè)繞組端都被連接在一起，形成一個(gè)中性終端。如將中性終端接地，那么連接到中性端的繞組部分的電位將接近零，而連接到線路終端的繞組部分將有接受于UL/

的最大電位，其中UL為線路問電壓。這樣情況就與上述單相的例子雷同即所需電絕緣要沿著繞組的長度改變。在Δ連接系統(tǒng)中，所有相的繞組共同形成一個(gè)封閉環(huán)或一個(gè)三角形，而各個(gè)線路終端被連接到三角形的三個(gè)角上。如果系統(tǒng)是對稱的，那么在第一繞組中部的電位將接近于零，而在每一繞組端頭的最大電位將為UL/2。這樣絕緣負(fù)擔(dān)以及所需的電絕緣也將沿著繞組的長度改變。
在電力變壓器或電感器中如果繞組至少有某些部分是由電纜構(gòu)成的，那就有可能按照沿著繞組長度的實(shí)際絕緣負(fù)擔(dān)來采用電纜絕緣的厚度。在繞組內(nèi)采用這樣一種帝有斜度的柔性導(dǎo)線可以得到許多好處。每一繞組的空間系數(shù)可被增加，因?yàn)殡娎|絕緣不需要的部分可被去除。因此對于給定的額定容量，有可能使繞組變小，這樣整個(gè)變壓器/電感器就可變小而可較便宜地制造。減少的繞組厚度以及從而減少導(dǎo)線和鐵芯之間的平均距離還能減少散射通量從而減少變壓器/電感器的阻抗。或者，如果保持空間系數(shù)不變，那么冷卻將更為有效，因?yàn)楫?dāng)電纜絕緣減薄后，冷卻介質(zhì)將能更容易地在變壓器/電感器內(nèi)循環(huán)。由于冷卻常為電力變壓器/電感器設(shè)計(jì)中的限制因素，因此對于給定大小的變壓器/電感器，額定容量可被增加。
理想的做法是，電纜絕緣層的厚度應(yīng)該使電纜內(nèi)的電介質(zhì)應(yīng)力貫穿繞組的每一圈大體上都相同。這就需要絕緣層的橫截面面積隨著電纜的長度而變化。橫截面面積可以連續(xù)地變化或以一個(gè)或多個(gè)階梯來進(jìn)行的階梯狀變化。具有階梯狀變化的絕緣橫截面面積的電纜可由多個(gè)具有不同而均勻的絕緣橫截面面積的電纜段連續(xù)而成。絕緣橫截面面積可沿著電纜的長度而遞減，這樣在繞組的一端，電纜就可具有最小的絕緣橫截面面積。電纜也可在繞組的中部具有最小的絕緣橫截面面積，這樣就可適用于用Δ連接法連接的繞組，或者還可在任一個(gè)其他位置上具有這種最小面積，總之應(yīng)按照絕緣負(fù)擔(dān)如何沿著繞組而變來定。
附圖的簡要說明下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的不同的較優(yōu)實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。


圖1為一簡圖示出傳統(tǒng)的電力變壓器或電感器的繞組周圍的電場分布。
圖2為一簡圖示出按照Wo-97/45847和Wo-97/45921的PCT申請中說明的那種電力變壓器或電感器的繞組周圍的電場分布。
圖3和4分別為一簡圖示出按照本發(fā)明第一和第二較優(yōu)實(shí)施例的電力變壓器或電器的繞組電場分布。
圖5為一簡化的側(cè)視圖示出按照本發(fā)明的電力變壓器或電感器的繞組中所使用的成階梯狀帶斜度的電纜的兩個(gè)例子和連續(xù)帶斜度的電纜的兩個(gè)例子。
本發(fā)明的詳細(xì)說明下面的本文所要參閱的圖1-3為簡化的和基本的視圖。這些圖可以代表一個(gè)帶或不帶鐵芯的電感器和電力變壓器。為了簡化起見，每一圖只示出一個(gè)繞組。而且為了簡化起見，在這些圖中示出的繞組只有一層并且只有四圈，但下面所說理由對具有多層和多圈的繞組同樣成立。
圖1為一簡圖示出傳統(tǒng)的電力變壓器或電感器的繞組周圍的電場分布，圖上11為繞組，12為鐵芯。在繞組11的每一圖的周圍都有等電位線13即電場強(qiáng)度恒定的線。繞組的下部假定在接地電位，而繞組的上部假定連接到線路終端上。電位的分布確定絕緣系統(tǒng)的組成，因?yàn)椴还茉诶@組的相鄰線圈之間還是在繞組的線圈與環(huán)繞組的接地細(xì)節(jié)之間都必需有足夠的絕緣。圖中的等電位線13示出繞組的上部具有最大絕緣負(fù)擔(dān)。
圖2為一簡圖示出在Wo-97/45847和Wo-97/45921的PCT申請中所說明的電力變壓器或電感器周圍的電場分布。由電纜28構(gòu)成的繞組21卷繞在鐵芯22上。在電纜28內(nèi)可看到等電位線23。電纜28具有一個(gè)導(dǎo)電芯24，其外被第一半導(dǎo)電層25、厚度均勻的固體絕緣層26和第二半導(dǎo)電層27包圍著。第二半導(dǎo)電層27被連接到接地電位上。繞組的下部假定在接地電位，而上部假定連接到線路終端上。從導(dǎo)電芯內(nèi)的電流產(chǎn)生的電場被半導(dǎo)電層27封閉在電纜28內(nèi)，因此在電纜28之外設(shè)有電場。繞組的上部承受最大的絕緣負(fù)擔(dān)，在繞組上部電纜的絕緣層內(nèi)所吸收的電介質(zhì)應(yīng)力大于在下部內(nèi)所吸收的應(yīng)力。在圖中可以看到，在繞組的上部，電纜內(nèi)等電位線23之間的間距較小，而在下部這個(gè)間距較大。電纜內(nèi)絕緣層的厚度須能承受繞組內(nèi)的最大介質(zhì)應(yīng)力即在繞組上部的應(yīng)力。這意味著繞組下部的絕緣層可不必那樣厚。
按照本發(fā)明的電力變壓器或電感器的良好設(shè)計(jì)是使電纜中絕緣層的厚度適合繞組上的實(shí)際絕緣負(fù)擔(dān)。例如在圖2中就可能減少繞組21下部內(nèi)電纜絕緣層的厚度。這可用一帶斜度的電纜來做到，其內(nèi)絕緣層的橫截面向接地側(cè)即繞組的下部縮減。理想的做法是，絕緣厚度應(yīng)使貫穿繞組長度的電介質(zhì)應(yīng)力大體上相同。在這樣一個(gè)繞組中環(huán)繞電纜的電場分布如圖3所示。該圖為本發(fā)明第一較優(yōu)實(shí)施例的簡圖。在該圖中，電纜38卷繞在鐵芯32周圍形成繞組31。在電纜38內(nèi)示出等電位線33。如同圖2，繞組的下部假定在接地電位，而上部假定連接到線路終端上。繞組內(nèi)電纜絕緣層的橫截面面積作連續(xù)的改變使貫穿繞組的電纜內(nèi)的電介質(zhì)應(yīng)力大體上恒定，如等電位線33所示。該圖與圖2所示的電力變壓器/電感器相比，冷卻將更為有效，因?yàn)楫?dāng)電纜絕緣厚度縮減后，冷卻介質(zhì)能更容易地在電力電壓器/電感器內(nèi)循環(huán)。
圖4為按照本發(fā)明第二較優(yōu)實(shí)施例的電力變壓器/電感器的簡圖。與圖2和3相似，電纜48卷繞在鐵芯42上形成繞組。在電纜48內(nèi)示出等電位線43。繞組的下部假定在接地電位，而上部假定連接到線路終端上。在圖4中帶斜度電纜的線圈被一個(gè)疊在另一個(gè)頂上地堆積起來。與圖2和3內(nèi)的繞組相比，繞組的空間系數(shù)可被增加，因此能較小和較廉地制出電力變壓器/電感器。
除了在繞組內(nèi)采用絕緣橫截面積連續(xù)變化的電纜以外，橫截面面積也可作階梯狀變化。將個(gè)或多個(gè)具有不同而均勻的絕緣橫截面面積的電纜段連接起來便可得到這樣的電纜。在圖5中示出能夠用在按照本發(fā)明的電力變壓器/電感器中的四根電纜50a、50b、50c和50d。電纜50a和50b分別由三個(gè)電纜段51a、52a、53a和51b、52b、53b制成。在拼接處54a、55a和54b、55b相鄰電纜段的導(dǎo)電芯56a或56b、第一半導(dǎo)電層(未示出)和第二半導(dǎo)電層分別被連接起來。電纜50c和50d各由一個(gè)電纜段制成，其絕緣橫截面面積沿著電纜的長度連續(xù)地變化。在電纜50a和50c中，絕緣橫截面面積沿著繞組的長度向一個(gè)方向增加。這種電纜適宜用于絕緣介電質(zhì)應(yīng)力穩(wěn)定地沿著繞組增加的電力變壓器/電感器，如中性端接地的Y連接的三相變壓器。在電纜50b和50d中，絕緣橫截面面積在繞組的中部為最小。這種電纜適宜用于Δ連接的三相變壓器，其時(shí)絕緣電介質(zhì)應(yīng)力在繞組的半中間為最小。在電纜50a和50b中電纜段的數(shù)目不一定被限制為三個(gè)。采用多個(gè)具有不同長度和絕緣橫截面面積的電纜段，可以生產(chǎn)出絕緣橫截面面積多少連續(xù)變化的電纜。
上述繞組布置說明為了實(shí)現(xiàn)按照本發(fā)明的電力變壓器或電感器，應(yīng)如何將帶有斜度的電纜應(yīng)用到繞組上。但應(yīng)知道，也可能將帶有斜度的電纜應(yīng)用到具有一個(gè)或多個(gè)繞組的變壓器，以及帶有或不帶鐵芯、具有一個(gè)或多個(gè)繞組的電感器上，這并沒有偏離本發(fā)明的范圍。還應(yīng)知道在本發(fā)明的范圍內(nèi)有可能將帶有斜度的電纜應(yīng)用到只有一部分繞組由電纜構(gòu)成的電力變壓器/電感器上。
權(quán)利要求
1.在電力發(fā)生傳輸和分配系統(tǒng)內(nèi)使用的一種電力變壓器或電感器，具有至少一個(gè)繞阻(31、41)，其特征為，至少部分是由柔性導(dǎo)線構(gòu)成的繞組具有電場包含設(shè)施(38、48)并且所說柔性導(dǎo)線的橫截面面積沿著所說柔性導(dǎo)線的至少一部分長度變化。
2.按照權(quán)利要求1的電力變壓器或電感器，其特征為，由電纜(38、48)構(gòu)成的柔性導(dǎo)線具有一根導(dǎo)線(24)、一個(gè)具有半導(dǎo)電性能的第一層(25)、一個(gè)設(shè)在所說第一層周圍的固體絕緣層(26)和一個(gè)具有半導(dǎo)電性能而設(shè)在所說固體絕緣層周圍的第二層(27)。
3.按照權(quán)利要求1或2的電力變壓器或電感器，其特征為，柔性導(dǎo)線或電纜(50c、50d)的所說橫截面面積沿著所說柔性導(dǎo)線或電纜的至少一部分長度而連續(xù)變化。
4.按照權(quán)利要求1或2的電力變壓器或電感器，其特征為，柔性導(dǎo)線或電纜(50a、50b)的所說橫截面面積沿著所說柔性導(dǎo)線或電纜的至少一部分長度作階梯狀變化。
5.按照權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)的電力變壓器或電纜(38、48)內(nèi)的電介質(zhì)應(yīng)力在所說柔性導(dǎo)線或電纜的整個(gè)長度上大體恒定。
6.按照權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)的電力變壓器，其特征為，電力變壓器具有Y連接的三個(gè)相位。
7.按照權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)的電力變壓器，其特征為，電力變壓器具有Δ連接的三個(gè)相位。
8.按照權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)的電力變壓器，其特征為，至少有一個(gè)繞組的一端在接地電位。
全文摘要
這里公開一種電力變壓器或電感器。變壓器/電感器的繞組(31)由柔性導(dǎo)線(38)制成,該導(dǎo)線具有電場包含設(shè)施,可強(qiáng)制使電流在繞組內(nèi)產(chǎn)生的電場包含在柔性導(dǎo)線(38)的絕緣層之內(nèi)。柔性導(dǎo)線的絕緣層的厚度可這樣設(shè)計(jì)使用在繞組的整個(gè)長度內(nèi)電介質(zhì)應(yīng)力可保持恒定。柔性導(dǎo)線(38)的絕緣層的橫截面面積被這樣優(yōu)化,使變壓器/電感器的設(shè)計(jì)能具有高的空間系數(shù)。
文檔編號H01F29/14GK1246956SQ98802240
公開日2000年3月8日 申請日期1998年2月2日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月3日
發(fā)明者P·卡斯藤森, A·雅克斯茨, M·萊永, 黎明, 劉榮生, C·薩瑟 申請人:瑞典通用電器勃朗勃威力公司