CN101606209A

CN101606209A - 变压器

Info

Publication number: CN101606209A
Application number: CNA2008800044286A
Authority: CN
Inventors: V·W.·汉泽尔
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-02-07
Filing date: 2008-02-01
Publication date: 2009-12-16
Also published as: DE102007006005B3; CA2675502A1; KR20090114373A; WO2008095660A1; BRPI0806852A2; EP2115754A1; JP2010518612A; EA200970730A1; ZA200904525B; EA015163B1; AU2008213339A1; US20100109830A1

Abstract

一种变压器(10)，所述变压器在高压绕组(4)和低压绕组(8)之间具有用于电势隔离的绝缘装置，一种用于变压器的高压绕组(4)和低压绕组(8)之间的电势隔离的绝缘装置具有层结构，包括提供于高压绕组(4)和低压绕组(8)之间并具有至少一个与其相邻的半导电层(6，6a，6b)的内绝缘体(2；2a，2b)。通过这种方式，可以减小变压器的尺度，此外可以减少或完全防止向外的部分放电。

Description

变压器

技术领域

本发明涉及一种在高压绕组和低压绕组之间包括用于电势隔离的电压绝缘体的变压器。具体而言，本发明涉及一种高压变压器，具体而言涉及在高压绕组和低压绕组之间用于电势隔离的绝缘体。此外，本发明涉及一种用于在高压绕组和低压绕组之间用于电势隔离的绝缘装置。

背景技术

为了与不同电压电平匹配，高压变压器是必需的。例如，油式电炉变压器将110kV的电压变换成1.5kV的电压，油式电源变压器将110kV的电压变换成0.4kV，干式配电变压器将33kV电压变换成0.4kV。这种变压器的功率从大约0.4兆瓦开始，并且可能大到超过100兆瓦。

问题在于，对于功率范围内的高压变压器而言，对于大约36kV的电压，油绝缘变为必需的，或者对于36kV以下的干式绝缘，必须在高压绕组和低压绕组之间提供大的空气间距，或者必须使用树脂材料的非常昂贵的整体铸件。使用公知的干式绝缘，在高压情况下，在绝缘体的表面会发生部分放电，这限制了变压器的操作安全或使得不能构造出变压器。

当前，在大功率范围中没有能够在36kV以上无需油绝缘而工作的高压变压器。制造出了直到36kV电压都没有油绝缘的干式变压器。这些变压器是铸塑树脂变压器，其中使用铸塑树脂进行绝缘。除此之外，还知道有使用多层结构的绝缘材料。然而，这些变压器没有与绝缘层和半导电层结合的确定电势的导电层。此外，还有直到20kV的纯干式变压器，不过缺点是这些变压器需要非常大的空气距离，这又必需要有大的尺度且非常昂贵。

文献DE 17 63 515A公开了一种高压变压器，其中，高压绝缘体的层结构包括处于高压电势的导电层和另一个处于低压电势的导电层。由于电势关系的原因，在施加较低压的表面上发生部分放电，导致绝缘失效。

发明内容

本发明的目的是提供一种绝缘装置和相应地具有对应绝缘装置的变压器，所述绝缘装置用于变压器的高压绕组和低压绕组之间的电势隔离，在例如36kV以上的高压下，该绝缘装置不需要油绝缘，且利用该绝缘装置，可以减小例如36kV以下的低压处的空气间距。

本发明涉及一种根据权利要求1所述的特征的变压器。此外，本发明涉及一种根据权利要求21所述的特征的绝缘装置。在从属权利要求中表述了本发明的实施例的发展和优点。

具体而言，本发明涉及一种变压器，所述变压器具有在高压绕组和低压绕组之间用于电势隔离的绝缘装置，所述装置具有层结构，包括提供于高压绕组和低压绕组之间且具有至少一个与其相邻，即与其毗邻的半导电层的内绝缘体。

除此之外，本发明尤其涉及一种在变压器的高压绕组和低压绕组之间用于电势隔离的绝缘装置，所述装置具有层结构，包括将设置于高压绕组和低压绕组之间并具有至少一个与其相邻的半导电层的内绝缘体。

本发明的优点在于，能够实现无需危险的油式设计的较高压，例如36kV以上的变压器，在相对较低压，例如36kV以下的情况下，能够减少部分放电和空气间距，并由此减小变压器的尺寸。具体而言，可以显著减少或可以完全防止向外的部分放电。

在实施例中，其第一侧和第二侧(这些侧具体而言是相对侧)上的内绝缘体可以均与半导电层相邻。

在另一实施例中，变压器包括第一导电层，所述第一导电层具有施加于其上的第一确定电势且设置于高压绕组和内绝缘体之间。具体而言，所述第一导电层所具有的施加于其上的第一确定电势等于或至少接近所述高压绕组的高压。

在另一个实施例中，作为替代或者补充，变压器包括第二导电层，所述第二导电层具有施加于其上的第二确定电势且设置于低压绕组和内绝缘体之间。具体而言，所述第二导电层所具有的施加于其上的第二确定电势等于或至少接近所述低压绕组的低压。

可以从外部电压源或从变压器的绕组电压为导电层馈电，外部电压源可以具有限流装置。

在本发明的另一实施例中，变压器包括提供于高压绕组和低压绕组之间且具有至少一个与其相邻的第一半导电层的第一内绝缘体，以及提供于高压绕组和低压绕组之间且具有至少一个与其相邻的第二半导电层的第二内绝缘体。

在本实施例中，可以提供具有施加于其上的第一确定电势且设置于高压绕组和第一内绝缘体之间的第一导电层，以及具有施加于其上的第二确定电势且设置于第一内绝缘体和第二内绝缘体之间的第二导电层，以及具有施加于其上的第三确定电势且设置于低压绕组和第二内绝缘体之间的第三导电层。

具体而言，所述第一导电层所具有的施加于其上的第一确定电势等于或至少接近所述高压绕组的高压，且所述第三导电层所具有的施加于其上的第三确定电势等于或至少接近所述低压绕组的低压。第二导电层优选大约在高压绕组和低压绕组之间的总电势差的一半处。可以分别由相应的绝缘层将第一和第三导电层与高压和低压绕组绝缘。

在本发明的开发中，第一导电层之后为第一内绝缘体，之后为第一半导电层和第二导电层，之后为第二内绝缘体，之后为第二半导电层和第三导电层。

基本可以用模块化方式将根据本发明的这种布置扩展到多个具有相应半导电层的内部绝缘体。换言之，层结构可以是串联的。通过这种方式，也可能存在2、3、5等连续层。例如，进一步的开发包括一种布置，其中，第三导电层之后为第三内绝缘体，之后为第三半导电层和第四导电层，第四导电层具有施加于其上的第四确定电势，该电势等于或至少接近低压。第二和第三导电层因此处于高压和低压之间的相应中间电势，例如，分别在高压绕组和低压绕组之间的总电势差的三分之二和三分之一处。

本发明的一方面具体而言在于一种用于电势隔离的高压绝缘体，其具有牢固连接的层结构，包括电连接到高压或与高压隔离的导电层，在隔离设计的情况下，导电层具有施加于其上的接近高压的确定电势，导电层之后为内绝缘体，之后为防止在绝缘体表面处部分放电的半导电层，以及另一导电层，该另一导电层连接到低压或与低压隔离，其中，在隔离设计中，该导电层具有施加于其上且接近低压的确定电势。

对于非常高的电压而言，可以将层结构串联多次，导电层具有从电压源向其施加的确定电势。例如，对于60kV的高压而言，第一导电层具有施加于其上的400V低压的电势，第二导电层具有施加于其上的30kV电势，而第三导电层具有施加于其上的60kV电势。

由于导电层具有确定的电势，实际上相对于相邻绕组不再有电势差。高压绕组的电压路径等于与高压相关联的导电层的电压路径或在隔离设计中接近该电压路径。同样的情况适用于低压。

根据具体应用，导电层可以用导电方式分别连接到高压和低压绕组，和/或可以连接到外部电压源。为此，也可以使用分别直接或间接地与高压和低压绕组耦合的分压器、变压器等。这种部件可以分别相对于高压和低压绕组改变相应导电层的电压量或改变相同的电压量，可以确保电源分别与高压和低压绕组解耦。

由于其构造的原因，与通常的空气间距相比，可以给绝缘装置赋予非常薄的设计。此外，通过半导电层防止了绝缘体表面的部分放电。

根据具体应用，可以针对例如铜的电导体的电阻和例如硅的非导体的电阻之间的所有值来设计半导电层的电阻。半导电层的较好形式为在具有确定电阻的薄碳膜上喷射。该电阻例如可以在0.1Ω和1MΩ之间，尤其是2Ω到10kΩ，例如大约为5kΩ。

另一种变体在于，具有其层结构的电压绝缘体设计非常稳定，因此能够将其自身形成为用于卷绕(taking up)电压绕组的绕组载体，用于高压的绕组载体内部具有与高压绕组相同的电势或被绝缘体分隔而接近其电势的导电层，朝向外部，实现了内绝缘体之后为半导电层和另一导电层，该导电层的电势等于低压绕组的电势或被绝缘体分隔而接近该电势，各层彼此牢固连接且不包括空气。

此外，可以在电势差非常高的情况下，串联电压绝缘体。在这种情况下，高压绕组电连接到第一导电层或与高压隔离，对于隔离设计而言，导电层具有接近高压的施加于其上的确定电势；这之后为第一内绝缘体，然后是第一半导电层，之后是具有施加于其上的确定电势，例如总电势差一半的另一导电层，然后是第三导电层，然后是第二内绝缘体，然后是第二半导电层，之后是第四导电层，第四导电层电连接到低压绕组或具有针对第四导电层的绝缘体。在针对低压绝缘的情况下，第四导电层具有接近低压的施加于其上的确定电势。

具体而言，本发明此外还涉及以下方面：

一种开发包括一种高压变压器，其包括提供于高压绕组和低压绕组之间用于电势隔离的高压绝缘体，该绝缘体具有牢固相连的层结构，包括或由如下层构成：具有施加于其上的等于或至少接近高压的确定电势的导电层，之后为内绝缘体，之后为半导电层和另一导电层，该另一导电层具有施加于其上的等于或至少接近低压的确定电势。

可以以导电方式将导电层和/或另一导电层分别连接到高压和低压绕组。导电层和/或另一导电层可以分别与高压和低压绕组电隔离。内绝缘体可以在其两侧上都具有半导电层。在进一步的开发中，导电层和/或另一导电层具有分别针对高压绕组和低压绕组的绝缘体。

在实施例中，层结构构成用于卷绕高压绕组的绕组载体。

本发明的另一实施例包括一种高压变压器，其具有提供于高压绕组和低压绕组之间用于电势隔离的高压绝缘体，该绝缘体具有牢固相连的层结构，包括或由如下层构成：具有施加于其上的等于或至少接近高压的确定电势的第一导电层，之后为第一内绝缘体，之后为第一半导电层和第二导电层，该第二导电层具有施加于其上的第二确定电势，之后为第二内绝缘体，之后为第二半导电层和具有施加于其上的第三确定电势的第三导电层，之后为第三内绝缘体，之后为第三半导电层和第四导电层，所述第四导电层具有施加于其上的等于或至少接近低压的第四确定电势。就此而言，所述第二导电层可以具有大致为高压绕组和低压绕组之间的总电势差的一半的施加于其上的电势。

在其变体中，线圈体或用于接收高压绕组的绕组载体能够绕变压器铁心旋转，从而可以盘绕导电材料以及绝缘材料。在这种情况下，可以从外部驱动线圈体。

在另一变体中，从外部电压源为导电层馈电，从而电流限制是可能的。然而，这不是非常必要的。

线圈体或用于卷绕高压绕组的绕组载体可以是预制并拆分的或可以以集成方式直接绕环形芯制造。

也可以将紧凑的绝缘体设置为高压绕组和低压绕组之间的柱体，可能在高压绕组和低压绕组之间提供空气隙形式的空气间距。

在实施例中，线圈体的侧缘可以具有摩擦或正形式配合表面。

附图说明

在下文中，将参考附图中示出的图更详细地解释本发明，附图示意性地示出了实施例，其中

图1示出了根据本发明实施例具有绝缘装置的变压器的实施例的示意图；

图2示出了根据本发明另一实施例具有绝缘装置的变压器的实施例的示意图；

图3示出了在环形芯形式的绕组载体上进行的根据本发明的变压器实施例的高压绕组的示范性绕线操作的示意截面图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明实施例具有绝缘装置的变压器的实施例的示意图。为了清楚起见，仅以大致示意性方式示出了变压器。在高压绕组4和低压绕组8之间设置绝缘装置。根据本发明的原理，可以用不同方式设计这种装置，图1中示出了一种变体。具体而言，(例如)牢固相连的根据本发明的层结构不限于下文所述的层序列，而是可以改变其自身，并也可以根据特定应用以模块化方式扩展。在图中所示的实施例中，示出了特别明显表现出本发明优点的高压变压器。然而，本发明及其优点基本适用于大量变压器类型，尤其是也适用于中压和低压范围。

图1示出了一种在高压绕组4和低压绕组8之间具有绝缘装置以在高压和低压之间进行电势隔离的变压器10。绝缘装置具有层结构，层结构包括变压器的内绝缘体2。此外，在高压绕组4和第一导电层1之间设置绝缘层3。第一导电层1处于确定的电势A，该电势等于高压绕组4的电势或接近该电势。于是，在导电层1和高压绕组4之间基本没有电势差。内绝缘体2构成适于电势隔离的绝缘层，并包括例如硅或另一种适当的不导电材料或由它们构成。内绝缘体2之后为半导电层6，半导电层6例如包括含碳材料或由其制成。这样就防止了内绝缘体2朝外的表面上的部分放电。另一个导电层5连接到电势B，该电势B等于低压绕组8的电势，或者被绝缘层7从低压绕组分开且接近其电势。接下来是绝缘层7，之后是低压绕组8。层3、1、2、6、5和7牢固地彼此连接，以便形成单元。

也可以改变根据图1的层布置，使得半导电层6设置于内绝缘体2的另一侧上，于是设置于内绝缘体2的高压侧上，或者半导电层6设置于上内绝缘体2的两个相对侧上。此外，在特定应用中还可以分别不提供层对3、1和5、7或仅提供其中一对，且仅从外部电压源为导电层1、5之一馈电。

图2示出了根据本发明扩展实施例具有绝缘装置的变压器另一实施例的示意图。具体而言，图2示出了包括高压绕组4和低压绕组8之间的两个内绝缘体2a和2b以及外部电压源SP的变压器20结构。变压器20包括：第一导电层1，其具有施加到其上的确定电势A且设置于高压绕组4和第一内绝缘体2a之间；第二导电层5，其具有施加到其上的第二确定电势B且设置于第一内绝缘体2a和第二内绝缘体2b之间；以及第三导电层11，其具有施加到其上的第三确定电势C且设置于低压绕组8和第二内绝缘体2b之间。第一半导电层6a毗邻第一内绝缘体2a，而第二半导电层6b毗邻第二内绝缘体3b。

在高压的情况下多层结构是有利的，因为例如60kV的电压在绝缘装置之内被分成两半。借助外部电压源SP，例如，将60kV的电势A施加到第一导电层1，将30kV的电势B施加到第二导电层5，将0.4kV的电势C施加到第三导电层11。半导电层6a和6b充当确定的电势减少。绝缘层7形成针对变压器20的低压绕组8的隔离，绝缘层3形成针对变压器20的高压绕组4的隔离。

也可以改变根据图2的层布置，使得半导电层6a、6b均设置于内绝缘体2a和2b的另一侧上，于是分别设置于内绝缘体2a和2b的高压侧上，或者半导电层提供于相应内绝缘体2a、2b的两个相对侧上。在特定应用中还可以不提供层对3、1和11、7或仅提供其中一对，且仅从外部电压源为导电层1、5、11之一或选择的层馈电。在特定情况下，也可以省去导电层5。

此外，还可以用模块化方式将根据图2的布置扩展额外的连续层。在下文中将根据图2解释这种情况，在图中没有更详细的绘示。例如，第三导电层11之后为第三内绝缘体，之后为第三半导电层和第四导电层，第四导电层具有施加于其上的第四确定电势，该电势等于或至少接近低压。在这种情况下，电势C对应于高压和低压之间的适当中间电势，例如大约为高压和低压之间的总电势差的三分之一(在以上数值范例中，例如为20kV)，而电势B则对应于高压和低压之间的总电势差的例如大约三分之二(在以上数值范例中，例如为40kV)。上文参考图1和2所述的变化也可以应用于本实施例中。

图3示出了在环形芯24形式的绕组载体上进行的根据本发明的变压器实施例的高压绕组的示范性绕线操作的示意截面图。具体而言，图3示出了一种布置，其中两个绕组载体21具有同时缠绕于其上的根据本发明的层结构。高压绕组载体21能够绕变压器铁心24旋转，且沿着箭头方向被驱动，以便向绕组载体21上缠绕导电材料的绕组材料(在这种情况下为扁平铝带)22和绝缘材料23。若干高压段串联并构成环形芯变压器的高压绕组。

可以预制并拆分根据本发明的绝缘层结构，该结构构成用于卷绕高压绕组4的绕组载体21(所谓的线圈主体)，或者可以通过集成方式直接绕变压器铁心24制造绝缘层结构。

可以在高压绕组4和低压绕组8之间以圆柱形式采用层结构，在高压绕组和低压绕组之间至少可以有用于冷却目的的空气隙(未示出)。原则上，这种空气隙可以设置于层结构的任意两层之间，但一般设置成较靠近高压和/或低压绕组。

绕组载体21可以具有摩擦或正形式配合表面的侧缘(未示出)。这对于绕线操作是有利的。

Claims

1、一种变压器(10)，其在高压绕组(4)和低压绕组(8)之间具有用于电势隔离的绝缘装置，所述装置具有层结构，包括提供于高压绕组(4)和低压绕组(8)之间并具有至少一个与其相邻的半导电层(6，6a，6b)的内绝缘体(2；2a，2b)。

2、根据权利要求1所述的变压器，

其中，其第一侧和第二侧上的所述内绝缘体(2，2a，2b)均与一个半导电层(6，6a，6b)相邻。

3、根据权利要求1或2所述的变压器，

还包括第一导电层(1)，其具有施加于其上的第一确定电势(A)并设置于所述高压绕组(4)和所述内绝缘体(2，2a，2b)之间。

4、根据权利要求3所述的变压器，

其中，所述第一导电层(1)所具有的施加于其上的第一确定电势(A)等于或至少接近所述高压绕组(4)的高压。

5、根据权利要求3或4所述的变压器，

其中，在所述第一导电层(1)和所述高压绕组(4)之间设置第一绝缘层(3)。

6、根据权利要求1到5中任一项所述的变压器，

还包括第二导电层(5)，其具有施加于其上的第二确定电势(B)且设置于所述低压绕组(8)和所述内绝缘体(2，2a)之间。

7、根据权利要求6所述的变压器，

其中，所述第二导电层(5)所具有的施加于其上的第二确定电势(B)等于或至少接近所述低压绕组(8)的低压。

8、根据权利要求6或7所述的变压器，

其中，在所述第二导电层(5)和所述低压绕组(8)之间设置第二绝缘层(7)。

9、根据权利要求1到8中任一项所述的变压器，

其中，所述层结构形成用于卷绕所述高压绕组(4)的绕组载体。

10、根据权利要求1到9中任一项所述的变压器，包括

-第一内绝缘体(2a)，其提供于高压绕组(4)和低压绕组(8)之间且具有至少一个与其相邻的第一半导电层(6a)，

-第二内绝缘体(2b)，其提供于高压绕组(4)和低压绕组(8)之间并具有至少一个与其相邻的半导电层(6b)。

11、根据权利要求10所述的变压器，还包括

-第一导电层(1)，其具有施加于其上的第一确定电势(A)并设置于所述高压绕组(4)和所述第一内绝缘体(2a)之间。

-第二导电层(5)，其具有施加于其上的第二确定电势(B)并设置于所述第一内绝缘体(2a)和所述第二内绝缘体(2b)之间，

-第三导电层(11)，其具有施加于其上的第三确定电势(C)且设置于所述低压绕组(8)和所述第二内绝缘体(2b)之间。

12、根据权利要求11所述的变压器，

其中，所述第一导电层(1)之后为所述第一内绝缘体(2a)，之后为所述第一半导电层(6a)和所述第二导电层(5)，之后为第二内绝缘体(2b)，之后为所述第二半导电层(6b)和所述第三导电层(11)。

13、根据权利要求11或12所述的变压器，

其中，所述第二导电层(5)所具有的施加于其上的电势大致为高压绕组(4)和低压绕组(8)之间的总电势差的一半。

14、根据权利要求12所述的变压器，

其中，所述第三导电层(11)之后为第三内绝缘体，之后为第三半导电层和第四导电层，所述第四导电层具有施加于其上的第四电势，所述第四电势等于或至少接近所述低压。

15、根据权利要求1到14中任一项所述的变压器，

其中，所述层结构形成用于卷绕所述高压绕组(4)的绕组载体，所述载体能够绕变压器铁心(24)旋转，从而可以在其上盘绕导电材料(22)和绝缘材料(23)。

16、根据权利要求3到15中任一项所述的变压器，

其中，从外部电压源(SP)为导电层(1，5，11)中的至少一个或若干个馈电。

17、根据权利要求1到16中任一项所述的变压器，

其中，所述层结构形成用于卷绕所述高压绕组(4)的绕组载体，所述载体是被预制并拆分的或者是以集成方式直接围绕变压器铁心(24)制造的。

18、根据权利要求1到17中任一项所述的变压器，

其中，所述层结构的形式为应用于高压绕组(4)和低压绕组(8)之间的圆柱，在高压绕组和低压绕组之间至少存在空气隙。

19、根据权利要求1到18中任一项所述的变压器，

其中，所述层结构形成用于卷绕所述高压绕组(4)的绕组载体，所述载体包括具有摩擦或正形式配合表面的侧缘。

20、根据权利要求1到19中任一项所述的变压器，其被设计成高压变压器，其中所述绝缘装置被设计成高压绝缘体。

21、一种用于变压器的高压绕组(4)和低压绕组(8)之间的电势隔离的绝缘装置，所述装置具有层结构，包括将设置于所述变压器的高压绕组(4)和低压绕组(8)之间并具有至少一个与其相邻的半导电层(6，6a，6b)的内绝缘体(2；2a，2b)。