CN1244287A - 用于电绕组的电缆及这样的绕组 - Google Patents

Abstract

在一种设计用于电绕组例如变压器或者电抗器绕组的电力电缆中,配置导电线芯(2)与围绕该线芯的内第一半导电层(4)相接触。第一绝缘层(6)围绕第一半导电层配置在其外侧。外第二半导电层(8)围绕第一绝缘层(6)配置在其外侧。还在第二半导电层(8)外侧提供有装置(16,18),用以对于交流电压和/冲击电压沿电缆长度的主要部分连续地将电缆接地。

Description

用于电绕组的电缆及这样的绕组

本发明涉及一种例如用于变压器或者电抗器绕组的电绕组，以及利用这样一种绕组的干式变压器或者电抗器或电感器。

在所有的输配电过程中使用变压器，用以在两个或多个电力系统之间交换电力。可以得到容量从VA级到1000MVA级的变压器。电压范围已经升高至当今使用的最高输电电压。

本发明相关的变压器/电抗器属于所谓的电力变压器/电抗器，它们的额定输出从几百KVA到超过1000MVA，额定电压从3-4KV到十分高的输电电压。

通常电力变压器的主要任务是能够在两个或者更多的具有不同电压但具有相同频率的电力系统之间交换电能。

常规的电力变压器/电抗器包含一个变压器铁芯，它是由通常为按一定取向层叠的硅钢片构成。该铁芯由一些利用磁轭连接起来的铁芯支臂组成。围绕铁芯支臂装有一些绕组，通常称之为初级绕组、次级绕组和调节绕组。在电力变压器中，这些绕组实际上总是按同心结构排列并且沿着铁芯支臂的长度分布。

适用于上述的容量范围中的较低部分的常规的电力变压器经常按照空气冷却制造的，以便带走不可避免的热损耗。该变压器可以具有一个带有通风开孔的外壳，以便对其防护避免接触并且可以降低变压器外部磁场。

然而，大多数常规的电力变压器是油冷的以及通常利用所谓的强迫油冷却方式冷却。对此其原因之一是油还用作绝缘介质，这是非常重要的功能。因此油冷却的和油绝缘的常规电力变压器封闭在一个外部油箱中，该油箱必须满足十分高的要求。

还有一些常规的油绝缘的电力变压器，其中油是用水冷却的。

这些充油的常规电力变压器有几个缺点。其中需要一个其中容纳变压器的外油箱，而变压器是由装有线圈的变压器铁芯、用于绝缘和冷却的油以及不同类型的机械支承装置组成的。油箱必须满足十分高的机械要求，这是由于在变压器充油之前需要进行真空处理，几乎达到绝对真空。需要外油箱就使得制造和测试操作非常耗费时间。油箱还具有相当大的外部尺寸。而大的外部尺寸通常还会遇到很大的运输问题。变压器通常还装有很复杂的强迫油循环装置。对于在变压器的外部连接部分和最近的线圆/绕组之间的电连接，需有一个固定到油箱上同时必须满足绝缘要求的套管，对油箱的内侧和外侧两者都有绝缘要求。

对于所谓的干式变压器，对容量和额定电压有着非常严格的上限，这是由于绝缘问题和难以有效地从绕组中排走热损耗。

通过US 50361651已知一种导体，其中的绝缘形成为半导电热解玻璃纤维的内层和外层。还已知提供具有这样一种绝缘的在电动机中使用的导体，例如在US 5066881中所介绍的，其中的半导电热解玻璃纤维层与形成该导体的两个平行的杆相接触，以及在定子槽中的绝缘由一个半导电热解玻璃纤维层所环绕。据介绍该热解玻璃纤维材料是适宜的，这是由于其即使在浸渍处理之后仍保持其电阻率。

本发明的目的是提供一种具有与用于配电的电缆相似结构的固体绝缘的电力电缆，其用于电绕组，这种电缆能够提高干式变压器的a.o性能。本发明的目的还在于提供一种由这样一种电缆构成的电绕组以及提供包含这样一种绕组的干式变压器和电感器或者电抗器。

利用在权利要求1中限定的电缆，在权利要求21中限定的绕组，在权利要求25中限定的变压器以及在权利要求26中限定的电抗器实现这一目的。

根据本发明的电缆能够承受非常高的电压以及由于它的外半导电层和将这一层连接到地的方式(如果需要)，可以参照其环境，对于交流电压和/或者对于冲击电压两者限定绕组电缆的电位，这是一个重大的优点，因为例如在电力变压器中的金属部件通常连接到指定的地电位上。利用根据本发明的电缆，对于交流电压和冲击电压两者还能实现电缆连续接地，没有使用特殊的接地装置像在离散的点接地的情况那样。总电压的最高值施加到电缆的绝缘上。在外半导电层和地之间的交流电压仅为100伏的数量级及冲击电压可以出现千伏的数量级。

根据本发明的电缆的一个优选的实施例，在外第二半导电层和配置在其上的接地导体之间是绝缘带制成的带沿电缆延伸的带，其中使用作为一个分成为各分离的部分的带的该接地的导体，分布在该绝缘带上。通过按照这种方法将接地的导体分为各分离的部分，防止了感应电压的短路。

根据本发明的电缆的另一个优选的实施例，所述用于接地的装置包含配置在第二半导电层的外侧的第二绝缘层，以及连接到地的外导电层，该外导电层环绕第二绝缘层，该绝缘层与第二半导电层一起形成一个明显大于电缆电容的电容。按照这种方式，外半导电层由于电容电压分压而被强制置于一低电压。

根据本发明的电缆的再一个优选实施例，该绝缘包含一个围绕第二半导电层卷绕的绝缘带以及该接地的导体包含一个连接到地的导电材料的外壳，所述带利用在每匝之间形成的空隙绕在各分离的线匝中和/或者在该带中形成开口，使得充有空气的空隙形成在第二导电层和外壳之间，该充有空气的空隙形成放电间隙，以便将来自第二导电层的电压冲击转移(如果该电压超过预定的限值)。这样一个实施例，特别是具有相对小的开孔的，能够形成一种坚固的结构。因为通过确定该带的尺寸，使得在外壳和第二导电层之间形成的电容明显大于电缆电容，就能够保证第二导电层对于交流电压能够连续地接近地电位。

根据本发明的电缆的再一个优选的实施例，该外层和该外壳在沿电缆的预定的位置具有一些圆形切口。另外，该外壳按照围绕绝缘的导电材料构成可分离的一些环的形式，分别在沿电缆的预定位置处应用。这样就防止在由电缆构成的绕组中形成短路回路。

根据本发明的电缆的一个优选的实施例，电缆直径处在20～200毫米的间隔范围内以及导体面积处在80～3,000平方毫米的间隔范围内。

在根据本发明的电力变压器/电抗器中，绕组最好由现用于配电类型的具有固体挤压成形绝缘的电缆构成，例如XLPE型电缆或者具有EPR绝缘的电缆。这种电缆是可弯曲的，这在本文中是一个重要的特性，这是由于用于根据本发明的装置的技术主要就是基于这种绕组系统，其中该绕组就是由在组装过程中可弯曲的电缆构成的。电缆的可弯曲性通常为对于直径30毫米的电缆为约20厘米的曲率半径，以及对于直径80毫米的电缆约65厘米的曲率半径。在本申请中使用术语“可弯曲的”是表示绕组在下至4倍电缆直径量级的曲率半径是可弯曲的，最好按照8～12倍的电缆直径的曲率半径弯曲。

根据本发明的电缆，即使当弯曲时是或者在运行的过程受到热应力时也能够维持它的特性。在本文中重要的是各层维持彼此的附着。这里各层的材料的特性是决定性的，特别是它们的弹性以及相对的热膨胀系数。在XLPE型电缆中，例如绝缘层由交链的低密度的聚乙烯构成，而半导电层由其中混合有碳黑和金属颗粒的聚乙烯构成。由于温度波动所引起的体积变化完全由在电缆中半径的变化所补偿，这是由于相对于这些材料的弹性在各层的热膨胀系数之间的比较轻微的差别所致，在各层之间未失去附着的情况下可能产生径向膨胀。

上述的材料组合应当认为仅仅是一些实例。满足所规定的条件的及还满足半导电的条件的(即具有的电阻率处在10^-1-10⁶欧姆厘米的范围内例如1-500欧姆厘米或者10-200欧姆厘米)的其他组合也落入在本发明的范围内。

例如绝缘层可以由固体的热塑性材料例如低密度的聚乙烯(LDPE)、高密度的聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、聚丁烯(PB)、聚甲基戊烯(PMP)；交链的的材料例如交链的聚乙烯(XLPE)；或者橡胶比如乙丙橡胶(EPR)或者硅橡胶构成。

内半导电层和外半导电层可以为相同的基底材料但是其中混合有由导电材料例如碳黑或者金属粉末颗粒。

这些材料的机械特性特别是它们的热膨胀系数受到相对小的影响，不管为了实现根据本发明所需的导电率至少按照所需的比例，其中混合碳黑还是金属粉末或者未混合。因此绝缘层和各半导电层具有基本相同的热膨胀系数。

乙烯—乙酸乙烯酯共聚物/腈橡胶，丁基接枝聚乙烯、乙烯—丙烯酸丁酯共聚物以及乙烯—丙烯酸乙酯共聚物也可以构成适用于半导电层的聚合物。

即使当在各个层中作为基底使用不同类型的材料时，仍希望它们的热膨胀系数基本相同。按照上面列举的材料组合就是这样一种实例。

上面列举的材料具有相对好的弹性，其E模量为E＜500兆帕，最好E＜200兆帕。该弹性对于沿弹性的径向方向要补偿的各层材料的热膨胀系数之间的微小差别来说是足够的，使得不会出现裂纹或者其他缺陷以及各层不会彼此分离。各层材料是弹性的以及各层之间的附着力对于各种材料的最薄弱的部分至少也具有相同的数值。

两个半导电层的导电率对于基本上均衡每一层的电位来说是足够的。外导电层的导电率要足够大以便包容在电缆中的电场，但是为了不会引起由于在沿该层的纵向感应的电流所引起的明显损耗，其应足够小。

因此两个半导电层中的每一个半导电层基本上构成一个等电位的表面，以及这些层将基本上包围在其间的电场。

当然不能有任何部分妨碍一个或多个附加的半导电层配置在绝缘层中。

根据本发明还提供一种干式变压器，其具有至少一个根据本发明的的电缆绕组。因此能够得到一种干式变压器，其能够运行在明显较高的电压下有效地冷却，使得该变压器能够承受高的电力负荷。因而变压器还可以方便地在现场安装，即铁芯和绕组可以分别运输，使得运输问题减轻。

为了解释本发明，下面参照附图介绍根据本发明的电缆更详细的优选实施例，其中：

图1表示根据本发明的电缆的第一实施例中的端部的透视图，其装有用于将电缆对于冲击电压实现接地的装置；

图2表示对应的等值电路图；

图3表示根据本发明的电缆第二实施例的断面图，其装有将电缆对于交流电压实现接地的装置；

图4表示对应的等值电路图；

图5表示根据本发明的电缆的第三实施例中的端部透视图，其装有用于对冲击电压和交流电压实现电缆接地的装置；

图6表示根据本发明的电缆的一个实施例中的绕组，以及

图7表示根据本发明的电缆的另一个实施例中的绕组。

图1表示根据本发明的电缆的一个实施例中的端部的透视图。该电缆包含一个由若干导电材料例如铜线股构成的导电线芯2。线芯2配置在电缆的中心以及围绕线芯是内第一半导电层4。围绕内第一半导电层4配置例如由为XLPE绝缘的绝缘层6。围绕绝缘层6配置外第二半导电层8。在外第二半导电层8的外侧配置沿电缆的绝缘带10。在绝缘带上有以由导电材料例如金属构成的带12的形式的电导体。电导体12也按适当方式接地。

图2表示根据本发明的电缆这一实施例的等值电路图，其中加在电缆线芯2上的电压由U来标注，电缆电容用C_C耒标注，放电间隙14位于在外第二半导电层8和导体12之间。

因此，如果在外第二半导体层8上产生的冲击电压的数值超过放电间隙14的击穿电压，则经过在所述装置之间的空气隙在外第二半导体层8和导体12之间形成短路，以及外第二半导体层8相应接地，即冲击电压被转换为地电位。

为了防止感应电压短路，导电带12分成为各个分离的部分，每个部分可以分别接地。

图3表示根据本发明的电缆的第二实施例，其中相对薄的第二绝缘层16配置在第二半导体层8外侧。在第二绝缘层外侧配置有连接到地的外导电层18，该外导电层18围绕第二绝缘层16，该绝缘层和第二半导电层一起形成接地电容。该外层18最好由金属构成。

图4表示对于在图3中所示的电缆的实施例的等值电路图。按与图2中相同的方式，电缆中的线芯2上的电压用U来标注，电缆电容用C_C来标注，而在第二半导电层8和外层18之间的接地电容用CG来标注。因为接地电容C_G明显大于电缆电容C_C，由于在电缆的线芯2上的电压U和在外层18上的地电位之间的电容分压，第二半导电层8的电位将保持接近地电位。

如每匝分开一定距离，则外层18可以实现对于绕组每匝接地。

图5表示根据本发明的电缆的一个实施例中的端部，其中电绝缘带20围绕电缆在第二半导电层8的外侧上卷绕。带20在间隙22内卷绕以及在带20中形成有一些小的开口24。在带20的外侧上配置有接地的导电外壳26。外壳26最好由金属箔构成。

在第二半导电层8和外壳26之间形成一些充有空气的空隙，形成在带20的各线匝之间和在各开口24处的放电间隙，该间隙将产生的冲击电压(如果冲击电压超过预定的限值)由第二半导电层8引开转换到外壳26和地上。

所说的实施例当然可以进行改进，使得形成放电间隙的充有空气的空隙仅存在在该带的各匝之间(即在该带中未形成开口)，或者该带可以紧密地卷绕，使得仅通过在该带中的各开口形成有放电间隙。具有相对小的各开口的实施例形成特别坚固的结构。

在该外层中在预定的中间位置形成有切口，以便防止卷绕的电缆短路。图6表示根据本发明的电缆的绕组，其中各相邻卷绕的线匝28彼此接触以及在电缆外壳中切口30分布在每个电缆线匝28的相同位置处。因此在沿整个绕组分布的外壳中实现了间断以及绕组的外层仅需要在绕组的一个端部32接地。

图7表示利用电缆一个实施例的绕组，其中该外壳是按照由围绕该绝缘的导电材料的环36构成。这些环36沿电缆分布在预定的位置，在各环36之间的间隙38宽于环36。

当制造根据图7所示的电缆绕组时，电缆这样卷绕，使得各相邻卷绕的线匝的环36按照这种方式彼此相接触，即要使各个环形成沿绕组分布的至少一个连续的电连接部分。在按照图7的实施例中，有两个沿绕组分布的两个这样的电连接部分，它们分别在38和40接地。在绕组的端部，两个接地的环则用42和44表示。

在按照7所示制造绕组的过程中，如果发生一个环被置于在两个相邻的卷绕的线匝的两个环之间，使得在各相邻的线匝之间没有形成电接触，通常将不会导致产生损害，这是由于在各相邻的线匝之间相对低的电压约为50-100伏。

Claims (26)

1.一种电力电缆，设计用于电绕组，其特征在于，导电线芯(2)与围绕该线芯的内第一半导电层(4)相接触，围绕第一半导电层的第一绝缘层(6)配置在该第一半导电层外侧，围绕第一绝缘层的外第二半导电层(8)配置在第一绝缘层外侧，以及装置(10，12；16，18)配置在第二半导电层外侧，以便至少沿电缆长度的大部分对于交流电压和/或者冲击电压连续地实现电缆接地。

2.根据权利要求1所述的电缆，其特征在于，所述用于接地的装置包含一个配置在第二半导电层外侧连接到地的导体，在其间夹有绝缘层，按照这样一种方式应用该绝缘层，即在第二半导电层上的冲击电压超过预定的阈值时，由于在第二半导电层和接地的导体之间击穿，使第二半导电层连接到地。

3.根据权利要求2所述的电缆，其特征在于，该绝缘层是按照沿电缆延伸的绝缘带构成带的形式以及配置在该绝缘带上的接地导体是作为被分成为各分离的部分的带使用的。

4.根据权利要求1所述的电缆，其特征在于，所述用于接地的装置包含第二绝缘层，配置在第二半导电层的外侧，以及一围绕第二绝缘层的外导电层连接到地，第二绝缘层与第二半导电层一起构成明显大于电缆电容的电容。

5.根据权利要求1或2所述的电缆，其特征在于，该绝缘层包含围绕着第二半导电层卷绕的绝缘带(20)，以及接地导体包含连接到地的导电材料构成的外壳(26)，所述带利用形成在每个线匝之间的空隙(22)绕在各分离线匝中和/或在该带中形成孔口(24)，使得在第二半导电层(8)和外壳(26)之间形成充有空气的间隙，这些空气形成放电间隙以便将来自第二半导电层上的冲击电压在其超过预定的限值时将该电压转移。

6.根据权利要求5所述的电缆，其特征在于，确定带(20)的尺寸以便使在外壳(26)和第二半导电层(8)之间形成的电容明显大于电缆电容。

7.根据权利要求4-6中之一所述的电缆，其特征在于，该外层或者该外壳是由金属构成的。

8.根据权利要求4-7中之一所述的电缆，其特征在于，该外层或者该外壳体具有沿电缆的预定位置的圆形切口。

9.根据权利要求5-8中之一所述的电缆，其特征在于，该外壳采取由导电材料构成的围绕绝缘层各分离的环(36)的形式，沿电缆在预定的各位置形成分离。

10.根据权利要求9所述的电缆，其特征在于，在沿电缆的长度方向的各个环(36)之间的间隙超过环的宽度。

11.根据权利要求1-10中之一所述的电缆，其特征在于，该导电线芯包含若干由导电材料制成的线股。

12.根据权利要求1-11中之一所述的电缆，其特征在于，电缆直径处于20-200毫米的范围内以及导体面积处于在80-3,000平方毫米的范围内。

13.根据前述任一权利要求所述的电缆，其特征在于，该电缆是可弯曲的。

14.根据前述任一权利要求所述的电缆，其特征在于，所述各层在彼此朝向转动的整个表面范围内基本上是彼此接触的。

15.根据前述任一权利要求所述的电缆，其特征在于，所述各层是彼此附着的。

16.根据前述任一权利要求所述的电缆，其特征在于，所述各层材料具有高的弹性，弹性模量小于500兆帕为宜，小于200兆帕更好。

17.根据前述任一权利要求所述的电缆，其特征在于，所述各层的材料的热膨胀系数基本上具有相同的数值。

18.根据权利要求15所述的电缆，其特征在于，所述各层的粘附力至少具有与最薄弱的材料的强度相同的量级。

19.根据前述任一权利要求所述的电缆，其特征在于，所述各层是由具有这样的弹性和这样的热膨胀系数的材料构成的，即在运行过程中由于温度的变化所引起的各个层的体积变化由材料的弹性所补偿，使得在运行过程中发生的温度变化时，各层维持彼此之间的贴靠。

20.根据前述任一权利要求所述的电缆，其特征在于，每个半导电层构成一个等电位的表面。

21.一种电绕组，其特征在于，其是由根据前述的权利要求中之一所述的电缆绕制的。

22.根据权利要求21所述的绕组，具有权利要求8所述的电缆，其特征在于，每个绕组线匝(28)的一个切口(30)分布在电缆的外壳中。

23.根据权利要求22所述的绕组，其特征在于，各相邻的绕组线匝(28)彼此接触，具有的切口(30)对在每个绕组线匝分布在相同的位置，以及仅在绕组端部该外壳接地，在绕组的一端处的接地连接部分分布在切口(30)的一侧，在绕组的另一端处的接地连接部分分布在切口(30)的另一侧。

24.根据权利要求21所述的绕组，具有根据权利要求9所述的电缆，其特征在于，设计该绕组使得各相邻的绕组线匝构成的环(36)按照这样一种方式彼此接触，即各个环构成横越绕组的至少一个连续的电连接部分，该环在绕组的一端处(在38，40)接地。

25.一种干式变压器，其特征在于，其包含至少一个根据权利要求21-24中之一所述的绕组。

26.一种电抗器，其特征在于，其包含如在权利要求21～24中之一所述的绕组。

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