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CN1244289A - 电力变压器/电抗器 - Google Patents

电力变压器/电抗器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种包含至少一个绕组的电力变压器/电抗器。各绕组是利用高压电缆(10)设计构成的,该电缆包含一个电导体,围绕该导体配置第一半导体层(14),围绕第一半导体层(14)设置一个绝缘层(16),围绕绝缘层配置第二半导体层(18)。第二半导体层(18)在每个绕组(221,222)的两端以及另外在每个绕组(221,222)中的每匝中的至少两点直接接地,以此,实现一个或几个点间接接地。

Description

电力变压器/电抗器
本发明涉及一种电力变压器/电抗器。
在所有的输配电过程中使用变压器，用以在通常具有不同电压等级的两个或多个电力系统之间交换电力。可以得到功率从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。利用电磁感应在电力系统之间传输电能。
在输电工程中例如在相位补偿和滤波中还有电抗器作为一种基本元件。
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/电抗器例如在已由Fredrik Gustavson所著的著作“Elektriska Maskiner”(由The Royal Institute of Technology，Sweden，1996出版)(3-6)-(3-12)页中作了介绍。
常规的电力变压器/电抗器包含一个变压器铁芯(下面简称为铁芯)，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。
在例如所谓的壳式变压器或者在环形变压器中有时会遇到其它类型的铁芯结构。在DE 40414中讨论了一些关于铁芯变压器的实例。该铁芯可由常规的可磁化的材料如所述取向的矽钢片和其他可磁化的材料例如铁氧体、非晶材料、多股线材或者金属带构成。正如公知的，在电抗器中可磁化的铁芯不是必须的。
上述绕组虽构成了一个或几个串联的线圈，而线圈却具有很多串联的匝数。单个线圈的匝数通常构成一个几何形状连续的整体，其在物理上与其余的线圈是分开的。
通过US 5036165可以了解一种导体，其中其绝缘层设有半导电的热解的玻璃纤维构成的内层和外层。还公知利用这样一种绝缘层提供在电动机中使用的导体，如在US 5066881中介绍的，其中，半导电的热解的玻璃纤维层与形成为导体的两个平行的杆相接触，以及在定子槽中的绝缘层由一个半导电的热解的玻璃纤维外层所环绕。该热解的玻璃纤维材料据介绍是适宜的，这是由于它即使在浸渍处理之后也保持其电阻率。
部分在线圈/绕组内侧的和部分在线圈/绕组以及其余的金属零件之间的绝缘系统通常是由固体的或基于漆的绝缘体的形式构成，以及在其外侧，绝缘系统由固体纤维素绝缘、液体绝缘，以及还可能由气体形式的绝缘构成。带有绝缘和可能很庞大的零件的绕组按照这种方式占有很大的体积，以及承受在属于变压器的投入使用的电磁元件中及其周围产生的高的电场强度的作用。需要关于绝缘材料的特性的详细的知识，以便预先确定所产生的介电电场强度以及确定尺寸使得将放电的危险降到最小。重要的是，获得一种不改变和不降低绝缘特性的周围环境。
当今占优势的用于常规高压电力变压器/电抗器的外绝缘系统由作为固体绝缘的纤维素材料以及作为液体绝缘的变压器油构成。变压器油是以所谓的石油为基底的。
常规的绝缘系统例如在由Fredrik Gustavson所著的著作“Elektriska Maskiner”(由The Royal Institute of Technology，Sweden，出版1996)(3-9)-(3-11)页上作了介绍。
另外，常规的绝缘系统构成相对复杂，在制造的过程中需要采取特殊的措施，以便利用该绝缘系统的良好的绝缘特性。该系统的水份含量必须很低，以及在绝缘系统中的固相部分需要由周围的油良好的浸渍以便使产生气泡的危险降到最小。在制造过程中，在降落安装到油箱中之前，要对带有绕组的已完工的铁芯进行特殊的干燥处理。再将铁芯下降安装到油箱中和密封之后，在充油之前，要通过特殊的真空处理抽去油箱中的所有空气。除了大范围地使用车间中的资源之外，从整个制造过程中的角度来看这种处理过程是相当耗时的。
环绕变压器的油箱必须按着这样一种方式构成，即其应能承受全真空，因为该处理过程需要将所有的空气抽出达到几乎绝对真空，这要额外增加材料消耗和制造的时间。
此外，每次安装都需要重复真空处理，为了检查要将变压器打开。
根据本发明，该电力变压器/电抗器至少包含一个绕组，在大多数情况下，绕组围绕可磁化的铁芯配置，它们可以具有不同的几何尺寸。为了简化如下的说明，下面将讨论术语“绕组”。该绕组由具有固体绝缘的高压电缆组成。电缆至少具有位于中心的一个电导体。围绕该导体配置有第一半导电层，围绕该半导电层配置有固体绝缘层，围绕该固体绝缘层配置有第二外部半导电层。
使用这样一种电缆意味着受到高电应力影响的变压器/电抗器的这些区域将被限制于电缆的固体绝缘。变压器/电抗器中的其余部分将仅受到相对于高压为中等的电场强度的作用。此外利用这样一种电缆消除了在本发明的背景技术部分中所介绍的几个问题。因而油箱不需要绝缘装置和冷却剂。整体绝缘基本上也变得简单。与常规的电力变压器/电抗器相比较，建造的时间明显缩短。各个绕组可以分别制造，以及可以将变压器/电抗器在现场组装。
然而，使用这样一种电缆会出现新的问题，这必须要解决。第二外半导电层必须在电缆的两端处或者在其附近直接接地，以便在正常运行电压期间和在暂态过程期间出现的电应力将仅主要加在电缆的固体绝缘上。该半导电层和这些直接接地点一起构成一个闭合回路，在运行过程中该回路中会感应电流。该层的电阻率必须足够高，以便在该层中产生的电阻损耗可以忽略。
除了这种磁感应电流之外，容性电流也通过该电缆的直接接地的两端流入到该层。如果该层的电阻率太高，这样容性电流将受到限制，使得在该层的各部分中的电位在产生交变的应力周期期间，可能不同于地电位达到这一种程度，使电力变压器/电抗器中除了绕组固体绝缘以外的区域将承受电应力。通过使半导电层的几个点直接接地，最好绕组的每匝一点直接接地，如果该层的导电率足够高就能保证整个外层维持在地电位以及消除上述问题。
外层上每匝一接地点是按这样一种方式形成的，各接地点都处于绕组的基体上以及沿绕组的轴线长度方向的各点电连接到一导电的接地线上，该接地线其后再连接到公共的地电位上。
在极端的情况下，绕组可能受到这种迅速的暂态过电压的作用，外半导电层中的各部分承受这一电压，使电力变压器中除了电缆的绝缘部分之外的区域都受到不希望承受的电应力的作用。为了防止这种情况，将一些非线性元件例如火花间隙、热阴极充气二极管，齐纳二极管或压敏电阻连接在外半导电层和绕组每匝接地点之间。另外，通过将一电容器连接在外半导电层和地之间，可以防止出现不希望出现的电应力。电容器也降低在50赫下的电压。这种接地原理下面将称为“间接接地”。
在根据本发明的电力变压器/电抗器中每个绕组的两端处将第二半导电层直接接地，以及在该两端之间的至少一个接地点间接接地。
各单独接地的接地线连接到地，或者经过：
1非线性元件，例如火花间隙或热阴极充气二极管；
2与电容器并联的非线性元件；
3电容器；
或者经过所有三种替换方案的元件组合。
在根据本发明的电力变压器/电抗器中，最好由具有固体挤压成形的绝缘的电缆组成绕组，现在这种类型的电缆用于配电，例如XLPE型电缆或者具有EPR型绝缘的电缆。这些电缆是可弯曲的，这在本文中是一个很重要的特性，这是由于用于根据本发明的装置的技术是主要基于这样一种绕组系统，在该系统中绕组是以在组装过程中被弯曲的电缆构成的。XLPE型的电缆的可弯曲性通常对应于对于30毫米直径的电缆约20厘米的弯曲半径，以及对应于对于直径80毫米的电缆约65厘米的弯曲半径。在该应用场合下，术语“可弯曲的”用于表示该绕组下至为4倍于电缆直径等级的弯曲半径也是可弯曲的，最好按8到12倍于电缆直径的弯曲半径弯曲。
本发明的绕组的构成是为了即使当它们被弯曲时和当它们在操作的过程中承受热应力时也能保持它们的特性。在本文中电缆中的各层保持相互附着是非常重要的。在这里各层的材料特性是决定性的，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以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沿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。
本发明的上述及其它优选实施例在从属权利要求中叙述。
下面参照附图将在对各优选实施例的如下介绍中更详细地说明本发明。
图1表示高压电缆的断面图；
图2表示根据本发明的第一实施例的绕组的透视图，其中绕组每匝具有三个间接接地点；
图3表示根据本发明的第二实施例的绕组的透视图，其中绕组每匝具有一个直接接地点和两个间接接地点；
图4表示根据本发明的第三实施例的绕组的透视图，其中绕组每匝具有一个直接接地点和两个间接接地点；以及
图5表示根据本发明的第四实施例的绕组的透视图，其中绕组每匝具有一个直接接地点和两个间接接地点。
图1表示按常规方式用于输电的高压电缆10的断面图。所示的高压电缆例如可以是一种标准的XLPE型145KV电缆，但是没有护套和屏蔽层。高压电缆10包含一个电导体，其可以包含一个或者几个具有圆形断面的例如铜(Cu)线股12。这些线股12配置在高压电缆10的中心。围绕线股12配置有第一半导电层14。围绕该低半导电层14配置有一绝缘层16，例如XLPE绝缘层。围绕第一绝缘层16配置有第二半导电层18。
如图1中所示的高压电缆10形成80-3000平方毫米之间的导体区以及电缆外径在20-250毫米之间。
图2表示根据本发明第一实施例的绕组透视图，其中绕组每匝具有三个间接接地点。图2示有在电力变压器或电抗器中的由标号20标注的铁芯支臂。围绕铁芯支臂20配置的绕组221和222是由图1中所示的高压电缆10构成的。在这种情况下，借助于固定的绕组221、222，绕组每匝沿径向配置有6个间隔条元件241、242、243、244、245和246。如在图2中所示，在每个绕组221、222的两端261、262；281、282处外半导电层接地。用黑色加重的间隔条元件241、243、245在这种情况下用来实现绕组每匝3个间接接地点。在绕组222的周边和沿绕组222的轴向长度方向上，间隔条元件241直接连接到第一接地元件301，间隔条元件243直接连接到第二接地元件302，间隔条元件245直接连接到第三接地元件303。接地元件301、302、303例如可以为接地线301-303的形式。如在图2中所示，各接地点都处于绕组的基体上。每个接地元件301-303的直接接地是指它们经过它们各自的电容321、322和323接地。通过按照这种方式间接接地，可以防止不希望产生的电压出现。
图3表示根据本发明的第二实施例的绕组的透视图，其中每个绕组线匝具有一个直接接地点和两个间接接地点。在图2和图3中相同的元件使用相同的标号标注，以便使附图更清晰。在这种情况下，两个绕组221和222也是由图1中所示的高压电缆(10)构成的，它们围绕铁芯支臂20配置。绕组221、222是利用绕组每匝6个间隔条元件241、242、243、244、245和246固定的。在每个绕组221、222的两个端部261、262、281和282处第二半导电层按照图2接地(与图1相比较)。使用间隔条元件241、243、245(用黑色标注的)在这种情况下是为了实现绕组每匝一个直接接地点和两个间接接地点。按照与图2中相同的方式，间隔条元件241直接连接到第一接地元件301，间隔条元件243直接连接到第二接地元件302，以及间隔条元件245直接连接到第三接地元件303。如在图3中所示，接地元件301直接连接到地36，两接地元件302、303间接接地。接地元件303间接接地是指经过电容32串联接地。接地元件302间接接地是指经过火花间隙34接地。火花间隙是非线性元件的一个实例，即一个具有非线性电压电流特性的元件。
图4表示根据本发明第三实施例的绕组透视图，其中绕组每匝具有一个直接接地点和两个间接接地点。在图2-4中，相同的元件使用相同的标号来标注，以便使附图更清晰。图4表示按照图3所示相同的方式配置的绕组221、222，铁芯支臂20，间隔条元件241、242、243、244、245和246以及接地元件301、302、303，因此将不再详细的介绍。接地元件301直接连接到地，而接地元件302、303间接接地。接地元件302、303间接接地是指它们经过各自的电容串联接地。
图5表示根据本发明第四实施例的绕组的透视图，其中绕组每匝具有一个直接接地点和两个间接接地点。在图2-5中相同的元件用相同的标号来标注，以便使附图更清晰。图5示有按与图3和4所示相同的方式配置的绕组221、222，铁芯支臂20，间隔条元件241、242、243、244、245和246，端部接地点261、262、281、282以及接地元件301、302、303，因此这里不再详细介绍。接地元件301直接连接到地36，而接地元件302、303间接接地。接地元件302间接接地是指经过放电间隙串联接地。接地元件303间接接地是指经过一包含与电容40并联的火花间隙38的电路串联接地。
在以上所示的本发明的各实施例中仅以举例的方式表示火花间隙。
在如上所示的各附图中的电力变压器/电抗器包含一可磁化的铁芯。然而，应当理解，可以制造没有可磁化的铁芯的电力变压器/电抗器。
本发明并不局限于所表示的各实施例，在附加的专利权利要求的框架内可以有几种不同的变化方案。

Claims (16)

1.一种电力变压器/电抗器，包含至少一个绕组，其特征在于，一个/一些绕组由包含一电导体的高压电缆(10)构成，围绕该导体配置第一半导电层(14)，围绕一半导电层(14)配置绝缘层(16)，围绕绝缘层(16)配置第二半导电层(18)，第二半导电层(18)在每个绕组(221、222)的两端直接接地，以及在该两端之间的至少一点间接接地。
2.根据权利要求1所述的电力变压器/电抗器，其特征在于，高压电缆(10)是按80-3000平方毫米的导体面积和20-250毫米的电缆外径制造的。
3.根据权利要求1或2所述的电力变压器/电抗器，其特征在于，利用接地电流连接线实现直接接地(36)。
4.根据权利要求1到3中之一所述的电力变压器/电抗器，其特征在于，利用接入在地和第二半导电层(18)之间的电容(32；321-323)实现间接接地。
5.根据权利要求1到3中之一所述的电力变压器/电抗器，其特征在于，利用接入第二半导电层(18)和地之间的具有非线性电压电流特性的元件(34)实现间接接地。
6.根据权利要求1到3中之一所述的电力变压器/电抗器，其特征在于，利用接入第二半导电层(18)和地之间的电路实现间接接地，该电路包含一与电容(40)并联的具有非线性的电压电流特性的元件。
7.根据权利要求6所述的电力变压器/电抗器，其特征在于，利用根据权利要求4-6所述的各个方案的组合实现间接接地。
8.根据权利要求1到7中之一所述的电力变压器/电抗器，其特征在于，具有非线性电压电流特性的元件是火花间隙(36)、充气二极管、齐纳二极管或压敏电阻。
9.根据权利要求1到8中之一所述的电力变压器/电抗器，其特征在于，该电力变压器/电抗器包含一可磁化的铁芯。
10.根据权利要求1到8中之一所述的电力变压器/电抗器，其特征在于，该电力变压器/电抗器不包含一可磁化的铁芯。
11.根据权利要求1所述的电力变压器/电抗器，其特征在于，该一个/一些绕组是可弯曲的，以及所述各层是彼此附着的。
12.根据权利要求11所述的电力变压器/电抗器，其特征在于，所述各层是具有这样一种弹性的和这样一种材料的热膨胀系数之间关系的材料，使得在运行过程中由于温度变化引起的体积变化能够由该材料的弹性所补偿，从而在运行过程中出现的温度变化的过程中各层彼此附着。
13.根据权利要求12所述的电力变压器/电抗器，其特征在于，在所述各层中的材料具有高的弹性，E-模量小于500兆帕较好，小于200兆帕更好。
14.根据权利要求12所述的电力变压器/电抗器，其特征在于，所述层材料的热膨胀系数基本相同。
15.根据权利要求12所述的电力变压器/电抗器，其特征在于，在所述各层之间的附着力在该材料的最薄弱处也至少具有相同的等级。
16.根据权利要求11或12所述的电力变压器/电抗器，其特征在于，每个半导电层基本上构成一等电位面。
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