CN1279813A - 开关装置站 - Google Patents

Abstract

一种开关装置站包括至少一个开关装置和至少一个变压器/反应器;变压器/反应器包括至少一个包括有至少一个导电体(2)的绕组(1)。导体具有一个绝缘系统,绝缘系统包括一个由固体绝缘材料构成的绝缘层(4)和一个位于绝缘层内侧的内层(3),内层的导电性低于导电体的导电性但足以使内层起到平衡电位从而平衡内层外侧的电场的作用。

Description

开关装置站

发明领域及现有技术

本发明涉及一种开关装置站，它包括至少一个开关装置和至少一个变压器/反应器，其中变压器/反应器包括至少一个包括有至少一个导电体的绕组。

在所有电能的输送和分配过程中，都要用到变压器，它们的任务就是使电能在两个或多个电力系统之间进行交换，为此，以众所周知的方式来利用电磁感应作用。主要用于本发明的变压器属于所谓的电源变压器，其额定功率可从几百kVA一直到高达1000MVA以上，其额定电压从3-4KV直到高达很高的输送电压，400KV至800KV或者更高。

尽管以下描述主要针对电源变压器，但本发明也适用于反应器，包括单相和多相反应器。至于绝缘和冷却方式，实施方案大体上与变压器相同。因此，可用的有空气绝缘和油绝缘、自冷压力油冷等各种反应器。尽管反应器(每相)有一个绕组，可以带有或不带磁心，对背景技术的描述很大程度上也与反应器相关。

绕组在某些实施方案中可为无磁心绕组，但通常包括一个磁心和一个绕组，磁心由叠片式、垂直或取向的薄板或其它材料如无定形或粉末基材料构成，或者进行其它作用以便得到交变通量。电路中通常包括某种类型的冷却系统等。

为能将本发明的变压器/反应器置于适当的上下文中从而能够描述本发明所指的新方法及本发明相对于现有技术所提供的优点，在下文中首先对现有技术的电源变压器以及在这些变压器进行计算、设计、绝缘、接地、制造、使用、试验、运输等时所存在的缺点和问题给出完整的描述。

传统的电源变压器包括一个变压器铁心、它在下文中称作铁心，通常由硅铁材料的叠片式取向薄板制成。铁心包括多个通过轭相连的铁心柱，它们一起形成一个或多个铁心窗。带有这种铁心的变压器通常被称作铁心变压器。环绕着铁心柱有多个绕组，通常被称作初级、次级和控制绕组。就电源变压器而言，这些绕组实际上总是沿铁心柱的长度上同轴地排列分布、铁心变压器通常具有环形线圈以及一个锥形铁心柱截面，以便尽可能紧凑地填充线圈。

已知的还有其它型式的铁心结构，例如所谓的铁壳型变压器中包括的铁心结构。它们通常设计为矩形线圈和矩形铁心柱截面。

传统的电源变压器在上述功率范围的较低部分中，有时会采用气冷来散去不可避免的固有损耗。为防止接触，并且可能减小变压器的外部磁场，通常变压器会带有一个带通风孔的外壳。

然而大多数传统的电源变压器都采用油冷。其原因之一是油另外还具有作为绝缘介质的非常重要的作用，因此油冷油绝缘的电源变压器由一个外箱所包围，通过以下描述可以看出对外箱具有很高的要求。

以下部分的描述中大部分针对的是充油式电源变压器。

变压器的绕组由一个或若干串联的线圈构成，线圈由多个串联的匝构成。此外，线圈带有专门的装置以便可在螺纹接头的帮助下，或者更为常见的是，在可在外箱附近操作的专用转换开关的帮助下进行开关操作。如果可对带压变压器进行转换，转换开关被称作带载抽头转换开关，而否则就会被称作断载抽头转换开关。

关于较高功率范围的油冷、油绝缘式电源变压器，带载抽头转换开关的切断元件被置于与变压器箱直接相连的专门的充油容器中。切断元件通过一个电动机驱动的转轴进行纯机械式操作，并且可以在触点打开时的开关动作期间快速运动，而在触点闭合时较慢地运动。然而这种带载抽头转换开关被置于实际的变压器箱中。在操作过程中，会发生起弧和放火花。这会导致容器中的油老化。为减少起弧因而同时减少烟灰的形成和触点的磨损，带载抽头转换开关通常与变压器的高压端相连。这是由于在高压端切断和连通各自所需的电流要比带载抽头转换开关与低压端相连时更小。传统的充油式电源变压器的故障统计表明产生故障的通常是带载抽头转换开关。

在较低功率范围的油冷、油绝缘式电源变压器中，带载抽头转换开关及其切断元件都置于外箱中，这就意味着因工作时起弧等而引起的上述油的老化问题会影响整个油路系统。

从外加或感应电压的观点来看，概括地可以说固定地位于绕组两端的电压均等地分布于绕组的各匝上，也就是说所有各匝的匝电压都相同。

然而从电位的观点来看，情况就会完全不同。绕组的一端通常接地。然而这就是说，每匝的电位线性地增大，从与地电位最近的匝中的几乎为零，一直到绕组另一端的匝中与外加电压相一致的电位。这种电位分布决定了绝缘系统的组成，原因是在绕组的相邻匝之间和每匝与地之间都需要充分绝缘。

单个线圈中的各匝通常合在一起构成一个几何耦合单元、在物理上与其它线圈隔开。线圈之间的距离也由可在线圈之间产生的电介质应力来决定。因此这就意味着线圈之间也需要保持一定的指定绝缘距离。根据上文，位于电场中的其它导电物体也需要与局部产生于线圈中的电位保持足够的绝缘距离。

因此通过对单个线圈的以上描述可以看出，内部物体上相邻的导电元件之间的电压差较低，而外部相对于其它金属物体-其它包括在内的线圈的电压差可能较高。电压差由通过磁感应而感应出的电压及从变压器的外部接头上的所连外部电力系统产生的电容式分布电压决定。除工作电压之外，从外部进入的电压类型包括雷电过电压和操作过电压。

在线圈的电线中，由于导体周围的漏磁场会产生另外的损失。为了尽可能降低这些损耗，特别是对较高功率范围的电源变压器而言，导体通常被分成许多导电元件，通常被称作绞合线，工作时它们并联。这些绞合线必须根据某种型式交叉相接以便使每个绞合线中的感应电压尽可能相同，并且每对绞合线之间的感应电压的差值尽可能地小，从而将内部环流分量控制于从损耗的观点来看基本合理的水平。

在设计现有技术的变压器时，一般的目标是在由所谓的变压器面口所限定的给定区域内尽可量地具有更多数量的导体材料，概括地描述为具有尽可能大的占空因数。可用的空间中除导体材料外，还要包括线圈相关的绝缘材料，绝缘材料部分在内部位于线圈之间，部分位于与其它金属组件包括磁心之间。

绝缘系统部分位于线圈/绕组内部，部分位于线圈/绕组与其它金属部件之间，它们通常设计成如下方式，最靠近各个导体元件外为固体纤维素或清漆基绝缘材料，其外侧为固体纤维素或液体，也可为气体绝缘材料。以这种方式带有绝缘材料和可能带有的支承构件的绕组表现出将会承受较高的电场力的较大容量，电场力在变压器的有效电磁部分内部及周围产生。为能预先确定在使击穿的可能性降至最低的情况下达到一定大小的电介质应力，需要详细了解绝缘材料的性能。使周围环境不会或降低绝缘性能这一点也很重要。

现在高压电源变压器所用的主要的绝缘系统包括作为固体绝缘材料的纤维素材料和作为液体绝缘材料的变压器油。变压器油以所谓的矿物油为基础。

由于除了绝缘作用之外，变压器油能通过排放变压器的热损耗而有效地冷却铁心、绕组等，因而变压器油具有双重作用。油冷方式需要一个外部冷却装置、胀缩联轴节等。

变压器的外部接头与直接相连的线圈/绕组之间的电连接被称作套管，套管的作用是通过在充油式电源变压器中包围着实际的变压器的外箱实际导电连接。套管通常为安装于外箱上的独立组件，它的设计符合外箱外部和内部的绝缘要求，同时它应当经得起所产生的电流载荷及随之产生的电流力。应当指出与如上关于绕组所述相同的对绝缘系统的要求也适用于线圈之间、套管与线圈之间的必需的内部接头、不同类型的转换开关和诸如此类的套管。

除载流导体之外，电源变压器内部的所有金属组件通常都与指定地电位相连。这样，就可以避免由于高电位电流引线与地之间的电容电压分布而产生的不希望的、难以控制的电位升高。这种不希望的电位升高可能会产生局部放电，即所谓的电晕。电晕可能在正常的验收试验过程中出现，在试验中局部会产生比额定值更大的电压和频率。电晕会在正常工作中造成损害。

变压器中的单个线圈必须具有一定的机械尺寸以便使它们可以承受由于在短路期间的电流升高及相应的电流力而产生的应力。通常线圈的结构设计使得升高的力在各个线圈内部吸收，这又可能意味着线圈不能具有与在其正常工作期间正常发挥作用相应的尺寸。

在较窄的电压和功率范围内的充油式电源变压器中，绕组被设计成所谓的扁线绕组。这就意味着上述单个导体被薄扁线所取代。扁线绕组式电源变压器所用于的电压可高达20-30KV，功率可达20-30MW。

较高功率范围的电源变压器的绝缘系统除了需要较为复杂的结构设计之外，还需要专门的制造方法以便以最佳方式利用绝缘系统的性能。为获得良好的绝缘，绝缘系统应当具有低含水量，绝缘材料的固体部分应良好地浸渍于周围的油中，并且固体部分中留有“气”泡的可能性必须降至最低。为保证如此，在放入槽内之前，在带有绕组的整个铁心上进行专门的干燥和浸渍处理。在完成这种干燥和浸渍处理之后，变压器被放入槽中，然后将槽密封。在注油之前，浸有变压器的槽必须清空所有的空气。这通过一种专门的真空处理来完成。当完成这种处理后，注油就可以进行。

为能达到期望的使用寿命，等等，要求利用真空处理抽成几乎绝对真空。这样这就要求预先假定包围着变压器的槽设计用于完全真空，这就需要可观的材料耗用和制造周期。如果在充油式电源变压器中发生放电，或者如果变压器的任一部分会出现局部温度显著升高、油就会老化，油中的气体产物就会分解。因此变压器通常带有监测装置来检测油中分解的气体。

由于重量的原因，大型电源变压器都在无油情况下运输。在用户的变压器安装现场就需要重新进行真空处理。此外，这一过程在每次槽因需要进行某种操作或检测而打开时都要重复进行。

显然，这些过程既耗费时间又消耗费用，构成了整个制造和修理周期的很大的一部分，同时又需要利用大量的资源。

传统的电源变压器中的绝缘材料构成了变压器整个体积的一个很大部分。对于较高功率范围的电源变压器。油的数量的值可能达到成百立方米变压器油的数量级。油在某些方面与柴油相似，为稀薄流体、具有较低的闪燃点。因此显而易见的是在意外受热的情况下，如内部跳火且导致溢油的情况下，油与纤维素一起构成了不容忽视的火灾问题。

另外，显然还存在较大的运输问题，特别是对于充油式电源变压器。一台较高功率范围的这种电源变压器总重量可高达30-40吨。已经认识到变压器的外部设计有时必须与现有的运输型式相适应，也就是说要能通过桥梁、隧道等。

下文是对充油式电源变压器的现有技术的以及可描述为其缺点和问题方面的内容的简要总结：

充油式电源变压器

--包括一个用于安放变压器的外槽、用于绝缘和冷却的油、各种机械支承装置等，其中变压器包括一个带有线圈的变压器铁心。由于槽内无油但有变压器时要能进行真空处理以形成实际的完全真空，因而对槽提出了很高的机械要求。槽需要非常广泛的制造和试验方法，并且槽的大型外部尺寸通常也会带来显著的运输问题：

--对于较大功率范围来说，包括所谓的压力油冷系统，这种冷却方法要求提供油泵、外部冷却装置。膨胀容器和胀缩联轴节等；

--包括一个位于变压器的外部接头和直接相连的线圈/绕组之间的电接头，为安装于槽上的套管的形式。套管的设计符合对于槽的外部和内部提出的所有绝缘要求，

--包括线圈/绕组、线圈/绕组的导体被分成许多导体元件，即绞合线，它们必须以一定方式交叉连接以便使每个绞合线上感应的电压尽可能相同并使每对绞合线之间的感应电压差值尽可能地小；

--包括一个绝缘系统，部分位于线圈/绕组内部，部分位于线圈/绕组与其它金属部件之间，它被设计成以下方式，最靠近各个导体元件处为固体纤维素基或清漆基绝缘材料，而在此外侧为固体纤维素或液体、也可为气体绝缘材料。此外，特别重要的是使绝缘系统具有很低的含水量；

--作为一体式构件包括一个带载抽头转换开关，其周围为油，通常与电压控制所用的变压器的高压绕组相连；

--包括油，它可能会带来与内部局部放电，即所谓的电晕、带载抽头转换开关放火花或其它故障条件有关的不容忽视的火灾问题；

--通常包括一个用于监测油中分解出的气体的监测装置，在其中放电或局部温度升高时会发生分解；

--包括油，一旦发生损坏或事故，可能会发生漏油从而造成巨大的环境破坏。

因此，以上叙述说明，由于变压器/反应器的结构设计、现有的开关装置站留下了许多有待改进的方面。还应当指出至少某些实施方案中，就其开关装置而论，开关装置站体积庞大，相应也费用昂贵。

应当指出开关装置站一词此处是指一个站，它设计用于电能的收集和/或分配，为此，包括a.o开关和监控所用的所需设备。

发明概述

本发明的目的首先是提供一种开关装置站，其中至少一个或某些上述对现有技术造成损害的缺点已被消除。

本发明的主要目的通过一种由在所附权利要求，首先是权利要求1中所确定的类型的装置来实现。

广义地讲，已经确定的是，由于本发明使得可以基本上将由于所述导电体而产生的电场封闭于绝缘系统内，本发明的方案设计因而降低了所发生的损耗，从而使装置能更高效地工作、损耗的降低又会导致设备中的温度更低，这就减轻了对冷却的需要因而可以使得所用的冷却装置能以比没有本发明时更简单的方式设计。

本发明的导体/绝缘系统可以软性电缆的形式实现，这就意味着与时至今天传统的预制、刚性绕组相比，在生产和安装方面具有显著的优点。本发明所用的绝缘系统不带有气体或液体绝缘材料。

关于本发明作为电源变压器/反应器的方面，本发明首先消除了电源变压器注油的需要并且消除了与这一点相关的问题和缺点。

绕组沿其长度方向的至少一部分上包括由固体绝缘材料构成的绝缘层、绝缘层内部的内层和绝缘层外部的外层，内层和外层均由半导体材料构成，绕组的这种结构设计使得它可以将整个装置中的电场封闭于绕组内部。本文中用到的“固体绝缘材料”一词是指绕组不用液体或气体绝缘，例如油的形式。相反，所用的绝缘材料要由聚合材料构成。同样内层和外层也由聚合材料构成，尽管是半导体聚合材料。

内层和固体绝缘层沿基本上整个界面牢固地互相连接在一起。外层和固体绝缘层也沿其间的基本上整个界面牢固地互相连在一起。由于内层具有半导体性能，因而内层可以平衡电位，从而平衡内层外侧的电场。外层也要由半导体材料构成，它的导电性至少要高于绝缘层以便使外层能通过接地或与较低电位相连接而起到平衡电位的作用，并且基本上将由于外层内的所述导电体而产生的电场封闭起来。另一方面，外层应当具有足够的电阻以便使所述外层中的电损耗降至最低。

绝缘材料与内、外半导体层之间的牢固互连应当沿基本上整个界面保持均匀一致，以便不会有空腔、孔或类似东西存在。由于本发明的高电压水平，可能会升高的电载荷和热载荷会对绝缘材料提出特别要求。已经知道局部放电即PD，对于高压装置中的绝缘材料来说通常构成严重的问题。如果在高电压下产生空腔、孔或类似物，内部电晕放电就会发生，从而会使绝缘材料逐渐退化而结果会导致电击穿绝缘层。这可能会造成电磁装置被严重击穿。因此，绝缘层应当均匀。

绝缘层内侧的内层的导电性应当低于导电体，但足以使内层起到平衡电势从而平衡内层外部的电场的作用。这点与内层和绝缘层沿基本整个界面的牢固互连即不存在空腔之类这一点，意味着可在内层外部产生基本均匀的电场并且使局部放电的可能性降至最低。

优选的是内层和固体绝缘层由热膨胀系数基本相等的材料构成。就外层和固体绝缘层而言也优选如此。这就意味着内、外层和固体绝缘层构成的绝缘系统象单个零件一样随温度改变而均匀一致地膨胀或收缩，温度变化不会对界面造成任何破坏或分裂影响。这样，内、外层与固体绝缘层之间的接触面的紧密性就得以保证并且得以在长期工作期间创造保持这种紧密性的条件。

此外，应当指出内、外层和固体绝缘层的材料必需具有较高弹性，以便使材料能够经受电缆弯曲和电缆工作期间遭受热应变时所产生的应变。如果内、外层和固体绝缘层中的材料的热膨胀系数不是大致相等，固体绝缘层与内、外层之间的牢固粘合和内、外层及固体绝缘层各自的高弹性就特别需要。此外，优先的是内、外层与固体绝缘层中的材料具有大致相等的弹性(弹性模量)，这将会消除内、外层和固体绝缘层之间的较宽区域内的剪应力。优先的是内、外层和固体绝缘层中的材料的弹性模量低于500MPA，优选低于200MPA。为能够利用电缆来形成绕组，必需要求它们有良好的柔性。优选的是电缆能够承受曲率半径为电缆直径20倍或更低，以为电缆直径的15倍或更低为宜的弯曲，而不会对功能造成负面影响。优选的是电缆应当可以弯曲至曲率半径为电缆直径的四或五倍甚至更低。

绝缘系统的电载荷得以下降，原因是绝缘层周围的半导体材料内、外层易于形成基本等电位的表面，这样绝缘层中的电场就会正确地沿绝缘层的厚度比较均匀地分布。

已经知道用于输送电能的高压电缆可由带由周体绝缘材料绝缘层和半导体材料内、外层的导体构成。在输送电能时，很早以前就已认识到绝缘层应当不会发生故障。然而，在输电用的高压电缆中，不仅沿电缆的长度电位不会变化，而且电位基本处于相同的水平。然而，同样在输电用的高压电缆中，可能会因瞬时现象如雷电而产生瞬时电位差。根据本发明，利用所附权利要求的软性电缆来作电磁装置中的绕组。

另一项改进通过由更小的所谓的绞合线来构成绕组中的导电体来实现，其中至少部分绞合线之间相互绝缘。通过使这些绞合线具有较小的横截面，优选近似为圆形的横截面，穿过绞合线的磁场就会具有场的恒定几何特性，因而使出现涡流的概率降至最低。

因此，根据本发明，绕组优选地以包括导电体和前述绝缘系统的电缆的形式制成，其中绝缘系统的内层包围着导体。该内半导体层的外侧为固体绝缘材料形式的主绝缘层。

根据本发明，外半导体层应具有的电学性能应该可以保证沿导体上电位相等。然而，外层可以不具有这种导电性能从而使得会沿表面流过一个感应电流，这就会产生损耗，损耗又会产生不希望的热载荷。对于内层和外层而言，在权利要求5中所确定的电阻说明(20℃时)是有效的。对于内半导体层，它必须具有足够的导电性以保证电场电位相等，并且同时该层必须具有足够的电阻以保证电场得以封闭。

内层与固体绝缘层的界面处具有较高表面光洁度因而使内层能使导体表面的不一致平衡并形成一个等电势表面这一点非常重要。内层的厚度可以变化，但是为保证与导体和固体绝缘层形成平滑的表面，适宜的厚度为0.5至1mm之间。

根据本发明用于其电磁装置中的这种软性绕组电缆是对本身就用于输电的XLPE(交联型聚乙烯)电缆或带有EP(乙烯丙烯)橡胶绝缘层的电缆的改进。其中，改进之处包括以下两点，新设计的导体绞合线以及新设计的电缆至少在某些实施方案中不再带有起到对电缆进行机械保证作用的外壳。然而，根据本发明，外半导体层的外侧可以具有一个导电的金属保护皮和一个外壳。这样金属保护皮就具有外侧机械及电子保护装置的特征，例如防止雷电的危害。优选的是内半导体层的电位由导电体电位决定。为此，至少一根导电体的绞合线未被绝缘并且与内半导体层保持良好的电接触。另外，也可以使不同的绞合线交替与内半导体层保持电接触。制造由以上软性电缆构成的变压器或反应器绕组使传统电源变压器/反应器与本发明的电源变压器/反应器之间的电场分布存在很大差异。本发明的电缆制绕组的决定性的优点是，电场被封闭于绕组中因而在外半导体层外侧不存在电场。载流导体所产生的电场只产生于固体主绝缘层以内。从设计观点和制造观点来看，这意味着显著的优点：

--形成变压器绕组时可以无须考虑电场分布情况，并且背景技术中所提到的绞合线的交叉也无须进行；

--形成变压器的铁心结构设计时可以无须考虑电场分布情况；

--无需用油来实现绕组的电绝缘，也就是说，绕组周围的介质可以是空气；

--由于与传统的设备相反；电接头集成在绕组中，因而变压器的外接头与直接相连的线圈/绕组之间的电连接无需专门的接头；

--本发明的电源变压器所需的制造和试验技术要比传统的电源变压器/反应器简单得多，因为已经无需背景技术中所述的浸渍、干燥和真空处理。

在上文中已经提到绕组电缆的外半导体层要与地电位相连接。这样做的目的是使该层沿绕组电缆的整个长度上基本保持于地电位上。可以通过切断外半导体层而将其分成沿绕组电缆长度方向上分布的许多部分，每个独立的部分可直接与地电位相连。这样，就可以沿绕组电缆的长度方向上更好地达到均匀一致。

上文中曾经提到固体绝缘层和内、外层可通过如挤压加工来完成。然而其它方法同样也可以很好地完成，例如分别通过喷射所述的材料而形成内、外层和绝缘层。

优选的是绕组电缆具有圆形横截面。然而如果需要达到更高的封装密度，也可以使用其它横截面。

附图简述

参照附图，下文是对本发明的实施方案更为具体的描述。

图中：

图1示出了传统电源变压器/反应器的绕组周围的电场分布；

图2是一个部分切掉的视图，示出了所讨论的改进型标准电缆中所包括的部分；

图3是一个透视图，示出了本发明的电源变压器的一个实施方案；

图4是开关装置的俯视图；

图5是图4的开关装置的侧视图；

图6是剖开侧视图，示出了现有技术的充油式电源变压器；

图7是一个侧视图，示出了本发明的电源变压器；

图8是一个俯视图，示出了在一个建筑物中的开关装置的绝缘情况；

图9是该建筑物的截面图；

图10是与图8相似的俯视图，但示出的是根据本发明设计的变压器的另一种可能方案；

图11的建筑物的垂直截面图；

图12是包括有设计为气体绝缘的开关装置站的建筑物的俯视图；

图13和图14分别是一个正视图和侧视图，示出了开关装置中包括的开关设备；

图15是一个透视简图，示出了多个盒状金属壳配合调整以形成开关装置站的方式；

图16是一个部分剖视图，示出了通过电绝缘层所覆盖的导电体；而

图17是一个简图，以截面形式示出了绕组置于变压器铁心窗中的方式。

优选实施方案描述

能够制造本发明的磁路的一个重要条件是，所用的用于构成绕组的导体电缆带有一个固体电绝缘层，带有位于绝缘层内侧在绝缘层和一根或多根导电体之间的内半导体层，并且具有位于绝缘层外侧的外半导体层。此类电缆可以利用用于其它电力工程领域即电力输送的标准电缆。为能够对本发明进行描述，首先将对标准电缆进行描述。内载流导体包括许多绞合线。包围着绞合线的是半导体内层。包围着该半导体内层的是固体绝缘材料构成的绝缘层。固体绝缘层由聚合材料制成，具有低电损耗和高穿透强度。具体的实例可以包括聚乙烯(PE)以及特别是交联型聚乙烯(XLPE)和乙烯丙烯(EP)。在外半导体层的周围可以带有一层金属保护皮和一层绝缘外壳。半导体层由带有导电组分，如导电烟灰或炭黑的聚合材料如乙烯共聚物构成。在下文中这种电缆将被称作电源电缆。

为绕组所设计的电缆的一个优选实施方案如图2所示、在图中电缆1包括载流导体2，导体2包括交叉的未绝缘的和绝缘的绞合线。也可以使用电子机械式交叉的、固体绝缘的绞合线。这些绞合线可以在多层中绞合/交叉。导体的周围是内半导体层3，它的周围又是固体绝缘材料所构成的同质层4。绝缘层4完全不含液体或气体型绝缘材料。绝缘层4的周围环绕着外半导体层5。在本优选实施方案中作为绕组使用的电缆可以带有金属保护皮和外壳，但不一定如此。为防止外半导体层5中产生感应电流及相关损耗，该层优选地在线圈端部即从扁线束过渡到端部绕组的过渡段处被切断。切断使得外半导体层5被分成沿电缆分布的。相互之间在电学上完全或部分分开的若干部分。然后每个切断部分都与地相接，从而使得外半导体层5在整个电缆长度上保持或接近地电位。这就意味着在线圈端部固体绝缘的绕组周围，接触表面以及使用一段时间后变脏的表面与地之间的电位差可以忽略，因而它们产生的电场也可以忽略。

在另一个实施方案中，用作绕组的电缆可为如上所述的传统的电源电缆。而外半导体层的接地可以通过在适当位置处剥开金属保护皮和电缆外壳而进行。

图1示出了一个传统的电源变压器/反应器的绕组周围电场分布的简化的基本视图，其中17是绕组，18是铁心，而19则示出了等位线，也就是电场具有相同大小的线。假定绕组的下部处于地电位。

由于需要在绕组的相邻匝和每匝与地之间具有充分的绝缘，因而电位分布决定着绝缘系统的组成。因此如图中所示，绕组的上部受到最高的绝缘载荷。这样，绕组的结构设计相对于铁心的位置就基本由铁心窗中的电场分布所确定。

本发明的干式电源变压器/反应器中包括的绕组中所可以使用的电缆已经借助于图2进行了描述。如前所述，电缆可以带有另加的外层以用于其它目的，例如用于防止变压器/反应器的其它区域上过大的电应变。从几何尺寸来看，所述的电缆通常具有导体面积在2至3000mm²之间，而电缆外径在20至250mm之间。

由本发明的公开内容中所述的电缆制造的电源变压器/反应器的绕组可以用于单相、三相和多相变压器/反应器而不必管铁心为何形状。图3中示出了一个实施方案，图3中示出的是三相叠片铁心变压器。铁心按传统的方式包括三个铁心柱20、21、22和剩下的轭23和24。在所示的实施方案中，铁心柱和轭都是锥形横截面。

由电缆构成的绕组同轴地环绕着铁心柱。可以清楚看到，图3中所示的实施方案具有三个同轴绕组匝25、26和27。最内侧的绕组匝25可代表初级绕组而另两个绕组匝26和27可代表次级绕组。为了不使该图承担过多细节，绕组的连接并未示出，另外如图所示，在所示出的实施方案中，具有若干不同功能的间隔条28和29位于绕组周围的一定位置处。间隔条可由绝缘材料构成，以便在同轴绕组匝之间为冷却、支承等提供一定空间。它们也可由导电材料构成，以便构成绕组的接地系统的一部分。

图4和5中示出了一种传统的空气绝缘式开关装置站。它包括一个高压开关装置22(它采用空气绝缘)、两个变压器43和一个建于建筑物45中的中压开关装置44。

变压器43为油绝缘式。如上文中已经述及，变压器的油绝缘会带来发生火灾和破坏环境很大危险性。此外，变压器要比根据本发明在绕组由具有固体绝缘的软性电缆构成的情况中可以得到的变压器更为笨重、庞大。尤其是，充油式变压器在变压器周围需要有混凝土壁46。此外，在变压器下方必须有一个比较昂贵的油收集坑以防漏油。

图6更加清楚地示出，变压器需要有一个昂贵的地基47，变压器43和前述防火墙要放在地基中。从图6中可以看出，在变压器下方有一个油收集空间以防发生变压器漏油。油穿过一个明显的如由装满石头的筐构成的层向下流入空间48中。

图7示出了本发明的变压器49。这种变压器的绕组利用所述的软性电缆构成。因此，变压器不会充油因而其下方就无需油收集空间。本发明的变压器重量要轻得多，并且通过输出电缆50可以更简便地连接，因为这些电缆不需要穿过油所用的密封装置之类。因此，在图4和图5中所示类型的开关装置站中，用本发明的变压器代替传统的充油式变压器可以获得显著的优点。

图8和9以俯视图和侧视图的形式示出了置入概括地标为51的建筑物内部中的开关装置站。建筑物51包括装有中压开关装置和控制器的第一部分52、装有高压开关装置的第二部分53和位于它们之间，装有开关站的变压器部分，此处为两个变压器55形式的第三部分54。不同部分通过防火墙56相互隔开。两个变压器也利用防火墙隔开。

设计用于装入建筑物中的图8和9的开关装置站与通过图4和5所示的开关站相比，具有显著的优点。首先图4和5中的空气绝缘式开关站从外观来看并不好。此类开关站不能良好地适于位于人口聚集的地区。相反，图8和9中所示的开关站由于开关站整体封闭，可以适宜地位于已建满建筑物的地区而不须预防干扰。即使图8和9的开关装置站密封住，它也被设计成空气绝缘。这种开关站本身也可以使其设备封装于密封容器中，其组件由SF6气体所包围。这种气体使得电阻显著增大，因而对不同电压水平的组件之间的安全距离的要求就可以降低，从而可以使得结构更为紧凑。然而，这种封闭方式成本昂贵，并且需要精确地监控泄露情况的发生。

在图8和9中的开关站中使用传统的充油式变压器在漏油和发生火灾方面具有所述的实际缺点。此外，实际工作时所涉及到的缺点还有变压器的位置这一方面，除了它自身可能要为邻近的高压和低压开关装置提供带有电缆套管的传统充油式变压器外，由于电缆终端和变压器的油不能相互混合，因而此类电缆套管结构复杂、成本昂贵、因此在充油式变压器中，人们通常在变压器上和作为与高压开关装置的连接的壁式套管中选择传统的瓷套管。由于高压开关装置部分的顶板中的出口很容易漏水，因此减压通道必须从变压器空间中的顶板下方通过。这与变压器上的瓷套管及变压器下方的油容器共同导致建筑物中的变压器部分具有很高的高度，从图9中清楚可见。由于希望在变压器和高压中压开关装置之间分别具有最小的距离，因此变压器被置于这两个开关装置之间。当多于两个变压器排成一行时，就会产生中间的变压器不能由合理规格的移动式起重机提起的问题。换句话说，正常的程序是分别将各变压器通过建筑物的屋顶放入或取出建筑物。用图7中所示的本发明的变压器来代替图8和9中的传统充油式变压器，就可以得到已经陈明了的优点，包括更加简便地控制提升操作。

此外，本发明的变压器包括更多的开关装置站设计方面的灵活性，这些借助于图10和11进行说明。同样，高压开关装置标为53而中压开关装置标为54。显然，变压器部分此处被置于建筑物的一侧从而相应地使中压部分位于高压部分和变压器部分之间。如果变压器需要进行更换或运走以便进行修理，这就可以非常简便地够得到变压器49。图10中的变压器49可以放于位于建筑物一侧的部分中而不存在明显不利之处的原因是因为以下情况，变压器中的绕组通过软性电缆50构成，并且可以使在变压器与此处的高压开关装置之间具有较大距离而不存在值得一提的不利之处；电缆可以用最适宜的方式从变压器之间抽入高压开关装置中。

比较图8、9和图10、11时可以看出，利用电缆技术根据本发明所设计的变压器则意味着建筑物体积可以显著减小。特别是，中间的中压部分可以更低，这就可以简化高压开关装置的减压装置。屋顶高度可以更低是由于采用电缆技术的变压器通常更小、更轻并且通过电缆与开关装置的连接更为方便。

图12在俯视图中示出了采用气体绝缘型式的开关装置站。例如气体可以为SF6。由于利用气体改进了绝缘情况，此类开关装置站结构可以非常紧凑。变压器占据了这些开关站的一大部分空间。由于这个原因，考虑到开关站设计紧凑并且无需油所产生的需要额外空间的措施，因而本发明的变压器可以非常良好地装入开关装置站中。在图12中，55表示的是中压开关装置和控制、电源系统的部分，部分66表示的是继电控制室。气体绝缘式高压开关装置置于部分57中。在这个部分两侧是两个变压器所处的部分58。如果这些变压器不是传统的充油式变压器，而是根据本发明构成，所需的建筑物的空间和投资、漏油空间等就要小得多。

图13和14示出了一种设计用于以直线方式操作的开关装置站的开关设备的各部分。更准确地说，开关装置站中所包括的两个或多个开关元件，例如两个断路开关59和两个断路器60位于单个共同的柱状托架61上，托架61具有单个支在垫层上的支点，其高度低于位于其上方的开关设备的水平长度。从图14中可以看出，断路器60可以具有例如缩放仪结构的特征。

按所述的方式在同一个托架上安装着12个开关元件与现有技术相比占用的地面面积显著减小，根据现有技术利用多个单独的支承结构来支承所述的这种开关元件。通过将这种紧凑型支承结构与根据本发明设计的同样结构紧凑的变压器组合起来，就可以从整体上实现对开关装置站的优化。

图15概略地示出了一种开关装置站，它的基本想法是将开关装置站的电子装置置于采用空气绝缘方式并且接地的金属壳62中。每个这种壳基本地都具有盒子的特征，并且各个金属壳可以使得一个开关装置站可以整体地通过一组多个如图15中所示并排叠放的此类金属壳而构成。更准确地说，示出的有三层互相叠放起来的金属壳。将开关装置设备封装于这种接地金属壳中这一原理由于减小了对绝缘距离的需要因而提供了一种更为紧凑的结构方式。使得采用本发明的电缆技术的变压器有利于这种紧凑性。如果采用利用其它气体如SF6而非空气的绝缘方式，可以进一步提高紧凑性。

图16示出了另一个实施方案，它的目标是减小绝缘距离从而提高开关装置中的紧凑性。更准确地说，图16中示出了分支点75中的导电体63分叉至另一个导体64的方法。65表示的是高压装置。为了改进导体63、64的绝缘情况，它们涂有电绝缘涂层65。涂层的厚度和材料使其能够经受大小至少为加在两个导体或一个导体与另一个导电部分如开关装置中的地之间的间隙上整个额定电压的30％的电压的电击穿作用。这样，绝缘情况显著提供，因而可以使开关装置中的开关装置设备结构更为紧凑。

如图16所示，还存在形式为屏罩66的装置，以防止蠕变载荷的传播。这些屏罩或者与绝缘涂层65合为一体，或者与涂层保持接触。

图17概略地示出了一个变压器，其铁心表示为71。铁心中的绕组剖视示出。绕组利用前述类型的软性电缆构成。变压器包括至少一个高压绕组和至少一个低压绕组。两层高压绕组表示为72。在这两层之间，实例中为一层低压绕组。由于构成绕组的软性电缆具有绝缘系统能保证基本上将电缆的导体周围的电场封闭于电缆中因而不会对邻近的绕组匝造成干扰，所以在本发明的变压器中，可以将高压绕组与低压绕组混合。因此，在本发明的变压器中所产生的损耗显著减小。此外，绕组可以易于调整结构以便使电流感应的力至少能部分相互平衡。

本身已经知道，可以将变压器和反应器的绕组铸造于树脂中。然而，这会产生因树脂的低导热性而带来的问题。根据本发明提出将变压器/反应器的绕组嵌入一种基本为无机物的材料中。嵌入操作通常通过铸造正确进行。所述的材料以混凝土为宜。这种材料的优点是价格便宜且易于处理。此外，与先前用于这种用途的材料相比，它具有更高的导热性以及更高的比热容，这对于过载情况特别重要。根据一个特别优选的实施方案，包括一种能提高混凝土导热性的材料的组分被混入混凝土中。例如，所述的材料可以为任意一种金属粉末，如铝粉。

可能的改动

显然，本发明不仅仅限于上文中所示的实施方案。因此，本领域内的技术人员将会认识到，当已经了解基本的发明思想时可以进行许多细节改动，而不会因此偏离如所附权利要求中所确定的本发明的思想。例如，应当指出本发明不限于上文中举例所用的对材料的具体选择。因此相反也可以使用功能相同的材料。对于本发明的绝缘系统的制造，应当指出，只要能达到不同层之间的紧密性要求，也可以采用其它方法而非挤压或喷射加工。此外，应当指出，可以带有更多的等电位层。例如，在上文中称为“内层”和“外层”的两层之间的绝缘层中可以带有一层或多层半导体材料等电位层。尽管以上示出了一些具体的开关装置站，但应当强调本发明不应被认为限于所述的任一种实施方案。相反，本发明的思想通用于开关装置站。

Claims (39)

1．一种开关装置站，它包括至少一个开关装置(42、44、52、53)和至少一个变压器/反应器(49)，变压器/反应器(49)包括至少一个包括有至少一个导电体(2)的绕组(1)，其特征在于导体(1)具有一个绝缘系统，绝缘系统包括一个由固体绝缘材料构成的绝缘层(4)和位于绝缘层内侧的一个内层(3)，内层的导电性低于导电体的导电性但足以使内层起到平衡电位从而平衡内层外侧的电场的作用。

2．权利要求1的开关站，其特征在于绝缘系统包括一个位于绝缘层外侧的外层(5)、外层的导电性要高于绝缘层以便使外层能通过接地或与较低电位相连接而起到平衡电位的作用，并且基本上将由于外层(5)内侧的所述导电体(2)而产生的电场封闭起来。

3．权利要求1或2的开关站，其特征在于所述至少一个导体(2)构成至少一个感应匝。

4．任一前述权利要求的开关站，其特征在于内层和/或外层(3、5)包括半导体材料。

5．任一前述权利要求的开关站，其特征在于内层(3)和/或外层(5)的电阻系数位于10^-6Ωcm至100kΩcm的范围之间，以10^-3至1000Ωcm为宜，优选1至500Ωcm，特别是10至200Ωcm。

6．任一前述权利要求的开关站，其特征在于内层(3)和/或外层(5)每米导体/绝缘系统的长度所具有的电阻为50μΩ至5MΩ之间。

7．任一前述权利要求的开关站，其特征在于固体绝缘层(4)、内层(3)和/或外层(5)由聚合材料构成。

8．任一前述权利要求的开关站，其特征在于内层(3)和/或外层(5)以及固体绝缘层(4)基本上沿整个界面牢固地互相连接在一起，以便在温度变化或导体和其绝缘系统发生弯曲时保持各层之间的粘合。

9．任一前述权利要求的开关站，其特征在于内层(3)、外层(5)和固体绝缘层(4)由热膨胀系数基本相等的材料构成。

10．任一前述权利要求的开关站，其特征在于内层(3)和外层(5)与固体绝缘层(4)的挤压成形同时通过挤压成形制成。

11．任一前述权利要求的开关站，其特征在于导体(2)及其绝缘系统构成了由软性电缆(1)所构成的绕组。

12．权利要求2-11中任一权利要求的开关站，其特征在于内层(3)与至少一个导电体(2)保持电接触。

13．权利要求12的开关站，其特征在于所述至少一个导电体(2)包括许多绞合线并且导电体(2)的至少一根绞合线至少局部未绝缘并与内层(3)保持电接触。

14．任一前述权利要求的开关站，其特征在于构成内、外层(3、5)和绝缘层(4)的材料具有的弹性使得工作期间不管温度如何变化，各层都能保持粘合于固体绝缘层上。

15．权利要求14的开关站，其特征在于内、外层和固体绝缘层中的材料的弹性模量低于500MPA，优选低于200MPA。

16．权利要求14或15中任一权利要求的开关站，其特征在于，各层与绝缘层之间的粘合力至少与材料最薄弱处处于同一数量级。

17．任一前述权利要求的开关站，其特征在于导体(2)及其绝缘系统设计用于高电压，以超过10KV的高电压为宜，特别是超过36KV的电压，优选高于72.5KV的电压。

18．任一前述权利要求的开关站，其特征在于外层(5)被分成许多部分，各部分单独与地或其它低电位相连接。

19．权利要求18的开关站，其特征在于它包括一个磁心。

20．权利要求1-18中任一权利要求的开关站，其特征在于它是无铁心型，因而不具有磁心。

21．任一前述权利要求的开关站，它包括至少两个电流上分离的绕组，其特征在于绕组(25-27)同轴缠绕。

22．任一前述权利要求的开关站，其特征在于开关装置(42)为以空气绝缘方式户外使用而设计。

23．权利要求1-21中任一权利要求的开关站，其特征在于开关装置(44、52、53、55、57)位于一个建筑物中。

24．权利要求23的开关站，其特征在于变压器(49、55)也是位于一个建筑物中。

25．权利要求2或24的开关站，其特征在于开关装置包括至少一个高压开关装置(53)、至少一个变压器(49、55)和至少一个中压开关装置(52)。

26．权利要求25的开关站，其特征在于这些开关装置和变压器位于一个具有不同部分的共用建筑物中。

27．权利要求25的开关站，其特征在于中压开关装置(53)位于处于高压开关装置和变压器所处的部分(53、54)之间的部分中。

28．任一前述权利要求的开关站，其特征在于变压器为干式变压器，也就是说不需要用油来进行绝缘和/或冷却。

29．任一前述权利要求的开关站，其特征在于全部或部分开关装置站的设备被封装于气体中以便提高防止放火花的能力。

30．输电线路中所用的任一前述权利要求的开关站，其特征在于开关站中包括的两个或多个开关元件、特别是至少一个断路开关(59)和至少一个断路器(60)，位于一个共同的柱状托架(61)上。

31．任一前述权利要求的开关站，包括多个电力设备，其特征在于至少一个电力装置位于空气绝缘的、接地的金属壳(62)中。

32．权利要求31的开关站，其特征在于电力装置被分装在多个金属壳(62)中，它们相互邻近排列。

33．任一前述权利要求的开关站，包括导体(63、64)导体连接站(75)和与导体相连的高压设备(76)，其特征在于导体(63、64)被电绝缘层(65)所覆盖，电绝缘层能够承受大小至少为加在两个导体或一个导体与另一个导电部分如地之间的间隙上的总额定电压的30％的电压的电击穿作用。

34．权利要求33的开关站，其特征在于导体(63、64)包括形式为屏罩(66)的装置以防止蠕变载荷的传播。

35．任一前述权利要求的开关站，变压器具有至少一个低压绕组和至少一个高压绕组，其特征在于低压和高压绕组相互混合。

36．权利要求35的开关站，其特征在于绕组(72、73)的结构使得电流感应的力至少能部分相互平衡。

37．任一前述权利要求的开关站，其特征在于变压器/反应器的绕组嵌入一种基本为无机物的材料中。

38．权利要求37的开关站，其特征在于这种无机材料为混凝土。

39．权利要求38的开关站，其特征在于混凝土包含能提高导热性的组分。

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