用于电力变压器的漏抗板的制作方法

用于电力变压器的漏抗板
1.相关申请的交叉引用
2.本申请要求于2018年9月7日提交的美国发明申请序列号16/125,138的优先权，该申请通过引用整体并入本文。


背景技术：

3.本公开总体上涉及电力变压器。流经电力变压器的绕组的电流生成主通量和泄漏通量。虽然泄漏通量导致变压器绕组上的电压降，但电力变压器通常被设计为产生一定水平的泄漏通量，以便于防止电力故障期间的电流尖峰。在一些应用中，诸如多个电力变压器是并联耦接的变电站，电力变压器必须具有一定的泄漏通量值。现有的电力变压器设计受到许多不足和缺点的影响。仍然存在未满足的需求，包括将漏抗参数从线圈和芯体设计中去耦、减少变压器设计时间、增加电网可靠性以及减少变压器构建时间。例如，由于特定的功率要求(诸如额定电压、额定功率和漏抗)，电力变压器通常是为特定应用定制化设计的。通常进行线圈和芯体设计的重大更改以满足漏抗要求。定制化设计需要定制化制造，从而导致交付周期增加到多达两年。更短的交付时间将增加电网的弹性。亟需本文公开的独特的装置、方法、系统和技术。
4.说明性实施例的公开
5.为了清楚、简明和准确地描述本公开的非限制性示例性实施例，制造和使用它们的方式和过程，并且为了能够实践、制造和使用它们，现在将参考某些示例性实施例，包括附图中示出的那些实施例，并且将使用特定的语言来描述它们。然而，应当理解的是，不会由此形成本公开的范围的限制，并且本公开包括并保护示例性实施例的这种改变、修改和另外的应用，如本领域技术人员受益于本公开将会想到的。


技术实现要素：

6.示例性实施例包括用于电力变压器的独特系统、方法、技术和装置。根据以下描述和附图，本公开的其他实施例、形式、目的、特征、优点、方面和益处将变得显而易见。
附图说明
7.图1是示出示例性电力变压器的竖直截面图。
8.图2是示出图1中的示例性电力变压器的板尺寸和漏感之间的关系的图。
9.图3是示出另一示例性电力变压器的竖直截面图。
10.图4是示出图3中的示例性电力变压器的板尺寸和漏感之间的关系的图。
11.图5至图7是示出示例性三相电力变压器的水平截面图。
12.图8示出了示例性两相电力变压器。
具体实施方式
13.参照图1，示出了示例性电力变压器100的竖直截面图。应当理解的是，电力变压器
100可以在各种应用中实施，所述应用包括具有电力传输网络或配电网络的公用电网，以及电机驱动，仅举几个示例。在某些实施例中，电力变压器100被结合到公用电网或其他配电系统中，并且被构造成接收频率在45hz至65hz之间的ac电力。尽管电力变压器100被示出为单相变压器，但是示例性电力变压器可以被构造为多相电力变压器，诸如三相电力变压器。
14.在所示出的实施例中，电力变压器100包括芯体110，该芯体具有上轭113、下轭115和多个芯柱(limb)111a、111b。在其他实施例中，芯体110包括耦接在上轭113和下轭115之间的额外的芯柱。芯体110由铁磁材料构成，所述铁磁材料例如铁或电工钢。在某些实施例中，芯体110可以使用层的堆叠来构建。
15.电力变压器100包括卷绕或缠绕在芯柱111a周围的低压绕组120，也称为线圈。变压器100还包括卷绕在芯体110周围并同轴地卷绕在绕组120周围的高压绕组130。每个绕组具有800mm的绕组高度107，并且通过气隙150与绕组120分离。电力变压器100被构造成在绕组120处接收ac电力、升高所接收的电力的电压、并以升高的电压从绕组130输出ac电力。电力变压器100还被构造成在绕组130处接收ac电力、降低所接收的ac电力的电压、并以降低的电压从绕组120输出ac电力。电力变压器100被构造成使得低压绕组120和高压绕组130上的电压两者都在100v至1200kv之间的范围内。
16.应当理解的是，出于解释的目的，示出了电力变压器100的芯体和绕组的构型。示例性电力变压器可以包括具有不同配置或不同数量的低压绕组或高压绕组的芯体。例如，一些实施例可以包括卷绕在高压绕组130周围的第二低压绕组。
17.当电力流过绕组120和绕组130时，电力变压器100被构造成生成穿过芯体110的主通量101和穿过绕组120和130周围的空气的泄漏通量103、105。主通量101链接绕组120和130，而泄漏通量103仅链接绕组120，并且泄漏通量105仅链接绕组130。由于绕组120和130紧密耦接，主通量101的幅值大于泄漏通量103和105的幅值。与泄漏通量103和105相关联的电感被称为漏感或漏抗。
18.当设计变压器时，漏抗是关键考虑因素。例如，并联耦接的电力变压器必须具有匹配的漏抗参数以限制电力变压器之间的电流循环。漏抗限制了由电力网中的故障条件引起的电流尖峰，从而保护电力变压器和其他电力网部件免受损坏或破坏。电力变压器的线圈和芯体的设计影响变压器的漏抗。由于漏抗要求对于每种应用来说通常是独特的，因此线圈和芯体必须针对一种应用进行定制和重新设计。
19.电力变压器100包括漏抗板140，该漏抗板被构造成增加电力变压器100的漏抗，而不需修改线圈或芯体的设计。通过在不重新设计线圈和芯体的情况下满足漏抗要求，电力变压器100可以通过仅修改板140的尺寸而在广泛的应用中使用。板140被构造成以便不需要辅助绕组、电力电子设备或其他控制器来调节电力变压器100的漏抗。板140还被构造成不影响绕组120和130之间的互感超过0.5％，其中板的相对磁导率大于1且小于75。在某些实施例中，板140的相对磁导率在大于1且小于25的范围内。磁导率大于75的漏抗板将需要不期望的板尺寸，诸如厚度太小而不能承受制造应力的脆性板。在某些实施例中，板140被构造成以便包括大于0.1x106ohm
‑
cm的电阻率，例如包含镍铁氧体的板。
20.板140位于绕组120和绕组130之间的气隙150内，该气隙具有第一端151和第二端153。在所示的实施例中，板140延伸整个绕组高度107并完全包围绕组120。在其他实施例中，变压器100包括布置在第一端151和第二端153之间的气隙150内的一个或多个板。例如，
变压器100可以包括位于靠近第一端151的第一板和靠近第二端153的第二板。这样的实施例可以用于其中限制短路电流是主要目的的情况，因为漏场在绕组的端部具有较低的幅值，降低了对饱和的敏感性。
21.板140由带有铁磁填料的聚合物复合材料(诸如弹性体)构成。例如，弹性体可以包括铁磁粉末、薄片、细丝或涂层纤维。铁磁填料可以由镍、铁或铁磁合金构成，所述铁磁合金诸如金属玻璃(metglass)、镍铁或镍锌，仅举几个示例。弹性体中的铁磁填料的体积比在0.2至0.7的范围内。例如，铁磁填料可以是体积比为0.5的铁粉或体积比为0.4的镍铁粉。
22.板140的组成被构造成产生大于1且小于25的相对磁导率。改变板140的尺寸和磁导率允许变压器漏抗在一范围上变化，而不需要修改芯体和线圈的设计，并且也不需要操作电力电子设备来控制漏抗。使用以上描述的组成允许板140的尺寸以使得板140可以位于绕组120和130之间的气隙内。应当理解的是，电力变压器100的任何或所有前述特征也可以存在于本文公开的其他电力变压器中。
23.参考图2，示出了示例性电力变压器100中的漏抗的图200。图200包括多个面210、220和230，这些面代表在包括2.5mm至15mm之间的板厚度和在100mm至800mm之间的板高度的尺寸的范围上示例性漏抗板的漏抗。每个面代表具有不同相对磁导率的板140的一个实施例。面210代表磁导率为5的板140的漏抗。面220代表相对磁导率为10的板140的漏抗。面230代表磁导率为15的板140的漏抗。所示出的漏抗值相对于相对磁导率为1的板140的基本情况被归一化。
24.根据这些结果，相对磁导率为5的板140允许相同的线圈和芯体设计具有在没有板140的线圈和芯体设计的原始漏抗的1至2倍的范围内的漏抗。如果板140的相对磁导率增加到15，则可以在原始漏抗的1至5倍的范围上选择漏抗。例如，如果电力变压器100具有原始漏抗为4.0％的线圈和芯体设计，则相对磁导率为15的板140将允许变压器100被设计为具有在4.0％至20.0％之间的漏抗。
25.参考图3，示出了示例性电力变压器300，其包括芯体310、低压绕组320、高压绕组330和漏抗系统340。漏抗系统340包括位于绕组320和330之间的气隙350内的板341、位于绕组320内的板343和位于绕组330内的板345。应当理解的是，板341、343和345具有与图1中的板140的特征类似的特征。
26.低压绕组320包括卷绕在芯体310周围的绕组部分321和同轴地卷绕在板343和绕组部分321周围的绕组部分323。高压绕组330包括同轴地卷绕在板341和低压绕组320周围的绕组部分331，以及卷绕在板345周围的绕组部分333。在所示的实施例中，漏抗系统340的板具有一致的高度和厚度。在其他实施例中，板中的每一个可以具有不同的高度、厚度或相对磁导率。应当理解的是，变压器300的任何或所有前述特征也可以存在于本文公开的其他电力变压器中。
27.参考图4，示出了示例性电力变压器300中的漏抗的图400。图400包括多个面410、420和430，这些面代表在包括2.5mm至15mm之间的均匀板厚度和在100mm至800mm之间的均匀板高度的尺寸的范围上示例性漏抗系统340的漏抗。每个面代表具有不同相对磁导率的板140的一个实施例。面410代表磁导率为5的板140的漏抗。面420代表相对磁导率为10的板140的漏抗。面430代表磁导率为15的板140的漏抗。所示出的漏抗值相对于相对磁导率为1的板140的基本情况被归一化。
28.根据这些结果，与图1中的板140相比，漏抗系统340可以用于示例性变压器中以获得更宽范围的漏抗。相对磁导率为5的系统340允许相同的线圈和芯体设计具有在没有板140的线圈和芯体设计的原始漏抗的1至3倍的范围内的漏抗。如果系统340中的板的相对磁导率增加到15，则可以在原始漏抗的1至7倍的范围上选择漏抗。
29.参考图5，示出了示例性三相电力变压器500的水平截面图，该三相电力变压器包括芯体，该芯体具有耦接到芯柱511a
‑
c的上轭513。第一低压绕组520a卷绕在芯体芯柱511a周围。第一高压绕组530a卷绕在绕组520a周围，由气隙分离。第二低压绕组520b卷绕在芯体芯柱511b周围。第二高压绕组530b卷绕在绕组520b周围，由气隙分离。第三低压绕组520c卷绕在芯体芯柱511c周围。第三高压绕组530c卷绕在绕组520c周围，由气隙分离。
30.变压器500包括各自位于一个低压绕组和一个高压绕组之间的气隙中的三个漏抗板540a
‑
c。每个板被构造为完全包围低压绕组的中空管。
31.参考图6，示出了示例性三相电力变压器600的水平截面图，该三相电力变压器包括芯体，该芯体具有耦接到芯柱611a
‑
c的上轭613。第一低压绕组620a卷绕在芯体芯柱611a周围。第一高压绕组630a卷绕在绕组620a周围，由气隙分离。第二低压绕组620b卷绕在芯体芯柱611b周围。第二高压绕组630b卷绕在绕组620b周围，由气隙分离。第三低压绕组620c卷绕在芯体芯柱611c周围。第三高压绕组630c卷绕在绕组620c周围，由气隙分离。
32.变压器600包括漏抗系统640，该漏抗系统包括在每个低压绕组和高压绕组之间的多个板，每个板具有弧长645。板641a和643a位于绕组620a和630a之间、在气隙中的其中上轭613的覆盖区(footprint)不与任一板重叠的部分中。板641b和643b位于绕组620b和630b之间、在气隙中的其中上轭613的覆盖区不与任一板重叠的部分中。板641c和643c位于绕组620c和630c之间、在气隙中的其中上轭613的覆盖区不与任一板重叠的部分中。通过将系统640的每个板放置在上轭613的覆盖区之外，系统640被构造成减小芯体的必要大小，同时使得漏抗方面的增加等于由图5的连续板引起的漏抗的增加。
33.参考图7，示出了示例性三相电力变压器700的水平截面图，该三相电力变压器包括芯体，该芯体具有耦接到芯柱711a
‑
c的上轭713。第一低压绕组720a卷绕在芯体芯柱711a周围。第一高压绕组730a卷绕在绕组720a周围，由气隙分离。第二低压绕组720b卷绕在芯体芯柱711b周围。第二高压绕组730b卷绕在绕组720b周围，由气隙分离。第三低压绕组720c卷绕在芯体芯柱711c周围。第三高压绕组730c卷绕在绕组720c周围，由气隙分离。
34.变压器700包括漏抗系统740，该漏抗系统包括形成为多个间隔件(诸如间隔件741a
‑
c)的多个板。每个间隔件位于变压器700的一个相的低压绕组和高压绕组之间。
35.参考图8，示出了包括芯体810的示例性的两相变压器800。变压器的第一相包括卷绕在芯体810周围的低压绕组820a和同轴地卷绕在低压绕组820a周围的高压绕组830a，该低压绕组和高压绕组由气隙分离。相对于变压器800的水平截面位于气隙中的在芯体810的覆盖区之外的部分内的是包括板841a的漏抗系统。
36.变压器的第二相包括卷绕在芯体810周围的低压绕组820b和同轴地卷绕在低压绕组820a周围的高压绕组830b，该低压绕组和高压绕组由气隙分离。相对于变压器800的水平截面位于气隙中的在芯体810的覆盖区之外的部分内的是包括板841b和843b的漏抗系统。
37.现在将提供多个示例性实施例的另外的书面描述。一个实施例是一种变压器，该变压器包括：芯体；第一绕组，该第一绕组卷绕在芯体周围；第二绕组，该第二绕组同轴地卷
绕在第一绕组周围以便围绕该第一绕组，并且在第一绕组和第二绕组之间形成气隙；以及板，该板具有大于1且小于75的相对磁导率，并被插入到气隙中。
38.在前述变压器的某些形式中，板包括弹性体，该弹性体包括体积比在0.2至0.7之间的铁磁元件。在某些形式中，铁磁元件包括镍粉、镍片或镍丝。在某些形式中，铁磁元件包括铁粉、铁片或铁丝。在某些形式中，板被构造为围绕第一绕组的中空管。在某些形式中，变压器包括位于气隙内的多个径向支撑件，其中板包括所述径向支撑件中的一个。在某些形式中，芯体包括第一芯柱和第二芯柱，其中变压器包括：第三绕组，该第三绕组卷绕在第二芯柱周围；第四绕组，该第四绕组同轴地卷绕在第一绕组周围以便围绕第三绕组，并且在第三绕组和第四绕组之间形成第二气隙；以及第二板，该第二板具有大于1且小于25的相对磁导率，被构造成插入到第二气隙中。在某些形式中，变压器包括：第三板，该第三板具有大于1且小于25的相对磁导率，被构造成插入到第一气隙中；以及第四板，该第四板具有大于1且小于25的相对磁导率、被构造成插入到第二气隙中，其中第一板和第三板在第一气隙中被定位成彼此相对，并且其中第二板和第四板在第二气隙中被定位成彼此相对。在某些形式中，第一板、第二板、第三板和第四板的每一个的弧长小于90度。在某些形式中，变压器包括：第二板，该第二板具有大于1且小于25的相对磁导率，被插入到第一绕组中；以及第三板，该第三板具有大于1且小于25的相对磁导率，被插入到第二绕组中。
39.另一示例性实施例是一种用于构建电力变压器的方法，该方法包括：将第一绕组卷绕在芯体的芯柱周围；将第二绕组同轴地卷绕在第一绕组周围，使得在第一绕组和第二绕组之间形成气隙；形成多个可互换的板，该多个可互换的板各自具有大于1且小于75的相对磁导率，并且各自被构造成放置在第一绕组和第二绕组之间的气隙中，以便增加电力变压器的漏抗；基于期望的漏抗值选择多个可互换板中的一个板以被插入到气隙中；以及将所选择的板插入到气隙中。
40.在前述方法的某些形式中，将第一绕组卷绕在芯体的芯柱周围包括：将第一绕组的第一部分卷绕在芯柱周围；将具有大于1且小于25的相对磁导率的第二板靠近第一部分放置；并将第一绕组的第二部分卷绕在第二板和第一绕组的第一部分周围。在某些形式中，将第二绕组卷绕在第一绕组和第一板周围包括：将第二绕组的第一部分卷绕在第一绕组和板周围；将具有大于1且小于25的相对磁导率的第三板靠近第二绕组的第一部分放置；以及将第二绕组的第二部分卷绕在第三板和第二绕组的第一部分周围。在某些形式中，第一板、第二板和第三板各自包括体积比在0.2至0.7之间的铁磁元件。在某些形式中，铁磁元件包括镍。在某些形式中，板被形成为中空管，并且放置板包括利用板包围第一绕组的一部分。在某些形式中，该方法包括将具有大于1且小于25的相对磁导率的第二板靠近第一绕组和第二绕组之间放置，使得第二板在气隙中被定位为与第一板相对。在某些形式中，第一板和第二板是各自具有小于90度的弧长的弯曲板。在某些形式中，该方法包括将具有大于1且小于25的相对磁导率的第二板靠近第一绕组和第二绕组之间放置，使得第二板位于气隙中；将第三绕组卷绕在芯体的第二芯柱周围；将第四绕组同轴地卷绕在第三绕组周围，使得在第一绕组和第二绕组之间形成第二气隙；将具有大于1且小于25的相对磁导率的第三板靠近第三绕组和第四绕组之间放置，使得第二板位于第二气隙中；以及将具有大于1且小于25的相对磁导率的第四板靠近第三绕组和第四绕组之间放置，使得第二板位于第二气隙中。在某些形式中，芯体包括水平定向的并垂直于第一芯柱和第二芯柱两者的上轭，并且其中
相对于第一板和第二板的水平截面上轭的覆盖区不与第一板和第二板重叠。
41.虽然已经在附图和前面的描述中详细示出和描述了本公开，但是应当认为本公开本质上是说明性的而不是限制性的，应当理解的是，仅示出和描述了某些示例性实施例，并且期望的是落入本公开的精神内的所有变化和修改受到保护。应该理解的是，虽然在以上描述中使用的诸如“可优选”、“优选地”、“优选的”或“更优选的”的词语的使用指示如此描述的特征可能更期望的，然而它可能不是必需的，并且缺少该特征的实施例可以被认为在本公开的范围内，该范围由所附权利要求限定。在阅读权利要求时，旨在当使用诸如“一”、“一个”、“至少一个”或“至少一部分”的词语时，并不意图将权利要求限制为仅一个项目，除非权利要求中有相反的具体说明。术语
“…
的”可以意味着与另一项目相关联或连接到另一项目，以及属于另一项目或与另一项目的连接，如由使用它的上下文所告知的那样。术语“耦接到”、“与
…
耦接”等包括间接连接和耦接，并且还包括但不要求直接耦接或连接，除非有相反的明确指示。当使用语言“至少一部分”和/或“一部分”时，该项目可以包括一部分和/或整个项目，除非有相反的具体说明。