专利名称：变压器的轴向空气冷却的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种空气冷却的、导体缠绕电力变压器，并且涉及一种空气冷却导体缠绕电力变压器的方法。
现代电力变压器通常是油冷却的。包括多个由磁轭连接的铁心支柱的铁心、和诸绕组(初级、次级、控制)浸在装有油的密闭容器内。在线圈和铁心中产生的热，通过内部经线圈和铁心循环的油除去，油向外循环到其中它被冷却的外部单元。油循环可以强制进行，抽吸油环绕，或者可以自然地进行，由油中温度差产生。循环的油在外部通过用于空气冷却或水冷却的装置冷却。外部空气冷却可以强制进行，或通过自然对流实现。除其起热传送剂的作用外，油在用于高压的油冷却变压器中，还具有绝缘功能。
干式变压器通常是空气冷却的。他们通常通过自然对流冷却，因为当今的干式变压器用在低电力负载下。本技术涉及如在GB1,147,049中描述的借助于波纹绕组产生的轴向冷却导管，用来冷却嵌在浇铸树脂中的绕组的轴向导管如在EP 83107410.9中所述，及在峰值负载下贯流式通风机的使用如在SE 7303919-0中所述。
对于导体缠绕电力变压器的冷却要求较高。强制对流是必需的，以满足在所有绕组中的冷却要求。自然对流不足以冷却导体绕组。一条很短的用于将热传到冷却剂的路线是重要的，并且重要的还有高效地传递到冷却剂。因此重要的是，所有绕组与足够量的冷却剂直接接触。
通过US 5 036 165得知一种导体，其中绝缘层装有一个内和一个外半导体热解玻璃纤维层。还知道，在电动发电机中的导体装有这样一种绝缘层，例如在US 5 066 881中描述的那样，其中半导体热解玻璃纤维层与形成导体的两根平行杆相接触，并且定子槽中的绝缘层由一个外半导体热解玻璃纤维层包围着。描述的热解玻璃纤维材料是适当的，因为它即使在浸渍处理之后也能保持其电阻率。
本发明的目的在于，提供一种根据本权利要求书的装置，即具有在前序部分中描述的类型，能够空气冷却包括描述部分中所述类型的高压导体的电缆缠绕电力变压器。在第一实施例中，本发明的目的在于在绕组中每匝绕组之间产生轴向圆柱形导管，其中正确地分布冷却剂，以满足绕组的不同冷却要求。在线圈缠绕期间通过插入隔离件产生圆柱形导管。用风扇实现冷却剂的流动，并且确定隔离件的尺寸，以提供通过导管的流动，诸导管将满足各绕组的冷却要求。
本发明涉及一种包括一个缠绕有电缆的变压器铁心的电力变压器，布置成绕组装有在绕组中的径向隔离每个电缆匝的隔离件，以便产生轴向圆柱形导管。
本发明的第一实施例因而在彼此上下安置的每个绕组匝之间包括轴向圆柱形冷却导管，所述导管在线圈缠绕期间通过插入隔离件产生。圆柱形导管也布置在铁心的支柱与离铁心最近的电缆的第一层之间。该实施例也包括用来通过轴向圆柱形导管传送空气的风扇。确定导管中隔离件的尺寸，以给出变化的阻力，由此分布冷却剂的流量，从而满足各轴向导管中的冷却要求，因为对于诸绕组冷却要求是不同的。尽管把“空气”描述为冷却剂，但其他气体冷却剂也是适用的，例如氦气冷却剂。
在根据本发明的电力变压器中，绕组由具有与现在用于配电的带有固体、挤压绝缘物的电缆组成，例如XLPE电缆或带有EPR绝缘物的电缆。这样一种电缆包括由一股或多股部分组成的一个内导体，一个内半导体层围绕着该导体，一个固体绝缘层着内半导体层，及一个外半导体层围绕着绝缘层。这样的电缆是可弯曲的，这在该上下文中是一种重要的性质，因为用于根据本发明的装置的技术，主要基于其中绕组由在装配期间挠曲的电缆形成的绕组系统。XLPE电缆的柔性通常对于直径30毫米的电缆对应于约20厘米的弯曲半径，而对于直径80毫米的电缆，弯曲半径约为65厘米。在本申请中，术语“可弯曲”用来指示对低到四倍电缆直径量级，最好是电缆直径的八至十二倍的弯曲半径而可弯曲的绕组。
本发明中的绕组应该建造成能保持其特性，即使当它弯曲时和在工作期间受到热应力时也是如此。在该上下文中重要的是诸层保持其彼此粘结。诸层的材料性质，特别是其弹性和相对热膨胀系数，在这里是决定性的。在XLPE电缆中，例如，绝缘层包括交联、低密度聚乙烯，而诸半导体层由有碳黑和金属颗粒混合在其中的聚乙烯组成。作为温度波动结果的体积变化，作为电缆半径的变化被完全吸收，并且由于在诸层中热膨胀系数相对于这些材料的弹性有比较轻微的差别，所以能发生径向膨胀而不失去诸层之间的粘结。
上述材料组合应该仅作为例子考虑。其他实现规定条件、还有作为半导体的条件(即具有在10-1-106欧姆-厘米，例如1-500欧姆-厘米、或10-200欧姆-厘米范围内的电阻率)的组合自然也落入本发明的范围内。
例如，绝缘层可以由如下材料组成，诸如低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、聚丁烯(PB)、聚甲基戊烯(PMP)之类的固体热塑性材料，诸如交联聚乙烯(XLPE)之类的交联材料，或诸如乙丙橡胶(EPR)或硅橡胶之类的橡胶。
内和外半导体层可以具有相同的基础材料，但有诸如碳黑或金属粉末之类的导电材料颗粒混合在其中。
这些材料的机械性质，特别是其热膨胀系数，受碳黑或金属粉末是否混合在其中的影响较小-至少以要求的比例，以实现根据本发明必需的导电性。绝缘层和半导体层因而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-丙烯酸丁酯共聚物及乙烯-丙烯酸乙酯共聚物也可以构成用于半导体层的适当共聚物。即使当不同类型材料用作各层中的基础时，也希望其热膨胀系数基本相同。这是关于以上列出的材料组合的情形。
以上列出的材料具有较好的弹性，具有E＜500MPa，最好＜200MPa的E模量。该弹性对于诸层中材料的热膨胀系数之间的任何较小差值，足以在弹性的径向被吸收，从而不会出现裂纹、或其他损坏，并从而诸层不会彼此分离。诸层中的材料是弹性的，并且诸层之间的粘结力至少与材料最弱处的数值相同。
两个半导体层的导电性足以基本上使电位沿每层相等。外半导体层的导电性大得足以把电场包围在电缆内，而且低得足以不会由于层纵向感应的电流引起显著损耗。
因而，两个半导体层的每一个基本上构成一个等电位表面，并且这些层将基本包围在他们之间的电场。当然，没有什么防止一个或多个辅助半导体层布置在绝缘层中。
现在参照附图，将更详细地描述本发明。
图1以立体图表示根据本发明的一种电力变压器的实施例。
图2a表示在根据本发明的第一实施例中从带有冷却导管、隔离件和外罩的绕组上方看到的视图。
图2b表示在图2a中每具线圈装有一个风扇的实施例的侧视图。
图3表示根据图1中实施例的线圈的横截面，其轴向导管在绕组之间。
图4表示根据本发明的一种高压电缆的横截面。
图1表示本发明的一个实施例，涉及装有三个绕组线圈2的一种电力变压器1，每个绕组线圈带有多个绕组，绕组布置成绕组诸匝由轴向隔离件4径向隔离，以提供轴向同心冷却导管3。变压器以常规方式装有一个铁心。
图2a表示从装有构成线圈的绕组2的三相电力变压器1的上方看到的视图，通过把轴向延伸隔离件4安置在绕组的每个径向放置匝之间产生冷却导管3。在所示实施例中隔离件4之间的分布是这样的，在每根同心冷却导管3中得到六个隔离件。从冷却方面看，隔离件的材料和形状重要性不大。变压器的机械、磁性和电气方面确定隔离件的形状、数量和材料。该图还表示变压器的磁轭5，该磁轭构成变压器铁心的一部分。以截面表示的磁轭带有指示的其纵向冷却导管6。每个绕组线圈也由一根在其内部布置冷却空气流动的风扇导管7围绕着。对于诸绕组冷却要求是不同的，这意味着在同心冷导管中的冷却流量不同。为了实现冷却剂的正确分布，诸导管在径向具有不同的尺寸，以便在导管中给出不同的阻力，并因而按照导管的需要分布流量。具有较小冷却要求的导管因而比具有较大冷却要求的导管具有较小的径向距离，因此后一种导管具有较大的径向距离。在本实施例中描述的电缆缠绕变压器，在低电压绕组(最靠近铁心的绕组)之间比在高压绕组之间具有较大的间隙。
图2b表示图2a中电力变压器的侧视图，装有相应绕组和一个相应磁轭5，磁轭5与其三个支柱8一起形成铁心。风扇导管7在线圈的一端，并且形成其中安装至少一个风扇10的风扇罩9。图中的实施例表示三个风扇，相对于其各线圈是封闭的，以便在轴向圆柱形冷却导管3中产生气流。线圈封闭在一个圆柱形外壳11中，以防止空气的径向泄漏，且引导空气轴向通过线圈。围绕最外电缆绕组的外壳11产生一个用来冷却最外电缆绕组的外面部分的外导管。在这个实施例中，每个线圈安装一个风扇也是显然的。由每个风扇10能从线圈抽出空气或强制空气穿过线圈。在线圈相对风扇10侧的风扇导管7，对于依据风扇的吸入和加压作用而流入或流出的空气完全打开。在风扇侧的风扇导管7带有具有相应作用的开口。
图3表示一个线圈的横截面，轴向圆柱形冷却导管3在每个径向绕组2之间。隔离件也布置成在铁心的支柱8与最靠近铁心的绕组之间形成一个轴向冷却导管。冷却导管由安置在绕组之间的隔离件产生，见图2a。隔离件绕圆形横截面安置，并且在轴向延伸。在缠绕线圈的同时把隔离件安置在绕组的诸匝之间。图中的箭头指示通过线圈绕组的气流。空气能在任一方向流动，这依赖于抽吸或压力作用。
图4表示按照本发明用作变压器绕组的高压电缆111的剖视图。高压电缆111包括多个例如具有圆形横截面的铜(Cu)股112。这些股112布置在高压电缆111的中部。围绕股112的是一个第一半导体层113。围绕第一半导体层113的是一个绝缘层114，例如XLPE绝缘物。围绕绝缘层114的是一个第二半导体层115。在本申请中的概念“高压电缆”，因而不包括通常围绕这样的用于配电的电缆的外套。高压电缆具有在20-250毫米范围内的直径和在40-3000平方毫米范围内的导电面积。
本发明不限于表示的例子。在本发明范围内几种修改是可行的。例如，不必为每个线圈提供一个风扇。带有一个把足够空气供给所有三个线圈的风扇的布置。能吸入空气或者强迫通过线圈，以便实现希望的冷却。类似地，隔离件的数量和其形状都不是固定的，并且几种不同的隔离件变形是可能的，以实现正确的冷却。在描述的第一实施例中隔离件不必在整个轴向延伸，而可以以几种方式安置。
另一种改进是，布置借助于温度传感器的风扇速度控制，以便依据变压器中的负载实现变化的冷却要求。
外壳也可以按除上述实施例中所示之外的多种方式布置。最外电缆绕组能用作外壳体，并且借助于自然对流冷却外侧。
权利要求
1.一种包括一个变压器铁心的电力变压器(1)，其特征在于，铁心缠绕有一根电缆，并且电缆是一根高压电缆(111)，高压电缆(111)包括带有多股部分的芯部(112)，一个内半导体层(113)围绕该芯部，一个绝缘层(114)围绕着内半导体层(113)，及一个外半导体层(115)围绕着绝缘层(114)，及绕组装有隔离件(4、12)，隔离件(4、12)布置成在绕组中的径向隔离每个电缆匝，以便产生一个轴向圆柱形冷却导管(3)。
2.根据权利要求1所述的电力变压器，其特征在于隔离件(4、12)轴向布置在绕组的每匝之间。
3.根据权利要求2所述的电力变压器，其特征在于至少六个隔离件(4)均匀地绕变压器的支柱(8)分布。
4.根据权利要求1-3任一顶所述的电力变压器，其特征在于变压器绕组装有一个风扇罩(9)，风扇罩(9)相对于绕组的最外匝的一端密封，风扇罩(9)上连接一个风扇(10)，并且风扇(10)布置成强迫诸如空气之类的气体通过，或者抽吸诸如空气之类的气体，空气从绕组的所有匝轴向到变压器铁心(8)。
5.根据权利要求1-4任一顶所述的电力变压器，其特征在于高压电缆(111)具有在20-250毫米间隔内的直径和在40-3000平方毫米间隔内的导电面积。
6.根据权利要求1-5任一顶所述的电力变压器，其特征在于高压电缆(111)是可弯曲的，并且诸层也彼此邻接。
7.根据权利要求1-6任一顶所述的电力变压器，其特征在于所述层由具有这样弹性和这样的热膨胀系数的材料组成，从而在工作期间由温度波动引起的层中体积变化能由材料的弹性吸收，因而当在工作期间出现温度波动时诸层保持其彼此粘结。
8.根据权利要求1-7任一顶所述的电力变压器，其特征在于所述层的材料具有高弹性，具有小于500MPa的弹性模量较好，小于200MPa最好。
9.根据权利要求1-8任一顶所述的电力变压器，其特征在于所述层中材料的热膨胀系数基本相同。
10.根据权利要求1-9任一顶所述的电力变压器，其特征在于诸层之间的粘结力具有至少与材料的最弱处相同的数值。
11.根据权利要求1-10任一顶所述的电力变压器，其特征在于每个半导体层基本构成一个等电位表面。
12.一种根据以上权利要求任一项的电缆缠绕的电力变压器的空气冷却方法，其特征在于至少一个风扇(10)沿变压器铁心支柱(8)的表面且轴向在绕组的每匝之间强迫空气流动或抽吸空气。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于在变压器的缠绕期间把隔离件(4)插入在绕组匝之间。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于温度传感器控制风扇的速度以产生适当气流。
全文摘要
一种包括一个变压器铁心的电力变压器(1),该变压器铁心缠绕有一根高压电缆,高压电缆包括带有多股部分的芯部(112),一个内半导体层(113)围绕着该芯部,一个绝缘层(114)围绕着内半导体层(113),及一个外半导体层(115)围绕着绝缘层(114),其中绕组装有隔离件(4、12),隔离件(4、12)布置成在绕组中的径向隔离每个电缆匝,以便产生一个轴向圆柱形冷却导管(3)。
文档编号H01F27/32GK1244283SQ9880196
公开日2000年2月9日 申请日期1998年2月2日 优先权日1997年2月3日
发明者古纳·凯兰德, 马茨·莱昂 申请人:Abb阿西亚布朗·勃法瑞公司