专利名称：变压器/电抗器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求1的前序中所述的包括至少一个绕组的变压器／电抗器。
本发明也涉及一种如权利要求57的前序中所述的制造变压器／电抗器和如权利要求67中所述制造预制绕组组件的方法。
变压器用于电能的所有输电和配电作业中，其任务是允许两个或多个电系统之间进行电能交换。变压器可用于从几W到1000MW的所有功率范围。标称功率变压器通常涉及的额定输出功率范围为几百KW到大于1000MW，而额定电压范围为3-4KV到极高的输电电压。
常规的功率变压器包括一个用取向叠层片(通常为硅钢片)制成的变压器芯(下面简称为“芯”)。该芯包括多个用轭连接的芯脚。芯脚周围有多个绕组，它们通常称为第一、第二和调节绕组。只要涉及功率变压器，这些绕组实际上总是沿芯脚长度同心式地配置和分布的。
上述功率范围低端的常规功率变压器有时做成具有空气冷却，以便除去不可避免的热损失。但大多数常规功率变压器为油冷，通常利用所谓强制油冷。这特别应用于高功率变压器。油冷变压器存在多个公知的缺点。除此之外还有不利于运输的庞大、笨重的问题。还要考虑安全和周边设备，特别是需要油冷却变压器的外部油箱。
至于电抗器，它们并非预定用于绕组之间的能量传输，而是用于产生感抗。此外，上面有关变压器的叙述整体上也与电抗器有关。特别值得提到的是，大型电抗器也是油冷的。
众所周知，在一台干燥的无油的变压器或电抗器中，常规型的绕组通过浇注埋置在有机树脂或塑料绝缘体(通常为环氧树脂)中。这类变压器的缺点是它们具有有限的额定电压和功率范围。最大额定输出功率和电压通常分别为25MVA和36KV左右。这主要由于通过密实绝缘体的热通量因其热导率低而受到限制，这导致热量的限制，还部分由于电学限制，因为与例如变压器油以及压低和压制板屏蔽物中绝缘的导体组合相比较，实心浇注树脂对高压产生更不良的绝缘。它还有其它缺点，如该材料易燃，因此必须处理。
如美国专利文件1，481，585中所公开的，已知通过浇注在混凝土中来埋置绕组。该专利中的绕组用所谓高压电缆设计，其中芯是用浸渍纸或涂漆纺织材料绝缘的，而且该电缆是铅包皮的。根据在1919年批准的该专利的电缆具有上述类型的绝缘和相当坚硬的金属屏蔽，它实际上不能满足曲率半径和变压器绕组所需挠曲力的要求。损伤而后产生绝缘击穿的风险很大。热变化(热膨胀)和其它机械力可能在绝缘体中容易地产生空穴，或者是立即产生，或者在气体体积中部分放电效应之后。此外，此时的标称高压近似涉及几十KV的电压和几MVA的额定输出功率，因此，上述电缆不适用于该绝缘体涉及的高压中的电压和功率水平。
本发明的目的是获得一种变压器或电抗器，它们没有上述传统结构的功率变压器／电抗器的某些缺点，同时获得一种制造该变压器／电抗器的方法。该变压器／电抗器应当用于高压，首先其电压要超过10KV。本发明的变压器／电抗器的典型操作范围可以是36-800KV，最好为72．5-800KV，还可以更高。
上述目的是利用权利要求1的前序中描述的变压器／电抗器和利用权利要求57中的方法来达到的，该变压器／电抗器具有主权利要求特征部分中描述的有利特点。
在本发明的功率变压器／电抗器中，绕组类型最好是对应于目前功率分配用的具有实心突出绝缘体的电缆，例如所谓XLPE电缆或具有EPR绝缘的电缆。这样一种电缆包括一个由一或多股成分组成的内部导体，该导体周围为内半导体层，该导体层周围为实心绝缘层，该绝缘层周围为外半导体层。此种电缆是挠性的，这在本文中是一个重要性能，因为本发明装置的技术主要以绕组系统为基础，其中的绕组是用多圈在装配期间可以弯曲的电缆形成的。XLPE电缆的挠性通常为直径30mm的电缆对应于约20cm的曲率半径，而直径80mm的电缆对应于约65cm的曲率半径。在本申请书中，术语“挠性”用于表示绕组的挠性小到曲率半径约为电缆直径的四倍，最好为电缆直径的8到12倍。
本发明的绕组做成即使当其弯曲时和在作业期间受到热应力或机械应力时也能保持其性能。本文中极其重要的是，电缆的各层互相保持附接。各层的材料性能在这里是决定性的，特别是其弹性和相对热膨胀系数。例如，在XLPE电缆中，绝缘层用交联的低密度聚乙烯制成，而各半导体层用具有混合于其中的烟炱和金属微粒的聚乙烯制成。由于温度波动而产生的体积变化像电缆半径变化一样被完全吸收，由于与各层材料的弹性有关而产生的各层热膨胀系数之间的比较微小的差别，可能产生径向膨胀而不会损失各层之间的附接。
上述材料组合应当只看作是例子。满足所述条件特别是半导体条件的其它组合自然也落入本发明的范围，这些半导体条件的电阻率落入10-1-106Ωcm如1-500Ωcm或10-200Ωcm的范围。
绝缘层可以例如由实心热塑性材料、交联材料或橡胶制成，其中热塑性材料如低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、聚丁烯(PB)、聚甲基戊烯(“TPX”)，交联材料如交联聚乙烯(XLPE)，橡胶如乙烯聚丙烯橡胶(EPR)或硅橡胶。
向外半导体层可以是同一基底材料，但具有导电材料，如混合于其中的烟炱或金属粉末。
这些材料的机械性能，特别是其热膨胀系数，很少受其中是否混合烟炱或金属粉末的影响，至少在获得本发明所需导电性所要求的比例方面。因此绝缘层和半导体层具有基本上相同的热膨胀系数。
乙烯-乙酸乙烯酯共聚物／腈橡胶(EVA／NBR)、丁基接枝聚乙烯、乙烯-丙烯酸丁酯共聚物(EBA)和乙烯-丙烯酸乙酯共聚物(EEA)也可以构成合适的半导体层聚合物。
即使当各层中使用不同类型的材料作为基底时，也希望它们的热膨胀系数基本相同。这是具有上述组合材料的情况。
上述材料具有相当好的弹性，其E模量为E＜500MPa，最好＜200MPa。该弹性足以使各层材料的热膨胀系数之间的任何较小差异足以沿弹性的径向被吸收，因而不会出现裂缝或其它损伤，从而各层不会互相分离。各层的材料是弹性的，各层之间的附接程度至少为材料最弱附接程度的同一数量级。
两个半导体层的电导率足以基本上平衡沿每层的电位。外半导体层的电导率足够高到封闭电缆内的电场，但又足够低到不会由于沿该层的纵向感应的电流而产生显著的损失。
因此，两个半导体层中的每一个基本上构成一个等电位表面，这些层将基本上封闭它们之间的电场。
当然，没有什么会妨碍一个或多个附加的半导体层设置在该绝缘层中。
因此，一种高压用的变压器／电抗器包括至少一个绕组，该绕组设计成有一个绝缘的导电体，该绝缘的导电体包括至少一个载带电流的导体，还包括一个具有半导体性能的第一层，该第一层设置成围绕该载带电流的导体，一个实心绝缘层设置成围绕该第一层，一个具有半导体性能的第二层设置成围绕该绝缘层，而且绕组的至少一部分被浇注在一种浇注材料中。
通过给变压器／电抗器提供一种如权利要求1所述的绕组，最重要的优点就达到了，也就是将产生的整个电场基本上限制在至少一圈绕组的实心绝缘层内。这导致，绕组外部的电场接近于零，因此在绕组外部不需要控制电场。这意味着在绕组外部不能得到电场的集中，而选择浇注材料时不需要考虑电场。同时，可以将增强元件和冷却导管埋置在浇注材料中而不必考虑电场。
根据一个特别有利的实施例，该浇注材料基本上是一种无机材料。通过将绕组的至少一部分浇注在一种基本上无机的材料中，可以获得许多优点，例如高的热导率和比热容、高效冷却、阻燃性、低价格、环境效益、克服过热的良好电阻。关于无机浇注材料的例子，原则上所有可以浇注而后固化的材料都可以使用，通常包括由于物理和／或化学机制而固化的粘结剂本身，如水泥和水及填充剂(如沙子)。填充剂例子为普通波特兰水泥、具有较高机械阻力或快速凝固等性能的特殊水泥(如铝酸盐水泥)、熟石膏、下面提到的用二氧化碳硬化的特殊混凝土。
或者是，绕组的至少一部分可以浇注在一种基本上有机的材料中，如环氧树脂。利用本发明的变压器／电抗器可以避免具有常规绕组的环氧树脂浇注的变压器／电抗器的上述缺点，因为该环氧树脂不会遇到电场应力，因为冷却导管可以容易地埋置在该浇注材料中。
在附录的权利要求中可以明显地看到其它优点和特征。
根据本发明的高压绝缘的导电体可以以若干有利的方式设计。一个给定的的有利特点是，该绝缘的导体为电缆，最好为高压电缆。
根据一个优选实施例，该绝缘的导体或电缆是挠性的或可弯折的，而所述各层互相接触。该电缆是挠性的这一点很重要，以便电缆可以用作绕组。该绝缘层能用实心介电体有利地形成，最好用聚合物材料制成。其次，第一半导体层主要处于与带电导体同一电位上。第二半导体层最好这样设置，使得它围绕该带电导体和绝缘层基本上形成一个等电位表面，而且它也连接一个预定电位，最好是地面电位。根据一个特别有利的特点，第二半导体层在每个绕组的两端或邻近处接地，而两端之间的另一点直接接地。
根据至少两个相邻层基本上具有同一热膨胀系数这另一特点，该载带电流的导体可以包括多股线，其中仅少数股相互绝缘。
这三层(即两个半导体层和一个绝缘层)每层还可以沿基本上整个连接表面实心地连接到相邻的层。根据一个特点重要的特点，当绝缘的导体或电缆弯曲时，这些层被设置成也相互附接。最后可以提到，电缆直径最好为20-250mm，导体面积最好为80-3000mm2。
本发明中使用的绝缘的导体或高压电缆是挠性的，可以最好是在PCT申请书WO 97／45 919和WO 97／45847中更详细地描述的那种类型。一种合适的绝缘的半导体或电缆的附加描述公开于PCT申请书WO97／45918、WO97／45930和WO 97／45931中。
使用此种电缆的优点是，受到高的电应力的变压器／电抗器的那些区域被限制在电缆的实心绝缘体中。变压器／电抗器的相对于高压的其余部分只受到温和的电场强度。其次，使用此种电缆消除了在发明背景中描述的若干问题领域。作为整体，绝缘非常简单。与常规的功率变压器／电抗器相比，制造时间明显缩短。这些绕组可以分开制造，而功率变压器／电抗器可以最终在现场装配。
但是，使用此种电缆出现新的问题，它们必须解决。外半导体层必须在电缆两端或其邻近处直接接地，使得在正常操作电压和瞬时过程期间产生的电应力将主要仅仅作用在电缆的实心绝缘体上。外半导体层和这些直接接地一起形成一个闭合电路，其中在操作期间感应出一个电流。该层的电阻率必须足够高，使得该层中产生的电阻损失可以忽略不计。
除了该磁性感应电流外，由于在电缆两端处的直接接地，一个电容电流将流入该层内。如果该层的电阻率太高，那么该电容电流将受到限制，使得在交变电压期间，该层一些部分中的电位，可以与地面电位不同到这样一种程度，以致功率变压器／电抗器的除了实心绝缘体以外的区域将受到电应力。通过使半导体层的若干点直接接地(最好是每圈绕组一个点)，整个外层保持在地面电位，而如果该层的电导率足够高，那么上述问题的消除是有保证的。
外屏蔽的这个每圈一个点接地可以这样实现，就是接地点安置在一根接通绕组的母线上，这些点沿该绕组的轴向长度直接电连接到一根导电接地杆上，后者然后连接到公共接地电位上。
理想地，因为外层中有这样一个高电阻率，所以需要几个接地点圈，以保持损失尽可能小。每圈绕组设置任意数目的对应外层的接地点，但每圈数目一致。这些接地点可以安置在一根通到绕组的母线上，与上述一个点接地相似，这些点沿绕组的轴向长度直接连接到导电接地杆上，然后后者连接到共同的接地电位。但是，这假定各接地点的选择是这样实现的，就是在通向接地杆的连线中并不磁性地感应出电流。为了保证这一点，在一优选实施例中，接地点和接地杆之间的连接必须通过芯或轭。
在极端的情况下，这些绕组可以受到这样快速的瞬时过载电压，使得外半导体层的一些部分采取这样一个电位，就是功率变压器的除电缆绝缘体以外的面积都受到不希望有的电应力。为了避免产生此种状况，在该层与每圈绕组的接地点之间连接多个非线性元件，如火花隙、热阴极充气二极管、齐纳二极管或可变电阻器。此外，通过在外绝缘层和地之间连接一个电容器，可以防止不希望有的电应力。一个电容器也在50Hz处减小电压。这种接地原理在下面称作“间接接地”。
单个接地的接地路线通过下述器件之一连接到地面1)一个非线性元件，如火花隙或热阴极充气二极管；2)一个与电容器并联的线性元件；3)一个电容器；或者是所有上述器件的组合。
根据本发明，如果所述无机浇注材料是一种不导电的浇注材料，那么就能得到功率变压器／电抗器的一个有利的实施例。
根据本发明，如果该浇注材料的相对介电常数ε相当低(ε最好≤10)，那么就能得到功率变压器／电抗器的一个有利的实施例。
根据本发明，如果该浇注材料的相对介电常数ε相当高(ε最好＞10)，那么就能得到功率变压器／电抗器的另一个有利的实施例。
与此相联系，如果第二半导体层在每个绕组的两端或邻近处接地而且两端之间的一个额外的点直接接地，那么这是一个优点。
根据本发明，如果所述浇注材料是一种弱导电的浇注材料，那么就能得到功率变压器／电抗器的又一个有利的实施例。
根据本发明的一个特别有利的特点，可以说，该基本上无机的浇注材料是导电的，最好只是弱导电。优选的是其比电阻率ρ为1至100000Ωm，最好为10至10000Ωm。这允许简单而均匀分布的接地。
根据一个优选的实施例，该浇注材料包括混凝土。用混凝土为绕组的埋置体，可以得到许多优点。与已知技术中有机树脂相比，混凝土价廉而易于制造。如果需要，绕组的埋置体可在建造现场简单地制成。
混凝土已被证明在机械抵抗力和刚性方面是卓越的。一台具有埋置在混凝土中的绕组的变压器／电抗器可以抵抗高的短路力，它可以防地震，呈现良好的声学性能，并可以做成自支承。根据本发明，该变压器／电抗器还可以在浇注期间就已经设置冷却，如水冷导管。
可以提到的另一些额外的优点是，根据本发明，一个变压器／电抗器具有较高的热导率和较高的比热容，这相对于承受过载是特别重要的。
另一个并非不重要的显著优点是，除了绝缘体和导体的半导体层之外，该变压器／电抗器不包含任何可以氧化的物质或成分，它实际上不会燃烧或爆炸。
导电混凝土的例子公开于M．Judge的“我们的灵活多变的朋友”(《新科学家》，1997年5月10日，44-48页)和“加拿大生产导电混凝土”(《科学》，276卷，1997年5月23日，1201页)中。通过混凝土的导电性，绕组可经过混凝土直接接地，而不会产生经过混凝土的短路。第一篇文章中描述的混凝土利用超临界二氧化碳固化，它由于提高的机械抵抗力和完全固化能力而特别适用。它的附加的优点是可以任选地制造成具有比普通混凝土更低的比重。
根据一个有利的特点，该浇注材料包含至少一种填充剂，它可以是有利的，也可以是无机的。如果填充剂是有机的，那么它应当只以小量存在。对于高性能混凝土，它例如可以涉及小量的有机乳化剂或丙烯酸乳剂，如M．Tamai和K．Yamaguchi的“高聚合物水泥砂浆的性能”(日本科学技术，Vol．63，1977，P．7-11)或Y．Ohama，K．Demura和T．Uchyama的“聚合物改性砂浆在Koriyama和Sapporo户外曝光10年后的耐气候性”(同一出版物P．63)。
该填充剂可以有利地包括一种导电材料，后者使浇注材料成为导电。
根据本发明，如果该导电的浇注材料的相对介电常数ε相当低(ε最好≤10)，那么就能得到功率变压器／电抗器的一个有利的实施例。
根据本发明，如果该导电的浇注材料的相对介电常数ε相当高(ε最好＞10)，那么就能得到功率变压器／电抗器的另一个有利的实施例。
根据另一个有利的实施例，该变压器／电抗器的特征在于，所述浇注材料设有n个(n≥2)导电机构，它们每个都直接接地，由此在绕组中的相应的第二导电层和所述导电机构之间产生导电。
根据本发明，如果在至少一个绕组的至少一圈处有几个点(n≥2)直接接地，那么就能得到功率变压器／电抗器的另一有利的实施例。
在本文中，如果该n个直接接地的点这样接地，使得该n个接地点之间的电连线将磁通量分成n个部分以便限制由于接地而产生的损失，那么这是一个优点。
这方面的另一优点是，如果绕组围绕一个截面积A而每个绕组圈的周边长度为I，那么该n个接地点之间的电接线将该截面积A分成n个部分面积A1、A2、…、An，使得A=Σi=|nAi]]>并将所述长度|分成n个区段11、12、……、1n，使得l=Σi=|nIi]]>而且该n个接地点之间的电接线这样设置，使得每个区段1i的两端电连接，以致于只有该部分面积Ai被一个由电接线和区段1i组成的回线包围，并满足条件φiφ=lil]]>其中φi是流过部分面积Ai的磁通量。
与此有关的另一优点是，因为整个截面积上通量密度B恒定，所以，如果n个接地点之间的电连线这样设置，那么就满足条件AiA=lil]]>这方面的另一优点是，第二半导体层至少在每个绕组的两端之间的一个点处是间接接地的。
根据本发明，如果利用一个连接在第二半导体层和地之间的电容器来实现间接接地，那么就能得到功率变压器／电抗器的一个有利的实施例。
根据本发明，如果利用一个连接在第二半导体层和地之间的具有非线性电压-电流特性曲线的元件来实现间接接地，那么就能得到功率变压器／电抗器的另一个有利的实施例。
根据本发明，如果利用一个连接在第二半导体层和地之间的包括一个与电容器并联而具有非线性电压-电流特征的元件的电路来实现间接接地，那么就能得到功率变压器／电抗器的另一个有利的实施例。
另一个优点是，该间接接地可以利用上述各种替代方法的组合来实现。
这方面的另一个优点是，该具有非线性电压-电流特征的元件可以是火花隙、热阴极充气二极管、齐纳二极管或可变电阻器。
关于填充剂，如上所述，它可以有利地包括一种导电材料，浇注材料利用该导电材料变成导电。加入的导电材料的优选例子为碳纤维、石墨、金属微粒、细粒碳化煤等等。
根据另一特点，填充剂的特征在于，它包括一种介电常数(电容率)ε相当高的试剂或材料，最好ε＞10。这有一个好处，就是可以获得容性脉冲接地。一种合适材料的优选例子是二氧化钛。该相对介电常数也可以相当低，最好是ε≤10。填充剂的例子可以是产生气体的添加剂，如铝粉或浮石，其优点还有可以降低混凝土的密度，由此减小变压器／电抗器的重量。
该填充剂还可以有利地包括一种热导率高的材料，如氧化铝。这能提高冷却容量。
根据另一个有利的特点，该填充剂可以包括一种比热容高的材料，如皂石。由于这一点，根据本发明，该变压器／电抗器可以承受高温过载而不会损伤。
根据另一个有利的特点，该浇注材料包括增强元件，就是其功能对应于常规增强混凝土中增强杆的功能的结构件，该功能主要是吸收拉伸应力。这些增强元件可以是导电的，例如为不锈钢或其它金属的结构形式，最好不能磁化。这些机构然后可以有利地同时用于连接地面电位。这些机构也可以设计成空心结构件，最好是管子，由此同时形成冷却导管。这些元件不要形成可能围绕芯／磁通量的闭合圈。根据另一优选实施例，这些增强元件的特征可以是，它们是电绝缘的，例如用玻璃纤维或玻璃纤维增强塑料制成。这些元件然后可以形成空心结构件，最好是管子，由此可以同时形成冷却导管。
应当注意到，可以将整个变压器／电抗器埋置在浇注材料中。是埋置整个变压器／电抗器还是只埋置其一部分或整个绕组可以因情况不同而不同，这例如可决定于可利用的空间。
或者是，绕组或变压器／电抗器的一部分可以埋置在无机材料中，而其另一部分可以空气冷却或埋置在另一材料中，如已知材料环氧树脂。
本发明既可应用于包括一个用介电常数比空气高的材料制成的芯的变压器／电抗器，也可应用于不包括此种芯的变压器／电抗器。
根据本发明的方法的特征在于，该绕组做成具有绝缘的导电体，该导电体包括至少一个载带电流的导体，还包括设置成围绕该载带电流的导体的具有半导体性能的第一层，一个实心的绝缘层设置成围绕该绝缘层，而一个具有半导体性能的第二层设置成围绕该绝缘层，而且该绕组至少有一部分埋置在一种浇注材料中，后者基本上为无机材料。该方法在其它方面的特点类似于与变压器／电抗器有关的权利要求。
最后，本发明涉及一种预制的绕组组件，它包括一个绕组并设计用于高压变压器／电抗器，在该绕组组件中，根据与变压器／电抗器有关的权利要求中的任何一项，该绕组的至少一部分埋置在一种无机浇注材料中。
在结论中应当注意到，根据本发明，一种变压器／电抗器当其安装在靠近居民区、办公室、受到爆炸危险的地点、遇到地震的区域等地点时，该变压器／电抗器具有特点适用的优点，因为上面提到的变压器／电抗器是无声运行的、防爆炸的、防破坏的和防地震的。
为了增加对本发明的理解，下面参照附图更详细地描述一个不起限制作用的优选实施例，其中
图1表示一种具有三个绕组的常规变压器的示意图；图2表示一种根据本发明实施例的变压器的示意图；图3表示一种根据本发明另一实施例的变压器的示意图；图4表示一种根据本发明又一实施例的变压器的示意图；图5a根据本发明示意表示一个具有接地机构的埋置的绕组的顶视图；图5b表示图5a中埋置的绕组的示意透视图；图6表示每圈具有三个接地点的绕组的示意图，这些绕组被包括在根据本发明的功率变压器／电抗器中；图7表示每圈绕组有一个直接接地点和两个间接接地点的绕组的透视图，这些绕组被包括根据本发明的功率变压器／电抗器中；图8a和8b分别表示用于间接接地的不同机构；图9表示一种适合于用作绕组的绝缘的导电体的截面图。
图1所示的变压器1是常规的三相式，包括一个轭形状的芯2并有三个绕组3。图2表示一种相应的变压器5，其中绕组埋置在浇注材料中，最好是某种混凝土中。该埋置的绕组用标号7表示，每个绕组装有分别供低压221和高压222用的伸出的导体。每个示出的绕组分别通过浇注来埋置，使得形成空心的混凝土圆柱，它们穿在芯上。这具有好处，就是如果产生局部故障或局部损伤，只需替换具有附属埋置体的一个绕组。
图3表示具有另一种形状的埋置体的变压器10。示出的所有三个绕组都埋置在同一个埋置体中，埋置体为具有三个供绕组用的圆筒形开孔的浇注体12。
图4所示的变压器有三个埋置的绕组16、17、18，在其它物件中示出两种冷却方案，其中冷却管埋置在浇注材料中。埋置的绕组16表示用于径向冷却的埋置导管19，而埋置的绕组18表示用于轴向冷却的导管21。同一埋置的绕组18也示意表示例示的接地机构25。所有这些导管可以构成增强部件。
图5a和5b示意表示本发明的功率变压器／电抗器的接地例子。从图5a的顶视图和图5b的透视图看到的变压器／电抗器100包括芯101，其周围至少设置一个绕组102。该绕组包围在基本上无机的浇注材料如混凝土103中。在弱导电的混凝土内设置四个电极1041、1042、1043、1044形式的导电机构，因此这些机构与导电混凝土103接触。导电机构的数目不一定必须是4。一般说来，有n个导电机构，其中n≥2。如果绕组用上述高压电缆60制造，那么第二半导体层64(比较图9)和电极1041、1042、1043、1044之间形成导电。混凝土可以进一步冷却绕组。该实施例中的电极1041、1042、1043、1044直接利用电接线1081、1082、1083、1084(仅示于图5a)直接接地到110，使得在芯的周围不形成闭合圈。在一优选实施例中的电接线(导体)1081、1082、1083、1084与芯这样交叉(仅示意表示)，使得芯101的截面积A(以及由此而磁通量φ)被分为4个部分面积A1-A4。第二半导体层64(比较图9)中的损失通过上述方式接地保持到最小。如果混凝土进一步具有这样调整的电导率，使得混凝土中的感应电流不导致大损失，而电导率同时足以使高压电缆的第二导电层接地，那么关于冷却和接地的问题就能同时解决。弱导电的浇注材料具有适当的比电阻率ρ，处于1至1000001Ωm的范围内，最好为10至10000Ωm。直接接地原理的进一步描述可参见图6。
其次，如果接地电极设置成尽可能接近绕组和它们相当宽，以便增大电极和绕组之间的电容而有利于脉冲接地，那么这是一个优点。
图6表示每圈有三个接地点的绕组的透视图，这些绕组包括在本发明的功率变压器／电抗器中。图6中指示的属于功率变压器／电抗器的芯脚用标号20表示。芯脚20周围设置两个绕组221和222，它们用图9中所示的高压电缆60设计。沿径向设置间隔机构241、242、243、244、245、246，以保持绕组221和222就位。在图6情况下，每圈绕组有六个间隔机构。外半导体层在每个绕组221和222的两端261和262；281和282处接地(比较图9)。用黑体表示的间隔机构241、243、245用于使每圈绕组得到三个接地点。因此这些间隔机构241、243、245连接在高压电缆10的半导体层上。在绕组222的周边处和沿着绕组222的轴向长度，间隔机构241直接连接到第一接地机构301上，间隔机构243直接连接到第二接地机构302上，而间隔机构245直接连接到第三接地机构303上。接地机构301、302、303可以由接地杆301、302、303组成，它们连接到共用的接地电位32上。三个接地机构301、302、303利用两个电接线341、342(导体)连接。电接线341引入设置在芯脚20的第一槽36中，并连接到接地元件302和303上。电接线342引入设置在芯脚20的第二槽362中，并连接到接地元件301和303上。槽361、362这样设置，使得芯脚20的截面积A(因此还有磁通量φ)分成三个部分面积A1、A2、A3。因此芯脚20被槽361、362分成三部分201、202、203。这导致电流与接地杆连接而不会受到磁性感应。由于以上述方法接地，在第二半导体层中损失保持最小。
图7表示每圈绕组有一个直接接地点和两个间接接地点的绕组的透视图，这些绕组包括在本发明的一个功率变压器／电抗器中。图7中指示的功率变压器／电抗器的芯脚用标号20表示。在此情况下，芯脚20周围设置两个绕组221和222，它们用图9所示的高压电缆60设计。绕组221和222用绕组圈的六个间隔机构241、242、243、244、245、246保持就位。第二半导体层在每个绕组221、222的两端261、262；281、282处接地(比较图9)。用黑体表示的间隔机构241、243、245用于在每圈绕组中获得一个直接接地点和两个间接接地点。间隔机构241直接连接在第一接地机构301上，间隔机构243直接连接在第二接地机构302上，而间隔机构245直接连接在第三接地机构303上。如图7中所示，接地机构301直接连接在地面36上，而接地机构302、303间接接地。接地机构302通过火花隙34串联连接地地面上而间接接地。接地机构303通过一个串联电路连接到地面上而间接接地，该电路包括一个与电容器40并联连接的火花隙。火花隙34和38是非线性元件的例子，也即一种具有非线性电压-电流特性曲线的元件。
图8a和8b分别表示用于接地的不同元件。图8中利用电路50产生间接接地，电路50包括一个与电容器54并联的具有非线性电压-电流特性曲线的元件52。在该情况下，具有非线性电压-电流特性曲线的元件52是火花隙52。元件52也可以是充气二极管、齐纳二极管或可变电阻。间接接地利用图8b中的齐纳二极管实现。
总起来说，上述直接和间接接地的原理实际上以稍许不同的方式实现，取决于所用的无机浇注材料的性能。得到四种不同情况。
(1)绕组埋置在具有低的相对介电常数ε的不导电无机材料中。直接接地根据图6实现，而间接接地根据图7实现。
(2)绕组埋置在具有高的相对介电常数ε的不导电无机材料中。直接接地根据图6实现，而间接接地依靠穿过无机材料对地面的高电容来实现。
(3)绕组埋置在具有高的相对介电常数ε的弱导电无机材料中。利用图5的导电机构开始。间接接地依靠穿过无机材料对地面的高电容来实现。直接接地部分地遵循图6所示的原理。因为无机材料是弱连接的，所以不需要图6中所示的特定接地元件30。沿电缆的长度在电缆的第二／外半导体层和弱导电无机材料之间均匀地实现对地面的接触。电流随后连续地流向导电机构102，后者接收电流并引向地面中。但是，导电机构用图5-6中所示方式接地。
(4)绕组埋置在具有低的相对介电常数ε的弱导电无机材料中。在该情况下也使用图5的导电机构。直接接地部分地遵循图6的原理，而间接接地部分地遵循图7的原理。差别在于，由于弱导电无机材料，不需要如图6和7中所示的特定接地元件30。沿第二／外半导体层和弱导电无机材料之间的整个电缆实现均匀分布的对地接触。电流随后连续流向导电机构102，后者接收电流并流向地面中。但是，导电机构用图5-7中所示的方式间接接地和直接接地。
应当强调，所有上述通过无机材料或通过分开的机构的直接或间接接地方法可以联合／同时实现。
最后，图9中示出一种电缆的截面，该电缆特别适合于用作本发明的变压器／电抗器中的绕组。该电缆60包括至少一个载带电流的导体61，它由第一半导体层62围绕。第一半导体层62周围设置绝缘层63，该绝缘层周围又设置第二半导体层64。导电体61可以由若干股65组成。这三层这样设置，使得它们互相附着，如果电缆弯曲会这样。图示的电缆是挠性的，在其使用寿命期间，一直保持该性能。图9中例示的电缆与常规高压电缆不同之处在于，省去了通常围绕此种电缆的外部机构保护套和金属屏蔽。
本发明当然包括附录的权利要求书范围内的变化和修改。它不限于变压器／电抗器的芯用磁导率大于空气的材料制成(如图中所示)，但芯可以省掉。埋置体本身的尺寸、形式和形状还可以改变。还可以强调，任何场合，在该有机浇注材料可以用一种有机浇注材料替代的例子中，当可以应用时，这样一种改变应当被看作是本发明的一部分，也应当落入由附录的权利要求书限定的发明范围内。
权利要求
1．一种包括至少一个绕组的高压变压器／电抗器，其特征在于，该绕组利用绝缘的导电体(60)形成，该绝缘的导电体(60)包括至少一个载流导体(61)，还包括设置成围绕该载流导体的具有半导体性能的第一层(62)；一个实心的绝缘层(63)，设置成围绕在该第一层；和一个具有半导体性能的第二层(64)，设置成围绕该绝缘层；此外该绕组至少有一部分埋置在一种浇注材料中。
2．如权利要求1所述的变压器／电抗器，其特征在于，该浇注材料基本上为无机材料。
3．如上述权利要求中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，绕组内产生的电场被包含在至少一绕组匝的绕组内。
4．如上述权利要求中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，该绝缘的导体由一根电缆最好是高压电缆组成。
5．如上述权利要求中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，将该绝缘的导电体制造成具有导电体面积在80至3000mm2之间和具有电缆外径在20至250mm之间。
6．如上述权利要求中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，将第二层(64)设置成使其形成一个围绕载流导体(61)的基本上等电位的表面。
7．如上述权利要求中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，至少两个相邻的层具有基本上相等的热膨胀系数。
8．如上述权利要求中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，该绝缘导体或电缆(60)是挠性的，而三层中的每一层沿基本上整个连接表面实心地连接到相邻的层上。
9．如上述权利要求中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，将这些层设置成，当绝缘导体(60)或电缆弯曲时，这些层同样互相附接。
10．如上述权利要求中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，这些浇注材料是非导电材料。
11．如权利要求10所述的变压器／电抗器，其特征在于，该浇注材料的相对介电常数ε相当低，最好ε≤10。
12．如权利要求10所述的变压器／电抗器，其特征在于，该浇注材料的相对介电常数ε相当高，最好ε＞10。
13．如权利要求11-12中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，第二半导体层在每个绕组(221，222)的两端(261，262；281，282)或其邻近处接地，还有，两端(261，262；281，282)之间的一个点直接接地。
14．如权利要求1-9中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，该浇注材料是导电的。
15．如权利要求14所述的变压器／电抗器，其特征在于，该导电浇注材料的比电阻率ρ处于1至100000Ωm的范围内。
16．如权利要求14所述的变压器／电抗器，其特征在于，该导电浇注材料的比电阻率ρ处于10至10000Ωm的范围内。
17．如上述权利要求中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，该浇注材料包括混凝土。
18．如权利要求17所述的变压器／电抗器，其特征在于，该混凝土是超临界二氧化碳硬化混凝土。
19．如上述权利要求中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，该浇注材料包含至少一种填充剂。
20．如权利要求19所述的变压器／电抗器，其特征在于，该填充剂包括一种导电材料，浇注材料利用该导电材料变成导电的。
21．如权利要求14-20中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，该浇注材料的相对介电常数ε相当低，最好ε≤10。
22．如权利要求14-20中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，该浇注材料的相对介电常数ε相当高，最好ε＞10。
23．如权利要求21-22中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，所述浇注材料(103)设有n个(n≥2)导电机构(1041-104n)，每个所述导电机构(1041-104n)直接接地，由此，在绕组的相应第二半导体层(64)和所述导电机构(1041-104n)之间形成导电。
24．如权利要求13所述的变压器／电抗器，其特征在于，至少在至少一个绕组(221，22n)的一匝处n(n≥2)个点直接接地。
25．如权利要求23-24中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，该n个直接接地点以这样一种方式接地，就是在n个接地点之间的电接线(341，342，……34n-1)将磁通量分成n部分，以限制由接地产生的损失。
26．当从属于权利要求11或21时，如权利要求25所述的变压器／电抗器，其特征在于，第二半导体层(64)在每个绕组(221，222)的两端(261，262；281，282)之间的至少一个点处间接接地。
27．如权利要求26所述的变压器／电抗器，其特征在于，该间接接地是利用连接在第二半导体层(64)和地面之间的电容器来实现的。
28．如权利要求26所述的变压器／电抗器，其特征在于，该间接接地是利用一个连接在第二半导体层(64)和地面之间的具有非线性的电压一电流特性的曲线的元件(34)来实现的。
29．如权利要求26所述的变压器／电抗器，其特征在于，该间接接地是利用一个连接在第二半导体层(64)和地面之间的电路(38，40)来实现的，该电路有一个与电容器(40)并联而具有非线性电压-电流特性的元件(38)。
30．如权利要求26所述的变压器／电抗器，其特征在于，该间接接地是利用按权利要求27-29所述的各替代方案的组合来实现的。
31．如权利要求28-30中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，所述具有非线性电压-电流特性曲线的元件的形式可以是火花隙(34，38，52)、热阴极充气二极管、齐纳二极管(56)或可变电阻。
32．如权利要求17-31中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，该导电材料为碳纤维、石墨、金属颗粒、细晶状碳化煤或类似物。
33．如权利要求19-20或22-32中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，该填充剂包括一种相对介电常数ε相当高的试剂，最好ε＞10。
34．如权利要求33所述的变压器／电抗器，其特征在于，所述机构包括二氧化钛。
35．如权利要求19-21或23-32中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，该填充剂包括一种相对介电常数ε相当低的添加剂，最好ε≤10。
36．如权利要求35所述的变压器／电抗器，其特征在于，该填充剂包括一种产生气体的添加剂如铝粉或浮石。
37．如权利要求19-36中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，该填充剂包括一种具有高导热率的材料。
38．如权利要求37所述的变压器／电抗器，其特征在于，该填充剂包括氧化铝。
39．如权利要求19-38中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，该填充剂包括一种具有高的比热容量的材料。
40．如权利要求39所述的变压器／电抗器，其特征在于，该填充剂包括皂石。
41．如权利要求19-40中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，该填充剂包括小量有机添加剂，如乳化剂或丙烯酸乳剂。
42．如上述权利要求中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，它包括埋置在浇注材料中的增强元件。
43．如权利要求42所述的变压器／电抗器，其特征在于，该增强元件是导电的。
44．当从属于权利要求23时，如权利要求23或25-43中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，所述增强元件形成导电机构。
45．如权利要求42所述的变压器／电抗器，其特征在于，该增强元件是电绝缘的。
46．如权利要求42或45中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，该增强元件同时形成冷却导管。
47．如上述权利要求中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，该绝缘导电体中的各层是用具有这样一种弹性和这样一种其热膨胀系数之间关系的材料制成的，使得在操作期间由于温度变化而产生的各层体积变化能够以这样的方式被材料的弹性所吸收，也就是，在操作期间产生的温度变化时各层保持相互之间的贴靠。
48．如权利要求47所述的变压器／电抗器，其特征在于，所述各层的材料具有高弹性。
49．如权利要求47-48中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，这些半导体层中的每一层都基本上构成一个等电位面。
50．如上述权利要求中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，将绕组的一部分埋置在一种无机材料中，将绕组的一部分埋置在另一种材料中或完全不埋置在任何材料中。
51．如权利要求1-49中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，基本上整个变压器都埋置在所述浇注材料中。
52．如权利要求1-50中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，该变压器／电抗器的一部分埋置在一种无机材料中和该变压器／电抗器的一部分埋置在另一种材料中或完全不埋置在任何材料中。
53．如上述要求中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，它包括一个用具有比空气高的磁导率的材料制成的芯。
54．如权利要求1-52中任何一项所述的变压器／电抗器，其特征在于，该变压器／电抗器设计成没有一个用其磁导率比空气高的材料制成的芯。
55．如权利要求1所述的变压器／电抗器，其特征在于，该浇注材料基本上是一种有机材料。
56．如权利要求55所述的变压器／电抗器，其特征在于，该浇注材料是环氧树脂。
57．一种制造供高电压用的包括至少一个绕组的变压器／电抗器的方法，其特征在于，该绕组利用绝缘导电体(60)形成，该绝缘导电体(60)包括至少一个载流导体(61)，还包括被设置成围绕该载流导体的具有半导体性能的第一层(62)；一个实心绝缘层(63)，被设置成围绕该第一层；和一个具有半导体性能的第二层(64)，被设置成围绕该绝缘层；而且该绕组的至少一部分被埋置在一种浇注材料中。
58．一种如权利要求57所述的制造变压器／电抗器的方法，其特征在于，该浇注材料基本上为无机材料。
59．如权利要求57或58中所述的制造变压器／电抗器的方法，其特征在于，该绕组是按照权利要求3-13、17-20、24-31、32-49中任何一项所述内容设计的。
60．如权利要求57-59中任何一项所述的制造变压器／电抗器的方法，其特征在于，该浇注材料是按照权利要求3-9、14-23、28-31或32-49中任何一项所述内容而制造的。
61．如权利要求57-60中任何一项所述的制造变压器／电抗器的方法，其特征在于，绕组的一部分被埋置在一种无机材料中和绕组的一部分被埋置在另一种材料中或完全不埋置在任何材料中。
62．如权利要求57-60中任何一项所述的制造变压器／电抗器的方法，其特征在于，基本上整个变压器被埋置在浇注材料中。
63．如权利要求57-61中任何一项所述的制造变压器／电抗器的方法，其特征在于，变压器／电抗器的一部分埋置在一种无机材料中和变压器／电抗器的一部分埋置在另一种材料中或完全不埋置在任何材料中。
64．如上述权利要求中任何一项所述的制造变压器／电抗器的方法，其特征在于，通过浇注的埋置在现场进行。
65．如权利要求57-63中任何一项所述的制造变压器／电抗器的方法，其特征在于，该变压器／电抗器是由包括埋置的绕组的预制组件制成的。
66．如权利要求57所述的制造变压器／电抗器的方法，其特征在于，该浇注材料基本上是有机材料。
67．一种包括一绕组并适用于高压变压器／电抗器的预制绕组件，在该绕组组件中绕组的至少一部分根据权利要求1-56中任何一项被埋置在一种浇注材料中。
全文摘要
本发明涉及一种包括至少一个绕组的高压变压器/电抗器。其特征在于,该绕组利用绝缘的导电体(60)形成,该绝缘的导电体(60)包括至少一个载流导体(61),还包括设置成围绕该载流导体的具有半导体性能的第一层(62);一个实心的绝缘层(63),被设置成围绕该第一层;和一个具有半导体性能的第二层(64)被设置成围绕该绝缘层;而且该绕组至少有一部分埋置在一种浇注材料中。此外本发明涉及一种制造该变压器/电抗器的方法和一种预制的绕组组件。
文档编号H01F27/32GK1279812SQ98811470
公开日2001年1月10日 申请日期1998年11月27日 优先权日1997年11月27日
发明者T·许特, C·萨瑟, U·弗洛姆 申请人:Abb股份有限公司