CN1252750C - 电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括至少一个磁性材料的铁心(5、10)和围绕该铁心的电导体形式的高压绕组(16)的电装置，和用于制造这样的装置的方法。该装置包括一个固态的、电绝缘材料的第一绝缘层(14)和一个固态的、电绝缘材料的第二绝缘层(18)，该第一绝缘层包住铁心(10)并布置在铁心(10)和高压绕组(16)之间，该第二绝缘层包住高压绕组(16)。一个半导体层布置在每一个导电层的两侧上。

Description

电装置

技术领域

本发明涉及一种包括至少一个磁性材料的铁心和围绕该铁心的高压绕组的电装置，以及用于制造这样的装置的方法。更为具体地说，本发明涉及一种非旋转式电装置。

背景技术

包括高压绕组的电装置很大程度地用在配电网络的各种应用中。这种类型的非旋转式装置的示例是变压器和电感器。传统而言，变压器包括磁性材料的铁心，围绕该铁心布置高压绕组和低压绕组。传统而言，该磁铁心和其绕组布置在一个充有油的容器中。这样的变压器是相对大的。

高压在此是指高于1kV的电压。

在许多情况下，在要放置变压器的位置处没有太大的空间。这种情况是例如当变压器被放置在一个组合区域或在建筑物内部时的情况。在这样的情况下，理想的是较小体积的变压器或具有适于可用空间的几何形状的变压器。变压器例如可以沿已有的壁或布置在屋顶下已有的电缆槽中。在许多情况下，理想地是提供具有较低重量的变压器，例如在变压器放置在电线杆顶部的情况下。

当向住宅进行配电时，理想地是尽可能迟地将电压逐步降低到正常的电源电压，以使损失最小。在大多数情况下，将电压从10kV逐步降低到400V。在许多国家，这样的变压器通常布置在电线杆的顶部。因为它们的尺寸，所以存在有相当大的它们会掉下来的危险，这需要昂贵的维护和修理工作。如上述示例，在此理想地是使变压器的尺寸最小化。

因此，需要具有较小尺寸或具有和现有装置不同几何形状的电装置来避免上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种这样的电装置，即其外尺寸可制成小的或其效率增加。

本发明的另一个目的是提供一种电装置，其形状能够适应于它将被放置的空间。

本发明的再一个目的是提供一种用于制造根据本发明的电装置的方法。

这些目的可通过根据后附权利要求书的电装置、方法和应用来实现。

根据本发明的电装置包括至少一个磁性材料的铁心和围绕该铁心的电导体形式的高压绕组。该电装置的特征在于，其包括：一个固态的、电绝缘材料的第一绝缘层，其包住铁心并布置在铁心和高压绕组之间，在该第一电绝缘层的两侧上布置有半导体层。该电装置还包括一个固态的、电绝缘材料的包住高压绕组的第二绝缘层，在该第二电绝缘层的两侧上布置有半导体层。

根据本发明的电装置优选是一个高功率装置、例如电源变压器或配电变压器。根据本发明的电装置优选旨在用于高于10kVA、优选高于50kVA的功率电平。在此功率是指该装置的最大功率消耗。

优选该电导体沿相对于铁心的纵向轴线大体切向的方向缠绕在铁心上。

该铁心优选为大体呈柱形，大体呈圆柱形是有利的。然而，出于实践原因，该铁心的形状也可以与该形状不同。有利地是，该铁心由数个金属片制成，在这种情况下，该铁心具有阶梯式边缘。

通过使用一种固态绝缘材料，可以大大地减小高压绕组和铁心之间的间距。因此可以得到一种与现有技术相比小得多的装置，或者一种与现有技术相比功率高得多的装置。

这些绝缘层优选由聚合体管件构成。这允许这些管件可能在一个连续的工序中通过在加工工艺中已被公认的挤压工艺而制成。可选择地是，可以在铁心上直接挤压形成上述绝缘。

当制造该电装置时，困难地是防止在上述绝缘层和高压绕组之间形成气穴。气穴将导致电晕的出现，这种情况将最终侵蚀掉上述绝缘。这主要在电压高于1-2kV时是一个问题，特别是在电压高于10kV时更是一个问题。避免该问题的一个方法是在绝缘层中使用耐电晕放电材料。然而，不容易找到同时具有高绝缘强度的耐电晕放电材料。

为了尽可能多地从固态绝缘材料在高压时的使用中获得益处，该电装置还包括布置在每一个电绝缘层两侧上的半导体层。

优选地是，该电装置包括一个第一半导体层，其与该第一绝缘层接触，并由第一绝缘层包住；一个第二半导体层，其布置在第一绝缘层和高压绕组之间，并同时与该第一层和高压绕组接触；一个第三半导体层，其布置在第二绝缘层和高压绕组之间，并同时与该第二绝缘层和高压绕组接触，和一个第四半导体层，其接触并包住第二绝缘层。

为了优化操作，实质上是使上述半导体层与相应的绝缘层接触。

优选地是，上述半导体层具有范围为10⁵-10⁸Ω的表面电阻。因此得到使电场均匀的足够的导电性，同时可以避免过度的损耗。

根据本发明的装置可以上不同类型的，例如是电感器或变压器。在该电装置是一个电感器的情况下，它只包括一个高压绕组形式的绕组。

在该电装置是一个变压器的情况下，它还包括一个包住铁心的低压绕组。

如果该电装置包括一个低压绕组，那么它包括一个固态的、电绝缘材料的第三绝缘层也是有利的，低压绕组包住第二绝缘层，该低压绕组由一个固态的、电绝缘材料的第三绝缘层包住。

通过将低压绕组布置在高压绕组的外侧，得到了电装置外侧和高压绕组之间的最大间距。因此，例如在该电装置被埋入地面下的情况中，意外接触高压绕组的危险就被最小化了。然而，也可以将低压绕组布置在高压绕组内。

根据本发明的一个实施例，该电装置具有电缆的形状。由于其结构，该电装置很适用于以电缆的形式制造，其横截面尺寸可以制得相对小，因为它是由固态绝缘体制成的。该电装置以电缆形式制造的一个优点在于，它可以在一个连续的工序中制造。然后该电缆被输送给一个缠绕在一个电缆盘上的耗电器。

为了能够使用该电装置，电缆已被连接到高压绕组上。可以以许多方式执行高压绕组与电缆的连接。然而，必须在高压绕组与电缆之间的连接点处避免强电场。一个与高压绕组连接的电导体优选由一个电绝缘材料的第四绝缘层包住。该导体部分地布置在该第一绝缘层和第二绝缘层之间，该第四绝缘层沿第四绝缘层的外侧从第四绝缘层最接近该绕组的端部开始的部分设置有第一电晕防护层，该电晕防护层的材料表现出作为电场函数的非线性电阻，第一绝缘层和第二绝缘层分别设置有第二电晕防护层和第三电晕防护层，这些电晕防护层的材料表现出作为电场函数的非线性电阻，在这两个电晕防护层中的每一个沿铁心的纵向方向的延伸部中至少部分地重叠有第一电晕防护层。

该第四绝缘层有利地设置有一个第五半导体层，该第五半导体层同时与该电导体和该第四绝缘层接触，一个第六绝缘层与该第四绝缘层接触并包住该第四绝缘层，并且该第六绝缘层与第一电晕防护层接触。

上述电晕防护层在弱电场时具有高阻抗，在强电场时具有低阻抗。通过以这种方式布置电晕防护层，得到了电场从电缆向该电装置的平稳过渡。该重叠的长度由该电装置设计应用的电压和空气电击穿强度来决定。

有利地是，电晕防护层对于强度小于1kV/mm的电场具有范围为10⁸-10¹²Ω的表面电阻。

在电场超过1kV/mm时，电晕防护层有利地具有范围为10⁵-10⁹Ω的表面电阻。因此避免了非常高的强电场，同时避免了过度损耗。

如果该电装置具有旨在用于高于1kV的电压的低压绕组，那么它在第三电绝缘层的两侧都具有半导体层是有利的。从而可以防止在该低压绕组上出现电晕。

该高压绕组优选由至少一个漆包线构成。这允许普通的电线可以用在该高压绕组中。

为了优化该电装置的特性，理想地是该高压绕组具有一定的厚度。同样的理想地是，具有一定数量的绕组匝数和在绕组中具有一定的导体区域。因为这些要求，高压绕组必须布置在数个层中，以便装配到可用空间中。然而，两个相邻层之间的电压将会是相对高的，因此在不同导体层之间存在有击穿的危险。为了防止这一问题，以这样的方式实现该高压绕组是有利的，即它由至少两个部分绕组组成。优选地是，每一个部分绕组都在该铁心的纵向方向上在0.03-2m的范围内延长。因此避免了在该高压绕组中在导体之间的可能导致击穿的高压。

当然，可以根据其它的情况，特别是该高压绕组旨在应用的电压来设置其它长度的部分绕组。

优选地是，在铁心中设置冷却通道，所述冷却通道沿铁心的纵向方向布置。因此确保了该电装置的令人满意的冷却。在铁心中布置冷却通道的一个优点在于，这是冷却该电装置的相对直接和有效的方式。在铁心中使用冷却通道的一种选择方案是提供包住该电装置的散热凸缘。当然，这样的散热凸缘也可以设置有冷却通道。冷却的另一种选择方案是使该装置具有这样一种细长的形状，从而其自然对流将足以用于冷却目的。优选地是，散热凸缘由铝制成，但也可由其它材料制成。然而，优选使用具有良好导热性的材料。

根据另一个实施例，纵向冷却通道设置在布置于铁心和第一半导体层之间的散热凸缘中。因此从该电装置的内部件中得到足够的导热。

有利地是，该电装置还包括一个包住该外绝缘层的电屏蔽。该电屏蔽的一个优点在于，来自绕组的电磁场不会干扰周围设备。

在绝缘层中可以使用数种固态材料。根据一个优选实施例，该绝缘材料是硅树脂。合适的材料的其它示例是聚丙烯和交联聚乙烯。

有利地是，可以数种不同的方式使用根据本发明的电装置。为了避免上述在电线杆顶部布置重的变压器的问题，可以有利地使用悬置于一个电线杆顶部的电装置。

在这种情况下，优选该电装置从电线杆的顶部向电线杆的底部延伸。

在该电装置是细长的或具有电缆形状的情况下，这样的使用是特别有利的，因为根据本发明的电装置与现有技术中的装置相比受到较小的风力作用，并且其重心较低。

根据一个优选实施例，该电装置位于电线杆内部，从而不会象它位于电线杆外侧时那样暴露于风中。另一个优点在于，电线杆由此形成该装置的壳体。

其中适于使用根据本发明的电装置的场合的另一个示例是，当变压器布置在悬置于屋顶下的电缆架中。

其中适于使用根据本发明的电装置的场合的另一个示例是，当变压器布置在电缆槽中。

有利地是，根据本发明具有三个平行的铁心和绕组的电装置能够用于将三相高压电转换成电源电压。

在这样的三相变压器中，有利的是，铁心在两端都相互连接从而闭合磁通。可选择地是，可以将一个细长的变压器只在端部与该三相电装置拧在一起，从而闭合磁通。该电装置的尺寸可以被制成相对小的事实，意味着磁场的连通在这样的使用中是令人满意的，特别是如果铁心由磁性线构成的话，一旦绕组被剥落，该磁性线便相互盘绕。

在高于150Hz的频率时，使用根据本发明的电装置是特别有利的。在高频时，铁心的尺寸可被大大减小。使用根据本发明的电装置，由于绝缘层的尺寸小，所以其总体尺寸可制得小。

有利地是，根据本发明的电装置可用于机车中，以转换由当前集电器从位于轨道之上的架空线获得的电压。有利地是，该电装置可布置在机车的顶部，或布置在机车的下面，这确保了该电装置的令人满意的冷却。

当然，上述特征可以组合在相同的实施例中。

为了进一步示出本发明，下文将说明本发明的详细的非限制性的

实施例。

附图说明

图1示出了根据本发明一个优选实施例的具有三个互相连接的铁心的电装置；

图2是图1中电装置在A处的部分的横截面图；

图3示出了图2中沿截面B-B的电装置；

图4示出了根据本发明一个优选实施例的电装置的电缆和高压绕组的连接；

图5示出了根据本发明的变压器的应用，所述变压器悬置在一个杆上；

图6示出了悬置在该杆内部的变压器的应用；

图7示出了根据本发明一个可选择的优选实施例的电装置的横截面图，具有纵向冷却槽的散热凸缘布置在铁心和第一半导体层之间和在第四半导体层的外侧；和

图8示出了一个机车，其设置有根据本发明的电装置。

具体实施方式

图1示出了一个根据本发明的电装置，其为三相变压器1形式，包括三个根据本发明的单相变压器2、3、4。这些单相变压器的铁心5在两端借助于磁头6、7相互连接。高压电缆9与单相变压器中高压绕组相连，低压电缆8与单相变压器中低压绕组相连。图1的变压器明显比传统变压器长得多，因此它可以布置在长且窄的空间、例如电缆槽或类似物中。

参见图2，其示出了单相变压器2、3、4之一在图1中A处的横截面。该变压器用于将10kV的高压转换成400V的电源电压。该单相变压器包括一个由数个沿该铁心垂直于附图平面的纵向延伸的金属片11制成的铁心10。为了简明起见，在图2中只示出了一个板11。铁心10被一个第一半导体层13包住。该层的厚度为0.1-0.5mm。冷却通道12设置在铁心10中，用于冷却该变压器。接下来半导体层13本身由一个聚合体第一绝缘层14包住，该第一绝缘层又由一个第二半导体层15包住。第一半导体层13和第二半导体层15与第一绝缘层14结合成一整体并由与该第一绝缘层相同类型的聚合体构成。然而，导电颗粒、例如炭黑颗粒已(soot particles)被混合在这些半导体层中，从而使该聚合体半导电。高压绕组16布置在该第二半导体层的外侧。该高压绕组优选由漆包铜线构成。高压绕组16由一个第二绝缘层18包住，该第二绝缘层在其内侧覆盖有一个第三半导体层17，在外侧覆盖有一个第四半导体层19。低压绕组20和一个第三绝缘层21布置在第四半导体层19的外侧。这些半导体层13、15、17、19的功能是使电场均匀。这些半导体层分别作为与该第一绝缘层和第二绝缘层整体形成的部分而布置。这些绝缘层中的聚合体例如是交联的聚乙烯。这些绝缘层适用于变压器将要转换的电压，并在这种情况下，即变压器将要转换的电压为10kV的情况下具有1-3mm的厚度。这些半导体层由与这些绝缘层相同类型的聚合体构成，这些绝缘层的聚合体已与炭黑颗粒进行了混合。

根据图2的一个变压器通过由一个绝缘材料的第一管件14包住一个杆状铁心10而制成，该第一管件在其内侧设有一个第一半导体层13，在其外侧设有一个第二半导体层15。然后加热第一管件14，以使其收缩并与铁心10接触。在接下来的步骤中，用一个高压绕组16缠绕第一管件14，然后高压绕组16和铁心10被一个绝缘可收缩材料的第二管件18包住，该第二管件在其内侧设有一个第三半导体层17，在其外侧设有一个第四绝缘层19。加热第二管件18，以使其收缩并与高压绕组16接触。最后，用一个低压绕组20缠绕该第二管件，以相应的方式将一个第三管件21设置在该低压绕组的外侧。这些绝缘管件通过挤压制成。

根据本发明的一个可选择实施例，变压器以连续地工序制成，一个长的铁心10向前进给，同时在该铁心上挤压上述绝缘层，并围绕该铁心缠绕绕组。根据该实施例，如上所述，同时在变压器的不同部分上执行不同的步骤。

参见图3，沿图2中的截面B-B示出了电装置。该图只示出了铁心10的一部分。高压绕组16被分成数个部分绕组22，这些绕组由聚合物垫圈形式的绝缘机构23分隔开。这些部分绕组是相互连接的，从而形成一个整体绕组。这些部分绕组由缠绕在数个层中的铜线构成。两个相邻线之间的电压在绕组的边缘处达到其最大值。两个相邻线之间的最大电压差取决于该部分绕组的长度。图3中的部分绕组是0.05m长。低压绕组20中的电压是更低的，因此不需要将低压绕组分成部分绕组。

参见图4，示出了一个变压器的一部分的纵向截面。该图示出了一个高压电缆是如何连接到该变压器的高压绕组上的。如上所述，第一绝缘层14覆盖有一个第一半导体层13和一个第二半导体层15。高压绕组16与电线24的导体25相连。该电缆具有一个外保护套。导体25由一个第五半导体层26、一个第三绝缘聚合体层27和一个第六半导体层包住。这些半导体层由混合有炭黑颗粒的聚合体构成。这些半导体层具有范围为10⁵-10⁸Ω的表面电阻。第三绝缘聚合体层27在最接近于高压绕组的部分覆盖有一个第一电晕防护层29。包住铁心的第一绝缘层14在面向高压绕组且与该第二半导体层相连的一侧覆盖有一个第二电晕防护层30。围绕铁心的第二绝缘层18在面向高压绕组且与该第三半导体层相连的一侧覆盖有一个第三电晕防护层31。这些电晕防护层表现出作为电场函数的非线性电阻。电晕防护层的表面电阻在1kV/mm时为10⁸-10¹²Ω，在100kV/m时为10³Ω。这些电晕防护层具有大约0.3mm的厚度。电晕防护层的功能是使电场均匀。电场以从第一绝缘层14运行到电缆的第四绝缘层的场力线32示出。这些电晕防护层对于强电场而言相对低的电阻将导致场力在它们经过这些电晕防护层时线分散。因此避免了在电压转换中在电缆和变压器之间存在的不可避免的气穴中的非常高的强电场。图4还以较大的细节示出了低压线与低压绕组20的连接，所述连接以传统方式借助于一个螺纹连接件33实现。

参见图5，示出了根据优选实施例的变压器的使用的基本要点。一个用于10kV的高压线40在电线杆42上延续到一个变压器41，该变压器在将电压分配给用户、例如一个住宅43之前将其逐步降低到400V。变压器40悬置在一个电线杆上。由于变压器具有细长形状的事实，所以它与传统变压器相比受到较小的风力作用，并且其重心较低。

参见图6，示出了本发明的一个实施例，其中一个变压器50布置在一个电线杆51的内侧。图6还示出了该电线杆的截面，表示：铁心52是如何布置在该电线杆的中心内的和磁通回流馈路53是如何布置在该电线杆的两个相对置的角上的。

参见图7，示出了根据本发明一个实施例的变压器。该变压器具有一个铁心54，在该铁心中设置了用于将热量从铁心排出的纵向冷却导槽55。此外，设置了包括有冷却通道56的冷却分段元件70，所述冷却分段元件与铁心54接触。具有冷却通道64的第一散热凸缘57布置成与第一绝缘层58接触，高压绕组59与第一绝缘层58接触，第二绝缘层60与高压绕组59接触，低压绕组61与第二绝缘层60接触，第三绝缘层62与低压绕组61接触。第三绝缘层62由具有冷却通道65的第二散热凸缘63包住。在根据本发明的变压器中，热量从外绕组向第二散热凸缘63传递，并从内绕组向第一散热凸缘57传递。

图8示出了根据本发明的一个实施例变压器66的使用。变压器66布置在一个机车67的顶部，但它也可以布置在机车67的下面。通过使用根据本发明的变压器66，该变压器可以按上述形式放置，这确保了变压器的令人满意的冷却。

上述实施例只是以示例的形式给出。本领域的技术人员应该理解，上述实施例在本发明的范围内可以有各种方式的改变。例如，四个铁心和它们相关的绕组可以是并置的，以便在一个三相变压器中产生冗余。

当然，低压绕组可以布置在最接近于铁心的位置，高压绕组布置在铁心的外侧。

高压和低压绕组这二者都适用于高压情况。在那种情况下，低压绕组设计得与高压绕组相似，在绝缘层21的两侧都设有半导体层。在这种情况下，变压器设置有外接地屏蔽(在附图中未示出)，该外接地屏蔽邻接21的外半导体层。

当然，管件不必收缩到铁心上。而是，例如用硅树脂填充管件和铁心之间的间隙。

其它可选择的方式是将绝缘层分别直接挤压到铁心和绕组上。

当然，不必在半导体层中使用炭黑颗粒。而是，可以使用其它物质、例如金属氧化物。

Claims (15)

1.一种电装置，包括至少一个磁性材料的铁心(5、10)和围绕该铁心的电导体形式的高压绕组(16)，其特征在于，其包括：

一个固态的、电绝缘材料的第一绝缘层(14)，其包住铁心(10)并布置在铁心(10)和高压绕组(16)之间，一个第一和一个第二半导体层布置在该第一电绝缘层的独立两侧上，

一个固态的、电绝缘材料的包住高压绕组(16)的第二绝缘层(18)，一个第三和一个第四半导体层布置在该第二电绝缘层的任一侧上。

2.如权利要求1所述的电装置，其特征在于，第一半导体层(13)与该第一绝缘层接触，并由第一绝缘层(14)包住，

第二半导体层(15)布置在第一绝缘层(14)和高压绕组(16)之间，并同时与该第一层和高压绕组(16)接触，

第三半导体层(17)布置在第二绝缘层(18)和高压绕组(16)之间，并同时与该第二绝缘层(18)和高压绕组(16)接触，和

第四半导体层(19)接触并包住第二绝缘层(18)。

3.如权利要求1所述的电装置，其特征在于，第一、第二、第三和第四半导体层(13、15、17、19)具有范围为10⁵-10⁸Ω的表面电阻。

4.如权利要求1所述的电装置，其特征在于，该装置还包括一个包住该铁心的低压绕组(20)。

5.如权利要求4所述的电装置，其特征在于，该装置还包括一个固态的、电绝缘材料的第三绝缘层(21)，低压绕组(20)包住第二绝缘层(18)，该低压绕组由第三绝缘层(21)包住。

6.如权利要求1所述的电装置，其特征在于，该装置还包括一个电导体，该电导体由一个电绝缘材料的第四绝缘层(27)包住并与高压绕组(16)相连接，而且该电导体部分地布置在第一绝缘层(14)和第二绝缘层(18)之间，第四绝缘层(27)沿第四绝缘层(27)的外侧从第四绝缘层(27)最接近该绕组的端部开始的部分设置有第一电晕防护层(29)，该电晕防护层的材料表现出作为电场函数的非线性电阻，第一绝缘层(14)和第二绝缘层(18)分别设置有第二电晕防护层(30)和第三电晕防护层(31)，这些电晕防护层的材料表现出作为电场函数的非线性电阻，在这两个电晕防护层中的每一个沿铁心的纵向方向的延伸部中至少部分地重叠有第一电晕防护层(29)。

7.如权利要求6所述的电装置，其特征在于，电晕防护层(29、30、31)对于强度小于1kV/mm的电场具有范围为10⁸-10¹²Ω的表面电阻。

8.如权利要求1所述的电装置，其特征在于，高压绕组(16)由至少一条漆包线构成。

9.如权利要求8所述的电装置，其特征在于，该高压绕组由至少两个部分绕组(22)构成，每一个部分绕组都在该铁心的纵向方向上具有范围为0.03-2m的延长部。

10.如上述权利要求中任一项所述的电装置，其特征在于，在该铁心中设置有冷却通道(12)，所述冷却通道(12)沿该铁心的纵向方向布置。

11.如权利要求1所述的电装置，其特征在于，设置有一个第二散热凸缘(63)，其包住该第四半导体层并沿该电装置的纵向方向包括有冷却通道(65)。

12.如权利要求11所述的电装置，其特征在于，在该铁心和第一半导体层之间设置有一个第一散热凸缘(57)，所述第一散热凸缘(57)包括纵冷却通道(64)。

13.如权利要求1所述的电装置，其特征在于，上述绝缘层由交联的聚乙烯、即所谓的PEX制成。

14.如权利要求1所述的电装置，其特征在于，上述绝缘层由硅树脂制成。

15.如权利要求1所述的电装置，其特征在于，该装置还包括一个包住该最外部的绝缘层的电屏蔽。

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