低雜散輻射的高效能電力變壓器的制造方法
【專利摘要】本發明所涉及的高效能電力變壓器，通過改變繞組的分布方式及繞組中電流的流動方向，提高初次級繞組間的耦合磁通，同時降低外部合成磁通的強度；改變傳統變壓器通過初級繞組外部合成磁通向次級繞組傳輸能量的模式，利用初級繞組的內部層間合成磁通向次級繞組傳輸能量，此時初級繞組的外部合成磁通與能量傳輸完全無關，實現了傳輸能量的磁通與產生電磁干擾的磁通完全剝離，通過諸多技術手段可以對產生電磁干擾的合成磁通進行削弱和屏蔽，在有效提升變壓器傳輸效率和功率密度的同時，大幅降低雜散輻射所造成的電磁干擾。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電力變壓器技術。尤其涉及低雜散輻射的高效能電力變壓器。 低雜散輻射的高效能電力變壓器
【背景技術】
[0002] 電力是人們生產、生活中不可或缺的能源。我們使用的電能絕大多數都是由發電 廠提供，為了減少電能從發電廠輸送到用戶過程中的損失，采用了高壓電進行輸送。那么， 高壓電網與用戶之間就必須使用電力變壓器進行電壓變換，保證輸送到用戶的是符合國家 標準的電源。
[0003] 由于輸送電壓和功輸送率的要求，電力變壓器的繞組都由成百上千匝組成，傳統 電力變壓器的同一級繞組采用集束式繞組工藝，且每組繞組的電流是同相的，繞組內部線 圈的磁通相互抵消，只有繞組外圍線圈的合成磁通相互增強，而初次級繞組之間的能量是 依靠初級繞組的合成磁通進行傳輸的，所以傳統電力變壓器的能量傳輸效率存在很大的提 升空間。
[0004] 2011年我國全社會用電量46, 928億千瓦時，如果將電力變壓器的傳輸效率每提 升10%--減少10%的損耗或浪費，就相當于建設一座年發電4, 692. 8億千瓦時的虛擬 發電廠；如果再考慮到發電廠電能輸出使用的升壓變壓器的話，實際獲得雙倍的效益-- 電力變壓器的傳輸效率每提升10%，相當于建設一座年發電4, 692. 8億千瓦時X2 = 9, 385. 2億千瓦時的虛擬發電廠，將會帶來非常巨大的經濟效益和社會效益。
[0005] 本發明可以將傳統電力變壓器的傳輸效率提升30?80%，功率密度提高3?10 倍，電磁干擾降低1?3個數量級。
【發明內容】
[0006] 本發明所涉及的高效能電力變壓器，顛覆了傳統電力變壓器的結構，通過改變繞 組的分布方式及繞組中電流的流動方向，提高初次級繞組間的耦合磁通，利用初級繞組的 內部層間合成磁通3-3向次級繞組2-3傳輸能量，初級繞組的外圍合成磁通3-2與能量傳 輸完全無關，實現了傳輸能量的磁通與產生電磁干擾的磁通完全剝離，在有效提升變壓器 傳輸效率和功率密度的同時，大幅降低雜散輻射所造成的電磁干擾。
[0007] 通電導體的周圍會產生磁場，磁通的方向遵循安培定則。
[0008] 傳統電力變壓器的初級繞組的繞制工藝都是同向多層集束式繞制，從繞組的徑向 切面圖中可以清楚地看出：繞組的匝間磁通3-5是相互抵消的，而繞組的外圍磁通3-2是相 互增強的，利用鐵芯聚攏磁力線的流通，初級繞組與次級繞組之間是通過初級繞組的外圍 磁通3-2的總合成磁通3-4進行耦合的；僅有位于初級繞組外圍導線的合成磁通參與能量 傳輸，位于初級繞組內部的線圈由于所產生的磁通3-5相互抵消，它們不參與能量傳輸。
[0009] 初級繞組的總合成磁通3-4在與初級繞組耦合的同時，不可避免地產生雜散輻 射一一電磁干擾（EMI)，而且變壓器的功率越大，初次級間傳輸的能量越大，初級繞組產生 的外部磁通就越強，所造成的電磁干擾也就越強。
[0010] 傳統變壓器中，初次級繞組間進行能量傳輸的磁通與產生電磁干擾的磁通是同一 個磁通，在傳輸大功率電力能量的同時，不可避免地會產生非常強的電磁干擾，且很難有效 降低或抑制這個電磁干擾。
[0011] 本發明非常簡單地解決了傳統電力變壓器存在的上述問題，成功地將傳輸能量的 磁通與產生電磁干擾的磁通完全剝離，在高效率傳輸大功率電能的同時，有效降低并抑制 所產生的電磁干擾。
[0012] 本發明將初級繞組的層間電流反相，并將次級繞組內嵌在初級繞組的層間，利用 初級繞組層間增強了的磁通3-3向次級繞組傳輸能量，而產生電磁干擾的初級繞組外圍合 成磁通3-2被大大減弱，實現了傳輸能量的磁通與產生電磁干擾的磁通完全剝離。
[0013] 初級繞組的層間電流反相后，只有最外層的匝間合成磁通3-6會產生繞組的外部 磁通，層間的外部磁通3-2相互抵消，此時初級繞組總合成磁通3-4被大幅衰減；而傳輸能 量的層間的內部磁通3-3是相互增強的。有效設計初次級繞組的結構和相互位置及電流分 布，就可以在提升變壓器傳輸效率和功率密度的同時，將雜散輻射降至最低，而且雜散輻射 的強度僅與變壓器的結構和工藝有關，與變壓器的功率及傳輸效率沒有直接關聯。
[0014] 如果在初級繞組的最頂層和最底層繞組外面設計屏蔽層，就可以將已經大幅削弱 了的電磁干擾磁通再進行有效的抑制，使得電磁干擾能夠按數量級減小。
[0015] 單層繞制的初級繞組所產生的磁通是與繞組平面平行的，此時采用平面鐵芯的效 率會遠遠高于傳統的效率，在平面鐵芯的外圍纏繞有與鐵芯相同材料的封閉環形外殼，在 閉合層間磁通的同時起到保護線圈繞組的功能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016] 圖1 :傳統變壓器繞組結構及磁通示意圖
[0017] 1--鐵芯；
[0018] 2--繞組導線；
[0019] 3-磁通；
[0020] 3-1--導線磁通；
[0021] 3-2--繞組外圍合成磁通；
[0022] 3-4-總合成磁通。
[0023] 圖2 :層間電流反相繞組的磁通示意圖
[0024] 3-1--導線磁通；
[0025] 3-2--繞組外圍合成磁通；
[0026] 3-3-繞組內部層間合成磁通；
[0027] 3-4-總磁通。
[0028] 圖3 :傳統鐵芯單層繞組結構示意圖
[0029] 1-1--傳統變壓器鐵芯；
[0030] 2-1--初級繞組I ;
[0031] 2-2--初級繞組II;
[0032] 2-3--次級繞組I。
[0033] 圖4 :單層繞組合成磁通示意圖
[0034] 3-1--導線磁通；
[0035] 3-2--繞組外圍合成磁通；
[0036] 3-5--匝間內部合成磁通。
[0037] 圖5 :初次級繞組單層間繞且初級繞組層間電流反相磁通示意圖
[0038] 1-1--初級繞組；
[0039] 1-2--次級繞組；
[0040] 3-1-導線磁通；
[0041] 3-2--繞組外圍合成磁通；
[0042] 3-3--繞組內部層間合成磁通；
[0043] 3-4-總磁通；
[0044] 3-5--匝間內部合成磁通；
[0045] 3-6-最外層阻間合成磁通。
[0046] 圖6 :平面鐵芯單層繞組結構示意圖
[0047] 1-2--最外層平面鐵芯；
[0048] 1-3-中間層平面鐵芯；
[0049] 2-1--初級繞組I ;
[0050] 2-2--初級繞組II;
[0051] 2-3--次級繞組I。
[0052] 圖7 :平面鐵芯變壓器外觀不意圖
[0053] 1-2--最外層平面鐵芯；
[0054] 1-4--環形外殼；
[0055] 4-1--初級繞組接線端子；
[0056] 4-2--次級繞組接線端子。
【具體實施方式】
[0057] 實施方式一：傳統鐵芯單層繞組層間電流反相電力變壓器。
[0058] 初級繞組制作成單層結構，將同樣是單層結構的次級繞組采取必要的絕緣措施 后，內嵌到初級繞組的層間，初級繞組的層數比次級繞組多1層--初級繞組的層數為N層 時，次級繞組的層數就是N-1層。堆疊的順序為：第1層初級繞組、第2層次級繞組、第3層 初級繞組、第4層次級繞組……最后一層是初級繞組。
[0059] 初級繞組的接線原則是：相鄰兩層繞組的電流必須反相。即：第1層和第3層是初 級繞組，電流反相；第5層的電流與第3層電流反相……。
[0060] 次級繞組有非常多的接線方式，可以根據輸出電壓和輸出功率的要求非常靈活地 進行組合。
[0061] 將制作完成的繞組總成裝配到傳統形狀的鐵芯上，利用鐵芯的高導磁性能閉合初 級繞組外圍合成磁通3-2及總合成磁通3-4,該鐵芯可以很好地保護線圈繞組。
[0062] 如果對電磁干擾指標有較嚴格的要求，可以在最底層和最頂層分別嵌入屏蔽層。 該屏蔽層設計有防止產生渦流的絕緣縫隙及接地連接端子，接地連接端子可以根據實際情 況進行接地或者懸空。
[0063] 實施方式二：平面鐵芯單層繞組層間電流反相電力變壓器。
[0064] 初級繞組制作成單層結構，將同樣是單層結構的次級繞組采取必要的絕緣措施 后，內嵌到初級繞組的層間，初級繞組的層數比次級繞組多1層--初級繞組的層數為N層 時，次級繞組的層數就是N-1層。堆疊的順序為：第1層初級繞組、第2層次級繞組、第3層 初級繞組、第4層次級繞組……最后一層是初級繞組。
[0065] 初級繞組的接線原則是：相鄰兩層繞組的電流必須反相。即：第1層和第3層是初 級繞組，電流反相；第5層的電流與第3層電流反相……。
[0066] 在堆疊線圈繞組時，每層繞組間嵌入平面鐵芯1-3,繞組的最頂層和最底層裝配平 面鐵芯1-2,裝配完成的繞組總成外面纏繞與鐵芯相同材料的封閉環形外殼，該外殼在閉合 層間磁通的同時起到保護線圈繞組的功能。
[〇〇67] 次級繞組有非常多的接線方式，可以根據輸出電壓和輸出功率的要求非常靈活地 進行組合。
【權利要求】
1. 低雜散電磁輻射的高效能電力變壓器。其特征是：根據安培定律及有關電磁學原 理，合理分布電力變壓器的初次級繞組及設定繞組中電流的流動方向，使得電力變壓器初 級繞組內部的層間合成磁通相互增強，將傳統變壓器通過初級繞組的外部合成磁通向次級 繞組傳輸能量的模式，更改為利用初級繞組內部的層間磁通向次級繞組傳輸能量，而產生 電磁干擾的外部磁通不參與能量傳輸，將傳輸能量的磁通與傳輸電磁干擾的磁通完全剝 離。在有效提升變壓器傳輸效率和功率密度的同時，大幅降低變壓器因外部磁通的雜散輻 射而造成的電磁干擾。如果需要，在繞組的最底層和最頂層分別內嵌屏蔽層，可以更加有效 地降低殘留的外部合成磁通產生的電磁輻射。 變壓器的鐵芯可以沿用傳統結構，采用平面鐵芯可以更有效地發揮本發明所涉及的繞 組間能量傳輸的優勢。
2. 按照權利要求1所述合理分布電力變壓器的初次級繞組。其特征是：將初級繞組制 作成單層結構，在單層初級繞組之間嵌入單層結構的次級繞組，初級繞組的層數比次級繞 組多一層（次級繞組為N層，則初級繞組為N+1層），且繞組堆疊時，最頂層和最底層都是初 級繞組層。
3. 按照權利要求1所述設定繞組中電流的流動方向。其特征是：相鄰兩層初級繞組的 電流必須反相。即：第1層和第3層是初級繞組，電流反相；第5層的電流與第3層電流反 相。
4. 按照權利要求1所述的電力變壓器初級繞組內部的層間合成磁通相互增強，而外部 的層間合成磁通相互抵消。其特征是：相鄰初級繞組層的電流為反相，其層間合成磁通是相 互增強的，最頂層和最底層的外部合成磁通也是相互增強的，而外部的層間合成磁通會相 互抵消。內嵌在初級繞組層間的次級繞組利用初級繞組層間磁通進行能量傳輸，產生電磁 干擾的層間外部磁通被大幅削減，而這部分磁通不參與能量轉換，為進一步降低雜散磁通 造成的電磁輻射提供了有效的解決途徑。
5. 按照權利要求1所述的適當內嵌屏蔽層可以更加有效地降低殘留的外部合成磁通 產生的電磁輻射。其特征是：變壓器在其最頂層和最底層嵌入電磁屏蔽層，該屏蔽層為與初 級繞組相似形狀的平面結構，且在平面上設計有防止產生渦流的絕緣縫隙，該屏蔽層設計 有接地端子，實際應用中根據情況接地或者懸空。
6. 按照權利要求1所述的平面鐵芯可以更有效地增強變壓器的效能。其特征是：在堆 疊線圈繞組時，每層繞組間都嵌入平面鐵芯，繞組的最頂層和最底層也裝配平面鐵芯，裝配 完成的繞組總成為平面鐵芯逐層間隔開的單層繞組，總成外面纏繞與鐵芯相同材料的封閉 環形外殼，該外殼在閉合層間鐵芯磁通的同時起到保護線圈繞組的功能。
【文檔編號】H01F27/36GK104064332SQ201310095029
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2013年3月22日 優先權日:2013年3月22日
【發明者】王勇 申請人:王勇