空心變壓器繞組的單線圈結構的制作方法

專利名稱：空心變壓器繞組的單線圈結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于配電的空心變壓器。特別是，本發明涉及該裝置設有的稱為M.V.繞組的“中壓”繞組(或高壓繞組)的實現。
構成配電變壓器的初級線圈的“中或高壓”繞組，即設計為每相輸入20000伏以上電壓的繞組，通常由帶絕緣皮(通常為漆包膜)的金屬導線連續纏繞而形成。
大致分成兩種類型的線圈繞組，兩者都是在空氣中形成的。
最常見的類型是將線匝繞在沿線圈軸縱向延伸的并列的同心圓柱條或層上。這種工藝受到紡織工業中常用的“卷繞”工藝的啟發，通過以下方式完成當金屬線在支承心軸上根據平行于線圈軸的“來回”運動而繞成緊密連續的匝時，金屬線處于拉伸狀態，在一個方向上完成的前后運動可以獲得一個層面。
另一種工藝是將線匝繞在徑向延伸的并列的螺旋扁平盤上。這種工藝在申請人提交的歐洲專利申請0,081,446中進行了詳細描述，該工藝是使導線在填充容器重量的單一作用下輸入填充容器的輸入速率與該容器的旋轉速度同步。隨后在形成過程中，線圈通過垂直于線圈軸的“來回”運動附著，在一個方向上完成的來回運動可以獲得一個層面。
在本發明涉及的空心變壓器領域中，即由空氣進行冷卻的變壓器領域中，一旦線圈完成，空氣就被吸入只有線的端部露出的模制電絕緣樹脂塊，這些端部形成線圈的輸入/輸出連接器。該樹脂覆層的作用除了為線圈提供機械強度之外，還使線圈匝之間相互絕緣。
無論線圈采用何種纏繞方式，是纏繞在徑向扁平盤上或是纏繞在縱向層上，仍然存在無法滿意解決的問題，即令絕緣材料滲進繞組使各線匝得以單獨涂覆。事實上，在進行纏繞時，模制塑料從外部封裝一束線匝比占據線匝之間內部形成的空間的難度要小。
很容易理解，所用材料的粘度越高，這些困難就越大。通過與熱固性塑料相比說明熱塑性材料在這方面的不足，盡管熱塑性材料具有易于加工(不會硬化)并可通過簡單的再次熱熔而無限地復原等優點。
本方面的目的在于提出解決上述問題的方案。
為此，本方面的目的在于獲得一種大致環形的單獨的電線圈，其設計來形成空心變壓器的“中(或高)壓”繞組；一種由金屬導線形成的帶絕緣皮的線圈，在空氣中繞成設置在并列縱向或徑向層上的多個串聯線匝，隨后被電絕緣塑性材料包裹，線圈的輸入/輸出端從中露出，線圈的特征在于對于所述端子之間施加的任何給定電壓，線匝層的數目使得在兩個相鄰層的電氣距離最遠的兩鄰接線匝之間的電壓不超過根據Paschen原理在空氣中作用在鎧裝導體上的電壓值。
參照Paschen原理限定本發明的等效方式是參考所附圖2所示的曲線，該曲線是根據導線的絕緣皮厚度給出的，繞組中相鄰線匝之間的電壓不能被超過，以防止線匝之間局部電弧放電現象。
本發明基于已發現的Paschen原理適用于這一具體情況的事實，并構成所涉及問題的明確答案的基礎。
回顧一下在上世紀末建立的Paschen原理，其內容是在給定的氣態介質中，例如空氣中，兩個具有不同電勢的物體之間的擊穿電壓為分隔導體的距離和外界環境壓力之間乘積的連續函數。如果需要進一步的細節，可以參考有關主題的文章和著作，例如，Pierre SEGUR在“工程技術”中“絕緣氣體”標題下的D2350-4至7；或由EYROLLES，Paris編輯出版的RobertFOURNIER的名為“電氣工程中的絕緣體-定理和原理”著作中9.5部分，其中的內容引用作為本發明的參考。
為解決出現的問題，本發明將Paschen原理用于在空氣中纏繞但涂覆有絕緣皮的導體的情況，由其建立了圖2中的曲線，圖中給出根據絕緣皮的厚度的鄰接線匝之間的擊穿電壓，建立曲線所用的參數是線圈匝之間空間的空氣壓力。
將會理解，本發明并非通過噴射絕緣材料而填滿線圈匝之間的空缺空間，而是限定了使空氣自然存在于這些封閉空間內的纏繞條件，以在導電繞組內起到絕緣作用，該導電繞組構成設計為放置于每相幾萬伏的電壓處的變壓器。
在用絕緣塑性材料進行簡單封裝后就不再有任何危險。
根據本發明的優選實施例，線匝組的橫截面具有基本方形或略微拉長的矩形形狀。因此，本發明具有能夠根據可變尺寸通過標準單線圈的疊加而構成空心變壓器的初級繞組的優點，串聯相連的單線圈的數量將依賴于施加到初級繞組端子的電壓值。事實上，目前在電氣工程工業和所有的制造工業中還存在使原料和購買的管理有更大的靈活性的模件生產以及減少制造時間的需要。
根據下面參照附圖的描述，將會更好地明白本發明以及其它特征和優點，其中

圖1從上述R.FOURNIER的文章中摘選出來，純粹資料性地給出空氣中的PASCHEN曲線；圖2給出根據包絡形成線匝的金屬導線的絕緣皮的厚度并根據壓力在空氣中相接觸的兩個線匝之間的擊穿電壓圖；圖3a為示出通過沿縱向層纏繞線匝而形成的繞組的示意圖；圖3b與其類似，但為沿徑向層纏繞的情況；圖4根據圖4a至4e的五個連續圖示出本發明的單線圈及其形成的“中壓”繞組的實現階段，其設計為裝備多相空心變壓器。
圖1中的曲線清楚地示出，對于給定的外部環境，在此為空氣，擊穿電壓Ud僅是分隔兩個置于不同電壓下的物體的距離d和它們之間的空氣壓力p之間的乘積d*p的函數。
可以看出該關系在非常低和非常高的d*p值下不再有效。在其有效范圍內(即約3×10-3至4×102bar*mm)，擊穿電壓Ud隨距離(及/或壓力)的增加而線性增大，除了在低值(乘積d*p小于8×10-3)情況下產生相反現象。此處示出的通常適于任意Paschen曲線的該曲線示出擊穿電壓總是在隨乘積d*p增大之前首先通過快速達到的最小值處。
由此現象得出的本發明的結論是，在由絕緣導線以相互接觸的線匝纏繞形成的導電繞組的情況下，防止局部放電現象的線匝之間的最大容許電壓必須小于Paschen曲線給出的最低限度的電壓，當沿從接觸點離開的方向在線匝之間的空間越過電線表面時其總是在該曲線的上升部，并且其總是在擊穿電壓僅隨導體間的距離增加而增加處的位置。
因此，對于給定性能和厚度的電線的絕緣涂層，可確定構成繞組所需以耐受施加于其端部的給定電壓的線匝層的數量。
換言之，可以通過選擇構成該繞組的線匝的層數調整可施加到該繞組端部的最大電壓值。然后通過簡單疊加根據這些設置構成的標準單線圈而實現所需的適于任何高電壓的繞組。應注意這些設置是“冷的”，即在外界溫度下，將其放置于僅在繞組內產生電流時線匝間的空間的壓力才增加的位置。
剛才所介紹的內容由圖2中的曲線族進行量化解釋。這些曲線以占據線匝之間空間的空氣壓力為參數，給出作為距離“Ep”的函數的擊穿電壓Td的值(單位為伏)，距離“Ep”分隔兩個金屬導線，每個導線均涂敷有相同的普通絕緣漆包層并相互接觸。換句話說，“Ep”是線圈導線的絕緣涂層厚度的兩倍。
例如可以看出，如果線匝之間的空間中的空氣壓力是0.2 bar，或在任何不低于此值的情況下，只要在漆包涂層的厚度是0.15mm或更大(圖中A點)時這些線匝之間的電壓不超過550伏，則鄰接線匝之間不會有局部放電的危險。另一實例對于絕緣厚度為0.025mm，在壓力為0.5 bar(或更大)時，只要鄰接線匝之間的電壓Td不超過400伏(B點)或在0.2 bar的壓力下不超過330伏(C點)，則在線匝之間的空間內不會有局部放電的危險。在0.2bar的壓力下，對于0.06mm的漆包厚度(D點)可達到400伏擊穿電壓的同樣值。
此處所指壓力是絕對壓力，線匝之間的空間通常在冷卻相期間進行降壓并在變壓器隨后的重新啟動時保持降壓，直到達到其運行溫度。電壓Td是有效(rms)電壓，而圖1中的電壓Ud是峰值電壓。
圖3a和3b示出了兩種分別沿縱向和徑向層的纏繞方式，其僅為了便于實現本發明而示意性地給出。在這些圖中，相同的標號表示相同元件。
兩個圖均表示略從上部看去的旋轉軸為X的圓柱形線圈，其由軸截面截平，從而能夠看到構成導電繞組的線匝結構的橫截面。
圖3a的繞組1由現有的圓截面柔性電線2形成，電線2由普通質量的絕緣漆包膜3鎧裝而成。該電線以同心縱向層的方式依次在繞組支架4上繞軸X纏繞。當第一線匝5固定于支架4的一端之后，隨后的線匝繼續沿箭頭Fv所指的方向按照等于電線直徑的非常短的節距的螺旋軌跡纏繞至支架的另一端。因此形成緊密纏繞的第一縱向層6，使電線保持繃緊并可使支架4繞其軸X旋轉。第二層7沿相反方向以相同的方式形成，如箭頭Fv′所示。因此纏繞以依據軸X的“來回”運動以緊密線匝的方式進行，每一次沿一個方向實現與前一層交替的縱向層。
由此，一組并列同心縱向層繞軸X構成。繞組的最后線匝8和第一線匝5一起由其伸出繞組的接頭9、10形成繞組的輸入/輸出端子。
圖3b的繞組以相同的方式形成，但是以相互疊加的平徑向層13纏繞電線。這些層或扁平盤在電線2也按照“來回”運動依次設置時形成，但此時方向垂直于軸X。裝備有端緣14和15的支承板12繞該軸旋轉，端緣14和15用于側向形成扁平盤13的疊加。
在此情況下，電線2沒有繃緊，而僅承受其自身重量，并且支承板的旋轉速度連續調整至電線的輸入速率，從而線匝的設置在扁平盤的所需徑向位置進行。在歐洲專利0,081,446中描述了可用這種纏繞方式形成工業產品的自動系統。
每一圈形成徑向延展的一線匝。為繞組所用的空間從底部開始填滿。如圖所示，第一扁平盤17由靠著凸緣14的內線匝16開始，如箭頭Fh所示以離心方式徑向延伸至外凸緣15。然后第二扁平盤18在第一扁平盤上沿向心方向延伸到內凸緣14而形成，如此一直到由接頭20延伸出線圈之外的最后線匝19，類似于第一線匝16的接頭21，從而一起形成繞組的輸入/輸出端子。
在以圖3a的同心層及以圖3b的徑向層纏繞的情況下，一旦操作進行，繞組就被放入有電氣絕緣聚合物噴射進的模具中。該聚合物例如是諸如有脫水物時的熱硬性環氧樹脂的熱固塑性材料，或者是諸如尼龍或丙烯酸物的熱塑材料。由此，導電繞組被封裝在電氣絕緣聚合物殼內，只有裸露端子9、10和20、21伸出殼外。
在這兩種纏繞類型中，線匝，即使很緊密，也必須在相互之間限定封閉空間26。大量的這些空間將使得局部甚或全部缺少絕緣材料，絕緣材料由于繞組的緊湊性而在進行噴射時不能進入這些空間。
根據Paschen原理，任何兩個連續的線匝絕緣殼3必須不能薄于比圖2中給定施加電壓下的曲線給定的絕緣殼。否則可能會有局部放電。這種要求對于兩個相鄰層上電氣距離最遠(電勢差最大)的兩個鄰接線匝，即分別位于這兩個相鄰層的開始和結束端的線匝來說最為嚴格。
這種線匝對的實例是圖3a中的22、23和圖3b的24、25。
此外，根據關系u＝U/n，這種線匝對之間的電壓u通過2n個并列的層連接成為施加于繞組1或11的輸入/輸出端子的電壓U。
然后可以明白，根據本發明，若對于施加于繞組的任何電壓U，構成該繞組的線匝層的數量以這樣的方式進行確定，即在兩個相鄰層上電氣距離最遠的兩個鄰接線匝之間的電壓u不超過應用空氣中的Paschen原理施加的值Td，則可以防止任何由線匝26之間空間的局部放電引起的危險。
換句話說，這意味著層的數量必須至少等于或兩倍于比值U/u超過第一個較大整數四舍五入的結果。
現在將參照圖4，其如已進行的介紹示出了本發明的單線圈和由其產生的“中壓”繞組的實現階段，其設計為裝備多相空心變壓器。
實際上，該線圈27具有方形或略微矩形的橫截面的環形形狀，即其長度幾乎不會超過其寬度的三倍。構成空心變壓器的“中壓”或“高壓”繞組的單線圈27以下述方式實現-圖4a漆包于線匝30(例如200-300個線匝)內的柔性Cu或Al導線2首先纏繞形成環28。例如根據參照圖3a所述的“同心縱向層”類型進行纏繞。如果需要，組件可通過注膠進行加固，以確保如此形成的環具有最低限度的機械強度。
-圖4b將環28放入模具(未示出)中，絕緣介電樹脂29噴射進模具中，在使導線端部充分伸出以形成連接所用的端子9、10以后，以幾個毫米的厚度封裝環。當樹脂固化時，就完成了標準單線圈27。
根據本發明，例如是15個的層數已被確定下來，從而電氣距離最大的兩個鄰接線匝之間的最大有效電壓例如是350伏，線圈可用于例如2500伏的電壓。因此優選為方形截面的線圈形成為例如15層和每層20線匝，后者的情況可根據采用的電源的要求進行修改。但應該記住，根據本發明，最好保持基本方形或優選的方形形狀(長度小于寬度的三倍)，從而足以得到產生完整的繞組所需的模件性，對此后面將會看到。
根據已經規定的要求，所用的樹脂可以是熱固性或熱塑性聚合物，假定其電氣絕緣性能非常高的話，因為變壓器的中(或高)壓繞組將要承受每相達幾萬伏的電壓。
-圖4c隨后通過依次疊加所需數量的這些單線圈27到需要的高度而完成變壓器的這種繞組31。組件由任意適宜方式緊緊固定，例如通過膠粘。一旦完成了組件，線圈就可通過由卷折固定于接頭9、10的小連接套32而相互串聯電氣連接。
-圖4d然后該區域在連接器裸露處必須進行電氣絕緣，這通過對該區域覆蓋一層由熱壓縮熱塑性樹脂板而施加的樹脂形成。
由此得到單線圈27的圓柱形疊加，并帶有在10-20°角的扇區內沿整個長度延伸的凸臺33，構成繞組輸入/輸出(I/O)的自由接頭從其頂部和底部伸出，以連接變壓器的其它相的相同繞組。
為此，最好通過繞這些I/O端子進行加工而設置小盤34，覆蓋相之間連接棒的端部。同樣若中壓構成初級(變壓器作為降壓變壓器使用)，則最好繞通常用于將變壓器調整到電源系統分配的電壓的中間I/O設置中盤35。
-圖4e但是，在實現這些不同的盤之前，根據本發明的優選實施例，最好對疊層覆蓋一層幾毫米的具有適中導電性能的樹脂36，其隨后進行接地37。通過對薄片形熱塑性樹脂進行金屬化或熱均勻壓縮而涂覆的該層構成靜電屏蔽，使得可以不用將空氣作為繞變壓器的絕緣體而操作。這特別意味著變壓器將可以置于室外，而非容納于隔離室內，因此將降低成本并更易于維護和操作。
當這一步完成后，初級感應線圈38準備好在繞變壓器的磁路柱安裝所完成的組件之前繞次級繞組放置。
由此通過由適于具體輸入電壓的標準單線圈形成的模件而輕易地構成變壓器的一套繞組。因此，如果感應線圈38由同樣的線圈27形成，每個線圈27均能在達到2500伏也不會擊穿的情況下運行，則數十個這樣的線圈串聯裝配即可在例如25000伏的電源系統電壓下工作。
通常感應線圈38可由諸如容許輸入電壓或線圈高度等特征不同的標準單線圈形成。由于明顯的實用原因，除了特定感應線圈所需的階梯形外壁的情況，應優選使其均具有相同的寬度。
本發明并不限于上述實例的情況，還可在符合后面權利要求所給定的特征的情況下延伸至任何變形或等效形式。
權利要求
1.一種大致環形的單獨的電線圈，其設計為由配對線圈間的疊加而形成空心變壓器的“中(或高)壓”繞組(31)；一種由帶絕緣皮(3)的金屬導線(2)形成的線圈(27)，在空氣中繞成設置在并列層(6，7...)上的多個串聯線匝(30)，隨后被電絕緣塑性材料(29)包裹，線圈的輸入/輸出端(9，10)從中露出，線圈的特征在于對于所述端子(9，10)之間施加的任何給定電壓，線匝(30)的層(6，7)的數目使得在兩個相鄰層(6，7...)的電氣距離最遠的兩鄰接線匝(22，23)之間的電壓不超過根據Paschen原理在空氣中作用在鎧裝導體(2，3)上的電壓值(Td)。
2.一種基本環形的單獨的電線圈，其設計為由配對線圈間的疊加而形成空心變壓器的“中(或高)壓”繞組(31)；一種由帶絕緣皮(3)的金屬導線(2)形成的線圈(27)，在空氣中繞成設置在并列層(6，7...)上的多個串聯線匝(30)，隨后被電絕緣塑性材料(29)包裹，線圈的輸入/輸出端(9，10)從中露出，線圈的特征在于對于所述端子(9，10)之間施加的任何給定電壓“U”，線匝(30)的所述層(6，7)的數目必須至少等于“U”和符合圖2中曲線上讀出的擊穿電壓(Td)的值“u”之間比值結果的四舍五入后的整數的兩倍，擊穿電壓(Td)是所述導體的絕緣皮(3)的厚度(Th)的函數。
3.根據權利要求1或2所述的線圈，其特征在于線匝沿縱向層(6，7...)纏繞。
4.根據權利要求1或2所述的線圈，其特征在于線匝沿徑向層(17，18...)纏繞。
5.根據權利要求1或2所述的線圈，其特征在于封裝電絕緣塑性材料(29)是熱固性塑性材料。
6.根據權利要求1或2所述的線圈，其特征在于封裝電絕緣塑性材料(29)是熱塑性材料。
7.根據權利要求1或2所述的線圈，其特征在于多個線匝(30)形成橫截面基本為方形或略微拉長的矩形形狀的緊湊組件。
8.一種空心電氣變壓器的“中(或高)壓”繞組(38)，其特征在于其由根據權利要求1、2或7所述的單線圈(27)的疊加而形成，所述線圈相互固定并由其輸入/輸出接頭(9，10)串聯電連接。
全文摘要
單線圈(27)具有基本方形或矩形形狀的橫截面，并包括封裝由帶有絕緣皮(3)的導線(2)形成的連續線匝(30)的組件的絕緣樹脂殼(29)，以縱向或徑向線匝層進行纏繞，其數量根據絕緣皮(3)的厚度而定，從而對于線圈的設定輸入電壓，電氣距離最大的兩個鄰接線匝之間的電壓不超過應用空氣中的Paschen原理對所述鎧裝導體施加的擊穿電壓值(Td)。特別是空心變壓器的完整繞組(38)可通過這種類型的單線圈的簡單疊加而形成，同時保留空氣作為線匝之間空間的絕緣介質。
文檔編號H01F27/32GK1228192SQ9618042
公開日1999年9月8日 申請日期1996年9月4日 優先權日1996年9月4日
發明者布里吉特·洛揚特, 雅克·懷爾德 申請人:施耐德電器公司