专利名称：一种气体绝缘变压器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种气体绝缘变压器，尤其是变压器箱中密封了全球变暖系数为1或小于1的气体的气体绝缘变压器。
下面将参考附图4对现有技术的示例进行介绍。
图4显示了现有的气体绝缘变压器的局部侧剖视图。SF6气体密封在箱体3中，箱体3具有用于冷却的波纹肋板5。气体是在外加压力下密封在箱体中的，这就提高了其冷却性能和绝缘性能。箱体3设置成可以很好地承受气体19的压缩密封。
在箱3中设有铁芯1和线圈2。当铁芯的材料采用硅钢片时，其截面或层叠表面上应进行涂层操作，其原因如下。
当SF6气体中存在有金属材料时，材料在超过200℃的温度下开始分解，这种分解在有水分的情况下还会加剧。如日本电气工程师学会(Institute of Electrical Engineers of Japan)的第459号技术报告中所述，当箱体中存在水分以及硅钢片时，硅就充当了催化剂，在150到200℃的温度下会发生水解作用，其化学方程式如式(1)
(1)水解作用产生了SO2气体和HF气体，作为克服这个问题的措施，应在密封有SF6气体19的绝缘变压器的铁芯1的无镀膜层叠表面进行涂层操作。
另外，SF6气体在电弧放电或部分放电下会分解出气体，例如HF气体，SOF4气体或SO2气体。HF气体会产生极度刺激性的气味并引起窒息，接触这种气体会伤害皮肤和眼睛，吸入这种气体还会损害呼吸器官。而且，SO2气体也会类似地产生强烈的刺激性气味，大量吸入这种气体会损害肺。因此，出于安全和卫生的原因，不希望让上述气体逸散到大气中。
作为上述问题的解决办法，在多数情况下密封有SF6气体的绝缘变压器的结构设计成不会形成电晕放电，并设置了所分解的气体的吸收剂。当内部系统发生故障时，还需要防止这些有毒气体排到大气中。因此，箱体3设置成可以承受气体19的压缩密封以及当发生故障时内部压力的增加。另外，还设置了安全阀9和减压室20，以便阻止所分解的气体排到大气中。
在日本公开特许公报第2000-69631号中公布了另一种现有的示例，其变压器箱中设有一机构，在此机构中位于箱体内的氮气袋和安全阀相连，这样当发生故障，内部压力的增加促动安全阀的动作时，只有氮气被排到大气中。在图4中标号6，7，8分别表示用于测量内部气体的正或负压力的真空压力计、第一端子以及第二端子。
另外，在日本公开特许公报第2000-150253号中公布了一种变压器，其采用F3I气体或含有这种气体的混合物来作为绝缘和冷却介质，这种气体的全球变暖系数较小。
然而，在1997年12月在日本京都召开了关于气候变化的联合国联席大会第三次会议COP3(the 3rd Session of the Conference of theParties to the United Nations Framework Convention)，在会上确定了应该减小散播的各种能引起温室效应的气体，这些气体包括SF6、CO2、CH4、N2O、HFC和PFC。如上所述，SF6气体在化学上是稳定的，其在大气中的寿命为3,200年，能大量地吸收红外线，其全球变暖系数为CO2的23,900倍。根据1998年11月出版的“电学社会”(Electrical Society)杂志的报道，气体绝缘设备每年检查时排放的SF6气体为50吨，拆除设备时排放的SF6气体为10吨，同时每年泄漏的SF6气体也有几吨。对于密封有SF6气体的绝缘变压器的检查和拆除来说情况也相同。因此，通常来说SF6气体的使用对全球环境保护来说是一巨大阻碍。
密封有SF6气体19的绝缘变压器的铁芯1需要进行涂层操作，以防止铁芯材料充当水解作用的金属催化剂，这就阻碍了生产工序的流水线式操作。类似地，由于箱体3中密封的SF6气体被压缩，因此箱的结构必须很坚固以承受这么大的内部压力。考虑到当发生故障时内部压力会增加，箱体的结构还应设计成更加坚固，从而防止在电弧放电或部分放电的情况下有害气体排到大气中。另外，还要设置减压室20和安全阀9以阻碍有害气体泄漏到大气中。这就增加了气体绝缘变压器的重量和生产成本。
在日本公开特许公报第2000-150253号中公布了一种需要冷却装置的强制气体冷却变压器。
根据本发明的自冷却气体绝缘变压器包括具有铁芯及缠绕在铁芯上的线圈的装置；用于容纳所述装置的箱体；填充在箱体中作为绝缘和冷却介质的惰性气体，其全球变暖系数为1或小于1。
或者，填充在箱体中的绝缘和冷却介质可以是分子量小于146的惰性气体。
或者，绝缘和冷却介质可以是氮气、CO2气体、干燥空气或它们的混合气体中的任何一种。
或者，铁芯和线圈具有高效变压器的损耗特性，并采用全球变暖系数为1或小于1的惰性气体作为绝缘冷却介质。
另外，铁芯是由非晶体金属薄带制成。
而且，绝缘和冷却介质可以是氮气、CO2气体、干燥空气或它们的混合气体中的任何一种，而铁芯是由磁畴控制硅钢、高定向硅钢和非晶体合金中的任何一种制成。
密封气体的内部压力小于0.2975MPa(2kg/cm2G)，这个压力并不受日本工业标准B8265中压力容器的限制。
另外，密封气体的内部压力为150.358kPa或更小。
另外，铁芯是由非晶体合金制成。
另外，密封在箱体内的氮气压力为150.358kPa或更小。
根据下文中对本发明优选实施例的具体介绍并结合附图，可以清楚本发明的这些和其它目的、特征及优点。
图1显示了本发明一个示例的气体绝缘变压器的局部侧剖视图。图中所示变压器是一个自冷却的6kV气体绝缘变压器，其绝缘和冷却气体是氮气(在下文中以N2气体表示)。如图所示，在变压器箱体3中填充了N2气体4，气体在小于0.2975MPa(2kg/cm2G)的外加压力下，最好是在150.358kPa或更小的压力下密封在箱体中。在箱体3中装有具有高效变压器的损耗特性的铁芯1和线圈2。箱体3具有波纹肋板5，可以和装油的变压器一样进行冷却。在箱体的上部设有真空压力计6，第一端子7，第二端子8以及安全阀9。应注意的是，第一端子7和第二端子8也可以设置在箱体3的侧面上。
下面将介绍如上设置的本实施例的气体绝缘变压器的操作。冷却铁芯1和线圈2，使得N2气体4的温度由于发热元件即铁芯1和线圈2散发的热量而升高，由于自然对流的作用气体4从箱体3的下部上升到箱体3的上部，到达箱体3上部的热气体通过箱体3的表面释放到温度较低的大气中。通常应通过波纹肋板5来增加箱体3的表面面积，以提高箱体3的散热效率。然后，由于热量释放到大气中，N2气体4的温度降低，而温度降低了的气体又下降到箱体3的下部。在此过程中，气体4的对流使得铁芯1和线圈2产生的热量释放到大气中。
气体的冷却性能主要取决于传热效率以及气体的比热密度积，前者代表热量从铁芯1和线圈2传到N2气体4中的能力，后者表示当N2气体从铁芯1和线圈2吸收热量时每单位质量的N2气体4的温度上升1摄氏度所需的卡路里量。气体的传热效率和比热密度积越大，其冷却性能越好。因此，为了减小气体的运动粘度并增大密度以提高冷却性能，现有的密封有SF6气体的绝缘变压器需设置成SF6气体受到高压的作用。
另一方面，更低损耗材料的铁芯的研究和发展以及生产技术的进步使得变压器的损耗性能比现有变压器的损耗性能明显更低。例如，由更低损耗材料的非晶体金属薄带制成的铁芯的铁芯损耗约为现有技术中铁芯损耗的1/5。在下文中将具有JEM1474(日本电气制造协会)标准中所规定的损耗性能的变压器视为高效变压器。
对于所谓的高效变压器，其铁芯材料选自磁畴控制硅钢带、硅钢带和非晶体合金(非晶体磁合金)中的一种。这种变压器可以减小其铁芯的空载损耗，并通过材料的改变或采用更低损耗的结构而减小了线圈的负载损耗。这样，和日本工业标准C4304(1999)中所述变压器的相比较，变压器的总损耗降低了25％。在气体绝缘变压器中采用具有上述损耗性能的铁芯和线圈可以使总的损耗相比于现有技术下降约25％，这就降低了冷却所产生的负载。本发明的气体绝缘变压器包括具有如上所述的高效变压器的损耗特性的铁芯和线圈，可以解决上述现有技术中的缺陷。
下面将具体地介绍变压器的冷却机构及其操作。
图2是作为本发明示例的用在图1所示气体绝缘变压器中的线圈的透视图。如图所示，在线圈上缠绕了一平的或圆的导体10，在线圈的相邻层之间插入有导管11，从而形成了气体通道12。标号13表示绕在相邻层之间以及第一线圈14和第二线圈15之间的用于绝缘的绝缘纸。标号16表示用于插入铁芯1的孔。
图3是作为本发明示例的用在图1所示气体绝缘变压器中的铁芯的透视图。在此示例中，铁芯材料为非晶体金属薄带。铁芯的平表面部分17和层叠表面18上均不进行涂层操作。铁芯1插入到线圈2的孔16中。图1中显示了铁芯1插入到线圈2中的情况。
由于发热元件铁芯1和线圈2发出热量，箱体3中的N2气体4产生自然对流，并通过箱体3释放热量。从铁芯1表面散出的热量不包括线圈2散到N2气体4中的热量。线圈2的热量从线圈外表面以及朝向气体通道12的内部区域散发到N2气体4中。N2气体4沿铁芯1表面并穿过气体通道12流动，产生从线圈12的下部到上部的对流，使得气体在箱体3内向上流动。N2气体4的热量从箱体3的表面释放到大气中。通常箱体3的表面面积通过设置波纹肋板5而增加，肋板有助于箱体3释放热量。N2气体将热量释放到大气中，降低了气体的温度，这样气体又在箱体3内向下流动。如上述的N2气体的对流使得铁芯1和线圈2得到冷却。
采用具有和高效变压器的损耗特性相似性能的铁芯1和线圈2，即发热元件，使得冷却所需的负载降低。因此，即使采用比热密度积约为SF6气体19的1/3的N2气体4，也可允许气体的外加压力小于0.2975Mpa(2kg/cm2G)，这个压力并不受到第二级压力容器的限制。另外，也不需要提高密封气体的外加压力以提高冷却效果，只需调节线圈2上的导管11的宽度来调节流经气体通道12的气体量，以及正确地设置波纹肋板5的数目，就可以使箱体中的密封气体达到令人满意的冷却性能，此时气体的外加压力可以为150.358kPa或更低，这个压力的大小只需使在箱体3中不会由于温度的改变而产生负压，从而限制大气进入到箱体中。
在排放研究学会(Discharge Research Institute)编辑的文献ED-98-175中报道了密封气体的绝缘性能，研究结果如图5所示。
图5显示了SF6与氮气混合比和部分放电的起始电压之间的关系，横坐标表示SF6气体与N2气体的混合比，而纵坐标表示了部分放电的起始电压(kV)。应注意的是，混合比为0时表示在气体中N2占了100％，而不含有SF6，混合比为1时表示在气体中SF6占了100％，而不含有N2。
将一个缠绕有绝缘纸或牛皮纸的高压电极与密封有气体或混合气体的箱体内的接地电极相对地放置，从而形成一槽楔。将高压电极和接地电极的端子放置在箱体外，在端子之间施加电压并在部分放电或电晕放电开始时测量电压，这样便可测量出部分放电的起始电压(kV)。在上述测量中将SF6与N2的混合比(SF6/N2)作为一个参数。
曲线51和52分别显示了0.5MPa和0.35MPa的气体压力，而曲线53和54分别显示了0.2MPa和0.1MPa的气体压力。
图5中曲线54显示了外加压力为0.1MPa的牛皮纸部分放电的起始电压，当气体中不含N2时起始电压约为16kV，当气体中不含SF6时起始电压约为10kV。因此，这就表示了N2气体的介电强度为SF6气体的0.63倍。SF6密封绝缘变压器在设计应足够小心，使其即使在气体泄露的情况下也不会破裂，这样就可以使箱体内部的气体压力和大气压力相等。因此，由于介电强度下降为SF6气体的0.63倍，在结构更改如调节导管11的高度时也不会产发破裂，即使当N2气体4是在可以防止大气进入的外加压力下密封在箱体内时也是如此。
在上述操作中也可以采用CO2，干燥空气，以及这些气体与氮气的混合气体作为绝缘和冷却介质。应注意的是N2的分子量为28.01，而CO2的分子量为44.01。
根据本发明的高效变压器减小了铁芯的空载损耗和线圈的负载损耗，这样便可允许采用全球变暖系数为1或小于1的惰性气体来进行绝缘和冷却。上述惰性气体泄露到大气中对全球环境的影响是最低程度的。
如上所述，即使当本发明的气体绝缘变压器箱体3中的N2气体4在检查或拆除设备时排放，它也不会受到对引起温室效应的气体的排放限制，从而最低程度地影响全球环境。它既不产生有毒的分解气体，无须所分解的气体的吸收剂，也不需要坚固结构的箱体，或是用减压室20来解决由于内部故障所引起的内部压力突然增加而导致的气体泄露。
不必由于为提高密封气体的绝缘和冷却性能而增加外加压力从而增强箱体3的强度，这是因为N2气体在外加压力下密封在箱体3内，此外加压力的大小只需防止大气进入箱体。箱体只需足够坚固能承受由于气体温度升高而带来的内部压力的改变，如JEC-2200(日本电子技术委员会标准)等中规定的那样。
鉴于上述原因，根据本发明的气体绝缘变压器的箱体可以由比密封有SF6气体的箱体更薄的钢板制成。本发明的气体绝缘变压器的铁芯不会像现有的密封在SF6气体的绝缘变压器的铁芯那样充当金属催化剂来分解所密封的气体，从而无须进行涂层操作。
另外，根据本发明的气体绝缘变压器的箱体3中可以密封全球变暖系数为1或更低的惰性气体以充当绝缘和冷却介质，这种气体影响全球环境的程度最小。绝缘气体被外加压力密封在箱体内，压力的大小使得箱体内不会因为温度的改变而产生负压，这就不需要箱体的结构十分坚固，减轻了变压器的重量，并减少了生产成本。
如上所述，从本发明的变压器中泄露到大气中的密封气体的全球变暖系数为1或更低，对全球环境的影响程度最小。
绝缘气体密封在箱体中，所施加的压力大小只需使箱体内不会因为温度的改变而产生负压，这就不需要箱体的结构十分坚固，从而减轻了变压器的重量，并减少了生产成本。
另外，箱体中密封有N2气体的气体绝缘变压器的铁芯不需要进行涂层操作，可以减少生产工序的数目。
类似地，本发明不会产生有毒的分解气体，无须设置减压室，因而减轻了气体绝缘变压器的重量，并减少了生产成本。
在不脱离本发明的精神和基本特性的前提下，本发明可以由其它的特定形式来实现。因而无论从哪方面来看，本实施例都被视为是说明性的，而不是限制性的。本发明的范围由所附的权利要求限定，而不是由上述介绍限定。因而，在权利要求的范围和意义内进行的所有修改都属于本发明。
权利要求
1.一种自冷却的气体绝缘变压器，其包括具有铁芯及缠绕在所述铁芯上的线圈的装置；用于容纳所述装置的箱体；填充在所述箱体中作为绝缘和冷却介质的惰性气体，所述惰性气体的全球变暖系数为1或小于1。
2.一种自冷却的气体绝缘变压器，其包括具有铁芯及缠绕在所述铁芯上的线圈的装置；用于容纳所述装置的箱体；填充在所述箱体中作为绝缘和冷却介质的惰性气体，所述惰性气体的分子量小于146。
3.一种自冷却的气体绝缘变压器，其包括具有铁芯及缠绕在所述铁芯上的线圈的装置；用于容纳所述装置的箱体；填充在所述箱体中作为绝缘和冷却介质的气体，所述气体为氮气，二氧化碳气体，干燥空气和这些气体的混合气体中的一种。
4.一种自冷却的气体绝缘变压器，其包括具有铁芯及缠绕在所述铁芯上的线圈的装置；用于容纳所述装置的箱体；填充在所述箱体中作为绝缘和冷却介质的气体，其特征在于，所述铁芯和线圈具有高效变压器的损耗特性，所述气体为全球变暖系数为1或小于1的惰性气体。
5.根据权利要求4所述自冷却的气体绝缘变压器，其特征在于，所述铁芯是由非晶体金属薄带制成。
6.一种自冷却的气体绝缘变压器，其包括具有铁芯及缠绕在所述铁芯上的线圈的装置；用于容纳所述装置的箱体；填充在所述箱体中作为绝缘和冷却介质的气体，其特征在于，所述气体为氮气，二氧化碳气体，干燥空气和这些气体的混合气体中的一种，所述铁芯由磁畴控制的硅钢，高定向硅钢和非晶体合金中的一种制成。
7.根据权利要求1到6任何一项所述自冷却的气体绝缘变压器，其特征在于，所述气体在小于0.2975MPa(2kg/cm2G)的压力下密封在所述箱体中。
8.根据权利要求1到6中任何一项所述自冷却的气体绝缘变压器，其特征在于，所述气体在150.358kPa或更低的压力下密封在所述箱体中。
9.一种自冷却的气体绝缘变压器，其包括具有缠绕在所述非晶体合金铁芯上的线圈的装置；用于容纳所述装置的箱体；填充在所述箱体中作为绝缘和冷却介质的氮气。
10.根据权利要求9所述自冷却的气体绝缘变压器，其特征在于，所述氮气在150.358kPa或更低的压力下密封在所述箱体中。
全文摘要
一种气体绝缘变压器，其箱体中设置了具有铁芯及线圈的装置，在箱体中填充了气体作为绝缘和冷却介质。其中，铁芯和线圈具有与高效变压器等效的损耗特性，箱体中填充了作为绝缘和冷却介质的惰性气体，其全球变暖系数为1或小于1。
文档编号H01F27/08GK1416146SQ0210345
公开日2003年5月7日 申请日期2002年1月31日 优先权日2001年11月1日
发明者西水亮, 天儿洋一, 松尾尚英, 林则行, 白根隆志 申请人:株式会社日立制作所