带有干芯的中频变压器的制作方法

本发明涉及用于高电压应用的变压器，特别是涉及具有干芯的液体绝缘或凝胶绝缘变压器，并且更加特别地，涉及是中频变压器的此类变压器。

背景技术：

预期固态变压器（SST）在将来的DC应用中起着重要的作用。示例是中电压DC（MVDC）网、用于离岸风电场的汇集网、用于光伏（PV）设备的汇集网及船上电网。用于MVDC应用的SST由在低电压（LV）侧并联连接和在高电压（HV）侧串联连接的多个单元（cell）组成。每个转换器单元通常包括DC到AC逆变器、中频变压器和AC到DC整流器。由于在HV侧的转换器单元的串联连接，至少在单元中的一部分中，全部量的（输出）DC高电压在变压器的HV绕组与接地的芯之间存在，这例如导致高绝缘要求。

在诸如上面所展示的应用中和在许多其它应用中，带有干芯的液体绝缘或凝胶绝缘中频变压器（MFT）已显著增加了重要性。从特性上来说，仅绕组被浸没在箱体中的绝缘材料中，而芯被提供在箱体外。芯的柱经由未被通过流体连接到箱体容积（volume）的通道贯穿箱体。此概念使得需要最小量的绝缘介质的紧凑型变压器能实现。除低重量外，这还有助于降低火和烟气危害。在此类变压器中，油箱通常具有环形的形状并且形成围绕芯柱的回路。为避免箱体中高回路电流的感应，箱体必须不形成围绕芯的高导电率的回路。这排除全金属箱体的可能性。

避免上面描述的箱体中不希望地高的电流的感应的选项是完全用介电材料建造箱体。因此，避免箱体中高电流的感应。然而，此类解决方案留有改进的空间。鉴于上文，存在对本发明的需要。

技术实现要素：

鉴于上文，提供根据权利要求1所述的变压器。

根据第一方面，提供一种变压器。它包括具有带绝缘材料的封闭容积的箱体，所述箱体包括贯穿箱体的至少一个通道，其中至少一个通道的内部与箱体的封闭容积由通道壁分开。变压器芯被提供在封闭容积外，包括经由至少一个通道贯穿箱体的至少一个柱。至少一个线圈位于封闭容积内，线圈被卷绕在至少一个通道周围，其中箱体具有包括弱传导层的箱体壁，所述弱传导层包括嵌入在浸渍材料中的纤维。

本发明的另外的方面、优点和特征从从属权利要求、权利要求组合、描述和附图是显而易见的。

附图说明

在包含对附图的参照的说明书的剩余部分中，更具体陈述针对本领域技术人员的全面和使能的公开，包括其最佳模式，其中：

图1示意地示出根据实施例的变压器的透视横截面视图，其中仅示出芯的一个柱；

图2示意地示出图1的变压器的横截面视图，包含芯的横截面视图；

图3到图5示意地示出各自根据实施例的沿线A-A的图1和图2的变压器的箱体的一部分的横截面视图；

图6示意地示出根据另外的实施例的沿线A-A的图1和图2的变压器的箱体的一部分上的横截面视图。

具体实施方式

现在将详细作出对各个实施例的参照，各个实施例的一个或多个示例在每个附图中被图示。每个示例通过解释的方式被提供而不是意在作为限制。例如，图示或描述为一个实施例的部分的特征能够在其它实施例上或与其它实施例结合被使用以产生更进一步的实施例。意图是本公开包括此类修改和变化。

在附图的以下描述中，相同的参考标号指代相同组件。一般地，只描述关于各个实施例的差别。当附图中出现若干相同项目或部分时，并非部分的全部具有参考标号以便简化外观。

本文中描述的系统和方法不被限于描述的特定实施例，而是相反，系统的组件和/或方法的步骤可与本文中描述的其它组件和/或步骤独立且分开地被利用。相反，能够结合许多其它应用实现和使用示范实施例。

虽然本发明的各种实施例的特定特征可在一些附图中被示出而未在其它附图中被示出，但这仅是出于方便。根据本发明的原理，可以与任何其它附图的任何特征组合来引用附图的任何特征和/或要求附图的任何特征的权利。

如在本文中所使用的，“浸渍材料”意在意指如本文中所公开的可固化和被用来在固化后与各种类型的纤维一起形成基体的聚合材料。通常但不一定，浸渍材料是聚合可固化树脂，诸如环氧树脂或聚酯树脂。因此，用语“浸渍材料”和“树脂”可在本文中被可互换地使用，借此树脂应从最广的可能意义上来被理解，包含结合纤维可用作基体形成剂的其它可固化浸渍材料。

如在本文中所使用的，“中频变压器”意在意指供在从大约1 kHz到大约200 kHz的范围中，更特定地在从大约4 kHz到大约30 kHz的范围中的频率使用的变压器。由此，频率能够与交流电流或者与脉冲式/开关式DC电流有关。

如在本文中所使用的，用语“弱传导”与属性“导电率”有关，或者更精确地，与在变压器箱体壁中使用的材料的特定电阻或体积阻率（resistivity）有关，在变压器箱体壁中使用的材料的特定电阻或体积阻率在绝缘体的特定电阻或体积阻率与导体的特定电阻或体积阻率之间的某个范围中。更精确地，此范围在本文中被定义成从大约10 Ωcm到大约10⁶ Ωcm，更特别地从大约10² Ωcm到大约10⁵ Ωcm。本文中的传导率意指导电率，并且阻率意指电阻率。

本文中描述的实施例主要关于用于带有高电压（意指从大约1 kV和以上）的应用的带有干芯的液体绝缘或凝胶绝缘中频变压器来被描述，但不应被理解为限制性的。“干芯”意指仅线圈（绕组）被浸没在绝缘材料中，而芯是在箱体外。此概念使得带有最小量的像液体（例如，油）或凝胶的绝缘材料的紧凑型变压器能实现。除低重量外，这意味着降低的火和烟气危害。在此类变压器中，箱体基本上具有环形的形状，这包含箱体形成围绕芯的一部分的闭合回路。为避免箱体中高回路电流的感应，箱体必须不形成围绕芯的高导电率的回路，这排除了全金属箱体或更一般地说高传导箱体的可能性。

用来说明以上内容的选项是例如用内圆筒和外圆筒及底板和顶板来建造聚合箱体。绝缘系统包括按顺序排列的绝缘材料（例如油）、通常为聚合物的作为固体绝缘的箱体壁以及空气。在DC电压下，在这些绝缘层中电场的分布由各个层的电阻率的相对量级确定。层的电阻率越高，在层中的电场也就越高。油的电阻率一般地低于固体绝缘材料和空气的电阻率。油（在80°C）的典型值是5 * 10¹¹到1 * 10¹⁵ Ωcm；并且填充的环氧树脂（在80°C）的典型值大约是10¹⁵ Ωcm。

因此，例如油的电阻率可比聚合箱体壁和空气的电阻率低几个数量级。电场将在此情况下几乎被全部集中在介电箱体壁中和/或在气隙（在存在的情况下）中，而不是在油或其它绝缘液体或凝胶中，这损害了箱体中的液体或凝胶作为绝缘材料的想法。壁和/或气隙的部分放电和随后的电击穿可产生。将这避免的一种方式将是更厚的箱体壁，然而，更厚的箱体壁昂贵、重、在冷却方面差，并且要求增大的芯窗口，增大的芯窗口又将增大芯的成本和重量。增加箱体与芯之间的气隙的步骤具有有些类似的缺点。

以上可通过根据本发明及其实施例的箱体来被有效地解决，所述箱体是适度传导（即弱传导）和接地的。这避免了围绕箱体的空气中电晕放电的发生并且也避免了箱体壁的潜在击穿。此外，电场在很大程度上保持在箱体中的液体或凝胶中。提供适度导电率，因为高传导率可能导致大的环电流的感应。根据实施例，箱体壁因此配置成具有弱传导属性。不待言，箱体壁的此弱传导层的单独设计和属性可显著变化，并且因此箱体壁的弱传导层的要求的特定电阻可取决于特定用例、中频变压器的设计和其它参数而变化很大。一般地，如在本文中所使用的，用语“弱传导”作为层的属性可采用功能方式被理解为如下：弱传导层应具有特定电阻，所述特定电阻足够高以便最小化由箱体壁中感应的涡电流造成的损耗。技术人员理解这些损耗可在单独用例中甚至被允许是相对高的，使得比本文中所描述的甚至更低的特定电阻可被适合地采用。另一方面，弱传导层的特定电阻可被设计成比利用本文中定义的参数所实现的相对更高，只要箱体壁的层的传导率仍然足够高以获得如本文中所描述的结果，进一步参阅上文。

根据实施例，在变压器箱体的外圆筒（下文称为箱体壁）中提供弱传导层。因此，箱体壁包含弱传导层，所述弱传导层包括纤维和通常是但不一定是树脂的浸渍材料。在实施例中，纤维本身可以是弱传导的，或者纤维可以是传导的，并且层作为整体的弱传导性质（其体传导率）由纤维和在纤维周围的优选是树脂的浸渍材料的组合的参数实现。对于适合的传导或弱传导纤维的非限制性示例是预浸渍弱传导纤维，诸如PANI，或碳纤维。一般地，能够在大范围中控制和调整纤维的传导率。作为示例，浸渍有介电树脂的碳纤维的层的体传导率能够是在10 Ωcm到10⁶ Ωcm的范围中，更特定地在从大约10² Ωcm到大约10⁵ Ωcm的范围中。由此，仅提出用于改变体传导率的几个参数，能够通过例如纤维的类型和材料、层中纤维的定向、纤维与它们被嵌入在其中的树脂之间的在层中的重量比以及层的每体积单位的各个纤维之间交叉的数量而显著改变弱传导层的体传导率。

因此，如本文中所提供的适合的纤维类型的示例和弱传导层作为整体的设计无意于被理解为对于本公开的范围的限制。相反，技术人员将容易理解，有来自各种材料的范围广泛的适合的弱传导或传导纤维类型，用所述适合的弱传导或传导纤维类型可形成用于根据本发明及其实施例的变压器箱体壁的适合的弱传导层。下面进一步提供对于根据实施例的弱传导层的配置和纤维类型的详细示例。

根据一些实施例，只有在箱体壁的内侧上的（相对薄的）层用传导或弱传导纤维卷绕成，而在相对于含有绝缘材料的箱体的封闭容积面向外的箱体的侧上卷绕绝缘纤维的绝缘层。绝缘纤维更便宜并且具有高电阻率。在此情况下，在箱体壁的内侧上被嵌入在诸如树脂的浸渍材料中的传导或弱传导纤维的薄层足以提供如实施例的箱体壁的所要求的弱传导属性。

根据实施例，在箱体壁的内侧并且也在箱体壁的外侧上可存在浸渍的传导或弱传导纤维的层，而它们之间的层用浸渍有树脂的绝缘纤维卷绕成，由此通过使用绝缘纤维的更经济的材料，提供机械或物理稳定性。对于绝缘纤维的非限制性示例是玻璃纤维和像聚酯纤维和芳族聚酰胺纤维的聚合纤维。

根据能够与本文中描述的其它实施例组合的一些实施例，传导或弱传导纤维能够也被用于箱体的顶板和底板。由此，板能够例如由纤维的预浸渍布制作。像圆筒一样，可选地能够有来自嵌入在树脂中的绝缘纤维和来自嵌入在树脂中的传导/弱传导纤维的（一个或多个）弱传导层的组合。一般地，在实施例中，也可被称为内圆筒、内箱体壁或箱体的内壁的通道壁也可展示所有属性，包含相对于根据实施例的（外）箱体壁在本文中被描述的至少一个层的弱传导属性、内部结构和所包括的材料。由此，根据本文中描述的实施例中的任何实施例的箱体壁可与带有如针对如本文中描述的箱体壁的实施例中的任何实施例描述的属性的通道壁组合，并且从而建立其它实施例。

根据能够与本文中描述的其它实施例组合的一些实施例，箱体不是完全由聚合物材料和弱传导层制作，而是箱体的某些区域可包括例如金属以促进从箱体中的绝缘材料到环境的传热。例如，箱体的一部分可由金属制作。由此，金属部分通常配置成避免形成围绕芯的闭合回路，以便避免不希望的大的感应的回路电流。在此类设计中，箱体壁的剩余聚合物区域通常含有如前面所述的（一个或多个）弱传导层。

图1示出根据实施例的变压器1。它包括箱体10，所述箱体10具有含有绝缘材料13的封闭容积11。箱体10具有通常是圆筒形的（外）箱体壁16，并且通常具有底板36和顶板37。箱体10包括从底板36贯穿箱体10到顶板37的通道25。通常，通道25具有基本上具有芯30的柱32的形状的，即通常但不一定是圆筒形的内横截面。通道25的内部与箱体10的封闭容积11由通道壁17分开。因此，通道壁17形成箱体10的内圆筒形壁。变压器10的芯30被完全提供在封闭容积11外，其中芯30的一个柱32经由通道25贯穿箱体10。在图1中，示出两个线圈（或绕组）。低电压线圈50被卷绕在通道25周围，并且高电压线圈25被带有用于绝缘的距离地卷绕在低电压线圈50的外侧上。低电压线圈50和高电压线圈52两者被提供在箱体的封闭容积11内，并且被浸没在绝缘材料13中。围绕贯穿通道25的芯柱32提供两个线圈。也就是说，线圈与绝缘材料13接触或浸没在绝缘材料13中，而芯30和芯柱32不与绝缘材料13接触，因为它们被提供在箱体10的封闭容积11外。

箱体壁16包括弱传导层40。弱传导层40包括嵌入在树脂44中的传导或弱传导纤维42（对于详细实施例，参阅图3到图6和有关的描述）。由此，在如实施例的希望的弱传导层的设计过程中，结合纤维42的定向以及弱传导层40的每质量单位的与树脂44的按重量的百分比相比较的纤维42的按重量的百分比，选择纤维42的传导率。根据实施例的弱传导层通常具有大约10 Ωcm到大约10⁶ Ωcm，更特定地从大约10² Ωcm到大约10⁵ Ωcm的体传导率，但取决于变压器1的单独设计和操作参数，更高或更低的值也可在实施例中是适合的。

尽管在图1中为说明目的仅示意地示出芯30的一个芯柱32，但图2示出包含芯30的横截面视图的相同变压器1。

纤维42可在一些实施例中在纤维的纵向上具有相对高的导电率。由此，箱体壁16的弱传导层40的总传导率被部分确定，并且可因此由纤维42变得最接近之处的各个纤维的交叠（cross-over）来控制。除多个其它参数外，还能够使用这来广泛调整弱传导层40的传导率的值。

例如，对于由日本制造商Toray生产的T300类型的碳纤维，已知碳纤维能够展示例如1.7 * 10^-3 Ωcm的在纤维方向上的传导率。与纤维垂直，此值能够更低得多，例如是大约1/1000。在实施例中可被使用的纤维通常基于涂层无机纤维，例如涂层玻璃纤维，或者是聚合纤维，例如PANI或碳纤维，或者还能够是金属纤维。

在弱传导层40的纤维42根据实施例被选择成是涂层纤维的情况下，商用产品的各种示例是可用的。作为非限制性示例，来自美国犹他州Heber市的公司Conductive Composites供应用芳族聚酰胺或碳制造的涂镍纤维，而来自瑞士的公司Swicofil供应涂铝玻璃纤维。另一类型的适合的纤维源于防静电应用的领域。在此情况下，纤维基本上是聚合的，但含有在它们中嵌入的防静电颗粒。如例如从比利时的Bekeart供货的薄金属纤维能够在局部被使用以便获得要求的导电率。金属纤维可在组合中被提供，即在也称为混合束的一个束中与标准玻璃纤维混合。

在图3到图6中作为带有变化尺寸的小圆圈的纤维的图示仅是为了说明的目的，并且无意于被理解为关于层中的纤维的大小、形状、定向、顺序、密度等的描述或限制，或者限制各个层的性质或描述层之间的差别。相反，纤维的布置的参数能够根据实施例被广泛改变。

图3示出在标记有箭头和A-A的位置处对诸如在图1和图2中所示出的如实施例的箱体壁16的详细视图。箱体壁16包括弱传导层40，所述弱传导层40包括嵌入在浸渍材料44中的纤维42。

图4示出在标有箭头和A-A的位置处对诸如在图1和图2中所示出的根据其它实施例的箱体壁16的详细视图。其中，不同于图3，箱体壁16进一步包括浸渍有树脂54的绝缘纤维52的层50。从弱传导层40相对于箱体10的封闭容积11向外提供绝缘纤维52的另外的层50。一般地，如本文中所公开的，作为非限制性示例，绝缘纤维可包括玻璃纤维和/或像聚酯纤维和芳族聚酰胺纤维的聚合纤维。

图5示出对诸如在图3和图4中所示出的箱体壁16的详细视图，然而，在此实施例中，不同于图4，箱体壁16包括另外的外弱传导层60，所述外弱传导层60包括纤维62和树脂64。外弱传导层60被提供在绝缘纤维52的层50的外侧上。

一般地，（一个或多个）弱传导层40、60的体传导率可被配置使得由感应的涡电流对箱体壁16的加热在操作期间被保持低于定义的阈值。优选地，由涡电流引起的箱体壁16的加热应消耗少于由变压器传送的功率的0.4 %，更通常地少于0.2 %。

图6示出类似于图4的弱传导层的弱传导层，其中另外以被嵌入在箱体壁16中的（一个或多个）条带或网格的形式提供金属导体70。这可促进弱传导层40的足够低欧姆的接地。这应在不建立围绕芯30的闭合回路的情况下被实行以避免感应的回路电流。在卷绕箱体10时，在继续进行包括绝缘纤维的层50前，网格或条带70能够被施加在弱传导层40上，产生如图6中所示出的箱体壁16。网格或条带70也能够以类似方式作为板被集成。诸如所示意地示出的，在至少一端，金属导体70应从箱体壁16的复合物伸出，以例如形成用于与接地触点80接触和接地的引线。

在其它实施例中，箱体壁16进一步包括例如包括金属的导电部分（未示出）以用于促进箱体10与周边环境或冷却介质之间的热交换。由此，导电部分配置成在围绕芯柱的周向上具有至少一个间隙，以便导电部分配置成避免围绕变压器柱的闭合短路回路。

在能够与本文中描述的其它实施例组合的一些实施例中，变压器1可以是三相变压器。在此实施例中，分别地，箱体10可包括贯穿箱体10的三个通道，并且芯包括经由三个通道贯穿箱体10的三个柱。顶板37和底板38在此情况下具有各自被提供用于芯柱的三个开口。备选地，可提供三相变压器，其中为三个芯柱中的每个单独提供带有一个通道的一个箱体。

一般地，在所有实施例中，箱体中的绝缘材料可包括天然或合成的绝缘液体或凝胶，作为非限制性示例，包括由以下各项组成的列表中的至少一项：矿物油、天然油、硅油、凝胶、优选为硅凝胶的凝胶及酯类液体。这些材料的混合物或组合也可以是适合的。

此书面描述使用示例以公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统并执行任何合并的方法。虽然上述内容中已公开各种特定实施例，但本领域技术人员将认识到，权利要求的精神和范围虑及同样有效的修改。尤其是，上述实施例的非互斥功能可相互组合。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包含本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件，或者如果此类其它示例包含具有与权利要求的字面语言无实质差异的等效结构元件，则它们意在处于权利要求的范围内。