高功率静态电磁装置的磁通控制制造方法及图纸

一种带可变电感的高功率静态电磁装置，其磁路包含一个磁通定向区。一个主绕组和至少一个控制绕组围绕着该磁通定向区的各个部份。一个与控制绕组相连的控制装置用来改变磁通的分布。绕组是由导磁的、场限制绝缘电缆组成的。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及可控高压静态电磁装置，特别是高压变压器，电抗器，电感，或调节器。所有的电能传输和分配中都要用到各种静态感应装置，如变压器，电抗器，调节器等，其作用是让两个或多个电力系统之内和相应之间交换式控制电能。变压器无论在理论上还是实践上都是现有最经典的电气产品，已有百多年的历史。变压器的功率范围从几VA到1000MVA都有。就电压范围而言，从很低一直到今天用到的最高传输电压都有。变压器，电抗器和调节器这类静态感应装置电气产品是大家都很熟悉，也比较容易理解的。电能的转换是靠电磁感应来实现的。有大量的教科书，专利和文章描述这类装置的元件和子系统(如绕组，磁芯、槽，附件和冷却系统)的理论，运转，计算，制造，使用及使用寿命等等问题。本专利技术所涉及的是一类所谓的高功率型感应装置，其额定功率范围以几百KVA至1000MVA以上，预定电压范围从3-4KV直至非常高的传输电压，如400KV至800KV甚至更高。虽然构成本专利技术的基础的概念适用于包括电抗器在内的各种感应装置，但下面我们主要是描述电力变压器。众所周知，这儿所涉及的装置可以设计成单相和三相的系统。另外，有空气绝缘和油绝缘的，自冷的，油冷的，等等。虽然装置可以有一个或多个绕组(每相)且可设计成带铁芯或不带铁芯的，但上面谈到的基础在很大程度上是针对带具有可变高磁阻区铁芯的装置。本专利技术还将更具体地谈到一种可控制的电感，由它可以改变至少一条路径的磁阻面使不同的磁通路径的磁力线重新分配，本专利技术把电抗器看作一个具有可变电感的串联或并联元件。在上面提到的一些专利申请中已经对一般的变压器和电抗器进行过广泛的描述，因此除非必需就不在这里重复了。描述普通(特别是电力)变压器的读物可见J和P变压器丛书，电力变压器的实用技术(A．C．Franklin和D．P．Franklin著，Butterworths出版，第11版，1990年)。关于绕组的现有内部电绝缘问题可参见“变压器交换台大功率变压器中变压器交换台的应用”一书(H．Moser著，H．Weidman AG出版，CH-8640 Rapperswil)。从纯粹的总概念来说，电力变压器的主要任务是在两个或更多的电力系统中进行通常是同一频率下不同电压的交换。图8a所示的普通铁芯型电力变压器包含一个通常是由硅钢片叠合而成的铁芯。铁芯由几个带腿的芯柱组成，芯柱由磁轭或臂连在一起，共同形成一个或几个铁心窗。带这种铁芯的变压器一般称为铁芯型变压器。有一些绕组绕在铁芯柱子上，它们一般称为初级，次级80抽头绕组。在电力变压器中，这些绕组实际上总是同心排列的，且沿着铁芯柱的长度分布。铁芯型变压器一般都是圆形线圈，其芯柱截面为锥形，以尽可能有效地充满窗口。除铁芯型变压器外，还有如图8B所示的壳型变压器。它们常设计成矩形线圈和矩形截面的铁芯柱。电抗器的结构与此相似，但可能没有次级线圈。普通低电压范围的感应控制调节器采用带彼此间有旋转或位移的线圈的电感器，可参见如下面的文献交流电技术，第二卷，“变压器”，德国柏林，1936年，586-598页，“旋转变压器和有可动铁心的调压变压器”。这种技术中还牵涉到机械运动。另外，不可能以合理的成本在高电压下进行这种感应控制。绝缘的结构也会对设计提出严格的限制。从美国专利US 4，206，434我们知道有另一种方法，其中感应控制调压器不同腿之间的磁力线是通过可变的直流磁化来实现重新分配的。为此需要有一个可变的直流电源。因此，高电压的控制主要是靠电力变压器来实现的，这需要把一个或几个绕组绕在变压器铁芯的一条或几条腿上。绕组可以有一些抽头，使变压器能提供不同大小的电压。现有的用在电压中继线中的电力变压器和配电变压器包括一些调节电压的抽头变换器。它们在机械结构上很复杂，而且还会产生机械磨损及由触点间放电引起的电物理腐蚀。电压的调节只能是分步进行。因此不同抽头的连接需要采用阶梯状的调节方式和可动的接触点。在高压控制中，含有可动装置且不能进行无级的连续电压调节可能是不方便的。本专利技术提供一种高功率静态电磁装置，其额定功率从几百KVA至1000MVA以上，额定电压从3-4KV至非常高的传输电压，如400KV至800KV甚至更高，同时没有以前的电力变压器／电抗器所有的一些缺点、问题的限制。本专利技术是基于这样一种事实，即单独对装置中的磁通路径进行控制可以实现迄今尚不可能的广泛的控制功能。在本专利技术的一个特殊实施例中，一个变压器采用一个或多个绕组，包括一个主绕组和一个与其在动作上相关的控制绕组。当激励或加载适当时，控制绕组可控制装置内的磁通分布。至少有一个绕组是由一个或多个被导磁的、限制电场的绝缘外壳所包围的载流导体构成。在一个特定的实施例中，这个外壳是一个固态绝缘体，它外面被部分导电或是有半导体特性的等位外、内层所包围。电导体就处在这个内层之内。因此电场被限制在绕组以内。按照本专利技术，电导体安置成能与内半导体层导电接触。这将使固态绝缘体最内部分与环绕它的内半导体之间沿导体长度的边界层内不会产生有害的电位差。按照本专利技术的一个特定实施例的装置可以加上可变阻抗负载，后者又反过来控制装置中的磁通路径。通过改变变压器铁芯一个或多个腿中的磁通，可以实现各种电压输出而不需要进行分段式控制。在电抗器中，控制铁芯中的磁通就可以得到可变的电抗器。在调节器中可以实现电压控制。在本专利技术的另一个实施例中，可用有源装置，例如与控制绕组相耦合的适当的信号源，对磁通进行幅度、相位或频率调制。在一个特定实施例中，至少有一个绕组可以在至少一个磁通路径中加上可变阻抗，或者磁路的铁心可以有一个低导磁率(高磁阻)的区域，例如空气隙。改变控制绕组的阻抗就可以改变铁心中的磁通。在这个特定的实施例中，阻抗改变是通过可变电容器来实现的。其结果是，磁通可以在磁路的不同铁心之间重新分配，而且装置的电感以及围绕铁心的绕组内的感应电压都成为可控的。这个原理可以用于许多不同的几何结构中，与装置的类别，相数，或其它特点有关。在绕组上加一个阻抗而得到负磁阻的专门理论大体上可从下面的理想化方程得到解析。加上阻抗负载的绕组形成一个可变磁阻Rc=n2ω2Z。绕组的匝数n和阻抗Z(R，L，1／C)调节可选择得与磁阻R1=L／Aμ1μ0相当，式中L是磁通路径的长度，A是铁心的横截面积，μ1是磁通路径的导磁率，μ0是空气的导磁率。磁通φ在铁心各条腿上的分布，以及绕在这些腿上的绕组的电压，将随着阻抗的变化而改变。根据所用调节类型的不同，可以进行连续的或小步距的调节，与接入电路中的阻抗有关。根据匝数和磁阻的关系，我们可以在选择低匝数时选用低电压，大电流和高阻抗，或选择高匝数时选用高电压，小电流和低阻抗，视哪一种可变阻抗最容易实现而定。若采用这儿所述的电缆，可以把阻抗安置在装置的外壳里面，因为这时绕组是不带电压的。本专利技术部分是基于下述事实各半导体层在热膨胀系数和固态绝缘方面具有相似的特性。按照本专利技术，可将各半导体层与固态绝缘体做成一体，以使这些层和紧接在一起的绝缘体具有相似的热特性，从而接触良好，而与不同负载下线路中产生的温度变化无关。绝缘层和半导体层在有温度梯度的情况下形成整体的传导体，因而不会由于绝缘体和外围各层中不同的温度膨胀而导致产生各种缺陷。由于围绕绝缘体的半导体部件构成等位面，故绝缘体中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种静态高功率电磁装置，包括：至少一个通电时产生磁通的主绕组，它至少包含一个载流导体及一个围绕此导体的导磁的，限制电场的绝缘外壳；至少一个与主绕组的工作相联系的控制绕组；一个磁通定向区；以及与控制绕组相连的控制装置，用来改变 磁通定向区的磁通。

【技术特征摘要】
US 1997-11-28 08/980,2101．一种静态高功率电磁装置，包括至少一个通电时产生磁通的主绕组，它至少包含一个载流导体及一个围绕此导体的导磁的，限制电场的绝缘外壳；至少一个与主绕组的工作相联系的控制绕组；一个磁通定向区；以及与控制绕组相连的控制装置，用来改变磁通定向区的磁通。2．如权利要求1所述的装置，其特征在于，外壳至少包括一个围绕导磁的固态绝缘层，和至少一个围绕导体的局部导电层。3．如权利要求1所述的装置，其特征在于，磁通定向区是可磁化的，且其工作与主绕组和控制绕组有关。4．如权利要求1所述的装置，其特征在于，工作与主绕组和控制绕组相关的可磁化磁通定向区至少包含一个壳或铁心。5．如权利要求1所述的装置，其特征在于，在与主绕组和控制绕组中至少一个有工作联系的磁通定向区域内，还包含一个较高磁阻的区域。6．如权利要求1所述的装置，其特征在于，主绕组和控制绕组的关系是并联或串联。7．如权利要求1所述的装置，其特征在于，包括一个磁回路，它至少有一个串联或并联路径，且控制绕组是位于此串联或并联路径内。8．如权利要求1所述的装置，其特征在于，控制装置至少包含一个有功或无功阻抗。9．如权利要求8所述的装置，其特征在于，阻抗是一个无功阻抗。10．如权利要求8所述的装置，其特征在于，阻抗是一个有功阻抗，包括至少一个开路或短路电路，或一个电阻，它们的工作与控制绕组有关。11．如权利要求1所述的装置，其特征在于，绕组是一个柔性电缆。12．如权利要求1所述的装置，其特征在于，外壳包含一个围绕导体的具有半导体特性的内层；一个围绕内层的固态绝缘层；以及一个围绕绝缘层的具有半导体特性的外层。13．如权利要求12所述的装置，其特征在于，内层与导体有电连接且与导体处于同一电位。14．如权利要求12所述的装置，其特征在于，外层是一个环绕绝缘层的等位面。15．如权利要求12所述的装置，其特征在于，外层可连到至少一个可选择的电位上。16．如权利要求15所述的装置，其特征在于，可选择的电位是地电位。17．如权利要求12所述的装置，其特征在于，至少有一个半导体层与绝缘层具有相同的热膨胀系数。18．如权利要求12所述的装置，其特征在于，外壳几乎是密实的。19．如权利要求12所述的装置，其特征在于，每个半导体层有一个接触面，它与相应的绝缘层表面处于相对的位置，且所有的接触面都连在一起。20．如权利要求12所述的装置，其特征在于，第一层和第二层是由聚合物材料制成的。21．如权利要求1所述的装置，其特征在于，绕组是由一条传输线组成的。22．如权利要求1所述的装置，其特征在于，电缆是用一个面积在30至300mm2的导线加工而成，其外径在20至250mm之间。23．如权利要求1所述的装置，其特征在于，固态绝缘体是用聚合物材料制造的。24．如权利要求1所述的装置，其特征在于，固态绝缘体包含一个突起。25．如权利要求2所述的装置，其特征在于，载流导体包含一些彼此绝缘的多芯电缆和一些不绝缘的多芯电缆，以保证与半导体层的电接触。26．如权利要求2所述的装置，其特征在于，至少有一个导体的多芯电缆是不绝缘的，且安置得能与半导体层电接触。27．如权利要求1所述的装置，其特征在于，包括至少两个在电上分开的同心绕制的绕组。28．如权利要求1所述的装置，其特征在于，包括至少与两个电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：C萨瑟，T舒特，M莱永，JA奈格伦，L格尔特马，B贝里格伦，
申请(专利权)人：ABB股份有限公司，
类型：发明
国别省市：SE[瑞典]