CN116348976A - 电力变压器 - Google Patents

Abstract

提供了一种包括芯体和绕组的电力变压器。芯体包括柱(2)和轭(4)。绕组围绕柱(2)缠绕，并且具有沿着柱的主轴线的延伸部分。电力变压器还包括耦接到芯体(2)或绕组中至少之一的能量收集装置(8)。能量收集装置(8)包括铁磁部分(10)和围绕铁磁部分(10)的至少一部分缠绕的线圈(12)。能量收集装置(8)以这样的方式布置，即在电力变压器中生成的部分磁通量MF在能量收集装置(8)中感应出电动势。线圈(12)包括围绕线圈(12)的主轴线(A2)缠绕的线，并且具有沿着线圈(12)的主轴线的延伸部，该延伸部小于绕组的延伸部。

Description

电力变压器

技术领域

本公开涉及一种电力变压器，更具体地，涉及一种具有能量收集装置的电力变压器。

背景技术

电力变压器——在本文中也简称为“变压器”——是一种将电能从一个电路传送到另一电路、或者传送到多个电路的无源电气设备。变压器通常包括铁磁芯体，该铁磁芯体具有在第一轭和第二轭之间延伸的柱。线圈围绕柱缠绕。线圈中的任何一个线圈中的变化的电流在芯体中产生变化的磁通量，这在围绕芯体缠绕的任何其他线圈上感应出变化的电动势。

为了可靠地运行变压器，已知的是监控其物理状况。这通常通过以连续的方式测量相关参数(例如温度、湿度或压力)来实现。已知的是使用被布置在电力变压器的外壳或箱内(例如附接至芯体或线圈)的相应的传感器来进行这些测量。这些传感器由外部电源供电。然而，给传感器供电存在普遍问题，尤其是当变压器被封闭并嵌入填充在箱中的油中时，即在油浸式变压器的情况下。在这种情况下，通过使用线缆给传感器供电需要在变压器的盖或箱或外壳的不同部分中设置孔。这些孔意味着油泄露的风险，从而严重损害了变压器的可靠性。试图从变压器的箱或外壳的外部无线地给传感器供电几乎是不可能的，或者至少是非常困难的，因为箱或外壳起到屏蔽件的作用。如果电力需要用于另外的目的(例如油循环)，后面的障碍也会出现。

发明内容

需要提供用于运行电力变压器的改进的技术。尤其是需要以更高的可靠性运行油浸式电力变压器的技术。这些目的通过独立权利要求实现。从属权利要求涉及优选实施例。

根据本公开，提供了一种包括芯体和绕组的电力变压器。芯体包括柱和轭。芯体可以包括至少一个柱或多个柱，例如两个柱或三个柱。芯可以包括至少一个轭，例如两个轭。绕组围绕柱缠绕并具有沿着柱的主轴线的延伸部。电力变压器还包括耦接至芯体或绕组中至少之一的能量收集装置。能量收集装置包括铁磁部分和围绕铁磁部分的至少一部分缠绕的线圈。能量收集装置以这样的方式布置，即在电力变压器中生成的部分磁通量在能量收集装置中感应出电动势。换句话说，能量收集装置以这样的方式布置，即可以使用铁磁部分捕获在电力变压器中生成的部分磁通量。线圈包括围绕线圈的主轴线缠绕的线，并且具有沿着线圈的主轴线的延伸部，该延伸部小于绕组的延伸部。

处于操作状态的真实变压器显示出非零但很小的泄漏或杂散磁通量。这主要发生在通量“弯曲”的区域附近或者绕组和铁磁芯体之间存在过渡部的区域附近。当变压器设计良好时，这个通量是最小的，然而，它足以允许能量收集装置提取较小量的电能，为例如需要这种能量的辅助电气装置供电，以使其持续运行，或者例如为相同目的小型电池再充电——而不实际影响变压器的功能或效率。以这样的方式，能量收集装置尤其允许为运行电力变压器的辅助电气装置(诸如布置在电力变压器的外壳或箱内的传感器或油泵)提供能量。因此，能量收集装置使得可以使用电力变压器中产生的磁通量的能量来为辅助设备供电。出于这个原因，不需要穿过电力变压器的外壳或箱的线缆来为辅助设备供电。因此，消除或至少显著降低了严重损害变压器的可靠性的漏油风险。因此，提高了电力变压器的可靠性。

各种实施例可以优选实施以下特征：

优选地，能量收集装置具有附接至柱的第一端部和附接至轭的第二端部。因此，可以从轭的边缘“牵引”或“提取”较小量的磁通量。

优选地，柱以一端连接至轭，并以相对的第二端连接至芯的另一轭。

还存在放置收集器的其他可能的有利位置：

优选地，芯包括孔口，其中能量收集装置至少部分地设置在孔口内。

优选地，能量收集装置布置在芯的上表面上或芯体的边缘处。优选地，能量收集装置布置在芯体的内边缘中。

优选地，线圈的延伸部小于绕组的延伸部的10％，更优选小于绕组的延伸部的5％，甚至更优选小于绕组的延伸部的2％。因此，可以使用泄漏通量、杂散通量或极其微小的通量，同时降低能量收集装置将变压器的功能影响到不期望的程度的风险。

优选地，线圈的主轴线至少基本平行于能量收集装置的铁磁部分内的磁通量的局部矢量定向。例如，能量收集装置可以布置在柱或绕组的表面区域上，该表面区域具有垂直于柱的主轴线定向的局部法向矢量，其中线圈的主轴线平行于柱的主轴线定向。类似地，能量收集装置可以布置在绕组的表面区域上，该表面区域具有与柱的主轴线平行的局部法向矢量(即，如果柱竖直定向，例如绕组的面向上的顶表面)，其中线圈的主轴线平行于柱的主轴线定向。

优选地，电力变压器还包括填充有油的箱，其中芯体和绕组至少部分浸没在油中。

优选地，铁磁部分包括层压硅钢或由层压硅钢组成。可替代地或附加地，铁磁部分可以包括或由铁氧体、由纳米晶体材料或由另一种材料组成。

优选地，线圈包括铜线。

优选地，铜线具有0.1mm或更小的直径。

优选地，铁磁部分经由至少一个永磁体附接至芯体。因此，能量收集装置可以容易且牢固地附接。

优选地，永磁体包括钕或由钕组成。

优选地，能量收集装置被设计和布置成为变压器的辅助电气装置(例如用于感测温度和/或湿度和/或压力的传感器)供电。

优选地，辅助电气装置设置在箱内，优选浸没在油中。

优选地，电力变压器是50/60Hz电力变压器。

附图说明

将参考附图中示出的优选示例性实施例更详细地阐明本公开的主题，在附图中：

图1是根据本公开的变压器的示意性正视图，该变压器包括柱和轭，其中能量收集装置附接至柱中的一个柱。

图2示出了图1中能量收集装置周围的细节。

图3是布置在由变压器的轭和柱形成的角部处的能量收集装置的示意图。

图4是附接到变压器的芯体的表面的能量收集装置的示意图。

图5a和图5b示出了附接在变压器的轭的内边缘的能量收集装置。

图6示出了插入到形成在变压器的轭中的孔中的能量收集装置。

图7示出了穿过芯体的柱的横截面以及围绕柱缠绕的绕组的草图，示例性地示出了能量收集装置的几个另外的可能的位置。

图8a是图1中靠近外边缘的绕组的顶表面上的能量收集装置的另外的可能位置周围的放大图。图8b示出了相应的俯视图。

具体实施方式

将参照附图描述本公开的示例实施例，在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元件。实施例的特征可以彼此组合，除非特别指出。

图1是根据本公开的变压器的示意性前视图。变压器(例如50/60Hz电力变压器)包括具有柱2和轭4的芯体1。变压器可以具有至少一个另外的柱2′和另外的轭4′。然而，本领域技术人员可以理解，电力变压器不限于任何特定的频率，尤其是更高的频率也是可能的。柱2是长型的，其限定了主轴线A1。柱2可以以一端连接至轭4，并以相对的第二端连接至另一轭4′。

变压器还包括围绕柱2缠绕的绕组6。绕组6具有沿着柱2的主轴线A1测量的延伸部L1。

变压器还可以包括填充有油16的箱15，其中芯体1和绕组6至少部分浸没在油16中。

变压器还包括能量收集装置8，该能量收集装置耦接至芯体1或绕组6中至少之一，例如，示例性示出了耦接至柱2。图2更详细地示出了能量收集装置8。能量收集装置8包括铁磁部分10和围绕铁磁部分10的至少一部分缠绕的线圈12。线圈12包括围绕线圈12的主轴线A2缠绕的线14。

铁磁部分10可以包括层压硅钢(SiFe)或者可以由层压硅钢(SiFe)组成。可替代材料例如是铁氧体和纳米晶体材料。线圈12可以具有较大数量的匝，例如利用线14缠绕的几千匝。线14可以是例如铜线，优选具有0.1mm或更小的直径。

能量收集装置以这样的方式设计和布置，即在电力变压器中生成的部分磁通量的在能量收集装置中感应出电动势。因此，可以使用铁磁部分来捕获电力变压器中生成的部分磁通量。例如，能量收集装置可以附接到芯体1或附接到绕组6。然而，能量收集装置不一定附接到芯体1或绕组6。它可以可替代地被定位成与芯体1和绕组6具有一段距离。该距离可以在例如1mm和10cm之间。

再次参考图2，能量收集装置8的线圈12具有沿着线圈12的主轴线A2测量的延伸部L2，该延伸部小于围绕柱2缠绕的绕组6的延伸部L1。优选地，线圈12的延伸部L2小于绕组(6)的延伸部L1的10％，更优选地小于绕组的延伸部的5％，甚至进一步优选地小于绕组的延伸部的2％。

如图7所示，该图示出了穿过柱2及其绕组6的示意性截面图，在本领域内已知，柱2可以包括层压件22，由于层压件的厚度，这些层压件形成平行于柱2的主轴线A1定向的线性内边缘24和线性外边缘23。有利地是，能量收集装置8可以设置在内边缘中，该内边缘在与内边缘相邻的两个外边缘之间。类似地，如图5a所示，轭4可以包括层压件41，从而形成平行于轭4的主轴线延伸的线性内边缘43和线性外边缘42，其中能量收集装置(在此以附图标记8h表示)设置在内边缘43中。

再次参考图1，能量收集装置可以可替代地布置在芯体1的表面的平面区段上，例如在轭4的上表面上，如图1中附图标记8b所示。进一步可替代地，如上所述，能量收集装置可以布置在绕组6的表面上，如图1中附图标记8c所示。如图7所示，绕组6可以包括例如内部绕组50和外部绕组51。能量收集装置可以例如附接至外部绕组或内部绕组51、50的外表面或内表面。图7示例性地示出了设置在外部绕组51的外表面上的能量收集装置8d以及设置在内部绕组50的内表面上的能量收集装置8e。能量收集装置可以例如使用胶带或胶水粘性附接至绕组6。在这种情况下，不需要进行进一步附接来保持能量收集装置，例如使用永磁体进行进一步附接。

如图1和图7中的附图标记8f所示，能量收集装置可以被定位成与芯体1和与绕组6具有一定距离，也就是说，被设置成非结合的。在这种情况下，能量收集装置可以例如附接至变压器的外壳的一部分。图5a示出了与轭4和绕组(图5a中未示出)具有一定距离的另外的可能的能量收集装置8i。

再次参考图2，铁磁部分10和线圈12允许“桥接”或“引导”在变压器中生成的变化的磁通量，并根据法拉第感应定律生成与N A dB/dt成比例的电压，其中B表示穿过铁磁部分10的横截面积A的磁通量密度，以及N表示能量收集装置8的线圈12的匝的绕组数量。因此，能量收集装置的线圈12的主轴线A2优选至少基本平行于电力变压器中生成的磁通量的局部方向。

铁磁部分10可以例如由层压硅钢(SiFe)制成。

能量收集装置8的铁磁部分10可以例如经由粘合剂附接至芯体或附接至绕组。可替代地或附加地，铁磁部分10可以经由至少一个永磁体18(优选包括钕或由钕组成)附接至芯体1，例如附接至柱2或轭4。这允许能量收集装置8牢固地附接至芯体1，使得它将在变压器的整个寿命内保持原位。而且，在组装变压器的同时，可以容易地建立这种附接。

如图1所示，变压器优选包括辅助电气装置30，例如传感器、油泵或可再充电电池，其中辅助电气装置由能量收集装置8供电。传感器可以是用于感测温度和/或湿度和/或压力的传感器。

辅助电气装置30可以设置在能量采集设备8附近，例如在箱15内，优选浸没在油中。辅助电气装置30可以附接至芯体1或附接至绕组4。然而，辅助设备30也可以设置在别处，例如在箱15的内表面上。

在装配期间，在安装围绕柱2缠绕的绕组6之前，能量收集装置8可以附接至柱2。

图3示出了能量收集装置的可替代设计，在此也以8a表示。根据这个实施例，能量收集装置8a具有附接至柱2的第一端部82和附接至轭4的第二端部84。该位置也绘制在图1中。优选地，沿着线圈12的主轴线A2看，第一端部82和第二端部84彼此相对。关于图3，请注意这个图不是按比例绘制的。优选地，法向于线圈12的主轴线2的能量收集装置8a的直径远小于柱2或轭4的正常直径。

图3示出了粗弯曲箭头，表示变压器中生成的磁通量MF，以及较小弯曲的细箭头，表示磁通量MF的泄漏或杂散通量SF。能量收集装置8a以这样的方式设计和布置，即可以使用能量收集装置8a的铁磁部分10捕获电力变压器中生成的部分磁通量MF。磁通量MF的主要部分位于芯体1内，而“流过”能量收集装置8a的杂散通量SF比磁通量MF小得多。如上所述，如果线圈12的延伸部L2小于绕组6的延伸部L1的10％，更优选小于绕组6的延伸部L1的5％，甚至更优选小于绕组6的延伸部L1的2％，这可以有利地实现。

因此，磁通量MF以及通过这种方式变压器的功能实际上不会不期望地受到能量收集装置损害。换句话说，杂散通量只是正常芯体磁通量MF的可忽略部分。

能量收集装置可以通过连接线缆88电连接至辅助设备30。

优选地，一个磁体18被布置成将能量收集装置8a附接至柱2，而另外的磁体18被布置成将能量收集装置8a附接至轭4。

图4示出了另外的可替代能量收集装置，在此也以8b表示。根据这个实施例，能量收集8b设置在芯体1的上表面上，在此是轭4的上表面上。如上所述，该位置也绘制在图1中。磁体18被放置成将能量收集装置8b附接至轭4。能量收集装置可以类似地附接至柱2的外表面。

如粗线和细线示意性所示，能量收集装置从芯体1的边缘“拉出”通量线。磁体18被放置成将能量收集装置8b局部附接至芯体1，在此附接至轭4。

如上所述，图5a示出了定位在层压轭4的内边缘43中的能量收集装置8h。图5b示出了能量收集装置8h沿着图5a所示的观察方向Vb的示意图。

在图6中，能量收集装置8g被放置在轭4中形成的孔44中。孔44可以被钻出。在这种情况下，磁通量的场线被特别有效地使用，因为与能量收集装置被定位在芯体1的内边缘或在芯体1的表面上的情况相比，穿过线圈12的微小通量通常更大。孔44可以例如以环氧树脂密封，其中连接线缆(图6中未示出)通向外部。

图8a示出了能量收集装置的另外的可能位置的放大图，在此以8j表示。图8b示出了相应的俯视图。能量收集装置8j布置在绕组6的端表面上的外边缘附近(例如，当柱2竖直取向时，在绕组6的面向上的顶表面上)。能量收集装置8j布置在具有法向矢量N的表面区域上，该法向矢量N平行于柱2的主轴线A1定向。线圈12的主轴线A2也平行于柱2的主轴线A1定向。如上所概述，这在能量收集装置8j的效率方面是有利的。

能量收集装置允许提供足够的电力来运行辅助设备30，例如传感器甚至传感器阵列，例如数字或模拟传感器。能量收集装置8和辅助设备30之间的连接线缆88可以被设计和布置成使得它们实际上不阻碍变压器的电场。能量收集装置8有利地定位成使得对磁场的影响最小。如上所述，在图1中绘制了可能的位置或方位。

虽然已经在附图和前面的描述中详细描述了本发明，但是这种描述被认为是说明性的或示例性的，而不是限制性的。通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员和实践所要求保护的发明的人员可以理解和实现所公开的实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在不同的权利要求中列举某些元素或步骤的事实并不表示这些元素或步骤的组合不能被有利地使用，具体而言，除了实际的权利要求从属关系之外，任何另外的有意义的权利要求组合都应该被视为已公开。

Claims (14)

1.一种电力变压器，包括

芯体(1)，其中所述芯体包括柱(2)和轭(4)；

缠绕在所述柱(2)周围的绕组(6)，其中所述绕组(6)具有沿着所述柱(2)的主轴线(A1)的延伸部(L1)；

耦接至所述芯体(1)或所述绕组(6)中至少之一的能量收集装置(8，8a-8j)，其中所述能量收集装置(8，8a-8j)包括铁磁部分(10)和围绕所述铁磁部分(10)的至少一部分缠绕的线圈(12)；

其中所述能量收集装置(8，8a-8j)以这样的方式布置，即在所述电力变压器中生成的部分磁通量在所述能量收集装置(8，8a-8j)中感应出电动势；

其中所述线圈(12)包括围绕所述线圈(12)的主轴线(A2)缠绕的线(14)；

其中所述线圈(12)具有沿着所述线圈(12)的主轴线(A2)的延伸部(L2)，所述延伸部(L2)小于所述绕组(6)的延伸部(L1)；以及

其中所述能量收集装置(8，8a-8j)被设计和布置成为所述变压器的用于感测温度和/或湿度和/或压力的传感器供电。

2.根据权利要求1所述的电力变压器，其中所述能量收集装置(8，8a)具有附接至所述柱(2)的第一端部(82)和附接至所述轭(4)的第二端部(84)，并且其中所述柱(2)以一端连接至所述轭(4)，并以相对的第二端连接至所述芯体(1)的另一轭(4’)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的电力变压器，其中所述芯体(1)包括孔口，并且其中所述能量收集装置(8，8g)至少部分地布置在所述孔口内。

4.根据前述权利要求中任一项所述的电力变压器，其中所述能量收集装置(8)布置在所述芯体(1)的上表面上或所述芯体(1)的边缘(24)处。

5.根据权利要求1所述的电力变压器，其中所述线圈(12)的延伸部(L2)小于所述绕组(6)的延伸部(L1)的10％，优选小于所述绕组(6)的延伸部(L1)的5％，更优选小于所述绕组(6)的延伸部(L1)的2％。

6.根据前述权利要求中任一项所述的电力变压器，其中所述能量收集装置(8)布置在所述柱(2)或所述绕组(6)的表面区域上，所述表面区域具有与所述柱(2)的主轴线(A1)垂直的局部法向矢量，或者布置在所述绕组(6)的表面区域上，所述表面区域具有与所述柱(2)的主轴线(A1)平行的局部法向矢量，其中所述线圈(12)的主轴线(A2)平行于所述柱(2)的主轴线(A1)定向。

7.根据前述权利要求中任一项所述的电力变压器，其中所述电力变压器还包括填充有油(16)的箱(15)，其中所述芯体(1)和所述绕组(6)至少部分浸没在所述油(16)中。

8.根据前述权利要求中任一项所述的电力变压器，其中所述铁磁部分(10)包括层压硅钢或由层压硅钢组成。

9.根据前述权利要求中任一项所述的电力变压器，其中所述线圈(12)包括铜线。

10.根据权利要求5所述的电力变压器，其中所述铜线具有0.1mm或更小的直径。

11.根据前述权利要求中任一项所述的电力变压器，其中所述铁磁部分(10)经由至少一个永磁体(18)附接至所述芯体(1)。

12.根据权利要求11所述的电力变压器，其中所述永磁体(18)包括钕或由钕组成。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的电力变压器，包括权利要求7所述的特征，其中所述传感器设置在所述箱(15)内，优选地浸没在所述油中。

14.根据前述权利要求中任一项所述的电力变压器，其中所述电力变压器是50/60Hz电力变压器。

Images