專利名稱：高功率靜態(tài)電磁裝置的磁通控制的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及可控高壓靜態(tài)電磁裝置，特別是高壓變壓器，電抗器，電感，或調節(jié)器。
所有的電能傳輸和分配中都要用到各種靜態(tài)感應裝置，如變壓器，電抗器，調節(jié)器等，其作用是讓兩個或多個電力系統(tǒng)之內和相應之間交換式控制電能。變壓器無論在理論上還是實踐上都是現(xiàn)有最經典的電氣產品，已有百多年的歷史。變壓器的功率范圍從幾VA到1000MVA都有。就電壓范圍而言，從很低一直到今天用到的最高傳輸電壓都有。
變壓器，電抗器和調節(jié)器這類靜態(tài)感應裝置電氣產品是大家都很熟悉，也比較容易理解的。電能的轉換是靠電磁感應來實現(xiàn)的。有大量的教科書，專利和文章描述這類裝置的元件和子系統(tǒng)(如繞組，磁芯、槽，附件和冷卻系統(tǒng))的理論，運轉，計算，制造，使用及使用壽命等等問題。
本發(fā)明所涉及的是一類所謂的高功率型感應裝置，其額定功率范圍以幾百KVA至1000MVA以上，預定電壓范圍從3-4KV直至非常高的傳輸電壓，如400KV至800KV甚至更高。
雖然構成本發(fā)明的基礎的概念適用于包括電抗器在內的各種感應裝置，但下面我們主要是描述電力變壓器。眾所周知，這兒所涉及的裝置可以設計成單相和三相的系統(tǒng)。另外，有空氣絕緣和油絕緣的，自冷的，油冷的，等等。雖然裝置可以有一個或多個繞組(每相)且可設計成帶鐵芯或不帶鐵芯的，但上面談到的基礎在很大程度上是針對帶具有可變高磁阻區(qū)鐵芯的裝置。
本發(fā)明還將更具體地談到一種可控制的電感，由它可以改變至少一條路徑的磁阻面使不同的磁通路徑的磁力線重新分配，本發(fā)明把電抗器看作一個具有可變電感的串聯(lián)或并聯(lián)元件。
在上面提到的一些專利申請中已經對一般的變壓器和電抗器進行過廣泛的描述，因此除非必需就不在這里重復了。
描述普通(特別是電力)變壓器的讀物可見J和P變壓器叢書，電力變壓器的實用技術(A．C．Franklin和D．P．Franklin著，Butterworths出版，第11版，1990年)。
關于繞組的現(xiàn)有內部電絕緣問題可參見“變壓器交換臺大功率變壓器中變壓器交換臺的應用”一書(H．Moser著，H．Weidman AG出版，CH-8640 Rapperswil)。
從純粹的總概念來說，電力變壓器的主要任務是在兩個或更多的電力系統(tǒng)中進行通常是同一頻率下不同電壓的交換。
圖8a所示的普通鐵芯型電力變壓器包含一個通常是由硅鋼片疊合而成的鐵芯。鐵芯由幾個帶腿的芯柱組成，芯柱由磁軛或臂連在一起，共同形成一個或幾個鐵心窗。帶這種鐵芯的變壓器一般稱為鐵芯型變壓器。有一些繞組繞在鐵芯柱子上，它們一般稱為初級，次級80抽頭繞組。在電力變壓器中，這些繞組實際上總是同心排列的，且沿著鐵芯柱的長度分布。鐵芯型變壓器一般都是圓形線圈，其芯柱截面為錐形，以盡可能有效地充滿窗口。
除鐵芯型變壓器外，還有如圖8B所示的殼型變壓器。它們常設計成矩形線圈和矩形截面的鐵芯柱。電抗器的結構與此相似，但可能沒有次級線圈。
普通低電壓范圍的感應控制調節(jié)器采用帶彼此間有旋轉或位移的線圈的電感器，可參見如下面的文獻交流電技術，第二卷，“變壓器”，德國柏林，1936年，586-598頁，“旋轉變壓器和有可動鐵心的調壓變壓器”。這種技術中還牽涉到機械運動。另外，不可能以合理的成本在高電壓下進行這種感應控制。絕緣的結構也會對設計提出嚴格的限制。
從美國專利US 4，206，434我們知道有另一種方法，其中感應控制調壓器不同腿之間的磁力線是通過可變的直流磁化來實現(xiàn)重新分配的。為此需要有一個可變的直流電源。
因此，高電壓的控制主要是靠電力變壓器來實現(xiàn)的，這需要把一個或幾個繞組繞在變壓器鐵芯的一條或幾條腿上。繞組可以有一些抽頭，使變壓器能提供不同大小的電壓?，F(xiàn)有的用在電壓中繼線中的電力變壓器和配電變壓器包括一些調節(jié)電壓的抽頭變換器。它們在機械結構上很復雜，而且還會產生機械磨損及由觸點間放電引起的電物理腐蝕。電壓的調節(jié)只能是分步進行。因此不同抽頭的連接需要采用階梯狀的調節(jié)方式和可動的接觸點。在高壓控制中，含有可動裝置且不能進行無級的連續(xù)電壓調節(jié)可能是不方便的。
本發(fā)明提供一種高功率靜態(tài)電磁裝置，其額定功率從幾百KVA至1000MVA以上，額定電壓從3-4KV至非常高的傳輸電壓，如400KV至800KV甚至更高，同時沒有以前的電力變壓器／電抗器所有的一些缺點、問題的限制。本發(fā)明是基于這樣一種事實，即單獨對裝置中的磁通路徑進行控制可以實現(xiàn)迄今尚不可能的廣泛的控制功能。
在本發(fā)明的一個特殊實施例中，一個變壓器采用一個或多個繞組，包括一個主繞組和一個與其在動作上相關的控制繞組。當激勵或加載適當時，控制繞組可控制裝置內的磁通分布。至少有一個繞組是由一個或多個被導磁的、限制電場的絕緣外殼所包圍的載流導體構成。
在一個特定的實施例中，這個外殼是一個固態(tài)絕緣體，它外面被部分導電或是有半導體特性的等位外、內層所包圍。電導體就處在這個內層之內。因此電場被限制在繞組以內。按照本發(fā)明，電導體安置成能與內半導體層導電接觸。這將使固態(tài)絕緣體最內部分與環(huán)繞它的內半導體之間沿導體長度的邊界層內不會產生有害的電位差。
按照本發(fā)明的一個特定實施例的裝置可以加上可變阻抗負載，后者又反過來控制裝置中的磁通路徑。通過改變變壓器鐵芯一個或多個腿中的磁通，可以實現(xiàn)各種電壓輸出而不需要進行分段式控制。在電抗器中，控制鐵芯中的磁通就可以得到可變的電抗器。在調節(jié)器中可以實現(xiàn)電壓控制。
在本發(fā)明的另一個實施例中，可用有源裝置，例如與控制繞組相耦合的適當?shù)男盘栐矗瑢Υ磐ㄟM行幅度、相位或頻率調制。
在一個特定實施例中，至少有一個繞組可以在至少一個磁通路徑中加上可變阻抗，或者磁路的鐵心可以有一個低導磁率(高磁阻)的區(qū)域，例如空氣隙。改變控制繞組的阻抗就可以改變鐵心中的磁通。在這個特定的實施例中，阻抗改變是通過可變電容器來實現(xiàn)的。其結果是，磁通可以在磁路的不同鐵心之間重新分配，而且裝置的電感以及圍繞鐵心的繞組內的感應電壓都成為可控的。這個原理可以用于許多不同的幾何結構中，與裝置的類別，相數(shù)，或其它特點有關。
在繞組上加一個阻抗而得到負磁阻的專門理論大體上可從下面的理想化方程得到解析。加上阻抗負載的繞組形成一個可變磁阻Rc=n2ω2Z。繞組的匝數(shù)n和阻抗Z(R，L，1／C)調節(jié)可選擇得與磁阻R1=L／Aμ1μ0相當，式中L是磁通路徑的長度，A是鐵心的橫截面積，μ1是磁通路徑的導磁率，μ0是空氣的導磁率。
磁通φ在鐵心各條腿上的分布，以及繞在這些腿上的繞組的電壓，將隨著阻抗的變化而改變。
根據(jù)所用調節(jié)類型的不同，可以進行連續(xù)的或小步距的調節(jié)，與接入電路中的阻抗有關。根據(jù)匝數(shù)和磁阻的關系，我們可以在選擇低匝數(shù)時選用低電壓，大電流和高阻抗，或選擇高匝數(shù)時選用高電壓，小電流和低阻抗，視哪一種可變阻抗最容易實現(xiàn)而定。若采用這兒所述的電纜，可以把阻抗安置在裝置的外殼里面，因為這時繞組是不帶電壓的。
本發(fā)明部分是基于下述事實各半導體層在熱膨脹系數(shù)和固態(tài)絕緣方面具有相似的特性。按照本發(fā)明，可將各半導體層與固態(tài)絕緣體做成一體，以使這些層和緊接在一起的絕緣體具有相似的熱特性，從而接觸良好，而與不同負載下線路中產生的溫度變化無關。絕緣層和半導體層在有溫度梯度的情況下形成整體的傳導體，因而不會由于絕緣體和外圍各層中不同的溫度膨脹而導致產生各種缺陷。
由于圍繞絕緣體的半導體部件構成等位面，故絕緣體中的電場將沿其厚度幾乎均勻分布，材料中的電負荷也因此而降低了。
特別是，外半導體層所具有的電特性能保證沿導體的電位相同。但是，半導體層不具有因感應電流而引起不希望的熱負載的傳導特性。此外，半導體層的傳導特性足以保證能形成一個等位面。因而半導體層的典型電阻率(ρ)一般具有一個最小值Pmin=1Ωcm和一個最大值ρmax=100Ωcm，而且半導體層在電纜軸向方向每單位長度的電阻，一般具有一個最小值Rmin=50Ω／m，和一個最大值Rmnax=50MΩ／m。
內半導體層具有足夠的電導率以便起一個等位面的作用，并與內層以外的電場相平衡。在這方面，內層具有平衡導體表面上任何不規(guī)則性的特性，而且在與固態(tài)絕緣體交界的層面上形成一個具有高表面光潔度的等位面。該層還照樣可以是厚度有變化，但與導體和固態(tài)絕緣體是高低均勻的，其厚度一般在0．5至1mm之間。不過這層沒有象它對感應電壓所提供的那么高的電導率。內半導體層的典型電導率為ρmin=10-6Ωcm，電阻Rmin=50μΩ／m，其最大值ρmax=kΩcm，Rmax=5MΩ／m。
在本發(fā)明的一個實施例中，變壓器是作為與可變磁漏電感(或電抗)相串聯(lián)的元件而工作的。這種變壓器可以通過重新分配與初級和次級相連的電力網(wǎng)之間的有功或電抗作用來控制功率通量。它還能限制短路的發(fā)生，并提供良好的過渡期穩(wěn)定性。該變壓器還能減輕功率振蕩，并提供良好的電壓穩(wěn)定性。這類裝置對于傳輸電力網(wǎng)的計劃人員和操作人員極其有用，特別是在那些電力供應不穩(wěn)定的國家。由于電力不穩(wěn)，一般要歸電力產品與傳輸服務分成單獨的實體。因而原先存在于發(fā)電廠和電力輸送部門之間的聯(lián)系不再有了。這樣，工廠的工作人員可能宣布將發(fā)電廠關閉一個短時間(從硬件的角度看是這樣)，而輸電工作人員和計劃人員面臨可能影響系統(tǒng)動力特性的與功率通量模式有關的嚴重問題。因此本發(fā)明可以提供一個具有對各組成部分進行控制的靈活的交流輸電系統(tǒng)，以控制功率通量。在本特定實施例中，對功率通量的控制是在一個部件中進行的，這通常是用于其它的目的。所以，本發(fā)明可以在不增加多少成本的情況下作兩種用途。
按照本發(fā)明的另一個實施例，一個電抗器是作為具有可變電感(電抗)的串聯(lián)或并聯(lián)元件來工作的。在主電力線路中不需要有功率電子設備。因而損耗很低。此外，控制設備一般是低壓設備，因此既簡單又較經濟。這種裝置也避開了產生諧波的問題。作為一個并聯(lián)元件，可變電抗器可以進行快速變化的無功功率補償。作為一個串聯(lián)元件，按照本發(fā)明的可變電抗器可以通過線路間有功或無功效應的再分配來進行功率通量控制。電抗器可以限制短路電流，提供瞬態(tài)穩(wěn)定性，減輕功率振蕩，并提供電壓穩(wěn)定性。這些特征對于靈活的交流輸電系統(tǒng)也很重要。
以前的調壓器的一些缺陷可以用本發(fā)明的感應控制調壓器來克服，這種調壓器的磁路至少包含一個具有低磁導率區(qū)的可磁化的調整鐵芯，而且至少還有一個繞組繞在該調整鐵芯上，該繞組則與一個可變阻抗或電弧控制元件相連接。把至少一個以可變電容為負載的繞組安放在磁通路徑上具有低磁導率區(qū)域的至少一個磁通路徑或鐵芯上，可以通過改變電容來改變鐵芯的磁阻。這樣可使磁通在磁路各鐵芯間重新分配，從而改變繞在這些鐵芯上的繞組兩端的感應電壓及繞組電感。
現(xiàn)在將參照附圖來對本發(fā)明進行描述，這些附圖中

圖1為普通感應裝置如電力變壓器或電抗器繞組附近的電場分布；圖2為本發(fā)明一個高功率感應裝置中一根電纜繞組的例子；
圖3是本發(fā)明一個電力變壓器的實施例；圖4A是本發(fā)明的一個控制變壓器的示意圖；圖4B是本發(fā)明的一個電抗器的示意圖；圖5A-5C是按本發(fā)明另一個實施例的一種調壓器的示意圖；圖6是本發(fā)明一個受控電抗器的示意圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的一種具有不同磁通路徑的三相變壓器示意圖；圖8A和8B為現(xiàn)有的殼式和鐵芯型變壓器的示例。
圖1是一個普通電力變壓器／電抗器繞組附近的簡化但是基本的電場分布示意圖，其中1是繞組，2是鐵芯，3是等位線，即電位值相等的線。假定繞組的下部處在地電位。
電位分布決定了絕緣系統(tǒng)的構成，因為在繞組相鄰各匝之間及每一匝和地之間都需要有足夠的絕緣。圖1表明繞組的上部受到最高的介電應力作用。一個繞組相對于鐵芯的結構和位置主要是由鐵芯窗口中的電場分布決定的。
圖2是一條可用于本發(fā)明的高功率感應裝置繞組中電纜的例子。此電纜4包含至少一個由一些多芯電纜5A組成的導體5及包在導體外面的芯子6。芯子包括一個環(huán)繞多芯電纜的內半導體層6A。這個內半導體層外面是用固態(tài)絕緣體做的電纜主絕緣層7，它外面是一個外半導體層6B。電纜還可以為了特殊目的加上其它的附加層，例如為了防止在變壓器／電抗器的其它區(qū)域出現(xiàn)過高的電應力。從幾何尺度方面而言，這種電纜一般的導體面積在30至3000mm2之間，電纜外徑在20至250mm之間。
采用上述電纜4制成的繞組可以用于單相，三相和多相裝置中，而與芯子做成什么形狀無關。圖3是一個三相疊片狀鐵芯變壓器的例子。按通常的方式，鐵芯由三個鐵芯柱9，10及11及連接磁軛式臂12和13組成。在此例中，鐵芯柱和磁軛的橫截面都是錐形。
用電纜4做的繞組是處在繞鐵芯柱同心的位置。很顯然，圖3的實例中有三個同心繞組匝14，15，16。最內層的繞組匝14可能代表初級繞組，而其它兩個繞組匝15和16代表次級繞組。為不使圖太復雜，圖上沒有標出繞組的連線。但圖中畫出了幾個位于繞組某些點上的隔條17和18，這是為了使繞組結構穩(wěn)定等目的而設置的。隔條可以用導磁材料或絕緣材料來做，它們給各同心繞組匝之間提供一定的空間用于冷卻。這些隔條也可用導電材料來做，以構成接地和繞組磁路的一部分。
圖4A是按本發(fā)明的一個高功率感應裝置--一個單相鐵芯型變壓器30。變壓器30包括一個鐵芯32，由幾條腿34，36和38及上、下臂40和42組成。鐵芯32可用帶孔或窗41和43的疊片制成。另外，變壓器30也可以是殼式或空氣芯型。
為形成一個鐵芯型變壓器，將初級繞組44繞在腿34上?？砂搭愃频姆绞綄⒋渭壚@組46與初級繞組44同心地繞在腿34或另一條腿上面。需要的話，可將與初級繞組串聯(lián)的次級抽頭繞組48繞在腿38上。
在上、下臂40和42之間的窗口內可以放一個隔條50。此隔條50可以是一個軟鐵條，或者與疊片做成一體，以給鐵心提供支撐，也可以提供一條磁通路徑(下面會談到)。
如圖所示，可將第一控制繞組56繞在腿36上，而將第二控制繞組58澆在腿38上。第一控制裝置60與第一控制繞組56相連，第二控制裝置62與第二控制繞組58相連?？刂蒲b置可包括有功和無功元件，如一個或多個固定或可變電容，電感，電阻，電流或電壓源，或有源濾波器61A-61E。同樣，控制裝置62可包含一個或多個此類元件62A-E。
按照本發(fā)明，腿心36，38和隔條50根據(jù)需要可以有一個具有高磁阻間隙的區(qū)域66，68和70。這個區(qū)域可以是一個空氣隙或一個非磁墊塊。此間隙足以對磁通在很寬的動態(tài)范圍內實行控制，其尺寸一般在數(shù)mm至100mm?？刂评@組56和58用來使流過鐵心的磁通分布產生變化。同樣，控制繞組71可用來控制墊塊70中的磁通分布。
在普通變壓器中，初級繞組在鐵心內產生一個相應的磁通φ。在一個只有兩個鐵心腿的簡單變壓器中，磁通構成一個連續(xù)環(huán)路或具有間隙的環(huán)形磁路。在圖4A所示的裝置中，磁通φ1被分成分別通過相應鐵心腿36和38的兩路φ2和φ3。
在圖4A所示裝置中，初級繞組有N1匝，次級有N2匝，抽頭有N3匝。在簡單變壓器中，初級電壓V1除以其匝數(shù)N1等于次級電壓V2除以其匝數(shù)N2。因而電壓比V1／V2等于匝數(shù)之比N1／N2，這是大家都熟知的一個關系式。在圖4A中，此關系式在鐵心38內的磁通φ3=0時成立。但若我們假定φ3為其最大值，則次級繞組48的匝數(shù)N3要加到初級的匝數(shù)N1上(因為兩者是串聯(lián)的)，于是上述關系式變成V1／V2=(N1+N3)／N2，即輸出電壓要增加。因此根據(jù)本發(fā)明，可以改變鐵心32各條腿36和38內的磁通分布，以改變初級和次級之間的電壓關系。雖然可以在66，68提供一個空氣隙并用機械方法改變空氣隙的大小，但這并不是一個經濟的方法。因而加上了控制繞組56和58。如果控制繞組58的負載是可變容性電抗(如圖中的62A)，則可改變電容來使磁通路徑φ3閉合，使得初級與次級之間的電壓關系是一個簡單的匝數(shù)比N1／N2。也可以選擇電容使得磁通φ3不被扼制或部分被扼制。另一方面，若控制繞組56的負載足可變容性電抗61A，則同樣磁通路徑φ2可以完全閉合，初級與次級閥的電壓比將等于初級加上抽頭繞組的匝數(shù)除以次級匝數(shù)(N1+N3)／N2。電容負載的比例將決定最終的電壓比值。
因此，我們在一個可變變壓器中加上一個控制繞組，通過改變每條鐵心腿內的磁通來改變變壓器的輸出?？梢圆捎貌煌愋偷目勺冏杩埂＠?，若采用可變電感器，則磁阻反比于電感量。因而高的感性負載將在腿中產生相應的高磁通分布。若用高電阻作為控制繞組的負載，在腿中的磁通分布也高。若將控制繞組短路，則效果和導電環(huán)繞著鐵心腿類似，即將磁通閉合。還可以提供各種固定和可變、有功和無功負載的組合。此外，也可以用有源元件(如有源濾波器)來提供負載或激勵。這種濾波器可以是編程控制的。
還可以給控制繞組56提供一個可變功率源如電壓源或電流源61D，以便在繞組上產生一個輸入信號，用來調制腿36中的磁通φ2。這種調制可以是幅度調制，相位調制和頻率調制。對控制繞組58可作類似的安排。也可以給控制繞組61提供一個例如61E的有源濾波器元件，以改變控制繞組的特性，并因此而調制變壓器的輸出。
如上所述，隔條50是使結構規(guī)定和作支撐之用，并提供一個磁通定向路徑，以便當初級或次級繞組出故障時引導變壓器內的磁通走向。發(fā)生故障時，通過隔條50的補償氣隙或磁阻70提供了一個磁通路徑，以增加變壓器的阻抗至一個安全值，從而避免災難性的損毀。通過這個補償磁阻70的磁通，如有需要可用這兒所述的控制電路來改變。同樣，一個或多個隔條17(見圖3)可用作另外一些可以控制的磁通路徑。這種結構為高功率變壓器提供了迄今所沒有的附加自由度。
按照本發(fā)明，高功率變壓器是利用如圖2所示的高壓電纜4來制造的。這種電纜可以在很高的功率下工作而不需對場進行控制，也沒有局部放電。因此本發(fā)明既可用于可變變壓器，也可用于高功率變壓器，這在以前是不可能的。
圖4B是按本發(fā)明的一個高功率電抗器130。除了沒有次級繞組外，這個電抗器130與圖4A的變壓器30是相似的。故為方便起見，將電抗器130中相似的元件以100號的數(shù)字序列來標示。在所示裝置中，初級繞組144與次級抽頭繞組148相串聯(lián)。因此電抗器是由一對互相串聯(lián)的電感器組成的。
通過改變鐵心132內的磁通分布，可以使線路的電感也發(fā)生變化。例如，當腿136內的磁通φ2最大時，電感量達到最大值。這可以在控制繞組156兩端加上高電容性負載來讓它短路而得以實現(xiàn)。同樣，當路徑φ3的磁通通過增加可變磁阻168而減小時，線路的電感量變小。
圖4B所示的電抗器同樣也可以用圖2的電纜來制造，以提供高功率所需的特性。
圖4A和4B的裝置是單相系統(tǒng)。但同樣的方式也一樣可用于三相裝置，以充分利用三相運行的優(yōu)點。
按本發(fā)明的另一個實施例，變壓器或無源鐵心200的一部分如圖5A所示。鐵心200有一個主磁通202和一個包含兩個或以上的磁通路徑的磁路，或者腿202和204。圖5A中的一條腿202有一個主繞組203。與202相平行的是一個可磁化的調節(jié)或控制腿204，它具有一個低磁導率的區(qū)域205。區(qū)域205可以是一個空氣隙，多個隙，在鐵心內和空腔，或固態(tài)材料填充物，其磁導率μ1比鐵心材料低，也可以是其它適當?shù)慕Y構。
調節(jié)腿204被一個與可變電容器208相連的附加繞組206所包圍。按本發(fā)明，用一個以電容作負載的繞組可以產生負磁阻。因此，通過改變電容器208的電容可以控制或調節(jié)主繞組203的輸出電壓V1。
本發(fā)明的另一個實施例示于圖5B，其中帶主繞組203的主腿201下行分成兩個子腿202和204。子腿之一202相當于上面所述的控制腿204，且包含一個低磁導率區(qū)205A一個與可變電容器208相連的控制繞組。
主繞組203的輸出電壓可以通過與主繞組203串聯(lián)的子繞組212和214向外輸出。子繞組212和214分別繞在子腿202和204上。它們的繞組彼此相反。因此子繞組運行時，一個子繞組內的磁通增加另一個就降低。所以子繞組212和214相對主繞組203得到同樣的電壓。這樣一來，電壓調節(jié)或控制的范圍大一倍。
圖5C是圖5B裝置的一種變型，其中子腿212和214包含低磁導率的區(qū)域222和224?？刂评@組206和210分別與單獨的可變電容器208和209相連。采用兩個控制腿可以增加調節(jié)范圍。
可以把本發(fā)明用于圖6所示的單相感應線圈240，它在鐵心246上有一個主繞組242和一個控制繞組244，還可以有一個空氣隙或導磁區(qū)248。鐵心246內的磁通φ可如上所述在控制繞組上加一個負載或控制信號來改變，還可將這種裝置用于多相電抗器、調壓器、多相感應控制調壓器一類的帶負載抽頭變換器，自耦變壓器和升壓變壓器，以及任何需要可變高壓電感的應用中。
圖7是本發(fā)明的又一種實施例，其中三相變壓器310的主繞組312和控制繞組314繞在鐵心316上。腿318和磁軛302內的各種磁通路徑以虛線表示。按本發(fā)明，可將控制繞組繞在每個腿318或每個磁軛320上。如上所述，可以有一個空氣隙或高導磁性的區(qū)域322。另外，也可以在圖7的裝置中按上述加一些隔條。這些隔條也可以加上空氣隙或高導磁區(qū)，且通過其中的磁通可以由一個阻抗或有源控制繞組來控制。這些繞組可以串聯(lián)或并聯(lián)成磁通定向路徑。
上面所述只是本發(fā)明的一些典型實施例，很顯然業(yè)內人士可以作各種各樣的變化和改進而不致偏離本發(fā)明，后附的權利要求書覆蓋了這些變化和改進，它們都不超出本發(fā)明的真實意圖和范圍。
權利要求
1．一種靜態(tài)高功率電磁裝置，包括至少一個通電時產生磁通的主繞組，它至少包含一個載流導體及一個圍繞此導體的導磁的，限制電場的絕緣外殼；至少一個與主繞組的工作相聯(lián)系的控制繞組；一個磁通定向區(qū)；以及與控制繞組相連的控制裝置，用來改變磁通定向區(qū)的磁通。
2．如權利要求1所述的裝置，其特征在于，外殼至少包括一個圍繞導磁的固態(tài)絕緣層，和至少一個圍繞導體的局部導電層。
3．如權利要求1所述的裝置，其特征在于，磁通定向區(qū)是可磁化的，且其工作與主繞組和控制繞組有關。
4．如權利要求1所述的裝置，其特征在于，工作與主繞組和控制繞組相關的可磁化磁通定向區(qū)至少包含一個殼或鐵心。
5．如權利要求1所述的裝置，其特征在于，在與主繞組和控制繞組中至少一個有工作聯(lián)系的磁通定向區(qū)域內，還包含一個較高磁阻的區(qū)域。
6．如權利要求1所述的裝置，其特征在于，主繞組和控制繞組的關系是并聯(lián)或串聯(lián)。
7．如權利要求1所述的裝置，其特征在于，包括一個磁回路，它至少有一個串聯(lián)或并聯(lián)路徑，且控制繞組是位于此串聯(lián)或并聯(lián)路徑內。
8．如權利要求1所述的裝置，其特征在于，控制裝置至少包含一個有功或無功阻抗。
9．如權利要求8所述的裝置，其特征在于，阻抗是一個無功阻抗。
10．如權利要求8所述的裝置，其特征在于，阻抗是一個有功阻抗，包括至少一個開路或短路電路，或一個電阻，它們的工作與控制繞組有關。
11．如權利要求1所述的裝置，其特征在于，繞組是一個柔性電纜。
12．如權利要求1所述的裝置，其特征在于，外殼包含一個圍繞導體的具有半導體特性的內層；一個圍繞內層的固態(tài)絕緣層；以及一個圍繞絕緣層的具有半導體特性的外層。
13．如權利要求12所述的裝置，其特征在于，內層與導體有電連接且與導體處于同一電位。
14．如權利要求12所述的裝置，其特征在于，外層是一個環(huán)繞絕緣層的等位面。
15．如權利要求12所述的裝置，其特征在于，外層可連到至少一個可選擇的電位上。
16．如權利要求15所述的裝置，其特征在于，可選擇的電位是地電位。
17．如權利要求12所述的裝置，其特征在于，至少有一個半導體層與絕緣層具有相同的熱膨脹系數(shù)。
18．如權利要求12所述的裝置，其特征在于，外殼幾乎是密實的。
19．如權利要求12所述的裝置，其特征在于，每個半導體層有一個接觸面，它與相應的絕緣層表面處于相對的位置，且所有的接觸面都連在一起。
20．如權利要求12所述的裝置，其特征在于，第一層和第二層是由聚合物材料制成的。
21．如權利要求1所述的裝置，其特征在于，繞組是由一條傳輸線組成的。
22．如權利要求1所述的裝置，其特征在于，電纜是用一個面積在30至300mm2的導線加工而成，其外徑在20至250mm之間。
23．如權利要求1所述的裝置，其特征在于，固態(tài)絕緣體是用聚合物材料制造的。
24．如權利要求1所述的裝置，其特征在于，固態(tài)絕緣體包含一個突起。
25．如權利要求2所述的裝置，其特征在于，載流導體包含一些彼此絕緣的多芯電纜和一些不絕緣的多芯電纜，以保證與半導體層的電接觸。
26．如權利要求2所述的裝置，其特征在于，至少有一個導體的多芯電纜是不絕緣的，且安置得能與半導體層電接觸。
27．如權利要求1所述的裝置，其特征在于，包括至少兩個在電上分開的同心繞制的繞組。
28．如權利要求1所述的裝置，其特征在于，包括至少與兩個電壓電平相連的至少一個電力變壓器或電抗器。
29．如權利要求1所述的裝置，其特征在于，繞組包括電力電纜接頭。
30．如權利要求1所述的裝置，其特征在于，繞組的設計電壓超過至少10KV，36KV，72．5KV，400KV及800KV。
31．如權利要求1所述的裝置，其特征在于，繞組的設計功率范圍至少在0．5MVA以上或30MVA以上。
32．如權利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括由液體或氣體構成的處于地電位冷卻裝置。
33．一種生產如權利要求1所述裝置的方法，包括在現(xiàn)場穿繞電纜這一步驟。
34．如權利要求1所述的裝置，其特征在于，包括一個低導磁率的區(qū)域，由至少一個空氣隙或導磁元件或低導磁率的固態(tài)材料插入物組成。
35．如權利要求34所述的裝置，其特征在于，低導磁率區(qū)由導電元件內的空腔構成。
36．如權利要求1所述的裝置，其特征在于，包含一個鐵心，由一個分成兩個小腿的主腿組成，其中至少一個子腿構成控制繞組的控制腿。
37．如權利要求1所述的裝置，其特征在于，包含一個鐵心，由一個分成兩個小腿的主腿組成，每個小腿構成每個控制繞組的控制腿。
38．如權利要求37所述的裝置，其特征在于，主繞組由兩個彼此串聯(lián)的子繞組構成，每個子繞組繞在屬于它的小腿上。
39．如權利要求1所述的裝置，其特征在于，該裝置是一個多相變壓器，它在每相中每一個控制腿，以便對每相進行獨立調節(jié)。
40．如權利要求1所述的裝置，其特征在于，該裝置是一個多相變壓器，在每相中有一個控制腿，各控制腿的控制繞組連在一起以進行聯(lián)合調節(jié)。
41．如權利要求1所述的裝置，其特征在于，該裝置至少包括一個自耦變壓器或升壓變壓器。
42．一個高功率可變電感裝置，包括一個由磁通路輕和磁通定向區(qū)組成的磁回路；一個圍繞磁通路徑的主繞組；至少一個圍繞磁通路徑的控制繞組；以及與通電就可工作的控制繞組相連的控制裝置，以便有選擇地改變磁通定向區(qū)內的磁通。
43．如權利要求42所述的裝置，其特征在于，磁通定向區(qū)至少包含一個隔條，用來穩(wěn)定至少一個繞組。
44．如權利要求43所述的裝置，其特征在于，隔條有一個低導磁率的區(qū)域。
45．如權利要求42所述的裝置，其特征在于，控制裝置包含一個阻抗。
46．如權利要求45所述的裝置，其特征在于，阻抗至少包括一個無功阻抗或有功阻抗。
47．如權利要求46所述的裝置，其特征在于，無功阻抗至少包括一個容性負載或感性負載。
48．如權利要求46所述的裝置，其特征在于，阻抗是可變的。
49．如權利要求42所述的裝置，其特征在于，控制至少包括一個有源或無源濾波器。
50．如權利要求42所述的裝置，其特征在于，控制包括一個功率源，由改變磁通定向區(qū)磁通的振幅、頻率和相位中的一個的裝置組成。
51．一個高功率可變電感裝置，包括一個由磁通路徑和其中的磁通定向區(qū)組成的磁回路，可有選擇地改變磁通定向特性；至少一個與磁通路徑有關的主繞組；至少一個圍繞磁通路徑的控制繞組；及與通電即可工作的控制繞組相連的控制裝置，以有選擇性地改變磁通定向區(qū)內的磁通定向特性。
52．如權利要求51所述的裝置，其特征在于，至少一個繞組包括一個載流導體和導磁的場限制絕緣外殼。
53．如權利要求51所述的裝置，其特征在于，磁通定向區(qū)包括用來支撐繞組的隔條裝置，且控制繞組與隔條裝置有一定的工作關系。
54．如權利要求51所述的裝置，其特征在于，控制裝置包括一個功率源，用來產生對控制繞組的振幅，相位和頻率調制中至少一項調制。
全文摘要
一種帶可變電感的高功率靜態(tài)電磁裝置,其磁路包含一個磁通定向區(qū)。一個主繞組和至少一個控制繞組圍繞著該磁通定向區(qū)的各個部份。一個與控制繞組相連的控制裝置用來改變磁通的分布。繞組是由導磁的、場限制絕緣電纜組成的。
文檔編號H01F29/14GK1279816SQ98811463
公開日2001年1月10日 申請日期1998年9月29日 優(yōu)先權日1997年11月28日
發(fā)明者C·薩瑟, T·舒特, M·萊永, J·A·奈格倫, L·格爾特馬, B·貝里格倫 申請人:Abb股份有限公司