变压器插入电容屏蔽式线圈的结构特点研究

2020-03-27王艳峰

通信电源技术 2020年22期

王艳峰

（中山ABB变压器有限公司，广东中山 528449）

0 引言

随着我国经济的快速发展，很多领域都有着长足的发展和壮大，这种情况下很多行业领域对于电力的需求更为巨大，因此需要加强电力行业各项设备的研发和完善。变压器线圈在电力行业当中具有十分重要的作用，通过改进变压器线圈能够进一步提高变配电和发电等环节的效果。当前，变压器线圈的种类较多，通常可以分为层式线圈、螺旋式线圈、连续式线圈、插入电容屏蔽式线圈（简称内屏式线圈）以及纠结式线圈等。而本文将主要针对插入电容屏蔽式线圈进行分析和研究。

1 变压器线圈

1.1 线圈的类型

线圈又叫做绕组，是变压器设备中最为重要的构成部分之一，是变压器设备的电路部件，负责在变压器中进行电流的传递和转化。线圈的制造相对复杂，通常利用铜制或者铝制材料经过缠绕制造，这些金属材料的导电性能良好，能够在工作的过程中保证良好的电流量[1]。同时根据变压器使用方式的差异，线圈导线的选择也有所不同，如果变压器使用环境属于低额定电流时，通常会选择圆形导线，而如果额定电流水平长时间处于较高水平下，则需要选择扁平状的导线[2]。此外，根据变压器设备的电压情况及线圈缠绕方式的差异，导线外皮材料也会有所不同，当中较为常用的导线外层形式包括漆包层、纸包以及玻璃丝包等，而导线材料的外层会选择绝缘材料。

1.2 常见线圈结构

当前在变压器线圈的设计中主要使用层式结构和饼式结构，这两种线圈结构都有其各自特点。层式结构主要是将线圈进行逐层的绕制，每层都需要绕制成筒状结构，并通过多个筒状结构的线饼以同心方式进行排列组合而成。其中多层和双层的线圈制造结构较为简单，层式的线圈相对容易绕制，因此制造流程较为快捷。在35 kV以下等级的变压器设备中应用较为广泛[3]。4层的线圈主要在400 V的低压变压器中进行使用。饼式线圈通常使用扁线，将线段绕制成为饼状具有良好的散热性和较高的机械强度，可以在很多变压器设备中应用[4]。饼式线圈根据种类的不同又分为纠结式、屏蔽式以及连续式等，此外交错式线圈和“8”字式线圈等较为特殊的变压器线圈绕制方式也都属于饼式线圈。

2 插入电容屏蔽式线圈

2.1 插入电容屏蔽式线圈的概念

屏蔽线是线圈当中十分重要的部分，通常会直接插入线圈外径位置的导线中，其在工作过程中的起始状态为悬浮，同时根据线圈端部场强的具体状态而决定其具体的放置位置。在制造过程中为了提高屏蔽线和工作导线之间能够有足够的电容量，不能在工作线和屏蔽线当中安装纸垫条等材料，但这种情况下会影响屏蔽线的松紧调节效果，增加了屏蔽线松紧调节的难度[5]。因此，在实际的制造过程中需要针对插入电容屏蔽式线圈的结构进行优化和改进。

2.2 插入电容屏蔽式线圈的结构

插入电容屏蔽式线圈属于连续式的变压器线圈，是一种相对特殊的变压器线圈。这种线圈结构是在线饼外侧位置的匝间置入一个可以提高纵向电容量的导线，而这根导线在运转过程中并不会流通线圈中的工作电流。导线的交换位置和纠结式线圈有一定的相似性，区别在于插入电容屏蔽式线圈中的导线并没有设计底位及连位。此外绕制方法和纠结式线圈相近，在不同的线饼之间进行屏蔽线连接时，可以剪断屏蔽线并进行焊接，同时也能够在使用前预留一部分屏蔽线作为下一个线饼的屏蔽线。

插入电容屏蔽式线圈是一种应用较为广泛的线圈类型，在高压环境甚至超高压水平下使用都可以保证电容量。该线圈结构能够轻易进行匝间线圈电容量的调节，保证线圈在大量电流的冲击下形成相对稳定安全的电压分布状态[6]。同时，插入电容屏蔽式线圈中的屏蔽线能够增加电容量，但是却不使用工作电流，这种绕制方式能够为所有的屏蔽线提供自己单独的电位，相比其他线圈类型更具优势。此外，屏蔽线在绕制的过程中可以进行整数匝设计，也可以根据实际需求进行分数匝设计，为了提高工作线和屏蔽线之间的电容量，屏蔽线的前端位置需要有导体作为起头，采用绝缘材料进行包扎，避免尖角和毛刺。插入电容屏蔽式线圈的具体结构如图1和图2所示。

图1 屏蔽线圈在并联线间

图2 屏蔽线圈在匝间

3 插入电容屏蔽式线圈的绕制方式

3.1 “1+1”两段式屏蔽绕制

“1+1”两段式屏蔽绕制是当前插入电容屏蔽式线圈中较为常见的绕制方式之一，其具体绕制方式如图3所示。

图3 “1+1”两段式屏蔽绕制方式

在这种绕制方式中，所谓的“1+1”是指一根屏蔽线和一条工作线。在绕制过程中主要包括以下几种方法。第一，反段绕制。这一段的绕制主要是将屏蔽线置入工作线的内径当中，再将两个线进行并绕。通常是绕制3次后，在将下方的屏蔽线剪断，剪断的位置需要处于工作线S弯位置两个撑条之前，再将屏蔽线的前端用绝缘材料包扎，最后使用皱纹纸将屏蔽线固定到工作线上。而工作线需要再进行缠绕1匝，并将换位进行弯折，将临时线段翻叠之后形成反段。整个反段当中，外径一面是工作线，而内径位置为屏蔽线[7]。第二，正段绕制。工作线在底位进行转换后，绕制1匝，而屏蔽线需要放在工作线的内径位置。屏蔽线的前端需要和反段上的屏蔽线前端进行绕制。按照3个撑条的距离进行并绕，绕制匝数为3匝。同样，外径位置为工作线，内径位置为屏蔽线。第三，屏蔽线连接。屏蔽线的连接需要按照固定的方法进行，在换位点将反段位置上的屏蔽线换位S弯进行弯折，并将其连接到正段当中，和正段的屏蔽线进行焊接固定，进行焊接的位置需要处于工作线的下方。第四，如果使用立体绕制方法，屏蔽线可以选择单独进行绕制，不和工作线进行并绕。在绕制时预留出一段屏蔽线，保证其具有一定长度。在反段和正段绕制完成后，将屏蔽线置入工作线的匝间当中，这种绕制方法可以不用进行焊接，但是只能在屏蔽线匝数为1匝时使用，如果匝数超过两匝，则需要使用并绕的方式，防止屏蔽线和工作线之间的松紧程度无法控制。在线段匝数不同时，其绕制方式可以以此类推。

3.2 “2+1”两段匝间绕制

“2+1”两段匝间的绕制方式如图4所示，绕制过程中主要包括以下几种方法。

图4 “2+1”两段匝间绕制方式

第一，反段绕制。将屏蔽线放置在两个工作线内径中，将3根线进行并绕两匝，再将内侧的屏蔽线剪断，而工作线继续绕1匝并将换位进行弯折，作为临时线段。在完成反段线绕制后，外侧为两个工作线，内侧为屏蔽线。第二，正段绕制。在工作线底位换置后，将其绕制1匝，并将屏蔽线放到工作线的内径一侧，再将屏蔽线的前端和反段位置的屏蔽线前端进行间隔并绕，间隔为3个撑条距离。在绕制后，线饼中外侧为两个工作线，内侧为1个屏蔽线[8]。

3.3 “2+1”两股段间绕制

“2+1”两股段间绕制在展开后和“2+1”两段匝间绕制方法相同，但屏蔽线的换位和工作线的换位需要重叠，并需要注意剪断位置。绕制方法包括反段绕制和正段绕制两种，反段绕制将屏蔽线放置在两个工作线内径当中，将3根线进行并绕两匝，再将内侧的屏蔽线剪断，工作线继续绕1匝并将换位进行弯折，作为临时线段[9]。在完成反段线绕制后，第一根和第三根导线为工作线，而第二根导线为屏蔽线。正段绕制在工作线底位换置后，将其绕制1匝，并将屏蔽线放到工作线的内径一侧，再将屏蔽线的前端和反段位置的屏蔽线前端进行间隔并绕，间隔为3个撑条距离。

3.4 四段屏蔽线绕制方法

四段屏蔽线绕制方法和两段屏蔽线绕制方法相类似，但在四段屏蔽线绕制过程中，屏蔽线需要进行4次跨接，并进行3次换位。同时，屏蔽线在外侧暴露较长，因此在实际使用时会导致线饼较松，需要在绕制的过程中注意将线饼绕紧，为防止线饼脱落可以将屏蔽线粘贴到工作线上进行固定。

3.5 屏蔽线端头处理方法

屏蔽线的端头处理十分重要，在处理的过程中需要注意以下几点。线饼当中的电容导线端头需要使用专业断线钳进行剪断，保证屏蔽线端头为圆弧形，然后使用挫或者磨砂纸进行打磨修整，保证导线的端头位置宽度和厚度都能够成为圆弧形状，避免出现尖角以及毛刺等情况，修整后用手触摸时感觉光滑。在处理高压环境或者特高压环境中的变压器线圈屏蔽线时，需要保证端头有半导电纸予以处理，而且半导电纸需要和导体裸露部分有直接接触[10]。

3.6 连续段绕制标准

在进行正段线饼和反段线饼的绕制过程中，所有绕制方法都需要对最后的线饼进行拉紧，保证换位的S弯位置不会进入到垫块列当中。同时，换位位置不能存在剪断口，一方面需要提高绝缘保护，另一方面需要使用梭型垫片或者角环进行保护。加强绝缘材料和补包绝缘材料的纸带部分需要放置在导线之间，不可以暴露在外部，保证从线圈的内径侧和外径侧都无法看到纸带。在进行线圈起头和收尾操作时，需要对线圈的首末端出头位置进行绑扎。绑扎数量需要超过3层，同时绑扎的线饼数量需要超过3。

4 屏蔽线段绕制的要点和难点

4.1 屏蔽线绕制的要点

第一，反饼线段绕制要点。需要保证屏蔽线位置处于所有工作线的下方，如果是股间屏蔽线绕制需要处于工作线之间，同时屏蔽线和工作线需要进行并绕，保证屏蔽线和工作线的绕制数量符合规定的匝数。第二，正饼线段绕制要点。进行绕制时，工作线的底位换位后需要将工作线绕到屏蔽线前的匝数，再将屏蔽线放到工作线的下方。同时，屏蔽线端头和反段屏蔽线的端头中间需要保证有3个撑条作为间隔。第三，焊接点。焊接工作需要按照规定在换位位置进行焊接，反段屏蔽线弯折后需要过度到正段中，和正段的屏蔽线进行焊接，焊接点需要位于工作线的下方。

4.2 屏蔽线绕制的难点

屏蔽线在进行反段绕制时需要进行S弯换位，并保证S弯拉紧后正好处于规定的撑条间隔当中，而由于临时线段绕制的过程中工作线下方插入了屏蔽线，因此相当于增加了线圈中工作导线的内径。这种情况导致匝数较多时无法准确地判断S弯的位置，无法保证线段绕制的一致性。如果匝数靠前则反段拉紧后会力度过强，导致将其他正段线饼一同拉紧，造成屏蔽线出现扭曲的情况。而一旦判断的匝数位置靠后，则导致拉紧力度太小，造成反段线饼的松紧程度无法有效调节，进而需要重新进行绕制。