變壓器插入電容屏蔽式線圈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)研究

王艷峰

（中山ABB變壓器有限公司，廣東 中山 528449）

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，很多領(lǐng)域都有著長(zhǎng)足的發(fā)展和壯大，這種情況下很多行業(yè)領(lǐng)域?qū)τ陔娏Φ男枨蟾鼮榫薮?，因此需要加?qiáng)電力行業(yè)各項(xiàng)設(shè)備的研發(fā)和完善。變壓器線圈在電力行業(yè)當(dāng)中具有十分重要的作用，通過(guò)改進(jìn)變壓器線圈能夠進(jìn)一步提高變配電和發(fā)電等環(huán)節(jié)的效果。當(dāng)前，變壓器線圈的種類較多，通?？梢苑譃閷邮骄€圈、螺旋式線圈、連續(xù)式線圈、插入電容屏蔽式線圈（簡(jiǎn)稱內(nèi)屏式線圈）以及糾結(jié)式線圈等。而本文將主要針對(duì)插入電容屏蔽式線圈進(jìn)行分析和研究。

1 變壓器線圈

1.1 線圈的類型

線圈又叫做繞組，是變壓器設(shè)備中最為重要的構(gòu)成部分之一，是變壓器設(shè)備的電路部件，負(fù)責(zé)在變壓器中進(jìn)行電流的傳遞和轉(zhuǎn)化。線圈的制造相對(duì)復(fù)雜，通常利用銅制或者鋁制材料經(jīng)過(guò)纏繞制造，這些金屬材料的導(dǎo)電性能良好，能夠在工作的過(guò)程中保證良好的電流量[1]。同時(shí)根據(jù)變壓器使用方式的差異，線圈導(dǎo)線的選擇也有所不同，如果變壓器使用環(huán)境屬于低額定電流時(shí)，通常會(huì)選擇圓形導(dǎo)線，而如果額定電流水平長(zhǎng)時(shí)間處于較高水平下，則需要選擇扁平狀的導(dǎo)線[2]。此外，根據(jù)變壓器設(shè)備的電壓情況及線圈纏繞方式的差異，導(dǎo)線外皮材料也會(huì)有所不同，當(dāng)中較為常用的導(dǎo)線外層形式包括漆包層、紙包以及玻璃絲包等，而導(dǎo)線材料的外層會(huì)選擇絕緣材料。

1.2 常見(jiàn)線圈結(jié)構(gòu)

當(dāng)前在變壓器線圈的設(shè)計(jì)中主要使用層式結(jié)構(gòu)和餅式結(jié)構(gòu)，這兩種線圈結(jié)構(gòu)都有其各自特點(diǎn)。層式結(jié)構(gòu)主要是將線圈進(jìn)行逐層的繞制，每層都需要繞制成筒狀結(jié)構(gòu)，并通過(guò)多個(gè)筒狀結(jié)構(gòu)的線餅以同心方式進(jìn)行排列組合而成。其中多層和雙層的線圈制造結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，層式的線圈相對(duì)容易繞制，因此制造流程較為快捷。在35 kV以下等級(jí)的變壓器設(shè)備中應(yīng)用較為廣泛[3]。4層的線圈主要在400 V的低壓變壓器中進(jìn)行使用。餅式線圈通常使用扁線，將線段繞制成為餅狀具有良好的散熱性和較高的機(jī)械強(qiáng)度，可以在很多變壓器設(shè)備中應(yīng)用[4]。餅式線圈根據(jù)種類的不同又分為糾結(jié)式、屏蔽式以及連續(xù)式等，此外交錯(cuò)式線圈和“8”字式線圈等較為特殊的變壓器線圈繞制方式也都屬于餅式線圈。

2 插入電容屏蔽式線圈

2.1 插入電容屏蔽式線圈的概念

屏蔽線是線圈當(dāng)中十分重要的部分，通常會(huì)直接插入線圈外徑位置的導(dǎo)線中，其在工作過(guò)程中的起始狀態(tài)為懸浮，同時(shí)根據(jù)線圈端部場(chǎng)強(qiáng)的具體狀態(tài)而決定其具體的放置位置。在制造過(guò)程中為了提高屏蔽線和工作導(dǎo)線之間能夠有足夠的電容量，不能在工作線和屏蔽線當(dāng)中安裝紙墊條等材料，但這種情況下會(huì)影響屏蔽線的松緊調(diào)節(jié)效果，增加了屏蔽線松緊調(diào)節(jié)的難度[5]。因此，在實(shí)際的制造過(guò)程中需要針對(duì)插入電容屏蔽式線圈的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

2.2 插入電容屏蔽式線圈的結(jié)構(gòu)

插入電容屏蔽式線圈屬于連續(xù)式的變壓器線圈，是一種相對(duì)特殊的變壓器線圈。這種線圈結(jié)構(gòu)是在線餅外側(cè)位置的匝間置入一個(gè)可以提高縱向電容量的導(dǎo)線，而這根導(dǎo)線在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中并不會(huì)流通線圈中的工作電流。導(dǎo)線的交換位置和糾結(jié)式線圈有一定的相似性，區(qū)別在于插入電容屏蔽式線圈中的導(dǎo)線并沒(méi)有設(shè)計(jì)底位及連位。此外繞制方法和糾結(jié)式線圈相近，在不同的線餅之間進(jìn)行屏蔽線連接時(shí)，可以剪斷屏蔽線并進(jìn)行焊接，同時(shí)也能夠在使用前預(yù)留一部分屏蔽線作為下一個(gè)線餅的屏蔽線。

插入電容屏蔽式線圈是一種應(yīng)用較為廣泛的線圈類型，在高壓環(huán)境甚至超高壓水平下使用都可以保證電容量。該線圈結(jié)構(gòu)能夠輕易進(jìn)行匝間線圈電容量的調(diào)節(jié)，保證線圈在大量電流的沖擊下形成相對(duì)穩(wěn)定安全的電壓分布狀態(tài)[6]。同時(shí)，插入電容屏蔽式線圈中的屏蔽線能夠增加電容量，但是卻不使用工作電流，這種繞制方式能夠?yàn)樗械钠帘尉€提供自己?jiǎn)为?dú)的電位，相比其他線圈類型更具優(yōu)勢(shì)。此外，屏蔽線在繞制的過(guò)程中可以進(jìn)行整數(shù)匝設(shè)計(jì)，也可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行分?jǐn)?shù)匝設(shè)計(jì)，為了提高工作線和屏蔽線之間的電容量，屏蔽線的前端位置需要有導(dǎo)體作為起頭，采用絕緣材料進(jìn)行包扎，避免尖角和毛刺。插入電容屏蔽式線圈的具體結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖1 屏蔽線圈在并聯(lián)線間

圖2 屏蔽線圈在匝間

3 插入電容屏蔽式線圈的繞制方式

3.1 “1+1”兩段式屏蔽繞制

“1+1”兩段式屏蔽繞制是當(dāng)前插入電容屏蔽式線圈中較為常見(jiàn)的繞制方式之一，其具體繞制方式如圖3所示。

圖3 “1+1”兩段式屏蔽繞制方式

在這種繞制方式中，所謂的“1+1”是指一根屏蔽線和一條工作線。在繞制過(guò)程中主要包括以下幾種方法。第一，反段繞制。這一段的繞制主要是將屏蔽線置入工作線的內(nèi)徑當(dāng)中，再將兩個(gè)線進(jìn)行并繞。通常是繞制3次后，在將下方的屏蔽線剪斷，剪斷的位置需要處于工作線S彎位置兩個(gè)撐條之前，再將屏蔽線的前端用絕緣材料包扎，最后使用皺紋紙將屏蔽線固定到工作線上。而工作線需要再進(jìn)行纏繞1匝，并將換位進(jìn)行彎折，將臨時(shí)線段翻疊之后形成反段。整個(gè)反段當(dāng)中，外徑一面是工作線，而內(nèi)徑位置為屏蔽線[7]。第二，正段繞制。工作線在底位進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，繞制1匝，而屏蔽線需要放在工作線的內(nèi)徑位置。屏蔽線的前端需要和反段上的屏蔽線前端進(jìn)行繞制。按照3個(gè)撐條的距離進(jìn)行并繞，繞制匝數(shù)為3匝。同樣，外徑位置為工作線，內(nèi)徑位置為屏蔽線。第三，屏蔽線連接。屏蔽線的連接需要按照固定的方法進(jìn)行，在換位點(diǎn)將反段位置上的屏蔽線換位S彎進(jìn)行彎折，并將其連接到正段當(dāng)中，和正段的屏蔽線進(jìn)行焊接固定，進(jìn)行焊接的位置需要處于工作線的下方。第四，如果使用立體繞制方法，屏蔽線可以選擇單獨(dú)進(jìn)行繞制，不和工作線進(jìn)行并繞。在繞制時(shí)預(yù)留出一段屏蔽線，保證其具有一定長(zhǎng)度。在反段和正段繞制完成后，將屏蔽線置入工作線的匝間當(dāng)中，這種繞制方法可以不用進(jìn)行焊接，但是只能在屏蔽線匝數(shù)為1匝時(shí)使用，如果匝數(shù)超過(guò)兩匝，則需要使用并繞的方式，防止屏蔽線和工作線之間的松緊程度無(wú)法控制。在線段匝數(shù)不同時(shí)，其繞制方式可以以此類推。

3.2 “2+1”兩段匝間繞制

“2+1”兩段匝間的繞制方式如圖4所示，繞制過(guò)程中主要包括以下幾種方法。

圖4 “2+1”兩段匝間繞制方式

第一，反段繞制。將屏蔽線放置在兩個(gè)工作線內(nèi)徑中，將3根線進(jìn)行并繞兩匝，再將內(nèi)側(cè)的屏蔽線剪斷，而工作線繼續(xù)繞1匝并將換位進(jìn)行彎折，作為臨時(shí)線段。在完成反段線繞制后，外側(cè)為兩個(gè)工作線，內(nèi)側(cè)為屏蔽線。第二，正段繞制。在工作線底位換置后，將其繞制1匝，并將屏蔽線放到工作線的內(nèi)徑一側(cè)，再將屏蔽線的前端和反段位置的屏蔽線前端進(jìn)行間隔并繞，間隔為3個(gè)撐條距離。在繞制后，線餅中外側(cè)為兩個(gè)工作線，內(nèi)側(cè)為1個(gè)屏蔽線[8]。

3.3 “2+1”兩股段間繞制

“2+1”兩股段間繞制在展開(kāi)后和“2+1”兩段匝間繞制方法相同，但屏蔽線的換位和工作線的換位需要重疊，并需要注意剪斷位置。繞制方法包括反段繞制和正段繞制兩種，反段繞制將屏蔽線放置在兩個(gè)工作線內(nèi)徑當(dāng)中，將3根線進(jìn)行并繞兩匝，再將內(nèi)側(cè)的屏蔽線剪斷，工作線繼續(xù)繞1匝并將換位進(jìn)行彎折，作為臨時(shí)線段[9]。在完成反段線繞制后，第一根和第三根導(dǎo)線為工作線，而第二根導(dǎo)線為屏蔽線。正段繞制在工作線底位換置后，將其繞制1匝，并將屏蔽線放到工作線的內(nèi)徑一側(cè)，再將屏蔽線的前端和反段位置的屏蔽線前端進(jìn)行間隔并繞，間隔為3個(gè)撐條距離。

3.4 四段屏蔽線繞制方法

四段屏蔽線繞制方法和兩段屏蔽線繞制方法相類似，但在四段屏蔽線繞制過(guò)程中，屏蔽線需要進(jìn)行4次跨接，并進(jìn)行3次換位。同時(shí)，屏蔽線在外側(cè)暴露較長(zhǎng)，因此在實(shí)際使用時(shí)會(huì)導(dǎo)致線餅較松，需要在繞制的過(guò)程中注意將線餅繞緊，為防止線餅脫落可以將屏蔽線粘貼到工作線上進(jìn)行固定。

3.5 屏蔽線端頭處理方法

屏蔽線的端頭處理十分重要，在處理的過(guò)程中需要注意以下幾點(diǎn)。線餅當(dāng)中的電容導(dǎo)線端頭需要使用專業(yè)斷線鉗進(jìn)行剪斷，保證屏蔽線端頭為圓弧形，然后使用挫或者磨砂紙進(jìn)行打磨修整，保證導(dǎo)線的端頭位置寬度和厚度都能夠成為圓弧形狀，避免出現(xiàn)尖角以及毛刺等情況，修整后用手觸摸時(shí)感覺(jué)光滑。在處理高壓環(huán)境或者特高壓環(huán)境中的變壓器線圈屏蔽線時(shí)，需要保證端頭有半導(dǎo)電紙予以處理，而且半導(dǎo)電紙需要和導(dǎo)體裸露部分有直接接觸[10]。

3.6 連續(xù)段繞制標(biāo)準(zhǔn)

在進(jìn)行正段線餅和反段線餅的繞制過(guò)程中，所有繞制方法都需要對(duì)最后的線餅進(jìn)行拉緊，保證換位的S彎位置不會(huì)進(jìn)入到墊塊列當(dāng)中。同時(shí)，換位位置不能存在剪斷口，一方面需要提高絕緣保護(hù)，另一方面需要使用梭型墊片或者角環(huán)進(jìn)行保護(hù)。加強(qiáng)絕緣材料和補(bǔ)包絕緣材料的紙帶部分需要放置在導(dǎo)線之間，不可以暴露在外部，保證從線圈的內(nèi)徑側(cè)和外徑側(cè)都無(wú)法看到紙帶。在進(jìn)行線圈起頭和收尾操作時(shí)，需要對(duì)線圈的首末端出頭位置進(jìn)行綁扎。綁扎數(shù)量需要超過(guò)3層，同時(shí)綁扎的線餅數(shù)量需要超過(guò)3。

4 屏蔽線段繞制的要點(diǎn)和難點(diǎn)

4.1 屏蔽線繞制的要點(diǎn)

第一，反餅線段繞制要點(diǎn)。需要保證屏蔽線位置處于所有工作線的下方，如果是股間屏蔽線繞制需要處于工作線之間，同時(shí)屏蔽線和工作線需要進(jìn)行并繞，保證屏蔽線和工作線的繞制數(shù)量符合規(guī)定的匝數(shù)。第二，正餅線段繞制要點(diǎn)。進(jìn)行繞制時(shí)，工作線的底位換位后需要將工作線繞到屏蔽線前的匝數(shù)，再將屏蔽線放到工作線的下方。同時(shí)，屏蔽線端頭和反段屏蔽線的端頭中間需要保證有3個(gè)撐條作為間隔。第三，焊接點(diǎn)。焊接工作需要按照規(guī)定在換位位置進(jìn)行焊接，反段屏蔽線彎折后需要過(guò)度到正段中，和正段的屏蔽線進(jìn)行焊接，焊接點(diǎn)需要位于工作線的下方。

4.2 屏蔽線繞制的難點(diǎn)

屏蔽線在進(jìn)行反段繞制時(shí)需要進(jìn)行S彎換位，并保證S彎拉緊后正好處于規(guī)定的撐條間隔當(dāng)中，而由于臨時(shí)線段繞制的過(guò)程中工作線下方插入了屏蔽線，因此相當(dāng)于增加了線圈中工作導(dǎo)線的內(nèi)徑。這種情況導(dǎo)致匝數(shù)較多時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確地判斷S彎的位置，無(wú)法保證線段繞制的一致性。如果匝數(shù)靠前則反段拉緊后會(huì)力度過(guò)強(qiáng)，導(dǎo)致將其他正段線餅一同拉緊，造成屏蔽線出現(xiàn)扭曲的情況。而一旦判斷的匝數(shù)位置靠后，則導(dǎo)致拉緊力度太小，造成反段線餅的松緊程度無(wú)法有效調(diào)節(jié)，進(jìn)而需要重新進(jìn)行繞制。

5 結(jié) 論

變壓器線圈是一種較為常見(jiàn)的電力設(shè)備零件，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，變壓器線圈也在逐漸進(jìn)步和創(chuàng)新。插入電容屏蔽式線圈在變壓器線圈種類中的應(yīng)用較為廣泛，通過(guò)分析研究其結(jié)構(gòu)能夠?yàn)樵O(shè)備的改進(jìn)提供更多的幫助。