NL8802882A - Van axiale kanalen voorziene, als schijvenwikkeling uitgevoerde transformatorwikkeling. - Google Patents

Description

Van axiale kanalen voorziene, als schijven-wikkeling uitgevoerde transformatorwikkeling

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een wikkeling voor een transformator of een smoorspoel, waarbij op elkaar volgende windingen in radiale richting op elkaar zijn aangebracht.

Dergelijke wikkelingen zijn algemeen bekend als schijvenwikkelingen of dubbelspoelenwikkelingen; zo is bijvoorbeeld in het octrooischrift GB-A-587997 een dergelijke wikkeling bekend.

Een nadeel van de in de aanhef vermelde soort wikkelingen is, dat de koeling niet optimaal is. Voor koeling zijn namelijk slechts zich radiaal uitstrekkende kanalen aanwezig, die gevormd worden doordat tussen de afzonderlijke schijven afstandsblokjes geplaatst worden. Door deze kanalen kan zonder bijzondere maatregelen slechts een gebrekkige natuurlijke circulatie van de olie plaatsvinden, zodat vaak geleide circulatie moet worden toegepast, of genoegen moet worden genomen met minder optimale koeleigenschappen.

Er zijn verder wikkelingen bekend, die het genoemde nadeel van een gebrekkige olieciroulatie niet hebben. Dit zijn de zogenaamde lagenwikkelingen. Bij deze wikkelingen zijn de afzonderlijke windingen in axiale richting op elkaar geplaatst. De koeling is door de aanwezigheid van in axiale richting verlopende kanalen uitmuntend. Deze wikkelingen zijn echter minder geschikt voor gebruik als hoogspanningswikke-ling, aangezien de spanning tussen zich in eikaars nabijheid bevindende windingen in naburige lagen groot is, zodat de doorslagvastheid van dergelijke wikkelingen zonder bijzondere maatregelen gering is.

het doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een in de aanhef genoemde schijvenwikkeling, waarbij door de aanwezigheid van in axiale richting verlopende kanalen een optimale koeling plaatsvindt.

Dit doel wordt bereikt doordat de windingen die in radiale richting op elkaar liggen met een onderlinge tussenruimte zijn uitgevoerd.

Deze tussenruimten liggen in alle schijven op dezelfde diameters en vormen zo in axiale richting doorlopende koelkanalen.

Voor het vormen van dergelijke koelkanalen zijn tussen opeenvolgende windingen binnen een schijf op regelmatige onderlinge afstanden tussenstukken aangebracht.

Vervolgens zal de onderhavige uitvinding worden toegelicht aan de hand van de bijgaande tekeningen, waarin voorstellen: fig. 1: een schematisch doorsnede-aanzicht van een wikkeling volgens de onderhavige uitvinding; fig. 2: een schematisch perspectivisch aanzicht van een wikkeling volgens de onderhavige uitvinding tijdens het wikkelproees; fig. 3: een schematisch perspectivisch aanzicht van het wikkelen van een als luswikkeling uitgevoerde wikkeling volgens de onderhavige uitvinding; fig. 4; een diagram van een van isolatiekragen voorziene wikkeling volgens de onderhavige uitvinding; fig. 5: een perspectivisch aanzicht van drie bij het vervaardigen van de wikkeling volgens de onderhavige uitvinding gebruikte spieën; fig. 6: een diagram van een andere mogelijkheid om de windingen van de verschillende schijven van een wikkeling volgens de onderhavige uitvinding met elkaar door te verbinden; en fig. 7: een voorstelling van de stootspanningsver-deling in een wikkeling die gedeeltelijk als luswikkeling is uitgevoerd.

Een wikkeling volgens de onderhavige uitvinding is gewikkeld rondom een wikkelkern of wikkelmal 1. De wikkeling wordt gevormd door geleiders 2. Elk van deze geleiders wordt gevormd door een of meerdere draden van geleidend materiaal, zoals koper, die omgeven worden door isolatiemateriaal, bij- voorbeeld papier.

De geleiders worden schijf voor schijf gewikkeld. Bij dit wikkelen worden tussen opeenvolgende windingen tussenruimten 3 in acht genomen. Om de afstanden tussen de afzonderlijke windingen te handhaven, zodanig dat de tussenruimten 3 ontstaan, worden op regelmatige afstanden tussenstukken of spieën 4 tussen de windingen aangebracht.

Nadat het wikkelen van één schijf voltooid is, wordt direct daarop aansluitend de volgende schijf gewikkeld. Bij een normale schijvenwikkeling worden opeenvolgende schijven steeds afwisselend van binnen naar buiten en van buiten naar binnen gewikkeld, zodat met dezelfde geleider gewoon kan worden doorgewikkeld. Een dergelijke wikkeling is in fig. 2 getoond.

Het is echter tevens mogelijk een zogenaamde "geluste" dubbelspoelenwikkeling toe te passen, waarvan enkele voorbeelden meer in extenso beschreven zijn in GB-A-587997.

In dit geval wordt de geleider van de eerste schijf voortgezet in de derde schijf.

Bij beide wikkelingen worden de aangrenzende schijven direct tegen elkaar gewikkeld, dus zonder tussenruimten. Tijdens het wikkelen wordt gebruik gemaakt van de spieën 4.

Na voltooiing van de wikkeling zijn dan tussen de spieën en de geleiders zich in axiale richting uitstrekkende kanalen ontstaan, waardoorheen zich de olie zonder extra geleiding kan verplaatsen.

Fig. 2 toont een normaal uitgevoerde wikkeling, ook wel "gekeerde" wikkeling genoemd, waarbij de maatregelen volgens de onderhavige uitvinding zijn toegepast.

De wikkeling wordt begonnen aan de binnenzijde van de onderste schijf 11. Nadat de eerste winding is voltooid, wordt een S-bocht in de geleider aangebracht teneinde een overgang naar een grotere diameter te verwezenlijken. Hierna wordt de tweede winding aangebracht, waarbij steeds op regelmatige afstanden spieën aangebracht worden tussen de eerste en de tweede winding. Op deze wijze worden alle windingen van de eerste schijf gewikkeld.

Vervolgens wordt, weer door middel van een S-bocht of bajonet 12, de overgang gemaakt naar de volgende schijf 13. De windingen van deze schijf worden achtereenvolgens van buiten naar binnen aangebracht, waarbij iedere winding steunt tegen de spieën die tijdens het wikkelen van de eerste schijf 11 zijn aangebracht en boven deze schijf uitsteken. Aan de binnenzijde wordt dan weer een niveau naar boven gesprongen, zoals bij 14 zichtbaar is. De hierop volgende schijf wordt weer, net als de eerste schijf 11, van binnen naar buiten gewikkeld? hierbij worden in het verlengde van de reeds aanwezige spieën nieuwe spieën aangebracht.

De genoemde overgangen 12 en 14 tussen de naburige schijven, alsmede de overgangen binnen deze schijven tussen de verschillende diameters, bevinden zich voor de gehele wikkeling in hetzelfde deel van de omtrek. In dit gedeelte worden geen spieën aangebracht, en zijn tussen de geleiders dus geen tussenruimten aanwezig, omdat hier in dezelfde radiale afmeting zich één geleider meer bevindt dan in de rest van de omtrek van de wikkeling. Verder verlopen de geleiders van twee naburige schijven in dit gedeelte steeds afwisselend schuin naar binnen en schuin naar buiten, zodat de eventuele tussenruimten tussen de geleiders niet recht boven elkaar zouden uitkomen en dus geen doorlopende kanalen in axiale richting kunnen vormen.

Vervolgens zal worden beschreven hoe een geluste wikkeling volgens de onderhavige uitvinding wordt gewikkeld. Ook hier is de uit geleiders 2 bestaande wikkeling rondom een wikkelmal 1 aangebracht. Om de afstand tussen de afzonderlijke geleiders 2 te handhaven zijn ook hier spieën 4 aangebracht, zodat tussen de geleiders 2 vrije ruimten 3 worden gevormd.

De beschrijving van de geluste wikkeling is het eenvoudigst wanneer wordt begonnen in een situatie waarin reeds een aantal schijven gewikkeld is. Het is hierbij niet van belang of deze schijven een geluste of een gekeerde wikkeling vormen. Deze schijven zijn in fig. 1 niet weergegeven.

In het voorbeeld wordt uitgegaan van de buitenzijde van de onderste schijf, dus de met 6 aangegeven winding. Vervolgens worden de meer naar binnen gelegen windingen van de onderste schijf aangebracht, totdat de binnenste winding 7 voltooid is. Hierbij steunen de nieuw aangebrachte windingen weer, net als bij de gekeerde wikkeling, tegen de spieën die boven de onderliggende schijf uitsteken. Vervolgens worden vijf windingen direct naast elkaar op de wikkelmal aangebracht en wordt de betreffende geleider afgesneden. Deze situatie is voor een wikkeling die reeds vier schijven meer bevat dan weergegeven in fig. 1.

Daarna wordt met een nieuwe geleider een tweede schijf direct bovenop de eerste gelegd, en wel wederom uitgaande van de buitenzijde, dus van de met 8 aangegeven winding. Vervolgens wordt ook deze op de reeds beschreven wijze van buiten naar binnen gewikkeld, waarbij de tussenruimte tussen de afzonderlijke windingen weer gehandhaafd wordt door de eerder aangebrachte spieën die nog boven de eerste schijf uitsteken.

Wanneer de binnenste winding 9 van deze schijf is aangebracht, wordt de derde schijf van binnen naar buiten gewikkeld, en wel met de vijf tijdelijk rondom de wikkelmal opgeslagen windingen. Gelijktijdig hiermee wordt de vierde schijf gewikkeld; hiervoor wordt dezelfde geleider gebruikt als voor de tweede schijf. Tijdens het wikkelen van deze derde en vierde schijf worden, in het verlengde van de reeds aanwezige spieën, nieuwe spieën aangebracht tussen de opeenvolgende windingen. Wanneer deze spieën een werkende hoogte hebben die gelijk is aan vier maal de axiale afmeting van de geleider, dan zullen deze twee draadhoogtes boven de vierde schijf uitsteken. Zodoende kunnen de vijfde en de zesde schijf, die op dezelfde wijze als de eerste resp. de tweede schijf van buiten naar binnen gewikkeld worden, door deze spieën gesteund worden.

Na het wikkelen van de derde en de vierde schijf moeten de einden van de geleiders die de buitenste windingen van de tweede en de derde schijf vormen met elkaar verbonden worden. Aldus ontstaat een verbindingslas, die schematisch met 10 is aangegeven.

De vijfde schijf wordt gewikkeld met dezelfde geleider als de vierde schijf; deze loopt dus gewoon door. Ver-> der is de wikkelprocedure voor de vijfde tot en met de achtste schijf, en voor ieder volgend viertal, gelijk aan die voor de eerste tot en met de vierde schijf.

Pig. 3 toont een schematisch perspectivisch aanzicht van het wikkelproces tijdens het vervaardigen van een I wikkeling, zoals deze aan de hand van fig. 1 is beschreven.

In de in fig. 3 getoonde situatie is de onderste schijf 13 van buiten naar binnen gewikkeld, waarbij het resterende van de hiervoor gebruikte geleider tijdelijk hoger op de wikkel-mal 1 is aangebracht, terwijl een aanvang is gemaakt met het wikkelen van de zich direct daarboven bevindende schijf 15. Hiervan is de buitenste winding aangebracht, terwijl men bezig is de zich daarbinnen bevindende winding aan te brengen.

Bij de in fig. 4 schematisch afgebeelde wikkeling zijn van isolatiemateriaal vervaardigde kragen 20 en 21 om delen van de wikkeling aangebracht. De kragen 20 zijn aan de buitenzijde aangebracht, waarbij een deel van de kraag zich tussen de buitenste windingen van twee naburige schijven naar binnen toe uitstrekt. De kragen 21 zijn aan de binnenzijde aangebracht en strekken zich op soortgelijke wijze tussen naburige schijven naar buiten uit. In beide gevallen wordt er voor gezorgd dat de in axiale richting verlopende kanalen 18 niet door de kragen geblokkeerd worden. Tussen de overige windingen van de betreffende schijven zijn van isolerend materiaal vervaardigde opvulringen 22 aangebracht, die de door het aanbrengen van de kragen ontstane niveauverschillen compenseren.

Door het aanbrengen van deze kragen wordt beoogd de elektrische doorslagvastheid langs de binnen- en buitenzijde van de wikkeling te vergroten. Op deze plaatsen heeft het elektrische veld namelijk zowel een axiale als ook een radiale component; dit in tegenstelling tot het veld in de koel-spleten 18 dat voornamelijk axiaal gericht is. De radiale component aan de binnen- en buitenzijde van de wikkeling wordt veroorzaakt door de binnen resp. buiten de wikkeling liggende andere wikkelingen of constructiedelen, die zich op een andere elektrische potentiaal bevinden.

In fig. 5 zijn drie verschillende uitvoeringsvormen weergegeven van de in de beide wikkelingen volgens de onderhavige uitvinding te gebruiken spieën. Elke spie bestaat uit een lichaam 23, dat aan zijn onderzijde van een trapeziumvormige inkeping 24 is voorzien, zodat aan weerszijden van deze uitsparing 24 twee benen 25 ontstaan, waartussen een zich naar boven uitstrekkend trapeziumvormig uitsteeksel 26 kan worden geschoven, zodat boven elkaar geplaatste spieën 4 met elkaar worden gekoppeld.

De spieën zijn zodanig gedimensioneerd, dat de werkende hoogte hiervan overeenkomt met bijvoorbeeld de hoogte van twee schijven, dus twee maal de axiale afmeting van de gebruikte geleiders.

Bij het vervaardigen van een gekeerde wikkeling, zoals beschreven aan de hand van fig. 2, kunnen de spieën dan steeds aangebracht worden tijdens het naar buiten toe wikkelen van een schijf. Hierna kunnen de winding van de volgende schijf, die van buiten naar binnen gewikkeld wordt, tussen de uit de eerstgenoemde schijf naar buiten stekende spieën gelegd worden.

Bij het vervaardigen van een geluste wikkeling, zoals beschreven aan de hand van fig. 1, bedraagt de werkende hoogte van de spieën vier maal de geleiderhoogte. Bij een overgang van het gekeerde naar het geluste wikkelingstype is de meest praktische hoogte drie maal de geleiderhoogte.

De onderhavige uitvinding is toegelicht aan de hand van een normale gekeerde dubbelspoelenwikkeling en een geluste dubbelspoelenwikkeling. Het is uiteraard tevens mogelijk de maatregelen volgens de onderhavige uitvinding toe te passen bij dergelijke, met parallelle geleiders uitgevoerde wikkelingen. Deze parallelle geleiders kunnen dan in axiale en/ of in radiale richting naast elkaar zijn aangebracht. Wanneer de parallelle geleiders in radiale richting naast elkaar zijn geplaatst, dus in dezelfde schijf, dan kan zelfs een wikkeling met een oneven aantal windingen per dubbelspoel, d.w.z. per twee schijven, worden gerealiseerd.

Voorts is het mogelijk om de windingen een andere volgorde te laten doorlopen dan de aan de hand van fig. 1, 2 en 3 uiteengezette geluste of gekeerde uitvoering. Een voorbeeld van een dergelijke op een andere wijze geluste wikkeling is schematisch aangegeven in fig. 6. In deze figuur worden de windingen 101 tot en met 124 in opklimmende nummer-volgorde door de stroom doorlopen. De hiervoor noodzakelijke overgangen tussen de verschillende schijven zijn schematisch met pijlen aangegeven. Het vervaardigen van een dergelijke wikkeling gebeurt op soortgelijke wijze als eerder beschreven voor de geluste wikkeling.

Uiteraard moeten de wikkelingen van een transformator of smoorspoel bestand zijn tegen de krachten die op kunnen treden bij kortsluitstromen. De zich bij kortsluiting ontwikkelende elektro-magnetische krachten belasten de schijfspoelen onder andere in axiale richting. De tot nu toe gebruikelijke schijvenwikkelingen zijn hier minder tegen bestand, omdat de tussen de afzonderlijke schijven aangebrachte afstandsblokjes het draagvlak van de schijven verminderen en de wikkeling hierdoor gemakkelijker samengedrukt wordt. Een wikkeling volgens de onderhavige uitvinding behoeft niet te worden voorzien van deze blokjes en is daarom veel beter bestand tegen kortsluitkrachten.

In het algemeen komt het de spanningsvastheid van de wikkeling bij belasting met een stootspanning ten goede wanneer de seriecapaciteit van de wikkeling groot is, in het bijzonder de seriecapaciteit van de eerste windingen, c.g. de eerste dubbelspoel.

Deze seriecapaciteit wordt gevormd door de onderlinge capaciteiten van naburige windingen. Hierbij is de bijdrage van een dergelijke onderlinge capaciteit groter naarmate de betreffende windingen meer in rangorde uit elkaar liggen. Dat wil zeggen dat de capaciteit tussen twee windingen van dezelfde schijf, die slechts 1 in rangorde verschillen, een kleinere bijdrage levert dan de capaciteit tussen windingen in naburige schijven. Deze laatsten liggen immers qua rangorde meestal verder uit elkaar? voor de gewone gekeerde wikkeling bedraagt het verschil in rangorde maximaal het aantal windingen in twee schijven min 1.

Bij een tot nu toe gebruikelijke schijvenwikkeling zijn juist de laatstgenoemde capaciteiten tussen windingen in naburige schijven, die een relatief grote bijdrage aan de se-riecapaciteit leveren, klein vanwege de tussen de schijven toegepaste blokjes en koelkanalen. Bij een wikkeling volgens de onderhavige uitvinding daarentegen zijn deze capaciteiten groot vanwege het ontbreken van radiale kanalen. Hier staat weliswaar tegenover dat de afstand tussen opeenvolgende windingen in een schijf vergroot is, waardoor de hiermee samenhangende capaciteiten kleiner zijn, maar zoals reeds uiteengezet is de bijdrage hiervan aan de totale seriecapaciteit veel geringer. Het resultaat is dan ook dat door de maatregelen volgens de onderhavige uitvinding de seriecapaciteit van de wikkeling aanmerkelijk vergroot wordt.

Ook is het bij een wikkeling volgens de onderhavige uitvinding, in vergelijking met de tot nu toe bekende schijvenwikkelingen, beter mogelijk om voor de geleiders gebruik te maken van uit vele parallelle draden bestaande geslagen kabels. Deze kabels vertonen namelijk oneffenheden, veroorzaakt door het van plaats wisselen van de afzonderlijke draden. Deze oneffenheden bevinden zich op de zijvlakken die bij het wikkelen binnen en buiten liggen, zodat de gemiddelde afstand tussen opeenvolgende geleiders vergroot wordt. Bij een gebruikelijke schijvenwikkeling betekent dit dat de belangrijkste capaciteit tussen de windingen hierdoor verlaagd wordt. Bij een wikkeling volgens de onderhavige uitvinding bevindt de belangrijkste capaciteit zich echter, zoals reeds uiteengezet, niet tussenopeenvolgende windingen maar tussen naburige schijven. De hierbij betrokken zijvlakken van de kabel zijn relatief vlak, zodat door het toepassen van kabel de capaciteit nauwelijks verkleind wordt.

Om de seriecapaciteit nog verder te verhogen, is het mogelijk de wikkeling als een geluste dubbelspoelenwikke-ling uit te voeren, aangezien dit wikkelingstype een inherent grote seriecapaciteit heeft, zoals reeds gemeld in GB-A-587997.

Omdat het vervaardigen van een geluste wikkeling meer werk met zich meebrengt dan een gekeerde wikkeling, kan het voordelig zijn om alleen het eerste gedeelte van de wikkeling, waarbij belasting met een stootspanning van nature de grootste spanningen optreden, uit te voeren als geluste wikkeling om deze spanningen tot een aanvaardbaar niveau terug te brengen.

De onderhavige uitvinding heeft hierbij het voordeel dat ook bij de gekeerde uitvoering de seriecapaciteit duidelijk hoger is dan bij een overeenkomstige wikkeling volgens de tot nu toe bekende uitvoeringsvormen. Door berekeningen kan aangetoond worden dat het relatieve verschil tussen een bekende schijvenwikkeling en een wikkeling volgens de onderhavige uitvinding bij de gekeerde uitvoering zelfs nog groter is dan bij de geluste uitvoering. Dit betekent dat bij de overgang van het geluste naar het gekeerde gedeelte de discontinuïteit in de seriecapaciteit bij de uitvoering volgens de uitvinding kleiner is dan bij een bekende schijvenwikkeling. Dit heeft tot gevolg dat de door deze discontinuïteit veroorzaakte plaatselijke verhoging in de stootspan-ningsbelasting door toepassing van de maatregelen volgens de uitvinding verkleind wordt.

Dit is schematisch weergegeven in fig. 7, waarbij fig. 7a de stootspanningsverdeling in een wikkeling volgens de tot nu toe bekende uitvoering weergeeft, en fig. 7b de verdeling in een wikkeling volgens de onderhavige uitvinding. De spanningsbelasting in het gekeerde gedeelte 28 is het hoogst op de plaats waar dit deel aansluit op het geluste gedeelte 27? deze belasting wordt weergegeven door de helling van de raaklijnen 29.

De combinatie van een gelust en een gekeerd wikke-lingsdeel heeft verder het voordeel dat door een geschikte keuze van de plaats van de overgang de tussen de verschillen- de schijven optredende stootspanningen nog beter verdeeld kunnen worden dan bij een wikkeling die volledig als geluste wikkeling uitgevoerd is. Door de lagere seriecapaciteit van het gekeerde gedeelte zal dit namelijk relatief iets zwaarder belast worden, en daarmee neemt de belasting van het eerste gedeelte nog verder af.

Claims (13)

1. Wikkeling voor een transformator of smoorspoel, waarbij op elkaar volgende windingen radiaal naast elkaar zijn aangebracht, met het kenmerk, dat de windingen met een onderlinge radiale tussenruimte zijn uitgevoerd.

2. Wikkeling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat tussen opeenvolgende windingen op regelmatige onderlinge afstanden tussenstukken zijn aangebracht.

3. Wikkeling volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de in axiale richting aan elkaar grenzende windingen zonder tussenruimte direct op elkaar geplaatst zijn.

4. Wikkeling volgens conclusie 2 of 3, met het kenmerk, dat de tussenstukken in boven elkaar geplaatste schijven recht boven elkaar geplaatst zijn en elk aan hun onderen boveneinde van koppelorganen zijn voorzien.

5. Wikkeling volgens conclusie 3 of 4, met het kenmerk, dat de werkende hoogte van de tussenstukken gerelateerd is aan de hoogte in axiale richting van een winding.

6. Wikkeling volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de werkende hoogte van de tussenstukken gelijk is aan twee maal de hoogte van een winding.

7. Wikkeling volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de werkende hoogte van de tussenstukken gelijk is aan drie of vier maal de hoogte van een winding.

8. Wikkeling volgens één van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de wikkeling is uitgevoerd als een geluste dubbelspoelenwikkeling.

9- Wikkeling volgens één van de conclusies 1 tot en met 7, met het kenmerk, dat de afzonderlijke schijven over meer dan vier schijven gelust zijn doorverbonden.

10. Wikkeling volgens één van de voorafgaande conclusies, gekenmerkt door van isolerend materiaal vervaardigde, zich gedeeltelijk als een mantel om de wikkeling heen uitstrekkende, en zich gedeeltelijk tussen naburige windingen in radiale richting uitstrekkende kragen.

11- Tussenstuk ten aebruike bii een wikkelina vol- gens één van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat een dergelijk tussenstuk van isolatiemateriaal vervaardigd is, en aan zijn boven- en onderzijde van koppelorganen is voorzien.

12. Tussenstuk volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat de koppelorganen gevormd worden door een hoofdzakelijk trapeziumvormig uitsteeksel, resp. een hoofdzakelijk trapeziumvormige inkeping.

13. Werkwijze voor het wikkelen van een transformator- of smoorspoelwikkeling waarbij op elkaar volgende windingen in radiale richting naast elkaar liggen met een onderlinge tussenruimte, met het kenmerk, dat tussen de opeenvolgende windingen spieën geplaatst worden.