NO810609L - Elektrisk induktivt apparat. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører generelt elektriske induktive apparater som f.eks. nettransformatorer og særlig elektriske viklinger for slike apparater og som har en høy seriekapasitans.

Ved elektriske induktive apparater, eksempelvis elektriske en- eller flerfase-nettransformatorer i form av kjernetransformatorer, blir det vanligvis benyttet en høyspennings-fase-vikling omfattende et større antall elektrisk sammenkoplete smale (flate) spoler, som er anordnet i en aksialt fluktende stabel. Denne spolestabel omslutter det ene benet på en magnetisk kjerne. Et overspennings- eller støtpotensial, som eksempelvis kan forårsakes av lyn, overspenning eller kopling, vil når det påføres uttaket eller klemmen av en vikling av dette slag, fordele seg over de smale spolenes vindinger, over viklingen og fra denne til jord i overensstemmelse med viklingens kapasitive beskaffenhet, idet lederne og jord herunder selektivt utgjør kondensatorenes "elektroder", mens viklings-isolasjonen og andre isoleringselementer danner dielektrikum.

Det er et karakteristisk trekk ved slike viklinger med smale spoler at et støtpotensial konsentrerer seg ved viklingens uttak eller klemme, for deretter hurtig å dempes på veien inn i viklingen. Det er ønskelig å kunne benytte en viklingsut-førelse som er i stand til å fordele slike transiente spenninger så jevnt som mulig over de smale spolenes vindinger og over viklingens spoler, for på denne måten å forhindre oppbygging av elektriske belastninger eller påkjenninger til uønsket høye verdier, noe som kan føre til at isolasjonen svikter. Når spen-ningsfordelingen skifter fra transient (kapasitiv) til (normal) induktiv, oppstår det uvegerlig visse spenningsoscillasjoner.

Det er derfor ønskelig å kunne fordele nevnte støtpotensialer

på en slik måte at størrelsen på de spenningsoscillasjoner, som

frembringes når spennings fordelingen skifter fra kapasitiv til induktiv, blir redusert. Jo mer den transiente kapasitive spenningsfordeling faller sammen med den normale induktive fordeling, desto mindre er størrelsen på de transiente spen-ningsoscillas joner som frembringes når fordelingen skifter fra kapasitiv til induktiv.

Det kan som kjent oppnås en indikasjon på støtpotensial-fordelingens ensartethet over viklingen ved hjelp av viklingens fordelingskonstant alfa. Fordelingskonstanten alfa er lik kva-dratroten av forholdet mellom viklingens kapasitans Cg til jord og viklingens seriekapasitans Cg:

Jo mindre fordelingskonstant alfa, desto jevnere fordeling av støtpotensialer over viklingen. Siden fordelingskonstanten kan minskes gjennomøkning av viklingens seriekapasitans, har det ifølge kjent teknikk vært vanlig å utforme de smale spolene ved samtidig vinding av to eller flere ledere, slik at det dannes et større antall spoleseksjoner med radialt "interfolierte" vindinger. Ved deretter å kople sammen spoleseksjonene på en slik måte at enkelte vindinger fra en elektrisk sett fjerntliggende del av spolen eller viklingen blir plassert direkte mellom visse andre, elektrisk sammmenkoplete vindinger (kalt interfoliering),økes spenningen mellom direkte nærliggende spoler og nærliggende vindinger parallellkoples på en effektiv måte. Dette resulterer i en økning av seriekapasitansen for hver av de smale spolene og forden elektriske viklingen.

Teknikkens stilling omfatter mange forskjellige inter-folieringsarrangementer. Enkelte arrangementer er nødvendig-gjort for å oppnå varierende grad av interfoliering og derved forskjellige seriekapasitansverdier, avhengig av behovet ved spesifikk anvendelsesformål eller i ulike seksjoner av en enkelt vikling. Andre arrangementer er nødvendiggjort ut fra hensynet til fremstillingen av interfolierte viklinger omfattende to eller flere parallellkoplete elektriske ledere, når det under konstruksjonsoperasjonen er ønskelig å øke viklingens strøm-føringsevne;

Det elektriske induktive apparatets ønskete strømførings-evne og tapsverdi er delvis bestemmende for leder-tverrsnitts-arealet av spolevindingene og for det antall ledningstråder som er nødvendig for å oppnå nevnte tverrsnittsareal. Transforma-torenes tapsverdi eller spenningsfall tillegges stadig større betydning ved elektriske hjelpemaskiner, og de blir derfor konstruert med henblikk på å redusere tapet mest mulig. Tverr-snittsarealet av den ledende del av en ledervinding økes for derved å minske I 2R-tapene. Istedenfor å benytte en stor leder, blir det tverrsnittsareal, som behøves, bygget opp av et større antall tråder, slik at hvirvelstrømtapene reduseres.

Når transformatoren er konstruert under hensyntaken til nødvendig impedans, strømføringsevne og tap ved å benytte de enkelttråddimensjoner som er tilgjengelige, kan det tenkes at konstruksjonen vil kreve at hver spoleseksjon skal omfatte et i gjennomsnitt forutbestemt antall ledervindinger pluss en halv ledervinding, for på denne måten å skaffe det. nødvendige antall volt pr. vinding over et forutbestemt antall smale spoler med en forutbestemt aksial stabledimensjon og forutbestemt radial byggedimensjon.

Enkelte innerviklinger med høyt grunnleggende impulsnivå må ha høy seriekapasitans, for på den måten å forhindre konsen-trering av transient spenning, som forklart i det foregående. Strømføringsevne og tapsverdi kan komme til å kreve at en slik innervikling med høy seriekapasitans skal ha fire tråder eller fire parallellkoplete strømbaner.

Dersom konstruksjonen i tillegg til dette skulle kreve en halv vinding, vil det være ytterst vanskelig å fremstille viklingen på en økonomisk forsvarlig måte ved bruk av kjent teknikk og oppnå en mekanisk sterk konstruksjon med ensartet, minimal byggedimensjon.

Ifølge oppfinnelsen er det kort og godt skaffet til veie en vikling med høy seriekapasitans og utformet med interfolierte vindinger, for elektriske induktive apparater som f.eks. nettransformatorer. Viklingen kan benyttes som inner-eller yttervikling i kjernetransformatorer ved konsentrisk nærliggende kjerneformkonstruksjon.Viklingen innbefatter fire gjensidig interfolierte, elektrisk ledende strømbaner som strekker seg gjennom et antall smale spoler, som er anbrakt i innbyrdes aksiale avstander. Det grunnleggende interfolierings- mønster er avsluttet over et par umiddelbart nærliggende smale spoler, idet dette spolepar betegnes som et "grunnpar". Dette . grunnmønster er gjentatt fra grunnpar til grunnpar over viklingens aksiale lengde.

Hver av de fire elektriske strømbanene har N ledervindinger i den ene spolen av et grunnpar og N+l i den andre, utbalansert på en slik måte at samtlige smale spoler i reali-teten har et likt antall fullstendige ledervindinger. Dette arrangement gir en ensartet byggedimensjon fra spole til spole under oppnåelse av et gjennomsnitt på vindinger pr. elektrisk strømbane pr. smal spole.

Ytterligere fordeler med oppfinnelsen samt andre anvendelsesformål for denne vil fremgå tydeligere av den etterfølgende detaljbeskrivelse av eksempelvise utførelses former under henvisning til tegningene, hvori: Fig. 1 viser et prinsippskjerna for et elektrisk induktivt apparat, som med fordel kan utstyres med viklinger ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 viser et fragmentarisk sideriss som illustrerer hvorledes de elektriske viklingene ifølge fig. 1 ville ha vært plassert i forhold til hverandre på benet av en magnetisk kjerne. Fig. 3 viser en skjematisk illustrasjon av en firetråds, gjensidig tvilling-interfoliert vikling, som er utformet i overensstemmelse med oppfinnelsen og som kan anvendes for enkelte av de viklinger som er vist i fig. 1 og 2.

Under henvisning til tegningene, særlig fig. 1 og:2, er det vist, henholdsvis i form av et prinsippskjerna og i fragmentarisk tverrsnittsriss, et elektrisk induktivt apparat 10, som representerer teknikkens standpunkt og som kan utformes i overensstemmelse med oppfinnelsen. Oppfinnelsen er særlig for-delaktig i forbindelse med en innervikling, fordi den letter konstruksjonen av en mekanisk sterk, flertråds-vikling med høy seriekapasitans og som har minimale dimensjoner. Det elektriske induktive apparatet 10 i fig. 1 er vist i form av en autotransformator, for på denne måten å illustrere hvor en slik innervikling med høy seriekapasitans kan anvendes. Det vil imidlertid forstås at oppfinnelsen egner seg like godt for ytter-viklinger som for innerviklinger, enten det gjelder autotrans-formatorer eller isolerte viklingstyper.

Nærmere bestemt er det elektriske induktive apparat 10 en trefase-autotransformator av kjernetypen. Bare den ene av de tre fasene er illustrert, etter som de øvrige to vil være tilsvarende. Apparatet 10 innbefatter en hjelpevikling 12, som kan være koplet til hjelpeviklingene for de gjenværende to fasene, som vist, for å danne en delta- eller tertiær-vikling 13. Hver fase innbefatter dessuten en første og en annen vikling, henholdsvis 14 og 16, som er koplet sammen ved knutepunktet 24

for å danne en seriekrets fra et høyspenningsuttak H til et nulluttak N via viklingene, henholdsvis 14 og 16. En regulerings-vikling 18 er, sammen med tradisjonell regulatorapparatur som f.eks. en uttaksvender 20 og et strømbegrensende organ 22, tilkoplet mellom knutepunktet 24 og et uttak X for lavere spenning. Fig. 2 er et fragmentarisk sideriss, delvis vist i snitt, av det elektriske induktive apparatets 10 ene fase, og illustrerer en typisk plassering av de ulike viklinger, som er vist skjematisk i fig. 1. Apparatet 10 innbefatter en magnetisk kjerne 26, som har et ben 28. Benet 28 har en vertikalt orien-tert lengdeakse 30, og rundt denne er de forskjellige fase-viklingsaggregater eller -enheter plassert konsentrisk og i nærheten av hverandre. Eksempelvis kan hjelpeviklingen 12 anbringes i umiddelbar nærhet av den magnetiske kjernens ben 28, mens den regulerende viklingen 18 danner den neste vikling, fulgt av viklingene 16 og 14.Viklingene 14, 16 kan være utformet i overensstemmelse med oppfinnelsen. Det turde uten videre fremgå av fig. 2 hvorfor det er av den ytterste viktig-het å minimalisere dimensjonene på en hvilken somy helst elektrisk vikling, særlig den radiale dimensjonen av en innervikling, på grunn av den måten den i betydelig grad påvirker dimensjonene hos hvilke som helst ytre viklinger, magnetkjernen og den omsluttende beholder eller kasse. Fig. 3 er en skjematisk gjengivelse av en vikling ifølge oppfinnelsen med høy seriekapasitans. Det er vist en firetråders, gjensidig tvilling-interfoliert vikling. Det kan f.eks. antas

at viklingen ifølge fig. 3 er beslektet med viklingen 16 i fig.

1 og 2, og at konstruksjon og utførelse krever en flerhet av smale spoler med et gjennomsnitt på N+^ ledervindinger pr. spole.

Det er bare vist et visst antall smale spoler og ledervindinger pr. spole for å illustrere oppfinnelsen på passende måte, idet det vil forstås at viklingene kan omfatte et hvilket som helst ønsket antall smale (flate) spoler samt ledervindinger pr. spole. Viklingen 16 innbefatter nærmere bestemt en flerhet av smale spoler, som er anordnet i innbyrdes aksiale avstander i et stablet arrangement rundt aksen 30 for den magnetiske kjernens 26 ben 28. To smale eller flate spoler 32,.34 er vist i nærheten av uttaket 24 og to 36, 38 i nærheten av uttaket N. De mellomliggende smale spoler vil bli konstruert og tilkoplet på samme måte som den heretter beskrevne konstruksjon og koplinger.

Viklingens 16 smale spoler blir konstruert for å gi en vikling med høy seriekapasitans og interfolierte vindinger samt omfattende fire parallellkretser mellom uttaket 24 ved viklingens 16. begynnelse og uttaket N ved slutten av viklingen. Viklingens 16 smale spoler er koplet sammen for å danne et antall grunnpar, som hver omfatter første og annen nærliggende smale spoler, idet det grunnleggende interfolieringsarrangement er utført i hvert grunnpar. Disse grunnparene er deretter innbyrdes sammenkoplet, for på denne måten å danne fire parallellkretser mellom viklingens begynnelses- og avslutningsende. Siden det behøves to smale spoler for å fullføre det grunnleggende interfolieringsmønstret, omtales dette vanligvis som tvilling-interfoliering. I fig. 3 danner de smale spolene 32, 34 et grunnpar 40, mens de smale spolene 36, 38 danner et annet grunnpar 42.

Hver av de smale spolene omfatter et antall ledervindinger, som er dannet av første, annen, tredje og fjerde elektriske ledere eller tråder, som er spiralviklet rundt den felles akse 30. De spiralviklete trådene danner første, annen, tredje og fjerde seksjoner i hver av de smale spolene. Hver seksjon har indre og ytre ender. Spoleseksjonenes vindinger er radialt interfolierte med hverandre i hovedsakelig samme plan. Inner-endene blir benevnt "starten" og ytterendene "avslutningen" på en slik spoleseksjon, uavhengig av hvor den elektriske kretsen først går inn i den tilknyttede seksjon. Ledervindingene er isolert fra hverandre på velkjent måte, men isolasjonen er utelatt for å forenkle tegningene.

Hver av de to smale spolene av et par har en nærliggende side og en ikke-nærliggende side i forhold til den andre smale spolen i paret. Spolen 32 har således en nærliggende side 44

og en ikke-nærliggende side 46, mens spolen 34 har en nærlig-

gende side 48 og en ikke-nærliggende side 50.

De fire kretsene, betegnet med A, B, C og D, følger en spiral innover gjennom den første smale spolen av et grunnpar og utover gjennom den annen smale spole under gjensidig interfoliering av spolevindingene. Enkeltvindingene av en sammen-satt ledervinding opptrer i rekkefølgen A, B, C og D, hvor A

og C er de kretser som først går inn i endene av de ytterste vindinger av disse kretser i den smale spolen 32 via ledere LC og LA. Det fremgår at kretsene A, B, C og D løper sammen innover i spiral inntil begynnelsen på den siste ledervinding er nådd. Den siste ledervinding er dannet av bare A- og B-trådene, idet C- og D-trådene er benyttet for å danne den første vindingen av den annen smale spole 34'i grunnparet 40. A^og B-kretsene har således en ledervinding mer i spolen 32 enn C- og D-kretsene. På tilsvarende måte har C- og D-kretsene en ledervinding mer i spolen 34 enn A- og B-kretsene.

Den første eller innerste ledervinding av den smale spolen 34 dannes ved å benytte bare C- og D-trådene. A- og B-trådene er deretter koplet sammen med C- og D-trådene for å danne de øvrige.ledervindinger, som løper utover i spiral i den smale spolen 34. C- og D-trådene har således, som allerede nevnt en ledervinding mer i den annen smale spole 34 enn A- og B-trådene. Over et grunnpar har samtlige fire kretser nøyaktig det samme antall ledervindinger og hver av de smale spolene har det samme totale antall vindinger som alle de andre smale spolene. Dersom imidlertid hver krets har N vindinger i én smal spole

og N+l vindinger i den andre smale spolen av et grunnpar, er det gjennomsnittlige antall vindinger pr. smal spole for hver av de fire parallellkretsene. Derved blir det mulig å gi en firetråders, gjensidig tvilling-interfoliert vikling med høy seriekapasitans halwindingsegenskaper.

Ved å vende tilbake til beskrivelsen av de fire parallelle kretsene i et grunnpar vil det fremgå at endene av de innerste vindingene av A- og C-kretsene i spolen 32 er koplet sammen med endene av de innerste vindinger av A- og C-kretsene i spolen 34 via start-start-forbindelsene, henholdsvis 52 og 54.

B- og D-kretsene går først inn i den smale spolen 32 fra dens ikke-nærliggende side 46, men fordi disse kretsene befinner seg direkte innenfor planene av sidene 46 og 44, fungerer de ikke elektrisk som en del av den smale spolen 32 på dette tids- punkt. Dette skyldes det faktum at begge disse kretser forlater den smale spolen fra dens nærliggende side etter å ha gått frem bare noen cm i deres periferiske forløp. Etter denne begynnende direkte gjennomtrengning av den smale spolen 32, fortsetter B- og D-kretsene umiddelbart fra den nærliggende side av spolen 32 og går inn i endene av de innerste vindin-

gene av B- og D-kretsene av spolen 34 via start-start-forbindelsene, henholdsvis 56 og 58.

C- og D-trådene er viklet sammen for å danne den innerste vinding av den smale spolen 34 og er deretter koplet sammen ved A- og B-trådene for å fullføre dé gjenværende vindinger. Endene av de ytterste B- og D-ledervindinger av den smale spolen 34 er koplet sammen med endene av de ytterste vindingene av fl-

og D-kretsene i den smale spolen 32 via avslutning-avslutning-forbindelsene, henholdsvis 60 og 62. Endene av de ytterste A-

og C-vindingene av spolen 34 er koplet sammen med endene av de ytterste A- og C-vindingene i den neste nærliggende smale spolen via avslutning-avslutning-forbindelsene, henholdsvis 64 og 66, for å påbegynne det neste grunnparet på samme måte som tid-ligere beskrevet i forbindelse med det første grunnparet 40.

Når B- og D-kretsene i den smale spolen 32 forlater spolen 32 ved endene av deres innerste vindinger, dvs. de ledervindinger som er betegnet med B5 og D5 i fig. 3, blir det forbeholdt et kort stykke i omkretsretningen for lokaliseringen av B- og D-kretsenes direkte inntrengning i spolen 32. Dette arrange-

ment er angitt i fig. 3 ved å plassere vinding BO i nærheten av vinding B5 og vinding DO nær vinding D5. De deretter følgende ledervindinger er vist i radial avstand fra side-ved-side-vindingstegnene, for på denne måten å oppnå en tydeligere an-givelse av de forskjellige start-start-forbindelsene. I praksis finnes det ikke noe slikt radialt mellomrom mellom vindingene. Alle vindingene blir viklet tett sammen for å minimalisere den radiale byggedimensjon og for å sikre at konstruksjonen blir mekanisk sterk.

B- og D-kretsene forlater endene av de innerste vindingene av den smale spolens 32 B- og D-kretser tog går direkte inn i den smale spolen 34 via start-start-forbindelsene, henholdsvis 68 og 70, samt kommer inn i mellomrom som med hensikt er etter-latt i nærheten av begynnelsesendene av D- og B-kretsenes innerste vindinger. Deretter forlater B- og D-kretsene den smale spolen

34 via de vindinger, som er betegnet med B5 og D5, for å gå direkte inn i den nærmeste etterfølgende smale spole via start-start-forbindelsene, henholdsvis 72 og 74. Derved er beskrivelsen av grunnparet 40 ferdig. De øvrige grunnpar av viklingen 16 er innbyrdes sammenkoplet på samme måte som grunnparet 40. Det er benyttet samme henvisningstall med tillegg av et merke-tegn i figuren for å angi de forskjellige start-start- og avslutning-avslutning-forbindelser for det siste grunnpar 4 2

i den aksiale stabel av flate spoler.

De smale eller flate spolene kan vikles fra fire sneller eller trådruller med ledere, dette i motsetning til enkelte firetråders arrangementer ifølge kjent teknikk, som krever åtte. Dessuten er alle forbindelsene mellom spolene innbyrdes utført som start-start- eller avslutning-avslutning-forbindelser mellom umiddelbart nærliggende smale eller flate spoler.

Claims (4)

1. Skiveviklingsaggregat eller -enhet for elektriske induktive apparater og av det slag som omfatter smale eller flate spoler med interfolierte vindinger, karakterisert ved at det omfatter en flerhet smale spoler, som er plassert med innbyrdes aksiale mellomrom og som hver er forsynt med et antall isolerte ledervindinger, som avgrenser første, andre, tredje og fjerde elektriske strømbaner, og organ for gjensidig sammenkopling av de smale spolene, slik at nevnte første, andre, tredje og fjerde elektriske strømbaner fortsetter fra spole til spole, idet sammenkoplingsorgan avgrenser et interfoliert mønster, som sikrer gjensidig interfoliering av vindingene i nevnte første, andre, tredje og fjerde elektriske strømbaner, hvor direkte nærliggende vindinger kommer fra forskjellige elektriske strømbaner og fra elektrisk ulike deler av viklingsaggregatet, idet det interfolierte mønster sikrer sammenkopling av de smale spolene i grunnpar og er slut-tet over to nærliggende smale spoler, hvoretter mønsteret gjen-tas i etterfølgende grunnpar, og at hver av nevnte første, andre, tredje og fjerde elektriske strømbaner har N ledervik-linger i den ene smale spolen av et grunnpar og N+l vindinger

i den andre, idet de ytterligere vindinger fra to av strøm-banene befinner seg i den ene smale spolen og de ytterligere vindinger fra de øvrige to strømbanene i den andre spolen, slik at hver av de smale spolene har det samme totale antall ledervindinger, for å gi et gjennomsnitt av ledervindinger i hver elektrisk strømbane i hver smal spole.

2. Skiveviklingsaggregat i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det innbefatter organ for gjensidig sammenkopling av nevnte første, andre, tredje og fjerde strøm-baner i punkter, som ligger i nærheten av de smale spolene samt avgrenser de aksiale endene på spolene, som er plassert i innbyrdes aksiale avstander-, for på denne måten å danne første, andre, tredje og fjerde parallelle strømbaner gjennom viklingsaggregatet.

3. Skiveviklingsaggregat i samsvar med krav 1, karakterisert ved at de smale eller flate spolene i et grunnpar har nærliggende sider og ikke-nærliggende sider, idet et utvalgt par av nevnte elektriske strømbaner går inn i en første smal spole av et grunnpar fra dens ikke-nærliggende side ved endene av utvalgte ytterste ledervindinger, mens de to øvrige elektriske strømbanene midlertidig går inn i først-nevnte smale spole fra dens ikke-nærliggende side i nærheten av utvalgte innerste vindinger av denne, hvoretter de forlater førstnevnte smale spole for å gå inn i den gjenværende smale spolen fra dens nærliggende side ved endene på utvalgte innerste ledervindinger av denne..

4. Skiveviklingsaggregat i samsvar med krav 3, karakterisert ved at den ene av nevnte to utvalgte elektriske strømbaner, som går .inn i de ytterste vindinger av førstnevnte smale spole av et grunnpar, og den ene av de øvrige to elektriske strømbanene har N+l ledervindinger i førstnevnte smale spole og N ledervindinger i den andre, mens de gjenværende to elektriske strømbanene' har N ledervindinger i førstnevnte smale spole og N+l ledervindinger i den andre.