ES2307747T3 - Produccion de arrollamientos "de alta o media tension" para transformadores sumergidos y arrollamientos asi fabricados. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de fabricación de los arrollamientos "de alta (o media) tensión" para transformadores de potencia o de distribución, según el cual se confiere a dicho arrollamiento una forma general de corona cilíndrica, de revolución u oblonga, con la ayuda de un conductor de hilo metálico recubierto de una cubierta con propiedad dieléctrica, tal como una capa de esmalte, y que se bobina en espiras, procedimiento caracterizado porque se forma dicho arrollamiento por apilamiento de bobinas planas conectadas eléctricamente entre sí, estando constituida cada una de dichas bobinas planas por un conjunto de napas consecutivas de espiras sin interposición entre ellas de una capa intercalar dieléctrica, obteniéndose cada napa por bobinado en espiras de un conductor de hilo metálico recubierto, de sección redonda o casi redonda, y sobre el que se ha aplicado en su superficie un material con propiedades adhesivas con el fin de asegurar la adherencia de las espiras entre sí, porque se confiere a cada bobina plana una altura máxima conforme a un valor H que se obtendría por aplicación de la relación: H = (Gd * Gp * D)/4 * Usp, donde H viene expresado en mm; Gd, expresado en voltios/mm, es el valor del gradiente de tensión eléctrica máximo admisible para el cumplimiento de la ley de Paschen entre las superficies metálicas de dos espiras contiguas en el extremo de dos napas consecutivas; Gp es el doble del espesor, expresado en mm, de dicha cubierta dieléctrica que rodea el conductor metálico; D es el diámetro exterior, expresado en mm, del conductor alámbrico recubierto; y Usp, expresado en voltios, es la tensión entre espiras impuesta entre dos espiras cualesquiera contiguas sobre una misma napa, pudiendo variar cada una de estas magnitudes entre un valor máximo y un valor mínimo elegidos en función de la clase de pertenencia de dicho transformador.

Description

Producción de arrollamientos "de alta o media tensión" para transformadores sumergidos, y arrollamientos así fabricados.

La presente invención se refiere a la fabricación de los arrollamientos denominados "de alta (o media) tensión" para transformadores eléctricos de potencia o de distribución.

Los transformadores de los que se ocupa este documento son aquéllos aptos para recibir en sus arrollamientos primarios conectados a la red de alimentación tensiones eléctricas por fase elevadas, del orden de varias decenas de miles de voltios.

Por lo común, los transformadores de este tipo están sumergidos en un líquido de refrigeración dieléctrico (generalmente un aceite mineral con marcadas propiedades dieléctricas) contenido en una cuba estanca cuyas paredes constituyen superficies de intercambio térmico con el medio ambiente para asegurar el mantenimiento de temperatura del transformador en funcionamiento en torno a 60 a 80C aproximadamente.

Cada arrollamiento de fase del primario está constituido de forma clásica por una bobina de hilo metálico esmaltado, buen conductor de la electricidad (cobre o aluminio). Esta bobina rodea a escasa distancia el arrollamiento del secundario al que está emparejado (arrollamiento generalmente denominado "de baja tensión") y realizado la mayoría de las veces por una banda ancha de aluminio enrollada sobre sí misma, cuyo espacio central interior se dimensiona para recibir una de las columnas del circuito magnético del transformador, de las que hay tantas como fases de la alimentación eléctrica.

La corona cilíndrica (de revolución u oblonga) que forma la bobina de alambre que constituye el arrollamiento "primario" está formada, por su parte, por napas de espiras concéntricas de hilo bobinado alternativamente en un sentido y luego en el otro, siguiendo toda la altura del arrollamiento (bobinado denominado "en capas largas"). Entre dos napas consecutivas se interpone una capa intercalar para asegurar el aislamiento eléctrico necesario para el correcto mantenimiento en tensión del arrollamiento. Este aislamiento tiene que asegurarse particularmente en el extremo de la capa, donde las espiras terminales enfrentadas sobre napas contiguas, que están eléctricamente alejadas entre sí por una distancia de hilo correspondiente a dos capas largas, tienen entre ellas una diferencia de potencial máxima. La función de esta capa intercalar es crear en ese punto un gradiente de potencial eléctrico inferior al umbral de salto de chispas entre espiras, que el recubrimiento dieléctrico del hilo (su capa de esmalte en la superficie) no consigue asegurar por sí solo. Esta capa intercalar está formada de forma clásica por una tira de papel, de una sola o doble capa, de aproximadamente 0,1 a 0,5 mm y más de espesor, según los casos, e impregnada de aceite dieléctrico. También asegura cierta cohesión mecánica del bobinado acabado.

Una configuración de este tipo está descrita, por ejemplo, en el documento FR-A-2637729.

Para afianzar las ideas, en un transformador con una potencia nominal de 250 kVA por fase, por ejemplo, cada una de las bobinas del primario fabricada según se ha indicado anteriormente se materializa como una corona cilíndrica de aproximadamente 0,50 m de largo, con diámetros exterior de 45 cm e interior de 30 cm aproximadamente.

Naturalmente, la búsqueda de reducción del tamaño de los transformadores es una preocupación constante por parte de los constructores. Si, por añadidura, puede obtenerse semejante resultado con una solución basada en el tamaño de los arrollamientos del primario, las ventajas que se obtienen son particularmente atractivas, ya que no sólo se consigue un ahorro principal sobre el coste de materiales del hilo metálico y del papel aislante que hay que bobinar, sino también ahorros inducidos sobre el peso de otros componentes, especialmente sobre la pieza maestra del aparato que representa el circuito magnético, y que pueden ser determinantes por sí solos.

La invención tiene justamente como objetivo reducir el tamaño de los transformadores de potencia o de distribución mediante una disminución del tamaño de sus arrollamientos "de alta tensión", todo ello, por supuesto, para una potencia instalada dada, o lo que viene a ser lo mismo, aumentar la potencia de estos transformadores sin tener que incrementar el volumen que ocupan.

A tal efecto, la invención tiene primero por objeto un procedimiento de fabricación de los arrollamientos "de alta (o media) tensión" de los transformadores de potencia o de distribución, según el cual se confiere a dicho arrollamiento una forma general de corona cilíndrica, de revolución u oblonga, con la ayuda de un conductor de hilo metálico recubierto de una cubierta con propiedad dieléctrica, tal como una capa de esmalte, y que se bobina en espiras, procedimiento caracterizado porque se forma dicho arrollamiento por apilamiento de bobinas planas conectadas eléctricamente entre sí, estando constituida cada una de dichas bobinas planas por un conjunto de napas concéntricas de espiras apretadas, sin interposición entre ellas de una capa intercalar dieléctrica, obteniéndose cada napa por bobinado axial "en capa larga" de un conductor de hilo metálico recubierto, de sección redonda o casi redonda, y sobre el que se ha aplicado en su superficie un material con propiedades adhesivas con el fin de asegurar la adherencia de las espiras entre sí, porque se confiere a cada bobina plana una altura axial máxima conforme a un valor H que se obtendría por aplicación de la relación: H = (Gd * Gp * D)/4 * Usp, donde H viene expresado en mm; Gd, expresado en voltios/mm, es el valor del gradiente de tensión eléctrica máximo admisible para el cumplimiento de la ley de Paschen entre las superficies metálicas de dos espiras contiguas en el extremo de dos napas consecutivas; Gp es el doble del espesor, expresado en mm, de dicha cubierta dieléctrica que rodea el conductor metálico; D es el diámetro exterior, expresado en mm, del conductor alámbrico recubierto; y Usp, expresado en voltios, es la tensión entre espiras impuesta entre dos espiras cualesquiera contiguas sobre una misma napa, pudiendo variar cada una estas magnitudes entre un valor máximo y un valor mínimo elegidos en función de la clase de pertenencia de dicho transformador.

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La invención tiene asimismo por objeto un arrollamiento así realizado destinado a constituir un arrollamiento "de alta (o media) tensión" para un transformador eléctrico de potencia o de distribución, arrollamiento que tiene la forma general de una corona cilíndrica, de revolución u oblonga, y realizado a partir de un hilo electroconductor (especialmente de cobre o de aluminio) de sección redonda o casi redonda, recubierto de una envuelta con propiedades dieléctricas (por ejemplo una capa de esmalte) y constituido por apilamiento de bobinas planas de hilo bobinado en espiras, apretadas en forma de napas que se extienden según la dirección axial y sin interposición de capa intercalar dieléctrica entre ellas, y cuya altura axial tiene un valor máximo conforme a un valor H que se obtendría por aplicación de la relación: H = (Gd * Gp * D)/4 * Usp, donde H viene expresado en mm; Gd, expresado en voltios/mm, es el gradiente de tensión eléctrica máximo admisible para el cumplimiento de la ley de Paschen entre las superficies metálicas de dos espiras contiguas en el extremo de dos napas consecutivas; Gp es el doble del espesor, expresado en mm, de dicha cubierta dieléctrica que rodea el conductor metálico; D es el diámetro exterior, expresado en mm, del conductor alámbrico recubierto y Usp, expresado en voltios, es la tensión entre espiras impuesta por construcción entre dos espiras cualesquiera contiguas sobre una misma napa, pudiendo variar cada una de estas magnitudes entre un valor máximo y un valor mínimo elegidos en función de la clase de pertenencia de dicho transformador.

Con preferencia, el valor de H se elige en un intervalo de valores cuyos valores H mín. y H máx. vienen dados a continuación:

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Como se habrá comprendido, la invención consiste por tanto en prescindir de la capa intercalar dieléctrica cuya presencia, pese a considerarse necesaria por las razones de aislamiento eléctrico anteriormente evocadas, es no obstante en sí misma un factor de complicación para la operación de bobinado y de coste suplementario en términos tanto de "material", "mano de obra" y de "herramientas" para la realización de arrollamientos, y en sustituir esta capa intercalar por dos disposiciones complementarias conjuntas.

Una primera disposición está encaminada a volver pegajoso el hilo esmaltado para asegurar el comportamiento mecánico del bobinado mediante la rigidez y la estabilidad que resultan del efecto de encolado de las espiras entre sí. La segunda disposición consiste en sustituir la bobina monolítica "en capa larga" habitual, que constituye toda la altura del arrollamiento primario, por bobinas planas de hilo de sección redonda (o casi redonda) bobinado en capas de espiras pegadas sin capa intercalar dieléctrica y cuya altura se determina por cálculo, gracias a una fórmula específica, únicamente válida en el caso de un hilo con esta forma y que integre las características dimensionales de éste, al mismo tiempo que las restricciones relacionadas con la persistencia dieléctrica del bobinado acabado en sus condiciones de empleo (cumplimiento de la ley de Paschen) y la tensión entre espiras, que es un dato clásico conocido para el constructor del transformador y por él elegido en función de la potencia eléctrica del bobinado que desea realizar y del número de espiras que va a constituirlo.

Sin duda, no es necesario recordar en este punto lo que son estas bobinas de hilo en forma de anillo, por tanto sensiblemente más anchas que altas, que se designan como "bobinas planas", y cómo se fabrican. Se señalará que son de sobra conocidas de por sí y que se encuentran ya en transformadores de tipo seco.

Esquemáticamente, se fabrican por bobinado de un hilo en un espacio de recepción definido entre dos platos montados a distancia sobre un carrete giratorio que sirve como soporte de las espiras y para imponer el calibre interior del bobinado acabado. Este bobinado puede hacerse en "apilamiento aleatorio", es decir, en progresión radial de las espiras desde el centro hacia la periferia, y luego de la periferia hacia el centro para la capa siguiente, todo ello por simple deposición por gravedad del hilo en el espacio de recepción, formándose entonces las espiras naturalmente justo antes de la deposición gracias al movimiento de rotación relativo que se da al espacio de recepción con relación al distribuidor de hilo colocado por encima. Un procedimiento de este tipo está descrito, por ejemplo, en el documento EP0081446. Este bobinado puede hacerse además según la técnica de "capa larga" precitada, es decir, por devanado apretado de las espiras en napas concéntricas que forman todo el espesor de la bobina plana, progresando el hilo según la dirección axial, en este caso a la manera de la presente invención, de abajo arriba, y luego de arriba abajo para la mecha siguiente, sirviendo el carrete de arrollamiento de soporte para la primera napa sobre la que se forma la siguiente, y así sucesivamente.

En esta invención, la sustitución de la única bobina habitual, que constituye toda la altura del arrollamiento del primario, por un apilamiento de bobinas planas montadas en serie tiene como consecuencia la reducción del valor de la tensión máxima entre espiras, en el seno de cada una de ellas, en un factor por lo demás igual al número de bobinas planas (suponiéndolas idénticas y para una tensión dada aplicada al primario). En consecuencia, deja de ser necesaria la presencia de un papel dieléctrico como capa intercalar, y la película de esmalte que rodea el conductor metálico basta entonces para contener el gradiente de tensión por debajo del umbral de aparición de arco eléctrico entre dos espiras contiguas, incluso aquéllas situadas en el extremo de dos napas de espiras consecutivas, si no se sobrepasa una determinada altura de bobina plana que depende especialmente del tamaño del hilo, cuya regla de cálculo es una de las características esenciales de la presente invención.

No huelga destacar que hay por lo menos dos formas de lograr el encolado pretendido de las espiras de una bobina plana.

Según una primera variante, el esmalte se pre-recubre con un material con propiedades adhesivas. Se usará así un hilo esmaltado adhesivo listo para el uso que puede adquirirse fácilmente en el mercado. Por supuesto, el hilo no debe ser pegajoso "en frío", con el fin de no dificultar su manipulación o su doblado en espiras durante el bobinado de la bobina plana. Con preferencia, se optará por un barniz termoadherente por polimerización en caliente. Por ejemplo, podrá convenir perfectamente una resina epoxídica de preencolado. La polimerización de un material termoendurecible de este tipo se producirá tras el paso de la bobina plana por el horno a 150 a 200ºC durante un tiempo suficiente para la obtención de una polimerización hasta el núcleo (1 a 2 h generalmente). Por otra parte, esta última podrá obtenerse más rápidamente mediante el paso de una corriente eléctrica de calefacción, de unas decenas de amperios, en el seno de la bobina plana. Se podrá optar también por un barniz formado por una resina termoplástica, tal como una poliamida, que se calentará en el horno por debajo de su punto de reblandecimiento para asegurar el encolado por interpenetración de las capas en la superficie.

De acuerdo con una segunda variante de realización, el encolado puede hacerse "en frío" tras el secado de una cola. La cola puede aplicarse "tras el bobinado", es decir, una vez bobinada la bobina plana. Sin embargo, podrá depositarse preferentemente sobre el hilo que va marchando justo antes de su doblado en espiras, por pulverización de un aerosol o por inmersión del hilo en una cubeta de cola líquida. Con todo, se tratará de elegir una cola que resista más allá de la temperatura de funcionamiento del transformador, que suele estar situada en torno a 60 a 90ºC en el caso de los transformadores de potencia o de distribución sumergidos. Así, la elección podrá recaer, por ejemplo, en la cola en polvo comercializada por la firma de Estados Unidos "3M" con la denominación "SCOTCKAST 5555", o en la cola vendida con la denominación "DELOKATIOBOND" por la compañía francesa "SUPRATEC", y que presenta la ventaja de ser líquida a temperatura ambiente.

A continuación se van a dar algunas cifras de ejemplo de fabricación de los arrollamientos "de alta tensión" de un transformador y formados por apilamientos de bobinas planas según la invención, cuyas características están dadas en referencia a la tabla de valores que sigue:

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Queda precisado que la tensión entre espiras Usp es un dato constructivo de sobra conocido para el experto en la técnica. Éste la elige en función de características de funcionamiento del transformador, como la frecuencia de la corriente de alimentación (en principio 50 Hz) o la inducción magnética que hay que hacer pasar por el circuito magnético (de forma clásica en torno a 1 a 2 teslas) y de características geométricas de los arrollamientos de alta tensión, como su diámetro interior, es decir, de hecho el diámetro interior de las bobinas planas.

Queda precisado asimismo que el gradiente de tensión Gd, según se define anteriormente (gradiente de tensión en el espacio que separa las espiras de conductores contiguos colocadas en el mismo extremo de la bobina plana -alta o baja- sobre dos napas concéntricas adyacentes) se determina partiendo de un valor de tensión disruptiva dado por la ley de Paschen aplicada en el aire al hilo envainado que constituye la bobina plana. Se recuerda que la ley de Paschen establece que la tensión disruptiva entre dos cuerpos conductores llevados a potenciales eléctricos diferentes en un medio gaseoso dado, generalmente el aire ambiental, es una función continua y que crece rápidamente en función del producto entre la distancia que separa estos conductores y la presión del medio ambiente. Esta tensión disruptiva está pues relacionada especialmente con el espesor de la capa de esmalte dieléctrico que recubre el hilo. De necesitarse, se encontrarán indicaciones más precisas acerca del uso de la ley de Paschen en los transformadores en la solicitud de patente internacional PCT FR96/01353 o en obras más generales como "Techniques de l'Ingénieur", rúbrica "Gaz isolants" D 2350-4 a 7 artículo P. Ségur, o la sección 9-5 de la obra de R. Fournier "Les isolants en électrotechniques -Concepts et théories" editada en 1986 por Eyrolles, París.

Se observará en la anterior tabla de valores que determinados H mín. obtenidos por cálculo expresan alturas de bobinas planas poco realistas desde el plano industrial. En particular, en el ejemplo dado con un hilo de 0,5 mm de diámetro desnudo, la altura mín. obtenida sería de 0,1 mm, o sea, sorprendentemente, inferior al propio hilo. De hecho, la obtención de tales valores poco compatibles con la realidad revela simplemente los límites de aplicación de la fórmula de cálculo usada, y el experto en la técnica sabrá adoptar la justa medida para cada caso concreto en función de sus deseos o necesidades.

De hecho, se señalará que los ensayos industriales realizados han mostrado que la puesta en práctica de la invención procuraba una disminución del tamaño del arrollamiento que podía llegar a una proporción del 20 al 25%. Una reducción de tamaño tan importante no puede explicarse únicamente por la ganancia de volumen conseguida por la ausencia de la capa intercalar. Tal como pretendían los inventores, interviene otro factor, que es el de una mayor compactibilidad del bobinado, gracias a una imbricación mutua más avanzada de las espiras. A causa del relativo espesor del papel de la capa intercalar con relación al diámetro del hilo esmaltado, todo ocurre como si este papel tuviera una rigidez suficiente para forzar las napas de espiras a permanecer geométricamente lineales. En cambio, una vez ausente la capa intercalar, durante el bobinado las espiras se organizan naturalmente en espiras imbricadas, es decir, miradas en corte en sección transversal, según una topología de tipo "estructura hexagonal compacta", presentando por tanto un mínimo volumen ocupado y una estabilidad mecánica natural a la escala de varias espiras en contacto mutuo en la bobina plana. Se observará que estas ventajas pueden obtenerse asimismo con un hilo de sección oblonga, entendiéndose que la forma circular es la que ha de preferirse a este respecto.

Es obvio que la invención puede presentar múltiples variantes o equivalentes en la medida en que se respeten sus características técnicas esenciales dadas en las reivindicaciones adjuntas.

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Referencias citadas en la descripción

Esta lista de referencias citadas por el solicitante no tiene otro propósito que servir de ayuda al lector y no forma parte del documento de Patente Europea. A pesar de la gran atención dedicada a su confección, no puede descartarse la presencia de errores u omisiones, en cuyo caso la OEP declina toda responsabilidad.

Documentos de patente citados en la descripción

\bullet FR 2637729 A [0006]

\bullet FR 9601353 W [0023]

\bullet EP 0081446 A [0016]

Claims (5)

1. Procedimiento de fabricación de los arrollamientos "de alta (o media) tensión" para transformadores de potencia o de distribución, según el cual se confiere a dicho arrollamiento una forma general de corona cilíndrica, de revolución u oblonga, con la ayuda de un conductor de hilo metálico recubierto de una cubierta con propiedad dieléctrica, tal como una capa de esmalte, y que se bobina en espiras, procedimiento caracterizado porque se forma dicho arrollamiento por apilamiento de bobinas planas conectadas eléctricamente entre sí, estando constituida cada una de dichas bobinas planas por un conjunto de napas consecutivas de espiras sin interposición entre ellas de una capa intercalar dieléctrica, obteniéndose cada napa por bobinado en espiras de un conductor de hilo metálico recubierto, de sección redonda o casi redonda, y sobre el que se ha aplicado en su superficie un material con propiedades adhesivas con el fin de asegurar la adherencia de las espiras entre sí, porque se confiere a cada bobina plana una altura máxima conforme a un valor H que se obtendría por aplicación de la relación: H = (Gd * Gp * D)/4 * Usp, donde H viene expresado en mm; Gd, expresado en voltios/mm, es el valor del gradiente de tensión eléctrica máximo admisible para el cumplimiento de la ley de Paschen entre las superficies metálicas de dos espiras contiguas en el extremo de dos napas consecutivas; Gp es el doble del espesor, expresado en mm, de dicha cubierta dieléctrica que rodea el conductor metálico; D es el diámetro exterior, expresado en mm, del conductor alámbrico recubierto; y Usp, expresado en voltios, es la tensión entre espiras impuesta entre dos espiras cualesquiera contiguas sobre una misma napa, pudiendo variar cada una de estas magnitudes entre un valor máximo y un valor mínimo elegidos en función de la clase de pertenencia de dicho transformador.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se usa un conductor alámbrico recubierto preencolado con un barniz termoadherente mediante polimerización en caliente.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se aplica sobre el conductor alámbrico recubierto un material pegajoso justo antes de su doblado en espiras en el seno de la bobina plana que va a formarse.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el valor de H se elige en un intervalo de valores cuyos valores H mín. y H máx. vienen dados a continuación:

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5. Arrollamiento eléctrico destinado a constituir un arrollamiento "de alta (o media) tensión" en un transformador eléctrico de potencia o de distribución, arrollamiento que tiene la forma general de una corona cilíndrica, de revolución u oblonga, y realizado a partir de un hilo electroconductor (especialmente de cobre o de aluminio) de sección redonda o casi redonda, recubierto de una cubierta con propiedades dieléctricas, tal como una capa de esmalte, y constituido por apilamiento de bobinas planas de hilo bobinado en espiras, formada cada una por unión encolada de espiras desprovista de capa intercalar y cuya altura tiene un valor máximo conforme a un valor H que se obtendría por aplicación de la relación: H = (Gd * Gp * D)/4 * Usp, donde H viene expresado en mm; Gd, expresado en voltios/mm, es el gradiente de tensión eléctrica máximo admisible para el cumplimiento de la ley de Paschen entre las superficies metálicas de dos espiras contiguas en el extremo de dos napas consecutivas; Gp es el doble del espesor, expresado en mm, de dicha cubierta dieléctrica que rodea el conductor metálico; D es el diámetro exterior, expresado en mm, del conductor alámbrico recubierto y Usp, expresado en voltios, es la tensión entre espiras impuesta entre dos espiras cualesquiera contiguas sobre una misma napa, pudiendo variar cada una de estas magnitudes entre un valor máximo y un valor mínimo elegidos en función de la clase de pertenencia de dicho transformador.