FI62430C - Lindning foer transformatorer eller reaktorer - Google Patents

Description

R5F»1 M ««»““'UTUsjutKAisu 624 30

Jf» c ut^.?ä' mm w 1= n» ^*ζ3γΓ· Patent rr. ?11l"t ^ v ^ (51) K».ik?/Int.a.3 H 01 P 27/28 SUOMI—FINLAND (21) T6oi»8it (M) H«k»wl«pMv» — AmBfcnlnwdf 25.02.76 (23) AlkupUvt—GIM|h«t*d*t 25.02.76 (41) TutWt (vtklMkal — BIMt 07.12.76

Pttwitti· Jm r*kist«rih*l!itut ............... .. . . .

_ . (44) Nihttriksipanon It kuulfulkAlaun pvm. — λΐ.08.8?

Pltmth och r«gitt«rityralaan AmMcan utbfd oeh utl.*krtft*n pubUcarad (32)(33)(31) Pyr>««y «uoMceii*—Begird prtortMC 06.06.75

Norja-Norge(NO) 135^9^ (71) A/S National Industri, N-3000 Drammen, Norja-Norge(NO) (72) Petter I. Fergestad, Norja-Norge(NO) (71*) Berggren Oy Ab (5^) Käämitys muuntajia tai reaktoreja varten - LirJdning för transformatorer eller reaktorer Tämän keksinnön kohteina ovat muuntajien tai reaktorien käämitykset. Käämitys käsittää useita sarjaankytkettyjä käämejä, joissa johtimen ulottuvuus aksiaalisessa suunnassa vastaa käämin korkeutta, kuten on laita metallilehdistä tai -nauhoista valmistetuissa käämeissä. Käämitykselle on tunnusomaista, että siinä on monia kierroksia käsittäviä korkeita käämejä keskellä sekä käämityksen päitä kohti pienenevän korkeuden ja kierrosluvun omaavia käämejä.

Käämitys on rakennettu symmetriseksi, ja siinä on suurjännitekäytön ollessa kyseessä sisäänottokytkentä keskikäämissä.

!

Tunnettuna ongelmana muuntajanrakennuksessa on voida asentaa käämitykset siten, että syöksyjännitteen jakaantuma tulee mahdollisimman lineaariseksi.

Ylilyöntilaskelman suhteen voidaan todeta, että kiekkokäämien välillä vallitsevien syöksyjänniterasituksen ja vastaavan lineaarisen jännite- rasituksen suhde voidaan ilmaista yhtälöllä: 2 62430 Δβ syöksy ^ l/cj Δθ lineaarinen y Cs jossa Cj = käämityksen kapasitanssi maan suhteen Cs = käämityksen sarjakapasitanssi.

Tämä yhtälö pätee välillä 2 < a < 10-15.

Hyvä syöksyjännitteen jakaantuma tai heilahtamaton tila käämityksessä saavutetaan, kun kussakin käämissä esiintyvä syöksyjännite on sama kuin käyttöjaksoluvun omaava jännite, molemmat laskettuina prosentteina vaikuttavasta jännitteestä.

On tunnettua, että muuntajan suurjännitekäämitys jaetaan kahteen rinnakkaiseen ryhmään sisäänottokytkennän sijaitessa käämityksen keskellä.

Kiekkokäämityksissä pyritään jännitteenjakaantuma saamaan lineaariseksi käyttämällä kerrostettuja käämityksiä. Tällöin käämitysten sarjakapasitanssi suurenee, ja jännitteenjakaantuma tulee siten edullisemmaksi. Täysin lineaarista jännitteenjakaantumaa ei onnistuta aikaansaamaan tällä menetelmällä. Käytännössä on likimain lineaarisen jänniterasituksen kaksinkertaistuminen alin, joka voidaan saavuttaa. Tällainen kerrostettuja käämejä käsittävä käämitys on työläs valmistaa. Kerrostetun kiekon valmistus vaatii noin kaksi kertaa niin pitkän ajan kuin kerrostamattoman kiekon valmistus.

Edelleen on tunnettua käyttää kerrostetun ja kerrostamattoman kiekko-käämityksen yhdistelmää mahdollisimman lineaarisen syöksyjakaantuman saavuttamiseksi. Tällaisen yhdistelmäkäämityksen käyttö mahdollistaa täyttökertoimen pitämisen kohtuullisessa arvossa. Täyttökerroin, nimittäin johdinpoikkipinrlan suhde koko siihen poikkipintaan, joka on käytettävissä johdetta ja eristettä varten, halutaan tehdä niin suureksi kuin mahdollista.

Suuri täyttökerroin aikaansaadaan käyttämällä nauha- tai leht.[käämitystä. On tunnettua valmistaa käämityksiä pieniä, jännitteitä varten yhdestä tai useammasta sarjaankytketystä samankorkuisesta nauha- tai lehtikäämistä. Tällaisen käämitystyypin käyttö on rajoittunut pieniin tehoihin, kuten jakelu- ja voimamuuntajissa tehoihin, jotka ovat enintään 10-15 MVA. Tämä johtuu niistä suurista lisähäviöistä, 3 62430 joita esiintyy käämitysten päissä. Nämä häviöt lisääntyvät haja-tentän suuretessa, mitä suurenemista puolestaan tapahtuu tehon kasvaessa.

Uusi käämitysrakenne mahdollistaa täysin lineaarisen syöksyjännitteen-jakaantuman saavuttamisen. Sitä paitsi vältetään ne suuret lisähä-viöt, jotka muuten syntyvät käämityksen päissä säteittäisen hajaken-tän johdosta. Tämä on mahdollista siten, että käämitys kokoonpannaan lehti- tai nauhakäämeistä, joiden kierrosluvut pienenevät vaihejän-nitteen sisääntulokohdasta tähtipisteeseen päin. Ottaen huomioon häviöt ja oikosulkuvoimat pidetään ampeerikierrosluku korkeusyksikköä kohti likimain vakiona. Tämä merkitsee sitä, että keskikäämi on tehty ohuesta leveästä metallilehdestä. Sitä mukaa kuin kääminkorkeut-ta vähennetään, lisätään lehden tai nauhan paksuutta. Niinpä kapeampia käämejä ei normaalisti käämitä lehteä tai nauhaa vaan profii-lilankaa käyttäen.

Lineaarisen syöksyjännitteenjakaantuman ehtoja esittävät seuraavat kaavat, joissa merkinnät ovat samat kuin kuvion 1 kytkentäkaaviossa: . · Ni Δθ1 ' N(i+1) * Δθ(i+1) 1 n Σ Np

(Ιηή - N ( Ϊ + 1 ) Pg + P ~ i*i r II

Csi Ni c (i + 1) Ni ji 11 joissa i on arvojen 1 ja n - 1 välillä.

Käämien kierroslukujen voidaan olettaa pienenevän esimerkiksi geometrisessä sarjassa. Sitä paitsi on säilytettävä sama säteittäinen täyttökerroin kaikissa käämeissä.

N1+1 = k · N. III

Tällöin yhtälö II saa muodon:

csi = k °s(i*l) + Γ- · k · °ji IV

Edellyttäen, että säteittäinen täyttökerroin ja ampeerikierrosluku korkeusyksikköä kohti pysyvät vakioina, saadaan yhtälö: 4 62430

^si " k Cs(i+1). V

Sijoittamalla yhtälöön IV lisäksi käytännössä sopiva arvo

Cji = 0,25 Cs(i+1) VI

saadaan yhtälö: 1 kn”^-l

1 = k + k K-T_TL. . 0,25 VII

Jos tähän yhtälöön sijoitetaan n = 10 ja sovelletaan sitä 4-5 ensimmäiseen käämiin, ts. i = 1, 2, 5, 4, 5, saadaan k = 0,73, joka pätee melko tarkasti koko tällä alueella.

Toisin sanoen lineaarisen syöksyjännitteen jakaantuman ehto täytetään siinä tapauksessa, että käämin korkeus ja käämin kierrosluku pienenevät geometrisessä sarjassa kertoimen k ollessa 0,73· Säteittäisen täyttökertoimen ollessa vakio saadaan tällöin muuttumaton ampeerikier-rostiheys korkeussuunnassa. Tämä on melko tarkkaan voimassa 4-5 ensimmäisen käämin suhteen esimerkissämme. Kauempana sisäänottokoh-dasta voi kierrosluvunmuutos poiketa geometrisestä sarjasta ja/tai säteittäinen täyttökerroin vaihdella jonkin verran ehdon silti ollessa täytettynä. Käytännössä voidaan kuitenkin hyväksyä poikkeama lineaarisesta jakaantumasta etäällä sisäänottokohdasta. Käämityksen etäisin osa voidaan niin ollen tehdä tavanmukaisena kiekkokäämitykse-nä. Tämä osa voi olla välillä 3-5 5?...60-70 % koko käämityspituudes-ta riippuen kunkin valmistajan tuotantolaitteista ja -menetelmistä. Muun osan käämityksestä muodostavat lehti- tai nauhakäämit.

Laskentaesimerkki on esitetty osoittamaan, että lineaarisen syöksy-jännitteenjakaantuman ehto on täytettävissä realistisilla keinoilla, eikä esimerkki ole tarkoitettu muuta kuin selitykseksi. Käytännössä poiketaan lineaarisesta syöksyjännitteenjakaantumasta sellaisten taloudellisten seikkojen huomioonottamiseksi kuin rakenteen yksinkertaisuus ja mahdollisimman harvojen kääminkorkeuksien esiintyminen. Toisin sanoen tehdään kompromissi mahdollisimman lineaarisen syöksy-jännitteenjakaantuman ja mahdollisimman harvojen erilaisten käämi-tyyppien esiintymisen välillä.

Uusi käämimistapa syöttökohdan sijaitessa keskellä aikaansaa myös 5 62430 etuja tavanmukaiseen metallilehtikäämitykseen verrattuna niiden lisä-häviöitten suhteen, joita käämityksen päissä esiintyvät säteittäiset hajakentät aiheuttavat. Käämityksessä, joka on tehty joko yhdestä kokonaisesta lehdestä tai yhteensä saman korkeuden omaavista sarjaan-kytketyistä lehtikäämeistä, esiintyy suuria lisähäviöitä käämityksen päissä. Nämä häviöt johtuvat säteittäisistä hajakentistä, jotka aiheuttavat epätasaisen virranjakaantumisen. Näitä häviöitä on yritetty välttää suojaamalla käämityksen päät. Tällaiset suojaukset eivät ole taloudellisia eikä käytännöllisiä suurille tehoille ja suur-jännitteelle tarkoitetuissa muuntajissa. Uudessa käämityksessä korkeimmat käämit sijaitsevat hajakentässä, joka on yhdensuuntainen lehden tai nauhan kanssa. Lähellä käämityksen päitä käämit ovat niin kapeita, että säteittäisestä hajakentästä johtuvat lisähäviöt jäävät huomattavasti pienemmiksi. Niinpä tässä käämitystyypissä esiintyy huomattavasti pienempiä lisähäviöitä kuin muissa käämitystyypeissä, koska siinä on monia kierroksia käsittäviä korkeita käämejä, joissa haja-kenttä on käämin suuntainen, sekä päissä vähän kierroksia käsittäviä matalia käämejä, joissa säteettäinen hajakenttä on suurin.

Kuvio 2 esittää käämityksen erästä sovellutusmuotoa, jossa 1 merkitsee sisäänottokäämiä sekä 2, 3, 4, 5, 6 ja 7 käämejä, joiden korkeus pienenee symmetrisesti sisäänottokäämin kummallakin puolella.

Kuvio 3 esittää sovellutusmuotoa, jossa on sisäänottokäämi 1 sekä d.

kapenevat lehtikäämit 2 , 3a ja 4o, mutta jonka päissä sijaitsevat cl a a kiekkokäämit 5,6,7 ja 8 ovat keskenään samankorkuisia. a* a* a a

Kuvio 4 esittää sovellutusmuotoa, jossa on sisäänottokäämi lb, keskenään samankorkuiset lehtikäämit 2^, 3^ ja ^ symmetrisesti sisäänottokäämin kummallakin puolella sekä lisäksi käämityksen päissä kiekkokäämit 5b, 6^, 7b ja 8^. Tämä rakenne käsittää pienimmän lukumäärän erilaisia käämejä.

Uusi käämitys on hyvin kestävä säteittäisten voimien suhteen, erikoisesti jos käytetään epoksilla päällystettyä prespaania kerros-eristeenä. "Kuhmuilemiselle" alttein osa on käämityksen keskusta, johon tällöin voidaan aikaansaada hyvin luja rakenne. Käämitys voidaan tehdä itsensäkantavaksi, ja niinpä sitä ei tarvitse tukea sydämeen. Sitä paitsi käämitys on helpompi valmistaa tarkalla toleranssilla korkeussuunnassa. Tällöin aksiaaliset oikosulkuvoimat jäävit pienemmiksi.

6 62430

On myös erikoisesti korostettava sitä, että edellä selostettu käämi-tystyyppi omaa valmistuksen ja eristyksen suhteen etuja, joista aiheutuu suuria taloudellisia säästöjä nykyisiin käämitysmenetelmiin verrattuna. Suurjännitemuuntajissa käytetään nykyään suurimmaksi osaksi jotakin kerrostetun kiekkokäämityksen lajia. Koska on tunnettua, että kerrostetun kiekon valmistukseen kuluu kaksi kertaa niin pitkä aika kuin kerrostamattoman kiekon valmistukseen, nähdään välittömästi, millaisia säästöjä voidaan saavuttaa. Lehtikäämitys on lisäksi yksinkertaisempi valmistaa, ja tämä merkitsee edelleen 30 % :n säästöä. Uusi käämitys käsittää vähemmän kiekkoja kuin tavanmukainen. Niinpä välikkeitten asennusta ja korkeussäätöjä tulee esiintymään vähemmän. Sitä paitsi lehtikäämitys on helpommin eristettävissä, ja eriste vaatii pienemmän tilan, joten täyttökerrointa voidaan suurentaa. Tällöin voidaan vähentää muuntajan aktiivisten materiaalien tarvetta. Uutta käämitysrakennetta voidaan käyttää suur-jännitekäämityksenc tai pienjännitekäämityksenä minkä tahansa muun käämitystyypin yhteydessä. Suurjännitekäämityksessä on sopivimmin vaiheensisäänotto keskellä ja sen päät yhdistetty maahan tai tähti-pisteeseen, koska muuten tulee esiintymään suuria lisähäviöitä. Käytettäessä uutta käämitystä pienjännitekäämityksenä on iskunkes-tävyysvaatimukset helpompi täyttää, ja ne ovat vähemmän määrääviä.

Myös tässä tapauksessa uusi käämitystäpä on omiaan vähentämään lisä-häviöitä.

Pienjännitekäämityksen muotoilu riippuu siitä, mille jännitteelle se on tarkoitettu. Mahdollisimman yksinkertainen pienjännitekäämitys käsittää keskellä sijaitsevan korkean lehtikäämin, joka on kytketty sarjaan päissä olevien matalien käämien kanssa, säteittäisten haja-kenttien esiintyessä käämityksen päiden kohdalla. Keskikäämin korkeus voi tällöin sopivasti olla vähintään 1/4 ja mieluummin yli puolet koko käämityksen korkeudesta.

Kuvio 5 esittää pienjännitekäämityksen yksinkertaisinta muotoa, jossa on korkea keskikäämi 1 kytkettynä sarjaan matalien käämien 2 , 3C, 4c ja 5q kanssa, matalien käämien sijaitessa päissä, joissa esiintyy säteittäisiä hajakenttiä.

Muuntajat, joiden sekä suurjännite- että pienjännitekäämitys on muodostettu edellä selostetulla tavalla, voidaan rakentaa käyttämällä pienempää etäisyyttä käämitysten välillä.. Tätä :·,<·! i te tää n lähemmin seuraavansa viitaten kuvioihin 6-8.

7 62430

Muuntajissa, joiden sisäänotto on suurjännitekäämityksen keskellä (A kuviossa 6), voi esiintyä huomattavaa jännitteennousua suurjännite-ja pienjännitekäämityksen välisen kanavan yli syöksyjännitteen vaikuttaessa. Tämä johtuu siitä, että pienjännitekäämityksen keskipisteen B jännite aluksi kohoaa (kapasitiivisesti) arvoon, jolla on sama polaarisuus kuin vaikuttavalla jännitteellä. Sen jälkeen se heilahtaa vastakkaiseen polaarisuuteen kuten näkyy kuviosta 7- Jännite Ae suur-jännite- ja pienjännitekäämityksen välisen kanavan ylivoi tällöin nousta arvoon, joka on 130-140 % vaikuttavasta jännitteestä. Tämä jännite tulee suurimmaksi silloin kun heilahtelu pisteessä B sisältää vähän ylivärähtelyjä, kuten on laita kuviossa 7, jossa on esitetty selväpiirteinen taajuus. Johtuen symmetrisestä rakenteesta kuviossa 6 tapahtuu näin säännöllisesti.

Pienentämällä jännitettä Ae voidaan myös pienentää suurjännite- ja pienjännitekäämityksen välistä eristysetäisyyttä ja siten vähentää materiaalikustannuksia sekä sydämen että käämitysten suhteen.

Jännitteen Ae pieneneminen saadaan aikaan rakentamalla suurjännite-käämitys nauha-/lehtikäämeistä, kuten edellä on selostettu. Tällöin tulee suurjännitekäämityksen keskellä vallitseva jännite, suurjännite-ja pienjännitekäämityksen välisen kanavan suhteen, pienenemään ensimmäisen käämin jännitteen osuudella (esim. 25 $:lla). Tämä aiheuttaa sen, että piste B varautuu vastaavasti vähemmän kapasitiivisesti, ja siitä johtuen myös Ae pienenee .vastaavasti.

Jännitettä Ae voidaan edelleen pienentää rakentamalla pienjännitekää-mitys kuviossa 8 viitteellä L esitetyllä tavalla. Siinä on keskiosa tehty yhdestä tai useammasta nauhakäämistä, kun taas ulommat osat ovat kiekkokäämejä.

Tällöin saadaan se osa pienjännitekäämitystä, joka sijaitsee lähinnä suurjännitekäämityksen keskipistettä, asettumaan lähelle toisen pien-jänniteulosoton potentiaalia. Tämä merkitsee likimain arvoa O syök-syjännitteen vaikuttaessa. Täten symmetria hajotetaan, niin että jännitteenheilahtelu pienjännitekäämityksessä saa useita harmoonisia ylivärähtelyjä ja jää siten pienemmäksi.

Voidaan myös kytkeä pienjännitekäämityksen käämit sarjaan siten, että se osa käämityksestä, joka sijaitsee lähinnä suurjännitekäämi-

Claims (6)

8 62430 tyksen keskipistettä saa suurimman mahdollisen jännitteen indusoidun koestusjännitteen vaikuttaessa. Tällöin mainittu osa asettuu niin lähelle suurjännitekäämityksen potentiaalia kuin mahdollista. Nämä molemmat toimenpiteet ovat omiaan vähentämään sitä vaatimusta, joka on asetettava suurjännite- ja pienjännitekäämityksen väliselle eristysetäisyydelle. Kuvio 8 esittää muuntajaa, jossa sekä suurjännitekäämitys H että pienjännitekäämitys L on rakennettu keksinnön mukaisesti. Myös kolmivaihemuuntajassa rakennetaan kaikki kolme käämitystä saman periaatteen mukaan.

1. Laite käytettäväksi vahvavirtamuuntajien tai -reaktorien käämityksissä, jotka käsittävät käämejä, joiden johtimien ulottuvuus aksiaalisessa suunnassa vastaa käämin korkeutta, tunnettu siitä, että sarjaankytkettyjen käämien korkeus ja kierrosluku pienenevät joko käämistä seuraavaan käämiin tai ryhmittäin, laskettuna käämityksen keskeltä lähtien sen päitä kohti.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, erikoisesti käytettäväksi suurjännitekäämityksissä, tunnettu siitä, että käämityksen puoliskot on kytketty rinnan ja niiden ulommat päät on kytketty maahan ja/tai tähtipisteeseen.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen laite, tunnettu siitä, että käämin korkeus ja sen kierrosluku pienenevät suurin piirtein geometrisessä sarjassa.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, erikoisesti pienjännite-käämityksiä varten, tunnettu siitä, että käämityksen kaikki käämit on kytketty sarjaan.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laite, tunnettu siitä, että keskikäämi käsittää vähintään neljäsosan, mahdollisesti yli puolet käämityksen korkeudesta.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite muuntajia varten, t u n n e t t u yhdistelmästä, jossa suurjannitekäämitys on rakonnet-