NL2019276B1 - Hoogvermogen inductief element - Google Patents

Abstract

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een hoogvermogen inductief element, zoals een vermogenstransformator en een vermogensspoel. Dergelijke elementen kunnen olie-gekoeld zijn. Volgens de uitvinding omvat het inductieve element een steunelement dat gepositioneerd is tussen één van de juk-klemdelen en de eerste drukring. Het steunelement ondersteunt de eerste drukring waardoor doorbuiging van de drukring wordt voorkomen dan wel verminderd. Dit resulteert in een hogere maximale toelaatbare korstluitstroom en staat toe het inductieve element compacter uit te voeren.

Description

Hoogvermogen inductief element

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een hoogvermogen inductief element, zoals een vermogenstransformator en een vermogensspoel. Dergelijke elementen kunnen olie-gekoeld zijn.

Vermogenstransformatoren en vermogensspoelen zijn bekend uit de stand der techniek.

Een vermogenstransformator transformeert vermogen met een relatief hoge spanning, bijvoorbeeld 380 kV, naar vermogen met een lagere spanning, bijvoorbeeld 110 kV, of vice versa. Deze transformatoren worden gekenmerkt door het hoge schijnbare vermogen (> 10 MVA) dat deze transformatoren moeten kunnen verwerken.

Vermogensspoelen kunnen in een hoogspanningsnet onder andere gebruikt worden voor het verminderen van het blindvermogen dat door de energieleverancier geleverd moet worden. Ook de spoelen moeten een hoog schijnbaar vermogen kunnen weerstaan.

Voor zowel vermogenstransformatoren als vermogensspoelen bestaan geometrisch eisen die gerelateerd zijn aan het transport van deze elementen. Als voorbeeld wordt de totale hoogte genoemd. Indien deze hoogte wordt overschreden, is niet het langer mogelijk de elementen via gangbare routes te verplaatsen bijvoorbeeld omdat een route een viaduct omvat met een le geringe doorgangshoogte. In de praktijk wordt daarom een eis gesteld dat de vermogenstransformator of vermogensspoel niet hoger mag zijn dan een gegeven afmeting.

Binnen de gestelde afmetingen dient een bepaalde performance te worden behaald. Dit kan bijvoorbeeld het maximale schijnbare or werkelijke vermogen zijn dat door de spoel of transformator kan worden verwerkt. In de meeste gevallen vertaalt een dergelijke eis zich naar een maximalisatie van de hoogte van de wikkelingen binnen een bepaalde hoogte van het inductieve element. Er bestaat derhalve een continue wens in de markt om het aandeel van de wikkeling(en) in de totale hoogte van de transformator of spoel binnen de gegeven hoogte te vergroten.

Het vergroten van de hoogte van de wikkelingen is niet zonder gevaar. Indien bijvoorbeeld de afstand tussen de wikkelingen en een metalen onderdeel van bijvoorbeeld de behuizing te gering wordt, kan er elektrische doorslag optreden. Verder dient de spoel of transformator zodanig geconstrueerd te zijn dat deze elementen om moeten kunnen gaan met een tijdelijk zeer hoge stroom, de zogenaamde korstsluitstroom, zonder dat de elementen hierdoor beschadigd raken.

Bij het optreden van grote stromen in de wikkelingen ondervinden de wikkelingen grote Lorentzkrachten. Indien de wikkelingen niet mechanisch compact zijn aangebracht en er dus speling beslaat tussen de wikkelingen zullen de Lorentzkrachten resulteren in een beweging van de afzonderlijke windingen. Dit heeft mogelijk permanente beschadiging van het element tot gevolg. Daarnaast zorgt het compact aanbrengen voor een lager geluidsniveau.

Het is een doel van de onderhavige uitvinding om een hoogvermogen inductief element te verschaffen waarbij het mogelijk is om de wikkelingen hoger te kunnen maken binnen een bepaalde totale hoogte zonder dat de bovengenoemde problemen noemenswaardig optreden dan wel verergerd worden.

Dit doel is bereikt met het hoogvermogen inductieve element zoals gedefinieerd in conclusie 1. Dit element omvat een onderstel en een magnetische kern. Hierbij omvat de magnetische kem een eerste langgerekt juk en een veelvoud aan kernpoten welke zich vanuit het juk uitstrekken. De kem is opgebouwd uit een veelvoud aan parallel opgestelde kernplaten van magnetisch materiaal. Een paar juk-klemdelen is geplaatst aan weerszijden van het juk. Deze klemdelen zijn elk gekoppeld aan het onderstel en zijn ingericht voor het op elkaar drukken van de kernplaten.

Het hoogvermogen inductief element volgens de uitvinding omvat verder een veelvoud aan wikkel-sets, waarbij elke wikkel-set om een respectievelijke kempoot is gerangschikt, en waarbij elke wikkel-set een eerste drukring omvat en één of meerdere wikkelingen welke worden ondersteund door de eerste drukring.

Het inductieve element volgens de uitvinding wordt gekenmerkt doordat het verder een steunelement omvat dat gepositioneerd is tussen één van de juk-klemdelen en de eerste drukring en waarbij het steunelement de eerste drukring ondersteunt.

Het verhogen van de hoogte van de wikkelingen per wikkel-set kan in de bestaande techniek worden uitgevoerd door het dunner uitvoeren van de drukringen welke de wikkelingen klemmen en ondersteunen. Echter, aanvraagster heeft vastgesteld dat het dunner uitvoeren van de drukringen bij bestaande inductieve elementen niet tot het gewenste resultaat leidt. Het bleek dat de inductieve elementen minder bestand werden tegen de krachten onder korstsluitingscondities indien dunnere drukringen werden gebruikt. Aanvraagster heeft vastgesteld dat de oorzaak voor dit nadelige effect gelegen is in de doorbuiging van de drukringen.

Bij het doorbuigen van een drukring zullen de windingen van de wikkelingen lokaal minder compact tegen elkaar komen te liggen. Door de zo ontstane speling kunnen op deze plekken schadelijke trillingen ontstaan.

Volgens de uitvinding wordt dit probleem ondervangen doordat het steunelement de eerste drukring ondersteunt. Het steunelement heeft hierbij een vaste positie ten opzichte van het onderstel. Een neerwaartse kracht welke wordt uitgeoefend op het steunelement wordt via de juk-klemdelen doorgeleid naar het onderstel. Op deze wijze kan doorbuiging van de eerste drukring verminderd dan wel verhinderd worden.

Het steunelement ligt bij voorkeur aan tegen de eerste drukring. Hel veelvoud aan kernpoten kan naast elkaar zijn gerangschikt in een eerste richting beginnend met een eerste kernpoot en eindigend met een laatste kernpoot. Hierbij ligt het steunelement aan tegen de eerste drukring behorende bij de wikkel-set welke om één van de eerste of laatste kempoot is geplaatst. Doorgaans komt de eerste of laatste kernpoot overeen met een linker- of rechter kernpoot. Er wordt opgemerkt dat de steunelementen doorgaans niet voorzien zijn voor de tussenliggende kempoten. Het geniet wel de voorkeur indien een steunelement is voorzien voor de wikkel-set van zowel de eerste als laatste kernpoot.

Het steunelement ligt bij voorkeur aan tegen de eerste drukring bij een positie, althans gezien in de eerste richting, voorbij aan of voorafgaand aan het veelvoud aan kempoten. Indien het inductieve element bijvoorbeeld een kops einde heeft, althans wanneer gezien in de eerste richting, dan zal het steunelement de eerste drukring ondersteunen bij een positie tussen dit kopse einde en de dichtst bij dal einde gelegen kernpoot.

De j uk-klemdelen kunnen elk een langgerekte jukplaat omvatten en een zich loodrecht op de jukplaat uitstrekkende beugel. Hierbij kan het steunelement vast verbonden zijn aan één van de genoemde beugels. Verder zijn de beugels bij voorkeur elk geplaatst bij een kops einde van de overeenkomstige juk-plaat. Hierbij strekken de beugels zich elk bij voorkeur uit onder een genoemde eerste drukring.

Het inductieve element kan verder één of meerdere draadstangen omvatten voor het naar elkaar toe trekken van de beugels van parallel aan elkaar opgestelde j uk-klemdelen. Deze draadstangen zijn bij regulier gebruik horizontaal opgesteld.

Het inductieve element kan verder eerste koppelmiddelen omvatten met welke de j uk-klemdelen elk zijn gekoppeld aan het onderstel. Deze eerste koppelmiddelen omvatten bij voorkeur één of meerdere draadstangen.

Elke wikkel-set kan een tweede drukring omvatten, waarbij de één of meerdere wikkelingen zijn geplaatst tussen de eerste en tweede drukring. Verder kan een wikkel-set eerste drukplaten omvatten welke zijn geplaatst nabij de eerste drukring en tweede drukplaten welke zijn geplaatst nabij de tweede drukring. Hierbij kunnen de eerste en tweede drukplaten zijn ingericht om de één of meerdere wikkelingen te klemmen via de eerste en tweede drukring. Het inductieve element kan verder tweede koppelmiddelen omvatten met welke de eerste drukplaten zijn gekoppeld aan het onderstel, waarbij de tweede koppelmiddelen bij voorkeur één of meerdere draadstangen omvatten. In plaats hiervan of in aanvulling hierop kan het inductieve element één of meerdere draadstangen omvatten voor het naar elkaar toe trekken van de eerste en tweede drukplaten voor het genoemde klemmen van de wikkelingen.

Tussen de eerste drukring en eerste drukplaten kunnen afstandselement zijn voorzien, zoals houten blokken. Dergeiijke elementen kunnen ook zijn geplaatst tussen de tweede drukring en de tweede drukplaten.

Het geniet de voorkeur indien een steunelement zoals boven beschreven is voorzien aan weerszijden van het juk en/of indien het inductieve element gekoeld wordt met een elektrisch isolerende koelvloeistof zoals olie.

In het hiernavolgende wordt de uitvinding in meer detail beschreven onder verwijzing naar de bijgevoegde figuren, waarbij:

Figuur 1 een schematisch aanzicht toont van een uitvoeringsvorm van een vermogenstransformator in overeenstemming met de onderhavige uitvinding;

Figuur 2 een detail aanzicht toont van de uitvoeringsvorm uit figuur 1;

Figuur 3 een dwarsdoorsnede toont van een wikkel-set uil de uitvoeringsvorm uit figuur 1; en

Figuur 4 een schematisch aanzicht toont van een deel van de uitvoeringsvorm uit figuur 1.

Figuur 1 toont het binnenwerk 1 van een vermogenstransformator met drie fasen A, B en C. Dit binnenwerk omvat twee parallel en horizontaal opgestelde jukken 30, 32 waartussen zich 3 kernpolen 31 uitstrekken, zie het schematisch zijaanzicht van figuur 4.

De kern, bestaande uit jukken 30, 32 en kernpoten 31 is opgebouwd uit platen van magnetisch materiaal. Voor wat betreft juk 30 worden deze platen tegen elkaar geduwd met behulp van juk-klemdelen welke aan weerszijden van juk 30 zijn geplaatst. De juk-klemdelen omvatten jukplaten 12, 13 welke door middel van draadstangen 11 aan een onderstel 10 zijn bevestigd. Aan jukplaten 12, 13 zijn beugels 12’, 13’ bevestigd. Beugels 12’, 13’ en dus ook jukplaten 12, 13 worden naar elkaar toe getrokken door middel van draadstangen 15. Tussen beugels 12’, 13’ is een afstandshouder 14 voorzien, welke is uitgevoerd als een houten blok. Afstandshouder 14 omvat openingen voor het laten passeren van draadstangen 15, zie figuur 2.

Om kernpoten 31 zijn wikkel-sets 2 aangebracht, waarvan een dwarsdoorsnede is getoond in figuur 3. Elke wikkel-set 2 omvat een eerste wikkelkem 21 om welke een eerste wikkeling 22 is aangebracht, alsmede een tweede wikkelkern 23 om welke een tweede wikkeling 24 is aangebracht. Eerst en tweede wikkelingen 22, 24 corresponderen hierbij met de primaire en secundaire zijde van een transformator voor een gegeven fase A, B, C. Verder wordt opgemerkt dat wikkelingen 22, 24 en wikkelkernen 21, 23 concentrisch rondom kernpoot 31 zijn geplaatst.

Aan de onderzijde worden wikkelingen 22, 24 en wikkelkernen 21, 23 ondersteund door een eerste drukring 3. Aan de bovenzijde is een vergelijkbare tweede drukring 4 voorzien.

Drukring 3 steunt via een afstandselement 6, meestal in de vorm van een houten blok, op een drukplaat 5. Een dergelijke plaat is aan weerszijden van wikkel-set 2 voorzien. Het is verder mogelijk dergelijke platen aan te brengen voor elke fase afzonderlijk of om één plaat te gebruiken voor alle of meerdere fasen A, B, C.

Een drukplaat 7 is ook voorzien aan de bovenzijde. Ook hierbij kan een afstandselement 6’ zijn voorzien welke is geplaatst tussen drukplaat 7 en tweede drukring 4. Tussen drukplaten 5, 7 is een draadstang 8 voorzien met welke een klemkracht op wikkelingen 22, 24 kan worden uitgeoefend teneinde een compact geheel te krijgen. Doorgaans worden per zijde 2 draadstangen gebruikt. Een dergelijke compacte opstelling, waarbij speling tussen wikkelingen 22, 24 wordt geminimaliseerd, is belangrijk om de Lorentzkrachten te kunnen opvangen welke ontstaan tijdens kortsluitingscondities.

Wikkel-set 2 wordt in zijn geheel om een kernpoot 31 geschoven. Hierbij wordt gebruik gemaakt van draadstangen 9 om wikkel-set 2 te fixeren ten opzichte van onderstel 10.

Bij de bekende vermogensspoel is wikkel-set 2 gefixeerd door draadstangen 9 ten opzichte van onderstel 10 en zijn jukplaten 12,13 gefixeerd ten opzichte van onderstel 10 door draadstangen 11, zie figuur 2. Eerste drukring 3 rust hierbij door middel van afstandshouders 6 op drukplaten 5.

Het is gebleken dat deze ondersteuning van eerste drukring 3 ontoereikend is. De ondersteuning kan verbeterd worden door eerste drukring 3 dikker uit te voeren. Echter, dit gaat ten koste van de voor wikkelingen beschikbare hoogte. De onderhavige uitvinding verbetert de ondersteuning van eerste drukring 3 bij een gegeven dikte daarvan door een steunelement 20 toe te voegen dat gepositioneerd is tussen de juk-klemdelen en eerste drukring 3. Hierbij wordt opgemerkt dat een dergeiijk steunelement bij de eerste fase A en laatste fase C wordt toegepast en dan wel aan de kopse einden van de vermogenstransformator. Eerste drukring 3 van middelste fase B wordt aan twee zijdes ondersteund door juk 30. Dit geldt tevens voor de ondersteuning van eerste drukring 3 van eerste fase A en laatste fase C bij een positie tussen kernpoten 31. Deze laatste ondersteuning is weergegeven door pijl D in figuur 4. Hierbij wordt opgemerkt dat eerste drukring 3 direct kan rusten op kernpoot 31 of dat dit via een tussenelement, zoals een isolerend element, plaatsvindt.

Bij de bekende vermogenstransformator is het deel van eerste drukring 3 dat uitsteekt tot buiten juk 30 voor fases A en C niet ondersteunt. Het is gebleken dat de maximaal toelaatbare kortsluitstroom in belangrijke mate wordt gelimiteerd door de doorbuiging van eerste drukring 3 op deze positie. Door steunelementen 20 wordt dit probleem verholpen dan wel verminderd.

In een uitvoeringsvorm is een respectievelijk steunelement 20 verbonden aan beugels 12’, 13’. Hiertoe kan een bevestigingsplaat aan beugel 12’, 13’ verbonden zijn met welke steunelement 20 aan beugel 12’, 13’ wordt verbonden. Het is echter ook mogelijk steunelement 20 te verbinden aan eerste drukring 3, bijvoorbeeld op integrale wijze. In een verdere uitvoeringsvorm is steunelement 20 integraal verbonden met afstandselement 14. Beide elementen kunnen namelijk uitgevoerd worden als houten blok of een blok van een ander niet-geleidend compact materiaal zonder luchtholtes.

Ondersteuning van eerste drukring 3 vindt nu plaats via drukplaten 5 en draadstangen 9, en via steunelement 20, jukplaten 12, 13 (via beugels 12’, 13’) en draadstangen 11. Op deze wijze wordt het gevaar op doorbuiging van eerste drukring 3 verminderd.

De onderhavige uitvinding is beschreven door middel van een uitvoeringsvorm daarvan. Het moge de vakman duidelijk zijn dat de uitvinding niet lot deze uitvoeringsvorm is beperkt maar dat de beschermingsomvang wordt gedefinieerd door de hiernavolgende conclusies en equivalenten.

Claims (16)

1. Hoogvermogen inductief element, zoals een vermogensspoel of vermogenstransformator, omvattende: een onderstel; een magnetische kern, omvattende een eerste langgerekt j uk en een veelvoud aan kernpoten welke zich vanuit het juk uitstrekken, waarbij de kern is opgebouwd uit een veelvoud aan parallel opgestelde kernplaten van magnetisch materiaal; een paar juk-klemdelen welke geplaatst zijn aan weerszijden van het juk, w'aarbij de juk-klemdelen elk gekoppeld zijn aan het onderstel en ingericht zijn voor het op elkaar drukken van de kernplaten; een veelvoud aan wikkel-sets, waarbij elke wikkel-set om een respectievelijke kernpoot is gerangschikt, en waarbij elke w'ikkel-set een eerste drukring omvat en één of meerdere wikkelingen welke worden ondersteund door de eerste drukring; met het kenmerk, dat het inductieve element verder een steunelement omvat dat gepositioneerd is tussen één van de juk-klemdelen en de eerste drukring en welke de eerste drukring ondersteunt.

2. Hoogvermogen inductief element volgens conclusie 1, waarbij hel steunelement aanligt tegen de eerste drukring.

3. Hoogvermogen inductief element volgens conclusie 2, waarbij het veelvoud aan kernpoten naast elkaar is gerangschikt in een eerste richting beginnend met een eerste kernpoot en eindigend met een laatste kernpoot, waarbij het steunelement aanligt tegen de eerste drukring behorende bij de wikkel-set welke om één van de eerste of laatste kernpoot is geplaatst.

4. Hoogvermogen inductief element volgens conclusie 3, waarbij een steunelement is voorzien voor de wikkel-set van zowel de eerste als laatste kernpoot.

5. Hoogvermogen inductief element volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij het steunelement aanligt tegen de eerste drukring bij een positie, althans gezien in de eerste richting, voorbij aan of voorafgaand aan het veelvoud aan kernpoten.

6. Hoogvermogen inductief element volgens een van de voorgaande conclusies, w'aarbij het steunelement vast is verbonden aan één van de j uk-klemdelen.

7. Hoogvermogen inductief element volgens conclusie 6, waarbij de juk-klemdelen elk een langgerekte jukplaat omvatten en een zich loodrecht op de jukplaat uitstrekkende beugel, waarbij het steunelement vast is verbonden aan één van de genoemde beugels.

8. Hoogvermogen inductief element volgens conclusie 7, waarbij de beugels elk zijn geplaatst bij een kops einde van de overeenkomstige juk-plaat.

9. Hoogvermogen inductief element volgens conclusie 8, waarbij de beugels zich elk uitstrekken onder een genoemde eerste drukring.

10. Hoogvermogen inductief element volgens een van de conclusies 7-9, verder omvattende één of meerdere draadstangen voor het naar elkaar toe trekken van de beugels van parallel aan elkaar opgestelde juk-klemdelen.

11. Hoogvermogen inductief element volgens een van de voorgaande conclusies, verder omvattende eerste koppelmiddelen met welke de juk-klemdelen elk zijn gekoppeld aan het onderstel, waarbij de eerste koppelmiddelen bij voorkeur één of meerdere draadstangen omvatten.

12. Hoogvermogen inductief element volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij elke wikkel-set verder omvat: een tweede drukring, waarbij de één of meerdere wikkelingen zijn geplaatst tussen de eerste en tweede drukring; eerste drukplaten welke zijn geplaatst nabij de eerste drukring; en tweede drukplaten welke zijn geplaatst nabij de tweede drukring; waarbij de eerste en tweede drukplaten zijn ingericht om de één of meerdere wikkelingen te klemmen via de eerste en tweede drukring.

13. Hoogvermogen inductief element volgens conclusie 12, verder omvattende tweede koppelmiddelen met welke de eerste drukplaten zijn gekoppeld aan het onderstel, waarbij de tweede koppelmiddelen bij voorkeur één of meerdere draadstangen omvatten.

14. Hoogvermogen inductief element volgens conclusie 12 of 13, verder omvattende één of meerdere draadstangen voor het naar elkaar toe trekken van de eerste en tweede drukplaten.

15. Hoogvermogen inductief element volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij een steunelement is voorzien aan weerszijden van het juk.

16. Hoogvermogen inductief element volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij het inductieve element gekoeld wordt met een koelvloeistof zoals olie.