NO135494B

NO135494B -

Info

Publication number: NO135494B
Application number: NO752010A
Authority: NO
Inventors: P J Fergestad
Original assignee: Nat Ind As
Priority date: 1975-06-06
Filing date: 1975-06-06
Publication date: 1977-01-03
Also published as: SE7602239L; DE2609548C2; FI62430B; FI760484A; BE840126A; SE403210B; NO752010L; DE2609548A1; NO135494C; FI62430C

Description

Denne oppfinnelse angår viklinger for transformatorer eller reaktorer. Viklingen omfatter flere seriekoblede spoler hvor lederens utstrekning i aksial retning tilsvarer spolehøyden, slik det er tilfellet ved spoler av en folie- eller båndformet leder. Det karakter-istiske ved viklingen er at den har høye spoler med mange vindinger på midten og har spoler med avtagende høyde og vindingstall mot endene. Viklingen er symmetrisk oppbygd og har ved utførelse for høy-spenning inngang eller tilkopling på midtspolen. This invention relates to windings for transformers or reactors. The winding comprises several series-connected coils where the extent of the conductor in the axial direction corresponds to the coil height, as is the case with coils of a foil or strip-shaped conductor. The characteristic feature of the winding is that it has high coils with many turns in the middle and has coils with decreasing height and number of turns towards the ends. The winding is symmetrically structured and, in the version for high-voltage, has an input or connection on the center coil.

Det er et kjent problem i transformatorbyggingen å kunne It is a known problem in transformer construction to be able to

lage viklingene slik at spenningsfordelingen ved støtspenning blir mest mulig lineær. make the windings so that the voltage distribution in case of impact voltage is as linear as possible.

For en overslagsberegning kan man si at forholdet mellom støtspenningspåkjenning og tilsvarende lineær spenningspåkjen- For an approximate calculation, it can be said that the ratio between shock stress and corresponding linear stress

ning mellom skiver er gitt ved: ning between disks is given by:

hvor Cj = viklingens jordkapasitet, where Cj = winding earth capacitance,

Cs = viklingens seriekapasitet. Cs = series capacity of the winding.

Denne ligning gjelder for 2 < ot < .10 til 15. This equation applies for 2 < ot < .10 to 15.

Man oppnår en god støtfordeling eller svingningsfri til-stand i en vikling når den støtspenning som legger seg over hver spole, er lik den driftsfrekvente spenning, begge regnet i % av påtrykt spenning. A good shock distribution or oscillation-free condition is achieved in a winding when the shock voltage that is applied to each coil is equal to the operating frequency voltage, both calculated in % of applied voltage.

Det er kjent at en transformators høyspenningsvikling deles It is known that a transformer's high voltage winding is split

i to parallelle grupper med tilkopling på midten av viklingen. in two parallel groups with connection in the middle of the winding.

Ved skiveviklinger forsøker man å linearisere spenningsfordelingen ved å benytte innbladede viklinger. Derved økes viklingenes seriekapasitet,og spenningsfordelingen blir derved gunstigere. En helt lineær spenningsfordeling klarer man ikke å oppnå med denne metoden. I praksis er en dobling av den lineære spenningspåkjenningen omtrent det lavest oppnåelige. En slik With disc windings, an attempt is made to linearize the voltage distribution by using interleaved windings. Thereby, the series capacity of the windings is increased, and the voltage distribution is thereby more favorable. A completely linear voltage distribution cannot be achieved with this method. In practice, a doubling of the linear stress is about the lowest achievable. One like that

vikling med innbladede spoler er arbeidskrevende å fremstille. winding with interleaved coils is labor-intensive to manufacture.

En innbladet skive krever omtrent dobbelt så lang produksjons- A bladed disc requires approximately twice as long a production

tid som en uinnbladet skive. time like an unturned disk.

Det er videre kjent å benytte en kombinasjon av innbladet It is also known to use a combination of the inner leaf

og uinnbladet skivevikling for å oppnå en mest mulig lineær støt-fordeling. En slik kombinert vikling gjør det mulig å holde fyllfaktoren på et rimelig nivå. Fyllfaktoren,- altså forholdet mellom lederarealet og det totale areal man har til rådighet for leder og isolasjon, ønsker man å gjøre så høy som mulig. and non-bladed disc winding to achieve the most linear shock distribution possible. Such a combined winding makes it possible to keep the fill factor at a reasonable level. You want to make the fill factor, i.e. the ratio between the conductor area and the total area available for conductors and insulation, as high as possible.

Man oppnår høy fyllfaktor ved å benytte bånd-eller folievikling. Det er kjent å fremstille viklinger for lavere spenninger av en eller flere seriekoblede like høye spoler av bånd eller folie. Anvendelsen av denne viklingstypen har vært begrenset til små ytelser, som i fordelingstransformatorer og i krafttrans-formatorer opp til 10 - 15 MVA. Dette på grunn av de store til- " leggstap man får ved enden av viklingene. Disse tap vil øke med lekk-feltets størrelse, som igjen vil øke med ytelsen. A high fill factor is achieved by using tape or foil winding. It is known to produce windings for lower voltages from one or more series-connected coils of equal height from tape or foil. The use of this winding type has been limited to small outputs, such as in distribution transformers and in power transformers up to 10 - 15 MVA. This is because of the large additional losses you get at the end of the windings. These losses will increase with the size of the leakage field, which in turn will increase with the performance.

Den nye viklingskonstruksjon gjør det mulig å oppnå en helt lineær støtspenningsfordeling. Dessuten vil man unngå de store tilleggstap som ellers oppstår ved endene av viklingen på grunn av det radiale lekkfelt. Dette er mulig ved at viklingen frem-stilles av folie- eller båndspoler med avtagende vindingstall fra linjeinngang til stjernepunkt. Av hensyn til tap og kortslut-hingskrefter holdes antall ampérevindinger pr. høydeenhet tilnærmet konstant. Det vil si at midtspolen vil bestå av en tynn, bred folie. Etterhvert som spolehøyden reduseres, økes folie-eller båndtykkelsen. De laveste spolene vil derfor normalt ikke bli å betegne som viklet av folie eller bånd, men av profil-tråd. The new winding construction makes it possible to achieve a completely linear shock voltage distribution. Moreover, the large additional losses that otherwise occur at the ends of the winding due to the radial leakage field will be avoided. This is possible by the fact that the winding is produced from foil or tape coils with a decreasing number of turns from the line input to the star point. Due to losses and short-circuiting forces, the number of ampere-turns per height unit approximately constant. This means that the middle coil will consist of a thin, wide foil. As the coil height is reduced, the foil or tape thickness is increased. The lowest coils will therefore not normally be described as being wound with foil or tape, but with profile wire.

Betingelsen for lineær støtspenningsfordeling er gitt ved The condition for linear impact stress distribution is given by

de følgende formler, hvor betegnelsene er hentet fra erstatnings-koblingsskjemaet på fig. 1: the following formulas, where the designations are taken from the replacement connection diagram in fig. 1:

hvor i = 1 til n - 1. where i = 1 to n - 1.

Som et eksempel skal vindingstallene i spolene antas å avta etter en geometrisk rekke. Dessuten skal der holdes samme radiale fyllfaktor i alle spolene. As an example, the number of turns in the coils shall be assumed to decrease according to a geometric series. In addition, the same radial fill factor must be maintained in all coils.

Ligning II går da over i: Equation II then turns into:

Forutsetningen om konstant radial fyllfaktor og konstant antall amperevindinger pr. høydeenhet fører til: The assumption of a constant radial fill factor and a constant number of ampere-turns per height unit leads to:

Settes videre som en praktisk rimelig verdi fås av ligning IV: Put further as a practical reasonable value is obtained from equation IV:

Dersom man setter n = 10 og ser på de 4-5 første spolene, dvs. If you set n = 10 and look at the first 4-5 coils, i.e.

i = 1, 2, 3, 4, 5, vil man finne k = 0,73 som en tilnærmet eksakt løsning for hele dette område. i = 1, 2, 3, 4, 5, one will find k = 0.73 as an approximately exact solution for this entire area.

Med andre ord vil kravet om lineær støtspenningsfordeling oppfylles dersom spolehøyden og antall vindinger pr. spole avtar etter en geometrisk rekke med k 0,73. Med konstant radial fyllfaktor vil man da få konstant ampérevindingstetthet i høyderetning. Dette gjelder tilnærmet eksakt for de første 4-5 spoler i vårt eksempel. Lengre fra inngangen må vindingstall variasjonen avvike fra den geometriske rekke og/eller radial fyllfaktor variere noe for at man skal kunne oppfylle kravet. I praksis vil man imidlertid kunne akseptere et avvik fra den lineære fordeling fjernt fra inngangen. Den fjerneste del av viklingen vil derfor kunne lages som en konvensjonell skivevikling. Denne andel vil ligge mellom 3-5% og 60-70% av total viklelengde avhengig av den enkelte produsents produksjonsutstyr og konstruk-sjonspraksis. Resten av viklingen vil bestå av spoler av folier eller bånd. In other words, the requirement for linear shock voltage distribution will be met if the coil height and number of turns per coil decreases following a geometric series with k 0.73. With a constant radial fill factor, you will then get a constant ampere winding density in the vertical direction. This applies almost exactly to the first 4-5 coils in our example. Further from the entrance, the number of turns variation must deviate from the geometric series and/or the radial fill factor must vary somewhat in order to be able to meet the requirement. In practice, however, it will be possible to accept a deviation from the linear distribution far from the entrance. The furthest part of the winding will therefore be able to be made as a conventional disc winding. This proportion will lie between 3-5% and 60-70% of the total winding length, depending on the individual manufacturer's production equipment and construction practices. The rest of the winding will consist of coils of foil or tape.

Regneeksemplet er satt opp for å vise at kravet om lineær støtspenningsfordeling lar seg oppfylle med realistiske midler, og er ikke ment som annet enn en illustrasjon. Man vil i praksis avvike fra den lineære støtspenningsfordeling. for å ta hensyn til økonomiske forhold som enkelhet ved oppbyggingen og færrest mulig spolehøyder. Man vil med andre ord velge et kompromiss mellom kravene om mest mulig lineær støtspenningsfordeling og mini-malt antall forskjellige spoletyper. The calculation example has been set up to show that the requirement for linear impact stress distribution can be met with realistic means, and is not intended as anything other than an illustration. In practice, one will deviate from the linear impact stress distribution. to take into account economic factors such as simplicity of the structure and the fewest possible coil heights. In other words, you will choose a compromise between the requirements for the most linear shock voltage distribution possible and the minimum number of different coil types.

Den nye viklingstypen med matning på midten gir også fordeler framfor en konvensjonell folievikling når det gjelder tilleggstap forårsaket av radiale lekkfelter ved endene av viklingen. I en vikling som enten er bygd opp av en hel folie eller av like høye seriekoblede foliespoler, vil man få store tilleggstap ved viklingsendene. Disse tap skyldes radiale lekkfelter som gir opphav til ujevn strømfordeling. Slike tap har man forsøkt å unngå ved å skjerme endene av viklingene. Slike skjermer er ikke økonomiske og praktiske i transformatorer for store ytelser og høy spenning. I den nye viklingen ligger de høyeste spolene i et lekkfelt som forløper parallelt med folien eller båndet. Nær endene er spolene så smale at de tilleggstap som skyldes det radiale lekkfelt, blir betraktelig redusert. Denne viklingstype vil derfor få betraktelig lavere tilleggstap enn andre viklings-typer, fordi man har høye spoler med mange vindinger der hvor The new center-fed winding type also offers advantages over a conventional foil winding in terms of additional losses caused by radial leakage fields at the ends of the winding. In a winding which is either made up of a whole foil or of equally high series-connected foil coils, you will get large additional losses at the winding ends. These losses are due to radial leakage fields which give rise to uneven current distribution. Such losses have been tried to be avoided by shielding the ends of the windings. Such shields are not economical and practical in transformers for large outputs and high voltage. In the new winding, the highest coils lie in a leakage field that runs parallel to the foil or tape. Near the ends, the coils are so narrow that the additional losses due to the radial leakage field are considerably reduced. This type of winding will therefore have significantly lower additional losses than other types of winding, because you have high coils with many turns where

-lekkfeltet løper parallelt med spolene, og lave spoler med få vindinger ved endene, hvor det radiale lekkfelt er størst. Fig. 2 viser en utførelse av viklingen hvor 1 betegner inngangsspolen, og 2, 3, 4, 5, 6 og 7 spoler med avtagende høyde symmetrisk om inngangsspolen. Fig. 3 viser en utførelse med inngangsspole la og avsmal-nende foliespoler 2a, 3a og 4a, men med skivespoler 5a, 6a, 7a og 8a med konstant høyde mot endene. Fig. 4 viser en utførelse med inngangsspole 1^, like høye foliespoler 2fc, 3^og 4j-, symmetrisk om inngangsspolen og dessuten skivespoler 5^, 6^, 7^og 8^mot endene av viklingen. Denne opp-bygning vil gi færrest antall spoletyper. -the leakage field runs parallel to the coils, and low coils with few turns at the ends, where the radial leakage field is greatest. Fig. 2 shows an embodiment of the winding where 1 denotes the input coil, and 2, 3, 4, 5, 6 and 7 coils of decreasing height symmetrically about the input coil. Fig. 3 shows an embodiment with input coil 1a and tapering foil coils 2a, 3a and 4a, but with disk coils 5a, 6a, 7a and 8a with constant height towards the ends. Fig. 4 shows an embodiment with input coil 1^, equally high foil coils 2fc, 3^ and 4j-, symmetrical about the input coil and also disk coils 5^, 6^, 7^ and 8^ towards the ends of the winding. This build-up will give the fewest number of coil types.

Den nye vikling vil være meget motstandsdyktig overfor radiale krefter, særlig dersom der benyttes epoksyplettet press-pan som lagisolasjon. Det parti som er mest utsatt for"bukling", er nettopp midtpartiet av viklingen, hvor man her kan oppnå en meget sterk konstruksjon. Viklingen vil kunne gjøres selvbærende og således være uavhengig av oppstøtning^mot kjernen. Dessuten vil den være lettere å fremstille med snever toleranse i høyde-1-retningen. Derved vil de aksiale kortslutningskrefter bli mindre. The new winding will be very resistant to radial forces, especially if epoxy-stained press-pan is used as layer insulation. The part most exposed to "buckling" is precisely the middle part of the winding, where a very strong construction can be achieved here. The winding will be able to be made self-supporting and thus be independent of thrust against the core. Moreover, it will be easier to produce with tight tolerance in the height-1 direction. Thereby, the axial short-circuit forces will be smaller.

Man skal også spesielt fremheve at den beskrevne viklings- It should also be particularly emphasized that the described winding

type byr på fordeler ved fremstillingen og isoleringen slik at den vil gi store økonomiske besparelser i forhold til nåværende viklingsutførelser. I høyspenningstransformatorer brukes idag for en stor del en eller annen utgave av innbladet skivevikling. type offers advantages in manufacturing and insulation so that it will provide large financial savings compared to current winding designs. In high-voltage transformers, one or another version of bladed disc winding is used to a large extent today.

Når man vet at det tar dobbelt så lang tid å produsere en inn- When you know that it takes twice as long to produce an in-

bladet skive som en uinnbladet, så ser man umiddelbart hvilkebespar-elser som kan oppnås. En folievikling regner man er enda enklere å fremstille og vil bety en ytterligere besparelse på 30%. Den om-talte vikling vil ha færre skiver enn en konvensjonell. Montering av avstandsholdere og høydejusteringer blir derfor av redusert omfang. Dessuten er en folievikling lettere å isolere, og iso-lasjonen tar mindre plass, så fyllfaktoren kan økes. Derved kan man redusere en transformators behov for aktive materialer. the bladed disc as an unbladed one, then you immediately see what savings can be achieved. A foil winding is thought to be even easier to manufacture and will mean a further saving of 30%. The aforementioned winding will have fewer discs than a conventional one. Installation of spacers and height adjustments will therefore be of reduced scope. In addition, a foil winding is easier to insulate, and the insulation takes up less space, so the fill factor can be increased. This can reduce a transformer's need for active materials.

Den nye viklingsoppbygning kan benyttes som høyspenningsvikling The new winding structure can be used as a high-voltage winding

eller lavspenningsvikling i kombinasjon med en hvilken som helst annen viklingstype. Som høyspenningsvikling er den best egnet med linjeinngang på midten, og endene forbundet med jord, resp. stjernepunkt, da man ellers vil få store tilleggstap. Ved an-vendelse som lavspenningsvikling vil kravene til støtfasthet være lettere å oppfylle og mindre dominerende. Man vil imidlertid også her oppnå reduserte tilleggstap med den nye viklingsutformning. or low voltage winding in combination with any other winding type. As a high-voltage winding, it is best suited with a line input in the middle, and the ends connected to earth, resp. star point, as you will otherwise incur large additional losses. When used as a low-voltage winding, the requirements for shock resistance will be easier to meet and less dominant. However, reduced additional losses will also be achieved here with the new winding design.

Utformningen av lavspenningsviklingen vil være avhengig The design of the low-voltage winding will depend

av hvilken spenning den skal Tsygges for. For lave spenninger vil den enklest mulige utførelse bestå av en høy foliespole i midten, seriekoblet med lave spoler ved endene hvor man har radiale lekkfelter. of which voltage it should be Tsygged for. For low voltages, the simplest possible design will consist of a high foil coil in the middle, connected in series with low coils at the ends where there are radial leakage fields.

Fig. 5- viser den enkleste utførelse for en lavspenningsvikling, hvor man har en høy midtspole lc, seriekoblet med lave spoler 2c, 3C, 4C og 5C ved endene hvor man har radiale lekkfelter. Fig. 5- shows the simplest design for a low-voltage winding, where you have a high central coil lc, connected in series with low coils 2c, 3C, 4C and 5C at the ends where you have radial leakage fields.

Transformatorermed både høy- og lavspenningsviklinger ut-formet som beskrevet, vil kunne bygges med redusert avstand mellom disse. Dette vil bli nærmere forklart i det følgende under hen-visning til fig. 6-8. Transformers with both high- and low-voltage windings designed as described will be able to be built with a reduced distance between them. This will be explained in more detail below with reference to fig. 6-8.

I transformatorer med inngang på midten A (fig. 6) av høy-spenningsviklingen vil der ved støtspenningspåtrykk kunne oppstå betydelig spenningsforhøyning over kanalen mellom høyspennings- In transformers with an input in the middle A (Fig. 6) of the high-voltage winding, a significant voltage increase across the channel between the high-voltage

og lavspenningsviklingen. Dette kommer av at midtpunktet B av and the low voltage winding. This comes from the fact that the midpoint B of

lavspenningsviklingen først blir løftet opp i spenning (kapasitivt) med samme polaritet som påtrykket. Deretter vil det svinge til-bake med motsatt polaritet som vist på fig. 7. Spenningen Ae over kanalen mellom høyspennings- og lavspenningsvikling vil derved kunne komme opp i 130-140% av påtrykt spenning. Denne. spenningen blir størst når svingningen i pkt. B har et lite inn-hold av overtoner, slik som det er vist på fig. 7, hvor man har én utpreget frekvens. På grunn av symmetrien i oppbygningen på fig. 6 er dette som regel tilfellet. the low-voltage winding is first raised in voltage (capacitive) with the same polarity as the applied pressure. It will then swing back with the opposite polarity as shown in fig. 7. The voltage Ae across the channel between the high-voltage and low-voltage winding will thereby be able to rise to 130-140% of applied voltage. This. the voltage is greatest when the oscillation in point B has a small content of overtones, as shown in fig. 7, where one has one distinct frequency. Due to the symmetry of the structure in fig. 6, this is usually the case.

Ved å redusere spenningen Ae ville man kunne redusere isolasjonsavstanden mellom høyspennings- og lavspenningsvikling og derved redusere materialkostnadene såvel for kjerne som for viklinger. By reducing the voltage Ae, it would be possible to reduce the insulation distance between the high-voltage and low-voltage windings and thereby reduce the material costs both for the core and for the windings.

En reduksjon av Ae oppnår man ved å konstruere høyspennings-viklingen av bånd-/folie-spoler som tidligere bes krevet.Derved" vil spenningen på midten av høyspenningsviklingen, inn mot kanalen mellom høyspennings- og lavspenningsvikling, bli redusert med den del som legger seg over første spole (f.eks. 25%). Dette vil resultere i at punkt B lades opp tilsvarende mindre kapasitivt, og Ae vil følgelig også reduseres tilsvarende. A reduction of Ae is achieved by constructing the high-voltage winding of tape/foil coils, which was previously required. Thereby, the voltage in the middle of the high-voltage winding, towards the channel between the high-voltage and low-voltage winding, will be reduced by the part that settles above the first coil (e.g. 25%) This will result in point B being charged correspondingly less capacitively, and Ae will consequently also be reduced accordingly.

En ytterligere reduksjon av Ae vil man få hvis man utfører lavspenningsviklingen som vist ved L på fig. 8. Her er midtpartiet laget av en eller flere bånd-spoler, mens ytterpartiet er skiver. Man oppnår derved å få den del av lavspenningsviklingen som geografisk ligger nærmest høyspenningsyiklingens midtpunkt, til å ligge nær det ene lavspennings.uttaks potensial. Dette vil si. nær 0 ved støtpåtrykk. Man ødelegger derved symmetrien slik at spenningssvingningen i lavspenningsviklingen får flere overhar-moniske og derved blir lavere. A further reduction of Ae will be obtained if the low-voltage winding is carried out as shown at L in fig. 8. Here, the middle part is made of one or more tape coils, while the outer part is disks. You thereby achieve the part of the low-voltage winding which is geographically closest to the center of the high-voltage winding, to lie close to the potential of the one low-voltage outlet. This means close to 0 at impact pressure. This destroys the symmetry so that the voltage fluctuation in the low-voltage winding acquires more harmonics and thereby becomes lower.

Man vil også seriekoble lavspenningsviklingens spoler slik at den del av viklingen som geografisk ligger nærmest høyspen-ningsviklingens midtpunkt, får høyest mulig spenning ved indu-sert prøvespenning. Derved blir den liggende så nær høyspennings-viklingens potensial som mulig. One will also connect the coils of the low-voltage winding in series so that the part of the winding which is geographically closest to the center of the high-voltage winding receives the highest possible voltage in the case of an induced test voltage. Thereby, it lies as close to the potential of the high-voltage winding as possible.

Begge virkninger vil redusere kravet til isolasjonsavstand mellom høyspennings- og lavspenningsvikling. Both effects will reduce the requirement for insulation distance between high-voltage and low-voltage windings.

Fig. 8 viser en transformator hvor både høy- og lavspenningsvikling H resp. L er bygd opp i samsvar med oppfinnelsen. Fig. 8 shows a transformer where both the high- and low-voltage winding H resp. L is constructed in accordance with the invention.

I en treviklingstransformator vil man likeledes utforme alle tre viklingene etter det samme prinsipp. In a three-winding transformer, all three windings will likewise be designed according to the same principle.

Claims

1. Device for windings for high-current transformers or reactors with coils where the conductor's extension in the axial direction corresponds to the coil height, characterized by the height of series-connected coils and the number of turns per coil decreasing from coil to coil or in groups, counted from the middle to the ends of the winding.

2. Device as specified in claim 1, particularly in the case of high-voltage windings, characterized in that the two halves of the winding are connected in parallel and their outer ends are connected to earth and/or star point.

3. Device as specified in claim 2, characterized in that the coil height and number of turns decrease largely according to a geometric series.

4. Device as stated in claim 1, especially for low-voltage windings, characterized in that all. the coils of the winding are connected in series.

5. Device as specified in claim 4, characterized in that the center coil occupies more than half the height of the winding.

6. Device as stated in claim 1, for transformers, characterized by the combination that the high-voltage winding is made in accordance with claim 2 or 3 and the low-voltage winding with claim 4 or 5.