NO145638B - Krafttransformator. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en krafttransformator med magnetisk kjerne og viklinger, i hvilke minst én vinding i hvert lag vindinger som er anordnet til hverandre grensende i aksial retning av kjernen, har hovedsakelig rektangulær tverrsnittsform med for-høyninger og fordypninger på minst én hovedside av vindingslederen.

Transformatorer av denne art ble til å begynne med utstyrt med sirkelformede spoler som var anbragt på korsformede ben av en magnetisk kjerne. De store omkostninger ved kjellerplass i store byer førte til utviklingen av mer kompakte krafttransformatorer, slik at rektangulære spoler og kjerner ble fremstilt. Den rektangulære form har vist seg å være meget stabil og på-litelig, idet de må være istand til å motstå kabelfeilspennings-topper, koblingsspenningstopper og overbelastningskarakteristik-ker på nettet.

Selv om den rektangulære konstruksjon er godt egnet for å motstå gjentatte kortslutningspåkjenninger, har man stadig forsøkt ytterligere forbedring av viklingenes fasthet for å motstå de meget store krefter som viklingene utsettes for under en kortslutning. Under en kortslutning av sekundærviklingen i en krafttransformator med rektangulær kjerneform vil den ytre eller høyspenningsviklingen utsettes for en kraft radialt utover, og den indre lavspenningsvikling utsettes for en kraft radialt inn-over.

Hvis det var mulig å bygge en transformator hvor høy-spenningsviklingen og lavspenningsviklingen hadde nøyaktig samme lengde, samme form og lineære fordeling av ampere vindingstallet pr. lengdeenhet og endene av viklingene lå i samme plan, ville bare de radiale krefter være de hovedsakelige kortslutningskref-ter. I praksis vil imidlertid uttak og fremstillingsvariasjoner gi en vertikal forskyvning mellom de elektriske sentra for høy-spenningsviklingen og lavspenningsviklingen, og da hovedkraften for den radiale frastøtning virker sterkt mellom de elektriske sentra, vil en kraftkomponent opptre som beveger høyspennings-viklingen og - lavspenningsviklingen i motsatt aksiale retninger.

Kortslutningskraften på en vikling er proporsjonal med kvadratet av strømmen i viklingen. Kortslutningsstrømmene kan være 15 eller mere ganger større enn normal belastningsstrøm,

og kraften på viklingen er proporsjonal med kvadratene av strøm-

men som flyter gjennom viklingen. Kortslutningskreftene øker altså som følge av forskyvningen av den første halvperiode av strømmen, og denne forskyvning er en funksjon av forholdet mellom motstanden og reaktanten i transformatoren. Økningen i kortslut-ningskref tene som skyldes denne forskyvning er 3-4 ganger verdien av kraften ved symmetrisk strøm. Således vil kortslutnings-kref tene kunne være 800 - 1000 ganger de krefter som opptrer ved normal belastningsstrøm, og da den aksiale komponent ligger i området 7 - 15% av den totale kraft, vil kraften som forsøker å bevege viklingene aksialt fra hverandre under kortslutning være meget vesentlig.

DAS 2.251.854 viser viklingsledere som er sikret mot innbyrdes forskyvning under aksial kraftpåvirkning, men den innbyrdes sikring gjelder bare vindinger som ligger radialt på hverandre i til hverandre grensende vindingslag, og ikke sikring av til hverandre grensende vindinger i aksial retning av viklingen .

Hensikten med oppfinnelsen er på grunnlag av de oven-for nevnte ulemper å tilveiebringe en forbedret konstruksjon av de tidligere kjente krafttransformatorer.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved at hver vinding har partier med slike forhøyninger og fordypninger anordnet i aksialt overlappende forhold med partier av andre vindinger i viklingen, på sådan måte at forhøyningene og fordypningene griper inn i fordypninger resp. forhøyninger i aksialt overlappende andre vindinger, slik at to hverandre aksialt overlappende og med hverandre forbundne vindinger er godt sikret mot aksial forskyvning innbyrdes.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av kravene 2-10.

Noen utførelseseksempler på oppfinnelsen skal nedenfor beskrives nærmere under henvisning til tegningene. Fig. 1 viser i perspektiv og delvis i snitt en krafttransformator ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 viser i større målestokk et utsnitt av fig. 1. Fig. 3 viser et snitt langs linjen III-III på fig. 2. Fig. 4 viser i forstørret målestokk et utsnitt av fig. 2 og 3. Fig. 5 viser på samme måte som fig. 4 en annen utfør-elsesform av vindingstverrsnittet. Fig. 5A viser på samme måte en ytterligere utførelses-form av vindingstverrsnittet. Fig. 6 viser i forstørret målestokk et utsnitt av fig. 5. Fig. 7 viser på"samme måte som fig. 6 tverrsnittsformen på fig. 5 med en modifikasjon av isolasjonen. Fig. 8 viser på samme måte som fig. 5 nok en tverrsnittsform av vindingene. Fig. 9 viser på samme måte en siste utførelsesform av tverrsnittsformen av vindingene.

Transformatoren 10 på fig. 1 har en rektangulær kjerne 12 og flere viklinger 14, 16 og 18. Kjernen 12 har flere ben, som f. eks. 20, som ligger parallelt i avstand fra hverandre og har hovedsakelig rektangulært tverrsnitt. Fig. 1 viser bare én fullstendig vikling og ett ben i detalj, men de andre viklinger og ben er tilsvarende. Et vilkårlig antall ben og viklinger kan anvendes avhengig av anvendelsen. Benene i kjernen 12 er oven-til og nedentil forbundet med åkdeler. De forskjellige ben og åkdeler er dannet av en stabel metallblikk 22 av orientert siliciumstål, og benlamellene slutter seg til åklamellene i samme plan. Transformatoren 10 kan være for én eller flere faser med to eller flere ben.

Viklingene, som f. eks. viklingen 14, omfatter en høy-spenningsvikling 24 og en lavspenningsvikling 2 6 som er anbragt

konsentrisk utenpå hverandre på benet 20 som har en sentral akse 19 koaksialt med senterlinjene i viklingene 24 og 26. Viklingene 24 og 26 er adskilt ved isolasjon 28, og hele viklingsenheten er isolert fra kjernebenet ved hjelp av et spolerør 30. Viklingsenheten 14 har en rektangulær åpning for kobling mellom viklingen og den magnetiske kjerne, og viklingen har en hovedsakelig rektangulær ytre form.

Avhengig av strømmen i viklingen vil lavspenningsviklingen 2 6 bestå av platemateriale. Den plateformede leder anvendes for lave spenninger og stor strøm, mens stangformet leder anvendes for høyere spenning og mindre strøm. Høyspenningsvik-lingen 24 er vanligvis viklet av stangformet ledermatefiale fordi strømmen er forholdsvis lav, og på slike viklinger kan det lette-re tas uttak.

Foreliggende oppfinnelse er rettet på transformator-viklinger med stangformet ledermateriale og. er: Såléd.es;;.anvefide-lige for høyspenningsviklingen 24, og når stangformet materiale anvendes for lavspenningsviklingen 26, gjelder dette altså både for høyspenningsviklingen og lavspenningsviklingen. Ved utfør-elseseksemplet på fig. 1 er både høyspenningsviklingen og lavspenningsviklingen utført med stangformet ledermafeeriåie. viklingene har rektangulær tverrsnittsform og er omviklet med isolasjonsmateriale, som f. eks. cellulosebånd, for isolasjon mellom vindingene. De stangformede viklinger er viklet med flere vindinger i et aksialt forløpende lag, og et annet lag er viklet ovenpå det første, idet det er anbragt et lag isolasjonsmateriale mellom lagene.

Ifølge oppfinnelsen har det stangformede ledermateriale en tverrsnittsform som binder de enkelte vindinger i hvert lag til hverandre for å motstå en innbyrdes aksial bevegelse mellom vindingene i et lag, og ved en utførelse er lagene i tillegg hindret fra aksial bevegelse i forhold til hverandre.

På fig. 2 er vist et utsnitt av et viklingslag 40 av en høyspenningsvikling eller en lavspenningsvikling. Viklings-laget 40 er dannet av en leder 42 som er viklet utenpå et isolasjonslag 44. Fig. 3 viser et utsnitt i forstørret form av laget 40 med de første fire vindinger 46, 48, 50 og 52. Under viklingen blir lederen 42 viklet rundt laget 44 av isolasjonsmateriale og danner den første vinding 46 som så etterfølges av vindingene 48, 50 og 52. Vindingene i sjiktet 40 opptar samme radiale posi-sjon innenfor den rektangulære viklingsstruktur om aksen 19, men opptar forskjellig aksiale posisjoner innenfor laget 40.

Vindingene er låst til hverandre for å hindre aksial bevegelse mellom vindingene. Låsinaen skjer automatisk under viklingen av laget 40 som følge av tverrsnittsformen av lede-

ren 42. En vikling dannet av lederen 42 er ikke utsatt for vind-ingsadskillelse slik som ved vanlige vindinger. Kortslutnings-fastheten av en vikling ifølge oppfinnelsen med sin innbyrdes låsing av vindingene er derfor meget større enn for en vanlig vikling.

Fig. 3 viser tverrsnittsformen av lederen 42, og denne kan deles i fire deler som er adskilt ved en horisontal og en vertikal linje 54, resp. 56 gjennom midten av lederen 48. Linjen 54 strekker seg i radial retning gjennom midtpunktet av lederen

48 og står vinkelrett på viklingsaksen 19. Linjen 54 deler tverr-snittsarealet i delene 58 og 60 over, henholdsvis under linjen 54. På samme måte strekker linjen 56 seg i aksial retning gjennom midtpunktet av lederen. Denne linje deler tverrsnittsare-alet i delene 62 og 64 på venstre og høyre side av linjen 56. Det skal bemerkes at lederen 4 2 har en øvre og nedre del 68 og 70 som er rotasjonssymmetrisk om aksen 66 vinkelrett på skjæringspunktet for linjene 54 og 56. Med andre ord hvis lederen 42 dreies 180° om linjen 66, vil delen 68 innta posisjonen for delen 70, og delen 70 vil innta posisjonen for delen 68. Denne komplementære utforming muliggjør at en etterfølgende vinding vil overlappe én tidligere vinding og låse disse til hverandre.

Låseelementene på lederen 42 omfatter utragende deler 72 og 74 som strekker seg på tvers av den vertikale linje 56. Tverrsnittsformen omfatter også fordypninger 76 og 78 som mulig-gjør komplementære inngrep med fremspringet på den tilgrensende vinding. Fremspringene og fordypningene samvirker for å hindre innbyrdes aksial bevegelse mellom vindingene som følge av elek-tromekaniske krefter som de utsettes for under ekstreme påkjenn-inger .

Lederen 42 på fig. 3 har et tettsluttende sjikt 80

av elektrisk isolasjonsmateriale., som f. eks. av herdet epoksy-harpiks. Epoksyharpiksen kan med fordel anbringes i pulverform ved elektrostatisk teknikk slik at det får en jevn fordeling, men andre påføringsmetoder kan anvendes. Når laget 40 er fer-digviklet, anbringes et isolasjonslag 82 utenpå laget 40, og det neste lag vikles direkte på isolasjonslaget 82.

Fig. 4 viser et forstørret utsnitt av viklingene 48 og 50 på fig. 3. Rommet 84 mellom fordypningen 78 og fremspringet 72 er overdrevet på fig. 4 for å indikere at radiene for de to kurver kan være forskjellige for å muliggjøre kontakt mellom vindingene i områdene 86, 88 og 90.

Ved denne utførelsesform hvor bredden av lederen 4 2 er W, strekker fordypningen 64 seg inn i ledertverrsnittet 1/3 W. På samme måte har fordypningen 76 en avstand 1/3 W fra kanten

av den tilgrensende vinding. Den samlede tykkelse eller bredde W av lederen er tre ganger avstanden mellom fordypningene og kantene. Dette medfører at fordypningene har en kurveradius lik en halv delingsavstand 1/3 W eller 1/6 W. De gjenstående kanter av lederen kan ha en kurveradius lik 1/9 W.

Fig. 5 viser et utsnitt av en viklingsstruktur 100

ifølge en annen utførelsesform av oppfinnelsen. Strukturen 100 har flere lag ledervindinger 102, 104 og 106. Ved denne utførel-sesf orm er det ingen overlapping i laget, men tverrsnittsformen av lederen er valgt slik at vindingene i de tilgrensende lag samvirker ikke bare for å hindre innbyrdes aksial bevegelse mellom lederviridingene i et bestemt lag, men hindrer også aksial bevegelse mellom lederne i til hverandre grensende sjikt.

Viklingen 100 er viklet av en leder 108 som er symmetrisk om en horisontal og en vertikal linje 110, resp. 112

og 180° rotasjonssymmetrisk om en akse 114 i skjæringspunktet vinkelrett på linjene 112 og 114. Lederen 108 har hovedsakelig l-formet tverrsnitt med en sentral, hovedsakelig rektangulær formet del 116, en øvre, hovedsakelig rektangulær formet del 118 og en nedre, hovedsakelig rektangulær formet del 120. Delene 118 og 120 strekker seg ut over sidene 122 og 124 av den sentrale del 116 og danner fordypninger på motsatte sider av den vertikale linje 112 for å oppta øvre og nedre utragende deler av ledervindingene i det neste tilgrensende lag.

Lederen 108 er viklet på et isolerende legeme 130 med en øvre del 118 av én vinding liggende inntil den nedre del 120 av den tilgrensende leder for å danne et første aksialt for-løpende lag 102. Viklingen fortsetter så til det neste tilgrensende lag. Vindingene i det tilgrensende lag 104 er radialt forskutt i forhold til vindingene i laget 102 med en avstand som er halvparten av lengden av lederen målt i aksial retning av viklingen med en øvre del 118 i den ene vinding ragende inn i den nedre del av fordypningen 124 i en vinding i laget 102, og den nedre del 120 i den neste vinding vil rage inn i den øvre del av fordypningen 124. På denne måte vil en vinding i det ene lag bli låst til vindingene i det tilgrensende lag for å motstå innbyrdes aksial bevegelse, og vindingene i et midtre lag låser fire ledervindinger mot innbyrdes aksial bevegelse, nemlig to i det innerste lag og to i det ytterste lag. Denne form hindrer også innbyrdes aksial bevegelse mellom lagene 102, 104 og 106, slik at alle vindingene i viklingen lå-ses til hverandre.

Fig. 5A viser på samme måte en viklingsform 100' som er en modifikasjon av viklingen 100 på fig. 5. Viklingen 100' har en leder 108' med dobbelt svalehaletverrsnittsform istedet for I-formen av lederen 108.

Fig. 6 viser i forstørret målestokk lederen 108 på fig. 5 forsynt med et isolasjonssjikt 132, f. eks. av epoksy-harpiks, anbragt både for isolasjon av vindingene og lagene. Elektrostatisk pulverbelegningsteknikk er egnet og muliggjør

at sjikttykkelsen kan kontrolleres. Hvis sjikttykkelsen T er valgt, vil endene 134, 136 av delene 118 og 120 ha en tykkelse

T , hvilken tykkelse er mindre enn tykkelsen T, men må være

(X)

tilstrekkelig for isolasjon mellom vindingene.

På fig. 7 er vist en alternativ utførelse av viklingen 100 på fig. 5 hvor lederen 108 kan ha et jevnt tykt isolasjonssjikt 138 med en tykkelse som er tilstrekkelig for isolasjon mellom vindingene og ett eller flere sjikt isolasjonsmateriale 140 og 142 kan anbringes mellom hvert lag ledere før neste lag vindinger anbringes. Isolasjonen 140 og 142 overlappes i aksial retning og bør være strekkbar, som f. eks. et trekkpapir, for å sikre isoleringen mellom de enkelte lag.

Anordningen av isolasjonen på fig. 6 og 7 kan også anvendes på lederen 108' på fig. 5A. Fig. 8 viser et utsnitt av en vikling 150 med en annen tverrsnittsform av lederen for å hindre innbyrdes aksial bevegelse mellom vindingene i hvert lag og mellom lagene. Ved denne utførelse er en leder 152 utstyrt med to i avstand beliggende fordypninger 154 og 156 på den indre flate 157 og to i avstand beliggende fremspring 158 og 160 på den ytre overflate 161. Vindingene i til hverandre grensende sjikt er forskutt en halv vinding, slik at fremspringene 158 og 16 0 på to til hverandre grensende vindinger i det ene lag griper inn i fordypningene 154 og 156 på en enkelt vinding i det neste lag. Lederen 152 kan være isolert med et belegg av isolasjonsmateriale, som vist på fig. 6.

Fig. 9 viser nok en utførelsesform av tverrsnittet av en vinding 170 ifølge oppfinnelsen hvor vindingene i hvert aksialt sjikt samvirker med ett tilgrensende sjikt istedet for to tilgrensende sjikt som på fig. 5-8. Viklingen 170 er dannet av en leder 172 som har en hovedsakelig rektangulær sentral del 174 og en øvre og en nedre hovedsakelig rektangulær del 176 og 178. Delene 176 og 178 strekker seg utover bare på den ene side av den sentrale del 174 istedet for på begge sider, som på fig. 5 og danner en enkelt fordypning 180 for samvirke med delene 178 og 176 på ledere i det neste tilgrensende lag. Det skal bemerkes at lederne i det første eller innerste lag 182 er orientert slik at de har C-form, som vist på fig. 9, mens lederen 172 er orientert i motsatt retning i det tilgrensende lag 184. Det

tredje lag 186 er igjen orientert i likhet med det første sjikt 184. ved slutten av ett lag og begynnelsen av det neste lag må det skje en vridning på 180° for å oppnå den ønskede orientering av det neste lag. Det skal bemerkes at vindingene i alle lag er låst i forhold til hverandre mot aksial innbyrdes bevegelse, og lagene er låst i hverandre parvis. Lederen 172 kan være isolert med et sjikt elektrisk isolasjonsmateriale, slik som vist på fig. 6, eller viklingen 170 kan være isolert, som vist på fig. 7.

Claims (10)

1. Krafttransformator med magnetisk kjerne og viklinger, i hvilke minst én vinding i hvert lag vindinger som er anordnet til hverandre grensende i aksial retning av kjernen, har hovedsaklig rektangulær tverrsnittsform med for-høyninger og fordypninger på minst én hovedside av vindingslederen, karakterisert ved at hver vinding har partier med slike forhøyninger og fordypninger anordnet i i aksialt overlappende forhold med partier av andre vindinger i viklingen, på sådan måte at forhøyningene og fordypningene griper inn i fordypninger resp. forhøyninger i aksialt overlappende andre vindinger, slik at to hverandre aksialt overlappende og med hverandre forbundne vindinger er godt sikret mot aksial forskyvning innbyrdes.

2. Transformator ifølge krav 1, karakterisert ved at det hovedsaklig rektangulære, modifiserte tverrsnitt av lederen har tilnærmet S-form, og griper inn i tilgrensende vindinger i samme viklingslag (fig. 2-4). i

3. Transformator ifølge krav 2, karakterisert ved at dimensjonen av tverrsnittet mellom bunnen av en fordypning og den motstående side av lederen er en tredjedel av bredden av lederen målt radialt i forhold til lengdeaksen av vindingen. 5

4. Transformator ifølge krav 1, karakterisert ved at vindingene i hvert lag står kantvis på hverandre med forhøyede partier som griper inn i for-

dypninger i tilgrensende vindinger i tilgrensende vindingslag (fig. 5-9).

5. Transformator ifølge krav 4, karakterisert ved at det hovedsaklig rektangulære, modifiserte tverrsnitt av lederen har tilnærmet l-form (fig. 5-7).

6. Transformator ifølge krav 4, karakterisert ved at det hovedsaklig rektangulære, modifiserte tverrsnitt av lederen har tilnærmet dobbelt svalehaleform (fig. 5A).

7. Transformator ifølge krav 4, karakterisert ved at det hovedsaklig rektangulære, modifiserte tverrsnitt av lederen har tilnærmet C form (fig.9).

8. Transformator ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at vindingslederen er forsynt med et isolasjonssjikt med en tykkelse som er tilstrekkelig til å isolere vindingene i hvert lag fra hverandre.

9. Transformator ifølge krav 8, karakterisert ved at isolasjonssjiktet på langsidene av lederen er tilstrekkelig til å isolere vindingslagene i tilgrensende lag fra hverandre.

10. Transformator ifølge krav 8, karakterisert ved at det mellom isolasjonen på vindihgslederne i til hverandre grensende lag er anordnet et isolasjonssjikt som er tilpasset ledernes konfigurasjon.