<Desc/Clms Page number 1>
EMI1.1
APPAIEILS ELECTRIQ[ 3 A HAIPi' T.eiQSIiyT,
La présente invention est relative aux appareils électriques à haute tension et son objet est de perfectionner la distribution des tensions dans les enroulements de ces appareils, lors de perturbations électriques telles que les à-ooups résultant des allumages et des coupures de circuit.
La distribution des potentiels transitoires dans les enroulements haute tension, tels que ceux des transformateurs, peut être rendue fortement non linéaire par suite des faibles capacités des enroulements par rapport au sol, lesquelles sont trop faibles pour affecter sensiblernent la distribution normale ou statique des po- tentiels dans l'enroulement.
Une solution rationnelle générale consiste en une dis- position particulière des éléments; on peut, par exemple, placer les couches bobinée de l'enroulement haute tension entre les deux plaques d'un condensateur, chaque n
<Desc/Clms Page number 2>
extrémité de l'enroulement étant relié à la plaque adjacente du condensateur, de telle manière que la distribution de potentiel dans'l'enroulement, correspondant au champ électrostatique normal du condensateur, coïncide avec la distribution de poten- tiel correspondant au champ magnétiqve alternatif normal de l'enroulement.
En prati- que, on dispose les n éléments de l'enroulement, entre les deux plaques du conden- sateur de façon telle que la distance entre l'élément j de l'enroulement et la pla- que de condensateur adjacente au premier élément soit égale à j n fois la distance totale entre les deux plaques. Dans les cas où les plaques du condensateur s'étendent sur une longueur égale à la partie la plus large de l'enroulement et où la distance entre les plaques est moindre que les dimensions mêmes des plaques, s'il n'y a pas d'exposition excessive au potentiel de terre des extrémités ouvertes de l'enroulement, on peut obtenir de bonnes distributions des potentiels.
Cependant, si les éléments d'enroulements, par exemple les différentes couches, sont de dimensions progressive- ment décroissantes, même si chaque plaque de condensateur couvre la couche adjacente de l'enroulement, si la distance entre les plaques est plus petite que les dimensions de la plus petite plaque, si l'exposition directe au sol des extrémités de l'enroule- ment est négligeable et si le niveau général des potentiels des différentes couches est sensiblement une ligne droite, des gradients de potentiel très élevés peuvent exister aux extrémités des couches de l'enroulement, ces gradients étant dus aux poin- tes existant en certains points dans la courbe de distribution du potentiel d'impul- sion de l'enroulement, Comme il sera expliqué plus en détails plus loin.
L'objet principal de la présente invention est l'atténuation de ces pointes, afin de diminuer les gradients et tensions élevées dans l'isolement, qui résultent de ces pointer
On comprendra mieux les avantages et les caractéristiques nouvelles de l'invention en se reportant à la description suivante et aux dessins qui l'accompa- gnent dònnés simplement à titre d'exemples non limitatifs et dans lesquels : la figure 1 représente semi-schématiquement la coupe d'une partie d'un en- roulement à plusieurs couches bobinées et du noyau correspondant, les couches étant de longueurs progressivement décroissantes et deux plaques électrostatiques étant pla- cées aux deux extrémités de l'enroulement, la présente invention pouvant être appli- quée avec un bénéfice tout particulier à ce genre d'enroulement;
la figure 2 représente la courbe de distribution des potentiels transi- toires, dans l'enroulement de la fig.l, lorsque ce dernier est soumis à une forte impulsion électrique; cette figure illustre les pointes mentionnées plus haut;
<Desc/Clms Page number 3>
la fig.3 représente les lignes équipotentielles à l'une des extrémités des plaques électrostatiques de la fig,l, lorsque l'enroulement est soumis à une forte impulsion électrique, identique à celle qui a permis de tracer le diagramme de la fig,2; la fig.4 représente semi-schématiquement une partie d'un enroulement à plu- sieurs couches bobinées, appliquant le principe de la présente invention, utilisant plusieurs plaques conductrices noyées dans l'enroulement haute tension pour diminuer les pointes dans la distribution du potentiel;
les fige 5 & 6 représentent différents types de plaques, employés avec les enroulements de la fig,4; la fil-,,7 représente une méthode de correction des pointes de potentiel au moyen de condensateurs remplaçant les plaques de la fig.4; la fig.8 illustre les perfectionnements apportés par le dispositif de la fig.7; la fig.9 représente l'application de l'invention à un autre dispositif d'en- roulement; la fig.10 représente une autre adaptation de l'invention à l'enmulement de la fig.9;
la fig.ll illustre une modification de l'enroulement de la fig.9; la fig.12 représente la distribution du potentiel dans l'enroulement de la fig,9 dans des conditions différentes, sans l'emploi de moyens correctifs des dites pointes ; la fig.13 représente, en coupe partielle, un transformateur utilisant le dispositif, objet de la présente invention ; la fig.14 est, en coupe, une vue en élévation d'un des conducteurs de tra- versée extérieurs employés dans le transformateur de la fig.13; la fig.15 est, en coupe, une vue latérale en élévation d'une partie d'un transformateur muni d'une autre modification de l'invention; la fig, 16 est'une vue en plan prise le long de la ligne 16-16 de la fig,15;
la fige 17 est une vue fragmentaire de l'un des écrans et conducteur de traversées intérieur, entre deux enroulements adjacents; la fige 18 est une vue en perspective, partiellement en coupe, de l'un des écrans employés dans le transformateur des figures 15 à 17,
A la fig.1, le numéro de référence 21 représente une coupe longitudinale
<Desc/Clms Page number 4>
faite dans un enroulement solénoidal conique à six couches superposées, qui com- prennent les couches a-c, o-e, e-g, g-i, 1-k, et k-m, la couche a-c étant la plus extérieure et la couche k-m étant la plus intérieure.
Les distances entre les dif- férentes couches sont accentuées sur le dessin, pour rendre ce dernier plus compré- hensible. Les différentes couches sont disposées entre deux plaques électrostatiques cylindriques- un écran 22 mis au potentiel de ligne et un écran 23 mis au potentiel de terre- adjacentes et reliées oonductivement aux extrémités respectives des enrou- lements a et m. Les deux écrans sont pourvus de discontinuités longitudinales afin de les empêcher de court-circuiter la tension normale de l'enroulement.
Les différentes couches de l'enroulement sont représentas comme étant inclinées d'un angle constant par rapport aux plaques, les pentes étant alternativement positives et négatives, as- surant ainsi, du moins dans les couches médianes b, d, f, h, j, 1, des potentiels électrostatiques dans le champ électrostatique du condensateur correspondant à une distribution sensiblement uniforme du potentiel le long des différents tours de l'en- roulement.
Les enroulements multiconcentriques représentés à la fig.1, possèdent des longueurs progressivement décroissantes lorsqu'on va vers la couche de potentiel le plus élevé, de sorte que les distances séparant les extrémités des différentes couches et le noyau adjacent sont proportionnelles aux tensions de ces couches de manière à diminuer la possibilité d'étincelles entre les extrémités des différentes couches et le noyau ou autre élément mis à la terre.
Comme l'écran 22 est mis au po- tentiel de ligne, il possède une longueur a-a' environ égale à celle de la couche ad- jacente, et la Société demanderesse a trouvé que, our une longueur a'-a beaucoup plus petite que m'-m ou k-m, les distributions des potentiels d'impulsion dans le voisina- ge des extrémités des couches, à savoir en c, e, g, 1 et k, sont fortement différentes de la distribution uniforme, comme représenté à la sur laquelle on voit que bien que les potentiels des tours milieux d, f, h, j, 1 tombent sur la courbe de dis- tribution uniforme représentée en traits pointillés, les potentiels des extrémités tombent fortement en pointes aiguës, présentant les potentiels c' au lieu de c, e' au lieu de e, g' au lieu de g, etc...
Il en résulte évidemment que les gradients de potentiel, c'est-à-dire les tensions par tour ou par unité de longueur, le long des différentes couches, sont très élevées dans le voisinage de ces points ; de même, les potentiels de l'écran mis au potentiel de ligne, sont fortement augmentês en ces poids Par exemple, on voit que la différence de potentiel entre c' et l'écran mis au poten- tiel de ligne, est environ double de celle existant entre et cet écran, de sorte que l'isolement des différents tours de l'enroulement, l'isolement entre la première
<Desc/Clms Page number 5>
couche et l'écran mis au potentiel de ligne ainsi que l'isolement entre des cou- ches adjacentes devraient être augmentés en complication et prix si les enroulements devaient être isolés pour supporter ces potentiels.
La figure 2 est en relation avec la figure 3 qui représente une famille de lignes équipotentielles du champ du condensateur de la figure 1. Les figures 1 & 3 sont dessinées à des échelles différentes mais en gardant approximativement les mêmes proportions; a'-a (fig.l) est égale à deux fois la distance entre les plaques 22 & 26 et m'-m est égale à deux fois et demi la distance a'-a. A la fig. 1, l'enroulement à faible tension est représente, en 24, et 25 est le noyau entouré par les enroulements faible tension et haute tension. L'écran 23, mis à la terre, s'étend au-delà de m et m' et en peut considérer l'enroulement basse tension et le noyau comme étant au poten- tiel de terre, ainsi que l'écran mis à la terre, par rapport à l'enroulement à haute tension.
Le noyau 25 peut s'étendre considérablement plus loin que 23 et 24 à ses deux extrémités ou, même si 25 ne s'étend pas si loin, les culasses placées à proxi- mité des enroulements exercent sur ces derniers un effet électrostatique similaire à celui d'une surface plane, mise à la terre et s'étendant Indéfiniment.
Par conséquent les courbes équipotentielles de la fig.2 ont été calculées en supposant l'existence d'un écran mis à la terre, s'étendant indéfiniment aux deux extrémités, Comme l'en- roulement haute tension est en-dessous et à gauche de la ligne géométrique a-m, re- présentée en traits pointillés, de petites incorrections dans ces équipotentielles à une certaine distance de la ligne a-m, à sa droite et au-dessus d'elle, n'affectent pas sensiblement la régularité des parties de ces couches situées en-dessous et à gauche de a-m, ce qui facilite l'exposé de l'objet de la présente invention.
Si les figures 1 et 3 étaient représentées à la même échelle et la fig.3 superposée à la fig.l, le potentiel de chaque tour de l'enroulement pourrait être lu' soit directement, soit par interpolation à l'aide des courbes de la fig.3, en notant sur laquelle des équipotentielles (réelle ou interpolée) tombe le tour en question.
Les courbes équipotentielles, à leur tour, sont calculées comme suit : On prend,pour origine des coordonnées,le point 0 de l'écran relié à la terre, directe- ment opposé au point a (l'extrémité) de l'écran relié à la ligne; on prend pour abs- cisses les distances à cette origine, mesurées sur des parallèles aux écrans, ces abscisses étant positives vers la droite et négatives vers la gauche; on prend pour ordonnées les distances perpendiculaires à l'écran relié à la terre ; exprime les deux coordonnées d'un point par des fractions ou multiples de la distance entre les deux écrans;
dans ce cas, p, c'est-à-dire le potentiel de tout point (x, y), exprimé
<Desc/Clms Page number 6>
comme une fraction du potentiel de l'écran relié à la ligne, est donne par l'é- quation :
EMI6.1
x ' (1TI ) (1 - + cr c08 7V P) y = (1/#) (#p + c # sin # p) où # est un paramètre dont les variations tracent l'équipotentielle correspondant à la valeur donnée constante de p. Par exemple, pour la courbe de p - 0,5, # = 1 donne le point A1 (x - o, y = 0,61) # = o donne le point Q2 (x= 0,32, Y = 0,82).
On oomprend maintenant que les pointes sont dues au fait que les équipotentielle; s'incurvent rapidement dans le voisinage des liaisons a-m et a'-m' (fig.l) et, par con- séquent, si les lignes équipotentielles pouvaient être rendues droites et parallèles aux plaques écrans dans l'espace entouré par la ligne a'-a-m-m', la distribution du po- tentiel dans l'enroulement serait linéaire. La Société demanderesse va donc décrire ci-dessous des moyens convenables permettant d'accomplir le résultat désiré.
Une surface conductrice agit toujours comme une sutface équipotentielle et on introduit ,par conséquent, dans l'espace d'isolement de l'enroulement, des surfaces conductrices telles que des cylindres métalliques en feuilles isolantes flexibles dont les surfaces sont métallisées ou recouvertes d'une surface conductrice; ces surfaces conductrices sont introduites en certains endroits de l'enroulement, représentés à la figé4 en 26, 27, 28,29 & 30,respectivement, aux niveaux de c, e, g, i & k, et paral- lèles aux plaques écrans.
Ces cylindres conducteurs auxiliaires sont coaxiaux et cha- cun d'eux possède une discontinuité longitudinale, comme pour 22 & 23, illustrée aux fige 5 & 6, de manière à les empêcher de court-circuiter le potentiel induit électro- manêtiquement lorsque l'appareil fonctionne normalement comme transf ormateur. Le cy- lindre 26 ,au niveau de c, peut être relié au tour c de l'enroulement ou isolé de ce dernier ;
et cette idée s'applique à chacun des autres cylindres,
Les différents cylindres connecteurs devraient s'étendre, de préférence, au moins jusqu'aux liaisons a-m et a'-m',
Si ces cylindres 26 à 3C' avaient des surfaces différentes par suite des différences existant dans leur longueur et leur diamètre, ils auraient, en général, des capacités différentes, dans le cas où ils sont également espacès l'un de l'autre, de sorte qu'ils pourraient faire varier les potentiels des points b, d, f, h, j, 1 hors de la ligne droite (voir fig.2).
Dans ce cas, la pente des différentes couches de l'enroulement pourrait être changée de manière à rendre linéaire la distribution du potentiel sous l'effet de ces plaques sur le champ électrostatique; ou, ce qui est une mesure plus simple, la surface des cylindres de plus grande surface, peut être réduite
<Desc/Clms Page number 7>
de manière à égaliser les capacités des paires de plaques adjacentes'tout en conservant leur longueur totale apparente, de manière à atteindre au moins les liaisons a-m et a'-m' de l'enroulement, La réduction de la surface d'un cylindre peut se faire en augmentant la larur des discontinuités longitudinales ou en dé- coupant des parties médianes du cylindre, de formes différentes, comme représenté aux fibres 5 & 6.
La fig.5 représente différentes formes et positions 26' des parties découpées hors d'un cylindre, tandis que la fig.6 représente plus claire- ment le principe d'après lequel il est préférable de découper les parties médianes des cylindres, car les parties extrêmes sont surtout utiles pour maintenir la cour- bure des surfaces équipotentielles ainsi que pour empêcher les pointes.
Par consé- quent, l'écran de la fig,6 est constitue de deux anneaux 27' possédant des disoon- tinuités longitudinales 28' et d'une bande 29' s'étendant axialement et reliant les deux anneaux 27',
Pour éviter les effets de couronne au bord de chacun des cylindres conduc- teurs, on les finit par des éléments de résistance élevée, par exemple une peinture à haute résistance appliquée sur une couche isolante en contact avec le cylindre conducteur, ces éléments s'étendant un peu plus loin que les feuilles conductrices,
Bien qu'il soit très pratique de placer les cylindres correcteurs aux ni- veaux indiqués à la fig.4, on comprend qu'ils peuvent être placés à d'autres niveau: convenables tout en étant quasi aussi efficaces.
Il n'est pas essentiel non plus de maintenir la même distance entre des paires adjacentes de cylindres; il suffit pour des couches d'enroulement de pente uniforme, de maintenir égales les surfaces effectives des cylindres, lesquelles affectent leur capacité, et de faire en sorte que les longueurs effectives de ces cylindres soient au moins égales à celle de l'enroulement, à ce niveau, Les surfaces effectives des cylindres ne doivent pas être les mêmes si la distribution des tours de l'enroulement est modifiée de façon correspondante, de manière à assurer une distribution linéaire du potentiel élec- trostatique.
Comme le but principal de ces cylindres conducteurs est de rendre axiales les lignes (ou surfaces) équipotentielles, il s'en suit que leur nombre, positions et contours peuvent varier dans de très larges limites sans altérer leur efficacité en éliminant ou diminuant fortement les pointes mentionnées précédemment, de la distribution de potentiel de l'enroulement. Da plus, comme les pointes sont plus fortes grès de l'extrémité de l'enroulement mise à la terre que près de l'extrémité reliée à la ligne, il est parfois pratique d'appliquer ces mesures correctives près de l'extrémité de l'enroulement reliée à la ligne.
<Desc/Clms Page number 8>
Une autre forme de l'invention, qui élimine pratiquement les pointes et redresse fortement les surfaces équipotentielles du condensateur, emploie dans se but des condensateurs appropriés reliés entre les écrans extrêmes et les diffé- rents tours de l'enroulement où ont lieu les pointes de potentiel, comme représenté à la fig.7, par les condensateurs 31 à 37, inclusivement.
Des condensateurs ont déjà été employés précédemment avec plusieurs parties d'un enroulement à haute tension; ils l'ont été dans le but de régler les niveaux de potentiel des éléments de l'enroulement quand ces derniers s'écartent fortement d'une distribution linéaire de potentiel, de sorte que les condensateurs en ques- tion ne remplissent par le résultant désiré par la Société demanderesse, L'enrou- lement peut être idéal en ce sens que les niveaux de potentiel des éléments de l'enroulement correspondent à une distribution linéaire de potentiel , mais il y a cependant des pointes aux extrémités des couches de l'enroulement.
Par conséquent l'invention n'emploie pas des condensateurs pour modifier les potentiels des dif- férentes couches dans leur ensemble, mais pour changer leur direction dans le voi- sinage immédiat des points auxquels les condensateurs sont reliés, de manière à empêcher les lignes équipotentielles de s'incurver dans le voisinage des extrémités des enroulements. Par conséquent, leurs capacités devront être très faibles par rapport aux capacités nécessaires lorsqu'on veut modifier les niveaux de potentiel des différentes couches.
La distribution de potentiel d'un enroulement du type de la figure 1,équipé avec des condensateurs correctifs de valeur convenable, comme représenté à la fig.7 est représentée par la ligne en trait plein de la fig.8. On peut voir sur ce gra- phique que le potentiel du tour c de la fig.l est augmenté de c' (fig.8) à c", e' à e", etc..., plus proche de la courbe linéaire de distribution du potentiel.
Ces points peuvent être amenés plus haut ou plus bas, comme désiré, en variant la valeur des capacités 31 à 37, comme expliqué ci-après.
Comme on le voit à la fig.8, vu du point de vue mathématique, les pointes ne sont pas entièrement atténuées par cette méthode. Cependant, on voit que leurs amplitudes et gradients peuvent être réduits suffisamment pour que la courbe de distribution des potentiels puisse être considérée comme linéaire, du point de vue pratique.
Cela se comprendra aisément si l'on souligne le fait que les pointes c", e", etc.., ont une existence purement mathématique en ce sens qu'elles peuvent être réalisées seulement pour des impulsions à fronts approximativement rectangu- laires et qu'elles sont presque complètement atténuées en pratique lors de l'appli-
<Desc/Clms Page number 9>
-cation d'impulsions à pente raide appliquées aux transformateurs à haute tension,
Par suite de la forme mathématique compliquée de la distribution théori- que du potentiel de la fig.8, il est quasi impossible de développer une formule ma- thémaique précise pour déterminer les condensateurs correctifs de la fig.71 la so- ciétê demanderesse a trouvé que l'on peut déterminer facilement, par essais,
des va- leurs approximatives de ces capacités,convenant à la construction des transformateurs' commerciaux, à l'aide d'un tableau calculateur dont différentes formes sont utilisées de manière extensive dans l'industrie électrique pour établir et résoudre les caracté- ristiques des circuits électriques. Le circuit électrostatique de l'enroulement en question serait établi sur un tel tableau en valeurs des résistances des différents éléments, les potentiels des points étudiés étant déterminés et les impédances correc- -tives étant introduites et modifiées par des essais pour éliminer pratiquement les pointes sans altérer sensiblement les potentiels des différentes éléments de l'enrou- lement.
La fig.9 représente l'application de l'invention à un autre type 'd'enrouler ment, les moyens de correction utilisés étant différents. Dans cet enroulement, le premier tour d'une couche, par exemple c, et le dernier tour de la couche précédente, c1, ne sont pas adjacents mais aux extrémités opposées de l'enroulement et sont reliés l'un à l'autre au moyen d'un conducteur de traversée 41 ; de même, les autres paires de couches adjacentes sont reliées par des conducteurs de traversée 42, 43, 44 & 45.
La distribution du potentiel dans un tel enroulement est similaire à celle de la fig.l avec des pointes bien marquées. On aurait pu introduire ici des condensateurs correc- tifs, de la même manière qu'à la fig.7., Des moyens capacitifsde correction diffé- rents sont cependant utilisés ici; ils sont illustrés à la fig.9 comme comprenant des écrans conducteurs 46 à 50, inclusivement, entourant respectivement les conduc- teurs de traversée 41 à 45, inclusivement; ces écrans sont isolés des dits conducteurs et reliés aux tours a, c1, el, g1, i1, & kl, lesquels sont normalement à des poten- tiels plus élevés que les conducteurs de traversée correspondants.
L'écran 46 étant normalement à un potentiel plus élevé que le conducteur 41, élève le potentiel de ce dernier et, de là, les potentiels des tours c et c1 de l'enroulement, par induction électrique. Des commentaires similaires s'appliquent aux autres éorans.
Dans ces enroulements, dans lesquels la cônicité des couches est modérée par rapport à la longueur a'-a de l'écran relié à la ligne, un écran tubulaire simple tel que les écrans 46 à 50 couvrant une partie des conducteurs de traversées 41 à 55, exerce un effet correctif suffisant ; lorsque ces capacités sont trouvées insuffisante$
<Desc/Clms Page number 10>
elles peuvent être accrues par l'utilisation de bandes larges pour ces conduc- teurs de traversée 41 à 45, ou par l'utilisation de plusieurs bandes et écrans, afin d'arriver au résultat désiré.
Si les liaisons entre couches, au lieu d'être faites par des conducteurs de traversée logés entre les couches reliées, sont faites à l'extérieur de l'enroule- ment, par des conducteurs de traversée extérieurs 51 à 55, comme représenté à la fig.10, les condensateurs correctifs de la fig.7,ou les écrans de la fig.9,. peuvent être employés; des écrans 56 à 60 sont représentés à la fig.10.
En appliquant des écrans ou autres moyens capacitifsaux conducteurs de tra- versée extérieurs, il n'est pas suffisant de compenser leur capacité par rapport au sol de manière à obtenir le potentiel désiré des conducteurs de traversée isolés de leurs enroulements respectifs, car alors, ces moyens capacitifs ne seraient pas ca- pables de faire disparaître les pointes des couches de l'enroulement auxquelles ils sont reliés. Les capacités associées aux conducteurs de traversée doivent être suf- fisamment élevées pour donner lieu à des atténuations sensibles de ces pointes, mais cependant pas assez élevées pour modifier les potentiels moyens des différentes cou- ches.
A la fig.ll, les différentes couches de l'enroulement sont toutes parallèles; le dernier tour de la première couche (la couche du bas) est relié au premier tour de la seconde couche se trouvant du même côté de l'enroulement que le dernier tour de la première couche; le dernier tour de la seconde couche est relié au premier tour de la troisième couche, le premier tour de la troisième couche se trouvant du même coté de l'enroulement que le dernier tour de la seccnde couche, etc... Les écrans reliés à la ligne et à la terre sont aussi représentés comme étant parallèles aux couches de l'enroulement.
Bien que cette disposition des couches de l'enroule- ment et des écrans diffère considrablement de l'idéal du point de vue distribution des potentiels, elle est beaucoup utilisée par suite de la grande facilité qu'elle présente de constituer l'enroulement par des couches placées l'une après l'autre vers l'arrière et vers l'avant, sans provoquer la cassure du conducteur, chacune des couches étant un solenoîde de diamètre constant et les écrans reliés à la ligne et à la terre étant facilement construits sous forme de cylindre sans nécessiter l'utili- sation d'un isolement conique entre les écrans et les couches conductrices adjacent La distribution des potentiels dans un tel enroulement, pour une onde d'impulsion à pente raide, toutes les couches étant déconnectées l'une de l'autre,
est représentée à la fig.12 par la ligne en traits pointillés 61, et, lorsque les couches sont re-
<Desc/Clms Page number 11>
-liées ensemble, par la ligne en traits pleins 62, On voit que la courbe de distribution des potentiels pour cette disposition présente également des pointes indésirables, bien que la courbe générale puisse être considérée .d'autre part, comme acceptable pour les transformateurs à basse tension et pour d'autres fins moins im- portantes, où des moyens particuliers ne sont pas nécessaires pour faire varier le potentiel moyen des éléments de l'enroulement,
Les pointes de potentiel peuvent être corrigées, dans ce cas, par des moyens capacitifsanalogues à ceux employés dans les dispositifs des figures 7,9 & 10;
mais, pour illustrer des moyens équivalents différents, des éléments 63 à 69 à haute résistance ont été représentés à la fig.ll. Les valeurs optima de ces résistances peuvent aussi être déterminées par des essais, avec l'aide d'un tableau calculateur.
Les résistances peuvent être placées de toute manière convenable.
La fig.13 représente un transformateur utilisant le dispositif de la pré- sente invention, la cuve 80 étant partiellement brisée de manière à montrer une partie d'une extrémité d'une des branches d'enroulement. Ce transformateur comprend deux branches d'enroulement, mais il est évident qu'un nombre quelconque de branches peut être employé. Chacune d'elles comprend un noyau 81 autour duquel est enroulé un en- roulement basse-tension 82, isolé convenablement du noyau par l'isolant 83.
Autour de l'enroulement à basse tensicn est placé l'enroulement à haute tension du type multiconcentrique, comprenant un certain nombre de couches 83 à 88 inclusivement, les différentes couches constituant l'enroulement ayant des dimensions graduellement dé- croissantes de manière à ce qu'une distance progressivement plus grande soit laissée entre les extrémités des différentes couches et le noyau qui l'entoure, puisque la tension de ces couches croit. La couche 88 est reliée à la ligne par un conducteur convenable et un écran 89 est prévu contre la coucha 88, cet écran étant également mis au potentiel de ligne. L'écran 89 peut être de tout type convenable; il peut par exemple, être constitué par un cylindre conducteur entouré d'un isolant 90.
Un écran 91, mis à la terre, est également prévu entre l'enroulement 82 à basse tension et la couche adjacente 83 de l'enroulement à haute tension, des isolements convenables existant entre l'écran mis à la terre et la couche 83 et entre l'écran mis à la terre et l'enroulement 82 à basse tension. Dans certaines installations, l'écran 91 mis à la terre peut être omis, l'enroulement 82 à basse tension agissant comme un écran mis à la terre, en ce qui concerne la distribution élestrostatique des tensions.
Comme il a été dit précédemment, dans un transformateur analogue à celui de la fig.13, possédant un enroulement multiconcentrique dont les couches sont de
<Desc/Clms Page number 12>
dimensions progressivement décroissantes, ainsi que des écrans conventionnels, des pointes apparaissent dans la distribution des tensions aux extrémités des couches de l'enroulement, quand un à-coup de haute tension traverse le transforma- teur. L'invention prévoit donc des moyens convenables pour changer la direction des lignes équipotentielles aux extrémités des couches, de manière à ce que ces lignes ne s'incurvent pas au voisinage des extrémités des dites couches ; ces moyens comprennent une capacité convenable reliée aux extrémités des couches de l'enroule- ment par le conducteur de traversée extérieur 92.
Comme on le voit plus clairement à la fig.14, le conducteur de traversée extérieur comprend un conducteur 93 recou- vert de plusieurs couches convenables ainsi que d'un isolant 94. Pour obtenir la capacité voulue, un écran conducteur 95 entoure le conducteur de traversée 93, cet écran 95 étant isolé par plusieurs enveloppes constituées par des bandes dtune subs- tance isolante convenable, par exemple du papier crêpé 96. Pour éviter l'effet de couronne aux extrémités de l'écran 95, un conducteur arrondi 97 est prévu et le ruban isolant 96, étant plus long que l'écran 95, est plié comme représenté en 98, de manière à former un isolement convenable autour des extrémités de l'écran 95.
Pour relier l'écran 95 aux extrémités de l'une des couches adjacentes , comme repré- senté clairement aux figures 9 et 10, un conducteur 99 est relié électriquement à l'écran 95. Un isolant 100 est prévu autour du conducteur 99. Les dimensions de l'écran 95 ,par rapport à celles du conducteur 93,et la distance entre le conduc- teur 93 et l'écran 95 doivent être telles qu'elles correspondent à la capacité dé- sirée, de manière à faire disparaître ou du mois à diminuer fortement les pointes aux extrémités des couches de l'enroulement, comme il a été expliqué précédemment.
La fig.15 représente un autre type de transformateur qui utilise l'un des dispositifs, objets de la présente invention, ce type de transformateur comprenant plusieurs couches concentriques 110, 111 & 112. Un nombre quelconque de couches concentriques peut évidemment être utilisé et ce',; couches peuvent avoir toute lon- gueur convenable; la disposition de la fig.15 utilise trois couches, lesquelles ont des dimensions progressivement décroissantes au fur et à mesure que l'on se rappro- che de la couche extérieure 112.
Il est évident que la couche la plus extérieure sera entourée par un écran relié à la ligne similaire à l'écran 89 et qu'un écran convenable à basse tension, tel qu'un enroulement à basse tension ou un écran à basse tension similaire à l'écran 91, peut être prévu autour de la couche intérieu- re 11C.
<Desc/Clms Page number 13>
Pour éviter les pointes susceptibles de se développer aux extrémités des couches, des moyens sont utilisés oomprenant un écran 113 adjacent aux couches con- ductrices 110 & 111, et un écran 114 adjacent aux/ou placé entre les couches conduc- trices 111 & 112. L'écran employé peut être de n'importe quel type et, comme il est représenté en perspective à la fig.18, comprend un élément conducteur en une substan- ce convenable, par exemple une feuille métallique mince possédant un diamètre conve- nable pour entourer la couche immédiatement intérieure. L'écran possède également une discontinuité axiale 115 de manière à ce qu'il ne donne pas lieu à un courant de court-circuit, comme un enroulement.
Dans ce but, un isolant 116 est place entre les extrémités qui se recouvrent. Les écrans sont également munis d'anneaux conducteurs 117, placés aux deux extrémités, de manière à constituer un bord doux aux extrémités et, par conséquent, à diminuer l'effet de couronne en ces points. Les extrémités des anneaux sont en relation télescopique avec l'isolant 118, entre les extrémités adjacentes, afin d'assurer l'effet écran sur toute la périphérie.
Pour supporter les écrans ainsi que pour assurer une couche d'isolant con- venable entre les couches adjacentes, l'isolant entre ces différentes couches, par exemple 110 & 111, est formé de couches de dimensions progressivement décroissantes comme indiqué en 120. Après que ces couches 120 ont été disposées de manière à ce qu'il y ait un minimum d'isolement à l'extrémité 121 et un maximum d'isolement à l'extrémité 122, l'écran conducteur 113 peut être placé autour de ces couches 120.
L'écran 113, constitué en une substance relativement minoe,est suffisamment flexible pour pouvoir envelopper la couche isolante et présenter le même contour que la sur- face extérieure de ce dernier, Après que l'écran 113 et les éléments 117 ont été places, une seconde couche d'isolant 123 peut être appliquée, cette seconde étant de construction opposée à 120. On notera sur la figure que les couches d'isolant qui sont formées de plusieurs feuilles, comprennent à une extrémité les parties 124.
Ces extrémités 124 sont des extensions approximativement intégrales des couches de papier formant l'isolement et, après que ce dernier a été disposé, elles peuvent être courbées de toute manière convenable, par exemple en pratiquant des fentes aux extrémités du papier, de telle manière que les parties 124 constituent des portions à angle droit.
Pour constituer un conducteur de traversée entre les extrémités opposées des couches conductrices adjacentes, c'est-à-dire,par exemple, les couches 110 & 111, on emploie, comme représenté à la fig.15, un conducteur intérieur 125 comprenant un nombre convenable de rubans conducteurs posés l'un sur l'autre, la liaison électrique
<Desc/Clms Page number 14>
à une extrémité 126 avec l'extrémité de la couche conductrice 110 étant fai- te par les éléments angulaires 127. Les extrémités opposées du conducteur de tra- versée intérieur 125 sont munis d'extrémités 128 s'étendant angulairement, faisant la liaison avec l'extrémité de la couche conductrice 111, opposée à l'extrémité 127.
On peut voir, particulièrement sur les figures 16 & 17, que les anneaux 117 sont munis d'ouvertures ou chemins de passage 130 d'une largeur convenable par rapport aux conducteurs de traversée intérieurs 125. Par conséquent, le conducteur de tra- versée Intérieur, ainsi que l'écran conducteur, sont places entre les couches adja- centes 110 & 111 d'une manière telle que l'épaisseur de la couche isolante soit pro- portionnelle à la tension normale entre les couches conductrices le long d'un plan radial. De plus, cette construction perfectionnée présente une manière simple de placer à la fois l'écran et le conducteur de traversée intérieur dans la couche iso- lante de dimensions graduellement décroissantes.
Puisque le conducteur de traversée et la surface extérieure de l'écran sont contigus, ils doivent être tous deux au même potentiel,
Comme montré aux figures 15 et 16, l'épaisseur radiale du conducteur de tra- versée intérieur 125 est plus grande que l'écran 113w lequel est relativement mince, De manière à remplir l'espace entre les anneaux 117, excepté l'espace pris par le conducteur de traversée intérieur 125, on emploie une couche isolante 131 comprenant un nombre convenable de couches de papier, de manière à obtenir l'épaisseur désirée*
Il est évident que l'écran 114 et le conducteur de traversée intérieur 135 reliant les couches 111 et 112, sont équipés d'une manière analogue à l'écran 113 et au conducteur de traversée intérieur 125.
De plus, dans la disposition représentée aux figures 15 à 18, spécialement désignée pour des tensions relativement élevées, les couches adjacentes ont une longueur axiale relativement plus grande que leur épaisseur radiale (voir surtout fig.15). Cependant, dans le but de faciliter la compréhension, la longueur des couches conductrices a été représentée comme étant re lativement petite, de manière à accentuer la conicité. Dans un tel enroulement dont la longueur axiale est plusieurs fois plus grande que l'épaisseur, les diffé- rents écrans ont sensiblement la même longueur axiale que les couches conductrices adjacentes, de sorte que les lignes de force équipotentielles ne s'incurveront pas au voisinage des extrémités des différentes couches conductrices.
Pour qu'une gamme étendue de tensions puisse être obtenue avec la disposi- tion de la fig.5, des conducteurs terminaux convenables sont reliés à tout nombre convenable de couches en plus de la première et de la dernière couche conductrice.
<Desc/Clms Page number 15>
Par conséquent, un conducteur de ligne 136 est relié à une extrémité de la cou- che conductrice extérieure 112 et un conducteur à basse tension 137 est relié à une extrémité de la couche conductrice intérieure 110. On voit aussi qu'un conducteur 138 est relié à une extrémité de la couche conductrice 111. Lorsqu'un tel transfor- mateur est 'relié par ces différents conducteurs aux lignes aériennes, des à-coups de haute tension vont pénétrer dans l'enroulement de transformateur par l'un quelconque de ces conducteurs. Par conséquent, le dispositif d'écrans électrostatiques placé entre les couches conductrices adjacentes, empêche non seulement la formation de pointes mais aussi répartit tout à-coup de haute tension qui pénètre dans le trans- formateur par l'un de ses conducteurs terminaux 138, par exemple.
Il est évident que, lorsque plus de trois couches conductrices à haute tension sont prévues, cha- cune d'elles sera munie d'un conducteur terminal similaire à 138, ainsi que d'écrans conducteurs identiques à ceux décrits précédemment.
La présente invention a donc présenté des dispositifs perfectionnés pour éliminer les pointes présentes dans la distribution des tensions aux extrémités des enroulements constitués de couches de dimensions progressivement décroissantes, lors de l'application d'un à-coup de haute tession à l'enroulement. Ces dispositifs com- prennent des feuilles conductrices de dimensions convenables entre des couches de dimensions décroissantes de capacités et de résistances convenables, reliées entre les extrémités des couches. D'autres moyens sont également employés dans le même but, lesquels sont reliés aux extrémités des enroulements comprenant des couches de dimensions progressivement décroissantes.
La présente invention a présenté égale- ment un dispositif d'écrans qui, non seulement atténue les pointes, mais aussi ré- partit convenablement les à-coups électrostatiques et empêche l'application des fortes impulsions aux enroulements où différentes bornes sont prévues sur les cou- ches conductriges entre les extrémités haute et basse tension de l'enroulement.
Bien qu'on ait représenté et décrit plusieurs formes de réalisation de l'in- vention, il est évident qu'on ne désire pas se limiter à ces formes particulières, données simplement à titre d'exemples et sans aucun caractère restrictif et que, par conséquent, toutes les variantes ayant même principe et même objet que les disposi- tions indiquées ci-dessus, rentreraient comme elles dans le cadre de l'invention.
<Desc / Clms Page number 1>
EMI1.1
ELECTRICAL DEVICES [3 A HAIPi 'T.eiQSIiyT,
The present invention relates to high voltage electrical devices and its object is to improve the distribution of voltages in the windings of these devices, during electrical disturbances such as bumps resulting from switching on and circuit cuts.
The distribution of transient potentials in high voltage windings, such as those of transformers, can be made highly nonlinear due to the low capacitances of the windings relative to the ground, which are too low to significantly affect the normal or static distribution of the poles. tentials in the winding.
A general rational solution consists of a particular arrangement of the elements; one can, for example, place the coiled layers of the high voltage winding between the two plates of a capacitor, each n
<Desc / Clms Page number 2>
end of the winding being connected to the adjacent plate of the capacitor, such that the potential distribution in the winding, corresponding to the normal electrostatic field of the capacitor, coincides with the potential distribution corresponding to the normal alternating magnetic field winding.
In practice, the n elements of the winding are arranged between the two plates of the capacitor in such a way that the distance between the element j of the winding and the capacitor plate adjacent to the first element is equal to jn times the total distance between the two plates. In cases where the plates of the capacitor extend over a length equal to the widest part of the winding and the distance between the plates is less than the dimensions of the plates themselves, if there is no Excessive exposure to the earth potential of the open ends of the winding, good potential distributions can be obtained.
However, if the winding elements, for example the different layers, are of gradually decreasing dimensions, even if each capacitor plate covers the adjacent layer of the winding, if the distance between the plates is smaller than the dimensions of the smaller plate, if the direct exposure to the ground of the ends of the winding is negligible and the general level of the potentials of the different layers is substantially a straight line, very high potential gradients may exist at the ends of the windings. layers of the winding, these gradients being due to peaks existing at certain points in the distribution curve of the winding impulse potential, as will be explained in more detail later.
The main object of the present invention is the attenuation of these peaks, in order to decrease the gradients and high voltages in the insulation, which result from these peaks.
The advantages and new features of the invention will be better understood by referring to the following description and to the accompanying drawings, given simply by way of nonlimiting examples and in which: FIG. 1 is a semi-diagrammatic representation of the FIG. section of a part of a wound with several wound layers and of the corresponding core, the layers being of progressively decreasing lengths and two electrostatic plates being placed at the two ends of the winding, the present invention being able to be applied. quée with a particular benefit to this kind of winding;
FIG. 2 represents the distribution curve of the transient potentials, in the winding of FIG. 1, when the latter is subjected to a strong electrical impulse; this figure illustrates the points mentioned above;
<Desc / Clms Page number 3>
fig. 3 represents the equipotential lines at one end of the electrostatic plates in fig, l, when the winding is subjected to a strong electrical impulse, identical to that which made it possible to draw the diagram of fig, 2 ; Fig. 4 shows semi-schematically a part of a winding with several wound layers, applying the principle of the present invention, using several conductive plates embedded in the high voltage winding to decrease the peaks in the potential distribution;
figs 5 & 6 represent different types of plates, used with the windings of fig, 4; wire - ,, 7 represents a method of correcting potential peaks by means of capacitors replacing the plates of fig.4; FIG. 8 illustrates the improvements made by the device of FIG. 7; FIG. 9 represents the application of the invention to another winding device; fig.10 shows another adaptation of the invention to the emulation of fig.9;
fig.ll illustrates a modification of the winding of fig.9; FIG. 12 represents the distribution of the potential in the winding of FIG. 9 under different conditions, without the use of corrective means for said points; FIG. 13 represents, in partial section, a transformer using the device, object of the present invention; FIG. 14 is a sectional view in elevation of one of the outer feedthrough conductors employed in the transformer of FIG. 13; Fig. 15 is, in section, a side elevational view of part of a transformer provided with another modification of the invention; Fig. 16 is a plan view taken along line 16-16 of Fig. 15;
Fig. 17 is a fragmentary view of one of the screens and internal bushing conductor, between two adjacent windings; rod 18 is a perspective view, partially in section, of one of the screens used in the transformer of FIGS. 15 to 17,
In fig. 1, the reference number 21 represents a longitudinal section
<Desc / Clms Page number 4>
made in a conical solenoidal winding with six overlapping layers, which comprises the a-c, o-e, e-g, g-i, 1-k, and k-m layers, with the a-c layer being the outermost and the k-m layer being the innermost.
The distances between the different layers are accentuated in the drawing, to make it more understandable. The different layers are placed between two cylindrical electrostatic plates - a screen 22 placed at the line potential and a screen 23 put at the earth potential - adjacent and connected conductively to the respective ends of the windings a and m. Both screens are provided with longitudinal discontinuities to prevent them from shorting the normal winding voltage.
The different layers of the winding are represented as being inclined at a constant angle with respect to the plates, the slopes being alternately positive and negative, thus ensuring, at least in the middle layers b, d, f, h, j , 1, electrostatic potentials in the electrostatic field of the capacitor corresponding to a substantially uniform distribution of the potential along the various turns of the winding.
The multiconcentric windings shown in fig. 1, have progressively decreasing lengths as one goes towards the highest potential layer, so that the distances separating the ends of the different layers and the adjacent core are proportional to the voltages of these layers so as to reduce the possibility of sparks between the ends of the different layers and the core or other earthed element.
As the screen 22 is set to line potential, it has a length aa 'about equal to that of the adjacent layer, and the Applicant Company has found that for a length a'-a much smaller than m'-m or km, the distributions of the impulse potentials in the vicinity of the ends of the layers, namely in c, e, g, 1 and k, are strongly different from the uniform distribution, as shown in the on in which it can be seen that although the potentials of the middle turns d, f, h, j, 1 fall on the uniform distribution curve shown in dotted lines, the potentials of the ends fall sharply in sharp peaks, presenting the potentials c 'at instead of c, e 'instead of e, g' instead of g, etc ...
It obviously results from this that the potential gradients, that is to say the voltages per revolution or per unit of length, along the various layers, are very high in the vicinity of these points; likewise, the potentials of the screen placed at line potential are greatly increased in these weights. For example, it can be seen that the potential difference between c 'and the screen placed at line potential is approximately double of that existing between and this screen, so that the isolation of the various turns of the winding, the isolation between the first
<Desc / Clms Page number 5>
layer and screen put to line potential as well as the insulation between adjacent layers would have to be increased in complication and cost if the windings were to be insulated to withstand these potentials.
FIG. 2 relates to FIG. 3 which represents a family of equipotential lines of the field of the capacitor of FIG. 1. FIGS. 1 & 3 are drawn at different scales but keeping approximately the same proportions; a'-a (fig.l) is equal to twice the distance between the plates 22 & 26 and m'-m is equal to two and a half times the distance a'-a. In fig. 1, the low voltage winding is shown, at 24, and 25 is the core surrounded by the low voltage and high voltage windings. Screen 23, grounded, extends beyond m and m 'and can consider the low voltage winding and core to be at earth potential, as well as the screen grounded. earth, relative to the high voltage winding.
The core 25 may extend considerably farther than 23 and 24 at both ends or, even if 25 does not extend so far, the yokes placed near the windings exert on the latter a similar electrostatic effect as that from a flat surface, grounded and extending indefinitely.
Therefore the equipotential curves in fig. 2 have been calculated assuming the existence of a grounded screen, extending indefinitely at both ends, As the high voltage winding is below and to the left of the geometric line am, represented in dotted lines, small incorrections in these equipotentials at a certain distance from the line am, to its right and above it, do not appreciably affect the regularity of the parts of these layers located below and to the left of am, which facilitates the disclosure of the object of the present invention.
If figures 1 and 3 were represented on the same scale and fig. 3 superimposed on fig. 1, the potential of each turn of the winding could be read either directly or by interpolation using the curves of fig. 3, noting on which of the equipotentials (real or interpolated) falls the turn in question.
The equipotential curves, in turn, are calculated as follows: We take, for the origin of the coordinates, point 0 of the screen connected to the earth, directly opposite to point a (the end) of the screen connected at the line; the distances to this origin, measured on parallels to the screens, are taken as abscissas, these abscissas being positive towards the right and negative towards the left; the distances perpendicular to the screen connected to the earth are taken as ordinates; expresses the two coordinates of a point by fractions or multiples of the distance between the two screens;
in this case, p, i.e. the potential of any point (x, y), expressed
<Desc / Clms Page number 6>
as a fraction of the potential of the screen connected to the line, is given by the equation:
EMI6.1
x '(1TI) (1 - + cr c08 7V P) y = (1 / #) (#p + c # sin # p) where # is a parameter whose variations trace the equipotential corresponding to the constant given value of p. For example, for the curve of p - 0.5, # = 1 gives the point A1 (x - o, y = 0.61) # = o gives the point Q2 (x = 0.32, Y = 0.82 ).
We now understand that the peaks are due to the fact that the equipotential; curve rapidly in the vicinity of the bonds am and a'-m '(fig. 1) and, consequently, if the equipotential lines could be made straight and parallel to the shield plates in the space surrounded by the line a '-am-m', the distribution of the potential in the winding would be linear. The Applicant Company will therefore describe below suitable means making it possible to achieve the desired result.
A conductive surface always acts as an equipotential sutface and, therefore, into the insulation space of the winding, conductive surfaces such as metal cylinders made of flexible insulating sheets, the surfaces of which are metallized or covered with a coating, are introduced into the winding insulation space. conductive surface; these conductive surfaces are introduced in certain places of the winding, shown in fig4 at 26, 27, 28, 29 & 30, respectively, at the levels of c, e, g, i & k, and parallel to the shield plates .
These auxiliary conductive cylinders are coaxial and each of them has a longitudinal discontinuity, as for 22 & 23, illustrated in figs 5 & 6, so as to prevent them from short-circuiting the potential induced electromagnetically when the device normally works as a transformer. The cylinder 26, at the level of c, can be connected to the turn c of the winding or isolated from the latter;
and this idea applies to each of the other cylinders,
The various connector cylinders should preferably extend at least to the a-m and a'-m 'bonds,
If these cylinders 26 to 3C 'had different surfaces owing to the differences existing in their length and diameter, they would, in general, have different capacities, if they were equally spaced from each other, of so that they could vary the potentials of points b, d, f, h, j, 1 outside the straight line (see fig. 2).
In this case, the slope of the different layers of the winding could be changed so as to make the distribution of the potential linear under the effect of these plates on the electrostatic field; or, which is a simpler measure, the area of cylinders with larger surface area, can be reduced
<Desc / Clms Page number 7>
so as to equalize the capacities of the pairs of adjacent plates 'while maintaining their apparent total length, so as to achieve at least the am and a'-m' bonds of the winding, Reducing the area of a cylinder can be done by increasing the width of the longitudinal discontinuities or by cutting the middle parts of the cylinder, of different shapes, as shown in fibers 5 & 6.
Fig. 5 shows different shapes and positions 26 'of the parts cut out of a cylinder, while Fig. 6 shows more clearly the principle according to which it is preferable to cut the middle parts of the cylinders, because the end parts are especially useful for maintaining the curvature of equipotential surfaces as well as for preventing spikes.
Consequently, the screen of FIG. 6 consists of two rings 27 'having longitudinal differences 28' and of a strip 29 'extending axially and connecting the two rings 27',
To avoid crown effects at the edge of each of the driving cylinders, they are finished with high resistance elements, for example a high resistance paint applied to an insulating layer in contact with the conductive cylinder, these elements extending a little further than the conductive sheets,
Although it is very practical to place the correcting cylinders at the levels shown in fig.4, it is understood that they can be placed at other levels: suitable while being almost as effective.
It is also not essential to maintain the same distance between adjacent pairs of cylinders; it suffices for winding layers of uniform slope to keep the effective areas of the rolls equal, which affect their capacity, and to ensure that the effective lengths of these rolls are at least equal to that of the winding, at At this level, the effective areas of the cylinders must not be the same if the distribution of the turns of the winding is changed correspondingly, so as to ensure a linear distribution of the electrostatic potential.
As the main purpose of these conductive cylinders is to make the equipotential lines (or surfaces) axial, it follows that their number, positions and contours can vary within very wide limits without altering their efficiency by eliminating or greatly reducing the points. mentioned above, of the potential distribution of the winding. Moreover, as the sandstone spikes are stronger at the end of the grounded coil than near the end connected to the line, it is sometimes practical to apply these corrective measures near the end of the l winding connected to the line.
<Desc / Clms Page number 8>
Another form of the invention, which practically eliminates spikes and strongly straightens the equipotential surfaces of the capacitor, employs for this purpose suitable capacitors connected between the end screens and the various turns of the winding where the spikes take place. potential, as shown in fig. 7, by capacitors 31 to 37, inclusive.
Capacitors have been used previously with several parts of a high voltage winding; they were done in order to regulate the potential levels of the elements of the winding when the latter deviate strongly from a linear distribution of potential, so that the capacitors in question do not fulfill the desired result. by the Applicant Company, The winding may be ideal in that the potential levels of the elements of the winding correspond to a linear distribution of potential, but there are however spikes at the ends of the layers of the winding. .
Therefore, the invention does not employ capacitors to change the potentials of the various layers as a whole, but to change their direction in the immediate vicinity of the points to which the capacitors are connected, so as to prevent equipotential lines. to curve in the vicinity of the ends of the windings. Consequently, their capacities will have to be very low compared to the capacities necessary when one wants to modify the potential levels of the different layers.
The potential distribution of a winding of the type of figure 1, equipped with corrective capacitors of suitable value, as shown in fig.7 is represented by the solid line in fig.8. We can see on this graph that the potential of turn c in fig.l is increased from c '(fig.8) to c ", e' to e", etc ..., closer to the linear curve of potential distribution.
These points can be made higher or lower, as desired, by varying the value of capacitors 31 to 37, as explained below.
As can be seen in fig. 8, seen from a mathematical point of view, the peaks are not entirely attenuated by this method. However, it is seen that their amplitudes and gradients can be reduced enough so that the potential distribution curve can be considered linear, from a practical point of view.
This will be easily understood if one underlines the fact that the points c ", e", etc., have a purely mathematical existence in the sense that they can be realized only for pulses with approximately rectangular fronts and that 'they are almost completely attenuated in practice when applying
<Desc / Clms Page number 9>
-cation of steeply sloping pulses applied to high voltage transformers,
Due to the complicated mathematical form of the theoretical distribution of the potential in fig. 8, it is almost impossible to develop a precise mathematical formula for determining the corrective capacitors in fig. 71 the applicant company has found that one can easily determine, by tests,
approximate values of these capacities, suitable for the construction of commercial transformers, with the aid of a calculator board, various forms of which are used extensively in the electrical industry to establish and solve the characteristics of circuits electric. The electrostatic circuit of the winding in question would be established on such a table in the values of the resistances of the different elements, the potentials of the studied points being determined and the corrective impedances being introduced and modified by tests to practically eliminate the spikes without appreciably alter the potentials of the various elements of the winding.
Fig.9 shows the application of the invention to another type of winding, the correction means used being different. In this winding, the first turn of a layer, for example c, and the last turn of the previous layer, c1, are not adjacent but at opposite ends of the winding and are connected to each other at the means of a through conductor 41; similarly, the other pairs of adjacent layers are connected by feedthrough conductors 42, 43, 44 & 45.
The potential distribution in such a winding is similar to that of Fig.l with well marked tips. Corrective capacitors could have been introduced here, in the same way as in FIG. 7. However, different capacitive correction means are used here; they are illustrated in FIG. 9 as comprising conductive screens 46 to 50, inclusive, respectively surrounding the feed-through conductors 41 to 45, inclusive; these screens are isolated from said conductors and connected to turns a, c1, el, g1, i1, & kl, which are normally at higher potentials than the corresponding feedthrough conductors.
The screen 46 being normally at a higher potential than the conductor 41, raises the potential of the latter and, from there, the potentials of the turns c and c1 of the winding, by electrical induction. Similar comments apply to other eorans.
In these windings, in which the conicity of the layers is moderate compared to the length a'-a of the screen connected to the line, a simple tubular screen such as screens 46 to 50 covering part of the bushings conductors 41 to 55, exerts a sufficient corrective effect; when these capacities are found insufficient $
<Desc / Clms Page number 10>
they can be increased by the use of wide bands for these lead-through conductors 41 to 45, or by the use of several bands and screens, in order to achieve the desired result.
If the interlayer connections, instead of being made by feedthrough conductors housed between the connected layers, are made outside the winding, by outer feedthrough conductors 51 to 55, as shown in Fig. fig.10, the corrective capacitors in fig.7, or the screens in fig.9 ,. can be used; screens 56 to 60 are shown in fig.10.
By applying screens or other capacitive means to the external feedthrough conductors, it is not sufficient to compensate their capacitance with respect to the ground so as to obtain the desired potential of the feedthrough conductors insulated from their respective windings, because then these capacitive means would not be able to remove the tips of the layers of the winding to which they are connected. The capacitances associated with the feedthrough conductors must be high enough to give rise to appreciable attenuations of these peaks, but not high enough to modify the average potentials of the different layers.
In fig.ll, the different layers of the winding are all parallel; the last turn of the first layer (the bottom layer) is connected to the first turn of the second layer on the same side of the winding as the last turn of the first layer; the last turn of the second layer is connected to the first turn of the third layer, the first turn of the third layer being on the same side of the winding as the last turn of the second layer, etc ... line and ground are also shown as being parallel to the layers of the coil.
Although this arrangement of the layers of the winding and of the screens differs considerably from the ideal from the point of view of the distribution of the potentials, it is widely used owing to the great ease which it presents to constitute the winding by layers placed one after the other backwards and forwards, without causing breakage of the conductor, each of the layers being a solenoid of constant diameter and the screens connected to the line and to the ground being easily constructed under cylinder shape without requiring the use of conical isolation between the screens and adjacent conductive layers The distribution of potentials in such a winding, for a steeply sloped pulse wave, with all layers disconnected one by one the other,
is represented in fig. 12 by the dotted line 61, and, when the layers are re-
<Desc / Clms Page number 11>
-linked together, by the solid line 62, it can be seen that the potential distribution curve for this arrangement also has undesirable peaks, although the general curve can be considered .on the other hand, as acceptable for transformers at low voltage and for other less important purposes, where special means are not necessary to vary the average potential of the elements of the winding,
The potential peaks can be corrected, in this case, by capacitive means analogous to those employed in the devices of figures 7,9 &10;
but, to illustrate different equivalent means, high resistance elements 63 to 69 have been shown in fig.ll. The optimum values of these resistances can also be determined by tests, with the help of a calculator table.
The resistors can be placed in any convenient way.
Fig. 13 shows a transformer using the device of the present invention, the vessel 80 being partially broken so as to show part of one end of one of the winding branches. This transformer has two winding branches, but it is obvious that any number of branches can be used. Each of them comprises a core 81 around which is wound a low-voltage winding 82, suitably isolated from the core by the insulator 83.
Around the low voltage winding is placed the high voltage winding of the multiconcentric type, comprising a number of layers 83 to 88 inclusive, the different layers constituting the winding having gradually decreasing dimensions so that A progressively greater distance is left between the ends of the different layers and the core which surrounds it, as the tension of these layers increases. Layer 88 is connected to the line by a suitable conductor and a screen 89 is provided against layer 88, this screen also being put to line potential. The screen 89 can be of any suitable type; it can for example be constituted by a conductive cylinder surrounded by an insulator 90.
A screen 91, grounded, is also provided between the low voltage winding 82 and the adjacent layer 83 of the high voltage winding, with suitable insulations existing between the grounded screen and the layer 83 and between the earthed screen and the low voltage winding 82. In some installations, the grounded screen 91 may be omitted, with the low voltage winding 82 acting as a grounded screen, with respect to the elestrostatic voltage distribution.
As has been said previously, in a transformer similar to that of fig. 13, having a multiconcentric winding whose layers are of
<Desc / Clms Page number 12>
gradually decreasing dimensions, as with conventional screens, spikes appear in the voltage distribution at the ends of the winding layers, when a high voltage surge passes through the transformer. The invention therefore provides suitable means for changing the direction of the equipotential lines at the ends of the layers, so that these lines do not curve in the vicinity of the ends of said layers; these means comprise a suitable capacitor connected to the ends of the layers of the winding by the external feed-through conductor 92.
As can be seen more clearly in Fig. 14, the outer feed-through conductor comprises a conductor 93 covered with several suitable layers as well as an insulator 94. To obtain the desired capacitance, a conductive screen 95 surrounds the conductor of crossing 93, this screen 95 being insulated by several envelopes formed by strips of a suitable insulating substance, for example crepe paper 96. To avoid the crown effect at the ends of the screen 95, a rounded conductor 97 is provided. and the insulating tape 96, being longer than the screen 95, is folded as shown at 98, so as to form a suitable insulation around the ends of the screen 95.
To connect the screen 95 to the ends of one of the adjacent layers, as clearly shown in Figures 9 and 10, a conductor 99 is electrically connected to the screen 95. An insulator 100 is provided around the conductor 99. The conductor 99 is electrically connected. dimensions of the screen 95, relative to those of the conductor 93, and the distance between the conductor 93 and the screen 95 must be such that they correspond to the desired capacity, so as to eliminate or months to sharply decrease the points at the ends of the layers of the winding, as explained previously.
Fig. 15 shows another type of transformer which uses one of the devices, objects of the present invention, this type of transformer comprising several concentric layers 110, 111 & 112. Any number of concentric layers can obviously be used and this ',; diapers can be of any suitable length; the arrangement of fig. 15 uses three layers, which gradually decrease in size as one gets closer to the outer layer 112.
Obviously, the outermost layer will be surrounded by a screen connected to the line similar to screen 89 and a suitable low voltage screen, such as a low voltage winding or a low voltage screen similar to the screen 91 can be provided around the inner layer 11C.
<Desc / Clms Page number 13>
To avoid spikes which may develop at the ends of the layers, means are used including a screen 113 adjacent to the conductive layers 110 & 111, and a screen 114 adjacent to / or placed between the conductive layers 111 & 112. The shield employed can be of any type and, as shown in perspective in Fig. 18, comprises a conductive element of a suitable substance, for example a thin metal foil having a diameter suitable for circle the immediately inner layer. The screen also has an axial discontinuity 115 so that it does not give rise to a short circuit current, such as a winding.
For this purpose, an insulator 116 is placed between the overlapping ends. The screens are also provided with conductive rings 117, placed at both ends, so as to form a soft edge at the ends and, consequently, to reduce the crown effect at these points. The ends of the rings are in telescopic relation with the insulator 118, between the adjacent ends, in order to ensure the screen effect over the entire periphery.
To support the screens as well as to ensure a suitable layer of insulation between the adjacent layers, the insulation between these different layers, for example 110 & 111, is formed of layers of progressively decreasing dimensions as indicated at 120. After that these layers 120 have been arranged so that there is a minimum of insulation at the end 121 and a maximum of insulation at the end 122, the conductive screen 113 can be placed around these layers 120 .
The screen 113, made of a relatively small substance, is flexible enough to be able to envelop the insulating layer and present the same contour as the outer surface of the latter. After the screen 113 and the elements 117 have been placed, a second layer of insulation 123 can be applied, this second being of opposite construction to 120. It will be noted in the figure that the layers of insulation which are formed of several sheets, comprise at one end the parts 124.
These ends 124 are approximately integral extensions of the paper layers forming the insulation and, after the latter has been laid out, they may be bent in any suitable manner, for example by making slits in the ends of the paper, so that the parts 124 constitute portions at right angles.
To constitute a through conductor between the opposite ends of the adjacent conductive layers, that is to say, for example, the layers 110 & 111, is employed, as shown in FIG. 15, an inner conductor 125 comprising a number suitable conductive tapes laid one on top of the other, the electrical connection
<Desc / Clms Page number 14>
at one end 126 with the end of the conductive layer 110 being formed by the angular members 127. The opposite ends of the inner lead-through 125 are provided with angularly extending ends 128, making the connection with the end of conductive layer 111, opposite end 127.
It can be seen, particularly in Figs. 16 & 17, that the rings 117 are provided with openings or passageways 130 of a suitable width with respect to the interior feedthrough conductors 125. Therefore, the Inner feedthrough conductor , as well as the conductive screen, are placed between the adjacent layers 110 & 111 in such a way that the thickness of the insulating layer is proportional to the normal voltage between the conductive layers along a plane. radial. In addition, this improved construction presents a simple way of placing both the screen and the interior lead-through in the insulating layer of gradually decreasing dimensions.
Since the feed-through conductor and the outer surface of the screen are contiguous, they must both be at the same potential,
As shown in Figures 15 and 16, the radial thickness of the inner bushing 125 is greater than the screen 113w which is relatively thin, so as to fill the space between the rings 117, except the space taken. through the inner feed-through conductor 125, an insulating layer 131 is employed comprising a suitable number of layers of paper, so as to obtain the desired thickness *
It is evident that the screen 114 and the inner feeder 135 connecting the layers 111 and 112, are equipped in a similar manner to the screen 113 and the inner feeder 125.
In addition, in the arrangement shown in Figures 15 to 18, especially designated for relatively high tensions, the adjacent layers have a relatively greater axial length than their radial thickness (see especially Fig. 15). However, in order to facilitate understanding, the length of the conductive layers has been shown to be relatively small, so as to accentuate the taper. In such a winding, the axial length of which is several times greater than the thickness, the different screens have substantially the same axial length as the adjacent conductive layers, so that the equipotential lines of force will not curve in the vicinity. of the ends of the various conductive layers.
In order that a wide range of voltages can be obtained with the arrangement of Fig. 5, suitable terminal conductors are connected to any suitable number of layers in addition to the first and the last conductive layer.
<Desc / Clms Page number 15>
Therefore, a line conductor 136 is connected to one end of the outer conductive layer 112 and a low voltage conductor 137 is connected to one end of the inner conductive layer 110. It is also seen that a conductor 138 is connected. at one end of the conductive layer 111. When such a transformer is connected by these different conductors to the overhead lines, high voltage surges will enter the transformer winding through any of these conductors. . Therefore, the device of electrostatic screens placed between the adjacent conductive layers, not only prevents the formation of spikes but also suddenly distributes high voltage which enters the transformer through one of its terminal conductors 138, for example.
Obviously, when more than three high voltage conductive layers are provided, each of them will be provided with a terminal conductor similar to 138, as well as conductive screens identical to those previously described.
The present invention has therefore presented improved devices for eliminating the spikes present in the distribution of the voltages at the ends of the windings made up of layers of progressively decreasing dimensions, during the application of a high voltage jerk to the winding. These devices comprise conductive sheets of suitable dimensions between layers of decreasing dimensions of suitable capacitances and resistances, connected between the ends of the layers. Other means are also used for the same purpose, which are connected to the ends of the windings comprising layers of progressively decreasing dimensions.
The present invention has also presented a shielding device which not only attenuates spikes, but also distributes electrostatic jerks appropriately and prevents the application of strong pulses to the windings where different terminals are provided on the necks. - conductive cables between the high and low voltage ends of the winding.
Although several embodiments of the invention have been represented and described, it is obvious that one does not wish to be limited to these particular forms, given merely by way of example and without any restrictive character and that, consequently, all the variants having the same principle and the same object as the arrangements indicated above would come within the scope of the invention as they do.