<Desc/Clms Page number 1>
PROTECTION DES ENROULEMENTS DES MACHINES D'INDUCTION
La présente invention se rapporte aux moyens de protection des enrou- lements haute tension des machines d'induction oontre les ondes de choc dues à des phénomènes transitoires. Bien que cette invention ne soit pas limitée à cette application, elle oonvient particulièrement aux machines d'induction ayant un enroulement ou une partie d'enroulement raccordé à un circuit de puissance.
Quand un phénomène transitoire à haute tension et à haute fréquence ou une onde à front raide causé par un coup de foudre direct ou indirect, une surtension d'enclenchement ou de déclenchement ou des oscillations de mise à la terre par arc, arrive aux bornes d'un enroulement, un ou plusieurs des trois
<Desc/Clms Page number 2>
types de sollicitation peuvent apparaître dans l'enroulement.
Le premier type, un gradient de tension élevé, peut être créé dans une spire ou dans un élément du bobinage, spécialement près de la borne d'entrée, qui pèse particulièrement sur l'isolant de la première spire et de la bobine; le second, un potentiel élevé par rapport à la terre peut se produire en un point de l'enroulement qui agit particulièrement sur l'isolant entre le bobinage et les parties de la machine mises à la terre et le troisième type, des oscillations cumulatives, peut aussi prendre naissance dans l'enroulement par résonnance et provoquer un gradient élevé ou des tensions élevées ou les deux à la fois.
Pour protéger les enroulements contre un claquage dû à ces phénomènes transitoires, différents dispositifs d'écrans électrostatiques ont été créés pour ajuster la capacité de l'enroulement par rapport au réseau et établir, dans toutes les conditions, une distribution uniforme de la tension le long de l'enroulement.
Certains types d'enroulements, comme les enroulements série des trans- formateurs ou des autotransformateurs, ne se prêtent pas facilement à l'appli- @ cation de dispositifs à écrans électrostatiques. En général, ces enroulements ou sections d'enroulements sont munis de prises pour modifier la tension et si l'on peut obtenir une distribution favorable de la tension au moyen d'écrans électrostatiques pour une prise déterminée, il est pratiquement impossible d'ajuster le dispositif à chaque changement de prise.
Si un écran électrostati- que est placé sur une telle section munie de prises et que l'on déplace l'ajus- teur de tension de la position pour laquelle l'écran a été prévu sur une position éloignée, une surtension survenant alors se répartira dans l'enroulement avec un gradient qui, en général, sera beaucoup plus élevé avec l'écran que sans lui.
Pour cette raison et d'autres encore, il est de pratique courante de placer un appareil, tel qu'un parafoudre, en shunt aux bornes de l'enroulement ou de la section d'enroulement pour créer un by-pass à l'onde de choc. Bien que ces systèmes procurent une certaine protection en limitant la tension totale qui peut exister dans l'enroulement, la sollicitation imposée à la spire initiale et à la bobine n'est pas modifiée dans la plupart des cas et elle est la cause habituelle, sinon la plus fréquente, des avaries à l'enroulement.
A part le désir de distribuer la tension le long de tout l'enroulement pour faciliter le problème de l'isolement, une raison plus importante d'agir
<Desc/Clms Page number 3>
ainsi est de réduire fortement la sollicitation imposée au contacteur de l'ajus- teur de tension. En éliminant les gradients de tension excessifs le long des sections de l'enroulement munies de prises, on élimine automatiquement les ten- atone anormalement élevées entre les prises et aussi entre les pièces de l'ajus- teur de tension. Avec les dispositifs décrits ci-dessous, il est possible de construire des régulateurs à un seul noyau alors que précédemment ils devaient être à deux noyaux et par conséquent de prix plus élevés.
L'objet général de la présente invention est donc de fournir un dis- positif nouveau et perfeotionné de protection des enroulements des machines d'induction contre les effets des ondes électriques dues à des phénomènes tran- sitoires.
Un objet plus particulier est de fournir un système nouveau et perfec- tionné de protection des enroulements des machines d'induction qui réduit le gradient de la distribution initiale d'une onde de choc sur l'enroulement et qui, de plus, limite les oscillations dans l'enroulement consécutives au choc de l'onde à des amplitudes relativements faibles.
Un autre objet est de réaliser un dispositif nouveau et perfectionné de protection des enroulements à prises multiples pour l'ajustage de la tension tel que la protection donnée à l'enroulement ne soit pas modifiée par les chan- gements de prise.
On comprendra mieux le principe de l'invention et sa réalisation ainsi que les avantages qu'elle procure en se référant à la description suivante et aux dessins qui l'accompagnent donnés simplement à titre d'exemples non limitatifs et dans lesquels : la figure 1 est un schéma d'un transformateur sans écran; la figure 2 reproduit un groupe de courbes représentant la distribution de la tension tran- sitoire le long de l'enroulement haute tension de ce transformateur; la figure 3 est un schéma d'un transformateur muni d'un dispositif de protection bien connu; les courbes de la figure 4 représentent la distribution d'une tension transitoire le long d'un enroulement ainsi protégé; la figure 5 est un schéma d'un dispositif de protection d'un transformateur basé sur une forme de la présente invention;
les figures 6, 7 et 8 donnent les courbes de distribution de la tension transi- toire le long d'un enroulement haute tension protégé de cette manière; la figure 9
<Desc/Clms Page number 4>
est un schéma d'un autotransformateur muni d'un dispositif de protection basé sur une seconde forme de la présente invention ; lesfigures 10 et 11 reproduisent les courbes de distribution d'une tension transitoire le long d'un enroulement ainsi protégé ; figure 12 est un schéma montrant l'application de la présente invention à une seconde forme bien connue d'autotransformateur;
la figure 13 est un schéma d'un transformateur à enroulements multiples dont un enroulement à prises muni d'un dispositif de protection basé sur l'invention et la figure 14 est la courbe de distribution d'une tension transitoire le long de l'enroulement à prises ainsi équipé.
Pour faciliter les explications, on a représenté sur la figure 1 un transformateur qui peut être un transformateur survolteur dont le secondaire 10 est relié à un circuit de puissance par les conducteurs 12 et 13 et le primaire 11 peut être relié à un transformateur de régulation de tension (non représenté).
Si une onde de choc 14 à front raide frappe l'enroulement en venant du conducteur 12, la sollicitation qui en résulte est initialement distribuée le long de l'en- roulement suivant la courbe 15 de la figure 2 grâce aux caractéristiques électro- statiques et électromagnétiques de l'enroulement. On remarquera que pratiquement toute la tension est concentrée sur un nombre relativement limité de spires voisines de la borne d'entrée avec un gradient élevé comme le montre la pente raide de la courbe 15. Quelque temps plus tard, par exemple une période corres- pondant à ¸ cycle de l'harmonique fondamentalle des oscillations, la distribution du potentiel dans l'enroulement prendra la forme de la courbe 16 qui, en certains endroits s'élève beaucoup plus haut que la tension de la borne d'entrée.
L'état stationnaire est représenté par la ligne droite 17 dont l'inclinaison est déter- minée par l'inductance relative de l'enroulement et la tension à laquelle le conducteur 13 est élevé par rapport à la terre qui dépend de son impédance en période transitoire. Si l'onde de choc frappait l'enroulement par le conducteur 13 les sollicitations seraient distribuées le long de l'enroulement à peu près de la même manière sauf à l'extrémité de l'enroulement du coté de la borne d'entrée à laquelle le conducteur 13 aboutit. Comme pratiquement toute la tension apparait dans l'enroulement 10, une tension d'impulsion sera induite dans l'enroulement primaire qui peut non seulement provoquer un claquage de cet enroulement mais encore endommager d'autres appareils qui lui sont connectés.
<Desc/Clms Page number 5>
En vue de réduire la différence de potentiel apparaissant dans l'enrou- lement 10 et par conséquent la tension induite dans l'enroulement, un shunt approprié 18 a été connecté aux bornes de l'enroulement pour servir de by-pass à l'onde de choc, comme le montre la figure 3. Un moyen communément employé dans ce but est un type bien connu de parafoudre constitué par une série de disques d'une matière ayant une forte caractéristique de résistance inversement propor- tionnelle à la tension appliquée. Sous le choc de l'onde de tension arrivant par le conducteur 12, la résistance du by-pass diminue fortement sans retard ou presque et de ce fait la tension du second conducteur 13 est élevée immédiatement à celle du conducteur 12, compte tenu de la chute de tension qui se produit dans la résistance du by-pass.
L'état initial de distribution de tension le long de l'enroulement muni d'un tel by-pass est représenté par la courbe 21 de la figure 4. Bien que la tension résultante qui apparaît dans l'enroulement puisse être à 20% de la valeur de celle de l'onde et que l'on préserve ainsi effecti- vement l'enroulement 11 contre les tensions induites excessives, il ressort clairement de la courbe 21 que la sollicitation sur la bobine et les spires de l'enroulement 10 est peu affectée par la présence de ce système de shunt. Si la queue de l'onde a une longueur suffisante, le milieu de l'enroulement peut atteindre, à cause des oscillations, une tension par rapport à la terre qui peut dépasser le double de celle de l'onde, comme le montre la courbe 22 de la figure 4.
L'état stationnaire est représenté par la courbe 25.
Par application d'écrans électrostatiques 19 connectés aux bornes de l'enroulement, on peut considérablement modifier la répartition initiale de la tension le long de l'enroulement, comme le montre la courbe 23 de la figure 4.
La sollicitation des spires est réduite, à une valeur raisonnable, bien inférieure au niveau de l'isolement normal. Des oscillations peuvent cependant encore prendre naissance dans l'enroulement et elles peuvent élever la tension au milieu de l'enroulement par rapport à la terre à des valeurs excessives considérablement plus élevées que celle de l'onde, comme le montre la courbe 24. De plus, comme on le verra plus loin, le système de protection de la figure 3 ne peut pas être appliqué pratiquement aux enroulements à prises multiples.
La présente invention fournit un dispositif shunt aux enroulements des circuits de puissance qui est connecté de manière à réduire non seulement la
<Desc/Clms Page number 6>
différence de tension totale dans l'enroulement mais encore le gradient de potentiel entre spires et, de plus, de limiter l'amplitude des oscillations qui se développent après le choc de l'onde due à des phénomènes transitoires. Comme le montre la figure 5, le shunt 26 comprend. de nombreux disques 27 dont la résistance est nettement inversément proportionnelle à la tension appliquée, comme celle de l'appareil 18 de la figure 3. Les bornes de l'appareil sont reliées aux bornes de l'enroulement 10 tandis que des points intermédiaires de la résistance sont connectés à des points correspondants uniformément espacés de l'enroulement 10.
Les connexions aux points intermédiaires de l'appareil peuvent être faites au moyen de plaques de métal 28 disposées entre les disques 27 et formant contact avec ceux-ci.
Les caractéristiques de résistance de l'appareil 26 sont telles que sous la tension nominale, l'appareil n'est pas conducteur, o'est-à-dire que la résistance est si élevée que la perte en watts dans l'appareil est négligeable.
Sous l'effet d'une onde de tension transitoire arrivant aux bornes, la résistance de l'appareil 26 diminue immédiatement, réalisant effectivement un circuit shunt de faible impédance qui limite la chute de tension le long de l'enroulement à une valeur relativement faible. Cette chute de tension est représentée par la ligne droite 29 de la figure 6 dont l'inclinaison est déterminée par l'impédance instantannée de l'appareil 26. Dans l'arrangement représenté par la figure 5, quatre points intermédiaires de l'enroulement 10 sont reliés à quatre points intermédiaires correspondants de la résistance 26 de manière que la tension de ces différents points de l'enroulement soit fixée de manière certaine par la tension des points correspondants de la résistance.
La distribution initiale de la tension transitoire le long des spires de l'enroulement est représentée par la courbe 30 de laquelle il ressort que le gradient du potentiel le long des spires de l'enroulement, mesuré par la raideur de n'importe quelle partie de la courbe, est nettement réduit par rapport à celui de la courbe 15 de la figure 2. Comme la tension des points intermédiaires de l'enroulement est bien déterminée et est comprise entre les valeurs de la tension aux extrémités de l'enroulement, l'amplitude maximum des oscillations qui peuvent prendre naissance en un point quelconque de l'enroulement est limitée à un faible pourcentage au dessus de la valeur de crête de l'onde, comme l'indique la courbe caracté-
<Desc/Clms Page number 7>
ristique 31.
Le gradient de potentiel par tour et la tension maximum par rapport à la terre d'une partie quelconque de l'enroulement peuvent être limités à une valeur choisie en reliant un plus grand nombre de points intermédiaires de l'enroulement à des points intermédiaires correspondants de la résistance.
Sur la figure 7, on a tracé les courbes caractéristiques d'un montage dans lequel neuf points intermédiaires de l'enroulement sont reliés à neuf points intermédiaires correspondants de la résistance. L'inclinaison maximum de la courbe 32 représentant la distribution de la tension est approximativement la moitié de celle de la courbe correspondante de la figure 6, tandis que l'amplitude des oscillations représentées par la courbe 33 est réduite à moins de la moitié de celle des oscillations du montage caractérisé par les courbes de la figure 6.
La figure 8 montre les courbes caractéristiques d'un enroule- ment ayant 14 points intermédiaires reliés à la résistance de protection et elle montre clairement comment le gradient de potentiel par spire, représenté par la courbe 34,peut être réduit à une valeur pratiquement uniforme le long de l'enroulement tout entier tandis que les oscillations dues à la résonnance et représentées par la courbe 35 peuvent être pratiquement éliminées.
La présente invention est particulièrement utile pour la protection de l'enroulement série des autotransformateurs. Ceux-ci sont fréquemment utilisés pour relier deux circuits de tensions différentes qu'il n'est pas nécessaire d'isoler complètement l'un de l'autre. Un pareil transformateur, représenté par la figure 9, comprend une section d'enroulement 41 qui est commune à la ligne à haute tension 42 et à la ligne à basse tension 43 et une autre section 44 en série avec les lignes 42 et 43. La section 44 est munie de nombreuses prises reliés aux contacts fixes 45 d'un ajusteur de tension 46 auquel la ligne 43 aboutit. La tension des sections d'enroulement commune et série peut être modifiée pour controler le débit d'énergie entre les lignes.
Supposons d'abord que la section 44 au complet soit en série et qu'une onde 48 à front raide frappe le transformateur par la ligne 42. S'il n'y a aucun moyen de protection, pratiquement toute la tension transitoire apparaîtra dans la section de l'en- roulement série 44 parce que la liaison de la ligne 43 agit momentanément comme une terre court-circuitant effectivement la section commune de l'enrou-
<Desc/Clms Page number 8>
lement 41. La distribution initiale de la tension le long de la section de l'enroulement série 44 est représentée par la courbe 51 de la figure 10 comprise entre les connexions H et L des lignes à haute et basse tensions. L'enveloppe des oscillations de résonnance qui prennent naissance dans la section d'enrou- lement sérié, à la suite du choc initial, est représentée par la courbe 52.
Comme la chute de tension totale se produit dans la section de l'enroulement série, une tension d'impulsion sera induite dans la section commune de l'enrou- lement 41 qui produira des oscillations qui sont représentées par la courbe 53 s'étendant entre la connexion de la ligne à basse tension L et la terre G. Dans le cas où une onde frappe le transformateur par la ligne 43, la ligne 42 agira momentanément comme une terre et la sollicitation sera distribuée dans les sec- tions d'enroulement 41 et 44 comme si elles etaient connectées en parallèle.
Les parties adjacentes des deux sections d'enroulement 41 et 44 seront solli- citées par la tension initiale distribuée suivant la courbe 54 de la figure 11 et des oscillations indépendantes prendront naissance dans les deux sections d'enroulement; elles sont représentées par les courbes 55. Il, est évident que ces courbes des figures 10 et 11 seront caractéristiques pour toutes les connexi- ons de l'ajusteur de tension 46, la position de L par rapport à H et G des courbes etant simplement déplacée en conséquence.
En appliquant le dispositif de protection de la présente invention à l'enroulement série des autotransformateurs, les sollicitations sévères repré- sentées par les courbes 51 à 55 des figures 10 et 11 peuvent être modifiées.
Comme le montre la figure 9, la section d'enroulement série 44 est shuntée par la résistance 56 qui est constituée par des éléments semblables à ceux utilisés dans l'appareil 26 de la figure 5. L'appareil 56 est connecté entre les bornes de la section d'enroulement 44 et entre des points intermé- diaires. Dans le cas d'une section d'enroulement ayant des prises reliées à un ajusteur de tension, comme le montre le schéma, la question de la connexion de la résistance à des points intermédiaires de l'enroulement est grandement simplifiée puisque les conducteurs des prises peuvent être connectés àux deux appareils.
S'il y a quatre prises intermédiaires reliées à des contacts oorres- pondants de l'ajusteur de tension et que les éléments intermédiaires de la résistance sont connectés seulement à ces prises, la surtension sera alors
<Desc/Clms Page number 9>
distribuée le long de la section d'enroulement série comme le montrent les courbes de la figure 6. Cependant, si on lé désire, le nombre de connexions entre la résistance et l'enroulement peut être porté à 9 en plaçant une prise additionnelle entre chaque prise de l'ajusteur et en reliant toutes les prises à des points correspondants intermédiaires de la résistance.
Une telle dispo- sition des connexions est représentée par la figure 9 et elle donne une distri- bution de tension le long de la section de l'enroulement série représentée par les courbes caractéristiques 32 et 33 de la figure 7 ou 58 et 59 de la figure 10.
Il est clair que l'on peut disposer n'importe quel nombre de connexions entre la section de l'enroulement série et la résistance pour obtenir la distribution de tension désirée.
Il faut comprendre que la résistance 56 n'agit pas pour réduire le gradient de potentiel qui peut exister dans la section commune de l'enroulement à cause d'une différence de tension entre les lignes 43 et la terre pendant l'état transitoire. Pour distribuer convenablement la sollicitation sur cette section d'enroulement, un écran électrostatique classique 61 peut être installé et connecté à la jonction des sections d'enroulement commune et en série. La courbe 62, illustre la distribution de la sollicitation sur cette section d'enroulement affectée par l'écran 61. Comme il y a une tension induite relati- vement basse dans la section commune de l'enroulement, les oscillations sont limitées à une valeur bien en dessous du niveau de l'isolement, comme l'indique la courbe enveloppe 63.
Avec toutes les sections d'enroulement 44 mises en circuit entre les lignes 42 et 43 et sous le choc d'une onde venant de la ligne 43, les sollici- tations seront réparties sur les sections commune et en série de l'enroulement par le dispositif de protection de la figure 9 suivant les courbes 64 et 65 de la figure 11 tandis que les oscillations dues à la résonnance seront limitées à des valeurs relativement basses comme le montrent les courbes 66 et 67.
Avec la chute de tension dans la section d'enroulement série réduite à une fraction de la tension transitoire appliquée et répartie uniformément entre les prises, il n'y aura qu'une différence de tension relativement faible entre les contacts voisins de l'ajusteur de tension pour des crans normaux de tension. Donc l'ajusteur de tension ne doit pas être prévu pour des tensions
<Desc/Clms Page number 10>
dépassant beaucoup la tension normale et pour cette raison, l'enroulement de régulation peut être à simple noyau au lieu du modèle à deux noyaux comme il etait nécessaire antérieurement pour maintenir la contrainte sur le mécanisme de l'ajusteur de tension dans des limites raisonnables.
Sur la figure 9, l'ajusteur de tension est représenté dans la position limite pour laquelle toute la section 44 de l'enroulement est en série avec les lignes 42 et 43. Si on déplace le commutateur sur n'importe quel autre contact de prise, la longueur de l'enroulement en série sera diminuée et la chute de tension qui pourra s'y produire sera réduite en proportion de telle sorte que la distribution de tension le long de l'enroulement sera à peu près la même que lorsque le commutateur est dans la position indiquée.
Si on place le commutateur dans la position extrême opposée pour laquelle la section 44 de l'enroulement est entièrement retirée du circuit série et mise dans le circuit de la section 41, alors la tension transitoire, par rapport à la terre, le long de tout l'enroule- ment sera distribuée dans les sections respectives proportionnellement à l'impé- dance instantannée de l'appareil 56 par rapport à celle de la section d'enrou- lement 41. Donc, tandis que la majeure partie de la tension peut être appliquée sur la section d'enroulement 41, cette section est protégée de manière efficace par l'écran 61 contre les sollicitations excessives.
On voit tout de suite que la disposition de l'autotransformateur de la figure 9 peut être simple ou en deux parties reliées comme il est dessiné.
Dans le cas où on utilise des transformateurs séparés pour remplir le rôle d'un autotransformateur conneoté entre des lignes de tension différente, l'enroulement du transformateur série est généralement muni d'une prise médiane comme le montre la figure 12. Sur cette figure, le transformateur série 71 est connecté entre la ligne à haute tension 72 et la ligne à basse tension 73 tandis que le trans- formateur commun est connecté entre la ligne à basse tension et la terre ou le neutre. L'enroulement 71 du transformateur série est divisé en deux parties munies chacune de prises reliées à l'extérieur aux contacts fixes de l'ajusteur de tension 75. Les résistances 76 et 77, du type décrit précédemment, sont connectées en parallèle avec les deux parties de l'enroulement 71.
Les sections extrêmes correspondantes des résistances sont connectées entre les conducteurs de l'ajusteur de tension tandis que les autres sections sont reliées par d'autres conducteurs à des points convenablement espacés des parties correspondantes de l'enroulement. Comme il a été décrit précédemment, l'enroulement du trans- @
<Desc/Clms Page number 11>
formateur commun peut être efficacement protégé par un écran électrostatique classique 78. La distribution des surtensions le long de ces transformateurs se fera suivant les mêmes caractéristiques que celles représentées par les courbes des figures 10 et 11.
La présente invention n'est pas limitée à son application aux trans- formateurs série ou aux autotransformateurs mais elle est aussi applicable à d'autres transformateurs et particulièrement à ceux pourvus de sections d'en- roulement à prises, comme le type spécial de transformateur de régulation repré- senté par la figure 13. le transformateur ici représenté est du type à 3 enrou- lements, un enroulement basse tension 81, un enroulement haute tension 82 et un enroulement intermédiaire 83 à tension relativement élevée. Les sections à prises 83' et 83" de l'enroulement 83 sont disposées au dessus de l'enroulement 83 et adjacentes aux extrémités opposées de l'enroulement haute tension 82 pour qu'il ne soit pas nécessaire de sortir les connexions des prises du dessous de l'enroulement 82 pour les amener aux contacts fixes de l'ajusteur de tension 84.
Tandis que l'enroulement haute tension 82 et la partie principale de l'en- roulement 83 peuvent être relativement facilement pourvus d'écrans électrosta- tiques 86 et 87, il est évident qu'il serait très difficile sinon impraticable d'essayer de placer des écrans électrostatiques pour les parties d'enroulement séparées 83' et 83". Evidemment, comme ces parties d'enroulement sont le plus rapprochées de la ligne 88 et de ce fait sont sujettes aux plus grandes solli- citations sous le choc d'une onde venant de cette ligne 88, il faut trouver le moyen de les protéger.
En concordance aveo la modification ultérieure de cette invention, les groupes de résistances 91 et 92 semblables à ceux décrits antérieurement sont connectés aux bornes des sections d'enroulement 83' et 83" et les parties intermédiaires sont reliées aux points intermédiaires correspon- dants des sections respectives de l'enroulement. Comme il est indiqué, ces connexions intermédiaires peuvent être facilement faites grâce aux connexions des prises de l'ajusteur de tension. Sur la figure 14, la courbe 93 représente la distribution initiale de la tension le long de l'enroulement 83 pour une onde de tension transitoire venant de la ligne 88.
La partie supérieure 93' de cette courbe représente la distribution de la tension le long des parties d'enroulement 83' et 83" influencées par les résistances 91 et 92 et le restant
<Desc/Clms Page number 12>
de la courbe représente la distribution de la tension sur la section principale de l'enroulement 83 modifiée par l'écran électrostatique 87. La disposition représentée offre une solution simple au problème de la protection adéquates des enroulements d'un type particulier qui seraient très difficiles sinon impossibles à protéger par les moyens classiques.
Bien que l'on ait décrit le principe de l'invention et quelques réalisations types, il est évident qu'on ne désire pas se limiter à ces formes particulières données à titre d'exemples et sans aucun caractère restrictif.
<Desc / Clms Page number 1>
PROTECTION OF THE COILING OF INDUCTION MACHINES
The present invention relates to means for protecting the high voltage windings of induction machines against shock waves due to transient phenomena. Although this invention is not limited to this application, it is particularly suited to induction machines having a winding or a winding part connected to a power circuit.
When a transient phenomenon at high voltage and high frequency or a wave with a steep front caused by a direct or indirect lightning strike, a cut-in or cut-out overvoltage or oscillations of grounding by arc, arrives at the terminals d 'a winding, one or more of the three
<Desc / Clms Page number 2>
types of stress may appear in the winding.
The first type, a high voltage gradient, can be created in a turn or part of the winding, especially near the input terminal, which places particular strain on the insulation of the first turn and the coil; the second, a high potential with respect to the earth can occur at a point of the winding which acts particularly on the insulation between the winding and the earthed parts of the machine and the third type, cumulative oscillations, can also originate in the resonant winding and cause a high gradient or high voltages or both.
To protect the windings against a breakdown due to these transient phenomena, various electrostatic screen devices have been created to adjust the capacitance of the winding in relation to the network and to establish, under all conditions, a uniform distribution of the voltage along winding.
Some types of windings, such as series windings of transformers or autotransformers, do not readily lend themselves to the application of electrostatic shielded devices. In general, these windings or winding sections are provided with taps to modify the voltage and if a favorable voltage distribution can be obtained by means of electrostatic screens for a given tap, it is practically impossible to adjust the voltage. device at each change of plug.
If an electrostatic screen is placed on such a section provided with taps and the voltage adjuster is moved from the position for which the screen was intended to a remote position, then an overvoltage occurring will be distributed. in the winding with a gradient which, in general, will be much higher with the screen than without it.
For this and other reasons, it is common practice to place a device, such as a surge arrester, shunt across the winding or winding section to create a wave bypass. of choc. While these systems provide some protection by limiting the total tension that may exist in the winding, the stress on the initial turn and coil is not changed in most cases and is the usual cause, otherwise the most frequent, damage to the winding.
Other than the desire to distribute tension along the entire winding to ease the isolation problem, a more important reason to act
<Desc / Clms Page number 3>
This is to greatly reduce the stress imposed on the contactor of the voltage adjuster. By eliminating excessive voltage gradients along the taped sections of the winding, abnormally high voltages between taps and also between tension adjuster parts are automatically eliminated. With the devices described below, it is possible to construct single core regulators whereas previously they had to be dual core and therefore more expensive.
The general object of the present invention is therefore to provide a new and perfected device for protecting the windings of induction machines against the effects of electric waves due to transient phenomena.
A more particular object is to provide a new and improved protection system for the windings of induction machines which reduces the gradient of the initial distribution of a shock wave on the winding and which, moreover, limits the oscillations. in the winding following the shock of the wave at relatively low amplitudes.
Another object is to provide a new and improved device for protecting multi-tap windings for voltage adjustment such that the protection given to the winding is not affected by changes in tap.
The principle of the invention and its implementation as well as the advantages it provides will be better understood by referring to the following description and to the accompanying drawings, given simply by way of non-limiting examples and in which: FIG. 1 is a diagram of a transformer without a screen; FIG. 2 reproduces a group of curves representing the distribution of the transient voltage along the high voltage winding of this transformer; FIG. 3 is a diagram of a transformer fitted with a well known protection device; the curves of FIG. 4 represent the distribution of a transient voltage along a winding thus protected; Fig. 5 is a diagram of a protection device of a transformer based on one form of the present invention;
Figures 6, 7 and 8 show the transient voltage distribution curves along a high voltage winding protected in this way; figure 9
<Desc / Clms Page number 4>
is a diagram of an autotransformer provided with a protection device based on a second form of the present invention; lesfigures 10 and 11 reproduce the distribution curves of a transient voltage along a winding thus protected; Fig. 12 is a diagram showing the application of the present invention to a second well known form of autotransformer;
Figure 13 is a diagram of a multi-winding transformer with a tap winding provided with a protection device based on the invention and Figure 14 is the distribution curve of a transient voltage along the winding with sockets so equipped.
To facilitate explanations, FIG. 1 shows a transformer which can be a booster transformer, the secondary 10 of which is connected to a power circuit by the conductors 12 and 13 and the primary 11 can be connected to a regulating transformer. voltage (not shown).
If a steep front shock wave 14 strikes the coil from conductor 12, the resulting stress is initially distributed along the coil along curve 15 of Figure 2 by virtue of the electrostatic characteristics and electromagnetic winding. Note that practically all the voltage is concentrated on a relatively limited number of turns near the input terminal with a high gradient as shown by the steep slope of curve 15. Some time later, for example a corresponding period at ¸ cycle of the fundamental harmonic of the oscillations, the potential distribution in the winding will take the form of curve 16 which in some places rises much higher than the voltage of the input terminal.
The steady state is represented by the straight line 17, the inclination of which is determined by the relative inductance of the winding and the voltage at which the conductor 13 is raised with respect to the earth which depends on its impedance in period transient. If the shock wave struck the winding through the conductor 13 the stresses would be distributed along the winding in much the same way except at the end of the winding on the side of the input terminal at which driver 13 is successful. Since almost all of the voltage appears in winding 10, a pulse voltage will be induced in the primary winding which can not only cause this winding to breakdown but also damage other devices connected to it.
<Desc / Clms Page number 5>
In order to reduce the potential difference appearing in the winding 10 and therefore the voltage induced in the winding, a suitable shunt 18 has been connected across the winding to serve as a bypass for the wave. shock absorber, as shown in Figure 3. A means commonly employed for this purpose is a well known type of arrester consisting of a series of discs of a material having a strong resistance characteristic inversely proportional to the applied voltage. Under the shock of the voltage wave arriving through the conductor 12, the resistance of the bypass decreases sharply without delay or almost and therefore the voltage of the second conductor 13 is raised immediately to that of the conductor 12, taking into account the voltage drop that occurs in the bypass resistance.
The initial state of voltage distribution along the winding provided with such a bypass is represented by curve 21 in figure 4. Although the resulting voltage which appears in the winding may be 20% of the value of that of the wave and that thus effectively preserving the winding 11 against excessive induced voltages, it is clear from the curve 21 that the stress on the coil and the turns of the winding 10 is little affected by the presence of this shunt system. If the tail of the wave is of sufficient length, the middle of the winding can reach, due to oscillations, a voltage with respect to the earth which can exceed twice that of the wave, as shown by the curve. 22 of figure 4.
The steady state is represented by curve 25.
By applying electrostatic screens 19 connected to the terminals of the winding, it is possible to considerably modify the initial distribution of the voltage along the winding, as shown by curve 23 in FIG. 4.
The stress on the turns is reduced to a reasonable value, well below the level of normal insulation. Oscillations can still originate in the winding, however, and they can raise the voltage in the middle of the winding with respect to earth to excessive values considerably higher than that of the wave, as shown in curve 24. De more, as will be seen later, the protection system of figure 3 cannot be practically applied to multi-tap windings.
The present invention provides a shunt device to the windings of power circuits which is connected so as to reduce not only the
<Desc / Clms Page number 6>
total voltage difference in the winding but also the potential gradient between turns and, moreover, to limit the amplitude of the oscillations which develop after the shock of the wave due to transient phenomena. As shown in Figure 5, shunt 26 includes. many disks 27 whose resistance is markedly inversely proportional to the applied voltage, such as that of the apparatus 18 of FIG. 3. The terminals of the apparatus are connected to the terminals of the winding 10 while intermediate points of the resistors are connected to corresponding points evenly spaced of winding 10.
The connections to the intermediate points of the apparatus can be made by means of metal plates 28 disposed between the disks 27 and forming contact therewith.
The resistance characteristics of the device 26 are such that under the nominal voltage the device is not conductive, that is, the resistance is so high that the wattage loss in the device is negligible .
Under the effect of a transient voltage wave arriving at the terminals, the resistance of apparatus 26 immediately decreases, effectively providing a low impedance shunt circuit which limits the voltage drop along the winding to a relatively low value. . This voltage drop is represented by the straight line 29 of FIG. 6, the inclination of which is determined by the instantaneous impedance of the device 26. In the arrangement represented by FIG. 5, four intermediate points of the winding 10 are connected to four corresponding intermediate points of the resistor 26 so that the voltage of these different points of the winding is fixed with certainty by the voltage of the corresponding points of the resistor.
The initial distribution of the transient voltage along the turns of the winding is shown by curve 30 from which it appears that the gradient of the potential along the turns of the winding, measured by the stiffness of any part of the winding. the curve, is markedly reduced compared to that of curve 15 of Figure 2. As the tension of the intermediate points of the winding is well determined and is between the values of the tension at the ends of the winding, the maximum amplitude of the oscillations which can originate at any point of the winding is limited to a small percentage above the peak value of the wave, as indicated by the characteristic curve.
<Desc / Clms Page number 7>
ristic 31.
The potential gradient per revolution and the maximum voltage with respect to earth of any part of the winding can be limited to a chosen value by connecting a greater number of intermediate points of the winding to corresponding intermediate points of resistance.
In FIG. 7, the characteristic curves of an assembly have been drawn in which nine intermediate points of the winding are connected to nine corresponding intermediate points of the resistance. The maximum inclination of curve 32 representing the voltage distribution is approximately half that of the corresponding curve in Fig. 6, while the amplitude of the oscillations represented by curve 33 is reduced to less than half that of the oscillations of the assembly characterized by the curves in figure 6.
Figure 8 shows the characteristic curves of a winding having 14 intermediate points connected to the protection resistor and it clearly shows how the potential gradient per turn, represented by curve 34, can be reduced to a practically uniform value on along the entire winding while the oscillations due to resonance and represented by curve 35 can be practically eliminated.
The present invention is particularly useful for the protection of the series winding of autotransformers. These are frequently used to connect two circuits of different voltages that do not need to be completely isolated from each other. Such a transformer, shown in FIG. 9, comprises a winding section 41 which is common to the high voltage line 42 and to the low voltage line 43 and another section 44 in series with the lines 42 and 43. The Section 44 is provided with numerous taps connected to the fixed contacts 45 of a voltage adjuster 46 to which line 43 terminates. The voltage of the common and series winding sections can be changed to control the energy flow between the lines.
Suppose first that the entire section 44 is in series and a steep-fronted wave 48 hits the transformer through line 42. If there is no means of protection, virtually all of the transient voltage will appear in the transformer. section of the series winding 44 because the connection of the line 43 momentarily acts as an earth effectively bypassing the common section of the winding.
<Desc / Clms Page number 8>
Element 41. The initial distribution of the voltage along the section of the series winding 44 is represented by the curve 51 of FIG. 10 between the connections H and L of the high and low voltage lines. The envelope of the resonant oscillations which originate in the serial winding section following the initial shock is represented by curve 52.
As the total voltage drop occurs in the section of the series winding, a pulse voltage will be induced in the common section of the winding 41 which will produce oscillations which are represented by the curve 53 extending between the connection of the low voltage line L and earth G. In the event that a wave hits the transformer through line 43, line 42 will momentarily act as an earth and the stress will be distributed in winding sections 41 and 44 as if they were connected in parallel.
The adjacent parts of the two winding sections 41 and 44 will be stressed by the initial tension distributed along the curve 54 of FIG. 11 and independent oscillations will arise in the two winding sections; they are represented by the curves 55. It is evident that these curves of figures 10 and 11 will be characteristic for all the connections of the tension adjuster 46, the position of L with respect to H and G of the curves being simply moved accordingly.
By applying the protection device of the present invention to the series winding of the autotransformers, the severe stresses represented by curves 51 to 55 of Figures 10 and 11 can be modified.
As shown in Figure 9, the series winding section 44 is shunted by resistor 56 which is made up of elements similar to those used in apparatus 26 of Figure 5. Apparatus 56 is connected across the terminals of the winding section 44 and between intermediate points. In the case of a winding section having taps connected to a voltage adjuster, as shown in the diagram, the issue of connecting the resistance to intermediate points of the winding is greatly simplified since the conductors of the taps can be connected to both devices.
If there are four intermediate taps connected to corresponding contacts of the voltage adjuster and the intermediate elements of the resistor are connected only to these taps, then the overvoltage will be
<Desc / Clms Page number 9>
distributed along the series winding section as shown by the curves in figure 6. However, if desired, the number of connections between the resistor and the winding can be increased to 9 by placing an additional plug between each plug of the adjuster and connecting all the plugs to the corresponding intermediate points of the resistance.
Such an arrangement of the connections is shown in figure 9 and it gives a voltage distribution along the section of the series winding represented by characteristic curves 32 and 33 in figure 7 or 58 and 59 in figure 7. figure 10.
Clearly, any number of connections can be made between the section of the series winding and the resistor to achieve the desired voltage distribution.
It should be understood that resistor 56 does not act to reduce the potential gradient which may exist in the common section of the winding due to a voltage difference between lines 43 and earth during the transient state. To properly distribute the stress on this winding section, a conventional electrostatic shield 61 can be installed and connected at the junction of the common and series winding sections. Curve 62 illustrates the distribution of the stress on this section of winding affected by screen 61. Since there is a relatively low induced voltage in the common section of the winding, the oscillations are limited to a value. well below the isolation level, as indicated by envelope curve 63.
With all the winding sections 44 switched on between lines 42 and 43 and under the shock of a wave coming from line 43, the stresses will be distributed over the common and serial sections of the winding by the protection device of FIG. 9 following curves 64 and 65 of FIG. 11, while the oscillations due to resonance will be limited to relatively low values as shown by curves 66 and 67.
With the voltage drop across the series winding section reduced to a fraction of the applied transient voltage and distributed evenly across the taps, there will be only a relatively small voltage difference between neighboring contacts of the adjuster. voltage for normal voltage steps. Therefore the tension adjuster should not be designed for tensions
<Desc / Clms Page number 10>
much in excess of normal voltage and for this reason the regulating winding can be single core instead of the two core model as was previously necessary to keep the stress on the tension adjuster mechanism within reasonable limits.
In Figure 9, the voltage adjuster is shown in the limit position for which the entire section 44 of the winding is in series with lines 42 and 43. If the switch is moved to any other tap contact , the length of the series winding will be reduced and the voltage drop which may occur there will be reduced in proportion so that the voltage distribution along the winding will be about the same as when the switch is in the position shown.
If we place the switch in the opposite extreme position for which section 44 of the winding is completely removed from the series circuit and put into the circuit of section 41, then the transient voltage, with respect to earth, along all the winding will be distributed in the respective sections in proportion to the instantaneous impedance of the apparatus 56 with respect to that of the winding section 41. Thus, while the major part of the voltage can be applied to the winding section 41, this section is effectively protected by the screen 61 against excessive stresses.
It can be seen immediately that the arrangement of the autotransformer of figure 9 can be simple or in two parts connected as it is drawn.
In the case where separate transformers are used to fulfill the role of an autotransformer connected between lines of different voltage, the winding of the series transformer is generally provided with a middle tap as shown in figure 12. In this figure, the series transformer 71 is connected between the high voltage line 72 and the low voltage line 73 while the common transformer is connected between the low voltage line and earth or neutral. The winding 71 of the series transformer is divided into two parts each provided with taps connected externally to the fixed contacts of the voltage adjuster 75. The resistors 76 and 77, of the type described above, are connected in parallel with the two. parts of winding 71.
The corresponding end sections of the resistors are connected between the conductors of the voltage adjuster while the other sections are connected by other conductors at suitably spaced points from the corresponding parts of the winding. As described previously, the winding of the trans- @
<Desc / Clms Page number 11>
common trainer can be effectively protected by a conventional electrostatic screen 78. The distribution of the overvoltages along these transformers will be done according to the same characteristics as those represented by the curves of Figures 10 and 11.
The present invention is not limited to its application to series transformers or autotransformers but it is also applicable to other transformers and particularly to those provided with tapped winding sections, such as the special type of transformer. regulator shown in FIG. 13. the transformer shown here is of the type with 3 windings, a low voltage winding 81, a high voltage winding 82 and an intermediate winding 83 at relatively high voltage. The tap sections 83 'and 83 "of the winding 83 are disposed above the winding 83 and adjacent to the opposite ends of the high voltage winding 82 so that it is not necessary to remove the connections from the taps of the coil. below winding 82 to bring them to the fixed contacts of tension adjuster 84.
While the high voltage winding 82 and the main part of the winding 83 can be relatively easily provided with electrostatic screens 86 and 87, it is evident that it would be very difficult if not impractical to attempt to place. electrostatic screens for the separate winding portions 83 'and 83 ". Obviously, as these winding portions are closest to line 88 and therefore are subject to the greatest stresses under the shock of a wave coming from this line 88, we must find a way to protect them.
In accordance with the further modification of this invention, the groups of resistors 91 and 92 similar to those previously described are connected to the terminals of the winding sections 83 'and 83 "and the intermediate parts are connected to the corresponding intermediate points of the sections. winding. As shown, these intermediate connections can be easily made through the tap connections of the voltage adjuster. In Fig. 14, curve 93 shows the initial distribution of voltage along the length of the winding. winding 83 for a transient voltage wave coming from line 88.
The top 93 'of this curve represents the voltage distribution along winding portions 83' and 83 "influenced by resistors 91 and 92 and the remainder.
<Desc / Clms Page number 12>
of the curve represents the voltage distribution over the main section of winding 83 modified by electrostatic shield 87. The arrangement shown offers a simple solution to the problem of adequately protecting windings of a particular type which would be very difficult. otherwise impossible to protect by conventional means.
Although the principle of the invention and some typical embodiments have been described, it is obvious that we do not wish to limit ourselves to these particular forms given by way of examples and without any restrictive character.