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Réactance shunt.
La présente invention concerne les appareil* électriques inductifs et, plus spécialement, un appareil inductif comportant plusieurs spires d'un conducteur uniformément reparties sur le longueur axiale du bobinage.
Les appareils plus particulièrement visée sont les réac- tances shunt utilisées dans les systèmes de transport d'Énergie.
Mail la nouvelle construction utilisé conforme à l'invention peut aussi être appliquée à d'autre. appareils inductifs.
Les réactances peuvent être avec ou sans noyau, les réac- tances sans noyau tant préférées dans de nombreux cas pour les raisons suivantes:
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(a) Le fer introduit une certaine distorsion dans le caractéristique
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tension-courant de la rfaotance.
En outre, le fer peut se saturer à des niveaux de tension eleves, ce qui entraîne une diminution de la r8ctence à pleine tension, Ce défaut est oart1cul1'rement important du finit que 4.eo casais de réaetanoe à pleine tension sont probable- ment impossibles à réaliser avec les valeurs nominniea imposées, et 11n'est donc pas justifia de faire des extrapolations, Au contraire comme les bobinages sans noyau ont des caractéristiques bien linéai- res, les résultats des essaisde ractance peuvent être extrapolas sans danger.
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(b) il y n des harmoniques si du for est utilisa. En particulier, le troisième harmonique peut avoir une amplitude importante dans le cas de groupes de bobinages montra en étoile et bien mis à la terre, AU contraire, un bobinage à air comportant un blindage de la cuve contre les courants de Foucault est exempt d'harmoniques à cause de la linéarité de la caractéristique volts-ampères.
(c) Des noyaux en fèr feuilleta des culasses en fer ou des parois de blindage de cuve en fer introduisent des complications du point de vue de l'isolement électrique. Des points à forte sollicitation se présentent fréquemment sur les bords et sur des pointa saillante de ces constructions. En tout cas, les noyaux en fer augmentent les
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sollicitations électriques dans les bobinées a cause de la proxi- mité du potentiel de terre, A ce point de vue, l'isolement d'un bobinnge à air est simplifia et l'intensité des mollicitrtions électriques est fortement réduite par leeloimement du potentiel de terre.
(d) La capacité par rapport à la terre introduite par la proximité des surfaces d'un noyau en fer a une influence défavorable sur la répartition de la tension dans la bobine dans le est d'essais par impulsions. En particulier, la présence du noyau de fer introduit une capacité par rapport à la terre progressivement croissante à l'extrémité côté ligne de la bobine, ce qui provoque une concentra- tion de la tension puisse de résonance à l'extrémité de la bobine,
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établissant ainsi des gradients de potentiel dangereusement élevé au voisinage de cette extrémité, Cette condition est nettement am- liore dans le cas d'un bobinage sans noyau, surtout,,
si Iles spires du,bobinage.sont uniformément réparties dans le ,en! axisl de, l'empilage des bobines.
(e) Comme autres mérites d'une réactance sans noyau, on peut citer. un niveau de bruit et de vibration négligeable, un meilleur refroi- dissement interne, une construction et un entretien très simplifias.
Jusqu'ici, il n'a pas été possible de répartir uniformé- men t les spires d'un bobinage dans son sens axial idéal quelle que soit le forme de bobine utilisée, à l'exception d'un enroulement spirale à une simple couche, En outre, dans la plupart des cas, il n'est pas possible de réaliser un enroulement spirale en une seule couche spiralée de longueur raisonnable ayant la capacité en cou- rant et le nombre de spires requis.
Il est connu que, pour obtenir un enroulement efficace, la dimension axiale doit être plusieurs foie supérieure à l'épaisseur de proi radiale, du fait qu'une ten- sion uniformément répartie dans le sens axial implique des solli- citations nettement plus faibles qu'une tension répartie radiale- ment; ceci permet de réaliser un bobinpge de forte capacité et de dimensions modérées avec une complète sécurité.
On utilise aussi couramment des bobinages en galette ayant une répartition partielle des spires dans le sens axial mais, avec une telle forme d'exécution, le nombre total de spires requis est tellement grand que chaque galette doit avoir un nombre Impossible de spires disposées radialement, ce oui introduit des sollicita- tions tellement élevées entre galettes adjacentes que l'on va en- tièrementrencontre du but poursuivi, c'est-à-dire des faibles sollicitations.
Des bobinages à haute tension construits comme los trans- formateurs présentent des problèmes inhérents de sollicitation. Des bobinages enroulés en couches ont tendance à répartir les sollicita- tions électriques dans le sens radial, mais Ion spires ne sont pas
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régulières dans ce sens radial et les sollicitations se concentrent inévitablement aux extrait 5 de chaque couche;
en fait, toute la tension pulsée apparaît entre couches adjacentes sur un nombre très limité de soires, Malgré la forte épaisseur de l'isolement entre couches, des sollicitations trop élevées et des marges de sécurité trop faibles sont inévitables entre couches adjacentes, L'invention a pour but principal de procurer un appareil inductif dans lequel la tension puisse être repartie uniformément dans le sens axial idéal en utilisant plusieurs éléments de bobine concentriques relias en parallèle.
Chaque élément de bobine présente l'avantage d'un enroulement spiralé à une couche en ce qui concerne le faible gradient de potentiel et les éléments de bobine réunis sont capables de véhiculer des courants importants,
L'invention a aussi pour but de procurer un appareil induc- tif dont chaque élément de bobinage indépendant ait en substance la marne longueur axiale et véhicule en substance toute fraction voulue du courant total nominal. Un tel enroulement a le gradient de poten- tiel le plus faible réalisable en tout poinc d'une extrémité à l'autre. En outre, comme chaque Elément d'enroulement parallèle a essentiellement la même longueur, la différence de potentiel est né- gligeable entre spires dans le sens radial.
L'invention a encore pour but de procurer un appareil in- ductif dans lequel les sollicitations à la tension nominale le long du bobinage soient exceptionnellement faibles même aux niveaux les impulsions, ces sollicitations étant trs inférieures au point d'amorçage de l'effet corona.
Cela étant, la présente invention consiste en plusieurs éléments de bobine concentriques électriquement relias en parallèle et à une paire de bornes, chaque lent consistant en plusieurs sections indépendantes relises en srie, ces sections consistant en un anneau conttitué par plusieurs spires d'un fil isolé conducteur de l'électricité.
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L'invention est représentés à titre d'exemple aux dessins annexas, dans lesquels!
La figura 1 est une vue fragmentaire en coupe d'une cuve contenant une ractance shunt construit* suivant la présente inven- tion.
La figura 2 est une coupe fragmentaire verticale faite
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suivant 1n lime P-2 delà figure 1, et La figure ? est une coupe transversale fait. suivant la
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lime 3-"î de In figure 7, Les dt81n8 annexât représentent une réactance shunt 10 enfermée dans une enveloppe ou cuve 11 en tôle et montre sur un socle isolant 13 de façon à être espacée par rapport à la cuve.
L'enveloppe ou cuve 11 consiste en un cylindre 14 pourvu de brides d'extrémité opposées 15 et 16 auxquelles sont attachas des couvercles d'extrémité respectifs 17 et 18.
Le couvercle d'extrémité 18 peut être attaché de façon
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amovible, par exemple A l'aide de boulons, rivets ou orgues ses- blables traversent plusieurs ouvertures 19 espacées eireonféren- tiennent, Le couvercle if3 comporte aussi une partie centrale cons- que ou tourelle fixée de façon amovible au noyen de plusieurs bou- lons, rivets ou organes semblables traversant des ouvertures air.. conf4rentielle"ient espacées 2lue Le cône ou tourelle ?0 est percée d'une ouverture destinée à recevoir et à supporter un isolateur
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de passage pop dont un prolongement intérieur 21 aboutit au voisinage i.nm<5dîat de l'axe central de la réactance 10.
plusieurs blindages magnétiques 24 sont attachas à la paroi intérieure de la cuve,
Dans la plupart des cas, la cuve doit être magnétiquement isolée delà bobine et on utilise, de préférence, une cuve ronde com-
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sortant un blindage en aluminium contre les courants de youoault a11ou sur la paroi intérieure de la cuve. Le blindage .conoentri- que de la cuve facilite, lorsqu'il a une telle tome, le calcul des
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courants de voucault et des fuites.
En outre, une cuve ronde est la plus simple a fabriquer, permet un rayonnement optimum pour 1. re-
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fro1dt'8emunt et se renforce aident contre le vide et la pression, 'En utilisant un tel blindage lisse contre In paroi de In cuve eoneen- trinuemont au bobinage et avec des anneaux de répartition d'.xtr1. tep on obtient plus facilement des sollicitations Electriques faut- bles. Le fond de la cuve est, de préférence, en aluminium ou en acier alu1n1sé. L'aluminium assure le blindage magnétique. Avec cette dernière forme d'exécution, l'aluminium peut consister en une cuve intérieure spnre, la cuve extérieure tnnt en acier ou en une ma- tire semblable.
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La r0aotance 10 se compose de plusieurs bobines concentri- ques axialement espacées 0, ile bzz et 33, chaque bobine se compo- sent elle-même e plusieurs éléments 34a b, op d, etc. ,, empilas verticalement, Chaque filment se compose de plusieurs spires en fil de cuivre Isolé 35 enroulées de manière à conrtituer une pièce
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annulaire, Les extrémités opposées des fils de chaque éldment 34. sont dirigées vers l'extérieur de manière à former des épissures de
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façon que les I,ments adjacents dans le sens vertical puissent être relias en série comme en 6 pour constituer toute le bobine.
L'lment 34 peut être espace dans le sens axial et dans le sens radial. Des distanceursverticnux 37 (voir figure 1, ayant une section transversale en forme de T, répartis circonférentiellement à l'intérieur de chacune des bobines 3., 2 et il, Ecartent ra- dialement les bobines les unes des autres. Plusieurs distanceurs 33 sont clavel.-4.% sur choque distanceur axial 37. Ces di stancaura 38 peuvent clisser le long des d1stanceurs ,? et servent à séparer dans le sens vertical les sections adjacentes indépendantes, fans la plupart des constructions, ceux-ci ne sont pas nécessaires.
Ce- ci peut être rendu possible en utilisant un grand nombre d'enroule-
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ments de fin fil, L'espacement axial des sections et l'espaceMent radial des bobines établir sent plusieurs chemins de circulation pour
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l'air, le gaz, le fluide ou autres natibres de refroidissement,
Les booines entourent une pièce isolante cylindrique 50, comme un cylindre en fibre imprégné de matières phénoliques, la
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première bobine étant écartée du cylindre par plusieurs des diatan- ceurs précités. Des pièces d'extrémité 61 et 52 sont relises entre elles par des tringles 53 et t'appliquent contre les extrémités opposées du cylindre 50.
Les extraites opposées des tringles sont filetées de façon à recevoir des écrous oui portent contre des an- neaux supérieur et inférieur 54 et 55 respectivement. Ces anneaux sont en une matière isolante, telle que du contre-plaqué en une ma- tibre plastique comma des racines phénoliques ou des matières sem- blables, Le contre-plaqué portant la marque "Permali", qui est un contre-plaqué de haute qualité destiné aux appareils électriques, convient bien.
Les pièces 51 et 52 consistent en une pairede disques en toile de fibre 56 et 57, 58 et 59, les disques de chaque paire étant maintenus écartés par des croisillons centraux respectifs 60, 61, Chaque croisillon se compose d'un moyeu central et de plusieurs croisillons proprement dits y fixés et diriges radialeaent vers l'extérieur. Les croisillons constituent un moyen de connexion élec- trique pour mettre les bobines concentriques en parallèle et sortent des boulons 62 et 63 constituant l'un une borne de ligne et l'autre une borne de terre. Les disques de chaque paire sont réunis sur leur pourtour par des anneaux isolants 68 et 69 portant contre les extré. mités des croisillons.
Les conducteurs 64 et 65 des bobines sont éledtriquement relias aux croisillons correspondants 60 et 61. Les croisillons et les boulons-bornes sont, de préférence* en cuivre ou en une autre matière bonne conductrice de l'électricité.
Les disques en fibre sont métallisés pour constituer blin- dage, Dans le cas des réactances de très grande dimension,ces disques peuvent être constituas par plusieurs segments (voir figure 1) réunis, de préférence, au moyen d'un adhésif. L'anneau 68 comporte une lèvre supérieure au moyen de laquelle l'anneau peut reposer sur le bord supérieur du disque d'extraite. Des anneaux métalliques de réparti- tion du potentiel supérieur 71 et inférieur 72 sont attachas aux anneaux supérieur 68 et inférieur 69 respectivement;par des entre- toises 73.
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L'utilisation des croisillons d'extrémité log4o entre des blindage métallisés et d'anneauxda répartition du potentiel l.c. trique de grand diamètre entourant le tout, permet de prot.Ker l a extrémités des fil Ment $ de bobine contre le , gradients de potentiel
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41OV40.
Demie le forme d'exécution décrite c1.vant, chaque ment de bobine est enroula aparraent et est connecté 41*otriquftent wr la suite lors de l'assemblage des bobines, Ceci facilite le bobina- ge et la manipulation. Lorsque toutes les bobines concentriques sont assemblées, on attache les connexions aux croisillons d'extr4.- mita de façon à relier les bobines concentriques électriquement en
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parallèle.
La borne 62 est relî4e à la ligne par un conducteur flexible 75 ou un autre moyen approprié,
Les calculs des différents éléments de bobine et du bobi- nage entier (qui se compose de plusieurs bobines concentriques) sont basés sur la solution d'équations simultanées,
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Lorsqu'on calcule la réactonce de la 'présente invention, les enroulements dans chaque bobine doivent être agences de façon à satisfaire aux équations simultanées!
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1 Mr.nol1.1r1..
E, oit 1'-1
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* le nombre de bobines de la réactancej * * 1* Po lefoe,#P) ip 28 300040#Po r et à pouvant être égaux ou non; nr et ne * le nombre de spires des bobines r et a renat3.rament; mrs * la Jactance entre les bobines r et a (lorsque r ej self- Induction de la bobine) ir et is * courant destiné à circuler dans les bobine$ r et à res- tivement ! et E = la chute de tension calculée aux bornes de la réactance, Comme
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chaque bobine est connectée en parallèle, E est évidemment la mème dans toutes les équations de calcul.
Au début du calcul de la rape- tance, on fait une estimation raisonnable du nombre de conducteurs
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et de leurs dimensions, Le conducteur est, de préférence, de dimension standard et à faible capacité nominale en courant, afin de réduire les pertes au inimum, Ceci est souhaitable parce qu'il ne faut pas alors fauriquer de conducteurs spéciaux pour la construction des @ enroulements de la résc'ance, La dimension du conducteur détermine évidemment le courant maximum circulant dans une bobine déterminée et il en découle l'accroissement de température maximum de la réac- tance entre la marche à vide et la marche à pleine charge,
Il est évident que le diamètre de chaque bobine doit être plus grand nue la bobine côté intérieur à laquelle elle est- conti- guë, d'une quantité supérieure au diamètre du conducteur adjacent plus l'isolant, En outre, il est préférable de prendre le diamètre de la bobine un peu plus grand que ce minimum pour permettre la ci l'OU- Intion d'un agent de refroidissement.
Le pas d'enroulement ne peut pes être plus petit que la largeur plus l'isolant du conducteur dont se composa la bobine considérée, Ce pas peut être supérieur à cette valeur minimum de manière à éviter le nécessité d'isoler les conduc- teurs lorsque les bobines sont suffisamment écartées dans le sens radial,
Apres avoir déterminé la dimension de chaque conducteur, ce oui détermine son courant, chaque diamètre de bobine'et chaque pas d'enroulement, on calcule le nombre d'enroulements de chaoue bobine en utilisant l'équation ci-dessus et en cherchant la solution pour la ractance mutuelle et la self-induction. Ceci peut se faire par calcul manuel ou automatique.
Un exemple d'un calcul typique d'une réactance shunt construite suivant la présente invention est donné ci-après,
CALCUL D'UNE REACTANCE SHUNT.
Valeurs nominales ! : monophasé - 60 Hz - 22 mvar - 133.000 volts de chute de tension - 163 ampères, Enroulements : 9 couches concentrioues d'éléments de bobine @ disposées suivant le tapleau 1 ci-après,
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Tableau 1
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Fil de Nombre Epaisseur Lorutueux1 Diamètre
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<tb> Couche <SEP> cuivre <SEP> spires <SEP> de <SEP> radiale <SEP> axiale <SEP> moyen <SEP> d'une
<tb>
<tb> rond <SEP> sections <SEP> d'une <SEP> cou- <SEP> d'une <SEP> couche, <SEP> en
<tb>
<tb> che, <SEP> en <SEP> pou- <SEP> couche,en <SEP> pouces
<tb>
<tb> ces <SEP> pouces
<tb>
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1 10 AVO PU 60 0,7674 6R 4 ,'7 ? 9 AVO 19pi 5/k O,A4'4 6,7 s?,18 3 9 AWO 1716 48 Op8474 t ,68 16 4 8 ATO 16po AS 0#9142 61,9 à 5 8 AVO 158 A 44 " 60, 60,71 AVO 1569 5*î 1,002 ' 61,
67 6 7 A,,'Q 169 5'! 1,0302 ' 7,73 6,67 7 7 A',vt3 191 <î0 " 72,01 66,73 8 7 AV'G 1h 49 " 7?,?S 6,70
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<tb> 9 <SEP> 7 <SEP> AWG <SEP> 1459 <SEP> 49 <SEP> " <SEP> 70,46 <SEP> 72,85
<tb>
Entre les différentes couches, il y des canalisations axiales de refroidissement de 1/2 pouce qui sont maintenues par un
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certain nombre de dlstanceurs axiaux.
Entre les différentes sections de chaque couche, il y a des canalisations radiales d'une largeur
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d'environ 1/4 pouce maintenues par des distanceurs radiaux vissas ou autrement fixés aux distanceurs axiaux,
La longueur axiale de chaque couche donnée à la colonne 6 du tableau 1 doit être respectée et doit tre obtenue en rglar.t convenablement les largeurs des canalisations rndiales entre sections de chaque couche.
Les constructions de chaque section de chaque couche sont données au tableau ? ci-après: Tableau 2.
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<tb>
Section <SEP> transversale
<tb>
<tb> Spires <SEP> par <SEP> section <SEP> Dimension* <SEP> ries <SEP> sections
<tb>
<tb> en <SEP> pouces
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Radial <SEP> Axial
<tb>
<tb> Couche <SEP> (rangée) <SEP> (spires' <SEP> Total <SEP> Radial <SEP> Axial
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> 6 <SEP> 6 <SEP> 36 <SEP> 0,7674 <SEP> 0,8813
<tb>
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J? " " "0,8A'4 0,9688 tf n un " " "0,94' 1,07'!9 n M b " 30 1,oO' 1,1
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<tb> 7 <SEP> " <SEP> " <SEP> " <SEP> " <SEP> "
<tb>
<tb> 8 <SEP> " <SEP> " <SEP> " <SEP> " <SEP> "
<tb>
<tb> 9 <SEP> " <SEP> " <SEP> " <SEP> " <SEP> "
<tb>
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Il est à noter qu'il faut laisser tomber une spire dans certain sections des différent.. couches pour obtenir le nombre total de spires donné à la colonne 3 du tableau 1.
A titre d'exemple, la couche 3 demande 1716 spires. Cependant, il y a 48 sections de
36 pires par section, ce qui donne 36 x 48 = 1.728 spires. Il faut donc laisser tomber une spire dans 12 des 48 sections et répartir ces sections à 35 spire. uniformément sur toute la longueur de la couche.
Les dimensions de section données au tableau 2 peuvent être alarment obtenues avec un isolant au papier de 0,012 pouce sur le fil. Du jeu a été prévu pour un isolant supplémentaire autour de chaque section et les dimensions des sections données aux colonnes 5 et 6 du tableau ? en tiendront compte, :
Les caractéristiques de cette réactance sont les suivantes! poids de cuivre total : 12.343 livres.
Pertes par effet Joule à 75 C pour le courant et la fréquence nominaux : 57 Kw,
Dimensions hors tout: diamètre extérieur : 73,88 pouces
Longueur! 82,78 pouces (jusqu'aux croisillons seulement).
REVENDICATIONS.