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Appareil d'induction à haute tension
Cotte invention concerne un appareillage d'in- duction à hauto tension et plus particulièrement des trans- formatours et dos bobinas do réactance qui emploient un noyau isolant..
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La demande toujours croissante pour plus d'énorgie , électrique et pour une énergie électrique moins chère se heurte à des prcblèmos techniques et esthétiques croissants concernant le désir do garder l'attrait des zones habi- tées. Pour faire face à co besoin permanent de plus d'éner- gie électrique sans implanter dans los cités et les zones suburbaines do nouveaux systèmes de transmission et de nouvelles centrales électriques, les compagnies productri- ces d'énergie électrique construisent actuellement dos centrales dans dos régions éloignées, situées près de. la source soit des grandes quantit6s de puissance hydraulique soit dos grands gisements de charbon.
On peut transmettre
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plus économiquement cotte énergie vers les centres chargés . on utilisant des lignes de transmission aériennes. Cepen- dant, du fait de l'accroissement do la densité de popula- tion et du désir de conserver les valeurs économiques et esthétiques de la région, il est do plus en plus difficile d'obtenir les droits de passage d'une voie. Ainsi, il est devenu nécessaire d'augmenter plusieurs fois la capacité do transmission d'énergie des lignes de transmission exis- tantes, et do prévoir encore d'autres accroissements de l'énergie dans le futur. Pour ces raisons et pour d'autres, l'industrie électrique so convertit rapidement aux très hautes tensions pour la transmission de l'énergie électri- que.
On considère comme étant de la très haute tension los tensions ligne à ligne dépassant 345 KV ; on a construit récemment des systèmes à 500 KV. et en a annoncé des projets pour construire des systèmes à 750 KV. Do telles hautes ten- sions permettent le transfert d'une plus grande énergie sur dos zones géographiques étendues. Cette évolution vers les hautes tensions est fondamentale pour faire face aux bosoinsr en énergie que l'on peut prévoir pour les doux prochaines décades. On utilisera également des intorconnexiens à très haute tension peur répondre aux demandes do pointe sur do grandes régions et pour améliorer la sécurité do fonctionne- ment de tout le système.
Bien qu'il y ait dos raisons économiques et tach- nologiques importantes pour l'utilisation de la très haute tension on a rencontré do sérieuses difficultés dans la con- ception de terminaux surs et d'équipement do ligne pour être utilisés à ces niveaux élevés de tensions. La simple extension des concepts do la technique antérieure à l'équi- pemont à très haute tension s'est montrée inadaptée et de nouveaux concopts dans l'équipement pour la traitement de l'énergie aux très hautes tensions sont clairement requis.
On a spécialement besoin de nouveaux transformateurs et do nouvelles bobines de réactance capables d'un comportement
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isolant sûr à cos très hautes tensions et caractérisés par une utilisation plus efficace do leurs matériaux ot de leur volume,
Sous sa forme la plus simple un transformateur consiste en doux bobines conductrices ayant une très fcrte inductance mutuelle. L'enroulement primaire est cette bo- bine qui reçoit l'énergie électrique et l'enroulement se- condaire est cette bobine qui fournit l'énergie induite à l'intérieur par les courants s'écoulant à travors l'enrou- lement primaire.
Dans la pratique courante les bobines sont enroulées sur un noyau de matériau magnétique. Dans les transformateurs à très haute tension la nécessité d'accroi- tre l'isolement entre los enroulements à haute tension et le ncyau mis à la masse affecte d'une façon défavorable les caractéristiques do fonctionnement, le cent et la sécurité de l'isolement de l'appareil.
De plus il est essentiel que les transformateurs construits pour fonctionner à très haute tension soient con- çus pour éviter ou supporter les forces grandement augmen- tées liées aux court-circuits, aux impulsions de tension, aux ccurants transitoires do commutation etc.
On a fait des essais peur résoudre ces problèmes avec des transformateurs conçus suivant les techniques existantes en accrcissant l'isolement requis et les dis- tancos do contournement. Cependant, il est devenu apparent que ces extensions classiques de la technique antérieure laissaient des problèmes sérieux ncn résolus dans le con- trtle do la distributicn du champ électrique et que l'ap- pareillage à très haute tcnsicn allait vers un volume exces- sif et vers des caractéristiques d'isolement incertaines.
Ce dilemme restait sans solution jusqu'à ce que la présente inventicn soit conçue. La présente inventicn ncn seulement r6scut ces problèmes mais fournit un nouveau transformateur à très haute tension d'une haute efficacité
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électrique et spatiale (vclumique), et capable d'offrir une conception sûre môme pour dos vcltages plus hauts que ceux envisages actuellement.
Les grands transformateurs à ncyau magnétique à courant alternatif, comme on les ccnnaissait dans la tech- nique existante sent des appareils pratiques et très effi- caces peur la transformation de la puissance dont la dispo- nibilité a rendu possible les systèmes modernes de puissan- ces à ccurant alternatif. Cependant, lorsqu'ils sont can- çus classiquement pour fonctionner aux très hautes tensions, envisagées par cette invention,le problème d'isolement de la tensicn que l'on peut résoudre aisément aux basses ten- sicns devient difficile et, à la limite, capable de culmi- ner en un claquage catastrophique.
L'invention a pour but de résoudre un tel prcblè- me d'isolement aux très hautes tensions mises en jeu ici.
Une bobine de réactance pour des systèmes élec- triques de puissance est essentiellement une bobine d'impé- dance à haute tension et à forte puissance utilisée comme un facteur do puissance élevée à charge inductivo, Ordinai- rement de tels appareils comprennent une bobine et un cir- cuit magnétique liés do façcn à dcnner une haute réactan- ce et une basse résistance. On utilise ordinairement los bcbines do réactance comme bcbines do réactance shunts sur les longues lignes peur fournir ou compenser le courant de charge de la ligne.
Avec l'avènement des très hautes ten- sions les bobines de réactance shunts prennent une impor- tance accrue, Par exemple dans les systèmes à très hautes tensicns les courants ddphas6s on avant peuvent provoquer dos tensicns excessives au bout d'une lcnguo ligne ldgèra- ment chargée. A moins do les prévenir, ces tensions exces- sives peuvent provoquer des instabilités et une défaillance dans l'appareillage d'extrémité de ligne. Des bobines de
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réactance shunts en bcut do ligne préviendraient de telles instabilités.
Los bobines do réactance connues de la technique antérieure étaient généralement soit du modèle blindé ain- si nommé cu du modèle à ncyau espacé. La bobine de réac- tanco du modèle blindé consiste on une bcbine à noyau à air entourée par un blindage magnétique alcrs que la mo- dèle à espacement ccmprenait une modification de colui-ci qui comprenait un noyau de fer dans la bobine qui était interrompue par dos sections d'un matériau rigide @ non- magnétique .
Dans le modèle à noyau blindé, les bobines do grand diamètre et à montage radial sont scumis à un fort flux de dispersion cc qui entraîne une fcrte porte par courant de Foucault. Dans le modèle à ncyau espacé la réluctance plus faible du circuit magnétique entraîna généralement des pertes d'enroulement plus faibles mais l'isolement de la tension entre l'enroulement et le noyau est rendu beaucoup plus difficile. On doit éviter la sa- turation du noyau do fer à la fois pour éviter les pertes et peur assurer une inductance constante sur tout l'inter- vallo de la tension de fonctionnement.
Avant la présente invention la conception dos bobines de réactance à très haute tension devenait pro- gressivement do plus en plus difficile quant à l'intensi- té d'isolement, la sécurité de fonctionnement, l'affran- chissement de l'effet couronne et du bruit radioélectri- que. On ne distinguait aucune solution nettement satis- faisante pour ces problèmes, spécialement pour l'inter- valle de la très haute tension.
Salon la présente invention on fournit un appa- rail d'induction à haute tension ayant au moins deux non- tants magnétiquement conducteurs et électriquement iso- lants dont les extrémités sont connectées magnétiquement
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l'une à'l'autre par des culasses magnétiques afin de former au moins un circuit magnétique complet, lesdits montants étant faits de sections à noyau magnétiques ayant des groupes de bobi- nes montées en série enroulées dessus et étant électriquement isolées l'une de l'autre au moyen de couches isolantes, carac- térisées par le fait que les surfaces des sections à noyau ma- gnétiques jouxtant aux couches isolantes (36, 106, 130,131) sont plates et essentiellement parallèles l'une à l'autre, et que la partie (38, 104A)
desdits montants est électriquement connec- t6e à l'extrémité haute tension de sortie desdites bobines mon- tées en série (38, 108) formant un groupe, alors que les dites culasses (31, 32, 100, 101) sont mises au potentiel de la masse.
La présente invention fournit non seulement un contrôle et une répartition excellente des potentiels de fonctionnement normaux en courant alternatif mais aussi une répartition excellente des impulsions de tension. L'invention conduit à des enroulements relativement compacts avec moins de spires et avec des pertes relativement basses grâce au flux de dispersion réduit. De plus, la présente invention tend à réduire à la fois le bruit acoustique et magnétostrictif.
L'invention,contribue aussi à éviter la saturation des éléments du noyau magnétique et rend ainsi possible une ré- sistance constante sur toute la gamme de tension et évite l'introduction d'harmoniques dans le courant réactif.
De plus, on peut obtenir des niveaux de bruit radio- fréquence faibles parce que la distrivution de la contrainte électrique est contrôlée convenablement par la présenta in- vention et parce qu'on peut maintenir toutes les pièces du système sous les seuils de formation de l'effot couronne.
De plus la présente invention fermât de maintenir au poten- tiel du sol la partis retour d circuit magnétique simplifiant ainsi le problème d'isolement et de support physique.
On obtient ces avantages et d'autres encore dans
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la prézente invention tout on réduisant simultanément los dimensions totales do l'unité requise et son prix. On réa- lise tous ces bénéfices à la fois dans les transformateurs et dans los bobines à réactance en utilisant, un concept do noyau isolant dans lequel los parties actives du circuit magnétique sont faites do sections isolées électriquement, chacun étant connecté électriquement à la bobine qui l'en- touro, afin de fournir une progression uniforme et systé- matique de la tension impcsée à la fois dans los parties actives du noyau magnétique et dans son circuit électrique associé.
Pour quo l'on puisse clairoment comprendre l'in- vention cn la décrira maintenant, au moyen d'un exemple, en se rappcrtant aux dessins d'accompagnement dans les- quels : ,
La fig. 1 représente une vue en coupe schématique d'un transformateur classique.
La fig. 2 représente une vue on coupe schématique d'un transformateur construit selon la présente invention.
La fig, 3 représente on détail une section du noyau isolé emplcyéedans la fig.2.
La fig. 4 représente on détail une tôle du noyau de la fig. 3.
La fig. 5 représente une vue on coupe de la dis- position dos bobines du transformateur et des noyaux on même temps quo les disques isolants.
La fig. 6A représente en coupe un disque isolant adapté peur être utilisé dans l'invention.
La fig. 6B représente une vue en coupe d'un dis- que isolant différent adapté pour être utilisé dans l'in- vention.
La fige 7 représenta l'invanticn utilisée comme un transformateur triphasé.
La fig. 8 représente uno vue en coupe d'un type
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de bobine do réactance fabriquée d'après les techniques antérieures.
La fig. 9 représente une vue on coupa d'un typo différent de bobine do réactance fabriquée d'après les techniques antérieures.
La fig. 10 représente une vue découpée d'une bobine de réactance construite selon la présente invention.
La fig, 11 représente une vue partiellement écla tée d'un élément do bobine do réactance de la fig. 10.
La fig. 12 est une vue do l'élément de la bobino do réactance do la fig, 10 prise le long des lignes 12-12,
La fig. 13 est un détail do la vue de l'élément de la bobine do réactance de la fig. 12 prise le long des lignes 13-13.
La fig, 14 représenta d'autres détails do l'élé- mont de la bobina de réactance de la fig. 10.
La fig, 15 représente une vue supplémentaire de l'élément do la fig. 10.
La fig. 16 représente scus forme schématique uno connexion d'enroulement adaptée peur être utilisée dans l'invention.
La fig. 17 représente on détails l'interconnexion do l'enroulement roprésent6 sur la fig. 16.
La fig, 18 représente sous ferme schématique uno connexion d'enroulement différente adaptée peur être utili- sée dans l'invention.
La fig, 19 représente en détail l'interconnexion de l'enroulement do la fig. 18,
La fig. 20 représente une modification possible des jantes équipotentielles utilisées dans l'invention.
La fig. 21 illustre une autre réalisation de la présente invention.
La tige 1 montre on coupe un transformateur clas- sique comprenant un circuit magnétique 20 et deux bobinas
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22 et 23 conductrices de courant centenues dans un boftier 24. Dans un tel transformatour classique le circuit magné- tique 20 consiste ordinairement en un ncyau feuilleté formé creux de forme rectangulaire dans lequel on évite soignou- semant les entrofors transversaux nen-magnétiques.
Do tels transformateurs fonctionnent comme suit.
Un ccurant magn6tisant variant avec le temps dans la bobine primaire 22, connectée à uno source de puissance altarnati- va, produit un flux magnétique changeant d'une façon syn- chrone dans la circuit magnétique 20 qui à son tour induit une forceélectremagnétique dans la bobine secondaire 23. La puissance et le courant de charge fournis par la bobine 23 sont équilibrés par injection dans la bobine primaire 22 du courant et do la puissance d'entrée correspondants plus los pertes asseciées. Afin do diminuor los pertes RI2 les bobi- nos doivent être enroulées près du circuit magnétique.
Ce- pendant, la ccnductivité électrique et la grande masse du ncyau demande quo le circuit magnétique scit à la massa : ainsi il faut qu'il y ait un isolement en tension approprié entre le noyau et los bobines. Comme les tensions do fonc- tionnement et los surtensions transitoires de ce typo d'ap- pareil sent augmentées, l'isolement requis doit aussi être sûrement augmente. Les bobines sent placées de plus on plus loin du noyau co qui s'accompagne par un accroissement des pertes d'enroulement.. On introduit dos barrières d'isolement pour contrôler la distribution du champ ot le transport des charges d'espace et des particules électrifiées. On doit accroître los distances d'isolement plus rapidement que la tension nominale.
Ces facteurs provoquent l'accroissement de la dimension à la fois des bobines et du noyau. et on plus de la dimension provoquont un accroissement du poids et des pertes do l'unité.
La présente invention rétablit l'harmonie entre le ncyau ot la bobine en les maintenant sensiblement au
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morne potentiel à tous moments indépendamment do la tension nominale de l'appareil. Cola ce fait on séparant la partie active ou partie qui porto l'enroulement du circuit magné- tique en éléments do noyau, en les montant on pila ou co- lcnno avec chaque élément du noyau électriquement isolé do son voisin par une ccucho adéquate mais relativement fine de diélectrique de très benne qualité, Chacun do cos élé- ments magnétiques isolés a très près do lui et auteur do lui une portion proportionnelle do l'enroulement total,
la point milieu ou quelqu*autre pcint pris sur cet enroule- ment local étant électriquement connecté à sa section de ncyau associée et établissant solidement son potentiel à tcus moments. De cette façon la pile do noyaux isolés suit do très près la distribution du potentiel de l'enroulement total associé et l'incompatibilité électrique de l'enrou- lement' et du noyau qui caractérise los modèles classiques de transformateur et de.bobine do réactance est presque totalement évitée.
On décrira maintenant une réalisation de la pré- sente invention on se reportant à la figure 2 qui ropré- sente un auto transformateur abaisseur monophasé consti- tuant une phase d'un système triphasé, capable de suppor- ter do très hautes tensions. Sur cette figure le circuit magnétique 30 comprend dux circuits do retour magnétiques 31 et 32 qui couplent deux montants segmentée 33 et 34 fermés d'une pilo de sections de noyau magnétiques 35 et 38 isolées électriquement l'une do l'autre par des disques isolants 36.
Entourant chaque montant il y a deux enroulements ccnduisant le ccurant. L'auto transformateur représenté consiste en quatre enroulements on série 41, 42, 43 et 44 et quatre enroulements communs 45, 46, 47 et-48. Les onrou- lamente en série 41 et 42 et les enroulements communs 45 et 46 sont montés sur le mcntant fragmenté 34 alors que les
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enroulements restant sent montés sur l'autre mo@@@@@ @@@@ monté 33, Chaque enroulement so compose de plusieurs bobi- nes 37 conduisant le courant qui entourent une section de noyau 35 et qui lui scnt électriquement connectées.
Un noyau central 38, sans bobine, est prévu dans chaque mcntant fragmenté peur séparer les enroulements on série et pour servir comme mcyon d'introduction do la haute tension aux enroulements en série. La haute tension alimen- ta les 4 enroulements séries-parallèles et les noyaux 38, par le câble à haute tension 39 qui ost connecté à une sour- ce de puissance alternative (non représentée).
La prise do sortie haute tension 40 est connectée à la jonction des enroulements séries et des enroulements communs. L'autre câble provenant do chaque enroulement com- mun est, à son tcur, connecté aa retcur magnétique la plus proche 31 ou 32,, et à la masse.
En se reportant aux figures 3 à 5 on décrira les détails de la forme préférentielle do construction. Chaque section de noyau est faite d'une multiplicité do feuillets magnétiques 50 rectangulaires et en acier au silicium com- prenant,plusieurs trous 51 par lesquels on peut assembler toutes les séries de feuillets fermant la section de ncyau.
Peur éviter la saturaticn magnétique sur los bords de la secticn de ncyau et peur améliorer la distribution du champ électrique los extrémités étroites 52 et 53 de chaque feuil- let peuvent avoir un profil taillé on biseau ou mis on fer- me. Après avoir assemblé las feuillets 50 on peut biseauter les ceins do chaque section de noyau et on peut profiler los bcrds 55 ot 56, par exemple on moulant peur obtenir un profil semblable aux extrémités 52 ot 53.
En varianto cn peut fermer les sections de ncyau 35 à partir d'une seule bande de matériau enroulé en spirale. Les dimensions réelles do chaque soction de ncyau dépendent de la.puissance utili- séc.
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Chaque bobine, comma la représenta la fig. 5, est enroulée près de sa section de noyau respective.
On pout former les bobines en doux parties 57 et 58 à partir de bandes isolées conductrices ot enroulées on spirale. Dans cotte réalisaticn la moitié de bobina 57 est enroulée dans un sons alors quo l'autre moitié de bobine 58 est enroulée dans l'autre sons, Los doux moitiés sont alors connectées électriquement l'une à l'autre et à la section de noyau adjacente par un conducteur apprcprié 59.
Les bcbines adjacentes sont jointes par un connecteur ap- propri6 60 peur former 1'enroulement total.
On prévoit un disque isolant 36 entre les paires bebine-neyau adjacentes de façon à isoler électriquement chaque paire bobina-noyau de la paire bobine-noyau qui lui est adjacent Un seccnd disque isolant 61 auquel est fixé un moyen 62 peur suppcrter un anneau 6quipotentiol 63 autcur des bobines est interposé entre les moitiés de bobines adjacentes Tcus les doux, la disque ot la moyen de support 62, peuvent être on n'importe quel matériau isolant adapté, Sur un tel matériau cn plaqua du papier imprégné de résine, cu dans le même genre, du pclyéthylène réticulé.
Pour empêcher que los irrégularités dos bobines no provcquont de fcrtos con- traintas électriques sur les disques 61 et une détériora- tien mécanique sur los disques 61, cn peut aménager autour do chaque paire do bobines 57 et 58 une barre d'espacement 65 de bcbino scmi-flexible.
La plupart dos difficultés roncontrées dans la technique antérieure on essayant de produira dos trans- formateurs à très haute tension sûrs gravitaient autour de la nécessité do séparer et d'isoler l'enroulement haute tensicn du noyau en fer mis à la masse à travers lequel passait le flux magnétique de travail.
La segmentation et l'isolement électrique de cha- que section de noyau des sections contigues résout le pro-
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blême d'isolement en tension parce que chaque sortion de noyau et sa bobine environnante sont au même potentiel et il n'exista pas entre eux de conflit dans la forced'iso- lement. Ainsi on évite le besoin d'avoir de grands espace- ments et un fort isolement entre les bobines et les ncyaux.
Cependant, l'introduction d'un isolement dans l'entrefer tend à augmenter la roluctanco du circuit magnétique qui tend à augmenter le bescin de puissance et de courant ma- . gnétisants élevés et simultanément permet un accroissement du flux magnétique de dispersion. L'acroissement du flux de dispersion entraîne,en charge,un accroissement de la chute de réactance.
On peut réduire la chute de réactance en four- nissant sur chaque mentant deux enroulements complets en parallèles de façon à ce qua pour une puissance totale de sortie donnée par montant le courant de charge par enroulement soit divisé en deux. Avec cet arrangement comme le représente la fig. 2 on obtient le plus haut niveau de tension au point milieu de chaque montant et une très petite partie seulement du circuit magnétique tctal est à ce haut pctentiel. Cet arrangement double approximative- ment la hauteur active du mentant du transformateur, ce- pendant on a trouvé que l'utilisation toube entière du noyau était réellement améliorée parce qu'une plus grande partie du noyau est effectivement utilisée peur l'enroulement.
De plus, chaque retour magnétique est maintenant à la masse et on peut le concevoir et le soutenir plus écono- miquement et plus effectivement. La construction de l'on- roulement et du noyau isolé déterminée par cette invention a d'autres avantages importants en cela qu'elle fournit un système de capacités en série qui assure une meilleure division de la tension de choc le long du noyau et dos colonnes d'enroulement. La meilleure division du choc se produit parce que la diposition bobine-noyau segmentée
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et isolée constitue une chaîne série de hautes capacités de valeur presque égale l'une par rapport à l'autre. Grâce à ce système de capacités en série les surtensions tran- sitoires seront réparties presque uniformément le long de toute la pile.
Donc, on a obtenu des caractéristiques d'i- solement améliorées.
En contrôlant avec une plus grande uniformité les contraintes électriques transitoires et normales on peut concevoir pour l'appareil un fonctionnement sous l'effet couronne grâce à cela on élimine le bruit radioélectrique et l'effet couronne. On notera que de préférence chaque bobine-noyau et isolant est identique mécaniquement et physiquement par la forme et la fonction à toute autre bobine-noyau et isolant. La fabrication en série de sous unités identiques réduit encore le coût et améliore la qualité.
L'isolant 36 sera moulé sous forme de disque avec de telles configurations sur sa surface extérieure qu'il réduise ou élimine le courant de fuite. Deux conceptions de ce genre sont représentées on coupe sur les fig. 6A et 6B.
Le disque de la fig, 6A comprend un disque plan de matériau isolant 70 qui est moulé de façon à ce qu'il ait un bord évasé 71 et est revêtu sur les deux faces par une couche conductrice d'un matériau 72 de résistivité moyenne. D'une façon typique ce revêtement 72 aura uno résistance R située entre 5000 et 50.000 ohms par quelconque unité de surface empêchant ainsi la formation do courants de Fou- cault excessifs sur ce revêtement. On moule alors un bourrelet 73 sur l'évasement 71 et sur les extrémités du revêtement 72. Le revêtement 72 avec entre ses deux faces le matériau isolant 70 fournit une capacité C, La constan- te de temps qui on résulte (RC) sera généralement do l'or- dro do 0,001 seconde.
La réalisation représentée sur la fia. 6B com-
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prend aussi un disque plan de matériau :Isolant. Sur cotte configuration cependant l'évasement 76 comprend tout autour do sa périphérie plusieurs cannelures 78 do façon à ce quo la surface augmente la longueur du trajet électrique entre les doux faces opposées du disque. Le disque cet aussi revêtu d'un matériau 72 à forte résistivité.
Le revêtement 72 régulièrement conducteur est intimement on contact avec le diélectrique solide ot éta- blit une limite du champ électrique et empêche ainsi les irrégularités dans les feuillets dos noyaux de créer dos points de forte contrainte électrique. Le revêtement con- ducteur est conçu peur répartir uniformément le potentiel électrostatique sur tcuto la surface de l'isolant 36 et réduit d'une façon contrôlée la contrainte électrique sur les bords.
Dans certaines circonstances il serait souhaita- ble que l'isolant 36 soit en deux éléments, ur élément se- rait un disque central ayant la configuration représentée sur la fig 6A cu 6B. Les sections de noyau abouteraient cet élément. L'autre élément comprendrait un anneau concentri- que au disque pour isoler les bobines l'une de l'autre.
Cet anneau aurait une configuration en coupe telle que celles représentées sur les fig. 6A ou 6B. En construisant l'isc- lant 36 en deux éléments on obtiendrait comme résultat utile le fait de permettre aux bobines et aux noyaux do bouger indépendamment l'un de l'autre.
La disposition présente n'adapte également aux circuits triphasés. Une telle structure triphasée est re- présentée sur la fig. 7 et possède trois montants 80, 81,82 à ncyaux segmentés. Chaque montant possède la nombre né- cessaire do bobines et est interconnecté magnétiquement aux deux autres montants par les chemins 83 inférieur et supérieur do retour magnétique de forme triangulaire.
La présente invention peut également être utiliséo
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avantageusement comme bobine de réactance.
Les besoins en bobines do réactance shunts sont déterminés d'après la longueur do la ligne de transmission, sa char go, et le problème général do contrôle de la puis- sance réactive. Elles sont aussi très efficaces pour aider à limiter les surtensions transitoires. Dans de nombreux systèmes à très haute tension, les conditions do réserve do générateur ou les conditions do réserve commune seront telles qu'elles obligeront les lignes à être prêtes à en- trer en service la plupart du temps, Dans de tala cas, les bobinas do réactance shunts seront essentielles pour con- trtler los tensions dos systèmes.
Le cycle do charge journalier aboutira dgalemat à l'utilisation de la compensation réactive. Morne pendant la pleine charge, do nombreuses lignes peuvent nécessiter d'être connectées d'une façon permanente aux bobines do réactance à très haute tension. A faible charge, on aura besoin d'une compensation réactive supplémentaire lorsque la tension aux bornes augmente.
Los bobines de réactance construites suivant les techniques antérieures utiliscnt un blindage ainsi nommé ou culasse on forma do cadre. Les éléments de basa do telles bobinas do réactance construites suivant les techni- ques antérieures sont représentées sur la fig. 8. Une bobine 86 ayant la forme d'un cylindro croux est entourée par une culasse laminée en forme do cadre 87. La bobine possède un cablo à haute tension 84 à une de ses extrémités et un câble à basse tension85 à l'autre extrémité. Puisqu'une bonne construction oblige la culasse 87 à être à la masse, il est nécessaire quo l'extrémité à haute tension de la bobine soit isolée d'une façon adéquate de la culasse 87 à la fois à l'extrémité et sur le coté.
Simultanément, cn doit maintenir étroit cet espacement si l'on veut mainto- nir les lignes do flux dans une orientation préférentielle @
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c'est à dire parallèle à l'axe de la bobine. De telles con- ditions empêchent généralement d'utiliser cet appareil pour les très fortes tensions. Do plus, en calculant los bobines de réactance, on a trouvé que les volt-ampères (SI) nominaux sont proportionnels au produit ss v2 où : est la densité du flux magnétique dans la bcbine.
V est la volume occupe par la bobine .
Le (EI) nominal croit proportionnellement au carré de la densité de flux magnétique mais seulement directement avec le volume du champ magnétique. Donc il est préférable pour un appareil compact d'utiliser de grandes valeurs do la densité de flux magnétique ss
Le type de bobine do réactance blindée à noyau à air do la fig. 8 empoche d'utiliser de fortes valeurs de la densité du flux magnétique du fait de la forte réluc- tance du noyau à air de l'enroulement. Par conséquent, le volume V est important et la densité de flux /? est relati- voment basse. Egalement, la bobina a de grandes dimensions et sur certaines zones elle est exposée à pratiquement tou- te la valeur du champ magnétique.
Ces facteurs aboutissent à une bobine de réactance qui a do fortes portes résistives et de fortes pertes par courant do Fcucault dans la bcbine.
Dans une tentative faite pour éviter ces problèmes, 'en a essayé les bobines de réactance du type blindé à noyau espacé et du type à noyau à noyau espacé. La variante du type blindé à ncyau espacé est représentée sur la figure 9 et comprend un noyau de fer * interrompu 88 inséré au centre de la bobine 86. Ce noyau 88 est couplé magnétiquement à la culasse 87. On insère dos morceaux do matériau 89 do remplissage ncn magnétique et très rigide dans les in- terruptions du ncyau afin do maintenir les sections du noyau 79 espacées et liées entre elles. Ce modèle permet d'utiliser dos valeurs de /3 proches do celles qui provcque- raient la saturation de l'acier.
De là vient que le volume
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V est plus petit, Ce.modelé ne résout pas le problème d'iso- lement do la haute tensicn entre la bcbino et la culasao et ne donna pas ncn plus une bonne répartition des surtensions transitoires. Il on résulte qua toute l'unité devient d'une longueur indésirable quand on la conçoit pour servir en très haute tension. Cet accroissement on longueur ajoute bien sur, un pcids et une tailla considérables à l'unité.
La présente invontion évite la problème d'iso- lement spécialement lorsque le dispositif ost utilisé pour servir on très haute tension ot lorsqu'il fonctionne à de hautes valeurs de ss ce qui réduit le poids et los dimon- siens do la bcbine do réactance. La réduction on dimensions qui on résulte réduit non seulement le coût mais réduit également les pertes électriques et le bruit magn6tostric- tif inhérent. Do telles portos électriques sont seulement égales à la mcitié do celles des bobines de réactance clas- siques.
La présente structure permet de plus l'application de fcrcos do compressicn puissantes on direction du champ magnétique induit peur assurer la stabilité mécanique do l'assemblage et pour réduire le bruit acoustique.
Do plus l'invention réduit le flux de dispersion magnétique tout on fournissant une répartition amélicrée et unifcrmo do la tension dos chocs indésirables cu dos impulsions, et par ce moyen élimine les zcnos locales d'effet élevé do tension.
Généralement parlant ces avantages,d'autres encore et cos caractéristiques sont obtenus dans une bobine do réactanco on fournissant deux enroulements parallèles autour d'un circuit magnétique comprenant doux retours ma- gnétiquos couplés par dos montante à noyau magnétique isolant et couplant électriquement et progressivement los enroule- ments aux mcntants à nc,yau isolés pour fournir uno réparti- tion systématique et contrôlée do la tension appliquée le lcng des mcntants.
Une bobine de réactance construite selon la
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présente invention cet représentée en vue découpée sur la fig. 10. Cette bobine do réactance comprend un boîtier 90 ayant la forme d'un réservoir de ferme généralement cylin- drique, mente sur dos pattes 94 sur un support 95. Passant à travers la sommet du boîtier 90 vers sen intérieur il y a une berne de traversée haute tension 91 et une borne de traversée basse tension 92. Ces bernes do traversée peuvent âtre du type condensateur classique et sont adaptées méca- niquament, thermiquement et électriquement à l'élément do fcncticnnement 97 contenu dans la bottier 90.
Fixes sur los bords du réservoir 90 et possédant dos trous qui les connectent avec scn intérieur en trouve plusieurs radiateurs
93 à noyau croux s'étendant radialement. On prévoit dans la réservoir 90 un fluide 96 isolant adapté on quantité suffisante pour couvrir l'élément 97 et peur circuler par convection à travers les radiateurs 93. Cas ccurants do convection s'établissent dans le fluide par la châlour provenant do l'élément 97 lorsque la puissance lui est appliquée ils peuvent de plus être aidés par un pompage forcé du fluide. De plus cn prévoit dans le réservoir 1'/qui- pement assccié usuel (ncn représenté) qu'on trcuve norma- lement dans les bobines de réactance.
Cet équipement com- prend des thermomètres, des circuits d'alarmes, des dis- pcsitifs détendeurs de pressicn, dos lucarnes d'entrée et d'inspection, des valves de vidange etc.
L'aspect nouveau de toute bobine do réactance construite selon la présente invention réside essentiel- lement dans l'élément de fonctionnement 97 qui ont repré- santé plus on détail sur les Fige. 11, 12, 13, 14 ot 15.
Fondamentalement cet élément 97 comprend un cir- cuit magnétique ccmmo représenté sur los fige. 11, 12,13, 14 qui est composé do doux rotcurs magnétiques feuilletés
100 et 101 couplés ensemble par doux montants à noyau isolée
102 et 103. Chaque mentant à ncyau isolé comprend plusieurs
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sections do ncyau 104 isolées électriquement l'unede l'au- tre par des disques 106 et dos barros d'espacement 107.
Chaque section do ncyau est construite avec des bandes comme on l'a traité on so rapportant aux figs. 3 ot 4.
Chaque section do noyau 104 utilisée dans cette bobine do réactanco peut avcir des profils biseautés ou fermés sur tous les bords peur empêcher la saturation dans les ncyaux et pour permettre le fonctionnement du dispositif à une densité do flux cptimalo.
Chaque ncyau 104 excepte la ncyau central 104A de chaque mcntant ost entouré par une bobine 108 transmet- tant le courant, Ces bobines sent connectées électrique- ment l'une à l'autro et à la sacticn do noyau qu'elles entourent. Chaque paire noyau-bobine est électriquement isolée do la paire noyau-bobine adjacente par les clci- sons 106 et les barras d'cspacement 107. Ces cloiscns et ces barras d'espacoment aident da plus à positionner les noyaux ot les bobines en situation relative dans l'espace, Ces cloisons et ces barres d'espacement peuvent être fai- tes do tout matériau isolant adapté tels que les produits de papier feuilleté imprégné d'epoxy cu carton pressé.
Chaque cloison 106 peut, à son tour, être ente-urée par une jante 110 équipotentielle qui lorsqu'elle est connectée électriquement ot convenablement aux bobines et noyaux sur son autre face servira dans la répartition du chcc ou impulsicns do tension dans l'élément 97.
L'assemblage tctal est maintenu comprimé dans son ensemble par plusieurs tirants tel quo la tirant 98 qui passe par los colliers de fixation 99 adaptés fixés sur chaque retour magnétique 100, 101. Afin d'égaliser les forcescompressives appliquées à l'assemblage par ces tirants 98, uno bobine fictive 111 faite d'un matériau isolant convenable peut être prévue autour du ncyau con- tral 104A. Dans la plupart des réalisations on peut avan-
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tageusement éliminer le noyau central 104A et la bobine fictive 111. De plus en peut cbtenir l'égalisation en fabri- quant les barras d'espacement 107 en matériau élastique capable de permettre un mouvement latéral entre chaque bo- bine et son ncyau respectif.
Lorsqu'on place l'assemblage 97 dans le bottier 90 de façon à ce que le circuit magnétique soit parallèle à la base du réservoir les barres d'espacement 107 lui sont perpendiculaires et on prévoit un chemin 118 libre vertical entre ces barres d'espacement 107. Co chemin permet au flui- de isolant 96 do couler librement. La passage du fluide le lcng de ces chemins 118 refroidit et isole les bobines et los noyaux. Du fait des pertes inévitables dans l'assembla- ge, il se produit un échauffement de l'assemblage, Cette chaleur est transférée par conduction au fluide 96.
Lorsque le fluide qui sa trouve dans les chemins 118 devient suf- fisamment chaud il se produit des courants do convection dans le fluide de façcn à ce qu'il mente le lcng des che- mins 118 jusqu'au scmmet des radiateurs 93, en se refroi- dissant descende dans les radiateurs et ropénètre par le fcnd dans le réserveir. Ces courants de convection rofrci- dissent l'assemblage et le maintiennent à une température prédéterminable.
On a découvert cependant qu'avec la champ élec- trique intense rencontré lorsque l'unité est utilisée sous do très hautes tensions il peut se créer dans le fluide de longues chaînes d'hydrocarbures ccnductricas. L'existence de telles chaînes est nuisible à l'équipement et peut pro- vcquer des claquages électriques entre les parties de l'as- semblago et la réservoir 90. Pour empêcher cela on prévoit, des écrans isolants 125 en cartcn pressé ou autre matériau qui entourent l'extérieur de l'assemblage ccmme le montre la fig. 15.
Chaque bcbine 108 est connectée électriquement ncn
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seulement chaque bobine adjacente mais aussi à scn noyau respectif 103. Puisque ces ccnnexions peuvent âtre faites en série, en série-parallèle ou en parallèle, cn discutera brièvement do cola en se repcrtant aux figs. 16, 17, 18, 19, 20, Les figs 16 et 17 représentent les bobines 108 sur chaque ciciscn couplées électriquement aux bobines adjacentes do façon à fcurnir deux enroulements parallèles sur chaque mcntant à ncyau isolant co qui dcnne comme ré- sultat quatre enroulements parallèles au total, Comme repré- sente, la haute tension est intrcduito au point central de la combinaison par le cablo 109.
En introduisant la haute tensicn au centre de l'assemblage, en interconnec- tant chaque bobina à scn noyau adjacent comme le représente la fig. 17 tout on isolant chaque section de noyau de la section suivante dans la pile, en peut éliminer la culasso qui et la forme d'un cadre puisque le flux magnétique est ccnfin6 dans les rotcurs magnétiques 100 et 101 et dans les mcntants à ncyaux isolants 102 et 103. En éliminant la culasse et en connectant les bobines aux ncyaux on élimine également le problème d'isolant de tension qui existe dans la technique ancienne entre l'enroulemant et la culasse. La puissance basse tonsicn sort par le ccnduc- teur 105.
La bcbino de réactance à haute tension construi- te selon la présente invention a un poids plus faible et a des dimensions considérablement plus petites que les bcbines de réactance classiques do même tension et do puissance ncminalo égale à la moitié. Même plus important, sa sécurité de fonctionnoment pour l'isolement est,par inhérence,plus élevée.
Les figs. 18 et 19 représentent les bobines 105 sur chaque cloison connectées on série los unes aux autres.
On évite les difficultés associées uux dispositifs cons- truits suivant les techniques antérieures lcrsqu'ils étaient utilisés en haute tension et cn obtient une répartition pro-
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gressive, systématique et do préférence uniforme des poten- tiels la long do chaque montant à ncyau isolant depuis son' jcint milieu jusqu'à chaque retour magnétique. On obtient aussi cette répartition systématique de la tension scus des conditions do chcc grâce à l'excellente division de la ten- sien qui résulte dos grandes capacités inter-ncyau.
Il devra être entendu quo dans chaque cas le sens d'enroulement des bobines sur chaque disque devra être tel qu'il oblige le champ magnétique à parcourir une boucle fermée ccmme l'indique les flèches 114.
La fig. 20 représente une modification des bobi- nes 108, leur interconnection et la cloison. Là, chaque bobine 108 qui entoure chaque section de noyau 104 est di- visée en doux moitiés. Une moitié 119 est enroulée! dans un sens et l'autre moitié 120 est enroulée dans le sens cppcsé, Le noyau 104 est alors connecté au point central entre les deux moitiés de bobine. Chaque moitié de bobine est isclée de l'autre moitié. Do plus, la cloison 106 peut être une-structure feuilletée faite do doux feuillets de matériau isolant approprié 130 et 131 ayant une grille cen- ductrice 116 intercalée entre eux.
On utilise cette grille 116 peur diminuer les courants de Foucault. On peut utili- ser un tel disque intercalé avec chacune des configurations décrites ci-dessus y compris le transformateur. L'insertion do cette grille conductrice 116 agit de façcn à coupler d'une façcn capacitive chaque section de ncyau à sa section de ncyau adjacente peur améliorer do plus la tension de chcc et la réponse d'impulsion de l'unité.
La fig. 20 illustre encore une autre modification que l'on peut utiliser dans tous les dispositifs décrits ci-dessus. Dans cotte mcdification la jante équipotentielle 110 cet remplacée par un anneau hémisphérique englobant formé d'un matériau isolant ayant, déposé sur lui un revê- tement conducteur,
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Les écrans 125 représentés sur la fig, 15 sont façonnés de façon à se conformer approximativement aux lignes équipetentielles du champ électrique existant entre los jantes équipotentielles de chaque mentant à ncyau iso- lant.
Pour être sûr que toutes les chaînes d'hydrccarbones conducteurs engendrées sont cassées les écrans 125 sent remplis d'un nombre approprié de fouilles placées au ha- sard. On fournit un flux adéquat par une multiplicité d'orifices 127 percés dans chaque écran. La combinaison des orifices, de feuilles et des écrans crée une turbulon- ce substancielle dans le fluide ce qui empêche la forma- tion do chaînes ccnductrices nuisibles,
On notera qu'il est prévu une seule ouverture large 124 peur le cablo à haute tension 109.
On pout utiliser des ressorts do compression 128 au bout de chaque tirant 98 pour s'assurer qu'une tension constante s'applique en tous temps sur les montants à noyau isolants. On peut couvrir les tirants 98 avec un isolement cylindrique.
L'invention non seulement fournit une bobina de réactance améliorée capable de servir sous très haute ten- sion mais la fait en réalisant des économies importantes sur le poids ot la coût. La présente invention permet aussi do concevoir uno bobino do réactance do dimensions bien plus petites puisque toute la tension do fonctionnement est appliquée alors que chaque partie do l'enroulement no sup- porte que sa part proportionnelle do la tension totalo à la fois en régime normal et transitoire. De plus on con- nectant chaque section du noyau isolé aux enroulements on élimine la besoin d'un isolement considérable entre los bobinas et le noyau.
Ce couplage d'une section de noyau avec les bobinas qui l'entourent fait varier la tons ion uniformément la long de chaque montant de façon à ce quo le gradient du potentiel soit constant la long do chaque
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montant donnant ainsi une utilisation maximale de la longueur du montant afin de servir à l'isolement.
Puisque la section do noyau, la structure do la cloison et les bobines sont identiques l'unité so prête aux méthodes do production en masse et à l'économie do fabri- que.
La matériau de la cloison fcurnit un isolement électrique aussi bien qu'un suppcrt mécanique et il existe une grando capacité intor-cloison ce qui contribue à l'uni- formité de la répartition de la tension le long do chaque mentant sous un régime d'impulsions. Cela diminue l'impact sur l'unité des contraintes transitoires à haute tons ion.
L'utilisation d'un noyau isolant fournit des avan- tages additionnels en ce sons qu'elle fournit un contrôle précis de l'inductance. De plus, ce concept on permettant une application uniforme do l'intensité magnétisante en- toure tout le noyau isolant et réduit le flux de dispersion magnétique.
La configuration mécanique décrite fournit des avantages en ce sens que lorsque l'unité est montée hori- zontalement on peut la refroidir par des courants do convec- tion naturels tout en appliquant simultanément de grandes forces compressives à l'unité et de ce fait réduit à la foj.s le bruit accoustique et le bruit magnétcstrictif.
On peut adapter la bobino de réactance a un fonc- tionnement en triphasé en utilisant 3 montants dont chacun possède on scn centre un câble d'entrée haute tension.
Do plus encore ccmme représenté sur la fig. 21 le noyau profilé 104 peut être encastré dans un diélectrique 117 solide meule et qui à la forme d'un corps do bobine.
Los bobines sont alors enroulées sur le corps de bobine et les ccrps do bobine sent empilés peur former un montant à noyau isolant de l'unité. Si on la désire cn peut insérer la grille conductrice 116 de la fig. 20 entre chaque corps
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do bobine et la connecter à une ante équipotentielle en- tourant la surface do séparation do la jante.
Lorsqu'on utilise le mot bobine dans cette des- cripticn do l'invention chaque bobine peut se composer de plusieurs petites bobines, par exemple des bobines plates, ayant ou n'ayant pas leurs conducteurs placé dans un or- dre prédéterminé peur réduire en plus los pertes causées par les courants de Foucault passant dans les conducteurs.
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High voltage induction device
This invention relates to high voltage induction equipment and more particularly to transformers and reactance coils which employ an insulating core.
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The ever increasing demand for more energy, electricity and for cheaper electrical energy comes up against growing technical and aesthetic concerns about the desire to keep inhabited areas attractive. To meet the constant need for more electrical energy without implanting in cities and suburban areas new transmission systems and new power plants, the electric power companies are currently building power plants in their backs. remote areas, located near. the source either of large quantities of hydraulic power or of large coal deposits.
We can transmit
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more economically cost of energy to busy centers. using overhead transmission lines. However, with the increase in population density and the desire to maintain the economic and aesthetic values of the region, it is increasingly difficult to obtain rights of way for one track. Thus, it has become necessary to increase the power transmission capacity of existing transmission lines several times over, and to provide for further increases in power in the future. For these and other reasons, the electrical industry is rapidly converting to very high voltages for the transmission of electrical energy.
Line-to-line voltages exceeding 345 KV are considered to be very high voltage; 500 KV systems have recently been built. and announced plans to build 750 KV systems. Such high voltages allow the transfer of greater energy over large geographic areas. This trend towards high voltages is fundamental to cope with the energy needs that can be expected for the next few decades. Very high voltage intorconnects will also be used to meet peak demands over large areas and to improve the operational safety of the entire system.
Although there are important economic and tachnological reasons for the use of very high voltage, serious difficulties have been encountered in designing safe terminals and line equipment for use at these high levels. of tensions. Mere extension of prior art concepts to very high voltage equipment has been shown to be unsuitable and new concepts in equipment for processing very high voltage power are clearly required.
There is a special need for new transformers and new reactance coils capable of
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safe insulator at very high voltages and characterized by a more efficient use of their materials and their volume,
In its simplest form a transformer consists of soft conductive coils having a very high mutual inductance. The primary winding is this coil which receives the electrical energy and the secondary winding is this coil which supplies the energy induced inside by the currents flowing through the primary winding.
In current practice, the coils are wound on a core of magnetic material. In very high voltage transformers the need to increase the insulation between the high voltage windings and the earthed wire adversely affects the operating characteristics, strength and safety of the insulation. of the device.
In addition, it is essential that transformers constructed to operate at very high voltage are designed to avoid or withstand greatly increased forces associated with short circuits, voltage pulses, switching transients etc.
Trials have been made to solve these problems with transformers designed according to existing techniques by increasing the required isolation and bypass distances. However, it became apparent that these conventional extensions of the prior art left serious problems unresolved in the control of the distribution of the electric field and that the very high tcnsicn apparatus tended towards excessive volume and volume. towards uncertain isolation characteristics.
This dilemma remained unsolved until the present invention was conceived. The present invention only solves these problems but provides a new very high voltage transformer with high efficiency.
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electrical and spatial (vclumic), and capable of offering a safe design even for higher vcltages than those currently envisaged.
The large alternating current magnetic circuit transformers, as they were known in the existing art, are practical and very efficient apparatus for transforming power, the availability of which has made modern power systems possible. with alternating current. However, when they are conventionally designed to operate at very high voltages contemplated by this invention, the problem of voltage isolation which can be easily solved at low voltages becomes difficult and ultimately. capable of culminating in a catastrophic breakdown.
The object of the invention is to solve such a problem of isolation at the very high voltages involved here.
A reactance coil for electrical power systems is essentially a high voltage, high power impedance coil used as a high power factor at inductive load. Usually such devices include a coil and a coil. Magnetic circuits linked to provide high reactance and low resistance. Reactance stations are commonly used as shunt reactance stations on long lines to provide or compensate for the load current of the line.
With the advent of very high voltages the shunt reactance coils take on an increased importance, For example in very high voltage systems the forward phase currents can cause excessive voltage at the end of a low voltage line. ment loaded. Unless prevented, these excessive voltages can cause instabilities and failure in end-of-line equipment. Coils of
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reactance shunts at the end of the line would prevent such instabilities.
The reactance coils known from the prior art were generally either of the shielded model so called cu of the spaced ncyau model. The armored model's reactance coil consisted of an air-core coil surrounded by a magnetic shielding so that the spaced model included a modification of the coil which included an iron core in the coil which was interrupted by the coil. back sections of rigid @ non-magnetic material.
In the shielded core model, the large diameter, radial mounted coils are subjected to a strong dc dispersion flux which results in a sharp eddy current gate. In the spaced ncyau model the lower reluctance of the magnetic circuit generally resulted in lower winding losses, but isolating the voltage between the winding and the core is made much more difficult. The saturation of the iron core must be avoided both to avoid losses and to ensure constant inductance throughout the operating voltage range.
Before the present invention, the design of very high voltage reactance coils gradually became more and more difficult with regard to the insulation intensity, the operational safety, the avoidance of the corona effect and. radio noise. There was no clearly satisfactory solution to these problems, especially for the very high voltage range.
In accordance with the present invention there is provided a high voltage induction apparatus having at least two magnetically conductive and electrically insulating non- tants the ends of which are magnetically connected.
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one to the other by magnetic yokes to form at least one complete magnetic circuit, said posts being made of magnetic core sections having groups of coils connected in series wound thereon and being electrically isolated from each other. on the other by means of insulating layers, characterized in that the surfaces of the magnetic core sections adjoining the insulating layers (36, 106, 130, 131) are flat and essentially parallel to each other, and that part (38, 104A)
of said posts is electrically connected to the high voltage output end of said coils connected in series (38, 108) forming a group, while said yokes (31, 32, 100, 101) are put to the potential of. the mass.
The present invention provides not only excellent control and distribution of normal AC operating potentials but also excellent distribution of voltage pulses. The invention leads to relatively compact windings with fewer turns and with relatively low losses thanks to the reduced dispersion flux. In addition, the present invention tends to reduce both acoustic and magnetostrictive noise.
The invention also contributes to avoiding saturation of the elements of the magnetic core and thus makes possible a constant resistance over the entire voltage range and prevents the introduction of harmonics into the reactive current.
In addition, low levels of radio-frequency noise can be obtained because the distribution of electrical stress is properly controlled by the present invention and because all parts of the system can be kept below the thresholds for the formation of electrical stress. 'crown effot.
In addition, the present invention closes to keep the magnetic circuit return part at ground potential, thus simplifying the problem of isolation and physical support.
These advantages and more are obtained in
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the present invention while simultaneously reducing the overall dimensions of the required unit and its price. All of these benefits are achieved in both transformers and reactance coils by using an insulating core concept in which the active parts of the magnetic circuit are made of electrically isolated sections, each electrically connected to the coil which. surround, in order to provide a uniform and systematic progression of the impeded voltage both in the active parts of the magnetic core and in its associated electric circuit.
So that we can clearly understand the invention, we will now describe it, by means of an example, by referring to the accompanying drawings in which:,
Fig. 1 shows a schematic sectional view of a conventional transformer.
Fig. 2 shows a schematic sectional view of a transformer constructed according to the present invention.
Fig, 3 shows a detail of a section of the isolated nucleus emplcyéedans fig.2.
Fig. 4 shows a detail of a sheet of the core of FIG. 3.
Fig. 5 shows a sectional view of the arrangement of the coils of the transformer and the cores together with the insulating discs.
Fig. 6A shows in section an insulating disc suitable for use in the invention.
Fig. 6B shows a sectional view of a different insulating disc suitable for use in the invention.
Fig 7 represents the invanticn used as a three-phase transformer.
Fig. 8 shows a sectional view of a type
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Reactor coil manufactured according to prior art.
Fig. 9 shows a cutaway view of a different type of reactance coil made according to prior art.
Fig. 10 is a cut away view of a reactance coil constructed in accordance with the present invention.
Fig. 11 shows a partially exploded view of a reactance coil element of fig. 10.
Fig. 12 is a view of the element of the reactance coil of FIG. 10 taken along lines 12-12,
Fig. 13 is a detail of the view of the reactor coil element of FIG. 12 taken along lines 13-13.
Fig. 14 shows further details of the reactor coil assembly of fig. 10.
Fig. 15 shows a further view of the element of fig. 10.
Fig. 16 shows a schematic form of a winding connection suitable for use in the invention.
Fig. 17 shows in detail the interconnection of the winding presented in FIG. 16.
Fig. 18 is a schematic diagram of a different winding connection suitable for use in the invention.
Fig. 19 shows in detail the interconnection of the winding of fig. 18,
Fig. 20 represents a possible modification of the equipotential rims used in the invention.
Fig. 21 illustrates another embodiment of the present invention.
Stem 1 shows a conventional transformer comprising a magnetic circuit 20 and two coils being cut.
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22 and 23 current conductors centered in a box 24. In such a conventional transformer the magnetic circuit 20 usually consists of a hollow laminated ncyau formed of rectangular shape in which care is taken to avoid splitting the transverse nen-magnetic entrofors.
Such transformers operate as follows.
A time varying magnetizing current in the primary coil 22, connected to an alternating power source, produces a synchronously changing magnetic flux in the magnetic circuit 20 which in turn induces an electromagnetic force in the coil. secondary 23. The power and the load current supplied by the coil 23 are balanced by injection into the primary coil 22 of the corresponding input current and power plus los asseciés. In order to reduce the losses RI2 the coils must be wound close to the magnetic circuit.
However, the electrical conductivity and the great mass of the ncyau demand that the magnetic circuit scit the massa: thus there must be an appropriate voltage isolation between the core and the coils. As the operating voltages and the transient overvoltages of this type of device increase, the required insulation must also be surely increased. The coils are placed further or further away from the core, which is accompanied by an increase in winding losses. Isolation barriers are introduced to control the distribution of the field and the transport of space charges and particles. electrified. Insulation distances must be increased faster than the nominal voltage.
These factors cause the size of both the coils and the core to increase. and over size will cause increased weight and unit losses.
The present invention restores harmony between the coil and the coil by maintaining them substantially at the
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low potential at all times regardless of the rated voltage of the device. This is done by separating the active part or the part which carries the winding of the magnetic circuit into core elements, mounting them, piling or collating with each element of the core electrically isolated from its neighbor by a suitable but relatively fine dielectric of very good quality, Each of these insulated magnetic elements has very close to him and author of him a proportional portion of the total winding,
the midpoint or some other pcint taken from this local winding being electrically connected to its associated ncyau section and solidly establishing its potential at all times. In this way the stack of isolated cores closely follows the potential distribution of the associated total winding and the electrical incompatibility of the winding and the core which characterizes the classical models of transformer and reactance coil. is almost completely avoided.
An embodiment of the present invention will now be described with reference to FIG. 2 which represents a single-phase step-down autotransformer constituting one phase of a three-phase system, capable of withstanding very high voltages. In this figure the magnetic circuit 30 comprises two magnetic return circuits 31 and 32 which couple two segmented posts 33 and 34 closed by a pile of magnetic core sections 35 and 38 electrically isolated from each other by insulating discs. 36.
Surrounding each upright there are two windings circulating the current. The self-transformer shown consists of four windings one series 41, 42, 43 and 44 and four common windings 45, 46, 47 and-48. The series windings 41 and 42 and the common windings 45 and 46 are mounted on the fragmented unit 34 while the
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remaining windings felt mounted on the other mo @@@@@ @@@@ 33 mounted, so Each winding consists of several bobi- nes 37 conducting current surrounding a core section 35 and electrically connected thereto SCNT.
A central core 38, without a coil, is provided in each fragmented unit to separate the series windings and to serve as a mechanism for introducing high voltage to the series windings. The high voltage feeds the 4 series-parallel windings and the cores 38, through the high voltage cable 39 which is connected to an alternating power source (not shown).
The high voltage output socket 40 is connected to the junction of the series windings and the common windings. The other cable from each common coil is, at its core, connected to the nearest magnetic core 31 or 32, and to ground.
Referring to Figures 3 to 5, details of the preferred form of construction will be described. Each core section is made of a multiplicity of rectangular, silicon steel magnetic sheets 50 comprising several holes 51 through which all the series of sheets closing the cyau section can be assembled.
Fear of avoiding magnetic saturation on the edges of the cyau section and fear of improving the distribution of the electric field, the narrow ends 52 and 53 of each foil may have a bevelled or closed profile. After assembling las leaflets 50 the girdles of each core section can be bevelled and the bcrds 55 ot 56 can be profiled, for example by molding to obtain a similar profile at the ends 52 ot 53.
Alternatively, the sections of ncyau 35 can be closed from a single strip of spirally wound material. The actual dimensions of each ncyau soction depend on the power used.
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Each coil, as shown in fig. 5, is coiled near its respective core section.
The coils are formed into soft parts 57 and 58 from insulated conductive bands and wound in a spiral. In this production half of coil 57 is wound in one sound while the other half of coil 58 is wound in the other sound, the soft halves are then electrically connected to each other and to the core section. adjacent by a suitable conductor 59.
The adjacent bins are joined by a suitable connector 60 to form the total coil.
An insulating disc 36 is provided between the adjacent bebine-neyau pairs so as to electrically isolate each coil-core pair from the coil-core pair which is adjacent to it A seccnd insulating disc 61 to which a means 62 is attached to remove a 6quipotentiol ring 63 The rest of the coils is interposed between the halves of adjacent coils. The soft ones, the disc and the support means 62, can be any suitable insulating material, On such material cn paper impregnated with resin, cu in the same kind, crosslinked polyethylene.
To prevent the irregularities in the spools from causing electrical stress on the discs 61 and mechanical damage to the discs 61, each pair of coils 57 and 58 can be fitted with a bcbino spacer bar 65. scmi-flexible.
Most of the difficulties encountered in the prior art in attempting to produce safe very high voltage transformers revolved around the need to separate and isolate the high tensile winding from the grounded iron core through which passed. the magnetic work flow.
The segmentation and electrical isolation of each core section of the contiguous sections solves the pro-
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white in voltage isolation because each core output and its surrounding coil are at the same potential and there was no conflict in isolation force between them. This avoids the need for large spaces and strong insulation between the coils and the ncyaux.
However, the introduction of an insulation in the air gap tends to increase the roluctanco of the magnetic circuit which tends to increase the need for power and ma- current. High and simultaneously gneticizing allows an increased magnetic flux of dispersion. The increase in the flow of dispersion leads, under load, to an increase in the drop in reactance.
The drop in reactance can be reduced by providing two complete windings on each side in parallel so that for a given total output power per amount the load current per winding is halved. With this arrangement as shown in fig. 2 the highest voltage level is obtained at the midpoint of each post and only a very small part of the actual magnetic circuit is at this high pctential. This arrangement approximately doubles the active height of the transformer lying, however it has been found that the entire use of the core is actually improved because more of the core is actually used for winding.
In addition, each magnetic return is now grounded and can be designed and supported more economically and effectively. The construction of the on- roll and the insulated core determined by this invention has other important advantages in that it provides a system of series capacitors which assures a better division of the shock voltage along the core and back. winding columns. The best shock division occurs because the segmented coil-core arrangement
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and isolated constitutes a series chain of high capacities of almost equal value with respect to each other. Thanks to this series capacitor system, the transient overvoltages will be distributed almost uniformly along the entire cell.
Therefore, we have obtained significantly improved isolation characteristics.
By controlling the transient and normal electrical stresses with greater uniformity, it is possible to design the device to operate under the corona effect, thanks to this, the radioelectric noise and the corona effect are eliminated. It will be noted that preferably each coil-core and insulator is mechanically and physically identical in form and function to any other coil-core and insulator. Mass production of identical subunits further reduces cost and improves quality.
Insulator 36 will be molded into a disc form with such configurations on its outer surface as to reduce or eliminate leakage current. Two such designs are shown in cross section in FIGS. 6A and 6B.
The disc of FIG. 6A comprises a flat disc of insulating material 70 which is molded so that it has a flared edge 71 and is coated on both sides with a conductive layer of a material 72 of medium resistivity. Typically this coating 72 will have a resistance R of between 5000 and 50,000 ohms per any unit area thus preventing the formation of excessive eddy currents on this coating. A bead 73 is then molded on the flare 71 and on the ends of the coating 72. The coating 72 with between its two faces the insulating material 70 provides a capacitance C. The resulting time constant (RC) will generally be do the order 0.001 seconds.
The achievement shown on the fia. 6B com-
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also takes a plane disc of material: Insulator. In this configuration, however, the flare 76 comprises all around its periphery several grooves 78 so that the surface increases the length of the electrical path between the soft opposite faces of the disc. The disc is also coated with a material 72 with high resistivity.
The regularly conductive coating 72 is intimately in contact with the solid dielectric and establishes an electric field limit and thus prevents irregularities in the core sheets from creating points of high electrical stress. The conductive coating is designed to evenly distribute the electrostatic potential over the surface of the insulator 36 and in a controlled manner reduce the electrical stress at the edges.
In some circumstances it would be desirable for the insulator 36 to be in two parts, its part would be a central disc having the configuration shown in Fig. 6A or 6B. The core sections would butt this element. The other element would include a ring concentric with the disc to isolate the coils from each other.
This ring would have a sectional configuration such as those shown in FIGS. 6A or 6B. The useful result of constructing the slant 36 in two parts would be to allow the coils and cores to move independently of each other.
The present arrangement also does not adapt to three-phase circuits. Such a three-phase structure is shown in FIG. 7 and has three amounts 80, 81, 82 with segmented ncyaux. Each post has the necessary number of coils and is magnetically interconnected to the other two posts by the lower and upper triangular-shaped magnetic return paths 83.
The present invention can also be usedo
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advantageously as a reactance coil.
The shunt reactance coil requirements are determined from the length of the transmission line, its charge, and the general problem of reactive power control. They are also very effective in helping to limit transient surges. In many very high voltage systems, the generator reserve conditions or the common reserve conditions will be such as to force the lines to be ready for service most of the time. In this case, the coils Reactance shunts will be essential to control the voltages in the systems.
The daily load cycle will also result in the use of reactive compensation. Dull during full load, many lines may need to be permanently connected to the extra high voltage reactors. At low load, additional reactive compensation will be required when the terminal voltage increases.
Los reactance coils built according to the prior techniques using a so-called shielding or yoke were formed from a frame. The basic elements of such reactance coils constructed according to prior techniques are shown in fig. 8. A coil 86 in the form of a cylindro-croux is surrounded by a laminated yoke in the form of a frame 87. The coil has a high voltage cable 84 at one end and a low voltage cable 85 at the other end. . Since good construction requires the yoke 87 to be earthed, it is necessary that the high voltage end of the coil be adequately insulated from the yoke 87 both at the end and on the side. .
At the same time, this spacing must be kept close if the flow lines are to be maintained in a preferential orientation.
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that is to say parallel to the axis of the coil. Such conditions generally prevent this apparatus from being used for very high voltages. Moreover, by calculating the reactance coils, we have found that the nominal volt-amps (SI) are proportional to the product ss v2 where: is the density of the magnetic flux in the coil.
V is the volume occupied by the coil.
The nominal (EI) increases in proportion to the square of the magnetic flux density but only directly with the volume of the magnetic field. So it is preferable for a compact device to use large values of the magnetic flux density ss
The type of air-core shielded reactance coil shown in fig. 8 prevents the use of high values of the magnetic flux density due to the high reluctance of the air core of the winding. Therefore, the volume V is large and the flux density /? is relatively low. Also, the coil has large dimensions and in some areas it is exposed to almost the full magnitude of the magnetic field.
These factors result in a reactance coil which has strong resistive gates and high Fcault current losses in the coil.
In an attempt to avoid these problems, we have tried the spaced core shielded type and the spaced core type reactor coils. The spaced ncyau shielded type variant is shown in Figure 9 and includes an interrupted iron core 88 inserted into the center of coil 86. This core 88 is magnetically coupled to yoke 87. Pieces of material 89 are inserted. magnetic and very rigid filling in the interruptions of the nucleus in order to keep the sections of the core 79 spaced and linked together. This model allows the use of values of / 3 close to those which would cause saturation of the steel.
Hence the volume
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V is smaller. This model does not solve the problem of isolation of the high voltage between the bcbino and the culasao and does not give a good distribution of the transient overvoltages. As a result, the whole unit becomes of undesirable length when designed for very high voltage use. This increase in length, of course, adds considerable weight and size to the unit.
The present invention avoids the problem of isolation especially when the device is used to serve very high voltage or when operating at high values of ss which reduces the weight and the dimensions of the reactance vessel. The resulting reduction in size not only reduces cost but also reduces electrical losses and inherent magnetostrictive noise. Such electric ports are only equal to the mcity of those of conventional reactor coils.
The present structure further allows the application of powerful compression forces to the direction of the induced magnetic field to ensure mechanical stability of the assembly and to reduce acoustic noise.
In addition, the invention reduces the flux of magnetic dispersion while providing an improved and uniform distribution of the voltage to unwanted shocks or pulses, and thereby eliminates local areas of high voltage effect.
Generally speaking these advantages, still others and cos characteristics are obtained in a reactanco coil providing two parallel windings around a magnetic circuit comprising soft magnetic returns coupled by rising back with insulating magnetic core and electrically and progressively coupling los Insulated nc, yau component windings to provide a systematic and controlled distribution of the voltage applied to the components.
A reactance coil built according to
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present invention this shown in cutaway view in FIG. 10. This reactance coil comprises a housing 90 in the form of a generally cylindrical farm tank, lying on back legs 94 on a support 95. Passing through the top of the housing 90 inwardly there is a pole. high voltage bushing 91 and a low voltage bushing terminal 92. These bushings can be of the conventional capacitor type and are mechanically, thermally and electrically adapted to the fcncticnnement element 97 contained in the housing 90.
Fixed on the edges of the tank 90 and having back holes which connect them with interior scn finds several radiators
93 with croux core extending radially. Insulating fluid 96 is provided in the reservoir 90, adapted to an amount sufficient to cover the element 97 and to circulate by convection through the radiators 93. Curing cases of convection are established in the fluid by the heat coming from the element 97. when power is applied to it they can also be helped by forced pumping of the fluid. In addition, provision is made in the usual tank 1 / equipment (shown) which is normally trapped in the reactance coils.
This equipment includes thermometers, alarm circuits, pressure relief devices, inlet and inspection windows, drain valves etc.
The novel aspect of any reactance coil constructed in accordance with the present invention resides primarily in the operating element 97 which is shown in more detail on the Figs. 11, 12, 13, 14 ot 15.
Basically this element 97 comprises a ccmmo magnetic circuit shown in the fig. 11, 12,13, 14 which is composed of soft laminated magnetic rotors
100 and 101 coupled together by soft insulated core uprights
102 and 103. Each lying ncyau isolated includes several
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sections of cyau 104 electrically isolated from one another by discs 106 and spacer bars 107.
Each do ncyau section is constructed with bands as we have dealt with in relation to figs. 3 ot 4.
Each core section 104 used in this feedback coil can have bevelled or closed profiles on all edges to prevent saturation in the channels and to allow the device to operate at optimum flux density.
Each core 104 except the central core 104A of each core surrounded by a current transmitting coil 108. These coils are electrically connected to each other and to the core layer they surround. Each core-coil pair is electrically isolated from the adjacent core-coil pair by the clips 106 and spacing bars 107. These partitions and spacing bars further assist in positioning the cores and coils in relative position. In space, these partitions and spacer bars can be made of any suitable insulating material such as epoxy impregnated laminate paper products or pressed cardboard.
Each partition 106 may, in turn, be ente-urée by an equipotential rim 110 which when electrically connected ot suitably to the coils and cores on its other face will serve in the distribution of the chcc or pulses of voltage in the element 97 .
The tctal assembly is kept compressed as a whole by several tie rods such as the tie rod 98 which passes through the suitable fixing collars 99 fixed on each magnetic return 100, 101. In order to equalize the compressive forces applied to the assembly by these tie rods 98, a dummy coil 111 made of a suitable insulating material may be provided around the front panel 104A. In most embodiments, it is possible to
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Carefully eliminate the central core 104A and the dummy coil 111. Further, equalization can be achieved by fabricating the spacer bars 107 of resilient material capable of allowing lateral movement between each coil and its respective ncyau.
When the assembly 97 is placed in the casing 90 so that the magnetic circuit is parallel to the base of the tank, the spacer bars 107 are perpendicular to it and a free vertical path 118 is provided between these spacer bars 107. The path allows the insulating fluid 96 to flow freely. The passage of the fluid along these paths 118 cools and insulates the coils and the cores. Due to the inevitable losses in the assembly, heating of the assembly occurs. This heat is transferred by conduction to the fluid 96.
When the fluid in the paths 118 becomes hot enough, convection currents occur in the fluid so that it runs the length of the paths 118 to the edge of the radiators 93. The coolant goes down into the radiators and reopens through the fcnd into the reserve. These convection currents strengthen the assembly and maintain it at a predetermined temperature.
It has been discovered, however, that with the intense electric field encountered when the unit is used at very high voltages, long chains of inductive hydrocarbons can be created in the fluid. The existence of such chains is detrimental to the equipment and can cause electrical breakdowns between the parts of the assembly and the tank 90. To prevent this, insulating screens 125 of pressed cardboard or other material are provided. which surround the exterior of the assembly as shown in fig. 15.
Each bcbine 108 is electrically connected ncn
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only each adjacent coil but also to a respective core 103. Since these connections can be made in series, series-parallel or in parallel, we will briefly discuss this with reference to figs. 16, 17, 18, 19, 20, Figs 16 and 17 show the coils 108 on each side electrically coupled to the adjacent coils so as to provide two parallel windings on each side with the insulating material co which results in four parallel windings. in total, As shown, the high voltage is intrcduito at the central point of the combination by the cable 109.
By introducing the high tension in the center of the assembly, by interconnecting each coil with adjacent core as shown in fig. 17 while isolating each core section of the next section in the stack, can eliminate the yoke which and the shape of a frame since the magnetic flux is finite in the magnetic rotors 100 and 101 and in the insulating ring elements 102 and 103. By eliminating the yoke and connecting the coils to the ncyaux one also eliminates the voltage insulator problem which exists in the old art between the winding and the yoke. The low tonic power is output from driver 105.
The high voltage reactor vessel constructed according to the present invention is lighter in weight and has considerably smaller dimensions than conventional reactor vessels of the same voltage and minimum power equal to half. Even more importantly, its operational safety for isolation is inherently higher.
Figs. 18 and 19 show the coils 105 on each partition connected in series los to each other.
The difficulties associated with devices constructed according to the prior art are avoided when they were used at high voltage and a pro distribution is obtained.
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gressive, systematic, and preferably uniform in the potentials along each insulating upright from its midpoint to each magnetic return. This systematic distribution of the tension under the chcc conditions is also obtained by virtue of the excellent division of the tensian which results from the large interconnection capacities.
It should be understood that in each case the direction of winding of the coils on each disc should be such as to force the magnetic field to travel through a closed loop as indicated by arrows 114.
Fig. 20 shows a modification of the coils 108, their interconnection and the partition. There, each coil 108 which surrounds each section of core 104 is divided into soft halves. Half 119 is rolled up! in one direction and the other half 120 is wound in the same direction. Core 104 is then connected to the center point between the two coil halves. Each coil half is cut off from the other half. Additionally, the partition 106 may be a laminated structure made of soft sheets of suitable insulating material 130 and 131 having a centering grid 116 interposed therebetween.
This grid 116 is used in order to reduce the eddy currents. Such an interposed disc can be used with any of the configurations described above including the transformer. Insertion of this conductive grid 116 acts to capacitively couple each section of kyau to its adjacent ncyau section to further improve the chcc voltage and the impulse response of the unit.
Fig. 20 illustrates yet another modification which can be used in all of the devices described above. In this mcdification the equipotential rim 110 this replaced by a hemispherical encompassing ring formed of an insulating material having deposited on it a conductive coating,
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The screens 125 shown in FIG. 15 are shaped so as to conform approximately to the equipotential lines of the electric field existing between the equipotential rims of each insulating ring.
To be sure that all the chains of conductive hydrocarbons generated are broken the screens 125 are filled with an appropriate number of randomly placed digs. Adequate flow is provided by a multiplicity of orifices 127 drilled in each screen. The combination of the orifices, sheets and screens creates a substantial turbulence in the fluid which prevents the formation of harmful conduction chains,
It will be noted that a single wide opening 124 is provided for the high voltage cable 109.
Compression springs 128 can be used at the end of each tie rod 98 to ensure that constant tension is applied at all times to the insulating core posts. The tie rods 98 can be covered with a cylindrical insulation.
The invention not only provides an improved reactance coil capable of very high voltage service, but does so with significant savings in weight and cost. The present invention also makes it possible to design a reactance coil of much smaller dimensions since all of the operating voltage is applied while each part of the winding only supports its proportional part of the total voltage at a time in normal operation. and transient. In addition, connecting each section of the insulated core to the windings eliminates the need for considerable insulation between the coils and the core.
This coupling of a core section with the surrounding coils causes the ion tone to vary uniformly along each upright so that the potential gradient is constant along each upright.
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upright thus giving maximum use of the length of the upright in order to serve for isolation.
Since the core section, bulkhead structure and coils are identical, the unit is suitable for mass production methods and manufacturing economy.
The bulkhead material provides electrical insulation as well as mechanical support and there is a large internal bulkhead capacity which contributes to the uniformity of the voltage distribution along each lying under a regime of. impulses. This decreases the impact on the unit of transient stresses at high ion tones.
The use of an insulating core provides additional benefits in that it provides precise control of the inductance. In addition, this concept allows for a uniform application of the magnetizing intensity around the entire insulating core and reduces the magnetic dispersion flux.
The mechanical configuration described provides advantages in that when the unit is mounted horizontally it can be cooled by natural convection currents while simultaneously applying large compressive forces to the unit and thus reduced to the foj.s acoustic noise and magnetcstrictive noise.
The reactance coil can be adapted for three-phase operation by using 3 posts, each of which has a high voltage input cable in the center.
Do more still as shown in fig. 21 the profiled core 104 may be encased in a dielectric 117 which is solid and grinding in the form of a coil body.
The coils are then wound onto the coil body and the coil covers are stacked to form an insulating core post of the unit. If desired, the conductive grid 116 of FIG. 20 between each body
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do coil and connect it to an equipotential ante surrounding the separation surface of the rim.
When the word coil is used in this description of the invention each coil may consist of several small coils, for example flat coils, having or not having their conductors placed in a predetermined order which can be reduced to size. plus los losses caused by eddy currents passing through conductors.