Enroulement d'appareil électrique disposé de faon à obtenir une répartition favorable des surtensions. Dans les enroulements d'appareils électri ques, tels que les transformateurs qui ,sont reliés à une ligne de transmission électrique, le voltage existant entre les bornes d'un enroulement se répartit uniformément d'une extrémité de l'enroulement :à l'autre pour des conditions de fréquence et de voltage nor males -de l'installation. Cependant, dans cer taines conditions de l'installation, telles qu'elles sont provoquées par une -décharge ou la foudre sur la ligne de transmission, une surtension élevée peut se produire -et pénétrer dans l'enroulement du transformateur.
Dans les enroulements @de construction or dinaire, une surtension ne se distribuera pas immédiatement le long -de l'enroulement de manière à établir un gradient,de voltage uni forme, mais sa distribution initiale produira une concentration des efforts :de voltage éle vée sur les parties de l'enroulement les plus rapprochées. de la borne de la ligne. Lors qu'un voltage est soudainement imprimé aux bornes de l'enroulement, la répartition instan tanée de ce voltage sur l'enroulement est dé terminée par sa capacitance.
La capacitance de l'enroulement com prend l'ensemble des capacités en série et en parallèle existant sur toute la longueur de l'enroulement d'un bout à ,l'autre, renfermant la capacité de l'enroulement à la terre et la capacité d'une partie dé .l'enroulement à une autre. La charge,des différentes capacités aux potentiels respectifs correspondant au voltage de distribution initial le long de l'enroule ment est réalisée par le courant entre les ca pacités, qui ne passera pas le long -du con ducteur,de l'enroulement par une inductance, mais .seulement par le moyen d'autres capa cités en série.
Si la distribution de voltage initiale ainsi produite le long de l'enroulement n'a pas un gradient de voltage uniforme, des change ments subséquents et plus graduels se mani festeront pour établir une distribution uni- forme. Ces changements sont produits par des courants passant le long de l'enroulement en transmettant -des charges d'une capacité à une autre par l'inductance de l'enroulement. On sait qu'un pareil courant entre capacités par inductance donne lieu à des oscillations, avec des valeurs de voltage alternatif au-dessus et au-dessous des valeurs correspondant à un b adient de voltage uniforme.
L'amplitude des oscillations correspondra, initialement < i, la. différence entre ,la distribution de voltage initiale et la distribution de voltage finale à gradient de voltage uniforme. Ces oscillations créent -des efforts de voltage successifs entre des parties adjacentes de l'enroulement et entre l'enroulement et la. terre.
Cette distri bution de voltage initiale dangereuse et les oscillations qui en résultent ne se produiront cependant pas si la distribution de voltage initiale, due à la capacitance, est uniforme par rapport ,aux spires de l'enroulement, c'est-à-dire si la capacitance associée à. l'indue- tance d'un enroulement est répartie de telle manière que la gradient potentiel qui serait produit par la capacitance seule soit le même que celui qui serait produit par l'inductance seule.
Les efforts de voltage initiaux et les oscillations résultant de la. distribution de voltage initiale seront grandement réduits si les capacités de spire en spire sont augmen- tées de telle sorte que le gradient de potentiel produit par la capacitance seule est plus près de celui qui serait produit par l'inductance seule.
Le problème d'isoler les conducteurs et les spires d'un enroulement de transformateur pour leur permettre .de résister à des surten sions est un des plus difficiles, parce que, dans la. construction usuelle de ces parties, les conducteurs sont tellement petits que des moyens satisfaisants pour l'application d'une isolation suffisante pour résister aux effort de voltage ne sont guère disponibles. Si un matériel d'isolation suffisant est appliqué aux conducteurs, le facteur "espace" entre les conducteurs deviendra tellement grand qu'il affecte l'efficacité de la. construction.
Il est, par suite, désirable de prévoir des moyens pour diminuer les efforts de voltage entre le: différentes parties de l'enroulement qui sonl sollicitées par la concentration de surtension pour réaliser une construction plus efficace Cette concentration de surtensions est particulièrement susceptible de se manifester dans le cas de transformateurs du type à noyau où des piles d'un nombre relativement grand de spires individuelles sont employées.
les spires séparées étant relativement serrée# de façon que la. capacité entre spires est petite par rapport â, la capacité entre les spires sé parées et la terre. La distribution de voltage impropre qui en résulte occasionne des efforts de voltage élevés entre les spires de l'enrou lement, particulièrement celles adjacent à, l'extrémité de l'enroulement. et exige, par suite, de brandes distances entre les spires pour créer la solidité isolante nécessaire.
La présente invention a pour objet un enroulement d'appareil électrique disposé de façon à, obtenir une répartition favorable des surtensions.
Cet enroulement est caractérisé en ce qu'il est, divisé en plusieurs sections dont chacune comporte une pluralité de galettes de spires espacées les unes (les autres dans une pile le long d'un axe commun, le parcours du courant comrnença.nt à, la. galette de spires de la. pre mière section qui est la plus éloignée de l'extré mité de la pile de spires de l'enroulement et se continuant par une séquence passant à tra vers les différentes spires des autres galettes de spires de la.
mémé section qui occupent chacune la même position par rapport à l'axe des spires et (le manière à alterner d'une extrémité de la section à l'autre en spires de diamètres changeant graduellement.
Le dessin schématique annexé représente, à titre d'exemple, plusieurs formes d exécu tion de l'objet de l'invention, en application à. un transformateur électrique.
La fi-. 1 montre un fragment d'un trans formateur de construction habituelle; La fig. '3 montre l'ensemble des capacités de l'enroulement î i, élevé de ce trans formateur; La fig. 3 donne un diagramme de courbes montrant la distribution initiale de surten sions :dans l'enroulement à voltage élevé de la fig. 1 et dans un enroulement de transfor mateur établi suivant l'invention; La fig. 4 montre, partie en élévation, partie en coupe, une disposition des spires d'enroulement suivant l'invention;
La fig. 5 est une vue en plan -d'un enrou lement d!u genre de -celui de la fig. 4; La fig. 6 en est une coupe verticale mon trant les -connexions :d'entrecroisement du con ducteur entre les différents niveaux de spires de l'enroulement; La fig. 7 montre un diagramme des con- nexions-d'un conducteur,dans quatre sections d'un enroulement -de transformateur établi suivant l'invention.
La fig. 8 montre en coupe, à plus grande échelle un enroulement de transformateur de ce genre.
La fig. 1 du ,dessin montre une partie -d'un transformateur de construction habituelle, comprenant une jambe de noyau en matière magnétique 31, entouré par l'enroulement cylindrique @à bas voltage 3,2 et par l'enrou lement à voltage élevé 33 consistant en une pile de bobines.
Cet enroulement 33 est relié entre un conducteur -de borne à voltage élevé 41 à l'extrémité supérieure de la pile de bo bines -et la terre en 42 .à l'extrémité inférieure de la pile -de bobines. Les bobines sont repré sentées reliées par des conducteurs 43 reliant les extrémités de ,;début" de bobines alter- nautes ensemble et par des conducteurs 44 reliant les extrémités de "fin" de bobines alternantes ensemble.
L'ensemble des capacités représenté à la fig. 2 correspond -à peu près à la disposition ,des capacités entre les diverses parties de l'enroulement -et les parties adjacentes et entre les parties d'enroulement et la terre, les condensateurs 45 reliés en série entre les bornes 41 -et 42 correspondant sensiblement à la capacitance entre les bobines de l'enrou lement et les condensateurs 46 reliés entre des points répartis de la. série de condensateurs 45 et la terre correspondant à la capacitance entre les parties de l'enroulement et le noyau qui est au potentiel de .la terre, comme indi qué en 47.
Si une surtension est soudainement appli quée aux bornes ,de l'enroulement de la fig. 1, la distribution -de voltage initiale le long de l'enroulement sera> telle que montré par .la courbe 49 en fig. 3, où l'on voit .qu'une grande partie de voltage initial B est imprimée à une petite fraction de l'enroulement.
Par exemple, deux tiers du voltage initial imprimé à toute la pile :de spires se manifesteront aux deux premières couches de spires, ,de sorte qu'il sera nécessaire de prévoir une isolation ,suffisante entre ces spires pour résister à cette grande proportion de voltage total appliqué.
Dans les fig. 4, 7 et 8, l'enroulement est divisé en un certain nombre -de sections, cha cune comprenant un certain nombre de ga lettes d'e spires superposées. Pour plus -de simplicité, on a représenté quatre sections à trois galettes,de spires chacune, étant entendu toutefois que dans un transfarmateur à noyau une pile,
de galettes de spires comprenant plu sieurs fois ce nombre pourrait être employée.
En se référant particulièrement à la fig. 8, les chiffres inscrits dans les sections trans versales des conducteurs représentent le nu méro d'ordre des spires du conducteur dans ces sections.
Par exemple, -dans la section No 1, comprenant les trois; .galettes -de spires au sommet @de l'enroulement en fig. 8, la pre mière :spire de .conducteur est placée au bas des trois galettes, la seconde spire de conduc- teur est dans la galette du milieu au-dessus de la première spire et la troisième spire de conducteur est disposée au-dessus de la se conde dans la ,galette supérieure,
ces tros'. spires dans les trois galettes de ,spires ayant le même diamètre autour de l'axe -de l'enrou lement. Les trois spires suivantes 4, 5, 6 @de la section d'enroulement ont ,le même dia mètre entre elles et sont placées -dans les ga- lettes de dessus, du milieu et du bas, .autour des spires 3, 2, 1, respectivement. Le conduc teur est enroulé de manière à répéter cette séquence, les spires 7, 8 et 9 étant progressi vement les unes au-dessus -des autres et de même diamètre autour des spires 6, 5, 4 avec des spires 10,
11 et 12 du diamètre suivant plus grand -de la section étant progressive ment lune au-dessous de l'autre, cette sé quence se continuant jusqu'à l'extrémité exté rieure de la. section, pour renfermer la der nière spire ou spire finale 24 de la section.
Dans les différentes spires du conducteur de la section No 2, la, seconde section depuis le sommet ;de l'enroulement, la disposition est la même que celle -de la section No I , sauf que l'ordre vertical des spires est inversé, la sec tion No 1 étant au sommet au lieu d'être au bas de la section, et chaque groupe de, trois spires du même diamètres telles due 1, 2, 3, progressant dans le sens opposé vers en bas ou vers en haut depuis les trois spires corres pondantes de la section No 1, de sorte que la spire dernière au finale de la section No ' est au sommet -de la, couronne extérieure de la section adjacente à la spire 24 de la, section No 1.
Les sections Nos 3 et 4 sont disposées de la. même manière que les. sections Nos 1 et. 2, et si un enroulement comprend un nombre plus grand des sections que quatre, la dispo- sition de chaque section sera analogue à celle des sections Nos 1 et 2.
La borne 51 de l'enroulement est reliée à la, spire de borne 24 de la section No 1, et le conducteur continuera progressivement de la spire 24 à la spire 1 de la section No 1 et alors à la spire 1 de la section No 2, comme indiqué en 52, et puis progressivement. de la spire 1 à la spire terminale 24 de la. section No 2, cette spire étant reliée à. la spire ter minale 24 de la section No 3, comme montré en 53, et les spires terminales 1. des sections No 3 et No 4 étant reliées ensemble en 54 avec la spire terminale 24 .de la section NI) 4 étant reliées à l'autre conducteur terminal 55 de l'enroulement.
On notera qu'avec cette dis position des spires de l'ensemble de l'enrou lement, un espace ou intervalle sensible 56 pour :des buts d'isolation devra être prévu entre les différentes sections, attendu que les spires terminales 24 ont une différence de po tentiel correspondant au potentiel entre deux sections @de l'enroulement, en série.
On notera aussi que les intervalles 57 entre les diffé rentes galettes de spires d'une section peu vent être très petits, étant donné qu'à cet effet il faut seulement assez de place pour le passage d'huile de refroidissement, attendu que les efforts de - voltage entre différentes parties de galettes de spires adjacentes cor respondent seulement au voltage entre des spires d'enroulement adjacentes, comme par exemple les spires 2 et 3, les spires 4 et 5, les spires 8 et 9, etc.
Cela donne lieu à, une réduction de l'espace reqrtis sur la longueur de la colonne ou pile de sections de spires pour l'isolation et le refroidissement des spires de l'enroulement, et la disposition des spires individuelles à l'intérieur de la section fait .que la.
capacité entre des sections d'en roulement est plus grande que la capacité entre les spires également espacées d'un enrou lement du genre représenté en fig. 1, de sorte que dans un ensemble de capacités de l'enrou lement du type représenté en fig. 2, les capa cités en série entre des sections ou spires d'en roulement sont bien plus grandes que dans le cas où les différentes spires de l'enroule ment progressent en séquence dans toute l'étendue d'une galette de spires, comme dans le type d'enroulement habituel.
En se référant aux fi.-. 5 et 6, les ga lettes de spires séparées sont espacées par des éléments d'espacement 61, 62. 63, 64, 65 et 66, qui se répètent dans chaque espace entre des galettes de spires adjacentes et les entre croisements entre les galettes dune section peuvent être faits entre deux de ces éléments d'espacement, comme clans l'arc entre les. espa- eeurs 62, 63 (fi-. 6), la connexion d'entre croisement entre la spire 3 et la spire 2 de <B>la</B> section supérieure étant montrée en 67. la connexion d'entrecroisement entre la.
spire et la spire 1 étant montrée en 68, et la con nexion d'entrecroisement entre les deux sec tions étant représentée en 52, les connexions d"eutrecroisement correspondantes se répétant en 67 et 68 dans<B>la</B> section inférieure des deux sections représentées en fig. 6.
Dans la fi* 7, la, séquence de connexion des spires est représentée de manière schéma- tique, les connexions entre les spires d'enrou lement représentées illustrant le circuit élec trique établi par l'enroulement.
On notera, en -se référant à la fig. d, que le voltage. A en travers de la portion indiquée de l'enroulement perfectionnée -est à peu près la moitié du voltage B en travers d'une por tion correspondante de l'enroulement habituel de la fi.g. 1. La forme de la courbe 50 peut varier avec un espacement différent des par ties en dépendance du degré de rapprochement de la distribution de voltage initiale d'un gra dient -de voltage rectiligne.
Winding of electrical apparatus arranged so as to obtain a favorable distribution of overvoltages. In the windings of electrical devices, such as transformers which are connected to an electric transmission line, the voltage existing between the terminals of a winding is distributed evenly from one end of the winding: to the other for normal frequency and voltage conditions of the installation. However, under certain installation conditions, such as caused by discharge or lightning on the transmission line, a high overvoltage may occur and penetrate the transformer winding.
In windings of ordinary construction, an overvoltage will not immediately distribute itself along the winding so as to establish a gradient, of uniform voltage, but its initial distribution will produce a concentration of the forces: of high voltage on the parts of the winding closest to each other. of the line terminal. When a voltage is suddenly printed across the winding, the instantaneous distribution of that voltage across the winding is determined by its capacitance.
The winding capacitance comprises all of the series and parallel capacitances existing along the entire length of the winding end to end, enclosing the capacitance of the winding to earth and the capacitance. from one part of the winding to another. The charging of the different capacitors at the respective potentials corresponding to the initial distribution voltage along the winding is carried out by the current between the capacitors, which will not pass along the conductor, of the winding through an inductor. , but. only by means of other capacities quoted in series.
If the initial voltage distribution so produced along the winding does not have a uniform voltage gradient, subsequent and more gradual changes will occur to establish a uniform distribution. These changes are produced by currents flowing along the winding transmitting charges from one capacitor to another through the inductance of the winding. We know that such a current between capacitors by inductance gives rise to oscillations, with values of alternating voltage above and below the values corresponding to a b adient of uniform voltage.
The amplitude of the oscillations will correspond, initially <i, la. difference between, the initial voltage distribution and the final voltage distribution at uniform voltage gradient. These oscillations create successive voltage forces between adjacent parts of the winding and between the winding and the. Earth.
This dangerous initial voltage distribution and the resulting oscillations, however, will not occur if the initial voltage distribution, due to capacitance, is uniform with respect to the turns of the winding, i.e. if the capacitance associated with. the inductance of a winding is distributed in such a way that the potential gradient which would be produced by the capacitance alone is the same as that which would be produced by the inductance alone.
The initial voltage forces and the oscillations resulting from the. The initial voltage distribution will be greatly reduced if the turn-to-turn capacitances are increased such that the potential gradient produced by the capacitance alone is closer to that which would be produced by the inductor alone.
The problem of insulating the conductors and the turns of a transformer winding to enable them to withstand overvoltages is one of the most difficult, because in the. The usual construction of these parts, the conductors are so small that satisfactory means for the application of sufficient insulation to withstand voltage stresses are scarcely available. If sufficient insulation material is applied to the conductors, the "gap" factor between the conductors will become so large that it affects the efficiency of the. construction.
It is, therefore, desirable to provide means for reducing the voltage forces between the: different parts of the winding which are stressed by the concentration of overvoltage in order to achieve a more efficient construction. This concentration of overvoltages is particularly likely to occur in the case of core type transformers where stacks of a relatively large number of individual turns are employed.
the separate turns being relatively tight # so that the. The capacity between turns is small compared to the capacity between the separate turns and the earth. The resulting improper voltage distribution causes high voltage stresses between the turns of the winding, particularly those adjacent to the end of the winding. and therefore requires large distances between the turns to create the necessary insulating strength.
The present invention relates to a winding of an electrical device arranged so as to obtain a favorable distribution of the overvoltages.
This winding is characterized in that it is, divided into several sections, each of which comprises a plurality of wafers of spaced turns (the others in a stack along a common axis, the course of the current starting at, the. wafer of turns of the first section which is furthest from the end of the stack of turns of the winding and continuing in a sequence passing through the various turns of the other wafers of turns of the winding. .
same section which each occupy the same position with respect to the axis of the turns and (the way to alternate from one end of the section to the other in turns of gradually changing diameters.
The accompanying schematic drawing shows, by way of example, several embodiments of the object of the invention, in application to. an electrical transformer.
The fi-. 1 shows a fragment of a transformer of usual construction; Fig. '3 shows all the capacitances of the high winding i i of this transformer; Fig. 3 gives a curve diagram showing the initial distribution of surges: in the high voltage winding of fig. 1 and in a transformer winding established according to the invention; Fig. 4 shows, partly in elevation, partly in section, an arrangement of the winding turns according to the invention;
Fig. 5 is a plan view of a winding of the kind of FIG. 4; Fig. 6 is a vertical section showing the -connections: of the conductor interweaving between the different levels of turns of the winding; Fig. 7 shows a diagram of the connections of a conductor, in four sections of a transformer winding established according to the invention.
Fig. 8 shows in section, on a larger scale, a transformer winding of this kind.
Fig. 1 of the drawing shows part of a transformer of usual construction, comprising a core leg of magnetic material 31, surrounded by the low voltage cylindrical winding 3.2 and by the high voltage winding 33 consisting into a stack of coils.
This winding 33 is connected between a high voltage terminal conductor 41 at the upper end of the coil stack -and the earth at 42 at the lower end of the coil stack. The coils are shown connected by conductors 43 connecting the ends of the "start" of alternating coils together and by conductors 44 connecting the "end" ends of alternating coils together.
The set of capacities shown in fig. 2 corresponds-roughly to the arrangement of the capacitances between the various parts of the winding -and the adjacent parts and between the winding parts and the earth, the capacitors 45 connected in series between the terminals 41 -and 42 corresponding substantially to the capacitance between the coils of the winding and the capacitors 46 connected between distributed points of the. series of capacitors 45 and the earth corresponding to the capacitance between the parts of the winding and the core which is at the potential of the earth, as indicated in 47.
If an overvoltage is suddenly applied to the terminals, of the winding of fig. 1, the initial voltage distribution along the winding will be> as shown by curve 49 in fig. 3, where it is seen that a large part of the initial voltage B is imparted to a small fraction of the winding.
For example, two thirds of the initial voltage printed on the whole battery: turns will appear at the first two layers of turns, so that it will be necessary to provide sufficient insulation between these turns to withstand this large proportion of voltage total applied.
In fig. 4, 7 and 8, the winding is divided into a number of sections, each comprising a number of superimposed spiral ga lettes. For greater simplicity, four sections have been shown with three wafers, each with turns, it being understood, however, that in a core transformer, a battery,
of spiral pancakes comprising several times this number could be used.
With particular reference to FIG. 8, the numbers inscribed in the cross sections of the conductors represent the order number of the turns of the conductor in these sections.
For example, -in section No 1, including all three; .galettes -of turns at the top @of the winding in fig. 8, the first: conductor coil is placed at the bottom of the three wafers, the second conductor coil is in the middle wafer above the first coil and the third conductor coil is placed above the first coil. the conde in the, upper cake,
these tros'. turns in the three wafers, turns having the same diameter around the axis of the winding. The next three turns 4, 5, 6 @of the winding section have the same diameter between them and are placed -in the top, middle and bottom slots, around the turns 3, 2, 1, respectively. The conductor is wound so as to repeat this sequence, the turns 7, 8 and 9 being progressively one above the other and of the same diameter around the turns 6, 5, 4 with turns 10,
11 and 12 of the next larger diameter -of the section being progressively moon below the other, this sequence continuing to the outer end of the. section, to enclose the last turn or final turn 24 of the section.
In the different turns of the conductor of section No 2, the second section from the top of the winding, the arrangement is the same as that of section No I, except that the vertical order of the turns is reversed, section No 1 being at the top instead of being at the bottom of the section, and each group of, three turns of the same diameter such as 1, 2, 3, progressing in the opposite direction downwards or upwards from the three corresponding turns of section No 1, so that the last turn at the end of section No 'is at the top of the, outer crown of the section adjacent to turn 24 of section No 1.
Sections Nos. 3 and 4 are arranged from the. same way as the. Sections Nos. 1 and. 2, and if a winding comprises a greater number of sections than four, the arrangement of each section will be similar to that of sections Nos. 1 and 2.
The terminal 51 of the winding is connected to the turn of terminal 24 of section No. 1, and the conductor will progressively continue from turn 24 to turn 1 of section No. 1 and then to turn 1 of section No. 2, as indicated at 52, and then gradually. from the turn 1 to the end turn 24 of the. section No 2, this coil being connected to. the end turn 24 of section No 3, as shown at 53, and the end turns 1.of sections No 3 and No 4 being connected together at 54 with the end turn 24 of section NI) 4 being connected to the other terminal conductor 55 of the winding.
It will be noted that with this arrangement of the turns of the whole of the winding, a space or significant interval 56 for: insulation purposes must be provided between the different sections, since the end turns 24 have a difference of potential corresponding to the potential between two sections of the winding, in series.
It will also be noted that the intervals 57 between the different wafers of turns of a section can be very small, given that for this purpose only enough space is needed for the passage of cooling oil, given that the forces - voltage between different parts of wafers of adjacent turns correspond only to the voltage between adjacent winding turns, such as for example turns 2 and 3, turns 4 and 5, turns 8 and 9, etc.
This results in, a reduction in the space required along the length of the column or stack of winding sections for the insulation and cooling of the winding turns, and the arrangement of the individual turns within the coil. section does .that the.
capacity between rolling sections is greater than the capacity between equally spaced turns of a winding of the kind shown in FIG. 1, so that in a set of capacities of the winding of the type shown in FIG. 2, the capacities quoted in series between sections or turns of rolling are much greater than in the case where the different turns of the winding progress in sequence over the whole extent of a wafer of turns, as in the usual type of winding.
With reference to fi.-. 5 and 6, the ga lettes of separate turns are spaced by spacers 61, 62. 63, 64, 65 and 66, which repeat in each space between wafers of adjacent turns and the between crossings between the wafers of one. section can be made between two of these spacers, such as the arch between them. spacers 62, 63 (fin. 6), the inter-crossing connection between turn 3 and turn 2 of <B> the </B> upper section being shown at 67. the intercross connection between .
turn and turn 1 being shown at 68, and the intersection connection between the two sections being shown at 52, the corresponding intersection connections repeating at 67 and 68 in <B> the </B> lower section of the two sections shown in Fig. 6.
In Fig. 7, the connection sequence of the turns is shown schematically, the connections between the winding turns shown illustrating the electrical circuit established by the winding.
It will be noted, with reference to FIG. d, that the voltage. Across the indicated portion of the improved winding - is about half the voltage B across a corresponding portion of the usual fi.g winding. 1. The shape of the curve 50 may vary with different part spacing depending on how close the initial voltage distribution of a rectilinear voltage gradient is.