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Transformator mit von Erde isoliertem Nullpunkt.
Die Erfindung betrifft Transformatoren, insbesondere Leistungstransformatoren, mit von Erde isoliertem Nullpunkt. Bei derartigen Transformatoren hat man bisher die Wicklungen vorzugsweise als Scheibenwicklung auf den Schenkeln so angeordnet, dass die Spannung längs den Schenkeln nach einem Ende zu annähernd proportional zunimmt. Dies hat jedoch den Nachteil, dass zwischen dem Nullpunkt der Hochspannungswieklung und dem Kern bzw. der Niederspannungswieklung die Phasenspannung und zwischen Kern bzw. Niederspannungswicklung und dem benachbarten Ende der Hochspannungswicklung die volle verkettete Spannung auftritt, und infolgedessen die Isolation der Hochspannungswicklung entsprechend stark bemessen werden muss.
Es ist auch, hauptsächtlich für Prüftransformatoren, bekannt, die Hochvoltwicklung aus einzelnen Röhrenwieklungen zusammenzusetzen. Hiebei pflegt aber die innerste, der Niederspannungswicklung benachbarte Röhrenspule, geerdet zu sein. Für Leistungstransformatoren hat man zwar auch mehrere konzentrisch ineinandergeordnete Röhrenspulen angewandt, doch nur als Schaltspulen in Verbindung mit einer Stammwicklung, die als Scheibenwieklung ausgeführt ist, deren Potential also ebenfalls längs den Schenkeln ansteigt und daher mit Rücksicht auf einen Erdschluss gegenüber der Niedervoltwicklung für die volle verkettete Spannung isoliert sein muss.
Dieser Nachteil wird gemäss der Erfindung dadurch vermieden, dass man für die Hochspannungwicklung einen lagenweisen Aufbau aus einzelnen zylindrischen Spulen vorsieht und dabei die der Niederspannungswicklung unmittelbar benachbarte und an den Nullpunkt angeschlossene Röhrenspule von der Niedervoltwicklung nur durch eine feste, aus saugfähigem Papier bestehende Isolation trennt. Bei diesem Wicklungsaufbau tritt im Erdschlussfalle zwischen der Niedervoltspule und der benachbarten Hochspannungswicklung auf der ganzen Schenkellänge bei einem Drehstromtransformator nur die Phasenspannung und bei einem Einphasentransformator mit einer auf zwei Schenkeln verteiltenWicklung nur die halbe Hochspannung auf, während im normalen Betrieb dazwischen nur die Spannung einer Lage besteht.
Man kommt also mit einer viel geringeren, nur für die Phasenspannung bzw. halbe Hochspannung bemessenen Isolation aus als es bei der bisherigen Bauart der Fall war. Ferner verhält sich die Anordnung besonders günstig gegen Überspannung, da die innerste Lage der Hochspannungswicklung gegenüber der benachbarten Niederspannungswicklung die Wirkung eines an den Nullpunkt angeschlossenen Kondensators besitzt. Hiebei ermöglicht die Verwendung von saugfähigem Paoier die Ausführung einer dünnen und trotzdem durchschlagsfesten Isolierschicht, welche zugleich in Anbetracht ihrer verhältnismässig hohen Dielektrizitätskonstante einen hohen Kapazitätswert ergibt.
Zwischen den einzelnen Lagen der Hochvoltwicklung ordnet man zweckmässigerweise Isolationsschichten aus saugfähigem Papier an, die zwischen den Enden zweier Lagen hervorstehen und weit ausladend winkelförmig abgebogen sind. Die Isolation schmiegt sich an der Biegung den Enden einer Lage an. Auf diese Weise ist es möglich, an diesen Stellen die Gefahr des Glimmens zu vermeiden oder wesentlich zu verringern. Da die Enden der auf der anderen Seite des Isolationszylinders befindlichen Spulen völlig frei liegen, so können an ihnen Glimmentladungen unter Umständen leicht auftreten. Um diese zu vermeiden, wird der Isolationszylinder an seinen Enden nicht nur nach der Wicklung höheren Potentials sondern auch nach der Wicklung niedrigen Potentials umgebogen, so dass auch deren Enden von Iso-
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lationsmaterial abgedeckt sind.
Die Herstellung eines solchen Isolierkörpers ist bei lagenweisem Aufbau des Isoliermaterials, beispielsweise aus saugfähigem Papier, besonders einfach. Man braucht nur die einzelnen Schichten an den Enden einzureissen und den einen Teil der so entstandenen Fahnen nach der Wicklung höheren Potentials und den andern Teil nach der Wicklung mit dem niedrigeren Potential umzulegen. Man erzielt ferner eine Ersparnis an Isolation, wenn man diese über die ganze Schenkellänge nicht gleich stark ausführt, sondern nur mit wachsender Spannungsdifferenz stärker werden lässt.
Damit die Hochspannungswicklung genügende mechanische Festigkeit, insbesondere gegenüber Kurzschüssen, besitzt, werden die einzelnen Lagen mit den darunter befindlichen Isolierschichten durch ein geeignetes Klebemittel verklebt.
Werden Anzapfungen vorgesehen, so dienen diese immer nur zum Zu-und Abschalten einer ganzen Lage. Man kann hiebei auch die zu verschiedenen Anzapfpunkten gehörenden Windungen in an sich bekannter Weise als eine über die ganze Schenkellänge verteilte mehrgängige Schraube gleichen Durchmessers ausführen. Vorzugsweise zapft man die der Niedervoltwicklung zunächst gelegenen Lagen an. um mit Rücksicht auf die Anzapfungen den Jochabstand nicht grösser machen zu brauchen als unbedingt nötig ist, kann man die Abstände zwischen den flanschförmigen Isolationsteilen ausserhalb des Kernfensters grösser ausführen als innerhalb desselben. Auf diese Weise wird ausreichender Platz für die Ableitungen gewonnen, ohne dass Kriech-und Überschlagswege an einer Stelle verringert zu werden brauchen.
Zweckmässig wird dabei der Joch querschnitt im Fenster nahezu kreisförmig abgestuft, so dass der hiedurch entstehende Raum für die Vergrösserung der Flanschabstände ausgenutzt werden kann. Die Enden der Isolationszylinder werden dann so abgebogen, dass der Flansch nicht in einer Ebene, sondern beispielsweise auf einer Zylinderfläche liegt.
Besondere Vorteile ergeben sich bei Verwendung von Aluminium als Wicklungsmaterial, da zwischen benachbarten Windungen der Hoehvoltwicklung nur verhältnismässig geringe Spannungsdifferenzen auftreten und als Windungsisolation ein Überzug der Leiter mit einer Aluminiumoxydsehieht in den meisten Fällen ausreicht. Weiterhin erhält man bei grösseren Leistungen eine bedeutende Ersparnis an Wicklungsmaterial und damit auch an Raum, wenn man mit Rücksicht auf die Streuung
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durch geeignete Mittel verringert.
Bei höheren Leistungen ist es schwierig eine genügende Wärmeabfuhr zu erzielen. Man ist daher genötigt, Ölkanäle vorzusehen. Damit nun die vorteilhafte kapazitive Wirkung nicht erheblich vermindert wird, ordnet man zweckmässig die Wicklungslagen paarweise beiderseits eines festen Isolier-
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kanal voneinander. Auf diese Weise behält man zugleich im wesentlichen die Vorzüge einer festen, zwischen zwei Wicklungen verschiedenen Potentials ohne Zwischenraum liegenden, homogenen Isolation bei, wobei es im Hinblick auf die zulässige Beanspruchung des Isoliermaterials von Vorteil ist, dass die ganze Spannung nicht auf. einen einzigen Isolierkörper entfällt, sondern sich auf mehrere Isolationsschichten verteilt.
Man erhält auf diese Weise nicht nur eine sehr überspannungsfeste, sondern auch eine sehr gedrungene Bauart, die erheblich kleiner ist, als wenn die Wicklungen durchwegs von flüssigen oder abwechselnd festen und flüssigen Isolierschichten getrennt sind.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die dem Kern 1 zunächstliegende
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schicht 2 aus saugfähigem Papier umgeben, die für die Phasenspannung bemessen ist und sich an dem Flanschteil 3 fortsetzt. Hierauf sind lagenweise die einzelnen Hochvoltspulen 21, 22, 23 gewickelt. Diese sind voneinander durch Isolationsschichten 41, 42 getrennt, die an einem Ende winkelförmig nach aussen abgebogen sind.
Der Aufbau der Isolationsschichten 41, 42 ist aus Fig. 2 deutlicher zu erkennen. Sie bestehen aus verschieden langen Lagen Papier, u. zw. ist aus fabrikatorischen Gründen die innere Lage am kürzesten und die äussere Lage am längsten ausgeführt, weil sich alsdann auf die letztere die nächstfolgende Hochvoltspule besser aufbringen lässt.
Fig. 3 zeigt eine beiderseitig abgebogene Isolation zwischen Hoch-und Niedervoltwicklung. H ist die Niedervoltwieklung bzw. eine Lage derselben. 21 ist eine Lage der Hochvoltwicklung. Beide Spulen besitzen an den Enden Abrundungskörper 4 und sind durch einen Isolationszylinder 2 aus geschichtetem Material, vorzugsweise aus saugfähigem Papier, voneinander getrennt. Die Enden des Isolationszylinders 2 sind'nach beiden Wicklungen zu winkelförmig abgebogen, indem sie schichtweise eingerissen und die so erhaltenen Fahnen einzeln und unter Überlappung durch die Fahnen der nächsten Schichten umgelegt sind. Das so entstandene abgebogene Ende 3 a der Isolation ragt nach der Seite der Hochspannungs- wicklung weit vor, während das abgebogene Ende 3 b mit der Niederspannungsspule 11 abschneidet.
Es empfiehlt sich, den zwischen 3 a und 3 b entstandenen Zwickel mit entsprechend geformten Isolationsringen auszufüllen, damit die elektrischen Kraftlinien an dieser Stelle in festem Isoliermaterial verlaufen.
Diese Isolationsringe können gleichzeitig auch als Druckstücke wirken.
In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Anordnung von Kühlkanälen zwischen den paarweise zusammengefassten und beiderseits eines festen Isolationszylinders angeordneten Wieklungs-
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lagen dargestellt, u. zw. zeigt die Figur den neuen Wicklung-un Isolationsaufbau in schematischer Darstellung für ein Kernfenster. 1 ist wiederum die Begrenzung eines Schenkels, der zunächst von der aus
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Isolierzylinder 2 aufgewickelt oder aufgeschoben, dessen verlängerte Endteile 3 flanschartig nach aussen umgebogen sind, so dass sie mit dem zylindrischen Teil 2 zusammen eine Schale bilden, die die Hochvoltwicklung aufnimmt und gegen Niedervoltwicklung und Kern abschirmt. Der Isolierzylinder 2 kann auch ganz oder zum Teil aus Hartpapier bestehen. Die Hochvoltwicklung besteht ebenfalls aus mehreren Lagen 21-25.
Die innerste Lage 21 ist auf den Zylinder 2 direkt aufgewickelt, u. zw. derart, dass sie an ihm dicht anliegt. Zwischen den einander benachbarten Teilen der beiden Wicklungssysteme, d. h. also zwischen den Zylindern 15 und 21, befindet sich nur festes Isoliermaterial, nämlich der aus ölgetränktem Papier bestehende Zylinder 2, und ferner bildet sich zwischen den genannten Wicklungsteilen vermöge ihres Aufbaues als Röhrenspulen wie bei einem Zylinderkondensator grösseren Durchmessers ein annähernd homogenes Feld aus. Man kann daher die beiden Wicklungssysteme wesentlich näher aneinander heranrücken als bisher und kommt infolgedessen zu wesentlich kleineren Abmessungen für den ganzen Transformator.
Wenn der Isolierzylinder 2 nicht aus nachgiebigem Material, sondern z. B. aus Hartpapier besteht. so ist es zweckmässig, um ein dichtes Anliegen der Windungen an dem Isolierkörper sicherzustellen, entweder die Isolation der einzelnen Wicklungsdrähte aus nachgiebigem Material herzustellen, oder zwischen dem Isolierzylinder und der Wicklung nachgiebige Zwischenlagen anzuordnen. Zur Vergleichmässigung des Feldes an den Spulenenden können die Wicklungszylinder, insbesondere die der Hochvoltwicklung, an den Stirnflächen wiederum Abrundungskörper erhalten.
Um eine gute Kühlung der einzelnen Wieklungslagen zu erzielen, was insbesondere für Transformatoren grosser Leistung wichtig ist, sind zwischen den einzelnen Lagen entsprechende Kühlkanäle angeordnet. Man kann aber auch mehrere Lagen gruppenweise zusammenfassen und die Kühlkanäle nur zwischen je zwei Gruppen vorsehen. Besonders vorteilhaft ist die in der Figur dargestellte paarweise Zusammenfassung je zweier aufeinander folgender Lagen, wobei je eine Seite jeder Wieklungslage gekühlt ist. Die Kühlungskanäle 31-54 dienen zur Kühlung der Wicklungslagen 12-15 bzw. 21-24.
Die zwischen den einzelnen Lagen angeordneten Isolierzylinder 4-4J beeinträchtigen die Kühlung der von ihnen überdeckten Wicklungslagen nicht merklich, da sie ebenso wie der Isolierzylinder 2 aus ölgetränktem Papier bestehen. Da je zwei aufeinanderfolgende Wieklungslagen an einem Ende miteinander verbunden sind, so brauchen die Zylinder 41-44, ebenso wie bei der Anordnung der Fig. 1, nur an dem der Verbindungsstelle der beiden zugehörigen Lagen abgekehrten Ende mit Flanschen versehen zu sein. So besitzt der Zylinder 41 seinen Flansch unten, da die Verbindungsstelle der Wicklunglagen 21 und 22 oben liegt. Der Isolierzylinder 42 hat dagegen seinen Flansch oben, weil die Wicklungen 22 und 2. 3 am unteren Ende miteinander verbunden sind.
An Stelle dieser Anordnung wäre es auch möglich, durch geeignete Umleitungen die aufeinanderfolgenden Wicklungslagen derart miteinander zu verbinden, dass die Spannung in jeder Lage in der gleichen Richtung, also z. B. von unten nach oben ansteigt. In diesem Falle würde die Spannungsdifferenz zwischen auf gleicher Höhe liegenden Punkten aufeinanderfolgender Lagen stets gleich sein, während sie bei der dargestellten Anordnung jeweils von Null bis zur doppelten Lagenspannung anwächst.
Es ist bei der Niedervoltwicklung nicht unbedingt erforderlich, einen röhrenartigen Wicklungaufbau zu wählen. Man kann vielmehr in manchen Fällen auch einen scheibenartigen Aufbau verwenden.
In diesem Falle ist es zweckmässig, zur Erzielung der erforderlichen Homogenität des Feldes in dem Papierzylinder zwischen Hoch-und Niederspannungswicklung Metalleinlagen vorzusehen. Ebenso ist es vorteilhaft, die äusserste Lage der Hochvoltwieldung elektrostatisch abzuschirmen ; dies kann z. B. durch Verwendung eines aus Metall bestehenden Schirmes oder auch eines metallisierten Isolierzylinders geschehen, der die äusserste Wicklungslage 25 umgibt.
Zwischen den beiden Wicklungssystemen ist ein Streukanal für die magnetischen Kraftlinien bei Belastung des Transformators vorhanden, der vorzugsweise seinen Sitz im Isolationszylinder 2 hat.
Die durch diesen Streukanal gehenden Kraftlinien verursachen in den Leitern der Wicklungssysteme unter Umständen eine starke Stromverdrängung, die zusätzliche Verluste und entsprechende Zunahme der Erwärmung zur Folge hat.
Diese Nachteile lassen sich vermeiden, indem man die dem Streukanal benachbarten Leiter unterteilt und in jeder Lage mindestens einmal miteinander verschränkt. Die Unterteilung ist bei den unmittelbar auf dem Isolationszylinder 2 befindlichen Wicklungen 15 und 21 am stärksten, u. zw. ist jeder Leiter dieser Lagen in drei Teile unterteilt. Die darauf folgenden Lagen 23,24 bzw. 12, 13 besitzen zwei- fach unterteilte Leiter, während die äusserste Lage 25 sowie die innerste Lage 11 je nur mit einem Leiter ausgeführt sind. Die Verschränkung der Leiter ist nicht weiter dargestellt. Sie wird bei den dreiteiligen
Leitern so vorgenommen, dass man die ganze Spule in drei Teile unterteilt und die Leiter in jedem Drittel verschiedene Lagen einnehmen lässt.
Bei den zweifach unterteilten Lagen erfolgt die Verschränkung
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so dass die Leiter in Achsrichtung der Spulen die grössere Breite besitzen. Da die Zusatzverluste infolge der Stromverdrängung nach dem Streukanal hin quadratisch zunehmen, so ist die Unterteilung der Leiter in der Nähe des Streukanals am stärksten und nimmt mit der Entfernung von demselben ab bzw. unterbleibt schliesslich ganz. Die gestaffelte Unterteilung der Leiter, gemäss welcher die äusseren Lagen der Wicklung am wenigsten oder überhaupt nicht unterteilt werden, gestattet im übrigen beim Wickeln einen starken Zug auszuüben und die Spulen besonders fest zu wickeln.
Ein anderes Mittel zur Verringerung der Verluste am Streukanal besteht darin, dass man die spezifische Belastung der Leiter in der Nähe des Streukanals durch Veringerung der radialen Höhe der Leiter grösser bemisst als bei den weiter davon entfernten Lagen. Wenn man ausserdem noch die Leiter unterteilt, so ergibt sich der Vorteil, dass die Querschnitte der am meisten unterteilten Leiter schwächer. ausfallen und infolgedessen leichter zu verschränken sind.
Schliesslichkann man die Verluste am Streukanal noch auch dadurch klein halten, dass man die in der
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zahl ausführt. Die angegebenen Mittel zur Verringerung der Verluste am Streukanal kann man im übrigen einzeln oder auch kombiniert anwenden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Transformator, insbesondere Leistungstransformator mit von Erde und vom Kern isoliertem Nullpunkt und mehreren konzentrisch ineinander angeordneten Röhrenspulen, dadurch gekennzeichnet, dass die der Niedervoltwicklung benachbarte und an den Nullpunkt angeschlossene Röhrenspule der ausschliesslich aus Röhrenspulen bestehenden Hochspannungswicklung von der Niedervoltwieklung nur durch eine feste, aus saugfähigem Papier bestehende Isolation getrennt ist.