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Transformator, insbesondere für grosse Leistung und hohe Spannung.
Die Abmessungen der Transformatoren für grosse Leistungen von über 10.000 kTV und für
Spannungen von 100 kV und darüber sind vor allem bedingt durch die grossen Isolierabstände, die bei der bis heute üblichen Bauart erforderlich werden. Diese Bauart ist gekennzeichnet durch drei in einer Ebene angeordnete aufrechtstehende Säulen, die oben und unten durch je ein Querjoch verbunden sind ; durch eine meist über die Säule geschobene Unterspannungswicklung und eine aussenliegende Oberspannungswicklung ; durch Isolierzylinder sowohl zwischen Wicklung und Eisenkern als auch zwischen den beiden Wicklungen, gegebenenfalls auch ausserhalb der Oberspannungswicklung, wobei die Isolierzylinder gewisse Abstände voneinander und von den Spulen haben, um einen guten Ölumlauf zu gewährleisten ;
durch einen grossen, druckfesten Ölkastrn und Mittel zur Rückkühlung des Öls ; durch kabelartig isolierte Verbindungsleitungen im Kasteninnern und durch gewaltige Durchführungsisolatoren zur Herausführung der Oberspannungsleitungen durch den Deckel zu den Anschlussklemmen.. Dazu kommen noch verschiedene Versteifungen und Schutzvorrichtungen sowie Öl- behandlungs-und Transportbehelfe, die hier nicht besonders erwähnt werden sollen. Da der Eisenkern auf dem Boden des Ölkastens steht, muss er aus Sicherheitsgründen geerdet werden. Es ist also erforder- lich, zwischen den Jochen und den Wicklungsenden einen genügenden Isolierabstand einzuhalten, die sogenannte Enddistanz.
Ferner ist ein erheblicher Isolierabstand zwiselhen der Oberfläche der Oberspannungswicklung und der Kastenwand erforderlich. Und besonders benötigen die oberspannungs- seitigen Zuführungs- und Verbindungsleitungen im Innern des Kastens erheblichen Platz. Alle diese Isolierabstände bedingen eine bestimmte Mindestgrösse des Transformators, seines Kastens und seiner Ölmenge.
Dazu kommen noch Beförderungsschwierigkeiten und man war bisher gezwungen, für die Bahn-und Strassenbeforderung der Grosstransformatoren besondere Wagen zu bauen und anderseits die Transformatoren so zu gestalten, dass die vorgeschriebenen Durchgangsprofile nicht überschritten werden. Da es praktisch unerwünscht ist, Grosstransformatoren in Einzelteile zerlegt zu versenden, hat man wenigstens die Isolatoren abnehmbar gemacht oder auf die Schmalseite des Kastens verlegt oder man hat für den Versand den Kastendeckel durch einen behelfsmässigen flachen Deckel ersetzt.
Der Weg, den Dreiphasentransformator durch drei Einphasentransformatoren zu ersetzen, ist unwirtschaftlich und erhöht den Platzbedarf für eine gegebene Leistung ; ebenso der Weg, die Leistung auf mehrere Transformatoren zu unterteilen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese nachteiligen Verhältnisse zu ändern und einen Grosstransformator für Höchstspannungen zu schaffen, der wesentlich Heinere Abmessungen erhält.
Dabei war das Vorurteil zu überwinden, dass die bisherige Bauart die einzig mögliche und richtige sei.
Nach der Erfindung wird die Aufgabe in grundsätzlich anderer Art gelöst, indem sie als reines Isolierproblem behandelt wird. Es entsteht so eine grundsätzlich neue, von bisher üblicher abweichende Transformatorbauart. Danach werden die grossen Räume, die man bisher der Isolierung zugestehen musste, auf ein Mindestmass verkleinert, u. zw. durch eine systematische Stufung der Potentialdifferenzen innerhalb des Transformators derart, dass Krieehwege weitgehend vermieden und die Isolationen im wesentlichen auf Durchschlag beansprucht werden.
Dies lässt sich erreichen, wenn man entweder dem Kern oder dem Kasten Oberspannungspotential gibt und von diesem ausgehend das Potential zwischen Kern und Kasten in radialer Richtung stufenweise vom Oberspannungspotential zum Erdpotential vermindert, u. zw. kann dabei das Potential entweder vom Kern zum Kasten oder vom Kasten zum Kern abfallen.
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Für die. Erfindung ergibt sich daraus, dass, um eine Potentialstufung zu erhalten, der Eisenkern senkrecht zur Säulenachse in gegeneinander isolierte Teile unterteilt wird, die durch elektrische Verbindung mit Punkten der Wicklung auf voneinander verschiedene Potentiale gebracht werden.
In Fig. 1 der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel für die Erfindung der Längsschnitt eines Öltransformators dargestellt, an welchem gezeigt werden kann, welche weiteren Vorteile, ausser Raum-, Gewichts-, Werkstoff-und Kostenersparnis, die neue Bauart besitzt und auf welche Weise diese Vorteile erreicht worden sind. Fig. 2 zeigt die bekannte Dreieekanordnung der Kerne eines Drehstromtransformators, die bei Anwendung des Aufbaues des Transformators nach der Erfindung besonders vorteilhaft ist, u. a. weil man auch bei sehr grosser Leistung zwei Säulen nebeneinander im Bahnprofil unterbringen kann. In Fig. 3 ist die Variante einer Einzelheit dargestellt. Fig. 4 veranschaulicht das Beispiel eines oberspannungsseitig regelbaren Transformators nach der Erfindung.
Gemäss Fig. 1 ist die Säule 1 des Kerns zylindrisch und radial oder evolventenförmig geblecht, wobei sieh bekanntlich infolge der grossen aktiven Übertrittsfläche an den Stossfugen ein sehr geringer Magnetisierungsstrom ergibt. Der rohrförmige Kanal 2 in der Säulenmitte wird für die Ölzirkulation nutzbar gemacht. Die KÜhlwirkung kann erhöht werden, wenn man in diesen Kanal einzelne Bleche radial hineinragen lässt. Diese Säule 1 ist bei 3 unmittelbar an die Hochspannungsklemme 4 des Transformators angeschlossen und besitzt daher Hoehspannungspotential, ebenso wie der mit ihr unmittelbar verbundene ringförmige Teil 5, der die magnetische Verbindung zwischen der Säule 1 und dem unteren Joch 6 herstellt und ebenfalls vorteilhaft radial oder evolventenförmig geblecht werden kann.
Das entsprechende Ringstück 7 des obern Jochs 8 ist von der Säule 1 durch eine Hoehspannungskabelisolation 9 isoliert, die fest auf die Säule 1 aufgewickelt ist und genügend Durchschlagsfestigkeit gegen die gesamte Phasenspannung besitzt. Ein zweiter Isolationsmantel 10 wird auf die Jochringe 5, 7 und die Oberspannungswicklung 11 gewickelt, die zwischen den beiden Ringen 5 und 7 angeordnet ist. Sie wird unten bei 12 mit dem unteren Jochring 5 und am oberen Ende bei 13 mit dem oberen Joehring 7 leitend verbunden und in horizontalen Lagen gewickelt, so dass ihr Potential von 5 nach 7 hin stetig abnimmt.
Die Wicklung 11 ist von einem konzentrischen Kühlschlitz 14 durchsetzt, dem Schlitzöffnungen 15 in den Joeliringen 5 und 7 entsprechen, so dass das Kühlöl durch die Wieklung hindurch zirkulieren kann. Zwischen den beiden Jochen 6 und 8 ist die Unterspannungswicklung 16 als äussere Wicklung angeordnet. Je nach der Höhe ihrer Spannung ist ihr Abstand 17 von der Wand des Ölkastens 18 zu bemessen. Bei Drehstrom können die oberen Jochringe 7 der drei Phasen zu einem Sternpunkt verbunden und gegebenenfalls geerdet werden. In diesem Falle kann die Isolation 10 oben zwischen Jochring 7 und Joch 8 entfallen.
Da der Kern 1, 5, 6,7, 8 zum Teil hochspannungsführend ist, wird er von kräftigen Isolatoren 19 getragen, die aus abwechselnd aufgeschichteten Holz- und Pressspanscheiben bestehen können. Ebenso ist der Kern oben durch Isolatoren 20 unter Zwischenschaltung von die Wärmedehnung und Kurz- schlusskräfte aufnehmenden Federn 21 gegen den Deckel 22 abgestÜtzt.
Die Potentialverteilung bei dem dargestellten Transformator ist also folgende : Die innere
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isolationen 9 und 10 auf die Eisenteile 1, 5, 7 sowie auf die Spule 11 satt aufgewickelt sein ; ihre Dicke richtet sich nach der erforderlichen Priifspannung. Wegen der elektrischen Ölbeanspruehung an den Enden empfiehlt es sich auch, die Isoliermäntel 9, 10 gemäss Fig. 3, sich nach aussen verdicken zu lassen und dementsprechend den Spalten an den Stossflächen der Jochringe 5, 7 einen keilförmigen Querschnitt zu geben und die Ecken in bekannter Weise mit einem Schutzring 32 abzudecken. Das Öl steigt in selbsttätigem Umlauf durch den Kernkanal 2 und die Wicklungs-und Joehringsehlitze.
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falls durch die Kühlorgane wie Radiatoren u. dgl. wieder ab.
Fig. 2 zeigt den Grundriss eines Dreiphasentransformators mit in Dreieck angeordneten Säulen und zwei ungleich grossen, einander ähnlichen Jochen, von denen das obere 8 den geerdeten Sternpunkt der Oberspannungswicklung 11 bildet, so dass die oberen Joehringe 7 entfallen können. Das
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mantel 10 bis an seine untere Stirnfläche reicht. Die Aussparungen. 23 und 24 der Joche 6 und 8 dienen nicht nur dem Ölumlauf, sondern auch zum Durchtritt der den Eisenkern verspannenden, hier der Deutlichkeit halber nicht gezeichneten Bolzen.
Da bei geerdetem Nullpunkt der äussere Isoliermantel 10 von unten nach oben abnehmend beansprucht wird, kann man seine Wandstärke von unten nach oben abnehmen lassen. Wenn man die Stromleitung durch das aktive Eisen vermeiden will, kann man einen besonderen Anschlussleiter von der Klemme 4 durch die Säule 1 oder ihren Mittelkanal 2 hindurch verlegen oder man kann eines der Eisenbleche durch ein Kupferblech ersetzen, an welches die Klemme und die Wicklungen angeschlossen werden.
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Bei der neuen Bauart würden Anzapfungen an der Oberspannungswicklung die regelmässige Potentialverteilung stören. Um aber trotzdem oberspannungsseitig regeln zu können, lässt sieh mit Vorteil die bekannte Regelungsart mit einem besonderen Wicklungsabschnitt für die Regelung verwenden, wie sie beispielsweise in Fig. 4 schematisch dargestellt ist. Danach ist der zu regelnde Teil 25 der Oberspannungswicklung von der Hauptwicklung 11 durch einen Zwischenjochring 26 und durch ein entsprechendes äusseres Zwisehenjoch 27 magnetisch getrennt.
Die Oberspannungsregelwicklung ist von einer niedergespannten Primärwicklung 28 umgeben, die von einem regelbaren Spannungsteiler 29 gespeist wird, u. zw. entweder im Sinne oder gegen den Sinn der Hauptspannung, wenn Zu-und Gegenschaltung verlangt wird. Der Spannungsteiler 29 wird zweckmässig an die Unterspannung 16 des Transformators angeschlossen ; er kann ein regelbarer Transformator mit oder ohne Stufen oder ein Induktionsregler sein. Die Oberspannungswicklung 11 ist am Punkt 12 mit dem unteren Jochring 5 und am Punkt 30 mit dem Zwischenjoehring 26, die oberspannungsseitige Regelwicklung 25 am Punkt 31
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Potentialverteilung wird dadurch nichts geändert.
Nach der Erfindung hergestellte Drei-oder Mehrwicklungstransformatoren erhalten entsprechend weitere konzentrische Jochringe und Isoliermäntel. Zweckmässig baut man sie so, dass innen die Oberspannung, in der Mitte die Mittelspannung und aussen die Unterspannung angeordnet ist, um wieder
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In gewissen Fällen ist die liegende Anordnung des Kerns vorzuziehen, bedingt dann aber im allgemeinen eine künstliche Ölzirkulation. Selbst Trockentransformatoren lassen sich mit Vorteil nach der Erfindung bauen.
Zum Schluss seien noch die besonderen Vorzüge der neuen Bauart hervorgehoben. Die Anordnung ermöglicht einen besonders kleinen Wicklungsabstand ; die Enddistanzen zwischen den Enden der Oberspannungswicklung und den Jochen fallen fort, ebenso die oberspannungsführenden Zuleitungs-und Verbindungskabel. Die Isoliermantel 9, 10, nach Art einer Ölkabelisolation gewickelt, werden im wesentlichen nur auf Durchschlag beansprucht. Alles dies vermindert die Abmessungen und die benötigte Ölmenge. Da ferner die Niederspannnngswieklung aussen liegt, kann der Ölkasten sehr gedrängte Form haben. Die Folge ist eine bedeutende Werkstoffersparnis. Zudem werden die Eisenverluste und der Kupferaufwand viel geringer als bei den bisherigen Hochstspannungs-Gross- transformatoren.
Da die Stossfugeninduktion sehr klein gehalten werden kann, kann man sich grosse Luftspalte leisten. Die kleine Stossfugeninduktion hat aber auch eine starke Verminderung der
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Sprungwellen, so dass sich besondere Schutzmassnahmen erübrigen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Transformator, insbesondere für grosse Leistung und hohe Spannung, dadurch gekennzeichnet, dass sein Eisenkern durch im wesentlichen parallel zur Säulenachse laufende, zumindest teilweise vom Hauptfluss durchsetzte Spalte in gegeneinander isolierte Teile (1, 5, 6, vs gegebenenfalls 26, 27) zerlegt ist, die durch elektrische Verbindung mit Punkten (72, 13 gegebenenfalls 30,. 31) der die Säulen (1) umfassenden Wicklung (11) auf voneinander verschiedene Potentiale gebracht werden.