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Wicklungsanordnung für Hochspannungs-Hochleistungs-Transformatoren mit konzentrischer Wicklung
Die Wicklungen (Primär-, Sekundär-, Tertiärwicklungen) von Hochspannungstransformatoren sind in den meisten Fällen pro Phase umeinander koaxial (konzentrisch) am Eisenkern angeordnet, u. zw. auf diese Weise, dass die Hochspannungswicklung im allgemeinen von der Achse am entferntesten, die Wick- lung minderer Spannung, innen, zwischen der Hochspannungswicklung und dem Eisenkern angeordnet ist.
Besitzt der Transformator auch noch eine tertiäre Wicklung, so wird diese im allgemeinen als innerste
Wicklung angeordnet. Die Wicklung höchster Spannung wird im allgemeinen aus dem Grunde am äusser- sten Rand untergebracht, weil die Isolation der Höchstspannungswicklungen sowie das Weiterführen der
Wicklungsenden von der am Rande befindlichen Wicklung bis zur Stromdurchführung viel leichter und be- triebssicherer als von der inneren Wicklung ausgehend vorgenommen werden kann.
Ist jedoch auch die andere Wicklung eine Höchstspannungswicklung (mehr als 100 kV), kann das Un- terbringen derselben im Inneren bereits erhebliche Schwierigkeiten verursachen. So z. B. kann die Heraus- führung der inneren Wicklung eines 380/220 oder 220/150 kV-Transformators, da sie eine Spannung von
220 kV bzw. 150 kV führen, nur mit Hilfe einer sorgfältigen, einen erheblichen Raum beanspruchenden
Isolation bei der Herausführung vorgenommen werden, wodurch die Abmessungen und die Kosten des
Transformators erhöht, seine Betriebssicherheit hingegen vermindert wird.
Es sind bereits auch solche Spulenanordnungen, z. B. aus der Schweizer Patentschrift Nr. 169813 oder aus der USA-Patentschrift Nr. l, 831,142 bekanntgeworden, bei welchen die primären und sekundären
Wicklungen auf zwei separaten Säulen angeordnet sind, u. zw. derart, dass an einer Säule die eine Wick- lung, an der andern Säule die andere Wicklung aussen angeordnet ist, z. B. mit solcher Wicklungsanordnung, dass der Spannungsabfall der Tertiärwicklung auf die primäre bzw. sekundäre Wicklung bezogen möglichst gleich ist, ferner dass die Anzapfungen sowohl der primären, wie auch der sekundären Wicklungen aussen angeordnet werden können.
Durch die Erfindung werden obige Nachteile dadurch vermieden, dass die zu äusserst angeordnete Zy- linderschicht des koaxialen Wicklungsraumes nicht bloss für eine einzige Wicklung, u. zw. sinngemäss die
Wicklung höherer Spannung (z. B. Primärwicklung) mit mittigem Stromzuführungsanschluss verwendet wird, sondern dass in der äussersten Schicht, die auf die Erde bezogen ein höheres Potential aufweisenden Teile von zwei Höchstspannungswicklungen mit mittigcm StromzufUhrungsanschluss (z. B.
Primär- und Sekundärwicklung) aufgebracht sind, wobei die übrigen Teile derselben Höchstspannungswicklungen, die auf die Erde bezogen ein niedrigeres Potential aufweisen, koaxial zwischen der äussersten Wicklungsschicht und der nächst dem Eisenkern sich befindenden inneren Wicklungsschicht angeordnet sind.
Besitzt der Eisenkern des Transformators (z. B. im Falle eines Dreiphasen Dreisäulen-Transformators) pro Phase je eine Säule, so kann die in Umrissen beschriebene Anordnung erfindungsgemäss derart ausge- führt werden, dass am oberen Säulenabschnitt mit mittigem Stromzuführungsanschluss der auf die Erde bezogen ein höheres Potential besitzende Teil der einen-z.
B. primären-Wicklung als äussere koaxiale Wicklung angebracht ist, wogegen an dem unteren Säulenabschnitt ebenfalls ausserhalb der gleichwohl ein höheres Potential besitzende Teil mit mittigem Stromzuführungsanschluss der andern-z. B. sekundären-
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- 400Wicklung auf das Zweifache erhöht, da auf den Wicklungsteil mit mittigem Anschluss infolge des mit diesem in Reihe geschalteten und an der andern Säule angeordneten Wicklungsteiles nur ungefähr die Hälfte der vollen Betriebsspannung fällt. Die erfindungsgemässe Anordnung sichert auch, dass die Spannung pro Zentimeter Säulenlänge bei Wicklungen mit mittigem Anschluss nur ungefähr die Hälfte wird als bei der Anwendung von einfachen Wicklungen mit mittigem Anschluss.
Eine beispielsweise Verwendung der Erfindung für Transformatoren mit zwei gewickelten Säulen pro Phase wird in der Zeichnung veranschaulicht. Wie ersichtlich, wird vorteilhafterweise in der Mitte angefangen. Diese Methode wird bei beiden Wicklungen (beispielsweise bei der von 220 und auch bei der von 150 kV) verwendet. Bei der Säule I ist der erste Teil p - p der Wicklung recht hoher Spannung mit einem Anfang an dem Mittelteil der Säulen aussen untergebracht, wogegen der erste Teil s-s der an- dern Hochspannungswicklung auf der andern Säule U genau so angebracht ist, wogegen die übrigbleibenden Wicklungsteile p und s als innere Wicklungen vorgesehen sind.
Der Umstand, dass die zweiten Teile der Wicklungen hoher Spannung im Innern untergebracht werden, vermindert die Vorteile keineswegs, da die auf die als innere Wicklungen vorgesehenen Wicklungsteile entfallende Spannung auf die Erde bezogen bereits verhältnismässig gering ist und sich die Wanderwellen. bis sie in diese Wicklungsteile gelangen, ebenfalls vermindern.
Werden die Wicklungsleistungen bezüglich der beiden Säulen gleich gewählt, erfolgt die Wicklung des als Beispiel gezeigten 220/150 kV Kettenspannungstransformators derart, dass die eine Hälfte der an die Herausführung angeschlossenen 220 kV Wicklung p an der Säule I in der Mitte angefangen angebracht ist, wogegen die andere Hälfte p der Wicklung, deren Spannung auf die Erde bezogen bloss die Hälfte ausmacht, als innere Schicht an der Säule II angebracht wird. Auf der Säule 11 ist die erste Hälfte si der 150 kV-Wicklung ebenfalls in der Mitte angefangen untergebracht, wobei die andere Hälfte s, die nun bloss eine Spannung von 75 kV führt, innerhalb der äusseren Schicht p der Säule I liegt.
Es ist ersichtlich, dass bei dieser Anordnung, bei welcher sämtliche wesentlichen Vorteile der Anordnung mit in der Mitte angefangenen zwei parallele Zweige. aufweisenden Wicklungen beibehalten werden, in die inneren Wicklungsschichten eine Wicklung mit einer bloss halben Spannung gelangt, bei welcher eine betriebssichere Ausführung und eine Herausführung der Enden viel leichter ist. Aus dem obigen ist ersichtlich, dass die erfindungsgemässe Anordnung einerseits die Anwendung der Höchstspannungswicklungen mit mittigem Anschluss ermöglicht, anderseits die Spannung pro Zentimeter Säulenlänge auf ungefähr die Hälfte vermindert, wodurch die Wicklungen mit mittigem Anschluss gegen Stosswellen noch betriebssicherer werden bzw. ihre Anwendungsgrenze auf die doppelte Spannung erhöht wird.
Der Transformator kann aber auch derart hergestellt werden, dass die Klemmenleistungen der beiden Säulen nicht gleich sind, sondern ein Verhältnis von 60-40% an Stelle eines von 50-50'lu besitzen, in welchem Falle die auf den inneren Wicklungsteil der inneren Säule 11 entfallende Spannung nunmehr 88 kV (400 von 220 kV) ausmacht, wobei die von der 150 kV-Wicklung auf den inneren Wicklungsteil Sz der Säule I entfallende Höchstspannung 90 kV (60% von 150 kV) beträgt. Durch eine geringfügige Änderung der Säulenleistungen kann also demnach erreicht werden, dass die Spannung der inneren Wicklungsteile bei der Wicklung höherer Spannung beträchtlich unter die Hälfte der Spannung gelangt, ja, der höchsten Spannung des inneren Wicklungsteils der Wicklung niedrigerer Spannung gleich wird.
Dies bedeutet, dass durch die Erfindung unter Beibehaltung sämtlicher Vorteile sehr leicht erzielt werden kann, dass die Höchstspannung des inneren Wicklungsteils bei einem beispielweisen 220/150 kV Kettenspannungstransformator bloss ungefähr 90 kV ausmacht, eine Spannung, deren Herausführung aus der inneren Wicklung bereits keine erheblichen Schwierigkeiten verursacht, umso weniger, als die Spannung einer in Y geschalteten Wicklung mit einem Í1T allgemeinen geerdeten Nullpunkt auf die Erde bezogen
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dies leicht errechenbar ist, selbst bei den zur Zeit maximal 380/220 kV aufweisenden Kettenspannungstransformatoren leicht erreicht werden, dass die Höchstspannung des inneren Wicklungsteiles auf die Erde bezogen bloss ungefähr 90 kV beträgt, wodurch die Konstruktion des Transformators naturgemäss recht vereinfacht,
betriebssicher und wesentlich billiger gemacht wird.
Die Spannung des inneren Wicklungsteiles kann aber im Sinne der Erfindung nötigenfalls auch weiter vermindert werden. Bei aus Einphaseneinheiten bestehenden Dreiphasengruppen wird ausser den beiden Hochspannungswicklungen, die im allgemeinen in Y geschaltet sind und einen geerdeten Nullpunkt besitzen, einerseits zum Zwecke einer Mittelspannungsleistung, anderseits wegen Ausschaltung der oberen Harmonischen, auch eine Tertiärwicklung verwendet.
Ist der Transformator gemäss der allgemeinen Praxis mit einer derartigen Tertiärwicklung t versehen und wird diese Tertiärwicklung derart ausgeführt, dass die Wicklungen an den beiden Säulen parallelgeschaltet sind, müssen die beiden Hochspannungswicklungen an beiden Säulen nicht so unterteilt werden, dass sich ihre Amperewindungszahlen pro Säule gegenseitig
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ausgleichen, da doch der Unterschied in einem solchen Falle durch den in den beiden Parallelzweigen der Tertiärwicklung fliessenden Ausgleichsstrom gesichert wird. So ist es z. B. möglich, die Wicklung derart auszubilden, dass zwei Drittel der 220 kV-Wicklung an der Säule I aussen, ein Drittel hingegen, dem nun- mehr bloss eine Höchstspannung von 73 kV entspricht, auf Säule II innen untergebracht ist. Demgegenüber kann z.
B. die Hälfte der auf Säule II befindlichen 150kV-Wicklung untergebracht sein, wobei die andere
Hälfte mit einer Höchstspannung von 75 kV auf Säule I als innere Wicklung verwendet werden kann.
Durch diese Anordnung wird gesichert, dass die Höchstspannung der inneren Wicklungsteile ungefähr 1/3 der Betriebsspannung ausmacht, was bei 220 kV Kettenspannungstransformatoren gegen Erde bloss 42 kV, bei 380 kV Transformatoren nicht. mehr als 75 kV ausmacht.
Bei einer derartigen Verteilung der Hochspannungswicklungen sind deren Amperewindungen pro Säule naturgemäss nicht im Gleichgewicht, sondern es bleibt bei der beispielsweisen Ausführung der Unterschied zwischen der Hälfte und der Drittel-Amperewindungszahl, d. i. ein Sechstel der gesamten Amperewin- dungen untereinander unausgeglichen, was aber, wie bereits erwähnt, erfindungsgemäss durch die Ter- tiärwicklung ausgeglichen wird. Durch diesen Ausgleichsstrom wird keine stärkere Bemessung der Ter- tiärspule nötig gemacht, da ja die Tertiärwicklung mit Rücksicht auf eine Kurzschlusssicherheit ohnehin mit einem grösseren Querschnitt zu dimensionieren ist, was zur Folge hat, dass die zusätzlichen Verluste ebenfalls völlig unwesentlich sind.
Liefert nämlich der Transformator aus der Tertiärwicklung keine Lei- stung, so sind die Verluste der geringen Stromwerte mit Rücksicht auf das quadratische Gesetz der Kup- ferverluste vernachlässigbar gering, liefert demgegenüber die Tertiärwicklung Energie, so vergrössert der
Ausgleichsstrom - den Phasenverschiebungsunterschied des Belastungsstromes in Betracht gezogen - in der einen Wicklung den Kupferverlust und vermindert denselben in der andern Wicklung, so dass der Überschuss bloss so viel ausmacht, als die Vergrösserung des Kupferverluste der einen Wicklung grösser ist als die Verminderung des Verlustes der andern Wicklung.
Die Erfindung ermöglicht also das Ausnutzen der erheblichen Vorteile des Anfangens in der Mitte auch für Transformatoren mit zwei Hochspannungswicklungen, welche Vorteile kurz darin zusammenzufassen sind, dass die durch die Stosswellenspannung verursachten Beanspruchungen, mit Rücksicht auf die par- allelgeschalteten Zweige zwischen den Windungen und den Wicklungen geringer werden, u. zw. einerseits deshalb, weil die Amplituden der Überspannungen sich infolge der Verteilung auf zwei räumlich separate parallele Zweige vermindern, und anderseits deshalb, weil infolge der erfindungsgemässen Anordnung die Spannung pro Zentimeter Säulenlänge sich auf ungefähr die Hälfte vermindert, im allgemeiner.
die Sicherheit gegen'Durchschlagsspannungen wegen Vermeidung der Hochspannungsisolierendeinsätze erhöht wird und schliesslich die Hochspannungsherausflihrungen mit einem geringeren Raumbedarf auf einem wenig anspruchsvollen Gebiet der äusseren Wicklung vorgenommen werden können.
Die erfindungsgemässe Anordnung bietet aber bei Hochspannungstransformatoren ausserdem noch einen weiteren recht erheblichen Vorteil. Dieser besteht darin, dass bei der erfindungsgemässen Anordnung bei beiden Hochspannungswicklungen ermöglicht wird, Schirme bzw. Abschirmungswindungen zu verwenden, da Einführungsstellen der Klemmen an der äussersten Mantelfläche der Wicklung angebracht sind. Wie es nämlich bekannt ist, können Schirme bzw.
Abschirmungswindungen wegen ihres erheblichen Raumbedarfes bei den innerhalb der Wicklung angebrachten Wicklungsteilen in einer kompendiösen billigen Lösung nicht verwendet werden, ungeachtet des Umstandes, dass durch ihre Verwendung die Verteilung der Stosswellenspannungen entlang der Wicklung gleichmässiger gemacht werden kann, wodurch in der Isolation noch eine Ersparnis erzielt werden kann, abgesehen davon, dass die Betriebssicherheit gegen einen Durchschlag der Stosswellen noch erhöht werden kann.
Das erfindungsgemässe Wicklungssystem bietet also für Hochleistungstransformatoren folgende Vorteile der Wirtschaftlichkeit und Betriebssicherheit :
Innerhalb der Wicklung muss man auch bei Höchstspannungswicklungen keine der Klemmenspannung entsprechende Endisolation verwenden, aus dem Innern der Wicklung braucht man keine Hochspannungswick- lungsendenhera' ? sführen, aus welchem Grunde die Isolationsschwierigkeiten derselben entfallen, die Isolationssicherheit bezuglich der zweiten Hochspannungswicklung ist erheblich höher, in beiden Hochspannungswicklungen ist die durch die Stosswellen verursachte Inanspruchnahme niedriger und die Verwendung von die Stosswellenbeanspruchung vermindernder Schirmung bzw.
entsp. hender Windungen ist auch für die zweite Hochspannungswicklung gegeben.
Durch diese Vorteile wird es ermöglicht, dass Transformatoren einer äusserst hohen Spannung, z. B.
380/220 kV, mit einer verhältnismässig einfachen Isolationstechnologie und mit einer erhöhten Sicherheit wirtschaftlich gefertigt werden können, ohne dass sich die Notwendigkeit einer Verwendung von Isolierstoffen spezifischer Qualität zeigen würde.