AT522601A1 - Hochspannungstransformator, Verfahren zum Herstellen eines Hochspannungstransformators sowie Prüfsystem und Prüfsignalvorrichtung mit einem Hochspannungstransformator - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungstransformator, welcher als Ringkerntransformator ausgestaltet ist. Der Hochspannungstransformator weist einen magnetisierbaren Kern (310) sowie um den magnetisierbaren Kern (310) eine Oberspannungswicklung (330) und eine Unterspannungswicklung (320) auf. Die Oberspannungswicklung (330) ist zumindest abschnittsweise als Pilgerschrittwicklung ausgeführt.

Description

15

20

25

30

OM-4083 AT _1—

Hochspannungstransformator, Verfahren zum Herstellen eines Hochspannungstransformators sowie Prüfsystem und Prüfsignalvorrichtung mit einem Hochspannungstransformator

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Hochspannungsmesstechnik und betrifft insbesondere Hochspannungstransformatoren, Verfahren zu dessen Herstellung, Hochspannungsprüfsignalvorrichtungen und Prüfsysteme zur Prüfung einer Hochspannungseinrichtung anhand eines Prüfsignals mit einer hohen elektrischen

Spannung.

HINTERGRUND

In elektrischen Energieversorgungsnetzen werden üblicherweise Hochspannungseinrichtungen wie Leistungstransformatoren oder Schaltanlagen — insbesondere gasisolierte Schaltanlagen -— zum Wandeln und Verteilen von elektrischer Energie eingesetzt. Auch werden hierbei gewöhnlich weitere Hochspannungseinrichtungen wie Hochspannungswandler oder Hochstromwandler — etwa zum Messen von in einem Stromnetz auftretenden Spannungen und Strömen —, Leistungsschalter und Leistungsgeneratoren eingesetzt. Auch im industriellen Umfeld, insbesondere zur Produktion, finden solche Hochspannungseinrichtungen oder weitere Hochspannungseinrichtungen

wie elektrische (Leistungs-) Motoren Anwendung.

Zur Inbetriebnahme oder zur Wartung von Anlagen mit solchen Hochspannungseinrichtungen kann es erforderlich sein, deren Funktionen und Eigenschaften zu überprüfen. Hierbei kann etwa ein Isolationsmaterial von einer Hochspannungseinrichtung — wie einem Hochspannungs-Stromwandler, einem Hochspannungs-Spannungswandler oder einem Leistungsschalter — etwa mittels einer Messung des Gleichspannungswiderstands überprüft werden. Auch kann hierbei etwa ein Verlustfaktor oder eine Kapazität von einer Hochspannungseinrichtung — wie einem Leistungstransformator oder einer

rotierenden Maschine etwa von einem Generator oder einem Elektromotor —

15

20

25

30

OM-4083 AT 2

gemessen werden, was auch Informationen über eine (noch verbleibende) Qualität von Isoliermaterialien oder Isolierflüssigkeiten liefern kann. Auch kann eine Teilentladungsmessung durchgeführt werden. Um insbesondere eine Messung zu ermöglichen, welche die Bedingungen im realen Betrieb widerspiegelt, können auch bei der Messung als ein Prüfsignal hohe Spannungen verwendet werden. Häufig werden für die Überprüfung neben oder alternativ zu Messungen im Labor auch Messungen im Feldeinsatz — also etwa im Außenbereich oder in einer

industriellen Umgebung — durchgeführt.

Für den Feldeinsatz sind Prüfgeräte bekannt, die einen Signalgenerator und einen Hochspannungstransformator integrieren oder die mittels eines Stelltransformators eine Netzspannung in eine Hochspannung wandeln, um ein Prüfsignal mit einer hohen elektrischen Spannung — das heißt insbesondere mit einer hohen Spannungsamplitude oder einer hohen Effektivspannung — zu erzeugen. Während für die Betriebssicherheit von einem solchen Prüfgerät Maßnahmen erforderlich sein können, um die Oberspannungswicklung des Hochspannungstransformators bzw. Stelltransformators — also jene Wicklung, die elektrisch auf der Seite des Prüfsignals ist — von den übrigen, nicht hochspannungsseitigen Teilen des Prüfgeräts —- insbesondere von der Unterspannungswicklung — zu isolieren, soll das Prüfgerät besonders für den Feldeinsatz ein geringes Gewicht haben und für den

Transport zum jeweiligen Einsatzort robust sein.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es besteht daher der Bedarf an einem leistungsstarken Hochspannungstransformator, welcher über ein vergleichsweises geringes Gewicht und einen vergleichsweise einfachen Aufbau verfügt, so dass der Hochspannungstransformator einerseits kostengünstig herstellbar und andererseits zur Verwendung in einem portablen Prüfgerät geeignet ist. Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Prüfsystem

sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren bereitzustellen.

15

20

25

30

OM-4083 AT _3_

Erfindungsgemäß wird ein Hochspannungstransformator mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Prüfsignalvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10, ein Prüfsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 bereitgestellt. Die abhängigen Ansprüche

definieren bevorzugte und/oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Hochspannungstransformator, welcher vorzugsweise für ein Prüfsystem zur Prüfung einer Hochspannungseinrichtung ausgestaltet ist. Der Hochspannungstransformator ist als Ringkerntransformator ausgestaltet und weist einen magnetisierbaren Kern, eine Oberspannungswicklung und eine Unterspannungswicklung auf. Die Oberspannungswicklung und die Unterspannungswicklung sind voneinander elektrisch isoliert um den magnetisierbaren Kern angeordnet, wobei die Oberspannungswicklung zumindest abschnittsweise als Pilgerschrittwicklung

ausgeführt ist.

Im Sinne der Erfindung sind unter einer „Unterspannungswicklung“ und einer „Oberspannungswicklung“ Wicklungen zu verstehen, welche eine oder mehrere Windungen von einem elektrischen Leiter um einen (lokalen) Umfang eines Transformatorkerns des Hochspannungstransformators aufweisen, wobei der elektrische Leiter meist von einer Isolationsschicht zur Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen den einzelnen Windungen umhüllt ist. Für eine solche Wicklung wird meist ein Spulendraht oder eine Spulenlitze verwendet und entlang einer Umfangsrichtung um den Transformatorkern gewickelt, sodass ein durch den elektrischen Leiter fließender Strom einen magnetischen Fluss im Transformatorkern induziert und sich die Anteile des magnetischen Flusses je Windung zumindest im Wesentlichen aufaddieren. Üblicherweise erstreckt sich eine solche Wicklung entlang einer (lokalen) WVorwärtsrichtung des Transformatorkerns. Dabei können mehrere der Windungen einer solchen

Wicklung entlang oder entgegengesetzt zur Vorwärtsrichtung aufgereiht sein.

Die an der Unterspannungswicklung anliegende elektrische Spannung wird abhängig von dem Windungsverhältnis in eine an der Oberspannungswicklung

abgreifbare hohe Spannung transformiert.

15

20

25

30

OM-4083 AT

Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird dabei als "Hochspannung" eine Spannung im Bereich von 1KV und höher angesehen, so dass der erfindungsgemäße Hochspannungstransformator zur Erzeugung und

Bereitstellung entsprechend hoher Ausgangsspannungen ausgestaltet ist.

Die von dem Hochspannungstransformator bereitgestellte Hochspannung kann gemäß einer Ausführungsform insbesondere derart sein, dass sie als

Prüfspannung zur Prüfung einer Hochspannungseinrichtung dienen kann.

Im Sinne der Erfindung ist unter einer „Hochspannungseinrichtung“ zumindest eine Einrichtung — etwa als Teil einer Hochspannungsanlage zur Energieversorgung oder als Teil einer elektrisch betriebenen Produktionsanlage — zu verstehen, welche mit einer hohen elektrischen Spannung oder einem hohen elektrischen Strom betrieben wird, eine(n) solchen steuert, wandelt oder misst oder aus einem sonstigen Grund einer hohen elektrischen Spannung ausgesetzt sein kann und dabei für einen sicheren Betrieb — etwa durch ausreichende elektrische Isolierung — eingerichtet sein soll. Insbesondere kann eine solche Hochspannungseinrichtung ein Leistungstransformator, eine (Hochspannungs-) Schaltanlage, ein (Hochspannungs-) Schutzschalter oder Leistungsschalter, eine mit Hochspannung betriebene oder eine hochspannungserzeugende rotierende Maschine wie ein Leistungselektromotor oder ein Leistungsgenerator, ein Stufenschalter für einen Transformator oder ein Messwandler wie ein Hochspannungswandler oder ein

Hochstromwandler sein.

Im Sinne der Erfindung ist unter einer „Pilgerschrittwicklung“ — auch „Pilgerwicklung“ oder „Schräglagenwicklung“ — zumindest eine Wicklung für einen Transformator zu verstehen, welche mehrere Lagen an Windungen um den Transformatorkern aufweist, wobei sich die einzelnen Lagen nur entlang eines Abschnitts entlang oder entgegen der Vorwärtsrichtung des Kerns erstrecken und sich eine jeweils (elektrisch) darauffolgende Lage in die jeweils entgegengesetzte Richtung — also entgegen bzw. entlang der Vorwärtsrichtung — erstreckt und jeweils die vorhergehende Lage teilweise überlappt. Zudem erstrecken sich jene Lagen,

die sich in die Vorwärtsrichtung erstrecken, (zumindest in Summe) weiter als die

15

20

25

30

OM-4083 AT _5_—

übrigen Lagen entgegen der Vorwärtsrichtung — oder entsprechend umgekehrt —, sodass sich die Pilgerschrittwicklung über einen größeren Abschnitt (im Vergleich zu den Abschnitten der einzelnen Lagen) entlang — oder entsprechend entgegen —

der Vorwärtsrichtung des Kerns erstreckt.

In einigen Ausführungsformen kann die Oberspannungswicklung auch vollständig als eine oder genau eine Pilgerschrittwicklung ausgeführt sein. In einigen Ausführungsformen kann die Oberspannungswicklung auch als mehrere Pilgerschrittwicklungen ausgeführt sein, wobei einige oder alle der Pilgerschrittwicklungen entlang der Vorwärtsrichtung aneinander angrenzen oder

benachbart sind.

Ein Vorteil der Pilgerschrittwicklung kann insbesondere darin liegen, dass eine Übertragung höherer Frequenzen ermöglicht wird, wodurch sich mit dem Hochspannungstransformator insbesondere Power-Quality-Messanwendungen ermöglichen lassen — also insbesondere beim Prüfen der Hochspannungseinrichtung ein last- und frequenzabhängiges Übertragungsverhalten der Hochspannungseinrichtung über einen größeren

Frequenzbereich bestimmen lässt.

Ein weiterer Vorteil der Pilgerschrittwicklung kann insbesondere darin liegen, dass eine mehrlagige Wicklung und damit insbesondere eine höhere Anzahl an Windungen und/oder ein höheres Übersetzungsverhältnis ermöglicht wird. Zudem weisen aneinander anliegende bzw. benachbarte Windungen oder entsprechend übereinanderliegende Lagen der Windungen einen geringeren Spannungsunterschied — also insbesondere eine geringere (Doppel-) Lagenspannung -— auf als etwa bei einer mehrlagigen schraubenförmigen oder wilden Wicklung, welche sich zumindest im Wesentlichen je Lage über den gesamten Kern erstrecken würde. Hierdurch lassen sich die Betriebssicherheit und/oder die Robustheit steigern und/oder die zur elektrischen Isolation der einzelnen Lagen oder von benachbarten Windungen voneinander erforderlichen Mittel — etwa ein Isolationslack um einen Draht für die Windungen oder Isolationsschichten zwischen den einzelnen Lagen — reduzieren, was etwa das

Gewicht reduzieren kann oder die Wärmeabfuhr von der Oberspannungswicklung

15

20

25

30

OM-4083 AT _6—

zum magnetisierbaren Kern aber auch nach außen, also insbesondere in Richtung der Unterspannungswicklung und einer Umgebung des

Hochspannungstransformators, weiter verbessern kann.

Im Sinne der Erfindung weist ein „Ringkerntransformator“ als Transformatorkern wenigstens einen ringförmigen Kern mit einem magnetisierbaren Material — das heißt insbesondere einen sogenannten Ringkern — auf. Ein solcher Ringkern ist im Wesentlichen ringförmig geschlossen oder nahezu geschlossen. Vorzugsweise kann der Ringkern eine toroidale Form aufweisen, etwa in Form eines Toroids oder eines Rohrabschnitt oder allgemeiner eines abgerundeten dreidimensionalen Körpers, welcher ein zentrales Loch aufweist. Dabei kann der Ringkern in einigen Varianten vom zentralen Loch aus bei einem Abschnitt nach außen hin durchtrennt sein, also einen sogenannten Luftspalt aufweisen. In anderen Varianten kann der Ringkern um das zentrale Loch herum, insbesondere entlang seiner toroidalen Richtung, geschlossen sein, wodurch insbesondere sich der magnetische Fluss entlang der alen Richtung unterbrechungsfrei im magnetisierbaren Material

ausbreiten kann.

Auf diese vorteilhafte Weise lässt sich der magnetisierbare Kern, also der Ringkern, über einen großen (Längs-) Abschnitt in Vorwärtsrichtung mit der Oberspannungswicklung und/oder der Unterspannungswicklung bewickeln. Auch kann ein Vorteil eines Hochspannungstransformators mit Ringkern als magnetisierbarer Kern/Transformatorkern insbesondere darin liegen, dass im Betrieb die magnetischen Feldlinien weitgehend innerhalb des Ringkerns

verlaufen, wodurch sich magnetische Störfelder reduzieren lassen.

Auch kann ein Vorteil des Ringkerntransformators insbesondere darin liegen, dass

dieser einen Formfaktor aufweist, der sich gut in ein Gehäuse integrieren lässt.

Gemäß einigen Ausführungsformen weist der Hochspannungstransformator eine Schutzschicht auf, welche zwischen der Oberspannungswicklung und der Unterspannungswicklung angeordnet ist. Dabei weist die Schutzschicht eine elektrisch leitfrähige Schicht zur Abschirmung der Oberspannungswicklung von der

unter Unterspannungswicklung auf. Auf diese vorteilhafte Weise lässt sich ein

71728

15

20

25

30

OM-4083 AT _7—

Übersprechen zwischen der Oberspannungswicklung und der Unterspannungswicklung reduzieren, wodurch sich insbesondere bei Anschluss der leitfähigen Schicht an ein geeignetes Potenzial — etwa einen Erdungsanschluss — Störungen, die sich von der Oberspannungsseite zur Unterspannungsseite oder

in umgekehrter Richtung ausbreiten könnten, abschirmen lassen.

Gemäß einigen Ausführungsformen weist der magnetisierbare Kern eine Isolationsschicht aus einem elektrisch isolierenden Material auf zur elektrischen Isolation des magnetisierbaren Kerns von der Unterspannungswicklung und von

der Oberspannungswicklung.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Oberspannungswicklung kernnah oder unmittelbar auf dem magnetisierbaren Kern angeordnet. Zwischen dem Kern und der Oberspannungswicklung ist bei dieser Ausführungsform allenfalls eine Isolierung vorgesehen. Die Unterspannungswicklung ist vorzugsweise um die

Oberspannungswicklung angeordnet.

Ein Vorteil der Anordnung der Oberspannungswicklung um den magnetisierbaren Kern und der Unterspannungswicklung um die Oberspannungswicklung kann insbesondere darin liegen, dass ein Umfang der Windungen der Oberspannungswicklung reduziert wird und für die Oberspannungswicklung eine kürzere Drahtlänge erforderlich ist, wodurch sich insbesondere Verluste reduzieren lassen und/oder das Frequenzverhalten insbesondere für höhere Frequenzen

weiter verbessern lässt.

Ein weiterer Vorteil der Anordnung der Oberspannungswicklung um den magnetisierbaren Kern und der Unterspannungswicklung um die Oberspannungswicklung kann insbesondere darin liegen, dass die Oberspannungswicklung kernnaher angeordnet ist, wodurch eine etwaige Wärme, welche beim Betrieb aufgrund von Verlusten in der Oberspannungswicklung — etwa ohmsche Verluste — auftreten könnte, zum magnetisierbaren Kern hin abgeführt werden kann, die Oberspannungswicklung also (zumindest zeitweise) durch eine Wärmeabfuhr zum magnetisierbaren Kern hin gekühlt bzw. eine Temperatur der

Oberspannungswicklung durch den magnetisierbaren Kern gepuffert werden kann.

15

20

25

30

OM-4083 AT _8-—

Durch die verbesserte Wärmeabfuhr lässt sich die Leistungsfähigkeit des Hochspannungstransformators steigern und/oder dessen Gewicht reduzieren, wobei sich insbesondere ein Übersetzungsverhältnis des Hochspannungstransformators erhöhen, eine erzielbare Ausgangsspannung und/oder eine (zeitweise) mögliche maximale elektrische Ausgangsleistung an der

Oberspannungswicklung steigern lässt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der magnetisierbare Kern "floating" und weist keinen elektrischen Kontakt bzw. keine elektrische Verbindung zu Erde oder Masse auf. Der magnetisierbare Kern ist sowohl gegenüber Erde als auch gegenüber der Oberspannungswicklung und Unterspannungswicklung elektrisch isoliert. Die Geometrie des Hochspannungstransformators kann dabei derart gewählt werden, dass die maximale Spannung, welche zwischen der Oberspannungswicklung und dem magnetisierbaren Kern auftreten kann, nur die Hälfte derjenigen Spannung ist, welche auftreten würde, wenn sich der magnetisierbare Kern auf Erdpotential

befinden würde.

Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Hochspannungstransformators, eine Prüfsignalvorrichtung für ein Prüfsystem zur Prüfung einer Hochspannungseinrichtung, welche einen Hochspannungstransformator gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungsformen umfasst, sowie ein entsprechend ausgestaltetes Prüfsystem

zur Prüfung einer Hochspannungseinrichtung.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen und/oder aus

den Figuren.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren anhand vorteilhafter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Gleiche Elemente oder Bauteile

der Ausführungsbeispiele sind im Wesentlichen durch gleiche Bezugszeichen

15

20

25

30

OM-4083 AT _9—

bezeichnet, falls dies nicht anders beschrieben wird oder sich nicht anders aus dem

Kontext ergibt.

Hierzu zeigen, teilweise schematisiert:

Fig. 1: einen Hochspannungstransformator nach einer Ausführungsform;

Fig. 2: einen Querschnitt durch den Hochspannungstransformator von Fig. 1; Fig. 3: einen Längsschnitt durch einen Hochspannungstransformator nach

einer weiteren Ausführungsform;

Fig. 4: ein Prüfsystem nach einer Ausführungsform; und

Fig. 5: ein Flussdiagram eines Verfahrens zum Herstellen eines

Hochspannungstransformators nach einer Ausführungsform.

Die Figuren sind schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen und/oder Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente und/oder Bauteile sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente und/oder Bauteile derart wiedergegeben, dass ihre

Funktion und/oder ihr Zweck dem Fachmann verständlich werden.

In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen funktionellen Einheiten und Elementen können auch als indirekte Verbindungen oder Kopplungen implementiert werden. Insbesondere können Datenverbindungen drahtgebunden oder drahtlos, also insbesondere als Funkverbindung, ausgebildet sein. Auch können bestimmte Verbindungen, etwa elektrische Verbindungen, etwa

zur Energieversorgung, der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sein.

15

20

25

30

OM-4083 AT — 10 —

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN

Fig. 1 zeigt schematisch einen Hochspannungstransformator 300 nach einer

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Der Hochspannungstransformator 300 weist einen magnetisierbaren Kern 310, 311, eine Unterspannungswicklung 320, eine Oberspannungswicklung 330 und eine Schutzschicht 340 auf. Die Unterspannungswicklung 320 und die Oberspannungswicklung 330 erstrecken sich entlang einer Vorwärtsrichtung 316 des magnetisierbaren Kerns. Dabei ist die Oberspannungswicklung zumindest um einen Teil, insbesondere einen Längsabschnitt, des magnetisierbaren Kerns 310, 311 angeordnet und als Pilgerschrittwicklung ausgestaltet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich die Oberspannungswicklung 330 unmittelbar auf dem magnetisierbaren Kern 310, 311. Um die Oberspannungswicklung 330 ist die Schutzschicht 340 angeordnet, welche ein isolierendes Material aufweist und so die relativ zur Oberspannungswicklung und zur Schutzschicht 340 weiter außen angeordnete Unterspannungswicklung 320 von der Oberspannungswicklung 330

elektrisch isoliert.

Die Unterspannungswicklung 320 weist mehrere Windungen 328 auf. Die Windungen 328 können in einigen vorteilhaften Varianten schraubenförmig in Richtung der Vorwärtsrichtung 316 um den magnetisierbaren Kern 310 gewickelt und entsprechend bei Teilen mit der Oberspannungswicklung 330 oder der Schutzschicht 340 auch um diese gewickelt sein. Dazu kann in einigen Varianten ein lackisolierter Spulendraht, insbesondere aus Kupfer, um den magnetisierbaren

Kern 310 schraubenförmigen gewickelt sein.

Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Wicklungen der Einfachheit halber nur für einen Abschnitt 310 des magnetisierbaren Kerns dargestellt. Der Hochspannungstransformator 300 ist als Ringkerntransformator ausgestaltet, so dass sich tatsächlich die Oberspannungswicklung 330 und die Unterspannungswicklung 320 ringförmig entlang der gesamten Länge des ringförmigen magnetisierbaren Kern 310, 311 erstrecken. Alternativ ist es auch

möglich, dass mehrere elektrisch miteinander verbundene

15

20

25

30

OM-4083 AT —11-

Oberspannungswicklungen 330 und/oder oder mehrere elektrisch miteinander verbundene Unterspannungswicklungen 320 bzw. mehrere Abschnitte der Oberspannungswicklung 330 und/oder mehrere Abschnitte der Unterspannungswicklung 320 voneinander beabstandet oder auch überlagert entlang verschiedener Längsabschnitte 310, 311 des magnetisierbaren Kerns

angeordnet sind, so dass insgesamt ein Ringkerntransformator gebildet wird.

Der Kern 310, 311 ist ringförmig geschlossen oder nahezu geschlossen, wobei im letztgenannten Fall der ringförmige Kern 310, 311 lediglich durch einen Luftspalt unterbrochen ist. Die Ringform kann toroidförmig sein, wobei jedoch wie in den

Figuren gezeigt ebenso eckige Ausgestaltungen möglich sind.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch den Hochspannungstransformator 300 zur Veranschaulichung seines Aufbaus von innen — also vom magnetisierbaren Kern aus —- nach außen — also zur Unterspannungswicklung hin —, dargestellt, wobei der Querschnitt zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Vorwärtsrichtung des

magnetisierbaren Kerns ist.

Die Oberspannungswicklung 330 ist konzentrisch um den magnetisierbaren Kern 310 angeordnet. Daraufhin ist die Schutzschicht 340 konzentrisch um die Oberspannungswicklung 330 angeordnet. Schließlich ist die Unterspannungswicklung 320 konzentrisch um die Schutzschicht 340 angeordnet. Relativ zueinander oder relativ zur Schutzschicht 340 ist damit die Oberspannungswicklung 330 weiter innen und die Unterspannungswicklung 320 weiter außen angeordnet, sodass die Oberspannungswicklung 330 näher am magnetisierbaren Kern 310 ist. Dabei berührt in einigen vorteilhaften Varianten die Oberspannungswicklung 330 den magnetisierbaren Kern oder ist nur durch eine Isolationsschicht (in Fig. 2 nicht dargestellt) von diesem getrennt, was eine verbesserte thermische Kopplung zwischen der Oberspannungswicklung 330 und dem magnetisierbaren Kern 310 ermöglicht, womit die Leistungsfähigkeit gesteigert

werden kann.

Die Schutzschicht 340 weist in einigen vorteilhaften Varianten, wie dargestellt, eine

erste elektrisch isolierende Schicht 342, eine elektrisch leitfähige Schicht 344 und

15

20

25

30

OM-4083 AT —12-—

eine zweite elektrisch isolierende Schicht 346 auf. Auf diese vorteilhafterweise lassen sich die Oberspannungswicklung und die Unterspannungswicklung voneinander mittels der elektrisch leitfähigen Schicht 344 abschirmen sowie die elektrisch leitfähige Schicht 344 sowohl von der Oberspannungswicklung mittels der ersten elektrisch isolierenden Schicht 342 als auch von der Unterspannungswicklung mittels der zweiten elektrisch isolierenden Schicht 346 elektrisch isolieren. In einigen Varianten kann die erste elektrisch isolierende Schicht 342 galvanisiert sein und so die elektrisch leitfähige Schicht 344 darauf angebracht sein. In anderen Varianten kann die elektrisch leitfrähige Schicht 344 auch (insbesondere als Metalldampf) aufgedampft oder (insbesondere als Metallfolie) aufgeklebt sein. Weiterhin kann in einigen Varianten die zweite

elektrisch isolierende Schicht 346 entfallen.

In Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch einen Hochspannungstransformator nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Veranschaulichung der als Pilgerschrittwicklung ausgeführten Oberspannungswicklung dargestellt, wobei etwaige weitere Komponenten wie etwa die Schutzschicht, die Unterspannungswicklung oder ein magnetisches Verbindungselement der

Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind.

Der in Fig. 3 gezeigte Hochspannungstransformator kann dem bezüglich Fig.1 und/oder Fig. 2 beschriebenen Hochspannungstransformator 300 entsprechen, wobei der Längsschnitt zumindest im Wesentlichen entlang der Vorwärtsrichtung des magnetisierbaren Kerns ist, sodass die Vorwärtsrichtung 316 zumindest im

Wesentlichen in der Schnittebene liegt.

Die Vorwärtsrichtung 316 ist in Fig. 3 durch einen gestrichelten, abbiegenden Pfeil illustriert, wobei die Vorwärtsrichtung relativ zur jeweiligen Position beim magnetisierbaren Kern 310 und zu einem etwaigen magnetischen Fluss zu verstehen ist und folglich eine lokale Richtung darstellt, welche insbesondere jeweils lokal in Richtung eines etwaigen magnetischen Flusses (oder immer entgegen dieser Richtung) zeigt. Folgt man also lokal jeweils der Vorwärtsrichtung bei einem geschlossenen magnetisierbaren Kern, so ergibt sich eine geschlossene

Kurve, die genau eine Fläche umschließt.

15

20

25

30

OM-4083 AT — 13 -—

Die Oberspannungswicklung 330 weist mehrere Windungen auf, welche gruppiert sind in mehrere Gruppen 335 an Windungen, die je Gruppe elektrisch seriell und schraubenförmig in Richtung der Vorwärtsrichtung um den magnetisierbaren Kern 310 gewickelt sind, und in mehrere Gruppen 336 an Windungen, die je Gruppe elektrisch seriell und schraubenförmig entgegen der Vorwärtsrichtung um den magnetisierbaren Kern gewickelt sind. Dabei sind die Gruppen 235 und 236 jeweils abwechselnd miteinander elektrisch seriell geschaltet und jeweils abwechselnd um den magnetisierbaren Kern 310 gewickelt, sodass auf eine erste Anzahl an Windungen in Vorwärtsrichtung für eine der Gruppen 335 eine zweite Anzahl an Windungen entgegen der Vorrichtung für eine der Gruppen 236 folgt. Zudem ist die erste Anzahl größer als die zweite Anzahl, sodass sich insgesamt eine Wicklung in

Vorwärtsrichtung ergibt.

Zur Herstellung der Oberspannungswicklung 330 kann ein Spulendraht abwechselnd in Vorwärtsrichtung für die erste Anzahl an Windungen um den Kern 310 gewickelt und in Rückwärtsrichtung—- das heißt entgegen der Vorwärtsrichtung — für die zweite Anzahl an Windungen um den Kern 310 gewickelt werden. In einigen vorteilhaften Varianten kann der Spulendraht ein lackisolierter Kupferdraht

sein.

Durch das Wickeln in Vorwärtsrichtung und entgegen der Vorwärtsrichtung lassen sich gegenüber einer schraubenförmigen Wicklung nur in Vorwärtsrichtung oder nur in Rückwärtsrichtung mehr Windungen bei einem Längenabschnitt des magnetisierbaren Kerns 310 um diesen Wickeln. Hierdurch lässt sich insgesamt eine hohe Anzahl an Windungen erzielen, ohne dass eine weitere Lage oder Schicht an Windungen, welche sich über alle zum Bewickeln vorgesehenen Längenabschnitte des magnetisierbaren Kerns erstrecken würden, erforderlich ist. Dadurch dass bei der Pilgerschrittwicklung in Vorwärts und in Rückwärtsrichtung für einzelne Längenabschnitte des magnetisierbaren Kerns gewickelt wird, weisen die Längenabschnitte (sozusagen) lokal mehrere Lagen auf, wobei der Spannungsunterschied zwischen diesen „lokalen Lagen“ geringer ist als bei einer mehrlagigen oder mehrschichtigen Wicklung, bei welcher Windungen jeweils über

eine insgesamt zu bewickelnde Länge des magnetisierbaren Kerns gewickelt sind.

15

20

25

30

OM-4083 AT _ 14 —

So ist etwa, wie in Fig. 3 dargestellt, die Windung 338 einer der Gruppen 336 räumlich benachbart zu den Windungen 337 und 339 einer der Gruppen 335 und zudem elektrisch nur eine bzw. nur zwei Windungen von diesen entfernt, wodurch zwischen den Windungen ein relativ kleiner Spannungsunterschied im Betrieb des

Hochspannungstransformators besteht.

Auch kann der magnetisierbare Kern 310 in einigen Varianten eine Isolationsschicht 314 aufweisen. Diese kann, wie in Fig. 3 dargestellt, mit dem Kern verbunden sein und nur einen Teil, insbesondere einen zu bewickelnden Längenabschnitt, dass Kerns 310 umhüllen oder aber den gesamten Kern 310 umgeben und somit elektrisch isolieren. Dies kann in einigen Varianten besonders vorteilhaft in Kombination mit einem magnetisierbaren Kern 310 aus Kernblech, insbesondere aus mehreren Lagen Kernblech, die insbesondere zu einem

Ringkern gewickelt sein können, sein.

Fig. 4 zeigt ein Prüfsystem 10 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit einer zu prüfenden Hochspannungseinrichtung 30 als schematisches Blockschaltbild, wobei zur detaillierteren Veranschaulichung einige Komponenten des Prüfsystems sowie zugehörige elektrische Verbindungen, Anschlusspunkte und/oder Knotenpunkte als elektrisches (Prinzip-) Schaltbild

schematisch dargestellt sind.

In einem Ausführungsbeispiel weist das Prüfsystem 10 ein portables Hauptgerät 100 und eine portable Hochspannungsprüfsignalvorrichtung 200 auf. Dabei ermöglicht die Hochspannungsprüfsignalvorrichtung 200 als ein portables Zusatzgerät des Prüfsystems 10 zusätzliche (Prüf-) Funktionen — insbesondere solche Funktionen, die auf einer Hochspannung basieren — zusätzlich zu

Funktionen, die bereits das portable Hauptgerät bereitstellt.

Das portable Hauptgerät 100 weist ein Gehäuse und einen in das Gehäuse integrierten Leistungsausgang 120 auf. Die portable Hochspannungsprüfsignalvorrichtung 200 weist ein Gehäuse und einen in das

Gehäuse integrierten Leistungseingang 220 auf. Der Leistungsausgang 120 und

15

20

25

30

OM-4083 AT — 15 -—

der Leistungseingang 220 sind im Betrieb, also zur Prüfung der

Hochspannungseinrichtung 30, elektrisch mittels eines Kabels 20 verbunden.

Die portable Hochspannungsprüfsignalvorrichtung 200 weist weiterhin eine Prüfsignalvorrichtung 230 auf, deren Komponenten im Gehäuse der Hochspannungsprüfsignalvorrichtung 200 aufgenommen sind. Dabei können ein erster Prüfanschluss 232 und ein zweiter Prüfanschluss 234 der Prüfsignalvorrichtung 230 entsprechend wie der Leistungseingang 220 im Gehäuse

der portablen Hochspannungsprüfsignalvorrichtung 200 integriert sein.

Im Betrieb, das heißt beim Prüfen der Hochspannungseinrichtung 30, wird der erste Prüfanschluss 232 mit einem ersten Anschlusspunkt 32 der Hochspannungseinrichtung 30 und entsprechend der zweite Prüfanschluss 234 mit einem zweiten Anschlusspunkt 34 der Hochspannungseinrichtung 30 elektrisch

verbunden.

Zur Erdung kann die portable Hochspannungsprüfsignalvorrichtung 200 einen Erdungsanschluss 204 aufweisen, wodurch insbesondere eine separate Erdung — etwa für eine erhöhte Betriebssicherheit —- ermöglicht wird. Alternativ kann auch einer der Prüfanschlüsse zugleich als Erdungsanschluss dienen, wodurch

insbesondere eine einfachere Verkabelung ermöglicht wird.

Die Prüfsignalvorrichtung 230 weist den Hochspannungstransformator 300 gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen auf, wobei in Fig. 4 der Hochspannungstransformator 300 lediglich schematisch mit dem magnetisierbaren Kern 310, der Unterspannungswicklung 320 und der Oberspannungswicklung 330 sowie der Schutzschicht 340 dargestellt ist. Der magnetisierbare Kern 310 ist als Ringkern ausgebildet, wodurch insbesondere eine geringe Störeinstrahlung, eine kompakte Bauweise sowie ein gut in ein Gehäuse integrierbarer Formfaktor und damit eine besonders leicht transportierbare Hochspannungsprüfsignalvorrichtung 200 ermöglicht wird. Diese kompakte Bauweise wird durch die vorzugsweise kernnahe — und damit insbesondere thermisch mittels des magnetisierbaren Kerns 310 gepufferte — Oberspannungswicklung 330 synergistisch unterstützt. Wie

bereits zuvor erwähnt, können sowohl die Unterspannungswicklung 320 als auch

15

20

25

30

OM-4083 AT — 16 —

die Oberspannungswicklung 330 durch eine jeweils geeignete Anzahl von

Teilwicklungen gebildet sein.

Wie in Fig. 4 gezeigt, weist die Oberspannungswicklung 330 einen ersten Anschlusspunkt 332 und einen zweiten Anschlusspunkt 334 auf, wobei der zweite Anschlusspunkt 334 mit dem zweiten Prüfanschluss 234 elektrisch verbunden ist. Der erste Anschlusspunkt 332 ist mit dem ersten Prüfanschluss 232 elektrisch verbindbar, wobei diese direkt miteinander verbunden sein können oder, wie dargestellt, mittels eines elektrischen Schalters 238 der Prüfsignalvorrichtung 230. Der Schalter 238 ermöglicht es, den ersten Anschlusspunkt 332 und den ersten Prüfanschluss 232 selektiv elektrisch zu verbinden, sodass die elektrische Verbindung zum Anlegen einer Hochspannung an die Hochspannungseinrichtung 30 hergestellt und, etwa zwischen „einzelnen

Prüfungsvorgängen zur Sicherheit, getrennt werden kann.

Die Unterspannungswicklung 320 weist einen ersten Anschlusspunkt 322 und einen zweiten Anschlusspunkt 326 auf. Der erste und der zweite Anschlusspunkt 322, 326 sind derart mit dem Leistungseingang 220 elektrisch verbunden, dass über den Leistungseingang 220 ein Leistungssignal zwischen den beiden

Anschlusspunkten 322, 326 angelegt werden kann.

Zum Erzeugen des Leistungssignals weist das portable Hauptgerät 100 eine Leistungssignalquelle 130, insbesondere eine steuerbare Spannungsquelle auf, die mit dem Leistungsausgang 120 elektrisch verbunden ist. Dabei ist das portable Hauptgerät 100 eingerichtet, die Leistungssignalquelle 130 derart zu steuern, dass über das Leistungssignal eine elektrische Spannung zwischen dem ersten und zweiten Anschlusspunkt 322, 326 der Unterspannungswicklung 320 angelegt wird und der Hochspannungstransformator 300 diese Spannung in ein Prüfsignal für die Prüfung der Hochspannungseinrichtung 30 transformiert, die zwischen dem ersten und zweiten Anschlusspunkt 332, 334 der Oberspannungswicklung 330 — und damit bei geschlossenem Schalter 238 auch zwischen dem ersten und zweiten

Prüfanschluss 232 und 234 — anliegt.

15

20

25

30

OM-4083 AT 17 -

Das portable Hauptgerät 100 ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass es mit Hilfe einer integrierten (in Fig. 4 nicht gezeigten) Steuerung den Ablauf der Prüfung mit Hilfe des durch den Hochspannungstransformator 300 erzeugten Prüfsignals

steuert.

Fig.5 zeigt ein Flussdiagram eines Verfahrens 800 zum Herstellen eines Hochspannungstransformators nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 800 die Verfahrensschritte 810, 820, 830 und 840 auf. Das Verfahren 800 beginnt bei dem Verfahrensstart 802 und endet bei dem Verfahrensende 804, wobei die Verfahrensschritte in der folgenden Reihenfolge ausgeführt werden und einige Varianten des Verfahrens — etwa zur Herstellung bestimmter Ausführungsformen, Weiterbildungen, Varianten oder Ausführungsbeispiele gemäß der Beschreibung und/oder gemäß den Figuren —

weitere Verfahrensschritte aufweisen können.

Im Verfahrensschritt 810 wird ein magnetisierbarer Kern für den als

Ringkerntransformator ausgestalteten Hochspannungstransformator bereitgestellt.

Im Verfahrensschritt 830 wird ein Spulendraht um den magnetisierbaren Kern zumindest abschnittsweise als Pilgerschrittwicklung gewickelt, sodass eine

Oberspannungswicklung des Hochspannungstransformators ausgebildet wird.

Im Verfahrensschritt 840 wird eine Schutzschicht angebracht, welche die Oberspannungswicklung auf einer dem magnetisierbaren Kern abgewandten Seite umhüllt und die Oberspannungswicklung in Richtung der abgewandten Seite

elektrisch isoliert.

Im Verfahrensschritt 820 wird ein Spulendraht um die von der Schutzschicht umhüllte Oberspannungswicklung gewickelt, sodass eine Unterspannungswicklung des Hochspannungstransformators mit einer geringeren

Anzahl an Windungen als eine Anzahl an Windungen der Oberspannungswicklung

ausgebildet wird und die Schutzschicht die Oberspannungswicklung und die

Unterspannungswicklung voneinander elektrisch isoliert.

Claims (13)

15 20 25 30 OM-4083 AT — 19 -— PATENTANSPRÜCHE

1. Hochspannungstransformator (300),

wobei der Hochspannungstransformator (300) als Ringkerntransformator ausgebildet ist und aufweist:

einen magnetisierbaren Kern (310);

eine Unterspannungswicklung (320), welche um den magnetisierbaren Kern (310) angeordnet ist; und

eine Oberspannungswicklung (330), welche um den magnetisierbaren Kern (310) angeordnet und gegenüber der Unterspannungswicklung (320) elektrisch isoliert ist,

wobei die Oberspannungswicklung (330) zumindest abschnittsweise als

Pilgerschrittwicklung ausgeführt ist.

2. Hochspannungstransformator (300) gemäß Anspruch 1, wobei die Oberspannungswicklung (330) unmittelbar um den magnetisierbaren Kern (310)

angeordnet ist.

3. Hochspannungstransformator (300) gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Unterspannungswicklung (320) um die Oberspannungswicklung (330)

angeordnet ist.

4. Hochspannungstransformator (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Oberspannungswicklung (330) mit höchstens einer Umrundung entlang einer Vorwärtsrichtung (316) um den magnetisierbaren Kern (310) erstreckt und wobei die Vorwärtsrichtung lokal jeweils entlang einer Richtung

des magnetisierbaren Kerns (310) ist.

5. Hochspannungstransformator (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend eine Schutzschicht (340), welche zwischen der Oberspannungswicklung (330) und der Unterspannungswicklung (320) angeordnet

ist, wobei die Schutzschicht (340) derart ausgestaltet ist, dass sie die

15

20

25

30

OM-4083 AT — 20 -—

Oberspannungswicklung (330) und die Unterspannungswicklung (320)

voneinander elektrisch isoliert.

6. Hochspannungstransformator (300) gemäß Anspruch 5, wobei die Schutzschicht (340) eine elektrisch leitfähige Schicht (344) zur Abschirmung der

Oberspannungswicklung (330) von der Unterspannungswicklung (320) aufweist

7. Hochspannungstransformator (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der magnetisierbare Kern (310) eine Isolationsschicht (314) zu dessen elektrischer Isolation von der Unterspannungswicklung (320) und

Oberspannungswicklung (330) aufweist.

8. Hochspannungstransformator (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der magnetisierbare Kern (310) keinen elektrischen Masse- oder

Erdungsanschluss aufweist.

9. Hochspannungstransformator (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hochspannungstransformator zur Erzeugung eines Hochspannungsprüfsignals für ein Prüfsystem (10) zur Prüfung einer

Hochspannungseinrichtung (30) ausgestaltet ist.

10. Prüfsignalvorrichtung (230) für ein Prüfsystem (10) zur Prüfung einer Hochspannungseinrichtung (30), aufweisend:

einen Hochspannungstransformator (300) gemäß einem der Ansprüche 1-9;

wobei die Prüfsignalvorrichtung (230) eingerichtet ist, um mittels des Hochspannungstransformators (300) ein Prüfsignal zu erzeugen, welches zwischen einem ersten Anschlusspunkt (332) und einem zweiten Anschlusspunkt (334) der Oberspannungswicklung (330) des Hochspannungstransformators (300) anliegt, und um das Prüfsignal zur Prüfung der Hochspannungseinrichtung (30) zur

Verfügung zu stellen.

11. Prüfsystem (10) zur Prüfung einer Hochspannungseinrichtung (30), aufweisend ein portables Hauptgerät (100) mit einem Gehäuse und ein damit elektrisch

verbindbares portables Zusatzgerät (200) mit einem separaten Gehäuse;

15

20

OM-4083 AT 21 -—

wobei das portable Zusatzgeräte (200) als portable Hochspannungsprüfsignalvorrichtung (200) ausgebildet ist und eine Prüfsignalvorrichtung (230) gemäß Anspruch 10 aufweist; und

wobei das portable Hauptgerät (100) eingerichtet ist, um die Erzeugung des Prüfsignals durch den Hochspannungstransformator (300) des portablen

Zusatzgeräts (200) für die Prüfung der Hochspannungseinrichtung (30) zu steuern.

12. Verfahren zum Herstellen eines Hochspannungstransformators (300), wobei der Hochspannungstransformator (300) als Ringkerntransformator hergestellt wird, und wobei das Verfahren aufweist:

- Bereitstellen eines ringförmigen magnetisierbaren Kerns (310);

- Wickeln einer Oberspannungswicklung (330) zumindest abschnittsweise als Pilgerschrittwicklung um den magnetisierbaren Kern (310); und

- Wickeln einer Unterspannungswicklung mit einer geringeren Anzahl an Windungen als eine Anzahl an Windungen der Oberspannungswicklung (330) um

den magnetisierbaren Kern (310).

13. Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei das Verfahren zur Herstellung des

Hochspannungstransformators (300) gemäß einem der Ansprüche 1-9

durchgeführt wird.