Transformator mit von Erde isoliertem Nullpunkt. Die Erfindung betrifft Transformatoren, insbesondere Leistungstransformatoren, mit von Erde isoliertem Nullpunkt. Beider artigen Transformatoren ist es bekannt, die Wicklungen auf den .Schenkeln so anzuord nen, dass die gesamte Spannung der Hoch spannungswicklung längs den Schenkeln von einem Ende nach dem andern annähernd pro portional zunimmt.
Ein derartiger Spulenaufbau hat zur Folge, dass bei einphasigem Erdschluss eines in Stern geschalteten Drehstromtransformators zwi schen dem Nullpunkt der Hochspannungs- wicklung und dem gern bezw. der Nieder spannungswicklung ,die Phasenspannung und zwischen dem an das Netz angeschlossenen Ende der Hochspannungswicklung und dem gern bezw. Niederspannungswicklung die volle verkettete Spannung auftritt.
Bei einem einphasigen Transformator mit auf zwei Schenkel verteilter Wicklung nimmt im Erd- schlussfalle die Wicklungsmitte die halbe Spannung und das ans Netz angeschlossene Wicklungsende die volle Netzspannung ge genüber dem- gern bezw. der Niederspan nungswicklung an.
Im normalen Betriebe tritt zwar zwischen Sternpunkt bezw. Wick lungsmitte keine Spannungsdifferenz gegen über dem gern oder der Niederspannungs- wicklung auf, jedoch ist sie an den Wiek- lungsenden .gleich der Phasenspannung bezw. halben Netzspannung.
Gemäss der Erfindung sieht man für die Hochspannungswicklung einen lagenweisen Aufbau aus mehreren konzentrisch zueinan der und zur Niederspannungswicklung ange ordneten zylindrischen Röhrenspulen vor und schliesst die der Niederspannungswicklung radial unmittelbar benachbarte Spule an den Nullpunkt an.
Diese Anordnung hat die vor teilhafte Wirkung, .dass im Falle eines ein phasigen Erdschlusses zwischen der an den Nullpunkt angeschlossenen Röhrenspule der Hochspannungswicklung und dem gern bezw. der Niederspannungswicklung bei einem in Stern geschalteten Drehstromtrans- formator nur die um die Lagenspannung ver mehrte Phasenspannung und bei einem ein phasigen Transformator nur die halbe Netz spannung zuzüglich ,der Lagenspannung auf tritt;
während' im normalen Betrieb dazwi schen höchstens nur die Spannung einer Lage besteht. Man kommt also mit einer viel ge ringeren, nur für die Phasenspannung bezw. halbe Hochspannung bemessenen Isolation aus als bei der bisherigen Bauart. Ferner verhält sich die Anordnung besonders günstig gegen Überspannungen, da die benachbarten Lagen ,der Hoch- und Niederspannungswicklung und die Lagen der Hochspannungswicklung gegeneinander eine kondensatorartige Wir kung haben.
Zwischen .den einzelnen Lagen der Hoch- voltvvicklung ordnet man zweckmässigerweise Isolationsschichten aus saugfähigem Papier an, die zwischen den Enden zweier Lagen hervorstehen und weit ausladend winkel förmig abgebogen sind. Die Enden der einen Lage schmiegen sich hierbei mit Vorteil den Ecken der Isolation an. Auf diese Weise ist es möglich, an diesen Stellen die Gefahr des Glimmens zu vermeiden oder wesentlich zu verringern.
Damit die Enden der auf der andern Seite der Isolationszylinderwand, zum Beispiel innen befindlichen Spulen nicht völlig frei liegen (es können an ihnen Glimmentladungen unter Umständen leicht auftreten), so kann. der Isolationszylinder an seinen Enden nicht nur nach der Wick lung höheren Potentials, sondern auch nach dei Wicklung niedrigen Potentials umge bogen sein, so dass auch deren Enden von Isolationsmaterial abgedeckt sind. Die Her stellung eines solchen Isolierkörpers ist bei lagenweisem Aufbau .des Isoliermaterials, beispielsweise aus saugfähigem Papier, be sonders einfach.
Man braucht nur die ein zelnen Schichten an den Enden einzureissen und den einen Teil der so entstandenen Fah nen 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 Schenkel- länge nicht gleich stark ausführt, sondern nur mit wachsender Spannungsdifferenz stärker werden lässt. Damit die Hochspan nungswicklung genügende mechanische Fe stigkeit, insbesondere gegenüber Kurzschlüs sen, besitzt, können die einzelnen Lagen mit .den darunter befindlichen Isolierschichten durch ein geeignetes Klebemittel verklebt werden.
Werden Anzapfungen vorgesehen, so dienen diese zweckmässigerweise immer nur zum Zu- und Abschalten einer ganzen Lage. Man kann hierbei 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 Niedervolt- wicklung zunächst .gelegenen Lagen an.
Um mit Rücksicht auf die Anzapfungen .den Jochabstand nicht grösser machen zu brau chen 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 Jochquerschnitt im Fenster nahezu kreisförmig abgestuft, so dass der hierdurch entstehende Raum für die Vergrö sserung der Flanschabstände ausgenutzt wer den kann. Die Endender Isolationszylinder werden dann mit Vorteil so abgebogen, dass der Flansch nicht in einer Ebene, sondern beispielsweise auf einer Zylinderfläche liegt, deren Ase mit der Jochase zusammenfällt.
Besondere Vorteile ergeben sich bei Ver wendung von Aluminium als Wicklungs material, da zwischen benachbarten Windun- gen der Hochvoltwicklung nur verhältnis mässig geringe Spannungsdifferenzen auf treten und als Windungsisolation ein Über zug der Leiter mit einer Aluminiumosyd- schicht in den meisten Fällen ausreicht.
Wei terhin erhält man bei grösseren Leistungen eine bedeutende Ersparnis an Wicklungs- material und da-mit auch an Raum, wenn man die auf die .Streuung zwischen Hoch und Niedervoltwicklung zurückzuführenden Kupferverluste der dem Streukanal benach barten Lagen durch geeignete Mittel verrin gert.
Bei höheren Leistungen ist es schwierig eine genügende Wärmeabfuhr zu erzielen. Man ist daher genötigt, Ölkanäle vorzusehen. Damit nun die vorteilhafte kapazitive Wir- kung nicht erheblich vermindert wird, ordnet man zweckmässig die Wicklungslagen paar weise beiderseits eines festen Isolierzylinders an und trennt die Lagenpaare ausser durch einen festen Isolierzylinder noch durch einen Kühlkanal voneinander.
Auf diese Weise behält man zugleich im wesentlichen die Vor züge 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 mehr- rere Isolationsschichten verteilt.
Man erhält auf diese Weise nicht nur eine sehr über spannungsfeste, sondern auch eine sehr ge drungene Bauart, die erheblich kleiner ist, als wenn die Wicklungen durchweg von flüssigen oder abwechselnd festen und flüssigen Iso lierschichten getrennt sind.
In Abb. 1 und 2 ist ein Ausführungs beispiel der Erfindung dargestellt. Die dem Kern 1 zunächst liegende Niederspan nungswicklung 11 besteht aus übereinander gewickelten Lagen. Jene wird von einer Isolationsschicht 2 aus saugfähigem Papier umgeben, die für die Phasenspannung be messen ist und sich an dem Flanschteil 3 fort"etzt. Hierauf sind lagenweise die einzel nen Hochvoltspulen 21, 22, 23 gewickelt. Diese sind voneinander durch Isolations schichten 41, 42 getrennt, die an einem Ende winkelförmig nach aussen abgebogen sind.
Der Aufbau der Isolationsschichten 41, 42 ist aus Abb. 2 deutlicher zu erkennen. Sie bestehen aus verschieden langen Lagen Papier, und zwar ist aus fabrikatorischen Gründen die innerste Lage am kürzesten und die äusserste Lage am längsten ausgeführt, weil sich alsdann auf .die letztere die nächst- folgende Hochvoltspule besser aufbringen lässt.
Abb. 3 zeigt von einem zweiten Ausfüh rungsbeispiel eine beiderseitig abgebogene Isolation zwischen Hoch- und Niedervoltwick- lung. 11 ist die Niedervoltwicklung bezw. eine Lage derselben. 21 ist eine Lage der Hochvoltwicklung. Beide Spulen besitzen an den Enden Abrundungskörper 4 und sind durch einen Isolationszylinder 2 aus geschich- tetem Material, vorzugsweise aus saug fähigem Papier, voneinander getrennt.
Die Enden des Isolationszylinders 2 sind nach beiden Wicklungen zu winkelförmig abge bogen, 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 3a der Isolation ragt nach der Seite -der Hochspannungwicklung weit vor, während das abgebogene Ende 3 b mit der Niederspannungsspule 11 abschneidet.
Es empfiehlt sich, den zwischen 3a und 3b entstandenen Zwickel mit entsprechenden ge formten Isolationsringen auszufüllen, damit die elektrischen Kraftlinien an dieser Stelle in festem Isoliermaterial verlaufen.. Diese Isolationsringe können gleichzeitig auch als Druckstücke wirken.
In Abb. 4 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Kühlkanälen zwischen den paarweise zusammengefassten und beiderseits eines festen Isolationszylinders angeordneten Wicklungslagen dargestellt, und zwar zeigt die Abbildung den Wicklungs- und Iso lationsaufbau in schematischer Darstellung für ein Kernfenster. 1 ist wiederum die Be grenzung eines Schenkels, der zunächst von der aus fünf Zylinderlagen 11 bis 15 be- stehenden Niedervoltwicklung umgeben ist.
Auf die äusserste Lage 15 der Niedervolt wicklung ist ein aus einer Anzahl von Lagen saugfähigen Papiers bestehender Isolierzylin- der 2 aufgewickelt oder aufgeschoben, des sen verlängerte Endteile 3 flanschartig nach aussen umgebogen sind, so .dass sie mit dem zylindrischen Teil 2 zusammen im Quer schnitt Eine Schale bilden, die die Hochvolt wicklung aufnimmt und gegen Niedervolt und Kern abschirmt.
Der Isolierzylinder 2 kann auch ganz oder zum Teil aus Hart papier bestehen. Die Hochvoltwioklung be steht ebenfalls aus mehreren Lagen 21 bis 25. Die innerste Lage 21 ist auf den Zy linder 2 direkt aufgewickelt, und zwar der art, dass sie an ihm dicht anliegt. Zwischen den einander benachbarten Teilen der beiden Wicklungssysteme, das heisst also zwischen ,den Zylindern 15.
und 2'1, befindet sich nur festes Isoliermaterial, nämlich der aus öl- getränktem Papier bestehende Zylinder 2, und ferner bildet sich zwischen den genann ten Wicklungsteilen vermöge ihres homo genen Aufbaues als Röhrenspulen ein gleich mässig verteiltes 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 zum Beispiel aus Hartpapier besteht, so ist es zweck mässig, um ein dichtes Anliegen der Win dungen an dem Isolierkörper sicherzustellen, entweder .die Isolation der einzelnen Wick lungsdrähte aus nachgiebigem Material her zustellen, oder zwischen dem Isolierzylinder und der Wicklung nachgiebige Zwischen- la,-en anzuordnen.- Zur Vergleichmässigung des Feldes an den Spulenenden können die Wicklungszylinder,
insbesondere die der Hochvoltwicklung, an den Stirnflächen wie derum Abrundungskörper erhalten.
Um eine gute Kühlung der einzelnen Wicklungslagen zu erzielen, was insbesondere für Transformatoren grosser Leistung wichtig ist, sind zwischen den einzelnen Lagen ent sprechende Kühlkanäle angeordnet. Man kann aber auch mehrere Lagen gruppenweise zusammenfassen und die Kühlkanäle nur zwischen je zwei Gruppen vorsehen. Beson ders vorteilhaft ist die in der Abbildung dar gestellte paarweise Zusammenfassung je zweier aufeinander folgender Lagen, wobei je eine Seite jeder Wicklungslage gekühlt ist.
Die Kühlungskanäle 31 bis 34 dienen zur Kühlung der Wicklungslagen 12 bis 15 bezw. 21 bis 24. Die zwischen den ein zelnen Lagenpaaren angeordneten Isolier- zylinder 41, 43 beeinträchtigen die Kühlung der von ihnen überdeckten Wicklungslagen nicht merklich, da sie ebenso wie der Isolier- zylinder 2 aus ölgetränktem Papier bestehen.
Da je zwei aufeinanderfolgende Wicklungs lagen an einem Ende miteinander verbunden ,sind, so brauchen die Zylinder 41 bis 44, ebenso wie bei der Anordnung der Abb. 1, nur an dem .der Verbindungsstelle der beiden zugehörigen Lagen abgekehrten En-de mit Flanschen versehen zu sein. So besitzt der Zylinder 41 seinen Flansch unten, da die Verbindungsstelle der Wieklungslagen 21 und 2,2 oben liegt. Der Isolierzylinder 42 hat dagegen seinen Flansch oben, weil die Wicklungen 22 und 23 am untern Ende mit einander verbunden sind.
An Stelle dieser Anordnung wäre es auch möglich, durch ge eignete Umleitungen die aufeinanderfolgen den Wicklungslagen derart miteinander zu verbinden, dass die Spannung in jeder Lage in,der gleichen Richtung, also zum Beispiel von unten nach oben ansteigt. In ,diesem Falle würde die Spannungsdifferenz zwi schen auf gleicher Höhe liegenden Punkten aufeinander folgender Lagen stets gleich sein, während sie bei der dargestellten Anordnung jeweils von Null bis zur doppelten Lagen spannung anwächst.
Es ist bei der Niedervoltwicklung nicht unbedingt erforderlich, einen röhrenartigen Wicklungsaufbau zu wählen. Man kann viel mehr in manchen Fällen auch einen scheiben artigen Aufbau verwenden. In diesem Falle ist es zweckmässig, zur Erzielung der er forderlichen Homogenität ,des Feldes die der Wicklung benachbarte Oberfläche des Iso- lierzylinders zu metallisieren und die Metall schicht mit einem Punkt der Scheibenwick lung zu verbinden.
Ebenso ist es vorteilhaft, die äusserste Lage der Hochvoltwicklung elektrostatisch abzuschirmen; dies kann zum Beispiel durch Verwendung eines aus Metall bestehenden Schirmes oder auch eines me tallisierten 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 min- destens einmal miteinander verschränkt.
Die Unterteilung ist beiden unmittelbar auf dem Isolationszylinder 2 befindlichen Wicklungen 15 und 21 am stärksten, und zwar ist jeder Leiter dieser Lagen und der Lagen 1,4 und 22 in drei Teile unterteilt. Die darauf fol genden Lagen 23, 24 bezw. 12, 13 besitzen zweifach unterteilte Leiter, während die äusserste Zage 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 zum Beispiel so vorgenommen, dass man die ganze Spule in drei Teile unterteilt und die Leiter in jedem Drittel verschiedene Lagen einnehmen lässt. Beiden zweifach un- terteilten Lagen erfolgt die Verschränkung mit Vorteil in der Mitte. Bei rechteckigem Querschnitt der Leiter erfolgt ihre Unter teilung zweckmässigerweise in radialer Rich tung, so dass die Leiter in Achsrichtung der Spulen die grössere Breite besitzen.
Da die Zusatzverluste infolge der Stromverdrängung nach dem Streukanal hin quadratisch zuneh men, so ist mit Vorteil die Unterteilung der Leiter in der Nähe des Streukanals am stärksten und nimmt mit .der Entfernung von demselben ab bezw. unterbleibt schliess lich ganz. Die gestaffelte Unterteilung der Leiter, gemäss welcher die äussern 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 Verrin gerung 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.
Schliesslich kann man die Verluste am Streukanal auch noch dadurch klein halten, dass man für .die in seiner Nähe befindlichen Lagen zwecks Verringerung der radialen Höhe der Leiter unter axialer Verbreiterung derselben, eine kleinere Windungszahl als in den vom Streukanal weiter entfernten Lagen ausführt. Die angegebenen Mittel zur Ver- ringerung der Verluste am Streukanal kann man im übrigen einzeln oder .auch kombiniert anwenden. Die beschriebenen und gezeich neten Ausführungsbeispiele und Varianten lassen zum Teil nicht alle im Patentanspruch erwähnten Merkmale erkennen.
Trotzdem sind letztere durchwegs als vorhanden zu be trachten.