Elektrische Isolationsanordnung für hohe Spannungen, insbesondere für Transformatoren <B>und</B> Drosselspulen. Bei elektrischen Isolationsanordnungen lie gen die Schwierigkeiten im allgemeinen in der Beherrschung des Randproblems.
Das gilt hisbesondere auch für die Wicklung von Hoeh- spannun gsapparaten, die bei höheren Spa.n- nungen fast ausschliesslich unter Öl gesetzt werden und bei denen sich etwa zwei Wick- limgen mit grossem Potentialunterschied ge genüberstehen oder bei denen eine Wicklung niit hohem Potential auf einem auf iP"rdpoten- ti il. befindliehen Kern aufgebracht ist.
Solche -zInordnungen ergeben sich bei allen Hoch- spannimgsti-ansformatoren und Messwand- lern sowie bei Drosselspulen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu- gilnncle, diese Schwierigkeiten mit. einem mög- liehst geringen Aufwand an Mitteln zu ver mindern. An Hand der Fig.1 bis 3, die be kannte Ausführungsformen darstellen, seien die bei der Isolation auftretenden Schwierig keiten erläutert.
In Fig.l ist im Schnitt das Ende einer Röhrenwicklung eines Hochspannungstrans formators dargestellt, wobei die wie üblich aussen liefende Oberspannungswicklung 1 durch einen ölgetränkten Weichpapierzylin- der 3 von der Unterspannungswicklung 2 iso liert ist.
Um die hohen Feldstärken, die sich aus der Zusammendrängung der Kraftlinien an der Wieklungskante 6 der Oberspannungs- wicldun- gegen die Unterspannungswicklung und, gegen das Joch ergeben, zu vermindern, wird gewöhnlich eine metallische oder metalli sierte, geschlitzte Schirmelektrode 4 vorgese hen, die, mit der dicken Weichpapierisolation 5 versehen, die nicht so gut zu isolierende Wicklungskante 6 abschirmt. Ausserdem er füllt die Sehirmelektrode gegebenenfalls auch noch Steuerwirkungen hinsichtlich der Stoss beanspruchung der Wicklung 1..
Einen erheblichen Fortschritt gegenüber dieser Anordnung brachte die Einführung des bekannten Winkelringes, wie er in einer sehr wirksamen Form in Fig.2 dargestellt. Der Winkelring 7 ist im dargestellten Fall aus dem Material des Zylinders 3 durch Umreissen hergestellt. Es ist damit möglich, die Stärke der Isolationsschicht der Schirmelektrode 4 gegen die Unterspannungswicklung 2 zu er höhen; diese setzt sich jetzt zusammen aus der Dicke der Isolation 5 und der des Winkelrin ges 7, ohne dass die Elektrode 4 im gleichen Masse von der zu schützenden Wicklungskante 6 zurückgenommen werden muss.
Diese elektrisch günstige Form des Win kelringes kann jedoch in den Fällen nicht an gewendet werden, bei denen die Wicklung 1 nach dem Aufbau aus Gründen der Kurz schlussfestigkeit noch gepresst werden muss. Sie verkürzt dann ihre axialen Abmessungen unter Umständen so beträchtlich, dass der Winkelring 7 nicht folgen kann und einreisst. Hier brachte der gleitende Winkelring Ab hilfe, wie er in Fig. 3 in Verbindung mit dem bisher gezeigten Wicklungsaufbau dargestellt ist.
Der Weichpapierzylinder ist nun in die den Wicklungen unmittelbar anliegenden Tei len 3a. und 3g- aufgeteilt; zwischen ihnen kann der auf der Schirmelektrode 4 aufliegende Winkelring 7, der ein kurzes 7y lindrisehes Stück 8 besitzt, axialen Bewegungen der Wieklung 1 folgen. Allerdings ergibt sich jetzt unmittelbar an der Schirmelektrode 4 ein schädlicher Raum 9, der hochspannungs technisch ungünstig ist und den man so klein wie möglich halten muss.
Vollständig lässt er sieh jedoch nicht vermeiden, man wird ihn in um. so stärkerem Masse vergrössern müssen, je grösser die Spulenhöhe wird, da die erforder lichen Werkstattoleranzen dann ebenfalls grö ssere Beträge annehmen. Ausserdem muss ge genüber der Ausführung nach Fig. 2 bei glei cher Spannung der Abstand Oberspannung- Unterspannung angenähert -um die Dicke des zylindrischen Teils 8 des Winkelringes 7 er höht werden, was ebenfalls nachteilig ist.
Die technische Anwendung der Winkel ringe ist heute ausserordentlich hoch entwik- kelt - es werden bei höheren Spannungen auch zwei, drei oder mehrere Winkelringe hin tereinander angeordnet -, sie ermöglichte eine wesentliche Verminderung des Material aufwandes vor allem bei Grosstransformatoren höherer Spannung.
Man ersieht nun aus Fig.:4, in der für die konstanten Metallabstände der Oberspan- uungs- gegen die Unterspannungswicklung der Verlauf der Anfangsspannung, bei der die elektrischen Entladungen einsetzen, nach der Anordnung von Fig.2 in Abhängigkeit. vom gesamten Papiereinschlag der Schirm elektrode 4 - also vom Isolationsauftrag 5 plus Stärke des Winkelringes 7 - dargestellt ist, dass über einen gewissen Wert hinaus eine Verstärkung dieses Einschlages zwecklos ist, da trotz Erhöhung des Isolationsauftrages eine Steigerung der Anfangsspannung nicht möglich ist.
Das Ziel der Erfindung ist, eine Isola tionsanordnung zu schaffen, die gute elek trische Eigenschaften mit. dem Vorteil einer arbeitssparenden Herstellung vereinigt. Das kann erfindungsgemäss dadurch erreicht wer den, dass die Stärke der Isolation der Schirm elektrode auf der Seite der maximalen Span- nungsbeanspruehung ein Mehrfaches der Stärke der Isolation an den weniger bean spruchten Stellen beträgt.
In den Fig. 5 bis 7 sind Ausführungsbei- spiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Gemäss Fig.5 ist der Sehirmring 4 selimälei- ausgeführt als in Fig.l.;
seine Weiclipapier- isolation 5 ist auf den beiden Sehmalseiten und auf der der Oberspaiinungswieklung an liegenden Seite in gleicher Stärke aufgebracht wie im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1, während auf der vierten freien Seite diese Isolation durch ein Isolationspolster 10 auf ein Mehrfaches der Stärke an der Stelle 5 er höht ist. Dadurch, dass an den Stellen hoher elektrischer Beanspruchung das öl durch das elektrisch hoehwertigere feste Material, wie z.
B. Weiehpapier oder Pressspan, verdrängt ist, ergibt sich eine höhere elektrische Festig- heit der Anordnung. Bei einer Versuehsaus- führung, die entsprechend Fig. 4 etwa den wirtschaftlich vertretbaren Höchstwert der Anfangsspannung erzielt.
hatte - der ge samte Papiereinsehlag der Sehirmelektrode war etwa ein Fünftel des Elektrodenmetall- abstandes - ergab sich bei praktisch glei- ehem Aufwand an Weichpapierisolation und Wickelarbeit für den Schirmring durch das Einbandagieren von Pressspanscheiben 15 und 17 nach Fig. 6 eine Erhöhung der Einminu- ten-AnfangSwechselspannung um 7511/o. Zu dem Fortschritt in elektrischer Hinsicht ge sellt sieh noch ein solcher in fertigungstech nischer
Hinsicht, da die Sehirmelektrode mit samt ihrer Polsterung unabhängig von der Spule fertiggestellt werden kann. Auch auf eine axiale Pressung der Oberspannungswick- lung braucht jetzt, keine Rücksicht genommen zu werden; eine etwaige Toleranz des Aussen durchmessers des Weichpapierzylinders 3 und des Innendurchmessers des gepolsterten Rin ges lässt sich durch Aufwickeln von Weich papier auf den Ring bzw. durch Abnahme einiger Lagen vom Zylinder 3 ausgleichen. Das satte Anfliegen der gepolsterten Elek- irode auf den Zylinder 3 ist somit gewährlei stet.
In der schon vorstehend ausgeführten Fig. 6 ist eine gepolsterte Elektrode 10 im ver grösserten Massstab nochmals herausgezeich- net. 4 ist der elektrische Schirmring,<B>11</B> zwei 1)rälite der 0berspannungswic'klung, auf der der isolierte Schirmring aufliegt. Diese sind mit der Drahtisolation 12 und als Eingangs spule finit einer Verstärkung 13 isoliert. Der Isolationszylinder zwischen Oberspannungs- -Lind Unterspannungswieklung ist wie in den übrigen Figuren mit 3 bezeichnet.
Die Isolation des Sehirmrin-es wird so hergestellt., dass auf die Ringelektrode 4 eine dünne Lage Papierband 1.4 in der üblichen Weise aufgewickelt wird, und darauf werden die Pressspanringseheiben 15 mit einer dün nen, elektrisch dicht gewickelten Papierban dage 16 aufgepolstert; anschliessend werden dann die etwas breiteren Pressspanseheiben 17 mit der Bandage 18 aufgebracht.
Die Summe der Teile 14, 16 und 18 ergibt die Gesamt höhe 5 an aufgewickeltem W eiehpapier. Die Unterteilun;, der Weichpapierringseheiben in dünne Scheiben ist im Interesse leichterer und genauerer Herstellung empfehlenswert. Es ist von grosser Bedeutung, auf möglichste Klein heit der schädlichen Räume 19 und 20 zu ach ten.
Dieses wird dadurch erzielt, dass man die Elektrode 4 mit in bezug auf die Feldstärke- erhöhurr#y kleinstzulässigen Abrundungen a.us- fülirt. Die (lrösse dieser Räume ist nun nicht mehr von der absoluten Grösse des Transfor mators und der Einhaltung grosser Spulen masse auf Bruchteile eines Prozentes abhän gig, sondern einzig und allein von der Ge nauigkeit, mit der die Elektrode 4 und die Ringsebeiben 15 und 1.7 durch Drehen und Stanzen bzw. durch eine Ringschneidema schine hergestellt werden. Hierbei lassen sieh die Masse auf Millimeterbruchteile einhalten.
Die Zahl und Unterteilung der Polsterschei ben ist dem jeweiligen Zweck anzupassen. Ist zwischen dem Isolationszylinder 3 und der Oberspannungswieklung 1 ein Kühlkanal er forderlich, so wird dieser zweckmässig durch Leisten gebildet. hie Polsterelektrode wird dann mit. der Oberspannungswieklung zusam- meri über diese Leisten geschoben. Die Erhö hung der elektrischen Festigkeit ist bei dieser Anordnung gegenüber der bekannten Anord- nung mit Winkelring zwar nicht so gross wie bei der Ausführung gemäss Fig. 5. In erster Linie sind aber hier die herstellungsgemässen Vorteile wertvoll.
Ein praktisch besonders wichtiger Fall, bei dem sich durch Anwendung von Polster elektroden ein besonders einfacher Aufbau erzielen lässt, ist in Fig. 7 wiedergegeben, bei dein es sich um einen Transformator mit dop peltkonzentrischer Wicklung handelt. Hierbei ist 1. die geteilte, von den beiden Unterspan nungswicklungen 2 umgebene Oberspannungs- wieklung mit den verstärkten isolierten Ein gangsspulen 23. Die Oberspannungswicklung ist durch je einen Isolierzylinder 3 isoliert. Der Ölkanal 21 für die Kühlung der Ober spannungswieklung ist zwischen der geteilten Oberspannungswieklung 1 angeordnet.
Das Randproblem zwischen der Oberspannungs- und der Unterspannungswicklung wird durch die aufgepolsterten Schirmringe 4 gelöst. Der auf der Oberspannungswieklung aufgebrachte Schirmring 4 dient ausserdem noch in Verbin dung mit der Pressspanbarriere 24 und der Jochabdeckung 25 der Isolation gegen das Joch 27. Der Eisenkern des Transformators ist mit 26 bezeichnet. Der dargestellte Auf bau ergibt sich zwanglos unter Benutzung der bisher erwähnten Einzelteile und der allge mein verwendeten Barrieren und Abdeckun gen.
Lediglich die Polsterelektrode 4 der Ober spannungswicklung ist mit einem zusätzlichen, besonders starken Polster 22, etwa aus Hart papier, versehen. Hiermit wird erreicht, dass die Beanspruchung des freien Öls unter- und oberhalb der Barriere 24 in zulässigen Gren zen bleibt. Ausserdem ermöglicht dieser Ring 22 eine gute Spulenabstützung. Besonders fällt bei diesem Aufbau auf, dass die Ölströ- mung denkbar einfach ohne bremsende Mehr fachumleitungen verläuft.
Auf eine Eigenschaft der Polsterelektrode ist noch hinzuweisen; durch -Wahl der Polster scheiben aus einem Material wesentlich höhe rer Dielektrizitätskonstante als Öl - das ist der Fall bei pressspan, der mit Öl getränkt etwa die zweifaehe Dielektrizitätskonstante be sitzt wie das Öl - kann erreieht werden, dass die hohe elektrische Beanspruchung in der Nähe der Schirmelektrode 4 gemildert und weiter von ihr verlegt wird, und zwar an Stel len, die ohne diese Feldsteuerung nur sehleelit ausgenutzt werden.
Das feste Isolationspolster kann gegebenenfalls auch so hergestellt wer den, dass ein Isolierstoff, z. B. Hartgummi oder Isolierpressstoff, um die Schirmelektrode herumgepresst wird.
Die beschriebene Polsterelektrode ist über die als Anwendungsbeispiele angeführten Fälle hinaus vielseitig verwendbar. So zum Beispiel bei Kabelendversehlüssen für hohe Spannung zur Abschirmung des hoch bean spruchten Kabelmantelendes, für ölgefüllte Hoelispannungsdurehfiihrungen aller Art zur Abschirmung des Durehführungsflansehes. Die Anwendung ist aber nietet nur auf Rand probleme, die sieh wie im vorstehenden in er ster Linie als Durchführungsprobleme erge ben, beschränkt, sondern sie empfiehlt sieh auch bei ebenen.
Anordnungen, etwa bei der Isolation der Ränder eines Hoehspannungs- plattenkondensators und in ähnlichen Fällen. Weiter ist darauf hinzuweisen, dass in man ehen Fällen sieh durch zweekentspreehende Kombination von Polsterelektroden mit. Win- kelringen günstige Anordnungen erzielen las sen.
Electrical isolation arrangement for high voltages, especially for transformers <B> and </B> inductors. In electrical insulation arrangements, the difficulties are generally in the control of the edge problem.
This also applies in particular to the winding of high voltage devices, which are almost exclusively exposed to oil at higher voltages and in which about two windings with a large potential difference face each other or in which one winding with a high potential is applied to a core located on iP "rdpoten- ti il.
Such arrangements occur with all high-voltage stabilizers and instrument transformers as well as with inductors.
The object of the invention is zu- gilnncle to overcome these difficulties. to reduce as little expenditure of funds as possible. With reference to FIGS. 1 to 3, which represent known embodiments, the difficulties encountered in the isolation will be explained.
In Fig.l the end of a tubular winding of a high-voltage transformer is shown in section, the high-voltage winding 1 running outside as usual is insulated from the low-voltage winding 2 by an oil-soaked soft paper cylinder 3.
In order to reduce the high field strengths that result from the constriction of the lines of force at the cradle edge 6 of the high-voltage winding against the low-voltage winding and against the yoke, a metallic or metallized, slotted shielding electrode 4 is usually provided which, provided with the thick soft paper insulation 5, which shields the winding edge 6 that is not so well insulated. In addition, it fills the screen electrode, if necessary, also control effects with regard to the shock load on the winding 1 ..
The introduction of the well-known angle ring, as shown in a very effective form in FIG. 2, brought about a considerable advance over this arrangement. The angle ring 7 is made in the illustrated case from the material of the cylinder 3 by outlining. It is thus possible to increase the thickness of the insulation layer of the shield electrode 4 against the low voltage winding 2; this is now composed of the thickness of the insulation 5 and that of the Winkelrin total 7, without the electrode 4 having to be withdrawn to the same extent from the winding edge 6 to be protected.
However, this electrically favorable form of the Win kelring can not be used in those cases in which the winding 1 still has to be pressed after construction for reasons of short-circuit strength. It then shortens its axial dimensions under certain circumstances so considerably that the angle ring 7 cannot follow and tears. Here brought the sliding angle ring from help, as shown in Fig. 3 in connection with the winding structure shown so far.
The soft paper cylinder is now in the Tei len directly adjacent to the windings 3a. and 3g- split; between them the angular ring 7 resting on the shield electrode 4, which has a short 7y lindrisehes piece 8, can follow axial movements of the rocking 1. However, there is now a harmful space 9 directly at the shield electrode 4, which is technically unfavorable for high voltage and which must be kept as small as possible.
However, you cannot avoid it completely, you will see it in around. the greater the mass, the greater the reel height, since the required workshop tolerances then also assume greater amounts. In addition, ge compared to the embodiment of FIG. 2 at the same voltage, the distance high-voltage-low voltage approximated-to the thickness of the cylindrical part 8 of the angle ring 7 he increased, which is also disadvantageous.
The technical application of the angle rings is extremely well developed today - two, three or more angle rings are arranged one behind the other at higher voltages - it enabled a significant reduction in the amount of material used, especially for large transformers with higher voltages.
You can now see from Fig. 4, in which for the constant metal distances between the high-voltage winding and the low-voltage winding, the course of the initial voltage at which the electrical discharges set in, according to the arrangement of FIG. From the entire paper wrapping of the shielding electrode 4 - i.e. from the insulation application 5 plus the thickness of the angular ring 7 - it is shown that beyond a certain value it is pointless to strengthen this impact, since an increase in the initial voltage is not possible despite an increase in the insulation application.
The aim of the invention is to create an isolation arrangement with good electrical properties. combined the advantage of labor-saving production. This can be achieved according to the invention in that the thickness of the insulation of the shielding electrode on the side of the maximum voltage stress is a multiple of the thickness of the insulation at the less stressed points.
In FIGS. 5 to 7, exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown. According to FIG. 5, the visual shield ring 4 is designed similarly to that in FIG. 1;
Its white paper insulation 5 is applied to the two sides of the Sehmal and on the side adjacent to the upper chipboard with the same thickness as in the exemplary embodiment according to FIG 5 it is elevated. The fact that at the points of high electrical stress the oil through the electrically higher quality solid material, such as.
B. soft paper or pressboard is displaced, the result is a higher electrical strength of the arrangement. In a test version which, as shown in FIG. 4, achieves approximately the economically justifiable maximum value of the initial voltage.
had - the entire paper wrapping of the screen electrode was about a fifth of the electrode metal distance - the one-minute increase resulted from the binding of chipboard disks 15 and 17 according to FIG. 6 with practically the same amount of soft paper insulation and wrapping work for the screen ring -Initial AC voltage around 7511 / o. In addition to the progress in electrical terms, see also progress in manufacturing technology
Regard, since the visor electrode with its padding can be completed independently of the coil. Axial compression of the high-voltage winding does not need to be taken into account either; Any tolerance of the outer diameter of the soft paper cylinder 3 and the inner diameter of the padded ring can be compensated for by winding soft paper onto the ring or by removing a few layers from the cylinder 3. This ensures that the padded electrode lies close to the cylinder 3.
In FIG. 6 already mentioned above, a padded electrode 10 is shown again on an enlarged scale. 4 is the electrical shielding ring, <B> 11 </B> two 1) parts of the overvoltage coil on which the insulated shielding ring rests. These are finitely insulated with a reinforcement 13 with the wire insulation 12 and as an input coil. The insulation cylinder between the high-voltage and the low-voltage voltage is denoted by 3, as in the other figures.
The insulation of the Sehirmrin-es is produced in such a way that a thin layer of paper tape 1.4 is wound on the ring electrode 4 in the usual way, and then the Pressspanringseheiben 15 are padded with a thin, electrically tightly wound paper tape 16; then the somewhat wider pressboard discs 17 with the bandage 18 are then applied.
The sum of the parts 14, 16 and 18 results in the total height 5 of wound paper. The subdivision of the soft paper ring washers into thin slices is recommended in the interest of easier and more precise production. It is very important to ensure that harmful spaces 19 and 20 are kept as small as possible.
This is achieved in that the electrode 4 is filled with the smallest permissible roundings a with regard to the field strength increase. The size of these spaces is no longer dependent on the absolute size of the transformer and compliance with the large coil mass to a fraction of a percent, but solely on the accuracy with which the electrode 4 and the rings 15 and 1.7 pass through Turning and punching or by means of a ring cutting machine, whereby the dimensions can be kept to a fraction of a millimeter.
The number and subdivision of upholstery discs must be adapted to the respective purpose. If a cooling channel is required between the insulating cylinder 3 and the upper voltage unit 1, this is expediently formed by strips. The pad electrode is then with. pushed together over these strips of the high-tension balance. The increase in electrical strength with this arrangement compared to the known arrangement with an angular ring is not as great as in the embodiment according to FIG. 5. However, the advantages according to the manufacture are primarily valuable here.
A particularly important case in practice, in which a particularly simple structure can be achieved by using upholstery electrodes, is shown in FIG. 7, in which it is a transformer with double concentric winding. Here, 1. is the divided high-voltage winding surrounded by the two low-voltage windings 2 with the reinforced, isolated input coils 23. The high-voltage winding is insulated by an insulating cylinder 3 each. The oil channel 21 for cooling the upper voltage balance is arranged between the split high voltage balance 1.
The edge problem between the high voltage and the low voltage winding is solved by the padded shield rings 4. The shielding ring 4 applied to the high voltage voltage also serves in conjunction with the pressboard barrier 24 and the yoke cover 25 for insulation against the yoke 27. The iron core of the transformer is denoted by 26. The construction shown on arises casually using the items mentioned so far and the general barriers and covers used.
Only the pad electrode 4 of the upper voltage winding is provided with an additional, particularly strong pad 22, for example made of hard paper. This ensures that the stress on the free oil below and above the barrier 24 remains within permissible limits. In addition, this ring 22 enables good coil support. What is particularly noticeable about this structure is that the oil flow is extremely simple, with no braking multiple diversions.
One property of the pad electrode should also be pointed out; By choosing the upholstery made of a material with a significantly higher dielectric constant than oil - this is the case with pressboard, which when saturated with oil has roughly twice the dielectric constant of oil - it is possible to achieve the high electrical stress in the vicinity of the Shield electrode 4 is softened and further relocated from her, namely in Stel len that are only used sehleelit without this field control.
The solid insulation pad can optionally also be produced in such a way that an insulating material such. B. hard rubber or insulating molded material is pressed around the shield electrode.
The pad electrode described can be used in a variety of ways beyond the cases cited as application examples. For example, in the case of cable end closures for high voltage to shield the highly stressed cable sheath end, for oil-filled Hoelisspannungsdurehfiihrungen of all kinds for shielding the lead flange. However, the application is riveted only to problems at the edge, which, as in the foregoing, are in the first line as implementation problems, limited, but it also recommends looking at planes.
Arrangements, for example for the insulation of the edges of a high voltage plate capacitor and in similar cases. It should also be pointed out that in some cases you can see through a two-way combination of pad electrodes with. Angled rings can achieve favorable arrangements.