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Stossspannungssichere Wicklung Die vorliegende Erfindung betrifft eine stossspan- nungssichere Wicklung, die zumindest teilweise ineinander verschachtelte Wicklungslagen aufweist, wobei in radialer Richtung des Kernes nebeneinanderliegende Leiter gleichzeitig schraubenförmig in Richtung der Kernachse gewickelt sind.
Eine Wicklung, beispielsweise von einem Transformator, stellt bei den üblichen Frequenzen eine Induktivität dar. Falls sie jedoch durch Überspannungswellen beansprucht wird, die infolge atmosphärischer Entladung oder plötzlicher Änderungen des Netzzustandes hervorgerufen sein können, sind für die Spannungsverteilung längs der Wicklung die kapazitiven Verhältnisse entscheidend. Fig. 1 zeigt das Ersatzschaltbild eines Transformators. Hierbei ist mit A die Längsachse des Transformatorkernes, mit B die Wicklung, mit D der Wicklungsanfang, mit F das Wicklungsende bezeichnet. CE stellt die Kapazität einer Windung gegen Erde, Cw die gegenseitige Win- dungskapazität dar.
In Fig. 2 ist die Spannungsverteilung längs der Wicklungsachse DF für den stationären Zustand (Kurve G) und beim Auftreffen einer Wanderwelle (Kurve H) wiedergegeben. Es lässt sich erkennen, dass eine geradlinige Spannungsverteilung mit einer gleichmässigen Spannungsbeanspruchung der einzelnen Wicklungsteile identisch ist, da in diesem Fall die Spannungsunterschiede A U für gleiche Teile Ax konstant sind. Bei einer Spannungsverteilung nach Kurve H trifft dies jedoch nicht mehr zu. Hier weichen die Werte AU' und AU" erheblich voneinander ab.
Um Wicklungen gegen Stossspannungen zu schützen, sind bereits verschiedene Massnahmen zur Anwendung gekommen. So ist es z. B. seit langem bekannt, die Eingangswindungen stärker zu isolieren als die übrigen Windungen. Der Nachteil besteht hierbei darin, dass der erforderliche Wickelraum zunimmt und die erhöhte Spannungsbeanspruchung auf die nicht mit verstärkter Isolation versehenen Spulen verschoben werden kann, so dass an diesen Beschädigungen auftreten. Wesentliche Verbesserungen sind dann möglich, wenn das Verhältnis CE/Cw (vgl. Fig. 1) klein ist. Die Kapazität gegen Erde muss demnach möglichst niedrig, die gegenseitige Windungskapazität hingegen möglichst gross sein.
Aus diesem Grunde ist schon vorgeschlagen worden, Kapazitätsschirme anzubringen, die zwar eine gute Spannungsverteilung ergeben, die aber auch eine erhebliche räumliche Vergrösserung bedingen und zu schweren und teuren Konstruktionen führen. Ferner sind bereits Wicklungen beschrieben worden, die durch Verschachtelung der Einzelwindungen innerhalb einer Scheibenspule eine Erhöhung der gegenseitigen Windungskapazität ergeben. Diese Anordnungen sind jedoch wickeltechnisch schwierig. Sie erfordern eine grosse Anzahl von Überkreuzungen und zusätzliche Verbindungen zwischen den einzelnen Scheiben der Wicklung.
Schliesslich wurde schon vorgeschlagen, die Windungslagen von Transformatoren ineinanderzu- schachteln. Die bekannten Ausführungen sind aber auf Kleintransformatoren beschränkt und besitzen eine relativ schlechte Stossspannungsverteilung, da die kapazitive Kopplung innerhalb der Wicklung starke Unregelmässigkeiten aufweist.
Die geschilderten Mängel des Bekannten. lassen sich vermeiden, wenn erfindungsgemäss grundsätzlich immer zwei nahtlos unmittelbar verbundene Lagen gegensinnig gewickelt sind und sich stets zwischen diesen Lagen mindestens eine weitere Lage befindet, deren Verbindung mit den erstgenannten Lagen eine Nahtstelle aufweist.
Diese Nahtstelle kann als Löt-, Schweiss- oder Klemmverbindung ausgeführt sein. Die erfindungsgemässe Anordnung weist eine praktisch lineare Stossspannungsverteilung auf und ergibt wickeltechnische
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Vorteile, da die Anzahl der zusätzlichen Verbindungsleitungen sehr gering ist. Diese Leitungen sind zudem nur an leicht zugänglichen Stellen erforderlich. Ferner ist der Erfindungsgegenstand für Transformatoren jeder Leistung verwendbar, da die Lagenwicklung mit Hilfe von Kanälen, die sich in radialer Richtung zum Kern erstrecken, intensiv gekühlt werden kann.
Die Fig. 3-13 zeigen als Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes elf Transformatorwicklungen. In Fig. 3 ist wie in Fig. 1 die Kernachse mit A und der Wicklungsanfang mit D bezeichnet. Das Ende eines Wicklungsabschnittes trägt den Buchstaben K Die Einzelwindungen sind vereinfacht als Rechtecke dargestellt und fortlaufend numeriert, so dass ihre Reihenfolge leicht erkennbar ist. Zur Kennzeichnung der zum gleichen Leiter eines Wicklungsabschnittes gehörenden Windungsgänge sind die Windungen des einen Leiters schraffiert. Die gezeigte Wicklung besteht hauptsächlich aus zweigängigen Lagen, d. h. die Windungen 1, 25 bzw. 5, 29 usw. werden gleichzeitig gewickelt. Nur die letzte Windungslage ist eingängig ausgeführt (Leiter 21-24).
Der Figur ist zu entnehmen, dass im Wicklungsabschnitt DK lediglich zwischen den Windungen 24 und 25 eine zusätzliche Verbindung L angeordnet werden muss. Übereinanderliegende Wicklungsabschnitte können für sich allein hergestellt oder als Doppelabschnitte gewickelt werden. Im letzteren Fall sind keine Lötverbindungen nötig.
Fig. 4 zeigt eine Wicklung, die nach denselben Richtlinien aufgebaut ist wie die Wicklung nach Fig. 3, wobei gleiche Teile auch mit gleichen Buchstaben versehen sind. Der Unterschied liegt nur in der gewählten Anzahl der Windungen je Lage und der Lagenzahl selbst.
In Fig. 5 ist eine zweigängige Lagenwicklung dargestellt, bei welcher der die Windungen 41-44 bildende Leiter nur in einer einzigen Lage mitgeführt ist. Nach Überkreuzung der Windungen 21 und 5 erfolgt die weitere Aufwicklung in der schon aus den Fig. 3 und 4 ersichtlichen Weise. Die freien Enden D und K liegen, im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Anordnungen, auf der gleichen Seite des Wicklungsabschnittes. Es sind allerdings zwei Verbindungsleitungen (zwischen den Windungen 40, 41; 20, 21) nötig.
Nach Fig. 6 werden zunächst drei in radialer Richtung des Kernes nebeneinanderliegende Leiter zu einer dreigängigen Windungslage in Richtung der Kernachse gewickelt und die übrigen Lagen zweigängig ausgeführt. Die doppelt schraffierten Windungen 49-52 gehören zu einem Leiter, der nur einen einzigen Gang innerhalb eines Wicklungsabschnittes bildet. Zwischen dem zweiten und dem letzten sowie zwischen dem dritten und dem vorletzten Windungsgang sind Verbindungsleitungen angeordnet.
Fig. 7 stellt eine verschachtelte Wicklung dar, bei welcher die erste und die letzte Windungslage eingängig, die dazwischenliegenden Windungslagen jedoch zweigängig ausgeführt sind. Die freien Enden des Wicklungsabschnittes liegen am zweiten und am vor- letzten Gang. Zwischen der ersten und der letzten Lage ist eine Verbindungsleitung vorhanden.
In Fig. 8 ist eine Wicklung gezeigt, bei welcher die erste Windungslage fünfgängig und die nächste Windungslage viergängig ausgebildet ist. Der die Windungen 81-90 bildende Leiter wird nur in der ersten Lage mitgeführt. Nach Überkreuzung der Windung 71 mit den Windungen 31 und 51 schreitet die Wicklung viergängig fort. Die dargestellte Anordnung erfordert vier Verbindungsleitungen.
In den Fig. 9 und 10 sind noch zwei weitere Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes angegeben, bei denen die Verschachtelung von drei Leitern innerhalb eines Wicklungsabschnittes vorgenommen ist, der aus Wicklungsteilen besteht, die in radialer Richtung des Kernes nebeneinanderliegen und die aus je zwei Leitern gebildet sind, wobei nur einer der Leiter beiden Wicklungsteilen zugehört.
Fig. 11 gibt eine Reihenparallelschaltung wieder, bei welcher die einzelnen Abschnitte der Wicklung entsprechend Fig. 3 aufgebaut sind. Der Eingang dieser Anordnung ist mit M bezeichnet.
Weitere Möglichkeiten der Reihenparallelschaltung zeigen die Fig. 12 und 13. Die zwischen D und K gelegenen Abschnitte von Fig. 12 sind der in Fig. 4 angegebenen Wicklung ähnlich. Bei der in Fig. 13 dargestellten Ausführung sind in radialer Richtung des Kernes nebeneinanderliegendeWicklungsabschnitte parallelgeschaltet.
Die Kernachse A könnte bei den Ausführungen nach Fig. 3-13 auch auf der andern Seite der Wicklung angeordnet sein.
Der Erfindungsgegenstand ist an sich weder hinsichtlich der Lagenzahl noch der Windungszahl je Lage begrenzt. Lediglich die zwischen nebeneinanderliegenden Leitern zulässige Höchstspannung wird für den jeweiligen Fall eine bestimmte Ausführungsform nahelegen.
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Surge-proof winding The present invention relates to a surge-proof winding which has at least partially nested winding layers, conductors lying next to one another in the radial direction of the core being simultaneously wound helically in the direction of the core axis.
A winding, for example from a transformer, represents an inductance at the usual frequencies. However, if it is stressed by overvoltage waves, which can be caused by atmospheric discharge or sudden changes in the network status, the capacitive conditions are decisive for the voltage distribution along the winding. Fig. 1 shows the equivalent circuit diagram of a transformer. Here, A denotes the longitudinal axis of the transformer core, B denotes the winding, D denotes the beginning of the winding, and F denotes the end of the winding. CE represents the capacity of one turn to earth, Cw the mutual turn capacity.
In Fig. 2 the voltage distribution along the winding axis DF for the steady state (curve G) and when a traveling wave hits (curve H) is shown. It can be seen that a straight voltage distribution with a uniform voltage stress on the individual winding parts is identical, since in this case the voltage differences A U are constant for the same parts Ax. In the case of a stress distribution according to curve H, however, this no longer applies. Here the values AU 'and AU "differ considerably from one another.
Various measures have already been used to protect windings against surge voltages. So it is e.g. B. has long been known to isolate the input turns more strongly than the other turns. The disadvantage here is that the required winding space increases and the increased voltage stress can be shifted to the coils which are not provided with reinforced insulation, so that damage occurs to them. Significant improvements are possible when the ratio CE / Cw (see FIG. 1) is small. The capacity to earth must therefore be as low as possible, but the mutual winding capacity must be as large as possible.
For this reason, it has already been proposed to attach capacitance screens which, although they result in a good voltage distribution, but which also require a considerable increase in space and lead to heavy and expensive constructions. Furthermore, windings have already been described which, by nesting the individual windings within a disc coil, increase the mutual winding capacitance. However, these arrangements are difficult in terms of winding technology. They require a large number of crossovers and additional connections between the individual disks of the winding.
Finally, it has already been proposed to nest the winding layers of transformers one inside the other. The known designs are limited to small transformers and have a relatively poor surge voltage distribution, since the capacitive coupling within the winding has strong irregularities.
The described shortcomings of the known. can be avoided if, according to the invention, two seamlessly directly connected layers are always wound in opposite directions and there is always at least one further layer between these layers, the connection of which with the first-mentioned layers has a seam.
This seam can be designed as a soldered, welded or clamped connection. The arrangement according to the invention has a practically linear surge voltage distribution and results in winding technology
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Advantages because the number of additional connecting lines is very low. These lines are also only required in easily accessible places. Furthermore, the subject matter of the invention can be used for transformers of any power rating, since the layer winding can be intensively cooled with the aid of channels which extend in the radial direction towards the core.
FIGS. 3-13 show eleven transformer windings as exemplary embodiments of the subject matter of the invention. In FIG. 3, as in FIG. 1, the core axis is denoted by A and the beginning of the winding is denoted by D. The end of a winding section bears the letter K. The individual windings are shown in simplified form as rectangles and consecutively numbered so that their order is easily recognizable. To identify the turns belonging to the same conductor of a winding section, the turns of one conductor are hatched. The winding shown consists mainly of two-course layers, i.e. H. the turns 1, 25 or 5, 29 etc. are wound at the same time. Only the last layer of turns has a single thread (conductors 21-24).
It can be seen from the figure that an additional connection L only needs to be arranged in the winding section DK between the turns 24 and 25. Overlying winding sections can be produced individually or wound as double sections. In the latter case, no solder connections are necessary.
FIG. 4 shows a winding which is constructed according to the same guidelines as the winding according to FIG. 3, the same parts also being provided with the same letters. The only difference lies in the number of turns selected per layer and the number of layers itself.
In Fig. 5, a two-course layer winding is shown in which the conductor forming the turns 41-44 is carried along in only a single layer. After the turns 21 and 5 have crossed, the further winding takes place in the manner already evident from FIGS. 3 and 4. In contrast to the arrangements described so far, the free ends D and K are on the same side of the winding section. However, two connecting lines (between turns 40, 41; 20, 21) are required.
According to FIG. 6, three conductors lying next to one another in the radial direction of the core are first wound to form a three-turn layer in the direction of the core axis and the remaining layers are designed with two turns. The double-hatched turns 49-52 belong to a conductor which only forms a single turn within a winding section. Connecting lines are arranged between the second and the last and between the third and the penultimate turn.
FIG. 7 shows a nested winding in which the first and last winding layers are single-thread, but the winding layers between them are double-thread. The free ends of the winding section are on the second and the penultimate course. There is a connecting line between the first and the last layer.
In FIG. 8, a winding is shown in which the first layer of turns has five turns and the next layer of turns has four turns. The conductor forming turns 81-90 is only carried in the first layer. After the turn 71 has crossed with the turns 31 and 51, the winding proceeds in four turns. The arrangement shown requires four connecting lines.
9 and 10 show two further exemplary embodiments of the subject matter of the invention, in which three conductors are nested within a winding section which consists of winding parts which lie next to one another in the radial direction of the core and which are each formed from two conductors, with only one of the conductors belonging to both winding parts.
FIG. 11 shows a series parallel connection in which the individual sections of the winding are constructed as shown in FIG. The entrance to this arrangement is labeled M.
12 and 13. The sections of FIG. 12 located between D and K are similar to the winding indicated in FIG. 4. In the embodiment shown in Fig. 13, winding sections lying next to one another are connected in parallel in the radial direction of the core.
In the embodiments according to FIGS. 3-13, the core axis A could also be arranged on the other side of the winding.
The subject matter of the invention is not limited in terms of the number of layers or the number of turns per layer. Only the maximum voltage permitted between adjacent conductors will suggest a specific embodiment for the respective case.