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Verfahren zur Herstellung von Hochspannungsspulen für Hochspannungstransformatoren Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Hochspannungsspulen für Hochspannungstransformatoren, insbesondere solcher kleinerer Leistung von 0,5 bis 50 kVA.
Bei Transformatoren grösserer Leistung mit Spannungen in der Grössenordnung 100 kV bis 150 kV gegen Erde wird die Abmessung des Transformators vorwiegend durch das erforderliche Eisen- und Wicklungsvolumen und die notwendigen Anordnungen zur Kühlung von Eisen und Wicklungen bestimmt, während die Massnahmen zur Beherrschung der Spannung innerhalb des Transformators wegen der an sich grossen Abmessungen vergleichsweise konstruktiv besser zu bewältigen sind als bei kleinen Transformatoren des obengenannten Leistungsbereiches.
Transformatoren für die genannten hohen Spannungen bei kleinen Leistungen kommen vorwiegend in der Röntgentechnik vor, ausserdem als Prüf- und Messtransformatoren. Bei ihnen bestimmen die Massnahmen zur Beherrschung der Spannung vorwiegend die Abmessungen des Transformators und des Isolier- flüssigkeitsbehälters und damit das Gewicht und die Kosten.
Die Hochspannungswicklungen von Transformatoren dieser Art werden in der Regel als Lagenwick- lungen ausgeführt. Die Fig. 1 der beiliegenden Zeichnung zeigt beispielsweise in vereinfachter Darstellung im Schnitt den Aufbau eines Teiles eines derartigen Transformators. Es sind dabei alle für die nachfolgende Erklärung nicht erforderlichen Einzelteile fortgelassen, und es ist angenommen, dass es sich um eine einpolig geerdete Hochspannungswicklung handelt.
In Fig. 1 ist 1 die geerdete Begrenzung des Wicklungsfensters, die durch den Eisenkern oder die Wandungen des Flüssigkeitsbehälters gegeben sein kann, während 2 die Unterspannungswicklung darstellt. Die Fläche 3 ist durch die Hochspannungswicklung ausgefüllt, und zwar ist die Wicklung aus dünnen Lackdrähten, mit ihrem geerdeten Ende auf dem Isolierzylinder 4 beginnend, in Lagenwicklungen aufgebracht, während die zur Lagenisolation erforderlichen Papierzwischenlagen die Fläche 5 ausfüllen. Die Lagenzahl kann sehr hoch sein und 100 Ibis 200 betragen.
Die äussere Begrenzung der Wicklung 3 wird in der Regel entsprechend der Darstellung in Fig. 1 gewählt, um die Feldstärke an der Spule klein zu behalten.
Macht man sich, z. B. durch Untersuchungen an Modellen im elektrolytischen Trog, ein Bild über die Potentialverteilung des Feldes in dem Raum zwischen Wicklung 3 und geerdeter Begrenzung 1, so erhält man Äquipotentialflächen 6 der gezeichneten Form.
Während innerhalb der Spule 3 die Beanspruchung der Isolierpapierbahnen senkrecht zur Papierebene und damit in günstiger Weise erfolgt, tritt an den Stirnflächen der Spule, wie aus dem Potentialbild erkennbar ist, eine erhebliche Tangentialbeanspru- chung der Papierbahnen auf. Nun ist die überschlags- festigkeit in Richtung der Papierbahn auf der Trennfläche Papier-Isolierflüssigkeit wesentlich geringer als die Durchschlagsfestigkeit senkrecht zur Papierebene. Beispielsweise treten auf der Oberfläche von Papieren unter öl schon bei 3 kV/mm Gleitfunken auf, während die Durchschlagsspannung senkrecht zur Papierebene 40 bis 70 kV/mm beträgt.
Es .ist also leicht einzusehen, dass die zulässige Längsbeanspruchung an den Stirnflächen, insbesondere am äusseren Teil der Hochspannungswicklung 3, leicht überschritten werden kann, wenn man nicht durch konstruktive Massnahmen, wie zum Beispiel grössere Abmessungen oder grösseres Bauvolumen und Kosten erfordernde
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Abschirmelektroden, die Potentialverteilung günstiger gestaltet und damit die Längsbeanspruchung in erträb lichen Grenzen hält.
Man könnte anstreben, die Papierbahnen an den Stirnseiten der Spulen in Richtung der Äquipotential- flächen 6 weiterlaufen zu lassen, um somit die Feldstärke senkrecht oder angenähert senkrecht zur Papierbahn zu erhalten, so dass die Längsbeanspruchung null oder sehr klein ist.
Ein Weg hierzu besteht darin, die über die Wicklung überstehenden Papierbahnen, am äusseren Durchmesser der Spule beginnend, streifenförmig einzuschneiden und nach aussen nacheinander umzuklappen. Dieser Vorgang ist aber sehr zeitraubend und kostspielig und ausserdem in der Praxis nicht befriedigend, weil man die Einschnitte in das Papier bis an die sehr dünndrahtige Lackdrahtwicklung durchführen muss, so dass Beschädigungen der Wicklung möglich sind, oder dass die zwischen zwei Lagen bestehende Spannungsdifferenz zu einem Durchschlag durch den Einschnitt in die Papierbahn führt.
Diese Schwierigkeiten werden durch die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung behoben, indem zur Lagenisolation über die Wicklung hinausragende Zwischenlagen aus Papier verwendet werden, deren Orientierung derart ist, dass ihre Hauptdehnungsrichtung in der Wickelrichtung liegt und dass nach Fertigstellung des Wicklungsvorganges nach Befeuchtung der Stirnflächen die Papierzwischenlagen radial nach aussen umgekrempt werden, so dass sie sich mindestens annähernd den Äquipotentialflächen des elektrischen Feldes anpassen.
Auf diese Weise kann eine vom Standpunkt der Hochspannungstechnik aus betrachtet optimale Gestaltung erreicht werden. Über diesen Fortschritt hinaus ,erhält die Hochspannungswicklung eine grosse mechanische Festib keit, die die Kurzschlusssicherheit erhöht.
Während man bei einer Anordnung nach Fig. 1 während des Wickelvorganges eine Verklebung des Drahtes mit dem Wickelpapier vornehmen muss, um die mechanische Festigkeit zu erreichen - ein Vorgang, der zeitraubend ist undder zu unterschiedlichen Spulenhöhen führt wegen eines unterschiedlichen Auftragens der Klebemittel - kann man auf :diese Klebung beim Verfahren nach der Erfindung verzichten, so dass auch herstellungstechnische Vorteile erwachsen.
Die Erfindung benützt folgende Kenntnisse: Bekanntlich ist die Dehnung von Isolierpapieren abhängig von der Herstellungsrichtung des Papiers. In der Herstellungsrichtung der Papierbahnen ist die noch nicht zum Zerreissen führende Dehnung bei höherem Feuchtigkeitsgehalt sehr klein, senkrecht dazu ist sie wesentlich grösser und kann bei speziellen Papiersorten noch wesentlich gesteigert werden, und zwar - wie Versuche ergeben haben - bis 20 (1/o Verlängerung.
Während man bisher die Wickelpapierbahnen von Rollen abschnitt, bei denen in Richtung der Papierbahn die Dehnung klein ist, weil sie der Herstellungsrichtung entspricht, wird man zweckmässigerweise beim Verfahren nach der Erfindung die Wickelpapierbahnen in ihrer Längsrichtung senkrecht zur Herstellungsrichtung des Papiers schneiden. Das spätere Auskrempen der Stirnfläche, das einer Verlängerung des Umfanges entspricht, erfolgt dann in Richtung der grösseren Dehnung.
Die Erfindung soll anhand der nachfolgenden Beschreibung der Hochspannungsspule nach F.ig.2; die nach einem beispielsweisen Verfahren nach der Erfindung hergestellt ist, erläutert werden.
Die Spulenwicklung füllt die Fläche 3, während die entsprechend der Erläuterung im Zusammenhang mit Fig.l hergestellten Papierzwischenlagen nach dem Wickelvorgang das Volumen ausfüllen würden, das durch die gestrichelte Linie 7 begrenzt wird.
Befeuchtet man die Stirnseiten der Spulen beispielsweise durch Eintauchen in warmes Wasser, so kann nach dem Entfernen des überschüssigen Wassers nach kurzer Zeit das über die Wicklung hinausragende Wickelpapier umgekrempt werden. Zweckmässig legt man die Spule auf einen Drehtisch und krempt jeweils eine Papierdicke von 1 bis 2 mm, vom äusseren Durchmesser der Spule beginnend, bei gleichzeitigem Drehen der Spule nacheinander um, so dass im Endzustand die Spulenenden eine Form annehmen, die in Fig. 2 bei 8 angedeutet ist.
Durch beiderseitig angebrachte und mechanisch miteinander verbundene tellerförmige Formstücke kann man die Spulenköpfe bei eng aneinanderliegen- den, umgekrempten Papierlagen, gegebenenfalls im Vakuum bei höheren Temperaturen, trocknen lassen. Auch bei sehr dünnen Drähten in der Stärke von 0,1 mm ist bei dieser Behandlung die mechanische Belastung klein und man erhält Hochspannungsspulen von ausgezeichneten mechanischen und elektrischen Eigenschaften.
Man erkennt durch -den Vergleich mit dem Potentialbild der Fig. 1, dass die Übereinstimmung des Verlaufs der Papierbahnen mit den Potentialflächen sehr befriedigend ist.
Es ist auch möglich, die Deformation der Papierlagen durch Zentrifugalkräfte zu erreichen, indem man die Spule nach dem Befeuchten um ihre Mittelachse schnell rotieren lässt. Die auftretenden Zentri- fugalkräfte sorgen für eine gleichförmige, gleichzeitige Dehnung und Aufrichtung der stirnseitigen Papierbahnen, und durch Einbringen in die vorgenannte Pressform kann die endgültige Form der Stirnseiten erreicht werden. Es ist selbstverständlich, dass die so hergestellte Spule, je nach den hochspannungstechnischen Erfordernissen durch weitere Papierbandagen verstärkt werden kann.
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Method for the production of high-voltage coils for high-voltage transformers The invention relates to a method for the production of high-voltage coils for high-voltage transformers, in particular those with a lower output of 0.5 to 50 kVA.
In the case of transformers of greater power with voltages in the order of magnitude of 100 kV to 150 kV to earth, the dimensions of the transformer are mainly determined by the required iron and winding volume and the necessary arrangements for cooling iron and windings, while the measures to control the voltage within the Transformers, because of their large dimensions, are comparatively easier to handle in terms of construction than with small transformers of the above-mentioned power range.
Transformers for the above-mentioned high voltages with low power are mainly used in X-ray technology, also as test and measuring transformers. With them, the measures to control the voltage mainly determine the dimensions of the transformer and the insulating liquid container and thus the weight and costs.
The high-voltage windings of transformers of this type are usually designed as layer windings. Fig. 1 of the accompanying drawings shows, for example, in a simplified representation in section the structure of part of such a transformer. All parts not required for the following explanation have been omitted and it is assumed that the winding is single-pole, earthed, high-voltage.
In Fig. 1, 1 is the grounded boundary of the winding window, which can be given by the iron core or the walls of the liquid container, while 2 represents the low-voltage winding. The surface 3 is filled by the high-voltage winding, namely the winding of thin enameled wires, starting with its grounded end on the insulating cylinder 4, is applied in layer windings, while the paper interlayers required for layer insulation fill the surface 5. The number of layers can be very high, 100 ibis 200.
The outer delimitation of the winding 3 is generally selected as shown in FIG. 1 in order to keep the field strength at the coil small.
Do you, z. B. by investigations on models in the electrolytic trough, a picture of the potential distribution of the field in the space between winding 3 and grounded boundary 1, one obtains equipotential surfaces 6 of the drawn shape.
While the insulating paper webs are stressed within the coil 3 perpendicular to the plane of the paper and thus in a favorable manner, there is considerable tangential stress on the paper webs at the end faces of the coil, as can be seen from the potential image. Now the flashover strength in the direction of the paper web on the paper-insulating liquid interface is significantly lower than the dielectric strength perpendicular to the plane of the paper. For example, sliding sparks occur on the surface of paper under oil at 3 kV / mm, while the breakdown voltage perpendicular to the plane of the paper is 40 to 70 kV / mm.
It is therefore easy to see that the permissible longitudinal stress on the end faces, in particular on the outer part of the high-voltage winding 3, can easily be exceeded if structural measures such as larger dimensions or larger structural volume and costs are not required
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Shielding electrodes, the potential distribution is designed more favorably and thus keeps the longitudinal stress within tolerable limits.
One could strive to let the paper webs continue to run on the end faces of the coils in the direction of the equipotential surfaces 6 in order to obtain the field strength perpendicular or approximately perpendicular to the paper web, so that the longitudinal stress is zero or very small.
One way of doing this is to cut into the paper webs protruding over the winding, starting at the outer diameter of the coil, in strips and to fold them outwards one after the other. However, this process is very time-consuming and costly and also not satisfactory in practice because you have to make the incisions in the paper up to the very thin enameled wire winding, so that damage to the winding is possible, or the voltage difference between two layers becomes one Penetration leads through the incision in the paper web.
These difficulties are eliminated by using the method according to the invention by using interlayers made of paper protruding beyond the winding for layer insulation, the orientation of which is such that their main direction of elongation is in the winding direction and that after completion of the winding process after moistening the end faces, the paper interlayers be turned up radially outwards, so that they adapt at least approximately to the equipotential surfaces of the electric field.
In this way, an optimal design from the standpoint of high voltage engineering can be achieved. In addition to this progress, the high-voltage winding has a high mechanical strength, which increases the short-circuit protection.
While in an arrangement according to FIG. 1, the wire must be glued to the wrapping paper during the winding process in order to achieve mechanical strength - a process which is time-consuming and which leads to different coil heights due to different application of the adhesive : dispense with this gluing in the method according to the invention, so that advantages also arise in terms of manufacturing technology.
The invention makes use of the following knowledge: It is known that the stretching of insulating paper depends on the direction in which the paper is manufactured. In the direction of manufacture of the paper webs, the elongation that does not lead to tearing is very small with a higher moisture content; perpendicular to this it is considerably greater and can be increased considerably with special types of paper, namely - as tests have shown - up to 20 (1 / o extension .
While so far the wrapping paper webs have been cut from rolls in which the elongation is small in the direction of the paper web because it corresponds to the direction of manufacture, one will expediently cut the wrapping paper webs in their longitudinal direction perpendicular to the direction of manufacture of the paper in the method according to the invention. The later crimping of the end face, which corresponds to an extension of the circumference, then takes place in the direction of greater elongation.
The invention is based on the following description of the high-voltage coil according to F.ig.2; which is produced by an exemplary method according to the invention will be explained.
The coil winding fills the area 3, while the paper intermediate layers produced in accordance with the explanation in connection with FIG. 1 would fill the volume which is delimited by the dashed line 7 after the winding process.
If the end faces of the bobbins are moistened, for example by immersion in warm water, the wrapping paper protruding beyond the winding can be turned over after a short time after the excess water has been removed. It is advisable to place the reel on a turntable and roll a paper thickness of 1 to 2 mm, starting from the outer diameter of the reel, while turning the reel one after the other, so that in the final state the reel ends take on the shape shown in FIG 8 is indicated.
By means of plate-shaped molded pieces attached on both sides and mechanically connected to one another, the coil heads can be allowed to dry with turned-up paper layers lying close to one another, possibly in a vacuum at higher temperatures. Even with very thin wires with a thickness of 0.1 mm, the mechanical load is small in this treatment and high-voltage coils with excellent mechanical and electrical properties are obtained.
It can be seen from the comparison with the potential image of FIG. 1 that the correspondence between the course of the paper webs and the potential areas is very satisfactory.
It is also possible to deform the paper layers through centrifugal forces by allowing the spool to rotate rapidly around its central axis after being moistened. The centrifugal forces that occur ensure uniform, simultaneous stretching and straightening of the paper webs on the end face, and the final shape of the end faces can be achieved by introducing them into the aforementioned press mold. It goes without saying that the coil produced in this way can be reinforced by additional paper bandages, depending on the high-voltage requirements.