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Isolieranordnung an flüssigkeitsisolierten Hochspannungsapparaten mit Wicklungen Bei flüssigkeitsisolierten Transformatoren für hohe Spannungen und hohe Leistungen sind die Probleme der Isolierung und der Kühlung der aktiven Wicklungen, insbesondere bei sehr hohen Spannungen, so gelagert, dass beide sich gegenseitig behindern. So verlangt eine gute Isolation, insbesondere bei sehr hohen Spannungen, dass die aktiven Wicklungen möglichst dick mit festem Isoliermaterial, meist ölgetränktem Weichpapier, eingehüllt werden, während die zu fordernde gute Kühlung vorschreibt, dass die zu kühlenden Wicklungen mit möglichst wenig festem Isoliermaterial umgeben werden sollen,
damit der die Kühlung besorgende Strom des Isoliermittels diese Wicklung möglichst unmittelbar treffen und von ihr die entstehende Verlustwärme abführen kann.
Die praktischen Lösungen, die sich aus diesem Widerstreit der Probleme ergeben, sind daher stets mehr oder weniger geglückte konstruktive Kompromisse.
In Fig. 1 ist im Prinzip nun der in Lagen gewickelte Teil einer Transformatorwicklung dargestellt, wie er im Prinzip bei Transformatoren höchster Spannung und Leistung etwa angewendet wird. Mit 1 bis 6 sind dabei die einzelnen Lagen der Hochspannungswicklung dargestellt, die auf die Weichpapierzylinder 7, 8, 9, 10, 11 und 12 aufgewickelt sind. Die Achse dieser Wicklungen ist rechts der Lage 7 zu denken. Diese Weichpapierzylinder 7 bis 12 werden etwa so erhalten, dass nach Aufwicklung des Weichpapierzylinders 7 auf einen Wickeldorn und Anfertigung der Drahtlage 1 auf diese Lage 1 Isolierleisten gelegt und dann darauf der nächste Weichpapierzylinder usw. gewickelt wird.
Die Drahtlagen 1 bis 6 werden dann in bekannter Weise in Serie geschaltet, so dass zwi- schen Anfang der Lage 1 und Ende der Lage 6 die vorgesehene hohe Transformatorspannung erzeugt wird.
Zwischen den Weichpapierzylindern und den einzelnen Drahtlagen entstehen so die durch Isolierleisten distanzierten Kühlkanäle 13 bis 17. Die Weichpapierzylinder 7 bis 12 werden, etwa nach einer bewährten Methode, durch das sogenannte Umreissen in rechtwinkelig zur Wicklungsachse liegende Isolierkragen 18 bis 23 umgeformt, wobei entsprechende Distanzklötze (wohl dargestellt, aber nicht näher bezeichnet) für einen mechanischen festen Aufbau der gesamten Hochspannungsspule sorgen. Das Spulengewicht und die axialen Spulenkräfte werden in Fig. 1 durch einen ebenfalls isolierten Spulendruckflansch 24 aufgenommen.
Die Wand des Kessels, in den die Wicklung eingebaut gedacht ist, ist mit 25 bezeichnet und ebenso wie der Spulenflansch 24 auf Erdpotential zu denken.
Durch den oben erwähnten Aufbau wird erreicht, dass durch die abgewinkelten Isolierkragen 18 bis 23 Kanäle gebildet werden, durch die das Kühlmittel, z. B. Öl, in die Kühlkanäle 13 bis 17, die als Kühlkanäle der Wicklungslagen 1 bis 6 dienen, geleitet wird. Der Eintritt des kühlenden Ölstroms in den Kühlkanal 13 ist mit 26 bezeichnet.
Wird auf diese Weise eine recht gute Abführung der Verlustwärme aus den Wicklungslagen 1 bis 6 erreicht, so ergeben sich isolationsmässig bei diesem Aufbau beachtliche Schwierigkeiten dadurch, dass, etwa bei der sogenannten Wicklungsprüfung der hier dargestellten Hochspannungswicklung, eine sehr hohe elektrische Beanspruchung auftritt.
Diese Wicklungsprüfung wird nach den einschlägigen Bestimmungen etwa so durchgeführt, dass die Hochspannungswicklung als Ganzes an den einen Pol einer Hochspan- nungsquelle, die Gesamtheit der übrigen Wicklungen,
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verbunden mit dem Kern und den damit verbundenen Konstruktionsteilen sowie mit dem Ölkessel des Transformators aber an Erde gelegt wird. Zwischen der Hochspannungswicklung und den geerdeten Teilen wird dann eine bestimmte Zeit eine vorgeschriebene Prüfspannung angelegt, der die Isolation gewachsen sein muss.
Für den in Fig. 1 dargestellten Wicklungsaufbau ergibt sich bei einer solchen Prüfung am Ende der Wicklungslage 1 eine sehr unangenehme elektrische Beanspruchung dadurch, dass, wie aus dem skizzenhaft angegebenen Verlauf der Äquipotentiallinien 27 bis 29 des elektrischen Feldes zu ersehen ist, auf dem, von dem Kühlölstrom 26 benetzten Teil des Kragens 18 innerhalb eines kurzen Wegs hohe Spannungsunterschiede auftreten.
Diese Beanspruchung ist insofern besonders unangenehm, als bekannt ist, dass die zulässige elektrische Beanspruchung über freien, das heisst nicht durch Barrieren unterteilten Ölstrecken, wesentlich kleiner ist als bei mehrfach unterteilten Ölstrecken, das heisst bei kurzen Beanspruchungslängen. Das heisst aber, dass Wicklungen nach der in Fig. 1 dargestellten Art bei wirtschaftlich vertretbarem Aufwand in der Höhe der Prüfspannung begrenzt sind.
Wollte man den freien Flüssigkeitsweg in dem Kühlmittelzuführungskanal, der durch die Ringflächen 18 und 19 begrenzt ist, durch Barrieren unterteilen, dann würde sich eine ausserordentliche Behinderung des Kühlmittelstromes ergeben.
Erfindungsgemäss kann diesem übelstand dadurch abgeholfen werden, dass die Isolieranordnung für die hier in Frage stehenden flüssigkeitsisolierten, mit Wicklungen versehenen Hochspannungsapparate, insbesondere Hochspannungstransformatoren mit Lagenwicklung, so ausgebildet werden, dass zur elektrischen Entlastung der durch eine oder mehrer Isolierwände begrenzten Flüssigkeitskanäle, die das Kühlmittel den Hochspannungswicklungen zu- oder von denselben abführen, ringförmige Elektroden vorgesehen sind, die mit Isolation versehen,
unmittelbar am Strome des Wicklungskühlmittels liegen und mindestens angenähert das gleiche Potential besitzen wie der vom Kühlmittel zuerst getroffene oder gerade verlassene Wicklungsteil.
Ein Beispiel einer nach dem Erfindungsgedanken abgeänderten Transformatorwicklung der Fig. 1 ist in Fig.2 dargestellt. Die Teile 1 bis 25 haben dabei die gleiche Bedeutung wie in Fig. 1. Zur elektrischen Entlastung des früher durch die Isolierflansche 18 und 19 begrenzten ölzuführungskanals 26 dient eine mit Isolation versehene Ringelektrode 30, die zur Vermeidung einer Kurzschlusswindung, natürlich entsprechend aufgeteilt, konzentrisch zur Wicklung vorgesehen ist und im vorliegenden Fall galvanisch mit dem unteren Ende der Wicklungslage 1 verbunden zu denken ist.
Den Isolierflansch 18, Fig. 1, wird man dann zweckmässigerweise in Form von mehreren Winkelringen um den Steuerring 30 herum anordnen, wobei im gezeigten Beispiel von der weiteren. Anwendung entsprechender Barrieren Gebrauch gemacht wurde. Den ersten Isolierwinkel 31 wird man direkt an den Steuerring anlegen, die beiden folgenden Iso- lierwinkel 32 und 33 in einem solchen Abstand dagegen vorsehen, dass man die Isolierbarrieren 34, 35 und 36 einschieben kann. Die Barrieren 34, 35 und 36 brauchen dabei nicht unbedingt den ganzen Wicklungszylinder einzuhüllen, es genügt unter Umständen, sie nur als Zylinderausschnitte etwa gegenüber den Kesselwänden anzuordnen.
Der Ölzu.führungs- kanal, in Fig. 1 mit 26 bezeichnet, wird so zum Öl- kanal 37, der im Vergleich mit dem relativ schmalen an ihn anschliessenden Kühlkanal 13 ohne Mühe noch mit genügend grossem Eintrittsquerschnitt ausgeführt werden kann. Der Zwischenraum zwischen dem Steuerring 30 und der Wicklungslage 1 kann mit Ringen aus Isoliermaterial 38 ausgefüllt werden. Eine entsprechende Anordnung besteht am oberen Ende der Wicklung.
Der Erfolg dieser Massnahme ist deutlich aus dem wieder einskizzierten Verlauf der Niveaulinien 39, 40 und 41 zu ersehen, die den Niveaulinien 27, 28 und 29 der Fig. 1 entsprechen. Aus diesem Verlauf ersieht man nun, dass die Beanspruchung in dem neu gebildeten Ölkanal 37 erheblich zurückgegangen ist gegen jene in Fig. 1, ausserdem haben die Niveaulinien des elektrischen Feldes bzw. die damit charakterisierten Äquipotentialflächen eine derartige Form angenommen, dass sie mit tragbarem Aufwand durch Barrieren aus Isoliermaterial ungefähr nachgebildet werden können.
Das letztere heisst aber, dass die neue elektrische Beanspruchung durch eine relativ feine Unterteilung durch Isolierbarrieren sich leichter beherrschen lässt als die hohe Beanspruchung in dem Ölkanal 26 von Fig. 1.
Es sei hier ausdrücklich betont, dass es Ziel der Erfindung ist, die durch eine oder mehrere Isolier- wände begrenzten Kühlkanäle, die das Kühlmittel den Hochspannungswicklungen zuführen, durch Feldumbildung elektrisch zu entlasten. Das umgebildete Feld lässt sich, wie schon erwähnt, ausserhalb der Kühlkanäle durch Barrieren relativ leicht beherrschen.
Um in der durch den Pfeil 37 in Fig. 2 dargestellten Strömungsrichtung des Öles eine Barrierenwirkung der Isolierwände 34, 35 und 36 zu erzielen, ist es zweckmässig, die öleintrittsschlitze in diesen Isolier- wänden so gegenseitig zu versetzen, dass der Ölstrom jeweils rechtwinklig umgeleitet wird und die Kraftlinien des elektrischen Feldes keine zu langen freien Ölwege durchlaufen können.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind die in Fig. 2 mit 38 bezeichneten Ringe aus Isoliermaterial zwischen der Steuerelektrode 30 und der Wicklungslage 1 fallengelassen und der mit Isolation umkleidete Steuerring 30 in radialer Richtung bis nach der Wicklungslage 1 ausgedehnt worden. Man erhält dann einen auf der einen Seite völlig vom elektrischen Feld entlasteten Kühlkanal 37.
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Insulation arrangement on liquid-insulated high-voltage equipment with windings In liquid-insulated transformers for high voltages and high powers, the problems of insulation and cooling of the active windings, especially at very high voltages, are so stored that both hinder each other. For example, good insulation, especially at very high voltages, requires that the active windings be wrapped as thickly as possible with solid insulating material, mostly oil-soaked soft paper, while the good cooling that is required requires that the windings to be cooled be surrounded with as little solid insulating material as possible ,
so that the current of the insulating medium providing cooling can hit this winding as directly as possible and dissipate the resulting heat loss from it.
The practical solutions that result from this conflict of problems are therefore always more or less successful constructive compromises.
In Fig. 1, the part of a transformer winding wound in layers is shown in principle, as it is used in principle in transformers of the highest voltage and power. The individual layers of the high-voltage winding that are wound onto the soft paper cylinders 7, 8, 9, 10, 11 and 12 are shown with 1 to 6. The axis of these windings is to be thought of as position 7 on the right. These soft paper cylinders 7 to 12 are obtained in such a way that after winding the soft paper cylinder 7 onto a winding mandrel and producing the wire layer 1, insulating strips are placed on this layer 1 and then the next soft paper cylinder etc. is wound on it.
The wire layers 1 to 6 are then connected in series in a known manner, so that the intended high transformer voltage is generated between the beginning of layer 1 and the end of layer 6.
Between the soft paper cylinders and the individual wire layers, the cooling channels 13 to 17 are created, which are separated by insulating strips. The soft paper cylinders 7 to 12 are reshaped, for example according to a tried and tested method, by so-called outlining into insulating collars 18 to 23 at right angles to the winding axis, with corresponding spacer blocks ( well shown, but unspecified) ensure a mechanically solid structure of the entire high voltage coil. The coil weight and the axial coil forces are absorbed in FIG. 1 by a coil pressure flange 24, which is also insulated.
The wall of the boiler, in which the winding is intended to be installed, is designated by 25 and, like the coil flange 24, is to be thought of as ground potential.
The above-mentioned structure ensures that the angled insulating collars 18 to 23 form channels through which the coolant, e.g. B. oil, into the cooling channels 13 to 17, which serve as cooling channels of the winding layers 1 to 6, is passed. The entry of the cooling oil flow into the cooling channel 13 is denoted by 26.
If the heat loss from the winding layers 1 to 6 is dissipated very well in this way, there are considerable insulation difficulties with this structure because, for example, during the so-called winding test of the high-voltage winding shown here, very high electrical loads occur.
This winding test is carried out in accordance with the relevant provisions in such a way that the high-voltage winding as a whole is connected to one pole of a high-voltage source, and all of the other windings
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connected to the core and the associated structural parts as well as to the oil tank of the transformer but is connected to earth. A prescribed test voltage is then applied for a certain time between the high-voltage winding and the earthed parts, which the insulation must be able to withstand.
For the winding structure shown in Fig. 1, such a test at the end of the winding layer 1 results in a very unpleasant electrical stress due to the fact that, as can be seen from the sketched course of the equipotential lines 27 to 29 of the electric field, on the, from the cooling oil flow 26 wetted part of the collar 18 occur within a short distance high voltage differences.
This stress is particularly unpleasant insofar as it is known that the permissible electrical stress over free oil sections, i.e. not subdivided by barriers, is significantly smaller than with multiple subdivided oil sections, i.e. with short stress lengths. This means, however, that windings of the type shown in FIG. 1 are limited in the amount of the test voltage with an economically justifiable effort.
If one wanted to subdivide the free fluid path in the coolant supply channel, which is delimited by the annular surfaces 18 and 19, by barriers, then this would result in an extraordinary obstruction of the coolant flow.
According to the invention, this deficiency can be remedied in that the insulating arrangement for the liquid-insulated high-voltage apparatuses provided with windings, in particular high-voltage transformers with layer windings, are designed in such a way that for electrical relief of the liquid channels delimited by one or more insulating walls, which the coolant High-voltage windings to or from the same, ring-shaped electrodes are provided, which are provided with insulation,
lie directly on the flow of the winding coolant and have at least approximately the same potential as the part of the winding first hit or just left by the coolant.
An example of a transformer winding of FIG. 1 modified according to the concept of the invention is shown in FIG. Parts 1 to 25 have the same meaning as in Fig. 1. To relieve the electrical load on the oil supply duct 26, which was previously limited by the insulating flanges 18 and 19, a ring electrode 30 provided with insulation is used, which is of course appropriately divided, concentric to the Winding is provided and in the present case is to be thought of as being galvanically connected to the lower end of the winding layer 1.
The insulating flange 18, FIG. 1, will then expediently be arranged in the form of several angular rings around the control ring 30, with the other in the example shown. Appropriate barriers were used. The first isolation bracket 31 will be placed directly on the control ring, while the two following isolation brackets 32 and 33 will be provided at such a distance that the insulating barriers 34, 35 and 36 can be pushed in. The barriers 34, 35 and 36 do not necessarily need to enclose the entire winding cylinder; it may be sufficient to arrange them only as cylinder sections, for example opposite the boiler walls.
The oil supply channel, denoted by 26 in FIG. 1, thus becomes the oil channel 37 which, in comparison with the relatively narrow cooling channel 13 adjoining it, can still be designed with a sufficiently large inlet cross section without difficulty. The space between the control ring 30 and the winding layer 1 can be filled with rings made of insulating material 38. A corresponding arrangement is at the top of the winding.
The success of this measure can be clearly seen from the again sketched course of the level lines 39, 40 and 41, which correspond to the level lines 27, 28 and 29 of FIG. From this course it can now be seen that the stress in the newly formed oil channel 37 has decreased considerably compared to that in FIG. 1, and the level lines of the electric field or the equipotential surfaces characterized by them have assumed such a shape that they can be carried out with reasonable effort Barriers made of insulating material can be approximated.
The latter means, however, that the new electrical stress can be controlled more easily by a relatively fine subdivision by insulating barriers than the high stress in the oil channel 26 of FIG. 1.
It should be expressly emphasized here that the aim of the invention is to electrically relieve the load on the cooling channels delimited by one or more insulating walls, which supply the coolant to the high-voltage windings, by transforming the field. As already mentioned, the transformed field can be controlled relatively easily outside the cooling channels by means of barriers.
In order to achieve a barrier effect of the insulating walls 34, 35 and 36 in the flow direction of the oil shown by the arrow 37 in FIG. 2, it is advisable to offset the oil inlet slots in these insulating walls so that the oil flow is diverted at right angles and the lines of force of the electric field cannot travel through too long free oil paths.
In a further embodiment, the rings of insulating material, denoted by 38 in FIG. 2, have been dropped between the control electrode 30 and the winding layer 1 and the control ring 30 encased with insulation has been expanded in the radial direction as far as after the winding layer 1. A cooling channel 37 is then obtained, on one side completely relieved of the electrical field.
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