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Hochspannungs-Induktionsgerät Die Erfindung bezieht sich auf ein Hochspannungs- Induktionsgerät.
Der stets steigende Bedarf an elektrischer Energie in grösseren Mengen und zu billigeren Preisen bringt im Hinblick auf das Bestreben, den besiedelten Gebieten ihre Ansehnlichkeit zu erhalten, immer grössere technische und ästhetische Probleme mit sich. Um diesem zunehmenden Bedarf ohne zusätzliche Kraftanlagen und Leitungsnetze in den Städten und Vorstadtge- bieten nachkommen zu können, bauen die Starkstromgesellschaften derzeit Kraftwerke in entlegenen Regionen, in unmittelbarer Nähe der Energiequellen, also entweder ergiebiger Wasserkraftreserven oder grosser Kohlenvorkommen. Der dort erzeugte Strom kann in die Verbraucherzentren auf wirtschaftliche Weise über Freileitungen übertragen werden.
Wegen zunehmender Bevölkerungsdichte und mit Rücksicht auf die Bewahrung ästhetischer und wirtschaftlicher Werte der Landschaft sind jedoch die Wegrechte für die Übertragung immer schwerer zu erwerben. Es ist daher notwendig geworden, die Kraftübertragungskapazität der bestehenden Übertragungsleitungen um ein Mehrfaches zu vergrössern und für die Zukunft mit einem noch weit höheren Kraftbedarf zu rechnen. Aus diesem und anderen Gründen stellt sich die Starkstromindustrie in der Energieübertragungstechnik schnell auf Höchstspannungen (EHV) um. Spannungen zwischen den Leitern über 345 kV werden als Höchstspannungen (EHV) betrachtet.
Es wurden bereits 500-kV-Netze gebaut und Projekte für 750-kV-Netze angekündigt. Mit so hohen Spannungen lässt sich mehr Energie über ausgedehnte geographische Entfernungen übertragen. Diese Entwicklung zur Übertragung von höheren Spannungen ist für die Befriedigung des voraussichtlichen Strombedarfes der nächsten zwei Dekaden von grundlegender Bedeutung. Auch Höchstspannungs-, Zwischen- oder Gruppenverbindungen sind vorgesehen, um den Spitzenbedarf über weite Gebiete ausgleichen und die Zuverlässigkeit des ganzen Systems verbessern zu können.
Obwohl für die Verwendung von Höchstspannungen wichtige technische und wirtschaftliche Gründe sprechen, sind bei der Konstruktion zuverlässiger, für diesen Spannungsbereich bestimmter Anschluss- und Leitungseinrichtungen ernste Schwierigkeiten aufgetreten. Eine blosse Erweiterung der bekannten Konstruktionskonzepte auf den Höchstspannugsbereich erweist sich als unzulänglich, und es zeigt sich in dieser Hinsicht klar die Notwendigkeit, mit neuen Gedanken zu kommen. Besonders gebraucht werden neue Transformatoren und Drosseln, die bei Höchstspannungen eine zuverlässige Isolierung aufweisen und sich durch wirksamere Material- und Raumausnutzung auszeichnen.
Ein Transformator besteht in seiner einfachsten Form aus zwei stromleitenden Wicklungen mit grosser gegenseitiger Induktivität. Die Primärwicklung ist diejenige, welche die elektrische Leistung aufnimmt und die Sekundärwicklung diejenige, welche die beim Stromdurchfluss der Primärwicklung in ihr induzierte Spannung als Leistung an den Verbraucher abgibt. Normalerweise werden diese Wicklungen auf einem aus magnetischem Material hergestellten Kern angebracht. Bei Höchstspannungstransformatoren werden durch die notwendige Verstärkung der Isolation zwischen den Hochspannungswicklungen und dem geerdeten Kern die Betriebskennwerte, die Kosten und die Zuverlässigkeit der Isolation ungünstig beeinflusst.
Darüber hinaus muss die Konstruktion von Höchstspannungstransformatoren beträchtlich grössere, durch Kurzschlüsse, Spannungsstösse, SchaltvorgänÜe u. dgl. verursachte Kräfte ausschliessen oder diesen standhalten.
Es wurden Versuche unternommen, diese Probleme mit bekannten Bauarbeiten, durch Verstärkung der Isolation und Vergrösserung der Funkenüberschlagstrecken zu bewältigen. Es stellte sich jedoch heraus, dass bei einer gewöhnlichen Erweiterung bekannter Konstruktionen ernsthafte Probleme im Hinblick auf die Steuerung der Feldverteilung ungelöst bleiben, ferner dass eine solche Höchstspannungsanlage räumlich
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übermässig gross wird und unsichere Isolationskenn- werte aufweist.
Diese Misstände bzw. Probleme blieben bis zur vorliegenden Erfindung ungelöst. Die Erfindung gibt nicht nur die Lösung dieser Probleme an, sondern ermöglicht die Schaffung eines neuen Höchstspannungs- transformators mit grosser elektrischer Leistung und maximaler Raumausnützung, der, auch für noch höhere Spannungen als die bisher erwogenen, zuverlässig ausgelegt werden kann.
Grosse, mit Massekern ausgerüstete Wechselstrom- Transformatoren der bisher bekannten Bauart sind hochleistungsfähige und praktische Kraftübertragurtgs- cinrichtungen, die es ermöglicht haben, das moderne Wechselstromnetz aufzubauen. Wenn sie jedoch in herkömmlicher Bauweise für einen in der vorliegenden Erfindung in Erwägung gezogenen Höchstspannungs- betrieb herangezogen werden, so wird die Frage der Spannungsisolation, die bei Niederspannungen leicht lösbar ist, zu einem schwierigen Problem,
wobei gegebenenfalls auch katastrophale Durchschläge auftreten können.
Es ist ein Ziel der Erfindung, das Isolationsproblem für die angegebenen Höchstspannungen zu lösen. Eine Drossel oder Reaktanz für Starkstromnetze ist im wesentlichen eine Hochspannungs-Induktionsspule hoher Leistung, die als hohe, nacheilende Leistungsfak- torbelastung verwendet wird. Normalerweise bestehen solche Vorrichtungen aus einer Spule und einem Magnetkreis, die so angeordnet sind, dass sie einen hohen Blindwiderstand und niedrigen Wirkwiderstand aufweisen. Drosseln werden gewöhnlich in langen Leitungen als Nebenschlussdrosseln zur Nachlieferung oder Kompensation des Belastungsstromes der Leitung verwendet.
Mit der Einführung von Höchstspannungen gewinnen die Nebenschlussdrosseln an Bedeutung. Zum Beispiel können in Höchstspannungsnetzen voreilende Ströme am Ende einer langen, wenig belasteten Leitung Überspannungen verursachen. Wenn keine Vorbeugung getroffen wird, so könnnen diese Oberspannungen in den angeschlossenen Anlagen Unstabili- täten und Ausfälle hervorrufen. Nebenschlussdrosseln am Ende der Leitung würden solche Unstabilitäten verhindern.
Die früher bekannten Drosseln waren im allgemeinen entweder sogenannte Mantelkonstruktionen oder Konstruktionen mit unterbrochenem Kern. Eine Manteldrossel besteht aus einer von einem magnetischen ülantel umgebenden Luftspule, während bei der zweiten Bauweise, die eine Abänderung der ersten darstellt, innerhalb der Spule ein durch Lagen aus steifem, nichtmagnetischem Material unterbrochener Eiserkern angeordnet ist.
Bei der Mantelkonstruktion sind die einen grossen Durchmesser ausweisenden und radial atifgeL:aizten Spulen einem starken Streufluss ausgesetzt und es entstehen schwere Wirbelstromverluste.yBei der Konstruktion mit unterbrochenem Kern führt der niedrigere magnetische Widerstand des Magnetkreises im allgemeinen zti kleineren \'Vicklungsverlusten, aber das Problem der Isolierung der Potentialdifferenz zwischen der Wicklung und dem Kern wird viel schwieriger.
Eine Sättigung des Kerneisens muss vermieden werden, sowohl um die Verluste zu vermeiden als auch um eine gleichbleibende Induktivität im ganzen Betriebsspan- nungsbereiCh zu sichern. Vor dieser Erfindung wurde die Konstruktion einer Höchstspannungsdrossel im Hinblick auf die Isolationsfestigkeit, Zuverlässigkeit, Koronafreiheit und den Störschutz immer schwieriger und unsicherer. Für diese Probleme, insbesondere im Bereich der höchsten Spannungen, war keine einwandfreie Lösung vorhanden.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein Hochspar.nungs-Induktionsgerät mit mindestens zwei martnetisch leitenden und elektrisch isolierten Schenkeln geschaffen, deren Enden mit magnetisch leitenden Jochen zur Bildung wenigstenns eines geschlossenen Magnetkreises verbunden sind, die aus voneinander elektrisch isolierten Magnetkern-Abschnitten bestehen und die Gruppen von in Serie geschalteter Spulen durchsetzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkelabschnitte ebene Stirnflächen und zu einander im wesentlichen parallele Stirnflächen aufweisen,
mit diesen gegen isolierende Schichten abgestützt sind und dass ein Teil dieser Schenkel mit dem Hochspannung führenden Ende der in Serie zu einer Gruppe zusammengeschlossenen Spulen, verbunden, die Joche jedoch an Erde gelegt sind.
Nicht nur die normalen Wechselstrom-Betriebspo- tentiale werden in vorzüglicher Weise verteilt, sondern es wird mit der Erfindung auch eine herrvorragende Spannungsstossverteilung erzielt. Die Erfindung ermOj- licht eine relativ kompakte Wicklung mit wenigen Win- duri-er und verhältnismässig niedrigen, auf den verminderten Streufluss zurückzuführenden Verlusten. Ferner Nhrt die Erfindung zu einer Verringerung sowohl der akustischen als auch der magnetostriktiven Geräusche.
Die Erfindung trägt auch dazu bei, dass eine Sätti- i;ung der @'Iassekernsegmente vermieden, dadurch eine irn ganzen Spannungsbereich gleichbleibende Induktivi- tät ermöglicht und ein Auftreten von harmonischen Oberschwingungen in den Strom der Induktivität ver- ttindert wird.
Ausserdem kann ein niedriger HF-Störpegel er- reIchtwerden, da die Verteilung der elektrischen Beanspruchung erfindungsgemäss richtig gesteuert ist und alle Teile der Vorrichtung unter dem Pegel gehalten werden können, bei dem die Koronaerscheinungen eintreten. Die Erfindung bietet auch die Möglichkeit, den Rückschlussabschnitt des Magnetkreises auf Erdpotential zu halten und so das Problem der Isolierung und der mechanischen Abstützung zu vereinf@ich=n.
Diese und andere Vorteile werden bei gleichzeitiger VerrinL,Prun; der Gesamtati@ina#se der e forde-lichen Einheit und der Herstellungskosten derselben, sowohl bei Transformatoren als auch hei Drosseln, durch An- :vendung des Prinzips eines isolierenden Kernes erzielt, dessen wirksame Macnetkreisabschnitte a us elektrisch isolierten, reit- der sie umgebenden Spule elektrisch verbundenen Segmenten zusammengesetzt sind, wobei das :
'tnleren der Spannung sowohl an die wirksamen Abschnitte des 1Vlagnetkernes als auch an die diesen zttge- ordneten Stromkreise in systematischer und gleichmäs- ,iger Fole vor sich geht.
Die Erfindun; wird im folcenden an Vand von :@,usiiihrungsbeispielen, die in den Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigt FiS. 1 eire schaubildliche Darstellung eines herkömmlichen Transformators, im Schnitt; Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch einen erfindungsgemässen Transformator; Fig.3
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ein Detail eines Segmentes des isolierenden Kernes nach Fig. 2;
Fig. 4 eine Lamelle des in Fig. 3 dargestellten Segmentes, im Detail;, Fig. 5 eine schematische Anordnung der Spulen und Kerne des Transformators nach Fig.2 mit Isolierscheiben im Schnitt; Fig.6A einen Schnitt durch eine erfindungsge;nässe Isolierscheibe; Fig. 6B dieselbe Darstellung für eine andere Ausführung; Fig.7 eine schaubildliche Darstellung einer erfincl;tngseemäs@en Vorrichtung als Drehstrom- transformator; Fig.8 eine schaubildliche Darstellung einer herkömmlichen Drossel im Schnitt;
Fig.9 dieselbe Darstellung für eine andere Ausführung; Fig. 10 eine Ansicht einer erfindungsgemässen Drossel, teil- weisse im Schritt; Fig.11 eine schaubildliche Darstellung einer Betriebseinheit nach Fi-.10; Fie. 12 eine Detailansicht eines Elementes der Drossel, nach Linie 12-l2 der Fig. 10; Fig. 13 eine schematische Detailansicht nach Linie 13-13 der Fig.12; Fig.14 weitere Einzelheiten nach Fig. 10;
Fig. 15 eine andere Darstellung der Betriebseinheit nach Fig.10; Fia.16 ein Schema einer @rfindtingsgemässen Schaltung; Fig.17 ein Detail der Schaltung nach Fig.l6; Fig.18 ein Schema einer anderen erfindungsgemässen Schaltung; Fig. 19 ein Detail der Schaltung nach Fig. 18; Fig. 20 eine Ausführungsform einer Äquipotentialfläche gemäss der Erfindung im Detail und Fig. 21 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
Fib. 1 zeigt einen Schnitt durch einen herkömmlichen Transformator mit einem Magnetkreis 20 und zwei stromführenden Wicklungen 22 und 23, die in einem Gehäuse 24 untergebracht sind. In solchen Transformatoren besteht der Magnetkreis gewöhnlich aus einem geschlossenen, lamellierten, hohlen Kern r;cliteclci#7er Form, in dem quer angeordnete, nichtma- nnetisci,e Unterbrech!Tngen sorgfältig vermieden sind.
Diese Transformatoren arbeiten auf folgende Meise: Ein zeitlich veränderlicher Alagnetisierungs- stro:n in d r an eine Wecbselstromquelle angeschlossenen Pri i,ärl":icl;Iting 22 erzeugt im \.lanetkrei:; 20 einen s@,-nchron wechselnden magnetischen Fluss, der seinerseits in cler Sektrndärvvicic!ung 23 eine e!elktroma- gnetische \:pa;inting induziert.
Der von der Wicklung 23 a'oiegebene Belastungsstrom und die entsprechende Leistung gleicher! dem diesbezüglichen, von der Pri- nuärw!ckllln- 22 aufgenommenen Ein-angsstrom und der entsprechenden Leistung, zuzüglich der zugehöri- gen Verluste. Um die Belastungsverluste (I=R) auf ein 1-@iliimuni zu beschränken, sollten die Wic';lungen dicht am ;@lagnet! < rcis rewicl < elt sein.
Die elektrische Leitfähigkeit und die grosse -fasse des Kernes erfor- d, rn jedoch, dass der Magnetkreis an Erdpotential lie_tt; follich ist zwischen de.--i Kern und den Wicklungen eine entsprechende Spannungsisolation norivendig. Da die Betriebsspannungen und die voriibergelier"d-.@=i Cberspannun-en bei dieser Art von Vorrichtungen 1-rösser sind, ist auch eine zuverliissige, -tiir!;
ere I,ola- tion notwendi". Die @Z':chlungen haben einen um so grösseren Abstand vom Kern, je grösser die erwarteten Wicklungsverluste sind. Isolierstege werden eingesetzt, um die Feldverteilung und die Bewegung von Raumla- dun("en und clektr.,ierten Teilchen zu steuern. Die Verirösserung der Isolationsabstände muss der der Nennspannuilen voraneilen.
Diese Falttoren bestimmen die geometrischen Abmessungen sowohl der Wicklungen als auch des Kernes und tragen ausserdem zur Vergrösserung des Gewichtes und der Verluste der Einheit bei.
Die Erfindung bringt eine Verbesserung der Isolation, indem der Kern und die Wicklung ohne Rücksicht auf die Nennspannung der Vorrichtung im wesentlichen ständig auf demselben Potential gehalten werden. Dies erfolgt durch Aufteilung des wirksamen, oder des die Wicklung tragenden Abschnittes des :Magnetkreises in Kernelemente und durch säulenförmige Aufstapelung derselben, wobei jedes Kernelement vom benachbarten durch eine entsprechende, jedoch verhältnismässig dünne Schicht eines hochwertigen Dielektrikums isoliert ist.
Jedes dieser isolierten magnetischen Elemente ist von einem entsprechenden Teil der Gesamtwicklung dicht umgeben, wobei der Mittelpunkt oder ein anderer Punkt dieses Wicklungsteiles mit seinem zugeordneten Kernabschnitt elektrisch verbunden ist und dessen Potential jederzeit eindeutig bestimmt. Die Potentialverteilung in der Säule der isolierten Kernabschnitte ist daher fast -enau dieselbe, wie in der zugeordneten Wicklung und die elektrische Unvereinbarkeit der Wicklung und des Kernes. die für die herkömmlichen Konstruktionen der Transformato- ren und Drosseln charakteristisch ist, ist beinahe vollkommen vermieden.
Eine At;sfiihruncsform wird nun an Hand der Fig. 2 beschrieben. Hier ist ein einphasiger, als Autotransformator ausgebildeter Abwärtstransformator dargestellt, der Höchstspannungen umspannen kann. Ge- mäss Fig. 2 umfasst der Magnetkreis 30 zwei in Segmenten geteilte, aus aufgestapelten magnetischen Kernabschnitten 35 und 38 zusammengesetzte, durch Iso- lierscheiben 36 voneinander isolierte Schenkel 33 und 34 und zwei magnetische Ri.ickschlusswege 31 und 32, die diese Schenkel verbinden.
Jeder Schenkel ist von einem Paar stromleitender Wicklungen umgeben. Der dargestellte Autotransfor- niator weist vier hintereinandergeschaltete Wicklungen 41, 42, 43 und 44 und vier gemeinsame Wicklungen 45, 46, 47 und 48 auf. Die in Reihe geschalteten Wicklungen 41 und 42 und die gemeinsamen Wicklungen 45 und 46 sind auf dem @in Segmente geteilten Schenkel 34, die übrigen Wicklungen auf dem anderen Schenkel 33 angebracht. Jede Wicklung besteht aus ein r Anzahl stromleitender Spulen 37, die einen Kern- bschnitt 35 umgeben und mit diesem elektrisch verbunden sind.
Ein in der Mitte jede. der beiden Schenkel angeordneter, keine Spule tragender Kernteil 38 dient zur Trennung der in Reihe Geschalteten Wicklungen und als Zuführungsstelle für die Oberspannung. Die Oberspannung wird den vier in Reihe geschalteten Wicl < lun- ben und den Kernteilen 38 über eine Obcrspannungs- lcitting 39 zugeführt, die an eine Wechselstromquelle (nicht gezeichnet) angeschlossen ist.
Die Stelle für den Unterspannungsanschluss 40 ist der Knotenpunkt der Reihenwicklung und der gemeinsamen Wicklung. Auf der anderen Seite ist jede gemeinsame Wicklung mit dem nächst#-,eler enen magnetischen Rückschluss 31 oder 32 und mit Erde verbunden.
Mit Bezug auf die Fig. 3 bis 5 werden nun die Ein- der be,#-^i-ztt2ten Atisfiiliruncsform beschrieben. Jedes Kernsegment ist aus einer Vielzahl von rechteckigen Siliziumstahllamellen 50 zusammengesetzt, von denen jede mehrere Löcher aufweist. mittels welcher das ganze, ein Kernsegment bildende Lamel- Ienpaket verbunden werden kann. Um eine -nagneti-
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sche Sättigung an den Kanten des Kernsegmentes zu verhindern und die Verteilung des elektrischen Feldes zu verbessern, können die schmalen Enden 52 und 53 jeder Lamelle abgeschrägt oder abgerundet sein.
Nach Zusammensetzen der Lamellen 50 können die Ecken jedes Kernsegmentes abgeschrägt und die Kanten bzw. Seiten 55 und 56 z. B. durch Schleifen abgerundet werden, damit sie ein ähnliches Profil aufweisen wie die Enden 52 und 53. Die Kernsegmente 35 könnten eventuell aus einem einzigen, spiralförmig aufgewickelten Materialstreifen hergestellt werden. Die konkreten Abmessungen jedes Kernsegmentes hängen von der umzusetzenden Leistung ab.
Jede Spule ist, wie in Fig. 5 gezeigt, dicht am betreffenden Kernsegment aufgewickelt.
Die Spulen können aus zwei Teilen 57 und 58 bestehen, die je aus isolierten, leitenden Streifen spiralförmig gewickelt sind. In der dargestellten Ausführungsform sind die beiden Spulenhälften 57 und 58 gegenläufig zueinander gewickelt. Die zwei Hälften sind miteinander und mit dem anliegenden Kernsegment mittels eines geeigneten Leiters 59 elektrisch verbunden. Die übereinanderliegenden Spulen sind durch einen geeigneten Verbindungsstreifen 60 verbunden und bilden die Gesamtwicklung.
Zwischen den benachbarten Spulen-Kern-Paaren ist eine Isolierscheibe 36 vorgesehen, die dazu dient, jedes dieser Paare vom benachbarten elektrisch zu isolieren. Zwischen den übereinanderliegenden Spulenhälften ist eine zweite Isolierscheibe 61 eingelegt, auf der eine Haltevorrichtung 62 für eine die Spule umgebende ringförmige Äquipotentialfläche 63 befestigt ist. Sowohl die Scheiben als auch die Haltevorrichtung 62 können aus beliebigem geeignetem Isoliermaterial hergestellt sein. Ein solches Material ist z. B. harzimprägniertes Hartpapier oder kreuzverkettete Polyäthylenfolie.
Um eventuellen, von den hohen elektrischen Querbeanspruchungen der Scheiben 61 herrührenden Unregelmässigkeiten in den Spulen und mechanischen Beschädigungen der Scheiben 61 vorzubeugen, kann jedes Spulenpaar 57 und 58 mit einem halbelastischen Spulendistanzhalter umgeben sein.
Die meisten Schwierigkeiten, die bisher während der Versuche, zuverlässige Höchstspannungstransfor- matoren herzustellen zu überwinden waren, sind durch die Notwendigkeit entstanden, die Oberspannungswick- lunb von dem geerdeten, vom wirksamen magnetischen Fluss durchsetzten Eisenkern zu trennen und zu isolieren.
Die Teilung in Segmente und die elektrische Isolierung jedes Kernse-mentes von den benachbarten Segmenten löst das Problem der Spannungsisolation, da jedes Kernsegment und die dieses umgebende Spule dasselbe Potential aufweisen und beide die gleiche Isolationsfestigkeit aufweisen. Die Notwendigkeit grosser Abstände und starker Isolation. zwischen den Spulen und den Kernen fällt daher fort. Durch die Einführung von Isolierspalten wird jedoch das Ansteigen des magnetischen Widerstandes des Magnetkreises unterstützt und dies führt zur Notwendigkeit eines stärkeren 'i%"fagnetisierungsstromes bzw. grösserer zugeführter Leistung, wodurch jedoch wieder eine grössere Streuung des Magnetflusses begünstigt wird.
Ein grösserer Streufluss führt unter Belastung zu einer grösseren Abnahme der Induktivität.
Diese Abnahme kann verringert werden, wenn an jedem Schenkel zwei parallelgeschaltete Wicklungen so angebracht sind, dass für eine gegebene Gesamtleistungsabgabe je Schenkel der Belastungsstrom je Wicklung halbiert wird. Gemäss Fig. 2 wird mit dieser Anordnung der höchste Spannungspegel im Mittelpunkt jedes Schenkels erreicht und nur ein sehr kleiner Anteil des gesamten Magnetkreises liegt auf diesem hohen Potential. Diese Anordnung verdoppelt annähernd die wirksame Höhe des Transformatorschenkels, dennoch wurde ermittelt, dass der ganze Kern tatsächlich besser ausgenützt ist, da ein grösserer Anteil des Kernes wirksam für die Wicklungen verwendet wird. Ausserdem liegt jeder magnetische Rückschluss am Erdpotential und kann wirtschaftlicher und wirksamer konstruiert und abgestützt werden.
Die erfindungsgemässe Konstruktion des Kernes und der Wicklungen weist ferner den wichtigen Vorteil auf, dass sie ein in Reihe geschaltetes Kapazitätssystem schafft, das eine bessere Verteilung der Biberspannungen über die Kern- und Wicklungssäulen sichert. Diese Überspannungen werden deswegen besser verteilt, weil die isolierte, in Segmente geteilte Spulen-Kern-Anordnung eine in Reihe geschaltete Kette von grossen, untereinander fast gleichwertigen Kapazitäten bildet. Demzufolge werden Wanderwellen fast vollkommen gleichmässig über die ganze Säule verteilt. Es wurden daher bessere Isolier- kennwerte erzielt.
Da die normalen und vorübergehenden elektrischen Beanspruchungen zu einer grösseren Gleichmässigkeit gesteuert werden können, kann die beschriebene Vorrichtung für einen Subkoronabetrieb ausgelegt und es können dadurch Sprühentladungen und Funkstörungen ausgeschlossen werden. Es sei bemerkt, dass vorzugsweise die Spulen-, Kern- und Isolationsteile untereinander mechanisch gleichgestaltet sind und die gleiche physikalische Funktionsweise besitzen. Eine serienmäs- sige Herstellung vollkommen gleicher Bauteile setzt die Kosten weiter herab und verbessert ausserdem die Qualität.
Die scheibenförmige Isolation 36 ist am Umfang so ausgebildet, dass Kriechströme unterdrückt oder vermieden werden. Zwei Ausführungsformen sind in den Fig. 6A und 6B im Schnitt dargestellt. Die Scheibe ge- mäss Fig.6A ist eine aus Isoliermaterial gefertigte Planscheibe 70 mit einem erweiterten Rand 71, die an beiden Seiten einen dünnen leitenden Belag 72 aus einem Material mit mittelmässiger Leitfähigkeit aufweist. Normalerweise weist dieser Belag 72 einen Widerstand R von 800 bis 8000 R/cm - auf und unterdrückt daher die Ausbildung übermässig grosser Wirbelströme. Über der Randerweiterung 71 und dem Rand der Beläge 72 ist eine Wulst 73 ausgebildet. Die Beläge 72 mit dem dazwischenliegenden Isoliermaterial 70 bilden einen Kondensator C.
Die sich daraus ergebende Zeitkonstante (RC) wird im allgemeinen in der Grössenordnung von 0,001 s sein.
Die in Fig.6B gezeigte Ausführungsform besteht im wesentlichen ebenfalls aus einer Planscheibe aus Isoliermaterial. Die Umfangserweiterung weist hier jedoch einige Wellungen 78 auf, so dass die so ausgebildete Oberfläche den elektrischen Weg zwischen den gegenüberliegenden Seiten der Scheibe verlängert. Diese Scheibe trägt ebenfalls Beläge 72, mit den oben angegebenen Widerstandswerten.
Der glatte, leitende Belag 72 liegt eng am festen Dielektrikum, bildet eine Begrenzung des elektrischen Feldes und verhindert dadurch Unregelmässigkeiten in den Lamellen der Kerne, die von Stellen mit hoher
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elektrischer Beanspruchung herrühren könnten. Der leitende Belag dient zur gleichmässigen Verteilung des elektrischen Potentials über die ganze Oberfläche der l soüerscheibe 36, wobei die elektrische Beanspruchung an den Rändern. verringert ist.
Unter bestimmten Umständen kann es erforderlich sein, die Isolierscheibe 36 zweiteilig auszubilden, wobei der eine Teil als N-littelscheibe z. B. nach Fig. 6A oder 6B ausgeführt werden kann, an dem die Kernsegmente anliegen. Der zweite Teil kann als ein mit dieser Mittelscheibe konzentrischer, zur gegenseitigen Isolierung der Spulen dienender Ring, z. B. gemäss Fig. 6A oder 6B ausgebildet sein. Eine Zusammensetzung der Iso- lierscheibe 36 aus zwei Teilen hat den Vorteil, dass die Kerne und die Spulen voneinander unabhängig bewegt werden können.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist auch für Drehstromkreise geeignet. Eine solche Konstruktion für dreiphasigen Strom ist in Fig.7 dareestellt und weist drei in Segmente geteilte Kernschenkel 80, 81 und 82 auf. Jeder Schenkel trägt die notwendige Anzahl von Spulen und ist mit den übrigen zwei Schenkeln oben und unten durch dreieckige magnetische Rückschlusswege 83 verbunden.
Die vorliegende Erfindung kann mit Vorteil auch als eine Drossel verwendet werden.
Der Bedarf an Nebenschluss-Drosseln ist durch die Länge der übcrtragungsleitung, ihre Belastung und das allgemeine Problem der Blindleistungssteuerung bestimmt. Sie können auch sehr wirksam bei der Begrenzung von kurzdauernden Überspannungen verwendet werden. Bei vielen Höchstspannungsnetzen wird der Bedarf an Generatorersatz oder die Inanspruchnahme der Interessengemeinschaften so gross sein, dass die Leitungen die meiste Zeit in Bereitschaft werden sein müssen. In solchen Fällen werden die Nebenschluss- drosseln bei der Steuerung des Netzes von wesentlicher Bedeutung sein.
Der tägliche Belastungszyklus wird ebenfalls die Verwendung der Blindleistungskompensation Iheeinflus- sen. Auch während voller Belastung können für viele Leitungen ständig angeschlossene Höchstspannungs- drosseln erforderlich sein. Bei kleiner Belastung wird eine zusätzliche Blindleistungskompensation notwendig sein, da die Klemmenspannungen zunehmen.
Die früher bekannten Drosseln waren mit soge- nanntem Mantel- oder Rahmenjoch konstruiert. Die Hauptbestandteile einer solchen Drossel sind in Fig. 8 dargestellt. Eine Spule 86 in Form eines hohlen Zylinders ist von einem lamellierten Rahmenjoch 87 umgeben. Die Spule weist an einem Erde einen Hochspan- nungsanschluss 84 und am anderen Ende einen Nie- derspannungsanschluss 85 auf. Da bei einer guten Konstruktion das Joch 87 an Erdpotential liegen muss, ist es notwendig, das Hochspannungsende der Spule sowohl am Ende als auch seitlich gegen das Joch 87 hinreichend zri isolieren.
Gleichzeitig muss dieser Ab- ,;tand klein gehalten werden, wenn die magnetischen Kraftlinien die bevorzugte Richtung, d. h. parallel zur Spulenachse einhalten sollen. Solche Forderungen erschweren im allgemeinen die Anwendung dieser Konstruktion für Höchstspannungen. Darüber hinaus wurde bei der Konstruktion der Drosseln ermittelt, dass der Voltampere-Nennwert (EI) dem Produkt @=V proportional ist, wobei ,3 die magnetische Felddichte in der Spule, und V das von der Spule umschlossene Volumen bedeutet. Der Wert (EI) wächst mit dem Quadrat der magnetischen Felddichte, jedoch nur linear mit dem Volumen des Magnetfeldes.
Für eine gedrängte Bauart ist es daher vorteilhaft, die magnetische Felddichte ss gross zu wählen.
Die in Fig.8 gezeigte Luftkern-Manteltype der Drossel schliesst wegen des hohen magnetischen Widerstandes des Luftkernes hohe Werte magnetischer Felddichte aus. Folglich ist das Volumen V gross und die Felddichte ss verhältnismässig klein. Auch ist die Spule gross und an gewissen Stellen praktisch dem vollen Wert des Magnetfeldes ausgesetzt. Diese Umstände führen dazu, dass die Drossel hohe Widerstands- und Wirbeistromverluste aufweisen wird.
In einem Versuch, diese Probleme zu lösen, wurden Drosseln der Manteltype mit unterbrochenem Kern und der Kerntype mit unterbrochenem Kern einer Prüfung unterzogen. Die Manteltype mit unterbrochenem Kern ist in Fiä. 9 veranschaulicht und weist einen unterbrochenen Eisenkern 88 auf, der in der Achse der Spule 86 angeordnet ist. Dieser Kern 88 ist mit dem Joch 87 magnetisch gekoppelt. Die Spalten, die den Kern unterbrechen, sind mit sehr steifem unmagneti- schem Füllmaterial 89 ausgefüllt, damit die Kernsegmente 79 in einem Abstand gehalten werden.
Bei dieser Konstruktion können solche Werte von ss verwendet werden, die sich jenen zur Sättigung des Eisens benötigten nähern. Folglich ist das Volumen V kleiner. Diese Konstruktion löst weder das Problem der Hochspannungsisolation zwischen der Spule und dem Joch, noch erreicht sie eine gute Verteilung der kurzzeitigen Überspannungen. Die ganze Einheit nimmt unerwünscht in ihrer Länge zu, wenn sie für Höchstspannungen ausgelegt wird. Durch diese Zunahme der Länge vergrössern sich natürlich die Gesamtausmasse und das Gewicht.
Die vorliegende Erfindung löst das Isolationsproblem, besonders wenn die Vorrichtung im Höchstspannungsbetrieb verwendet wird, und die Werte von ss hoch sind, wodurch das Gewicht und die Abmessungen der Drossel verringert werden. Diese Verringerung setzt nicht nur die Herstellungskosten herab, sondern vermindert auch die elektrischen Verluste und das natürliche magnetostriktive Geräusch. Die elektrischen Verluste erreichen nur die Hälfte derjenigen in herkömmlichen Drosseln. Die beschriebene Konstruktion ermöglicht ferner die Anwendung von gewaltigen Druckkräften in Richtung des induzierten Magnetfeldes, die zur Sicherung der mechanischen Stabilität der Einheit und zum Abschwächen der hörbaren Geräusche dienen.
Ausserdem wird durch die Erfindung der magnetische Streufluss verringert und die von unerwünschten Wanderwellen oder Stromstössen herrührende überspannung besser und gleichmässiger verteilt, wodurch örtliche Bereiche einer übermässigen Beanspruchung durch Hochspannung vermieden werden.
Diese und andere Vorteile werden dadurch erzielt, dass die Drossel mit einem Paar paralleler Wicklungen. versehen ist, die einen Magnetkreis umgeben, der ein Paar magnetischer Rückschlüsse und mit diesem gekoppelte, isolierte 1\lagnetkernschenkel umfasst und die Wicklungen mit den isolierten Kernschenkeln elektrisch stufenweise verbunden sind, wobei entlang der Schenkel eine systematische und gesteuerte Verteilung der angelegten Spannung erzielt wird.
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Eine Drossel ist in teilweise geschnittener Darstellung aus Fig. 10 ersichtlich. Diese Drossel weist ein Gehäuse 90 in Form eines im wesentlichen zylindrischen Kessels auf, das mit Füssen 94 gegen Polster 95 abgestützt ist.
Der Oberteil des Gehäuses ist nach innen von einer Hochspannungsdurchführung 91 und einer Niederspannungsdurchführung 92 durchsetzt. Diese Durchführungen können als übliche Durchführungskondensatoren aufgebaut sein und sind mechanisch, thermisch und elektrisch an eine im Gehäuse 90 untergebrachte Betriebseinheit 97 angepasst. An den Seiten des Kessels 90 und mit dessen Innerem durch Durchlasswege verbunden, ist eine Anzahl radial sich erstreckender hohler Kühlblöcke 93 befestigt. Eine geeignete Isolierflüssigkeit 96 befindet sich in einer Menge im Kessel 90, deren Menge zum Überdecken der Betriebseinheit 97 und zum Umlauf durch die Kühlblöcke bzw. Radiatoren 93, zwecks Wärmeabgabe ausreicht.
Diese Konvektionsströmung wird in der Flüssigkeit durch die Erwärmung der Betriebseinheit 97 bei Stromzufuhr hervorgerufen; sie kann ausserdem durch eine Pumpaniage unterstützt werden. Der Kessel weist die übliche (nicht gezeichnete), bei Drosseln normale Ausrüstung auf. Diese Ausrüstung enthält einige Thermometer, Alarmschaltungen, Reduzierventile, u. dgl., Mann- und Schaulöcher und Ablasshähne u. dgl.
Die Neuheit der Drossel bezieht sich in erster Linie auf die Betriebseinheit 97, deren Einzelheiten in den Fig. 11, 12, 13, 14 und 15 dargestellt sind.
Diese Betriebseinheit 97 umfasst hauptsächlich einen Magnetkreis (Fig. 11, 12, 13, 14) bestehend aus einem Paar lamellierter, magnetischer Rückschlüsse 100 und 101, die durch ein Paar isolierender Kernschenkel 102 und 103 verbunden sind. Jeder isolierende Kernschenkel weist eine Anzahl Kernsegmente 104 auf, die voneinander durch Scheiben 106 und Distanzhalter 107 isoliert sind. Jedes Kernsegment ist aus Lamellen zusammengebaut, wie im Zusammenhang mit den Fig.3 und 4 beschrieben wurde.
Jedes in dieser Drossel verwendete Kernsegment 104 kann zur Verhinderung der Kernsättigung und um einen Betrieb der Vorrichtung bei optimaler Felddichte zu ermöglichen, ein an allen Seiten abgeschrägtes oder abgerundetes Profil aufweisen.
Jedes Kernsegment 104, mit Ausnahme des an beiden Schenkeln vorgesehenen mittleren Kernteiles 104A ist von einer stromdurchflossenen Spule 108 umgeben. Diese Spulen sind miteinander und mit dem Kernsegment, welches sie umgeben, elektrisch verbunden. jedes Spulen-Kern-Paar ist von seinem benachbarten Spulen-Kern-Paar durch Scheiben 106 und Abstandhalter 107 isoliert. Diese Scheiben und Abstandhalter helfen ferner bei der Einstellung des gegenseitigen Abstandes der Kerne und Spulen. Die Scheiben und Abstandhalter können aus beliebigem geeignetem Isoliermaterial gefertigt sein, so z. B. aus mit Epoxyharz imprägniertem Hartpapier oder aus Presspan.
Jede Scheibe 106 kann an ihrem Umfang eine ringförmige Aquipotentialfläche 110 tragen, die, wenn mit den Spulen und Kernteilen an irgendeiner Seite derselben entsprechend elektrisch verbunden, die Verteilung von Überspannungen oder Spannungsstössen über die Betriebseinheit 97 unterstützt. Nach Zusammenbau hält die ganze Einheit unter Druck zusammen, wozu eine Anzahl von Zugelementen, wie Verbindungsstangen 98, dient, die durch dazu vorgesehene, an jedem der beiden magnetischen Rückschlüsse 100, 101 befestigte Konsolen 99 durchgeführt sind, um die mittels dieser Verbindungsstangen 98 auf die Einheit ausgeübten Druckkräfte auszugleichen, kann eine den mittleren Kernteil 104A umgebende Blindspule 111 verwendet werden.
Bei den meisten Ausführungsformen kann jedoch dieser mittlere Kernteil 104A und die Blindspule 111 fortfallen. Zusätzlich lässt sich ein Ausgleich dadurch erzielen, dass die Abstandhalter 107 aus elastischem Material gefertigt sind, das eine gewisse seitliche Bewegung zwischen jeder Spule und dem dieser zugeordnetem Kernsegment zulässt.
Wenn die zusammengebaute Betriebseinheit 97 im Gehäuse 90 so untergebracht ist, dass der Magnetkreis zur Basis des Kessels parallel liegt, so stehen die Abstandhalter 107 zu dieser Basis senkrecht und zwischen diesen Abstandhaltern 107 bleiben offene vertikale Strömungswege 118. Diese Wege ermöglichen eine freie Strömung der Isolierflüssigkeit 96. Die diese Wege 118 durchströmende Flüssigkeit kühlt und isoliert die Spulen und die Kernteile. Infolge unvermeidbarer Verluste erwärmt sich die Einheit.
Diese Wärme wird durch Ableitung der Flüssigkeit 96 abgeführt. Wenn die Flüssigkeit im Strömungsweg 118 genügend warm wird, bildet sich in der Flüssigkeit eine Konvek- tionsströmung aus und die Flüssigkeit steigt in den Strömungswegen 118 zum Kopfende der Radiatoren 93 empor, strömt unter gleichzeitiger Abkühlung durch dieselben hindurch und am unteren Ende wieder in den Kessel zurück. Diese Konvektionsströme kühlen die Einheit und halten sie auf der vorgegebenen Temperatur.
Es wurde jedoch nachgewiesen, dass beim Zusammentreffen der Einheit mit einem starken elektrischen Feld einer Höchstspannung in der Flüssigkeit sich Dauerleitungsketten aus Kohlenwasserstoffen ausbilden können. Das Vorhandensein solcher Ketten ist für die Einrichtung schädlich und kann einen elektrischen Durchschlag zwischen Abschnitten der Einheit und dem Kessel 90 verursachen. Um solchen Fällen vorzubeugen sind an der äusseren Seite und um die Einheit herum Isolierwände 125 aus Presspan oder anderem Material vorgesehen, wie in Fig. 15 veranschaulicht ist.
Jede Spule 108 ist nicht nur mit jeder benachbarten Spule sondern auch mit ihrem zugeordneten Kernteil l03 elektrisch verbunden. Da diese Verbindungen eine Reihen-, eine Reihenparallel- oder eine Parallelschaltung sein können, sei dieser Umstand in Zusammenhang mit den Fig. 16, 17, 18, 19 und 20 kurz behandelt. Die Fig. 16 und 17 zeigen die Spulen 108, die auf jeder Scheibe elektrisch mit den benachbarten Spulen verbunden sind, so dass auf jedem isolierenden Kernschenkel zwei parallele Wicklungen, im ganzen daher vier parallele Wicklungen entstehen. Wie gezeigt wird die Hochspannung dem Mittelpunkt der Anordnung über die Leitung 109 zugeführt.
Dadurch, dass die Hochspannung dem Mittelpunkt der Einheit zugeführt, jede Spule gemäss Fig. 17 mit ihrem zugehörigen Kernteil verbunden, dagegen jedes Kernsegment von dem nächsten in der Säule isoliert wird, kann das Rah- menjoch ausgeschaltet werden, da der Magnetfluss auf die magnetischen Rückschlüsse 100 und 101 sowie auf die isolierenden Kernschenkel 102 und 103 beschränkt ist. Dadurch, dass das Joch ausgeschlossen ist und die Spulen mit den Kernteilen verbunden sind, ist auch das bisher existierende Problem der Isolation zwischen der Wicklung und dem Joch beseitigt. Die Nie-
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derspannung wird über die Leitung 105 abgenommen.
Eine erfindungsgemäss aufgebaute Hochspannungsdrossel weist ein kleines Gewicht und beträchtlich kleinere Gesamtabmessungen auf, als eine herkömmliche Drossel derselben Spannungs- und der halben Leistungsbemessung. Noch wichtiger ist, dass ihre Isola- tions-Zuverlässigkeit natürlich höher ist.
Die Fig. 18 und 19 zeigen die auf jeder Scheibe hintereinandergeschalteten Spulen 105. Die bei Verwendung der früher bekannten Vorrichtungen für Hochspannungsbetrieb sich ergebenden Schwierigkeiten sind behoben und eine allmähliche, systematische und vorzugsweise gleichmässige Potentialverteilung über jeden isolierenden Schenkel von seinem Mittelpunkt bis zu jedem der beiden magnetischen Rückschlüsse ist erreicht, und zwar infolge der grossen auch unter Oberspannungsbedingungen auftretenden gegenseitigen Kapazitäten zwischen den Kernteilen. Es versteht sich von selbst, dass die Spulen in allen Fällen und auf jedem Segment einen solchen Wicklungssinn besitzen müssen, dass die Richtung des Spannungsgefälles des magnetischen Feldes in einer geschlossenen Schlaufe verläuft, wie durch die Pfeile 114 angedeutet.
Aus Fig.20 sind eine modifizierte Ausführung der Spulen 108, deren gegenseitige Verbindung und die Isolierscheibe erkennbar. Die Spulen 108, die jedes Kernsegment 104 umgeben, sind in zwei einander entgegengesetzt gewickelten Hälften 119 und 120 geteilt. Das Kernsegment 104 ist mit dem Mittelpunkt zwischen den beiden Spulenhälften verbunden, wobei jede Spulenhälfte gegen die andere Spulenhälfte isoliert ist. Ausserdem kann die Scheibe 106 geschichtet sein und zwei Schichten geeigneten Isoliermaterials 130 und 131 mit einem leitenden Netz 116 als Zwischenlage aufweisen.
Das Netz 116 dient zur Verkleinerung der Wirbelströme. Eine derartige geschichtete Scheibe könnte bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen, einschliesslich des Transformators, verwendet werden. Das zwischengelegte, leitende Netz 116 wirkt so, dass jedes Kernsegment mit seinen benachbarten Kernsegmenten kapazitiv gekoppelt und auf diese Weise die Empfindlichkeit der Einheit auf überspan- nungen und Spannungsstösse weiter erhöht ist.
Fig. 20 zeigt eine andere Modifikation, die in jeder der oben erwähnten Vorrichtungen Verwendung finden könnte. In dieser Abänderung ist die ringförmige Äqui- potentialfläche 110 durch eine die Scheibe umgebende halbringförmige Fläche ersetzt, die aus Isoliermaterial gefertigt ist und einen leitenden Belag trägt.
Die in Fig. 15 gezeigten Isolierwände 125 sind so geformt, dass sie annähernd den Äquipotentialflächen des elektrischen Feldes entsprechen, das zwischen den an jedem isolierenden Kernschenkel angebrachten ringförmigen Aquipotentialflächen entsteht. Um zu gewährleisten, dass jede erzeugte Kohlenwasserstoffkette unterbrochen wird, ist an den Wänden 125 eine angemessene Anzahl Trennstreifen 126 willkürlich angebracht. Eine ausreichende Strömung wird durch zahlreiche, in jeder Wand 125 ausgebildete Öffnungen 127 hervorgerufen. Diese Kombination von Öffnungen, Trennstreifen und Wänden erzeugt eine beträchtliche Turbulenz in der Flüssigkeit, welche die Bildung von schädlichen, leitenden Ketten verhindert.
Für die Hochspannungsleitung 109 ist eine einzige grosse Öffnung vorgesehen.
Am Ende jeder Verbindungsstange 98 können Druckfedern 128 verwendet werden, um zu gewährlei- sten, dass die isolierenden Kernschenkel jederzeit einer gleichbleibenden Spannkraft ausgesetzt sind. Die Spannstangen 98 können mit einer zylindrischen Isolation überzogen werden.
Die Erfindung schafft nicht nur eine verbesserte, für Höchstspannungen betriebsfähige Drossel, sondern bietet gleichzeitig bedeutende Gewichts- und Kosten- einsparungen. Es ist daher möglich, eine Drossel mit wesentlich kleineren Abmessungen zu konstruieren, da bei angelegter voller Betriebsspannung jeder Wicklungsabschnitt, unter normalen sowie unter kurzzeitigen extremen Bedingungen, nur den der Gesamtspannung proportionalen Anteil erhält. Durch Verbindung jedes SegmentEs des isolierenden Kernes mit den Wicklungen fällt ferner die Notwendigkeit einer weitgehenden Isolation zwischen den Spulen und den Kernsegmenten weg.
Durch diese Kopplung der Kernsegmente mit den sie umgebenden Spulen wird die Spannung entlang jedes Schenkels derart gleichmässig geändert, dass der Potentialgradient längs jedes Schenkels konstant bleibt und die Schenkellänge für Isolationszwecke in höchstem Masse ausgenützt wird.
Da alle Kernsegmente, Isolierscheiben und Spulen untereinander vollkommen gleich sind, ist die Einheit für eine Serienfertigung gut geeignet und in der Herstellung wirtschaftlich.
Das Material der Isolierscheiben bietet sowohl elektrische Isolierung als auch mechanische Abstützung und zwischen den Scheiben entsteht eine beträchtliche Kapazität, die bei überspannungsstössen zur Gleich- mässigkeit der Spannungsverteilung entlang jedes Schenkels beiträgt. Dies schwächt den vorübergehenden Hochspannungsstoss ab.
Die Anwendung eines isolierenden Kernes weist zusätzliche Vorteile auf, weil sie eine genaue Steuerung der Induktivität mit sich bringt. Da ausserdem dieser Grundgedanke ein gleichmässiges Aufbringen der magnetisierenden Amperewindungen über den ganzen isolierenden Kern ermöglicht, führt er zur Verringerung des magnetischen Streuflusses.
Die Vorteile der beschriebenen mechanischen Anordnung bestehen darin, dass die Einheit bei horizontaler Aufstellung durch Konvektionsströme selbstgekühlt werden kann und dass gleichzeitig durch die angewendeten grossen Druckkräfte sowohl das akustische als auch das magnetostriktive Geräusch verringert wird.
Eine Drossel lässt sich für Drehstrombetrieb anpassen, wobei 3 Schenkel benutzt werden, die je eine Hochspannungs-Zufuhrleitung in ihrer Nlitte aufweisen.
Der profilierte Kern 104 kann noch mehr als in Fig. 21 gezeigt ist, von einem geformten, festen Dielek- trikum 117 ummantelt sein, das die Form eines Spu- lenkörpers aufweist. Die Spulen werden auf diese Körper aufgewickelt und die ganzen Spulenkörper gestapelt, so dass isolierende Kernschenkel entstehen. Eventuell könnte das leitende Netz 116 (FiG. 20) zwischen die Spulenkörper eingelegt und mit einer äquipotentia- len den Spulenkörper umgebenden Äquipotentialfläche verbunden werden.
Unter der in dieser Beschreibung verwendeten Bezeichnung Spule können auch solche Spulen verstanden werden, die aus einer Anzahl kleinerer Spulen, z. B. Scheibenspulen, bestehen sowie solche Spulen, deren Leiter Gekreuzt oder in irgend einer anderen vorgegebenen Folge gewickelt sind, zur Herabsetzung der durch Wirbelströme verursachten Verluste.
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High-voltage induction device The invention relates to a high-voltage induction device.
The ever increasing demand for electrical energy in larger quantities and at cheaper prices brings with it ever greater technical and aesthetic problems with regard to the endeavor to preserve the attractiveness of the populated areas. In order to be able to meet this increasing demand without additional power plants and line networks in the cities and suburban areas, the high-voltage companies are currently building power plants in remote regions, in the immediate vicinity of the energy sources, i.e. either rich hydropower reserves or large coal deposits. The electricity generated there can be transmitted economically to the consumer centers via overhead lines.
Due to the increasing population density and with regard to the preservation of the aesthetic and economic values of the landscape, however, the rights of way for the transfer are increasingly difficult to acquire. It has therefore become necessary to multiply the power transmission capacity of the existing transmission lines and to expect an even higher power requirement in the future. For this and other reasons, the heavy current industry in power transmission technology is quickly changing over to high voltages (EHV). Voltages between the conductors above 345 kV are considered to be maximum voltages (EHV).
500 kV networks have already been built and projects for 750 kV networks have been announced. With such high voltages, more energy can be transmitted over extended geographical distances. This development towards the transmission of higher voltages is of fundamental importance for satisfying the anticipated electricity demand for the next two decades. Extra high voltage, intermediate or group connections are also provided in order to be able to compensate for peak demand over large areas and to improve the reliability of the entire system.
Although there are important technical and economic reasons for the use of extra high voltages, serious difficulties have arisen in the construction of reliable connection and line devices intended for this voltage range. A mere extension of the known construction concepts to the high voltage range proves to be inadequate, and in this respect it clearly shows the need to come up with new ideas. New transformers and chokes are particularly needed, which have reliable insulation at very high voltages and are characterized by more effective use of materials and space.
In its simplest form, a transformer consists of two current-conducting windings with large mutual inductance. The primary winding is the one that consumes the electrical power and the secondary winding is the one that delivers the voltage induced in it when the current flows through the primary winding as power to the consumer. Usually these windings are placed on a core made of magnetic material. In the case of extra-high voltage transformers, the necessary reinforcement of the insulation between the high-voltage windings and the earthed core has an unfavorable effect on the operating parameters, the costs and the reliability of the insulation.
In addition, the construction of extra-high voltage transformers must be considerably larger, caused by short circuits, voltage surges, switching processes and the like. Like. Exclude or withstand forces caused.
Attempts have been made to overcome these problems with known construction work by reinforcing the insulation and enlarging the sparkover gaps. It turned out, however, that with an ordinary extension of known constructions, serious problems with regard to the control of the field distribution remain unsolved, furthermore that such an extra-high voltage installation spatially
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becomes excessively large and has unsafe insulation parameters.
These deficiencies or problems remained unsolved until the present invention. The invention not only provides the solution to these problems, but also enables the creation of a new extra-high voltage transformer with high electrical power and maximum space utilization, which can also be designed reliably for even higher voltages than those previously considered.
Large AC transformers of the previously known type equipped with an earth core are high-performance and practical power transmission belt devices that have made it possible to set up the modern AC network. However, if they are used in a conventional design for an extra high voltage operation considered in the present invention, the question of voltage isolation, which can be easily solved at low voltages, becomes a difficult problem.
catastrophic breakdowns may also occur.
It is an aim of the invention to solve the insulation problem for the specified maximum voltages. A choke or reactance for power networks is essentially a high voltage, high power induction coil used as a high, lagging power factor load. Typically, such devices consist of a coil and a magnetic circuit arranged to have high reactance and low resistance. Chokes are usually used in long lines as shunt chokes for subsequent delivery or compensation of the load current of the line.
With the introduction of extra high voltages, shunt reactors are gaining in importance. For example, in high voltage networks, leading currents at the end of a long, lightly loaded line can cause overvoltages. If no preventive measures are taken, these high voltages can cause instability and failures in the connected systems. Shunt reactors at the end of the line would prevent such instabilities.
The previously known chokes were generally either so-called shell constructions or constructions with an interrupted core. A jacket choke consists of an air-core coil surrounded by a magnetic coil, while in the second design, which is a modification of the first, an iron core interrupted by layers of rigid, non-magnetic material is arranged inside the coil.
In the case of the jacket construction, the large diameter and radially atifed coils are exposed to a strong leakage flux and severe eddy current losses occur. In the case of the construction with an interrupted core, the lower magnetic resistance of the magnetic circuit generally leads to smaller Vickers losses, but the problem of Isolating the potential difference between the winding and the core becomes much more difficult.
A saturation of the core iron must be avoided both in order to avoid losses and to ensure a constant inductance in the entire operating voltage range. Before this invention, the construction of an extra-high voltage choke became more and more difficult and unsafe with regard to insulation strength, reliability, freedom from corona and interference protection. For these problems, particularly in the area of the highest voltages, there was no perfect solution.
The present invention provides a Hochspar.nungs induction device with at least two martnetisch conductive and electrically isolated legs, the ends of which are connected to magnetically conductive yokes to form at least one closed magnetic circuit, which consist of magnet core sections electrically isolated from one another and the groups of enforce series-connected coils, characterized in that the leg sections have flat end faces and mutually essentially parallel end faces,
with these are supported against insulating layers and that some of these legs are connected to the high-voltage end of the coils connected in series to form a group, but the yokes are connected to earth.
Not only are the normal alternating current operating potentials distributed in an excellent manner, but the invention also achieves an excellent voltage surge distribution. The invention enables a relatively compact winding with a few windings and relatively low losses due to the reduced leakage flux. Furthermore, the invention leads to a reduction in both acoustic and magnetostrictive noises.
The invention also contributes to avoiding saturation of the core core segments, thereby enabling an inductance that is constant over the entire voltage range and preventing the occurrence of harmonic harmonics in the current of the inductance.
In addition, a low RF interference level can be achieved since the distribution of the electrical stress is correctly controlled according to the invention and all parts of the device can be kept below the level at which the corona phenomena occur. The invention also offers the possibility of keeping the return section of the magnetic circuit at ground potential and thus simplifying the problem of insulation and mechanical support.
These and other benefits are combined with VerrinL, Prun; the overall status of the required unit and the manufacturing costs of the same, both in the case of transformers and reactors, are achieved by using the principle of an insulating core, the effective Macnet circuit sections of which are electrically isolated from the surrounding areas Coil electrically connected segments are composed, where the:
The distribution of the voltage to the effective sections of the magnetic core as well as to the electrical circuits assigned to it takes place in a systematic and uniform sequence.
The invention is explained in more detail in the following to Vand by: @, usiiihrungsbeispielen which are shown in the drawings. It shows FiS. 1 is a diagrammatic representation of a conventional transformer, in section; 2 shows a schematic section through a transformer according to the invention; Fig. 3
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a detail of a segment of the insulating core of FIG. 2;
4 shows a lamella of the segment shown in FIG. 3 in detail; FIG. 5 shows a schematic arrangement of the coils and cores of the transformer according to FIG. 2 with insulating washers in section; 6A shows a section through an insulating washer according to the invention; 6B shows the same illustration for a different embodiment; 7 shows a diagrammatic representation of a device according to the invention as a three-phase transformer; Fig. 8 is a diagrammatic sectional representation of a conventional throttle;
9 shows the same illustration for a different embodiment; 10 shows a view of a throttle according to the invention, partly in step; FIG. 11 is a diagrammatic representation of an operating unit according to FIG. 10; Fie. 12 shows a detailed view of an element of the throttle, along line 12 -12 of FIG. 10; 13 shows a schematic detailed view along line 13-13 of FIG. 12; FIG. 14 shows further details according to FIG. 10;
15 shows another representation of the operating unit according to FIG. 10; FIG. 16 is a diagram of a circuit according to the invention; Fig.17 shows a detail of the circuit according to Fig.l6; 18 shows a diagram of another circuit according to the invention; 19 shows a detail of the circuit according to FIG. 18; FIG. 20 shows an embodiment of an equipotential surface according to the invention in detail and FIG. 21 shows a schematic representation of another embodiment of the invention.
Fib. 1 shows a section through a conventional transformer with a magnetic circuit 20 and two current-carrying windings 22 and 23 which are accommodated in a housing 24. In such transformers the magnetic circuit usually consists of a closed, laminated, hollow core of the shape of a clit, in which transversely arranged, non-magnetic interruptions are carefully avoided.
These transformers work in the following way: A time-variable magnetization current: n in dr connected to an alternating current source: icl; Iting 22 generates a s @, - nchronic changing magnetic flux in the planetary circle :; 20 In turn, an electro-magnetic inting is induced in the distribution 23.
The load current produced by winding 23 and the corresponding power are the same! the related input current absorbed by the primary winding 22 and the corresponding power, plus the associated losses. In order to limit the stress losses (I = R) to a 1- @ iliimuni, the windings should be close to the; @lagnet! <rcis rewicl <elt be.
The electrical conductivity and the large volume of the core, however, require that the magnetic circuit be connected to earth potential; follich, a corresponding voltage insulation is required between the core and the windings. Since the operating voltages and the overvoltages are greater in this type of device, a reliable one is also necessary;
ere I, ola- tion necessary. The @Z ': loops have a greater distance from the core, the greater the expected winding losses. Insulating bars are used to reduce the field distribution and the movement of room louvers ("en and clektr The increase in the isolation distance must precede that of the nominal voltage.
These folding doors determine the geometrical dimensions of both the windings and the core and also add to the weight and the losses of the unit.
The invention brings about an improvement in insulation in that the core and the winding are kept at essentially the same potential at all times regardless of the voltage rating of the device. This is done by dividing the effective or winding-carrying section of the magnetic circuit into core elements and stacking them in a columnar manner, each core element being isolated from the neighboring one by a corresponding, but relatively thin layer of a high-quality dielectric.
Each of these isolated magnetic elements is tightly surrounded by a corresponding part of the overall winding, the center point or another point of this winding part being electrically connected to its associated core section and its potential being clearly determined at all times. The potential distribution in the column of the insulated core sections is therefore almost exactly the same as in the associated winding and the electrical incompatibility of the winding and the core. which is characteristic of the conventional constructions of transformers and chokes is almost completely avoided.
One embodiment will now be described with reference to FIG. A single-phase step-down transformer designed as an autotransformer is shown here, which can span very high voltages. According to FIG. 2, the magnetic circuit 30 comprises two legs 33 and 34 which are divided into segments, are composed of stacked magnetic core sections 35 and 38 and are isolated from one another by insulating washers 36, and two magnetic return paths 31 and 32 which connect these legs.
Each leg is surrounded by a pair of conductive windings. The autotransformer shown has four windings 41, 42, 43 and 44 connected in series and four common windings 45, 46, 47 and 48. The series-connected windings 41 and 42 and the common windings 45 and 46 are mounted on the leg 34 divided into segments, the remaining windings on the other leg 33. Each winding consists of a number of electrically conductive coils 37 which surround a core section 35 and are electrically connected to it.
One in the middle of each. The core part 38, which is arranged on the two legs and does not carry a coil, serves to separate the windings connected in series and as a feed point for the high voltage. The upper voltage is fed to the four series-connected coils and the core parts 38 via an upper voltage fitting 39 which is connected to an alternating current source (not shown).
The point for the low voltage connection 40 is the junction of the series winding and the common winding. On the other hand, each common winding is connected to the next # -, eler enen magnetic yoke 31 or 32 and to earth.
With reference to FIGS. 3 to 5, the one of the first, # - ^ i-ztt2th Atisfiliruncsform will now be described. Each core segment is composed of a plurality of rectangular silicon steel lamellas 50, each of which has a plurality of holes. by means of which the entire lamella pack forming a core segment can be connected. To get a -nagnet-
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To prevent saturation at the edges of the core segment and to improve the distribution of the electric field, the narrow ends 52 and 53 of each lamella can be chamfered or rounded.
After assembling the lamellas 50, the corners of each core segment can be beveled and the edges or sides 55 and 56 z. B. be rounded off by grinding so that they have a similar profile to the ends 52 and 53. The core segments 35 could possibly be made from a single, spirally wound strip of material. The specific dimensions of each core segment depend on the performance to be implemented.
As shown in FIG. 5, each coil is wound close to the core segment in question.
The coils can consist of two parts 57 and 58, each of which are spirally wound from insulated conductive strips. In the embodiment shown, the two coil halves 57 and 58 are wound in opposite directions to one another. The two halves are electrically connected to one another and to the adjacent core segment by means of a suitable conductor 59. The superimposed coils are connected by a suitable connecting strip 60 and form the overall winding.
An insulating washer 36 is provided between the adjacent coil-core pairs, which serves to electrically isolate each of these pairs from the adjacent one. A second insulating disk 61, on which a holding device 62 for an annular equipotential surface 63 surrounding the coil, is fastened, is inserted between the coil halves lying one above the other. Both the discs and the holding device 62 can be made of any suitable insulating material. Such a material is e.g. B. resin-impregnated hard paper or cross-linked polyethylene film.
In order to prevent possible irregularities in the coils and mechanical damage to the discs 61 resulting from the high electrical transverse stresses on the discs 61, each coil pair 57 and 58 can be surrounded by a semi-elastic coil spacer.
Most of the difficulties that had to be overcome during the attempts to manufacture reliable extra-high voltage transformers arose from the need to separate and isolate the high-voltage winding from the earthed iron core through which the effective magnetic flux penetrated.
The division into segments and the electrical insulation of each core segment from the neighboring segments solves the problem of voltage isolation, since each core segment and the coil surrounding it have the same potential and both have the same insulation strength. The need for large distances and strong isolation. between the coils and the cores therefore disappears. By introducing insulating gaps, however, the increase in the magnetic resistance of the magnetic circuit is supported and this leads to the need for a stronger "i%" magnetizing current or greater power supplied, which, however, again promotes a greater spread of the magnetic flux.
A greater leakage flux leads to a greater decrease in inductance under load.
This decrease can be reduced if two parallel-connected windings are attached to each leg so that for a given total power output per leg, the load current per winding is halved. According to FIG. 2, this arrangement achieves the highest voltage level in the center of each leg and only a very small proportion of the entire magnetic circuit is at this high potential. This arrangement almost doubles the effective height of the transformer leg, but it was found that the entire core is actually better utilized, since a larger proportion of the core is effectively used for the windings. In addition, every magnetic return is connected to earth potential and can be constructed and supported more economically and effectively.
The construction of the core and the windings according to the invention also has the important advantage that it creates a series-connected capacitance system which ensures better distribution of the beaver voltages over the core and winding columns. These overvoltages are distributed better because the insulated coil-core arrangement, which is divided into segments, forms a series-connected chain of large capacities that are almost equivalent to one another. As a result, traveling waves are distributed almost completely evenly over the entire column. Better insulation values were therefore achieved.
Since the normal and temporary electrical loads can be controlled to a greater uniformity, the device described can be designed for subcorona operation and spray discharges and radio interference can thereby be excluded. It should be noted that the coil, core and insulation parts are preferably mechanically identical to one another and have the same physical functionality. Serial production of completely identical components further reduces costs and also improves quality.
The disk-shaped insulation 36 is formed on the circumference in such a way that leakage currents are suppressed or avoided. Two embodiments are shown in sections in FIGS. 6A and 6B. The disk according to FIG. 6A is a faceplate 70 made of insulating material with a widened edge 71, which has a thin conductive coating 72 on both sides made of a material with moderate conductivity. Normally, this coating 72 has a resistance R of 800 to 8000 R / cm - and therefore suppresses the formation of excessively large eddy currents. A bead 73 is formed over the edge extension 71 and the edge of the coverings 72. The pads 72 with the insulating material 70 in between form a capacitor C.
The resulting time constant (RC) will generally be on the order of 0.001 s.
The embodiment shown in FIG. 6B also essentially consists of a faceplate made of insulating material. The widened circumference here, however, has some corrugations 78 so that the surface formed in this way extends the electrical path between the opposite sides of the disk. This disk also carries pads 72 with the resistance values given above.
The smooth, conductive coating 72 lies close to the solid dielectric, forms a limitation of the electric field and thereby prevents irregularities in the lamellae of the cores, which occur in places with high
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electrical stress. The conductive coating serves to evenly distribute the electrical potential over the entire surface of the sensor disk 36, whereby the electrical stress is applied to the edges. is decreased.
Under certain circumstances, it may be necessary to design the insulating washer 36 in two parts, one part being an N-center disk z. B. can be carried out according to Fig. 6A or 6B, on which the core segments rest. The second part can be used as a ring concentric with this center disk and used to isolate the coils from one another, e.g. B. be designed according to FIG. 6A or 6B. Assembling the insulating disk 36 from two parts has the advantage that the cores and the coils can be moved independently of one another.
The device according to the invention is also suitable for three-phase circuits. Such a construction for three-phase current is shown in FIG. 7 and has three core legs 80, 81 and 82 which are divided into segments. Each leg carries the necessary number of coils and is connected to the other two legs at the top and bottom by triangular magnetic return paths 83.
The present invention can also be used to advantage as a throttle.
The need for shunt chokes is determined by the length of the transmission line, its load and the general problem of reactive power control. They can also be used very effectively in limiting transient overvoltages. In many extra-high voltage networks, the need for generator replacement or the use of interest groups will be so great that the lines will have to be on standby for most of the time. In such cases, the shunt reactors will be essential in controlling the network.
The daily load cycle will also be influenced by the use of reactive power compensation. Constantly connected extra-high voltage chokes may be required for many lines even during full load. If the load is small, additional reactive power compensation will be necessary as the terminal voltages increase.
The previously known throttles were constructed with what is known as a jacket or frame yoke. The main components of such a throttle are shown in FIG. A coil 86 in the form of a hollow cylinder is surrounded by a laminated frame yoke 87. The coil has a high-voltage connection 84 at one end and a low-voltage connection 85 at the other end. Since the yoke 87 must be at ground potential in a good construction, it is necessary to sufficiently isolate the high-voltage end of the coil both at the end and at the side from the yoke 87.
At the same time, this distance must be kept small if the magnetic lines of force are in the preferred direction, i.e. H. should be parallel to the bobbin axis. Such requirements generally make it difficult to use this construction for very high voltages. In addition, when designing the chokes, it was determined that the nominal volt-ampere value (EI) is proportional to the product @ = V, where, 3 is the magnetic field density in the coil and V is the volume enclosed by the coil. The value (EI) increases with the square of the magnetic field density, but only linearly with the volume of the magnetic field.
For a compact design, it is therefore advantageous to choose the magnetic field density ss large.
The air core jacket type of the choke shown in Fig. 8 excludes high values of magnetic field density due to the high magnetic resistance of the air core. Consequently, the volume V is large and the field density ss is relatively small. The coil is also large and practically exposed to the full value of the magnetic field at certain points. These circumstances mean that the choke will have high drag and eddy current losses.
In an attempt to solve these problems, chokes of the clad type with an interrupted core and the core type with an interrupted core were tested. The jacket type with an interrupted core is in Fiä. 9 illustrates and has a discontinuous iron core 88 disposed on the axis of the coil 86. This core 88 is magnetically coupled to the yoke 87. The gaps which interrupt the core are filled with very stiff, non-magnetic filler material 89 so that the core segments 79 are kept at a distance.
In this construction, values of ss can be used which approach those required for saturation of the iron. As a result, the volume V is smaller. This construction neither solves the problem of high-voltage insulation between the coil and the yoke, nor does it achieve a good distribution of the short-term overvoltages. The entire unit increases undesirably in length if it is designed for extremely high voltages. This increase in length naturally increases the overall dimensions and weight.
The present invention solves the insulation problem, especially when the device is used in the very high voltage operation and the values of ss are high, thereby reducing the weight and dimensions of the reactor. This reduction not only lowers manufacturing costs, but also lowers electrical losses and natural magnetostrictive noise. The electrical losses are only half of those in conventional chokes. The construction described also enables the application of enormous compressive forces in the direction of the induced magnetic field, which serve to ensure the mechanical stability of the unit and to attenuate the audible noises.
In addition, the invention reduces the magnetic leakage flux and the overvoltage resulting from undesired traveling waves or current surges is better and more evenly distributed, whereby local areas of excessive stress from high voltage are avoided.
These and other advantages are achieved by having the choke with a pair of parallel windings. which surround a magnetic circuit which comprises a pair of magnetic yokes and insulated magnetic core limbs coupled to this and the windings are electrically connected to the insulated core limbs in stages, with a systematic and controlled distribution of the applied voltage being achieved along the limbs.
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A throttle can be seen in a partially sectioned illustration from FIG. This throttle has a housing 90 in the form of an essentially cylindrical vessel which is supported by feet 94 against cushion 95.
The upper part of the housing is penetrated inwardly by a high-voltage bushing 91 and a low-voltage bushing 92. These bushings can be constructed as conventional bushing capacitors and are mechanically, thermally and electrically adapted to an operating unit 97 accommodated in the housing 90. Attached to the sides of the vessel 90 and connected to the interior by passageways are a number of radially extending hollow cooling blocks 93. A suitable insulating liquid 96 is located in the tank 90 in an amount sufficient to cover the operating unit 97 and to circulate through the cooling blocks or radiators 93 for the purpose of dissipating heat.
This convection flow is caused in the liquid by the heating of the operating unit 97 when power is supplied; it can also be supported by a pump system. The boiler has the usual (not shown), normal equipment for chokes. This equipment includes some thermometers, alarm circuits, reducing valves, and the like. Like., man and inspection holes and drain cocks u. like
The novelty of the choke relates primarily to the operating unit 97, the details of which are shown in FIGS. 11, 12, 13, 14 and 15.
This operating unit 97 mainly comprises a magnetic circuit (FIGS. 11, 12, 13, 14) consisting of a pair of laminated magnetic yokes 100 and 101, which are connected by a pair of insulating core legs 102 and 103. Each insulating core leg has a number of core segments 104 which are isolated from one another by washers 106 and spacers 107. Each core segment is assembled from lamellae, as was described in connection with FIGS. 3 and 4.
Each core segment 104 used in this choke can have a beveled or rounded profile on all sides to prevent core saturation and to enable operation of the device with optimal field density.
Each core segment 104, with the exception of the central core part 104A provided on both legs, is surrounded by a coil 108 through which current flows. These coils are electrically connected to each other and to the core segment which they surround. each coil-core pair is isolated from its adjacent coil-core pair by washers 106 and spacers 107. These discs and spacers also help to adjust the mutual spacing of the cores and coils. The discs and spacers can be made of any suitable insulating material, such. B. made of epoxy resin impregnated hard paper or pressboard.
Each disk 106 can carry an annular equipotential surface 110 on its periphery, which, when appropriately electrically connected to the coils and core parts on either side thereof, supports the distribution of overvoltages or voltage surges across the operating unit 97. After assembly, the entire unit is held together under pressure, for which purpose a number of tension elements, such as connecting rods 98, are used, which are passed through brackets 99 attached to each of the two magnetic yokes 100, 101 in order to be attached to the by means of these connecting rods 98 A dummy coil 111 surrounding the central core part 104A can be used to compensate for compressive forces exerted by the unit.
In most embodiments, however, this central core portion 104A and dummy coil 111 can be omitted. In addition, compensation can be achieved in that the spacers 107 are made of elastic material which allows a certain lateral movement between each coil and the core segment assigned to it.
When the assembled operating unit 97 is housed in the housing 90 so that the magnetic circuit is parallel to the base of the vessel, the spacers 107 are perpendicular to this base and open vertical flow paths 118 remain between these spacers 107. These paths allow the insulating liquid to flow freely 96. The liquid flowing through these paths 118 cools and isolates the coils and core parts. The unit heats up due to unavoidable losses.
This heat is dissipated by dissipating the liquid 96. When the liquid in the flow path 118 becomes sufficiently warm, a convection flow forms in the liquid and the liquid rises in the flow paths 118 to the head end of the radiators 93, flows through them with simultaneous cooling and at the lower end back into the boiler back. These convection currents cool the unit and keep it at the specified temperature.
However, it has been proven that when the unit comes into contact with a strong electric field of maximum voltage in the liquid, permanent conduction chains of hydrocarbons can form. The presence of such chains is detrimental to the facility and can cause electrical breakdown between sections of the unit and the vessel 90. To prevent such cases, insulating walls 125 made of pressboard or other material are provided on the outer side and around the unit, as illustrated in FIG. 15.
Each coil 108 is electrically connected not only to each adjacent coil but also to its associated core part 103. Since these connections can be a series, a series-parallel or a parallel connection, this fact will be dealt with briefly in connection with FIGS. 16, 17, 18, 19 and 20. 16 and 17 show the coils 108, which are electrically connected to the adjacent coils on each disk, so that two parallel windings are formed on each insulating core leg, and therefore a total of four parallel windings. As shown, the high voltage is fed to the center of the arrangement via line 109.
Because the high voltage is fed to the center point of the unit, each coil is connected to its associated core part according to FIG. 17, but each core segment is isolated from the next in the column, the frame yoke can be switched off, since the magnetic flux affects the magnetic fluxes 100 and 101 and the insulating core legs 102 and 103 is limited. Since the yoke is excluded and the coils are connected to the core parts, the previously existing problem of insulation between the winding and the yoke is also eliminated. The never
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the voltage is removed via line 105.
A high-voltage choke constructed according to the invention has a low weight and considerably smaller overall dimensions than a conventional choke of the same voltage and half the power rating. It is even more important that their insulation reliability is of course higher.
18 and 19 show the coils 105 connected in series on each disk. The difficulties which arise when using the previously known devices for high voltage operation have been eliminated and a gradual, systematic and preferably uniform potential distribution over each insulating leg from its center point to each of the two Magnetic conclusions are achieved due to the large mutual capacitances that occur between the core parts, even under high voltage conditions. It goes without saying that the coils must have such a winding sense in all cases and on each segment that the direction of the voltage gradient of the magnetic field runs in a closed loop, as indicated by the arrows 114.
A modified embodiment of the coils 108, their mutual connection and the insulating washer can be seen from FIG. The coils 108 surrounding each core segment 104 are divided into two oppositely wound halves 119 and 120. The core segment 104 is connected to the midpoint between the two coil halves, each coil half being isolated from the other coil half. In addition, the disk 106 can be layered and have two layers of suitable insulating material 130 and 131 with a conductive mesh 116 as an intermediate layer.
The network 116 serves to reduce the eddy currents. Such a layered disk could be used in all of the embodiments described above, including the transformer. The interposed, conductive network 116 acts in such a way that each core segment is capacitively coupled to its neighboring core segments and in this way the sensitivity of the unit to overvoltages and voltage surges is further increased.
Fig. 20 shows another modification which could be used in any of the above mentioned devices. In this modification, the ring-shaped equipotential surface 110 is replaced by a semi-ring-shaped surface which surrounds the disk and which is made of insulating material and has a conductive coating.
The insulating walls 125 shown in FIG. 15 are shaped in such a way that they approximately correspond to the equipotential surfaces of the electrical field that is created between the annular equipotential surfaces attached to each insulating core limb. To ensure that any hydrocarbon chain produced is broken, an appropriate number of dividing strips 126 are randomly attached to the walls 125. Sufficient flow is provided by numerous openings 127 formed in each wall 125. This combination of openings, parting strips and walls creates considerable turbulence in the liquid which prevents the formation of harmful conductive chains.
A single large opening is provided for the high-voltage line 109.
Compression springs 128 can be used at the end of each connecting rod 98 in order to ensure that the insulating core legs are subjected to a constant tension force at all times. The tie rods 98 can be covered with a cylindrical insulation.
The invention not only creates an improved choke capable of operating for very high voltages, but also offers significant weight and cost savings. It is therefore possible to design a choke with significantly smaller dimensions, since when the full operating voltage is applied, each winding section, under normal and brief extreme conditions, only receives the portion proportional to the total voltage. Furthermore, by connecting each segment of the insulating core to the windings, the need for substantial isolation between the coils and the core segments is eliminated.
This coupling of the core segments with the surrounding coils changes the voltage along each leg so that the potential gradient remains constant along each leg and the leg length is used to the greatest possible extent for insulation purposes.
Since all core segments, insulating washers and coils are completely identical to one another, the unit is well suited for series production and is economical to manufacture.
The material of the insulating washers provides both electrical insulation and mechanical support, and a considerable capacity is created between the panes, which contributes to the uniformity of the voltage distribution along each leg in the event of overvoltage surges. This attenuates the transient high voltage surge.
The use of an insulating core has additional advantages because it provides precise control of the inductance. Since this basic idea also enables the magnetizing ampere turns to be applied evenly over the entire insulating core, it leads to a reduction in the magnetic leakage flux.
The advantages of the mechanical arrangement described are that the unit can be self-cooled by convection currents when installed horizontally and that at the same time both the acoustic and magnetostrictive noise are reduced by the high pressure forces applied.
A throttle can be adapted for three-phase operation, using 3 legs, each with a high-voltage supply line in their middle.
The profiled core 104 can be encased even more than is shown in FIG. 21 by a shaped, solid dielectric 117 which has the shape of a coil former. The coils are wound onto these bodies and the entire coil formers are stacked, so that insulating core legs are created. The conductive network 116 (FIG. 20) could possibly be inserted between the coil formers and connected to an equipotential surface surrounding the coil formers.
The term coil used in this description can also be understood as meaning those coils which consist of a number of smaller coils, e.g. B. disc coils exist as well as those coils whose conductors are crossed or wound in some other predetermined sequence to reduce the losses caused by eddy currents.
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