DD222725A1 - Schild zur blitzspannungssteuerung in lagenwicklungen von transformatoren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schild zur Steuerung der Blitzspannungsverteilung in Lagenwicklungen von Transformatoren und Drosselspulen hoher Leistungen und Spannungen. Ziel und Aufgabe bestehen darin, mit Hilfe einer Schildanordnung die kapazitive Kopplung zwischen Schild und Lagenwicklung in axialer Richtung kontinuierlich abzustufen, ohne dass hierfuer durch das magnetische Streufeld hervorgerufene Zusatzverluste und zusaetzlicher Raumbedarf und Fertigungsaufwand in Kauf genommen werden muessen. Das wird dadurch erreicht, dass der Schild aus elektrisch leitenden, axial zur Wicklung und in einem bestimmten Abstand parallel zueinander angeordneten Baendern bestimmter Breite und hoher Leitfaehigkeit und einem elektrisch leitenden, bahnfoermigen Traeger geringerer Leitfaehigkeit aufgebaut ist und dass benachbarte Baender eine unterschiedliche Lage besitzen, indem ihre zum Eingang der benachbarten Lagenspulen weisenden Enden auf gleicher axialer Hoehe liegen und ihre in entgegengesetzte Richtung weisenden Enden auf einer Linie liegen, die auf den Umfang der Wicklung eine zerklueftete, vorzugsweise wellenfoermige, Elektrodenrandkontur des mit den elektrisch leitenden Baendern hoher Leitfaehigkeit abgedeckten Schildbereichs ergibt. Fig. 1

Description

Berlin,- den 22. Ukrζ TSO /

Erfinde:

Dr.-Ing. Joachim Schmidt Dr.-Ing. Hans-Jochen Rindfleisch Klaus Janke

Anmelder;

"TSB Transformatorenwerk "Karl Liebknecht" Patentabteilung 1160 Berlin-Oberschöneweide Wilhelminenhofstraße 83-85

Titel der Erfindung:

Schild zur Blitzspannungssteuerung in Lagenwicklungen von Transformatoren ·

Anwendungsgebiet der Erfindung:

Die Erfindung betrifft einen Schild zur Steuerung der Blitzspannungsverteilung in Lagenwicklungen von Transformatoren und Drosselspulen hoher Leistungen .und Spannungen,

in?

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen:'

Beim.Einlaufen einer Blitzspannungswelle in einen Transformator verteilt sich, die Spannung nicht gleichmäßig auf "alle Windungen und Spulen der Transformatoren-Wicklung, wobei, inder Regel die Spannungsbeanspruchung der Isolation der an der Netzklemme liegenden Wicklungsteile am höchsten ist. Der Grund hierfür ist, daß eine Transformatorenwicklung ein schwingungsfähiges System miteinander verketteter Kapazitäten und Induktivitäten darstellt, dessen Sigenfrequenzen in einem sehr großen Bereich variieren.

Im Grenzfall sehr hoher !Frequenzen wird die Wicklung zu einem System von kapazitiv verketteten Windungen und Spulen, das außerdem kapazitiv nach außen an die geerdeten. Bauteile des Transformators angekoppelt ist» Die in der Stirn der-Blitzspiannungswelle auftretenden sehr hohen Frequenzen bedingen daher zunächst eine Spannungsrerteilung, die vorwiegend durch'das kapazitive System der Wicklung bestimmt wird» Diese Spannungsverteilung weicht, aufgrund des ungünstigen.Verhältnisses der inneren, zwischen den Wicklungsteilen angreifenden zu den äußeren, zwischen.' Wieklungsteilen und geerdeten Teilen des Transformators angreifenden Kapazitäten des Systems sehr stark von der rein induktiven Spannungsverteilung ab, welche durch gleiche <7/indungs.spannung gekennzeichnet ist und sich zum Snde der Blitzspannungsbeanspruchung einstellte Je großer die Abweichung zwischen kapazitiver .Anfangsverteilung und der induktiven Sndverteilung der Blitzspannung- in der Wicklung ist, umso größer sind die Amplituden der in dem Ausgleichsprozeß zwischen diesen beiden Spannungsverteilungen auftretenden.-elektromagnetischen Schwingungen, die' zu hohen .Spannungsbeanspruchungen· der inneren und äußeren Isolation der Wicklung-führen, welche das Mehrfache ;der in der induktiven, linearen 3ndvertellung auftretenden IsolationsbeansOruchunsen betrasen können.

Um die kapazitive Anfangsverteilung der induktiven Endverteilung anzunähern und damit die hohen Blitzspannungsbeanspruchungen der Wicklungsisolation abzubauen, ist es bekannt, elektrostatische Schilde an den äußeren Wicklungsflächen anzuordnen. Dadurch wird erreicht, daß die zu den geerdeten Bauteilen des Transformators angreifenden Kapazitäten der'wicklung verringert und gleichzeitig die kapazitive Kopplung zwischen den Spulen und Windungen innerhalb-der Wicklung- verbessert wird. So ist es z.B. bekannt, radial über der an der Netzklemme liegenden . Singangslage und in einigen Fällen auch unter der am Sternpunkt liegenden Lage Je einen, zylinderförmigeη Schild anzuordnen,' der sich jeweils über die gesamte axiale Länge der Wicklung .erstreckt und an das Potential ;des je^eili-' gen Wicklungsendes angelenkt ist. Aus fertigungstechni-"schen Gründen ist der Isolationsabstand zwischen dem Schild und der ihm benachbarten Wicklungslage über der ,gesamten axialen Wicklungshöhe der gleiche. Dadurch ist die kapazitive Ankopplung des Schildes an die Wicklung in axialer Richtung konstant, was deswegen nachteilig * ist, weil damit eine der induktiven Sndverteilung entsprechende" kapazitive Spannungsverteilung in axialer Richtung nicht erreicht werden kann. Hierfür muß die Kapazität zwischen Schild und Wicklung entsprechend der zunehmenden Differenzspannung zwischen ihnen vom.Lageneingang zum Lagenende hin abnehmen. Die dafür erforderliche Zunahme des Isolationsabstandes zwischen Schild

, und Wicklung mit zunehmender axialer Entfernung von dem Ende der Wicklung, an welches der Schild angelenkt ist, ist nur mit erheblichem fertigungstechnischen Aufwand zu erreichen und bedingt außerdem einen bedeutend höheren Platzbedarf. Zur axialen Abstufung der Kapazität zwischen Wicklung.und Schild ist es daher bekannt, den Schild aus .mehreren, gegeneinander isolierten,. zylinderförmigen Segmenten aufzubauen,- die teleskopartig ineinander ver-

schoben sind, wobei die axiale Überlappung zwischen den Segmenten und damit die Kapazität zwischen ihnen im Ein- zugsgebiet von Blitzspannungen, z.B. an einem Wicklungsende, größer ist als an davon.weiter entfernten Stellen. Der Nachteil solcher Schildanordnungen besteht darin, daß die. Schildsegmente dünne metallische Zylinder mit hoher elektrischer Leitfähigkeit darstellen, in denenj durch die Radialkcmponente des magnetischen Streufeldes WIr-. .beiströme hervorgerufen werden,.die zusätzliche- Stromwärmeverluste und eine erhebliche Erwärmung des Schildes zur Tolge- haben. Es ist daher bei Transformatoren hoher Leistungen bekannt, den Schild aus- Fläche.nanteilen mit niedriger, und Flächenanteilen mit höher OberflächenieItfähigkeit aufzubauen, wobei die letzteren der Stromverteilung bzw. der inlenkung des Schildes dienen. Die !Fläche nanteile hoher Leitfähigkeit bestehen dabei aus me- tallischen Bändern, die am Umfang des Schildes in bestimmten Abständen angeordnet sind und s^^ gesamte axiale Länge des Schildes erstrecken. Diese axial verlaufenden Bänder sind durch ein in Umfangsrichtung verlaufendes Baüd, das sich im Gebiet niedriger radialer magnetischer Streufeldstärke befindet, miteinander elektrisch leitend verbunden. Damit können zwar'die durch das radiale magnetische Streufeld im Schild hervorgerufenen ,¥irbelstromveriuste praktisch vollständig abgebaut werden,: doch eignet sich diese Schildanordnung nicht für eine axiale Abstufung der Kapazität zwischen Schild und Wicklung in der bekannten~segmentförmigen Bauweise ... Hierfür wäre es erforderlich, daß' die axial verlaufenden Bänder an-den Stellen ihrer Überlappung sich -genau deckend übereinanderliegen, um eine definierte Kapazitätsabstufung zu erreichen. Dies setzt aber eine hohe Präzision bei der Positionierung der Bänder voraus, die nur mit '

einem zusätzlichen Fertigungs- und Montageaufwand gewährleistet werden kann. Insbesondere durch unterschiedliches Schrumpfungsverhalten der- die metallischen Bänder tragenden graphitierte!! Papierbahnen bei der Trocknung der Wicklung sind der Präzision hierbei natürliche Grenzen gesetzt. Ein weiterer Kachteil der segmentförmigen Schildbauweise besteht darin, daß für die Isolierung der radial benachbarten, sich überlappenden Segmentteile konstruktiver Raum benötigt isird, der nicht mehr für die Wicklung zur Verfügung steht.

Ziel der üirfindung:

Ziel der Erfindung ist, blitzspännungsfeste Wicklungen von Transformatoren 'und Drosselspulen mit geringem Raumbedarf und niedrigem Fertigungsaufv?and herzustellen.

Darlegung des Lesens der Erfindung:

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schildanordnung für Lagemvicklungen zu schaffen, die es gestattet, die kapazitive Kopplung zwischen Schild und Wicklung in axialer Richtung kontinuierlich abzustufen, ohne daß hierfür durch das magnetische Streufeld hervorgerufene Zusatzverluste und zusätzlicher Raumbedarf und Fertigtingsauf77and in Kauf genommen werden müssen. Erfindungsgemä-S 7?ird dieses dadurch erreicht, daß in bekannter Weise der Schild aus elektrisch leitenden, axial zur Wicklung und in einem bestimmten Abstand parallel zueinander angeordneten Bändern bestimmter Breite und hoher Leitfähigkeit und einem elektrisch leitenden, bahnförmi-

gen Träger geringerer Leitfähigkeit aufgebaut ist und daJ3 kennzeichnend für die Erfindung,, benachbarte Bänder eine unterschiedliche Länge besitzen^dergestalt,'daßihre zum Eingang der benachbarten Lagenspule weisenden Enden auf gleicher axialer Höhe liegen und ihre in entgegengesetzte Richtung weisenden Enden auf einer Linie liegen, die auf dem Umfang der Wicklung eine zerklüftete, vor-' zugsweise wellenförmige, aber, nicht unbedingt aus gleichen und/oder symmetrischen Elementen bestehende Slektrodenrandkontur des mit den elektrisch leitenden Bändern hoher .Leitfähigkeit abgedeckten Schildbereiches ergibt. Mit dieser Schildanordnung wird infolge der in dem Trägermaterial geringer elektrischer Leitfähigkeit, im Bereich der Einbuchtungen der Slektrodenrandkontur durch Ladeströme hervorgerufenen ohmschen. Spannungsabfälle ein kontinuierlicher Abbau des Schildpotentials in tangentialer und axialer Richtung'bewirkt. Dadurch entstehen zwischen den offenen.Flanken der.Elektrodenrandkontur Potentialmulden, deren Tiefe zum Schildrand hin zunimmt· Durch die Gestaltung der Elektrodenrandkontur, insbesondere durch die Tiefe und Anzahl ihrer Einbuchtungen, aber auch durch die Form ihrer Flanken, können die Potentialmulden auf dem Schild der gewünschten axialen Spannungsverteilung in der;benachbarten-Wicklung angepaßt werden, so daß eine optimale Ankopplung des Schildes an die Wicklung erreicht wird. Diese Ankopplung des.Schildes an die Wicklung ist wegen ihres gemischt ohmisch/kapazitiven Charakters frequenzabhängig. Ss hat sich aber überraschend herausgestellt, daß die demzufolge bei .Blitzspaiinungsbeanspruchungen zu erwartenden elektromagnetischen Ausgleichsvorgänge zwischen Schild und Wicklung sowie innerhalb der Wicklung selbst, nmr unbedeutende' Amplituden haben, was auf eine in nicht zu erwartendem Ausmaß eintretende dämpfende Wirkung des relativ hohen elektrischen Widerstandes des bahnförmigen Trägers zurückgeführt werden kann.

Die elektrische Yerbindung der einzelnen axial angeordneten Bänder erfolgt in bekannter Weise durch ein in Umfangsrichtung verlaufendes, 'elektrisch leitendes Band hoher ^;. Leitfähigkeit., das vorteilhaft so angeordnet ist, daß es die an der Elektrodenrandkontur liegenden Enden der Ränder abdeckt. Damit wird eine Vergleichmäßigung der Stromverteilung an der Elektrodenrandkontur bei gleichzeitiger 'Yerringerung der Stromdichte am Übergang von der Elektrodenrandkontur zu dem elektrisch leitenden Träger geringer Leitfähigkeit erreicht, womit eine Überlastung der begrenzten Stromtragfähigkeit dieses Trägers vermieden werden kann. Das gleiche kann auch dadurch erreicht werden, daß die an der Elektrodenrandkontur liegenden Enden der elektrisch leitenden Bänder abgerundet werden, wobei der Abrundungsradius zur offenen Flanke hin größer als der. zur inneren Flanke hin ist. Dabei sind vorteilhaft die einzelnen axial angeordneten Bänder mit einem am Wick- lungseingang angelenkten, in gleichbleibender axialer Höhe in Umfangsrichtung der Wicklung verlaufendem Band elektrisch leitend verbunden. Weiterhin kann es vorteilhaft -sein, die Bänder hoher elektrischer Leitfähigkeit beidseitig· mit je einem bahnförmigen Träger geringer elektrischer Leitfähigkeit abzudecken. Damit wird eine weitere Stromentlastung des bahnförmigen Trägers im Bereich der Slektrodenrandkontur erreicht. .

Ausführungsbeispiel: . .

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels nachfolgend näher erläutert werden» In der bildlichen Darstellung zeigt Fig.' 1 einen Ausschnitt aus einer fortlaufend gewickelten Lagenwicklung

mit einem über der radial außenliegenden Lagenspule 2 angeordneten und an deren Eingang 3 angelenkten Schild 4. Der Schild 4 besteht aus dem bahnförmigen Träger,-5 geringer elektrischer Leitfähigkeit und den auf diesem in bestimmtem Abstand voneinander, parallel zur Wicklungsachse 6 angeordneten Bändern 7 hoher elektrischer Leitfähigkeit. Die zum Eingang 3 der außen liegenden Lagenspule 2 weisenden Enden der Bänder 7 liegen ingleicher axialer Höhe und damit auf einer Parallelen zum Wicklungsrand 8. Einander benachbarte Bänder 7 haben unterschiedliche axiale Längen, so daß ihre zum entgegengesetzten Wicklungsrand 9 weisenden Enden eine zerklüftete Slektrodenrandkontur ergeben, die im vorliegenden Beispiel wellenförmig ist und aus.' gleichen,, aber nicht symmetrischen, sägezahnförmigen Elementen 1 C. besteht· Die Bänder 7 sind an ihren, die wellenförmige Elektrodenrandkontur bildenden Enden mit einem Band 11 hoher elektrischer Leitfähigkeit miteinander ele.ktrisch leitend verbunden und so an das Hochspannungspotential des Eingangs 3 der radial auBenliegenden Lagenspule. 2 ,angelenkt· In den "Einbuchtungen' 12 der Slektrodenrandkontur rufen die Ladeströme der darunterliegenden Kapazitäten zur Lagenwicklung 1 infolge des relativ hohen ohmseheη Widerstandes des Trägers 5 Spannungsabfälle hervor, die zu einer kontinuierlichen Absenkung des Schildpotentials in asialer Richtung führen.. Hierbei bilden sich in Umfangs- . richtung des Schildes Potentialmulden aus, wie es am Beispiel der Fig. 2 längs der Achse A'im Abschnitt a-a' innerhalb der Einbuchtung 12 der Slektrodenrandkontur dargestellt ist. Die Tiefe T der Potentialmuläe ist umso größer,, je gröBer der Abstand zwischen den Flanken der Slektrodenrandkontur in der betrachteten .axialen Höhe des : Schildes 4, d.h. je größer der Achsabschnitt a-a¹ ist. Wird die Achse A in Richtung der ¥icklungsachse 6 verschoben, so ergibt sich infolge der sich öffnenden Flanke der Slektrodenrandkontur die den Schild kennzeichnende konti-

nuierIiehe..Abnahme des Potentials in axialer Richtung, wie es am Beispiel der Fig. 3 längs der Achse B für den Achsabschnitt b-b' dargestellt ist. Für den Schnittpunkt, der Achsen A und B ist das Potential f» in Fig· 2 und 3 eingetragen. Unter Berücksichtigung des spezifischen ohmschen Widerstandes des Trägers 5 und der Kapazitäten zwischen Schild 4 und Lagenwicklung 1 kann durch entsprechende Gestaltung der Blektrodenrandkontur, wie Tiefe Und Anzahl der Einbuchtungen 12 und Form ihrer Flanken, die axiale Spannungsverteilung im Schild der gewünschten Spannungsverteilung in der radial außenliegenden Lage 2 weitgehend angepaßt werden. Dies ist in der Regel eine angenähert , lineare Spannungsverteilung, wie in Fig. 3 dargestellt ist, durch die eine optimale Ankopplung des Schildes 4 ' an die Lagenwicklung 1 bewirkt wird.

Claims (4)

- ΙΌ Erfindungsanspruch:

1. Schild zur.Steuerung der Blitzspannungsverteilung in Lagenwicklüngen von Transformatoren und Drosselspulen hoher Leistungen und Spannungen, g e k e η η ζ ei c fanet dadurch, daß in bekannter Weise der Schild aus elektrisch leitenden, axial zur Wicklung und in einem bestimmten Abstand parallel zueinander ,angeordneten

. Bändern (7) bestimmter Breite und hoher Leitfähigkeit und einem elektrisch leitenden, bahnförmigem Träger (5) geringerer. Leitfähigkeit aufgebaut ist und daß benachbarte Bänder.eine unterschiedliche Länge besitzen, indem ihre zum Eingang der benachbarten Lagenspule'weisenden Enden auf gleicher axialer Höhe liegen und'ihre in entgegengesetzte Richtung welsenden Enden auf· einer Linie liegen, die auf dem Umfang der Wicklung eine zerklüftete, Vorzugsweise wellenförmige, aber nicht unbedingt aus gleichen und/oder symmetrischen Elementen bestehende Slektrodenkontur des mit den elektrisch leitenden Bändern hoher Leitfähigkeit abgedeckten Schildbe-

; ' reichs ergibt.

2. Schild nach Punkt 1, ge kenn ze i c h η e t d ,a- _ . ' d u r c h, daß die Ränder der einzelnen axial angeordneten Bänder (7) des Schildes 'an den die Elektroden- ; kontur bildenden Enden durch ein elektrisch leitendes .Band (11) hoher Leitfähigkeit miteinander verbunden sind. . '. -

3. Schild nach /Punkt 1,. g e k e η η ζ e i c h η e t d ad u r c h, daß die axial angeordneten Eänder(7) an den die Elektrcdenrandkontur bildenden Enden abgerundet _; sind, wobei der Abrundungsradius zur offenen Planke hin größer als der zur inneren Planke hin ist und die

einzelnen axial angeordneten Bänder (7) mit einem . am Wi clclungse ingang (3) der Lagenspule angelenkten, in gleichbleibender axialer Eöhe in ümfangsriehtung verlaufendem Band elektrisch leitend verbunden.sind.

4« Schild nach Punkt 1 bis 3> gekenn ze i chn e t dad u.r c h, daß die Bänder (7) beidseitig mit je einem bahnförmigen Träger (5) geringer elek-. triseher Leitfähigkeit abgedeckt sind.

Hierzu: 1 Blatt Zeichnungen I