DE102005015785A1

DE102005015785A1 - Transformator mit elektrischer Abschirmung

Info

Publication number: DE102005015785A1
Application number: DE102005015785A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Hanov
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-04-01
Filing date: 2005-04-01
Publication date: 2006-11-16
Also published as: CN101151689B; US20080211611A1; NO338301B1; EP1864304B1; WO2006103193A3; BRPI0609599B8; WO2006103193A2; BRPI0609599A2; CN101151689A; NO20075430L; BRPI0609599B1; EP1864304A2; US8085121B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Transformator, insbesondere Gießharztransformator, mit mindestens einer Unterspannungswicklung und mindestens einer Oberspannungswicklung. Durch die Anordnung einer elektrischen Abschirmung um die Oberspannungswicklung ist ein Spannungsüberschlag verhindert, so dass die Außenwand des Transformators von einer Person berührt werden kann, und gewährleistet zum anderen eine elektro-magnetische Abschirmung des Transformators. Durch die Verwendung von Durchführungen zu den innenliegenden elektrischen Anschlüssen ist eine Aufstellung des erfindungsgemäßen Transformators in schmutzanfälligen Umgebungen und in Freiluft möglich.

Description

Die Erfindung betrifft einen Transformator, insbesondere Gießharztransformator, mit mindestens einer Unterspannungswicklung und mindestens einer Oberspannungswicklung.
Bei der Herstellung eines Transformators, insbesondere Gießharztransformators, und der anschließenden Aufstellung in höchst unterschiedlichen Umgebungen sind verschiedenste sicherheitstechnische Aspekte zu beachten. Aufgrund der im Mittel- und Hochspannungsbereich verwendeten Spannungen ist eine Sicherung der äußeren Hülle des Transformators gegen Berühren unumgänglich. Aus diesem Grunde werden die Transformatoren durch äußere Abdeckungen oder Schutzwände geschützt.

Aus dem Stand der Technik sind darüber hinaus ausschließlich elektrische Abschirmungen zwischen der Primär- und Unterspannungswicklung des Transformators bekannt. Diese Abschirmung reduziert die kapazitive und/oder induktive Kopplung der Wicklungen untereinander und reduziert die Kopplungsimpedanz bei höheren Frequenzen. So beschreibt beispielsweise die DE 41 23 812 A1 einen Transformator mit wenigstens einer Primär- und wenigstens einer Unterspannungswicklung, wobei zwischen der Primär- und der Unterspannungswicklung eine Abschirmung angeordnet ist, die über einen ohmschen Widerstand mit der Masse des Transformators verbunden ist. Dies führt damit ebenfalls zur Reduktion von unerwünschten Streuinduktivitäten und/oder Streuimpedanzen in den Transformatorwicklungen.

Die DE 89 14 262.4 U1 schreibt einen Transformator mit Abschirmwicklungen zwischen den Primär- und Unterspannungswicklungen. Dabei ist hier eine Abschirmung als isolierte, elekt risch nicht geschlossene Wicklung aus einem magnetisierbaren Material gewählt. Zur Vermeidung eines Kurzschlusses in der elektrischen Abschirmung darf keine geschlossene Wicklung vorliegen.

Nachteilig bei allen bisherigen Transformatoren, insbesondere Gießharztransformatoren, des Standes der Technik ist die Notwendigkeit eines aufwendigen Schutzgehäuses beziehungsweise eines Außenschutzes um den Transformator bei einer Freiluftaufstellung. Ein Schutzgehäuse ist ebenfalls notwendig bei der Aufstellung des Transformators in klimatisch ungünstigen beziehungsweise stark verschmutzten Umgebungen. Bei Gießharztransformatoren ist dieses Schutzgehäuse auch notwendig, um die Berührung des Transformators durch eine Person zu verhindern. Zur Vermeidung eines Spannungsüberschlages ist der Abstand zwischen dem äußeren Schutzgehäuse und der Außenseite des Transformators entsprechend dem Stand der Technik ausreichend groß zu wählen. Aufgrund dieses Nachteils sind größere Stellflächen als notwendig für den Betrieb eines Transformators bereitzustellen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen leicht herzustellenden, kompakten Transformator bereitzustellen, der berührungssicher ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass um die Oberspannungswicklung eine elektrische Abschirmung angeordnet ist. Die Oberspannungswicklung ist insbesondere eine Mittel- oder Hochspannungswicklung. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise das Spannungspotential zwischen der Spulenoberfläche und der – eventuell Hochspannung führenden – Oberspannungswicklung auf null gesetzt und damit ein Spannungsüberschlag, auch im Falle einer Berührung durch eine Person, verhindert. Vorteilhafterweise umschließt die elektrische Abschirmung die Oberspannungswicklung bis auf die elektrischen Zu- und Ableitungen nahezu vollständig.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Transformators ist die elektrische Abschirmung mit der elektrischen Masse verbunden und damit geerdet. Durch die Erdung der elektrischen Abschirmung ist eine Gefahr für eine Person, die die elektrische Abschirmung berührt, minimiert beziehungsweise verhindert. Vorteilhafterweise umschließt die elektrische Abschirmung die zylindrische Oberspannungswicklung koaxial, wobei die elektrische Abschirmung in radialer Richtung unterbrochen ist und der so entstandene Zwischenraum die Enden der elektrischen Abschirmung in radialer Richtung gegeneinander isoliert. Die Enden der Abschirmung müssen sich dabei überlappen, Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung der elektrischen Abschirmung werden Kurzschlussströme innerhalb der elektrischen Abschirmung verhindert. In den Zwischenraum kann zusätzlich eine Isolierung eine elektrische Verbindung der so geschaffenen Enden der elektrischen Abschirmung verhindern. Vorteilhafterweise überlappen sich die Enden der elektrischen Abschirmung, um eine vollständige Abschirmung zu gewährleisten. In dem Überlappungsbereich kann zur Vermeidung von Kurzschlussströmen eine Isolation, idealerweise eine dünne Isolierfolie, eingebracht werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Transformators ist die elektrische Abschirmung ein elektrisch leitendes Material, wie z.B. ein Drahtgeflecht, und stellt damit einen Faradayschen Käfig dar. Bevorzugt ist der Transformator so ausgestaltet, dass der Abstand des Zwischenraumes zwischen der elektrischen Abschirmung und der Oberspannungswicklung so gewählt ist, dass in Abhängigkeit des im Zwischenraum zwischen der elektrischen Abschirmung und der primären Wicklung befindlichen Dielektrikums eine Sicherheit gegen einen Span nungsdurchschlag gegeben ist. Im Falle eines Vergießens des Transformators mit Gießharz ist der Abstand der Abschirmung zur Oberspannungswicklung so zu wählen, dass ein Spannungsdurchschlag über das im Zwischenraum befindliche Gießharz ausgeschlossen ist. In analoger Weise ist dieser Abstand für andere Isolationsmaterialien zu wählen.

Um die bisher mögliche Aufstellung eines Gießharztrans-formators in schmutzanfälligen beziehungsweise klimatisch ungünstigen Umgebungen auch für den erfindungsgemäßen Transformator zu gewährleisten, ist die elektrische Abschirmung gegen äußere Kontakteinflüsse zu schützen. Dies kann im einfachsten Fall durch eine äußere Platte gewährleistet werden. Ebenfalls ist durch Vergießen eines Transformators mit Gießharz – ein so genannter „Gießling" – die Möglichkeit gegeben, dass der Gießling die elektrische Abschirmung umschließt und einen Abstand zwischen der Außenwand des Gießlings und der elektrischen Abschirmung verbleibt. Durch das gemeinsame Vergießen der Oberspannungswicklung und der elektrischen Abschirmung sind Teilentladungen wesentlich reduziert, da der Zwischenraum Oberspannungswicklung/Abschirmung nicht mit Luft gefüllt ist. Gleichzeitig erhöht das gemeinsame Vergießen die Formstabilität der elektrischen Abschirmung und gewährleistet einen gleich bleibenden Abstand zwischen dem Oberspannungswicklung und der elektrischen Abschirmung.

In einer alternativen Ausgestaltung wird die Oberspannungswicklung mit der elektrischen Abschirmung, sowie der Unterspannungswicklung gemeinsam mit Gießharz vergossen. Dadurch ist eine sehr kompakte Bauweise des Transformators möglich und gleichzeitig eine form- und lagenstabile elektrische Abschirmung um die Oberspannungswicklung gewährleistet.

Der Transformator weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung mindestens eine Führung für die im Inneren des Transformators befindlichen elektrischen Anschlüsse der Oberspannungswicklung und/oder der Unterspannungswicklung auf, wobei die Führung mit einer an der Außenwand des Transformators angeordneten Durchführung verbunden ist. Aufgrund dieser allseitigen elektrischen Abschirmung und Erdung der äußeren Transformatorhülle ist eine vollständige elektrische Abschirmung und damit eine Berührungssicherheit für Personen gegeben. Weiterhin ist hierdurch die für Gießharztransformatoren gegebene Möglichkeit einer Aufstellung des Transformators in Schmutz anfälligen beziehungsweise klimatisch ungünstigen Umgebungen auch für den erfindungsgemäßen Transformator gegeben. Vorteilhafterweise sind die Durchführung und/oder der Befestigungsflansch mit der elektrischen Abschirmung und damit mit der Masse verbunden.

Vorteilhafterweise besteht der Transformator aus mindestens zwei Gießlingen, wobei in jedem Gießling eine Oberspannungswicklung mit Abschirmung, eine Unterspannungswicklung miteinander vergossen sind. Die so erzeugten Gießlinge werden um einen gemeinsamen Kern angeordnet, wobei die Oberspannungswicklungen und/oder die jeweiligen elektrischen Abschirmungen und/oder die Unterspannungswicklungen mittels Stecker/Verbinder und Hochspannungskabel jeweils miteinander verschaltet sind. Durch die Verwendung von Steckern ist ein schneller Anschluss der Wicklungen gegeben.

Vorteilhafterweise wird der so konzipierte Transformator durch eine Luft- und/oder Wasserkühlung im Zwischenraum zwischen der Oberspannungswicklung und der Unterspannungswicklung gekühlt. Zur Unterstützung der Wärmezirkulation und damit des Wärmetransportes innerhalb der Kühlkanäle sind Lüfter in geeigneter Weise angeordnet. Insbesondere im Falle einer liegenden Anordnung des erfindungsgemäßen Transformators mit einer Luftkühlung verhindert der Lüfter einen Wärmestau innerhalb der Kühlkanäle und damit eine Beschädigung des Transformators. Alternativ ist im Falle einer Luft- und/oder Flüssigkeitskühlung die Verwendung einer außenliegenden Wärmetauscheinrichtung möglich. Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung bietet sich vor allem bei der Aufstellung auf Schiffen an.

Weitere erfindungsgemäße Ausführungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1 eine perspektivische Teilschnittzeichnung des erfindungsgemäßen Transformators mit zwei erfindungsgemäß abgeschirmter Oberspannungs- und Unterspannungswicklungen;
2 eine Schnittzeichnung entlang der Linie I-I in der 1;
3 eine perspektivische Teilschnittzeichnung des erfindungsgemäßen Transformators mit einer erfindungsgemäß abgeschirmten Oberspannungs- und einer Unterspannungswicklung.
Die Figur 1 zeigt eine perspektivische Teilschnittzeichnung des erfindungsgemäßen Transformators 1 mit zwei elektrisch verbundenen Oberspannungswicklungen 3a, 3b und zwei Unterspannungswicklungen 2a, 2b, wobei die Oberspannungswicklungen 3a, 3b die Unterspannungswicklungen 2a, 2b koaxial umschließen. Die Unterspannungswicklungen 2a, 2b weisen jeweils elektrische Anschlüsse 9 auf, wobei eine Führung 8 die Konektierung der elektrischen Anschlüsse 9 außerhalb des Transfor mators 1 mittels einer Durchführung 10 erlaubt. Um die Oberspannungswicklung 3a, 3b ist eine elektrische Abschirmung 4a, 4b angeordnet, die mit der elektrischen Masse 11 verbunden ist. Die elektrische Abschirmung 4a, 4b umschließt dabei in axialer Richtung die Oberspannungswicklungen 3a, 3b jeweils nahezu vollständig. In der Teilzeichnung ist aus Gründen der Übersichtlichkeit keine Durchführung 10 eingezeichnet.
Die Figur 2 ist eine Schnittzeichnung durch die perspektivische Darstellung der Figur 1 entlang der Linie I-I. Die Unterspannungswicklungen 2a, 2b sind über elektrische Anschlüsse 9 innerhalb der Führung 8 mit der an der Außenwand des Transformators 1 befindlichen Durchführung 10, wie z.B. von der Firma Elastimold^® hergestellt, verbunden. Im dargestellten Beispiel ist der Durchführung 10 an der Außenwand des Transformators 1 angeordnet, wobei dies im vorliegenden Beispiel die elektrische Abschirmung 4a, 4b ist. Dadurch ist der Befestigungsflansch 10 mit der elektrischen Abschirmung 4a, 4b elektrisch verbunden und durch die elektrische Verbindung mit der Masse 11 elektrisch geerdet. Der Abstand 5 zwischen den Unterspannungswicklungen 2a, 2b und den Oberspannungswicklungen 3a, 3b ist als Kühlkanal verwendbar. Es ergibt sich auch die Möglichkeit, die Teilsegmente des Transformators 1 einzeln zu vergießen und diese so genannten Gießlinge, bestehend aus jeweils einer Oberspannungswicklung 3a, Unterspannungswicklung 2a und der elektrischen Abschirmung 4a so zu dimensionieren, dass in axialer Richtung die Außenwand dieses Gießlings über die elektrische Abschirmung 4a hinausgeht. Dieser Abstand sollte so gewählt sein, dass ein Spannungsüberschlag von der elektrischen Abschirmung 4a bis zur Außenwand des Gießlings (hier nicht dargestellt) gewährleistet ist.
Weiterhin ermöglicht ein erfindungsgemäß konzipierter Transformator 1 – trotz der Leitungsausführungen auf die Außenseite des erfindungsgemäßen Transformators 1 – die für Gießharztransformatoren gegebenen Aufstellung in Schmutz anfälligen beziehungsweise klimatisch ungünstigen Umgebungen. Durch die Verwendung einer zweiseitig schützenden Durchführungen 10 an der Außenwand des Transformators 1 ist ein Eindringen von Schmutz unterbunden.
Die Figur 3 zeigt eine perspektivische Teilschnittzeichnung des erfindungsgemäßen Transformators 1 mit einer elektrisch abgeschirmten Oberspannungswicklung 3a und einer Unterspannungswicklung 2a, wobei die Oberspannungswicklung 3a die Unterspannungswicklung 2a koaxial umschließt. Die elektrische Abschirmung 4a in Form eines Drahtgeflechtes ist nur als gestrichelte Linie angedeutet. Die Oberspannungswicklung 3a ist von der elektrischen Abschirmung 4a nahezu vollständig umschlossen und mit Gießharz gemeinsam vergossen. Gleichzeitig ist die Unterspannungswicklung 2b – nur schematisch angedeutet – ebenfalls mit der elektrisch abgeschirmten Oberspannungswicklung 2a vergossen. Die vermöglicht eine sehr kompakte Bauweise des erfindungsgemäßen Transformators. Zwischen der abgeschirmten Oberspannungswicklung 2a und der Unterspannungswicklung 2b sind Kühlkanäle im Gießling ausgeformt, wobei diese Zwischenräume durch geeignete stabförmige Elemente während des Gießvorganges gebildet werden. Die Anordnung, Form und Größe der Zwischenräume 5 ist an die jeweiligen Erfordernisse, wie z.B. der erwarteten Wärmebelastung oder der Wärmekapazität des Kühlmediums anzupassen.

Claims

Transformator (1), insbesondere Gießharztransformator, mit mindestens einer Unterspannungswicklung (2a) und mindestens einer Oberspannungswicklung (3a), dadurch gekennzeichnet, dass um die Oberspannungswicklung (3a) eine elektrische Abschirmung (4a) angeordnet ist.
Transformator (1) nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Abschirmung (4a) die Oberspannungswicklung (3a) nahezu vollständig umschließt.
Transformator (1) nach einem der Patentansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Abschirmung (4a) mit der elektrischen Masse (11) verbunden ist.
Transformator (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Abschirmung (4a) die Oberspannungswicklung (3a) koaxial umschließt und der so entstandene Zwischenraum (6) zwischen der elektrischen Abschirmung (4) und der Oberspannungswicklung (3a) als Isolator wirkt.
Transformator (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Abschirmung (4a) aus einem elektrisch-leitenden Material besteht.
Transformator (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Zwischenraumes (6) zwischen der elektrischen Abschirmung (4a) und der Oberspannungswicklung (3a) so gewählt ist, dass in Abhängigkeit des im Zwischenraum (6) zwischen der elektrischen Abschirmung (4) und der Oberspannungswicklung (3a) befindlichen Dielektrikums eine Sicherheit gegen einen Spannungsdurchschlag gegeben ist.
Transformator (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Oberspannungswicklung (3a) und die elektrische Abschirmung (4a) zusammen mit Gießharz vergossen sind.
Transformator (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Oberspannungswicklung (3a) mit der elektrischen Abschirmung (4a) und die Unterspannungswicklung (2a) zusammen mit Gießharz vergossen sind.
Transformator (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Führung (8) für die im Inneren des Transformators (1) befindlichen elektrischen Anschlüsse (9), der Oberspannungswicklung (3a) und/oder der Unterspannungswicklung (2a) vorhanden sind, wobei die Führung (8) mit einer an der Außenwand des Transformators (1) angeordneten Durchführung (10) verbunden und an der Masse (11) angeschlossen ist.
Transformator (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Führung (8) und/oder die Durchführung (10) mit der elektrischen Abschirmung (4a) verbunden sind.
Transformator (1) nach einem der Patentansprüche 8 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator (1) aus mindestens zwei jeweils miteinander vergossenen Oberspannungswicklungen (3a, 3b) und zugeordneten elektrischen Abschirmungen (4a, 4b), sowie mindestens zwei Unterspannungswicklungen (2a, 2b) besteht, wobei die Wicklungen (2a, 2b, 3a, 3b) einen gemeinsamen Kern besitzen, und die Oberspannungswicklungen (3a, 3b) und/oder die Unterspannungswicklungen (2a, 2b) und/oder die jeweiligen elektrischen Abschirmungen (4a, 4b) mittels Stecker/Verbinder und Hochspannungskabel miteinander verschaltet sind.
Transformator (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass eine Luft- und/oder Wasserkühlung im Zwischenraum (5) zwischen der Oberspannungswicklung (3a) und der Unterspannungswicklung (2a) angeordnet ist.