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Isolieranordnung für ölisolierte Transformatoren oder Drosselspulen
höchster Spannung Bekanntlich hängt die Stoßspannungsbeanspruchung von Wicklungen
weitgehend ab von dem jeweiligen Wert des Ausdrucks Ce; Cs , wobei mit Ce
die Quer-oder Erdkapazität und mit Cs die Längs- oder Reihenkapazität sämtlicher
Spulen bzw. Lagen bezeichnet wird. Je niedriger nämlich der Wert der Erdkapazität
Ce und je größer der gegenseitige Kapazitätswert Cs der einzelnen Spulen bzw. Lagen
ist, desto günstiger wird die Stoßspannungsverteilung, d. h. desto mehr nähert sich
die Anfangsverteilung der Stoßspannung der linearen Endverteilung; in diesem Fall
wird die Entstehung von Ausgleichsschwingungen weitgehend unterbunden.
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Zur Erreichung einer zumindest angenähert linearen Anfangsverteilung
ist es bekannt, beispielsweise bei aus Scheibenspulen aufgebauten zylindrischen
Oberspannungswicklungen die Wicklung mit einem mit dem Wicklungseingang verbundenen
Schirm zu verkleiden, dessen axiale Höhe .so abgestuft ist, daß sich eine entsprechende
lineare Spannungsverteilung ergibt. Durch diese Maßnahme wird die verteilte Erdkapazität
Ce der Wicklung praktisch kompensiert. Bei Lagenwicklungen hingegen wird vor allem
durch geeignete Schildanordnungen eine Erhöhung der Kapazität Cs praktisch vorgenommen,
während die Erdkapazität als solche im allgemeinen durch besondere Maßnahmen nicht
verringert wird.
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An Hand der Fig. 1 der Zeichnung sollen zunächst einige grundsätzliche
Betrachtungen für die bekannten Anordnungen von Lagenwicklungen angestellt werden.
Die genannte Figur zeigt einen Schnitt durch eine Lag' enwicklung, wobei die einzelnen
Kapazitäten C1 bis GE zwischen den Enden der Lagen 1 bis 6, die bekanntlich vorwiegend
die Erdkapazität Ce bilden, und dem Joch bzw. der Spulendruckplatte 9, d. h. den
wicklungsnächsten geerdeten Teilen, eingezeichnet sind. 10 ist die Kastenwand.,
7 die benachbarte Unterspannungswicklung, und mit 8 ist der Kern angedeutet. Die
Lagen 1 bis 6 mögen etwa die Oberspannungswicklung umfassen, wobei die Lage 6 etwa
die zur Feinregelung dienende Stufenwicklung und, die Lage 5 die Grobstufenwicklung
bei einem Transformator reit oberspannungsseitiger Stufeneinstellung bedeuten kann.
Bei derartigen Wicklungen legt man gewöhnlich den Wicklungseingang in die Lage 1,
so daß diese Lage gleichzeitig die Lage mit der höchsten Betriebsspannung nach Erde
darstellt. In der genannten Figur sind außerdem die bei der Stoßprüfung auftretenden
Äquipotentiallinien gestrichelt eingezeichnet, und wie ohne weiteres erkennbar ist,
konzentrieren sich diese um das Ende 11 der Lage 1. Die Erdkapazitäten der einzelnen
Lagen nach der Kastenrand 10 sind wegen der viel größeren Entfernung der Lagen im
Vergleich zu ihrem Abstand nach dem Joch 9 weggelassen und zu vernachlässigen, da
sie immer nur an den letzten vorstehenden Enden der Lagen konzentrisch angreifend
gedacht werden können. Somit hat lediglich die äußerste Lage 6 eine erhebliche Erdkapa,zität
auf ihrer gesamten Länge gegen die Kastenwand 10. Diese Kapazität ist mit C6' bezeichnet.
Der Kapazitätsanteil C, ist jedoch für das Stoßspannungsverhalten nicht von allzu
großer Bedeutung, da die Lage 6 bei der Stoßprüfung ohnehin geerdet und im Betriebsfall
meist als Sternpunktslage sowieso an Erde angeschlossen ist. Mit 1' bis 6' sind
schließlich die um die Lagen 1 bis 6 herumgeschlagenen, aus fester Isolation bestehenden
Isolierflansche bezeichnet.
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Bei -Stoßspannungsbeanspruchungen werden auch zwischen den einzelnen
Lagen 1 bis 6 hohe dielektrische Beanspruchungen auftreten, die dort, wo das Feld
am inhomogensten ist, also am Lagenrand, am größten sind. Dabei wird die dielektrische
Festigkeit am Lagenrand um so höher sein, je mehr und je besser es gelingt, die
gestrichelt eingezeichneten Äquipotentialflächen in der Nähe der Lagenränder innerhalb
der festen Flanschisolation 1' his 6' und möglichst parallel dazu verlaufen zu lassen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diese Forderung
möglichst weitgehend zu erfüllen und gleichzeitig die Erdkapazitäten Cl bis Cs erheblich
zu reduzieren sowie auch die dielektrische Beanspruchung an der Kante 11 herabzusetzen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, an den Enden derjenigen
Lage mit der höchsten Betriebsspannung gegen Erde mindestens eine Ringelektrode
von solcher axialer Ausdehnung vorzusehen, daß sie die Stirnseiten der übrigen,
gegebenenfalls jeweils für sich durch Ringelektroden abgeschirmten Lagen über- und
damit auch nach dem Joch
zu abdeckt. Mit dieser Maßnahme wird eine
Abschirmung erreicht, und gleichzeitig werden sowohl die Randfelder zwischen Ober-
und Unterspannüngswicklung bzw. Erde als auch zwischen den Lagenenden umgebildet:
Damit werden die Erdkapazitäten der Lagen wesentlich verringert. Außerdem hat die
gleichzeitige Abschirmung der genannten Randfelder den Vorteil einer erheblichen
Verringerung der maximalen Gradienten längs der freien Ölstrecken. Die Steuerung
der elektrischen Felder -beispielsweise an den oberen und unteren Enden von Wicklungsanordnungen
mit Hilfe von an den Stirnseiten der fraglichen Wicklungen angeordneten Ringelektroden
ist bekannt.
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Im folgenden seien einige Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand
der schematisch dargestellten Fig. 2 bis 6 noch näher erläutert.
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Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, deckt die mit 13 bezeichnete Ringelektrode
mit dem Potential der Wicklungslage 1, die gleichzeitig das Potential der angelegten
Stoßwelle besitzt, sämtliche Lagen 1 bis 6 nach der nächstgelegenen Erdelektrode
9 hinab. Dabei sind die Kapazitäten C2 bis C, im Gegensatz zu denen in Fig. 1 nicht
mehr Kapazitäten gegen Erde, sondern Kapazitäten nach dem Stoßpunkt. Das heißt also:
die Kapazitäten haben gerade entgegengesetzte Wirkung und heben demzufolge die verbleibenden
Kapazitäten der Lagen 1 bis 6 nach Erde, insbesondere nach der Kesselwand, bei entsprechender
Bemessung praktisch auf. Auf diese Weise wird durch entsprechende Kleinhaltung der
Erdkapazitäten Ce erreicht, daß die Anfangsverteilung der linearen Endverteilung
weitgehend angepaßt ist, wodurch die kleinstmöglichen Stoßspannungen zwischen den
einzelnen Lagen 1 bis 6 erhalten werden. Darüber hinaus bewirkt die Ringelektrode
13 eine Verringerung der Gradienten des Feldes (Randfeldes) zwischen der Ober- und
Unterspannungswicklung an der Kante 11 und ermöglicht außerdem durch eine entsprechende
Wahl der Isolation einen solchen Äquipotentialhüllenverlauf, daß die höchsten Gradienten
sowohl bei 11 als auch an der anderen Kante 14 innerhalb der festen Isolation verlaufen
und nur kleine Ölstrecken mit wesentlich höherer spezifischer dielektrischer Festigkeit
spannungsmäßig belastet werden.
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F ig. 3. zeigt eine solche Ringelektrode 13 mit der umbandelten Isolation
15, zwischen die im gezeigten Beispiel Scheiben 16 so eingelegt sind, daß die einzelnen
Umbandelungshüllen 15, 17 einen ähnlichen Verlauf haben wie die Äquipotentiallinien.
Schließlich erfüllt die Ringelektrode 13 auch die weitere Forderung, die Randfelder
an den Enden der Lagen 1 bis 6 so umzubilden, daß die. höchsten Beanspruchungen
durch Spannungseinwirkung innerhalb der festen, um die Lag.enenden herumgeschlagenen
Isolierflansche 1' bis 6', und zwar im Winkelgebiet, auftreten und daß in diesem
Randgebiet der Verlauf sowohl der Potentiallinien als auch der Schichten der festen
Flanschisolationen 2' bis 6' sich erheblich mehr annähern als bei den bekannten
Ausführungen. Als Folge davon ergibt sich eine Erhöhung der dielektrischen Festigkeit
zwischen den Lagen. Somit ist also eine wesentliche Wirkung des Schirmrings die,
daß er durch seine Kapazitäfswirkung einmal die bei Stoß auftretende Beanspruchung
zwischen den Lagen wesentlich verringert und zum anderen die Festigkeit der Isolation
zwischen den Lagen erheblich erhöht. Diese Gleichzeitigkeit der Wirkungen ist ein
wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung.
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In dem Beispiel gemäß der Fig. 4 werden die genannten Aufgaben nicht
nur durch einen Schirmring 13, sondern durch mehrere Schirmringe bzw. Ringelektroden
18, die ebenfalls parallel zu den umgeschlagenen Isolierflanschen verlaufen, und
somit wirkungsvoller gelöst. Dabei ergeben sich gleichzeitig «eitere konstruktive
Vorteile. An jedem Ende der Lagen 1 bis 6 ist je ein Steuerschirmring bzw. eine
Ringelektrode 18 bzw. 13 angeordnet. Die mit 18 bezeichneten Ringelektroden führen
dabei zunächst annähernd das Potential der jeweils zugeordneten Lage. Während bei
dem Ausführungsbeispiel nach Fig.2 bzw. 3 die Äquipotentiallinien im Gebiet der
Lagenenden nur annähernd mit dem Verlauf der Isolierflansche übereinstimmen, wird
durch die in Rede stehende Anordnung die Übereinstimmung des Äquipotentiallinienverlaufs
mit dem Verlauf der Isolierflansche durch die Steuerri.nge18 erzwungen. Dadurch
wird erreicht, daß die höchsten Gradienten zwischen den Lagen im Randgebiet nicht
so sehr in den Ölkühl kanälen, sondern vorwiegend in der festen Isolation auftreten.
Außerdem werden dadurch die Kühlkanäle nur senkrecht zu ihrem Verlauf, d. h. längs
sehr kurzer Ölstrecken, beansprucht. Ferner übernehmen die Steuerringe 18 die zusätzliche
Aufgabe, die gegenseitigen Kapazitäten Cs zwischen den einzelnen Lagen, insbesondere
am L.agenende, erheblich zu erhöhen. Die Theorie zeigt, da,ß die Wirksamkeit am
Lagerlende besonders wichtig ist. Die Erdkapazitäten zwischen den Lagerlenden und
der Kesselwand 10 werden noch weiter verringert, da die Angriffsflächen dieser Kapazitäten
an den vorgezogenen, verhältnismäßig schmalen zylindrischen Randflächen der Schirmringe
18 noch kleiner werden als die entsprechenden Angriffsflächen an den Lagerlenden.
Im Gegensatz dazu sind die Angriffsflächen der Reihenkapazitäten zwischen den Elementen
18 und 13, d. h. gleichzeitig auch die Ankopplungswirkung nach dem Stoßpunkt, vergrößert,
da diese Flächen die breiten Stirnflächen der Ringe 18 darstellen.
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Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform liegt in der Möglichkeit,
die zu den Lagerlenden führenden Ausleitungen 12 in das Potentialschattengebiet,
das zwischen den Ringen 18 und den Lagen 1 bis 6 entsteht, zu verlegen und so die
immer besonders stark gefährdeten Anschlußstellen der Zuleitungen zu schützen. Diese
Anschlußstellen sind nämlich deshalb besonders dielektrisch hoch beansprucht, weil
bei ihnen eine Abweichung des Feldverlaufs vom normalen Feldverlauf an den Umfangsstellen
der Wicklung außerhalb des Gebietes der Zuleitungen12 auftritt, der man konstruktiv
nur sehr schwer Rechnung tragen kann. Die Zuleitungen 12 sind beispielsweise erforderlich
für eine umgeleitete Lagenwicklung, bei der sämtliche Lagen 1 bis 6 den gleichen
Wickelsinn haben.
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Für eine fortlaufende Lagenwicklung wird nur eine Zuleitung, und zwar
die zum Wicklungseingang führende Leitung 12 in Fig. 2, benötigt. Auch hierbei erfolgt
der Anschluß dieser Leitung sowohl an den Schirmring 13 als auch an den Wicklungseingang
11 im Potentialschattengebiet zwischen Lage 1 und Steuerring 13, d. h. in dem zwischen
beiden gebildeten Winkel- bzw. Zwickelgebiet.
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Diese Verhältnisse sind in Fig.5 etwas genauer wiedergegeben. Wie
aus dieser Figur hervorgeht, ist hier nur ein Steuerring 13 in besonderer Form mit
in den Äquipotentialhüllenverlauf verlegten Umbandelungshüllen 15 und 17, die durch
Ringscheiben 16 in ihrer Lage fixiert werden, vorgesehen. Der Anschlußpunkt des
Steuerrings 13 ist dabei mit 19 und der Anschluß der Eingangslage 1 mit 20 bezeichnet.
12 ist
die Anschlußleitung, und 7 stellt die Unterspannungswicklung
dar.
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Fig. 6 erläutert schließlich mit Hilfe der gestrichelt eingezeichneten
Potentiallinien die Wirkung der in Fig. 4 gezeichneten Schirmringe oder Ringelektroden
18, die beispielsweise an jede Lage einzeln angeschlossen sind. Diese Elektroden
sind dabei konzentrisch zueinander und in Ebenen senkrecht zur Wicklungsachse angeordnet
sowie einzeln isoliert und können in oder neben die verschiedenen, um die einzelnen
Lagen umgeschlagenen Isolierflansche gelegt sein. Die an jeder Lage leitend angeschlossenen
Ringelektroden können hierbei in an sich bekannter Weise gegebenenfalls teilweise
betriebsstromführend ausgebildet und mit Anschlüssen für die Zuleitungen zu den
einzelnen Lagen versehen sein, wobei die Anschlüsse vorzugsweise im Zwickelgebiet
zwischen Ringelektrode und der entsprechenden Lage angeordnet sind. Der Hauptteil
der Potentiallinien verläuft im Gebiet 21 der aus fester Isolation bestehenden Isolierflansche
22, während das dielektrisch viel schlechtere Ölgebiet 23 im Randfeld nur von wenigen
Potentiallinien durchsetzt ist, und zwar so, daß die Feldrichtung mit der kürzestetiAusdehnung
des Ölkanals23 zusammenfällt, so daß lange und stark beanpruchte Ölstrecken vermieden
sind. In den vorbeschriebenen Fig. 5 und 6 sind mit 1 bis 4 die entsprechenden Lagen
bezeichnet.
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In den erläuterten Fig. 2 bis 6 erfüllen gleichzeitig die Ringelektroden,
die aus mechanisch festem Metall bestehen, die Aufgabe, die Wicklungen mechanisch
nach dem Joch hin abzustützen, was ein weiterer Vorzug der Erfindung ist.