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Stoßspannungssichere Wicklung für Transformatoren od. dgl. Die vorliegende
Erfindung betrifft eine stoßspannungssichere Wicklung für Transformatoren od. dgl.,
die zumindest teilweise ineinander verschachtelte Wicklungslagen aufweist, wobei
in radialer Richtung des Kernes nebeneinanderliegende Leiter schraubenförmig in
Richtung der Kernachse gewickelt sind.
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Eine Wicklung, beispielsweise eines Transformators, stellt bekanntlich
bei den üblichen Frequenzen eine Induktivität dar. Falls sie jedoch durch Überspannungswellen
beansprucht wird, die infolge atmosphärischer Entladungen oder plötzlicher Änderungen
des Netzzustandes hervorgerufen werden, sind für die Spannungsverteilung längs der
Wicklung die kapazitiven Verhältnisse entscheidend. Fig. 1 zeigt das Ersatzschild
eines Transformators. Hierbei ist mit A die Längsachse des Transformatorkernes,
mit B die Wicklung, mit D der Wicklungsanfang, mit F das Wicklungsende bezeichnet.
CE stellt die Kapazität einer Windung gegen Erde, CW die gegenseitige Windungskapazität
dar. In Fig.2 ist die Spannungsverteilung längs der Wicklungsachse DF für den stationären
Zustand (Kurve G) und beim Auftreffen einer Wanderwelle (Kurve H) wiedergegeben.
Es läßt sich daraus erkennen, daß eine geradlinige Spannungsverteilung mit einer
gleichmäßigen Spannungsbeanspruchung der einzelnen Wicklungsteile identisch ist,
da in diesem Fall die Spannungsunterschiede A U für gleiche Teile Ax konstant
sind. Bei einer Spannungsverteilung nach Kurve H trifft dies jedoch nicht mehr zu.
Hier weichen die Werte AU' und AU" erheblich voneinander ab.
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Um Wicklungen gegen Stoßspannungen zu schützen, sind bereits verschiedene
Maßnahmen zur Anwendung gekommen. So ist es seit langem bekannt, die Eingangswicklungen
stärker als die übrigen Windungen zu isolieren. Nachteilig wirkt hierbei, daß der
erforderliche Wickelraum zunimmt und die erhöhte Spannungsbeanspruchung auf die
nicht mit verstärkter Isolation versehenen Spulen verschoben werden kann, wodurch
an diesen Beschädigungen auftreten können. Wesentliche Verbesserungen sind dann
möglich, wenn das Verhältnis CF/CW (vgl. Fig. 1) klein ist. Die Kapazität gegen
Erde muß demnach möglichst niedrig, die gegenseitige Windungskapazität hingegen
möglichst groß sein. Aus diesem Grunde ist schon vorgeschlagen worden, Kapazitätsschirme
anzubringen, die zwar eine gute Spannungsverteilung ergeben, aber gleichzeitig auch
eine erhebliche räumliche Vergrößerung bedingen und zu schweren und teuren Konstruktionen
führen. Ferner sind bereits Wicklungen beschrieben worden, die durch Verschachtelung
der Einzelwindundungen innerhalb einer Scheibenspule eine Erhöhung der gegenseitigen
Windungskapazität ergeben. Diese Anordnungen sind jedoch wickeltechnisch schwierig.
Sie erfordern eine große Anzahl von Überkreuzungen und zusätzlichen Verbindungen
zwischen den einzelnen Scheiben der Wicklung. Ebenso bekannt ist es, die Windungslagen
von Transformatoren ineinanderzuschachteln. Diese bekannten Ausführungen sind aber
auf Kleintransformatoren beschränkt und besitzen eine relativ schlechte Stoßspannungsverteilung,
da die kapazitive Kopplung innerhalb der Wicklung starke Unregelmäßigkeiten aufweist.
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Weiterhin ist auch eine Transformatorwicklung bekanntgeworden, bei
der jeder Windungsgang aus parallel geschalteten Lagen besteht, welche in der Weise
verschachtelt sind, daß auf je eine Lage des einen Leiters eine Lage des anderen
Leiters folgt. Diese Anordnung stellt eine herstellungsmäßig schwierige Wicklung
dar. Sie bedingt zahlreiche Verbindungsleitungen, die den Wicklungsaufbau beträchtlich
erschweren. Man kann sie auch nicht für ungerade Lagenzahlen verwenden. Schließlich
wurde schon vorgeschlagen, mehrgängige Wicklungselemente, z. B. zwei ineinandergewickeltezweigängigeScheibenspulen,
derart zu Wicklungsgruppen zusammenzuschalten, daß die einzelnen Wicklungselemente
einer Gruppe in Einzelschaltung geschaltet sind, während die Wicklungsgruppen beliebig
in Einzel- oder Doppelschaltung miteinander verbunden sein können, oder daß umgekehrt
die einzelnen Wicklungselemente in Doppelschaltung
und die Zusammenschaltung
der Wicklungsgruppen in Einzelschaltung ausgeführt sein können. Bei einer Einzelschaltung
verläuft der Strom in allen Wicklungsgruppen bzw. -elementen in gleicher Richtung,
bei der Doppelschaltung treten hingegen einander entgegengesetzte Stromrichtungen
auf, was eine Umkehrung des Wickelsinns bedingt. Diese Wicklung benötigt daher eine
relativ große Anzahl von Lötstellen; sie erfordert umständliche Längsverbindungen
und ergibt keine hinreichend lineare Stoßspannungsverteilung, da die gegenseitige
Windungskapazität innerhalb der Wicklung starke Unregelmäßigkeiten aufweist.
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Die geschilderten Mängel der vorstehenden Ausführungen lassen sich
vermeiden, wenn erfindungsgemäß immer zwei zum gleichen Leiter gehörende, ohne Nahtstelle
unmittelbar miteinander verbundene Lagen gegensinnig gewickelt sind und sich in
an sich bekannter Weise zwischen zwei zum gleichen Leiter gehörende, aufeinanderfolgende
Lagen mindestens eine weitere, zu einem anderen Leiter gehörende Lage befindet und
wenn über die Nahtstellen vorzugsweise die räumlich am weitesten voneinander entfernten
Lagen der verschiedenen Leiter in Reihe geschaltet werden. Unter »Nahtstelle« sind
hierbei Löt-, Schweiß-, Klemmverbindungen usw. zu verstehen. Die erfindungsgemäße
Anordnung weist eine praktisch lineare Stoßspannungsverteilung auf und ergibt erhebliche
wickeltechnische Vorteile, da die Anzahl der zusätzlichen, oftmals schwierig herzustellenden
Verbindungsleitungen sehr gering ist. Diese Leitungen sind zudem nur an leicht zugänglichen
Stellen erforderlich. Ferner ist der Erfindungsgegenstand für Transformatoren jeder
Leistung verwendbar, da die Lagenwicklung mit Hilfe von Kanälen, die sich in radialer
Richtung zum Kern erstrecken, intensiv gekühlt werden kann. Gemäß weiteren Merkmalen
der Erfindung weist die Wicklung in Richtung der Kernachse mehrere Wicklungsabschnitte
auf, die durch Leitungen miteinander verbunden sind. Besonders vorteilhaft wird
der Aufbau, wenn zwei in radialer Richtung des Kernes nebeneinanderliegende Leiter
zu zweigängen Windungslagen in Richtung der Kernachse gewickelt sind, wobei jedoch
die letzte Windungsiage eingängig ausgeführt ist und zum Leiter des ersten Windungsganges
gehört. Es wird dann nur eine einzige zusätzliche Verbindung zwischen den zu den
beiden Leitern gehörenden Windungsgängen erforderlich.
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Die Fig. 3 bis 13 zeigen als Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
verschiedene Transformatorwicklungen.
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In Fig. 3 ist wie in Fig. 1 die Kernachse mit A und der Wicklungsanfang
mit D bezeichnet. Das Ende eines Wicklungsabschnittes trägt den Buchstaben K. Die
Einzelwindungen sind vereinfacht als Rechtecke dargestellt und fortlaufend numeriert,
so daß ihre Reihenfolge leicht erkennbar ist. Zur Kennzeichnung der zum gleichen
Leiter eines Wicklungsabschnittes gehörenden Windungsgänge sind die Windungen des
einen Leiters schraffiert. Die gezeigte Wicklung besteht hauptsächlich aus zweigängigen
Lagen, d. h., die Windungen 1, 25 bzw. 5, 29 usw. werden gleichzeitig gewickelt.
Nur die letzte Windungslage ist eingängig ausgeführt (Leiter 21 bis 24). Der Fig.
3 ist zu entnehmen, daß im Wicklungsabschnitt DK lediglich zwischen den Windungen
24 und 25 eine zusätzliche Verbindung L angeordnet werden muß. Übereinanderliegende
Wicklungsabschnitte können für sich allein hergestellt oder als Doppelabschnitte
gewickelt werden. Im letzteren Fall sind keine Lötverbindungen nötig.
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Fig.4 zeigt eine Wicklung, die nach denselben Richtlinien aufgebaut
ist wie die Wicklung nach Fig. 3, wobei gleiche Teile auch mit gleichen Buchstaben
bezeichnet sind. Der Unterschied liegt nur in der gewählten Anzahl der Windungen
je Lage und der Lagenzahl selbst.
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In Fig. 5 ist eine zweigängige Lagenwicklung dargestellt, bei welcher
der die Windungen 41 bis 44 bildende Leiter nur in einer einzigen Lage mitgeführt
ist. Nach Überkreuzung der Windungen 21 und 5 erfolgt die weitere Aufwicklung in
der schon aus den Fig. 3 und 4 ersichtlichen Weise. Die freien Enden D und K liegen
im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Anordnungen auf der gleichen Seite des
Wicklungsabschnittes. Es sind allerdings zwei Verbindungsleitungen (zwischen den
Windungen 40, 41; 20, 21) nötig.
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Nach Fig. 6 werden zunächst drei in radialer Richtung des Kernes nebeneinanderliegende
Leiter zu einer dreigängigen Windungslage in Richtung der Kernachse gewickelt und
die übrigen Lagen zweigängig ausgeführt. Die doppelt schraffierten Windungen 49
bis 52 gehören zu einem Leiter, der nur einen einzigen Gang innerhalb eines Wicklungsabschnittes
bildet. Zwischen dem zweiten und dem letzten sowie zwischen dem dritten und dem
vorletzten Windungsgang sind Verbindungsleitungen angeordnet.
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Fig. 7 stellt eine verschachtelte Wicklung dar, bei welcher die erste
und die letzte Windungslage eingängig, die dazwischenliegenden Windungslagen jedoch
zweigängig ausgeführt sind. Die freien Enden des Wicklungsabschnittes liegen am
zweiten und am vorletzten Gang. Zwischen der ersten und der letzten Lage ist eine
Verbindungsleitung vorhanden.
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In Fig. 8 ist eine Wicklung gezeigt, bei welcher die erste Windungslage
fünfgängig und die nächste Windungslage viergängig ausgebildet ist, Der die Windungen
81 bis 90 bildende Leiter wird nur in der ersten Lage mitgeführt. Nach Überkreuzung
der Windung 71 mit den Windungen 31 und 51 schreitet die Wicklung viergängig fort.
Die dargestellte Anordnung erfordert vier Verbindungsleitungen.
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In den Fig. 9 und 10 sind noch zwei weitere Ausführungsbeispiele des
Erfindungsgegenstandes angegeben, bei denen die Verschachtelung von drei Leitern
innerhalb eines Wicklungsabschnittes vorgenommen ist, der aus Wicklungsteilen besteht,
die in radialer Richtung des Kernes nebeneinanderliegen und aus je zwei Leitern
gebildet sind, wobei nur einer der Leiter beiden Wicklungsteilen zugehört.
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Fig. 11 gibt eine Reihenparallelschaltung wieder, bei welcher die
einzelnen Abschnitte der Wicklung entsprechend Fig.3 aufgebaut sind. Der Eingang
dieser Anordnung ist mit M bezeichnet.
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Weitere Möglichkeiten der Reihenparallelschaltung zeigen die Fig.
12 und 13. Die zwischen D und K gelegenen Abschnitte von Fig. 12 sind der in Fig.
4 angegebenen Wicklung ähnlich. Bei der in Fig. 13 dargestellten Ausführung sind
in radialer Richtung des Kernes nebeneinanderliegende Wicklungsabschnitte parallel
geschaltet.
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Die Kernachse A könnte bei den Ausführungen nach Fig.3 bis 13 auch
auf der anderen Seite der Wicklung angeordnet sein.
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Der Erfindungsgegenstand ist an sich weder hinsichtlich der Lagenzalil
noch der Windungszahl je Lage begrenzt. Lediglich die zwischen nebeneinanderliegenden
Leitern zulässige Höchstspannung wird für
den jeweiligen Fall eine
bestimmte Ausführungsform nahelegen.