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Oberspannungswicklung für Hochspannungstransformatoren sehr hoher
Spannung und sehr großer Leistung Die Erfindung betrifft eine Oberspannungswicklung
für Transformatoren sehr hoher Spannung und sehr großer Leistung, die aus mehreren
parallelen Leitern aufgebaut ist, zwischen denen sich axial verlaufende Kühlkanäle
befinden.
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Um die in der Wicklung entstehende Wärme möglichst gut abführen zu
können, ist es bekannt und üblich, bei Transformatoren innerhalb der Wicklung Kanäle
vorzusehen, durch die zur Wärmeableitung ein elektrisch isolierendes Kühlmittel
strömt. Die Wicklungen werden dabei, soweit es sich um Lagenwicklungen handelt,
so aufgebaut; daß jeweils auf eine Wicklungslage ein Kühlkanal und dann die Lagenisolation
folgt, oder die Reihenfolge verläuft so, daß nach der Wicklungslage die Lagenisolation
und dann der Kühlkanal angeordnet sind.
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Diese Anordnungen haben den Nachteil, daß jede Wicklungslage nur eine
einseitig gute Kühlung erhält, da nur eine Seite jedes Kühlkanals an die Wicklungslage
grenzt, während die andere Seite des Kanals von der Lagenisolation flankiert wird
und daher von dieser Seite nur eine sehr geringe Wärmeableitung erfolgt, weil die
elektrischeLagenisolation gleichzeitig einen schlechten Wärmeableiter darstellt.
Nachteilig wirkt sich auch aus, daß die Ölschichten in den Kühlkanälen elektrisch
dauernd beansprucht sind. Sie verhindern außerdem bei nur wenigen hin- und hergewickelten
Lagen eine einwandfreie Steuerung der Stoßspannungsverteilung.
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Ein weiterer wesentlicher Nachteil der bekannten Wicklungsanordnungen
besteht darin, daß sich an den von den Wicklungsisolationen flankierten Seiten der
Kühlkanäle keine glatten Wände für die Ölströmung ergeben, da sich an der Oberfläche
der Papierisolation längs- oder quergerichtete Erhebungen bilden. Besonders nachteilig
sind die beim Pressen der Wicklung entstehenden wulstförmigen Quetschfalten an den
Lagenenden, die die Ölkanäle erheblich verengen. Um trotzdem eine gute Kühlung zu
gewährleisten, ist es notwendig, die Kanäle von vornherein reichlich zu bemessen
und durch Beilegen von Preßspan die Wellen- und Faltenbildung zu verringern.
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Es ist auch eine Anordnung bekannt, bei der zwischen den parallelen
Leitern Kühlkanäle vorgesehen sind. Diese Anordnung ist jedoch nicht praktisch verwirklicht
worden, da sie den Grundaufbau der herkömmlichen Wicklungen, bei denen zwischen
den Lagen neben der Lagenisolation der Hauptkühlkanal vorgesehen ist, beibehält
und deshalb keine erheblichen Vorteile bringt, sondern im Gegenteil den Aufbau der
Wicklung mechanisch und elektrisch ungünstig beeinflußt.
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Erfindungsgemäß werden diese Nachteile dadurch beseitigt, daß jede
elektrische Wicklungslage aus zwei oder mehreren aus parallelen Leitern gewickelten
und durch Parallelschaltung vereinigten Lagen besteht, wobei die Parallelschaltung
außerhalb der Wicklung so erfolgt, daß die parallelen Leiter in einer anderen Reihenfolge
nebeneinander liegen und daß innerhalb der Wicklung die Flanken der Kühlkanäle von
keiner festen Isolation begrenzt werden, während die elektrischen Wicklungslagen
gegeneinander nur durch feste Isolation, deren Stärke proportional der sich längs
der Lagen ändernden Spannungsdifferenz bemessen ist, isoliert sind.
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Die elektrischen Wicklungslagen werden also nur durch feste Isolierstoffe
voneinander getrennt, während die Kühlkanäle nicht von festen Isolierstoffen flankiert
sind, sondern vom Kühlmedium direkt bespült werden. Mit dieser Anordnung ist eine
bedeutend bessere Wärmeableitung erreicht, denn jeder Kühlkanal wird an beiden Seiten
von den Leitern einer Wicklungslage direkt flankiert. Und auch die anderen vorstehend
angeführten Nachteile können nicht auftreten, da die Lagenisolation jetzt nicht
am Ölkanal liegt, sondern stets auf beiden Seiten von den Leitern der Wicklungslage
eingeschlossen wird.
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Damit die angrenzenden Lagen glatte Flächen bilden, werden die parallelen
Leiter zur Verminderung der Ausgleichsströme nicht verdrillt, sondern außerhalb
der Wicklungslage so geschaltet, daß sie in den einzelnen Lagen in verschiedener
Reihenfolge nebeneinander liegen. -Zur Entlastung der Ölstrecken von den Beanspruchungen
durch Stoßspannungen werden innerhalb der Ölkanäle streifenförmige Beläge derart
vorgesehen, daß sie am Umfang einige oder mehrere Male von einer Seite des Kanals
nach der anderen wechseln. Das kann so geschehen, daß zu beiden Seiten
eines
Kanals an die angrenzenden Leiter mit leitenden Belägen versehene Isolierstoffolien
geklebt werden, welche auf dem Umfang in einer Richtung von einer Seite nach der
anderen wechseln. Es können jedoch auch an Stelle 'der Folien :Kanalleisten aus
einem Werkstoff sehr hoher Dielektrizitätskonstante Verwendung finden.
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Wenn man jedoch gewisse Reststoßspannungen an den Ölstrecken der Kanäle_.in
Kauf nimmt, läßt sich eine Überbrückung an den einzelnen Punkten durch Kreuzen der
beiden ani Kanal liegenden Leiter herbeiführen, wenn, wie es bei Großtransformatoren
sehr oft der Fall ist, vier oder mehr parallele Drähte vorliegen. Die an der Lagenisolation
liegenden Leiter verlaufen dabei ebenfalls glatt und unverdrillt.
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Durch-die erfindungsgemäße Anordnung ist es möglich, bei hin- und
hergewickelten Lagen die Stärke der gesamten Lagenisolation und der verteilten Lagenkapazität
proportional der Spannungsdifferenz, die sich längs der Lagen von Null bis zu einem
Maximum ändert, zu bemessen. Es ist zwar bekannt, bei Transformatorwicklungen eine
Abstufung des festen Anteils der Lagenisolation nach der Spannungsdifferenz vorzusehen,
aber bei Wicklungen mit Kühlkanälen der bekannten Art, bei denen die Lagenisolationen
am Ölkanal liegen, verläuft die Gesamtstärke der Isolation und besonders die -Lagenkapazität
j e Längeneinheit trotzdem bei weitem nicht proportional der Spannungsdifferenz,
da die Stärke des Ölkanals konstant ist.
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Durch die Anwendung der abgestuften Lagenisolation ist es möglich,
die Kanalleisten. genügend lang zu machen, da an den Stirnseiten der Lage mehr Platz
vorhanden ist. Bei den bekannten Anordnungen ist es dagegen sehr schwierig, die
Kanalleisten auf die richtige Länge zu schneiden, # . denn sobald sie etwas
zu kurz sind; besteht die Gefahr, daß die letzte Windung die Führung verliert. Sind
sie aber etwas zu lang, so besteht die Gefahr, daß sie insbesondere beim Pressen
der Wicklung die zu Kragen umgelegten Lagenisolationen - durchstoßen. Um bei der
erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung dies in jedem Fall zu vermeiden, haben die
Druckringe an den Spulenenden einen solchen Querschnitt, daß- die Kanalleisten genügend
hervorstehen können, so daß auch bei den praktisch möglichen Verlängerungen und
Verkürzungen der Wicklung die hervorstehenden . Kanalleisten keine Zerstörung der
Isolation verursachen können. Die Druckringe liegen mit ununterbrochenen und abgerundeten
Flächen an der elektrisch hoch beanspruchten Lagenisolation. Durch den gewähltenQuerschnitt
derDruckringe ist gewährleistet, daß im Fall einer Berührung von Kanalleisten und
Druckringen die ersteren sich in den letzteren entlangschieben.
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An Hand der Zeichnungen sei an einem Ausführungsbeispiel nach derErfindung
diese näher erläutert. In Fig. 1 ist eine nach der Erfindung aufgebaute Wicklungsanordnung
im - Schnitt dargestellt. Der Deutlichkeit wegen ist von der Wicklung nur der obere
und untere Teil gezeichnet, während der mittlere Teil weggelassen ist.,Die im vorliegenden
Beispiel aus vier parallelen Leitern aufgebaute Wicklung besteht aus .den Lagen
1, 2,»3, 4 und 5. Zu jeder dieser Lagen gehört einer der Kühlkanäle 6, 7,
8, 9 bzw. 10, die erfindungsgemäß zwischen den parallelen Leitern angeordnet sind,
und zwar zwischen dem zweiten und dritten Leiter jeder Lage. Es können jedoch auch
mehrere Kühlkanäle für jede-:Wicklungslage vorgesehen werden, z. B. zwei, die danji
zwischen dem ersten und zweiten bzw. zwischen .dem dritten und vierten parallelen
Leiter jeder Lage angeordnet sein können. Die Stärke der Lagenisolationen 11, 12,
13 und 14 wächst proportional der : Zunahme der Spannungsdifferenz zwischen .zwei
Lagen nach dem einen oder anderen Ende hin. Das Zunehmen der Isolationsstärke ist
durch die gestrichelten Linien in dem die Unterbrechung zwischen dem oberen und
unteren Teil der Wicklung anzeigenden Zwischenraum 15 deutlich gemacht. Proportional
der anwachsenden Spannung wächst auch die Isolation 16 zwischen der Lage 1 und dem
äußeren Schild 17 der Wicklung sowie die Isolation 18 zwischen der Lage 5 und dem
inneren Schild 19. Die abgestufte Lagenisol@ation kann aus Papierbahnen ab- und
zunehmender Breite oder auch aus überlappten Bändern gewickelt werden. Es kann ohne
weiteres an Stelle der abgestuften Isolation auch eine gleichmäßige Isolation angewendet
werden, und- bei Transformatoren, bei denen eine .sich ändernde Spannungsdifferenz
längs der Lagen nicht auftritt, ist dies selbstverständlich. Die zwischen Ober-
und Unterspannungswicklung vorgesehene Hauptisolation ist mit 20 und mit 21 ein
Isolierzylinder bezeichnet.- Im vorliegenden Fall ist starre Erdung des Oberspannungs-Sternpunktes
angenommen. Zur weiteren Verbesserung der Stoßspannungsverteilung sind in den Kühlkanälen
leitende Beläge vorgesehen, die durch die gestrichelten Linien in den Kühlkanälen
angedeutet sind.
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Die mit 22, 23 und 24 bezeichneten Druckringe bestehen aus einem mechanisch
druckfesten Isolierstoff mit hoher Dielektrizitätskonstante, z. B. quergeschichtetem
Hartpapier, und weisen beispielsweise einen dreieckförmigen. Querschnitt auf, so
daß über den Lagenenden ein relativ großer Raum verbleibt und die Kanalleisten .der
in der Nähe der Druckringe mündenden Kanäle bei evtl. -auftretenden Berührungen
nicht aufstoßen, sondern vorbeigleiten. Die Druckringe können mit allmählichenÜbergängen
und ohne konkaveKrümmungen so geformt sein, daß sie oder Teile von ihnen als ausgeprägte
zusätzliche Schirmringe metallisiert oder graphititert oder überhaupt aus Metall
hergestellt sind und mit einem starken Isolationsauftrag versehen werden. Die Druckringe
können dann angelenkt oder auch kapazitiv gesteuert sein. Der Preßdruck wird über
diese Ringe und über Distanzklötze, die zweckmäßig an den Ringen befestigt sein
können, auf die Wicklung übertragen.
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Eine hinsichtlich Stoßspannungsverteilung günstige Anordnung .ergibt
sich nach der schematischen Darstellung, wie sie die Fig. 4 zeigt, bei der die Schaltungen
außerhalb der Lagen zum Ausgleich .der verschiedenen induktiven Lagenspannungen
und damit zur Verminderung .der Zusatzverluste infolge von Ausgleichströmen dienen.
Die einzelnen Leiter sind so geschaltet, daß sie in den Lagen jeweils in verschiedener
Reihenfolge nebeneinander liegen. DieAnordnung verhält sich .grundsätzlich so wie
eine einzelne Lage mit Verdrillung in der Mitte. Es ist jedoch darauf zu achten,.
daß die unterschiedlichen Längen der Lagen und die verschiedenen Durchmesser noch
eine Korrektur der Windungszahlen erfordern. Diese Schaltungsart ist nicht auf vier
Lagen beschränkt, sondern kann in ähnlicher Weise auch für andere Lägenzahlen verwendet
werden, ebenso für andere Zahlen der parallelen Leiter. Die Steuerung der Stoßspannung
:kann hier, wie auch in Fig. 1 angedeutet, durch in den Kanälen angeordnete Folien
od. dgl. erfolgen. -Die Fig. 2, in der die Beläge in einem Kühlkanal schematisch
näher dargestellt sind; zeigt eine Draufsicht eines Schnittes einer Wicklungslage
mit den parallelen
Leitern 30, 31, 32 und 33, zwischen denen ein
Kühlkanal 35 vorgesehen ist. Die Beläge können aus dünnen Isolierstoffolien
mit in der Umfangsrichtung verlaufenden streifenförmigen, elektrisch leitenden Einlagen
aus -Metall 36, 37 und 38 bestehen (Streifenbreite etwa gleich der Windungs- bzw.
Drahtbreite) oder in anderer geeigneter Weise aufgebaut sein. Sie sind an den den
Kanal flankierenden Leitern befestigt und wechseln von einerSeite nach der anderen.
Selbstverständlich können auch mehr als drei Einlagen vorgesehen werden. Es können
jedoch auch schon zwei oder auch nur eine genügen. Mit 39 sind Kanalleisten bezeichnet.
Sie können aus einem Werkstoff mit sehr hoher Dielektrizitätskonstante bestehen
und dann gegebenenfalls die Wirkung der Metallbeläge ersetzen, so daß letztere überflüssig
werden.
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Die Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Lage mit vier
parallelen Leitern, bei der eine Überbrückung des Ölkanals so erfolgt, daß die zwei
am Ölkanal liegenden Leiter an mehreren Punkten gekreuzt sind, während die äußeren
Leiter, die an der Lagenisolation liegen, unverdrillt und glatt durchlaufen. Bei
Wicklungen mit mehreren parallelen Leitern kann diese Anordnung bereits die gewünschten
Ergebnisse liefern, wenn man gewisse Reststoßspannungen an den Ölstrecken der Kanäle
in Kauf nimmt.