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Leistungs-Stufentransformator für höhere Reihenspannungen Hochspannungstransformatoren
mit axial fortschreitender Röhrenwicklung und Stufenschaltwerk im Sternpunkt sind
hinsichtlich ihrer Wicklung meist so aufgebaut, daß, vom Kern aus gezählt, auf die
Unterspannungswicklung die Hochspannungswicklung folgt und darauf dann die Stufenwicklung.
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Durch diesen Aufbau wird erreicht, daß die oft zahlreichen Zuleitungen
von der Stufenwicklung zum Wähler bzw. Stufenschalter mit geringstem Aufwand aus
der Wicklung ausgeführt und verlegt werden können.
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In F i g. 1 ist im Prinzip ein derartiger Aufbau dargestellt. Dabei
ist mit 1 der Kern angedeutet, mit 2 die unmittelbar auf diesem liegende Unterspannungswicklung,
mit 3 die Netzklemme der Hochspannungswicklung, diese selbst mit 4, darauf folgt
ihre mit 5 bezeichnete Stufenwicklung, deren einzelne Stufen mittels des nur prinzipiell
dargestellten Stufenschalters 6 abgegriffen und über den Anschluß 7 zum Sternpunkt
bzw. zum zweiten Ansehlußpunkt der Wicklung geführt werden.
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Diese Bauart eines Hochspannungstransformators mit Stufenschalter
wird heute außerordentlich häufig angewendet bis zu Betriebsspannungen von etwa
110 kV. Bei höheren Betriebsspannungen allerdings kann der Aufwand für die innere
Isolation der Hochspannungswicklung und zwischen der Stammwicklung, die in F i g.
1 mit 4 bezeichnet wurde, und der Stufenwicklung 5 sehr groß werden. Diese innere
Isolation muß ja so ausgelegt werden, daß die bei Beanspruchung eines Transformators
mit Stoßspannung zwischen den einzelnen Wicklungspunkten auftretenden Spannungsdifferenzen
mit Sicherheit gehalten werden. Da bei dem in F i g. 1 dargestellten Aufbau etwa
zwischen dem Eingang der Stammwicklung 4 und dem oberen Ende der Stufenwicklung
5 praktisch die volle Stoßspannung abfällt, muß auch Isolation für diese volle Stoßspannung
vorgesehen werden.
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Zur Reduzierung der inneren Beanspruchung der Hochspannungswicklung
von Transformatoren wurde nun mit sehr gutem Erfolg schon seit langem die sogenannte
Lagenwickluna angewendet, wie sie im Prinzip in F i g. 2 dargestellt ist. Mit 8
ist hier der Transformatorkern bezeichnet, mit 9 die Unterspannungswicklung, mit
10 die im dargestellten Beispiel aus vier Lagen bestehende Hochspannungswicklung,
deren Netzanschlußklemme mit 11 und deren Sternpunkt bzw. zweite Klemme mit 12 bezeichnet
sind. Um alle Vorteile auszunutzen, die diese Wicklung in bezug auf eine Reduzierung
der inneren Wicklungsbeanspruchung bei deren Beaufschlagung mit einer Stoßspannung
bietet, wird zweckmäßig noch ein hier mit 13 bezeichneter Schild vorgesehen, der,
an die Eingangsklemme 11 angelenkt, für eine möglichst lineare Aufteilung der Stoßspannung
auf die einzelnen Lagen sorgt.
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Sollte ein mit einer solchen Lagenwicklung aufgebauter Transformator
nun mit einem Stufenschalter versehen werden, dann wurde zunächst, in Anlehnung
an das in F i g. 1 dargestellte Prinzip, auch hier die Stufenschalterwicklung außen
auf dieHochspannungswicklung aufgewickelt. Das geht natürlich nur bei kleineren
Spannungen. da sonst die gesamte Stufenschalteinrichtung für das Hochspannungspotential
isoliert sein müßte. Deswegen wird bei Hochspannungstransformatoren die Stufenschalteinrichtung
fast ausschließlich im Sternpunkt angeordnet, wobei allerdings auch bei einer solchen
Lagenwicklung zwischen dem mit der Netzklemme 11 verbundenen Wicklungseingang
bzw. dem Schild 13 und der darüberliegenden Stufenwicklung die volle Stoßspannung
auftritt, so daß auch hier die innere Isolation einen sehr großen Aufwand erfordert.
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Wohl wurde auch vorgeschlagen, eine Hochspannungslagenwicklung mit
Stufenschalter so auszuführen, daß einfach der Wicklungseingang nach innen verlegt
und die Stufenschalterwicklung dann auf das nach außen gekehrte Ende der Stammwicklung
aufgewickelt wird. Diese Anordnung hat zwar wohl den Vorteil, daß zwischen der letzten
Lage der Stammwicklung und der Stufenwicklung nur geringe Stoßspannungsdifferenzen
auftreten, dafür aber ist es außerordentlich schwierig, die innerste, nunmehr zur
Eingangslage gewordene Wicklungslage mit einem
Schild auszurüsten.
Damit wird aber die Stoßspannungsverteilung in der Stammwicklung relativ ungünstig,
ein Vorgang, der auch noch dadurch verstärkt wird, daß die innenliegende Eingangslage
eine hohe Erdkapazität aufweist und die über die Eingangswicklung nach Erde fließenden
Ladeströme in der innersten Lage beachtliche Ausgleichsschwingungen erzeugen. Obwohl
die obengenannte Wicklung den Vorteil besitzt, daß zwischen der Stufenwicklung und
der Stammwicklung nur kleine Stoßspannungsdifierenzen auftreten, wird dieser Vorteil
mit einer erheblichen Stoßbeanspruchung in der Stammwicklung erkauft, die zu einem
erhöhten Isolationsaufwand in der Stammwicklung zwingt.
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Die Erfindung bezieht sich nun auf einen Leistungs-Stufentransformator
für höhere Reihenspannungen mit je Phase mindestens einer Niederspannungswicklung
und mit je Phase einer aus mehreren in Reihe geschalteten, koaxialen Wicklungsröhren
bestehenden Hochspannungswicklung, deren mit Anzapfungen versehener Teil die äußerste
Wicklungsröhre bildet, bei dem erfindungsgemäß der Anzapfteil über einen Sternpunktstufenschalter
mit dem auf niedrigem Potential liegenden Sternpunkt verbunden ist und die innerste
Hochspannungswicklungsröhre über eine aus einer Drosselspule mit parallelgeschalteten
Widerständen bestehenden Stoßspannungs-Schutzeinrichtung an den Hochspannungs-Netzanschluß
angeschlossen ist und die Schutzeinrichtung im Innern des Transformatorkessels zwischen
der Hochspannungsdurchführung und der Wicklung angeordnet und an die Wicklungskapazitäten
der Hochspannungswicklung angepaßt ist.
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Die Anwendung von Drosselspulen, gegebenenfalls auch in Verbindung
mit einem parallelliegenden ohmschen Widerstand zur Herabsetzung der Stoßbeanspruchung
von Transformatoren, ist schon frühzeitig beschrieben worden, so etwa in dem Buch
von R. R ü d e n b e r g , »Elektrische Schaltvorgänge«, das im Verlag Julius Springer
1923 erstmals erschienen ist. Es wird dort sehr gründlich nachgewiesen, daß eine
solche Drosselspule mit einem Parallelwiderstand, eingebaut vor einem Transformator,
vor allem die Steilheit der auf die Transformatorwicklung einlaufenden Stoßspannungen
reduziert, allerdings ist aber auch damit zu rechnen, daß die Beanspruchung der
Wicklung nach Erde zufolge Aufschwingens der Klemmenstoßspannung am Transformator
erhöht wird.
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Derartige Einrichtungen wurden lange Zeit hindurch verwendet. Die
Drosselspulen wurden dabei vor den Transformatordurchführungen auf entsprechenden
Stützisolatoren angebracht. Später ergab sich jedoch, daß die Erhöhung der auf die
Transformatorklemme gelangenden, wenn auch geringfügig verflachten Stoßspannungen
eine schärfere Beanspruchung der Transformatoren zur Folge hatten als die ohne solche
»Schutzeinrichtungen« unmittelbar auf den Transformator kommenden Stoßspannungen.
Vor allem dann, wenn die »Schutzdrosselspulen« nicht genau auf den jeweiligen Transformator
abgestimmt waren, konnte sich statt des beabsichtigten Transformatorschutzes eine
erhebliche größere Gefährdung des Transformators ergeben als ohne Schutzdrosselspule.
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Solche Fälle konnten sich auch bei einer ursprünglichen Anpassung
der Schutzdrosselspule an den Transformator dann ergeben, wenn aus irgendeinem Grund,
etwa Erhöhung der benötigten Leistung, ein Transformator ersetzt wurde und der neue
Transformator ein anderes Stoßspannungsverhalten aufwies.
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Sorgfältige Untersuchungen haben nun ergeben, daß durch eine Drosselspule
mit Parallelwiderstand - geschickte Bemessung vorausgesetzt - sobald sie einem Transformator
mit Lagenwicklung mit Inneneingang und Stufenwicklung vorgeschaltet wird, trotz
einer leichten Erhöhung der an der Wicklung nach Erde möglicherweise auftretenden
Stoßbeanspruchung, der Gesamtisolationsaufwand für diese Hochspannungslagenwicklung
überraschenderweise wesentlich niedriger gehalten werden kann als bei den meisten
der bisher angewendeten Konstruktionen.
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In F i g. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben.
Mit 14 ist hier der Kern bezeichnet und mit 15 die unmittelbar auf diesem folgende
Unterspannungswicklung. Die Stammwicklung der Hochspannungslagenwicklung ist mit
16 bezeichnet, die darauffolgende Stufenwicklung mit 17 und mit 18 der nur im Prinzip
dargestellte Stufenschalter. Der an der inneren Lage, der »Eingangslage«, liegende
Anschluß der Hochspannungsstammwicklung ist mit 19 bezeichnet und die Netzanschlußklemme
des Transformators mit 20. Zwischen den Punkten 19 und 20 liegt
die Drosselspule 21, zu der im vorliegenden Fall ein ohmscher Widerstand
22 parallel geschaltet ist.
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Durch den vorgeschlagenen Einbau der Drosselspule 21 mit dem Parallelwiderstand
22 zwischen Netzanschlußklemme des Transformators und Netzanschlußpunkt der Wicklung
im Innern des Transformators wird nicht nur erreicht, daß die Netzklemme des Transformators
selbst, d. h. dessen Hochspannungsdurchführung, nur mit einer Stoßspannung der normalen,
dem Stoßpegel des Transformators entsprechenden Höhe beaufschlagt wird, sondern
auch, daß die Drosselspule mit dem Transformator ein unteilbares, nach außen überhaupt
nicht in Erscheinung tretendes Gebilde darstellt, das optimal dem jeweiligen Transformator
angepaßt werden kann.
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An sich wurde zwar schon vorgeschlagen, Drosselspulen mit Transformatoren
in einem Kessel zusammenzubauen, jedoch handelte es sich um Stromregeldrosseln auf
der Sekundärseite von Verbrauchertransformatoren mit primärem Verbrauchernetzanschluß
für Röntgen- oder Schweißzwecke, die mit dem Transformator zusammen aus Vereinfachungs-und
Ersparnisgründen in einem gemeinsamen ölgefäß eingebaut waren. Eine irgendwie geartete
unmittelbare Rückwirkung auf den Transformator oder gar eine Schutzwirkung gegen
Stoßwellen sollten diese Drosseln nicht bewirken, zudem waren sie auf der Sekundärseite,
also auf der ungefährdeten Seite des Transformators, angeschlossen.
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Wie sich zeigen läßt, kann die günstige Wirkung der vorgeschlagenen
Dämpfungseinrichtung dadurch erhöht werden, daß der zur Drosselspule parallelliegende
ohmsche Dämpfungswiderstand so ausgeführt ist, daß er eine bestimmte Hysterese besitzt,
d. h. zu Beginn eines steilen Spannungsstoßes einen hohen Widerstand aufweist, der
im Verlauf einer Mikrosekunde bzw. des Bruchteils einer solchen dann auf einen konstanten
Wert zurückgeht. Die auf die Wicklung selbst kommende Stoßspannung wird dann vor
allem in ihrem ersten, meist steilsten Teil, besonders stark abgeflacht.
Ein
Verhalten, wie es eben als günstig geschildert wurde, läßt sich durch einen Massewiderstand
auf der Basis von körnigem Siliziumkarbid erzielen.
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Das gleiche Ziel, d. h. die Verflachung besonders steiler auf den
Transformatoren auftretenden Stoßspannungen bei ihrem Eindringen in die Lagenwicklung
kann auch dadurch erreicht werden, daß in Serie zu den parallel zur Zuleitungsdrosselspule
liegenden ohmschen Widerständen noch ein induktiver Widerstand vorgeschaltet wird,
dessen Induktivität ein Bruchteil jener der Hauptdrosselspule ist.
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Wie die Untersuchungen ergeben haben, genügt bei Transformatoren mit
Lagenwicklung und innenliegender Eingangslage schon eine relativ sehr kleine Induktivität
der Zuleitungsdrosselspule, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Die Größe der
Selbstinduktion einer solchen Spule liegt zwischen einigen 10 bis etwa 500 #tH.
Eine derartige Spule wird vorteilhaft als sehr langgestreckte Zylinderspule ausgeführt,
deren Länge ein Mehrfaches ihres Durchmessers beträgt. Sie kann dann bequem in die
Verbindungsleitung zwischen Hochspannungsdurchführung und Wicklungsanschluß eingefügt
werden. Es ist dann weiter zweckmäßig, die parallel zur Zuleitungsdrosselspule vorgesehenen
Schaltelemente, im wesentlichen also die ohmschen Widerstände, in der Bohrung der
Zuleitungsdrosselspule unterzubringen. Zur Kühlung der in der Drosselspule untergebrachten
Schaltelemente werden zwischen diesen und der Drosselspule selbst Kühlkanäle vorgesehen.
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Für den Fall, daß in den parallel zur Zuleitungsdrosselspule liegenden
Dämpfungskreis außer ohmschen Widerständen auch noch induktive Widerstände eingefügt
sind, empfiehlt es sich, sowohl die induktiven als auch ohmschen Widerstände mehrfach
zu unterteilen und diese dann abwechselnd aufeinanderfolgend in die Bohrung der
Zuleitungsdrosselspule einzubauen, so daß die Spannungsdifferenz zwischen den einzelnen
Punkten der Zuleitungsdrosselspule und des Dämpfungskreises jeweils möglichst klein
bleibt. Weiter können in der Bohrung der Zuleitungsdrosselspule neben den Dämpfungselementen
auch noch weichmagnetische Elemente eingebaut werden, die eine entsprechende Induktivitätserhöhung
der Zuleitungsdrosselspule ergeben.
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Zur Erhöhung der Wirksamkeit der vorgeschlagenen Dämpfungseinrichtung
durch Reduzierung der Ausgleichsvorgänge in der ersten am Netzanschluß angeschlossenen
Lage, der Eingangslage, kann man die kapazitive Durchkopplung wesentlich verbessern,
wenn die beidseitig der Eingangslage normalerweise vorgesetzten Schirmringe nicht
in üblicher Weise jeweils an das ihnen benachbarte Lagenende, sondern beide an das
mit dem Netzanschluß verbundene Lagenende angelenkt sind. Dadurch ergibt sich eine
Erhöhung des über die Dämpfungseinrichtung fießenden kapazitiven Stromes und gleichzeitig
eine Verringerung des über die Eingangslage nach Erde fließenden Ladestromes.
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Eine günstige Beeinflussung der inneren Stoßspannungsbeanspruchung
der erfindungsgemäß ausgerüsteten Lagenwicklung läßt sich auch noch dadurch erzielen,
daß die Windungszahl der inneren Eingangslage reduziert wird, diese Lage wirkt dann
in Verbindung mit der Dämpfungseinrichtung als »Schildlage« für die ganze Hochspannungswicklung
und trägt zur weiteren Linearisierung der Stoßspannungsverteilung bei.