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Aus zu Doppelspulen fortlaufend geschalteten Scheibenspulen gleicher
Windungszahl, zwischen denen radiale Ölkanäle liegen, aufgebaute Wicklung für Transformatoren
und Drosselspulen Bekanntlich werden Spulenwicklungen, besonders für Transformatoren
hoher Spannung und Leistung, im Eingangsbereich hohen Stoßspannungsbeanspruchungen
ausgesetzt, die eine verstärkte Isolation zumindest der Eingangsspulen erfordern.
Die am einfachsten herstellbare Spulenwicklung ist die sogenannte verstürzte Wicklung,
bei der jeweils zwei benachbarte Einzelspulen zu einer Doppelspule zusammengeschaltet
sind, so daß sie sich fortlaufend wickeln lassen. Dabei tritt aber auf der Spulenseite,
an der keine Spulenverbindung liegt, die doppelte Spulenspannung auf, die am Eingang
bei Stoßvorgängen besonders hoch ist. Deswegen hat man hierfür als besondere Maßnahmen
die zusätzliche Umbandelung der Eingangsspule mit Papierisolation und die Reduzierung
ihrer Windungszahl vorgesehen.
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Beide Maßnahmen verteuern die Wicklung, weil einmal Lötstellen erforderlich
sind, um die einzeln gewickelten umbandelten Spulen zu Doppelspulen zusammenzulöten,
zum anderen nützt diese Art der Isolation den vorhandenen Wickelraum nicht gut aus;
weil die Spulenumbandelung (Teil 8 in F i g. 1) auch an den Seiten zwischen den
Spulen vorgesehen ist, an denen die Spulenverbindungen 4 liegen, wo also keine besonderen
Spannungsdifferenzen auftreten.
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Es sind zwar andere Spulenarten bekanntengeworden, bei denen die Stoßbeanspruchungen
günstiger liegen, etwa in Einzelspulen geschaltete Spulenwicklungen oder sogenannte
verschachtelte Wicklungen, bei denen die Kapazitäten zwischen den Windungen und
Spulen durch besondere Schaltungsmaßnahmen erhöht sind. Alle diese Schaltungsmaßnahmen
erfordern aber zusätzliche Lötstellen und verteuern die Wicklung. Außerdem treten
an den Schaltverbindungen oder an den benachbarten Drähten recht hohe Beanspruchungen
auf, so daß dort die Isolationsstärken erhöht werden müssen.
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Für Wicklungen für extreme Höchstspannungen ist es bekannt, die aus
der Wicklung oder in die Wicklung führende Ölströmung im elektrisch hoch beanspruchten
axialen Randfeld durch ineinandergeschachtelte Außen- und Innenflansche von Winkelringen
zu einem mäanderförmigen hin- und hergehenden Verlauf zu zwingen, um die freien
axialen Ölstrecken möglichst kurz zu halten und durch die feste Isolation der Winkelringflansche
zu unterteilen.
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Außerdem ist es bei fortlaufend geschalteten Scheibenspulenwicklungen
bekannt, Außen- und Innenwinkelringe in den Spulenverband einzufügen, deren zylindrische
Teile über die Breite von zwei oder mehreren Einzelspulen sich erstrecken und deren
Flansche sich mit ihrer Außenseite an die radiale Seitenfläche der nächsten benachbarten
Einzelspule auf der Seite der Verbindung zur übernächsten Spule anlehnen. Abgesehen
davon, daß bei diesem Aufbau keine oder nur eine mangelhaft kühlende Ölströmung
möglich ist, entstehen genau an den Stellen höchster elektrischer Beanspruchung,
an denen die Doppelspulenspannung ansteht, freie Ölzwickel, deren elektrische Festigkeit
um ein Vielfaches niedriger als diejenige von festem Isolierstoff ist. Dem muß durch
die Bemessung der Gesamtisolation und/oder durch entsprechende Abstände Rechnung
getragen werden.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, höchste elektrische
Festigkeit durch Verpackung der Stellen der höchsten Gradienten an den durch die
Doppelspulenspannung beanspruchten Kanten mit festem Isolierstoff zu erreichen,
dabei zusätzliche verstärkte Isolation einzusparen und eine optimale fortlaufende
Ölströmung an allen Windungen vorbei zu erzwingen.
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Außerdem soll die Erfindung die mangelhafte Durchströmung der Ölkanäle,
wie sie =nach den in F i g. 1 gezeichneten Strömungspfeilen im Mittenbereich jeder
Spule auftritt, verbessern, indem das am Rande fließende Kühlöl gezwungen wird,
auch im Mittenbereich mit gleicher Geschwindigkeit zu strömen.
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Die Erfindung betrifft eine aus zu Doppelspulen fortlaufend geschalteten
Scheibenspulen gleicher Windungszahl, zwischen denen radiale Ölkanäle liegen, aufgebaute
Wicklung für Transformatoren und Drosselspulen, bei welcher erfindungsgemäß jede
Doppelspule jeweils aus einer Einzelspule mit größerem Wickeldurchmesser und aus
einer Einzelspule mit kleinerem Wickeldurchmesser besteht, bei welcher
ferner
sämtliche Einzelspulen an einer ihrer radialen Flächen und senkrecht dazu an der
aus dem Wicklungsverband herausragenden Windung durch eine winkelringartige Isolation,
deren zylindrischer Teil sich in an sich bekannter Weise über zwei oder mehr Scheibenspulen
erstreckt, spaltfrei abgedeckt sind, und bei welcher die radialen Ölkanäle über
vertikale Kanäle, die im Spulenverband abwechselnd auf der Scheibenspulen-Innen-
und -Außenseite auf Grund der unterschiedlichen Scheibenspulendurchmesser entstehen,
fortlaufend mäanderartig verbunden sind.
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Die Erfindung verbessert dadurch die Raumausnutzung, daß die neben
der Drahtisolation aufgebrachte zusätzliche feste Isolation nur an den Stellen vorgesehen
sind, an denen sie stoßspannungsmäßig erforderlich ist. Dabei soll sowohl die Isolationsfestigkeit
zwischen den Doppelspulenbeanspruchungen erhöht werden als auch die Isolationsfestigkeit
nach der Unterspannungswicklung hin an den Spulenrändern, an denen die höchsten
Gradienten auftreten. An den Spulenrändern verdichten sich die Potentiallinien übermäßig,
so daß sehr hohe Gradienten auftreten und dort gemäß der Erfindung eine besonders
gute Isolationsverkleidung vorzusehen ist, die auch schon die Anfangsspannung im
Bereich der Randisolation erhöht.
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Die Erfindung sei an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In F i
g. 1 ist ein Beispiel für die bisher am meisten verwendete Bauart von Spulenwicklungen
gezeigt, während F i g. 2 bis 10 Beispiele für die Erfindung zeigen. In allen Fällen
sind gleiche Bezugszeichen gewählt. In F i g. 1 sind die Drähte der normal ausgeführten
Spulen 1, bei denen keine besondere Spulenumbandelung vorgesehen ist, zu erkennen
und zwischen ihnen die radial verlaufenden Ölkanäle, die durch radial verlaufende
Leisten 2 hergestellt werden, welche etwa in axial verlaufende Leisten 3 eingreifen:
An den Stellen 4 sind die einzelnen Spulen miteinander verbunden. Die Eingangsspulen
sind mit 1' und deren zusätzliche Umbandelung mit 8 bezeichnet. Auf die Wicklungsstirn
ist dann ein bekannter Schirmring 9 mit verstärkter Isolationsumbandelung 10 gesetzt.
Die Spulenachse ist durch die strichpunktierte Linie 11, der Zylinder, auf den die
Wicklung gewickelt wird, mit 12 bezeichnet. Nach innen greift normalerweise in den
Zylinder 12 ein Winkelring 13
ein, so daß zwischen Winkelring 13 und
der Schirmringisolation 10 das öl strömen kann, was durch radial verlaufende Leisten
14 ermöglicht wird. Längs der gestrichelten Linie 15 treten dabei die längsten hochbeanspruchten,
im Randfeld liegenden freien Ölstrekken auf, während an den gestrichelten Ölstrecken
16 die höchsten Gradienten, die infolge der hohen Spulenbeanspruchung bei Stoß entstehen,
verlaufen.
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Nach dem Erfindungsbeispiel F i g. 2 sind keine besonderen umbandelten
Endwindungen 1' vorgesehen, sondern die Wicklung kann durchweg aus normalen Spulen
1 aus in gleicher Weise isolierten Drähten bestehen. Man erkennt die Winkelringe,
die mit ihrem Winkelteil 5 an den Stellen anliegen, an denen bei der bekannten Wicklung
nach F i g. 1 die höchsten Beanspruchungen 16 an den Spulenkanten liegen. Die ringförmigen
Teile 6 der Winkelringe bedecken dabei mehrere Windungen der Spulen. Sie haben im
Beispiel der F i g. 2 keilförmigen Querschnitt, d. h., sie verjüngen sich nach den
Stellen niedriger Beanspruchung hin, so daß dort entsprechend der geringeren Spannung
wenig feste Isolation vorgesehen .und dadurch der Wickelraum besser ausgenutzt ist.
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Die zylindrischen Teile 7 der Winkelringe dagegen sind in ihrer Länge
so lang gewählt, daß mehrere axial nebeneinanderliegende, zu verschiedenen Spulen
gehörende Windungen überdeckt werden. Zwischen den Winkelringteilen 7, welche dicht
an der Spule mit höherem Potential anliegen, und der Nachbarspule mit niedrigem
Potential liegen die Ölkanäle 2, welche in radialer Richtung verlaufen und durch
entsprechende Leisten 2 gehalten werden. Diese Leisten setzen sich in den Leistenteilen
2' fort, welche die axialen Ölkanalanteile fixieren.
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Man erkennt, daß die r adial verlaufenden Ölkanäle 2 auf der Seite
der Spulenverbindung 4 in axialer Richtung, neben der die Spulen mit höherer
Spannung verlaufen, erfindungsgemäß so umgelenkt werden, daß die axialen ölkanalteile
2' auf dieser Seite zwischen der Spule und dem zylindrischen Teil 7 des zur Spule
mit niedrigem Potential gehörenden Winkelring verlaufen und dann wieder zum nächsten
radial verlaufenden Kanal 2, der zur Spule höherer Spannung gehört, umgelenkt werden,
so daß eine durchgehend erzwungene, mäanderförmige, an jeder Spule normal in voller
radialer Breite und axialer Höhe direkt ohne dazwischenliegende feste Isolation
6 bzw. 7 vorbeiführende Ölströmung entsteht. Diese Ölströmung hat folgenden Vorteil:
Es muß die Wärme lediglich durch die dünne Drahtisolation durchgehen und wird längs
der vollen axialen Spulenhöhe in den axialen Ölkanal 2' übergeführt, desgleichen
längs der vollen radialen Breite in den ölkanal z. Bei den umbandelten Spulen nach
F i g. 1 dagegen muß immer die zusätzliche feste Isolation 8 berücksichtigt werden,
wodurch ein höherer Temperatursprung entsteht.
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Man erkennt ferner, daß sich die Eingangsspulen mit dem höheren Potential
in einem größeren radialen Abstand zur Nachbarspule, die zwischen Achse
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und Zylinder 12 verläuft, anordnen lassen, was allein schon dadurch möglich
ist, daß die Dicken etwa der Teile 7 der Winkelringe im Eingangsbereich stärker
gewählt werden als im Bereich der weiter innenliegenden Wicklungen. Dadurch ergibt
sich ebenfalls die Möglichkeit, die Windungszahlen der Eingangsspulen kleiner als
bei den Spulen mit niedrigerer Spannung zu wählen.
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In F i g. 2 ist nur der Fall gezeichnet, daß an allen Spulen die Winkelringe
6, 7 angebracht sind. Selbstverständlich wird man nur von Fall zu Fall die weiter
innenliegenden Spulen ohne Winkelringe ausführen können, weil dort die Beanspruchungen
niedriger sind. Wie näher in F i g. 5 a bis 5 c angedeutet, können die Winkelringe
während des Wickelns der Spulen eingelegt werden.
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F i g. 3 zeigt nun ein Beispiel, bei dem die Winkelringe keinen keilförmigen
Querschnitt im ringförmigen Teil 6 haben wie in F i g. 2, sondern etwa in gleicher
Dicke ausgeführt werden wie die zylindrischen . Winkelringteile 7 und bei dem sich
die zylindrischen Teile 7 überlappen. Man wählt dabei die überlappung und die Länge
der Winkelringe 6 und 7 so, daß die Winkelringe bei einsetzenden Vorentladungen
zuerst durchschlagen werden, so daß die Vorentladungen, an den Winkelringen entlang
nicht so weit vorwachsen können, daß sie die Drahtisolation erreichen. Damit wird
die überschlagsspannung der Durchschlagsspannung angepaßt oder zumindest größer
gewählt und so
die volle Materialdicke des Winkelringes dielektrisch
ausgenutzt.
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Man sieht in F i g. 2 und 3 ferner, daß die Spulenseite, an der der
Winkelring direkt anliegt, gegenüber der Nachbarspule vorsteht. Durch das Vorstehen
wird einmal der Platz für die axialen ölkanalanteile 2' gewonnen, zum anderen wird
gerade die Kante, die durch den Winkelring geschützt ist, mit der hohen Beanspruchung
beaufschlagt, so daß dort die Gradienten abfallen und die ölkanäle 2, 2' entlastet
werden. Das Potentiallinienbild hierzu zeigt F i g. 4, wobei die Potentiallinien
von 5 : 5 % eingezeichnet sind. Die Potentiallinien tr_it einem prozentulen Potential,
das durch 10 teilbar ist, sind dabei ausgezogen; die übrigen dazwischenliegenden
Potentiallinien, deren Potentiale durch 5 teilbar sind, sind gestrichelt eingezeichnet.
Man erkennt, daß sich die Linien an den Stellen 16, die durch Pfeile gekennzeichnet
sind und an denen die Winkelringe an ihrem Winkelteil 5 gemäß F i g. 1 und 2 verlaufen,
stark zusammendrängen.
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Man sieht ferner, daß im Randgebiet längs des mit 15 bezeichneten
Pfeiles eine besonders hohe Potentiallinienverdichtung und damit hohe Gradienten
entstehen. Diese Beanspruchung wird erfindungsgemäß dadurch gemildert, daß dort
die zylindrischen Winkelringteile 7 um die Isolation 10 des Schirmringes 9 direkt
herumgelegt werden. Man kann trotzdem das öl axial an der Stelle 2" nach außen führen,
ohne an diesen Gebieten 15 vorbeizukommen. Die verschiedene Staffelung der Breiten
der Spulen 1, durch die die Kanäle 2', 2" freigelassen werden, ermöglichen erst
die gesamte mäanderförmig verlaufende erzwungene Ölführung. Die Ölführung ist erzwungen,
weil die Strömung unbedingt in Pfeilrichtung (s. F i g. 2 und 3) verlaufen muß,
während die Strömung bei den gezeichneten Beispielen der F i g. 1 nach der bisherigen
Anordnung nur im Randgebiet der Wicklungen die notwendige Strömungsgeschwindigkeit
aufweist, während sie im Mittenteil des radialen Ölkanals nur noch sehr schwach
ist.
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Die in F i g. 1 gezeichneten Pfeile verdeutlichen dies. Um die Kühlung
in der Mitte der Wicklung bei Wicklungen mit großer radialer Breite zu verbessern,
muß daher oft ein mittlerer axialer Ölkanal, der in F i g. 1 mit einem gestrichelten
Pfeil gezeichnet ist, vorgesehen werden. Ein solcher Mittenölkanal entfällt bei
der Anordnung nach der Erfindung gemäß F i g. 2 und 3.
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Eine Darstellung verschiedener Fertigungszustände zeigt F i g. 5 a
bis 5 c. Man kann bei der Herstellung der etwa nach F i g. 3 dargestellten Wicklung
folgendermaßen vorgehen. Auf den Zylinder 12 legt man zuerst die noch in gestreckter
Form ausgebildeten Winkelringe 7 und darauf eine biegsame Leiste 2'. Es wird hier
nur der mittlere Teil der Wicklung beschrieben, d. h. also die Ausführung der Randgebiete
des Schirmringes u. dgl. weggelassen. Man wickelt gemäß F i g. 5 a dann eine Spule
1, die man als verstürzte Spule aufbaut. An diese Spule legt man nach dem straffen
Anziehen der Spule den Winkelringteil 6 direkt an, so daß die Kante 5 an die obere
Spulenkante zu liegen kommt und schlägt den zylindrischen Winkelteil 7 um.
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Den nächsten Fertigungsschritt zeigt F i g. 5 b. Hier ist schon die
bisher zylindrisch verlaufende Leiste 2' in ihrem Teil t radial hochgebogen und
das Ende von 2 provisorisch auf den zylindrischen Teil 7 des Winkelringes gelegt.
Dann wird die nächstfolgende Spule 1' gewickelt, die nicht verstürzt zu werden braucht,
darauf wird der an diese Spule anliegende feste Isolationsteil 7 zum Ringteil 6'
umgebogen. Den nächsten Fertigungsschritt zeigt F i g. 5 c. Zuerst wird die provisorisch
verlegte biegsame Leiste in Pfeilrichtung (s. F i g. 5 b) umgebogen und an 6' angelegt,
so daß der zweite radiale Kanalteil 2 entsteht, der dann mit Hilfe einer Bandage
17 gegen die zylindrische Unterlage festgebunden wird und wieder mit seinem Endteil
2" parallel zum Zylinder verläuft. Darauf wird die nächstfolgende Wicklung 1" von
unten nach oben aufgebaut und nach dem Sturzprinzip umgekehrt, wie die Pfeile zeigen,
aufgebaut, fest an die schon gefertigten Spulen gedrückt und nachgespannt.
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Die folgenden Fertigungsschritte verlaufen in gleichem Turnus gemäß
F i g. 5 a bis 5 c. Die folgenden Darstellungen zeigen weitere Abwandlungen und
Einzelheiten der Erfindung.
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So zeigt F i g. 6 eine verstürzte Spulenwicklung, bei der die Randisolation
verändert ausgeführt ist, indem der Schirmring 9 in zwei Teile 9 und 9' mit den
Isolationen 10 und 10' aufgeteilt ist. Zwischen beiden Teilen` befinden sich in
diesem Fall der axiale Ausführungsölkanal 2", der auch die Wicklungsausleitungen
aufnehmen kann. Hier sind die zylindrischen Teile 7 der Winkelringe ein zweites
Mal winkelförmig um die Stirnseite, d. h. um den Schirmring umgerissen, und zwar
der am dichtesten anliegende Schirmring direkt um 9 bzw. 9', und der weiter entfernt
liegende Teil unter Belassung eines weiteren radialen Kanals auf der Stirnseite
der Wicklung wird durch entsprechende Leisten 14 fixiert. Die übrigen Teile entsprechen
weitgehend der F i g. 3. Das Beispiel ist so gewählt, daß die Windungsbreite gerade
der radialen Breite der ölkanäle 2' entspricht. In den bisherigen Beispielen sind
die zur Fixierung der Ölkanäle dienenden Leisten nicht besonders dargestellt oder
in Beispiel F i g. 5 a bis 5 c durch eine einzige biegsame Leiste angedeutet.
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In F i g. 7 ist die Fixierung durch nicht biegsame Leisten 2' bzw.
2 vorgenommen, die ineinander verzahnt sind. F i g. 9 stellt ein Ausführungsbeispiel
für die radialen Leisten dar, die als Reiter auf die axialen Leistenstücke 2' aufgesetzt
sind. Dies entspricht auch der bisherigen Fertigungspraxis.
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In F i g. 8 ist gezeigt, daß die Winkelringe aus achsparallelen Streifen
7 aufgebaut werden können, die sich an den Stellen 7' überlappen und in dieser Ausführung
zu den ringförmigen Flanschteilen 6 umgebogen werden, die sich in gleicher Weise
überlappen.
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F i g. 10 schließlich zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem an Stelle
der in F i g. 9 gezeigten schwalbenschwanzförmigen Leiste 2' als biegsame Leiste
Kunststoffleisten mit rundem Querschnitt gewählt werden, die sich durch den Druck
der aufliegenden Wicklunaen zu ovalen Querschnitten verformen. Diese Leisten dienen
dann gleichzeitig als Puffer bei Wicklungsbewegungen als Folge von Kurzschlußbeanspruchungen.
Sie können wie runde Gummiprofilschnur seht elastisch gehalten werden.
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Ein Wicklungsaufbau nach der Erfindung ermöglicht nicht nur eine fortlaufend
schnelle Herstellung von Sturzwicklungen, sondern ergibt auch einen im Vergleich
zu der bisherigen Bauart wesentlich niedrigeren Platzbedarf, so daß der Wickelraum
für größere Leistungen ausgenutzt werden kann. Der Grund
liegt in
der beanspruchungsgerechten Verwendung der verwendeten Isolierteile 6 und 7. Durch
geeignete Staffelung der Isolierstärken kann man die Dicken der Teile 6 und 7 den
verschieden hohen Stoßbeanspruchungen sehr gut anpassen, so daß man an jeder Stelle
eine gleiche Sicherheit gegen Vorentladungen und damit gegen auftretende Schäden
erhält. Mit der Wicklung nach der Erfindung kann daher auch ein Transformator mit
normaler Sturzwicklung für so hohe Spannungen gewickelt werden, bei denen sonst
auf die übliche leicht herstellbare Sturzwicklung verzichtet werden mußte, so daß
im Endergebnis durch die Maßnahme nach der Erfindung bei gleichem Wickelraum größere
Spannungen und Leistungen untergebracht werden können, ohne daß sich die Fertigungszeiten
erhöhen.