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Schirmringanordnung für Wicklungen von ölgefüllten Transformatoren,
Meßwandlem und Drosselspulen Zur Lösung der hochspannungstechnischen Randprobleme
bei den Wicklungen von Hochspannungsapparaten und -maschinen, insbesondere aber
bei ölgefüllten Transformatoren, Meßwandlern und Drosselspulen, wird häufig von
Schirmringen Gebrauch gemacht.
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So nützlich solche Schirmringe zur Lösung der hochspannungstechnischen
Randprobleme, d. h. zur Abschirmung der nur relativ schwach isolierten Wicklungsdrähte
und zur Steuerung der Feldverteilung im Randgebiet der Wicklungen sind, so umständlich
sind deren Herstellung und Einbau. Es ist dabei zu bedenken, daß Schirmringe relativ
kleinen Querschnittes im allgemeinen aus Metall, häufig Stahl, hergestellt werden,
oft einen sehr großen Durchmesser besitzen und daher nur schwer bearbeitet werden
können; außerdem dürfen derartige Schirmringe zur Vermeidung eines Kurzschlusses
nicht metallisch geschlossen sein. Sie müssen eine Unterbrechungsstelle, ein sogenanntes
Isolierschloß, besitzen, dessen Herstellung einen beachtlichen Aufwand erfordert;
außerdem werden die Schirme an die benachbarten Wicklungsabschnitte galvanisch angeschlossen,
wozu die Ringe noch mit isolierten Ausleitungen zu versehen sind. Da die Wicklungsaufbauten
mit Maßtoleranzen behaftet sind, besteht ein weiteres Problem noch darin, daß das
Zusammenpassen der Schirmringe mit den Wicklungen oft sehr mühsam ist. Man muß deshalb
damit rechnen, daß die fertig isolierten Schirmringe noch einmal aufgeschnitten,
in ihrem Durchmesser verändert und dann nochmals nachisoliert werden müssen. Ähnlich
liegen die Verhältnisse auch dann, wenn für die Schirmringe als Trägermaterial harte
Isolierstoffe verwendet werden. An die mechanische Festigkeit werden dabei, wegen
der hohen Wicklungspreßdrücke, hohe Anforderungen gestellt.
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Eine bekannte Anordnung, die dem Schutz von Transformatorspulen gegen
überspannungswellen dient, besteht aus mehreren dünnen Metalleinlagen, die in entsprechendem
Isolationsabstand in einen mehrschichtigen Preßholzring eingelegt und ein- oder
mehrfach gegeneinander verdrillt und an die wellenführende Leitung angelenkt sind.
Diese Anordnung ist jedoch nur jeweils für einen bestimmten Wicklungsdurchmesser
geeignet, da sowohl der Preßholzring als auch die Metallringe hinsichtlich ihres
Umfanges bzw. ihres Durchmessers jeweils festliegen, so daß Herstellungstoleranzen
der Wicklung nicht ausgeglichen werden können. Ein weiterer Nachteil dieser Anordnung
besteht darin, daß infolge der Verdrillung der Metallringe die Feldverteilung nicht
so differenziert beeinflußt werden kann, wie dies von Fall zu Fall erforderlich
ist.
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Es ist auch vorgeschlagen worden, die Schirmringe mit Isolierverkleidung
aus einem Träger aus hartem Isolierstoff herzustellen, der aus einem zunächst geraden
Stab oder geraden Streifen besteht, der dann durch Einschnitte oder andere geeignete
Maßnahmen so vorbereitet ist, daß er leicht verformt werden kann; auf diesem Isolierstoffträger
wird ein Leitbelag aufgebracht, der durch eine äußere Isolierverkleidung überdeckt
ist.
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F i g. 1 zeigt den Aufbau eines derartigen Schirmringes. über dem
aus hartem Isolierstoff bestehenden Stab 28, der mit einer großen Zahl gleichmäßig
verteilter, gegeneinander versetzter Einschnitte 29, 30 versehen ist, wird zunächst
ein aus einem Band bestehender leitender Belag 31 aufgebracht, der mittels eines
zweiten isolierenden Bandes 32 abgedeckt ist. Das Leitbelagband 31 besteht bei diesen
Schirmringen im allgemeinen aus einem in der Substanz karbonisierten Papier in der
Form sogenannten Buß-oder Graphitpapiers. In bestimmten Fällen werden auch Metallfolien
verwendet.
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Die vorgefertigten Schirmringe müssen nach dem Einbau in die in der
Regel kreisförmigen Hochspannungswicklungen noch mit einem zweiten Schloß geschlossen
werden. Ist in dem geraden Stab schon ein Isolierschloß enthalten, dann kann das
zweite in entsprechender Weise aufgebrachte Schloß die Leitbeläge der bisher noch
offenen Enden untereinander verbinden; über den verbindenden Leitbelag muß dann
noch die Isolierverkleidung aufgebracht werden.
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In F i g. 2 ist die Seitenansicht zu F i g. 1 wiedergegeben.
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Die Herstellung einer Unterbrechungsstelle im Leitbelag erfolgte bei
solchen Schirmringen aus Isolierstoffträgere
dadurch, daß an der
mit den Ziffern 31' und 37 bezeichneten Stelle die unmittelbar auf den Isolierstoffträger
aufgewickelte Leitbandage 31 unterbrochen und mit einer dünnen Isolierschicht von
einigen zehntel Millimeter über ihr Ende hinaus abgedeckt wird. Dann beginnt man
mit der Weiterführung der Leitbandage 37, die über der Isolierung der Leitbandage
31 anfängt und die dann wieder unmittelbar auf dem Träger verlaufend normal weitergeführt
wird. Durch die tlberdeckung wird erreicht, daß an dieser Unterbrechungsstelle praktisch
keine Unstetigkeit des elektrischen Feldes in Erscheinung tritt.
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Die Herstellung eines solchen zweiten Schlosses kann unter Umständen
einen unangenehm hohen Zeitaufwand erfordern. Das ist insbesondere dann der Fall,
wenn der Schirmring während des Wickelvorganges, also noch an der Wickelmaschine,
eingebaut und mit diesem zweiten Schloß versehen werden soll.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Schirmring, bei dem alle diese
unter Umständen sehr erheblichen Nachteile vermieden sind. Sie besteht in einer
Schirmringanordnung für Wicklungen von ölgefüllten Transformatoren, Meßwandlem und
Drosselspulen, bestehend aus mehreren isolierten Einzelschirmringen, die auf jeweils
einem verformbaren Isolierstoffträger einen mindestens eine Unterbrechungsstelle
besitzenden Leitbelag aufweisen. Erfindungsgemäß sind die Einzelschirmringe aus
zunächst geraden Schirmstreifen geformt und übereinandergelegt zu einem Paket zusammengesetzt;
ferner besitzt jeder Ein7elschirmring, vorzugsweise in einem leitbelagfreien Abschnitt,
mindestens eine unverschlossene Schnittstelle; außerdem sind die Schnittstellen
und die an dieser Stelle zurückversetzten Leitbelagränder der Einzelschirmringe
durch die Leitbeläge der benachbarten, in bezug auf die Schnittstelle versetzten
Einzelschirmringe elektrisch abgeschirmt.
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Durch die Flexibilität der Einzelschirmringe, aus denen die Schirmringanordnung
aufgebaut ist, kann diese jeweils an den Durchmesser der Transformatorwicklung angepaßt
werden. Die Einzelschirmringe können alle oder zum Teil an das Potential der Wicklung
angelenkt werden, so daß sich das Feld in jedem Fall in optimaler Weise beeinflussen
läßt.
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In F i g. 3 ist das Prinzip der Erfindung an Hand eines Ausschnittes
aus einem Schirmring dargestellt. Mit 38, 39, 40 und 41 sind hier die das Schirmringpaket
bildenden Einzelschirmringe dargestellt, die, wie aus F i g. 4 zu entnehmen ist,
übereinander - zu einem Paket gestapelt - angeordnet sind. Die unverschlossenen
Schnittstellen der Schirmringe 38 und 40 sind mit 42 bezeichnet, jene der Einzelschirmringe
39 und 41 mit 43. Der Leitbelag der Einzelschirmringe ist in der Form dicker unterbrochener
Linien dargestellt; für den Einzelschirmring 38 endet dieser Leitbelag an den Punkten
44 und 45, die Kanten der der zugehörenden Schnittstelle 42 benachbarten Leitbelagenden
44 und 45 sind durch den durchgehenden Leitbelag 46 des Einzelschirmringes 39 elektrisch
abgeschirmt. Das gleiche gilt für die Schnittstelle 43, wobei die Leitbelagkanten
der Einzelschirmringe 39 und 41 durch die an dieser Stelle durchgehenden Leitbeläge
der Einzelschirmringe 38 und 40 elektrisch abgedeckt sind. F i g. 3 stellt einen
Schnitt etwa an der Stelle 47 dar. Eine derartige elektrische Abschirmung bzw. Abdeckung
ist um so wirksamer, je kleiner der Abstand zwischen der leitenden Kante und dem
abschirmenden Leitbelag ist. Aus diesem Grund wird man die Einzelschirmringe möglichst
dünn, etwa 1 bis einige Millimeter dick ausführen.
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In F i g. 5 ist die Anordnung der unverschlossenen Schnittstellen
42 und 43 an einem kreisförmigen Schirmring dargestellt; die Schnittstelle 43 ist
dabei verdeckt. Die Enden der Leitbeläge des Einzelschirmringes mit der Schnittkante
42 sind dabei wieder mit 44 und 45 bezeichnet.
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Die leitbelagfreien Abschnitte der Einzelschirmringe, die die Schnittstellen
enthalten, dienen hier zugleich als Leitbelagunterbrechungsstellen.
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Durch dieAnordnung der unverschlossenen Schnittstellen in leitbelagfreien
Teilen der Einzelschirmringe wird es nun möglich, diese Abschnitte in einem gewissen
Ausmaß zum Ausgleich von Durchmessertoleranzen der Schirmringe zu benutzen. Man
wird hier so vorgehen, daß man die Schirmringe von vornherein so vorsieht, daß sie
zunächst dem Durchmesser mit der größten Toleranz entsprechen; zur Anpassung an
den tatsächlichenDurchmesser werden dann die den offenen Schnittstellen benachbarten
leitbelagfreien Abschnitte der Teilschirmringe entsprechend gekürzt. Für diese Anpassungsarbeiten
ist es empfehlenswert, die leitbelagfreien Abschnitte außen auf der Isolierverkleidung
der Einzelschirmringe zu markieren, damit nicht die Leitbeläge freigelegt werden.
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Die vorgenannte Markierung ist bei den isolierten Einzelschirmringen
ohne Schwierigkeit unter Anwendung von Kapazitätsmessungen ausführbar; setzt man
auf den Schirmring in einem bestimmten Abstand zwei mit einer Wechselspannung höherer
Frequenz beschickte Elektroden auf, dann ergibt sich in dem Bereich der durchgehenden
Leitbeläge ein entsprechender kapazitiver Strom, der beim Ablauf der Leitbeläge
von einer dieser Elektroden sehr stark zurückgeht.
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Beim Aufbau der erfindungsgemäßen Schirmrinb anordnung geht man so
vor, daß zunächst die Schirmringe aus einem Paket von zunächst geraden Schirmstreifen
mit leicht verformbaren Isolierstoffträgem hergestellt werden. Beim Stapeln des
zunächst noch geraden Schirmstreifenpaketes wird man die einzelnen Schirmstreifen
in bezug auf ihre Enden gegenseitig so versetzen, daß die Leitbelagkanten, die den
unverschlossenen Schnittstellen benachbart sind, durch die durchgehenden Leitbeläge
der benachbarten überstehenden Schirmstreifen elektrisch abgedeckt sind. Weiter
wird man dann das zunächst noch gerade Schirmringpaket an den noch gestreckten Leiterabschnitt
der letzten Windung der abzuschirmenden Wicklungslage - und zwar kurz vor deren
Auflauf auf die Wickelbank - bis auf die zu verschachtelnden Enden anbandagieren.
Die Länge dieses Schirmstreifenpaketes ist entsprechend dem Umfang an der betreffenden
Wicklungslage zu wählen. Beim Auflegen der Endwindung wird dann das bisher noch
gerade Paket der Abschirmstreifen zum Schirmring umgeformt; anschließend sind die
freien Enden des Schirmringpaketes ineinander zu verschachteln. Die Schließstelle
wird man dann ebenfalls noch an den Leiter der Endwindung anbandagieren.
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In. F i g. 6 ist eine derartige verschachtelte Stelle dargestellt.
Mit 48 und 49 sind dabei die von links kommenden, mit 50 und 51 die Enden des von
rechts
kommenden Endabschnittes des Schirmringpaketes bezeichnet.
Die Leitbelagenden der Einzelschirmringe 48 sind mit 52 bezeichnet, jene der Einzelschirmringenden
50 mit 53. Diese Kanten sind durch die Leitbeläge der von links her überstehenden
Schirmringenden 49 elektrisch abgedeckt. Andererseits schirmen die Leitbeläge der
von rechts her überstehenden Enden 50 die Leitbelagkanten der unverschlossenen Schnittstellen
zwischen 49 und 51 elektrisch ab.
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In F i g. 7 ist eine solche Schirmringanordnung in ihrem Aufbau noch
einmal, und zwar in Verbindung mit einer ohne Abkröpfung gewickelten Wicklungslage
dargestellt. Mit 54 ist die vorletzte Windung der Wicklungslage, mit 55 und 56 die
Endwindung derselben bezeichnet. Am Beginn dieser letzten Lage, d. h. etwa an der
Stelle der Markierung 55, ist an der Stelle 57 mittels eines Isolierstoffbandes
das eine Ende der Schirmringanordnung anbandagiert, an dem die beiden Schirmringenden
58 überstehen. Kurz vor der Ausleitung der Endwindung 59 ist die Schirmringanordnung
mit dem Band 60 an die Endwindung 56 anbandagiert; an diesem Schirmringende stehen
die Einzelschirmringenden 61 über, die dann mit den Enden 58 entsprechend verschachtelt
werden.
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Da hier eine kröpfungsfrei gewickelte Wicklungslage vorausgesetzt
ist, wird die Schirmringanordnung zum Ausgleich der Windungssteigung unter Verwendung
eines Übergangsstückes 62 gekröpft. Dieses Übergangsstück ist mittels einer Hilfsbandage
63 festgehalten. Das Ausleitungsende 59 wird mittels der Bandage 64 festgehalten.
Zur Übertragung der Wicklungspressung nach außen dient der Formstützring 65 und
66.
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Nach einer weiteren Erfindungsidee wird nun eine besonders wirtschaftliche
Herstellung der Schirmringanordnung, die für Wicklungen mit einem beliebigen Durchmesser
benötigt werden, dadurch erreicht, daß die einzelnen Schirmstreifen eines Abschirmpaketes
in ihrer Länge durch mindestens einen weiteren unverschlossenen Schnitt in einem
leitbelagfreien Abschnitt unterteilt werden. Man kann dann durch Kombination einer
begrenzten Zahl von Abschirmstreifen mit verschiedener Leitbelaglänge und durch
verschiedene Längen der beiderseits der Schnittstellen befindlichen leitbelagfreien
Zonen die Schirmringanordnung auf wirtschaftliche Weise auch sehr unterschiedlichen
Durchmessern anpassen. Selbstverständlich muß auch hier das Prinzip der Abschirmung
der Leitbelagenden beachtet werden.
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Eine grundsätzliche Lösung der Durchmesseranpassung der paketartigen
Schirmringanordnung läßt sich nun dadurch erzielen, daß man die Einzelschirmstreifen
der Schirmringanordnung aus zwei Teilstücken zusammensetzt, deren Leitbelag regelmäßig
durch Isolierstrecken unterteilt ist, wobei der Modul der Teilung - etwa gezählt
von Mitte Isolierstrecke zu Mitte Isolierstrecke - der beiden Teilstücke um einen
geringen Betrag a verschieden ist, so daß der Modul des einen Streifens ml, der
des zweiten m2 = (1 ;- a) m1 ist.
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Soll nun damit ein Schirmring mit einem bestimmten Durchmesser D hergestellt
werden, so sind die Teillängen m1 und m2 so zu wählen, daß der Wert Z1 . ml + Z2
- m2 dem Durchmesser möglichst nahe kommt. Z1 ist dabei die Zahl der Abschnitte
mit dem Modul m1, Z2 mit dem Modul m2.
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Teilt man D durch ml, so wird sich im allgemeinen keine ganze Zahl
ergeben. Macht man nun Zl + Z2 gleich der nächstkleineren ganzen Zahl Z., dann kann
die Aufteilung der Teil-Schirmstreifen nach Z1 und Z2 erhalten werden aus der Gleichung
D=mi(Zo+Z2'a) bzw.
Durch geeignete Wahl von a lassen sich Schirmringe verschiedenster Durchmesser herstellen.
Ist eine exakte Aufteilung nicht möglich, dann ist der noch verbleibende Längenausgleich
wie die Durchmessertoleranz an den unverschlossenen Schnittstellen durch Kürzen
oder Offenlassen eines Spaltes, wie etwa in F i g. 6 schon angedeutet, durchzuführen.
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Da nun zwei offene Schnittstellen vorhanden sind, bereitet ein solcher
Ausgleich keine Schwierigkeit. Voraussetzung für die uneingeschränkte Anwendbarkeit
der vorstehenden Überlegungen ist, daß
Macht man a kleiner als 0,1, dann ist wohl unter Umständen eine genauere Anpassung
der Streifenlängen an die verschiedenen Durchmesser D möglich, gleichzeitig wächst
aber auch der Durchmesser Dm;".
Durch Einführung eines dritten Streifens mit
nochmals etwas abweichendem Modul läßt sich die Anpassungsmöglichkeit noch weiter
steigern.
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Bei solchen in den Einzelstreifen der Länge nach unterteilten Streifenpaketen
kann es nützlich sein, zwischen den Einzelstreifen durchgehende elastische Isolierstreifen
einzulegen und die Streifenpakete mit Isolierstoffband bis auf die freien Enden
zu bandagieren.
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Von besonderer Bedeutung bei diesem Aufbau der Streifenpakete ist
die Kennzeichnung der Leitbelag-bzw. leitbelagfreien Abschnitte auf der äußersten
Schicht der Isolierverkleidung. Auch ist auf die elektrische Abschirmung der jeweiligen
Leitbelagenden durch benachbarte, durchgehende Leitbeläge zu achten. Führt man bei
gegebener Teilung der Leitbeläge bzw. Isolierstrecken der Schirmstreifen die letzteren
mit etwa einem Drittel und die ersteren etwa mit zwei Dritteln der Gesamtteilung
aus, lassen sich bezüglich der Abschirmung alle Forderungen erfüllen.
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Wie schon erwähnt, ist die Abschirmung der Leitbelagkanten unverschlossener
Schnittstellen durch benachbarte, im Leitbelag durchlaufender Einzelschirmringe
um so besser, je dünner die Einzelschirmringe bzw. Schirmstreifen sind. Man wird
diese Einzelschirmstreifen bzw. Schirmringe daher möglichst dünn ausführen. Eine
weitere Möglichkeit, die Abschirmung zu verbessern, besteht nun darin, den Leitbelag
auf den Isolierstoffträger in zwei Schichten aufzubringen, wobei der unmittelbar
auf den Träger folgende Belag einen sehr hohen spezifischen Widerstand besitzt;
oder aber dieser Leitbelag wird aus in der Längsrichtung sehr fein unterteilten
Leitbelagsabschnitten, die außerdem ebenfalls einen sehr hohen spezifischen Widerstand
besitzen können, ausgeführt. Dadurch wird dann erreicht, daß die abgesetzten Kanten
des darüber angebrachten gut leitenden Leitbelages nicht als scharfe Kanten in Erscheinung
treten, da bei entsprechender Widerstandsabstufung durch den darunterliegenden
Belag
der sonst vorhandene Potentialsprung durch Spannungslängskomponenten in dem nur
sehr schwach leitenden Belag verflacht wird.
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Eine ähnliche Wirkung kann dadurch erzielt werden, daß der Leitbelag
des dem freien Randfeld zugewendeten Einzelschirmringes in Abweichung zu den Leitbelägen
der anderen Einzelschirmringe mit einer sehr kleinen Leitfähigkeit ausgeführt wird.
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Wenn in der vorstehenden Beschreibung in erster Linie Einzelschirmringe
behandelt wurden, bei denen die unverschlossene Schnittstelle in einem leitbelagfreien
Abschnitt angeordnet war, so ist es, etwa bei Transformatoren für nicht allzu hohe
Nennspannungen, durchaus möglich, eine Schirmringanordnung aus Schirmringstreifen
aufzubauen, deren Leitbelag in eine große Zahl von gegeneinander isolierten, sich
lückenlos überdeckenden Teilleitbelägen aufgelöst ist. Die gegenseitige Isolierung
der Teilleitbeläge kann dabei etwa in der Form des Isolierschlosses in F i g. 2
durchgeführt werden.
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Werden die Teilleitbeläge sehr kurz gemacht, etwa in der Größenordnung
von einigen Millimetern, dann sind an der unverschlossenen Schnittstelle, die ja
durch die Leitbeläge der benachbarten Einzelschirmringe elektrisch abgeschirmt ist,
störende elektrische Entladungen weitgehend vermieden. Die allenfalls noch auftretenden
Entladungen bleiben, da die beteiligten Teilkapazitäten sehr klein sind, außerordentlich
schwach. Diese Aussage gilt vor allem für sehr dünne Schirmstreifen, da dann der
Spannungsunterschied zwischen den Einzelschirmringen relativ klein ist.
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Der Vorteil dieser Ausführung liegt darin, daß, unabhängig von dem
Durchmesser der abzuschirmenden Wicklung, keinerlei Rücksicht auf die Lage und Unterteilung
der Teilleitbeläge der Schirmstreifen genommen werden muß; es ist allenfalls darauf
zu achten, daß an den unverschlossenen Schnittstellen zwischen den geschnittenen
Leitbelägen kein »Wackelkontakt« entsteht. Ein kleiner Spalt von etwa 0,5 mm oder
ein eingefügtes Stück eines Isolierstoffstreifens trägt dem Rechnung.