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Ölgekühlte Hochspannungs-Lagenwicklung für Transformatoren und Drosseln
Für Transformatoren höchster Spannung wird mit Vorteil die Lagenwicklung angewandt;
dabei liegt die höchste Spannung in vielen Fällen an der äußersten Lage, die gleichzeitig
die kürzeste Lage ist. Es ist nun das Bestreben, sowohl die Kesselwandabstände als
auch die Jochabstände zu dieser äußersten Lage so klein wie möglich zu halten, um
eine möglichst große Leistung im Kernfenster und damit im Bahnprofil unterzubringen.
Bei steigenden Spannungsbeanspruchungen hilft, wie Versuche gezeigt haben, die Vergrößerung
der Abstände nicht wesentlich, da die Feldstärke im Randfeld weniger als proportional
mit steigendem Abstand sinkt.
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Es ist daher besser, das Feld durch geeignete Steuerung aufzulockern,
wobei jedoch genügende Kanäle für den Durchfluß des Kühlmittels vorgesehen sein
müssen.
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Es sind schon Anordnungen bekannt, bei denen das Kühlöl, das zu oder
aus den Wicklungen herausgeführt wird, durch Barrieren, beispielsweise durch die
flanschartigen ineinander verschachtelten Umrisse von Isolierzylindern oder Winkelringen,
gezwungen wird, einen mäanderförmigen Verlauf zu -wählen. F i g. 1 zeigt eine solche
bekannte Anordnung. In F i g. 1 sind mit 1 bis 8 die einzelnen Lagen der Oberspannungswicklung
bezeichnet, wobei 1 die Lage höchster und 8 die Lage niedrigster Spannung
gegen Erde 10 a bis 10 c ist, die von der Unterspannungswicklung, dem Joch bzw.
der geerdeten Druckplatte und dem Kessel dargestellt wird. Gestrichelt eingezeichnet
ist der Verlauf der Äquipotentiallinien.
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Zwischen den Lagenumrissen 21 bis 28 und den gegenläufig eingebauten
Winkelringen 32 bis 36 bestehen ringförmige Durchtrittsöffnungen 42 bis 46, durch
welche das Öl, das zu den Wicklungen strömt, hindurchtritt. Dabei ist die Ölströmung
durch Pfeile gekennzeichnet. Jeder gebogene Pfeil bedeutet eine Ölumlenkung von
180°. Die ölumlenkung bedeutet zwar eine Erhöhung des Strömungswiderstandes, ist
jedoch erforderlich, um die freien Ölstrecken in axialer Richtung zu begrenzen.
Die Achse ist in F i g. 1 strichpunktiert angedeutet. Es sind in allen Figuren die
Strömungs- und Feldverhältnisse an den untenliegenden Wicklungsteilen gezeichnet.
Im oberen Wicklungsbereich ergibt sich spiegelbildlich der gleiche Aufbau, nur mit
dem Unterschied, daß das Öl aus den Kanälen herausgeführt wird.
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F i g. 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt im Gebiet der Lagen 2
bis 4 nach F i g. 1. Die Umrisse 22 bis 24 bzw. der Winkelring
33 begrenzen ein Ölgebiet 40, welches in axialer Richtung breiter als die
doppelte ölkanalbreite 30 und sehr hochbeansprucht ist, da diese Strecke, die durch
einen Pfeil gekennzeichnet ist, von sehr vielen gestrichelten Potentiallinien durchsetzt
wird. Man erkennt durch Vergleich mit den gestrichelten Potentiallinien in F i g.
1, daß diese Potentiallinien auch noch ,schräg verlaufen, so daß die freie, durch
einen strichpunktierten Pfeil bezeichnete Ölstrecke 50 noch höher beansprucht ist,
weil die Pfeilrichtung etwa senkrecht zu den Potentiallinien verläuft. Die Beanspruchungen
der axialen Ölstrecken ändern sich auch dann nicht wesentlich, wenn, wie es auch
schon bekannt ist, von den Lagenenden radial abgesetzte, an diese angelenkte Steuerringe
vorgesehen werden. Diesen elektrischen Beanspruchungen muß in jedem Fall durch die
Abstandsbemessung Rechnung getragen werden.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, die genannten Abstände zum Joch
10 b und zum Kessel 10 c derart zu verringern, als mit Rücksicht auf
die minimale Breite 30 der radialen Kanäle gerade noch zulässig ist. Wenn es also
gelingt, an den Axialstrecken 40 und 50 das elektrische Feld derart zu verringern,
daß die Festigkeit dort gleich oder niedriger ist als an den Strecken 30, ist ein
entscheidender Gewinn an Wickelraum zu erreichen möglich.
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Die Erfindung betrifft eine ölgekühlte Hochspannungs-Lagenwicklung
für Transformatoren und Drosseln mit von den Lagenenden radial abgesetzten Schirmringen
und mit aus der festen Lagenisolation nach außen flanschartig umgeschlagenen Umrissen
und nach innen umgeschlagenen Winkelringen, deren Flanschteile, in axialer Richtung
gegeneinander versetzt, ineinander eingreifen und die zwischen den Umrissen und
Winkelringen gebildeten Radialkanäle begrenzen, während die radiale Begrenzung der
Kanäle durch die Schirmringe und die Lagenenden erfolgt; erfindungsgemäß greifen
die Flanschteile so weit ineinander, daß die Umlenkung für die axiale Ölströmung
unmittelbar an den zylindrischen, gegebenenfalls
mit äußeren Lagenisolierungen
versehenen Oberflächen der Lagenenden bzw. an den Innenseiten der Schirmringe, die
an den Flanschen der Winkelringe dicht anliegen, erfolgt; außerdem sind die Querschnitte
der Ölkanäle in axialer und radialer Richtung annähernd gleich.
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An Hand von F i g. 3 bis 6 wird die Erfindung näher erläutert. Dabei
werden durchweg gleiche Bezeichnungen für gleiche Teile gewählt. In F i g. 3 sind
nur die der F i g. 2 entsprechenden Verhältnisse außerhalb der Lagen 2 bis 4 gezeichnet;
dabei soll die vorstehend gestellte Aufgabe an Hand der Betrachtung der Umlenkung
43, die durch einen gebogenen Pfeil dargestellt ist, erläutert werden.
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Beim Vergleich mit den Verhältnissen nach F i g. 2 ist festzustellen,
daß die gestrichelten Potentiallinien in F i g. 3 nicht mehr schräg verlaufen, sondern
gerade, und zwar nach außen, so daß die Isolationsumrisse und Winkelringe parallel
dazu, also parallel zu den Äquipotentiallinien, verlaufen. Dadurch wird die längste
freie Ölstrecke 50 (dargestellt durch den schräg eingezeichneten strichpunktierten
Pfeil) nicht senkrecht von den Potentiallinien durchsetzt, sondern nur die wesentliche
kürzere freie Ölstrecke 40. Diese Ölstrecke 40 tritt jedoch nur bei der äußeren
Umlenkung, d. h. in der Nähe des Steuerschirmringes 13 auf. Die entsprechend groß
gewählte Breite (axiale Breite) dieses Schirmringes 13 bewirkt, daß im Umlenkungsgebiet
40 die Potentiallinien aufgelockert sind. Die gestrichelt gezeichneten Potentiallinien,
die um das Lagenende von 2 herum sich stark zusammendrängen (inhomogenes Feld),
werden im Umlenkungsgebiet 40 stark aufgelockert, mehr noch als dem homogenen
Feld entspricht. Durch die Nachbarschaft des Schirmringes entsteht also an der Umlenkstelle
40 ein Gebiet verringerter Feldstärke (Potentialschattengebiet).
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Das gleiche gilt auch für jede innere Umlenkung. Wir betrachten dazu
die innere Umlenkung 43' in der Nähe der Lage 3, die axial durch die Winkelringe
22 und 23, radial außen durch den Winkelring 32, innen durch die Lage 3 begrenzt
ist. Da die größte Ausdehnung des Ölraumes bei 43' parallel zu Lage 3 verläuft,
in dieser Richtung jedoch auch nahezu gleiches Potential herrscht, ist die Spannungsbeanspruchung
in der größten Ausdehnung, also etwa in Richtung des strichpunktierten Pfeiles 50,
sehr gering.
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Während also bei der äußeren Umlenkung die Nachbarschaft des Schirmringes
13 eine Verringerung der Spannungsbeanspruchung bewirkt, wird diese Verringerung
bei der inneren Umleitung durch die Nachbarschaft der Lage 3 erreicht.
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F i g. 4 zeigt fünf Lagen 1 bis 5. Den ersten vier Lagen sind je ein
Steuerschirmring 11 bis 14 vorgesetzt. 11 ist dabei ein üblicher Schirmring.
Die Schirmringe 12 bis 14 sind die Teile, an denen erfindungsgemäß nach innen die
äußeren Umlenkungen 42 bis 44 unmittelbar angrenzen. Diese äußeren
Umlenkungen 42 bis 44 sind, wie man erkennt, axial begrenzt durch die Winkelringe
31 bis 34, während sie radial nach innen begrenzt sind durch die Umrisse 22 bis
24 und radial außen durch die Schirmringe 12 bis 14. Die inneren Umlenkungen 44'
bis 45' dagegen sind axial durch die Umrisse 21 bis 24, radial außen durch die Winkelringe
31 bis 33 und innen durch die Lagen 2 bis 4 selbst begrenzt. Längs der Hauptausdehnung
der äußeren bzw. inneren Umlenkungen 42 bis 44 bzw. 42' bis
44' wird nun wegen der Nachbar-Schaft der Schirmringe 12 bis 14 bzw. der
Lagen 2 bis 4 eine geringere Spannungsbeanspruchung erreicht, als in den nicht durch
die Maßnahmen der Erfindung verbesserten Ölkanälen der Mindestbreite 30. Deshalb
ist die Isolationsfestigkeit der Anordnung nach F i g. 4 genauso hoch wie die der
Anordnung nach F i g. 1, bei der die öldurchtrittsstellen 42 bis 45 geschlossen
sind, d, h. bei der die Winkelringe 32 bis 35 sich ununterbrochen bis in die Umrisse
22 bis 25 fortsetzen.
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Eine solche abgeschlossene Anordnung ohne Kühlmittelströmungskanäle
nach F i g. 1 wäre zwar elektrisch gut, jedoch thermisch nicht verwertbar. Durch
die Erfindung ist eine ausreichende Kühlung und gleiche elektrische Festigkeit bei
den durch den Abschluß erreichbaren verringerten Abständen zu den Jochen 10 b und
dem Kessel 10 c zu erreichen.
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F i g. 5 zeigt eine Abwandlung der Anordnung nach F i g. 4, die darin
besteht, daß die Umrisse 23 und 24 weiter verlängert, die Schirmringe 13 und 14
dagegen verkürzt, d. h. mit gleichem Durchmesser ausgeführt sind. Durch diese Maßnahme
wird erreicht, daß die Spannungsfestigkeit zwischen den Lagen 3 und 4 bzw. 4 und
5 erhöht wird bzw. daß bei gleicher Spannungsfestigkeit die Lagenabstände verringert
werden können. Die übrigen Maßnahmen entsprechen genau denen von F i g. 4.
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F i g. 6 wiederum zeigt gegenüber F i g. 5 eine geringfügige Abwandlung,
indem die Umrisse 22 bis 25 sowie die Winkelringe 32 bis 35 weiter verlängert sind
und sich noch mehr überlappen., wobei nur jede zweite äußere Umlenkung an einem
Schirmring erfolgt.
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Die Steuerschirmringe haben vorteilhaft eine breite radial ausgedehnte
Form und können gleichzeitig die Wicklung gut pressen und abstützen. Man wird -sie
verlustarm ausführen, indem man sie in bekannter Weise aus Isolierstoff herstellt
und mit einer leitenden oder halbleitenden Schicht überzieht.
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Die letztgenannten Beispiele, insbesondere aber F i g. 6, zeigen,
wie man die Winkelringe und die Umrisse möglichst weit überlappen und axial versetzen
kann. Die axiale Versetzung ist dabei so zu wählen, daß die Mindestbreite 30 der
radialen Kanäle möglichst nicht überschritten wird. Die inneren Umlenkungen sind
gleichzeitig so ausgebildet, daß in sie der axiale Kühlkanal der Nachbarlage einmündet.
Außerdem ist es vorteilhaft, die äußeren Umlenkungen nur dort neben den Steuerschirmringen
vorzusehen, wo es spannungsmäßig erforderlich ist, andere äußere Umlenkungen jedoch
so zu führen, daß die äußere Begrenzung durch Winkelringe gegeben ist. Ein Beispiel
dafür zeigen die Umlenkungen 42 und 44 in F i g. 6.
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Bei allen Beispielen der F i g. 3 bis 6 liegen die der Wicklung abgewandten
beiden Flächen der Steuerschirmringe an den Winkelring an und wirken als zusätzliche
Isolationsverkleidung dieser Flächen. Damit sind diese beiden Seiten, an denen sich,
wie in F i g. 6 am Steuerschirmring 11 dargestellt, die Potentiallinien zusammendrängen,
verstärkt mit fester Isolation verkleidet.