DE1513923C

DE1513923C - Layer winding for transformers and reactors with high power and high operating voltages

Info

Publication number: DE1513923C
Application number: DE19651513923
Authority: DE
Inventors: Werner 7055 Stetten Widmann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH, 6000 Frankfurt
Priority date: 1965-04-15
Filing date: 1965-04-15
Publication date: 1973-05-30

Description

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Bei Lagenwicklungen für Großtransformatoren mit hohen Spannungen werden zur Verbesserung der Stoßspännungsverteilung in zunehmendem Maß Schilde angewendet. Eine günstige Sloßspannungsverteilung erhält man, wenn man gemäß F i g. 1 sowohl am Wicklungsanfang 1 als auch am Wicklungsende 2 je ein Schild 3 und 4 anordnet. Die Stoßspannungsverteilung einer solchen' doppelt geschildeten Lagenwicklung ist gegenüber einer Wicklung ohne Schild wesentlich gleichmäßiger. Trotzdem läßt sich durch die doppelte Schildung allein die ideale, nämlich eine vollkommen lineare Stoßspannungsverteilung nicht erreichen. Die Ursache hierfür ist darin zu suchen, daß sich zwischen den Schilden eine kapazitive Spannungsaufteilung ergibt, die infolge der unterschiedlichen Durchmesser des Innen- und Außenschildes einem Zylinderfeld entspricht. Je größer der Durchmesserunterschied ist, um so stärker divergiert das Feld von innen nach außen. Entsprechend F ig. 2 ist also die Feldstärke in der Nähe des Innenschildes höher, in der Nähe des Außcnschildes niedrigen Dementsprechend ergibt sich in der Wicklung eine Anfangsverteilung, bei der die inneren Wicklungslagen höher beansprucht sind als die äußeren Wicklungslagen. In the case of layer windings for large transformers with high voltages, the surge voltage distribution is improved increasingly shields were used. A favorable load voltage distribution is obtained if, according to FIG. 1 both at the beginning of the winding 1 and at the end of the winding 2 each a shield 3 and 4 arranges. The surge voltage distribution of such a 'double-layered winding is much more uniform compared to a winding without a shield. Nevertheless, the double representation alone is not the ideal, namely a completely linear surge voltage distribution reach. The reason for this is to be found in the fact that there is a capacitive voltage distribution between the shields results due to the different diameter of the inner and outer shield corresponds to a cylinder field. The greater the difference in diameter, the more it diverges Field from the inside out. According to Fig. 2 is the field strength near the inner shield higher, lower in the vicinity of the outer shield. Accordingly, there is an initial distribution in the winding, in which the inner winding layers are subjected to higher loads than the outer winding layers.

Tatsächlich ist nun aber nicht nur die kapazitiv bedingte Anfangsverteilung nicht linear, sondern auch die sogenannte Endverteilung, die sich nach dem Abklingen der Ausgleichsschwingungen einstellt, ist nicht linear. Die Ursache für die nichtlineare Endverteilung ist in der unterschiedlichen Flußverkettung der einzelnen Wicklungslagen der gestoßenen Wicklung zu suchen. Liegt nämlich gemäß F i g. 3 die gestoßene Wicklung außen und betrachtet man die nicht gestoßene Wicklung als kurzgeschlossen, so kann sich durch den Stoßvorgang im Transformator nur ein Streufluß ausbilden, wobei sich eine Flußverkettung, wie in F i g. 3 oben dargestellt, ergibt. Tatsächlich muß man bei Transformatoren in den Anlagen die nicht gestoßene Wicklung vielfach als für Stoßspannungen kurzgeschlossen betrachten. Sind nämlich an der Klemme der nicht gestoßenen Wicklung mehrere Leitungsabgänge und sonstige Hochspannungsgeräte angeschlossen, so muß diese Klemme infolge der Belastung durch die parallel geschalteten Wellenwiderstände und Kapazitäten für die relativ hochfrequenten Stoßspannungen als kurzgeschlossen betrachtet werden. Wie die F i g. 4 zeigt, sind die für die Endverteilung der Spannung längs der gestoßenen Wicklung maßgebenden Windungsspannu ngen an den innersten Lagen kleiner als an den äußersten Lagen. Die magnetisch bedingte Endverteilung der Lagenspannungen zeigt folglich gemäß F i g. 4 gerade die umgekehrte Tendenz wie die kapazitiv bedingte Anfangsverteilung nach F i g. 2. Beim Übergang von der Anfangs- zur Endverteilung treten in der Wicklung Ausgleichsschwingungen auf, die zur Folge haben, daß die Summe der höchsten Lagenspannungen wesentlich größer ist als die gesamte angelegte Stoßspannung. Diesen ungünstigen Spannungsverhältnissen muß selbstverständlich bei der Wicklungsisolation Rechnung getragen werden.In fact, not only is the initial distribution caused by capacitance not linear, but also the so-called final distribution that occurs after the compensatory oscillations have subsided is not linear. The cause of the non-linear final distribution is the different flow chaining of the individual To look for the winding layers of the butted winding. If, according to FIG. 3 the bumped Winding outside and if the winding that has not been joined is considered to be short-circuited, this can result only develop a leakage flux due to the surge process in the transformer, whereby a flux linkage occurs, as in Fig. 3 shown above results in. In fact, in the case of transformers in the systems, the Often consider the winding that is not butted as being short-circuited for impulse voltages. Are namely on the terminal of the non-joined winding, several cable outlets and other high-voltage devices connected, this terminal must be due to the load caused by the parallel-connected wave resistors and capacitances for the relatively high-frequency surge voltages are considered to be short-circuited. As the F i g. 4 shows are those for the final distribution The winding stresses on the innermost layers that determine the voltage along the jointed winding smaller than at the outermost layers. The magnetically determined final distribution of the layer stresses is shown consequently according to FIG. 4 just the opposite tendency as the initial distribution caused by capacitance according to FIG. 2. At the transition from the initial to the final distribution, compensating oscillations occur in the winding, which have the consequence that the The sum of the highest layer stresses is significantly greater than the total applied surge voltage. These unfavorable voltage conditions must of course be taken into account in the winding insulation be worn.

Besondere Schwierigkeiten ergeben sich dabei dadurch, daß bei der Anfangsverteilung die inneren Lagen, bei der Endverteilung jedoch die äußersten Lagen höher beansprucht sind, als dies bei einer idealen Spannungsverteilung der Fall wäre.Particular difficulties arise from the fact that in the initial distribution the inner Layers, but in the final distribution the outermost layers are more stressed than in one ideal stress distribution would be the case.

Die eingangs erwähnte Anwendung von Schilden zur Verbesserung der Stoßspannungsverteilung (beschrieben u.a. in ETZ-A, Band 83 (1962), Heft 5, Seite 130 ff.; Bulletin Oerlikon Nr. 328/329 (1958) Seite 89 IF.) hat auf diese Verhältnisse keinerlei Einfluß. Auch die deutsche Patentschrift 971 609 geht auf diese Zusammenhänge nicht ein. Sie beschreibtThe above-mentioned use of shields to improve the surge voltage distribution (described in ETZ-A, Volume 83 (1962), Issue 5, page 130 ff .; Bulletin Oerlikon No. 328/329 (1958) Page 89 IF.) Has no influence whatsoever on these relationships. German patent specification 971 609 does not deal with these relationships either. she describes

lediglich einen Wicklungsaufbau für Hochspannungstransformatoren und Drosselspulen bei dem zur Verbesserung der Anfangsverteilung der Spannung über die Wicklung bei auftretenden Stoßspannungen am Außenumfang der Wicklung lagenweise angeordnete, einzelne Schildelemente vorgesehen sind, deren Potentialsteuerung vom Wicklungseingang aus erfolgt. Eine allgemeine Regel, die eine universelle Anwendung dieser Schildelemente bei verschiedenen Wicklungstypen erlauben würde, wird in dieser Patentschrift nicht angegeben.just a winding structure for high voltage transformers and reactors in the improvement the initial distribution of the voltage across the winding when surge voltages occur on the Outer circumference of the winding arranged in layers, individual shield elements are provided, their potential control takes place from the winding input. A general rule that has universal application this would allow shield elements with different winding types, is in this patent not specified.

Bei einer anderen bekannten Hochspannungswicklung (deutsche Auslegeschrift 1 002 875), die aus zwei radial übereinanderliegenden und hintereinandergeschalteten, räumlich jedoch getrennten Wicklungsteilen besteht und bei der zwischen die Wicklungsteile eine dritte Wicklung eingefügt ist, ist bereits vorgeschlagen worden, die Windungszahlen dieser beiden Wicklungsteile zur Angleichung der Anfangs- und Endverteilung gleich oder verschieden groß zu machen. Eine Verallgemeinerung dieser Lehre für beliebig ausgeführte Wicklungen ist jedoch nicht möglich, da auch hier die oben geschilderten Zusammenhänge nicht erkannt und berücksichtigt sind.In another known high-voltage winding (German Auslegeschrift 1 002 875), which consists of two winding parts arranged radially one above the other and connected in series, but spatially separated exists and in which a third winding is inserted between the winding parts is already proposed been, the number of turns of these two winding parts to align the initial and Make final distribution the same or different sizes. A generalization of this teaching for Any winding design is not possible, however, since the relationships outlined above are also here are not recognized and taken into account.

Andererseits zwingen die immer größer werdenden Leistungen und Spannungen im Transformatorenbau dazu, den innerhalb der Wicklung zur Verfügung stehenden Raum optimal auszunützen.On the other hand, the ever increasing powers and voltages in transformer construction force to make optimal use of the space available within the winding.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anpassung der Anfangs- an die Endverteilung bei der gestoßenen Wicklung anzustreben und damit eine Verringerung des gesamten Isolationsaufwandes zu erreichen.The invention is based on the task of adapting the initial to the final distribution to strive for the butted winding and thus to reduce the overall insulation effort reach.

Ausgegangen wird von einer Lagenwicklung für mindestens zwei Betriebswicklungen aufweisende Transformatoren und Drosselspulen großer Leistungen und hoher Betriebsspannungen, bei der die erste Betriebswicklung mit Stoßspannung beaufschlagt ist, während die weiteren Betriebswicklungen geerdet sind, und die zweite bzw. auch eine dritte Betriebswicklung entweder innerhalb oder außerhalb der gestoßenen ersten Betriebswicklung oder auch doppelkonzentrisch zu dieser angeordnet ist und bei der mit dem Wicklungseingang und/oder dem Wicklungsende verbundene kapazitive Längsschilde zur kapazitiven Potentialsteuerung vorgesehen sind (ETZ-A, Bd. 83 (1962) H. 5. S. 130 bis 133.It is assumed that there is a layer winding for at least two operating windings Transformers and reactors of great power and high operating voltages, in which the first Surge voltage is applied to the operating winding while the other operating windings are grounded, and the second or also a third service winding either inside or outside the thrust first operating winding or double concentric to this is arranged and with the the winding input and / or the winding end connected capacitive longitudinal shields to the capacitive Potential control are provided (ETZ-A, Vol. 83 (1962) H. 5. P. 130 to 133.

Bei einer derartigen Lagenwicklung wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Windungszahl der einzelnen Lagen in der ersten Betriebswicklung jeweils so gewählt ist, daß das Produkt aus Windungszahl und der für die einzelnen Lagen unterschiedlichen mittleren Windungsspannungen der gestoßenen Wicklung eine induktive Spannungsverteilung längs der Wicklung ergibt, die der rein kapazitiven Spannungsverteilung längs der Wicklung weitgehend angepaßt ist, wobei die dabei zugrundezulegenden mittleren Windungsspannungen der einzelnen Lagen sich aus deren unterschiedlicher Streuflußverkettung ergeben, die ihrerseits durch die radiale Höhe der gestoßenen und der nicht gestoßenen Wicklungen sowie deren räumliche Anordnung in bezug auf die gestoßenen Wicklungen und durch die Streukanalbreite zwischen den beiden Wicklungen bestimmt ist, und daß ferner die Längen der kapazitiven Steuerschilde jeweils der Länge der Wicklungslage, an der sie angelenkt sind, angepaßt sind. With such a layer winding, the object set is achieved according to the invention in that the number of turns of the individual layers in the first operating winding is chosen so that the product from the number of turns and the different mean winding voltages for the individual layers the abutted winding results in an inductive voltage distribution along the winding, which the is largely adapted to the purely capacitive voltage distribution along the winding, the underlying mean winding tensions of the individual layers result from their different Stray flux linkage result, in turn, by the radial height of the hit and the not hit Windings and their spatial arrangement in relation to the butted windings and through the Stray channel width between the two windings is determined, and that also the lengths of the capacitive Control shields are each adapted to the length of the winding layer to which they are hinged.

Bei einer Streuflußverkettung nach F i g. 3 bedeutet dies, daß die Windungszahl der inneren Lagen soweit erhöht und die Windungszahl der äußeren Lagen soweit reduziert wird, daß das Produkt aus Windungszahl mal Windungsspannung für die einzelnen Lagen dem Verlauf der kapazitiven Spannungsverteilung nach F i g. 2 angepaßt ist. Bei dieser Auslegung sind zwar die Lagenspannungen der inneren Lagen höher als die der äußeren Lagen, insgesamt ergibt sich aber trotzdem eine wesentliche Reduzierung des Isolationsaufwandes, da nunmehr die Summe aller Lagenspannungen annähernd gleich der angelegten Stoßspannung ist.In the case of a leakage flux linkage according to FIG. 3 means This increases the number of turns of the inner layers and the number of turns of the outer layers is reduced to such an extent that the product of the number of turns times the winding voltage for the individual Lay the course of the capacitive voltage distribution according to FIG. 2 is adapted. With this interpretation Although the layer tensions of the inner layers are higher than those of the outer layers, the overall result is However, there is still a significant reduction in the cost of insulation, since it is now the sum of all Layer stresses is approximately equal to the applied surge voltage.

Liegt ein doppeltkonzentrischer Spulenaufbau vor, so erhält man beim Stoßen der mittleren Wicklung bei kurzgeschlossener äußerer Wicklung eine Streufeldverkettung nach F i g. 5. Entsprechend F i g. 6 verändern sich in diesem Fall die Windungsspannungen zwischen der innersten und äußersten Lage. Dementsprechend ist bei der doppeltkonzentrischen Wicklung die Endverteilung stets wesentlich linearer als bei einem einfachkonzentrischen Aufbau. In zweckmäßiger Weise läßt sich dieser günstige Effekt einer doppeltkonzentrischen Anordnung auch bei einer Lagenwicklung mit einem einfachkonzentrischen Spulenaufbau dadurch erzielen, daß man die äußerste oder einige der äußeren Wicklungslagen durch eine nur bei Stoßspannung wirksame Impedanz überbrückt. Diese Impedanz kann bzw. können z. B. ein Kondensator, spannungsabhängige Widerstände, selbstlöschende Funkenstrecken mit Vorwiderständen oder auch ein Überspannungsableiter sein. Spricht z. B. der Überspannungsableiter infolge einer Stoßspannung an, so entstehen in dem vom Überspannungsableiter überbrückten Wicklungsteil Gegenamperewindungen, wodurch der Unterschied in der Flußverkettung zwischen den innersten und äußersten Lagen verkleinert wird.If there is a double-concentric coil structure, the middle winding is obtained when pushing If the outer winding is short-circuited, there is a stray field linkage according to FIG. 5. According to FIG. 6th In this case, the winding voltages change between the innermost and outermost layers. Correspondingly, with the double concentric winding, the final distribution is always much more linear than with a single-concentric structure. This beneficial effect can be expediently achieved a double-concentric arrangement even with a layer winding with a single-concentric coil structure achieve by having the outermost or some of the outer winding layers through a effective impedance only bridged with surge voltage. This impedance can or can, for. B. a capacitor, voltage-dependent resistors, self-extinguishing spark gaps with series resistors or also be a surge arrester. Speaks z. B. the surge arrester as a result of a surge voltage, this creates counter-amp windings in the part of the winding bridged by the surge arrester, which causes the difference in the flow linkage between the innermost and outermost layers is reduced.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Layer winding for transformers with at least two service windings and choke coils of high power and high operating voltages, in which the first operating winding is subjected to surge voltage while the other operating windings are grounded and the second or also a third operating winding either inside or outside of the first operating winding encountered, or also is arranged double concentric to this and with the winding input and / or the Capacitive longitudinal shields connected to the winding end are provided for capacitive potential control are, characterized in that the number of turns of the individual layers in the first Operating winding is chosen so that the product of the number of turns and that for the individual If there were different mean turn voltages of the butted winding an inductive one Voltage distribution along the winding results in that of the purely capacitive voltage distribution is largely adapted along the winding, the underlying mean winding voltages of the individual layers result from their different stray flux linkages, in turn by the radial height of the butted and non-butted windings and their spatial arrangement in relation to the butted windings and the width of the scattering channel between the two windings is determined, and that also the lengths of the capacitive Control shields are each adapted to the length of the winding layer to which they are hinged.

2. Layer winding according to claim 1, characterized in that the stray flux linkage individual Layers in single-concentric winding arrangements by bridging a part of the outer winding layers by means of an impedance that is only effective in the case of surge voltages is.

3. Layer winding according to claim 2, characterized in that capacitors are used as impedance be used.

4. Layer winding according to claim 2, characterized in that the impedance is voltage-dependent Resistors are used.

5. Layer winding according to claim 2, characterized in that self-extinguishing as the impedance Spark gaps with series resistors can be used.

6. Layer winding according to claim 2, characterized in that the impedance surge arrester be used.