DE19650261A1

DE19650261A1 - Statische elektrische Vorrichtung

Info

Publication number: DE19650261A1
Application number: DE1996150261
Authority: DE
Inventors: Jean-Francois Ravot
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1996-12-04
Filing date: 1996-12-04
Publication date: 1998-06-10
Also published as: BR9706069A; CA2216848A1; EP0848393A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine statische elektrische Vorrichtung, insbesondere Trans formator, wie sie im Oberbegriff des ersten Anspruchs beschrieben ist.

Ein Transformator mit diesen Merkmalen ist beispielsweise aus der DE-43 33 185 C2 bekannt.

Stand der Technik

Das elektrostatische Randfeld von Wicklungen in statischen elektrischen Vorrich tungen, wie beispielsweise Transformatoren, ist im allgemeinen durch einen drei dimensionalen (zylindrische Spirale) und durch das ortsveränderliche Potential der Wicklungsoberfläche gekennzeichnet. Damit die Isolationsabstände zwischen einer Wicklung und geerdeten Bauteilen, wie beispielsweise ein Eisenkern oder Eisenjoch, sowie zwischen benachbarten Wicklungen zu minimieren sind, ist eine Homogenisierung des elektrostatischen Randfeldes oder eine Senkung der Kan tenfeldstärke erforderlich. Es hat daher nicht an Vorschlägen gefehlt, Maßnah men zur gezielten Beeinflussung des Randfeldes bereit zu stellen. Die Senkung der Kantenfeldstärke einer Wicklungsanordnung wurde bisher unter anderem dadurch erreicht, daß die Wicklungskanten abgerundet wurden. Dafür wurden spezielle Profile für die Randleiter verwendet, die demzufolge entsprechend ko stenintensiv und damit unwirtschaftlich waren.

Bei einer weiteren Ausführung wurden vorgeschobene Elektroden am Kantenver lauf der Wicklung angeordnet, wobei diese Elektroden als sogenannte Schutz- oder Schirmringe ausgebildet wurden, die mit einem Wicklungseingang auf glei chem Potential lagen. Eine Anwendung derartiger Schutz- oder Schirmringe ist aus der DE 32 43 595 C2 bekannt. Aus der GB 1 041 420 ist es bekannt, elektro statische Schirme zwischen benachbarten Wicklungen anzuordnen. Der Einsatz derartiger Schutz- oder Schirmringe ist infolge des Materialaufwandes und hin sichtlich der Montage ebenfalls kostenintensiv.

Desweiteren schlägt die DE 43 33 185 C2 zur Steuerung, bzw. Homogenisierung des elektrostatischen Randfeldes Leiteinlagen zwischen benachbarten Wicklun gen und zwischen geerdeten Bauteilen und einer Wicklung im Bereich der stirn seitigen Wicklungsrändern vor. Auch hier werden geringere Isolationsabstände in einem Transformator durch den Einsatz kostenintensiver und damit unwirtschaftli cher Materialien für die Leiteinlagen erkauft.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer statischen elektrischen Vor richtung, insbesondere Transformator, der eingangs genannten Art eine Wick lungsanordnung zu schaffen, bei der mit einfachen Mittel eine Homogenisierung des elektrostatischen Randfeldes möglich ist, so daß eine deutliche Reduzierung der Isolationsabstände und damit der Gesamtabmessungen und des Gesamtge wichtes erzielt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß durch eine gestufte Verjüngung einer Wicklung mittels Anordnung von Scheiben oder Schei benwicklungen an den stirnseitigen Randbereichen der Wicklungen eine kontrol lierte Steuerung und damit Homogenisierung der elektrostatischen Randfelder ermöglicht wird. Hierbei ist von besonderem Vorteil, daß die gesamte Wick lungsanordnung frei von aufwendigen Schutzringen oder Schirmringen oder Leiteinlagen zur Steuerung von elektrostatische Randfeldern bleibt.

Eine derartige Wicklungsanordnung ermöglicht eine Reduktion des Isolationsab standes zwischen geerdeten Bauteilen und Wicklungen und zwischen benachbar ten Wicklungen. Demzufolge werden kleinere, kompaktere Gesamtabmessungen erzielt mit entsprechend geringerem Materialaufwand und geringerem Gewicht für Wicklungen, Isolation, den Eisenkern und das Eisenjoch.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die stirnseitigen Randbereiche der Wicklung stufenförmig in der Art einer Pyramide mit nach außen abnehmender radialer Wicklungsbreite mittels dreier Scheiben oder Scheibenwicklungen begrenzt werden, wobei die Wicklung und die Scheiben oder Scheibenwicklungen einen gemeinsamen mittleren Radius aufweisen. Desweite ren ist es hierbei von Vorteil, wenn die Unterspannungswicklung den Eisenkern umgibt und die Oberspannungswicklung die Unterspannungswicklung koaxial ummantelt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Wick lungsanordnung für einen Transformator vereinfacht dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch einen Eisenkern mit zwei koaxial auf ihm angeordneten Wicklungen;

Fig. 2 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsvariante;

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind beispielsweise die elektrischen Verbindungen der Wicklun gen und ihrer zugehörigen Scheiben oder Scheibenwicklungen und die Gallung der Wicklungen selbst.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine Wicklungsanordnung im Längsschnitt, bei der eine Unterspan nungswicklung 2 und eine Oberspannungswicklung 15 konzentrisch um einen Eisenkern 1 angeordnet sind. Es ist dabei lediglich ein Ausschnitt gezeigt. Bei derartigen Wicklungen 2, 15 kommt es vorwiegend im stirnseitigen Randbereich 3, also in dem Bereich der Wicklungen 2, 15, die einem Eisenjoch 18 zugewandt sind, zu Feldstärkeerhöhungen des elektrostatischen Feldes. Dabei sind die Er höhungen dieser sogenannten elektrostatischen Randfelder besonders deutlich zwischen stirnseitigen Randbereichen 3 benachbarter Wicklungen, also zwischen der Unterspannungswicklung 2 und der Oberspannungswicklung 15, ausgeprägt. Diesen elektrostatischen Randfeldern wurde bisher vor allem mittels aufwendiger Isolationsanordnungen entgegengewirkt.

Die vorliegende erfinderische Lösung geht demgegenüber davon aus, die elek trostatischen Randfeldern mittels besonderer Ausgestaltung der stirnseitigen Randbereiche 3 der Wicklungen 2, 15 derart zu steuern, so daß hier keine Feld stärkeerhöhungen des elektrostatischen Feldes mehr zu verzeichnen sind. Die auf diese Art geschaffene Homogenisierung des Feldes ermöglicht eine erhebli che Reduktion des Isolationsaufwandes; insbesondere auf Schutz- oder Schirm ringe oder Leiteinlagen, die aus genannten Dokumenten des Standes der Technik bekannt sind, kann völlig verzichtet werden.

Eine erste Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Unterspannungswicklung 2, die mit der Oberspannungswicklung 15 konzentrisch um den Eisenkern 1 an geordnet ist. Die Unterspannungswicklung 2 ist von einer Kernmitte 16 mit einen Innenradius 4 beabstandet, und weist zwischen diesem Innenradius 4 und einem Außenradius 5 einen mittleren Radius 6 auf. Der Querschnitt der Unterspan nungswicklung 2 ist somit begrenzt zwischen dem Außenradius 6 und dem In nenradius 4 zu einer Wicklungsbreite 7.

An beiden stirnseitigen Randbereichen 3 der Unterspannungswicklung 2, also an den Seiten der Wicklung, die einem Eisenjoch 18 zugewandt sind, ist diese Un terspannungswicklung 2 mit jeweils drei Scheiben oder Scheibenwicklungen 8, 13, 14 versehen. Im folgenden werden die Scheiben oder Scheibenwicklungen 8, 13, 14 nur noch Scheibenwicklung genannt. Die Scheibenwicklung 8 weist zwi schen einem Außenradius 10 und einem Innenradius 9 eine Wicklungsbreite 12 auf, und ihr mittlerer Radius 10 fällt mit dem mittleren Radius 6 der Unterspan nungswicklung 2 zusammen. Die Wicklungsbreite 12 der Scheibenwicklung 8 ist kleiner als die Wicklungsbreite 7 der Unterspannungswicklung 2, und die zum Eisenjoch 18 hin angeordneten, der Scheibenwicklung 8 benachbarten Schei benwicklungen 13, 14, weisen jeweils ebenfalls eine kleinere Wicklungsbreite als die jeweils nach innen zur Unterspannungswicklung 2 hin benachbarte Schei benwicklung. Somit ergibt die Anordnung der Scheibenwicklungen 8, 13, 14 einen pyramidalen Abschluß der stirnseitigen Randbereiche 3 der Unterspannungs wicklung 2.

Die Oberspannungswicklung 15, die in einem Isolationsabstand 17 die Unter spannungswicklung 2 umgibt, zeigt an ihren stirnseitigen Randbereichen 3 die gleiche Anordnung von Scheibenwicklungen wie die Unterspannungswicklung 2.

Diese Anordnung von Scheibenwicklungen an den Wicklungen 2, 15 homogeni siert zum einen das im Betrieb auftretende elektrostatische Feld zwischen den Wicklungen 2, 15 und geerdeten Bauteilen, wie der Eisenkern 1 und das Eisen joch 18, und zum anderen wird insbesondere das Auftreten von elektrostatischen Feldstärkeerhöhungen in den stirnseitigen Randfeldern zwischen den Wicklungen 2, 15 unterbunden. Die hieraus sich ergebenden Vorteile umfassen eine wesentli che Reduktion des Innenradius 4 der Unterspannungswicklung 2 und des Isolati onsabstandes 17 zwischen der Unterspannungswicklung 2 und der Oberspan nungswicklung 15, eine Verkleinerung sämtlicher geometrischen Abmessungen mit den hierdurch verknüpften Einsparungen hinsichtlich des elektrischen Leiter materials und des verbauten Eisens und nicht zuletzt das Weglassen von Schutz- oder Schirmringen oder Leiteinlagen, die bisher zur Homogenisierung von elek trostatischen Randfeldern Anwendung fanden.

Ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen, zeigt Fig. 2 eine weitere Aus führungsform, bei der die Scheibenwicklungen 8, 13, 14 auch zum Eisenjoch 18 hin in Stufen eine kleinere Wicklungsbreite aufweisen. Allerdings fallen die mittle ren Radien der Scheibenwicklungen 8, 13, 14 nicht mehr mit dem mittleren Ra dius der Unterspannungswicklung 2 zusammen, wie es beispielhaft für den mittle ren Radius 10 der Scheibenwicklung 8 gezeigt ist. In der hier dargestellten Aus führungsvariante fallen die inneren Radien, wie zu Beispiel der Innenradius 9 der Scheibenwicklung 8, mit dem Innenradius 4 der Unterspannungswicklung 2 zu sammen, und die Außenradien der Scheibenwicklungen an der Oberspan nungswicklung 15 fallen mit deren Außenradius zusammen. Somit ergibt sich eine spiegelbildliche Treppenform der Scheibenwicklungen an den Wicklungen 2, 15, wenn man von der Mitte des Isolationsabstandes 17 her die Wicklungen 2, 15 betrachtet.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist auch eine andere Anordnung der Schei benwicklungen 8, 13, 14 denkbar, bei denen weder deren Innenradius noch deren Außenradius mit einem geometrischen Radius (Innenradius, Außenradius) der zugehörigen Unterspannungswicklung 2 oder Oberspannungswicklung 15 zu sammenfällt. Desweiteren ist es sicherlich auch möglich die Oberspannungswick lung 15 um den Eisenkern 1 anzuordnen und die Unterspannungswicklung 2 kon zentrisch um die Oberspannungswicklung 15.

Von der Erfindung nicht näher spezifiziert bleibt die Gattung der Unterspan nungswicklung 2 und Oberspannungswicklung 15 selbst. Hierbei können die in der Praxis üblichen Wicklungstypen Anwendung finden, wie beispielsweise Zylin derwicklungen oder Lagenwicklungen.

Bezugszeichenliste

1

Eisenkern

2

Unterspannungswicklung

3

stirnseitige Randbereiche

4

erster Innenradius

5

erster Außenradius

6

erster mittleren Radius

7

erste radiale Wicklungsbreite

8

Scheibe oder Scheibenwicklung

9

zweiter Innenradius

10

zweiter Außenradius

11

zweiter mittleren Radius

12

zweite radiale Wicklungsbreite

13

Scheibe oder Scheibenwicklung

14

Scheibe oder Scheibenwicklung

15

Oberspannungswicklung

16

Kernmitte

17

Isolationsabstand

18

Eisenjoch

Claims

1. Statische elektrische Vorrichtung, insbesondere Transformator, umfassend einen Eisenkern (1) und mindestens eine Wicklung (2), die auf dem Eisenkern (1) angeordnet ist, welche Wicklung (2) zwischen ihren stirnseitigen Randbe reichen (3) einen ersten Innenradius (4), einen ersten Außenradius (5) und einen ersten mittleren Radius (6) aufweist, wobei die Differenz zwischen dem ersten Außenradius (5) und dem ersten Innenradius (4) eine erste radiale Wicklungsbreite (7) darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die stirnseitigen Randbereiche (3) der Wicklung (2) mindestens jeweils eine Scheibe oder Scheibenwicklung (8) aufweisen, welche Scheibe oder Scheibenwicklung (8) einen zweiten Innenradius (9), einen zweiten Außen radius (10) und einen zweiten mittleren Radius (11) aufweist, wobei die Diffe renz zwischen dem zweiten Außenradius (10) und dem zweiten Innenradius (9) eine zweite radiale Wicklungsbreite (12) darstellt, welche zweite radiale Wicklungsbreite (12) der Scheibe oder Scheibenwicklung (8) kleiner ist als die erste radiale Wicklungsbreite (7), wobei der zweite mittlere Radius (11) der Scheibe oder Scheibenwicklung (8) größer ist als der erste Innenradius (4) der Wicklung (2) und wobei der zweite mittlere Radius (11) der Scheibe oder Scheibenwicklung (8) kleiner ist als der erste Außenradius (5) der Wicklung (2).

2. Statische elektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste mittlere Radius (6) der Wicklung (2) gleich dem zweiten mittle ren Radius (11) der Scheibe oder Scheibenwicklung (8) ist.

3. Statische elektrische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stirnseitigen Randbereiche (3) der Wicklung (2) jeweils eine Anzahl in Stufen angeordnete Scheiben oder Scheibenwicklungen (13, 14) aufwei sen, wobei an die Wicklung (2) die Scheibe oder Scheibenwicklung (8) mit der zweiten radiale Wicklungsbreite (12) angrenzt und jede nach außen fol gende Scheibe oder Scheibenwicklung (13, 14) in Stufen eine kleinere radiale Wicklungsbreite aufweist als die jeweils nach innen, also zur Wicklung (2) hin benachbarte Scheibe oder Scheibenwicklung.

4. Statische elektrische Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß die stirnseitigen Randbereiche (3) der Wicklung (2) jeweils drei Schei ben oder Scheibenwicklungen (8, 13, 14) aufweisen.

5. Statische elektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (2) frei ist von einem Schutzring, Schirmring oder Leitein lage zur elektrostatischen Feldsteuerung.