DE19824606A1 - Vorrichtung zur Begrenzung von Überspannungen für Transformatoren - Google Patents

Abstract

Zur Begrenzung von Überspannungen, insbesondere von Blitzstoßspannungen, an einer Transformatorwicklung ist eine Vorrichtung mit einem zumindest einer Teilwicklung (14) parallel geschalteten spannungsabhängigen Widerstand (1) vorgesehen, der erfindungsgemäß aus einer Anzahl von aus aneinanderliegenden Widerstandsscheiben (20), insbesondere aus ZnO-Elementen, aufgebauten Teilstapeln (2 bis 5) gebildet ist, die zueinander zumindest annähernd ringförmig angeordnet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Begren­ zung von insbesondere transienten Überspannungen an einer Transformatorwicklung, mit einem zumindest einer Teilwicklung parallel geschalteten spannungsabhängigen Widerstand.

In Transformatoren mit großer Nennleistung, insbesondere in Leistungstransformatoren, können beim Auftreffen von transi­ enten Überspannungen, beispielsweise von Blitzstoßspannungen oder Schaltstoßspannungen, auf Wicklungen des Transformators in diesen unerwünschte Ausgleichsschwingungen oder Resonanz­ anregungen auftreten. Zur Begrenzung derartiger Überspannun­ gen ist es aus der EP 0 163 907 A1 bekannt, zumindest Teil­ wicklungen einen spannungsabhängigen Widerstand elektrisch parallel zu schalten. Dieser erzwingt zusätzlich zu einer Spannungsbegrenzung in der jeweiligen Wicklung eine Dämpfung der von Spannungsimpulsen angeregten Schwingungen in den nachgeschalteten Wicklungsteilen.

Aus der EP 0 383 988 B1 ist es darüber hinaus bekannt, für eine Hochspannungsdurchführung eines ölgekühlten Transforma­ tors als Festwiderstand einen spannungsabhängigen Widerstand vorzusehen, der aus aneinanderliegenden Widerstandsscheiben besteht.

Aufgrund der wachsenden Anforderungen an Transformatoren in Bezug auf die elektrische Festigkeit gegenüber derartigen transienten Überspannungen bei gleichen oder abnehmenden Ein­ baumaßen des Aktivteils im Transformatorkessel sind ohne Zu­ satzmaßnahmen dem Einsatz eines aus einem Scheibenstapel auf­ gebauten spannungsabhängigen Widerstandes Grenzen gesetzt.

Die elektrische Festigkeit wirkt sich nämlich unter anderem auf erhöhte Bemessungs-Steh-Blitzstoßspannungen und - Schalt­ stoßspannungen bei der Prüfung der Transformatoren aus. Diese Grenzen zeigen sich insbesondere darin, daß der Abstand des spannungsabhängigen Widerstands zu anderen, insbesondere elektrisch geerdeten Teilen oder Teilen niedriger Spannung des Transformators, wie z. B. zum Transformatorkern, zu den Transformatorwicklungen oder zum Transformatorkessel, nur ge­ ring ist.

Im Hinblick auf die hohen transienten Spannungen am Wider­ stand stellt auch der Anschluß von Leitungen sowie die erfor­ derliche Leitungsführung vom Widerstand zur jeweiligen Wick­ lung ein weiters Problem dar. So sind insbesondere bei beeng­ ten Einbauverhältnissen zusätzliche Abschirmmaßnahmen erfor­ derlich. Im allgemeinen führt z. B. eine sogenannte Topfelek­ trode mit grober Papierisolation oder ein um den Einzelstapel angeordnetes aufwendiges Barrierensystem sowie eine erhöhte Isolation der Leitungsführung jedes spannungsabhängigen Wi­ derstands zu einer ausführbaren Lösung. Diese Zusatzmaßnahmen stellen einen erheblichen und daher unerwünschten Aufwand dar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung zur Begrenzung von Überspannungen für einen Transforma­ tor anzugeben, die unter Vermeidung des Einsatzes aufwendiger Abschirm- und Isoliermaßnahmen bei gleichzeitig besonders einfachem Aufbau eine zuverlässige Begrenzung auch hoher transienter Überspannungen, insbesondere Blitzstoßspannungen, an den Transformatorwicklungen gewährleistet. Unter transien­ ten Überspannungen werden hierbei insbesondere nicht statio­ näre, kurzzeitige Überspannungsstöße verstanden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Dazu ist der spannungsabhängige Widerstand in etwa gleich hohe Teilstapel von vorzugsweise aus Zink-Oxyd bestehenden Widerstandsscheiben oder -elementen aufgeteilt, wobei die Teilstapel zumindest annähernd kreis- oder ringför­ mig zueinander angeordnet sind. Durch eine derartige Anord­ nung wird im durch den Teilstapel gebildeten und begrenzten Innenbereich des spannungsabhängigen Widerstands eine Schwä­ chung des elektrischen Feldes erzielt, so daß dieser Bereich zumindest annähernd feldfrei ist.

Eine deutliche Schwächung des elektrischen Feldes im zentra­ len Bereich des spannungsabhängigen Widerstands wird bereits mit einer Anzahl von n = 3 Teilstapeln erzielt. Vorzugsweise werden jedoch n = 4 Teilstapel derart zueinander symmetrisch angeordnet, daß sich die Teilstapel paarweise auf sich recht­ winklig kreuz enden, quer zu dessen Längsachsen verlaufenden Verbindungslinien äquidistant gegenüberliegen. Dabei weisen die Teilstapel einen Abstand zueinander auf, der im Inneren des durch die Teilstapel beschriebenen ringförmigen Bereichs eine möglichst effektive elektrische Feldschwächung gewähr­ leistet. Jeder Teilstapel ist aus mindestens zwei Wider­ standsscheiben aufgebaut. Bei einem Dreiphasen-Transformator ist ein derartiger spannungsabhängiger Widerstand für jede Phase vorgesehen, wobei die entsprechenden Stapelanordnungen voneinander getrennt aufzustellen sind.

In zweckmäßiger Weiterbildung ist jeder Teilstapel von einer Feldstärkenbarriere umgeben. Die Barriere ist vorzugsweise ein im Querschnitt kreisförmiger Preßspanmantel, der den je­ weiligen Teilstapel koaxial umgibt. In den Barrieren der Teilstapel vorgesehene Längsschlitze dienen einerseits zur Kühlung der Teilstapel und andererseits zur Montage und Hal­ terung der Barriere sowie zur Herausführung der Anschlußlei­ tungen zu den Teilstapeln. Die Halterung erfolgt am jeweili­ gen Teilstapel und/oder innerhalb der Gesamtanordnung des spannungsabhängigen Widerstands. Die Barriere begrenzt die elektrische Feldstärke im als Kühlmittel für die Transforma­ torwicklungen vorgesehenen Öl im Ringraum zwischen dem Preß­ spanmantel und dem Teilstapel auf einen zulässigen Wert. Zu­ sätzlich oder alternativ kann eine mehrere oder alle Teilsta­ pel gemeinsam ringförmig umschließende Feldstärkenbarriere aus Preßspan vorgesehen sein.

Zur Positionierung und Fixierung der Teilstapel innerhalb der Anordnung des aus diesen gebildeten spannungsabhängigen Wi­ derstands ist vorzugsweise ein Rahmengestell vorgesehen, das aus im Zentrum des durch die Teilstapel gebildeten Innenbe­ reich sich kreuzend übereinanderliegenden Rahmenstreben auf­ gebaut ist. Im Bereich der Enden dieser Rahmenstreben sind die Teilstapel vorzugsweise äquidistant zum gemeinsamen Zen­ trum gehalten, während das Rahmengestell selbst an Befesti­ gungsteilen innerhalb des Transformators gehalten wird. Das Rahmengestell besteht dabei vorzugsweise ebenfalls aus Preß­ spann.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson­ dere darin, daß durch den Aufbau eines spannungsabhängigen Widerstands aus einer Anzahl von zumindest annähernd ringför­ mig zueinander angeordneten Teilstapeln aus Widerstandsschei­ ben eine besonders effektive Begrenzung von transienten Über­ spannungen, insbesondere von hohen Blitzstoßspannungen, an einer damit beschalteten Wicklung eines Transformators ge­ währleistet ist. Aufgrund der effektiven Schwächung des elek­ trischen Feldes im durch die Teilstapel gebildeten und durch diese begrenzten Innenbereich des spannungsabhängigen Wider­ stands erfolgt dort vorteilhafterweise die Leitungsführung der die Teilstapel mit der jeweiligen Transformatorwicklung verbindenden Leitungen. Dabei kann deren Isolation aufgrund der Feldschwächung besonders gering dimensioniert werden. Dies wirkt sich besonders günstig auf die Fertigung und Hand­ habung der Leitungsführung aus, da diese hinsichtlich erfor­ derlicher Biegungen der Leitungen im Gegensatz zu einer hohen Leitungsisolation bei gleichzeitig kleinem Drahtdurchmesser praktisch unbegrenzt möglich ist. Das die Teilstapel umgeben­ de Barrierensystem kann besonders einfach aufgebaut sein, in dem es je nach Größe der elektrischen Beanspruchung lediglich alle Teilstapel gemeinsam umschließt.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 in einer Draufsicht einen spannungsabhängigen Wider­ stand aus einer Anzahl von ringförmig angeordneten Teilstapeln,

Fig. 2 die Anordnung in einer geschnittenen Seitenansicht entlang der Schnittlinie II-II in Fig. 1, und

Fig. 3 ein Potentiallinienbild des spannungsabhängigen Wi­ derstands in einem Längen-Breiten-Diagramm.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt einen spannungsabhängigen Widerstand 1 aus vier Teilstapeln 2 bis 5 für einen Einphasen-Leistungstransforma­ tor, der mit hoher Blitzstoßspannung geprüft wird. Die Teil­ stapel 2 bis 5 sind symmetrisch und äquidistant zu einem die­ sen gemeinsamen Zentrum oder Mittelpunkt 6 angeordnet und um­ geben den darum gebildeten Innenbereich (Fig. 2) des span­ nungsabhängigen Widerstands 1 etwa ringförmig. Der Mittel­ punkt 6 repräsentiert die Draufsicht auf die Längsachse des spannungsabhängigen Widerstands 1, dessen Teilstapel 2 bis 5 in der Praxis etwa 400 mm aus der Zeichenebene herausragen. Die Teilstapel 2 bis 5 sind an einem Rahmengestell 7 aus Preßspanleisten befestigt, das in nicht näher dargestellter Art und Weise im Mittelpunkt 6 an weiteren Befestigungsteilen des Transformators gehalten wird.

Um jeden Teilstapel 2 bis 5 ist eine Feldstärken- oder Preß­ spanbarriere 8, 9, 10 bzw. 11 angeordnet, deren lediglich bei den Teilstapeln 3 und 5 sichtbaren Längsschlitze 12 jeweils zum Mittelpunkt 6 ausgerichtet sind. Diese Anordnung der Teilstapel 2 bis 5 ist seinerseits von einer weiteren Feld­ stärkenbarriere 13 aus Preßspan ummantelt, die ebenso wie die den jeweiligen Teilstapel 2 bis 5 zugeordneten Barrieren 8 bis 11 zylinderförmig ausgestaltet ist. Die Leitungsführung der die einzelnen Teilstapel 2 bis 5 mit der diesem span­ nungsabhängigen Widerstand 1 zugeordneten Wicklung oder Teil­ wicklung 14 des Transformators verbindenden Leitungen 15,16, 17 bzw. 18 erfolgt im wesentlichen im Innenbereich zwischen dem Mittelpunkt oder der Längsachse 6 und den zu dieser im jeweils gleichen Abstand a angeordneten Teilstapeln 2 bis 5. Der Abstand a jedes Teilstapels 2 bis 5 zum gemeinsamen Mit­ telpunkt 6 ist im Hinblick auf eine möglichst geringe elek­ trische Feldstärke im Innenbereich bei gleichzeitig möglichst geringer Gesamtabmessung des spannungsabhängigen Wider­ stands 1 optimiert. Die einzelnen Teilstapel 2 bis 5 sind über die entsprechenden Leitungen 15 bis 18 einzelnen Windun­ gen oder Gruppen von Windungen der Wicklung 14 parallel ge­ schaltet.

Fig. 2 zeigt den spannungsabhängigen Widerstand 1 in einer Seitenansicht entlang der Schnittlinie II-II in Fig. 1. In ei­ ner dort dargestellten bevorzugten Ausführungsform des span­ nungsabhängigen Widerstands 1 sind die Teilstapel 2 bis 5, von denen hier nur die Teilstapel 2 und 4 sichtbar sind, aus einer Vielzahl von aneinanderliegenden Widerstandsscheiben 20 in Form von sogenannten ZnO-Elementen zusammengesetzt, von denen hier lediglich jeweils vier dargestellt sind. Diese werden mittels Vertikalstreben 21 innerhalb des jeweiligen Teilstapels 2 bis 5 sowie innerhalb des Rahmengestells 7 ge­ halten.

Das Rahmengestell 7 ist seinerseits aus einer Anzahl von im Ausführungsbeispiel vertikal und horizontal verlaufenden Rah­ menstreben 22 bzw. 23 aufgebaut. Dabei sind die horizontal verlaufenden Rahmenstreben 23 im durch die Teilstapel 2 bis 5 gebildeten Zentral- oder Innenbereich 24 sich kreuzend über­ einander angeordnet. Innerhalb des Innenbereichs 24 sind die Leitungen 15 bis 18 durch die von den Rahmenstreben 22, 23 ge­ bildeten Freiräume in etwa vertikaler Richtung nach oben ge­ führt. Dabei verlaufen die Leitungen 15 bis 18 innerhalb des Innenbereiches 24 vorzugsweise paarweise durch zwischen je­ weils zwei Rahmenstreben 22, 23 begrenzte Führungsspalte 25 (Fig. 1).

In Fig. 3 zeigt das Potentiallinienbild des nicht näher darge­ stellten Transformatoraktivteils mit dem aus den vier Teil­ stapeln 2 bis 5 aufgebauten spannungsabhängigen Widerstand 1 mit einer Schrittweite der Äquipotentiallinien 26 von 5% und einer Begrenzung der Anordnung der Teilstapel 2 bis 5 durch einen nur schematisch angedeuteten Kessel 27. Auf der Ab­ szisse und der Ordinate sind Längen- bzw. Breitenangaben in [mm] abgetragen. Die Teilstapel 2 bis 5 sind ohne Abschirmung und ohne Barrieren 8 bis 11 und 13 dargestellt.

Bei dem dargestellten Potentiallinienbild ist die Potential­ verteilung beispielhaft für die Teilstapel 2 und 3 mit 100% der Blitzstoßspannung, für die Teilstapel 4 und 5 mit 84% der Blitzstoßspannung sowie für den Kessel 27 mit 0% der Blitzstoßspannung festgelegt worden. Die Potentiale der Lei­ tungsführung innerhalb des spannungsabhängigen Widerstands 1 sind dabei nicht berücksichtigt. Das Potentiallinienbild zeigt anhand der Dichte der Äquipotentiallinien 26 deutlich die erhebliche Feldschwächung im Innenbereich 24 zwischen den zum Mittelpunkt 6 äquidistant angeordneten Teilstapeln 2 bis 5. Dort sind praktisch keine Äquipotentiallinien 26 und somit lediglich eine geringe elektrische Feldstärke vorhanden. Da­ her eignet sich dieser Bereich 24 besonders vorteilhaft zur Führung der Leitungen 15 bis 18, die dort eine nur gering di­ mensionierte Isolierung benötigen.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Begrenzung von Überspannungen, insbeson­ dere von Blitzstoßspannungen, an einer Transformatorwicklung, mit einem zumindest einer Teilwicklung (14) parallel geschal­ teten spannungsabhängigen Widerstand (1), dadurch gekennzeichnet, daß der span­ nungsabhängige Widerstand (1) aus einer Anzahl von aus anein­ anderliegenden Widerstandsscheiben (20) aufgebauten Teilsta­ peln (2 bis 5) gebildet ist, die zumindest annähernd ringför­ mig angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Teilstapel (2 bis 5) größer oder gleich drei ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Teil­ stapel (2 bis 5) aus mindestens zwei ZnO-Elementen als Wider­ standsscheiben (20) aufgebaut ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Teil­ stapel (2 bis 5) von einer Barriere (8 bis 11) konzentrisch umgeben ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine die Teilsta­ pel (2 bis 5) gemeinsam umschließende Barriere (13)

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bar­ riere (8 bis 11, 13) aus Preßspan besteht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilsta­ pel (2 bis 5) in einem Rahmengestell (7) mit im Zentrum (6) des durch die Teilstapel (2 bis 5) gebildeten Innenbereichs (24) sich kreuzend übereinanderliegenden Rahmenstre­ ben (22,23) angeordnet sind, an denen die Teilstapel (2 bis 5) mit zumindest annähernd gleichem Abstand (a) zum Zen­ trum (6) gehalten sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rahmen­ gestell (7) aus Preßspan besteht.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die den Teilstapel (2 bis 5) umgebende Barriere (8 bis 11) einen auf das Zentrum (6) hin gerichteten Längsschlitz (12) aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß den oder je­ den Teilstapel (2 bis 5) mit der Transformatorwicklung (14) verbindende Leitungen (15 bis 18) im durch die Teilstapel (2 bis 5) gebildeten Innenbereich (24) geführt sind.