DE19824606C2 - Vorrichtung zur Begrenzung von Überspannungen für Transformatoren - Google Patents

Description

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. Die spannungsabhängigen Widerstände erzwingen eine Dämpfung der von Spannungsimpulsen angeregten Schwingungen in den nachgeschalteten Wicklungsteilen und zusätzlich eine Spannunsbegrenzung in der jeweiligen Teilwicklung.

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 weiteres Problem dar. So sind insbesondere bei be­ engten Einbauverhältnissen zusätzliche Abschirmmaßnahmen erforderlich. Im allgemeinen führt z. B. eine sogenannte Topfelektrode mit großer Papierisolation oder ein um den Einzelstapel angeordnetes aufwendiges Barrierensystem sowie eine erhöhte Isolation der Leitungsführung jedes spannungsab­ hängigen Widerstands zu einer ausführbaren Lösung. Diese Zusatzmaßnahmen stellen einen erheblichen und daher uner­ wünschten Aufwand dar.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Begrenzung von Überspannungen, insbesondere von Blitzstoßspannungen, an einer Transformatorwicklung mit mehreren in Serie geschalte­ ten Teilwicklungen, wobei spannungsabhängige Wider­ stände vorgesehen sind, die jeweils einer Teilwicklung paral­ lel geschaltet sind.

Eine solche Vorrichtung ist in der EP 0 163 907 A1 schema­ tisch dargestellt. Die bekannte Vorrichtung weist eine als Hochspannungswicklung ausgebildete Transformatorwicklung mit mehreren in Serie geschalteten Teilwicklungen auf. Zur Ablei­ tung von Überspannungen ist einigen der Teilwicklungen je­ weils ein Überspannungsableiter elektrisch parallelgeschal­ tet. Die jeweilige konstruktive Ausgestaltung und die bauli­ che Anordnung der Überspannungsableiter ist dort nicht ent­ nehmbar.

Aus dem DE-GM 92 17 133 ist ein Überspannungsableiter be­ kannt, der mehrere, aus einzelnen Widerstandselementen gebil­ dete Teilstapel aufweist, die nebeneinander und äquidistant zu einem gemeinsamen Zentrum angeordnet sind. Die Teilstapel sind einander elektrisch parallelgeschaltet, um ein erhöhtes Energieaufnahmevermögen und geringe Restspannungswerte des Überspannungsableiters zu erreichen.

Aus der DE 33 26 951 A1 ist ein gasisolierter Überspannungs­ ableiter bekannt, der zumindest zwei Ableitwiderstände inner­ halb eines mit Isoliergas aufgefüllten Gehäuses aufweist. Beide Ableiterwiderstände sind an einem Ende mit Erdpotential und miteinander verbunden. An ihrem jeweiligen anderen Ende sind die Ableitwiderstände jeweils mit einem Hochspannungs­ leiter verbindbar.

Aus der EP 0 383 988 B1 ist es darüber hinaus bekannt, für eine Hochspannungsdurchführung eines ölgekühlten Transforma­ tors ein Dämpfungsglied mit einer Drosselspule und einem die­ ser parallelgeschalteten Festwiderstand vorzusehen, der aus aneinanderliegenden Widerstandsscheiben besteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die eine hohe Span­ nungsfestigkeit bei vergleichsweise geringerem Isolationsauf­ wand aufweist.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zur Begrenzung von Überspannungen der eingangs genannten Art gelöst, bei der er­ findungsgemäß jeder der spannungsabhängigen Widerstände außerhalb der Tansformatorwicklung liegt und jeweils aus einem Teilstapel von aufeinander liegenden Widerstandsschei­ ben besteht, und bei der mindestens drei Teilstapel vorgese­ hen sind, die nebeneinander um ein gemeinsames Zentrum nahezu äquidistant unter Bildung eines Innenbereichs angeordnet sind, und daß die Teilstapel mit den Teilwicklungen verbin­ dende Leitungen sind durch den Innenbereich geführt sind.

Durch eine derartige Anordnung wird im durch die Teilstapel gebildeten und begrenzten Innenbereich zwischen den span­ nungsabhängigen Widerständen eine Schwächung des elektrischen Feldes erzielt, so daß dieser Bereich zumindest annähernd feldfrei ist. Daher erfolgt dort vorteilhafterweise die Leitungsführung der die Teilstapel mit der jeweiligen Teil­ wicklung verbindenden Leitungen. Dabei kann deren Isolation im Innenbereich aufgrund der Feldschwächung besonders gering dimensioniert werden, so daß bei vergleichsweise geringerem Isolationsaufwand eine hohe Spannungsfestigkeit gegeben ist. Dies wirkt sich auch besonders günstig auf die Fertigung und Handhabung erforderlicher Biegungen der Leitungen aus, die bei einer starken Leitungsisolation schwierig 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 kreuzenden, quer zu dessen Längsachsen verlaufenden Verbindungslinien äquidistant gegenüberliegen. Dabei weisen die Teilstapel einen Abstand zueinander auf, der im Innenbe­ reich eine möglichst effektive elektrische Feldschwächung ge­ währleistet.

Jeder Teilstapel ist aus mindestens zwei ZnO-Elementen als Widerstandsscheiben aufgebaut. Bei einem Dreiphasen-Trans­ formator ist ein derartiger spannungsabhängiger Widerstand für jede Phase vorgesehen, wobei die entsprechenden Stapelan­ ordnungen voneinander getrennt aufzustellen sind.

In zweckmäßiger Weiterbildung ist jeder Teilstapel von einer Einzelbarriere konzentrisch umgeben. Die Einzelbarriere ist vorzugsweise ein im Querschnitt kreisförmiger Preßspanmantel, der den jeweiligen Teilstapel koaxial umgibt.

Bevorzugt weisen die Einzelbarrieren der Teilstapel einen auf das Zentrum hin gerichteten Längsschlitz auf. Die Halterung erfolgt am jeweiligen Teilstapel und/oder innerhalb der Gesamtanordnung des spannungsabhängigen Widerstands. Die Barriere begrenzt die elektrische Feldstärke im als Kühlmit­ tel für die Transformatorwicklungen vorgesehenen Öl im Ringraum zwischen dem Preßspanmantel und dem Teilstapel auf einen zulässigen Wert.

Zusätzlich oder alternativ kann eine mehrere oder alle Teil­ stapel gemeinsam umschließende Gemeinschaftsbarriere vorge­ sehen sein.

Vorzugsweise besteht die Barriere oder bestehen die Barrieren aus Preßspan.

Zur Positionierung und Fixierung sind die Teilstapel in einem Rahmengestell mit im Innenbereich sich kreuzend übereinander­ liegenden Rahmenstreben angeordnet, an denen die Teilsta­ pel gehalten sind. Im Bereich der Enden dieser Rahmenstreben sind die Teilstapel vorzugsweise äquidistant zum gemeinsamen Zentrum gehalten, während das Rahmengestell selbst an Befes­ tigungsteilen innerhalb des Transformators gehalten wird. Das Rahmengestell besteht dabei vorzugsweise ebenfalls aus Preß­ spann.

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 vier als Teilstapel 2 bis 5 ausgeführte, aus auf­ einanderliegenden Widerstandsscheiben 20 spannungsabhängige Widerstände für einen Einphasen-Leistungstransformator, der mit hoher Blitzstoßspannung geprüft wird. Die Teilstapel 2 bis 5 sind symmetrisch und äquidistant zu einem diesen ge­ meinsamen Zentrum oder Mittelpunkt 6 angeordnet und umgeben den darum gebildeten Innenbereich 24 (Fig. 2) des spannungs­ abhängigen Widerstands 1 etwa ringförmig. Der Mittelpunkt 6 repräsentiert die Draufsicht auf die Längsachse des span­ nungsabhängigen 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 Einzelbarriere 8, 9, 10 bzw. 11 aus Preßspan angeordnet, deren lediglich bei den Teilstapeln 3 und 5 sichtbaren Längsschlitze 12 jeweils zum Mittelpunkt 6 ausge­ richtet sind. Diese Anordnung der Teilstapel 2 bis 5 ist seinerseits von einer weiteren Gemeinschaftsbarriere 13 aus Preßspan ummantelt, die ebenso wie die den jeweiligen Teil­ stapel 2 bis 5 zugeordneten Einzelbarrieren 8 bis 11 zylin­ derförmig ausgestaltet ist. Die Leitungsführung der die ein­ zelnen Teilstapel 2 bis 5 mit der diesem spannungsabhängigen Widerstand 1 zugeordneten Wicklung oder Teilwicklung 14 des Transformators verbindenden Leitungen 15, 16, 17 bzw. 18 er­ folgt im wesentlichen im Innenbereich 24 zwischen dem Mit­ telpunkt 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 Mittel­ punkt 6 ist im Hinblick auf eine möglichst geringe elektri­ sche 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 (8)

1. Vorrichtung zur Begrenzung von Überspannungen, insbeson­ dere von Blitzstoßspannungen, an einer Transformatorwick­ lung (14) mit mehreren in Serie geschalteten Teilwicklungen, wobei spannungsabhängige Widerstände vorgesehen sind, die jeweils einer Teilwicklung parallel geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der spannungsabhängigen Widerstände außerhalb der Tansformator­ wicklung liegt und jeweils aus einem Teilstapel (2 bis 5) von aufeinander liegenden Widerstandsscheiben (20) besteht, und daß mindestens drei Teilstapel (2 bis 5) vorgesehen sind, die nebeneinander um ein gemeinsames Zentrum nahezu äquidistant unter Bildung eines Innenbereichs (24) angeordnet sind, und daß die Teilstapel (2 bis 5) mit den Teilwicklungen verbin­ dende Leitungen (15 bis 18) durch den Innenbereich (24) ge­ führt sind.

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

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

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einzel­ barriere (8 bis 11) einen auf das Zentrum (6) hin gerichteten Längsschlitz (12) aufweist.

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

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Barrie­ ren (8 bis 11, 13) aus Preßspan bestehen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilsta­ pel (2 bis 5) in einem Rahmengestell (7) mit im Innenbereich (24) sich kreuzend übereinanderliegenden Rahmenstre­ ben (22, 23) angeordnet sind, an denen die Teilstapel (2 bis 5) gehalten sind.

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