DE2002192B2

DE2002192B2 - Transformator, drosselspule oder dgl. induktionsgeraete fuer hohe betriebsspannung

Info

Publication number: DE2002192B2
Application number: DE19702002192
Authority: DE
Inventors: John G. Winchester Middlesex; Skillicorn Brian Topsfield Essex; Johnson Byron L. Chelmsford Middlesex; Mass. Trump (V.StA.)
Original assignee: High Voltage Engineering Corp
Current assignee: High Voltage Engineering Corp
Priority date: 1969-06-02
Filing date: 1970-01-19
Publication date: 1972-05-18
Also published as: DE2002192A1; US3593243A

Description

Die Erfindung betrifft einen Transformator, eine Drosselspule oder dergleichen Induktionsgeräte für hohe Betriebsspannung mit miic'estens einem in einzelne, gegeneinander durch Isolationsschichten isolierte, axial übereinanderliegende Kernabschnitte unterteilte Kernschenkel, dessen Enden mit einem magnetischen Rückschluß verbunden sind und um den eine entsprechend den Kernabschnitten in Teilspulen unterteilte Wicklung angeordnet ist, wobei die Kernabschnitte mit den sie umgebenden Wicklungsteilen leitend verbunden sind und die Isolationsschichten zwischen den Kernabschnitten gleichzeitig die den Kernabschnitten zugeordneten Teilspulen gegen deren benachbarte Teilspulen isolieren und die Isolationsschichten beidseitig mit Metallbelägen versehen sind, die mit den benachbarten Kern- und Wicklungsabschnitlen leitend verbunden sind.

Im Zuge der zunehmenden Elektrifizierung und der damit verbundenen Notwendigkeit, höhere Leistungen vom Kraftwerk zum Verbraucher zu transportieren, hat man die Ubertragungsspannungen immer weiter erhöht. Damit hat sich auch die Spannungsbclastung der Induktionsgeräte, welche der Energieübertragung dienen, entsprechend vergrößert. Durch Verstärkung der Isolation hat man zunächst dieser höheren Belastung Rechnung getragen, jedoch sind hier aus räumlichen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten Grenzen gesetzt. Hinzu kommt, daß die mechanischen Kräfte beim Auftreten von Kurzschlüssen, Spannungsimpulsen, Schaltüberspannungen UiW. mit der Erhöhung der Betriebsspannung sehr erhebliche Ausmaße annehmen, die bei konventioneller Bauweise schwierig zu beherrschen sind.

Für sehr hohe Spannungen sind nun Transformatoren bekanntgeworden (schweizerische Patentschrift 199 897 und deutsche Patentschrift 592 876), bei

denen man die Kernschenkel in eine Anzahl von durch eingefügte Isolierschichten getrennte Kernabschnitte unterteilt hat, die mit den entsprechenden Teilspulen der ebenfalls unterteilten Wicklungen elektrisch verbunden sind. Die einzelnen Kernabschnitte unterscheiden sich in ihren Potentialen entsprechend dem Potentialverlauf längs der unterteilten Wicklungen. Die Isolierschichten zwischen den einzelnen Kernabschnitten erstrecken sich gleichzeitig z-vischen die Teilspulen und isolieren auch diese gegeneinander. Auf diese Weise erhält man eine günstigere Spannungsverteilung längs der Wicklung und eine geringere Spannungsbeanspruchung zwischen Kern und Wicklung. Für Impulsspannungen und Überspannungen ergibt sich ferner eine bessere kapazitive Aufteilung, Zur Herabsetzung kapazitiver Wirkungen zwischen den Teilspulen sind bei der erwähnten schweizerischen Patentschrift auf die Isolierschichten beiderseitig Metallfaden aufgebracht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der weiteren Verbesserung dieser Geräte hinsichtlich der Steuerung tier elektrischen Feld\'erteilung, der Baugröße kritischei Isolationsstellen und der Wärme- und Geräuschentwicklung, so daß sie für noch höhere Spannungen brauchbar werden. Bei einer Erhöhung der angelegten Spannung treten nämlich an den Ecken der Kernabschnitte sehr hohe elektrische Belastungen auf, welche dann zu einem Isolationsdurchbruch führen können. Selbst wenn man die Isolation dick genug macht, so daß sie die sehr hohe Spannung aushält, ändert sich der magnetische Widerstand im magnetischen Kreis so, daß alle die durch die Trennung des Kerns in einzelne Abschnitte hauptsächlich erreichten Vorteile zunichte werden. Wenn weiterhin die Metallfolie auf beiden Seiten der Isolationsschicht zu einer Erhöhung von kapazitiven Wirkungen zwischen den Windungen beiträgt, so kann sie insofern zu einer Zerstörung des Gerätes beitragen, als sie nicht in der Lage ist, ein Übermaß an Wirbelstroinverlusten zu verhindern und das elektrostatische Potential gleichförmig über die Oberfläche der Isolation zu verteilen. Die dadurch entstehende Erwärmung würde bald zu einer thermischen Zersiörung des Gerätes führen. Die üblichen bekannten Geräte lassen sich schließlich nicht auf die hier in Betracht kommenden hohen Spannungen umkonstruieren. sondern dabei ergeben sich schwierige ungelöste Probtemc hinsichtlich der Steuerung der elektrischen Feklverteilung, der Baugröße kritischer Isolationsslellen und der Wärme- und Geräuschentwicklung.

Diese Aufgabe wird bei einem Transformator, einer Drosselspule oder dergleichen Induktionsgeräte für hohe Betriebsspannung mit mindestens einem in einzelne, gegeneinander durch Isolationsschichten isolierte, axial übereinanderlicgende Kernabschnitte unterteilte Kernschenkel, dessen Enden mit einem magnetischen Rückschluß verbunden sind und um den eine entsprechend den Kernabschnttten in Teilspulen unterteilte Wicklung angeordnet ist, wobei die Kernabschnitte mit den sie umgebenden Wicklungsteilen leitend verbunden sind und die Isolationsschichten zwischen den Kernabschnitten gleichzeitig die den Kernabschnitten zugeordneten Teilspulen gegen den benachbarten Teilspulen isolieren und die isolationsschichte'"i beidseitig mit Metallbelägen versehen sind, die mit den benachbarten Kern- und Wicklungsabschnitten leitend verbunden sind, crfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei den Isolationsschichten jeweils zwei isolierende Außenschichten mit einer dazwischenliegenden leitenden Innenschuh! und die beidseitig auf den isolierenden Außenschichten aufgebrachten Metallbeläge durch zusätzliche Isolierschichten gegen die angrenzenden Kernabschnitte isoliert sind, daß ferner bei den den Kernabschnitten zugeordneten Teilspulen die auf mittlerem Spulenpotential liegenden Innenleiter leitend mil dem dazugehörigen Kernabschnitt sowie mit den beiden diesen benachbarten Metallbelägen verbunden sind und daß die außenliegenden Eingangs- bzw. Ausgangsleiter der betreffenden Teilspule außer mil den entsprechenden Eingangs- bzw. Ausgangsleitern der zu den benachbarten Kernabschnitten gehörenden Teilspulen noch jeweils mit der leitenden Innenschicht der beiden Isolationsschichten des betreffender. Kernabschnittes leitend verbunden sind.

Hierdurch wird die V. >Wendung noch höherer Spannungen möglich. Außerdem wird der elektrische und volumetrische Wirkungsgrad verbessert. Bis zur vorliegenden Erfindung stellten sich dem Bau von Höchstspannungsinduktivitäten immer größere Schwierigkeiten in den Weg, und die Isolationsfestigkeit, die Zuverlässigkeit, die Freiheit von Koronaerscheinungen und Funkstörungen waren immei schwieriger beherrschbar. Die Erfindung schafft nun die Voraussetzungen zum Bau von Induktivitäten, bei denen diese Probleme selbst bei noch höheren Spannungen, wie sie in fernerer Zukunft verwende! werden dürften, leichter beherrschbar werden. E; wird nicht nur eine ausgezeichnete Verteilung und Beherrschung der Wechselspannungsbetriebspotentiale, sondern auch eine besonders gute Impulsübertragung erreicht. Ferner lassen sich die Wicklungen kompakter und mit weniger Windungen und relativ wenig Streuflußverlusten ausbilden. Wegen der verringerten elektrischen Belastung lassen sich auch die akustischen Betriebserscheinungen besser beherrschen. Auch eine Sättigung der Elemente des magnetischen Kerns läßt sich vermeiden, und man erhält eine konstante Reaktanz über den gesamten Spannungsbereich, so daß das Auftreten von Harmonischen im Strom der Induktivität verhindert wird, Weiterhin lassen sich die Funkstörungen klein halten, weil die Verteilung der elektrischen Beanspruchung infolge der Erfindung sauber beherrscht wird und sich sämtliche Teile der elektrischen Anlage unterhalb der Koronaspannungen halten lassen. Darübei hinaus läßt sich bei dem erfindungsgemäßen Aufbat der magnetische Rückschluß auf Massepotentia' halten, so daß die Probleme der Isolaiion und dei mechanischen Halterung sich vereinfachen.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Darstellungen von Ausführungsbcispielen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen schematischen Schnitt, durch einer gemäß der Erfindung aufgebauten Transformator,

F i g. 2 eine Detailansicht det Transformatorspulet und Kerne zusammen mit Isolierscheiben,

Fig. 3A und 3B Schnitte durch verschieden ge formte Isolierscheiben,

F i g. 4 eine teilweise aufgebrochene Darstelluni einer Drossel,

Fig. 5 einen Teilschnitt durch die Drossel nacl Fig. 4,

F t g. 6 ein weiteres Detail der Drossel nach F i g. 4

Fig. 7 ein für die Verwendung bei der Erfinduni geeignetes Verdrahtungsschema,

Fig. 8 die Verbindungen des Schemas nach Fig. 7 im Detail.

Fig. 9 ein weiteres Verdrahtungsschema,

Fig. 10 die Verbindungen des Verdrahtungsschemas nach Fig. 9 im Detail,

Fig. 11 eine mögliche Abwandlung des bei der Erfindung verwendeten Äquipotentialbiigels,

rig. 12 eine aufgebrochene Ansicht einer nach der Erfindung aufgebauten Spule,

Fig. 13a eine Detailansicht von drei Kernelementen der Spule nach Fig. 12 mit den umgebenden Wicklungsabschnitten,

Fig. 1.1b ein Diagramm des Potentialabfalls durch die jedes Kernelement umgebende Spule und

Fig. 14 eine andere geometrische Form der Isolationsschicht, welche sich günstig bei der Spule nach Fig. 12 verwenden läßt.

An Hand von Fig. 1 sei eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben, die einen abwärts transformierenden Einphasen-Autotransformator darstellt, der einer Phase eines dreiphasig geschalteten Systems entspricht und außerordentlich hohe Spannungen verarbeiten kann. In dieser Figur umfaßt der magnetische Kreis 30 ein Paar magnetische Rückschlüsse 31 und 32, die ein Paar in Abschnitte unterteilter Schenkel 33 und 34 verbinden, welche durch je einen Stapel mittels Isolierscheiben 36 elektrisch voneinander isolierter Magnetkernabschnitte 35 und 38 gebildet werden.

Jeder Schenkel ist von einem Paar stromführender Wicklungen umgeben. Der dargestellte Autotransformator besteht aus vier in Reihe geschalteten Wicklungen 41. 42, 43 und 44 und vier gemeinsamen Wicklungen 45. 46. 47 und 48. Die Reihenwicklungen 41 und 42 und die gemeinsamen Wicklungen 45 und 46 sind auf dem unterteilten Schenkel 34 angeordnet, während die übrigen Wicklungen auf dem anderer, unterteilten Schenkel 33 angeordnet sind. Jede Wicklung besteht aus mehreren stromführenden Spulen 37. die einen Kernabschnitt 35 umgeben und elektrisch mit ihm verbunden sind.

Zur Trennung der Reihenwicklungen und als Mittel zur Zuführung der Hochspannung zu ihnen ist in jedem unterteilten Schenkel ein Mittelkern 38 ohne Spule vorgesehen. Die Hochspannung wird den vier parallel angeordneten Serienwicklungen und den Kernen 38 mittels eines Hochspannungsleiters 39 zugeführt, der mit einer nicht dargestellten Wechselstromquelle verbunden ist.

Die Ausgangshochspannungsanzapfung 40 ist an den Verbindungspunkt der Reihenwicklungen mit den gemeinsamen Wicklungen angeschlossen. Der andere Leiter von jeder der gemeinsamen Wicklungen ist seinerseits mit dem ihm benachbarten magnetischen Rückschluß 31 oder 32 und Erde verbunden.

Jede Spule ist. wie Fig. 2 zeigt, um ihren zugehörigen Kernabschnitt gewickelt. Die Spulen können in zwei Teilen 57 und 58 aus spiralig aufgewickelten isolierten leitenden Streifen gewickelt sein. Bei der dargestellten Ausführungsform ist eine Spulenhälfte 57 in eine Richtung gewickelt, während die andere Snulenhälfte 58 in der entgegengesetzten Richtung gewickelt ist. Die beiden Häfften sind dann elektrisch miteinander und mit dem benachbarten Kernabschnitt durch einen Leiter 59 verbunden. Nebeneinander befindliche Spulen werden durch eine geeignete Verbindung 60 zur Bildung c'er Gesamtwicklung mit- ?inander verbunden.

Zwischen benachbarten Spulen-Kern-Paaren isi eine isolierscheibe 36 zur elektrischen isolierung und zur Isolierung jedes Spulenkernpaare; von dem benachbarten Spulenkernpaar vorgesehen Zwischen je zwei Spulenhälften befindet sich eine weitere Isolierscheibe 61, an der ein Träger 62 zut Halterung eines Äquipotentialrings 63 um die Spulen befestigt ist. Die Scheiben und auch der Träger 62 können aus einem geeigneten Isoliermaterial bestehen.

ίο Ein solches Material ist beispielsweise laminiertes, harzgetränktes Papier, ein anderes ein Polyäthylen mit Kreuzbindungen. Zur Verhinderung des Auftretens starker elektrischer Beanspruchungen der Scheiben 61 und ihrer Beschädigung infolge von

is Unregelmäßigkeiten in den Spulen kann vorzugsweise ein halbelastisches Spulenabstandsstück 65 um jedes Spulenpaar 57, 58 angepaßt werden.

Wie bereits angedeutet, liegen die meisten Schwierigkeiten beim Versuch, nach herkömmlichen Prinziao pien zuverlässige Transformatoren für sehr hohe Spannungen zu bauen, in der Notwendigkeit der Trennung und Isolierung der Hochspannungswicklung vcn dem geerdeten Eisenkern, durch welchen der magnetische Arbeitsfluß fließt.

Die Aufteilung und elektrische Isolierung jedes Kernabschnittes von seinen Nachbarabschnitten löst das Spannungsisolierungsproblem. weil jeder Kernabschnitt und die ihn umgeberde Spule das gleiche Potential hat und zwischen ihnen keine Schwierickeiten hinsichtlich der Isolationsfestigkeit auftreten. Auf diese Weise wird die NotwendigkeT großer Zwischenräume und starker Isolierungen zwischen Spulen und Kern vermieden. Zusätzliche Isolierung im Spalt vergrößert jedoch den magnetischen Widerstand des magnetischen Kreises, so daß ein höherer Magnetisierungsstrom und höhere Leistung erforderlich wird und gleichzeitig der magnetische StreiifluR vergrößert wird. Ein größerer magnetischer Streufluß vergrößert jedoch den induktiven Spannungsabfal¹ unter Last.

Der induktive Spannungsabfall läßt sich verringern. wenn man auf jedem Schenkel zwei vollständige Wicklungen parallel angeordnet, ^i daß Hei eiivi .ν gebenen Gesamtausgangsleistung pro Schenkel der Laststrom pro Wicklung halbiert ist. Mit dieser in Fig. 1 gezeigten Anordnung wird der höchste «pannungspegel am Mittelpunkt jedes Schenkels erreicht, und nur ein '»ehr kleiner Teil des scvimi:n magnetischen Kreises liegt auf diesem Potential. Obgleicii diese Anordnung das aktive Gewicht jeep's Transformatorschenkels etwa verdoppelt, haben Untersuchungen gezeigt, daß die Gesamiausnutzung des Kernes tatsächlich verbessert wird, weil ein größerer Teil des Kemes tatsächlich für die Wicklungen ausgenutzt wird. Weiterhin liegt jeder magnetische Rückschluß nun auf Erdpotential und kann wirtschaftlicher und zweckmäßiger konstruiert und gehalten werden. Der erfindungsgemäße Aufbau von isoliertem Kern und Wicklungen hat noch weitere bedeutende Voneile. Dieses Reihenkapazitätssystem sorgt für eine bessere Verteilung von Überspannungen auf Kern und Wicklungen. Die verbesserte Überspannungsverteilung ergibt sich, weil die isolierte, unterteilte Spulenkernanordnung eine Reihenschaltung großer Kapazitäten fast der gleichen Werte bildet. Es ist zweckmäßig, erstmals dieses Reihenkapazitätssystem so auszulegen, daß Schaltüberspannungen fast völlig gleichmäßig über den gesamten Stapel

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Verteilt werden. Bei Anwendung der Erfindung läßt nicht allein die Herstellungskosten, sondern auch die

lieh daher erwarten, daß ein höheres Grundisolations- elektrischen Verluste und das unvermeidliche magne-

ftiveau und verbesserte Isolationsfestigkeit erreichbar tostriktive Brummen. Der Wirkungsgrad wird so weit

lind. verbessert, daß die elektrischen Verluste nur etwa

Durch die Erreichung einer größeren Gleichmäßig- 5 die Hälfte wie bei bekannten Induktivitäten betragen,

leif Jer elektrischen Beanspruchung im Normalfall Die durch die Erfindung ermöglichte neue Bauform

•nd bei Überspannungen lassen sich die Geräte so erlaubt weiterhin das Auftreten starker Kompressions-

iuslegen, daß im Betrieb noch keine Koronaerschei- kräfte in Richtung des induzierten Magnetfeldes, so

•ungen auftreten, so daß Funkstörufigen verhindert daß die mechanische Stabilität des Aufbaus verbes-

Werden. Vorzugsweise hat jede Spule, Kern und Iso- io sert und die Betriebsgeräuschentwicklung verringert

htor mechanisch und physikalisch die gleiche Form wird.

•nd Funktion wie jede andere Spule, Kern und Iso- Weiterhin wird der magnetische Streufluß verhtor. Die ausschließliche Herstellung von lauter ringen, und es ergibt sich eine verbesserte und gleichfleichen Untereinheiten verringert die Herstellungs- mäßige Spannungsverteilung unerwünschter überlosten und ermöglicht eine bessere Qualität. 15 spannungen oder Impulse, indem örtliche Bereiche

Vorzugsweise wird der Isolator 36 in Form einer hoher Spannungsbeanspruchung vermieden werden. Scheibe mil einer Kriechwege verhindernden Aus- Diese Vorteile werden dadurch erreicht, daß die Inidung an ihrem äußeren Umfang gegossen. Zwei Induktivität ein Paar paralleler Wicklungen um einen derartige Ausbildungen sind im Schnitt in den magnetischen Kreis aufweist, der ein Paar magnete g. 3 A und 3 B dargestellt. Die Scheibe nach ao tische Rückschlüsse umfaßt, die durch isolierende f i g. 3 A ist als ebene Scheibe aus Isoliermaterial 70 magnetische Kernschenkel miteinander gekoppelt •usgebildet, die einen sich nach außen erweiternden sind und die Windungen zur Erzielung einer systelland 71 hat und auf beiden Seiten mit einer dünnen manschen und gesteuerten Verteilung aufgeprägter leitenden Schicht 72 eines Materials von mittlerem Spannungen längs der Schenkel elektrisch und zu-Ipezifischem Widerstand überzogen ist. Typischer- as nehmend an die isolierten Kernschenkel koppeln,
iveise beträgt der spezifische Widerstand dieser Eine derartig aufgebaute Drossel (Fig. 4, 5. 6) Schicht 5 bis 50 kOhm mm*/m, so daß keine über- enthält einen magnetischen Kreis, der aus einem til.igen Wirbelströme in dieser Schicht auftreten. Paar lamellierter magnetischer Rückschlüsse besteht, Über den sich verbreiternden Rand 71 und die Enden die über ein Paar isolierter Kernschenkel 102 und 4er Überzüge 72 ist dann nach Art einer Schmelz- 30 103 miteinander verbunden sind. Jeder isolierte |>erle ein Rand 73 geschmolzen. Kernschenkel enthält mehrere Kernabschnitte 104,

Die Ausführungsform nach F i g. 3 B besteht eben- die durch Scheiben 106 und Abstandsstücke 107

falls aus einer ebenen Scheibe aus Isoliermaterial. elektrisch voneinander isoliert sind. Auch bei dieser

Jedoch weist der sich erweiternde Rand 76 um seine Drossel kann jeder Kernabschnitt 104 an sämtlichen

Peripherie eine Mehrzahl von Wellungen 78 auf, so 35 Kaiucn mit einem Rogowski-Profil ausgebildet sein,

€aß die Oberfläche des sich erweiternden Randes ein so daß eine Sättigung des Kerns vermieden wird und

Zickzackmuster zeigt und auf diese Weise die elek- die Drossel mit einer maximalen Flußdichtc be-

Irische Weglänge zwischen beiden Seiten der Scheibe trieben werden kann.

vergrößert. Diese Scheibe wird dann mit einem Mate- Außer dem mittleren Kern 104 A jedes Schenkels

rial 72 hohen spezifischen Widerstands überzogen. 40 ist jeder Kern 104 von einer stromführenden Spule

Dieser glatte leitende Überzug 72, der sich in 108 umgeben. Diese Spulen sind elektrisch mitein-

engem Kontakt zu dem festen Dielektrikum befindet. ander und mit dem Kernabschnitt, den sie umgeben,

bildet eine Grenze für das elektrische Feld und ver- verbunden. Jedes Spulen-Kern-Paar ist elektrisch von

lindert auf diese Weise, daß Unregelmäßigkeiten der den benachbarten Spulen-Kern-Paaren durch Schei-

Lamellierung des Kernes Punkte besonders großer 45 ben 106 und Abstandsstücke 107 isoliert. Die Schei-

tlektrischer Beanspruchung bilden. Der leitende ben und Abstandsstücke dienen ferner der Anord-

Überzug ist so ausgebildet, daß er das elektrostatische nung der Kerne und Spulen in seitlicher Richtung.

Potential gleichförmig über die gesamte Oberfläche Die Scheiben und Abstandsstücke können aus einem

des Isolators 36 verteilt, wobei die elektrische Bean- geeigneten Isoliermaterial, beispielsweise aus lamel-

♦pruchung an den Kanten gesteuert wird. 50 lierten mit Epoxyharz getränkten Papiererzeugnissen

Unter bestimmten Umständen kann es zweckmäßig oder Preßpappe bestehen. Jede Scheibe 106 k nn Sein, daß der Isolator 36 aus zwei Teilen besteht. ihrerseits von einem Äquipotentialbügel 110 um-Ein Teil wäre dann eine zentrale Scheibe, wie sie in geben sein, der bei geeigneter elektrischer Verbindung den Fig. 3A und 3B dargestellt ist. Die Kernab- mit den Spulen und Kernen auf beiden Seiten zu schnitte würden an diesen Teil anstoßen. Der andere 55 einer Verteilung von Überspannungen oder Span-Teil wäre ein zu dieser Scheibe konzentrische Ring, nungsimpulsen über die Drossel beiträgt,
der die Spulen gegeneinander isolieren würde. Dieser Wie bereits erwähnt, ist jede Spule 108 elektrisch Ring hätte ebenfalls einen Querschnitt, wie ihn die nicht nur mit jeder benachbarten Spule, sondern auch Fig. 3 A oder 3 B zeigen. Die Aufteilung des Isola- mit ihrem zugehörigen Kern 103 verbunden. Da diese tors 36 hätte den Vorteil, daß die Kerne und Spulen 60 Verbindungen Reihenschaltungen, Reihen-Paralleldinabhängig voneinander bewegbar wären, so daß Schaltungen oder Parallelschaltungen sein können, der Aufbau flexibler wäre. sei im folgenden an Hand der Fig. 7 bis 11 eine

Durch die Erfindung wird insbesondere das Iso- kurze Erläuterung gegeben. Die Fig. 7 und 8 zeigen

lationsproblem gelöst, namentlich wenn ein Gerät die Spulen 108 auf jeder Scheibe in elektrischer Ver-

für sehr hohe Spannungsbelastung gebaut werden 65 bindung mit den Nachbarspulen, so daß auf jedem

soll, während gleichzeitig der Betrieb mit hoher Isolierkern zwei parallele Wicklungen gebildet wer-

Flußdichte B eine Verringerung von Gewicht und den, die insgesamt vier parallele Wicklungen ergeben.

Baugröße erlaubt. Die geringere Baugröße verringert Die Hochspannung wird im mittleren Punkt dieser

Kombination über einen Leiter 109 zugeführt. Durch diese Zuführung zur Mitte des Aufbaus, bei der jede Spule mit ihrem benachbarten Kern gemäß Fig. 8 Verbunden ist, während jeder Kemabschnht vom benachbarten Abschnitt im Stapel isoliert ist, kann das Rahmenjoch weggelassen werden, da der magnetische Fluß auf die magnetischen Rückschlüsse 100 Mnd 101 und die isolierenden Schenkelkerne 102 und 103 begrenzt ist. Durch Weglassen des Joches und durch Verbindung der Spulen mit den Kernen werden die Isolationsprobleme, die bei bekannten Bauformen zwischen den Wicklungen und dem Joch beitehen, hinfällig. Der niederspannungsseitige Anschluß wird durch den Leiter 105 gebildet. Es hat lieh gezeigt, daß eine gemäß der Erfindung aufgebaute Drossel leichter im Gewicht und erheblich kleiner in den Gesamtabmessungen und mit nur dem kalben Leistungsverbrauch gebaut werden kann als tine übliche Drossel für die gleiche Spannung. Noch wichtiger ist jedoch, daß die Isolationszuverlässigkeit von der Konstruktion her wesentlich höher ist.

Die Fi g. 9 und 10 zeigen die Spulen 108 auf jeder Seite der Scheibe in Reihenschaltung. Das Verdrahtungsschema stellt jedoch keine bevorzugte Ausfiihrungsform dar. da es nur zwei parallele Wicklungen für den gesamten Aufbau enthält und bei Tmpuls-Bberspannungen nicht die günstigen Eigenschaften ieigt.

In jedem Fall lassen sich aber die beim Betrieb herkömmlicher Bauformen unter Hochspannungsbelastungen auftretenden Schwierigkeiten vermeiden und eine fortschreitende, systematische und vorzugsweise gleichförmige Spannungsverteilung über jeden Isolierschenkelkern von seiner Mitte zu jedem magnetischen Rückschluß erreichen. Diese systematische Spannungsverteilung wird wegen der außerordentlich guten Spannungsaufteilung, welche durch die zwischen den Kernabschnitten bestehenden Kapazitäten geboten wird, auch bei Überspannungen erreich!.

Fs versteht sich, daß in jedem Fall der Wickelsinn der Spulen auf jeder Scheibe so sein muß. daß das magnetische Feld in einer geschlossenen Schleife, wie es durch Pfeile 114 angedeutet ist. verläuft.

Fig. II zeigt eine Abwandlung der Spulen 108. ihrer Schaltung und der Scheibe. Hier ist die jeden Kernabschnitt 104 umgebende Spule 108 in zwei Hälften geteilt. Eine Hälfte 119 ist in eine Richtung und die andere Hälfte 120 in der entgegengesetzten Richtung gewickelt. Der Kern 104 ist dann mit dem Mittelpunkt zwischen den beiden Spulenhälften verbunden. Natürlich ist es erforderlich, daß jede Spuknhälfte von der anderen isoliert wird. Außerdem kann die Scheibe 106 einen lamellierten Aufbau haben und aus zwei Lagen eines geeigneten Isolieimaterials 130 und 131 bestehen, zwischen denen sich ein leitendes Gitter 116 befindet. Dieses Gitter llfi ist so ausgebildet, daß Wirheiströme gering gehalten werden. Ein solcher Schichtaufbau läßt sich bei jeder der beschriebenen Ausführungsform einschließlich des Transformators verwenden. Durch das Einfügen des leitenden Gitters 116 wird jeder Kernabschnitt kapazitiv an seinen Nachbarkernabschmit gekoppelt, so daß die Verhältnisse bei Überspannungen und Tmpulsen noch weiter verbessert werden. Diese Darstellung veranschaulicht noch eine weitere Abwandlung, die^ich bei sämtlichen oben beschriebenen Aufbauten verwenden läßt. Der Äquipotentialbügel 110 ist nämlich von einem Ring aus Isoliermaterial mit einei kugelsclialcnförmigcn Außenfläche umgeben, der mi einem leitenden Überzug versehen ist.

Für den Fachmann \ersteht sich, daß die Erfin dung nicht nur die Möglichkeit für den Bau ver besserter Induktivitäten schafTt. die sich für selr ΙιοΙκ Spannimgsbelastiingen eignen, sondern gleichzeitig beachtliche Einsparungen an Gewicht und Kosten er möglichen. Auch wird die Baugröße für Drossel!

ίο erheblich kleiner, da die volle Betriebsspannung se zugeführt wird, daß jeder Wicklungsabschnitt nui einen ihm proportionalen Anteil der Gesamtspan nung erhält, und zwar sowohl unter normalen ah auch unter Uberspannungsbedingungen. Durch da« Verbinden jedes Abschnittes des isolierten Kerns mii den Wicklungen entfällt die Notwendigkeit übermäßig starker Isolation zwischen den Spulen und den Kernabschnitten. Die Kopplung der Kernabschnitte mii den sie umgebenden Spulen gibt der Spannung ar

»ο jedem Schenkel einen gleichmäßigen Vorlauf, so daC der Potentialgradient längs jedes Schenkels konstam ist und die Länge des Schenkels auf diese Weise vol für Isolierzwecke ausgenutzt werden kann.

Da die Kernabschnitte, der Scheibenaufbau unc

»5 die Spulen identisch sind, eignen sich die Geräte aus gezeichnet für Mnsscnherstellungsverfahren und wirtschaftliche Herstellung.

Das Scheibenmaterial erfüllt gleichzeitig die Funktion einer elektrischen Isolation und einer mecha-

3c nischen Halterung und ergibt damit eine große Zwischenscheiben-Kapazität, die zu einer Vergleichmäßigung der Spannungsverteilung längs jede« Schenkels auch bei Impulsbelastungen beiträgt. Da durch wird eine Beaufschlagung des Gerätes mi übergangs-Hochspannungsheanspruchungen verrin gert.

Die Verwendung eines isolierten Kernen ist fernei vorteilhaft, weil sie eine genaue Einhaltung c'ei Drosselinduktivität ermöglicht. Auch entsteht infolgi der gleichmäßigen Verteilung der maenetisierender Amperewindungen über die gesamte Lange des iso lierenden Kernes der magnetische Streufluß verringert Der beschriebene mechanische Aufbau bringt Vor

teile, da das Gerät bei horizontaler Montage durcr sich selbst ausbildende Konvektionsströme gekühl wird, während gleichzeitig große Kompressionskräfu auf es ausgeübt werden, so daß sowohl die akusti sehen als auch die magnetostriktiven Schwingunger verringert werden.

Es versteht sich, daß weitere Abwandlungen de beschriebenen Ausführungsformen möglich sind, bei spielsweise kann die Drossel zur Anwendung in Drei pha^ennetzen mit drei Schenkeln au<eebi'det ^sein deren jeder in der Mitte einen Hochspannungs-Zu führungsleiter hat.

In den Fig. 12 und 13a ist eine bevorzugte Aus führungsform einer Spule mit isoliertem Kern nacl der Erfindung dargestellt und mit der Bezugsziffe 180 bezeichnet. Der magnetische Kreis der Spult wird durch die Endioche 182 und 184 und die Sehen kcl 183 und 185 gebildet, die jeweils aus mehrerei Kernabschnitten oder -Segmenten wie 186 bestehen Jedes Kernsegment 186 ist von Spulenwicklungen 18! umgeben. Die Kemsegmente sind durch Isolations schichten 191 voneinander getrennt. Dieser gesamte Aufbau ist in einem Kessel 193 eingeschlossen, wel eher die Endjoche 182 und 184 und die Schenkel 18! und 185 unter Druck zusammenhält. Eine Verbin

dung zur Spule wird durch einen Hochspannungsanschlui 195 hergestellt, der einen Hochspanniingsleitcr 220 enthält. Zur leichteren Bewegbarkeit ist die Spule 180 auf einer Gleitschiene 197 montiert, welche ebenfalls einen Beitrag zu dieser Druckkraft leisten kann.

In Fig. 13a sind drei Kernsegmente 188, 190 und 192 im einzelnen dargestellt. Jedes Kernsegment, beispielsweise das Segment 190, ist von einem Satz aus Vier Spulen 194, 196, 198 und 200 umgeben, die elektrisch so miteinander verbunden sind, daß die Spulen 194 und 196 bzw. 198 und 200 mit Hilfe der Verbindungen 202, 204, 206 und 208 je einen Su'tz paratlelgeschalteter Spulen bilden. Die parallelgefechatteten Spulen 194, 196 bzw. 198, 200 sind dann tnit Hilfe eines Leiters 210 in Reihe geschaltet, welcher gleichzeitig eine Verbindung zum Kernsegment 190 danteilt. Infolge dieser Parallelanordnung besteht '«in Potentialunterschied zwischen entsprechenden Windungen im Raum 212 zwischen den Spulen 194 und 196 und im Raum 213 zwischen den Spulen 198 und 200. Infolgedessen kann öl oder ein anderes geeignetes Kühlmedium leicht durch mehrere Zwischenräume wie 212 und 213 zwischen parallelen Spulensätzen umlaufen, ohne daß eine Gefahr von Schäden infolge von Isolationsschwierigkeiten in diesen Bereichen bestUncU.

Im Gegensatz zu dem weiter vorn beschriebenen Induktionsgerät, wird kein blinder Mittelkern benötigt. Vielmehr ist die Anzahl der Kernsegmente 186 gerade, wie Fi g. 12 zeigt, und so kann der Hoch-Spannungsleiter 220 zwischen den beiden mittleren Kernabschnitten 188 und 190 angeschlossen werden. Wie bereits erwähnt, fällt die Spannung dann vom Hochspannungsanschluß in beiden Richtungen zu den geerdeten Fndjochen 182 und 184 ab. Zu bemerken ist. daß die F.ndjoche 182 und 184 über die Wicklungsspulen hinausragen, so daß sie den gesamten magneti-chen Fluß führen, der im Spulenwicklungsbereich herrscht. Dadurch wird verhindert, daß das magnetische Feld an den Endspulen gekrümmt verläuft, und auf diese Weise werden Wirbelstromverluste beträchtlich herabgesetzt, die andernfalls auftreten wurden. Außerdem lassen sich dadurch die Endjoche selbst zum Zusammenklemmen der Spuleneinheiten und zur Herabsetzung von Vibrationen verwenden, so daß zusätzliche Klemmvorrichtungen entfallen können.

Zur Erläuterung sei angenommen, daß der Spannungsabfall an jedem Satz von vier Spulen gleich I⁷== K,-F₁ sei. wobei F., das Potential am Verbindungsieiter 202 und F₁ das Potential am Verbindungsleiter 206 sei. so daß der Spannungsabfall an jedem parallelen Spulensatz gleich (V₂- F₁) ist.

Fig. 13b zeigt in graphischer Form den Abfall der Spannung für die Spulensätze 194. 196 und 198. 200. Das Absinken der Spannung im parallelen Spulensatz 194. 196 erfolgt von einem Maximalwert F₂ am äußeren Ende auf einen Wert ' JfF₀-F₁) am inneren Ende, welches gleichzeitig das konstante Potential ist. auf welchem" das Kernsegment 190 gehalten wird. Vom inneren Ende des parallelen Spulensatzes 198_: 200 zum äußeren Ende' fällt die Spannung weiterhin vom Wert' 2 [V^-V_x) ab auf T',. Wie Fig. 13a erkennen läßt, ist das äußere Ende des Spulensatzes 198, 200 dann mit dem äußeren Ende des nächsten Spulensatzes 216. 218 über einen Verbindungsleiter 209 verbunden, und dasselbe Abfallet der Spannung erfolgt auch in den übrigen Spulenab schnitten und Kernsegmenten, bis das betreffend« geerdete Joch 184 erreicht ist. I" gleicher Weise is der Hochspannungsleiter 220 an die das Kemsegmen 188 umgebenden Spulen angeschlossen, und di< Spannungsverteilung erfolgt in gleicher Weise zu den geerdeten Endjoch 182 hin.

Da das Abfallen der Spannung durch jeden par

allelen Spulensatz gleich V₂ (K₂ K₁) ist, beträgt di< Potentialdifferenz zwischen dem inneren Ende de: parallelen Spulensatzes 198, 200 und des paralleler Spulensatzes 216, 218 (F₂ - K,). In gleicher Weist beträgt die Potentialdifferenz zwischen den äußeret Enden paralleler Spulensätze 194, 196 und parallele! Spulensätze 198, 200 gleich (V_t~V_x). Diese Poten tialsprünge werden zwangläufig durch die trennendet Isolationsschichten aufrechterhalten, welche einet Spannungsdurchbruch verhindern und diese Poten

ao tialdifferenz immer sicherstellen. Entsprechend is zwischen benachbarten Kernsegmenten, die über die jenigen der Spulenenden hinausragen, eine Isolatiot 191 vorgesehen. In gleicher Weise ist eine Isolatior zwischen den Spulensätzen in Fonn einer Abstands scheibe 224 angeordnet.

Die Isolation 191 weist zwei Schichten 226, 22i auf, deren jede an dem Teil der Oberfläche, welchei an das entsprechende Kernsegment angrenzt, mi einer leitenden Schicht 230 versehen, deren Flächt im wesentlichen der Fläche des Oberflächenbereich: des entsprechenden angrenzenden Kernsegmente; entspricht. Diese leitende Schicht 230 hat die Forn eines leitenden Gitters und ist mit einem Schutzüber zug 232 versehen, der in engem Kontakt mit den bei den leitenden Gittern 230 und dem entsprechender Kernsegment steht und einen Kurzschluß /wischer den Gittern mit den entsprechenden leitenden Kern Segmenten verhindert. Ohne einen solchen Schutz überzug würde die Querlamellierung eines Kern Segmentes kurzgeschlossen werden, und es träter hohe Wirbelstromverluste auf. Das dt.'.i Kernsegmen 190 am nächsten liegende leitende Gitter 230 ist" elektrisch an einen Verbindungsleiter 210 und das Kern segment 190 angeschlossen, so daß das Potential bei der Teile immer gleich ist.

Fin weiteres leitendes Gitter 234 ist zwischen der beiden Isolationsschichten 226 und 228 angebracht Es erstreckt sich praktisch über den gesamten Ober flächenbereich der Isolationsschichten 226 und 22f derart, daß es nicht nur den entsprechenden Bereicl zwischen Kernsegmenten bedeckt, sondern sich aucl· aus und unter den entsprechenden Kernsätzen zu der Isolationskanten erstreckt, wo ein elektrischer Kontakt beispielsweise mit dem Hochspannungsleiter 22f hergestellt werden kann. Dieses leitende Gitter zwischen den Isolationsschichten ist elektrisch mit Hilft des Leiters 209 mit den äußeren Enden der par allelen Spulensätze auf der anderen Seite der Isola tion 191 verbunden und liegt auf einem Potential welches gleich der halben Potentialdifferenz zwischer benachbarten Kernsegmenten ist. So wirkt jede dei doppelten Isolationsschichten 191 als Reihenkapazi tat und muß eine Potentialdifferenz von K/2 aus halten.

Unter Belastung oder bei Ausgleichsvorgängen wenn ein plötzlicher Spannungsanstieg auf dem Hoch Spannungsleiter 220 erscheint, dann wird dieser Span nunasansties schnell über die leitenden Gitter 23'

verteilt. Soweit die Kapazität der Spulen bedeutend größer als die zwischen benachbarten Kernabschnitten ist, nimmt das Potential den Weg des geringsten Widerstandes und verteilt sich kapazitiv über die Kernabschnitte zu den geerdeten Endjochen, anstatt sich über die umgebenden Spulenwicklungen zu verteilen, so daß diese nicht beschädigt werden, wie es der Fall wäre, wenn sich die Spannung nicht in einem ausreichenden Zeitintervall gleichmäßig verteilen könnte.

Die Isolationsschichten mit den angebrachten Gittern, welche die verschiedenen Kernsegmente und Kernabschnitte trennen, können auch andere Formen als eine völlig ebene haben. Fig. 14 zeigt eine Isolationsschicht 221, wie sie sich mit Vorteil in der Spule nach Fig. 12 verwenden läßt. Das Kernsegment 186 paßt in die in der Mitte eingedrückte Fläche 223, und die Spulensätze 189 liegen benachbart zu den äußeren Enden 225. Die Aufwölbung 227 der Isolationsschicht in der Mitte schließt Bereiche verstärkten elektrischen Feldes aus. Die tatsächliche Form der Kurve läßt sich berechnen und wäre im Idealfall eine Exponentialkurve unendlicher Länge, für praktische Zwecke kann sie jedoch durch einen endlosen KreLbogen angenähert werden. Diese Ausbildung ist einer parallelen oder flachen Isolationsschicht ganz erheblich überlegen, welche normalerweise an den Kernsegmentecken eine elektrische Felderhöhung haben würde. Diese Art von Felderhöhung ist in den klassischen Arbeiten über elektrostatische Feldverteilungen an Elektrodenkanten und -ecken gut bekannt. Eine kontinuierliche Felderhöhung hat zur Folge, daß das umgebende isolierende Material ionisiert wird und daß eine Ansammlung von Oberflächenladungen auf der Isolationsschicht in der Nähe von Kanten des Kernsegmentes auftritt, die zu Fehlern oder Schäden der Isolationsschicht iühren können.

Das an der Oberfläche der Isolationsschicht angebrachte Gittermuster ist nicht auf irgendeine bestimmte geometrische Form beschränkt, sondern jede Art von Muster ergibt das gewünschte Ergebnis. Die vorstehend erläuterte Funktion des leitenden Gitters beruht einfach auf der Bildung einer elektrostatischen Ebene bei Spannungsanstiegen oder Übergangserscheinungen. Es ist wichtig, daß das Gitter die elektrische Beanspruchung gleichmäßig über den Gitteroberflächenbereich verteilt, so daß keine Lücken übrigbleiben, an denen ein Durchbruch beginnen könnte. Demgemäß muß der spezifische Widerstand des Gitters genügend niedrig sein, so daß eine Ladungsverteilung über die Äquipotentialfläche möglich ist, andererseits muß er genügend hoch sein, so daß keine hohen Wirbelströme in den starken magnetischen Wechselfeidern auftreten. Der Widerstand des leitenden Gitters soll so gewählt sein, daß die Zeitkonstpnte für die gewünschte Verteilung von Spannungsanstiegen günstig ist, während gleichzeitig eine Umgebungstemperatur bis 120° C ausgehalten wird und keine Zerstörung in der umgebenden ölatmosphäre eintritt. Das leitende Gitter ist vorteilhafterweise durch elektrische Ablagerung, durch Aufdrukken, Aufmalen oder andere entsprechende Verfahren auf die Isolationsschicht aufgebracht.

Die einzelnen in der Beschreibung erwähnten Spulen können auch durch eine Mehrzahl kleinerer Scheibenspulen ersetzt werden, deren Leiter gegebenenfalls in einer vorbestimmten Folge zur weiteren Verringerung der Verluste, welche durch in den Leitern fließende Wirbelströme verursacht werden, vertauscht sein können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Transformator, Drosselspule oder dergleichen Induktionsgeräte für hohe Betriebsspannung mit mindestens einem in einzelne, gegeneinander durch Isolationsschichten isolierte, axial übereinanderliegende Kernabschnitte unterteilte Kcrnschenkel, dessen Enden mit einem magnetischen Rückschluß verbunden sind und um den eine entsprechend den Kernabschnitten in Teilspulen unterteilte Wicklung angeordnet ist, wobei die Kernabschnitte mit den sie umgebenden Wicklungsteilen leitend verbunden sind und die Isolationsschichten zwischen den Kernabschnitten gleichzeitig die den Kernabschnitten zugeordneten Teilspulen gegen deren benachbarte Teilspulen isolieren und die Isolationsschichten beidseitig mit Metallbelägen versehen sind, die mit den benachbarten Kern- und Wicklungsabschnitten leitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Isolationsschichten jeweils zwei isolierende Außenschichten (226, 228) mit einer dazwischenliegenden leitenden Innenschicht (234) und die beidseitig auf den isolierenden Außenschichten (226, 228) aufgebrachten Metallbeläge (230) durch zusätzliche Isolationsschichten (232) gegen die angrenzenden Kernabschnitte (188, 190, *92) isoliert sind, daß ferner bei den den Kemabscbnitten zugeordneten Teilspulen (194. 196. 198, 2W)) die auf mittlerem Spulenpotential liegenden Tnnenleiter leitend mit dem dazugehörigen Kernabschnitt (190) sowie mit den beiden diesen benachbarten Metallsägen (230) verbunden sind (Verbindungsleiter 204, 208, 210) und daß die außenliegenden Eingangs- bzw. Ausgangsleiter (202 bzw. 206) der betreffenden Teilspule (194, 196, 198, 200) außer mit den entsprechenden Eingangs- bzw. Ausgangsleitern der zu den benachbarten Kernabschnitten gehörenden Teilspulen noch jeweils mit der leitenden Innenschicht (234) der beiden Isolationsschichten des betreffenden Kernabschnittes (190) leitend verbunden sind (Fig. 13a).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kernabschnitt von jeweils zwei Sätzen parallelgeschalteter Spulen (194, 196 bzw. 198, 200) umgeben ist, die elektrisch mit ihrer inneren Windung an den entsprechenden Kernabschnitt (190) angeschlossen sind. *o

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschichten der Isolationsschichten (232) durch stabförmige AbsUindsstücke (107) gebildet werden, zwischen denen offene Zwischenräume (118) bestehen (Fig. 6).

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht Isolatoren (225) enthält, die in ihrer Form der Randform der Kernabschnitte (186, 190, 192) angepaßt sind (Fig. 14).

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht zur Vergrößerung der für einen Überschlag maßgeblichen Kriechwege elektrisch verlängerte Kanten hat.

6. Vorrichtung nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenschicht (234) und die Metallbeläge (230) aus halbleitendem Material bestehen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernabschnitte (190, 192) zur Annäherung an ein Rogowski-Profil abgeschrägt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Wicklung zwischen eine Leitung (220) eines Hochspannungsverbrauchernetzes und Masse geschaltet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der magnetischen Rückschlüsse (182, 184) mindestens so groß ist, daß der ebene Bereich der Spulen überdeckt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Isolierschicht in Form einer Abstandsscheibe (224) zur Isolation der Spulen unabhängig von der Isolierung der Kernabschnitte vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen mechanisch unabhängig von den die Kernabschnitte tragenden Isolierungen durch Isoliermitttl gehalten werden.