DE2002192C - Transformator, Drosselspule oder dergleichen Induktionsgerate fur hohe Be tnebsspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Transformator, eine Drosselspule oder dergleichen Induktionsgeräte für hohe Betriebsspannung mit mindestens 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 Wicklungsabschnitten leitend verbunden sind.

Im Zuge der zunehmenden Elektrifizierung und der damit verbundenen Notwendigkeit, höhere Leistungen vom Kraftwerk zum Verbraucher zu transportieren, hat man die Übertragungsspannungen immer weiter erhöht. Damit hat sich auch die Spannungsbelastung 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 usw. 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 schichten jeweils zwei isolierende Außenschichten durch eingefügte Isolierschichten getrennte Kern- mit einer dazwischenliegenden leitenden Innenschicht abschnitte unterteilt hat, die mit dm entsprechenden und die beidseitig auf den isolierenden Außenschich-Teiäspulen der ebenfalls unterteilten Wicklungen ten aufgebrachten Metallbeläge durch zusätzliche elektrisch verbunden sind. Die einzelnen Kernab- 5 Isolierschichten gegen die angrenzenden Kernabschnitte unterscheiden sich in ihren Potentialen ent- schnitte isoliert sind, daß ferner b^i den den Kernsprechend dem Potentialverlauf längs der unterteilten abschnitten zugeordneten Teilspulen die auf mittle-Wicklungen. Die Isolierschichten zwischen den ein- rem Spulenpotential liegenden Innenleiter leitend mit zelnen Kernabschnitten erstrecken sich gleichzeitig dem dazugehörigen Kernabschnitt sowie mit den zwischen die Teüspulen und isolieren auch diese io beiden diesen benachbarten Metallbelägen verbunden gegeneinander. Auf diese Weise erhält man eine sind und daß die außenliegenden Eingangs- bzw. günstigere Spannungsverteilung längs der Wicklung Ausgangsleiter der betreffenden Teilspule außer mit und eine geringere Spannungsbeanspruchung zwi- den entsprechenden Eingangs- bzw. Ausgangsiehern sehen Kern und Wicklung. Für Impulsspannungen der zu den benachbarten Kernabschnitten gehören- und Überspannungen ergibt sich ferner eine bessere 15 den Teüspulen noch jeweils mit der leitenden Innenkapazitive Aufteilung. Zur Herabsetzung kapazitiver schicht der beiden Isolationsschichten des betreffen-Wirkungen zwischen den Teilspuien sind bei der den Kernabschnittes leitend verbunden sind,
erwähnten schweizerischen Patentschrift auf die Hierdurch wird die Verwendung noch höherer Isolierschichten beiderseitig Metallfolien aufgebracht. Spannungen möglich. Außerdem wird der elektrische

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der weiteren ao und volumetrische Wirkungsgrad verbessert. Bis zur Verbesserung dieser Geräte hinsichtlich der Steuerung vorliegenden Erfindung stellten sich dem Bau der elektrischen Feldverteilung, der Baugröße kri- von Höchstspannungsinduktivitäten immer größere tischer Isolationsstellen und der Wärme- und Schwierigkeiten in den Weg, und die Isolationsfestig-Geräuschentwicklung, so daß sie für noch höhere keit, die Zuverlässigkeit, die Freiheit von Korona-Spannungen brauchbar werden. Bei einer Erhöhung 35 erscheinungen und Funkstörungen waren immer der angelegten Spannung treten nämlich an den schwieriger beherrschbar. Die Erfindung schafft nun Ecken der Kernabschnitte sehr hohe elektrische Be- die Voraussetzungen zum Bau von Induktivitäten, lastungen auf, welche dann zu einem Isolationsdurch- bei denen diese Probleme selbst bei noch höheren bruch führen können. Selbst wenn man die Isolation Spannungen, wie sie in fernerer Zukunft verwendet dick genug macht, so daß sie die sehr hohe Spannung 30 werden dürften, leichter beherrschbar werden. Es aushält, ändert sich der magnetische Widerstand im wird nicht nur eine ausgezeichnete Verteilung und magnetischen Kreis so, daß alle die durch die Tren- Beherrschung der Wechselspannungsbetriebspotennung des Kerns in einzelne Abschnitte hauptsächlich tiale, sondern auch eine besonders gute Impulsübererreichten Vorteile zunichte werden. Wenn weiterhin tragung erreicht. Ferner lassen sich die Wicklungen die Metallfolie auf beiden Seiten der Isolationsschicht 35 kompakter und mit weniger Windungen und relativ zu einer Erhöhung von kapazitiven Wirkungen zwi- wenig Streuflußverlusten iusbilden. Wegen der verschen den Windungen beiträgt, so kann sie insofern ringerten elektrischen Belastung lassen sich auch die zu einer Zerstörung des Gerätes beitragen, als sie akustischen Betriebserscheinungen besser beherrnicht in der Lage ist, ein Übermaß an Wirbelstrom- sehen. Auch eine Sättigung der Elemente des maverlusten zu verhindern und das elektrostatische 40 gnetischen Kerns läßt sich vermeiden, und man erPotential gleichförmig über die Oberfläche der Iso- hält eine konstante Reaktanz über den gesamten lation zu verteilen. Die dadurch entstehende Erwär- Spannungsbereich, so daß das Auftreten von Harmomung würde bald zu einer thermischen Zerstörung nischen im Strom der Induktivität verhindert wird, des Gerätes führen. Pie üblichen bekannten Geräte Weiterhin lassen sich die Funkstörungen klein halten, lassen sich schließlich nicht auf die hier in Betracht 45 weil die Verteilung der elektrischen Beanspruchung kommenden hohen Spannungen umkonstruieren, infolge der Erfindung sauber beherrscht wird und sondern dabei ergeben sich schwierige ungelöste sich sämtliche Teile der elektrischen Anlage unterProbleme hinsichtlich der Steuerung der elektrischen halb der Koronaspannungen halten lassen. Darüber Feldverteilung, der Baugröße kritischer Isolations- hinaus läßt sich bei dem erfindungsgemäßen Aufbau stellen und der Wärme- und Geräuschentwicklung. 50 der magnetische Rückschluß auf Massepotential

Diese Aufgabe wird bei einem Transformator, halten, so daß die Probleme der Isolation und der einer Drosselspule oder dergleichen Induktionsgeräte mechanischen Halterung sich vereinfachen,
für hohe Betriebsspannung mit mindestens einem in Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Dareinzelne, gegeneinander durch Isolationsschichten Stellungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert, isolierte, axial übereinanderliegende Kernabschnitte 55 Es zeigt

unterteilte Kernschenkel, dessen Enden mit einem Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen

magnetischen Rückschluß verbunden sind und um 5emäß der Erfindung aufgebauten Transformator,

den eine entsprechend den Kernabschnitten in Teil- F i g. 2 eine Detailansicht der Transformatorspulen

spulen unterteilte Wicklung angeordnet ist, wobei die und Kerne zusammen mit Isolierscheiben,

Kernabschnitte mit den sie umgebenden Wicklungs- 60 Fig. 3A und 3B Schnitte durch verschieden ge-

teilen leitend verbunden sind und die Isolations- formte Isolierscheiben,

schichten zwischen den Kernabschnitten gleichzeitig Fig. 4 eine teilweise aufgebrochen- Darstellung

die den Kernabschnitten zugeordneten Teüspulen einer Drossel,

gegen den benachbarten Teilspulen isolieren und die F i g. 5 einen Teilschnitt durch die Drossel nach

Isolationsschichtcn beidseitig mit Metallbelägen ver- 65 Fig. 4,

sehen sind, die mit den benachbarten Kern- und F i g. 6 ein weiteres Detail der Drossel nach F i g. 4,

Wicklungsabschnitten leitend verbunden sind, erfin- F i g. 7 ein für die Verwendung bei der Erfindung

dungsgemäß dadurch gelöst, daß bei den Isolations geeignetes Verdrahtungsschema,

Fig. 8 die Verbindungen des Schemas nach Zwischen benachbarten Spulen-Kern-Paaren ist

F i g. 7 im Detail, jeweils eine Isolierscheibe 36 zur elektrischen

F i g. 9 ein weiteres Verdrahtungsschema, Isolierung und zur Isolierung jedes Spulenkernpaares

Fig. 10 die Verbindungen des Verdrahtungs- von dem benachbarten Spulenkernpaar vorgesehen.

Schemas nach Fig. 9 im Detail, 5 Zwischen je zwei Spulenhälften ,befindet sich eine

Fig. 11 eine mögliche Abwandlung des bei der weitere Isolierscheibe 61, an der ein Träger 62 zur

Erfindung verwendeten Äquipolentialbügels, Halterung eines Äquipotentialrings 63 um die Spulen

Fig. 12 eine aufgebrochene Ansicht einer nach befestigt ist. Die Scheiben und auch der Träger 62

der Erfindung aufgebauten Spule, können aus einem geeigneten Isoliermaterial bestehen.

F i g. 13 a eine Detailansicht von drei Kernelemen- io Ein solches Material ist beispielsweise laminiertes,

ten der Spule nach Fig. 12 mit den umgebenden harzgetränktes Papier, ein anderes ein Polyäthylen

Wicklungsabschnitten, mit Kreuzbindungen. Zur Verhinderung des Auf-

Fi g. 13 b ein Diagramm des Potentialabfalls durch tretens starker elektrischer Beanspruchungen der

die jedes Kernelemenl umgebende Spule und Scheiben 61 und ihrer Beschädigung infolge von

Fig. 14 eine andere .geometrische Form der Isola- 15 Unregelmäßigkeiten in den Spulen kann vorzugsweise

tionsschicht, welche sich günstig bei der Spule nach ein halbelastisches Spulenabstandsstück 65 um jedes

Fig. 12 verwenden läßt. Spulenpaar 57, 58 angepaßt werden.

An Hand von F i g. 1 sei eine Ausführungsform Wie bereits angedeutet, liegen die meisten Schwieder Erfindung beschrieben, die einen abwärts trans- rigkeiten beim Versuch, nach herkömmlichen Prinziformierenden Einphasen-Autotransformator darstellt, 20 pien zuverlässige Transformatoren für sehr hohe der einer Phase eines dreiphasig geschalteten Systems Spannungen zu bauen, in der Notwendigkeit der entspricht und außerordentlich hohe Spannungen Trennung und Isolierung der Hochspannungswickverarbeiten kann. In dieser Figur umfaßt der magne- lung von dem geerdeten Eisenkern, durch welchen tische Kreis 30 ein Paar magnetische Rückschlüsse der magnetische Arbeitsfluß fließt.
31 und 32, die ein Paar in Abschnitte unterteilter 25 Die Aufteilung und elektrische Isolierung jedes Schenkel 33 und 34 verbinden, welche durch je einen Kernabschnittes von seinen Nachbarabschnitten löst Stapel mittels Isolierscheiben 36 elektrisch vonein- das Spqnnungsisolierungsproblem, weil jeder Kernander isolierter Magnetkernabschnitte 35 und 38 ge- abschnitt und die ihn umgebende Spule das gleiche bildet werden. Potential hat und zwischen ihnen keine Schwierig-

Jeder Schenkel ist von einem Paar stromführender 30 keiten hinsichtlich der Isolationsfestigkeit auftreten. Wicklungen umgeben. Der dargestellte Autotransfor- Auf diese Weise wird die Notwendigket großer mator besteht aus vier in Reihe geschalteten Wick- Zwischenräume und starker Isolierungen zwischen hingen 41, 42, 43 und 44 und vier gemeinsamen Spulen und Kern vermieden. Zusätzliche Isolierung Wicklungen 45, 46, 47 und 48. Die Reihenwicklun- im Spalt vergrößert jedoch den magnetischen Widergen 41 und 42 und die gemeinsamen Wicklungen 45 35 stand des magnetischen Kreises, so daß ein höherer und 46 sind auf dem unterteilten Schenkel 34 ange- Magnetisierungsstrom und höhere Leistung erforderordnet, während die übrigen Wicklungen auf dem lieh wird und gleichzeitig der magnetische Streufluß anderen unterteilten Schenkel 33 angeordnet sind. vergrößert wird. Ein größerer magnetischer Streufluß Jede Wicklung besteht aus mehreren stromführenden vergrößert jedoch den induktiven Spannungsabfall Spulen 37, die einen Kernabschnitt 35 umgeben und 40 unter Last,
elektrisch mit ihm verbunden sind. Der induktive Spannungsabfall läßt sich verringern.

Zur Trennung der Reihenwicklungen und als wenn man auf jedem Schenkel zwei vollständige Mittel zur Zuführung der Hochspannung zu ihnen Wicklungen parallel angeordnet, so daß bei einer geist in jedem unterteilten Schenkel ein Mittelkern 38 gebenen Gesamtausgangsleistung pro Schenkel der ohne Spule vorgesehen. Die Hochspannung wird den 45 Laststrom pro Wicklung halbiert ist. Mit dieser in vier parallel angeordneten Serienwicklungen und den F i g. 1 gezeigten Anordnung wird der höchste Span-Kernen 38 mittels eines Hochspannungsleiters 39 zu- nungspegel am Mittelpunkt jedes Schenkels erreicht, geführt, der mit einer nicht dargestellten Wechsel- und nur ein sehr kleiner Teil des gesamten magnestromquelle verbunden ist. tischen Kreises liegt auf diesem Potential. Obgleich

Die Ausgangshochspannungsanzapfung 40 ist an 50 diese Anordnung das aktive Gewicht jedes Trans-

den Verbindungspunkt der Reihenwicklungen mit formatorschenkels etwa verdoppelt, haben Unter-

dcn gemeinsamen Wicklungen angeschlossen. Der suchungen gezeigt, daß die Gesamtausnutzung des

andere Leiter von jeder der gemeinsamen Wicklungen Kernes tatsächlich verbessert wird, weil ein größerer

ist seinerseits mit dem ihm benachbarten magne- Teil des Kernes tatsächlich für die Wicklungen austischen Rückschluß 31 oder 32 und Erde verbunden. 55 genutzt wird. Weiterhin liegt jeder magnetische Rück-

Jede Spule ist. wie F i g. 2 zeigt, um ihren züge- Schluß nun auf Erdpotential und kann wirtschafthörigen Kernabschnitt gewickelt. Die Spulen können lieber und zweckmäßiger konstruiert und gehaltert in zwei Teilen 57 und 58 aus spiralig aufgewickelten werden. Der erfindungsgemäße Aufbau von isolierisolierten leitenden Streifen gewickelt sein. Bei der tem Kern und Wicklungen hat noch weitere bedeudargestellten Ausführungsform ist eine Spulenhälfte 60 tcnde Vorteile. Dieses Reihenkapazitätssystem sorgt 57 in eine Richtung gewickelt, während die andere für eine bessere Verteilung von Überspannungen auf Spulenhälfte 58 in der entgegengesetzten Richtung Kern und Wicklungen. Die verbesserte Obcrspangewickclt ist. Die beiden Hälften sind dann elektrisch nunsrsverteilung ergibt sich, weil die isolierte, u'tternuteinandcr und mit dem benachbarten Kernabschnitt teilte Spulenkernanordnung eine Rei ->ensc' aitung durch einen Leiter 59 verbunden. Nebeneinander 65 großer Kapazitäten fast der gleichen Werte bildet, befindliche Spulen werden durch eine geeignete Vcr- F.s ist zweckmäßig, erstmals dieses Reihenkapazitätsbindung 60 zur Bildung der ("icsamtwicklung mit- system so auszulegen, daß SchaUübcrspanr.unge«! einander verbunden. fast völlig gleichmäßig über den gesamten Stapel

verteilt werden. Bei Anwendung der Erfindung läßt sich daher erwarten, daß ein höheres Grundisolationsniveau und verbesserte Isolationsfestigkeit erreichbar sind.

Durch die Erreichung einer größeren Gleichmäßigkeit der elektrischen Beanspruchung im Normalfall und bei Überspannungen lassen sich die Geräte so auslegen, daß im Betrieb noch keine Koronaerscheinungen auftreten, so daß Funkstörungen verhindert werden. Vorzugsweise hat jede Spule, Kern und Isolator mechanisch und physikalisch die gleiche Form und Funktion wie jede andere Spule, Kern und Isolator. Die ausschließliche Herstellung von lauter gleichen Untereinheiten verringert die Herstellungskosten und ermöglicht eine bessere Qualität.

Vorzugsweise wird der Isolator 36 in Form einer Scheibe mit einer Kriechwege verhindernden Ausbildung an ihrem äußeren Umfang gegossen. Zwei derartige Ausbildungen sind im Schnitt in den Fig. 3A und 3B dargestellt. Die Scheibe nach Fig. 3A ist als ebene Scheibe aus Isoliermaterial 70 ausgebildet, die einen sich nach außen erweiternden Rand 71 hat und auf beiden Seiten mit einer dünnen leitenden Schicht 72 eines Materials von mittlerem spezifischem Widerstand überzogen ist. Typischerweise beträgt der spezifische Widerstand dieser Schicht 5 bis 50 kOhm mm^!/m, so daß keine übermäßigen Wirbelströme in dieser Schicht auftreten. Über den sich verbreiternden Rand 71 und die Enden der Überzüge 73t ist dann nach Art einer Schmelzperle ein Rand 73 geschmolzen.

Die Ausführungsform nach F i g. 3 B besteht ebenfalls aus einer ebenen Scheibe aus Isoliermaterial. Jedoch weist der sich erweiternde Rand 76 um seine Peripherie eine Mehrzahl von Wellungen 78 auf, so •daß die Oberfläche des sich erweiternden Randes ein Zickzackmuster zeigt und auf diese Weise die elektrische Weglänge zwischen beiden Seiten der Scheibe vergrößert. Diese Scheibe wird dann mit einem Material 72 hohen spezifischen Widerstands überzogen.

Dieser glatte leiicr.de Überzug 72, der sich in engem Kontakt zu dem festen Dielektrikum befindet, bildet eine Grenze für das elektrische Feld und verhindert auf diese Weise, daß Unregelmäßigkeiten der Lamellierung des Kernes Punkte besonders großer elektrischer Beanspruchung bilden. Der leitende Überzug ist so ausgebildet, daß er das elektrostatische Potential gleichförmig über die gesamte Oberfläche des Isolators 36 verteilt, wobei die elektrische Beanspruchung an den Kanten gesteuert wird.

Unter bestimmten Umständen kann es zweckmäßig sein, daß der Isolator 36 aus zwei Teilen besteht. Ein Teil ware dann eine zentrale Scheibe, wie sie in den Fig. 3A und 3B dargestellt ist. Die Kernabschnitte wurden an diesen Teil anstoßen. Der andere Teil wäre ein zu dieser Scheibe konzentrische Ring, der die Spulen gegeneinander isolieren würde. Dieser Ring hätte ebenfalls einen Querschnitt, wie ihn die Fig. 3A oder 3B zeigen. Die Aufteilung des Isolators 36 hätte den Vorteil, daß die Kerne und Spulen unabhängig voneinander bewegbar wären, so daß der Aufbau flexibki wäre.

Durch die Erfindung wird insbesondere das Isolationsproblem gelöst, namentlich wenn ein Gerät für sehr hohe Spannungsbclastung gebaut werden soll, während gleichzeitig der Betrieb mit hoher Flußdichlc R eine Verringerung von Gewicht und Baugröße erlaubt. Die geringere Baugrößc verringert nicht allein die Herstellungskosten, sondern auch die elektrischen Verluste und das unvermeidliche magnetostriktive Brummen. Der Wirkungsgrad wird so weit verbessert, daß die elektrischen Verluste nur etwa die Hälfte wie bei bekannten Induktivitäten betragen. Die durch die Erfindung ermöglichte neue Bauform erlaubt weiterhin das Auftreten starker Kompressionskräfte in Richtung des induzierten Magnetfeldes, so daß die mechanische Stabilität des Aufbaus verbessert und die Betriebsgeräuschentwicklung verringert wird.

Weiterhin wird der magnetische Streufluß verringert, und es ergibt sich eine verbesserte und gleichmäßige Spannungsverteilung unerwünschter Überspannungen oder Impulse, indem örtliche Bereiche hoher Spannungsbeanspruchung vermieden werden.

Diese Vorteile werden dadurch erreicht, daß die Induktivität ein Paar paralleler Wicklungen um einen magnetischen Kreis aufweist, der ein Paar magnetische Rückschlüsse umfaßt, die durch isolierende magnetische Kernschenkel miteinander gekoppelt sind und die Windungen zur Erzielung einer systematischen und gesteuerten Verteilung aufgeprägter Spannungen längs der Schenkel elektrisch und zunehmend an die isolierten Kernschenkel koppeln.

Eine derartig aufgebaute Drossel (Fig. 4, 5, 6) enthält einen magnetischen Kreis, der aus einem Paar lamellierter magnetischer Rückschlüsse besteht, die über ein Paar isolierter Kernschenkel 102 und 103 miteinander verbunden sind. Jeder isolierte Kernschenkel enthält mehrere Kernabschnitte 104, die durch Scheiben 106 und Abstandsstücke 107 elektrisch voneinander isoliert sind. Auch bei dieser Drossel kann jeder Kernabschnitt 104 an sämtlichen Kanten mit einem Rogowski-Profil ausgebildet sein, so daß eine Sättigung des Kerns vermieden wird und die Drossel mit einer maximalen Flußdichte betrieben werden kann.

Außer dem mittleren Kern 104 A jedes Schenkels ist jeder Kern 104 von einer stromführenden Spule 108 umgeben. Diese Spulen sind elektrisch miteinander und mit dem Kernabschnitt, den sie umgeben, verbunden. Jedes Spulen-Kern-Paar ist elektrisch von den benachbarten Spulen-Kern-Paaren durch Scheiben 106 und Abstandsstücke 107 isoliert. Die Scheiben und Abstandsstücke dienen ferner der Anordnung der Kerne und Spulen in seitlicher Richtung. Die Scheiben und Abstandsstücke können aus einem geeigneten Isoliermaterial, beispielsweise aus lameliierten mit Epoxyharz getränkten Papiererzeugnissen oder Preßpappe bestehen. Jede Scheibe 106 kann ihrerseits von einem Aquipotentialbügel 110 umgeben sein, der bei geeigneter elektrischer Verbindung mit den Spulen und Kernen auf beiden Seiten zu einer Verteilung von Überspannungen oder Spannungsimpulsen über die Drossel beiträgt.

Wie bereits erwähnt, ist jede Spule 108 elektrisch nicht nur mit jeder benachbarten Spule, sondern auch mit ihrem zugehörigen Kern 103 verbunden. Da diese Verbindungen Reihenschaltungen, Reihen-Parallel-Schaltungen oder Parallelschaltungen sein können, sei im folgenden an Hand der Fig. 7 Hs 11 eine kurze Erläuterung gegeben. Die F i g. 7 und S ze^:gen die Spulen 108 auf jeder Scheibe in elcktriv'her Verbindung mit den Nachbarspulen, so daß auf jedem isniierkcrn zwei parallele Wicklungen gebildet werden, die insgesamt vier parallele Wicklungen ergeben. Die Hochspannung wird im mittleren Punkt dieser

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Kombination über einen Leiter 109 zugeführt. Durch lieh von einem Ring aus Isoliermaterial mit einer diese Zuführung zur Mitte des Aufbaus, bei der jede kugelschalenförmigen Außenfläche umgeben, der mit Spule mit ihrem benachbarten Kern gemäß Fig. 8 %inem leitenden Überzug versehen ist.
verbunden ist w'ährend jeder Kernabschnitt vom Für den Fachmann versteht sich, daß die Erfinbenachbarten Abschnitt im Stapel isoliert ist, kann 5 dung nicht nur die Möglichkeit für den Bau verdas Rahmenjoch weggelassen werden, da der magne- besserter Induktivitäten schafft, die sich für sehr hohe tische Fluß auf die magnetischen Rückschlüsse 100 Spannungsbelastungen eignen, sondern gleichzeitig und 101 und die isolierenden Schenkelkeme 102 und beachtliche Einsparungen an Gewicht und Kosten er-103 begrenzt ist Durch Weglassen des Joches und möglichen. Auch wird die Baugröße für Drosseln durch Verbindung der Spulen mit den Kernen werden io erheblich kleiner, da die volle Betriebsspannung so die Isolationsprobleme, die bei bekannten Baufor- zugeführt wird, daß jeder Wicklungsabschnitt nur men zwischen den Wicklungen und dem Joch be- einen ihm proportionalen Anteil der Gesamtspanstehen, hinfällig. Der niederspannungsseitige An- nung erhält, und zwar sowohl unter normalen als Schluß wird durch den Leiter 105 gebildet. Es hat auch unter Überspannungsbedingungen. Durch das sich gezeigt, daß eine gemäß der Erfindung aufge- 15 Verbinden jedes Abschnittes des isolierten Kerns mit baute Drosss! leichter ins Gewicht ynrj erheblich den Wicklungen entfällt die Notwendigkeit übermäßig kleiner in den Gesamtabmessungen und mit nur dem starker Isolation zwischen den Spulen und den Kernhalben Leistungsverbrauch gebaut werden kann als abschnitten. Die Kopplung der Kernabschnitte mit eine übliche Drossel für die gleiche Spannung. Noch den sie umgebenden Spulen gibt der Spannung an wichtiger ist jedoch, daß die Isolationszuveriässigkeit 20 jedem Schenkel einen gleichmäßigen Verlauf, so daß von der Konstruktion her wesentlich höher ist der Potentialgradient längs jedes Schenkels konstant Die Fi g. 9 und 10 zeigen die Spulen 108 auf jeder i« und die Länge des Schenkels auf diese Weise voll Seite der Scheibe in Reihenschaltung. Das Verdrah- für Isolierzwecke ausgenutzt werden kann,
tungsschema stellt jedoch keine bevorzugte Ausfüh- Da die Kernabschniite. der Scheibenaufbau und rungsform dar. da es nur zwei parallele Wicklungen 35 die Spulen identisch sind, eignen sich die Geräte ausfür den gesamten Aufbau enthält und bei Impuls- gezeichnet für Massenherstellungsverfahren und wirtüberspannungen nicht die günstigen Eigenschaften schaftliche Herstellung.

zeigt. Das Scheibenmaterial erfüllt gleichzeitig die Funkln jedem Fall lassen sich aber die beim Betrieb tion einer elektrischen Isolation und einer mechaherkömmlicher Bauformen unter Hochspannungsbe- 3c nischen Halterung und ergibt damit eine große Zwilastungen auftretenden Schwierigkeiten vermeiden schenscheiben-Kapaznäi. die zu einer "Vergleich- und eine fortschreitende, systematische und Vorzugs- mäßigung der Spannungsverteilung längs "" jede^ weise gleichförmige Spannungsverteilung über jeden Schenkels auch bei Impulsbelastunaen beiträgt. Da-Isolierschenkelkern von seiner Mine zu jedem magne- durch wird eine Beaufschlagung des Geräfes mi; tischen Rückschluß erreichen. Diese systematische 35 Übergangs-Hochspannungsbeanspruchungen verrin-Spannungsverteilung wird wegen der außerordent- gert.

lieh guten Spannungsaufteilung, welche durch die Die Verwendung eines isolierten Kernes ist femer

zwischen den Kernabschnitten bestehenden Kapazi- vorteilhaft, weil sie eine genaue Einhaltung der

täten geboten wird, auch bei Überspannungen er- Drosselinduktivität ermöglicht Auch entsteht infolge

reicht. 40 der gleichmäßigen Verteilung der magnetisierender

Es versteht sich, daß in jedem Fall der Wickelsinn Amperewindungen über die gesamte Länge des iso-

der Spulen auf jeder Scheibe so sein muß. daß das lierenden Kemes der magnetische Streufluß~ verringert

magnetische Feld in emer geschlossenen Schleife, wie Der beschriebene mechanische Aufbau bringt Vor·

es durch Pfeile 114 angedeutet ist verläuft. teile, da das Gerät bei horizontaler Montage" durch

Fig. II zeigt eine Abwandlung der Spulen 108. -»3 sich selbst ausbildende Konvektionsströme" gekühl;

ihrer Schaltung und der Scheibe. Hier ist die jeden wird, während gleichzeitig große Kompressicnskräfte

Kemabschnitt 104 umgebende Spule 108 in zwei auf es ausgeübt werden, so daß sowohl die akusti

Hälften geteilt Eine Hälfte 119 ist in eine Richtung sehen als auch die magnetostriktion Schwingunger

und die andere Hälfte 12© in der entgegengesetzten verringert werden.

Richtung gewickelt Der Kern 104 ist dann mit dem 5° Es versteht sich, daß weitere Abwandlungen dei

Mittelpunkt zwischen den beiden Spulenhälften ver- beschriebenen Ausführungsformen möglich sind, bei

bunden. Natürlich ist es erforderlich, daß jede Spu- spielsweise kann dk Drossel zur Anwendung in Drei

lenhälfte von der anderen isoliert wird. Außerdem phasennetzen mit drei Schenkeln ausgebildet sein

kann die Scheibe 106 einen lamellierten Aufbau deren jeder in der Mitte einen Hochspannunfis-Zu

haben und aus zwei Lagen eines geeigneten Isolier- 55 führungsleiter hat.

materials 130 und 131 bestehen, zwischen denen sich In den Fig. 12 und 13a ist eine bevorzugte Aus ein leitendes Gitter 116 befindet Dieses Gitter 116 führungsform einer Spule mit isoliertem Kern nacr ist so ausgebildet daß Wirbelströme gering gehalten der Erfindung dargestellt und mit der Bezuasziffei werden. Ein solcher Schichtaufbau läßt sich bei jeder 180 bezeichnet Der magnetische Kreis der" Spuk der beschriebenen Ausfühningsform einschließlich 6° wird durch die Endjoche ίβ2 und 184 und die Sehendes Transformators verwenden. Durch das Einfügen kel 183 und 185 gebildet, die jeweils aus mehrerer des leitenden Gitters 116 wird jeder Kernabschnitt Kernabschnitten oder -Segmenten wie 1S6 bestehen kapazitiv an seinen Nachbarkernabschnitt gekoppelt Jedes Kernsegment 186 ist von Spulcnvickhir «cn 1& so daß die Verhältnisse bei Überspannungen und Im- umgeben. Die Kemsegmente sind durch Isolations pulsen noch weiter verbessert werden. Diese Darstel- ⁶S schichten 191 voneinander getrennt Dieser gesamt« lung veranschaulicht noch eine weitere Abwandlung, Aufbau ist in einem Kessel 193 eingeschlossen, wel die sich bei sämtlichen oben beschriebenen Aufbauten eher die Endjoche 182 und 184 und die Schenkel IK verwenden llßt Der Äquipotentialbügel 110 ist näm- und 185 unter Druck zusammenhält Eine Verbin

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dung zur Spule wird durch einen Hochspannungsan- bindungsleiter 209 verbunden, und dasselbe Abfallen schluß 195 hergestellt, der einen Hochspannungs- der Spannung erfolgt auch in den übrigen Spulenableiter 220 enthält. Zur leichteren Bewegbarkeit ist die schnitten und Kernsegmenten, bis das betreffende Spule 180 auf einer Gleitschiene 197 montiert, welche geerdete Joch 184 erreicht ist. In gleicher Weise ist ebenfalls einen Beitrag zu dieser Druckkraft leisten 5 der Hochspannungsleiter 220 an die das Kernsegment kann. 188 umgebenden Spulen angeschlossen, und die

In Fig. 13a sind drei Kernsegmente 188, 190 und Spannungsverteilung erfolgt in gleicher Weise zu dem

192 im einzelnen dargestellt. Jedes Kernsegment, bei- geerdeten Endjoch 182 hin.

spielsweise das Segment 190, ist von einem Satz aus Da das Abfallen der Spannung durch jeden par-

vier Spulen 194, 196, 198 und 200 umgeben, die io aHelen Spulensatz gleich ¹It(V* V₁) ist, beträgt die

elektrisch so miteinander verbunden sind, daß die Potentialdifferenz zwischen dem inneren Ende des

Spulen 194 und 196 bzw. 198 und 200 mit Hilfe der parallelen Spulensatzes 198, 200 und des parallelen

Verbindungen 202, 204, 206 und 208 je einen Satz Spulensatzes 216, 218 (V\ - K₁). In gleicher Weise

parallelgeschalteter Spulen bilden. Die parallelge- beträgt die Potentialdifferenz zwischen den äußeren

schalteten Spulen 194, 196 bzw. 198, 200 sind dann 15 Enden paralleler Spulensätze 194, 196 und paralleler

mit Hilfe eines Leiters 210 in Reihe geschaltet, wel- Spulensätze 198, 200 gleich (V,— V₁). Diese Poten-

cher gleichzeitig eine Verbindung zum Kernsegment tialsprünge werden zwangläufig durch die trennenden

190 darstellt. Infolge dieser Parallelanordnung be- Isolationsschichten aufrechterhalten, welche einen

steht kein Potentialunterschied zwischen entspre- Spannungsdurchbruch verhindern und diese Poten-

chenden Windungen im Raum 212 zwischen den 20 tialdifferenz immer sicherstellen. Entsprechend ist

Spulen 194 und 196 und im Raum 213 zwischen den zwischen benachbarten Kernsegmenten, die über die-

Spulen 198 und 200. Infolgedessen kann öl oder ein jenigen der Spulenenden hinausragen, eine Isolation

anderes geeignetes Kühlmedium leicht durch meh- 191 vorgesehen. In gleicher Weise ist eine Isolation

rere Zwischenräume wie 212 und 213 zwischen par- zwischen den Spulensätzen in Form einer Abstands-

allelen Spulensätzen umlaufen, ohne daß eine Gefahr 25 scheibe 224 angeordnet.

von Schaden infolge von Isolationsschwierigkeiten in Die Isolation 191 weist zwei Schichten 226, 228

diesen Bereichen bestünde. auf, deren jede an dem Teil der Oberfläche, welcher

Im Gegensatz zu dem weiter vorn beschriebenen an das entsprechende Kernsegment angrenzt, mit Induktionsgerät, wird kein blinder Mittelkern be- einer leitenden Schicht 230 versehen, deren Fläche nötigt. Vielmehr ist die Anzahl der Kernsegmente 30 im wesentlichen der Fläche des Oberflächenbereichs 186 gerade, wie F i g. 12 zeigt, und so kann der Hoch- des entsprechenden angrenzenden Kernsegmentes Spannungsleiter 220 zwischen den beiden mittleren entspricht. Diese leitende Schicht 230 hat die Form Kern abschnitten 188 und 190 angeschlossen werden. eines leitenden Gitters und ist mit einem Schutzüber-Wie bereits erwähnt, fällt die Spannung dann vom zug 232 versehen, der in engem Kontakt mit den bei-Hochspannungsanschluß in beiden Richtungen zu den 35 den leitenden Gittern 230 und dem entsprechenden geerdeten Endjochen 182 und 184 ab. Zu bemerken Kernsegment steht und einen Kurzschluß zwischen ist, daß die Endjoche 182 und 184 über die Wick- den Gittern mit den entsprechenden leitenden Kernlungsspulen hinausragen, so daß sie den gesamten Segmenten verhindert. Ohne einen solchen Schutzmagnetischen Fluß führen, der im Spulenwicklungs- überzug würde die Querlamellierung eines Kernbereich herrscht. Dadurch wird verhindert, daß das 4° Segmentes kurzgeschlossen werden, und es träten magnetische Feld an den Endspulen gekrümmt ver- hohe Wirbelstromverluste auf. Das dem Kernsegment läuft, und auf diese Weise werden Wirbelstromver- 190 am nächsten liegende leitende Gitter 230 ist eleklubie beträchtlich herabgesetzt, die andernfalls auf- trisch an einen Verbindungsleiter 210 und das Kerntreten würden. Außerdem lassen sich dadurch die segment 190 angeschlossen, so daß das Potential bei-Endjoche selbst zum Zusammenklemmen der Spu- « der Teile immer gleich ist.

leneinheiten und zur Herabsetzung von Vibrationen Ein weiteres leitendes Gitter 234 ist zwischen den

verwenden, so daß zusätzliche Klemmvorrichtungen beiden Isolationsschichten 226 und 228 angebracht,

entfallen können. Es erstreckt sich praktisch über den gesamten Ober-

Zur Erläuterung sei angenommen, daß der Span- flächenbereich der Isolationsschichten 226 und 228

nungsabfall an jedem Satz von vier Spulen gleich 50 derart, daß es nicht nur den entsprechenden Bereich

V= V₂-Vj sei, wobei V, das- Potential am Ver- zwischen Kernsegmenten bedeckt, sondern sich auch

bindungsleiter 202 und V₁ äas Potential am Verbin- aus und unter den entsprechenden Kernsätzen zu den

dungsleiter 206 sei, so daß der Spannungsabfall Isolationskanten erstreckt, wo ein elektrischer Kon-

an jedem parallelen Spulensatz gleich (V^-V₁) takt beispielsweise mit dem Hochspannungsleiter 22(1

ist. 55 hergestellt werden kann. Dieses leitende Gitter zwi-

Fig. 13b zeigt in graphischer Form den Abfall sehen den Isolationsschichten ist elektrisch mit Hilfe

der Spannung für die Spulensätze 194, 196 und 198, des Leiters 209 mit den äußeren Enden der par-

200. Das Absinken der Spannung im parallelen Spu- allelen Spulensätze auf der anderen Seite der Isola-

lensatz 194, 196 erfolgt von einem Maximalwert V_i tion 191 verbunden und liegt auf einem Potential

am äußeren Ende auf einen Weft Vi(V₂- V₁) am δο welches gleich der halben Potentialdifferenz zwischer

inneren Ende, welches gleichzeitig das konstante benachbarten Kemsegmenten ist. So wirkt jede dei

Potential ist, auf welchem das Kernsegment 190 ge- doppelten Isolationsschichten 191 als Reihenkapazi

halten wird. Vom inneren Ende des parallelen Spu- tat und muß eine Potentialdifferenz von Vß aus

lensatzes 198, 200 zum äußeren Ende fällt die Span- halten.

nung weiterhin vom Wert Vs (V₂ — V₁) ab auf V_x. Wie 65 Unter Belastung oder bei Ausgleichsvorgängen

Fig. 13 a erkennen läßt, ist das äußere Ende des wenn ein plötzlicher Spannungsanstieg auf dem Hoch

Spulensatzes 198, 200 dann mit dem äußeren Ende Spannungsleiter 220 erscheint, dann wird dieser Span

des nächsten Spulensatzes 216, 218 über einen Ver- nungsanstieg schnell über die leitenden Gitter 23'

13

⁶I

* 14

verteilt. Soweit die Kapazität der Spulen bedeutend Kanten des Kernsegmentes auftritt, die zu Fehlerr größer als die zwischen benachbarten Kernab'schnit- oder Schaden der Isolationsschicht führen können,
ten ist, nimmt das Potential den Weg des geringsten Das an der Oberfläche der Isolationsschicht ange-Widerstandes und verteilt sich kapazitiv über die brachte Gittermuster ist nicht auf irgendeine be-Kernabschnitte zu den geerdeten Endjochen, anstatt 5 stimmte geometrische Form beschränkt, sondern jedf sich über die umgebenden Spulenwicklungen zu ver- Art von Muster ergibt das gewünschte Ergebnis. Di« teilen, so daß diese nicht beschädigt werden, wie es vorstehend erläuterte Funktion des leitenden Gitten der Fall wäre, wenn sich die Spannung nicht in einem beruht einfach auf der Bildung einer elektrostatischer ausreichenden Zeitintervall gleichmäßig verteilen Ebene bei Spannungsanstiegen oder Übergangserkönnte. io scheinungen. Es ist wichtig, daß das Gitter die elek-Die Isolationsschichten mit den angebrachten Git- trische Beanspruchung gleichmäßig über den Gittertern, welche die verschiedenen Kernsegmente und Oberflächenbereich verteilt, so daß keine Lücker Kernabschnitte trennen, können auch andere Formen übrigbleiben, an denen ein Durchbruch beginner als eine völlig ebene haben. Fig. 14 zeigt eine Isola- könnte. Demgemäß muß der spezifische Widerstand tionsschicht 221, wie sie sich mit Vorteil in der Spule 15 des Gitters genügend niedrig sein, so daß eine Lanach Fig. J2 verwenden läßt. Das Kernsegment 186 dungsverteilung über die Äquipotentialfläche mögpaßt in die in der Mitte eingedrückte Fläche 223, lieh ist, andererseits muß er genügend hoch sein, se und die Spulensätze 189 liegen benachbart zu den daß keine hohen Wirbelströme in den starken magneäußcrcn Enden 225. Die Aufwölbung 227 der Isola- tischen Wechsel feldern auftreten. Der Widerstand de? tionsschicht in der Mitte schließt Bereiche verstärk- ao leitenden Gitters soll so gewählt sein, daß die Zeitten elektrischen Feldes aus. Die tatsächliche Form konstante für die gewünschte Verteilung von Spander Kurve läßt sich berechnen und wäre im Idealfall nungsanstiegen günstig ist, während gleichzeitig eine eine Exponentialkurve unendlicher Länge, für prak- Umgebungstemperatur bis 120° C ausgehalten wird tische Zwecke kann sie jedoch durch einen endlosen und keine Zerstörung in der umgebenden ölatmo-Kreisbogen angenähert werden. Diese Ausbildung ist as Sphäre eintritt. Das leitende Gitter ist vorteilhaftereiner parallelen oder flachen Isolationsschicht ganz weise durch elektrische Ablagerung, durch Aufdrukerheblich überlegen, welche normalerweise an den ken, Aufmalen oder andere entsprechende Verfah-Kernsegmentecken eine elektrische Felderhöhung rcn auf die Isolationsschicht aufgebracht,
haben würde. Diese Art von Felderhöhung ist in den Die einzelnen in der Beschreibung erwähnten Spuklassischen Arbeiten über elektrostatische Feldver- 30 len können auch durch eine Mehrzahl kleinere) teilungen an Elektrodenkanten und -ecken gut be- Scheibenspulen ersetzt werden, deren Leiter gegebekannt. Eine kontinuierliche Felderhöhung hat zur neiifalls in einer vorbestimmten Folge zur weiterer Folge, daß das umgebende isolierende Material ioni- Verringerung der Verluste, welche durch in den Leisiert wird und daß eine Ansammlung von Oberflächen- tern fließende Wirbelströme verursacht werden, Verladungen auf der Isolationsschicht in der Nähe von 35 tauscht sein können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Transformator, Drosselspule oder dergleichen Induktionsgeräte für hohe Betriebsspannung mit mindestens einem in einzelne, gegeneinander durch Isolationsschichten isolierte, axial iibereinanderliegende 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 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, 192) isoliert sind, daß ferner bei den den Kernabschnitten zugeordneten Teilspulen (194,196, 198, 200) die auf mittlerem Spulenpotential liegenden Innenleiter leitend mit dem dazugehörigen Kernabschnitt (190) sowie mit den beiden diesen benachbarten Metallbelägen (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.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschichten der Isolationsschichten (232) durch stabförmige Abstandsstücke (10t) 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 1, 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 Isoliermittel gehalten werden.