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Isoliersystem ftir ein hoher elektrischer Spannungs- und Wärmebeanspruchung
ausgesetztes elektrisches Gerät wie Transformator oder ergleichen Die Erfindung
betrifft ein Isoliersystem fUr ein hoher elektrischer Spannungs- und Wärmebeanspruchung
ausgesetztes elektrisches Gerat wie ein Transformator oder dergleichen.
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Bei Leistungstransformatoren ist es bekannt, Zellulosepapier zur Isolierung
der elektrischen Leiter des Transformators gegeneinander und gegen Erde zu verwenden.
Die die elektrischen Leiter umgebende Isolierung ist mit flüssigen Isolierstoffen,
z.B. Mineralöl imprägniert, und die Magnetkern- J icklungsanordnung ist in die Isolierflüssigkeit
eingetaucht, die dabei gleichzeitig als KUhlmittel dient. Mit Öl imprägniertes Zellulosepapier
bildetzwar ein gutes elektrisches Isoliereystem, jedoch bringt die Verwendung von
Zellulosepapier einige Nachteile mit sich. Beispielsweise kann Zellulosepa,ter wegen
seiner beschränkten Wärmefestigkeit die mittlere Arbeitstemperatur des Transformators
begrenzen. Heiße Stellen in den Wicklungen, deren Temperatur erheblich Uber der
mittleren Arbeitstemperatur des Transformators liegen kann, begrenzen die durch
die Verwendung von Zellulosepapier eingeengten Einsatzmöglichkeiten in thermische-r
Hinsicht noch weiter.
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Die Zelluloseisolation muß getrocknet werden, um absorbierte Feuchtigkeit
auszutreiben, bevor sie mit dem flUssigen Isoliermittel imprägniert wird. Wenn die
Zelluloseisolation sich während des Betriebs verschlechtert, scheidet sie u. a.
als Nebenprodukt Feuchtigkeit ab, die das Isolationssystem des Transformators verunreinigt
An bestimmten Stellen innerhalb eines Transformators, z. B. der Windungs- oder Lagenisolation
der elektrischen Wicklungen und der Isolation von Anzapfungsleitungen, sind elektrische
Isolierstoffe mit höherer elektrischer Impulsfestigkeit als der von Zelluloseisolation
erwünscht. Es stehen zwar Zellulosepapiere höherer elektrischer Festigkeit zur Verfügung,
jedoch verhalten diese sich allgemein erheblich spröder als herkömmliche Papiere.
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Aus mechanischen GrUnden muß daher in vielen Fällen herkömmliches
Zellulosepapier eingesetzt werden, das dann nur die niedrigere zulässige Spannungsbelastung
aufweist, und damit zu Beschränkungen in der Transformatorausgestaltung führt.
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Elektrisch hochfeste Zellulosepapiere haben auch ein größeres spezifisches
Gewicht und eine höhere Dielektrizitätskonstante als herkömmliche Zellulosepapiere.
Wenngleich eine feste Isolierung an besonderen Stellen innerhalb eines Leistungstransforma
tors Isolierung mit einer höheren Dielektrizitätskonstante erwUnscht sein kann,
so ist sie im allgemeinen doch als ungünstig anzusehen, da sie die Spannungsbelastung
vom Papier auf das flUssige Dielektrikum verschiebt. In den meisten Fällen wird
es bevorzugt, die Dielektrizitätskonstsnten der festen Isolierung und des flüssigen
Dielektrikums, welches die feste Isolierung umgibt, möglichst nah aneinander anzupassen.
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Stoffartige Matten und/oder Papiere, die aus Nicht-Zellulosefasern
hergestellt sind, haben sich im allgemeinen als ungeeignet fUr eine feste Isolation
in flUssigkeitsgefUllten Transformatoren erwiesen, da ihre elektrische Impulsfestigkeit,
bei Imprägnierung mit flUssigem Dielektrikum nicht größer ist
als
die des fliissigen Dielektrikums allein, was demnach insgesamt ein Isoliersystem
ergibt, das eine geringere elektrische Impulsfestigkeit als reine Zelluloseisolierung
hat. Außerdem sind die synthetischen festen Isolationen oftmals in ihrer chemischen
Widerstandsfähigkeit und den physikalischen Eigenschaften begrenzt, wenn sie den
erhöhten Arbeitstemperaturen des Xransform«Drs ausgesetzt werden.
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Undurchlässige dielektrische Schichten, wie z. B. eine Polyesterschicht,
sind ebenfalls in den meisten Anwendungsfallen als feste Isolationen in flUssigkeitsgefullten
Leitungstransformatoren ungeeignet, weil ihre elektrische Impulsfestigkeit In V/mm
schnell abfällt, wenn sie in Dicken von oberhalb etwa 0,13mm (5 mil) verwendet werden.
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Aufgabe vorliegender Erfindung ist daher die Schaffung eines Isoliersystems
mit insgesamt höherer Impulsfestigkeit, höherer Wärmefestigkeit sowie gleichzeitig
besserer mechanischer Widerstandsfähigkeit, als dies für bisherige ausSapier und
flüssigem Isolationsanteil bestehende Isolationssysteme erzielbar war.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Isoliersystem ftir ein hoher elektrischer
Spannungs- und Wärmebeanspruchung ausgesetztes elektrisches Gerät, mit einem flüssigen,
innerhalb eines Gehäuses des elektrischen Gerätes angeordneten Dielektrikum, in
das mindestens eine mit Zuleitungen versehene elektrische Wicklung eingetaucht ist,
sowie mit einem von dem flüssigen Dielektrikum imprägnierten und wenigstens einen
Teil der Wicklung elektrisch isolierenden festen Isolierstoff, erfindung gemäß dadurch
gekennzeichnet, daß der feste Isolierstoff ein Papier mit einer aus vollständig
aromatischen Polyamidfasern gebildeten Faserbahn aufweist.
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Die Erfindung wird nachstehend zusammen mit weiteren Merkmalen anhand
eines AusfUhrungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung beschrieben.
Darin zeigt:
Fig. 1 ein Diagramm, in dem die Grenzwerte der Impuls-Durchschlagsfestigkeit
des erfindungsgemäßen Isolierstoffs mit Isoliersystemen nach dem Stand der Technik
verglichen werden; Fig. 2 eine perspektivische, teilweise weggeschnittene Ansicht
eines mit Flüssigkeit gefüllten Transformators; und Fig. 3 eine schematische Schnittansicht
eines Teils des in Fig. 2 gezeigten Transformators.
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Bei bestimmten Arten von flüssigteitsgekühlten elektrischen Geräten
wie Transformatoren wird aus Zellulosefasern hergestelltes Papier verwendet, um
die einzelnen Windungen einer Wicklung sowie die Zuleitungen elektrisch zu isolieren.
Zelluloseisolation wird nicht nur wegen ihrer Wirtschaftlichkeit verwendet, sondern
auch deshalb, weil sie, wenn sie mit einem flüssigen, isolierenden Dielektrikum
wie z. B. Transformatorenöl imprägniert wird, ausgezeichnete elektrische Isolationseigenschaften
hat. Diese Faktoren und das Fehlen annehmbarer Austauschstoffe haben dazu geführt,
daß mit einem flüssigen Dielektrikum imprägnierte Zelluloseisolation praktisch universell
als Isoliersystem fUr Transformatoren eingesetzt wird, obwohl bestimmte Nachteile
der Zelluloseisolation Beschränkungen in der Transformatorausgestaltung bedingen.
Beispielsweise erfahren die elektrischen Isoliereigenschaften und die mechanische
Festigkeit der Zelluloseisolation bei Temperaturen oberhalb von lC0° C, auch bei
Imprägnierung mit Transformatorenöl, eine rasche Verschlechterung bzw. Alterung.
Wenn sich die Zelluloseisolation verschlechtert, scheidet sie als Nebenprodukt Wasser
ab, das die übrigen Bereiche des Isolationssystems verunreinigt. Die Anwendung von
Zelluloseisolationen begrenzt deshalb wegen der relativ geringen thermischen Festigkeit
der Zelluloseisolation die mittlere Arbeitstemperatur eines Transformators.
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In bestimmten Bereichen des Transformators auftretende heiße Stellen,
deren Temperatur die mittlere Arbeitstemperatur des Transformators noch Ubersteigen,
lassen die durch das Zellulosepapier gegebene thermische begrenzung im Hinblick
auf die Ausgestaltung des Transformators noch starker wirksam werden, int3cn
die
zulässige mittlere Arbeitstemperatur des Transformators noch unter die Temperatur
abgesenkt wird, der die Zelluloseisolation normalerweise widerstehen wUrde. Zellulosepapiere
größerer elektrischer Festigkeit stehen zwar zur VerfUgung, aber diese Papiere verhalten
sicllgemein spröder als Ubliche Zellulosepapiere, so daß aus mechanischen GrUnden
oft doch die herkömmlichen Zellulosepapiere mit ihrer geringeren Spannungsbelastbar
keit eingesetzt werden mUssen.
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Wenngleich Zellulosepapier erst durch Alterung spröde wird, wenn es
erhöhten Arbeitstemperaturen ausgesetzt wird, so ist seine mechanische Festigkeit
sogar schon bei der Herstellung des elektrischen Geräts beschränkt, so daß seine
Verwendung besonders schwierig wird, wenn ein Einreißen des Papiers zu erwarten
steht.
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Eine andere Eigenschaft von Zellulosepapier, die in bestimmten Anwendungsfällen
nachteilig ist, ist seine relativ hohe Dielektrizitätskonstante. Mit Transformatorenöl
imprägniertes Zellulosepapier hat eine Dielektrizitätskonstante im Bereich von 3,2
bis 4,2, während das Öl eine Dielektrizitätskonatante von 2,2 hat. Da die elektrische
Belastung sich in einem Medium umgekehrt proportional zu den Dielektrizitätskonstanten
der das Medium bildenden Einzelschichten verteilt,verlagert die ölimprägnierte Zelluloseisolation
die elektrische Belastung auf ölgefUllte Durchgänge und andere ölgefUllte Hohlräume
in der Nähe der festen Isolation. Um eine solche ungleichförmige Spannungsver teilung
zu verhindern, ist die Dielektrizitätskonstante der ölimprägnierten, festen Isolation
derjenigen des Transform torenöls vorzugsweise stärker angenähert.
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Die undurchlässigen synthetischen Isolierschichten und die Papiere
sowie die gewebeähnlichen Matten aus synthetischen Fasern sind im allgemeinen fAr
die Anwendung als feste Isolation in fldssigkeitsgefEllten Transformatoren ungeeignet,
auch wenn die Kosten außer Betracht bleiben.-Der Grenzwert der Impulsdurchschlagsfestigkeit
der undurchlässigen Schichten in V/mm fällt rasch mit der Dicke ah, wodurch sich
ihre Anwendung im erforderlichen
Dickenbereich bei Leistungstransformatoren
verbietet.
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Die aus Nicht-Zellulosefasern hergestellten Papiere und Matten haben
im allgemeinen eine relativ geringe Impuls-Grenzdurchschlagsfestigkeit in V/mm so
daß aus festen, nicht aus Zellulose bestehenden Isolationen einerseits und flüssigen
Isolierstoffen andererseits aufgebaute Isoliersysteme nicht den synergetischen Effekt
wie aus Zelluloseisolierungen und flüssigen Dielektrika aufgebaute Isoliersysteme
zeigen. Weiter sind die synthetischen Fasern im allgemeinen in ihrer chemischen
Widerstandsfähigkeit und den physikalischen Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen
ähnlich den natUrlichen organischen Fasern beschränkt. Deshalb war die Anwendung
von synthetischen Schichten oder Filmen, Geweben und Papier auf Trockentransformatoren
beschränkt, wobei das Schwergewicht bei flUssigkeitsgekAhlten Transformatoren auf
einer thermischen Stabilisierung der Zelluloseisolation lag, indem bestimmte Zusätze
verwendet wurden, wie sie beispielsweise in der US-Patentschrift 2 722 561 beschrieben
sind.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein flUssigkeitsgekUhltes elektrisches
Gerät wie einen Transformator oder dergleichen, fUr das als fester Isolierstoff
aus vollständig aromatischen Polyamidfasern hergestelltes Papier verwendet wird,
das im Gegensatz zu sonstigen Nicht-Zellulosepapieren, synergetisches Verhalten
zeigt, wenn es mit einem flüssigen Dielektrikum wie Transformatorenöl imprägniert
wird, wobei seine 60 Hz-Durchschlagsfestigkeit und seine Impulsfestigkeit mindestens
um den Faktor Zwei erhöht werde; Außerdem ist die Impulsfestigkeit dieses spezifischen
synthetischen Papiers, wenn es mit Transformatorenöl imprägniert ist, um 30 bis
50 % höher als fUr Ubliche feste Transformatorenisolationen der gleichen Dicke,
d.h. von mit Transformatorenöl imprägniertem Kabel-Kraftpapier, während seine 60
Hz-Durchschlagsfestigkeit um 25 bis 35 % höher als die von imprägniertem Zellulosepapier
liegt. Aus vollständig aromatischen Polyamidfasern hergestelltes Papier hat auch
eine hervorragende mechanische Festigkeit, ist thermisch stabil und hat
nach
der Imprägnierung mit Transformatorenöl eine Dielektrizitätskonstante, die sich
näher an die des Öles anschließt, als dies bei mit Transformatorenöl imprägnierten
ZelluloseisQlationen der Fall ist; ferner nimmt es weder Feuchtigkeit auf noch scheidet
es bei der Alterung Wasser als Nebenprodukt ab.
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Aus vollständig aromatischen Polyamidfasern hergestelltes, mit Transformatorenöl
imprägniertes Papier wurde mit zur Anwendung fUr elektrische Isolation bestimmtem,
mit Transformatorenöl imprägniertem Zellulosepapier verglichen, wobei Versuche gemacht
wurden, um die Impulsfestigkeit, die 60 Hz-Durchschlagsfestig keit und den Verlustfaktor
bei 60 Hz fWr verschiedene Proben aus vollständig aromatischem Polyamidpapier einerseits
und aus Zellulosepapier andererseits zu ermitteln.
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Als erstes wurde die Inipulsdurchschlagsfestigkeit der Proben untersucht.
Vz>r Durchführung des Versuchs wurden die Proben im Vakuum getrocknet und mit
Öl imprägniert, wobei übliches Transformatoren-Minerlibl verwendet wurde. Die Proben
wurden nach der Imprägnierung bis zum Abschluß der Versuche nicht aus dem Öl herausgenommen.
Die Impuls-Durchschlagsvers uche wurden mit einen Durchmesser von ca. 5 cm aufweisenden
Elektroden mit ebener Oberfläche und auf einen Radius von etwa 6,4 mm abgerundeten
Kanten durchgefWhrt. Die 1-1/2 x 40 Mikrosekunden dauernden negativen Spannungsimpulse
wurden an der oberen Elektrode angelegt und die Versuche bei Raumtemperatur durchgefahrt.
Tabelle I gibt eine Zusammenstellung der erhaltenen Ergebnisse.
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Tabelle I Impulsdurchschlagsfestigkeit in Transformatorenöl Probe
Anzahl Mittlere Gesamt- spez. Gew. Durchschlag d.Schich- dicke (Mittelwert) ten
mm mil kV/mm V/mil vollst. 1 0,0584 2,3 144,0 3660 aromat. 3 0,165 6,5 168,0 4110
Polyamid- 7 0,376 14,8 154,0 3920 papier 2 0 9 8 2 L / 0 4 6 7
Probe
Anzahl d. Mittlere Gesamt- spez. Gew. Durchschlag Schichten dicke (Mittelwert) mm
~~~~~~~~ mm mil ~~~~~~~~~ kV/mm V/mil vollst. 1 0,0787 3,1 124,7 3170 aromat. 3
0,218 8,6 0,82 149,0 3790 Polyamidpa- 5 0,366 14,4 142,3 3620 pier 1 0,142 5,6 130,8
3320 3 3 0,412 15,2 0,77 132,0 3360 " 4 0,556 21,9 127,5 3240 " 1 0,185 7,3 117,5
2990 " 2 0,353 13,9 1,02 127,5 3240 3 3 0,535 21,1 121,5 3090 " 1 0,175 6,9 0,32
109,5 2790 " 2 0,34 13,4 110,1 2800 lt 1 0,277 10,9 137,0 3480 " 2 0,554 21,8 0,56
137,8 3500 II 1 0,2385 9,4 125,5 3190 2 2 0,467 15,4 0,66 138,5 3520 " 1 0,0457
1,8 160,0 4070 " 3 0,1395 5,5 0,73 184,0 4670 " 10 0,457 18,0 170,0 4320 " 1 0,0813
3,2 134,5 3420 3 3 0,231 9,1 0,47 141,7 3600 " 5 0,378 14,9 142,8 3630 " " 1 0,0686
2,7 124,2 3160 " 3 0,188 7,4 0,60 145,2 3690 7 7 0,482 19,0 149,o 3800 " 1 0,099
3,9 135,7 3450 3 3 0,277 1D,9 0,67 147,0 3740 5 5 0,47 18,5 157,0 3990 " 1 0,0864
3,4 153,3 3900 " 3 0,2565 10,1 0,79 156,5 3980 " 6 6 0,518 20,4 150,8 3830 Zellulose-
1 0,0559 2,2 113,0 2870 papier 3 0,160 6,3 122,0 3100 " 1 0,0787 3,1 103,8 2640
" 2 0,155 6,1 106,5 2710 " 3 0,226 8,9 92,5 2350 Die völlig aromatischen Polyamidpapiere
wie etwa die unter dem Warenzeichen Nomex bekannten, werden auf einer herkömmlichen
Papiermaschine hergestellt, und bilden dementsprechend in Wasser aufgebaute faserige
Bahnen, die in verschiedenen Dichten erhältlich
sind. Die ersten
vier in Tabelle I aufgeflihrten Beispiele Stellen die am meisten verbreiteten Dichten
erhältlichen vollständig aromatischen Polyamidpapiers dar, während die nächsten
drei Beispiele niedrigere Dichten haben. Diese verschiedenen Papiersorten wurden
untersucht, um zu bestimmen, ob die Dichte des Papiers einen nennenswerten Einfluß
auf die elektrische Festigkeit der Isolation hat, weil weniger dichtes Papier billiger
ist. Wie aus Tabelle I hervorgeht, ist die Dichte des Papiers für die elektrische
Festigkeit bei weitem nicht so wichtig wie seine Dicke. Die nächsten fünf Versuchsbeispiele
für vollständig aromatisches Polyamidpapier liegen in dem Dickenbereich, der normalerweise
für Zellulose-Leiterisolationen in Leistungstransformatoren verwendet wird, und
geben deshalb einen besseren Anhalt auf ihren Wert als elektrischer Isolierstoff
als die Versuche mit dem dickeren Papier. Die letzten zehn Beispiele in Tabelle
I sind Ubliche Zellulosepapiere, die mit aufgenommen wurden, um einen Hinweis auf
die relativen Grenzwerte der Impulsfestigkeit des vollständig aromatischen Polyamidpapiers
und des Zellulosepapiers zu erhalten.
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Fig. 1 zeigt ein Diagramm, in dem der Grenzwert der Impulsfestigkeit
in V/mil über der Gesamtdicke der Isolation in mil fUr verschiedene in Transformatorenöl
untersuchte, völlig aromatische Polyamidpapiere aufgetragen ist. Die Kurven 10,
12, 14, 16, 18, 20 und 22 repräsentieren typische Ergebnisse von Versuchen an vollständig
aromatischen Polyamidpapieren verschiedener Dicken und Dichten, während die Kurven
24 und 26 typische für an 0,0508 mm (2 mil) dicken Polyester-Schichten bzw. an 0,0762
mm (3 mil) dickem Kabel-Kraftpapier durchgefahrte Versuche sind.
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Diese Kurven zeigen, daß sämtliche untersuchten vollständig aromatischen
Polyamidpapiere in dem fiir Leistungstranformatoren üblichen Dickenbereich von 0,046
mm bis 0,254 mm (1,8 bis 10 mil) eine erhebliche größere Impulsfestigkeit als die
Polyesterschicht oder das Kabel-Kraftpapier haben.
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An bestimmten Proben wurden außerdem Versuche zur Bestimmung der 60
Hz-Durchschlagsfestigkeit des vollständig aromatischen Polyamidpapiers durchgeführt.
Mit Tabelle II sind die Ergebnisse dieser Untersuchung zusammengestellt, wobei der
Anstieg von 25 f/sec im Gegensatz zu einem Versuch mit schnellem Anstieg eine Annäherung
an einen stufenweisen Versuch darstellt.
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Tabelle II 60 Hz-Durchschlagsfestigkeit in Transformatorenöl Spannungsanstieg
25 V/sec Probe Anzahl der mittlere Gesamt- Durchschlag Schichten dicke (Mittelwert)
mm mm mil kV/mm V/mil vollst. 3 0,155 6,1 74,6 1870 aromat. 10 0,584 23,0 46,1 1170
Polyamidpa- 20 1,142 45,9 38,6 980 pier " 3 0, 214 8,4 64,5 1640 II 7 0,542 21,3
44,5 1130 " 14 1,118 43,9 38,6 980 II 3 0,435 17,1 48,4 1230 " 5 0,725 28,5 45,3
1150 " 8 1,160 45,7 38,2 970 n 3 0,1348 5,3 78,3 1990 II 10 0,490 19,3 48,4 1230
" 3 0,297 11,7 53,5 1360 " 5 0,513 20,2 45,0 1143 " 10 1,027 40,4 38,6 980 " 3 0,259
10,2 59,0 1500 " 6 0,544 21,4 46,5 1180 " 12 1,081 42,6 39,0 990 Auf der nachfolgenden
Tabelle III sind die Resultate von Versuchen zusammengestellt, die sowohl an aromatischem
Polyamidpapier als auch an Zellulosepapier vorgenommen wurden, wobei einige der
Versuche mit einem Anstieg von 500 V/sec, andere dagegen stufenweise erfolgten.
Außerdem ist für einige der vollständig aromatischen Polyamidpapiere der mittlere
Wert der Durchschlagsfestigkeit in Luft angegeben. Wie ersichtlich, weisen
die
aromatischen Polyamidpapiere eine wesentlich höhere 60 Hz-Durchschlagsfestigkeit
als die Zellulosepapierproben auf.
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Tabelle III 60 Hz-Durohschlagsfestigkeit Mittlere Durchschlagsspannung
@@ @@ Probe Anzahl d. mittlere in Luft 500V/sec 25V/sec Schichten Dicke Anstieg
Anstieg mm mil kV/mm V/mil kV/mm V/mil kV/mm V/mil vollst. aromat.
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Polyamid- 1 0,0584 2,3 18,9 480 69,3 1760 52,7 1340 papier " 1 0,0787
3,1 27,9 710 74,0 1880 65,7 1670 " 1 0,0507 2,0 14,2 360 68,8 1750 64,5 1640 II
1 0,0890 3,5 24,0 610 72,8 1850 Zellulose- 1 0,0558 2,2 55,5 1410 papier lt 1 0,0787
3,1 44,5 ei 30 Schließlich wurde noch der Verlustfaktor des vollständig aromatischen
Polyamidpapiers im Vergleich zu dem Verlustfaktor des Zellulosepapiers bestimmt.
Die Ergebnisse der entsprechenden Versuche zur Bestimmung des prozentualen Verlustfaktors
sind in Tabelle IV zusammengestellt.
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Tabelle IV Verlustfaktoren und dielektrische Konstanten Prozentualer
Verlustfaktor Dielektrizitätskonstante Probe 380 C 750 C 1000 C 1250 C 380 C 1250
C vollständig aromatisches Polyamidpapier 0,95 1,4 2,65 3,9 2,69 2,73 " 1,1 1,7
2,9 4,0 3,00 3,11 " 0,60 0,70 0,92 1,1 2,64 2,71 II 0,55 0,58 0,75 0,92 2,40 2,40
Zellulosepapier0,82 1,6 3,5 5,1 2,69 2,97
Man erkennt, daß der
Verlustfaktor des vollständig aromatischen Polyamidpapiers mit ansteigender Temperatur
nur geringfügig zunimmt. Außerdem ist mit Ausnahme der zweiten Probe, die eine hohe
Dichte (0,82) hat, die Dielektrizitätskonstante des synthetischen Papiers niedriger
als die des Zellulosepapiers.
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Fig. 2 zeigt eine perspektivische, teilweise weggeschnittene Ansicht
eines Transformators 30. FUr nahezu jeden Anwendungsfall der Isolation in einem
solchen Transformator 30 ist das aromatische Polyamidpapier im Vergleich mit Zellulosepapier
mit Vorteil zu verwenden, wobei die Wahl in bestimmten Anwendungsfällen durch die
relativen Kosten pro Gewichtseinheit der beiden Materialien beeinflußt werden kann.
Die höheren Kosten des synthetischen Papiers können durch seine Vorteile in bestimmten
Anwendungsfällen aufgewogen werden, in anderen Fällen dagegen nicht. Das vollständig
aromatische Polyamidpapier wird daher trotz seiner gegenüber Zellulosepapier größeren
mechanischen Festigkeit, besseren Temperaturbeständigkeit sowie besseren elektrischen
Festigkeit so lange keine allgemeine Verwendung finden, bis die Kosten pro Gewichtseinheit
der beiden Papier arten sich stärker aneinander angeglichen haben. Bei kritischer
Anwendung des synthetischen Papiers wird es jedoch möglich sein, Einschränkungen
der Ausgestaltung zu ändern und dadurch die Senkung anderer Kosten zu ermöglichen.
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Im einzelnen weist der Transformator 30 eine Magnetkern-Wicklungsanordnung
32 auf, die innerhalb eines Gehäuses 34 angeordnet ist. Das Gehäuse 34 ist bis zu
einer Höhe 36 mit einem flüssigen Dielektrikum wie Mineralöl oder einem der in Leistungstransformatoren
Ublicheriwese verwendeten synthetischen flüssigen Dielektrika gefüllt, wobei die
Magnetkern-Wicklungsanordnung 32 völlig in das flüssige Dielektrikum eingetaucht
ist. Das fAüssige Dielektrikum unterstützt die Isolation der verschiedenen elektrischen
Leiter gegeneinander und gegen Erde und dient gleichzeitig zur KUhlung des TransIorini.ors
30. mit dem Gel.iuse 34 sind Kühler 38 verbunden, durch die das flUsqi ge I)i e3
ektrikum
entweder durch Thermosiphonwirkung oder durch Zwangsumwälzung
zirkuliert, um die von der Magnetkern-/Wicklungsanordnung 32 aufgenommene Wärme
abzugeben.
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Der Transformator 30 des vorliegenden Beispiels ist als Dreiphasen-Kerntransformator
mit einem magnetischen Kern 40 und die Wicklungsschenkel des Magnetkerns 40 umgebenden
Wicklungsgruppen 42, 44 und 46 ausgebildet. Jede Wicklungsgruppe weist eine Niederspannungswicklung
und eine Hochspannungswicklung auf, die konzentrisch um einen Schenkel des Magnetkerns
40 herum angeordnet sind. Die Hochspannungswicklungen sind an Hochspannungsdurchfahrungen
angeschlossen, von denen die beiden DurchfUhrungen 48 und 50 in der Zeichnung gezeigt
sind, während die dritte Durchfhrung in der Öffnung 52 montiert wird. Wenn die Niederspannungswi@klungen
in Sternschaltung aneinander angeschlossen sind, liegt ihr Nulleiter an einer Durchführung
54, und die anderen Enden der Niederspannungswicklungen sind Uber Leitungen 56,
58 und 60 an (nicht gezeigte) Niederspannungs-Durchführungen angeschlossen. Ein
nicht unter Last schaltbarer Anzapfungsum schaltmechanismus 62 ist Uber mehrere
Leiter 64 an die Hochspannungswicklungen angeschlossen. Gewünschtenfalls kann auch
ein unter last schaltbarer Anzapfungsumschaltmechanismus verwendet werden.
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Die erste Stelle im Transformator 30, wo das aromatische Polyanidpapier
mit erheblichem Vorteil verwendet werden kann, ist dort, wo sich die an den Umschaltmechanismus
62 angeschlossenen Leiter 64 sowie die die Hochspannungswicklungen mit den Hochspannungsdurchfahrungen
verbindenden Hochspannungskabel befinden.
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Die hohe elektrische Festigkeit des vollständig aromatishen Polyamidpapiers
und seine gegenüber Zellulosepapier niedrigere Dielektrizitätskonstante würden eine
Vereinfachung der Auagestaltung dieser teitungen und eine Erhdhung ihrer Zuverlässigkeit
ermöglichen. Die höhere elektrische Festigkeit des vollständig aromatischen Polyamidpapiers
ermöglicht es, die Isolierspalte zu verkleinern, und die niedrigere Dielektrizitätskonstante
des
imprägnierten vollständig aromatischen Polyamidpapiers verteilt die Belastungen
gleichmäßiger über die benachbarten Öldurchgänge, was zu einer Verbesserung des
Koronaverhaltens des Transformators führt.
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Wenn die Kosten des aromatischen Polyamidpapiers sich stärker an die
Kosten für eine Zellulose-Isolation angenähert haben, kann das vollständig aromatische
Polyamidpapier für die kritische Isolation von Windung zu Windung gegenüber der
Hochspannungswicklungen verwendet werden. Fig. 3 ist eine schematische Schnittansicht
eines Abschnittes- der Wicklungsgruppe 46 und des Magnetkerns 40 des Transformators
30 von Fig. 2, welche die elektrischen Leiter der Hochspannungs-Wicklung und die
Windungs-bzw. Lagenisolation deutlicher zeigt.
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Im einzelnen weist die Wicklungsgruppe 46 Hoch- und Niederspannungs-Wicklungsgruppen
70 und 72 auf, die konzentrisch zu einer gemeinsamen Mittellinie um einen Schenkel
74 des Magnetkerns 40 herum angeordnet sind. Die Niederspannungswicklung 72 weist
eine Viezahl von Leiterwindungen 78 auf, die gegenUber dem Magnetkern 40 und der
Hochspannungswicklung 70 durch die Isolierung 80 elektrisch voneinander getrennt
sind. Die Hochspannungswicklung enthält eine Mehrzahl von Scheibenspulen wie die
Scheibenspulen 82 und 84 . Jede dieser Scheibenspulen weist jeweils eine Mehrzahl
von radial im Abstand voneinander verlaufenden 1ieiterwindungeuf, die spiralförmig
um eine Öffnung zur Aufnahme des Wicklungsschenkels 74 des Magnetkerns und der Niederspannunwicklung
72 gewickelt sind, wobei die Windungen im wesentlichen Scheibenform mit einer ersten
und einer zweiten einander gegentiberliegenden äußeren Hauptfläche und einem vorgegebenen
Außendurchmesser haben. Die verschiedenen Scheibenspulen sind mit gegenseitigen
Abständen voneinander tlbereinandergeschichtet, wobei ihre Außenkanten miteinander
fluchten und ihre zueinander paralle@len Hauptflächen zwischen sich KUhikanäle wie
etwa der Kühlkewnal 86 begrenzen. Die Scheibenepulen sind in Serie geschaltet, wobei
die
End-Scheibenspule 82 an eine Leitung 88 angeschlossen ist,
während die einzelnen benachbarten Spulen untereinander über innere Verbindungen
90 bzw. äußere Verbindungen 92 miteinander in Verbindung stehen.
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Die Leiter der Scheibenspulen weisen mindestens eine elektrisch leiende
Ader wie etwa die Ader 94 auf, die dann mit einer Mehrzahl von Lagen 96 aus Isolierpapier
umwickelt sind. Die Scheibenspulen sind Stoßspannungen und Spannungsschwingungen,
wie sie etwa durch Blitzschläge oder Schaltvorgänge hervorgerufen werden, sowie
sonstigen auf das elektrische System einwirkenden Einschwingspannungen ausgesetzt,
durch die die Isolationen zwischen den einzelnen Windungen, in den Kühlkanälen zwischen
den Scheibenspulen sowie zwischen Niederspannungswicklung und Erde stark beansprucht
werden. Das vollständig aromatische Polyamidpapier mit seiner höheren Impulsdurchschlagsfestigkeit
würde sich in hervorragender Weise als Windungsisolation 96 einsetzen lassen und
einen größeren Sicherheitsfaktor hinsichtlich durch die hohen Einschwingbeanspruchungen
hervorgerufener Fehler gewährleisten. Die niedrigere Dielektrizitätskonstante wUrde
außerdem in den ölgefüllten Etlhlkanälen eine geringere Beanspruchung als bei Zelluloseisolation
auftreten lassen, woraus eine geringere Ionisierung des flüssigen Dielektrikums
und ein verbessertes Koronaverhalten des Transformators resultieren.
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Wenngleich die Erfindung vorstehend in Verbindung mit einem Drei-Phasen-Transformator
der Kernbauart erläutert worden ist, ist es doch klar, daß sie in gleicher Weise
für ein ein- oder mehrphasiges elektrisches Gerät sowie für Transformatoren der
Mantelbauart verwendet werden kann, ebenso wie bei Drosseln oder eonstigen Hochspannungsgeräten,
bei denen elektrische Leiter mit einer festen Isolierung in ein flüssiges Dielektrikum
eingetaucht sind.
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Insgesamt ist sonst ein neues und verbessertes Isoliersystem ftir
ein durch Flüssigkeit isoliertes und gekühltes elektrisches Gerät wie einen Transformator
beschrieben worden, bei dem elektrische Leiter mit einer festen Isolation aus vollständig
aromatischem Polyamidpapier versehen sind, die mit einem flüssigen Dielektrikum
wie Transformatoren-Mineralöl oder synthetischen Ölen, wie z. B. den Chlordiphenyl
und Trichlorbenzol enthaltenden Ölen, getränkt ist. Die Impulsfestigkeit des getränkten,
vollständig aromatischen Polyamidpapiers ist, insbesondere bei Dicken von 0,051
mm (2 mil) bis 0,25 mm (10 mil) erheblich höher als die Impulsfestigkeit von imprägniertem
Kabel-Kraftpapier. Diese hohe Impulsfestigkeit macht das erfindungsgemäß eingesetzte
Papier aus vollständig aromatischem Papier, in Verbindung mit dessen außerordentlicher
mechanischer Festigkeit, thermischer Stabilität und Widerstandsfähigkeit gegenUber
dem Angriff der üblicherweise verwendeten flüssigen Dielektrika ganz besonders wertvoll
fUr die Anwendungsfälle, in denen es auf Impulsfestigkeit in starkem Maße ankommt.
Die 60 Hz-Durchschlagsfestigkeit des vollständig aromatischen Polyamidpapiers ist
ebenfalls besser als die von Kabel-Kraftpapier.
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Da die Dichte des aromatischen Polyamidpapiers fUr die Bestimmung
der Impulsfestigkeit nicht kritisch ist, kann Papier der geringsten Dichte, das
eine ausreichende Trennung der Windungen einer Scheibenspule gewährleistet, verwendet
werden. Die Dichte sollte also nicht so gering sein, daß das Papier soweit zusammengedrückt
werden kann, daß die erforderlichen Abstände nicht gewahrt werden können.
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Die Impulsfestigkeit des aromatischen Polyamidpapiers wird primär
durch die Dicke des Papiers eingestellt. Die Impulsfestigkeit in V/mm bzw. V/mil
erreicht üblicherweise ein Maximum bei zwei oder drei Papierlagen. Danach sinkt
sie, wenn die Dicke weiter vergrößert wird, langsam wieder ab, wobei die Durchschlagsfestigkeit
in V/mm bzw. V/mil ftir 1,27 mm (50 mil) Dicke etwa 8o ihres Maximums aufweist.
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Die 60 Hz-Durchschlagsfestigkeit des vollständig aromatischen Polyamidpapiers
ist bei Dicken bis zu 0,127 mm (5 mil) wesentlich höher als für Zellulosepapier
und bleibt auch ftir Mehrfachlagen bis etwa 0,508 mm (20 mil) weitgehend erhalten.
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Der Verlustfaktor des aromatischen Polyamidpapiers zeigt bei Erhöhung
der Temperatur im Gegensatz zu Zellulosepapier nur einen leichten Anstieg, und das
vollständig aromatische Poly amidpapier scheidet auch kein Wasser als Nebenprodukt
ab, wenn es durch Wärmeeinwirkung altert. Schließlich ist die Dielektrizitätskonstante
des vollständig aromatischen und mit dem fltissigen Dielektrikum getränkten Polyamidpapiers,
mit Ausnahme des Falles des sehr dichten Papiers, niedriger als die von Zellulosepapier,
was für bestimmte Anwendungsfälle, wie z. B.
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Hochspannungskabel und andere Gebiete, wo das fltissige Dielektrikum
durch den isolierten Leiter direkt beansprucht wird, wesentlich ist.
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Patentallsprüohe: