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Spannungswandler Die Erfindung bezieht sich auf einen in einem Behälter
angeordneten Spannungswandler mit gasförmigem oder flüssigem Isoliermittel und mit
festem Isoliermaterial für die Primärwicklung, insbesondere auf einen Spannungswandler
für vollisolierte, metallgekapselte Hochspannungs-Schaltanlagen.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 807 997 ist ein Spannungswandler
für eine mittels Isoliergas vollisolierte, metallgekapselte Hochspannungs-Schaltanlage
bekannt, dessen Wicklungen und Kern in einem mit dem Isoliergas gefüllten, an die
Metallkapsel der Schaltanlage gasdicht anflanschbaren Druckkessel angeordnet sind;
die Hochspannungswicklung liegt innerhalb eines Isolierkörpers. Durch den-Ubergang
zu immeijhöheren Übertragungsspannungen und durch das Anwachsen der Stückzahlen
ergeben sich bei der Herstellung des Isolierkörpers mit der eingebetteten Hochspannungswicklung
h-insichtlich des wirtschaftlichen Aufwandes und des Gewichtes relativ große Probleme.
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Um unter anderem hier Abhilfe zu schaffen, wird bei einem Spannungswandler
der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß
vorgeschlagen, die
Primärwicklung in an sich bekannter Weise in mehrere in Reihe geschaltete Teilspulen
aufzuteilen und jede Teilspule für sich mittels einer Barriere aus dem festen Isoliermaterial
und mittels des gasförmigen oder flüssig gen Isoliermittels zu isolieren.
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Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht also darin, anstelle
eines einzigen Isolators mehrere Teilisolatoren zu verwenden und die Primärwicklung
in einzelne Teilspulen zu unterteilen, die für sich durch eine Barriere aus dem
festen Isoliermaterial und durch das gasförmige oder flüssige Isoliermittel isiliert
sind. Als gasförmiges Isoliermittel kann beispielsweise Druckluft oder ein elektronegatives
Gas, vorzugsweise Schwefelhexafluorid, verwendet werden. Bei dem erfindungsgemäßen
Spannungswandler ergibt sich dann zwischen den einzelnen,Teilspulen eine Reihenschaltung
von verschiedenen Isolationsmedien, und zwar von Isoliergas oder Isolierflüssigkeit
und von festem Isolierstoff, der beispielsweise Gießharz sein kann.
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Der erfindungsgemäße Spannungswandler bietet mehrere Vorteile; so
ist bei-ihm der Anteil an festem Isoliermaerial im Vergleich zu dem bekannten Spannungswandler
wesentlich vermindert, wodurch auch sein Gewicht geringer und die Her-stellungskosten
niedriger werden. Ferner bietet die Aufteilung der Primärwicklung in einzelne Teilspulen
den Vorteil, daß eine Massenfertigung der Frimärwicklungsteile ermöglicht wir, mit
dem weiteren Vorteil, daß sich die Einzelspulen getrennt-vorprüfen und hinsichtlich
ihrer Qualität beurteilen lassen. Bei ungenügender Qualität braucht dann nur eine
veilspule verworfen zu werden und nicht etwa die gesamte Hochspannungswicklung.
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Es vereinfacht sich ferner die Teilentladungsmessung und die Beurteilung
der Ergebnisse
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen
Spannungswandlers ist auch in der Kombination des festen Isoliermaterials als Barriere
für elektrische Entladungen mit einem gasförmigen Isoliermittel zu sehen, vorzugsweise
einem elektronegativen Gas mit einer hohen Elektronen-Affinität und mit einer hohen
Glimmbeständigkeit. Dadurch wird die hohe Stoßdurchschlagfestigkeit fester Isoliermaterialien
mit der hohen Glimmbeständigkeit von Gasen kombiniert.
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Ferner wird bei dem erfindungsgemäßen Spannungswandler durch Verwendung
eines elektronegativen Gases als gasförmiges Isoliermittel eine Erhöhung der elektrischen
Sicherheit erreicht.
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Auch bei der Herstellung der einzelnen leilspulen im Hinblick auf
die Fertigung der Barrieren bietet der erfindungsgemäße Spannungswandler insofern
einen wesentlichen Vorteil, als sich im Falle der Verwendung von Gießharz zur Herstellung
von die Barrieren bildenden Umhüllungen der Teilspulen die bei einem großen Isolierkörper
auftretenden Probleme, wie Exothermie und Schrumpfung, nicht bemerkbar machen.
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Es ist zwar bereits aus den schweizerischen Patentschriften 294 051
und 312 380 bekannt, die Primärwicklung eines Spannungswandlers in mehrere Teilspulen
aufzuteilen und - wie insbesondere der schweizerischen Patentschrift 312 380 zu
entnehmen ist - die einzelnen Teilspulen in Teilisolierkörpern unterzubringen, die
beispielsweise aus Gießharzen bestehen können, jedoch bildet das Gießharz die einzige
Isolation zwischen der Primärwicklung und'dem de'm Eisenkern mit der Sekundärwicklung
und den einzelnen Teilspulen untereinander.
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Auch aus den deutschen Patentschriften 688 166 sowie 692 298 sind
Spannungswandler bekannt, bei denen die Hochspannungswicklung in einzelne Teilspulen
aufgeteilt ist, die auf getrennten
Spulenkörpern untergebracht
sind. Zur Isolierung der Teilspulen der Hochspannungswicklung von dem Eisenkern
mit -der Niederspannungswicklung wird bei diesen bekannten Spannungswandlern aber
nur eine feste Isolation der Spulenkörper verwendet.
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In der deutschen Auslegeschrift 1 139 759 ist eine in einem gasförmigen
Isoliermittel untergebrachte Wicklungsanordnung für Transformatoren beschriçben,
bei der die Hochspannungswicklung aus einzelnen Scheibenspulen besteht; die Scheibenspulen
sind zu einem Stapel angeordnet, wobei zwischen den einzelnen Scheibenspulen Isolierabstandshalter
angeordnet sind. Auch bei diesem bekannten Transformator werden also die einzelnen
Scheibenspulen einer Hochspannungswlcklung nur durch eine feste Isolation voneinander
isoliert.
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Auch der in der amerikanischen Pätentachrift 2 943 134 beschriebene
gas isolierte Transformator ist hinsichtlich des Wicklungsaufbaues bzw. der Isolation
mit dem erfindungsgemäßen Spannungswandler nicht vergleichbar, da die Primärwicklung
bei dem in dieser Patentschrift beschriebenen Transformator in üblicher Weise aus
einzelnen isolierten Leitern aufgebaut ist und dann die so gewonnene Primärwicklung
durch eine Isolationsbarriere aus festem Isoliermaterial und durch elektronegatives
Gas von der Sekundärwicklung isoliert ist. In Teilapulen ist die Hochspannungswicklung
des bekannten Transformators nicht unterteilt.
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Auch mit dem in der deutschen Patentschrift 1 227 140 beschriebenen
Spannungswandler mit einem Stabkern ist der erfindungsgemäße Spannungswandler nicht
vergleichbar; denn bei dem bekannten Spannungswandler ist zwar die Oberspannungswicklung
auch-in einzelne Teilspulen unterteilt, die auf einzelne Spulenkörper
aufgebracht
sind, jedoch sind die einzelnen Spulenkörper mit den Teilspulen unmittelbar aufeinandergesetzt,
so daß' sie voneinander nur durch festes Isoliermaterial isoliert sind. Das bei
dem bekannten Spannungswandler verwendete elektronegative Gas dient allein als Hochapannungsisolation
zwischen der Oberspannungswicklung und dem Kern mit der Unterspannungswicklung.
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Bei dem erfindungsgemäßen Spannungswandler können die Barrieren aus
dem festen Isoliermaterial in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein. Vorteilhaft
ist es, wenn die Barrieren von Umhüllungen der leilspulen gebildet sind, wobei die
Umhüllungen entweder gegossen oder gewickelt sein können.
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Es besteht jedoch bei dem erfindungsgemäßen Spannungswandler auch
die Möglichkeit, die Barrieren aus schottartig angeordneten Isolierstoffplatten
aufzubauen. Derartige Barrieren sind an sich bekannt, wie der oben bereits angeführten
USA-Patentschrift 2 943 134 zu entnehmen ist.
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Als vorteilhaft erscheint es ferner, wenn bei dem erfindungsgemäßen
Spannungswandler die die Barrieren bildenden-Umhüllungen der Teilspulen mit Belägen
aus leitendem oder halbleitendem Material versehen sind. Diese Beläge können entweder
mit jeweils einem Ende der Geilspulen galvanisch verbunden sein oder rein kapazitiv
angekoppelt sein. Durch diese Beläge ergibt sich insbesondere bei rasch veränderlichen
Vorgängen, also insbesondere bei Stoßspannungen, eine Verbesserung der Potentialsteuerung.
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Das Gesamt-Potential teilt sich rasch der Spule mit, und-die Stoßspannungsverteilung
im Innern der Xeilspulen wird günstiger. Zur Potentialsteuerung sind die Umhüllungen
der eilspulen im Bereich der herausgefuhrten Enden z.B. pilzartig aufgeweitet.
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Es ist ferner vorteilhaft, wenn die hochspannungsseitige Anschlußleitung
der in Reihe geschalteten Teilspulen und/oder die Verbindungsleitungen zwischen
den Teilapulen jeweils ein Rohr zur Zuleitung des gasförmigen oder flüssigen Isoliermittels
in die lagenisolation der Teilspulen aufweisen. Dadurch werden die Ränder der Teilspulen
von dem gasförmigen oder flüssigen Isoliermittel umspült, was sich günstig auf die
Erhöhung der Geilentladungsspannung auswirkt.
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Zwar ist es aus dem deutschen Gebrauchsmuster 1 767 896 bekannt, bei
einem Gießharzwandler eisen derartigen Spulenaufbau zu wählen, daß die Primär- und
die Sekundärwicklung gemeinsam von einer Gießharzhülle umgeben sind, die nach Evakuierung
mit einem elektronegativen Gas gefüllt ist, jedoch ist bei diesem bekannten Hochspannungswandler
der gesamte Spulenaufbau innerhalb der Gießharzhülle untergebracht; in Teilwicklungen
ist weder die Primär- noch die Sekundärwicklung unterteilt.
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Die Teilspulen können bei dem erfindungsgemäßen Spannungswandler unterschiedlich
ausgeführt sein; sie können sowohl Scheiben-, Lagenspulen als auch Röhrenspulen
sein.
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Im Hinblick darauf, daß bei dem erfindungsgemäßen Spannungswandler
infolge der Aufteilung der Primärwicklung in einzelne Teilspulen ein gemeinsamer
Isolierkörper nicht vorhanden ist und damit auch nicht mehr die Möglichkeit besteht,
auf den Isolierkörper ein leitenden Belag aufzubringen, müssen für andere Potential
führende Teile Abschirmmaßnahmen Vorgesehen werden. Diese Maßnahmen können vorteilhafterweise
darin bestehen, daß auf den Eisenkern des Spannungswandlers auf seinen den Teilspulen
benachbarten Teilen abschirmende, abgerundete Rohre aufgebracht werden.
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Zur Erläuterung der Erfindung ist in der Figur 1 im Schnitt
ein
Ausführungsteispiel des erfindungsgemäßen Spannungswandlers mit seinen wesentlichen
Teilen gezeigt. In der Figur 2 ist ebenfalls im Schnitt ein Teil zweier Teilspulen
dargestellt, wie sie bei dem erfindungsgemäßen Spannungswandler Verwendung finden
können, und in der Figur 3 ist ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel der Teilspulen im
Schnitt wiedergegeben.
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Der in der Figur 1 dargestellte Spannungswandler ist in einem Behälter,
beispielsweise einem iruckkessel 1, untergebracht, der an seinem in der Figur 1
oberen Ende eine Öffnung 2 aufweist. Die Öffnung 2 ist mit' einer Zufüiirungs- bzw.
Dichtungsplatte~3 verschlossen, durch die eine hochspannungsseitige Zuführung 4
zur Primärwicklung des Spannungswandlers geführt ist.
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Die Primärwicklung des Spannungswandlers nach Figur 1 besteht aus
Teilspulen 5, 6, 7 und 8, die miteinander in Reihe geschaltet sZnd.-Das niederspannungaseitige
Ende der Teilspule 8 ist an den Eisenkern 9 des Spannungswandlers angeschlossen,
der auf Erdpotential liegt. Die Teilspulen 5 bis 8, die jeweils aus einer Anzahl
von Windungen bestehen, sind von jeweils einer Umhüllung 10, 11, 12 und 13 umgeben,
die aus Gießharz bestehen oder auch gewickelt sein können.
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Innerhalb der Teilspulen 5 bis 8 ist die Sekundärwicklung 14 des Spannungswandlers
angeordnet, die von einer Umhüllung 15 aus festem Isoliermaterial umgeben ist. Die
Sekundärwicklung 14 mit ihrer Umhüllung 15 ist unmittelbar auf dem Eisenkern 9 aufgebracht,
der auf seinen den Teilspulen 5 bis 8 benachbarten Teilen bzw. Schenkeln 16, 17
und 18 abschirmende, abgerundete Rohre 19j 20 und 21 trägt.
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Die in der Figur 2 dargestellten Teilspulen bestehen aus den eigentlichen
Wicklungen 22, die von jeweils einer Umhüllung 23 aus festem Isoliermaterial umgeben
sind. Auf die Umhüllung 23
ist ein Belag 24 aus leitendem oder halbleitendem
Material aufgebracht, der beispielsweise an dem hochspannungsseitigen Ende 25 der
Teilapule 26 angeschlossen ist. Zur Potentialsteuerung ist die Umhüllung 23 an ihrem
in der Figur 2 unteren Bereich flaschenartig verjüngt und dann pilzartig erweitert;
dieser Bereich 27 nimmt das potentialmäßig niedriger gelegene Ende der Teilapule
26 auf, das über eine Verbindungsleitung 28 mit einer weiteren Teilapule 29 verbunden
ist,. die ähnlich der Deilspule 26 aufgebaut ist, nur mit dem Unterschied, daß die
im Hinblick auf die Patentialsteuerung vorgenommene Ausbildung der Umhüllung 23
nunmehr am äußeren Umfange der Teilspule liegt.
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Über eine weitere Verbindungsleitung 30 lassen sich dann weitere Teilspulen
an.die Teilspule 29 anschließen.
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Wie oben bereits ausgeführt wurde, lassen sich die Teilspulen des
erfindungsgemäßen Spannungswandlers nicht nur - wie in Figur 2 dargestellt - als
Scheibenspulen ausführen, sondern sie können auch als Lagenspulen ausgebildet sein,
wie es in der Figur 3 gezeigt ist, in der im Schnitt drei Teilapulen dargestellt
sind. Jede Teilapule besteht aus jeweils der eigentlichen Wicklung 31 sowie aus
jeweils einer diese Wicklung umgebenen Umhüllung 32 aus festem Isoliermaterial.
Auf die Umhüllung 32 ist jeweils ein Belag 33 aus leitendem ader halbleitendem Material
aufgebracht, der in dem dargestellten Beispiel mit jeweils dem unteren Ende 34 der
Teilspulen galvanisch verbunden ist. Aus Gründen der Potentialsteuerung ist jede
Umhüllung 32 im Bereich jeweils einer Ausleitung der Teilwicklungen verjüngt und
dann wieder erweitert.
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Mit der Erfindung ist ein Spannungswandler mit gasförmigem oder flüssigem
IsolTermittel und mit festem Isoliermaterial
für die Primärwicklung
geschaffen, bei dem auch Ausführungen für verhältnismäßig hohe Übertragungsspannungen
bei der Ausbildung des festen Isoliermaterials keine Probleme bilden.
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Der erfindungsgemäße Spannungswandler läßt sich besonders wirtschaftlich
herstellen.
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3 Figuren 12 Patentansprüche