DE2124345A1 - Transformator zur Erzeugung oder Messung hoher und höchster Spannungen oder zur Messung von Strömen auf Hoch spannungspatential in Kaskadenschaltung - Google Patents
Transformator zur Erzeugung oder Messung hoher und höchster Spannungen oder zur Messung von Strömen auf Hoch spannungspatential in KaskadenschaltungInfo
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Description
Dr.-Ing.E.h. Friedrich Raupach 2124345
Bamberg, Wildensorger Straße 9
Transformator zur Erzeugung oder Messung hoher und höchster Spannungen oder zur Messung von Strömen
auf Hochspannungspotential in Kaskadenschaltung
Es sind Transformatoren zur Erzeugung hoher Spannungen, Spannungswandler
zur Messung hoher Spannungen und Stromwandler zur Messung von Strömen, die sich auf Hochspannungspotential
befinden, bekannt, bei denen das Problem der Isolierung durch die Anwendung einer dielektrischen Kaskade gelöst wird. Die
typischen Merkmale einer dielektrischen Kaskade sind ein Kern, der sich etwa auf halbem Hochspannungspotential befindet, und
räumlich voneinander getrennt angeordnete Erreger- und Hochspannung swi cklungen bzw. Hochspannungswicklungsteile oder
Primär- und Sekundärwicklungen, wobei die Hochspannungswicklungsteile jeweils den Abbau der Hochspannung zum Kern hin
oder deren Aufbau auf die Hälfte der Gesamtspannung übernehmen. Die Kopplung der Niederspannungs- und Hochspannungswicklungen
bzw. Hochspannungswicklungsteile erfolgt dabei über Schubwicklungen.
Für extrem hohe und höchste Spannungen können mit dem Nachteil von Energieverlusten auch mehrere Einheiten, von
denen jede als dielektrische Kaskade ausgebildet sein kann, aufeinandegrgesetzt und über Kopplungswicklungen entsprechend
verschaltet werden.
Zur linearen Übertragung von Strömen auf Hochspannungspotential auf die Sekundärseite sind auch schon Stromwandler mit
luftspalten bekannt.
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Die Erfindung betrifft einen Transformator zur Erzeugung oder Messung hoher und höchster Spannungen oder zur Messung von
Strömen auf Hochspannungspotential in Kaskadenschaltung, bestehend aus einem Eisenkern mit räumlich getrennt angeordneten,
über Schubwicklungen gekoppelten Niederspannungs- und
Hochspannungswicklungen oder Hochspannungswicklungsteilen.
Die Erfindung gibt einen anderen Weg zur Unterteilung von
Transformatoren für hohe und höchste Spannungen an. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transformator so auszubilden, daß
er für hohe bis höchste Spannungen verwendbar ist, ohne daß die hierbei erforderlichen Abmessungen und das Gewicht die
Montage und den Transport erschweren oder mit herkömmlichen Mitteln - Beförderung auf der Straße oder mit der Bahn überhaupt
unmöglich machen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Eisenkern in zwei gleiche oder annähernd gleiche Teile
geteilt ist und die beiden Eisenkernteile mit ihren zugehörigen Wicklungen in zwei aufeinandersetzbaren, trennbaren
Gehäusen so angeordnet sind, daß beim Zusammenbau der beiden Gehäuse die Stirnflächen der beiden Eisenkernteile unter
Bildung einer Trennfuge einander gegenüberstehen, wobei die Größe der Trennfuge durch die Dicke des Bodens des oberen
Gehäuses und durch die Dicke des Deckels des unteren Gehäuses im Bereich dex sich gegenüberstehenden Eisenkernteile bedingt
ist. Beim Transformator gemäß der Erfindung sind die Aktivteile - Eisenkern und Wicklungen - in zwei Teile unterteilt,
so daß sie in zwei verschiedenen, je für sich herstellbaren,
transportierbaren und montierbaren Transformatoreinheiten untergebracht werden können. Auf diese Weise können die Abmessungen und das Gewicht der in einer Einheit unterzubringenden Teile auch bei hohen und höchsten Spannungen erheblich
verringert werden.
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Bei dem Transformator gemäß der Erfindung kann der Boden und/ oder Deckel an den Stellen, an denen die Stirnflächen der beiden
Eisenkernteile einander gegenüberstehen, dem Querschnitt der Eisenkernteile entsprechende Querschnittsverjüngungen aufweisen.
Damit erhalten die durch den Boden und Deckel aus vorzugsweise nichtmagnetischem oder elektrisch nicht leitendem
Material bedingten Luftspalte, insbesondere auch bei größeren Transformatoreinheiten, Abmessungen, die mitunter erwünscht
oder zumindest nicht störend sind. Vorteilhaft ist es auch, daß die durch die Größe der Trennfuge bestimmten Luftspalte
durch entsprechende Bemessung der Querschnittsverjüngungen im Boden und/oder Deckel auf einen gewünschten Wert einstellbar
sind. Diese Einstellmöglichkeit der Luftspalte ist insbesondere für den Bau von Stromwandlern, vorzugsweise Linearstromwandlern,
günstig. Zweckmäßig ist, wenn jedes der beiden Gehäuse aus einem Isoliermantel mit metallischem Boden und
Deckel besteht und mit flüssigem oder gasförmigem Isoliermittel gefüllt ist. Damit erhält man auch von der Isolation
her eine völlige Unabhängigkeit der Transformatoreinheiten.
Die beiden Gehäuse können auf einfache Art und Weise mittels der in der Trennungsebene der Eisenkernteile verlaufenden
Gehäuseteile (Boden und Deckel) lösbar miteinander verbunden werden. Bei einem als Stromwandler ausgebildeten Transformator
gemäß der Erfindung können für seine Verwendung als linearisierter Stromwandler die beiden Kernschenkel bzw.
Kernteile weitere Luftspalte, vorzugsweise in gleichmäßiger Verteilung längs des Umfanges der beiden Kernschenkel bzw.
Kernteile aufweisen. Soll der Stromwandler als Mehrkernwandler verwendet werden, so enthält jedes der beiden Gehäuse
mehrere Eisenkernteile, wobei die Eisenkernteile des einen Gehäuses mit je einer Sekundärwicklung und der einen Hälfte
der Schubwicklung und die Eisenkernteile des anderen Gehäuses je mit der anderen Hälfte der Schubwicklung und einer gemeinsamen
Primärwicklung versehen sind. Schließlich kann der
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Transformator gemäß der Erfindung auch als Glied eines mehrgliedrigen
Kaslcadentransformators oder Kaskadenwandlers verwendet werden, wenn die Höhe der Betriebsspannung dies erfordert
oder zweckmäßig erscheinen läßt. Hierbei kann die Anordnung so getroffen werden, daß die Kaskadenglieder aufeinandergesetzt
oder nebeneinanderstehend zu einer Kaskade geschaltet sind.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt im LängsschnJ ;.ΐ einen Stromwandler in einstufiger
Kaskadenschaltung gemäß der Erfindung.
Fig. 2 zeigt im Längsschnitt einen Spannungswandler in einstufiger
Kaskadenschaltung gemäß der Erfindung.
Das die eine Eisenkernhälfte 1 enthaltende Gehäuse 2 wird von
einem Isoliermantel 3, einem Boden 4 und einem Deckel 5 gebildet. Das die andere Eisenkernhälfte 6 enthaltende Gehäuse
7 setzt sich aus einem Isoliermantel 8, einem Boden 9 und einer zeichnerisch nicht dargestellten Abschlußhaube zusammen,
in der in bekannter Weise die Primäranschlüsse und, falls der Stromwandler primärseitig umschaltbar sein soll, auch die Umschalteinrichtung
untergebracht sind. Der Deckel 5 des unteren Gehäuses 2 und der Boden 9 des oberen Gehäuses 7 bestehen
vorzugsweise aus nichtmagnetischem oder elektrisch nicht leitendem Material, beispielsweise Aluminium, Messing, Kunststoff,
Keramik, Gießharz oder dergleichen. Der Querschnitt des Deckels 5 und des Bodens 9 ist so bemessen, daß diese
Teile jeweils für sich das Gewicht der im Gehäuse 2 bzw. 7 befindlichen flüssigen oder gasförmigen Isoliermittel, vorzugsweise
öl, und gegebenenfalls auch das Gewicht der Aktiv-
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teile des Stromwandlers tragen. An den Stellen, an denen die
beiden einander gegenüberstehenden Eisenkernteile 1,6 unter Bildung einer Trennfuge 10 den Deckel 5 bzw. Boden 9 berühren»
weisen die Teile 5, 9 Querschnittsverjüngungen 11a, 11b bzw.
12a, 12b auf, die günstigerweise so bemessen sind, daß die dort verbleibenden Wandstärken ron Deckel 5 und Boden 9 sswei
luftspalte 13a und 13b vorbestimmter Größe ergeben. Durch
entsprechende Bemessung der Querschnittsverjüngungen 11a, 11b
bzw. 12a, 12b kann also die Größe der Luftspalte 13a, 13b auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Die Querschnittsverjüngungen 11a, 11b bzw, 12a, 12b können durch an
sich bekannte Verfahren, z.B. durch Fräsen, Elektroerosion od. dgl., hergestellt sein. Die Gehäuse 2 und 7 sind durch
die in der Trennfuge 10 der Eisenkernteile 1, 6 verlaufenden
Gehäuseteile (Deckel 5 bzw. Boden 9) lösbar miteinander verbunden, beispielsweise verschraubt oder durch Klemmelemente
gesichert. Auf dem oberen Eisenkernteil 6 befindet sich die Primärwicklung 14» deren Isolierung 15 nur für die halbe
Spannung zu bemessen ist, falls die beiden Eisenkernteile 1, 6, wie bei der einstufigen Kaskadenschaltung üblich, sich
auf mittlerem Potential befinden. Die mit der IsolierhUlle 15
verbundene Durchführung 16 für die auf Hochspannungspotential liegenden Primäranschlußleitungen 17a und 17b kann als gesteuerte Durchführung ausgebildet sein. Auf dem unteren
Eisenkernteil 1 befindet sich in entsprechender Anordnung und Ausbildung die Sekundärwicklung 18 mit Isolierhülle 19,
Durchführung 20 und den Sekundäranschlußleitungen 21a und 21b, Unmittelbar auf den Eisenkernteilen 1, 6 sind Schubwicklungen 22, 23 angeordnet, deren eine Enden mit dem Deckel
5 bzw. Boden 9 und deren andere Enden über Durchführungen 24, 25 mittels einer flexiblen Yerbindungsleitung 26 unmittelbar
miteinander verbunden sind. Falls der Deckel 5 und Boden 9
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aus Isolierstoff, z.B. Gießharzplatten mit Glasfaserverstärkung,
bestehen, sind auch die zuerst erwähnten Enden der Schubwicklungen 22, 23 über Durchführungen miteinander zu
verbinden. Soll der Stromwandler als sogenannter linearisierter Stromwandler verwendet werden, dessen übertragungsverhalten im Überstromgebiet bis zu mehreren Größenordnungen des
primären Nennstromes linear sein muß, so ist es vorteilhaft, wenn die beiden Eisenkernteile 1, 6 weitere luftspalte 27a,
27b, 27c bzw. 28a, 28b, 28c, vorzugsweise in gleichmäßiger Verteilung längs ihres Umfanges, aufweisen. Die luftspalte
13a, 13b bzw. 27a - 27c bzw. 28a - 28c sind so bemessen, daß
ihre Gesamtgröße der erforderlichen Gesamtluftspaltlänge entspricht. Die Kernteile 1 und 6 mit ihren Wicklungen 18, 22
bzw. 14, 23 können durch an sich bekannte Mittel im Wandlerkopf bzw. an der Bodenplatte 4 befestigt bzw. abgestützt sein,
um die Größe der Luftspalte 13a, 13b genau einzuhalten. Sie können aber auch an dem Boden 9 bzw. an dem Deckel 5 befestigt
werden.
In den Gehäusen 2, 7 können auch mehrere Kerne untergebracht werden, wenn der Stromwandler als Mehrkernwandler ausgebildet
sein soll. Die Boden- bzw. Deckelplatten 5, 9 weisen dann entsprechend mehr QuerschnittsVerjüngungen auf. Bei der Unterbringung
von mehreren Kernen in den Gehäusen 2, 7 weist jeder Kern eine eigene Sekundärwicklung und eine eigene Schubwicklung
auf, während die Primärwicklung sämtliche Kerne gemeinsam umfaßt. Falls einer oder mehrere dieser Kerne als sogenannte
Meßkerne dienen sollen, so entfallen die zusätzlichen Luftspalte 27a - 27c bzw. 28a - 28c in diesen Kernen. Der
Einfluß der Luftspalte 13a und 13b kann bei Meßkernen, bei denen Luftspalte unerwünscht sind, in bekannter Weise durch
entsprechend bemessene Parallelkondensatoren an den betreffen-
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den Sekundärklenunen kompensiert werden. Der Stromwandler
gemäß der Erfindung eignet sich insbesondere auch als Glied einer mehrgliedrigen Kaskade, wobei die einzelnen Kaskadenglieder
aufeinandergesetzt oder nebeneinanderstehend zu einer Kaskade geschaltet werden können.
Falls der Querschnitt des Deckels 5 bzw. Bodens 9 nicht zu groß ist, können die Querschnittsverjüngungen unter Umständen
ganz entfallen oder nur an einer der beiden Platten 5, 9, vorzugsweise am Deckel 5, angebracht sein. Es ist auch
möglich, die Trennfuge 10 des Kernes 1, 6 außerhalb von dessen Mitte anzubringen. Allerdings würde man hierbei eine
schlechtere Kernfensterausnutzung erhalten, was zu einer größeren Bauhöhe führen würde. Dieser Nachteil könnte Jedoch
durch Verwendung von mit entsprechenden Ausbuchtungen versehenen Boden- bzw. Deckelplatten 5» 9 vermieden werden.
Die Ausbuchtung wäre so anzuordnen, daß die auf dem Kernteil mit den kürzeren Schenkeln angeordneten Wicklungen wenigstens
teilweise in dem Raum der Ausbuchtung zu liegen kommen.
In Fig. 2 ist ein Spannungswandler gemäß der Erfindung mit
einem rahmenförmigen Eisenkern dargestellt. Die eine, untere Eisenkernhälfte ist mit 31 und mit 32 das untere Gehäuse bezeichnet,
das aus dem Isoliermantel 33, dem Boden 34 und dem Deckel 35 besteht. Die andere, obere Eisenkernhälfte ist mit
36 bezeichnet. Das obere Gehäuse 37 besteht aus dem Isoliermantel 38 und dem Boden 39, sowie einer nicht dargestellten
Abschlußhaube. Die im Bereich der Trennfuge 40 befindlichen Deckel- bzw. Bodenverjüngungen sind mit 41a, 41b bzw. 42a,
42b und die dadurch gebildeten Luftspalte mit 43a bzw. 43b bezeichnet. Auf der unteren Eisenkernhälfte 31 ist die eine
Hälfte 44 der vorzugsweise als Lagenwicklung ausgebildeten
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Hochspannungswicklung angeordnet. Auf die äußerste Lage der Hochspannungswicklungshälfte 44 ist die Sekundärwicklung 45
aufgebracht. Hochspannungswicklung 44 und Sekundärwicklung 45 sind mittels einer Isolierhülle 46 gemeinsam gegen die
auf halbem Hochspannungspotential liegende Eisenkernhälfte 31 isoliert. In dem geerdeten, von einer Durchführung 48 umgebenen
metallischen Rohr 47 sind die Anschlußleitungen 49a und 49b der Sekundärwicklung 45 und das auf Erdpotential
liegende Ende 50 der Hochspannungswicklung 44 zu den entsprechenden Klemmen geführt. Auf d^r oberen Eisenkernhälfte
36 ist die andere Half ta 51 <ier Hovtispannungswicklung, die
mit der Wicklungshälfte 44 in Reihe geschaltet ist, angeordnet. Die Isolierung 52 und die Durchführung 53 für die
Hochspannungsanschlußleitung 54 sind wie die entsprechenden Teile auf dem unteren Kernschenkel 31 ausgebildet. Unmittelbar
auf den Kernschenkeln 31, 36 sind Schubwicklungen 55, 56 angeordnet, deren eine Enden mit dem Boden 39 bzw. Deckel 35
und deren andere Enden über Durchführungen, wie an Hand der Fig. 1 beschrieben, unmittelbar miteinander verbunden sind.
Die beiden Hochspannungswicklungsteile 44 und 51 sind durch die auf mittlerem Potential liegenden, mit den Eisenkernteilen
31 und 36 verbundenen Verbindungsleitungen 57, 58 in Reihe geschaltet. Der Einfluß der Lüftspalte 43a, 43b auf
die Meßgenauigkeit wird durch die vorhandenen Kapazitäten oder durch Zuschalten zusätzlicher Kapazitäten in bekannter
Weise ausgeglichen. Gleichzeitig kann hierdurch für eine gleichmäßige Spannungsverteilung auf die beiden Gehäuse gesorgt
werden.
Für die Anordnung und Bemessung der in der Trennfuge 40 der Eisenkernteile 31, 36 verlaufenden Gehäuseteile (Boden 39
und Deckel 35) gelten die im Zusammenhang mit Fig. 1 gemachten Ausführungen entsprechend. Auch bezüglich des Materials
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gilt das dort Erwähnte. Auch beim Spannungswandler gemäß Fig. 2 kann die Trennfuge 40 der Kernteile 31, 36 außerhalb
von dessen Mitte gelegt werden.
Obwohl die Erfindung im wesentlichen an Hand eines Strombzw. Spannungswandlers beschrieben worden ist, ist sie nicht
auf diese Ausführungsformen beschränkt. Der in Fig. 2 dargestellte Spannungswandler kann auch als Prüftransformator
ausgebildet sein. In diesem Falle ist die mit 45 bezeichnete Wicklung die Erregerwicklung. Auch die Ausbildung eines kombinierten
Strom- und Spannungswandlers unter Verwendung der erfindungsgemäßen Merkmale ist möglich. Bevorzugtes Anwendungsgebiet
der Transformatoren gemäß der Erfindung ist der Spannungsbereich ab 380 kV bis zu den höchsten ausgeführten
oder geplanten Spannungsebenen. Für die Spannungsreihen 380,
500 und 750 kV kann der Transformator mit dem aus den Fig. 1 und 2 ersichtlichen prinzipiellen Aufbau ausgeführt werden.
Für noch höhere Spannungen wird man eine zwei- oder mehrgliedrige Kaskade anwenden, bei der jedes einzelne Kaskadenglied
gemäß der Erfindung ausgebildet ist.
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Claims (1)
- Patentansprüche( 1./Transformator zur Erzeugung oder Messung hoher und höchster Spannungen oder zur Messung von Strömen auf Hochspannungspotential in Kaskadenschaltung, bestehend aus einem Eisenkern mit räumlich getrennt angeordneten, über Schubwicklungen gekoppelten Niederspannungs- und Hochspannungswicklungen oder Hochspannungswicklungsteilen, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenkern in zwei gleiche oder annähernd gleiche Teile geteilt ist und die beiden Eisenkernteile mit ihren zugehörigen m Wicklungen in zwei aufeinandersetzbaren, trennbaren Gehäusen so angeordnet sind, daß beim Zusammenbau der beiden Gehäuse die Stirnflächen der beiden Eisenkernteile unter Bildung einer Trennfuge einander gegenüberstehen, wobei die Größe der Trennfuge durch die Dicke des Bodens des oberen Gehäuses und durch die Dicke des Deckels des unteren Gehäuses im Bereich der sich gegenüberstehenden Eisenkernteile bedingt ist.2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden und/oder Deckel an den Stellen, an denen die Stirnflächen der beiden Eisenkernteile einander gegenüberstehen, dem Querschnitt der EisenkernteileW entsprechende Querschnittsverjüngungen aufweist.3. Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Größe der Trennfuge bestimmten Luftspalte durch entsprechende Bemessung der Querschnittsverjüngungen im Boden und/oder Deckel auf einen gewünschten Wert einstellbar sind.- 11 -209849/02704i Transformator nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der die Trennfuge bildende Boden und Deckel aus nichtmagnetischem Material besteht.5. Transformator nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die Trennfuge bildende Boden und Deckel aus elektrisch nicht leitendem Material besteht .6. Transformator nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der beiden Gehäuse aus einem Isoliermantel mit metallischem Boden und Deckel besteht und mit flüssigem oder gasförmigem Isoliermittel gefüllt ist.7· Als Stromwandler ausgebildeter Transformator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß für seine Verwendung als linearisierter Stromwandler die beiden Kernschenkel bzw. Kernteile weitere Luftspalte, vorzugsweise in gleichmäßiger Verteilung längs des Umfanges der beiden Kernschenkel bzw. Kernteile aufweisen.8. Als Stromwandler ausgebildeter Transformator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der beiden Gehäuse mehrere Eisenkernteile enthält, wobei die Eisenkernteile des einen Gehäuses mit je einer Sekundärwicklung und der einen Hälfte der Schubwicklung und die Eisenkernteile des anderen Gehäuses je mit der anderen Hälfte der Schubwicklung und einer gemeinsamen Primärwicklung versehen sind.- 12 -2098ü9 /C2709. Verwendung eines Transformators nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8 als Glied eines mehrgliedrigen Kaskadentransformators oder Kaskadenwandlers.10. Transformator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaskadenglieder aufeinandergesetzt oder nebeneinanderstehend zu einer Kaskade geschaltet sind.209Ö49/C270 * $Leerseite
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