DE2211684A1 - Lagenisolierung fuer wicklungen von transformatoren - Google Patents

Description

• Lagenisolierung für Wicklungen von Transformatoren Die Erfindung betrifft eine Lagenisolierung fiir Wicklungen von Transformatoren, Drosselspulen und dgl. mit hoher Leistung und hoher Betriebsspannung. Bei derqrti gen Wicklungen werden gemäß Fig. 1 zwischen benachbarten Lagen 1 u. 2 axial verlaufende Kühlkanäle 3 und eine aus festem Isoliermaterial bestehende Lagenisolierung 4 angeordnet. Die Kühlkanäle 3 sind notwendig, um die in den Wicklungen entstehenden Vcrlustc abzuführen.
• Die Lagenisolierung ist so zu dimensionieren, daß ihre dielektrische Festigkeit einmal der Beanspruchung mit Wechselspannung, zlzm andern aber allch der Beanspruchung mit Stoßspannung gerecht wird. Darüberhinaus ist der gesamte Isolationsaufbau so auszubilden, daß eine möglichst intensive Kühlung der Wicklungslagen gewährleistet ist.
• Die stark nichtlineare Stoßspannungsverteilung und der bei Stoßspannung im Vergleich zur Wechselspannung wesentlich höhere Prüfpegel führt bei Stoßspannungsprüfungen zu erheblich größeren Iagenbeanspruchungen , als sie bei Wcchs elspannungsprüfllngen auftreten. Wie die Erfahrung weiter zeigt, ist die Isolation so auszubilden, daß bei den Wechs elspannungspriifungen in den Kühlkanälen keine stärkeren Entladungen auf treten, während bei den Stoßspannungsprüfungen eine Überschreitung der Anfangsspanming in den Kühlkanälen zulässig ist.
• Um eine Uberbeanspruchung der Kühlkanäle bei Wechselspannungsprüfungen zu vermeiden, sind vor allem die Enden der Lagen ausreichend mit festem Isoliermaterial zu verkleiden. Bei einer Anordnung gemäß Fig. 1, bei der die Lage 2 gegenüber Lage 1 axial zurückversetzt ist, tritt am innenliegenden Rand 5 der Lage 2 einebesonders große Feldkonzentration auf. Dies erfordert, wie in Fig. 1 dargestellt, eine ausreichend dicke Schicht fester Isolierung, die um die Kante 5 umgeschlagen wird.
• Sind die beiden Lagen 1 u. 2 gleich lang, ist sinngemäß auch die entsprechende Kante der Lage 1 zu isolieren.
• Wie sich -gezoeigt hat, wird bei. der Stoßspannungsprüfung die zwischen zwei benachbarten Lagen auftretende Spannungs fast ausschließlich von der festen Lagenisoloerung gehalten. Ist die feste Lagernisolierung 4 am Lagenrarid umgeri 5-sen, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, so wird ihre dielektrische Festigkeit in untersch%ed.iicher Weise beansprucht. Im Bereich 1 Fig.4 zwischen den beiden Lagen 1 u. 2 ist die festc Lagenisolierung über ihre gesamte Dicke praktisch gleichmäßig beansprucht, d.h. die Spannung fällt etwa linear über der radialen Dicke der festen Lagenisolierung ab. Aus diesem grunde nimmt ihre Stoßspannungsfestigkeit in diesem Bereich nahezu linear mit ihrer Dicke zu.
• Am Lagenrand ist dagegen die Spanmingsverteilung über der festen Lagenisolierung -stark inhomogen, weshalb dort die Durchschlagsfestigkeit mit zunehmender Dicke wesentlich weniger als linear ansteigt (Fig.4). Da bei großen Isolationsdicken der Anstieg der Spannungsfestigkeit mit zunehmender Dicke nur noch sehr gering ist, hat es sich bei Lagenisolierungen für hohe Stoßspannungsbeanspruchungen als vorteilhaft erwiesen, diese entsprechend Fi.2 in durch Kühlkanäle getrennte Abschnitte 6 u. 7 aufzuteilen. Neben einer erhöhten Spannungsfestigkeit erreicht man dadurch auch eine verbesserte Kühlung.
• Ein bereits bekanntes Anwendungsbeispiel dieser Erkenntnisse bei. einer sogenannten fortlaufend geschalteten Lagenwicklung ist in Fig. 3 dargestellt. Bei dieser Wicklungsart sind zwei benachbarte Wicklungslagen jeweils an einem Ende miteinander verbunden, so daß hier die Potentialdifferen zwischen den beiden Lagen gleich Null ist. Gegen das andere Lagenende dagegen steigt bei Wechselspannung die Beanspruchung zwischen den Lagen linear an entsprechend dem Kurvenverlauf 8 in Fig. 5. Dagegen erhält man bei Stoßsnanniing längs der Lage einen ctwa der Kurve 9 entsprechenden, ungleichförmigen Verlauf der Beanspruchung. Die Kurve -lo zeigt dagegen den Verlauf der Stoßspannungsfestigkeit längs der Lage für einen Isolationsaufbau gemaß Fig.3. Für das untere Lagenende (Punkt 5, Fig.3) zeigt die Kurve 1o.cinen Abfall der Spannungsfestigkeit, der allf den schon erwähnten inhomogenen Feldverlauf am Lagenrand zurückzuführen ist.
• Im Bereich der keilförmigen Lagenisolierung nimmt die Spannungsfestigkeit nahezu linear mit der Dicke der festen Lagenisolierung ab. Charakteristisch für den durch die Kurve 9 dargestellten Verlauf der Lagenbeanspruchung ist, daß diese relativ dicht vor dem miteinander verbundenen Lagenenden, gemäß Fig. 3 u. 5, also am oberen Lagenende, noch relativ hohe Werte aufweist. Wie die Fig. 5 zeigt, läßt sich die Festigkeit (Kurvenverlauf lo) nur an wenigen Stellen an die Beanspruchung (Kurvenverlauf 9) anpassen.
• Gemäß Fig. 5 ist dies nur am unteren Lagenende und dicht vor dem oberen Lagenende bzw. etwas vor der Keilspitze der Lagenisolierung 7 der Fall. Soll an diesen kritischen Stellen die Festigkeit mit der tatsächlichen Beanspruchung übereinstimmen, so erreicht man bei einem Isolationsaufbau gemäß Fig. 3 eine Spannungsfestigkeit, die über weite Strecken der Lagenlänge größer als unbedingt notwend ist. Wie Fig. 3 zeigt, reicht die zur Erzielung einer ausreichenden Spannungsfestigkeit am Lagenrand 5 notwendige direkt an der Lage anliegende Isolieung 6 relativ weit in das Lageninnere hinein, ebwohl dert die notwendige Spannungsfestigkeit auch ohne oder zumindest mit einem wesentlich schwächeren Anteil der festen Isolierung 6 erreicht, @är Abgeschen von dem dadurch bedingten unnötigen Isolations zufwand wird die Küblung der Wicklungslage 2 durch die sich über eine relativ große Länge erstreckende feste Isolierung in unerwünschter Weise erschwert.
• Aufgabe der Erdindung ist es, eine gegenüber bekannten Ausführungen bessere Anpassung der Stoßspannungsfestigkeit an die Stoßspannungsbeanspruchungen längs der Wicklungslage und gleichzeitig eine verbesserte Kühlung zu erreichen. Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, daß ein Teil der festen Lagenisolierung nur im Bereich des Lagenrandes verläuft und unmitellbar an der Wacklungslage anliegt, wobei die Dicke der festen Lagenisolierung und ihr axialer und radialer Überstand (11, 12, Fig. 6) so bemessen sind, daß die Durchschlags- sow@@ die @@@@schlagsspannung der so gebildeten Lagenrandisolieren, mindestens gelich ist der Differenz der Durchschlagsspannung im homogen beanspruchten Bereich und derjenigen im inhomogenen Bereich an der Umrißstelle der den überwiegenden Teil der gesamten Stoßspannung tragenden und sich über den größten Teil der gesanften Lagenlänge erstreckenden zusätzlichen festen Lagenisolierung 7. Durch diese Maßnahme wird der in Fig. 5 deutlich werdende Festigkeitsabfall am unteren Lagenende und der relativ große Festigkeitsüberschüß über weite Bereiche der Lagenlänge vermieden, so daß sich etwa ein Verlauf der spannungsbeanspruchung und der Festigkeit ergibt, wie er in Fig. 7 dargestellt ist.
• Infolge der meist nur geringen Breite der Wicklungslagen ergibt sich nur eine relativ kurze Gleitweglänge 11 der Lagenrandisolierung 13 (Fig.6), wenn diese nicht in radialer. Richtung über die Wicklunslage überstehen soll.
• Entsprechend der geringen Gleitfestigkeit dieses nur kurzen Gleitweges 11 ergibt sich damit bei Stoßspannung durch die Lagenrandisolierung 13 nur eine geringe Erhöhung der Gesamtfestigkeit der Anordnung. Eine Verbesserung der Verhältnisse läßt sich dadurch erreichen, daß auch die gegenüberliegende Lage 1 an ihrem Rand mit einer entsprechenden Lagenrandisolierung 16 verkleidet wird.
• Die Dicke für die Lagenrandisolierungen i3 u. 16 ist darüberhinaus so zu wählen, daß ifl den anschließenden Kühikanälen bei der Wechselspannungsprtifung die Anfangsspannung noch nicht überschritten wird. Daraus kann sich allerdings für die Lagenrandisolierung 13 oder 16 eine größere Dicke ergeben, als sie für die Stoßspannungsbeanspruchung allein erforderlich wäre.
• Bei der bekannten Lagenisolierung gemäß Fig.3 mit die obere Spitze der keilförmig auslaufenden Lagenisolierung 7 relativ dicht-an das obere Lagenende gelegt werden, damit in dem Bereich, wo gemäß Fig.5 ein Beanspruchungsmaximum liegt, also in einer Entfernung von dem oberen Lagenende, dieetwa 20-30% der Lagenlänge entspricht, die notwendige Stoßspannungsfestigkeit erreicht wird. Dies führt jedoch dazu, daß auf dem letzten Abschnitt der Lagenlänge, das sind etwa 10% der Lagenlänge vom oberen Lagenrand gemessen, die Stoßfestigkeit die tatsächliche Beanspruchung wesentlich übersteigt.
• Es ist- -daher nach einem weiteren Erfindungsgedanken zulässig, am Lagenende eine oder mehrere der letzten Windungen radial um die Dicke der Randfeldisolierung 13 u. 16 zu versetzen, womit der Hetallabstand zwischen den beiden miteinander verbundenen Lagenenden verkleinert wird. Gleichzeitig steigt der Metallabstand zwischen den beiden benachbarten nicht miteinander verbundenen Lagenenden. Die Keilspitze- der Lagenisolierung 14 wird so abgeschnitten, daß im Bereich des verminderten Lagenabstandes statt der beiden durch die Latenisolierung 14 getrennten nur noch ein gcmeinsamer Ölkanal vorhanden ist (Fig.6).
• Hat die Stoßspannungsverteilung zwischen zwei Nachbarlagen (Kurve 9, Fig.5) einen solchen Verlauf, daß in der Nähc der miteinander verbundenen Lagenenden noch relativ hohe Beanspruchungen vorliegen, so kann es zweckmäßig sein, die feste Lagenisolierung aus einem keilförmigen und einem zylinderförmigen Anteil zusammenzusetzen. Der zylinderförmige Anteil kann dann entwedOr zusammen mit dem keilförmigen Anteil zwischen die beiden ölkanal wie in Fig.6, oder aber direkt auf eine der beiden Logen wie in Fig.8 gewickelt werden. Vorteilhaft bei der Ausführung nach Fig.
• ist, aß die Spitze der keilförmig auslaufenden Lagenisolierung 7 wesentlich weiter in das Lageninnere verlegt wer den kann, so daß sich oberhalb dieser Spitze die beiden Kühlkanäle 17 u. 18 gemeinsam verjüngen.
• Der oben erwähnte Unterschied hinsichtlich der Durshschlagsfestigkeit des homogen beanspruchten Teils sowie des inhomogen beanspruchten Teiles der Lagenisolierung 7 ist um so größer, je dicker diese Lagenisolierung ist. Entsprechend steist mit zunehmender Dicke der Lagenisolierung 7 der erfindungsgemäß von den Lagenrandisolierungen 13 u. i6 zu tragende Spannungsanteil. Soll die Lagenrandisolierung einen höheren Spannungsanteil übernehmen, so sind außer ihrer Dicke auch ihre Gleitweglängen 11 u. 12 gemäß Fig.6 ausreichend groß zu wählen. Während eine ausreichende Bemessung der Gleitweglänge 12 ohne Schwierigkeiten möglich ist, führt eine Vergrößerung des Gleitweges II jedoch zu einem Isolationsaufbau am Wicklungsende wie er in der Fig.2 gezeigt ist. Hier ist die Zahl der horizontal herausgeführten Kühlkanäle und Isolierbarrieren doppelt so groß wie bei der erfindungsgemäßen Ausführung entsprechend Fig.6 u.8.
• Da die axialen Lagenlängen bei der bekannten Ausführung entsprechend Fig.2 gegeneinander stark verkürzt werden müssen, führt dies zu einer ungünstigen Ausnutzung des verfügbaren Wickelraumes. Auch diese Schwierigkeiten lassen sich durch die erfindungsgemäße Lösung entsprechend den Fig 6 u.3 vermeiden.
• Damit die axiale Zurückversetzung der Wicklungslagen auch bei höheren von der Lagenrandisolierung zu tragenden Snannungsanteilen klein bleibt, wird erfindungsgemäß weiter vorgeschlagen, die Lagenrandisolierung 13 radial bis zum äußeren Rand der folgenden Lage überstehen zu lassen und den bzw. die Kühlkanäle zwischen den betreffenden beiden Lagen (19, 20, in Fig.9) wie durch einen Pfeil dargestellt, um den radialen Überstand der Lagenisolierung 13 herurnzuführen. Der radiale Überstand 11 ist dann gleich der Summe der radialen Breiten der beiden Lagen 19 u. 20 und des zwischen diesem liegenden Kühlkanals. Die axiale Zurückversetzung sämtlicher Lagen ist damit praktisch wieder gleich der bei den Ausführungen gemäß Fig.6 u.8.
• Ist die sich gemäß Fig.9 ergebende Glietweglänge 11 nicht ausreichend, so ist gemäß Fi.lo durch das Umschlagen der Lagenrandisolierung i3 um das untere Lagenende der ühernächsten Lage eine weitere Gleitwegverlangevuns möglich.
• Liegt der von der Lagenrandisolierung zu tragende Spannungsanteil so hoch, daß, die entsprechend Fig.9 erreichen baren Überstände nicht ausreichen, empfiehlt sich eine Isolieranordnung, wie sie in Fig. 12 dargestellt ist.
• Hierbei reicht der radiale Überstand der Lagenrandisoleerung 13 entsprechend den Erfordernissen übr mehrere Lagen hinweg. Zwar ergeben sich damit zwangsläufig axial etwa ähnliche Zurückversetzungen wie sie in Fig.2 gezeigt sind, jedoch ergeben sich hinsichtlich der radialen Lagenabstände und auch hinsichtlich der Kühlung im wesentlichen die gleichen Vorteile, die anhand der Fig.6, 7 u..8 erläutert worden sind. Wird durch die erforderliche Dicke der Lagenrandisolierung der Ölkanal 18 weitgehend ausgefüllt wie es in Fig.12 der Fall ist, so kann dieser oberhalb der Lagenrandisolierung radial durch die Laute 19 hindurchgeführt werden Bei der Ausführung gemäß Fig.12 ergibt sich eine stark unterschiedliche Aufteilung des Kühlmittels auf die horizontalen Kühlkanäle. Eine gleichmäßigere Aufteilung des Kühlmittels auf die Horizontalkanäle läßt sich ausgehend von Fig.12 dadurch erreichen, daß der horizontal vcrlaufende Teil der Lagenrandisolierung 13 nur so lang gewählt wird, wie es die notwendige Gleitfestigkeit erfordert.
• Am Ende dieses Umrisses wird dann eine Verbindling zwischen den beiden oberhalb und unterhalb desselben liegenden Horizontalkühlkanälen geschaffen. Hierdurch können sich an dieser Stelle die oberhalb und unterhalb der Lagenrandisolierung fließenden Mengen des KühlmitteLs ansgleichen, so daß die horizontalen. Kiihlkanale von dieser Stelle aus radi.al nach außen etwa die gleiche Menge des Kühlmittels führen.
• Eine weitere Variante dieses Gedankens zeigt die Fig. 14.
• Hierbei reicht jedoch die eigentliche Lagenrandisolierung 13 radial nur bis zum Außendurchmesser der nachfolgenden Lage 20. Dies hat den Vorteil, daß die Lagenrandisolierung aus Formpreßspan besteht und bereits während des Wickelvorganges eingelegt werden kann. Zur Verlängerung des Gleitweges wird nachträglich die Preßspanscheibe 22 übergeschoben.
• Bei der Ausführung gemäß Fig. 12 sind die von der Lagenrandisolierung abgedeckten letzten Windungen der Lage schlechter gekühlt als didibrigen Windungen. Durch horizontal verlaufende Kühlkanäle 21, die zwischen allen, einigen oder auch nur zwei Windungen der Wicklungslabe in dem durch den Winkel 13 abgedeckten Bereich vorgesehen sind, lassen sich unzulässige Erwärmungen vermeiden (Fig.16).
• Bei den in den Fig.12-16 gezeigten Ausführungen sind je Doppellage zwei horizontal verlaufende Kühlkanäle erforderlich, so daß sich relativ starke axiale Zurückversetzungen der Lagen gegeneinander ergeben. Um diese Zurückversetzungen bei Lagenrandisolierungen mit großen erforderlichen Gleitweglängen in Grenzen zu halten bzw.
• ganz zu vermeiden werden weiterhin Anordnungen vorgeschlagen, die in den Fig. 17 u. 18 dargestellt sind. Bei der Ausführung gemäß Fig. 17 liegt der umgerissene Teil der Lagenrandisolierung 13 direkt am Umriß der radial nächstfolgenden Lagenisolierung 7 an. Von den drei Kühlkanälen der betreffenden Lagen 19 u. 2o ist lediglich der innerste Kühlkanal 17 direkt radial nach außen geführt. Die weiteren Kühlkanäle 18 u. 23 werden durch radial zwischen den Lagen 19 u. 20 verlaufende Kiihlkanäle in den Kanal 17 geleitet. Bei der in Fig. 18 gezeigten Ausführung liegt die Lagenrandisolierung 13 an der radial innenliegenden Lagenisolierung 7 direkt an.
• Bei den in Fig. 9 u. 10 gezeigten Anordnungen kann eine auf der Lagenrandisolierung 13 radial nach wannen vorwachs ende Gleitentladung vom Ende der Lasenrandisolierung direkt zur zweiten Lage 20 überschlagen. Zur Verhinderung eines derartigen Überschlages wäre eine erhehliche Verlängerung des Gleitweges erforderlich. Gemaß einem weiteren Erfindungssedanken laßt sich ein solcher Überschlag vom äußeren Ende der Gleitisolierung 13 zur Lage 20 dadurch verhindern, daß das Ende der Lage 2o mit einer TJ-förmigen Isolierkappe 24 versehen wird (Fig.11). Die Durchschlagsfestigkeit am Ende der Lage 20 wird damit soweit vergrößert, daß sie von der an der Lagenrandisolierung 13 vorwachsenden Gleitenlandung nicht mehr durchschlagen werden kann. Die Gleitentladungen werden damit gezwungen, zur Lage 19 zurückzulaufen.
• Die erforderliche Durchschlagsfestigkeit am Ende der Lage 20 läßt sich auch durch eine verstärkte Isolierung der letzten Windungen dieser Lage erreichen, so daß auf die Isolierkappe 24 verzichtet werden kann.
• Die eingangs erwähnte Erhöhung der Durchschlagsfestigkeit im Bereich des Lagenendes läßt sich grundsätzlich auch dadurch erreichen, daß man zusätzlich zu der als Winkelring ausgebildeten Lagenrandisolierung 13 die letzten Windungen der Lage 19 mit einer verstärkten Drahtisolierung ausführt.
• Die Erfindung läßt sich singeniäß auch auf nicht umgerissene Lagenisolierungen anwenden.

Claims (7)

Patentansprüche

1. Lagenisolierung für Wicklungen von Transformatoren und Drosselpulen hoher Leistung und Spannung, wobei zwischen den Lagen jeweils zwei Kühlkanäle und mindcstens zwei durch einen Kühlkanal getrennte Anteile fester Lagenisolierung vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der festen Lagenisolierung nur im Bereich des Lagenrandes verläuft und unmittelbar an der Wicklungslage anliegt, wobei ihre Dicke und ihr axialer und radialer Uberstand (11,12, Fig.6) so hemessen sind, daß die Durchschlags- sowie die Überschlagsspannung der so gebildeten Lagenrandisolierung mindestens gleich ist der Diffczen. der Durchschlagsspannung im homogen beanspruchten Bereich und derjenigen im inhomogenen Bereich an der Umrißstelle o- der den überwiegenden Teil der gesamten Stoßspannung tragenden und sich über den größten Teil der gesamten Lagenlänge erstreckenden zusätzlichen festen Lagenisolierung (7).

2. Lagenisolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Lage unmittelbar anliegende Lagenrandisolierung nur am Rande der axial kürzeren Lage vorgesehen ist.

3. Lagenisolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Lage unmittelbar a,nliegende Lagen randisolierung an den Rändern beider benachbarter Lagen vorgesehen ist, wobei ihre Dicke und überstände an den beiden Lagenrandern unterschiedlich wählbar sind.

4. Lagenisolierung nach Anspruch 1-3, dadurch gekenneichnet, daß die von der oder den Lagenrandisolierungen (13 u.15) abgedeckten Windungen radial um die Dicke oder einen Teil der Dicke der Lagenrandisolierung zurückversetzt sind, so daß die Metallabstände zwischen benachbarten Lagen am hochbeanspruchten Lagenende vergrößcrt, an dem miteinander verbundenen Lagenende vermindert sind.

5. Lagenisolierung nach Anspruch 1- dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Überstand (11) der Lagenrandisolierung gleich der Summe aus der radialen Breite zweiter Wicklungslagen und dem zwischen diesen liegenden Kühlkanal gewählt ist und'der Kühlkanal zwischen diesen beiden Lagen um den radialen Uberstand der Lagenrandisolierung herumgeführt ist.

6. Lagenisolierung nach Anspruch i-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagenrandisolierung (13) den im Lageninneren direkt an die Wicklungslage angrenzenden Kühlkanal teilweise oder auch ganz verscbl.ießt und daß der genannte Kühlkanal am Beginn der Lagenrandisolierung radial durch die Wicklungslage hindurchgeführt ist (Fig.12).

7. Lagenisolierung nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich von durch die Lagenrandisolierung einseitig abgedeckten Windungen zwischen d.'c--sen Windungen ei.n oder mehrere radial verlaufende Kühlkanäle vorgesehen sind (Fig.16).

L e e r s e i t e