DE2452056A1

DE2452056A1 - Induktiver spannungswandler fuer eine mittels isoliergas vollisolierte, metallgekapselte hochspannungsschaltanlage

Info

Publication number: DE2452056A1
Application number: DE19742452056
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Ing Krauss; Werner Mitrach; Juergen Dr Ing Moeller; Hubert Schulte
Original assignee: Messwandler Bau GmbH
Current assignee: Messwandler Bau GmbH
Priority date: 1974-11-02
Filing date: 1974-11-02
Publication date: 1976-05-20
Also published as: CH607265A5; BE833946A; JPS5520369B2; SE412977B; ATA714175A; CA1047134A; DE2452056B2; US4031459A; JPS5169122A; AT365851B; SE7512198L; NL7512878A

Description

Bamberg

Induktiver Spannungswandler für eine mittels Isoliergas vollisolierte, metallgekapselte Hochspannungsschaltanlage

Die Erfindung betrifft einen induktiven Spannungswandler für eine mittels Isoliergas vollisolierte, metallgekapselte Hochspannungsschaltanlage mit einem an die Metallkapsel der Schaltanlage gasdicht anflanschbaren Druckkessel und mit einer als lagenwicklung ausgebildeten Hochspannungswicklung, die von einer diese koaxial umfassenden Hochspannungselektrode umgeben ist, wobei das in dem Druckkessel befindliche Isoliergas die Hochspannungsisolation bildet.

Der in jüngster Zeit vermehrte Einsatz von mittels Isoliergas vollisolierten, metallgekapselten Schaltanlagen hat auch die Entwicklung von Strom- und Spannungswandlern, die in diesen Anlagen eingesetzt werden können, gefördert.

Es sind verschiedene Arten von Spannungswandlern bekanntgeworden, die je nach der vorgegebenen Betriebsspannung einer metallgekapselten Hochspannungsschaltanlage bevorzugt eingesetzt werden können.

Aus der DT-AS 1 807 997 ist ein induktiver Spannungswandler für eine mittels Isoliergas vollisolierte, metallgekapselte Hochspannungsschaltanlage bekanntgeworden, dessen Primär- und

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Sekundärwicklungen mittels eines Gießharzisolierkörpers gegeneinander und gegen den geerdeten Druckkessel isoliert sind. Die Hochspannungsisolation wird also von dem Gießharzisolierkörper gebildet, während das im Druckkessel befindliche Isoliergas lediglich als Korrosionsschutz für die aktiven Wandlerteile dient. Da bei größeren Vergußgewichten die Schwierigkeiten, eine Gießharzisolation ohne Lunker, Lufteinschlüsse oder andere Fehlstellen zu schaffen, stark zunehmen, ist die Verwendung derartiger gießharzisolierter Spannungswandler für vollisolierte, metallgekapselte HochspannungsSchaltanlagen im unteren Hochspannungsbereich bis etwa 145 kV begrenzt.

Für höhere Spannungsebenen ist grundsätzlich ein durch die DT-AS 2 113 617 bekanntgewordener induktiver Spannungswandler mit einer Hochspannungswicklung, die einen treppenförmig abgestuften, selbsttragenden kaskadenförmigen Spulenverband darstellt, geeignet. Bei diesem Spannungswandler werden die den Spulenverband bildenden Teilspulen mit einem Imprägnierharz imprägniert und umgössen und hierbei die notwendigen Verbindungsbrücken zwischen den einzelnen Teilspulen aus dem Imprägnierharz hergestellt. Da dieser Spannungswandler nur vergleichsweise kleine Teilspulen aufweist, ist das Imprägnieren bzw. Umgießen der Teilspulen nicht kritisch. Schwierigkeiten bereitet es jedoch, die Verbindungsbrücken zwischen den Teilspulen so herzustellen, daß der Spulenverband, der aus elektrischen Gründen freitragend ausgebildet ist, eine ausreichende mechanische Festigkeit erhält.

Schließlich ist durch das Listenblatt E 24.01.02/0773 der AEG-TELEFUNKEN betreffend "Schaltanlagen" ein induktiver Spannungswandler für eine mittels Isoliergas vollisolierte, metallgekapselte Hochspannungsschaltanlage bekanntgeworden, dessen

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Hochspannungsisolation allein durch das in dem Druckkessel des Spannungswandlers befindliche Isoliergas, vorzugsweise SFg, gebildet ist. Die Hochspannungswicklung ist von einer Hochspannungselektrode umgeben, die mit der Kontaktfläche für den Anschluß an die Schaltanlage mittels eines Trichterstützers verbunden ist.

Die Erfindung geht von einem induktiven Spannungswandler der zuletzt genannten Art aus, bei der das Isoliergas der Schaltanlage bzw. das von dort in den Druckkessel des Spannungswandlers eingeleitete Isoliergas selbst die Hochspannungsisolation des Wandlers bildet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Spannungswandler für eine mittels Isoliergas vollisolierte, metallgekapselte Hochspannungsschaltanlage der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß die räumlichen Abmessungen des Druckkessels, das benötigte Isoliergasvolumen und das Gewicht des Wandlers möglichst klein gehalten werden können. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Hochspannungselektrode axial über die Wicklungsstirnseiten wenigstens eines Teiles der Lagenwicklung vorgezogen ist und der den Wicklungsquerschnitt der Lagenwicklung umfassende Zentralteil sowie die über die Lagenwicklung axial vorgezogen nen Randteile der Hochspannungselektrode so gekrümmt sind, daß deren Mantelfläche mit den ihr benachbarten zylindrischen Wandteilen des Druckkessels wenigstens annähernd ein auf ein Zylinderfeld projiziertes Rogowski-Profil bildet.

Durch das Einwärtsziehen der Randteile der Hochspannungselektrode in Richtung auf die Wicklungslängsachse in einem Maße, daß die Hochspannungselektroden-Mantelfläche mit den

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ihr benachbarten zylindrischen Wandteilen des Druckkessels ein auf ein Zylinderfeld projeziertes Rogowski-Profil bilden, erhält man nicht nur eine optimale Abschirmung, sondern darüber hinaus an allen Stellen der Hochspannungselektrode eine gleichmäßige Oberflächenfeldstärke. Damit kann die dielektrische Beanspruchung des Isoliergases vergleichsweise hoch gewählt werden, weil Feldkonzentrationen und damit unzulässig hohe dielektrische Beanspruchungen nicht auftreten. Dies ermöglicht, unabhängig von dem im Druckkessel verwendeten Druck des Isoliergases, vorzugsweise Schwefelhexafluorid, Perfluorpropan od. dgl., den Isolationsabstand zwischen der Hochspannungselektrode und dem auf Erdpotential liegenden Druckkessel optimal gering zu halten. Das führt bei zylindrischen Druckkesseln zu geringeren Kesseldurchmessern, damit zu kleineren Gasvolumina und schließlich auch zu einer Gewichtsersparnis. Letztere ist insbesondere bei den vielfach verwendeten Stahblech-Druckkesseln bedeutsam. Hinzu kommt, daß die Erfindung insbesondere auch der Forderung nach kleineren Feldteilungen bei vollisolierten, metallgekapselten Hochspannungsschaltanlagen entgegenkommt oder bei gleicher Feldteilung eine bequemere Montage ermöglicht.

Mit Vorteil weist die lagenwicklung eine oder mehrere über deren Wicklungsstirnseiten axial vorstehende Zwischenelektrode(n) auf, deren freie Enden sich nach außen trompetenförmig erweitern. Durch die Verwendung einer oder mehrerer Zwischenelektrode (n) wird die Abschirmung und die Feldvergleichmäßigung noch verbessert. Zudem erhält man eine günstigere Stoßspannungsfestigkeit der Hochspannungswicklung. Durch die trompetenförmige Ausbildung der Zwischenelektrodenränder werden Feldkonzentrationen weitgehend vermieden. Gleichzeitig ergibt sich eine Material-, Gewichts- und Raumersparnis, weil die zur Erzielung eines großen Krümmungsradius notwendige Aufweitung der

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Elektrodenränder nur im Bereich hoher Feldstärken vorgesehen ist.

Von Vorteil ist es ferner, wenn die Hochspannungselektrode und/oder die Zwischenelektrode(n) vorzugsweise aus zusammengesetzten Blechdrückteilen bestehen. Dies führt im Vergleich zu den üblichen, aus Vollmaterial herausgearbeiteten Abschirmelektroden zu einer erheblichen Gewichtsersparnis, vornehmlich dann, wenn die Blechdrückteile aus Leichtmetall bestehen. Günstig ist es auch, wenn die Hochspannungselektrode aus zwei symmetrischen Blechdrückteilen zusammengesetzt ist, die vorzugsweise lösbar miteinander verbunden sind. Damit wird die nachträgliche Montage der Hochspannungselektrode wesentlich vereinfacht.

Eine besonders montagefreundliche Ausgestaltung der Hochspannungselektrode ist dann gegeben, wenn die Blechdrückteile mittels eines Bajonettverschlusses miteinander verbunden sind.

Um weiter an Gewicht zu sparen und um eine einheitliche mechanisch stabile Hochspannungswicklung zu erhalten, ist es ferner günstig, wenn die Zwischenelektrode(n) als Metallbahn(en) ausgebildet und in die Lagenwicklung eingewickelt ist (sind) und wenn deren vorzugsweise aus Blechdrückteilen hergestellte Ränder durch Löten, Nieten od. dgl. mit der Zwischenelektrodenbahn verbunden sind.

Um getrennte Befestigungspunkte für die Aktivteile des Spannungswandlers gegen den Kessel einerseits und die Abstützung der Hochspannungsausleitung am Abschlußisolator andererseits zu erhalten, ist es von Vorteil, wenn die Hochspannungselektrode an der Hochspannungsausleitung befestigt ist und die Lagenwicklung freitragend umfaßt oder wenn die Hochspannungselektrode auf der Lagenwicklung mittels eines Klemmsitzes befestigt

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und die Hochspannungsausleitung mit der Hochspannungselektrode flexibel verbunden ist. Als Klemmsitzbefestigung bietet sich insbesondere eine speichenförmige Abstützung der Hochspannungselektrode auf der Lagenwicklung an.

Zur Dämpfung von Entladeströmen leerlaufender Leitungen ist es von Vorteil, wenn die speichenförmigen Stützelemente aus Widerstandsmaterial bestehen oder wenn die Hochspannungsausleitung selbst aus Widerstandsmaterial besteht oder eine Wicklung aus Widerstandsdraht enthält.

Falls auf eine gleichmäßige Wechselspannungsverteilung Wert gelegt wird, ist es vorteilhaft, wenn die von der Hochspannungselektrode umfaßte Lagenwicklung einen rechteckigen Wicklungsquerschnitt aufweist.

Die Stoßspannungsfestigkeit der Hochspannungswicklung und die Klassengenauigkeit des erfindungsgemäßen Spannungswandlers können noch verbessert werden, wenn die Lagenwicklung mit rechteckigem Wicklungsquerschnitt ein- oder mehrfach abgestuft und an jeder Wicklungsstufe eine axial über den Wicklungsrand vorstehende Zwischenelektrode vorgesehen ist und wenn die Breite der Wicklungsstufen mit zunehmendem Potential abnimmt.

In Fällen, wo es auf eine weitgehend gleichmäßige induktive und kapazitive Spannungsaufteilung ankommt, ist es von Vorteil, wenn die von der Hochspannungselektrode umfaßte Lagenwicklung einen trapezförmigen Wicklungsquerschnitt aufweist. In dieser Beziehung optimale Verhältnisse liegen vor, wenn die von der Hochspannungselektrode umfaßte Lagenwicklung eine in Richtung zunehmenden Potentials stetig abnehmende Lagenbreite aufweist, wobei die Lagenbreite in Abhängigkeit von der Lagenzahl so be-

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messen ist, daß die induktive und die kapazitive Spannungsverteilung einander wenigstens annähernd gleich sind.

Von besonderem Vorteil ist, wenn die einzelnen Wicklungslagen und deren lagenisolationen so verfestigt sind, daß der Wandler in "beliebiger Einbaulage an die Hochspannungsschaltanlage anflanschbar ist. Eine ausreichende Verfestigung der Hochspannungswicklung kann beispielsweise durch Verkleben der Wicklungslagen und/oder der Lagenisolationen oder durch Herstellung einer ausreichend weichen Oberfläche der lagenisolationen derart, daß sich die einzelnen Drahtwindungen durch den Wickelzug dort eindrücken, erzielt werden. Damit kann der Wandler sowohl in den hauptsächlichen Einbaulagen mit liegendem, nach unten geneigten oder nach oben weisenden Abschlußisolator und sogar in Zwischenstellungen mit schräger Spulenhauptachse an die Hochspannungsschaltanlage angeflanscht werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch einen induktiven Spannungswandler gemäß der Erfindung;

Fig. 2 in ebenfalls schematischer Darstellung und in gegenüber Fig. 1 vergrößertem Maßstab einen Längsschnitt durch die eine Hälfte einer weiteren Ausführungsform eines induktiven Spannungswandlers gemäß der Erfindung mit lösbar miteinander verbundenen Hochspannungselektrodenhälften und

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Einzelheit zur Verriegelung der lösbaren Hochspannungselektrodenhälften.

Wie Fig. 1 zeigt, ist die.als Lagenwicklung ausgebildete Hochspannung swicklung 1 von einer Hochspannungselektrode 2 koaxial umgeben, die aus zwei zu deren Längsmittelebene symmetrischen Hälften 2a, 2b zusammengesetzt ist. Die Hochspannungselektroden-

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halften 2a, 2b sind der einfacheren Herstellung wegen und aus Gründen einer Kosten- und Gewichtsersparnis aus Blechdrückteilen gefertigt, vorzugsweise aus leichtmetallblech, wie Aluminium oder Aluminiumlegierung. Grundsätzlich könnte aber auch eine durchgehend geteilte, aus Vollmaterial herausgearbeitete Hochspannungselektrode verwendet werden. Die Hochspannungselektrodenhälften 2a, 2b weisen in der Teilungsebene (Längsmittelebene) A-A in Richtung auf die Hochspannungswicklung 1 eingezogene umlaufende Teile 3a, 3b auf₉ längs deren die Hochspannungselektrodenhälften 2a, 2b noch vor deren Anbringung an der Hochspannungswicklung 1 miteinander verlötet, verschweißt, vernietet oder lösbar, beispielsweise mittels Schrauben, miteinander verbunden sind. Die Teilung der Hochspannungselektrode 2, vorzugsweise in der Längsmittelebene A-A₅ erfolgt also lediglich der einfacheren Herstellung wegen. Um die nachträgliche Montage der Hochspannungselektrode 2 an der fertigen Hochspannungswicklung 1 zu vereinfachen, ist eine lösbare Verbindung der beiden Elektrodenhälften 2a, 2b besonders vorteilhaft, wie im Zusammenhang mit den Fig. 2 und 3 näher beschrieben wird. Bei der Ausführungsform mit einer stoffschlüssigen Verbindung der beiden Elektrodenhälften 2a, 2b ist die Hochspannungselektrode 2 nicht nur in einer zur Teilungsebene A-A senkrechten Ebene geschlitzt, um eine KurzSchlußwindung zu vermeiden, sondern in dieser Ebene, was zeichnerisch nicht dargestellt ist, durchgehend geteilt, um die so entstandenen Elektrodenhälften über die fertige Hochspannungswicklung 1 radial von außen führen und unter Anbringung einer elektrisch isolierenden Isolierscheibe lösbar miteinander verbinden zu können. Diese nachträgliche Anbringungsmöglichkeit der Hochspannungselektrode 2 bietet den weiteren Vorteil, daß das Einschichten des Kernes in die fertige Hochspannungswicklung nicht behindert wird.

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Die Hochspannungselektrode 2 weist einen die als Lagenwicklung ausgebildete Hochspannungswicklung 1 oder wenigstens einen Teil davon umfassenden Zentralteil 2^ sowie über die Lagenwicklung axial vorgezogene Randteile 2_R1, 2_R2 auf. Der Zentralteil 2„ und die Randteile 2_R1, 2q₂ der Hochspannungselektrode 2 sind so gekrümmt und die Randteile 2_R1 und 2™ sind in Richtung auf die Längsachse L der Hochspannungswicklung 1 so weit einwärts gezogen, daß die Mantelfläche M der Hochspannungselektrode 2 mit den ihr benachbarten zylindrischen Wandteilen 4 des Druckkessels 5 (siehe hierzu auch Fig. 2) wenigstens annähernd ein auf ein Zylinderfeld projiziertes Rogowski-Profil bilden. Die gestrichelte halbkreisförmige Linienführung in Fig. 1 verdeutlicht hierbei den Druckkesselradius R. Im Hinblick auf eine konstante Oberflächenfeldstärke und damit auf ein homogenes Feld mit einer gleichmäßigen Beanspruchung des die Hochspannungsisolation bildenden Isoliergases, das vorzugsweise ein inertes oder elektronegatives Gas, wie Stickstoff oder Schwefelhexafluorid, sein kann, ist es von Vorteil, wenn der Zentralteil 2„ der Hochspannungselektrode 2 einen Krümmungsradius r aufweist, der mit dem Krümmungsradius R des Druckkessels 5 wenigstens annähernd einen gemeinsamen Mittelpunkt MP besitzt. Der Zentralteil 2„ der Hochspannungselektrode 2 ist im Falle einer Lagenwicklung mit gleichen Lagenlängen annähernd so breit wie die Lagenwicklung einschließlich der seitlich vorstehenden Lagenisolationen 6. Bei Verwendung einer Lagenwicklung mit in Richtung abnehmenden Potentials stetig zunehmender Lagenbreite (Trapezwicklung, Wicklung mit gleicher induktiver und kapazitiver Spannungsverteilung od. dgl.) ist der Zentralteil 2^ etwa so breit wie die äußerste, auf Hochspannungspotential liegende Wicklungslage einschließlich der seitlich vorstehenden Lagenisolationen. Zusammen mit den sich an den Zentralteil 2^

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seitlich anschließenden Randteilen 2„.., 2_Rp» die gleiche, aber kleinere Krümmungsradien als der Zentralteil 2„ besitzen, erhält man eine enge Kopplung und damit eine wirksame Abschirmung der Hochspannungswicklung 1.

Die Hochspannungswicklung kann als Lagenwicklung mit rechteckigem Wicklungsquerschnitt 7, d.h. mit gleichen Iagenlängen ausgebildet sein. In Fig. 1 ist links von der Längsmittelebene A-A nur die eine Hälfte der Lagenwicklung 7 dargestellt. Eine solche Wicklung zeichnet sich insbesondere durch eine gleichmäßige Wechselspannungsverteilung aus. Sie läßt sich auch maschinell sehr einfach herstellen. Falls eine weitgehend gleichmäßige induktive und kapazitive Spannungsverteilung angestrebt wird, kann die Hochspannungswicklung auch als Lagenwicklung mit trapezförmigem Wicklungsquerschnitt 8 ausgebildet sein, wie dies für die eine Hälfte einer Trapezwicklung rechts von der Längsmittelebene A-A dargestellt ist. In diesem Falle umfaßt die Hochspannungselektrode 2 nur einen Teil, und zwar etwa das erste Drittel der Trapezwicklung 8. Die Abschirmwirkung der Hochspannungselektrode 2 ist auch für diesen Anwendungsfall noch völlig ausreichend. Dies gilt insbesondere dann, wenn in der Wicklungsebene mit etwa halbem Hochspannungspotential zusätzlich eine Zwischenelektrode 9 mit axial über die Wicklungsstirnseiten 10, 11 vorstehenden Elektrodenrändern 12, 13 vorgesehen ist. Die Zwischenelektrode 9 besteht vorzugsweise aus einer in die Lagenwicklung 7 mit rechteckigem Wicklungsquerschnitt oder in die Trapezwicklung 8 eingewickelten Metallbahn, beispielsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Die aus Vollmaterial, aus Gründen einer Gewichtsersparnis vorzugsweise aber aus gedrücktem Blechmaterial bestehenden Elektrodenränder 12, 13 der Zwischenelektrode 9 können

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mit der eingewickelten Metallbahn durch Löten, Nieten od. dgl. verbunden sein. Durch das Einwickeln der Zwischenelektrode 9 erhält man einen in sich stabilen, erschütterungsfesten Wicklungsaufbau, wobei die Metallbahn der Zwischenelektrode 9 als Wickelkörper für den oberen, auf höherem Potential liegenden Wicklungsteil dient.

Die Hochspannungselektrode 2 umgibt die Hochspannungswicklung freitragend; sie ist lediglich mittels Schraubverbindungen od. dgl. an der Hochspannungsausleitung 14 befestigt, die ihrerseits von einem am Kupplungsflansch 15 des Wandlers verspannten, vorzugsweise trichterförmigen Abschlußisolator 16 getragen wird. Die Potentialverbindung zwischen der Hochspannungswicklung 1 und der Hochspannungsausleitung 14 ist über eine flexible Verbindungsleitung 17 hergestellt. Durch die freitragende Anordnung der Hochspannungselektrode 2 in bezug auf die Hochspannungswicklung 1 und durch die flexible Verbindung des hochspannungsseitigen Wicklungsanschlusses mit der Hochspannungsausleitung 14 können größere Toleranzen in der Wickelhöhe zugelassen werden, da diese innerhalb der Hochspannungselektrode 2 aufgefangen werden. Außerdem erhält man getrennte Befestigungspμnkte für die Aktivteile des Wandlers gegen den Druckkessel 5 einerseits und die Abstützung der Hochspannungsausleitung 14 am Abschlußisolator 16 andererseits.

Der Eisenkern 18 kann in bekannter Weise nachträglich in die fertige Hochspannungswicklung 1 eingeschichtet und mittels eines zeichnerisch nicht dargestellten Preßrahmens gegen den Druckkessel 5 festgelegt werden. Zur weiteren Vergleichmäßigung des elektrischen Feldes ist eine das Kernfenster vollständig auskleidende Blechabschirmung 19 aus lückenlos aneinandergesetzten Blechteilen vorgesehen, die an den Stirnseiten zur Vermeidung einer Kurzschlußwindung radial zur Kernschenkelachse geschlitzt sind.

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Die Hochspannungswicklung 1 wird als Einheit von einem Hochspannung swickelrohr 20 getragen, in das die Niederspannungswicklung 21 eingeschoben und in üblicher Weise befestigt wird. Die Ausleitungen der Niederspannungs- bzw. Sekundärwicklung werden durch eine gasdichte Durchführung 22 zu den Anschlußklemmen im Klemmenkasten geführt.

Als Lagenisolationen 6 können im Wandlerbau insbesondere bei Verwendung von gasförmigen Isolierstoffen bewährte Papieroder Kunststoffolienbahnen verwendet werden. Der Innenraum des Druckkessels 5 steht über ein zeichnerisch nicht dargestelltes Ventil mit dem Isoliergasvolumen der metallgekapselten Hochspannungsschaltanlage in Verbindung, Der Druckkessel 5 kann vorzugsweise als Leichtmetallgußgehäuse oder als geschweißtes Stahlblechgehäuse ausgebildet sein. Die Aktivteile des Wandlers - Eisenkern 18 sowie Hoch·= und Niederspannungswicklungen 1, 21 - werden mittels am Preßrahmen angebrachter, zeichnerisch nicht dargestellter Halteelemente am Druckkessel 5 befestigt. Der Abschlußisolator 16 wird demnach mechanisch nur durch das Gewicht der Hochspannungsausleitung 14 und der in Leichtbauweise ausgebildeten Hochspannungselektrode 2 beansprucht.

Falls die Toleranzen in der Wickelhöhe der Hochspannungswicklung genügend klein gehalten werden können oder falls ein Toleranzausgleich an anderer Stelle des Wandlers, beispielsweise am Übergang von der Hochspannungselektrode zur Hochspannungsausleitung, ermöglicht wird, kann zur Vereinfachung der Montage der Hochspannungselektrode diese aus zwei gleichen Blechdrückteilen hergestellt sein, die gegensinnig zusammengesetzt werden können. Die Blechdrückteile können mittels eines Bajonettverschlusses lösbar miteinander verbunden und durch einen Klemmsitz auf der Hochspannungswicklung befestigt werden. Eine derartige Ausführungsform der Abschirmelektrode ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Die

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Fig. 2 zeigt ferner weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten für die Hochspannungswicklung.

Um die günstigen Eigenschaften einer Hochspannungslagenwicklung mit rechteckigem Wicklungsquerschnitt beizubehalten und um gleichzeitig deren StoßSpannungsfestigkeit und Klassengenauigkeit zu verbessern, kann die Hochspannungswicklung, wie in Fig. 2 rechts von der Längsmittelebene B-B dargestellt ist, auch als einfach abgestufte lagenwicklung 23 mit rechteckigem Wicklungsquerschnitt ihrer WicklungsteiIe ausgebildet sein. Es ist wiederum nur die eine Hälfte dieser Wicklung dargestellt. Die beiden rechteckigen Wicklungsteile 24, 25 mit unterschiedlichen Lagenlängen sind elektrisch in Reihe geschaltet. Am Übergang zwischen den Wicklungsteilen 24, 25 ist eine Zwischenelektrode 26 vorgesehen, die axial über die Wicklungsstirnseiten 27 des unteren Wicklungsteiles 25 mit größerer Lagenbreite vorsteht und auf dem Potential der obersten Lage des Wicklungsteiles 25, vorzugsweise auf mittlerem Potential liegt. Der Aufbau der Zwischenelektrode 26 ist mit Vorteil der gleiche wie der der Zwischenelektrode 9 im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Eine bevorzugte Abwandlung ist jedoch dadurch gegeben, daß deren aus Blechdrückteilen hergestellte Elektrodenränder 28 (Fig. 2 zeigt nur die eine Hälfte des rechten Elektrodenrandes) sich nach außen trompetenförmig erweitern. Dadurch erhält man an den Elektrodenrändern 28 vergleichsweise große Krümmungsradien ohne unwirtschaftlich hohen Material-, Gewichtsund Raumbedarf. Selbstverständlich könnten auch bei dem Ausführung sbei spiel gemäß Fig. 1 die Ränder der Zwischenelektrode entsprechend ausgebildet sein. Durch diese Elektrodenrandausbildung wird das Prinzip der Leichtbauweise sämtlicher Abschirmelektrodenteile noch gefördert. Die Verbindung der Elektrodenränder 28 mit der Zwischenelektroden-Metallbahn kann wiederum

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durch Löten, Nieten od. dgl. hergestellt sein. Bei höheren Spannungsebenen kann die Lagenwicklung 23 auch mehr als zwei Stufen aufweisen und auf jeder Teilwicklung mit einer Zwischenelektrode versehen sein. Dadurch läßt sich die Stoßspannungsfestigkeit der Hochspannungswicklung noch weiter verbessern.

Falls eine wenigstens annähernd gleiche induktive und kapazitive Spannungsverteilung (Wechsel- und Stoßspannungsverteilung) in der Hochspannungswicklung erwünscht ist, kann die Lagenwicklung 29 vorzugsweise so ausgebildet werden, daß sie eine in Richtung zunehmenden Potentials stetig abnehmende Lagenbreite aufweist, wie dies in Fig. 2 links von der Längsmittelebene B-B dargestellt ist. Die Lagenlänge der x-ten Lage muß hierbei folgender Formel genügen

1 = const. · In 2L ;

^dx-1

hierin bedeuten:

I^ = Lagenlänge der x-ten Lage

d_v = Durchmesser der x-ten Lage

d„ ₁ = Durchmesser der der x-ten Lage vorausgegangenen Lage

1 = natürlicher Logarithmus

const. = Konstante, die so bemessen ist, daß die notwendige Gesamtwindungszahl einschließlich der erforderlichen Lagenisolierung in einem vorgegebenen Wicklungsquerschnitt untergebracht werden kann.

Die der Hochspannungswicklung 23 bzw. 29 zugeordnete Hochspannungselektrode ist mit 30 bezeichnet. Die Hochspannungselektrode 30 besteht wiederum aus zwei zu deren Längsmittelebene B-B symmetrisehen Hälften 30a, 30b, vorzugsweise aus gedrücktem Leichtmetallblech, insbesondere Aluminium. Die Krümmungsradien

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des Elektrodenzentralteiles 30_z und der über die Hochspannungswicklung 23 bzw. 29 axial vorgezogenen Randteile 30_R1, 3O_R2 und deren Zuordnung zu dem benachbarten zylindrischen Wandteil 31 des Druckkessels 32 einerseits und zu der Hochspannungswicklung 23 bzw. 29 andererseits sind wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ausgebildet bzw. gewählt. Entfallen sind lediglich die in der Teilungsebene A-A bei dem früher beschriebenen Ausführungsbeispiel angebrachten, nach innen gezogenen umlaufenden Teile 3a, 3b und deren stoff- oder formschlüssige Terbindung.

An der einen Elektrodenhälfte 30b ist ein umlaufendes Führungsblech 33 für die andere Elektrodenhälfte 30a befestigt, das gleichzeitig zur Verstärkung bzw. Versteifung der Abschirmelektrode 30 dient. Am Umfang des Führungsbleches 33 sind vorzugsweise um etwa 120° gegeneinander versetzt drei Schloßteile 34 befestigt, die zusammen mit entsprechenden, in gleicher Weise verteilten Riegelteilen 35 an der Elektrodenhälfte 30a einen Bajonettverschluß bilden. Eine Draufsicht auf eines der Riegelteile 35 mit einer abgewinkelten Führungsnut 36 für einen Verschlußstift 37 ist in Fig. 3 dargestellt. An der äußersten Lage 38 der Hochspannungswicklung 23 bzw. 29, die vorzugsweise als Metallschirm ausgebildet ist, sind zwei umlaufende Führungsstreifen 39, 40 befestigt, zwischen denen, ebenfalls um etwa 120° gegeneinander versetzt, drei Gewindebuchsen 41 angeordnet sind. Eine dieser Gewindebuchsen ist mit dem Metallschirm fest verlötet, während die beiden anderen Buchsen zwischen den Führungsstreifen 39» 40 gleitend angeordnet sind, um eine mögliche Versetzung bei der Zuordnung der Schloßteile 34 zu den Gewindebuchsen 41 auszugleichen. Zur radialen Verspannung der bajonettartig miteinander verrasteten Elektrodenhälften 30a, 30b dienen in den Gewindebuchsen 41

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eingeschraubte Gewindestifte 43·, die durch Spannen mit in den Schloßteilen 34 angeordneten sacklochartigen Bohrungen 42 eine Radialverspannung der Abschirmelektrode 30 mit der Hochspannungswicklung 23 bzw. 29 ermöglichen. Nach der Zentrierung und Verspannung der Abschirmelektrode 30 durch die am Umfang der Hochspannungswicklung 23 bzw. 29 gleichmäßig verteilten Gewindestifte 43 werden die auf den Gewindestiften 43 angebrachten Kontermuttern 44 festgezogen. Die Verbindung der Abschirmelektrode 30 mit dem hier nicht dargestellten Ausleitungsrohr kann über zeichnerisch ebenfalls nicht dargestellte Anschlußwinkel erfolgen. Zur Vermeidung einer Kurzschlußwindung genügt es, die Hochspannungselektrode 30 in einer zur Längsmittelebene B-B senkrechten Ebene einseitig zu schlitzen. Eine axiale Teilung in zwei Hälften ist nicht erforderlich, weil die Elektrodenhälften 30a, 30b seitlich an die fertige Hochspannung swicklung 23 bzw. 29 übergeschoben und durch den Bajonettverschluß miteinander verbunden werden können.

Die speichenförmige Abstützung der Hochspannungselektrode 30 auf der Hochspannungswicklung 23 bzw. 29 gewährleistet eine innige, rüttelfeste Verbindung zwischen Abschirmelektrode und Hochspannungswicklung. Falls die speichenförmigen Stützelemente 33, 34, 40, 41, 43 darüber hinaus aus Widerstandsmaterial bestehen, können sie gleichzeitig zur Dämpfung von Entladeströmen leerlaufender Leitungen verwendet werden. Die gleiche Wirkung kann auch dadurch erzielt werden, daß man die Hochspannungsausleitung selbst aus Widerstandsmaterial herstellt oder daß sie eine Wicklung aus Widerstandsdraht enthält. Eine derartige Wicklung könnte beispielsweise im Schleudergießverfahren in eine aus Gießharz hergestellte Hochspannungsausleitung eingebracht werden.

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Zur weiteren Verfestigung der Hochspannungswicklung ist es von Vorteil, wenn die einzelnen Wicklungslagen und/oder Lagenisolationen durch Klebemittel od. dgl. zusätzlich fixiert werden. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, daß die Imprägnierung der einzelnen Wicklungslagen mit dem Isoliergas nicht beeinträchtigt wird. 'Zum Zwecke der Verfestigung kann auch die Oberfläche der Lagenisolationen durch einen Aufstrich oder andere geeignete Maßnahmen so weich gemacht werden, daß sich die einzelnen Drahtwindungen durch den Wickelzug in die Lagenisolationen eindrücken. Durch die zusätzliche Verfestigung der Hochspannungswicklung ist es möglich, den Wandler in beliebiger Einbaulage an die Hochspannungsschaltanlage anzuflanschen.

Der Spannungswandler gemäß der Erfindung zeichnet sich auf Grund der im vorstehenden beschriebenen Ausbildung der Hochspannungselektrode und deren Zuordnung zu der Hochspannungswicklung im Zusammenwirken mit der bzw. den Zwischenelektroden durch eine äußerst günstige Feldausnutzung aus. Damit kann die hohe Durchschlagsfestigkeit des Isoliergases bei erhöhtem Druck voll ausgenutzt werden, mit der Folge, daß die Isolierabstände und damit die Abmessungen des Wandlers klein gehalten werden können. Der erfindungsgemäße Spannungswandler läßt sich auch als Prüftransformator verwenden.

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Claims

Patentansprüche

1. Induktiver Spannungswandler für eine mittels Isoliergas vollisolierte, metallgekapselte Hochspannungsschaltanlage mit einem an die Metallkapsel der Schaltanlage gasdicht anflanschbaren Druckkessel und mit einer als Lagenwicklung ausgebildeten Hochspannungswicklung, die von einer diese koaxial umfassenden Hochspannungselektrode umgeben ist, wobei das in dem Druckkessel befindliche Isoliergas die Hochspannungsisolation bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungselektrode (2 bzw. 30) axial über die Wicklungsstirnseiten (10, 11 bzw. 27) wenigstens eines Teiles der lagenwicklung (7, 8 bzw. 23, 29) vorgezogen ist und der den Wicklungsquerschnitt der Lagenwicklung (7, 8 bzw. 23, 29) umfassende Zentralteil (2_Z bzw. 30„) sowie die über die Lagenwicklung (7, 8 bzw. 23, 29) axial vorgezogenen Randteile (2^^, 2pp bzw. 3Oq₁, 30_Rp) der Hochspannungselektrode (2 bzw. 30) so gekrümmt sind, daß deren Mantelfläche (M) mit den ihr benachbarten zylindrischen Wandteilen (4 bzw. 31) des Druckkessels (5 bzw. 32) wenigstens annähernd ein auf ein Zylinderfeld projiziertes Rogowski-Profil bildet.

2. Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagenwicklung (7, 8 bzw. 23, 29) eine oder mehrere über deren Wicklungsstirnseiten (10, 11 bzw. 27) axial vorstehende Zwischenelektrode(n) (9 bzw. 26) aufweist, deren freie Enden (12, 13 bzw. 28) sich nach außen trompetenförmig erweitern.

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3. Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungselektrode (2 bzw. 30) und/oder die Zwischenelektrode(n) (9 bzw. 26) Torzugsweise aus zusammengesetzten Blechdrückteilen bestehen.

4· Spannungswandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungselektrode (2 bzw. 30) aus zwei symmetrischen Blechdrückteileh (2a, 2b bzw. 30a, 30b) zusammengesetzt ist.

5. Spannungswandler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechdrückteile (30a, 30b) lösbar miteinander verbunden sind.

6. Spannungswandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 3-5» dadurch gekennzeichnet, daß die Blechdrückteile (30a, 30b) mittels eines Bajonettverschlusses (34 - 37) miteinander verbunden sind.

7. Spannungswandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenelektrode(n) (9 bzw. 26) als Metallbahn(en) ausgebildet und in die lagenwicklung (7, 8 bzw. 23, 29) eingewickelt ist (sind) und daß deren vorzugsweise aus Blechdrückteilen hergestellte Ränder (12, 13 bzw. 28) durch Löten, Nieten od. dgl. mit der Zwischenelektrodenbahn verbunden sind.

8. Spannungswandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungselektrode (2) an der Hochspannungsausleitung (14) befestigt ist und die Lagenwicklung (7 bzw. 8) freitragend umfaßt.

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9. Spannungswandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungselektrode (30) auf der Lagenwicklung (23 bzw. 29) mittels eines Klemmsitzes befestigt und die Hochspannungsausleitung mit der Hochspannungselektrode flexibel verbunden ist.

10. Spannungswandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Hochspannungselektrode (30) speichenförmig auf der lagenwicklung (23 bzw. 29) abstützt.

11. Spannungswandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die speichenförmigen Stützelemente (33* 34» 40, 41» 43) aus Widerstandsmaterial bestehen.

12. Spannungswandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungsausleitung (14) aus Widerstandsmaterial besteht oder eine Wicklung aus Widerstandsdraht enthält.

13. Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Hochspannungselektrode (2 bzw. 30) umfaßte Lagenwicklung (7 bzw. 23) einen rechteckigen Wicklungsquerschnitt aufweist.

14. Spannungswandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagenwicklung (23) mit rechteckigem Wicklungsquerschnitt ein- oder mehrfach abgestuft ist, daß an jeder Wicklungsstufe (25) eine axial über den Wicklungsrand (27) vorstehende Zwischenelektrode (26) vorgesehen ist und daß die Breite der Wicklungsstufen (24, 25) mit zunehmendem Potential abnimmt.

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15. Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Hochspannungselektrode (2) umfaßte Lagenwicklung (8) einen trapezförmigen Wicklungsquerschnitt aufweist.

16. Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Hochspannungselektrode (30) umfaßte Lagenwicklung (29) eine in Richtung zunehmenden Potentials stetig abnehmende Lagenbreite aufweist, wobei die Lagenbreite in Abhängigkeit von der Lagenzahl so bemessen ist, daß die induktive und die kapazitive Spannungsverteilung einander wenigstens annähernd gleich sind.

17. Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Wicklungslagen und deren Lagenisolationen so verfestigt sind, daß der Wandler in beliebiger Einbaulage an die Hochspannungsschaltanlage anflanschbar ist.

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