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Wicklung für Transformatoren oder Drosselspulen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft Wicklungen für Starkstromtransformatoren
oder -drosselspulen. Die Wicklung weist mehrere in Reihe geschaltete Spulen auf,
bei denen die Abmessung des Leiters in axialer Richtung der Spulenhöhe entspricht,
so wie es bei Spulen mit folien- oder bandförmigen Leitern der Fall ist.
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In Transformatorbau stellt es ein bekanntes Problem dar, die Wicklungen
derart ausführen zu können, dass die Spannungsverteilung bei Stosspannung möglichst
linear wird.
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Für eine Schätzungsberechnung kann man sagen, dass das Verhältnis
von Stosspannungsbeanspruchung zu einer entsprechenden
linearen
Spannungsbeanspruchung zwischen Scheiben durch den folgenden Ausdruck gegeben ist:
Ae Stoss Ae linear
wobei Ce = Erdkapazität der Wicklung und Cs = Reihenkapazität der Wicklung.
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Diese Gleichung gilt für 2 < a t 10 bis 15.
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Eine gute Stossverteilung oder ein schwingungsfreier Zustand in einer
Wicklung wird dann erreicht, wenn, in Prozent der aufdrückten Spannung gerechnet,
die sich über jede Spule legende Stosspannung der betriebsfrequenten Spannung gleich
ist.
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Es ist bekannt, die Oberspannungswicklung eines Transformators durch
Anschluss an die Mitte der Wicklung in zwei parallelle Gruppen aufzuteilen.
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Bei Scheibenwicklungen sucht man die Spannungsverteilung durch Anwendung
verschachtelter Wicklungenzu linearisieren. Dadurch wird die Reihenkapazität der
Wicklungen erhöht, und die Spannungsverteilung wird günstiger. Eine ganz lineare
Spannungsverteilung lässt sich durch diese Massnahme nicht erreichen. In der Praxis
ist eine Verdopplung der linearen Spannungsbeanspruchung ungefähr das niedrigste
was man erreichen kann. Eine solche Wicklung mit verschachtelten Spulen ist mühsam
herzustellen. Eine verschachtelte Scheibe erfordert etwa eine doppelt so lange Herstellungszeit
wie eine nicht verschachtelte Scheibe.
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Weiter ist es bekannt, eine Kombination von verschachtelter und nicht
verschachtelter Scheibewicklung zu benutzen um eine möglichst lineare Stossverteilung
zu erreichen. Eine solche kombinierte Wicklung macht es möglich den Füllfaktor auf
einer angemessen Höhe zu halten. Bekanntlich ist man bestrebt, den Füllfaktor, d.h.
das Verhältnis-von Leiterquerschnitt zum gesamten für Leiter und Isolation verfügbaren
Querschnitt, möglichst hoch zu halten.
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Ein hoher Füllfaktor wird durch die Benutzung von Band- oder Folienwicklungen
erzielt. Es ist bekannt, Wicklungen für niedrigere Spannungen aus einer oder mehreren
in Reihe geschalteten, gleich hch.enSpulen aus Band oder Folie herzustellen. Die
Anwendung dieser Wicklungsbauart ist auf kleine Leistungen beschränkt gewesen, wie
bis auf 10 bis 15 MVA in Verteilungstransformatoren und Krafttransformatoren. Den
Grund dafür bilden die grossen Zusatzverluste, die am Ende der Wicklungen entstehen.
Diese Verluste werden mit
der Stärke des Streufeldes zunehz.en,
di- ihrerseits mit der Leistung zunimmt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist nun teils die Linearität der
Stosspannungverteilung zu verbessern und teils die grossen Zusatzverluste zu vermeiden,
die sonst infolge des radialen Streufeldes an den Enden der Wicklung entstehen.
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Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe bei einer Wicklung der eingangserwähnten
Art dadurch ermöglicht, dass die Höhe von in Reihe geschalteten Spulen und die Anzahl
der Windungen pro Spule von der Mitte bis zu den Enden der Wicklung von Spule zu
Spule oder gruppenweise abnehmen Die Wicklung wird somit zwecksmässig aus Folien-
oder Bandspulen mit abnehmender Windungszahl von Leitungseingang zum Sternpunkt
hergestellt. Mit Rücksicht auf Verluste und Kurzschlusskräfte wird die Anzahl von
Ampèrewindungen pro Höheneinheit angenahert konstant gehalten. D.h. dass die mittlere
Spule aus einer dünnen, breiten Folie bestehen wird.
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Allmählich als die Spulenhöhe abnimmt, nimmt die Folien- bzw.
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Bandstärke zu. Die niedrigsten Spulen werden daher normalerweise nicht
als aus Folie oder Band, sondern als aus Profildraht bestehend zu bezeichnen sein.
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Die Bedingung für eine lineare Stosspannungsverteilung ist durch
die folgenden Formeln gegeben, in denen die Bezeichnungen aus dem Ersatzschaltungsschema
in Fig. 1 hergeleitet sind: Ni #ei = Ni zu(i+l) ae(i+l)
wobei i = 1 bis n - 1.
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Als Beispiel wird angenommen, dass die Windungszahlen der Spulen
nach einer geometrischen Reihe abnehmen. Ausserdem soll in a-llt Spulen der gleiche
radiale Füllfaktor eingehalten sein.
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Ni+1 = k Ni III Gleichung II geht dann-über in:
Die Voraussetzung eines konstanten radialen Füllfaktors und einer konstanten Anzahl
von AmpèrewindunGen pro Höheneinheit führt zu: Csi = k Cs(i+1) V k s(i+l)
Wird
weiter als ein in der Praxis angemessener Wert Cei = 0,25 Cs(i*l) VI angesetzt,erhält
man aus Gleichung IV: i: k+k k = k + k ok-l . 0,25 VII Setzt man n=10 und betrachtet
man die 4 bis 5 ersten Spulen, d.h. i=l, 2, 3, 4, 5, wird man finden, dass k=0,73
eine angenähert exakte Lösung für diesen ganzen Bereich darstellt.
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Mit andern Worten wird die Anforderung an linearer Stosspannungsverteilung
erfüllt sein, wenn die Spulenhöhe und die Anzahl von Windungen pro Spule nach einer
geometrischen Reihe mit k = 0,73 abnehmen. Bei konstantem radialem Füllfaktor wird
man dann in der Höhenrichtung eine konstante erhalten. Dies gilt im vorliegenden
Beispiel angenähert exakt für die ersten 4 bis 5 Spulen. Weiter vom Eingang entfernt
muss die Windungszahländerung von der geometrischen Reihe abweichen und/oderder
radiale Füllfaktor sich etwas ändern, damit man der Forderung genügen kann. In der
Praxis kann aber weit vom Eingang entfernt eine Abweichung von der linearen Verteilung
in kauf genommen werden.
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Der am Weitesten entfernte Teil der Wicklung wird daher als eine herkömmliche
Scheihenwicklung ausgeführt werden können. Dieser Anteil wird zwischen 3 bis 5%
und 60 bis 70% der gesamten Wicklungslänge liegen, abhängig von der Produktionsausrüstung
und Konstruktionspraxis der einzelnen Hersteller. Der restliche Teil der Wicklung
wird aus Spulen aus Folie oder Band bestehen.
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Das Rechnenbeispiel ist angeführt um nachzuweisen, dass sich die
Anforderung an linearer Stosspannungsverteilung mit realistischen Mitteln erfüllen
lässt, und soll lediglich der Veranschaulichung dienen. In der Praxis wird man von
der linearen Stosspannungsverteilung abweichen, um wirtschaftliche Gesichtspunkte
wie Einfachkeit des Aufbaus und möglichst wenige Spulenhöhen zu berücksichtigen.
Man wird mit anderen Worten ein Kompromiss zwischen den Anforderungen an einer möglichst
linearen Stossspannungsverteilung und einer minimalen Anzahl verschiedener Spulentypen
wählen.
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Die neue Wicklungsbauart mit Einspeisung in der Mitte ergibt einer
herkömmlichen Folienwicklung gegenüber auch Vorteile in Bezug auf zusatzverlustetdie
durch radiale Streufelder an den Enden der Wicklung verursacht sind. In einer Wicklungidie
entweder
aus einer vollen Folie oder aus gleich hohen,in Reihe geschalteten
Folienspulen aufgebaut ist, wird man an den Wicklungsenden grosse Zusatzverluste
erhalten. Diese Verluste sind auf radiale Streufelder zurückzuführen, die zu einer
ungleichmässigen Stromverteilung Anlass geben. Man hat versucht solche Verluste
durch Abschirmung der Wicklungsenden zu vermeiden. Solche Schirme sind bei Transformatoren
für grosse Leistungen und hohe Spannungen nicht wirtschaftlich und praktisch. In
der neuen Wicklung liegen die höchsten Spulen in einem Streufeld, das parallel zu
der Folie oder dem Band verläuft. In der Nähe der Enden sind die Spulen so niedrig,
dass die durch das radiale Streufeld verursachten Zusatzverluste bedeutend verkleinert
sind. Diese Wicklungsbauart wird daher bedeutend geringere Zusatzverluste als andere
Wicklungsbauarten haben, weil man dort, wo das Streufeld parallel zu den Spulen
verlaüft, hohe Spulen mit vielen Windungen hat, und an den Enden, wo das radiale
Streufeld am stärksten ist, niedrige Spulen mit wenigen Windungen hat.
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Ausführungsformen der erfindungsgemässen Wicklung sind durch schematische
Prinzipskizzen in der Zeichnung veranschaulicht.
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Fig. 2 zeigt eine Ausführung der Wicklung, bei der 1 die Eingangsspule
und 2, 3, 4, 5, 6 und 7 Spulen bezeichnen, deren Höhen symmetrisch in Bezug auf
die Eingangsspule abnehmen.
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Fig. 3 zeigt eine Ausführung mit Eingangsspule la und Folienspulen
2a, 3a und 4a abnehmender Höhe, jedoch mit Scheibenspulen 5at 6at 7a und 8a konstanter
Höhe auf die Enden zu.
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Fig. 4 zeigt eine Ausführung mit Eingangsspule lb, gleich hohen Folienspulen
2bt 3b und 4b symmetrisch in Bezug auf die Eingangsspule, und ausserdem Scheibenspulen
5bt 6b 7b und 8b auf die Enden der Wicklung zu. Dieser Aufbau ergibt die niedrigste
Anzahl von Spulentypen.
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Die neue Wicklung wird radialen Kräften gegenüber sehr widerstandsfähig
sein, insbesondere wenn als Schichtisolation epoxybeschichteter Presspan benutzt
wird. Derjenige Teil, der am starksten einem Ausbeulen ausgesetzt ist, ist gerade
der mittlere Teil der Wicklung, für den man hier eine sehr starke Konstruktion erzielen
kann. Es wird möglich sein, die Wicklung selbsttragend zu machen, so dass sie von
einer Abstützung am Kern unabhängig sein wird. Ausserdem wird die leichter mit enger
Toleranz in der Höhenrichtung herzustellen sein. Dadurch werden auch die axialen
Kurzschlusskräfteverringert.
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Es ist auch besonders hervorzuheben, dass die beschriebene Wicklungsbauart
vorteile bei der Herstellung und Isolierung bietet, so dass sie jetztigen Wicklungsaus
führungen gegenüber grosse wirtschaftliche Ersparnisse-ergeben wird. In Hochspannungstransformatoren
werden heutzutage in grossem Ausmass irgendeine Form von verschachtelter Scheibenwicklung
benutzt. Wenn man weiss, dass es zweimal so lange Zeit nimmt, eine verschachtelte
als eine nicht verschachtelte Scheibe herzustellen, ersieht man.unmittelbar, welche
Ersparnisse erreichbar sind. Eine Folienwicklung wird als einfacher herstellbar
angesehen und wird ein weiteres Ersparnis von 30% bedeuten Die besprochene Wicklung
wird weniger Scheiben als eine herkömmliche aufweisen. Der Aufwand für die Montierung
von Abstandshaltern und für Höhenjustierungen wird daher geringer.
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Ausserdem ist es leichter, eine Folienwicklung zu isolieren, und die
Isolation nimmt weniger Platz, so dass der Füllfaktor erhöht werden kann. Dadurch
kann man den Bedarf eines Transformators an aktiven ç;erkstoffen verkleinern. Der
neue Wicklungsaufbau kann als Oberspannungswicklung oder Unterspannungswicklung-in
Kombination mit irgendwelcher anderen Wicklungsbauart benutzt werden. A1E Oherspannungswicklung
eignet sie sich am besten mit Leitungsanschluss in der Mitte und den Enden mit Erde
bzw.
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Sternpunkt verbunden, da man sonst grosse Zusatzverluste erhalten
wird. Bei der Anwendung als Unterspannungswicklung werden die Erfordernisse an Stossfestigkeit
leichter zu erfüllen sein und weniger ins Gewicht fallen. Man wird aber auch hier
mit der neuen Wicklungsausbildung verkleinerte Zusatzverluste erhalten.
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Die Ausbildung der Unterspannungswicklung wird davon abhängig sein,
für welche Spannung sie zu bauen.ist. Für niedrige Spannungen wird die möglichst
einfache Ausführung aus einer hohen Folienspule in der Mitte bestehen, die mit niedrigen
Spulen an den Enden, wo radiale Streufelder auftreten, in Reihe geschaltet ist.
Die Höhe der mittleren Spule kann dann zweckmässig wenigstens ein Viertel, wgebenenfalls
über die Hälfte der gesamten Wicklungshöhe ausmachen.
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Fig. 5 zeigt die einfachste Ausführung einer solchen Unterspannungswicklung
mit einer hohen mittleren Spulen lc in Reihe mit niedrigen Spulen 2ct 3c 4c und
5c an den Enden.
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Transformatoren mit sowohl Ober- als Unterspannungswicklungen in
der erfindungsgemässen Ausbildung werden mit verkleinertem Abstand zwischen diesen
gebaut werden können. Dies wird nachstehend
in Zusammenhang mit
den Figuren 6 bis 8 erläutert.
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In Transformatoren mit Leitungsanschluss an die Mitte A (Fig. 6)
der Oberspannungswicklung wird beim Aufdrücken einer Stosspannung eine bedeutende
Spannungserhöhung über den Kanal zwischen Ober- und Unterspannungswicklung entstehen
können.
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Dies rührt daher, dass der Mittelpunkt B der Unterspannungswicklung
zunächst in ihrer Spannung (kapazitiv) erhöht wird, und zwar mit der Polarität der
aufgedrückten Spannung. Danach wird er mit entgegengesetzte Polarität zurückschwingen,
wie in Fig. 7 veranschaulicht. Die Spannung Ae über den Kanal zwischen Oberspannungs-
und Unterspannungswicklung wird dadurch einen Betrag von 130 bis 140% der aufgedrückten
Spannung erreichen können. Diese Spannung wird am höchsten,wenn die Schwingungen
im Punkt B einen geringen Oberwellenanteil aufweist, so wie es in Fig. 7 veranschaulicht
ist, bei der eine bestimmte Frequenz überwiegt. Wegen der Symmetrie des Aufbaus
in Fig. 6 ist dies in der Regel der Fall.
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Durch Verkleinerung der Spannung Ae wird man den Isolationsabstand
zwischen Oberspannungs- und Unterspannungswicklung und dadurch die Werkstoffkosten
sowohl für Kern als für Wicklungen herabsetzen. können.
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Eine Verkleinerung von Ae erzielt man dadurch, dass die Oberspannungswicklung
aus Band-/Folienspulen in der vorher beschriebenen Weise konstruiert werden. Dadurch
wird die Spannung an der Mitte der Oberspannungswicklung auf der dem Kanal zwischen
Oberspannungs- und Unterspannungswicklung zugekehrten Seite mit demjenigen Teil
reduziert, der sich über die erste Spule legt (beispielsweise 25%). Dies wird dazu
führen, dass der Punkt B entsprechend weniger kapazitiv aufgeladen wird, und auch
ze wird demgemäss entsprechend abnehmen.
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Eine weitere Verkleinerung von Ae wird erreicht wenn man die Unterspannungswicklung
in der bei L in Fig. 8 dargestellten Weise ausführt. Hier ist der mittlere: Teil
aus einer oder mehreren Bandspulen aufgebaut, während die äusseren Teile Scheiben
sind.
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Man erzielt dadurch, dass derjenige Teil der Unterspannungswicklung,der
räumlich den Mittelpunkt der Oberspannungswicklung am nächsten liegt, ein Potential
in der Nähe von demjenigen des eines Unterspannungsanschlusses erhalten wird. D.h.
in der
Nähe von Null bei aufgedrückter Stosspannung. Man zerstört
dadurch die Symmetrie, so dass die Spannungsschwingung in der Unterspannungswicklung
mehr Oberwellen enthält und dadurch niedrieger wird.
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Man wird auch die Spulen der Unterspannungswicklung in Reihe schalten
derart,dass derjenige Teil der Wicklung, der räumlich dem Mittelpunkt der Oberspannungswicklung
am nächsten liegt, bei induzierter Prüfspannung die höchstmögliche Spannung erhält.
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Dadurch wird sie möglichst nahe am Potential der Hochspannungswicklung
liegen.
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Diese Wirkungen werden beide die Erfordernisse an Isolationsabstand
zwischen Oberspannungs- und Unterspannungswicklung verkleinern.
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Fig.8 zeigt einen, Transformator bei dem sowohl die Oberspannungsals
die Unterspannungswicklung H bzw. L der Erfindung gemäss aufgebaut sind.
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In einem Dreiwicklungstransformator wird man ebenfalls alle drei
Wicklungen nach demselben Prinzip ausbilden.
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Patentansprüche: Wicklungsanordnung für Starkstromtransformatoren
oder -drosselspulen mit Spulen,bei denen die Abmessung des Leiters in axialer Richtung
der Spulenhöhe entspricht, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Höhe
von in Reihe geschalteten Spulen und die Anzahl der Windungen pro Spule von der
Mitte zu den Enden der Wicklung von Spule zu Spule oder gruppenweise abnehmen.
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2. Wicklungsanordnung gemäss Anspruch 1, insbesondere bei Oberspannungswicklungen,
d a d u r c h g e k e n n z e i c-h n e t dass die beiden Hälften der Wicklung parallel
geschaltet sind, und ihre aussehen Enden an Erde und/oder Sternpunkt angeschlossen
sind.
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3. Wicklungsanordnung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z
e i c h n e t, dass Spulenhöhe und Windungszahl hauptsächlich nach einer geometrischen
Reihe abnehmen.
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4. Wicklungsanordnung nach Anspruch 1, insbesondere für Unterspannungswicklungen,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n et, dass alle Spulen der Wicklung in Reihe
geschaltet sind.