DE2609548C2

DE2609548C2 - Wicklungsanordnung für Starkstromtransformatoren oder -drosselspulen mit Eisenkern und mit Spulen

Info

Publication number: DE2609548C2
Application number: DE2609548A
Authority: DE
Inventors: Petter Inge Konnerud Fergestad
Original assignee: National Industri AS
Current assignee: National Industri AS
Priority date: 1975-06-06
Filing date: 1976-03-08
Publication date: 1982-03-04
Also published as: FI62430C; DE2609548A1; BE840126A; FI760484A; FI62430B; NO752010L; SE7602239L; NO135494B; NO135494C; SE403210B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wicklungsanordnung für Starkstromtransformatoren oder -drosselspulen mit Eisenkern und mit Spulen, wobei die Leiterabmessung in axialer Richtung der Spulenhöhe entspricht, wobei sämtliche Windungen jeder Spule in Reihe geschaltet und sämtliche Spulen für im wesentlichen gleiche Stromdichte ausgelegt sind und wobei die Wicklung auf jedem Schenkel in zwei parallelgeschaltete Wicklungshälften aufgeteilt ist, die mit ihren äußeren Enden an Erde und/oder an einem Sternschaltungspunkt angeschlossen sind.

Es ist bereits eine Hochspannungswicklung großer Stoßspannungsfestigkeit für Wandler, Transformatoren od. dgl. mit einer Anzahl von Eingangswindungen im Durchmesser verstärkten Drahtes bekannt (DE-AS 38 129), wobei zur praktisch gleichmäßigen Stoßspannungsverteilung über die Wicklung der Durchmesser des Wicklungsdrahtes vom hochspannungsseitigen Eingang her über etwa 15 bis 35% der Gesamtwindungszahl mehrmals abnehmend derart abgestuft ist, daß in diesen Eingangswindungen unter Verkleinerung der Induktivität eine Vergrößerung der Leitungskapazität erreicht wird. Die dabei konkret angegebenen Maßnahmen beziehen sich jedoch lediglich aüj die Verwendung einer Trapezwicklung oder einer Pilger* schriltwicklung, Derartige Wicklungsarten eignen sich zwar für den Einsatz in Meßwandlern, nicht aber in Starkstromtransformatöreh. Darüber hinaus ist noch zu berücksichtigen, daß bei der betrachteten bekannten Wicklung ein isolierter Runddraht verwendet wird und daß zur Erhöhung der Längskapazität der Eingangswin düngen Drähte verwendet werden, deren Dicke auf dei Eingangsseite zunimmt Dies bedeutet wegen der dami verbundenen sich ändernden Stromdichte eine sehi schlechte Ausnutzung des Kupferquerschnitts und eine! ungleichmäßige Wärmeverteilung. Gerade eine solche | Eigenschaft ist bereits für einen Starkstrom- bzw! Leistungstransformator unerträglich. Hinzu kommt noch, daß bei der betreffenden bekannten Wicklung ausdrücklich eine durch den veränderlichen Drahtquerschnitt gegebene, längs der Spule sich ändernde Induktivität vorgeschrieben wird, was im Falle eines Kurzschlusses zu einer unsymmetrischen Kraftbean- = spruchung führt, die bei Leistungstransformatoreri ebenso unerträglich ist

Es ist ferner eine aus einer Anzahl parallel geschalteter Leiter bestehende Spulenwicklung füi kernlose Induktionsöfen bekannt (DE-PS 9 74 747)| Damit handelt es sich aber bei dieser bekanntenj Spulenwicklung um eine Wicklung, die im Gegensatz zu| den bei einem Leistungs- bzw. SiarksiromiransforniaiOi| verwendeten Wicklungen regelmäßig bei hohen FreV quenzen betrieben wird und bei der es wegen der| großen Stromstärken erforderlich ist Spulenwindungenj einander parallelzuschalten, so daß in sich geschlossener Kreise entstehen. Deshalb bt bei der betreffendem bekannten Spulenwicklung eine Verschränkung der« Windungen erforderlich, damit sich eben nicht unzuläsj· sige Kreislaufströme ausbilden. Bei solchen Wicklungen^ entstehen wegen der hohen Frequenz und der in den-Stirnbereichen starken Feldveränderung Verdrän-j gungseffekte, die zu erhöhten Verlusten führen. Um*;' diese Verdrängungseffekte niedrig zu halten, erfolg^ überdies die Verschränkung an den Enden in kürzeren« Abständen als in der Mitte der Wicklung, was eine, entsprechend sich ändernde Spulenhöhe bedeutet Insgesamt ergibt sich, daß eine Spulenwicklung dep gerade betrachteten bekannten Art sich nicht ohne] weiteres eignet für Starv^tromtransformatoren oder; -drosselspulen. |

Es ist schließlich auch schon eine Wicklung einer stationären elektromagnetischen Maschine, insbesonder re für sehr hohe Spannungen bekannt (CH-PS 3 75 436), wobei diese Wicklung als Zylinderwicklung hergestellt ist und ihre ungeraden Doppelabteilungen in einem Sinn und ihre geraden Doppelabteilungen im entgegengesetzten Sinn gewickelt sind. Das Ende einer ungeraden Doppelabteilung ist dabei immer mit dem Ende der nächsten geraden Doppelabteilung verbunden. Außer» dem ist der Anfang einer geraden Doppelabteilung m t dem Anfang der nächsten ungeraden Doppelabteilun| verbunden. Die Ausführung derartiger Scheibenspüler! zielt dabei darauf ab, die Reihenkapazität (Längskapaz * tat) zu vergrößern, so daß die Spannungsverteilung b(ii einer Stoßspannung möglichst linear wird. Dabei ist z| berücksichtigen, daß verschiedene Arten existieren, urin) die Scheibensoulen miteinander zu verschalten. Wickelungen der betreffenden beirachteien bekannten Art werden als verschachtelte Scheibenwicklungen bezeicrj.-net; sie sind in der Weise angeordnet, daß sämtliche Transformatorwicklungen an einem Schenkel at| Scheibenspulen bestehen, die nach einem bestimmten Muster über die gesamte Schenkellänge mitciriand$ verschachtelt sind. Durch Versuche ist nun festgcstel'] worden, daß die Verwendung von verschachtelte j Scheibenwicklungen der gerade betrachteten bokanrf; ten Art nur eine unbedeutende Verbesserung del

Stoßspannungsverteilung mit sich bringt Deshalb sind derartige Wicklungsarten auch nicht in praktischem Gebrauch.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu zeigen, wie eine Wicklungsanordnung der eingangs genannten Art auszubilden ist, damit auf relativ einfache Weise einerseits die Linearität der Stoßspannungsverteilung verbessert ist und damit andererseits Verluste zumindest weitgehend vermieden sind, die sich bisl-.er infolge des radialen Streufeldes an den Enden der Wicklung ergeben haben.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe bei einer Wicklungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß die Höhe der 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.

Die Erfindung bringt gegenüber den bisher bekannten Wicklungsanordnungen den Vorteil mit sich, daß es mit relativ geringem konstruktivem Aufwand erreicht ist, daß die Linearität der Stoßspannungsverteilung verbessert ist und daß außerdem die infoige des radialen Streufeldes an den Enden der Wicklung auftretenden Verluste zumindest weitgehend vermieden sind Überdies ist bei der Wicklungsanordnung gemäß der Erfindung der Füllfaktor viel günstiger als bei einer gewöhnlichen Scheibenwicklung. Schließlich bringt die Erfindung den Vorteil einer erheblichen Widerstandsfähigkeit gegenüber radialen Kräften mit sich.

Zweckmäßige Ausgestaltungen des Gegenstandes vorliegender Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielsweise näher erläutert.

F i g. 1 zeigt eine Ersatzschaltung einer Wicklungsanordnung zur Erläuterung der Verhältnisse bei der vorliegenden Erfindung;

Fig.2 zeigt eine erste Ausführungsform einer Wicklungsanordnung gemäß der Erfindung;

F i g. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Wicklungsanordnung gemäß der Erfindung;

F ι g. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Wicklungsanordnung gemäß der Erfindung;

F i g. 5 zeigt eine Unterspannungswicklung für eine Wicklungsanordnung gemäß der Erfindung;

F i g. 6 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Starkstromtransformators gemäß der Erfindung;

Fi g 7 zeigt in einem Spannungs-Zeit-Diagramm den Verlauf von Spannungsveriäufen bei dem Starkslromtransformator gemäß F i ?,. 6;

Fig.8 zeigt eine vierte Ausführungsform einer _ Wicklungsanordnung gemäß der Erfindung.

Bevor auf die verschiedenen Ausführungsformen gemäß der Erfindung eingegangen wird, sei zunächst das in F i g. 1 dargestellte Ersatzschaltbild einer Wicklungsanordnung gemäß der Erfindung betrachtet Die Bedingung für eine lineare Stoßspannungsverteilung ist gemäß F i g. 1 durch folgende Beziehungen gegeben:

Ae ··

Ni

(D

P- Σ

M¹
wobei / ·> 1 bis n-1.

Als Beispiel wird angenommen, daß die Windungszahlen der Spulen nach einer geometrischen Reihe abnehmen. Außerdem soll in allen Spulen der gleiche radiale Füllfaktor eingehalten sein.

Ai₊, - k· N,
Gleichung II geht dann, über in:

k- 1

k ■ C₁₁

(III)

(IV)

Die Voraussetzung eines konstanten radialen Füllfaktors und einer konstanten Anzahl von Amperewindüngen pro Höheneinheit führt zu:

' r

Ί ^Cx/+U

(V)

■ Wird weiter als ein in der Praxis angemessener Wert

Cj₁ = 0,25Q₁₊₁, (Vl)

angesetzt, erhält man aus Gleichung IV:
kr* - 1

■j ■= k + k ■

k k- \

0,25

(VII)

Setzt man π = 10 und betrachtet man die 4 bis 5 ersten Spulen, d. h. /= 1,2,3,4,5, wird man finden, daß £=0,73 eine angenähert exakte Lösung für diesen ganzen Bereich darstellt.

Mit anderen Worten wird die Anforderung an linearer Stoßspannungsverteilung 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 Höhei .richtung eine konstante Amperewin^ungsdichte erhalten. Dies gilt im vorliegenden Beispiel angenähert exakt für die ersten 4 bis 5 Spulen. Weiter vorr. Eingang entfernt muß die Windungszahländerung von der, geometrischen Reihe abweichen und/oder der radiale'Füllfaktor muß 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. Der am weitesten entfernte Teil der Wicklung wird daher als eine herkömmliche Scheibenwicklung ausgeführt wer-

so den können. Dieser Anteil wird zwischen 3 bis 5% und 60 bis 70% der gesamten Wicklungslänge liegen, und zwar abhängig von der Produktionsausrüstung und Konstruktionspraxis der einzelnen Hersteller. Der restliche Teil der Wicklung wird aus Spulen aus Folie oder Band bestehen.

Das Rechenbeirpiel ist angeführt worden um nachzuweisen, daß sich die Anforderung an linearer Stoßspannungsve^rteilung mit realistischen Mitteln erfüllen läßt, und es soll lediglich der Veranschaulichung dienen. In der P, axis wird man von der linearen Stoßspannuagsverteilung abweichen, um wirtschaftliche Gesichtspunkte, wie Einfachheit des Aufbaus und möglichst wenige Spulenhöhen,· zu berücksichtigen. Man wird mit anderen Worten einen Kompromiß zwischen den Anforderungen an einer möglichst linearen Stoßspannungsverteilung und einer minimalen Anzahl verschiedener Spulentypen wählen.
Die neue Wicklungsbauart mit Einspeisung in der

Mitte ergibt einer herkömmlichen Folienwicklung gegenüber auch Vorteile in bezug auf Zusatzverluste, die durch radiale Streufelder an den Enden der Wicklung verursacht sind. In einer Wicklung, die entweder aus einer vollen Folie oder aus gleich hohen, in Reihe geschalteten Folienspulen aufgebaut ist, wird man an den Wicklungsenden große Zusalzverluste 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 Abschirmungen sind bei Transformatoren für große Leistungen und hohe Spannungen nicht wirtschaftlich und unpraktisch. 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 verläuft, hohe Spulen mit vielen Windungen hat, und an den Enden, wo das radiale Streufeld am stärksten ist, niedrige Spulen mit wenigen Windungen hat.

Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung sind durch schematische Prinzipskizzen in den Zeichnungen veranschaulicht.

Fig.2. zeigt eine Ausführung der Wicklungsanordnung, bei der 1 die Eingangsspule und 2, 3,4,5, 6 und 7 Spulen bezeichnen, deren Höhen symmetrisch in bezug auf die Eingangsspule abnehmen.

Fig. 3 zeigt eine Ausführung mit Eingangsspule I₁ und Folienspulen 2_Λ 3, und 4, abnehmender Höhe, jedoch mit Scheibenspulen 5_Λ 6„ 7. und 8, konstanter Höhe auf die Enden zu.

Fig.4 zeigt eine Ausführung mit Eingangsspule 1& gleich hohen Folienspulen 2& 3j und 4* symmetrisch in bezug auf die Eingangsspule, und außerdem Scheibenspulen 5b, 6*, Tb und 84 auf die Enden der Wicklung zu. Dieser Aufbau ergibt die niedrigste Anzahl von Spulentypen.

Die neue Wicklungsanordnung wird radialen Kräften gegenüber sehr widerstandsfähig sein, insbesondere wenn als Schichtisolation epoxybeschichteter Preßspan benutzt wird. Derjenige Teil, der am stärksten 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 sie leichter mit enger Toleranz in der Höhenrichtung herzustellen sein. Dadurch werden auch die axialen Kurzschlußkräfte verringert.

Es ist auch besonders hervorzuheben, daß die beschriebene Wicklungsbauart Vorteile bei der Herstellung und Isolierung bietet, so daß sich jetzigen Wicklungsausführungen gegenüber große wirtschaftliche Ersparnisse ergeben werden. In Hochspannungstransformatoren wird heutzutage in großem Ausmaß irgendeine Form von verschachtelter Scheibenwicklung benutzt. Wenn man weiß, daß es zweimal solange dauert, eine verschachtelte Wicklung anstatt einer nicht verschachtelten herzustellen, ersieht man unmittelbar, weiche Ersparnisse erreichbar sind. Eine Folienwicklung wird als einfacher herstellbar angesehen, was eine weitere Ersparnis von 30% bedeutet. Die besprochene Wicklung wird weniger Scheiben als eine herkömmliche aufweisen. Der Aufwand für die Montage von Abstandshaltern und für Höhenjustierungen wird daher geringer. Außerdem ist es leichter, eine Folienwicklung zu isolieren, und die Isolation beansprucht weniger Platz, so daß der Füllfaktor erhöht werden kann. Dadurch kimn man den Bedarf eines Transformatoren aktiven Werkstoffen verkleinern. Der neue Wicklungsaufbau kann als Oberspannungswicklung oder Uiilerspannungswicklung in Kombination mit irgendwelcher anderen Wicklungsbauart benutzt werden. Als Oberspannungswicklung eignet sie sich am besten mit Leitungsanschluß in der Mitte und den Enden mit Erde bzw. 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 V/icklungsauibildung verkleinerte Zusatzverluste erhalten.

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, gegebenenfalls über die Hälfte der gesamten V 'icklungshöhe ausmachen. ·

Fig.5 zeigt die einfachste Ausführung einer solchen Unterspannungswicklung mit einer hohen mittleren Spule l_c in Reihe mit niedrigen Spulen 2_a.3_o4_cund 5_C an den Enden.

Transformatoren sowohl mit Ober- als auch mit Unterspannungswicklungen in der erfindungsgemäßen Ausbildung werden mit verkleinertem Abstand zwischen diesen gebaut werden können. Dies wird nachstehend in Zusammenhang mit den Fig.6 bis 8 erläutert
In Transformatoren mit Leitungsanschluß in der Mitte A (F i g. 6) der Oberspannungswicklung wird beim Aufdrücken einer Stoßspannung eine bedeutende Spannungserhöhung über den Kanal zwischen Ober- und Unterspannungswicklung entstehen können. Dies rührt daher, daß der Mittelpunkt Z?der Unterspannungswicklung zunächst in seiner Spannung (kapazitiv) erhöht wird, und zwar mit der Polarität der aufgedrückten Spannung. Danach wird er mit entgegengesetzter Polarität zurückschwingen, wie in F i g. 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 F i g. 6 ist dies in der Regel der Fall.

Durch Verkleinerung der Spannung de wird man den Isolationsabstand zwischen Oberspannungs- und Unter-Spannungswicklung und dadurch die Werkstoffkosten sowohl für Kern als für Wicklungen herabsetzen können.

Eine Verkleinerung von Ae erzielt man dadurch, daß die Oberspannungswicklung aus Band-/Folienspulen in der vorher beschriebenen Weise konstruiert wird. Dadurch wird die Spannung in der Mitte der Oberspannungswicklung auf der dem Kanal zwischen Oberspannungs- und Unterspannungswicklung zuge-

kehrten Seite um denjenigen Teil reduziert, der an der ersten Spule liegt (beispielsweise 25%). Dies wird dazu führen, daß der Punkt B entsprechend weniger kapazitiv aufgeladen wird_; und auch Ae wird demgemäß entsprechend abnehmen.

Eine weitere Verkleinerung von Ae wird erreicht, wenn man die Unterspannungswicklung in der bei L in F i g. 8 dargestellten Weise ausführt. Hier ist der mittlere Teil aus einer oder rnehfeferi Bandspule« aufgebaut, während die äußere Teile Scheiben sind;

Man erreicht dadurch, daß derjenige Teil der Unterspannungswicklung, der räumlich dem Mittelpunkt der Oberspannungswicklüng am nächsten liegt, ein Potential in der Nähe von demjenigen des einen Unterspannüngsähschiusses erhalten Wird, dies heißt in der Nähe von Null bei aufgedrückter Stoßspannürig. Mari zerstört dadurch die Symmetrie, so daß die Spannungsschwingurig in der Unterspannungswicklung

mehr Oberwellen enthält und dadurch niedriger wird.

Man wird auch die Spulen der Unterspannungswicklung in Reihe schalten, derart, daß derjenige Teil der Wicklung, der räumlich dem Mittelpunkt der Oberspannungswicklüng aiii nächsten liegt, bei induzierter Prüfspannung die höchstmögliche Spannung erhält. Dadurch wird sie möglichst nahe beim Potential der Hochspannuhgswicklung liegen.

Diese Wirkungen werden beide die Erfordernisse an Isolationsabstand zwischen Oberspannüngs- und Unterspannungswicklung verkleinern.

F i g; 8 zeigt einen Transformator* bei dem sowohl die überspannung^- als die Ünterspannungswicklurig H bzw. L der Erfindung gemäß aufgebaut sind.

In einem Dreiwicklungstränsförmatöf wird man ebenfalls alle drei Wicklungen nach demselben Prinzip ausbilden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wicklungsanordnung für Starkstromtransformatoren oder -drosselspulen mit Eisenkern und mit Spulen, wobei die Leiterabmessung in axialer Richtung der Spulenhöhe entspricht, wobei sämtliche Windungen jeder Spule in Reihe geschaltet und sämtliche Spulen für im wesentlichen gleiche Stromdichte ausgelegt sind und wobei die Wicklung auf jedem Schenkel in zwei parallelgeschaltete Wicklungshälften aufgeteilt ist, die mit ihren äußeren, Enden an Erde und/oder an einem Sternschaltungspunkt angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der 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.

2. Wicklungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Spulenhöhe und Windungszahl hauptsächlich nach einer geometrischen Reihe abnehmen.

3. Wicklungsanordnung nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß neben einer Oberspannungswicklung mit parallel geschalteten Wicklungshälften eine Unterspannungswicklung mit von der Mitte zu den Wicklungsenden von Spule zu Spule oder gruppenweise abnehmender Höhe und entsprechend abnehmender Anzahl der Windungen prp Spule vorgesehen ist und daß sämtliche Spulen der Unterspannungswicklung in Reihe geschaltet sind.

4. Wicklungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der mittleren Spule der Unterspa^nungs- icklung wenigstens ein Viertel, gegebenenfalls aber über die Hälfte der Wicklungshöhe ausmacht