DE2618077A1 - Verfahren zur dimensionierung einer elektrischen isolation eines leistungstransformators oder einer kompensationsdrosselspule - Google Patents

Description

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PL/dh I6.3.76

BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Verfahren zur Dimensionierung einer elektrischen Isolation eines Leistungstransformators oder einer Kompensationsdrosselspule

Bei Oeltransformatoren mit grosser Leistung und bei Kompensationsdrosselspulen ist es üblich, elektrische Isolationen in bezug auf eine mittlere zulässige elektrische Feldstärke im OeI zu dimensionieren (s. z.B. "PiOblems of Coordination of Dielectric Strength of Extra High-voltage Power Transformer Major Insulation", CIGRE 12-06, Paris, 2h.8.-2.9.1970) Diese Methode basiert auf Erfahrungswerten aus Messungen und Prüfungen an Modellen und an ausgeführten Transformatoren. Solche Erfahrungswerte sind denn auch sehr stark an bestimmte Geometrien und Anordnungen der elektrischen Leiter und der Isolation gebunden und können nur auf ähnliche Anordnungen angewendet werden.

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Bei der Beurteilung der elektrischen Festigkeit von Transformatoren und Drosselspulen grosser Leistung und hoher Spannung ist nicht nur die axiale, sondern auch die radiale Beanspruchung von wesentlicher Bedeutung. Bekannte Massnahmen zur Erhöhung der elektrischen Festigkeit längs der Wicklung sind solche, welche die Spannungsverteilung längs der Wicklung bei Stossbeanspruchung linearisieren. Als einfaches Mass für die Längsfestigkeit der Wicklung bei Stoss gilt das Verhältnis der Erdkapazität zur Serienkapazität. In vielen Fällen genügt jedoch dieses Verhältnis alleine nicht, um die Längsfestigkeit von Wicklungen zu beurteilen. Die übertragenen Spannungen auf gegenüberliegende Wicklungen wie auch Spannungsschwingungen der Regulierwicklung beim Stoss auf die Stammwicklung müssen berücksichtigt werden.

Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Dimensionierung einer elektrischen Isolation eines Leistungstransformators oder einer Kompensationsdrosselspule zu schaffen, das die kritischen Stellen der Isolation so auszulegen ermöglicht, dass mit minimalen Abmessungen bei kleinstmöglichem Materialaufwand die grösstmögliche Sicherheit der elektrischen Isolation erreicht wird. Zudem soll das Dimensionierungsverfahren und die zugeordneten Dimensionierungskriterien in weiten Bereichen unabhängig sein von der geometrischen Anordnung der Leiter und der Isolation.

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Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die elektrische Isolation in bezug auf die Stärke des elektrischen Feldes an den höchstbeanspruchten Stellen dimensioniert wird.

Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass dieses Verfahren eine wirtschaftliche und dabei sichere Dimensionierung der Isolation des Leistungstransformators oder der Kompensationsdrosselspule gestattet.

Das Verfahren setzt voraus, dass die massgebenden Spannungen und die daraus zu ermittelnden elektrischen Felder an den höchstbeanspruchten Stellen zuverlässig und genügend genau ermittelt werden können. Es ist zweckmässig, wenn die Spannungsverteilung im benachbarten Wicklungssystem ermittelt wird, aus welcher dann die elektrische Feldverteilung in den Zonen der höchstbeanspruchten. Stellen der Isolation ermittelt werden. Dabei sind die Rückwirkungen der Strom- und Spannungsausgleichvorgänge in den benachbarten Wicklungen miteinzubeziehen. Dieses Verfahren ermöglicht beispielsweise die ungünstigste Potential- und Feldstärkenverteilung zu ermitteln, die während eines Stoss-Ausgleichsvorganges entweder innerhalb der sogenannten kapazitiven Anfangsspannungsverteilung auftritt oder aber durch die zeitlich anschliessenden Spannungsschwingungen bedingt ist. Zur Berechnung der

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transienten Spannungsvertexlungen und der elektrischen Felder stehen heute leistungsfähige Computer-Programme zur Verfügung. Es empfiehlt sich, für eine Beanspruchung mit Normalstoss die Stärke des elektrischen Feldes in der Zone der höchstbeanspruchten Stellen des Oeles im Bereich zwischen 250 und 38O kV/cm festzulegen.

Der Vorteil liegt insbesondere darin, dass die elektrische Festigkeit des Leistungstransformators oder der Kompensationsdrosselspule gegenüber Stossbeanspruchung zum voraus zahlenmässig erfasst werden kann, sodass eine wirtschaftliche und gleichzeitig sichere Dimensionierung während der Projektierung ermöglicht wird. Insbesondere gilt dies auch für neue Konstruktionen bezüglich Geometrie und Anordnung der stromführenden Leiter, sowie Anordnung und Materialeigenschaften des Isoliermaterials.

Das erfindungsgemässe Verfahren setzt nicht voraus, dass die massgebliehe Potentialverteilung und das daraus folgende elektrische Feldbild numerisch berechnet wird. Messungen an Modellen und Feldbestimmung an leitenden Schichten oder im elektrolytischen Trog können die numerische Berechnung ersetzen, im allgemeinen aber unter Einbusse an erzielbarer Genauigkeit.

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In der Zeichnung ist ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens dargestellt.

Es zeigt

Fig. 1 eine Schaltung eines Einphasen-Transformators bei einer Stossprüfung,

Fig. 2 gerechnete Stoss-Spannungsverhältnisse längs einer Oberspannungswicklung aus Fig. 1,

Fig. 3 gerechnete radiale elektrische Beanspruchung der in Fig. 4 dargestellten Windung der Eingangsspulen und

Fig. H einen Teil des Einphasen-Transformators nach Fig. 1 mit dargestellten Potentialen und Feldlinien an höchstbeanspruchter Spulenkante.

Gemäss Fig. 1 ist eine Unterspannungswicklung durch die Zahl 1 gekennzeichnet, eine Mittelspannungswicklung durch die Zahl 2, eine aus zwei Wicklungshälften 3a und 3b bestehende Oberspannungswicklung durch die Zahl 3 und Stellen_; für welche· die berechneten transienten Spannungen in Fig. 4 angegeben werden, durch die Zahlen 3.1 bis 3-5· Mit der Bezugsziffer ¹I sind Regulierwicklungen benannt, mit der Bezugsziffer 5 ein Oberspannungsanschluss und mit den Bezugszifferh 6.1 und 6.2 Belastungswiderstände. Die Unterspannungswicklung 1 und die

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Mittelspannungswicklung 2 sind über Belastungswiderstände und 6.2 geerdet. Die Oberspannungswicklung 3 wird mit einem Normalstoss von 1, 2/50^s (Stirnzeit 1,2 jis, Rückenhalbwertzeit 50 us) auf den Oberspannungsanschluss 5 geprüft. Mit dieser Stossform sowie der bekannten Geometrie und den Materialkonstanten wird die zeitabhängige Potentialverteilung für die Stellen 3.I bis 3·5 längs der Oberspannungswicklung 3a berechnet. Dafür sind leistungsfähige Computer-Programme vorhanden. Das Rechenergebnis findet sich in Fig. 2 und 3· In Fig. 2 ist der zeitabhängige Spannungsverlauf bezogen auf die Prüfspannung U dargestellt für die obengenannten Stellen 3·1 bis 3·5· Die Spannungsverteilung an der oberen Hälfte 3b der Oberspannungswicklung 3 ist annähernd gleich jener längs der unteren Wicklungshälfte. Die Bezeichnung der Kurven in Fig. 2 entspricht jener der betreffenden Stellen in Fig. 1. Aus Fig. 2 geht hervor, dass infolge der Ausgleichschwingung die Längsbeanspruchung der gesamten unteren Hälfte 3a der Oberspannungswicklung 3 bei 20 us um ca. 20? höher ist als beim Stossanfang. Bis zu ca. 12 jus ist die axiale Beanspruchung der Eingangsspulen praktisch gleich hoch wie am Anfang der Stoss-Spannung. Fig. 3 zeigt die gerechnete, zeitabhängige radiale elektrische Beanspruchung der in Fig. 4 dargestellten Windung der Eingangsspulen. Der Höchstwert tritt auf bei ca. 16 11s. Die kritische Zeit für die elektrische Festigkeit liegt daher im Bereich zwischen

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10 und 20 /as vom Stossanfang. Sie ist raassgebend für die Berechnung der elektrischen Feldstärken im Bereich der höchstbeanspruchten Stellen.

Fig. 4 zeigt einen Teil des Einphasen-Transformators aus Fig. 1. Die oberen Kupferleiter der unteren Hälfte 3a der Oberspannungswicklung 3 aus Fig. 1 sind mit 7·1 und 7.2 bezeichnet, Papierisolationen mit 8.1 und 8.2 und Feldlinien an der höchstbeanspruchten Spulenkante mit 9·1 bis 9·5. Diese Stelle mit dargestellten Feldlinien 9.1 bis 9.5 entspricht der Stelle 3.1 aus Fig. 1. Radiale Oelkanäle sind in Fig. ²J durch die Zahl 10 gekennzeichnet, axiale Oelkanäle durch die Zahl 11 und eine Isolationshülse durch die Zahl 12, Die Aequipotentialen sind in % der Prüfspannung bezeichnet.

Fig. 4 zeigt das elektrische Feld an der höchstbeanspruchten Spulenkante im Zeitpunkt,in dem die maximale Radialbeanspruchung praktisch erreicht wird und die axiale Beanspruchung noch annähernd gleich hoch ist wie jene am Anfang der Stoss-Spannung. Das elektrische Feld ist überwiegend radial gerichtet. Zur Berechnung solcher elektrischen Felder stehen leistungsfähige Computer-Programme zur Verfügung. In Fig. 4 sind nebst den Aequipotentiallxnxen für 86? bis 7Ü% der Prüfspannung U die massgebenden Feldlinien 9·1 bis 9.5 zwischen der Papierisolation 8.1 des Kupferleiters 7.1 und

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der Isolationshülse 12 im Bereich der höchstbeanspruchten Spulenkante eingetragen. Die maximale Feldstärke an der Kupferleiterkante in der Papierisolation 8.1 ist dabei 0,235 U /cm. Die örtlichen Feldstärken an der Spulenkante im OeI bei den Feldlinien 9.1 bis 9· 5 liegen im Bereich zwischen 0,202 U /cm und 0,19 U /cm, d.h. fast ebenso hoch wie der Höchstwert im elektrisch viel günstigeren Papier. Die Durchschnittsfeldstärken entlang der dargestellten Feldlinien 9.1 bis 9.5 betragen ungefähr ¹JO^ der vorgenannten örtlichen Feldstärken und sind deshalb nicht von Bedeutung. Der Beurteilung der elektrischen Festigkeit einer Wicklung ist daher die Annahme zu Grunde, dass beim Ueberschreiten einer gewissen maximal zulässigen Feldstärke an der Spulenkante im OeI eine Entladung auftritt, die im anliegenden Oelkanal das elektrische Feld derart verzerrt, dass ein Ueberschlag längs eines Wicklungsteiles nicht verhindert werden kann. Diese kritische Feldstärke ist massgebend für die Dimensionierung der elektrischen Isolation. Der im vorgenannten Eeicpiel herangezogene Transformator hat einen Stosspegel von 1425 kV_3w (Scheitelwert). Die örtlichen ^eldstürken an der höchst "beanspruchten Spulenkante im OeI sind somit 270 bis 290 kY_gv/cm (entsprechend 0,19 Ms 0,202 U /cm).

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Claims (3)

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   Patentansprüche

   / 1. !Verfahren zur Dimensionierung einer elektrischen Isolation ' " eines Leistungstransformators oder einer Kompensationsdrosselspule, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolation in bezug auf die Stärke des elektrischen Feldes an den höchstbeanspruchten Stellen dimensioniert wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsverteilung im benachbarten Wicklungssystem ermittelt wird, aus welcher dann die elektrische Feldverteilung in den Zonen der höchstbeanspruchten Stellen der Isolation ermittelt werden.
3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Beanspruchung mit Normalstoss die Stärke des elektrischen Feldes in der Zone der höchstbeanspruchten Stellen des Oeles im Bereich zwischen 250 und 380 kV/cm festgelegt wird.

   BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.

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   ORIGINAL INSPECTED