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Transformator, insbesondere Spannungs-
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wandler oder Prüftransformator Die Erfindung betrifft einen Transformator,
insbesondere Spannungswandler oder Prüftransformator, für beliebige Einbaulagen
mit einem auf Hochspannungspotential befindlichen rohrförmigen Stabkern, der von
der als Lagenwicklung ausgebildeten Hochspannungswicklung und der Niederspannungswicklung
koaxial umgeben ist, sowie mit einem auf Erdpotential befindlichen Gehäuse, das
stirnseitig mit Isolierstoffteilen isoliermitteldicht abgeschlossen ist.
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Ein Spannungstransformator der vorstehend angeführten Art ist durch
die DE-AS 21 54 398 bekannt. Nachteilig an diesem bekannten Spannungstransformator
ist, daß dieser nicht unmittelbar in den Leitungszug einer mittels Isoliergas vollisolierten,
metallgekapselten Hochspannungsschaltanlage eingesetzt werden kann, sondern in einem
gesonderten Druckkessel an einen Abzweig derartiger Schaltanlagen angeflanscht werden
muß. Damit ist eine wünschenswerte volle Integration des bekannten Spannungswandlers
mit der Hochspannungsschaltanlage nicht möglich. Auch ist bei dem bekannten Spannungstransformator
die Möglichkeit, auf relativ einfache Weise einen kombinierten Strom- und Spannungswandler
zu schaffen, nicht gegeben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transformator, insbesondere
Spannungswandler oder Prüftransformator, der eingangs erwähnten Art so auszubilden,
daß eine völlige Integration in eine vollisolierte, metallgekapselte Hochspannungsschaltanlage
üblicher Bauart möglich ist. Ferner sollen durch
eine optimale Feldsteuerung
in der Hochspannungswicklung und in den daran angrenzenden Bereichen des Transformators
dessen radiale Abmessungen möglichst klein gehalten werden können.
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Außerdem soll eine einfache Montage des erfindungsgemäßen Transformators
gewährleistet sein.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein die
Öffnung des Stabkernes durchsetzendes Rohr aus magnetisch nicht leitendem Material
vorgesehen ist, das durch die beiden Isolierstoffteile isoliermitteldicht hindurchgeführt
und mit diesen verspannt ist, wobei dieses Rohr Träger für die Aktivteile des Transformators
ist, daß der Stabkern aus zwei oder mehr Kernen zusammengesetzt ist, die stirnseitig
mit den Durchmesser der Kerne überragenden Endjochen versehen sind, und daß in die
Hochspannungswicklung Zwischenelektroden eingebracht sind, deren über die Stirnseiten
der Hochspannungswicklung hervorstehende Enden mit zusätzlichen, die wicklungsfreien
Räume zwischen dem Tragrohr und dem Gehäuse steuernden Elektroden verbunden sind.
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Der Transformator gemäß der Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch
aus, daß er unmittelbar in den Leitungszug einer vollisolierten, metallgekapselten
Hochspannungsschaltanlage eingebaut werden kann, so daß ein gesonderter Abzweig
für die Anflanschung des Transformators und die elektrische Verb in dung mit dem
Hochspannungsleiter der Anlage entfällt. Aufgrund der in die Hochspannungslagenwicklung
eingebrachten Zwischenelektroden erhält man in Verbindung mit den damit gekoppelten
Zusatzelektroden eine optimale Feldsteuerung nicht nur in der Hochspannungswicklung
selbst, sondern auch in den wicklungsfreien Räumen bis hin zu den abschließenden
Isolierstoffteilen.
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Dadurch ergibt sich ein vergleichsweise kleiner Kesseldurchmesser
und ein niedriges Gewicht. Auch erhält man bei einer derartigen Dimensionierung
kleinere Eisenwege für einen vorteilhafterweise vorhandenen, in der Nähe des Gehäuses
angeordneten oder am Gehäuse befestigten magnetischen Rückschluß, was sich auf die
Meßgenauigkeit günstig auswirkt. Das vorhandene Zentralrohr ist Tragelement für
die Aktivteile des Wandlers, wie den stabförmigen Eisenkern, die Hoch- und Niederspannungswicklung
und den ggf. vorhandenen magnetischen Rückschluß. Die Montage ist denkbar einfach,
weil sich sämtliche Aktivteite baukastenförmig um das zentrale Tragrohr anordnen
lassen. Die Montagefreundlichkeit des gesamten Transformators wird durch die Unterteilung
des rohrförmigen Stabkerns in mehrere Teilkerne noch gefördert.
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Von Vorteil ist es, wenn die Länge der Zusatzelektroden so bemessen
ist, daß diese die Joche des Stabkernes zumindest teilweise überragen. Durch eine
derartige Ausbildung der Zwischenelektroden erhält man auch eine weitgehend gleichmäßige
Spannungsbeanspruchung in den wicklungsfreien Räumen des erfindungsgemäßen Transformators.
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Um den vorstehend geschilderten Vorteil zu erreichen, ist es nicht
notwendig, daß sämtliche Zusatzelektroden in gleicher Weise bis an die abschließenden
Isolierstoffteile herangeführt werden. Es ist vielmehr ausreichend, wenn bei trapezförmiger
Ausbildung der Hochspannungslagenwicklung die an die Enden der Zusatzelektroden
anzulegenden Tangentialebenen wenigstens annähernd die gleiche Neigung in bezug
auf die Transformatorlängs achse wie die Stirnseiten der Hochspannungslagenwicklung
besitzen.
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Eine einfache Befestigung der Zusatzelektroden an den Zwischenelektroden
in der HòchsDannungslagenwicklung ist insbesondere dann gegeben, wenn die freien
Enden der Zwischenelektroden und die diesen zugeordneten Enden der Zusatzelektroden
ringförmig ausgebildet und mittels Stiftverbindungen miteinander verbunden sind.
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Für eine günstige Spannungsverteilung in den wicklungsfreien Räumen
des Transformators auch vorteilhaft ist es, wenn über den Endjochen des rohrförmigen
Stabkernes trichterförmige Elektroden vorgesehen sind, die sich wenigstens annähernd
bis zu den Isolierstoffteilen erstrecken.
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Mit Vorteil kann das Tragrohr gleichzeitig als Anschlußelement für
die Hochspannungswicklung verwendet werden. In diesem Falle besteht das Tragrohr
aus elektrisch leitendem Material, an das das hochspannungsseitige Ende der Hochspannungswicklung
anschließbar ist.
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Insbesondere bei Verwendung eines magnetischen Rückschlusses im Bereich
des Druckkessels ist es günstig, wenn die beiden Joche und ggfs. auch die Kerne
aus Radialblechen zusammengesetzt sind, deren Spalte mit Gießharz ausgefüllt sind,
um die magnetischen Streuverluste gering zu halten.
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Günstig ist es auch, wenn die freien Enden der Radialbleche kreisbogenförmig
abgerundet sind. Damit ist auch ein kantenloser und damit hinsichtlich der Spannungsfestigkeit
günstiger Abschluß des Stabkernes gegeben.
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Zur Schaffung einer einfachen kombinierten Strom- und Spannungsmeßeinrichtung
ist es von Vorteil, wenn die Hoch- und Niederspannungswicklung eines als Spannungswandler
ausgebildeten Transformators
von einem oder mehreren sekundärbewickelten
Eisenkernen eines Stromwandlers koaxial umgeben sind, dessen Primärleiter von dem
elektrisch leitenden Tragrohr gebildet ist.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung einen
Längsschnitt durch einen induktiven Spannungswandler gemäß der Erfindung; Fig. 2
einen Teilausschnitt der Verbindungsstelle einer Zwischenelektrode mit einer Zusatzelektrode
und Fig. 3a und 3b eine Draufsicht auf eines der radial geblechten Endjoche sowie
eine Ansicht eines einzelnen Radialbleches.
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Wie Fig. 1 zeigt, setzt sich der induktive Spannungswandler gemäß
der Erfindung aus folgenden wesentlichen Teilen zusammen.
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Ein aus magnetisch nicht leitendem, jedoch elektrisch leitendem Material,
vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, bestehendes Tragrohr 1 ist unter
Zwischenfügung einer Isolierhülse 2 von einem rohrförmigen Stabkern 3 umgeben. Der
rohrformige Stabkern 3 setzt sich aus mehreren Kernen 4, 5, 6 zusammen, die vorzugsweise
aus bandförmigem magnetischem Material gewickelt und nach dem Wickeln und ggfs.
nach deren Verfestigung mit mehreren, über den Umfang möglichst gleichmäßig verteilten
radialen Luftspalten versehen sind. Der Stabkern 3 bzw. dessen Teilkerne 4, 5, 6
können auch wie die nachstehend beschriebenen Endjoche 7, 8 aus Radialblechen zusammengesetzt
sein, deren Spalte vorzugsweise mit Gießharz ausgegossen sind.
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Den beiderseitigen Abschluß der Ringkerne 4, 5, 6 bilden ringförmige
Endjoche 7, 8, deren Durchmesser so bemessen ist, daß diese die Ringkerne 4, 5,
6 deutlich überragen. Die Isolierhülse 2 und der Stabkern 3 sind vorzugsweise mittels
auf das Tragrohr 1 aufgeschrumpfter Ringe 9, 10 kraftschlüssiq an dem Tragrohr 1
befestigt. Der Stabkern 3 ist unter Zwischenfügung einer weiteren Isolierhülse 11
von der Hochspannungswicklung 12 und der Niederspannungswicklung 13 koaxial ungeben.
Die Wicklungen 12, 13 sind schließlich von einem magnetischen Rückschluß 14 koaxial
umgeben. Sämtliche vorstehend angeführte Koaxialteile werden von einem auf Erdpotential
liegenden Metallgehäuse 15 ;umfasst, das stirnseitig mittels konusförmiger Isolierstoffteile
16, 17 isoliermitteldicht abgeschlossen ist. Zur Verspannung des Tragrohres 1 mit
den Isolierstoffteilen 16, 17 sind Schraubenmuttern 18, 19 vorgesehen.
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Die Öffnung 20 des Stabkernes 3 ist so bemessen, daß sich die einzelnen
Kernteile 4, 5, 6 ohne Widerstand über das Tragrohr und über die dieses umgebende
Isolierhülse 2 schieben lassen.
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In die als Lagenwicklung ausgebildete Hochspannungswicklung 12 sind
in vorbestimmten Abständen Zwischenelektroden 21, 22, 23 eingebracht, die vorzugsweise
als Metallbahnen ausgebildet sind und im Zuge der Herstellung der Hochspannun gslagenwicklung
12 in diese mit eingewickelt werden. Hierbei stellt die jeweilige Zwischenelektrode
21, 22, 23 jeweils den Wickelkörper für die anschließenden Wicklungslagen der Hochspannungslagenwicklung
12 dar. Die über die Stirnseiten der zuoehörigen Wicklungslagen herausgeführten
freien Enden der Zwischenelektroden 21, 22, 23 sind mit ringförmigen Abschlußteilen
24 versehen, an die entsprechende ringförmige Abschlußteile 25 (Fig. 2) der mit
den Zwischenelektroden 21, 22, 23 zu verbindenden Zusatzelektroden 26, 25, 28 bzw.
29, 30, 31 angrenzen.
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Die Verbindungen zwischen den Elektrodenringen 24, 25 sind in
Form
einer Stiftverbindung ausgestaltet, wobei die jeweiligen Stifte 32 in entsprechenden
Ausnehmungen 33 der Ringelektroden 24, 25 zusätzlich durch eine Klebeverbindung
gesichert sein können.
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Die Länge der Zusatzelektroden 26, 27, 28 bzw. 29, 30, 31 ist so bemessen,
daß zumindest die auf höherem Potential, d.h. die dem Tragrohr 1 am nächsten liegenden
Zusatzelektroden die Joche 7, 8 des Stabkernes 3 überragen. Bei einer wie im Ausführungsbeispiel
dargestellten trapezförmigen Hochspannungslagenwicklung 12 ist es ausreichend, wenn
alle Zusatzelektroden 26, 27, 28 bzw. 29, 30, 31 gleiche Länge besitzen, d.h. wenn
die an die Enden der Zusatzelektroden angelegten Tangentialebenen E1, E2 wenigstens
annähernd die gleiche Neigung (Winkel (£) in bezug auf die Transformatorlängsachse
A wie die Stirnseiten 34, 35 der Hochspannungslagenwicklung 12 (Winkel B) aufweisen.
Die in Fig. 1 eingezeichneten Winkel d und B sind demgemäß wenigstens annähernd
gleich groß. Die Zwischenelektroden 21, 22, 23 und die Zusatzelektroden 26, 27,
28 bzw. 29, 30, 31 sorgen für eine weitgehende Spannungsvergleichmäßigung sowohl
in der Hochspannungslagenwicklung 12 als auch in den wicklungsfreien Räumen 36,
37 des vorliegenden Spannungswandlers. Günstig in dieser Hinsicht ist auch die Anordnung
trichterförmiger Elektroden 38, 39, die über den Jochen 7, 8 bzw. den Schrumpfringen
9, 10 angeordnet sind. Diese trichterförmigen Elektroden 38, 39 erstrecken sich
vorzugsweise fast annähernd bis zu den Isolierstoffteilen 16, 17.
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Die Zusatzelektroden 26, 27, 28 bzw. 29, 30, 31 sowie die trichterförmigen
Elektroden 38, 39 besitzen vorzugsweise eine Gitter-oder Gazestruktur. Falls sie
aus Blechmaterial hergestellt sind, ist vorzugsweise Material mit herabgesetzter
elektrischer Leitfähigkeit zu verwenden.
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Wie Fig. 3a zeigt, sind die beiden Joche 7, 8 mit Vorteil aus Radialblechen
40 zusammengesetzt, deren Spalte 41 mit Gießharz ausgefüllt sind, um einen kompakten
Kernaufbau zu erzielen.
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Hierbei ist es von Vorteil, wenn die freien Enden 42 dieser Radialbleche
40 mit einem großen Radius, vorzugsweise kreisbogenförmig, abgerundet sind.
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Um eine weitere mechanische Verfestigung der Endjoche 7,8 zu erhalten,
können diese auch an ihrer inneren und äußeren Zylinderfläche mit einer dünnen Schicht
43, 44 aus Gießharz versehen sein.
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Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Transformators als in eine vollisolierte,
metallgekapselte Hochspannungschaltanlage einzubauender induktiver Spannungswandler
ist als Isoliermittel vorzugsweise elektronegatives Gas, insbesondere das in derartigen
Schaltanlagen üblicherweise vorhandene Schwefelhexafluorid, vorgesehen. Aber auch
inerte Gase, wie Stickstoff, können durchaus angewendet werden. Bei Verwendung des
Transformators kann als Isoliermittel auch das übliche Transformatorenöl verwendet
werden.
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Um an Isoliermittelvolumen und an Gewicht des Metallgehäuses 15 zu
sparen, kann der eine der beiden Flanschteile 45, 46 des Metallgehäuses 15 für die
Befestigung der Isolierstoffteile 16, 17 eine Abkröpfung nach innen aufweisen und
somit im Durchmesser kleiner gehalten werden, was im Ausführungsbeispiel nach Fig.
1 zu kleineren Abmessungen des Isolierstoffteiles 17 führt. In diesem Falle würden
die Aktivteile des Transformators von unten nach oben bzw. bei waagrechter Anordnung
von links nach rechts eingebaut werden. Durch die Festlegung aller Aktivteile an
dem Tragrohr 1 kann der erfindungsgemäße Transformator in beliebigen Einbaulagen
verwendet werden. Der magnetische Rückschluß 14 kann
selbstverständlich
auch am Metallgehäuse 15 befestigt werden, um das Tragrohr 1 gewichtsmäßig zu entlasten.
Diese Anordnung bietetsich insbesondere dann an, falls der magnetische Rückschluß
14 aus durch radiale Luftspalte voneinander getrennten stabförmigen Teilen besteht.
Im Falle der Verwendung des erfindungsgemäßen Transformators als kombinierter Strom-
und Spannungswandler ist es zweckmäßig, die stabförmigen Teile des magnetischen
Rückschlusses 14 auch in axialer Richtung mehrfach zu unterteilen. Wie sich gezeigt
hat, ist es vorteilhaft, wenn die Zusatzelektroden 26, 27, 28 bzw. 29, 30, 31 tonnenförmig
gewölbt sind, um günstige Spannungsverhältnisse in den wicklungsfreien Räumen 36,
37 zu erhalten.
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Die als Trapezwicklung, gegebenenfalls auch als Rechteckwicklung mit
gleichen Lagenlängen ausgebildete Hochspannungslagenwicklung 12 kann zusammen mit
den Zwischenelektroden 21, 22, 23 als fertige Wicklungseinheit vorgefertiat und
vorgeprüft werden und als kompakte Funktionseinheit über die Isolierhülse 11 geschoben
werden. In gleicher Weise kann auch die Niederspannungswicklung 13 unter Zwischenlage
einer weiteren Isolierhülse als fertige Baueinheit koaxial zu der Hochspannungswicklung
12 angebracht und entsprechend befestigt werden. Die Kerne 4 - 6 grenzen stirnseitig
lückenlos aneinander und werden durch die Schrumpfringe 9, 10 unter Zwischenfügung
der Endjoche 7, 8 in ihrer vorbestimmten Lage gehalten. Selbstverständlich ist auch
eine Befestigungsart möglich, die bei unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten
von Tragrohr 1 und den Kernteilen 4, 5, 6 sowie den zugehörigen Jochteilen 7, 8
die gegebenenfalls notwendige axiale Verschiebbarkeit zwischen diesen Teilen ermöglicht.
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Falls das Tragrohr 1 aus elektrisch leitendem Material besteht und
mit dem Zentralleiter einer vollisolierten, metallgekapselten Schaltanlage verbunden
ist oder einen Teil desselben bildet, läßt sich ein kombinierter Strom- und Spannungswandler
in einfacher Weise dadurch herstellen, daß koaxial zu der iederspannungswicklung
13 des als Spannungswandler ausgebildeten
Transformators eine oder
mehrere sekundärbewickelte Eisenkerne angeordnet werden, die zusammen mit dem zentralen
Innenleiter (Tragrohr 1) den Stromwandlerteil eines kombinierten Strom- und Spannungswandlers
bilden.
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Der erfindungsgemäße Transformator zeichnet sich gegenüber bekannten
Transformatoren in Stabkernbauweise durch eine Vielzahl von Vorteilen aus. Es wird
erstmalig eine völlige Integration derartiger Spannungstransformatoren mit vollisolierten,
metallgekapselten Hochspannungsschaltanlagen üblicher Bauart ermöglicht. Durch eine
weitgehend optimale Feldsteuerung erhält man geringe Abmessungen und damit ein geringes
Gewicht.
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Besonders vorteilhaft ist die Montagefreundlichkeit durch die koaxiale
Anordnung aller Aktivteile um das zentrale Tragrohr herum. Auch die wicklungsfreien
Räume sind durch die Zusatzelektroden feldmäßig günstig gesteuert, was der Forderung
nach einer gewichtssparenden, gedrängten Bauart weiterhin entgegenkommt.
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