-
Beschreibung
-
Die Erfindung betrifft einen in Vergußbauweise hergestellten Transformator,
der Wicklungen aufweist, die um einen Schenkel eines Eisenkerns gewickelt sind und
die unter Bildung eines Stücks durch Vergießen oder Umgießen unter Verwendung eines
Kunstharzes angeordnet sind. Die Erfindung betrifft insbesondere den isolierenden
Tragaufbau zum Abstützen der verpreßten oder vergossenen Wicklung in dem verpreßten
oder eingekapselten Transformator.
-
Neuerdings verwendet man in zunehmendem Maße durch Verpressen oder
Vergießen hergestellte Transformatoren, die eine Hochspannungswicklung und einer
Niederspannungswicklung aufweisen, welche um einen Abdeckschenkel gewickelt sind
und durch Vergießen ein Stück bildend angeordnet sind, wobei ein wärmehärtendes
Harz, beispielsweise ein Epoxyharz verwendet wird. Man erhält einen Transformator,
der im Hinblick auf einen in öl eingetauchten Transformator, der separate, durch
das öl isolierte Wicklungen aufweist, für eine relativ niedrige Spannung und eine
geringe Kapazität geeignet ist.
-
Bei einem in herkömmlicher Weise durch Vergießen hergestellten Transformator
liegt die in der Hochspannungswicklung induzierte Spannung im Bereich von 20 bis
30 kV. Demzufolge kann die elektrische Isolierung, die für einen solchen Transformator
erforderlich ist, auf relativ einfache Weise ausgeführt werden. Neuerdings besteht
jedoch ein großer Bedarf an durch Vergießen hergestellten Transformatoren, die in
zufriedenstellender Weise für Spannungen im Bereich von 60 bis 70 kV verwendet werden.
Im Falle der in herkömmlicher Weise durch Vergießen hergestellten Transformatoren
mit einer Nennspannung im Bereich von 20 bis 30 kV genügt ein isolierender Luftspalt
oder eine atmosphärische Isolationsentfernung von etwa 120 mm. Auch wenn bei dem
Transformator eine Isolierfläche dem Einfluß von Verunreinigungen ausgesetzt ist,
kann eine
ausreichende Isolierung durch einen Isolierabstand in
der Größenordnung von 200 mm erhalten werden.
-
Die bei dem bekannten durch Vergießen hergestellten Transformator
verwendete vergossene Wicklungsanordnung besteht aus einer Hochspannungswicklung
und einer Niederspannungswicklung, die koaxial um einen Schenkelabschnitt eines
Eisenkerns gewickelt und in einer vorgegebenen Position isoliert von Tragteilen
aus Metall, tragenden Isolierblöcken, elastischen Materialien und dergleichen getragen
werden, die an beiden Enden der vergossenen Wicklungsanordnung vorgesehen sind.
-
Bei einer solchen Konstruktion wird der atmosphärische Isolierabstand
für die Hochspannungswicklung in der nachstehend beschriebenen Weise festgelegt.
So befindet sich insbesondere das tragende Metallteil, das an dem Eisenkern befestigt
ist, auf Erdpotential. Andererseits tritt an der Hochspannungswicklung eine Hochspannung
auf, während der Spannungspegel an der Niederspannungswicklung sich näher am Erdpotential
als der Hochspannung befindet. Demzufolge bilden ein Zwischenkernkriechpfad, der
sich zwischen dem tragenden Metallteil und der Hochspannungswicklung befindet, sowie
ein Zwischenwicklungskriechweg, der sich zwischen der Niederspannungswicklung und
dem Hochspannungskern erstreckt, ein kritisches Problem om Standpunkt der Isolierung
aus.
-
Diese Kriechpfade oder Krlechoberflächen können bei Verunreinigung
eine beträchtliche Verringerung der Spannungswiderstandseigenschaft aufweisen. Somit
wird es erforderlich, die mittlere Feldstärke auf einem Bereich von weniger als
0,1 kV/mm einzuschränken, was bedeutet, daß eine Kriechentfernung von etwa 300 mmm
für einen durch Vergießen hergestellten Transformator mit einer Kapazität im Bereich
von 20 bis 30 kV erforderlich ist.
-
Aus dem gleichen Grund ist im Falle eines durch Verießen hergestellten
Transformators mit einer hohen Kapazität von beispielsweise 70 kV ein Kriechabstand
von 700 mm erforderlich, was eine merkliche Verschwendung bedeutet, wenn man in
Betracht zieht, daß ein Isolierabstand von 280 mm für die rein atmospärische Isolierung
ausreicht, die keine massive Isolatoroberfläche hat.
-
Die niedrige Spannungswiderstandskapazität der massiven Isolatorfläche
vergleichen mit der atmospärischen Isolation oder der Luftisolation erklärt sich
aus der Tatsache, daß die Isolatoroberfläche wahrscheinlich einer Verunreinigung
ausgesetzt wird, wodurch der Oberflächenwiderstand verringert wird. Insbesondere
wenn ein massives Isoliermaterial mit einem Innenwiderstand in der Größenordnung
von 1015l) einer Oberflächenverunreinigung ausgesetzt wird, reduziert sich der Oberflächenwiderstand
möglicherweise auf 108Q . Demzufolge trägt in Ausdrücken der Potentialverteilung
ein nicht verunreinigter Abschnitt einen größeren Anteil der Potentialverteilung3,
was zu einer Entladung an diesem Abschnitt führt, die schließlich zu einem dielektrischen
Durchschlag führen kclin.
-
Es sollte deshalb eine Steuerung derart vorgenommen werden, daß das
Auftreten einer ungleichförmigen Potentialverteilung an der Oberfläche eines Isolierelements
auch im verunreinigten Zustand verhindert wird.
-
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin,
einen durch Vergießen hergestellten Transformator zu schaffen, bei dem die Kriechstrecke
zwischen dem tragenden Metallteil auf Erdpotential und dem Leiter der vergossenen
Wicklung, insbesondere einer Hochspannungswicklung, verringert wird, so daß die
gesamte Transformaorkonstruktion in geringerer Größe ausgeführt werden kann.
-
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Transformator der Vergußbauweise
gelöst, der einen Eisenkeril, der aus einem
Schenkelabschnitt und
Jochabschnitten zusammengesetzt ist, die miteinander durch Klemmeinrichtungen verbunden
sind, wodurch ein magnetischer Kreis gebildet wird, eine vergossene Wicklungsanordnung
mit einer Hochspannungswicklung und einer Niederspannungswicklung, die um den Schenkelabschnitt
des Eisenkerns gewickelt sind, tragende Metallteile, die an beiden Enden der vergossenen
Wicklungsanordnung einander gegenüberliegend angeordnet sind, und Isolierelemente
aufweist, von denen jedes jeweils zwischen einem Ende der vergossenen Wicklungsanordnung
und einem der tragenden Metallteile angeordnet ist. Erfindungsgemäß wird dabei ein
Potentialsteuerungskondensator in jedem der Isolierelemente vorgesehen, von dem
ein Ende elektrisch mit einem elektrisch leitenden Abschnitt der vergossenen Hochspannungswicklung
verbunden ist, während das andere Ende des Kondensators mit dem tragenden Metallteil
verbunden ist.
-
Dieses Metallteil befindet sich auf Erdpotential. Dadurch, daß Kondensatoren
in der beschriebenen Weise vorgesehen werden, ist das Oberflächenpotential des Isolierelements
vorgeschrieben, wodurch der Kriechisolierweg zwischen tragendem Metallteil und der
vergossenen Wicklungsanordnung speziell der Hochspannungswicklung verringert werden
kann, so daß der vergossene Transformator in Kleinbauweise hergestellt werden kann.
-
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beisFielsweise näher erläutert.
Es zeigt: Fig. 1 eine Stirnansicht eines durch Vergießen hergestellten Dreiphasentransforators,
der erfindungsgemäß ausgestaltet ist; Fig. 2 in einer Seitenansicht den Transformator
von Fig. 1, wobei ein Teil geschnitten ist; Fig. 3 in einer Schnittansicht ein Hauptteil
einer ersten Ausführungsform eines durch Vergießen hergestellten Transformators;
Fig.
4 in einer Schnittansicht einen isolierenden Tragblock einer weiteren Ausführungsform
eines durch Vergießen hergestellten Transformators; und Fig. 5 in einem Diagramm
die charakteristische Anderung der Kriechüberschlagsspannung als Funktion einer
elektrostatischen Kapazität eines Kondensators, wie sie erhalten wird, wenn das
Potential an der Kriechfläche des isolierenden Tragblocks durch Verwendung von Kondensatoren
gesteuert wird, die erfindungsgemäß angeordnet sind.
-
Bei dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten durch Vergießen hergestellten
Dreiphasentransformator wird ein Eisenkern 10 von einem Schenkelabschnitt 10A und
einem oberen und einem unteren Joch loB für jede Phase gebildet, die miteinander
unter Bildung eines Magnetkreises zusammenwirken. An beiden Seiten des oberen und
unteren Jochs 10B sind Klemmteile 11 angeordnet, die ein Verbinden des Eisenkerns
10 durch Bolzen, eine Bandverbindung oder dergleichen (nicht gezeigt) ermöglichen,
wobei die Klemmteile 11 miteinander durch Kupplungseinrichtungen 12 verbunden sind.
An dem unteren Klemmteil 11 ist an einem einer Mittelposition für jede Phase entsprechenden
Abschnitt eine Montagebasis 13 festgelegt. Der Schenkel 10A des Eisenkerns 10 ist
mit einer vergossenen rlieders;allnungswicklung 14 und einer vergossenen Hochspannungswicklung
15 von innen her aufeinanderfolgend smwickelt. Jede der vergossenen Niederspannungs-
und Hochspannungswicklungen 14 und 15 ist in überlicher Weise durch Wickeln von
Leiterstreifen 14A und 15A, die eine relativ große Breite aufweisen, in einer vorgegebenen
Anzahl von Wicklungen hergestellt, wobei eine festgelegte Anzahl der Wicklungen
14 und 15 axial übereinander angeordnet werden. Wenn die Wicklungen 14 und 15 elektrisch
in einem gewünschten Schaltmuster verbunden sind, werden sie zu einem Stück mittels
eines wärmehärtbaren Harzes, beispielsweise mit Epoxyharz eingegossen. Natürlich
können die vergossenen
Niederspannungs- und Hochspannungswicklungen
14 und 15 getrennt hergestellt und danach miteinander verbunden werden, wobei Kanäle
für Kühlluft zwischen den Wicklungen 14 und 15 ausgebildet werden, wie dies in den
Figuren gezeigt ist.
-
Die vergossenen Niederspannungs- und Hochspannungswicklungen 14 und
15 jeder Phase, die um den Schenkelabschnitt 10A des Eisenkerns 10 gewickelt sind,
sind für den Einsatz in einer vorher festgelegten Dreiphasenschaltung verbunden.
Im Falle des Dreiphasentransformators von Fig. 1 ist die vergossene Hochspannungswicklung
15 jeder Phase an Leitungsklemmen U, V und W auf der Oberseite befestiqt, deren
Neutralpunktklemmen X, Y und Z von der Unterseite herausgeführt werden. Mittels
Verbindungsleiter 15 wird eine Dreiphasen-Sternverbindung hergestellt. Die Regulierung
der Spannung auf einen gewünschten Pegel wird mittels eines Umschaltendschalters
20 mit einem toten Abgriff erreicht, wobei jeweils ein Schalter 20 an einem mittleren
Oberflächenabschnitt jeder Phase vorgesehen ist.
-
Die Wicklungsanordnung mit den Niederspannungswicklungen 14 und den
Hochspannungswicklungen 15, die um den Schenkelabschnitt 10A des Eisenkerns 10 gewickelt
sind, wird in einer vorgegebenen Stellung elektrisch isoliert und sandwichartig
zwischen elektrisch isolierten Tragblöcken 17 getragen, die auf der Oberseite und
der Unterseite der Wicklungsanordnung zwischen Tragplatten 11A angeordnet sind,
die von flachen Bundabschnitten der ringförmigen Kleminteile 11 und den oberen und
unteren Enden der Wicklungsanordnung qebildet werden, wobei jeweils elastische Schichten
18 dazwischen angeordnet sind. Die Wicklungsanordnung wird in einem kompakten Zustand
unter einem Druck gehalten, der mittels Klemmbolzen 19 ausgeübt wird.
-
Obwohl jeder isolierende Tragblock 17 in einem Stück ausgebildet
ist, so daß er bei dem Transformatoraufbau nach Fig. 1 und 2 sowohl zur vergossenen
Wicklung 14 als auch zur vergossenen Wicklung 15 gehört, ist zu bemerken, daß der
isolierende Tragblock 17 entsprechend den Wicklungen 14 und 15 unterteilt werden
kann.
-
In jedem Fall sind das Potential regulierende Kondensatoren in Abschnitten
des isolierten Tragblocks 17 eingebettet, von denen jeder der vergossenen Hochspannungswicklung
15 entspricht und die Oberflächenpotentialverteilung des isolierenden Blocks 17
steuern soll, um dadurch die Isolierleistung zu verbessern.
-
Der in dem Isolierblock vorgesehene, das Potential regulierende Kondensator
ist so auszuwählen, daß die durch den Kondensator gegebene Impedanz niedriger wird
als die Oberflächenimpedanz, die infolge der Verunreinigung einem Verlust unterliegt.
Nimmt man an, daß die Oberflächenimpedanz 108al beträgt,sollte die Kapazität so
gewählt werden, daß folgender Bedingung genügt wird: 1 2 T f C wobei f die Frequenz
und C die elektrostatische Kapazität des Kondensators sind.
-
Wenn die Frequenz 50 Hz ist, ist der Wert von C größer als 30 pF.
Das heißt mit anderen Worten, daß die kombinierte Kapazität aller Kondensatoren,
die nicht kleiner als 30 pF ist, theoretisch wirksam zum Erzielen des beabsichtigten
Zwecks ist.
-
Fig. 3 zeigt im einzelnen den Aufbau eines isolierenden Tragbocks
17 und der zugehörigen Teile des vergossenen Transformators gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung.
-
Da keine massive Isolation vorgesehen ist, die einen Kriechweg zwischen
der vergossenen ochspannun-sicklung 15 und der vergossenen Niederspannungswicklung
14 bilden würde, genügt eine Luftisolierung, bestehend aus einem Kühlluftkanal,
um einen dielektrischen Überschlag zu verhindern. Andererseits muß der isolierende
Tragblock 17 zwischen wenigstens der vergossenen
Hochspannunqswicklung
15 und der tragenden Metallplatte 11A vorgesehen werden. Der obere und der untere
isolierende Tragblock 17 dienen zum Festlegen der vergossenen Hochspannungswicklung
15 über jeweils dazwischenliegende elastische Elemente 18. Wie aus Fig. 3 zu ersehen
ist, ist eine Vielzahl von elektrisch leitenden planparallelen bzw. planaren Platten
21, die sich parallel zueinander erstrecken, in den isolierenden Tragblock 17 eingebettet.
Die leitenden Platten 21 sind in einem vorgegebenen Abstand in Axialrichtung der
Wicklung voneinander angeordnet und bilden eine entsprechende Anzahl von Kondensatoren.
-
Die Platte 21, die der Hochspannungswicklung am nächsten liegt, ist
elektrisch mit einem Wicklungsleiter 15A über einen Kontakt 22 verbunden. Die Kondensatorplatte
21, die angrenzend an das tragende Metallteil 11A angeordnet ist, ist elektrisch
damit unter Verwendung des Klemmbolzens 19 verbunden. Die Kondensatorplatte 21 kann
aus einem Metallnetz oder aus einer massiven Metallplatte bestehen. Andererseits
können auch Kohlenstoffbahnen, elektrisch leitende Kautschukbahnen oder dergleichen
als Kondensatorplatte 21 verwendet werden. Man sieht, daß Paare von jeweils gegenüberliegend
angeordneten Platten 21 eine entsprechende Anzahl von Kondensatoren bilden. Um eine
hohe elektrostatische Kapazität zu erreichen, hat der isolierende Tragblock 17 vorzugsweise
eine Ringform und verläuft um den ganzen Umfang der vergossenen Hochspannungswicklung
1 5.
-
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines isolierenden Tragblocks
eines Transformators der Vergußbauweise. Der isolierende Tragblock 17 von Fig. 4
hat einen zylindrischen Mantel mit äußeren Rippen 23, in welchem eine Vielzahl von
elektrisch miteinander verbundenen Kondensatorelementen 24 und eine entsprechende
Anzahl von elektrisch leitenden Abschirmplatten 25 abwechselnd übereinander in Axialrichtung
der Transformatorwicklungen angeordnet ist. Auf dem oberen und auf dem unteren offenen
Ende des zylindrischen Mantels 22 ist jeweils eine Abdeckplatte 26 angeordnet. In
die Abdeckplatten 26 sind jeweils Leiterdrähte 27 eingebettet, um die Anschlüsse
der Kondensatoranordnung nach außen zu führen.
-
Wenn der isolierende Tragblock 17 relativ klein ist, erhält man mit
dem in Fig. 3 gezeigten Aufbau eine ausreichend große elektrostatische Kapazität.
Bei den Anwendungsfällen, bei denen eine große elektrostatische Kapazität erwünscht
ist, wird deshalb der in Fig. 4 gezeigte Aufbau verwendet. Insbesondere steigert
die Verwendung keramischer Kondensatoren als Kondensatorelemente 24 die elektrostatische
Kapazität beträchtlich.
-
Fig. 5 zeigt in einem Diagramm Meßergebnisse für die Kriechüberschlagspannung,
die mit einem isolierenden Tragblock erhalten werden, der eine das Oberflächenpotential
regulierende oder steuernde Kondensatoranordnung gemäß der Erfindung aufweist und
der, nachdem verunreinigendes Salzwasser über ihn gesprüht worden ist, eine Stunde
ruhengelassen wird. Als Meßvariable wird die elektrostatische Kapazität der Kondensatoranordnung
geändert. Man sieht, daß die Kriechüberschlagspannung zunimmt, wenn die elektrostatische
Kapazität erhöht wird bis eine elektrostatische Kapazität erreicht wird, die höher
als 100 pF ist. Danach bleibt die Kriechüberschlagspannung im wesentlichen konstant.
Obwohl die elektrostatische Kapazität von mehr als 30 pF theoretisch ausreichend
ist, wie dies vorher beschrieben wurde, sind die elektrostatischen Kapazitäten nach
Fig. 5 in der Praxis erforderlich, da das Potential aufgrund der Kondensatoranordnung
bei der Übertragung zur Kriechoberfläche auf einen elektrischen Widerstand trifft.
Dementsprechend soll der Kondensator in dem isolierenden Tragblock eine elektrostatische
Kapazität von wenigstens 50 pF haben.
-
Bei einem anderen Versuch läßt man einen durch Vergießen hergestellten
Transformator mit einer Leistung von 10 MVA und einer Nennspannung von 77 kV/6,6
kV, der einen isolierenden Tragblock des erfindungsgemäßen Aufbaus mit einer elektrostatischen
Kapazität von 150 pF hat, sechs Monate in einer staubigen Atmosphäre von 50 bis
70 % RII zusammen mit einem durch Vergießen hergestellten Transformator der gleichen
Leistung
und der gleichen Nennspannung arbeiten, der jedoch mit einem islierenden Tragblock
der bisher üblichen Konstruktion versehen ist. Danach wird die dielektrische Durchschlagspannung
bezüglich Erde gemessen. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle in Ausdrücken
des Verhältnisses der Durchschlagspannung aufgeführt.
-
Tabelle herkömmlicher Transformator Transformator nach der Erfindung
Durchschlag- 100 + 50 200 t 20 spannung Aus der Tabelle sieht man, daß bei dem erfindungsgemäßen
Transformator der Abstand zwischen der tragenden Metallplatte und dem Leiter der
vergossenen Hochspannungswicklung um 50 % verglichen mit dem Abstand des herkömmlichen
Transformators für eine gegebene Spannungswiderstandscharakteristik verringert werden
kann, während die Betriebssicherheit auch entsprechend erhöht wird.
-
In der vorstehenden Beschreibung wird angenommen, daß die vergossenen
Wicklungen an beiden Enden durch tragende Metallplatten 11A über jeweils einen isolierten
Tragblock 17 und ein plastisches Element 18 getragen werden. Die tragende Platte
11A kann von einem einstückigen Bundansatz des Klemmelements 11 gebildet werden,
das sich über die vergossenen Wicklungen erstreckt. Alternativ kann auch eine getrennte
Tragplatte vorgesehen werden.
-
Der in der erfindungsgemäßen Weise durch Vergießen hergestellte Transformator
ermöglicht es, daß das elektrische Potential einer Isolierfläche durch eine Kondensatoranordnung
für die Potentialsteuerung zwangsweise vorgegeben oder vorgeschrieben wird, die
in dem isolierenden Tragblock angeordnet ist. Dabei können der Kriechisolationsweg
zwischen der tragenden Metallplatte und der vergossenen Hochspannungswicklung verringert
werden, was wiederum ermöglicht, daß der durch Vergießen hergestellte Transformator
in kleinerer Größe mit einer höheren Isoliersicherheit ausgeführt werden kann.