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Transformator oder Drosselspule mit mindestens einer eine Band-
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spule enthaltenden Wicklung Die Erfindung betrifft einen Transformator
mit mindestens einer eine Bandspule enthaltenden Wicklung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Bei einem Kurzschluß in einem Transformator oder einer Drosselspule
treten in den Wicklungen radial und axial gerichtete Kräfte auf. Bei der in bezug
auf den Kernschenkel radial innen liegenden Wicklung sind die radialen Kräfte nach
innen zum Kernschenkel hin gerichtet. Diese Kräfte wollen somit den Durchmesser
der Wicklung verkleinern, und wenn die Wicklung nicht in sich fest genug ist oder
genügend abgestützt ist, wird die Wicklung eingeknickt. In der radial außen liegenden
Wicklung sind die radialen Kräfte nach außen, also vom Kernschenkel weg, gerichtet.
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Diese Kräfte versuchen den Durchmesser der Wicklung zu vergrößern,
was zu Beschädigungen führen kann, beispielsweise dadurch, daß die Anschlüsse tangential
verschoben werden. Insbesondere bei Wicklungen aus bandförmigen Leitermaterial bereiten
die radialen Kurzschlußkräfte große Probleme, da der bandförmige
Leiter
in sich nur eine geringe Steifigkeit hat.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Transformatoren oder Drosselspulen
der eingangs genannten Art zu entwickeln, deren Wicklungen aus bandförmigem Material
relativ widerstandsfähig gegen die genannten Kurzschlußkräfte sind.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Transformator oder eine Drosselspule
nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welcher/welche die im kennzeichnenden
Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale aufweist. Vorteilhafte Weiterbildungen
des Transformators bzw. der Drosselspule sind in den Ansprüchen 2 bis 7 genannt.
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Ein Verfahren zur Herstellung einer Bandspule für einen Transformator
oder eine Drosselspule nach der Erfindung ist gemäß der Erfindung durch die in Anspruch
8 genannten Merkmale gekennzeichnet.
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Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Verfahrens sind in den Ansprüchen
9 bis 14 genannt.
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Durch die erfindungsgemäße Verbindung zwischen den Teilen des Leiterbandes
selbst und den einzelnen Windungen der aus dem Band gewickelten Spule wird eine
Bandspule geschaffen, die eine formfeste Einheit bildet, deren mechanisch beanspruchten
Teile fest an umgebenden Teilen verankert werden können und von diesen gestUtzt
werden können. Ein solcher Aufbau mit der Verbindung
Folie-Film-Windung
erhöht nicht nur die Widerstandskraft gegenüber Kurzschlußkräften, sondern verhindert
auch, daß die Windungen der Spule im Verhältnis zueinander in axialer Richtung gleiten
können, wenn die Spule mit ihrer Längsachse in vertikaler Richtung angeordnet ist.
Ferner sind zwischen den benachbarten Schichten aus Metallfolie und Polymerfilm
bzw. zwei Polymerfilmen in der Bandspule Räume vorhanden, die derart nach außen
offen sind, daß ein die Bandspule umgebendes flüssiges Dielektrikum in diese Räume
und damit in die Bandspule eindringen kann. Auf diese Weise gelangt die Flüssigkeit
in den Polymerfilm in der Bandspule und füllt eventuell vorhandene kleinere Hohlräume
und Poren im Polymerfilm aus. Dies geschieht normalerweise unter einem gewissen
Anschwellen des Films. Das Füllen der Hohlräume im Polymerfilm hat eine Verbesserung
der Dauerfestigkeit der Bandspule zur Folge, d. h. sie hält den auftretenden elektrischen
Feldstärken bei langer Belastung besser stand.
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Die genannten Räume können vorzugsweise dadurch zustandekommen, daß
ein Bindemittel punktweise, fleckenweise, linienweise oder auf ähnliche Weise zwischen
Metallfolie und Polymerfilm im Band und/oder zwischen angrenzenden Windungen des
Bandes angebracht wird. Die Dicke (Höhe) der Punkte, Flecken oder Linien von Bindemittel
beträgt dabei 0,5 - 50 /um, vorzugsweise 1 - 10 /um in der fertigen Bandspule, oder
das Bindemittel hat mit anderen Worten eine Dicke von 0,5 - 50 /um, vorzugsweise
1 - 10 /zum, zwischen Metallfolie und Polymerfilm und/oder zwischen benachbarten
Windungen des Bandes in der fertigen Bandspule.
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Zwischen Schichten aus Metallfolie und Polymerfilm und/oder zwischen
Schichten aus Polymerfilm in Bandspulen, zwischen denen keine Räume der beschriebenen
Art vorgesehen sind, sind angrenzende Schichten vorzugsweise über die gesamte Anlagefläche
zwischen den betreffenden Schichten fest miteinander verbunden.
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Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders gut zur Anwendung
in Transformatoren und Drosseln mit einer Betriebsspannung von über 100 kV und einer
Leistung von über 50 MVA wegen der Schwierigkeiten, die in solchen Transformatoren
und Drosseln durch Kurzschlußkräfte auftreten.
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Die Wicklung kann gemäß der Erfindung aus einer oder mehreren Bandspulen
der genannten Art bestehen. Wenn die Wicklung mehrere Bandspulen enthält, dann sind
diese Bandspulen konzentrisch zueinander angeordnet. Es kann dabei zweckmäßig sein,
erforderliche Kühlelemente zwischen den Bandspulen anzubringen. Die Kühlelemente
können einen oder mehrere Kanäle enthalten, durch welche das im Transformator oder
in der Drosselspule vorhandene Kühlmittel strömen kann.
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Bei dem Herstellungsverfahren nach der Erfindung kann die Herstellung
des aus Metallfolie und Polymerfilm bestehenden Bandes einerseits und das Wickeln
dieses Bandes zu einer Bandspule andererseits entweder in einem gemeinsamen oder
in zwei getrennten Arbeitsgängen durchgeführt werden.
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Das Verbinden der Metallfolie mit dem Polymerfilm wird vorzugsweise
in der Weise durchgeführt, daß der Polymerfilm in engem Kontakt mit der Metallfolie
gebracht wird und an dieser mit Hilfe eines Walzvorganges fixiert wird, ohne daß
sich dabei zwischen den Materialien gasgefüllte Spalte bilden. Das Verbinden kann
auch dadurch geschehen, daß die Metallfolie oder der Polymerfilm mit einem Leim
oder einem Bindemittel belegt wird, bevor die beiden bandförmigen Teile dem Walzvorgang
unterzogen werden. Wenn der Leim oder das Bindemittel ein Lösungsmittel enthält,
wird dieses ausgetrieben, normalerweise bei erhöhter Temperatur, bevor die Materialien
zusammengewalzt werden. Beispiele für geeignete Leime oder Bindemittel sind Polyuretanleim,
Akrylnitril-Phenolharz-Leim, Silikonleim,Polyimidleim, Polyisobutylenleim, Phenoxileim,
Phenolepoxileim, Nitrilgummi und Polyvinylbutyral. Außer in Form einer Lösung in
einem Lösungsmittel ist es denkbar, den Leim oder das Bindemittel in Form eines
lösungsmittelfreien Films oder einer Schmelze aus einem härtbaren oder thermoplastischen
Harz aufzubringen.
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Das beschriebene Verfahren ist auch beim Verbinden eines Polymerfilms
mit einem anderen Polymerfilm anwendbar, wenn mehr als ein Polymerfilm auf einer
Seite der Metallfolie angebracht werden.
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Das Verfahren kann auch beim Verbinden der aneinander liegenden Windungen
einer aus dem Band zu wickelnden Bandspule verwendet werden.
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Bei der Metallfolie kann es sich u. a. um eine Aluminium- oder Kupferfolie
handeln. Für Leistungstransformatoren liegt die Dicke
üblicherweise
zwischen 50 und 3000 /um.
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Der Polymerfilm, der vorzugsweise ein vorgefertigter Polymerfilm ist,
soll einer Temperatur von mindestens 90 0C kontinuierlich widerstehen können. Die
Bruchdehnung des Films soll 20 % des ursprünglichen Wertes nach der Wärmebehandlung
in Luft bei 1200C während einer Dauer von 20.000 Stunden nicht unterschreiten. Als
Beispiel für geeignete Polymerfilme können u.a. Polyäthylenglykolterephtalat, Polykarbonat
und Polyimid genannt werden. Eine geeignete Dicke des Polymerfilms liegt im Bereich
5 - 100 /um, vorzugsweise zwischen 10 - 50 P m. Der Polymerfilm hat vorzugsweise
eine größere Breite als die Metallfolie, so daß der Polymerfilm über die Kanten
der Metallfolie hinausragt und damit elektrische Überschläge zwischen den Windungen
an der Stirnseite der Spule verhindert.
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Als Beispiele für geeignete Isolierflüssigkeiten können Transformatoröl
und Silikonöl genannt werden.
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Anhand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert werden.
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Es zeigen Fig. 1 schematisch eine Anordnung zur Herstellung einer
Bandspule für eine Wicklung bei einem Transformator gemäß der Erfindung, Fig. 2
im vergrößerten Maßstab den Querschnitt des zur Herstellung der Bandspule verwendeten
Bandes längs der Linie A-A in Fig. 1,
Fig. 3 einen Teil eines Schnittes
zwischen zwei benachbarten Windungen einer Bandspule senkrecht zur Längsachse der
Bandspule, Fig. 4 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Transformators gemäß
der Erfindung, Fig. 5 den Querschnitt einer Wicklung mit eingebautem Kühlelement
für einen Transformator gemäß der Erfindung.
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Die Anordnung nach Figur 1 enthält drei Leimauftragegefäße 10a -c
zum Auftragen von Leim auf die Metallfolie und den Polymerfilm während der verschiedenen
Stadien der Herstellung der Bandspule.
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Jedes Leimauftragegefäß besteht aus einer Wanne 11, die den Leim enthält,
und einer rotierenden Walze 12, die nachstehend noch ausführlicher beschrieben wird.
Der Leim besteht aus einem Polyuretanleim in Methyläthylketon-Lösung (z.B. Liafol
UK 3645 mit Härter UK 6200 von Henkel & Cie. GmbH, BRD). Ferner enthält die
Anordnung drei Öfen 13a - c zum Austreiben des Lösungsmittels aus dem Leim. Die
Temperatur der Öfen wird so eingestellt, daß die Metallfolie und der Polymerfilm
nach dem Passieren des betreffenden Ofens frei von Lösungsmittel sind, jedoch ohne
daß der Leim erhärtet. Die Leimschicht hat dabei zweckmäßig eine Dicke von 0,5 -
50 /um, vorzugsweise von 1 - 10 /um. Die Anordnung nach Figur 1 enthält ferner zwei
1100 warme Walzenpaare 14a und 14b, durch die die Materialien, die aneinander gebunden
werden sollen, hindurchlaufen. Weiter gehören zu der Anordnung zwei Umlenkrollen
15.
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Eine Aluminiumfolie 16 mit einer Dicke von 800 /um (bzw. 100 /um,
siehe
den folgenden Text) von der Vorratsrolle 17 wird mit Flecken eines Leims aus dem
Gefäß 10a belegt. Die Flecke kommen dadurch zustande, daß die Walze 12 aus ihrer
Mantelfläche herausragende Abschnitte hat, die bei der Rotation der Walze 12 in
den Leim in der Wanne 11 eintauchen, während die übrigen Teile der Walzenmantelfläche
oberhalb der Oberfläche des Leimes bleiben.
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Nach dem Passieren des Ofens 13a läuft die Aluminiumfolie weiter zum
Walzenpaar 14a. Diesem Walzenpaar wird auch ein Polyäthylenglykolterephtalatfilm
19 mit einer Dicke von 25 /um von der Vorratsrolle 18 zugeführt. Dieser Film ist
auf übliche Weise vorbehandelt worden, indem er kurze Zeit einer elektrischen Glimmentladung
in einer Walzen-Schneidkanten-Anordnung ausgesetzt wurde. Dadurch wird die Haftfähigkeit
des Films an der Aluminiumfolie und ihrer Leimschicht erhöht. Nach dem Passieren
des Walzenpaares 14a erhält man ein Produkt 20, bestehend aus einer Aluminiumfolie,
die auf der einen Seite mit einem Polymerfilm verbunden ist. Dieses Produkt wird
auf der freien Aluminiumfolienfläche mittels einer zum Leimauftragegefäß 10b gehörenden
Walze der oben beschriebenen Art mit Leimflecken belegt. Nach Austreibung des Lösungsmittels
im Ofen 13b wird das zusammengesetzte Produkt dem Walzenpaar 14b zugeführt, wo es
einen weiteren in der oben genannten Weise vorbehandelten Polyäthylenglykolterephtalatfilm
21 von der Vorratsrolle 22 entgegennimmt. Nach dem Passieren des Walzenpaares 14b
erhält man ein Produkt, das aus einer Aluminiumfolie besteht, die auf beiden Seiten
mit Polymerfilmen verbunden ist. Alle drei Schichten aus Folie und Filmen sind auf
den Kontaktflächen durch Flecke des Leims miteinander verbunden.
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Dieses zusammengesetzte Band 23 wird auf seiner einen Filmseite
mit
Leimflecken aus dem Gefäß 10c belegt und nach dem Austreiben des Lösungsmittels
im Ofen 13c auf ein zylindrisches Rohr 24 aus Isoliermaterial, z. B. glasfaserarmiertem
Polyester, aufgewickelt. Das Rohr 24 ist in einen rotierbaren Halter 25 abnehmbar
eingespannt. Das Aufwickeln des Bandes erfolgt unter gleichzeitigem Walzen mit der
Walze 28, die auf 1100C erwärmt ist und die gegen das auf das Rohr 24 schon zu einer
Bandspule 29 gewickelte Band gedrückt wird, so daß die Windungen aneinandergebunden
werden.
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Nachdem die Bandspule mit der gewünschten Windungszahl gewickelt ist,
wird die Bandspule mit dem Rohr 24 aus dem Halter 25 genommen, und anschließend
wird der Leim gehärtet, indem das Rohr mit der Bandspule in einen Ofen eingebracht
wird, und zwar bei dem beschriebenen Leim für einige Stunden bei 1200C.
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Bei der Herstellung einer Bandspule aus nur einer Metallfolie und
einem Polymerfilm fallen die Anordnungen 10c, 13c, 14b, 21, 22 und 23 fort, d. h.
das aus der Metallfolie 16 und dem Polymerfilm 19 hergestellte Band 20 wird nach
dem Aufbringen von Leim im Gefäß 10b und nach dem Austreiben des Lösungsmittels
im Ofen 13b direkt zu einer Bandspule auf dem Rohr 24 gewickelt.
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Es ist auch möglich, daß die Folie 16 und der Film 19 und gegebenenfalls
auch der Film 21, nachdem sie mit Leim belegt und jedes Teil für sich getrocknet
wurde, erst an der Walze 28 zu einem Band zusammengeführt werden, so daß also das
Band aus Folie und Film(en) gleichzeitig mit den Windungen der Bandspule zusammengebunden
wird.
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Aus dem Querschnitt des Bandes 23 in Fig. 2 (Schnitt A - A in Fig.
1) geht hervor, daß der Polymerfilm 19 mit Leimflecken 60 an der Metallfolie 16
fixiert ist und der Polymerfilm 21 mit Leimflecken 61 an der Metallfolie 16 fixiert
ist. Da die Flecken in dem fertigen Band eine Dicke von 0,5 - 50 /um, vorzugsweise
von 1 - 10 e ,haben und daher als Distanzelemente zwischen Film und Folie wirken,
entstehen in dem Band die Räume 62 bzw. 63.
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Die Flecken 60 und 61 sind in dem beschriebenen Fall quadratisch und
haben eine Größe von 25 mm2. Sie sind in Reihen angeordnet, die parallel und senkrecht
zur Längsrichtung der Folie verlaufen.
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Der Abstand zwischen den parallelen Reihen beträgt in beiden Richtungen
5 - 10 mm. Aus Figur 2 geht ebenfalls hervor, daß die Polymerfilme 19 und 21 eine
größere Breite als die Metallfolie 16 haben, wobei die Polymerfilme über beide Kanten
30 der Metallfolie hinausragen. Auch wenn nur ein Polymerfilm 19 verwendet wird,
so ragt dieser über die Kanten der Metallfolie in der in Fig. 2 gezeigten Weise
hinaus.
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Figur 3 zeigt zwei Windungen des Bandes 23 in der Bandspule 29.
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Zwischen diesen Windungen sind Flecke 64 derselben Art wie die Flecke
60 und 61 mit Zwischenräumen 65 derselben Art wie die Zwischenräume 62 und 63 vorhanden.
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Statt der Flecke oder Punkte kann man Linien aus Leim verwenden, um
die Materialien aneinander zu fixieren. Diese Linien werden vorzugsweise so aufgetragen,
daß sie entweder senkrecht zur Längsrichtung
der Metallfolie oder
unter einem Winkel schräg zur Längsrichtung der Metallfolie verlaufen. Dadurch wird
sichergestellt, daß für das flüssige Dielektrikum von den Enden der Bandrolle offene
Kanäle gebildet werden.
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Statt die Windungen des Bandes 23 wie in dem gerade beschriebenen
Ausführungsbeispiel mit Flecken 64 (oder Punkten oder Linien) miteinander zu verbinden,
kann man die Windungen auch vorzugsweise über ihre gesamte gegenseitige Anlagefläche
miteinander verbinden. In diesem Falle wird also jede Windung des Bandes beispielsweise
mit dem beschriebenen Bindemittel über die ganze Anlagefläche an die darunter liegende
Windung gebunden. Im Prinzip ist es auch möglich, die Windungen des Bandes 23 mit
Flecken 64 (oder Punkten oder Linien) miteinander zu verbinden, so wie es Figur
3 zeigt, und die Folie und den/die Film/Filme im Band 23 über ihre ganzen gegenseitigen
Anlageflächen miteinander zu verbinden.
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Figur 4 zeigt ein Beispiel für die Anwendung der Erfindung bei einem
Einphasen-Zweiwicklungstransformator mit einem dreischenkligen Eisenkern. Der Eisenkern
31 besteht aus dem Mittelschenkel 32, den Außenschenkeln 33 und 34, dem oberen Joch
35 und dem unteren Joch 36. Der Kern trägt eine Niederspannungswicklung 37 unmittelbar
auf dem Mittelschenkel, und auf dieser Wicklung ist eine Hochspannungswicklung 38
um den Mittelschenkel angebracht.
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In dem beschriebenen Fall ist sowohl die Wicklung 37 wie die Wicklung
38 aus Bandspulen aufgebaut, die aus einem Band gewickelt sind, das aus einer Aluminiumfolie
und einem Polyäthylenglykolterephtalatfilm
besteht. Die Bandspulen
sind in der anhand der Figuren 1 und 2 erläuterten Weise unter Verwendung des dort
genannten Leimes hergestellt. Die Wicklung 37 besteht aus 76 Windungen eines Bandes,
das aus einer 800 pim dicken und 1300 mm breiten Aluminiumfolie und einem oder zwei
25 /um dicken und 1350 mm breiten Polyäthylenglykolterephtalatfilmen aufgebaut ist.
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Die Wicklung 38 besteht aus 900 Windungen eines Bandes, das aus einer
100 /um dicken und 1300 mm breiten Aluminiumfolie und einem oder zwei 25 /um dicken
und 1350 mm breiten Polyäthylenglykolterephtalatfilmen aufgebaut ist. Die Bandspule,
welche die Wicklung 37 bildet, ist auf ein Rohr 24a aus glasfaserarmiertem Polyester
gewickelt, und die Bandspule, welche die Wicklung 38 bildet, ist auf ein ebenfalls
aus glasfaserarmiertem Polyester be8tehendes Rohr 24b gewickelt. Die Rohre 24a und
24b, die dem Rohr 24 in der Anordnung nach Figur 1 entsprechen, haben eine solche
Länge, daß die Wicklungen 37 und 38 einen ausreichenden Isolationsabstand zum unteren
Joch 36 haben, wenn das Rohr mSit seinen unteren Enden am Joch anliegt. Das Rohr
24a dient auch als Isolierung gegen den Kernschenkel 32, und das Rohr 24 dient als
Isolierung zwischen den Wicklungen 37 und 38.
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Der Eisenkern mit den Wicklungen ist in einem Transformatorgefäß 39
mit Deckel 40 untergebracht. Die Anschlußleiter 42 und 43 für die Niederspannungswicklung
37 und die Anschlußleiter 44 und 45 für die Hochspannungswicklung 38 sind an entsprechende
Durchführungen 46 und 47 beziehungsweise 48 und 49 im Deckel des Gefäßes angeschlossen.
Das Transformatorgefäß 39 ist mit einer Isolierflüssigkeit 41 gefüllt, die aus Transformatoröl
besteht.
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Figur 5 zeigt einen Schnitt durch eine Niederspannungswicklung oder
eine Hochspannungswicklung anderer Ausführung als die in Figur 4 gezeigte. Die Niederspannungswicklung
nach Figur 5 besteht aus zwei Bandspulen 50 und 51, die nach den Methoden und mit
den Materialien hergestellt wurden, die anhand von Figur 1 und 2 erläutert wurden.
Jede Bandspule enthält 25 Windungen eines Bandes, das aus einer 2000 /um dicken
und 1000 mm breiten Aluminiumfolie und einem oder zwei 25 /um dicken und 1030 mm
breiten Polyäthylenglykolterephtalatfilmen aufgebaut ist. Zwischen den Spulen ist
ein Kühlelement angeordnet. Dieses besteht aus einem äußeren und einem inneren steifen
Blechzylinder 52 bzw. 53 und einem zwischen diesen angeordneten gewellten,steifen
Blech 54, so daß durchgehende Kanäle 55 für das im Transformator verwendete flüssige
Isoliermittel 41 gebildet werden. Die Aluminiumfolie der inneren Bandspule 50 ist
an der Stelle 56 an den inneren Blechzylinder 53 angeschweißt, und die Aluminiumfolie
der äußeren Bandspule 51 ist an der Stelle 57 an den äußeren Blechzylinder 52 angeschweißt.
Die Blechzylinder und das gewellte Blech des Kühlelements haben einen axial verlaufenden
Spalt 58, in dem eine Rippe 59 aus Isoliermaterial angeordnet ist, damit das Kühlelement
keine Kurzschlußwindung um den Kernschenkel bildet. Die Zylinder 52 und 53 können
länger als die Bandspule ausgeführt sein, wenn sie als Stütze am unteren Joch anliegen
sollen. Falls die Zylinder aus Metall bestehen, so werden isolierende Distanzelemente
zwischen den Zylindern und dem unteren Joch eingelegt.