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Leistungstransformator oder Drosselspule mit
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Hochspannungswicklungen Die Erfindung betrifft einen Leistungstransformator
oder Drosselspule mit Hochtpannungswicklungen.
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Transformatorenwicklungen stellen ein sehr komplexes Gebilde von Kapazitäten,
Selbstinduktivitäten und Gegeninduktivitäten dar. Durch impulsförmige Spannungsbeanspruchungen,
beispielsweise durch eine Blitzstoßspannung oder durch Spannungsschwingungen , wie
sie bei Schalthandlungen oder bei Netzfehlern auftreten können, wird dieses Gebilde
zu elektrischen Schwingungen angeregt. Da die Güte dieser aus Induktivität und Kapazität
gebildeten Reihenschwingkreise sehr hoch ist, können im Innern des Transformators
Spannungen von einer Amplitude auftreten, die ein Mehrfaches derjenigen am Eingang
ist.
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Fig. 1 zeigt schematisch einen Transformator mit einer Hochspannungswicklung
1 und einer Unterspannungswicklung 2, die in einen Eisenkern 3 eingebaut sind. Das
Ende der Hochspannungswicklung sei geerdet. Legt man nun an den Anfang der llochspannungswicklung
eine schwingende Spannung mit
einer Frequenz, die der Grundeigenfrequenz
der Wicklung entspricht, so schwingt die Wicklung, zeitlich gesehen, mit dieser
Frequenz. Die maximale Amplitude an den verschiedenen Stellen der Wicklung ist unterschiedlich.
Wie man in Fig. 1 sieht, hat diese Beanspruchung gegenüber Erde, über die Höhe der
Wicklung gesehen, annähernd einen sinushalbwelligen Verlauf, während der in der
Wicklung fließende Strom i einen Kosinushalbwellenverlauf hat.
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Dieser Strom i verursacht einen magnetischen Fluß, dessen Feldlinien
4 die Wicklung 1 im wesentlichen in radialer Richtung durchsetzen und sich über
den Luftraum und den Eisenkern 3 schließen. Man kann leicht sehen, daß auch das
Kurzschließen der Unterspannungswicklung 2, wie es bei der Prüfung mit Blitzstoßspannungen
üblich ist, nicht verhindern kann, daß der Fluß sich über den Kern 3 schließt.
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Um die Betriebssicherheit von Transformatoren groß genug gegenüber
diesen Beanspruchungen zu machen, stehen dem Fachmann zwei Wege offen: Die Verstärkung
der Isolation oder die Verminderung der Beanspruchungen. Der erste Weg erfordert
ein höheres Bauvolumen und hohe Kosten. Ziel der Erfindung ist daher, auf dem zweiten
Weg zu einer brauchbaren Lösung zu gelangen.
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Für die Verminderung der durch Blitzstoßspannunqen hervorgerufenen
Schwingungsamplituden werden in der Literatur für Hochspannungstransformatoren mit
Scheibenspulenwicklungen eine Reihe von Maßnahmen vorgeschlagen, deren am weitesten
verbreitete die Verschachtelung der Windungen der einzelnen Spulen ist. Damit wird
bewirkt, daß die Schwingungsamplituden dadurch kleiner werden, daß die Differenz
zwischen der Anfangs- und Endverteilung klein ist. Dies hilft jedoch nicht für eine
Beanspruchung mit einer schwingenden Spannung.
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Andere bekannte Mittel sind die Zuschaltung von Kondensatoren, gegebenenfalls
in Reihenschaltung mit Widerständen, oder spannungsabhängige Widerstände. Diese
Mittel haben nun den Nachteil, daß an ihnen ebenfalls hohe Spannungen auftreten,
weil sie unmittelbar an die zu dämpfende Wicklung geschaltet sind. Das erfordert
einen hohen Isolationsaufwand.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, durch eine möglichst
einfache Maßnahme die Schwingungsbeanspruchung von Hochspannungswicklungen von Transformatoren
und Drosset spulen wirksam zu bekämpfen, um die Gefahr von Überschlägen zu bannen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe werden erfindungsgemäß die im Anspruch 1
angegebenen Maßnahmen, alternativ die des Anspruchs 2 vorgeschlagen.
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Die erste Maßnahme der Erfindung ist eine Dämpferwicklung, deren Windungszahl
klein ist im Verhältnis zu der der zu bedämpfenden Hochspannungswicklung. Dadurch
wird der von der Hochspannungswicklung auf diese Wicklung induktiv übertragene Spannungsanteil
klein. Um die Schwingungen wirkungsvoll zu bedämpfen, sind jedoch eine Reihe weiterer
Maßnahmen erforderlich.
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So erstreckt sich erfindungsgemäß die Dämpferwicklung 5 nahezu über
die gleiche Höhe wie die zu bedämpfende Wicklung (Fig. 2). Sie ist axial in zwei
Teilen 5a, 5b gleicher Windungszahl ausgebildet, wovon der eine Teil 5a rechts und
der andere Teil 5b links gewickelt ist. Die beiden Teile sind in der Mitte über
die Leitung 6 verbunden. Weiter sind das obere Ende des oberen Teils 5a mit dem
unteren Ende des unteren Teils 5b der Dämpferwicklung 5 über die Leitung 7 verbunden.
Durch den oben geschilderten Fluß im Kern 3
wird in der Dämpferwicklung
5 eine Spannung induziert, die in ihr einen Strom fließen läßt, der so gerichtet
ist, daß eine Durchflutung erzeugt wird, die derjenigen der zu bedämpfenden Hochspannungswicklung
1 entgegengesetzt gerichtet ist. Der Streufeldlinienverlauf wird daher so verändert,
daß sich eine kleinere Induktivität ergibt. Damit wird aber die Güte geringer, und
der Zweck der Dämpferwicklung 1 ist erreicht.
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Für die Ausführung der Dämpferwicklung gibt es auch eine Alternative,
die darin besteht, daß beide Teile den gleichen Wickelsinn aufweisen, dann aber
das obere Ende des oberen Teils mit dem in der Mitte liegenden oberen Ende des unteren
Teils und das untere Ende des oberen Teils mit dem unteren Ende des unteren Teils
der Hochspannungswicklung verbunden ist. Diese Alternative hat die gleichen Wirkungen,
ist aber isolationsmäßig etwas aufwendiger.
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Die Dämpferwicklung kann ein- oder mehrlagig ausgeführt sein.
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Die Dämpferwicklung 5 kann, wie Fig. 2 zeigt, radial außerhalb der
Hochspannungswicklung 1 liegen, sie kann auch zwischen Hochspannungswicklung 1 und
Unterspannungswicklung 2 angeordnet werden. Bei Mehrwicklungstransformatoren oder
solchen mit eigenen Anzapfwicklungen sind weitere Anordnungsmöglichkeiten gegeben.
Es können auch mehrere Dämpferwicklungen 5 vorgesehen werden. Dadurch wird der Streufluß
verringert. Ebenso ist es möglich, Teile von Wicklungen des Transformators als Dämpferwicklung
5 auszulegen.
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Eine bevorzugte Anordnung der Dämpferwicklung ist die zwischen Kern
3 und innerster Wicklung 2, da in dieser
Lage die Dämpferwicklung
5 das Eindringen des Flusses in den Kern 3 sehr stark vermindert. Bei Mehrphasentransformatoren
wird dadurch die Rückwirkung auf die Wicklungen der anderen Phasen vermindert.
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Die Dämpferwicklung 5 kann auch mit einem zwischen Kern 3 und innerer
Wicklung 2 angeordneten Schirmzylinder kombiniert werden.
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Die Verteilung der Windungen innerhalb der -Dämpferwicklung braucht
nicht gleichmäßig zu sein. Sie könnte beispielsweise so gewählt werden, daß die
Durchflutung der Hochspannungswicklung angenähert nachgebildet wird. Auf diese Weise
kann die magnetische Kopplung vergrößert und die Induktivität weiter verkleinert
werden.
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Die beschriebene zweiteilige Dämpferwicklung ist in der Lage, die
räumliche Grundschwingung (erste Eigenform) wirksam zu bedämpfen, im geringeren
Maße auch die ungeradzahligen räumlichen Oberschwingungen (z.B. die dritte und fünfte
Eigenform). Die neben der räumlichen Grundschwingung mit hoher Amplitude auftretende
Schwingung ist aber die erste geradzahlige Oberschwingung, deren Spannung näherungsweise
eine volle Sinusform längs der Höhe der Wicklung ausbildet. Um auch diese Schwingungsform
bedämpfen zu können, ist eine Verdopplung der oben beschriebenen Dämpferwicklung
erforderlich. Sie besteht dann, wie Fig. 3 zeigt, aus axial vier Teilen, wobei die
Teile 5a und 5c den entgegengesetzten Wickel sinn wie die Teile 5b und 5d haben.
Die Teile 5a bis 5d sind über die Leitungen 6 miteinander durchgehend elektrisch
verbunden. Außerdem sind durch Verbindungsleitung 7 verbunden das obere Ende des
ersten Teils 5a mit der Verbindung 6 zwischen dem
zweiten 5b und
dritten Teil 5c (über Leitung 11) sowie mit dem Ende des vierten Teils 5d, sowie
die Verbindung 6 des ersten Teils 5a mit dem zweiten Teil 5b mit der Verbindung
6 des dritten Teils 5c mit dem vierten Teil 5d über die Leitung 10.
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Um eine Dämpferwicklung auch für Schwingungen höherer Ordnung auszulegen
muß man soviel Elemente, bestehend aus je einem rechts und links gewickelten Teil,
axial übereinander anordnen, wie die Ordnungszahl der räumlichen Schwingungen beträgt,
die noch abgedämpft werden soll. Dadurch daß die Dämpferwicklung aus je einem rechts
und links gewickelten Teil besteht, ist die Leerlauf spannung, über die Summe der
beiden Teile gerechnet, bei Leerlauferregung des Transformators mit technischen
Frequenzen, z.B. 50 oder 60 Hz, Null. Um gezielt Schwingungen bestimmter Ordnungszahlen
abdämpfen zu können, sind mindestens einige Enden, die bei Leerlauferregung mit
technischen Frequenzen das gleiche Potential haben, miteinander zu verbinden.
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Um der Dämpferwicklung ein definiertes elektrisches Potential gegenüber
Erde zu geben, sollte die Dämpferwicklung an einem Punkt geerdet werden oder aber
an einem geeigneten Punkt einer der Wicklungen angeschlossen werden.
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Bei Belastung des Transformators können im Streufeld durch das Herausschalten
von Wicklungsteilen zur Einstellung der Spannungen oder durch unvermeidliche Toleranzen
im Wicklungsaufbau bei der Fertigung Unsymmetrien auftreten, die zu Ausgleichsströmen
in der Dämpferwicklung führen können.
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Dies führt zu unerwünschten Verlusten - sie sind den sogenannten Zusatzverlusten
zuzurechnen - und können die Dämpferwicklung thermisch gefährden. Um dies zu vermeiden,
ist
erfindungsgemäß vorgesehen, in die Verbindungsleitungen der Dämpferwicklung einen
oder mehrere induktivitätsarme Kondensatoren einzubringen. Diese sind so zu dimensionieren,
daß sie bei den technischen Frequenzen einen hohen Widerstand ergeben. Bei den Eigenfrequenzen
von einigen kHz ist ihr Widerstand zu vernachlässigen. Sie mindern daher die Wirkung
der Dämpterwicklung bei den hohen Frequenzen nicht.
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Für eine gute Dämpfung ist der ohmsche Widerstand der Dämpferwicklung
von Bedeutung. Er sollte daher vom Betrag her in der Nähe der Reaktanz der Gegeninduktivität
zwischen Dämpferwicklung und der zu dämpfenden Wicklung bei Resonanzfrequenz liegen.
Der ohmsche Widerstand kann durch eine entsprechende Dimensionierung der Leiter
der Dämpferwicklung erreicht werden. Hierzu kann als Leiter ein schmales dünnes
Band gewählt werden. Auch die Verwendung von Widerstandsmaterial ist möglich.
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Eine besonders vorteilhafte Lösung besteht darin, in die Verbindungsleitung
einen konzentrierten ohmschen Widerstand einzubauen. Vorteilhaft ist diese Lösung,
weil nach Zusammenbau des Aktivteils, bevor dieser in den Behälter des Transformators
eingebaut wird, die Beanspruchungen ausgemessen und durch Verändern des Widerstandswertes
ein Optimum eingestellt werden kann. Die Veränderung des Schwingungsverhaltens durch
die befüllung (Vergrößerung der Kapazität durch das höhere £ des öls) müssen dabei
natürlich berücksichtigt werden.
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An die Stelle des ohmschen Widerstandes kann alternativ ein spannungsabhängiger
Widerstand, gegebenenfalls in Reihe mit einem ohmschen Widerstand, eingeschaltet
werden. Die letztere Anordnung hat den Vorteil, daß bei niedrigen Spannungen, wie
sie bei Betrieb mit Netzfrequenz (z.B. 50 oder 60 Hz) in der Dämpferwicklung auftreten,
diese hochohmig ist und damit kein gefährlicher Strom in der Dämpferwick-
lung
auftreten kanne Bei hochfrequenten Beanspruchungen dagegen, die in ihrer Amplitude
wesentlich höher sind, wird der spannungsabhängige Widerstand leitend und die Dämpferwicklung
voll wirksam.
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