DE3435404C2 - Lagenwicklung für einen Transformator oder eine Drosselspule - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lagenwicklung für einen Transformator oder eine Drosselspule gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruches 1. Eine solche Lagenwicklung ist im we­ sentlichen bekannt durch die DE-AS 18 11 797.

Es gibt Lagenwicklungen für übliche Transformatoren mit einem Lei­ terdistanzierungsglied, welches mit einem Harz imprägnierbar ist und bis zu 155°C temperaturbeständig ist. Der Auf­ bau dieses Leiterdistanzierungsgliedes, das aus einem Glas­ faserprodukt mit gleichmäßig verteilten Glasfasern bestehen kann, ist jedoch so beschaffen, daß nur Harze ohne Füll­ stoffe verwendet werden können. Infolge guter Imprägnierbar­ keit entsteht aus dem Leiterdistanzierungsglied zusammen mit dem Gießharz eine elektrisch hoch beanspruchbare Isolation. Nachteilig ist jedoch, daß sich in der Isolation Räume oder Ansammlungen aus reinem Harz bilden können. Solche mit rei­ nem Harz gefüllten Räume können zur Bildung kleiner Hohl­ räume in der Isolation führen, weil Harz ohne Füllstoffe während des Gelier- und Härtungsvorganges schrumpft. Das Auftreten solcher Hohlräume hat zur Folge, daß in der Isola­ tion Glimmentladungen auftreten können.

Aus der DE-AS 18 11 797 ist eine gekapselte Spule für einen Transformator bekannt, bei dem zwischen den Leiterlagen als Lagenisolation eine Polyesterfasermatte eingelegt ist, die aus geschnittenen Polyesterfasern besteht, die mittels eines hitzebeständigen Harzes zu einer Isolierschicht verarbeitet sind. Nach dem Wickeln der Spule wird diese mit Isolierharz imprägniert, welches aufgrund der guten Kapillarwirkung der Polyesterfasermatte in die vorhandenen Hohlräume eindringt, wodurch die fertige Spule von solchen Hohlräumen frei ist.

Aus der DE-OS 23 28 652 ist eine Spule für einen Transforma­ tor bekannt, bei der die einzelnen Lagen zwischen einer un­ teren und einer oberen harzgetränkten Faden- oder Faser­ strangwickelschicht eingebettet wird, wobei sich die Fäden oder Faserstränge von Stirnseite zu Stirnseite der Wicklung unter einem Winkel von beispielsweise 10-60° zur Spulen­ längsachse spannen. Während des Wickelvorganges ist diese Faden- oder Faserstrangwickelschicht noch naß, und erst nach dem Wickeln findet die Aushärtung des Harzes statt. Durch dieses Verfahren soll einerseits die Entstehung von Hohlräu­ men in der Wicklungsisolation verhindert werden und anderer­ seits eine gegenüber den Kurzschlußkräften des Transforma­ tors stabile Wicklung geschaffen werden. Zwischen den ver­ schiedenen in Faden- oder Faserstrangwickelschichten einge­ betteten Leiterlagen sind in axialer Richtung verlaufende Formstücke vorhanden, die zwischen sich Kanäle für ein flüs­ siges oder gasförmiges Kühlmittel für die fertige Wicklung bilden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lagenwicklung der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei welcher das Auftreten von Räumen, die mit reinem Harz ohne Füllstoffe gefüllt sind, vermieden wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Lagenwicklung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welche erfin­ dungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ge­ nannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den wei­ teren Ansprüchen genannt.

Die Lagenwicklung gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß in der Isolation keine Hohlräume auftreten, so daß es auch nicht zu Glimmentladungen kommen kann. Die Isolation und damit die Wicklung ist daher für hohe elektrische Bean­ spruchungen geeignet.

Die Elemente, aus denen das Leiterdistanzierungsglied aufgebaut ist, können u. a. aus Strängen aus mehreren nebeneinander angeordneten losen Fasern aus Glas, Asbest oder einem Polymer, wie z. B. Polyäthylenglykolterephthalat oder Akrylat bestehen, vorzugsweise aus Fasern aus einem bis wenigstens 155°C temperaturbeständigen Material. Elemente in Form von Glasfaserrovings werden bevorzugt. Die zu einem Strang gehörenden Fasern können zu einer Schnur verbunden werden durch spiralförmig um den Strang verlaufende Fäden oder durch einen die Fasern umgebenden geflochtenen Strumpf, wobei die Fäden beziehungsweise der Strumpf vorzugsweise aus demselben Material wie die Fasern des Stranges bestehen. Die Stränge in dem Leiterdistan­ zierungsglied können zu einem gewebten Produkt miteinander verbunden sein, wobei die querverlaufenden Fäden erheblich dünner als die Stränge selbst sind, so daß zwischen den Strängen zusammenhängende Kanäle gebildet werden. Ein bevorzugtes derartiges Produkt ist ein orientiertes (unidirektionales), vorzugsweise aus Glasfasern bestehendes Gewebe, in dem die Schußfäden wesentlich stärker als die Kettfäden oder die Kettfäden wesentlich stärker als die Schußfäden sind. Die Elemente sind genügend druckfest, um die Leiter in den angrenzenden Lagen auf Abstand voneinander zu halten. Die genannten Elemente haben in der Wicklung zweckmäßigerweise eine Stärke, die in senkrechter und seitlicher Richtung in dem Bereich von 0,5 bis 5 mm und vor­ zugsweise in dem Bereich von 0,5 bis 2,5 mm liegt. Sie sind in einem die Breite der Kanäle bestimmenden Abstand vonein­ ander angeordnet, der zweckmäßigerweise 0,5 bis 20 mm und vorzugsweise 0,5 bis 10 mm beträgt. Bei der Ausführungsform, bei der die Elemente durch querlaufende Fäden zu einem zusammenhängenden gewebten Produkt miteinander verbunden sind, beträgt die Stärke der querverlaufenden Fäden höchstens die Hälfte, vorzugsweise höchstens ein Viertel, der Stärke der Elemente.

Das Leiterdistanzierungsglied gemäß der Erfindung wird vor­ zugsweise in Lagenwicklungen mit runden oder bandförmigen (mit rechteckigem Querschnitt) Leitern aus Kupfer oder Aluminium verwendet. Der Leiter ist dabei mit einem Lack isoliert, der mindestens bis 155°C temperaturbeständig ist, wie z. B. ein Lack aus Polyesterimid, Terephthalsäure­ alkyd oder Polyurethan.

Das Gießharz, das zusammen mit dem Leiterdistanzierungsglied verwendet werden soll, ist ein lösungsmittelfreies Harz, das einen Füllstoff enthält. Das lösungsmittelfreie Harz kann u. a. ein Epoxyharz, ein ungesättigtes Esterharz oder ein Polyurethanharz sein, insbesondere ein solches, das mindestens bis 155°C temperaturbeständig ist. Als Beispiel für geeignete Füllstoffe, die vorzugsweise aus anorganischem Material bestehen, können pulverförmige Füllstoffe, wie Quarz, Aluminiumoxyd, Glimmermehl, Kaolin, Kalk und Kreide sowie fibröse Füllstoffe, wie kurze Fasern (<5 mm) aus Glas oder Asbest genannt werden. Der Gehalt an Füllstoff beträgt zweckmäßigerweise 20 bis 50 Prozent und vorzugsweise 35 bis 45 Prozent des Volumens von Harz und Füllstoff zusammen. Der Gehalt an Füllstoff kann so bemessen werden, daß die Elemente in dem Leiterdistanzierungsglied mit reinem Harz imprägniert werden, während die Kanäle zwischen den Elementen mit füllstoffhaltigem Harz ausgefüllt werden.

Beim Gießen wird die Wicklung in einer Gießform plaziert, und das füllstoffhaltige Harz wird eingefüllt. Das Harz füllt dabei den Raum zwischen der Form und der Wicklung aus und dringt zwischen die Leiterlagen. Dort füllt es die Kanäle zwischen den langgestreckten Elementen der Leiterdistan­ zierungsglieder aus und dringt in das Leiterdistanzierungs­ glied selbst ein. Hierdurch wird erreicht, daß das Leiter­ distanzierungsglied kein Teil enthält, das sich hinsichtlich seiner Isoliereigenschaften von dem Gießharzkörper in seiner Gesamtheit wesentlich unterscheidet. Das Eindringen des Harzes in die Kanäle und die Leiterdistanzierungsglieder kann durch die Anwendung von Vakuum und Erwärmung des Harzes beim Gießen erleichtert werden. Das Eingießen von Schaltver­ bindungen zwischen Wicklungsteilen und Anschlußgewinde­ stücken bereitet keine Probleme.

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine schematisiert darge­ stellte Lagenwicklung,

Fig. 2 einen Teil eines Schnittes längs der Linie A-A in Fig. 1,

Fig. 3 schematisch in Seitenansicht eine Ausführungsform einer Lagenwicklung gemäß der Erfindung während der Herstellung,

Fig. 4 im Querschnitt den Bereich zwischen zwei Leiterlagen in einer Wicklung der in Fig. 3 gezeigten Art.

Bei der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Hochspannungslagen­ wicklung für einen Transformator ist der Abstand der Leiter benachbarter Lagen mit 1 bezeichnet und der Leiter mit 2. Die Leiter sind in Längsrichtung der Wicklung dicht neben­ einanderliegend in Lagen 3 gewickelt. Zwischen benachbarten Lagen ist ein Leiterdistanzierungsglied vorgesehen, welches die Leiterlagen in radialer Richtung in einem vorgegebenen Abstand voneinander hält. Aufgrund des Aufbaus des Leiter­ distanzierungsglieds aus langgestreckten, imprägnierbaren Elementen 4, die zwischeneinander Kanäle 5 bilden, werden alle Räume in der Wicklung mit Füllstoff enthaltendem Harz 6 gefüllt, wobei zugleich das Distanzierungsglied imprägniert wird.

In der in Fig. 3 schematisch gezeigten, im Herstellungs- Stadium befindlichen Wicklung ist für die Wicklung ein Rahmen 7 vorhanden, der mit radial vorstehenden Stiften 8 an den Enden versehen ist. Das Leiterdistanzierungsglied wird aus Glasfaserrovings 4 gebildet, die in im wesentlichen axialer Richtung der Wicklung in einer hin- und hergehenden Bewegung aufgebracht werden und an den Enden des Rahmens um die Stifte herumgeführt werden. Die Glasfaserrovings werden in einer weitmaschigen Struktur unter Bildung von Kanälen zwischeneinander angeordnet.

Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel verändert sich die Dicke des Glasfaserrovings 4 in Richtung von dem einen zum anderen axialen Ende der Wicklung. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Menge der im Glasfaser­ roving enthaltenen Glasfasern in Richtung von links nach rechts im Sinne der Figur größer wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß ein Draht unter sukzessiv festerem Anziehen in der genannten Richtung wendelförmig um den Glasfaserroving gewickelt wird, so daß die Glasfaser­ rovings beim Wickeln des Leiterdrahtes an dem rechten Ende weniger flachdrückbar sind als an dem linken Ende. Durch die Anwendung der beschriebenen Technik kann die Dicke der Isolation zwischen den Wicklungslagen der herrschenden elektrischen Beanspruchung angepaßt werden, also in axialer Richtung von dem einen zum anderen Ende der Wicklung sich verändern. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Leiter in der oberen Lage von rechts nach links und in der unteren Lage von links nach rechts gewickelt, so daß am linken Ende die geringste elektrische Beanspruchung zwischen den benachbarten Lagen auftritt.

Beispiel 1

Ein 3 mm starkes Rohr mit einem Innendurchmesser von 60 cm und einer Länge von 80 cm dient als Wicklungskörper (Wicklungsrahmen). Das Rohr besteht aus glasfaserarmiertem Epoxyharz. Auf das Rohr wird ein lackierter Kupferdraht (Leiter) mit einem Durchmesser von 4 mm gewickelt. Der Leiterdraht wird mit einer Vielzahl von Windungen pro Lage gewickelt. Danach wird ein weitmaschiges orientiertes Glasgewebe eingelegt, das alle um das Rohr gewickelten Leiterwindungen gut bedeckt. Das Glasgewebe besteht aus parallelen Rovingsträngen mit einer Stärke entsprechend 4800 g pro km, die in einem Abstand von 1,5 mm voneinander angeordnet sind, sowie aus senkrecht dazu weitmaschig angeordneten Glasfaserfäden mit einer Stärke entsprechend 320 g pro km. Die groben Rovingstränge liegen senkrecht zu dem Kupferdraht und ergeben einen Abstand von 1,0 mm zwischen den Leiterlagen. Danach wird eine weitere Lage mit einer Vielzahl von Windungen des lackierten Kupferdrahtes auf das Glasgewebe gewickelt. Dann wird ein weiteres in gleicher Weise wie zuvor aufgebautes Glasgewebe auf dieser Lage aufgebracht, wonach eine weitere Lage aus Kupferdraht gewickelt wird. Die fertig gewickelte Spule besteht aus 4 Lagen Kupferdraht mit einem weitmaschigem Glasgewebe zwischen den benachbarten Lagen. Die Spule wird dann in einer aus dünnem Eisenblech bestehenden Gießform plaziert. Das Ganze wird in einen Vakuumofen gebracht und 10 Stunden lang auf 90° C erhitzt. Danach wird der Ofen zwei Stunden lang vakuumgesaugt, wonach ein warmes, entgastes, quarzmehlgefülltes Epoxyharz in die Gießform gegossen wird. Das Epoxyharz besteht aus 100 Gewichtsteilen eines Bisphenol-Harzes, 100 Gewichtsteilen eines Anhydrid-Härters, 1 Gewichtsteil Aminakzelerator und 300 Gewichtsteilen (entspre­ chend 40 Volumenprozent) Quarzmehl. Wenn die Wicklung vollständig mit dem Harz bedeckt ist, wird Luft mit Atmoshärendruck eingelassen. Das quarzmehlgefüllte Harz dringt nun zwischen die groben Rovingstränge und füllt alle Hohlräume zwischen diesen aus, wobei das Harz zwischen die Glasfasern der Glasfaserrovings dringt und die Zwischenräume zwischen diesen Fasern vollständig ausfüllt, während das Quarz­ pulver abgesiebt (abgestreift) wird und auf der Außenseite des Rovings liegen bleibt. Danach wird die Temperatur im Ofen auf 120° C erhöht, wobei das Harz geliert und aushärtet. Die Struktur ist vollständig mit festem Material ausgefüllt und porenfrei. Das Harz ist überall mit Quarz­ pulver oder Glasfasern gefüllt, so daß keine ungefüllten Harzbereiche vorkommen, in denen Risse und Blasen auftreten können, in denen es bei der elektrischer Beanspruchung zu partiellen Entladungen kommen könnte. Die Wicklung wird als Hochspannungswicklung für einen lagengewickelten Transfor­ mator verwendet.

Beispiel 2

Eine Wicklung wird in gleicher Weise wie im Beispiel 1 hergestellt, doch statt des beschriebenen Glasgewebes wird eine Glasfaserschnur mit einer Stärke entsprechend 5000 g pro km verwendet, die zwischen den axialen Enden der Wicklung hin und her laufend praktisch senkrecht zum Leiterdraht angebracht wird, so wie es in Fig. 2 erkennbar ist. Die Glasfaserschnur besteht aus einem Roving mit einer Stärke entsprechend 4800 g pro km, um das ein Glasfaserfaden wendelförmig mit gleichmäßiger Steigung in Längsrichtung gewickelt ist.

Beispiel 3

Eine Wicklung wird in gleicher Weise wie im Beispiel 2 hergestellt, doch statt des wendelförmig angebrachten Glasfaserfadens mit gleichmäßiger Steigung wird ein Glasfaserfaden mit unterschiedlicher Steigung um den Glas­ faserroving gewickelt. Wenn auf diesen Roving durch die Leiterlage an allen Stellen derselbe Druck ausgeübt wird, dann nimmt der Glasfaserroving eine in Längsrichtung sich verändernde Dicke an, entsprechend der Dichte der Umwicklung durch den Glasfaserfaden. Auf diese Weise kann, wie in Fig. 4 dargestellt, die Dicke der Isolation zwischen den Leiter­ lagen der elektrischen Beanspruchung angepaßt werden.

Durch die Erfindung ist es möglich, bei in Harz eingegos­ senen Wicklungen die Vorteile der Verwendung einer Glas­ faserverstärkung und die Vorteile der Verwendung füll­ stoffhaltiger Harze zu kombinieren und so Wicklungen erheblich besserer Qualität herzustellen, als dies bisher möglich war. Zugleich wird das Herstellungsverfahren verein­ facht.

Claims (3)

1. Lagenwicklung für einen Transformator oder eine Drossel­ spule, welche mit einem füllstoffhaltigen Harz vergossen ist und Leiterdistanzierungsglieder enthält, die aus einem mit Harz imprägnierbaren Fasermaterial in langgestreckter Form bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterdistanzierungsglieder aus strangförmigen Elementen (4) aus dem imprägnierbaren Material aufgebaut sind, die im wesentlichen in axialer Richtung der Wicklung verlaufen, und daß die Elemente (4) unter Bildung von Kanälen zwischenein­ ander auf Abstand voneinander derart angeordnet sind, daß die Kanäle sich zumindest bis zu einer der Stirnseiten der Lagenwicklung erstrecken, damit das Eindringen des füll­ stoffhaltigen Harzes in die Wicklung ermöglicht ist.

2. Lagenwicklung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die strangförmigen Elemente (4) aus Glasfaserrovings bestehen.

3. Lagenwicklung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Glasfaserrovings mittels querverlaufender Fäden zu einem zusammenhängenden gewebten Produkt (Matte) verbunden sind, wobei die querverlaufenden Fäden erheblich dünner als die Glasfaserrovings sind.