DE3803846A1 - Hochspannungs-prueftransformator mit isolierten kernsegmenten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Prüftransformator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Erzeugung hoher netzfrequenter Prüf-Wechselspannungen ist es üblich, die Hochspannungswicklungen mehrerer Transformatoren in Reihe zu schalten und die Transformatoren übereinander oder treppenförmig gestaffelt anzuordnen (siehe z. B. Kind, D.: "Einführung in die Hochspannungs- Versuchstechnik", Vieweg Verlag, Braunschweig 1982, Seite 2). Diese unter dem Begriff Prüfkaskade bekannte Transformator- Anordnung hat den Nachteil, daß die nutzbare Gesamtleistung P _T der Kaskade kleiner ist als die Summe P _B der Bauleistungen aller Transformatoren. Das liegt daran, daß jeder Transformator zusätzlich zu der an die Hochspannungswicklung abgegebenen Leistung noch für die Summe der Leistungen aller darüberstehenden Transformatoren auszulegen ist. Man verwendet üblicherweise Transformatoren gleicher Sekundärspannung, d. h. jeder Transformator der Kaskade erzeugt die gleiche Potentialdifferenz als Anteil an der Gesamtspannung der Kaskade. Die Leistung der Hochspannungswicklung eines Transformators sei P, die Anzahl der Transformatoren n, die nutzbare Gesamtleistung der Kaskade ist also P _T =n · P.

Die Summe P _B der Bauleistungen aller Transformatoren der Kaskade ist dagegen:

• a) bei n gleichen Transformatoren (gleiche Sekundärspannungen, gleiche Leistungen): P _Ba = n² · P = n · P _T und
• b) bei n verschiedenen, für Kaskadenbetrieb optimal dimensionierten Transformatoren (gleiche Sekundärspannungen, Leistungen abgestuft als n-fache Leistung der Kopfstufe):

Rechenbeispiel zur Nutzungseffizienz der Transformatoren in Kaskadenschaltung: Verhältnis von Nutzleistung P _T zu Bauleistung P _B der Kaskade in Abhängigkeit von Stufenzahl n und Ausführung gemäß a) oder b):

Die bekannte Tatsache, daß die Bauleistung der Einzeltransformatoren in dreistufiger Kaskade nur zur Hälfte (b) oder einem Drittel (a) nutzbar ist und daß sich die Nutzungseffizienz der Bauleistung mit wachsender Stufenanzahl drastisch verringert, hat die seit ca. 70 Jahren bewährte Prüfkaskade nicht in Mißkredit gebracht, weil sie den Erfordernissen des Prüfbetriebes in Versuchsfeldern entspricht, im einzelnen:

Ölisolierte Prüftransformatoren werden zur Zeit aus wirtschaftlichen und technologischen Gründen vorzugsweise bis 400 kV gebaut und entsprechend den zur Zeit verlangten Prüfspannungen bis etwa 1200 kV (max. 1600 kV) verwendet, d. h. üblich sind zwei-, drei- (und maximal vier-)stufige Prüfkaskaden. (SF6-isolierte Prüftransformatoren, die bis 1000 kV gebaut werden, sollen bei der folgenden Überlegung außer Betracht bleiben, da diese Transformatoren nicht in Kaskadenschaltung verwendet werden).

Man bevorzugt Kaskaden aus gleichen Transformatoren (Ausführung a), die bei geeigneter Aufstellung auch in anderen Konfigurationen verwendbar sind (z. B. drei gleiche Transformatoren in Sternschaltung für Drehstrom, zwei gleiche Transformatoren in Parallelschaltung oder in Phasenopposition symmetrisch gegen Erde).

Die Anwendungsmöglichkeiten in anderen Konfigurationen, die geringe Stufenanzahl realer Kaskaden und die Besonderheit, daß Wirkungsgrade bei Prüftransformatoren geringere Bedeutung haben als z. B. bei Netztransformatoren führen dazu, daß der Nachteil uneffektiver Nutzung der Bauleistungen der in der Prüfkaskade installierten Transformatoren kaum bewußt wird.

Dieser Nachteil der Kaskade aus kompletten Transformatoren ist jedoch die Ursache dafür, daß die Unterteilung in einzelne Stufen mit den Vorteilen

• - linearer Aufbau der Spannung von Basis zu Kopf des Transformators innen und außen
• - Serienfertigung gleicher, kleiner und einfacher Baueinheiten

nicht besser genutzt werden kann.

Der Transformator nach Anspruch 1 nutzt den technischen und technologischen Vorteil der Kaskadenschaltung besser als die Prüfkaskade um den Preis, daß es keine einzeln funktionsfähigen Bauelemente gibt, die in anderen Konfigurationen benutzt werden könnten. Das kann im Forschungsbetrieb von Nachteil sein. In der Praxis von Industrieprüffeldern ist der umständliche Umbau einer Prüfkaskade jedoch ohnehin nicht akzeptabel.

Statt die geschlossenen Kerne einzelner in Kaskade geschalteter Transformatoren an Zwischenpotential zu legen, wird der Prüftransformator mit einem hinsichtlich Funktion einzigen, in isolierte Segmente unterteilten Kern ausgeführt.

Fig. 1 zeigt schematisch die Anordnung der Hauptbestandteile des Prüftransformators. Zwei parallele Säulen, die aus einzelnen isolierten, bewickelten Kernsegmenten (1) bestehen, bilden mit Basis- (3) und Kopfjoch (2) den langgestreckten Magnetkern. Das Basisjoch trägt die Primärwicklung(en) (4). Die Sekundär- und Kopplungswicklungen (5) sind auf die beiden Säulen verteilt.

Die Isolierung der Kernsegmente soll natürlich den magnetischen Gesamtwiderstand des Kerns möglichst wenig ver­ größern.

Das wird mit Polschuhen oder durch generelle Querschnittsvergrößerung im Vergleich zum üblichen Trafokern erreicht, um bei zwangsläufig verringerter Flußdichte den Magnetfluß und damit die Windungsspannung auf die erforderlichen, in der Größenordnung vergleichbarer Prüftransformatoren liegenden Werte (ca. 15 V/Windung) zu bringen. Da mit zunehmendem Durchmesser der Querschnitt quadratisch, der Umfang und damit der Wicklungsaufwand jedoch nur linear zunimmt, kann geringe Flußdichte vorteilhaft durch Querschnittsvergrößerung wettgemacht werden. Hinsichtlich der für Prüftransformatoren wichtigen Oberwellenfreiheit ist geringe Flußdichte vorteilhaft.

Entsprechend dem magnetischen Gesamtwiderstand des Kernes ist der Magnetisierungsstrom wesentlich größer als bei üblichen Prüftransformatoren. Das ist jedoch kein Nachteil, weil Hochspannungs-Prüftransformatoren fast ausschließlich kapazitiv belastet sind, d. h. der Magnetisierungsstrom entlastet die Einspeisung (z. B. Kabel, Stelltransformatoren, Schaltgeräte, Netz).

Die Vorteile der Kompensation sind für den Prüftransformator nach Fig. 1 besser nutzbar als für die Prüfkaskade. Während die unterschiedlich belasteten Transformatoren letzterer mit Rücksicht auf die Spannungsverteilung üblicherweise nur mit Kompensationsdrosseln beschaltet sind, deren Leistung maximal halb so groß ist wie die Nennleistung der Kopfstufe, kann ersterer gemäß Anspruch 10 vorteilhaft durch Anordnung mehrerer auf den Magnetkreis verteilter, an separate Wicklungen angeschlossener Drosseln so beschaltet werden, daß gemäß Anspruch 11 die induktive Vorbelastung bei Nennspannung etwa gleich der Anschlußleistung des Prüftransformators ist. Setzt man voraus, daß der Prüftransformator durch den Prüfling rein kapazitiv belastet wird, so ergibt die Auslegung der Kompensationsdrosseln nach Anspruch 11 folgendes Verfahren zur Durchführung von Prüfungen mit Prüflingen verschiedener Kapazitäten, die im folgenden einfach einschließlich der Eigenkapazität der Hochspannungswicklungen des Prüftransformators als Lastkapazität bezeichnet werden: Bei minimaler Lastkapazität (Prüfling nicht angeschlossen) ist die Primärwicklung des Prüftransformators (sowie alle vorgeschalteten Geräte zur Einspeisung: Netz, Stelltransformator oder Generator, Kabel, Schaltgeräte) bei Nennspannung mit Nennleistung induktiv belastet. Schließt man nun verschiedene Prüflinge zunehmender Lastkapazität an, so wird die Primärwicklung des Prüftransformators (und die Geräte der Einspeisung des Prüftransformators) zunächst bis zur Resonanz entlastet und schließlich bis zur Nennleistung kapazitiv belastet. Auslegung der Kompensationsdrosselspulen nach Anspruch 11 hat also den Vorteil, daß bei Nennspannung die halbe Nennleistung des Prüftransformators kompensiert ist. Durch Anordnung von Wicklungen zur Speisung von Kompensationsdrosselspulen gemäß Anspruch 10 können Teile des Prüftransformators wirksamer entlastet werden, als das bei Prüfkaskaden mit Kompensationsdrosseln in den einzelnen Stufen möglich ist.

Die Wicklungen zur Speisung der Kompensationsdrosseln und die Drosseln selbst sind in Fig. 1 nicht dargestellt. Zweckmäßig werden dazu die beiden Joche (2) und (3) sowie Abschnitte in den Säulen benutzt, die nicht mit Hochspannungswicklungen versehen sind (z. B. Kernzapfen zwischen einzelnen Bausteinen, aus denen die Säulen gestapelt sind).

Bei Hochspannungs-Prüftransformatoren sind meist wesentlich größere Kurzschlußspannungen üblich, zulässig oder sogar notwendig als bei Transformatoren im Netzbetrieb, trotzdem besteht das Problem ausreichender Kopplung zwischen der auf die gesamte Bauhöhe verteilten Sekundärwicklung und der in der Basis konzentrierten Primärwick­ lung.

Das Kopplungsproblem wird gelöst mittels Spar-Schubwicklung (für Stelltransformatoren verwendet von Fa. Ruhstrat Pat.-Nr. 12 81 544) mit den Vorteilen: Einsparung einer Kopplungswicklungshälfte mit ihrem Bauaufwand, ihren Wicklungsverlusten und ihrem Streufeld, d. h. bessere Kopplung, außerdem Stromentlastung in dem Teil der Sekundärwicklung, der die Kopplungswicklung speist, verwendet in Kaskadenschaltung.

Fig. 2 zeigt die Kaskadenschaltung der Wicklungen einer Säule: Baugleiche Hochspannungs- (5.1) und Kopplungswicklungsteile (5.2) sind parallel geschaltet und bilden einen Kopplungsabschnitt. Mehrere Kopplungsabschnitte sind kaskadenförmig angeordnet und in Reihe geschaltet. Die Kopplung ist um so besser (d. h. das Streufeld und damit die Kurzschlußspannung um so kleiner:

• a) je größer die Kopplungsabschnitte (Windungszahl zwischen 2 Anzapfungen). Damit wächst der Isolationsaufwand zwischen den Kopplungsabschnitten.
• b) je enger die Kopplung, d. h. je mehr Einzelspulen innerhalb eines Kopplungsabschnittes verschachtelt sind. Damit wächst der Verdrahtungs- und Isolations­ aufwand.

Die Wicklung der zweiten, bis auf den Wickelsinn mit der ersten identischen Säule ist in Fig. 2 nicht dargestellt. Insgesamt besteht die Hochspannungswicklung aus vier parallelen Strängen. In diesen vier Wicklungssträngen wird die Spannung von Basis zu Kopf des Transformators im Mittel linear aufgebaut und für die Isolation steht nahezu die Bauhöhe der Säulen zur Verfügung. Damit besteht die Möglichkeit zur Ausführung als Trocken­ transformator.

Fig. 3 zeigt schematisch die Anordnung der Bauelemente in einer Säule des Transformators nach Anspruch 2, der z. B. in Trockenbauweise ohne Isoliermantel als Baukasten ausgeführt sein kann: Die Stabkerne (1) tragen Hochspannungs- (5.1) und Kopplungswicklung (5.2), die als Lagenwicklungen über die Kernlänge verteilt oder als Scheibenwicklungen verschachtelt um den Kern gestapelt sind. Stabkerne und Polschuhpaare (6) sind abwechselnd gestapelt, wobei mindestens ein Ende des Stabkernes gemäß Anspruch 3 durch steckbaren Kernzapfen (angedeutet durch -.-. Linie 7) mit dem Polschuhpaar verbunden ist und die Wicklungen der stapelbaren Bauelemente über Steckverbindungen (8) angeschlossen sind.

Fig. 5, 6 und 7 zeigen Details verschiedener Kernvarianten. Der Magnetfluß ( Φ ) verläuft in Pfeilrichtung parallel zu den Achsen der Säulen in Fig. 1, 2, 3 und 4.

In Fig. 5 ist ein Polschuhpaar (6 in Fig. 3) als Einzelheit dargestellt. Die beiden großflächigen, als Rogowskielektroden (9) ausgeführten und mit möglichst geringem Abstand in Isolierstoff hoher Durchschlagfestigkeit (10.1) und ausreichender Kriechstromfestigkeit (10.2) eingebetteten Polschuhe sind steckbar (7) oder fest mit den Stabkernen (1) verbunden, die die Wicklungen (5) tragen. Steckbare Kernzapfen sind z. B. mit kegelförmigem Sitz aus geklebten Blechen hergestellt, wobei der Kegelmantel zweckmäßig mit einer Längsnut versehen ist, um Kurzschlußwindungen zu vermeiden.

Bei der Ausführung des Prüftransformators als Baukasten nach dem Schaltschema Fig. 3 bilden die baugleichen Elemente, aus denen die beiden Säulen gestapelt sind, jeweils einen Kopplungsabschnitt, d. h. die Kopplungswicklung eines Bausteines ist parallel zur Hochspannungswicklung des benachbarten Bausteines geschaltet. Dieser Sonderfall ist hier nur verwendet, um die Schaltung zu vereinfachen und den Kernabschnitt als elektrische Schaltverbindung verwenden zu können. Im allgemeinen und bei den im folgenden betrachteten Ausführungsvarianten haben die Kopplungsabschnitte nichts mit den Bauabschnitten der Säulen zu tun.

Fig. 4 zeigt zwei benachbarte gleiche Bauelemente in einer der beiden Säulen des Transformators nach einer Ausführungsvariante gemäß Ansprüchen 4 und 9. Der Isolierzylinder (11) eines Bauelementes ist mit Isolierstoffflanschen (12) abgeschlossen, die im Zentrum Kernzapfen (13) tragen. Die Kernzapfen sind an Zwischenpotential angeschlossen und aus üblichen Transformatorblechen hergestellt. Sie verbinden benachbarte Kerne (14), die aus isolierten Segmenten bestehen und von Hochspannungs- (5.1) und Kopplungswicklungen (5.2) konzentrisch umgeben sind.

In Fig. 6 ist (z. B. als Einzelheit zu Pos. 14 in Fig. 4) ein Kern nach Anspruch 4 im Schnitt dargestellt. Die z. B. aus spiralig gewickeltem und verklebtem Eisenblechband hergestellten Kernsegmente (15) sind an den Stirnflächen plan geschliffen und mit konzentrisch angeordneten Steuerelektroden (16) verbunden, so daß sie als Plattenelektroden dienen. Die z. B. aus dünnem Aluminiumblech hergestellten Steuerelektroden umfassen den Magnetfluß und sind daher geteilt ausgeführt. Die Kernsegmente sind mit möglichst geringem Abstand in Isolierstoff hoher Durchschlagfestigkeit (10.1, z. B. Kabelpapier-Öl- Isolierung) und ausreichender Kriechstromfestigkeit (10.2, z. B. Trafoöl) gestapelt. Sie nehmen durch kapazitive Kopplung das Potential der konzentrisch angeordneten Hochspannungswicklungen (nicht dargestellt) an.

Bei der Suche nach einem elektrisch nichtleitenden Magnetkern scheiden die zur Zeit verfügbaren Ferritwerkstoffe (z. B. µr=2000, Sättigungsflußdichte 0,4 T) aus, weil der spezifische Widerstand nur ca. 10⁴ Ω · m beträgt, notwendig wären mindestens 10⁶ Ω · m.

Es liegt nahe, in der Reihenschaltung Magnetwerkstoff- Isolierstoff die geringe magnetische Leitfähigkeit des Isolierstoffs durch großen Kernquerschnitt wettzumachen.

Fig. 7 zeigt diesen Kern (z. B. als Einzelheit von Pos. 14 in Fig. 4). Die Schnittebene der Zeichnung führt durch die Schmalseiten der hochkant überlappend angeordneten rechteckigen Bleche (17) der Dicke (s), die gegeneinander elektrisch isoliert sind und durch kapazitive Kopplung das Potential der benachbarten Hochspannungswicklungen (nicht dargestellt) annehmen.

Die stufenförmige Zunahme des Potentials im Kern wird durch Maß a (Länge eines Blechs) und Maß b (Fuge für Isolierstoff) bestimmt. Die Isolation (10.1) in der Fuge (b) muß der Stufenspannung standhalten.

Zur Minimierung des magnetischen Gesamtwiderstandes in Pfeilrichtung des Magnetflusses ( Φ ) wird a=µFe/µi · s gewählt und wegen der Abdrängung des Magnetfeldes an den Stoßfugen und entsprechender Vergrößerung der Flußdichte an den Überlappungsstellen für das durchschnittliche Permeabilitätsverhältnis Eisen/Isolierstoff µFE/µi=1000 angenommen. Mit s=0,05 mm (handelsübliche, jedoch extrem dünne Bleche) wird a=50 mm. Bei der spezifischen Bauhöhe des Transformators 100 kV/m ist jedes einzelne Blech gegen das benachbarte für ca. 5 kV zu isolieren, wofür z. B. bei Kabelpapier-Öl-Isolation (10.1) das Maß b=1 mm ausreicht.

Der Füllfaktor dieses Kernes beträgt unter Berücksichtigung des Verlustes an wirksamem Kernquerschnitt durch Konstruktionsteile zum Zusammenpressen der Kernelemente etwa 1/25 des magnetisch äquivalenten Kernes, d. h. Kerndurchmesser und Wicklungsaufwand wird etwa verfünffacht. Trotzdem ist angesichts der geringen Leistungsdichte von Prüfkaskaden aus dieser groben Abschätzung ersichtlich, daß der Prüftransformator nach Anspruch 1 mit dem aufwendigen Kern nach Fig. 7 mit derzeitigen technischen und technologischen Mitteln vorteilhaft realisiert werden kann.

Claims (11)

1. Einphasen-Hochspannungs-Prüftransformator für Netzfrequenz, säulenförmig aufgebaut aus vorzugsweise vertikal gestapelten Bauelementen mit Primärwicklungen in der Basis und Sekundär- sowie Kopplungswicklungen zwischen Basis und Kopfelektrode zum möglichst linearen Aufbau der Hochspannung, gekennzeichnet durch einen langgestreckten, vorzugsweise hochkant stehenden Magnetkern, bestehend aus zwei an Basis und Kopf durch Joche verbundenen parallelen Säulen, die aus einzelnen gegeneinander elektrisch isolierten und mit Wicklungen versehenen Kernsegmenten gestapelt sind, wobei die Wicklungen aus einander gleichenden Schub- und Hochspannungswicklungen bestehen, die in Sparschaltung kaskadenförmig miteinander verbunden sind und gleichen Magnetfluß in jedem Kernsegment erzwingen.

2. Prüftransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernsegmente der beiden Säulen aus Stabkernen bestehen, die an Zwischenpotentiale der Hochspannungswicklungen angeschlossen und gegeneinander isoliert, jedoch magnetisch leitend zwischen isolierstoffgekapselten Polschuhpaaren angeordnet sind.

3. Prüftransformator nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Steckkontakte zur Verbindung der Wicklungen benachbarter Stabkerne und steckbare Verbindung der Stabkerne mit den Polschuh-Paaren.

4. Prüftransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Säulen aus einzelnen gegeneinander elektrisch isolierten Kernelementen gestapelt sind, die durch kapazitive Kopplung das Potential der benachbarten, vorzugsweise als Scheibenwicklungen ausgeführten Hochspannungswicklungen annehmen, wobei die Kernelemente entweder stumpf z. B. als Bandkernscheiben übereinander gestapelt oder überlappend z. B. als hochkant mauerförmig geschichtete Bleche angeordnet sind.

5. Prüftransformator nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Aufbau der beiden Säulen aus einzelnen übereinander gestapelten gleichen Bauelementen mit elektrischen Verbindungen für die Wicklungen und Kernzapfen für den Magnetkern.

6. Prüftransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beide Säulen in einem gemeinsamen Isolierzylinder untergebracht sind.

7. Prüftransformator nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Unterteilung des Isolierzylinders in einzelne übereinander gestapelte Isolierbehälter, die durch elektrische Kontakte für die Wicklungen und Kernzapfen für den Magnetkreis untereinander verbunden sind.

8. Prüftransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Säulen von einem Isolierzylinder umgeben ist, wobei leitfähige Steuerarmaturen zur Vermeidung von Kurzschlußwindungen geteilt ausgeführt und Isolierstoffflansche als Gehäusedeckel verwendet sind.

9. Prüftransformator nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Unterteilung der beiden Isolierzylinder in einzelne übereinander gestapelte Isolierbehälter, die durch elektrische Kontakte für die Wicklungen und Kernzapfen für den Magnetkreis untereinander verbunden sind.

10. Prüftransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch Wicklungen zur Speisung von Kompensationsdrosselspulen, die auf den gesamten Magnetkreis verteilt sind.

11. Prüftransformator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Nennspannung die Gesamtleistung der Kompensationsdrosselspulen etwa gleich der Nennleistung der Primärwicklungen ist.