DE4333185A1 - Wicklungsanordnung - Google Patents

Description

Das elektrostatische Randfeld von Wicklungen bei Transfor­ matoren oder Drosselspulen ist im allgemeinen durch einen dreidimensionalen Kantenverlauf (zylindrische Spirale) und durch das ortsveränderliche Potential der Wicklungsoberfläche gekennzeichnet. Um die Isolationsabstände zwischen der Wick­ lung und geerdeten Bauteilen, z. B. dem Kern, sowie benach­ barten Wicklungen zu minimieren, ist eine Homogenisierung des Randfeldes oder eine Senkung der Kantenfeldstärke erforder­ lich. Die Senkung der Kantenfeldstärke in einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium einer gekapselten Wicklungsanord­ nung wurde bisher beispielsweise dadurch erreicht, daß die Wicklungskanten abgerundet wurden. Dafür wurden spezielle Profile für die Randleiter verwendet. Bei einer weiteren Methode wurden vorgeschobene Elektroden am Kantenverlauf der Wicklung angeordnet. Diese wurden beispielsweise als Schirm­ ringe ausgebildet, die auf dem Potential des Wicklungsein­ gangs liegen. Anwendungen derartiger vorgeschobener Elek­ troden sind aus der DE-PS 32 43 595 und der US 1 041 420 bekannt.

Die Verwendung spezieller Profile zur Abrundung der Kanten ist sehr aufwendig und teuer und daher nicht wirtschaftlich. Ist bei der Verwendung von vorgeschobenen Elektroden die radiale Breite der betreffenden Wicklungsröhre kleiner als die Summe der an der Innen- und Außenkante erforderlichen Rundungsradien, dann ergibt sich ein radialer Überhang der vorgeschobenen Elektroden. Dies führt wiederum zu einer Ver­ größerung der Gesamtabmessungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wicklungsan­ ordnung zu schaffen, bei der mit einfachen Mitteln eine Homo­ genisierung des Randfeldes möglich ist, so daß eine Reduzie­ rung der Gesamtabmessungen erzielt wird.

Die Lösung der Aufgabe gelingt mit einer Wicklungsanordnung gemäß Anspruch 1. Die erfindungsgemäße Lösung sieht eine Dre­ hung und Verkleinerung der elektrischen Feldstärkevektoren an der Wicklungskante durch Leiteinlagen in der anliegenden Feststoffisolierung vor. Eine optimale Homogenisierung des Feldes wird durch Optimierung der Potentialverteilung zwi­ schen den Leiteinlagen und dem Querschnittsprofil der Leit­ anlagen erreicht.

Die Verallgemeinerung des Lösungsgedankens kann damit be­ schrieben werden, daß die Wicklung eine im allgemeinen nicht rotationssymmetrische Mehrelektrodenanordnung darstellt, im Gegensatz zu einer Durchführung, welche stets eine rotations­ symmetrische Zwei-Elektrodenanordnung mit räumlich konstantem Potential der beiden Elektroden ist. Dies gilt für den sta­ tionären Gleich- oder Wechselspannungsbetrieb. Mit der erfin­ dungsgemäßen Lösung wird erreicht, daß die radiale Breite der Wicklungsröhren für die Feldsteuerung unwesentlich ist. Sie kann also beispielsweise bei supraleitenden Wicklungen be­ liebig klein gemacht werden. Die mit Leiteinlagen aufge­ wickelte oder vorgefertigte Feststoffisolation zwischen den Wicklungsröhren führt zu einem besonders kompakten Isola­ tionsaufbau. Durch die nahezu ideale Homogenisierung des Randfeldes eignet sich die Erfindung auch besonders gut für gasisolierte Gastransformatoren, bei denen kleine Isolations­ abstände und geringe Baumaße gewünscht sind. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen.

Die Erfindung und weitere Vorteile werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 bis 3 Wicklungsanordnungen im Längsschnitt und

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine Wicklungsanordnung mit Darstellung des elektrischen Feldes.

Fig. 4 zeigt eine Wicklungsanordnung im Längsschnitt bei der in einem Fenster 1 eines Eisenkerns 3 eine Unter- und Ober­ spannungswicklung 5 bzw. 7 konzentrisch um einen Schenkel 9 des Eisenkerns 3 angeordnet sind. Es ist dabei lediglich ein Fensterausschnitt gezeigt. Das elektrostatische Randfeld ist in der Umgebung der Wicklungen 5, 7 vektoriell dargestellt. Beispielhaft sind zwei Vektoren mit dem Bezugszeichen E be­ zeichnet. Das elektrostatische Randfeld ist dabei sehr unre­ gelmäßig aufgebaut, wobei es insbesonders im oberen Bereich zum Joch 11 des Eisenkerns 3 zu Feldstärkeerhöhungen kommen kann. Um Überschläge zwischen einer der Wicklungen 5, 7 und dem Eisenkern 3 zu vermeiden, muß hier für eine ausreichende Isolation gesorgt werden.

Die vorliegende Lösung geht demgegenüber von dem Gedanken aus, daß das elektrostatische Randfeld nicht unkontrolliert belassen wird, sondern gezielt gesteuert ausgerichtet wird. Dies führt zu einer Vergleichmäßigung, so daß Feldstärkeer­ höhungen nicht mehr auftreten und dadurch insgesamt Isola­ tionsabstände verringert werden können. Zur Steuerung des Randfeldes wird dazu zumindest im Randbereich der Wicklungen 5, 7 eine Leiteinlage in den Zwischenräumen an den Wicklungen 5, 7 vorgesehen.

Fig. 1 zeigt dazu ein erstes Ausführungsbeispiel. Im Randbe­ reich der Wicklungen 5, 7 sind dabei in einer Feststoff­ isolierung 15, z. B. Hartpapier, die Leiteinlagen 17a, 17b konzentrisch angeordnet. Die Leitanlagen 17a, 17b haben je­ weils für den zugeordneten Zwischenraum 13a, 13b aus Verein­ fachungsgründen alle die gleiche Länge. Die im Schnitt er­ kennbare Randkontur 19 ist dabei in Optimierung des Rand­ feldes ausgestaltet. Bevorzugt steht dabei der Konturverlauf senkrecht auf den Wicklungen 5, 7, wie mit den Bezugspfeilen 20 angedeutet ist. Die Leiteinlagen 17a, 17b sind zumindest für einen der Zwischenräume 13a oder 13b in gleichem Abstand zueinander angeordnet. Dadurch wird die Fertigung wesentlich vereinfacht. Es sind jedoch auch variable Abstände bei beson­ ders ungünstigen Potentialverläufen denkbar und zweckmäßig.

Bevorzugt ist die jeweils erste Randeinlage die einer Wick­ lung 5, 7 zugeordnet ist mit dem Randpotential dieser Wick­ lung über ein Leiterstück 21a, 21b verbunden. Auf diese Weise ist eine weitere Homogenisierung des Potentialverlaufs mög­ lich.

Die weiteren Fig. 2 und 3 zeigen rein beispielhaft weitere Ausgestaltungen des Konturverlaufs. Der Verlauf gemäß Fig. 3 hat sich dabei als besonders zweckmäßig erwiesen. Dieser zeichnet sich durch den senkrechten Verlauf der Kontur 19a, 19b zu den Wicklungsoberflächen 5, 7, einen im wesentlichen annähernd linearen Verlauf der Kontur 19a am Randbereich der Wicklungsanordnung und einen Konturverlauf 19b zur Innenseite der Wicklungsanordnung, welcher im Mittenbereich eine bart­ förmige Ausstülpung aufweist.

Die Leiteinlagen können prinzipiell über die volle Wicklungs­ länge geführt sein. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß es völlig ausreichend ist, diese lediglich im Randbereich vor­ zusehen, wobei die Höhe der Leitanlagen ca. 5 bis 20% der Gesamtwicklungshöhe betragen soll. Bevorzugt wird eine Höhe mit ca. 10% der Wicklungshöhe gewählt. Dabei darf kein zu großes Potential an der Wicklung überbrückt werden.

Die vorgeschlagene Lösung kommt insbesondere bei Mittel- und Hochspannungstransformatoren (Großtransformatoren) zum Ein­ satz, bei denen große Spannungen zu beherrschen sind. Der Abstand der Leitanlagen kann dabei im Millimeter- bis zum Zentimeterbereich liegen. In einem Versuchsmuster bei einem Mittelspannungstransformator wurde beispielsweise die erste Leiteinlage an der Wicklung in einem Abstand von 0,5 mm auf­ gebracht. Bei Verbindung dieser Leitanlage mit dem Potential der Wicklung wurde ein Abstand von 2 mm vorgesehen. Der Ab­ stand der Leitanlagen zueinander beträgt zwischen 0,5 und 10 mm, insbesondere 1 bis 2 mm. Der optimale Abstand ist den gegebenen elektrischen und mechanischen Bedingungen des je­ weiligen Transformators anzupassen.

Die vorgeschlagene Lösung eignet sich insbesondere für ge­ kapselte Transformatoren beispielsweise Öl- oder SF6-Trans­ formatoren, die in einem geschlossenen Behälter angeordnet sind. Hier sind insbesondere Überschläge im Randbereich zwi­ schen den Wicklungen und Gehäuse zu vermeiden. Mit der vorge­ schlagenen Lösung lassen sich Feldstärkeerhöhungen lokal auf ein erträgliches Maß reduzieren und der gesamte Feldverlauf vergleichmäßigen, so daß eine Reduzierung von Isolierung und Baugröße möglich sind.

Claims (5)

1. Wicklungsanordnung mit zumindest zwei koaxial ineinander angeordneten Spulen (5, 7) wobei zumindest in ihrem stirn­ seitigen Randbereich koaxial an zumindest einer der beiden Spulen (5, 7) eine Feststoffisolierung (15) angeordnet ist, welche eine vorgebbare Anzahl konzentrisch angeordneter Leitanlagen (17a, 17b) aufweist.

2. Wicklungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Leitein­ lagen (17a, 17b) in konstantem Abstand zueinander ange­ ordnet sind.

3. Wicklungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die je­ weils den zwei Spulen (5, 7) zugeordneten Leiteinlagen (17a, 17b) mit dem elektrischen Eingangspotential der jeweiligen Spule (5, 7) verbunden sind.

4. Wicklungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, wobei die zueinander angeordneten Leiteinlagen (17a, 17b) im Querschnitt eine Randkontur aufweisen, welche senkrecht zur Oberfläche der Spulen (5, 7) steht.

5. Wicklungsanordnung nach Anspruch 4, wobei die Kontur im Stirnbereich der Spulen (5, 7) annähernd gerade und am ande­ ren Ende talförmig ist.