DE4333185C2 - Wicklungsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wicklungsanordnung für Transformatoren oder Drosselspulen mit mindestens zwei koaxial ineinander angeordneten Spulen, wobei zumindest in ihren stirnseitigen Randbereichen im Zwischenraum zwischen den Spulen koaxial an zumindest einer der beiden Spulen eine Feststoffisolierung angeordnet ist, welche konzentrisch angeordnete Leiteinlagen zur elektrostatischen Steuerung des Randfeldes aufweist (EP 0 516 078 A2).

Das elektrostatische Randfeld von Wicklungen bei Transformatoren oder Drosselspulen ist im allgemeinen durch einen dreidimensionalen Kantenverlauf (zylindrische Spirale) und durch das ortsveränderliche Potential der Wicklungsoberfläche gekennzeichnet. Damit die Isolationsabstände zwischen der Wicklung und geerdeten Bauteilen, z. B. dem Kern, sowie benachbarten Wicklungen zu minimieren sind, ist eine Homogenisierung des Randfeldes oder eine Senkung der Kantenfeldstärke erforderlich. Die Senkung der Kantenfeldstärke in einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium einer gekapselten Wicklungsanordnung 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 Schirmringe ausgebildet, die auf dem Potential des Wicklungseingangs liegen. Eine Anwendung derartiger vorgeschobener Elektroden ist aus der DE 32 43 595 C2 bekannt. Aus der GB 1 041 420 ist es bekannt, elektrostatische Schirme zwischen den Wicklungen eines Transformators anzuordnen.

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 Vergrößerung der Gesamtabmessungen.

Aus der US 3 928 832 ist ein Transformator bekannt, dessen Wicklung zur Potentialsteuerung zwischen ihren Lagen randseitige Leiteinlagen mit stetigem Konturverlauf aufweist. Da es sich bei einer derartigen Lagenwicklung nur um geringe Potentialunterschiede handelt, sind nur wenige Leiteinlagen nötig. Die Leiteinlagen sind offenbar auch nicht direkt mit dem Potential der Wicklung verbunden und dienen im wesentlichen nicht zur Außenfeldsteuerung, sondern zur Potentialvergleichmäßigung zwischen den Lagen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wicklungsanordnung zu schaffen, bei der mit einfachen Mitteln eine Homogenisierung des Randfeldes möglich ist, so daß eine Reduzierung der Gesamtabmessungen erzielt wird.

Die Lösung der Aufgabe gelingt mit einer Wicklungsanordnung gemäß Anspruch 1. Die erfindungsgemäße Lösung sieht eine Drehung 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 zwischen den Leiteinlagen und dem Querschnittsprofil der Leiteinlagen erreicht.

Die Verallgemeinerung des Lösungsgedankens kann damit beschrieben werden, daß die Wicklungen eine im allgemeinen nicht rotationssymmetrische Mehrelektrodenanordnung darstellt, im Gegensatz zu einer Durchführung, welche stets eine rotationssymmetrische Zwei-Elektrodenanordnung mit räumlich konstantem Potential der beiden Elektroden ist. Dies gilt für den stationären Gleich- oder Wechselspannungsbetrieb. Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird erreicht, daß die radiale Breite der Wicklungsröhren für die Feldsteuerung unwesentlich ist. Sie kann also beispielsweise bei supraleitenden Wicklungen beliebig klein gemacht werden. Die mit Leiteinlagen aufgewickelte oder vorgefertigte Feststoffisolation zwischen den Wicklungsröhren führt zu einem besonders kompakten Isolationsaufbau. Durch die nahezu ideale Homogenisierung des Randfeldes eignet sich die Erfindung auch besonders gut für gasisolierte Transformatoren, bei denen kleine Isolationsabstände 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 Oberspannungswicklung 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 bezeichnet. Das elektrostatische Randfeld ist dabei sehr unregelmäßig aufgebaut, wobei es insbesondere 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 man hier für eine ausreichende Isolation sorgen.

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 Feldstärkeerhöhungen nicht mehr auftreten und dadurch insgesamt Isolationsabstände 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 Randbereich der Wicklungen 5, 7 sind dabei in einer Feststoffisolierung 15, z. B. Hartpapier, die Leiteinlagen 17a, 17b konzentrisch angeordnet. Die Leiteinlagen 17a, 17b haben jeweils für den zugeordneten Zwischenraum 13a, 13b aus Vereinfachungsgründen alle die gleiche Länge. Die im Schnitt erkennbare Randkontur 19 ist dabei in Optimierung des Randfeldes 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 besonders ungünstigen Potentialverläufen denkbar und zweckmäßig.

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

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 bartförmige Ausstülpung aufweist.

Die Leiteinlagen können prinzipiell über die volle Wicklungslänge geführt sein. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß es völlig ausreichend ist, diese lediglich im Randbereich vorzusehen, wobei die Höhe der Leiteinlagen 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 Einsatz, bei denen große Spannungen zu beherrschen sind. Der Abstand der Leiteinlagen 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 aufgebracht. Bei Verbindung dieser Leiteinlage mit dem Potential der Wicklung wurde ein Abstand von 2 mm vorgesehen. Der Abstand der Leiteinlagen zueinander beträgt zwischen 0,5 und 10 mm, insbesondere 1 bis 2 mm. Der optimale Abstand ist den gegebenen elektrischen und mechanischen Bedingungen des jeweiligen Transformators anzupassen.

Die vorgeschlagene Lösung eignet sich insbesondere für gekapselte Transformatoren beispielsweise Öl- oder SF 6-Transformatoren, die in einem geschlossenen Behälter angeordnet sind. Hier sind inbesondere Überschläge im Randbereich zwischen den Wicklungen und Gehäuse zu vermeiden. Mit der vorgeschlagenen 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 für Transformatoren oder Drosselspulen mit zumindest zwei koaxial ineinander angeordneten Spulen (5, 7),
wobei zumindest in ihren stirnseitigen Randbereichen im Zwischenraum (13b) zwischen den Spulen (5, 7) koaxial an zumindest einer der beiden Spulen (5, 7) eine Feststoffisolierung (15) angeordnet ist, welche konzentrisch angeordnete Leiteinlagen (17a, 17b) zur elektrostatischen Steuerung des Randfeldes aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Vielzahl von Leiteinlagen (17a, 17b) vorgesehen ist, wobei die jeweils an einer Spule (5, 7) anliegende Leiteinlage (17a, 17b) mit dem elektrischen Eingangspotential der jeweiligen Spule (5, 7) leitend verbunden ist,
wobei die Leiteinlagen (17a, 17b) endseitig im Querschnitt eine Kontur mit einem stetigen Verlauf bilden und dabei eine Randkontur bilden, welche senkrecht zur Umfangsoberfläche, d. h. Mantellinie der Spulen (5, 7) steht.

2. Wicklungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Leiteinlagen (17a, 17b) in konstantem Abstand zueinander angeordnet sind.

3. Wicklungsanordnung nach Anspruch 2, wobei die Kontur im Stirnbereich der Spulen (5, 7) annähernd linear und am anderen Ende bartförmig verläuft.

4. Wicklungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Leiteinlagen (17a, 17b) lediglich im Randbereich der Spulen (5, 7) angeordnet sind und eine Höhe von etwa 5 bis 20%, insbesondere etwa 10%, der Spulenhöhe aufweisen.

5. Wicklungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zwischen der inneren Spule (5) und dem zugeordneten Schenkel (9) des zugehörigen Eisenkerns (3) ebenfalls Leiteinlagen (17a) angeordnet sind.