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Die Erfindung betrifft eine Kondensator-Isolierwand zur
Feldsteuerung der Verbindung einer Transformatordurchführung
mit dem Leiter einer Transformatorwicklung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1. Eine ähnliche
Kondensator-Isolierwand ist bekannt aus dem ASEA-Journal 1963, Band 36, Seite
23. Die Kondensator-Isolierwand ist insbesondere entworfen
für Transformatoren, die an Hochspannungs-Stromwandler
angeschlossen sind.
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Wenn in einem Gefäß mit Transformatorenöl zwei unter
Spannung stehende Elektroden in einem bestimmten Abstand
voneinander positioniert werden, so wird bei einer bestimmten
Spannung ein Überschlag zwischen den Elektroden stattfinden.
Die Gefahr eines Überschlages kann minimiert werden durch
Einfügung eines Isolierkörpers zwischen die Elektroden,
wobei der Isolierkörper als Barriere (Isolierwand) wirkt.
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Transformatordurchführungen können einen oberen Isolator und
einen unteren Isolator aus elektrischem Porzellan haben. An
der Verbindungsstelle zwischen diesen beiden Isolatoren
befindet sich ein Flansch, der mit dem Transformatorgehäuse
verbunden ist. Im Zentrum der Durchführung befindet sich ein
Rohr, auf welches ein Kondensatorkörper gewickelt ist zur
Erzielung einer günstigen Verteilung des elektrischen
Feldes. Der Strom kann durch das Rohr oder einen flexiblen
Leiter geleitet werden, der durch das Rohr verläuft.
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Leistungstransformatoren, die in Stromrichteranlagen
verwendet werden, bereite gewisse Isolationsprobleme, die
irgendwie
gelöst werden müssen, um ein zufriedenstellendes
Arbeiten zu erreichen.
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In Hochspannungsgleichstromanlagen (HVDC) wird häufig
mindestens ein Stromrichter pro Pol und Station verwendet.
Normalerweise werden auch mehrere Stromrichterbrücken in Reihe
geschaltet, wobei ein Pol in einer Brücke normalerweise
geerdet ist. Das Gleichspannungspotential jeder Brücke
gegenüber Erde ist dann umso größer, je mehr in Reihe
geschaltete Brücken zwischen der gerade betrachteten Brücke
und Erde liegen.
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Jede Brücke in der Reihenschaltung wird mit einer
Wechselspannung von einem eigenen Transformator gespeist. Mit
zunehmendem Gleichspannungspotential der Brücken gegenüber
Erde wird auch die Isolation der Durchführungen und der
Wicklungen in den Transformatoren, die an die Brücken
angeschlossen sind, einem zunehmend steigenden
Gleichspannungspotential ausgesetzt, dem eine Wechselspannung überlagert
ist. Die Isolation der genannten Teile muß daher so bemessen
werden, daß sie der zunehmend ansteigenden Feldstärke
widerstehen kann.
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Das anwachsende Gleichspannungspotential führt zu besonderen
Problemen, die nicht bei Transformatoren auftreten, die für
eine reine Wechselspannungstransformation verwendet werden.
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Für Stromrichter-Transformator stellen der untere Isolator
und der Übergang zwischen dem Leiter der
Transformatorwicklung und der Durchführung Problembereiche unter dem
Gesichtspunkt der Isolierung dar. Dies wird unter anderem
beschrieben in "Power Transmission by Direct Current", von E.
Uhlmann, Springer Verlag 1975, Seite 327 - 328.
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Das elektrische Gleichspannungsfeld hat eine andere
Verteilung als das Wechselspannungsfeld. Die Verteilung der
Gleichspannung wird hauptsächlich durch den spezifischen
Widerstand der verschiedenen Isolationsmedien bestimmt. Zwar
sind Transformatoröl, Cellulosematerial und elektrisches
Porzellan gute Isolatoren, eine gewisse Menge elektrischen
Stromes durchfließt aber auch diese Materialien. Das
Verhältnis der spezifischen Widerstände von
Cellulosematerial und Transformatoröl beträgt etwa 100. Das bedeutet, daß
die mit Öl in Reihe geschaltete Cellulose einer beträchtlich
höheren Feldstärke ausgesetzt ist als das Öl, was zur Folge
hat, daß eine ausreichende Menge festen Isoliermaterials
erforderlich ist, um zu verhindern, daß die Feldstärke die
elektrische Festigkeit des Materials übersteigt. Die
Verteilung der Feldstärke sowie die Richtung des Feldstärkevektors
ist daher anders als im Falle einer Wechselspannung. Der
Stromfluß hat auch eine Umverteilung der Ladungen in den
verwendeten Isoliermedien zur Folge.
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Wegen der starken Abhängigkeit des spezifischen
Widerstandes vom Feuchtigkeitsgehalt, der Feldstärke, der Temperatur
usw. ist die Verteilung des Gleichstromes schwer
vorhersagbar. Außerdem trägt die physikalische Natur der
Gleichspannung, d.h. des Ladungstransportes, der Ladung, des
zeitabhängigen Verhaltens usw., dazu bei, daß die
Isolationsprobleme, die im Zusammenhang mit HVDC-Anlagen auftreten,
sehr komplex und schwer zu interpretieren sind. In einem
Artikel mit dem Titel "Space Charge and Field Distribution in
Transformers under DC-stress" von U. Gäfvert und E. Spicar,
CIGRE Int. Conference on Large High Voltage Electric
Systems, 1986 Session, 12-04, wird die Komplexität der
Gleichspannungsverteilung dargestellt. Wie zuvor erläutert, ist es
an der Verbindung zwischen der Transformatordurchführung und
dem Leiter der Transformatorwicklung zu Probleme gekommen.
Dies hat dazu geführt, daß der untere Isolator aus
elektrischem
Porzellan entfernt werden mußte, um die
Beanspruchungen an den Endstationen in HVDC-Anlagen bei höheren
Spannungen zu beherrschen.
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Es gibt keine einfache Erklärung des oben genannten
Phänomens. Es gibt jedoch Grund zu der Annahme, daß die in
Verbindung mit Durchführungen für Hochspannungen auftretenden
langen Oberflächen in Verbindung mit der Richtung des Feldes
längs der langen Oberflächen in diesem Zusammenhang von
Bedeutung sind. Zwar ist auch das Wechselspannungsfeld längs
der Oberfläche des unteren Porzellanisolators gerichtet,
aber seine physikalische Natur ist anders, Gemäß einer
Hypothese läuft die Verteilung des Gleichspannungsfeldes Gefahr,
längs genügend langer Oberflächen instabil und ungleichmäßig
zu werden. Eine andere interessante Hypothese wird in einem
Artikel beschrieben mit dem Titel "Effect of Duct
Configuration on Oil Activity at Liquid/Solid Dielectric Interfaces"
von R.E. James, F.E. Trick, R. Willoughby in Journal of
Electrostatics, 12, 1982, Seite 441-447. In diesem Artikel
wird festgestellt, daß ein vergrößerter Ladungstransport auf
Oberflächen, hervorgerufen durch Turbulenzen und Zugang zur
Ladung, der Grund für die niedrige dielektrische Festigkeit
ist.
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Als ein Beispiel aus dem Stand der Technik kann ein
Kondensatorkörper in einer Muffe für die direkte Verbindung von
Ölkabeln mit Transformatoren genannt werden, welches, unter
anderem, beschrieben wird in in SE-B-214 015 und in ASEA
Journal 1963, Band 36, Nummer 1-2, Seite 23. Der Teil der
Muffe, der sich in den Transformator erstreckt, ist im
wesentlichen wie der untere Teil einer konventionellen
Transformatordurchführung geformt, das heißt, mit einem unteren
Isolator aus elektrischem Porzellan. Der Kondensatorkörper
der Muffe ist hier so ausgebildet, daß er eine kapazitive
Spannungssteuerung bewirkt, und zwar sowohl nach innen längs
des von draußen eingeführten Kabelendes als auch nach außen
längs des Porzellanisolators.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Kondensator-
Isolierwand zur Feldsteuerung der Verbindung einer
Transformatordurchführung mit dem Leiter einer Transformatorwicklung
der eingangs genannten Art zu entwickeln, welche höheren
Spannungen, insbesondere hohen Gleichspannungen, widersteht
als die bisher bekannten Kondensator-Isolierwände.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Kondensator-Isolierwand
gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welche
erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1
genannten Merkmale hat.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
zusätzlichen Ansprüchen genannt.
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Die Kondensator-Isolierwand gemäß der Erfindung ist
besonders gut geeignet für Transformatoren in
HVDC-Stromrichteranlagen. Die Aufgabe der Kondensator-Isolierwand besteht
darin, die Überschläge zu verhindern, die an dem Übergang
zwischen Transformatordurchführungen und dem Leiter des
Transformators auftreten sind. Die Kondensator-Isolierwand
ist so beschaffen, daß sie als eine Barriere mit sowohl
einer kapazitiven wie einer resistiven Steuerung des
elektrischen Feldes arbeitet, und sie ist so bemessen, daß sie den
Spannungen und Feldstärken, die in diesem Bereich auftreten,
standhält.
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Es wird angenommen, daß die Kondensator-Isolierwand einen
unteren Isolator hat, der sich, vom Flansch aus gesehen,
kegelförmig verjüngt.
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Es wird ferner angenommen, daß der von der
Transformatorwicklung kommende Leiter, der an den elektrischen Leiter der
Durchführung anzuschließen ist, von einem konischen Rohr
umgeben ist, welches von einem äußeren gewickelten Schild aus
Isoliermaterial umgeben ist. Dieser Schild hat an seinem
Ende eine konische Form, welche sich, ähnlich wie der untere
Isolator, in Richtung zu dem unteren Isolator verjüngt und
im wesentlichen die gleiche Konizität wie der untere
Isolator hat.
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Die Kondensator-Isolierwand ist aus einem Kondensatorkörper
aufgebaut, das heißt, sie besteht aus einem Isoliermaterial
und blattförmigen Kondensatorlagen, die konzentrisch in das
Isoliermaterial eingelegt sind.
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Charakteristisch für die Kondensator-Isolierwand gemäß der
Erfindung ist im wesentlichen die geometrische Form der
Kondensator-Isolierwand, die so beschaffen ist, daß sie sowohl
als eine Barriere für Gleichspannungsfelder als auch für
Wechselspannungsfelder dient.
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Die Kondensator-Isolierwand ist als Rotationskörper
ausgebildet und hat in ihrer gewöhnlichen Ausführung eine gerade
kreiszylindrische äußere Form. Sie kann jedoch mit einer
Taille oder einem Bauch ausgebildet sein, wodurch die
Verteilung des Gleichspannungsfeldes beeinflußt wird.
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Von einem Ende aus gesehen ist die Kondensator-Isolierwand
mit einem ersten nach innen gerichteteten geraden
Kegelstumpf ausgebildet, der im wesentlichen den unteren Isolator
umgibt, das heißt, er hat seine größte Grundfläche am Ende
der Kondensator-Isolierwand. Da sowohl die
Kondensator-Isolierwand als auch der untere Isolator sich in einem
ölfgefüllten Raum befinden, ist der Spalt zwischen dem unteren
Isolator und dem ersten geraden Kegelstumpf mit Öl gefüllt.
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Die Konizität des ersten Kegelstumpfes weicht jedoch etwas
von der Konizität des unteren Isolators ab. Der Grund für
diese etwas abweichende Konizität wird weiter unten
erläutert. Konzentrisch in der Kondensator-Isolierwand, in
Fortsetzung von der kleinsten Grundfläche des ersten geraden
Kegelstumpfes, setzt sich die Kondensator-Isolierwand mit
einem zylindrischen offenen Raum fort.
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Von der anderen Seite der Kondensator-Isolierwand ist die
Isolierwand ebenfalls mit einem zweiten nach innen
gerichteten geraden Kegelstumpf ausgebildet, wobei die kleinste
Grundfläche an den konzentrischen zylindrischen offenen Raum
angrenzt. Dieser zweite Kegelstumpf umgibt den Schild, der
sich auf dem Leiterrohr befindet, welches den vom
Transformator kommenden Leiter umgibt. Auch mit ihrem zweiten
geraden Kegelstumpf umgibt die Kondensator-Isolierwand den
Schild mit einem dazwischen befindlichen ölgefüllten Spalt.
Die Konizität dieses zweiten Kegelstumpf weicht ebenfalls
etwas von der Konizität des Schildes ab.
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Wie oben erwähnt, ist die Kondensator-Isolierwand aus einem
Isoliermaterial hergestellt, in welches in radialen
Abständen Kondensatorlagen eingelegt sind, um die gewünschte
Kapazitätssteuerung des elektrischen Wechselfeldes zu
erhalten. Die innerste Kondensatorlage, die konzentrisch zu dem
elektrischen Leiter liegt, hat eine axiale Länge, die etwa
der axialen Länge des inneren konzentrischen zylindrischen
Raumes entspricht. Außerhalb davon sind kurze Lagen
eingelegt, die in radialer Richtung konzentrisch liegen und
gegeneinander in axialer Richtung zu den Enden der
Kondensator-Isolierwand hin verschoben sind. Diese Lagen sind,
entsprechend dem anwachsenden Radius der
Kondensator-Isolierwand, gesehen von der ersten innersten Lage aus, so in
axialer Richtung eingelegt, daß ihre äußeren Kanten bis nahe an
die Flächen der geraden Kegelstümpfe der
Kondensator-Isolierwand heranreichen.
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Wie oben erwähnt, wird das Gleichspannungsfeld durch
verschiedene Faktoren gesteuert. So ist beispielsweise das
Medium mit dem niedrigsten spezifischen Widerstand
feldsteuernd. Zwischen dem unteren Isolator und der umgebenden
Kondensator-Isolierwand wird, wie bereits erwähnt, ein Ölspalt
gebildet. Da das Öl den niedrigsten spezifischen Widerstand
hat, fließt der meiste Strom durch den Ölspalt, der auf
diese Weise das zu den umgebenden Oberflächen parallel
verlaufende Feld steuert. Um eine gleichmäßige Verteilung des
Feldes längs dieser Oberflächen zu erreichen, ist es daher
wichtig, daß die Breite des Ölspaltes mit kleiner werdendem
Radius zunimmt. Andernfalls würde das Feld in Richtung zum
kleinsten Durchmesser, also dort, wo die axiale
Querschnittsfläche am kleinsten ist, konzentriert werden. Die
Konizität der Kegelstümpfe der Kondensator-Isolierwand ist
daher zweckmäßigerweise so gewählt, daß die axiale
Querschnittsfläche des Ölspaltes längs der gesamten Länge der
geraden Kegelstümpfe annähernd konstant ist.
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Ein anderer feldsteuernder Teil ist die radiale Verteilung
des Feldes in der Kondensator-Isolierwand um die innerste
Lage herum, an welcher die Hochspannung angeschlossen ist.
Zwischen dem Ölspalt und dem Mittelteil der
Kondensator-Isolierwand wirken die Lagen als Äquipotentialflächen im
Gleichspannungsfall, wodurch eine Konzentration des Feldes
nahe dem Boden des unteren Isolators verhindert wird. Es ist
wichtig, daß die Lagen der Kondensator-Isolierwand in ihrer
Längsrichtung gerade gegenüber den Lagen der Durchführung
liegen, so daß die Äquipotentialflächen mit Hilfe eines
korrekt geformten Ölspaltes in gewünschter Weise zwischen der
Durchführung und der Kondensator-Isolierwand übertreten.
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Anhand eines Beispiels soll die Erfindung nun unter
Heranziehung der beigefügten Zeichnung genauer beschrieben
werden, die einen Schnitt durch einen unteren Isolator, eine
Kondensator-Isolierwand gemäß der Erfindung und den Leiter
der Transformatorwicklung mit einem umgebenden Rohr mit
Isolierung zeigt.
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Die Kondensator-Isolierwand 1 ist in einem Schnitt in
Längsachse der Isolierwand dargestellt. Wegen der nach innen
gerichteteten geraden Kegelstümpfe 2 und 3 zeigt die
Schnittdarstellung ein paralleles Trapez. Der innere Teil 4
der Kondensator-Isolierwand zwischen den geraden
Kegelstümpfe ist zylindrisch. Um der Kondensator-Isolierwand eine
gewisse mechanische Steifheit zu verleihen, ist der innere
zylindrische Teil auf ein zylindrisches Rohr 5 gewickelt.
Bei Verwendung eines anderen Isoliermaterials, welches eine
selbsttragende Struktur hat, ist dieses Rohr entbehrlich.
Die innere konische Gestalt der Kondensator-Isolierwand kann
im übrigen auf verschiedenen Wegen hergestellt werden, zum
Beispiel durch Wickeln, Windung Für Windung, eines schräg
geschnittenen Isoliermaterials von zunehmender Breite. Die
innere Kondensatorlage 6 hat annähernd die gleiche axiale
Länge wie der zuvor erwähnte konzentrische zylindrische
Raum. Mit dem Wickeln des Isoliermaterials werden zwischen
bestimmten Windungen die Kondensatorlagen 7 eingelegt, die
zur Beeinflussung der kapazitiven Spannungsverteilung
erforderlich sind. Diese Lagen haben eine geringere axiale Länge
als die innerste Lage, und sie sind so eingelegt, daß ihre
äußeren Kanten, entsprechend dem wachsenden Wicklungsradius
der Kondensator-Isolierwand, dicht an den beiden geraden
kegelförmigen Oberflächen liegen.
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Um die Erfindung in ihrem richtigen Zusammenhang zu zeigen,
ist bei 8 der untere Isolator dargestellt. Der
Befestigungsflansch der Durchführung ist mit 9 bezeichnet. Bei dem
in der Figur gezeigten Beispiel ist die
Kondensator-Isolierwand mit ihrem unteren Isolator in einem ölgefüllten
Zwischenflansch 10 plaziert, der am Transformatorgehäuse 11
angeschlossen ist. Der Leiter 12 der Transformatorwicklung ist
in bekannter Weise an den elektrischen Leiter der
Durchführung anzuschließen. Wie oben erwähnt, ist der Leiter der
Transformatorwicklung von einem Rohr 13 aus leitfähigem
Material umgeben. Auf dieses Rohr sind mehrere Lagen aus
Isoliermaterial gewickelt, welches ein Schild 14 bildet,
welches in Richtung zum Ende des Rohres sich in Form eines
geraden Kegelstumpfes 15 verjüngt. Das Rohr 13 ist elektrisch
leitend sowohl an den Leiter der Transformatorwicklung als
auch an die innere Kondensatorlage angeschlossen. Eine der
äußeren Kondensatorlagen ist geerdet.
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Wie zuvor erwähnt, ist es wichtig für die Verteilung des
Gleichspannungsfeldes, daß der Ölspalt 18, 19 zwischen den
geraden Kegelstümpfen der Kondensator-Isolierwand und dem
unteren Isolator 8 beziehungsweise dem Schild 14 im
wesentlichen längs der gesamten Länge der Kegel den gleichen
axialen Querschnitt hat. Es ist daher die Differenz der beiden
Radien am größten zwischen den kleinsten Basen.
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In bestimmten Ausführungen ist der untere dem
Befestigungsflansch gegenüberliegende Isolator rein zylindrisch geformt,
wie dies bei 16 gezeigt ist. In diesen Fällen kann es
zweckmäßig sein, daß die Kondensator-Isolierwand in einem
zylindrischen Teil 17 ausläuft, um diesen Teil des unteren
Isolators zu überdecken. Eine entsprechende zylindrische
Verlängerung kann in gewissen Fällen auch über dem Schild 14
stattfinden.
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Die axiale Länge/Höhe der nach innen gerichteteten geraden
Kegelstümpfe der Kondensator-Isolierwand ist der axialen
Länge der Kegel des unteren Isolators beziehungsweise des
Schildes angepaßt und kann daher in seinen Längen variieren,
was aus der Figur klar wird.
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Wie oben erwähnt, kann es in bestimmten Fällen zweckmäßig
sein, die Kondensator-Isolierwand mit einer "Taille" oder
einem "Bauch" zu versehen, um spezielle Vorteile unter dem
Gesichtspunkt der Feldverteilung zu erreichen.
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Die Kondensator-Isolierwand wird um den unteren Isolator 8
und den Leiter 12 der Transformatorwicklung mit dem Rohr 13
und dem Schild 14 in einer nicht gezeigten geeigneten Weise
an dem Befestigungsflansch 9 der Durchführung oder am
Zwischenflansch 10 befestigt.