DE69208224T2 - Verfahren zum Verdichten von Transformatorwicklungen - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Konstruktion statischer elektrischer Induktionsgeräte, z.B. Transformatoren.
• Sie betrifft insbesondere die Herstellung einer Spule oder Wicklung aus elektrisch leitenden Windungen, mit denen derartige Geräte versehen sind.
• Noch genauer ist die Erfindung insbesondere, jedoch nicht in begrenzender Weise, einsetzbar auf dern Gebiet der Wicklungen, die ganz allgemein als Wicklungen für mittlere oder hohe Spannungen in Transformatoren verwendet werden, und die aus einem oder mehreren elektrisch leitenden Drähten bestehen, üblicherweise aus Aluminium oder aus Kupfer, die vorab emailliert oder in anderer Weise mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet sind und die locker in Windungen entlang einer einzigen Drehrichtung aufgewickelt sind.
• In diesem Rahmen betrifft sie das Verdichten dieser einmal aufgewickelten Wicklungen, um dergestalt ihre Höhe zu verringern und demzufolge die Herstellungskosten der damit versehenen Geräte.
• Die Veröffentlichung FR-A-1 461 785 beschreibt ein Verfahren zur Verdichtung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
• Aus dem Patent EP 0081446 ist eine besondere Technik für die Wicklungen elektrischer Transformatoren bekannt, die darin besteht, einen Draht kontinuierlich in einen ringförmigen Aufnahmeraum einzuführen, wobei er sich zu Windungen verformt, die ausschließlich unter dem Einfluß der Schwerkraft abgelegt werden, so daß sie Stapel von flachen spiralförmig aufgewickelten Scheiben bilden, deren jede aus konzentrisch angeordneten Windungen besteht.
• Eine gleichförmige Drehrichtung wird während des gesamten Wikkelvorgangs beibehalten, so daß während des Einsatzes eines derartigen Gerätes der elektrische Strom sämtliche Windungen in gleicher Richtung durchfließt Das Verfahren wird vollständig durch einen programmierbaren Automaten gesteuert, der dern Draht zu jedem Zeitpunkt Geschwindigkeitsmomente überträgt (Zufuhrgeschwindigkeit in den Aufnahmeraum und relative Drehgeschwindigkeit bezüglich des letzteren), die derart eingestellt sind, daß die Ablegung einer Windung an der erwünschten Stelle in der Scheibe erfolgt, und zwar ausschließlich unter dem einzigen Einfluß der Schwerkraft, d.h., daß kein merkbarer Druck oder Zug auf den Draht ausgeübt wird.
• Diese Wickeltechnik eignet sich ohne besondere Schwierigkeiten für Aluminium- oder Kupferdrähte mit weniger als 0,5 mm bis 5 mm und mehr Durchmesser.
• Wird das Verfahren korrekt durchgeführt, so hält sich die unvermeidliche lockere Anhäufung der Windungen innerhalb der Wicklung in bescheidenem Umfang. Sein auf das Volumen einwirkender Effekt ist dabei akzeptabel, insbesondere, da die Wicklung aufgrund ihres Eigengewichtes eine gewisse natürliche Verdichtung erfährt.
• Nichtsdestotrotz kann ggf. eine weitere Verringerung der Höhenausdehnung durch eine Verdichtung erfolgen, die darin besteht, daß mittels einer Presse oder herkömmlicherweise mittels der Hand die Enden der Wicklung zusammengedrückt werden.
• Die Verwendung einer Presse erfordert jedoch das Vorhandensein einer Vielzahl von Druckstücken, die in Form von Paßstücken an die unterschiedlich hergestellten Wicklungen angepaßt sein müssen, und das Auswählen und Einsetzen als Funktion der Abmessung der zu verdichtenden Wicklung oder Spule. Dazu gehört auch der Schritt des Verschiebens und des korrekten Einsetzens der Wicklung in das Werkzeug.
• Der Einsatz einer Bedienungsperson (oder auch mehrerer), die ihre Hände einsetzen, um auf die Wicklung zu drücken, weist den Nachteil einer nur stellenweisen Krafteinwirkung auf, deren Intensität und Dauer begrenzt ist. Dazu kommen noch nicht unerhebliche Sicherheitsaspekte, da die Hände direkt Verletzungsgefahren ausgesetzt sind.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Höhenverdichtung einer Wicklung nach dern Wickelvorgang zu schaffen, ohne daß äußere Kräfte einwirken, so daß die obengenannten Nachteile vermieden sind.
• Zu diesem Zweck bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Höhenverdichtung einer für Transformatoren vorgesehenen Wicklung, die aus wenigstens einem elektrisch leitenden Draht besteht, der mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet ist und locker in Windungen entlang einer einzigen Drehrichtung aufgewickelt ist, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß nach dern Wickelvorgang die Windungen der Spule oder Wicklung von einem elektrischen Gleichstrom durchflossen werden, bevor diese in den sie aufnehmenden Transformator eingebaut wird.
• Wie man sieht, besteht die Erfindung in der Anwendung eines gut bekannten physikalischen Gesetzes, gemäß dem, daß zwei parallele, von elektrischen Strömen in gleicher Richtung durchflossene Leiter einander anziehen.
• Unter der Einwirkung derartiger innerer elektromagnetischer Kräfte nähern sich die Windungen jeweils paarweise aneinander an. Als Gesamteffekt erhält man eine Verringerung der Toträume in der Wicklung und damit eine Verringerung des von der Wicklung eingenommenen Volumens, insbesondere in Höhenrichtung, da die Wicklungen im allgemeinen erheblich länger als dicker sind.
• Die Stromstärke für die Verdichtung ist dabei der vorherrschende Faktor. Die gegenseitige Anziehungskraft hängt nämlich vom Quadrat dieser Stromstärke ab. Diese wiederum ist eine Funktion des Querschnitts des Leiters, wobei die Stromstärke wenigstens ein Dutzend A/mm² betragen muß, um ein merkliches Resultat zu erzielen und vorzugsweise mehrere Dutzend A/mm², beispielsweise in der Größenordnung von 20-40 A/mm², um ein zufriedenstellendes Ergebnis zu erreichen.
• Bei Versuchen wurde festgestellt, daß für Drähte mit einem Durchmesser von weniger als 5 mm diesseits einer Stromstärke von 10 A/mm² die elektromagnetische Kraft der Verdichtung nicht mehr ausreicht, um wirksam die Reibungskräfte der Windungen untereinander zu überwinden.
• Erfindungsgemäß gibt es keine obere Grenze für den Wert der elektrischen Stromstärke für die Verdichtung. Jedoch muß darauf geachtet werden, daß eine übermäßige Erwärmung der Wicklung oder Spule vermieden wird, die zu einer Beschädigung der isolierenden Beschichtung führen könnte und demzufolge zu inneren Kurzschlüssen.
• Die Erfahrung zeigt, daß eine ununterbrochene Zeit für den Stromfluß von einigen Sekunden, z.B. von 1 bis 5 sec. vorteilhaft ist. Selbstverständlich kann dieses Verfahren mehrfach wiederholt werden und dabei von kurzen Abkühlperioden unterbrochen sein, die ebenfalls einige Sekunden dauern. Direkt nach dern Abschalten des Stromes bemerkt man außerdem eine geringfü gige Verlängerung der Wicklung von einigen Millimetern, die zweifelsohne auf einen Federungseffekt der Windungen zurückzuführen ist, die sich nach dem Verschwinden der Anziehungskraft entspannen.
• Ohne ganz sicher zu sein, ist es jedoch auch denkbar, daß genau aus diesem Grund das Entspannungsphänomen der Windungen durch den Federeffekt bewirkt, daß die endgültige Verdichtung zunimmt, wenn aufeinanderfolgend einzelne derartige Schritte durchgeführt werden.
• Noch bessere Ergebnisse werden erzielt, wenn die Wicklung mit mechanischen Schwingungen beaufschlagt wird, entweder während des Stromflusses oder während der Unterbrechungen oder während des gesamten Verdichtungsvorgangs. Diese Schwingungs beaufschlagung kann ganz einfach mittels einer vibrierenden Klappe erzielt werden, welche als Halterung für die Wicklung dient.
• Die Erfindung kann ganz einfach dadurch verwirklicht werden, daß eine elektrische Gleichspannung an die beiden vorher abisolierten Enden der Wicklung gelegt wird.
• Dies bedingt, daß der verwendete elektrische Strom ein Gleichstrom ist. Dieser Strom kann direkt in dieser Form erzeugt werden, kann aber auch ganz allgemein ein gleichgerichteter Wechselstrom sein.
• Die während der Verdichtung angelegte elektrische Leistung hängt von der Wicklungsimpedanz ab, die sich nur bei einem Gleichstrom auf den elektrischen Widerstand reduziert. Die Verwendung eines Wechselstromes hingegen oder ganz allgemein eines variablen Stromes, würde zu einer erhöhten Leistung führen aufgrund der großen Windungsanzahl für diese Art von Wicklung und damit zu einer ebenfalls erhöhten Impedanz.
• Dieser Zuwachs kann im Falle von nur schwierig beherrschbaren Störeffekten in der Wicklung der erwünschten Verdichtung entgegenwirken, aufgrund von Induktionswirkungen, die ein variabler Strom in der unmittelbaren Umgebung der Wicklung erzeugt, sofern sich dort elektrisch leitende Teile befinden.
• Daher ist es wünschenswert, die seitliche Spulenausdehnung beizubehalten, z.B. durch Anordnung eines Ringkörpers um sie herum, so daß der Außendurchmesser auf einem gewünschten Wert gehalten wird, da sie sich ansonsten unter der Einwirkung der Höhenverdichtung geringfügig verbreitern würde. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, einen metallischen Ringkörper zu verwenden, der also elektrisch leitend ist, da dessen glatte Oberfläche einen minimalen Reibungswiderstand für die Windungen bietet und damit eine Verdichtung, verglichen mit einem rauhen Material, erleichtert. Es wurden Versuche durchgeführt, unter anderem mit einer Primärwicklung eines Transformators mit einer Nominalleistung von 3,5 MVA, bestehend aus einem Aluminiumdraht mit einem Durchmesser von 2,65 mm, der mit einer Emailschicht von 0,06 mm Dicke beschichtet war, und der im Rohzustand der Wicklung eine Höhe von 630 mm aufwies. Diese Höhe wies einen "Überstand" von 15 mm auf, der durch Verdichten zu beseitigen war.
• Zu diesem Zweck betrug die Stärke des verwendeten Gleichstromes 150 A, der mit einer Spannung von 2000 V angelegt wurde. Die ununterbrochene Durchflußdauer des Stromes wurde auf einige Sekunden begrenzt (ungefähr 2 oder 3 sec.), wobei dieser Schritt nur einmal und auf einer nicht vibrierenden Halterung durchgeführt wurde.
• Am Schluß dieses Vorgangs wurde die erwünschte Verringerung der Höhe der Wicklung, d.h. 15 mm, erreicht. Sie war vergleichbar mit der durch manuelles Beaufschlagen erzielten Verringerung, deren Größe in der Größenordnung von 30 bis 50 kgF, je nach der Person liegt.
• Allgemein beträgt das Ausmaß der Höhenverdichtung ungefähr 10 % mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, und dies je nach Bedarf nach einigen wiederholten Stromdurchflußsequenzen (drei oder vier), die von kurzen Unterbrechungsperioden unterbrochen waren, um es der Wicklung zu ermöglichen, sich abzukühlen und den Windungen zu ermöglichen, sich zu entspannen.
• Die Erfindung eignet sich für jegliche elektrische Wicklung für einen Transformator oder ein ähnliches Gerät, welche innere Toträume aufweist, aufgrund der Wickeltechnik in nicht zusammengepreßten Windungen, wie sie z.B. im bereits erwähnten Europäischen Patent 081446 beschrieben ist, (Ablagerung von Windungen unter dem Einfluß der Schwerkraft), das als repräsentatives jedoch keineswegs begrenzendes Beispiel für das Anwendungsgebiet der Erfindung genannt sei.

Claims (7)

1. Verfahren zum Verdichten einer für Transformatoren vorgesehenen Wicklung, die aus wenigstens einem elektrisch leitenden Draht besteht, der mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet ist und locker in Windungen entlang einer einzigen Drehrichtung aufgewickelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Wicklung die Windungen der Spule von einem elektrischen Gleichstrom durchflossen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdichte des elektrischen Gleichstroms wenigstens 10 A/mm² beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußdauer des elektrischen Stromes begrenzt ist auf einige Sekunden ohne Unterbrechung.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußdauer des elektrischen Stromes zwischen ungefähr 1 und 5 Sekunden liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere aufeinanderfolgende Durchflußsequenzen des elektrischen Stromes verwirklicht werden, unterbrochen von Pausenzeiten, um es der Wicklung zu ermöglichen, sich abzukühlen und den Windungen zu ermöglichen, sich zu entspannen.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung während und/oder vor den Durchflußseguenzen des elektrischen Stromes mit mechanischen Schwingungen beaufschlagt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung seitlich festgehalten wird, um ein Anwachsen ihres Außendurchmessers zu verhindern.