DE69727917T2

DE69727917T2 - Elektromagnetisches gerät

Info

Publication number: DE69727917T2
Application number: DE69727917T
Authority: DE
Inventors: Mats Leijon
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1996-05-29
Filing date: 1997-05-27
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2017-05-28
Also published as: OA11018A; JP3051905B2; KR20000016121A; BG63442B1; WO1997045848A1; US20020063487A1; JP2000511349A; EP0888662B1; CN1105413C; AP843A; EE03461B1; EP0888628B1; CZ387998A3; PL185200B1; JP2000511387A; PE73098A1; CO4600012A1; NO985499D0; IL127316A0; ID19546A

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromagnetisches Gerät für Starkstromzwecke mit einem ein magnetisches Feld erzeugenden elektrischen Kreis, zu dem mindestens eine Wicklung mit einem elektrischen Leiter mit einem Isolationssystem gehört. Dieses elektromagnetische Gerät kann in jedem elektrotechnischen Zusammenhang verwendet werden. Der Leistungsbereich kann reichen von VA bis zu 1000 MVA. Hauptsächlich ist an Hochspannungsanwendungen gedacht, und zwar bis zu den höchsten heute verwendeten Übertragungsspannungen.
Als eine erste Anwendung der Erfindung wird eine rotierende elektrische Maschine betrachtet. Zu diesen elektrischen Maschinen gehören Synchronmaschinen, die hauptsächlich als Generatoren zum Anschluß an Verteiler- und Übertragungsnetze verwendet werden, die im folgenden gemeinsam als Starkstromnetze bezeichnet werden. Die Synchronmaschinen werden auch als Motoren und zur Blindstromerzeugung und Spannungssteuerung verwendet, wobei sie im letztgenannten Falle als leerlaufende (mechanisch nicht belastete) Maschinen arbeiten. Zu dem technischen Gebiet gehören auch doppelt-gespeiste Maschinen, asynchrone Wandlerkaskaden, Außenpolmaschinen, Synchronflußmaschinen und asynchrone Maschinen.
Unter einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung wird das elektromagnetische Gerät zum Aufbau von Starkstromtransformatoren oder Starkstromreaktoren (Drosselspulen) verwendet. Für alle Übertragung- und Verteileranlagen elektrischer Energie werden Transformatoren verwendet, und ihre Aufgabe besteht darin, elektrische Energie zwischen zwei und mehr elektrischen Systemen zu übertragen, und hierfür wird in wohlbekannter Weise von der elektromagnetischen Induktion Gebrauch gemacht. Die Transformatoren, bei denen die vorliegende Erfindung in erster Linie angewendet wird, gehören zu den sogenannten Starkstromtransformatoren mit einer Nennleistung von einigen 100 kVA bis zu mehr als 1000 MVA bei einer Nennspannung von 3 bis 4 kV bis zu sehr hohen Übertragungsspannungen von 400 bis 800 kV oder höher.
Obwohl die folgende Beschreibung des Standes der Technik hinsichtlich der genannten zweiten Anwendung sich hauptsächlich auf Starkstromtransformator bezieht, ist die vorliegende Erfindung auch anwendbar für einphasige und dreiphasige Reaktoren (Drosselspulen). Hinsichtlich der Isolation und der Kühlung werden bei den Reaktoren im Prinzip die gleichen Einrichtungen wie bei Transformatoren verwendet. So gibt es luftisolierte und ölisolierte, selbstgekühlte und druckölgekühlte, usw. Reaktoren. Obwohl Reaktoren nur eine Wicklung (pro Phase) haben und sowohl mit als auch ohne einen Magnetkern aufgebaut sein können, ist die Beschreibung des Standes der Technik in weitem Umfange auch für Reaktoren relevant.
Die Wicklung des das magnetische Feld erregenden elektrischen Kreises kann bei einigen Ausführungsformen eine gewickelte Luftspule sein. In der Regel ist jedoch ein magnetischer Kern aus lamelliertem, normalem oder orientiertem, Blech vorhanden oder aus einem anderen, beispielsweise einem amorphen oder auf Pulver basierenden, Material vorhanden oder irgendeine andere Maßnahme zur Ermöglichung eines Wechselflusses, sowie eine Wicklung. Häufig enthält der Kreis irgendein Kühlsystem usw. Im Falle einer rotierenden elektrischen Maschine kann die Wicklung im Stator oder im Rotor der Maschine untergebracht sein oder im Stator und im Rotor.
Zu der Erfindung gehören auch ein Verfahren zur elektrischen Feldsteuerung in einem elektromagnetischen Gerät und ein Verfahren zur Herstellung eines magnetischen Kreises.
Stand der Technik
Um in der Lage zu sein, die Erfindung zu beschreiben, wird im folgenden der Stand der Technik sowohl hinsichtlich einer rotierenden elektrischen Maschine als auch hinsichtlich eines Starkstromtransformators beschrieben.
Rotierende elektrische Maschine
Eine solche rotierende elektrische Maschine wird am Beispiel einer Synchronmaschine erläutert. Der erste Teil der Beschreibung bezieht sich im wesentlichen auf den magnetischen Kreis einer solchen Maschine und daruf, wie dieser gemäß der herkömmlichen Technik aufgebaut ist. Da der zu behandelnde magnetische Kreis in den meisten Fällen im Stator untergebracht ist, wird der behandelte magnetische Kreis im folgenden normalerweise als ein Stator mit geblechtem (lamelliertem) Kern beschrieben, dessen Wicklung als Statorwicklung bezeichnet wird und dessen für die Aufnahme der Wicklung bestimmten Nuten des geblechten Kerns als Statornuten oder einfach als Nuten bezeichnet werden.
Die meisten synchronen Maschinen haben eine felderregende Wicklung im Rotor, von welcher der Hauptfluß durch Gleichstrom erregt wird, und eine Wechselstromwicklung im Stator. Die Synchronmaschinen haben normalerweise eine dreiphasigen Aufbau. Manchmal sind die Synchronmaschinen mit ausgeprägten Polen versehen. Diese tragen eine Wechselstromwicklung im Rotor.
Der Statorkörper großer Synchronmaschinen besteht häufig aus einer geschweißten Stahlblech-Konstruktion. Der lamellierte Kern besteht normalerweise aus lackiertem 0,35 oder 0,5 mm starkem Elektroblech. Bei großen Maschinen wird das Blech zu Segmenten gestanzt, die am Statorkörper durch eine Keil/Schwalbenschwanz-Verbindung befestigt werden. Der lamellierte Kern wird durch Preßfinger und Preßplatten zusammengehalten.
Zum Kühlen der Wicklungen von Synchronmaschinen stehen drei verschieden Kühlsysteme zur Verfügung.
Im Falle der Luftkühlung werden sowohl die Statorwicklung als auch die Rotorwicklung von durchströmender Luft gekühlt. Die Kühlluftkanäle befinden sich sowohl im Ständerblechpaket als auch im Rotor. Zur radialen Ventilation und Kühlung mittels Luft ist der geblechte Eisenkern zumindest für mittelgroße Maschinen und große Maschinen in einzelne Pakete mit radialen und axialen Lüftungskanälen versehen, die im Kern angebracht sind. Die Kühlluft kann die Umgebungsluft sein, jedoch wird bei großen Leistungen im wesentlichen ein geschlossenes Kühlsystem mit Wärmeaustauschern verwendet. Wasserstoffkühlung wird in Turbogeneratoren und in großen Synchronkompensatoren (Blindleistungserzeuger) verwendet. Dieses Kühlverfahren arbeitet in der gleichen weise wie die Luftkühlung mit Wärmeaustauschern, jedoch wird anstelle von Luft Wasserstoff als Kühlmittel verwendet. Wasserstoff hat eine besser Kühlkapazität als Luft, jedoch Schwierigkeiten entstehen an Dichtungen und bei der Überwachung auf Leckstellen. Bei Turbogeneratoren im höheren Leistungsbereich ist es bekannt, eine Wasserkühlung sowohl für die Statorwicklung als auch die Rotorwicklung zu verwenden. Die Kühlkanäle bestehen aus Rohren, die in den Leitern der Statorwicklung angebracht sind. Ein Problem bei großen Maschinen besteht darin, daß die Kühlung dazu neigt, ungleichmäßig zu werden, so daß Temperaturdifferenzen in der Maschine auftreten.
Die Statorwicklung wird in Nuten des geblechten Eisenkerns untergebracht, wobei die Nuten normalerweise einen rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt haben. Zu jeder Wicklungsphase gehört eine Anzahl von in Reihe geschalteten Spulengruppen und jede Spulengruppe enthält eine Anzahl von in Reihe geschalteten Spulen. Die verschiedenen Teile der Spule werden bezeichnet als Spulenseite, wobei es sich um den Teil handelt, der im Statorkern angeordnet ist, und Spulenenden (Wicklungsköpfe), wobei es sich um den Teil handelt, der außerhalb des Statorkerns angeordnet ist. Eine Spule enthält einen oder mehrere Leiter, die übereinander, und/oder nebeneinander angeordnet sind. Zwischen benachbarten Leitern befindet sich eine dünne Isolation aus, zum Beispiel Epoxy/Glasfaser.
Die Spule ist gegenüber der Nutwand mit einer Spulenisolation versehen, d.h. mit einer Isolation, die so ausgelegt ist, daß sie der Nennspannung der Maschine gegenüber Erde widersteht. Als Isoliermaterial können verschiedene Kunststoffe, Lack- und Glasfasermaterialien verwendet werden. Gewöhnlich wird sogenanntes Glimmerband verwendet, welches eine Mischung aus Glimmer und Hartkunststoff ist und welches speziell hergestellt wird, um eine Beständigkeit gegenüber Glimmentladungen zu erreichen, die schnell zu einem Zusammenbruch der Isolation führen können. Die Isolation wird in der Weise auf der Spule angebracht, daß das Glimmerband in mehreren Lagen um die Spule gewickelt wird. Die Isolation wird impregniert, und dann wird die Spulenseite mit einer auf Kohle basierenden Farbe bestrichen, um den Kontakt mit dem umgebenden Statoreisen (den Nutwänden), welches auf Erdpotential liegt, zu verbessern.
Der Leiterquerschnitt der Wicklung wird bestimmt durch die vorgesehene Stromstärke und durch die angewendete Kühlung. Der Leiter und die Spule haben gewöhnlich eine Rechteckform, um möglichst viel Leitermatieral in der Nut unterbringen zu können. Eine typische Spule wird aus sogenannten Roebelstäben hergestellt, wobei bestimmte Stäbe zum Durchfluß eines Kühlmittels hohl ausgebildet sind. Ein Roebelstab enthält eine Vielzahl rechteckiger, parallel geschalteter Kupferleiter, die längs der Nut um 360 Grad transponiert (verdrillt) sind. Ringlangstäbe mit einer Transponierung von 540 Grad und andere Transponierungen kommen auch vor. Die Transponierung erfolgt zur Unterdrückung von Wirbelströmen (Stromverdrängung), die über den Querschnitt des Leitermaterials auftreten, gesehen in Richtung des magnetischen Feldes.
Aus mechanischen und elektrischen Gründen kann eine Maschine nicht in beliebiger Größe gebaut werden. Die Maschinenleistung wird im wesentlichen durch drei Faktoren bestimmt:

– Den Leiterquerschnitt der Wicklung. Bei normaler Betriebstemperatur herrscht beispielsweise im Kupfer eine maximale Stromdichte von 3 bis 3,5 A/mm².
– Die maximale Flußdichte (magnetischer Fluß) im Ständer- und Rotormaterial.
– Die maximale elektrische Feldstärke im Isoliermaterial, die sogenannte dielektrische Festigkeit.

Mehrphasige Wechselstromwicklungen sind entweder als Einschicht- oder als Zweischichtwicklungen aufgebaut. Im Falle der Einschichtwicklung befindet sich nur eine Spulenseite in einer Nut, und im Falle der Zweischichtwicklung befinden sich zwei Spulenseiten in einer Nut. Zweischichtwicklungen werden gewöhnlich als Diamantwicklungen (Spulen gleicher Weite) gebaut, während Einschichtwicklungen, die in diesem Zusammenhang relevant sind, als Diamantwicklung oder als konzentrische Wicklung gebaut werden können. Im Falle einer Diamantwicklung kommt nur eine Spulenweite (oder eventuell zwei Spulenweiten) vor, während flache Wicklungen als konzentrische Wicklungen ausgebildet sind, d.h. mit einer stark variierenden Spulenweite. Unter Spulenweite wird der Abstand, gemessen im Bogenmaß, zwischen zwei Spulenseiten verstanden, die zu der gleichen Spule gehören, bezogen entweder auf die relevante Polteilung oder auf die Anzahl der überdeckten Nutteilungen. Gewöhnlich werden unterschiedlich große Sehnungen angewendet, beispielsweise Bruchteile einer Polteilung, um der Wicklung gewünschte Eigenschaften zu geben. Die Art der Wicklung bestimmt im wesentlichen, wie die Spulen in den Nuten, also die Spulenseiten, außerhalb des Stators, also an den Spulenenden (Wicklungsköpfen), miteinander verbunden werden.
Außerhalb des geblechten Statorpaketes ist die Spule nicht mit einer aufgebrachten halbleitenden Erdpotentialschicht versehen. Die Spulenenden sind normalerweise mit einer elektrischen Feldsteuerung in Gestalt eines sogenannten Glimmschutzlacks versehen, durch die ein Radialfeld in ein Axialfeld umgewandelt werden soll. Dies bedeutet, daß die Isolation an den Spulenenden auf einem hohen Potential gegenüber Erde liegt. Dies führt manchmal zu Glimmentladungen im Wicklungskopfbereich, die zerstörend sein können. Die sogenannten feldsteuernden Punkte an den Spulenenden bereiten Probleme bei einer rotierenden elektrischen Maschine.
Normalerweise sind alle großen Maschinen mit einer Zweischichtwicklung und gleich großen Spulen versehen. Jede Spule liegt mit einer Seite in der einen Schicht und mit der anderen Seite in der anderen Schicht. Das bedeutet, daß alle Spulen in den Wicklungsköpfen einander kreuzen. Wenn mehr als zwei Schichten verwendet werden, so machen diese Kreuzungen die Wickelarbeit schwierig und verschlechtern die Wicklungsköpfe.
Es ist allgemein bekannt, daß der Anschluß einer Synchronmaschine/eines Generator an ein Starkstromnetz über einen dreieck/stern-geschalteten sogenannten herauf-transformierenden Transformator erfolgen muß, da die Spannung des Starkstromnetzes normalerweise größer ist als die Spannung der rotierenden elektrischen Maschine. Zusammen mit der Synchromaschine bildet dieser Transformator ein integrales Teil der Anlage. Der Transformator stellt einen zusätzlichen Kostenaufwand dar, und er hat auch den Nachteil, daß der Gesamtwirkungsgrad des Systems verkleinert wird. Wenn es möglich wäre, Maschinen für bedeutend höhere Spannungen zu bauen, so könnte der herauf-transformierende Transformator entfallen.
Während der letzten beiden Jahrzehnte ist ein zunehmender Bedarf an rotierenden elektrischen Maschinen für höhere Spannungen entstanden als diejenigen Spannungen, für die sie bisher gebaut werden konnten. Die maximalen Spannungen, die nach dem Stand der Technik für Synchronmaschinen mit einer guten Ausstoß bei der Produktion von Spulen erreicht werden konnten, liegen bei etwa 25 bis 30 kV.
Gewisse Versuche zu einem neuen Ansatz beim Bau von Synchronmaschinen werden u.a. in einem Artikel mit dem Titel beschrieben "Water-and-oil-cooled Turbogenerator TVM-300" in J. Elektrotechnika, Nr. 1, 1970, Seite 6–8, in der US-PS 4 429 244 "Stator of Generator" und in dem russischen Patentdokument CCCP Patent 955369.
Die wasser- und ölgekühlten Synchronmaschinen, die in J. Elektrotechnika beschrieben werden, sind für Spannungen bis 20 kV bestimmt. Der Artikel beschreibt ein neues Isolationsystem, bestehend aus einer Öl/Papierisolation, die es erlaubt, den Stator vollständig in Öl einzutauchen. Das Öl kann dann als Kühlmittel verwendet werden, während es gleichzeitig als Isolation dient. Um zu verhindern, daß Öl aus dem Stator in den Rotor leckt, ist ein dielektrischer Öltrennungsring an der inneren Oberfläche des Kerns vorgesehen. Die Statorwicklung besteht aus Leitern mit einem ovalen hohlen Querschnitt, die mit einer Öl- und Papierisolation versehen sind. Die Spulenseiten mit ihrer Isolation sind in den mit rechteckigem Querschnitt versehenen Nuten mittels Keilen befestigt. Als Kühlmittel wird Öl verwendet, und zwar sowohl in den hohlen Leitern wie auch in Löchern in der Statorwand. Solche Kühlsysteme haben jedoch eine große Anzahl von Ölverbindungen und elektrischen Verbindungen an den Spulenenden zur Folge. Die dicke Isolation bedingt größere Radien an den Biegungen der Leiter, was wiederum in ein vergrößertes Maß des aus dem Statorkern herausragenden Wicklungsteils zur Folge hat.
Das obengenannte US-Patent bezieht sich auf den Statorteil einer Synchronmaschine, welcher einen magnetischen Kern aus lamelliertem Blech mit trapezförmigen Nuten für die Statorwicklung hat. Die Nuten verjüngen sich nach innen in Richtung zum Rotor, da der Bedarf an Isolation für die Statorwicklung in dieser Richtung abnimmt, da der neutrale Punkt der Wicklung am dichtesten am Luftspalt liegt. Außerdem besitzt der Statorteil einen dielektrischen Öl separierenden Zylinder dicht an der inneren Oberfläche des Kerns (also am Luftspalt). Hierdurch wird die erforderliche magnetische Erregung im Verhältnis zu einer Maschine ohne diesen Ring vergrößert. Die Statorwicklung besteht aus in Öl eingetauchten Kabeln mit dem gleichen Durchmesser für jede Spulenlage. Die Lagen sind voneinander durch Abstandsstücke in den Nuten getrennt und durch Keile befestigt. Ein spezielles Merkmal dieser Wicklung besteht darin, daß sie zwei sogenannte Halbwicklungen enthält, die in Reihe geschaltet sind. Eine dieser Halbwicklungen ist zentriert innerhalb einer Isolierhülse angeordnet. Die Leiter der Statorwicklung werden durch umgebendes Öl gekühlt. Nachteilig an einer so großen Ölmenge in dem System sind die Gefahr von der Leckstellen und der große Umfang der Säuberungsarbeiten, die als Folge eines Fehlers notwendig werden können. Diejenigen Teile der Isolierhülse, die außerhalb der Nuten liegen, bilden ein zylindrisches Teil und ein konisches Ende, das mit stromführenden Schichten verstärkt ist, deren Aufgabe darin besteht, die elektrische Feldstärke in dem Bereich, in welchem das Kabel in den Wicklungskopf eintritt, zu steuern.
Aus der CCCP 955369 geht hervor, daß bei einem anderen Versuch, die Nennspannung der Synchronmaschine zu erhöhen, die öl-gekühlte Statorwicklung ein konventionelles Hochspannungskabel mit gleichen Abmessungen in allen Lagen enthält. Das Kabel ist in Statornuten untergebracht, die als kreisförmige radial angeordnete Öffnungen ausgebildet sind, die der Querschnittsfläche des Kabels und dem notwendigen Raum zur seiner Befestigung und für das Kühlmittel entsprechen. Die verschiedenen radial angeordneten Lagen der Wicklung sind von Isolierrohren umgeben und in diesen befestigt. Isolierende Abstandsstücke fixieren die Rohre in der Statornut. Wegen der Ölkühlung ist auch hier ein innerer dielektrischer Ring erforderlich, um das aus Öl bestehende Kühlmittel zum Luftspalt hin abzudichten. Der Aufbau zeigt auch eine sehr enge radiale Einschnürung zwischen den verschiedenen Statornuten, was einen großen Nutenstreufluß zur Folge hat, wodurch der Magnetisierungsbedarf (die Erregerleistung) der Maschine signifikant beeinflußt (vergrößert) wird.
Ein Bericht aus Electric Power Research Institute, EPRI, EL-3391 aus 1984 bring einen Überblick über Maschinenkonzepte zur Erzielung einer höheren Spannung von rotierenden elektrischen Maschine mit dem Ziel, eine Maschine an ein Starkstromnetz ohne zwischengeschalteten Transformator anschließen zu können. Eine solche Lösung wird in der Untersuchung dahingehend bewertet, daß sie einen großen Wirkungsgrad hat und große wirtschaftliche Vorteile mit sich bringt. Der Hauptgrund, daß man es in 1984 für möglich hielt, Generatoren für einen direkten Anschluß an ein Starkstromnetz zu entwickeln, bestand darin, daß zu jener Zeit ein supraleitender Rotor gebaut wurde. Die große Magnetisierungskapazität (Erregerkapazität) eines durch eine supraleitende Feldwicklung erregten Feldes macht es möglich, eine Luftspaltwicklung ausreichender Dicke zu verwenden, um elektrischen Beanspruchungen zu widerstehen. Durch Kombination des meist versprechenden Konzepts gemäß dem Projekt, nämlich dem Bau eines magnetischen Kreises mit einer Wicklung, einem sogenannten monolitischen Zylinderanker, ein Konzept, bei dem die Wicklung aus zwei Zylindern aus Leitern besteht, die konzentrisch in drei zylindrische Isoliermäntel eingeschlossen sind und die gesamte Anordnung an einem Eisenkern ohne Zähne befestigt wird, wurde angenommen, daß eine rotierende elektrische Maschine für hohe Spannung direkt an ein Starkstromnetz angeschlossen werden könnte. Die Lösung bedeutete, daß die Hauptisolation aureichend dick gemacht werden muß, um mit den Potentialen zwischen zwei Netzen und zwischen Netz und Erde fertig zu werden. Das Isolationsystem, welches nach Untersuchung aller zu jener Zeit bekannten Techniken als notwendig betrachtet wurde, um eine Spannungserhöhung zu erzielen, war das, welches normalerweise für Starkstromtransformatoren verwendet wurde und welches aus Zellulosepreßspan besteht, welcher mit einer isolierenden Flüssigkeit impregniert ist. Offensichtliche Nachteile der vorgeschlagenen Lösung bestehen darin, daß neben der Notwendigkeit eines supraleitfähigen Rotors eine sehr dicke Isolation erforderlich ist, welche die Maschine vergrößert. Die Spulenenden müssen isoliert sein und mit Öl oder Freon gekühlt werden, um die starken elektrischen Felder an den Wicklungsenden zu beherrschen. Die gesamt Maschine muß hermetisch abgekapselt werden, um zu verhindern, daß das flüssige Dielektrikum Feuchtigkeit aus der Atmosphäre aufnimmt.
Bei der Herstellung von rotierenden elektrischen Maschinen gemäß dem Stand der Technik wird die Wicklung mit den Leitern und dem Isolationsystem in verschiedenen Schritten hergestellt, wobei die Wicklung vor ihrer Einlegung in den magnetischen Kreis vorgeformt werden muß. Die Impregnation zur Herstellung des Isolationssystems erfolgt, nachdem die Wicklung in den magnetischen Kreis eingefügt worden ist.
Starkstromtransformator/Starkstromreaktor
Um in der Lage zu sein, einen Starkstromtransformator/Starkstromreaktor gemäß der Erfindung in seinem rechten Zusammenhang zu sehen und um folglich in der Lage zu sein, das neue Konzept der Erfindung sowie die durch die Erfindung im Verhältnis zum Stand der Technik erzielten Vorteile zu beschreiben, wird zunächst eine relativ vollständige Beschreibung eines Starkstromtransformators, wie er gegenwärtig gebaut wird, im gegeben. Außerdem werden die Grenzen und Probleme aufgezeigt, die auftreten, wenn es um die Berechnung, den Aufbau, die Isolation, die Erdung, die Herstellung, die Verwendung, die Prüfung, den Transport usw. dieser Transformatoren geht.
Rein allgemein besteht die primäre Aufgabe eines Starkstromtransformators darin, die Übertragung elektrischer Energie zwischen zwei oder mehr elektrischen Systemen zu ermöglichen, die normalerweise unterschiedliche Spannungen aber gleiche Frequenz haben.
Ein herkömmlicher Starkstromtransformator enthält einen Transformatorkern, der im folgenden als "Kern" bezeichnet wird und der oft aus lamelliertem orientiertem Blech, gewöhnlich aus Siliziumeisen, besteht. Der Kern enthält eine Anzahl von Kernschenkeln, die über Joche miteinander verbunden sind. Schenkel und Joche zusammen bilden ein oder mehrere Kernfenster. Transformatoren mit einem solchen Kern werden oft als Kerntransformatoren bezeichnet. Auf den Kernschenkeln ist eine Anzahl von Wicklungen angebracht, die normalerweise als Primärwicklung, Sekundärwicklung und Steuerwicklung bezeichnet werden. Soweit es sich um Starkstromtransformatoren handelt, sind diese Wicklungen praktisch stets konzentrisch angeordnet und längs der Kernschenkel verteilt. Der Kerntransformator hat normalerweise kreisförmige Spulen sowie sich verjüngende Kernschenkelquerschnitte (abgestufter Kernschenkel), um den inneren freien Querschnitt der Spulen möglichst dicht mit Kerneisen auszufüllen.
Es sind auch andere Kernkonstruktionen bekannt, wie beispielsweise diejenigen von sogenannten Manteltransformatoren. Diese sind oft mit rechteckigen Spulen und einem rechteckigen Kernschenkelquerschnitt aufgebaut.
Herkömmliche Starkstromtransformatoren im unteren Bereich des obengenannten Leistungsbereiches sind manchmal für Luftkühlung gebaut, um die unvermeidbaren inneren Verluste abzuführen. Zum Schutz gegen Berührung und evtl. zur Reduzierung des äußeren magnetischen Feldes des Transformators ist dieser dann häufig mit einem äußeren Gehäuse versehen, welches Ventilationsöffnungen hat.
Die meisten bekannten Starkstromtransformatoren sind jedoch ölgekühlt. Ein Grund dafür besteht darin, daß das Öl zusätzlich die wichtige Funktion des Isoliermittels übernimmt. Ein öl-gekühlter und öl-isolierter Starkstromtransformator ist daher von einem äußeren Tank umgeben, an den, wie aus der folgenden Beschreibung klar wird, sehr hohe Anforderungen gestellt werden. Normalerweise sind Einrichtungen zur Wasserkühlung der Spulen vorgesehen.
Der folgende Teil der Beschreibung bezieht sich zum überwiegenden Teil auf öl-gefüllte Starkstromtransformatoren.
Die Wicklungen des Transformators bestehen aus einer oder mehreren in Reihe geschalteten Spulen, die aus einer Anzahl von in Reihe geschalteten Windungen aufgebaut sind. Außerdem sind die Spulen mit einer. speziellen Einrichtung versehen, um Umschaltungen zwischen den Anschlüssen der Spulen zu ermöglichen. Eine solche Einrichtung kann für eine Umschaltung mit Hilfe von Schraubverbindungen ausgerüstet sein oder häufiger mit Hilfe eines speziellen Umschalters, der in der Nähe des Tanks betätigbar ist. In dem Falle, daß die Umschaltung für einen Transformator unter Spannung möglich sein soll, wird der Umschalter als Stufenlastschalter bezeichnet, während er anderenfalls als spannungsfreier Stufenschalter bezeichnet wird.
Bei öl-gekühlten und öl-isolierten Starkstromtransformatoren des oberen Leistungsbereiches befinden sich die unterbrechenden Elemente der Stufenlastschalter in einem besonderen mit Öl gefüllten Behälter, der direkt an den Transformator, tank angeschlossen ist. Die Unterbrecherelemente werden rein mechanisch über eine von einem Motor getriebene rotierende Welle betätigt, und sie sind so angeordnet, daß man eine schnelle Bewegung während des Schaltvorganges erhält, wenn der Kontakt geöffnet wird, und eine langsamere Bewegung, wenn der Kontakt geschlossen wird. Die Stufenlastschalter als solche sind jedoch im Tränsformatortank selbst angeordnet. Während des Betriebes treten Lichtbögen und Funken auf. Dies führt zu einer Verschlechterung des Öls im Behälter. Um weniger Lichtbögen zu erhalten und damit weniger Bildung von Ruß und weniger Abnutzung der Kontakte, sind die Stufenlast schalter normalerweise auf der Hochspannungsseite des Transformators angeschlossen. Dies liegt an der Tatsache, daß die zu unterbrechenden beziehungsweise einzuschaltenden Ströme auf der Hochspannungsseite kleiner sind, als wenn die Stufenlastschalter auf der Niederspannungsseite angeschlossen wären. Fehlerstatistiken über konventionelle ol-gefüllte Starkstromtransformatoren zeigen, daß es oft die Stufenlastschalter sind, welche Fehler verursachen.
Im unteren Leistungsbereich von Öl-gekühlten und Öl-isolierten Starkstromtransformatoren sind sowohl die Stufenlastschalter als auch ihre Unterbrecherelemente innerhalb des Tanks angeordnet. Dies bedeutet, daß die obengenannten Probleme mit der Verschlechterung des Öls wegen des Auftretens von Lichtbögen während der Betätigung usw. das gesamte Ölsystem betreffen.
Aus der Sicht der angelegten oder induzierten Spannung kann in etwa gesagt werden, daß eine Spannung, die stationär an der Wicklung anliegt, sich gleichmäßig auf die Windungen der Wicklung verteilt, d.h., daß die Windungsspannung für alle Windungen gleich groß ist.
Aus der Sicht des elektrischen Potentials jedoch ist die Situation vollständig anders. Ein Ende der Wicklung ist normalerweise geerdet. Dies bedeutet jedoch, daß das elektrische Potential Windungen sich linear von praktisch Null in der Windung, die am nächsten am Erdpotential liegt, bis zu einem Potential in derjenigen Windung, die am anderen Ende der Wicklung liegt und die angelegte Spannung führt, sich vergrößert. Diese Potentialverteilung bestimmt den Aufbau des Isolationssystems, denn es ist notwendig, eine ausreichende Isolation sowohl zwischen benachbarten Windungen der Wicklung als auch zwischen jeder Windung und Erde zu haben.
Die Windungen einer einzelnen Spule sind normalerweise in einer geometrisch zusammenhängenden Einheit vereint, die körperlich von den anderen Spulen getrennt ist. Der Abstand zwischen den Spulen wird ebenfalls bestimmt durch die dielektrische Beanspruchung, die zwischen den Spulen zugelassen wird. Dies bedeutet somit, daß auch zwischen den Spulen ein gewisser Isolationsabstand erforderlich ist. Gemäß dem oben Gesagten sind ausreichende Isolationabstände auch zu den anderen elektrisch leitenden Teilen erforderlich, die sich innerhalb des elektrischen Feldes des lokal auftretenden elektrischen Potentials der Spulen befinden.
Aus der vorgenannten Beschreibung wird somit klar, daß für die einzelnen Spulen die Spannungsdifferenz innen zwischen körperlich benachbarten Leiterelementen relativ niedrig ist, während die Spannungsdifferenz äußerlich gegenüber anderen metallischen Teilen – die anderen Spulen eingeschlossen – relativ groß sein kann. Die Spannungsdifferenz wird bestimmt durch die durch magnetische Induktion bestimmte Spannung sowie durch kapazitiv verteilte Spannungen, die von dem angeschlossenen äußeren elektrischen System an den äußeren Anschlüssen des Transformators auftreten können. Die Spannungen, die von außen zugeführt werden, enthalten neben der Betriebsspannung auch durch Blitzschlag verursachte Überspannungen und schaltungsbedingte Überspannungen.
In den Stromleitern der Spulen treten zusätzliche Verluste auf infolge des den Leiter umgebenden magnetischen Streufeldes. Um diese Verluste so klein wie möglich zu halten, sind die Leiter, insbesondere für Starkstromtransformatoren im oberen Leistungsbereich, normalerweise in eine Anzahl von Leiterelementen unterteilt, oft bezeichnet als Litzenleiter, Einzelleiter oder Teilleiter, die während des Betriebes zueinander parallel geschaltet sind. Diese Teilleiter müssen gemäß einem solchen Muster transponiert (mit einander ver drillt) werden, daß die in jedem Teilleiter induzierte Spannung für alle Leiter möglichst gleich groß ist, damit die Differenz der induzierten Spannung zwischen jedem Paar von Teilleitern so klein wie möglich ist, um intern zirkulierende Stromkomponenten (Wirbelströme) auf ein unter dem Gesichtspunkt der Verluste annehmbares Maß niedrig zu halten.
Beim Bau von Transformatoren gemäß dem Stande der Technik besteht das allgemeine Ziel, eine möglichst große Menge von Leitermaterial innerhalb einer durch das sogenannte Transformatorfenster begrenzten Fläche unterzubringen, also, allgemein gesagt, einen möglichst großen Füllfaktor zu erreichen. In dem verfügbaren Raum muß zusätzlich zu dem Leitermaterial auch das zu den Spulen gehörende Isolationmaterial untergebracht werden, welches einerseits aus dem inneren zwischen den Spulen vorhandenen Isolationmaterial besteht und andererseits aus dem zur Isolierung gegenüber metallischen Bauteilen, einschließlich des magnetischen Kerns, erforderlich Isolationsmaterial besteht.
Das Isolationsystem, einerseits innerhalb einer Spule/Wicklung und andererseits zwischen Spulen/Wicklungen und anderen metallischen Teilen, besteht normalerweise aus einer festen auf Zellulose oder Lack basierenden Isolation unmittelbar am einzelnen Leiterelement und außerhalb von diesem aus fester Zellulose und flüssigem, eventuell auch gasförmigem Isolationmaterial. Wicklungen mit Isolation und möglichen Versteifungselementen bilden auf diese Weise ein großes Volumen, welches hohen elektrischen Feldstärken ausgesetzt ist, die in und um die aktiven elektromagnetischen Teilen des Transformators auftreten. Um in der Lage zu sein, die auftretenden dielektrischen Beanspruchungen zu bestimmen, und um eine Bemessung mit einer minimalen Gefahr eines Zusammenbruchs (Durchschlag oder Überschlag) der Isolation zu erzielen, ist eine gute Kenntnis der Eigenschaften des Isolationmaterials erforderlich. Es ist auch wichtig, eine solche äußere Umgebung zu schaffen, das die isolierenden Eigenschaften nicht verändert oder verschlechtert werden.
Das gegenwärtig vorherrschende Isolationsystem für Hochspannungs-Starkstromtransformatoren besteht aus Zellulosematerial als festes Isolationmaterial und Transformatoröl als flüssiges Isolationmaterial. Das Transformatoröl basiert auf sogenanntem Mineralöl. Das Transformatoröl hat eine doppelte Aufgabe, da es neben seiner isolierenden Funktion aktiv zur Kühlung des Kerns, der Wicklungen usw. beiträgt, indem es die Verlustwärme des Transformators abführt. Ölkühlung verlangt eine Ölpumpe, ein äußeres Kühlelement, eine Ausdehnungskupplung usw..
Die elektrische Verbindung zwischen den äußeren Anschlüssen des Transformators und den unmittelbar angeschlossenen Spulen/Wicklungen wird als "Durchführung" bezeichnet, die dazu dient, eine leitende Verbindung durch den Tank, der im Falle eines öl-gefüllten Starkstromtransformators den eigentlichen Transformator umgibt, herzustellen. Die Durchführung ist oft ein separates Bauteil, welches an dem Tank befestigt ist. Sie ist so ausgelegt, daß sie den Isolationanforderungen standhält, die sowohl an die Außenseite wie an die Innenseite des Tanks gestellt werden, während sie gleichzeitig den auftretenden Strombelastungen und den daraus resultierenden Stromkräften widerstehen muß. Es ist darauf hinzuweisen, daß die gleichen Anforderungen an das Isolationsystem, wie sie oben für die Wicklungen beschrieben wurden, auch für die notwendigen inneren Verbindungen zwischen den Spulen, zwischen Durchführungen und Spulen, den unterschiedlichen Typen von Umschaltschaltern und den Durchführungen als solche gelten.
Sämtliche metallischen Bauteile innerhalb eines Starkstromtransformators sind normalerweise an ein gegebenes Erdpotential angeschlossen mit Ausnahme der stromführenden Leiter. Auf diese Weise wird die Gefahr eines unerwünschten und schwer zu beherrschenden Potentialanstiegs als Folge einer kapazitiven Spannungsverteilung zwischen den auf hohem Potential liegenden Stromleitern und Erde vermieden. Ein solcher unerwünschter Potentialanstieg kann Glimmentladungen, sogenannte Koronaentladungen, zur Folge haben. Koronaentladungen können während der normalen Abnahmetests auftreten, die teilweise im Vergleich zu den Nenndaten unter erhöhter Spannung und Frequenz stattfinden. Koronaentladungen können zu Schäden während des Betriebes führen.
Die einzelnen Spulen in einem Transformator müssen eine solche mechanische Bemessung haben, daß sie allen Beanspruchungen widerstehen können, die als Folge von auftretenden Strömen und den daraus resultierenden Stromkräften während eines Kurzschlusses entstehen. Normalerweise sind die Spulen so konstruiert, daß die auftretenden Kräfte innerhalb jeder einzelnen Spule aufgenommen werden, was bedeutet, daß die Spule nicht optimal für ihre normale Funktion während des normalen Betriebes bemessen werden können.
Innerhalb eines engen Spannungs- und Leistungsbereiches von öl-gefüllten Starkstromtransformatoren werden Wicklungen in Gestalt sogenannter Bandwicklungen verwendet. Dies bedeutet, daß die oben beschriebenen individuellen Leiter durch dünne Metallbänder ersetzt sind. Bandgewickelte Starkstromtransformatoren werden für Spannungen bis zu einer Größe von 20 bis 30 kV und Leistungen bis zu einer Größe von 20 bis 30 MW gebaut.
Das Isolationsystem von Starkstromtransformatoren im oberen Leistungsbereich erfordert, zusätzlich zu einem relativ kom plizierten Aufbau, auch spezielle Herstellungmaßnahmen, um die Eigenschaften des Isolationsystems in der best möglichen Weise zu nutzen. Um eine gute Isolation zu erhalten, soll das Isolationsystem einen niedrigen Feuchtigkeitsgehalt haben, der feste Teil der Isolation soll gut mit dem umgebenden Öl impregniert sein und die Gefahr von verbleibenden "Gaseinschlüssen" in dem festen Material muß minimal sein. Um dies sicherzustellen, wird ein spezieller Trocknungs- und Impregniervorgang an dem vollständigen Kern mit den Wicklungen vorgenommen, bevor dieser in den Tank eingesetzt wird. Nach diesem Trocknungs- und Impregniervorgang wird der Transformator in den Tank eingesetzt, welcher dann dichtend verschlossen wird. Bevor das Öl eingefüllt wird, muß der Tank mit dem darin befindlichen Transformator von aller Luft entleer werden. Dies erfolgt im Zusammenhang mit einer speziellen Vakuumbehandlung. Nachdem dies durchgeführt worden ist, findet das Einfüllen des Öls statt.
Um imstande zu sein, die zugesagte Lebensdauer usw. zu erreichen, ist im Zusammenhang mit der genannten Vakuumbehandlung eine Evakuierung bis zu einem fast vollständigen Vakuum erforderlich. Dies setzt somit voraus, daß der den Transformator umgebenden Tank für volles Vakuum konstruiert ist, was den Verbrauch einer beträchtlichen Materialmenge und beträchtliche Herstellungzeit zur Folge hat.
Wenn in einem öl-gefüllten Starkstromtransformator elektrische Entladungen auftreten oder wenn eine örtliche bedeutende Erhöhung der Temperatur in einem Teil des Transformators auftritt, zerfällt das Öl und gasförmige Produkte werden im Öl gelöst. Die Transformatoren sind daher normalerweise mit Überwachungsgeräten zur Feststellung von im Öl gelösten Gasen ausgerüstet.
Aus Gewichtsgründen werden große Transformatoren ohne Öl transportiert. Die Installation des Transformators vor Ort beim Kunden verlangt daher eine erneute Vakuumbehandlung. Außerdem ist dies ein Vorgang, der darüber hinaus jedes Mal wiederholt werden muß, wenn der Tank geöffnet wird, für eine Maßnahme oder zur Inspektion.
Es ist offensichtlich, daß diese Vorgänge sehr zeitraubend sind und Kosten verursachen und sie einen bedeutenden Teil der Gesamtzeit für die Herstellung und Reparatur darstellen und gleichzeitig den Zugang zu bedeutenden Einrichtungen erfordern.
Das Isolationmaterial in konventionellen Starkstromtransformatoren macht einen großen Teil des Gesamtvolumens des Transformators aus. Für einen Starkstromtransformator im oberen Leistungsbereich können Ölmengen in der Größenordnung von Hunderten von Kubikmetern Transformatoröl vorkommen. Das Öl, das eine gewisse Ähnlichkeit mit Dieselöl hat, ist dünnflüssig und hat einen relativ niedrigen Zündpunkt. Es ist daher offensichtlich, daß Öl zusammen mit der Zellulose eine nicht vernachlässigbare Feuergefahr im Falle einer unbeabsichtigten Erhitzung darstellt, beispielsweise bei einem inneren Überschlag und einem daraus resultierenden Auslaufen von Öl.
Es ist ferner ersichtlich, daß insbesondere bei öl-gefüllten Starkstromtransformatoren ein sehr großes Transportproblem besteht. Ein solcher Starkstromtransformator im oberen Leistungsbereich kann ein Gesamtgewicht von bis zu 1000 Tonnen haben. Die äußeren Abmessungen des Transformators müssen manchmal dem vorhanden Transportprofil angepaßt werden, damit sie durch enge Passagen wie Brücken, Tunnel usw. hindurch passen.
Es folgt eine kurze Zusammenfassung des Standes der Technik hinsichtlich öl-gefüllter Starkstromtransformatoren, die als Begrenzungen und Problemfelder solcher Transformatoren zu verstehen sind:
Für einen öl-gefüllten konventionellen Starkstromtransformator gilt:

– Er hat einen äußeren Tank, welcher den eigenlichen Transformator aufnimmt, zu dem ein Transformatorkern mit Spulen, Öl zur Isolierung und Kühlung, mechanische Versteifungseinrichtungen verschiedener Art usw. gehören. An den Tank werden sehr hohe mechanische Anforderungen gestellt, da er ohne Öl aber mit dem Transformator in der Lage sein soll, eine Vakuumbehandlung bis praktisch zu einem vollen Vakuum Stand zu halten. Der Tank erfordert sehr umfangreiche Herstellungs- und Prüfverfahren, und die großen äußeren Abmessungen des Tanks verursachen normalerweise beträchtliche Transportprobleme;
– er hat normalerweise eine sogenannte Druckölkühlung. Dieses Kühlverfahren erfordert die Bereitstellung einer Ölpumpe, eines äußeren Kühlelementes, eines Ausdehnungsgefäßes und einer Ausdehnungskupplung, usw.
– er hat eine elektrische Verbindung zwischen den äußeren Anschlüssen des Transformators und den unmittelbar angeschlossenen Spulen/Wicklungen in Gestalt einer an dem Tank befestigten Durchführung. Die Durchführung ist so ausgelegt, daß sie allen Isolationsanforderungen stand hält sowohl hinsichtlich der inneren als auch der äußeren Seite des Tanks.
– er hat Spulen/Wicklungen, deren Leiter in eine Vielzahl von Leiterelementen, Teilleitern, unterteilt sind, die in solcher Weise transponiert werden müssen, daß die in al len Teilleitern induzierten Spannungen untereinander möglichst gleich groß sind und daß die Differenz der induzierten Spannung zwischen jedem Paar von Teilleitern möglichst klein ist.
– er hat ein Isolationsystem einerseits innerhalb einer Spule/wicklung und andererseits zwischen Spulen/Wicklungen und anderen Metallteilen, welches aufgebaut ist aus einer festen auf Zellulose oder Lack basierenden Isolation unmittelbar am einzelnen Leiterelement und außerhalb von diesem aus fester Zellulose und einem flüssigen, möglicherweise auch gasförmigen Isolationsmittel. Außerdem ist es äußerst wichtig, daß das Isolationsystem einen sehr niedrigen Feuchtigkeitsgehalt hat;
– er hat als integralen Bestandteil einen Stufenlastschalter, der von Öl umgeben ist und normalerweise an die Hochspannungswicklung des Transformators zur Spannungssteuerung angeschlossen ist;
– er enthält Öl, welches im Zusammenhang mit internen Glimmentladungen, sogenannten Koronaentladungen, Funken an den Stufenlastschaltern und anderen Fehlererscheinungen eine nicht vernachlässigbare Feuergefahr begründen kann;
– er enthält normalerweise ein Überwachungsgerät zur Überwachung von im Öl gelöstem Gas, welches durch elektrische Entladungen oder durch lokale Überhitzungen entstehen kann;
– er enthält Öl, welches im Falle einer Beschädigung oder eines Unfalls die Möglichkeit begründet, daß es ausläuft, was zu umfangreichen Schäden in der Umgebung führen kann.

Die US-A-5.036.165 beschreibt ein elektrisches Kabel, dessen Isolation mit einer inneren Schicht aus halbleitendem pyro lisiertem Glasfasermaterial und/oder einer äußeren Schicht aus dem gleichen Material versehen ist, wobei die äußere Schicht geeerdet ist. Die innere Schicht steht in Kontakt mit den elektrisch leitenden Einzelleitern (strands) des Kabels und schafft eine gewisse Graduierung, und die äußere Schicht steht in dichtem Kontakt mit der Kabelisolation, um elektrische Ladungen von der äußeren Oberfläche der Isolation zur Erde abzuleiten. Im einleitenden Teil der Druckschrift US-A-5.036.165 wird auf das wohlbekannte Problem des Auftretens von Koronaentladungen zwischen der äußeren Oberfläche der Wicklungsisolation und dem angrenzenden Ankereisen in elektrischen Hochspannungsmaschinen hingewiesen; und in der Zusammenfassung der genannten Druckschrift wird erwähnt, daß ein isolierter Leiter mit einer halbleitenden pyrolisierten Glasfaserschicht eine "Wicklung" in einer dynamo elektrischen Maschine sein könne. Was mit diesen Bemerkungen gemeint ist, wird klar aus der Druckschrift US-A-4.853.565, die als ein Teil der Druckschrift US-A-5.036.165 betrachtet wird: Es wird vorgeschlagen, das genannte halbleitende pyrolisierte Glasfasermaterial als "Erdungsband" zu verwenden, welches in herkömmlicher Weise an der Außenseite der kräftigen Nut- oder Wicklungsisolation von Wicklungsspulen für elektrische Maschinen verwendet wird. Die Druckschriften US-A-4.853.565 und US-A-5.036.165 haben nicht die Absicht, den Aufbau einer Wicklung eines "elektromagnetischen Gerätes" aus einem in der US-A-5.036.165 gezeigten Kabels oder eines anderen bekannten Kabels vorzuschlagen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in erster Linie darin, ein elektromagnetisches Gerät zu entwickeln, bei dem zumindest einer oder einige der oben behandelten Nachteile, unter denen der Stand der Technik leidet, beseitigt ist/sind. Daneben liegt der Erfindung in zweiter Linie die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Beherrschung des elektromagnetischen Feldes in einem elektromagnetischen Gerät für elektrische Starkstromzwecke zu entwickeln sowie ein Verfahren zur Herstellung eines magnetischen Kreises für eine rotierende elektrische Maschine zu entwickeln.
Die erstrangige Aufgabe wird durch ein Gerät der in den anliegenden Ansprüchen beschriebenen Art gelöst und dabei in erster Linie durch die kennzeichnenden Teile eines der Ansprüche 1 und 2.
In einem weiten Sinne kann festgestellt werden, daß die Konstruktion gemäß der Erfindung die auftretenden Verluste in der Weise reduziert, daß das Gerät folglich mit einem höheren Wirkungsgrad arbeiten kann dank der Tatsache, daß die Erfindung es ermöglicht, das durch den genannten elektrischen Leiter bedingte elektrische Feld im wesentlichen in dem Isolationssystem einzuschließen. Die Reduzierung der Verluste führt ihrerseits zu einer niedrigeren Temperatur in dem Gerät, wodurch die Notwendigkeit der Kühlung reduziert wird, und es möglich wird, daß eventuell vorhandene Kühlvorrichtungen in einer einfacheren Weise aufgebaut werden können, als dies ohne die Erfindung möglich ist.
Das Leiter/Isolationssystem gemäß der Erfindung kann als ein flexibles Kabel verstanden werden, was bedeutende Vorteile hinsichtlich der Herstellung und Montage bedeutet im Vergleich zu den vorgefertigten steifen Wicklungen, wie sie bisher verwendet wurden. Das Isolationssystem gemäß der Erfindung ist frei von gasförmigem und flüssigem Isolationsmaterial.
Soweit sich die Erfindung auf eine rotierende elektrische Maschine bezieht, wird es durch sie möglich, die Maschine mit einer so hohen Spannung zu betreiben, daß der dreieck/stern-geschaltete oben beschriebene herauf-transformierende Transformator weggelassen werden kann. Das heißt, die Maschine kann mit einer bedeutend höheren Spannung als Maschinen nach dem Stand der Technik betrieben werden, so daß sie direkt an ein Starkstromnetz angeschlossen werden kann. Dies bedeutet erheblich niedrigere Investitionskosten für Systeme mit einer rotierenden elektrischen Maschine, und der Gesamtwirkungsgrad des Systems kann vergrößert werden. Die Erfindung beseitigt die Notwendigkeit für spezielle Maßnahmen zur Feldsteuerung in bestimmten Bereichen der Wicklung, welche Maßnahmen gemäß dem Stande der Technik notwendig gewesen sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß es durch die Erfindung einfacher wird, die Maschine mit Unter- und Übererregung zu fahren zum Zwecke der Reduzierung reaktiver Effekte, die sich durche eine Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom bemerkbar machen (Erzeugung von induktivem und kapazitivem Blindstrom).
Hinsichtlich der Erfindung bei Anwendung auf einen Starkstromtransformator/Starkstromreaktor beseitigt die Erfindung in erster Linie die Notwendigkeit der Ölfüllung bei Starkstromtransformatoren sowie die damit verbundenen Probleme und Nachteile.
Der Aufbau der Wicklung in der Weise, daß sie zumindest längs eines Teils ihrer Länge, eine Isolation verwendet, die aus einem festen Isolationsmaterial besteht, das auf seiner Innenseite eine innere Schicht und auf seiner Außenseite eine äußere Schicht hat, welche Schichten aus einem halbleitenden Material bestehen, macht es möglich, das elektrische Feld im gesamten Gerät in der Wicklung einzuschließen. Der hier verwendete Begriff "festes Isolationsmaterial" bedeutet, daß die Wicklung kein flüssiges oder gasförmiges Isolationsmaterial enthält, wie zum Beispiel in Form von Öl.
Stattdessen besteht die Isolation aus einem Polymermaterial. Auch die innere und die äußere Schicht besteht aus einem Polymermaterial, obwohl einem halbleitenden.
Die innere Schicht und die feste Isolation sind fest miteinander verbunden über im wesentlichen ihre gesamte gegenseitige Kontaktfläche. Auch die äußere Schicht und die feste Isolation sind über im wesentlichen ihre gesamte gegenseitige Kontaktfläche fest miteinander verbunden. Die innere Schicht wirkt infolge ihrer halbleitenden Eigenschaft ausgleichend bezüglich des Potentials und folglich ausgleichend bezüglich des elektrischen Feldes an der Außenseite der inneren Schicht.
Die äußere Schicht besteht auch aus einem halbleitenden Material, und sie hat mindestens eine elektrische Leitfähigkeit, die größer ist als die der Isolation, so daß die äußere Schicht durch Anschluß an Erde oder an ein anderes relativ niedriges Potential potentialausgleichend wirkt und im wesentlichen das durch den genannten elektrischen Leiter erzeugte elektrische Feld innerhalb der äußeren Schicht einzuschließt. Auf der anderen Seite soll die äußere Schicht einen spezifischen Widerstand haben, der ausreichend groß ist, um elektrische Verluste in der genannten äußeren Schicht klein zu halten.
Die feste gegenseitige Verbindung zwischen dem Isolationsmaterial und der inneren und äußeren halbleitenden Schicht soll über die gesamte gegenseitige Kontaktfläche im wesentlichen in der Weise gleichförmig sein, daß keine Hohlräume, Poren oder ähnliches auftreten. Bei den hohen Spannungen, die gemäß der Erfindung in Betracht gezogen werden, stellen die elektrischen und thermischen Belastungen, die auftreten können, hohe Anforderungen an das Isolationsmaterial. Es ist bekannt, daß sogenannte Glimmentladungen, PD (partial discharges), allgemein ein ernstes Problem für das Isolationsmaterial in Hochspannungseinrichtungen darstellen. Wenn Hohlräume, Poren oder dergleichen in einer Isolationschicht auftreten, können bei hohen elektrischen Spannungen Koronaentladungen auftreten, durch welche das Isolationsmaterial abgebaut wird, und es kann folglich zu einem elektrischen Durchschlag durch die Isolation kommen. Dies kann zu einem ernsthaften Ausfall des elektromagnetischen Gerätes führen. Daher sollte die Isolation homogen sein.
Die innere Schicht innerhalb der Isolation sollte eine elektrische Leitfähigkeit haben, die kleiner ist als die des elektrischen Leiters, jedoch ausreichend groß ist, damit die innere Schicht potentialausgleichend wirkt und folglich ausgleichend auf das elektrische Feld außerhalb der inneren Schicht wirkt. Dies in Verbindung mit der festen gegenseitigen Verbindung der inneren Schicht mit der elektrischen Isolation über im wesentlichen die gesamte gegenseitige Kontaktfläche, d.h. die Abwesenheit von Hohlräumen usw., bewirkt ein im wesentlichen gleichförmiges elektrisches Feld außerhalb der inneren Schicht und eine minimale Gefahr von Glimmentladungen.
Vorzugsweise bestehen die innere Schicht und die feste elektrische Isolation aus Materialien, die im wesentlichen gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben. Das gleiche gilt vorzugsweise hinsichtlich der äußeren Schicht und der festen Isolation. Dies bedeutet, daß die innere und die äußere Schicht und die feste elektrische Isolation ein Isolationssystem bilden, welches sich bei Temperaturänderungen gleichmäßig ausdehnt und zusammenzieht wie ein monolitisches Teil, ohne daß diese Temperaturänderungen zu einer Zerstörung oder einem Ablösen an den Kontaktflächen führen. Somit wird ein inniger Zusammenhalt der sich kontaktierenden Oberflächen zwischen der inneren und äußeren Schicht und der festen Iso lation sichergestellt, und es werden Bedingungen geschaffen, die diesen innigen Zusammenhalt während langer Betriebszeiten aufrecht erhalten.
Die elektrische Belastung des Isolationssystems wird verringert als Folge der Tatsache, daß die innere und die äußere Schicht aus halbleitendem Material auf der Isolation im wesentlichen Äquipotentialflächen darstellen, so daß das elektrische Feld sich in der Isolation in ordentlicher Weise relativ gleichmäßig über die Dicke der Isolation verteilt.
Es ist an sich bekannt, in Verbindung mit Übertragungskabeln für Hochspannung und zur Übertragung elektrischer Energie Leiter mit einer Isolation aus festem Isolationsmaterial mit einer inneren und einer äußeren Schicht aus halbleitendem Material zu verwenden. Bei der Übertragung elektrischer Energie hat man seit langem erkannt, daß die Isolation frei von Defekten sein soll. In Hochspannungskabeln zur Energieübertragung ändert sich jedoch das elektrische Potential längs der Länge des Kabels nicht, sondern das Potential bleibt im wesentlichen auf dem gleichen Niveau. Jedoch auch in Hochspannungskabeln für Übertragungszwecke können vorübergehende Potentialdifferenzen auftreten, bedingt durch transiente Vorgänge, wie zum Beispiel Blitzschlag. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein flexibles Kabel gemäß den beigefügten Ansprüchen als Wicklung in einem elektromagnetischen Gerät verwendet.
Eine zusätzliche Verbesserung kann erzielt werden, indem der elektrische Leiter der Wicklung aus dünneren sogenannten Teilleitern aufgebaut ist, von denen zumindest einige gegeneinander isoliert sind. Indem diesen Teilleitern ein relativ kleiner, vorzugsweise annähernd kreisförmiger, Querschnitt gegeben wird, nimmt das magnetische Feld über die Teilleiter eine konstante Geometrie im Verhältnis zu dem Feld an, und das Auftreten von Wirbelströmen wird minimiert.
Gemäß der Erfindung ist/sind die Wicklung/Wicklungen somit vorzugsweise aufgebaut in Gestalt eines Kabels, welches zumindest einen Leiter und das vorbeschriebene Isolationssystem umfaßt, wobei sich die innere Schicht um die Teilleiter des Leiters erstreckt. Außerhalb dieser inneren halbleitenden Schicht ist die Hauptisolation des Kabels in Form von festem Isolationsmaterial vorhanden.
Die äußere halbleitende Schicht soll gemäß der Erfindung solche elektrischen Eigenschaften haben, daß ein Potentialausgleich längs des Leiters sichergestellt wird. Die äußere Schicht soll jedoch nicht solche leitenden Eigenschaften haben, daß ein induzierter Strom längs der Oberfläche fließt, der Verluste verursachen könnte, welche ihrerseits eine unerwünschte thermische Belastung zur Folge hätten. Für die innere und äußere Schicht gelten die Feststellungen zum Widerstand (bei 20°C), die in den anliegenden Ansprüchen 5 und 6 definiert sind. was die innere halbleitende Schicht betrifft, so muß diese eine ausreichend große elektrische Leitfähigkeit haben, um einen Potentialausgleich für das elektrische Feld sicherzustellen, jedoch muß diese Schicht gleichzeitig einen solchen spezifischen Widerstand haben, daß die Einschließung des elektrischen Feldes sichergestellt ist. Es ist wichtig, daß die innere Schicht Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche des Leiters ausgleicht und eine Äquipotentialfläche mit einer sehr glatten Oberfläche an der Kontaktfläche mit der festen Isolation hat. Die innere Schicht kann eine variierende Dicke aufweisen, um jedoch eine ebene Oberfläche hinsichtlich des Leiters und der festen Isolation sicherzustellen, liegt die Dicke zweckmäßigerweise zwischen 0,5 und 1 mm.
Ein solches flexibles Wicklungskabel, welches gemäß der Erfindung in einem elektromagnetischen Gerät der Erfindung verwendet wird, ist eine Verbesserung eines XLPE-Kabels (cross-linked polyethylen = vernetztes Polyethylen) oder eines Kabels mit einer EP-Gummiisolation (Ethylenpropylen) oder einer anderen Gummiart, wie zum Beispiel Silikongummi. Zu der Verbesserung gehört unter anderem ein neuer Aufbau sowohl hinsichtlich der Teilleiter der Leiter als auch insoweit, als das Kabel, zumindest in einigen Ausführungsbeispielen, keinen äußeren Mantel zum mechanischen Schutz des Kabels hat. Es ist jedoch gemäß der Erfindung möglich, eine leitende Metallschutzumhüllung und einen äußeren Mantel außerhalb der äußeren halbleitenden Schicht vorzusehen. Die Metallschutzumhüllung hat dann den Charakter eines äußeren mechanischen und elektrischen Schutzes, zum Beispiel gegen Blitzschlag. vorzugsweise liegt die innere halbleitende Schicht auf dem Potential des elektrischen Leiters. Zu diesem Zweck ist zumindest einer der Teilleiter des elektrischen Leiters unisoliert und so angeordnet, daß ein guter elektrischer Kontakt mit der inneren halbleitenden Schicht besteht. Alternativ können verschiedene Teilleiter abwechselnd mit der inneren halbleitenden Schicht in Kontakt gebracht werden.
Die Herstellung von Transformator- und Reaktorwicklungen aus einem Kabel gemäß dem oben Gesagten beinhaltet drastische Unterschiede hinsichtlich der elektrischen Feldverteilung zwischen herkömmlichen Starkstromtransformatoren/Starkstromreaktoren und Starkstromtransformatoren/Starkstromreaktoren gemäß der Erfindung. Der entscheidende Vorteil einer aus einem Kabel aufgebauten Wicklung gemäß der Erfindung besteht darin, daß das elektrische Feld in der Wicklung eingeschlossen ist und damit kein elektrisches Feld außerhalb der äußeren halbleitenden Schicht auftritt. Das durch den stromführenden Leiter bedingte elektrische Feld tritt nur in der fe sten Hauptisolation auf. Sowohl hinsichtlich des Aufbaus als auch hinsichtlich der Herstellung bedingt dies beträchtliche Vorteile:

– Die Wicklung des Transformators kann geformt werden ohne auf eine elektrische Feldverteilung Rücksicht nehmen zu müssen, und das Transponieren von Teilleitern, das bei der Erläuterung des Standes der Technik beschrieben wurde, entfällt;
– der Kernaufbau des Transformators kann erfolgen, ohne auf eine elektrische Feldverteilung Rücksicht nehmen zu müssen;
– es wird kein Öl für die elektrische Isolation der Wicklung benötigt, das heißt, das die Wicklung umgebende Medium kann Luft sein;
– es sind keine speziellen Verbindungen erforderlich für die elektrische Verbindung zwischen den äußeren Anschlüssen des Transformators und die unmittelbar angeschlossenen Spulen/Wicklungen, da die elektrische Verbindung, im Gegensatz zu bekannten Anlagen, in die Wicklung integriert ist;
– die Herstellungs- und Prüftechnologien, die für einen Starkstromtransformator gemäß der Erfindung erforderlich sind, sind bedeutend einfacher als bei einem herkömmlichen Starkstromtransformator/Starkstromreaktor, da die Imprägnierung, Trocknung und Vakuumbehandlung, die bei der Behandlung des Stand der Technik beschrieben wurden, nicht erforderlich sind. Dies führt zu beträchtlich verkürzten Herstellungszeiten;
– durch die Verwendung der Technik zur Isolierung gemäß der Erfindung werden beachtliche Möglichkeiten für die Ent wicklung des magnetischen Teils des Transformators eröffnet, wie er gemäß dem dem Stand der Technik vorliegt.

Bei Anwendung der Erfindung für eine rotierende elektrische Maschine erreicht man eine wesentlich reduzierte thermische Belastung des Stators. Vorübergehende Überlastungen der Maschine sind somit weniger kritisch, und es ist möglich, die Maschine für eine längere Zeit mit Überlast zu betreiben ohne die Gefahr einer Schädigung. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil für die Eigentümer von stromerzeugenden Anlagen dar, die heute gezwungen sind, im Falle von Betriebsstörungen schnell auf anderes Gerät umzuschalten, um die durch Gesetz vorgeschriebenen Lieferanforderungen zu erfüllen.
Bei einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß der Erfindung können die Wartungskosten erheblich verkleinert werden, da Transformatoren und Leistungsschalter nicht in das System der Anschließung der Maschine an das Starkstromnetz enthalten sind.
Es wurde oben bereits beschrieben, daß die äußere halbleitende Schicht des Wicklungskabels zum Anschluß an Erdpotential bestimmt ist. Der Grund hierfür besteht darin, daß die Schicht längs ihrer gesamten Länge des Wicklungskabels im wesentlichen auf Erdpotential gehalten werden soll. Es ist möglich, die äußere halbleitende Schicht in eine Anzahl von Abschnitten zu zerlegen, die entlang der Länge des Wicklungskabels verteilt sind, wobei jeder einzelne Schichtabschnitt direkt an Erdpotential anschließbar ist. Auf diese Weise wird eine bessere Gleichförmigkeit längs des Wicklungskabels erreicht.
Es wurde oben erwähnt, daß die feste Isolation und die innere und äußere Schicht beispielsweise durch Extrusion hergestellt werden können. Andere Techniken sind jedoch eben falls gut möglich, wie zum Beispiel die Aufbringung der inneren und äußeren Schicht beziehungsweise der Isolation durch Aufsprühen des betreffenden Materials auf den Leiter/Wicklung.
Vorzugsweise hat das Wicklungskabel einen kreisförmigen Querschnitt. Jedoch können in Fällen, in denen die Erzielung einer besseren Packungsdichte gewünscht wird, auch andere Querschnittsformen verwendet werden.
Um in einer rotierenden elektrischen Maschine eine Spannung aufzubauen, wird das Kabel in verschiedenen aufeinander folgenden Windungen in Nuten des magnetischen Kerns angeordnet. Die Wicklung kann als eine mehrlagige konzentrische Kabelwicklung aufgebaut werden, um die Anzahl der Kreuzungen an den Spulenenden (Wicklungsköpfen) zu verkleinern. Das Kabel kann mit einer kleiner werdenden Isolation gefertigt werden, um den magnetischen Kern besser auszunutzen. In diesem Falle kann die Form der Nuten der abnehmenden Isolation der Wicklung angepaßt werden.
Ein wesentlicher Vorteil bei einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß der Erfindung besteht darin, daß das elektrische Feld im Wicklungskopfbereich außerhalb des äußeren Halbleiters annähernd Null ist und daß, wenn die äußere Schicht auf Erdpotential liegt, das elektrische Feld nicht gesteuert zu werden braucht. Das bedeutet, daß es zu keinen Feldkonzentrationen kommt, weder im Bereich der Bleche noch im Wicklungskopfbereich und an den Übergängen dazwischen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur elektrischen Feldsteuerung in einem elektromagnetischen Gerät für elektrische Starkstromzwecke gemäß dem beigefügten Anspruch 37.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines magnetischen Kreises gemäß dem beigefügten Anspruch 38, wobei als Wicklung ein flexibles Kabel dient, welches in Öffnungen der Nuten des magnetischen Kerns der rotierenden elektrischen Maschine eingefädelt wird. Da das Kabel flexibel ist, läßt es sich biegen, und dies erlaubt es, ein Kabelstück in verschiedenen Windungen in einer Spule anzubringen. Die Wicklungsköpfe bestehen dann aus Biegezonen der Kabel. Das Kabel kann auch in solcher Weise eingebracht werden, daß seine Eigenschaften über die Kabellänge konstant bleiben. Dieses Verfahren enthält bedeutende Vereinfachungen im Vergleich mit dem Stand der Technik. Die sogenannten Roebelstäbe sind nicht flexibel, sondern müssen in ihre gewünschte Gestalt vorgeformt werden. Das Impregnieren der Spulen ist ebenfalls eine außerordentlich komplizierte und teure Technik bei der heutigen Herstellung von rotierenden elektrischen Maschinen.
Zusammenfassend wird somit durch eine rotierende elektrische Maschine gemäß der Erfindung eine bedeutende Anzahl wichtiger Vorteile im vergleich mit entsprechenden Maschinen nach dem Stande der Technik erzielt. Insbesondere kann die Maschine direkt an ein Starkstromnetz aller Hochspannungstypen angeschlossen werden. Unter Hochspannung werden hier Spannungen über 10 kV und bis zu den Spannungsniveaus verstanden, die in Starkstromnetzen vorkommen. Ein anderer wichtiger Vorteil besteht darin, daß ein gewähltes Potential, zum Beispiel Erdpotential, durchgehend an der gesamten Wicklung entlanggeführt wird, was bedeutet, daß die Wicklungskopfbereiche kompakt ausgebildet werden können und daß Versteifungsmittel im Wicklungskopfbereich auf praktisch Erdpotential oder einem anderen gewähtlen Potential angebracht werden können. Ein weiterer wichtiger Vorteil besteht darin, daß die auf Öl basierende Isolation und die Kühlsysteme auch bei rotierenden elektrischen Maschinen verschwinden, wie dies bereits oben in Bezug auf Starkstromtransformatoren/Starkstromreaktoren erläutert wurde. Dies bedeutet, daß keine Dichtungsprobleme auftreten und daß der oben erwähnte dielektrische Ring nicht notwendig ist. Ein Vorteil besteht auch darin, daß jede Art einer erzwungen Kühlung auf Erdpotential vorgenommen werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Anhand der beigefügten Zeichnungen folgt eine genauere Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung.
In den Zeichnungen zeigt
1 in einer zum Teil freigelegten Ansicht die Teile, die zu dem gemäß der Erfindung modifizierten Standardkabel gehören,
2 eine axiale Endansicht eines Sektors/einer Polteilung eines magnetischen Kreises gemäß der Erfindung,
3 die elektrische Feldverteilung im Bereich einer Wicklung eines konventionellen Starkstromtransformators/Starkstromreaktors,
4 in perspektivischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Starkstromtransformators gemäß der Erfindung,
5 den Querschnitt eines Kabelaufbaus, der gemäß 1 modifiziert ist und mehere elektrische Leiter enthält, und
6 den Querschnitt eines weiteren Kabelaufbaus mit mehreren elektrischen Leitern, aber in einer anderen Anordnung als in 5.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Rotierende elektrische Maschine gemäß Fig. 1 und 2
Eine wichtige Bedingung, um in der Lage zu sein, einen magnetischen Kreis in Übereinstimmung mit der Beschreibung der Erfindung herzustellen, besteht darin, für die Wicklung ein Leiterkabel zu verwenden mit einer festen elektrischen Isolation mit einer/einem inneren halbleitenden Schicht oder Mantel zwischen der Isolation und einem oder mehreren elektrischen Leitern, die innerhalb der Isolation liegen, und mit einer/einem äußeren halbleitenden Schicht oder Mantel, die/der außerhalb der Isolation angeordnet ist. Solche Kabel gibt es als Standardkabel auf anderen Starkstromgebieten, nämlich dem Gebiet der Engergieübertragung. Um ein Ausführungsbeispiel beschreiben zu können, wird zunächst ein Standardkabel kurz beschrieben. Der innere stromführende Leiter besteht aus einem Bündel von nicht isolierten Teilleitern oder Einzelleitern (gelitzte Leiter). Das Bündel aus Teilleitern ist von einer halbleitenden Innenschicht umgeben. Diese innere halbleitende Schicht ist von einer Isolationschicht aus festem Isolationmaterial umgeben. Die feste Isolation besteht aus einem Polymermaterial mit niedrigen elektrischen Verlusten und einer hohen Durchschlagfestigkeit. Als konkrete Materialbeispiele können genannt werden Polyethylen (PE), und zwar insbesondere vernetztes Polyethylen (XLPE) sowie Ethylen-Propylen (EP). Um die äußere halbleitende Schicht können eine Metallschutzumhüllung und ein äußerer Isolationsmantel angebracht sein. Die halbleitenden Schichten bestehen aus Polymermaterial, beispielsweise Ethylen-Kopolymer mit einem elektrisch leitenden Bestandteil, wie zum Beispiel leitender Ruß. Ein solches Kabel wird im weiteren als Starkstromkabel bezeichnet.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines für eine Wicklung in einer rotierenden elektrischen Maschine bestimmtes Kabel zeigt 1. Das Kabel der Figur hat einen stromführenden Leiter 2, der sowohl aus verdrillten nichtisolierten und verdrillten isolierten Teilleitern besteht. Es sind auch elektromechanisch verdrillte extrodierte isolierte Teilleiter möglich. Diese Teilleiter können in einer Vielzahl von Lagen verseilt/verdrillt sein. Der Leiter ist umgeben von einer inneren halbleitenden Schicht 3, die ihrerseits umgeben ist von einer homogenen Schicht aus festem Isolationsmaterial. Die Isolation 4 enthält keinerlei flüssiges oder gasförmiges Isolationsmaterial. Die Schicht 4 ist von einer äußeren halbleitenden Schicht 5 umgeben. Das als Wicklung in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendete Kabel kann mit einer Metallschutzumhüllung und einen äußeren Mantel umgeben sein, muß dies aber nicht. Um damit verbundene induzierte Ströme und Verluste in der äußeren halbleitenden Schicht 5 zu vermeiden, ist diese Schicht unterbrochen, vorzugsweise am Spulenende, das heißt an den Übergängen von dem Blechpaket zum Wicklungskopf. Die Unterbrechung wird so durchgeführt, daß die äußere halbleitende Schicht 5 in mehrere Teile unterteilt wird, die sich längs des Kabels erstrecken und die elektrisch vollständig oder teilweise voneinander getrennt sind. Jeder getrennte Abschnitt wird dann geerdet, wodurch die äußere halbleitende Schicht 5 in der gesamten Kabellänge auf Erdpotential oder nahe Erdpotential gehalten wird. Das bedeutet, daß an der festen isolierten Wicklung an den Spulenenden die berührbaren Oberflächen und die Oberflächen, die nach einer gewissen Zeit der Verwendung verschmutzen, nur vernachlässigbare Potentiale gegenüber Erde führen und sie folglich nur vernachlässigbare elektrische Felder verursachen.
Für die Optimierung einer rotierenden elektrischen Maschine ist die Gestaltung des magnetischen Kreises hinsichtlich der Nuten beziehungsweise der Zähne von entscheidender Bedeutung. Wie oben erwähnt, sollen die Nutwände so dicht wie möglich an dem Mantel der Spulenseiten anliegen. Es ist ferner wünschenswert, daß die Zähne in radialer Richtung überall so breit wie möglich sind. Dies ist erforderlich, um die Verluste und die magnetische Erregerleistung usw. der Maschine kleinzuhalten.
Durch die Einflußmöglichkeit auf den Leiter für eine Wicklung, wie zum Beispiel dem oben beschriebenen Kabel, erhält man große Möglichkeiten, den magnetischen Kern unter verschiedenen Gesichtspunkten zu optimieren. Im folgenden wird auf den magnetischen Kreis des Stators einer rotierenden elektrischen Maschine Bezug genommen. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines/einer Sektors/Polteilung 6 einer Maschine gemäß der Erfindung in achsialer Endansicht. Der Rotor mit dem Rotorpol ist mit 7 bezeichnet. Der Stator ist in bekannter Weise aus einem lamellierten Kern elektrischer Bleche (Dynamoblech) aufgebaut, und zwar aus sektorförmigen Blechen. von dem Jochteil 8 des Kerns, das radial am weitesten außen liegt, erstreckt sich eine Anzahl von Zähnen 9 radial nach innen zum Rotor. Zwischen den Zähnen wird eine entsprechende Anzahl von Nuten 10 gebildet. Durch die Verwendung von Kabeln 11 gemäß dem oben Gesagten ist es unter anderem möglich, die Tiefe der Nuten für Hochspannungsmaschinen größer zu machen als dies gemäß dem Stande der Technik möglich ist. Die Nuten haben einen sich zum Rotor hin verjüngenden Querschnitt, da die erforderliche Kabelisolation mit jeder Wicklungslage (Windung) zum Rotor hin kleiner wird. Wie man aus der Figur erkennt, haben die Nuten um jede Windungslage der Wicklung einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt 12 mit einschnürenden Abschnitten 13 zwischen den Windungslagen. Mit einer gewissen Berechtigung kann ein solcher Nutenquerschnitt als "Kreiskettennut" bezeichnet werden. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel werden Kabel in drei verschiedenen Dicken der Kabelisolation verwendet, die in drei entsprechend bemessenen Abschnitten 14, 15, 16 angeordnet sind, das heißt, in der Praxis erhält man eine modifizierte Kreiskettennut. Die Figur zeigt auch, daß der Statorzahn in radialer Richtung praktisch eine konstante Breite längs der gesamten Tiefe der Nut hat.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann das als Wicklung verwendete Kabel ein konventionelles Starkstromkabel der oben beschriebenen Art sein. Die Erdung der äußeren halbleitenden Schicht erfolgt dann durch Beseitigung der Metallschutzumhüllung und des Mantels von dem Kabel an geeigneten Stellen.
Das Konzept der Erfindung umfaßt eine große Anzahl alternativer Ausführungsformen, abhängig von den verfügbaren Kabelabmessungen hinsichtlich Isolation und der äußeren halbleitenden Schicht usw.. Auch Ausführungsbeispielen mit sogenannten Kreiskettennuten können über das hinaus variiert werden, was oben beschrieben wurde.
Wie oben erwähnt, kann der magnetische Kreis im Stator und/oder Rotor der rotierenden elektrischen Maschine angeordnet sein. Jedoch wird der Aufbau des magnetischen Kreises im wesentlichen der obigen Beschreibung entsprechen, unabhängig davon, ob der magnetische Kreis im Stator und/oder im Rotor vorgesehen ist.
Als Wicklung wird vorzugsweise eine Wicklung verwendet, die als eine viellagige konzentrische Kabelwicklung bezeichnet werden kann. Eine solche Wicklung bedeutet, daß die Anzahl der Kreuzungen an den Wicklungsköpfen minimiert ist, da die Anordnung aller Spulen der gleichen Gruppe radial nach außen hintereinander erfolgt. Dies erlaubt auch ein einfacheres Verfahren bei der Herstellung und dem Einfädeln der Statorwicklung in die einzelnen Nuten. Da das gemäß der Erfindung verwendete Kabel relativ flexibel ist, kann die Wicklung durch eine vergleichsweise einfache Einfädelungsoperation hergestellt werden, bei der das flexible Kabel in die Öffnungen 12 der Nuten 10 eingefädelt wird.
Starkstromtransformator/Starkstromreaktor (Fig. 3 und 4)
3 zeigt ein vereinfachtes und grundlegendes Bild der Verteilung des elektrischen Feldes einer Wicklung eines Starkstromtransformators/Starkstromreaktors, wobei 17 eine Wicklung und 18 ein Kern ist und 19 Äquipotentiallinien bezeichnet, das heißt Linien gleicher elektrischer Feldstärke. Dabei ist angenommen, daß das untere Ende der Wicklung auf Erdpotential liegt.
Die Potentialverteilung bestimmt den Aufbau des Isolationssystems, da eine ausreichende Isolation sowohl zwischen benachbarten Windungen der Wicklung als auch zwischen jeder Wicklung und Erde erforderlich ist. Die Figur zeigt somit, daß der obere Teil der Wicklung die höheren Isolationsanforderungen stellt. Der Aufbau und die Anordnung einer Wicklung relativ zum Kern wird somit im wesentlichen durch die Verteilung des elektrischen Feldes in dem Kernfenster bestimmt.
Das Kabel, welches für eine Wicklung für einen trockenen Starkstromtransformator/Starkstromreaktor (Lufttransformator) gemäß der Erfindung verwendet werden kann, wurde anhand von 1 beschrieben. Das Kabel kann, wie oben festgestellt, mit anderen zusätzlichen äußeren Schichten für spezielle Zwecke versehen sein, beispielsweise zur Vermeidung starker elektrischer Beanspruchungen in anderen Bereichen des Starkstromtransformators/Starkstromreaktors. Hinsichtlich der geometrischen Abmessungen hat das betrachtete Kabel einen Leiterquerschnitt zwischen 2 und 3000 mm² und einen äußeren Kabeldurchmesser von 20 – 250 mm.
Die Wicklungen für einen Starkstromtransformator/Starkstromreaktor, die aus dem im Abschnitt "Zusammenfassung der Erfindung" beschriebenen Kabel hergestellt sind, können sowohl für einphasige, dreiphasige und mehrphasige Starkstromtransformatoren/Starkstromreaktoren verwendet werden, unabhängig davon, wie der Kern gestaltet ist. Ein Ausführungsbeispiel ist in 4 gezeigt, bei welchem der Transformator einen dreiphasigen lamellierten Kern hat. Der Kern hat in bekannter Weise drei Kernschenkel 20, 21 und 22 und die verbindenden Joche 23 und 24. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel haben sowohl die Kernschenkel als auch die Joche eine abgestuften Querschnitt.
Konzentrisch um die Kernschenkel herum sind die von dem Kabel gebildeten Wicklungen angebracht. Wie man erkennt hat das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel drei konzentrische Wicklungslagen 25, 26 und 27. Die innerste Wicklungslage 25 kann die Primärwicklung darstellen, und die anderen beiden Wicklungslagen 26 und 27 können sekundäre Wicklungen darstellen. Um die Figur nicht mit zu vielen Einzelheiten zu überlasten, sind die Verbindungen der Wicklungen nicht gezeigt. Im übrigen zeigt die Figur, daß bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel Abstandsstege 28 und 29, die verschiedene Funktionen haben, an bestimmten Umfangsstellen der Wicklungen angeordnet sind. Die Abstandsstege können aus Isolationsmaterial bestehen, und sie dienen zur Herstellung eines bestimmten Abstandes zwischen den konzentrischen Lagen zum Zwecke der Kühlung, Versteifung usw.. Sie können auch aus elektrisch leitendem Material bestehen, um als Teil des Erdungssystems der Wicklungen zu dienen.
Alternative Kabelausführungen
Bei der in 5 gezeigten Kabelvariante werden die gleichen Bezugszeichen wie zuvor verwendet, jedoch unter Hinzu fügung des Buchstabens a, der für dieses Ausführungsbeispiel charakteristisch ist. Bei dieser Ausführungsform hat das Kabel mehrere elektrische Leiter 2a, die gegeneinander durch eine Isolation 4a separiert sind. Mit anderen Worten, die Isolation 4a dient sowohl zur Isolation zwischen individuellen benachbarten elektrischen Leitern 2a als auch zwischen diesen und der Umgebung. Die verschiedenen elektrischen Leiter 2a können in verschiedener Weise angeordnet werden, wodurch man variierende Querschnittsformen des Kabels in seiner Gesamtheit erreichen kann. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 sind die Leiter 2a in einer geraden Linie angeordnet, wodurch man eine relativ flache Querschnittsform des Kabels erhält. Hieraus kann man ersehen, daß die Querschnittsform des Kabels innerhalb weiter Grenzen variieren kann.
Es wird angenommen, daß in 5 zwischen benachbarten elektrischen Leitern eine Spannung herrscht, die kleiner als die Phasenspannung ist. Genauer, es wird angenommen, daß die elektrischen Leiter 2a in 5 zu verschiedenen Windungen der Wicklung gehören, was bedeutet, daß die zwischen diesen benachbarten Leitern herrschende Spannung vergleichsweise niedrig ist.
Wie zuvor ist eine halbleitende äußere Schicht 5a außerhalb der Isolation 4a, die aus einem festen elektrischen Isolationsmaterial besteht, vorhanden. Eine innere Schicht 3a aus einem halbleitenden Material ist um jeden der genannten elektrischen Leiter 2a angebracht, d.h. jeder dieser Leiter hat eine eigene ihn umgebende innere halbleitende Schicht 3a. Diese Schicht 3a dient entsprechend potentialausgleichend, soweit es sich um den einzelnen elektrischen Leiter handelt.
Die in 6 gezeigte Variante verwendet die gleichen Bezugszeichen wie zuvor, jedoch unter Hinzufügung des Buchstabens b, der speziell für dieses Ausführungsbeispiel gilt. Auch in diesem Falle sind mehrere, genauer gesagt drei, elektrische Leiter 2b vorhanden. Es wird angenommen, daß zwischen diesen Leitern die Phasenspannung vorhanden ist, d.h. eine wesentlich größere Spannung als die, die in dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 zwischen den Leitern 2a herrscht. In 6 ist eine innere halbleitende Schicht 3b vorhanden, innerhalb derer die elektrischen Leiter 2b angeordnet sind. Jeder elektrische Leiter 2b ist jedoch von einer weiteren eigenen Schicht 30 umgeben, deren Eigenschaften den oben hinsichtlich der inneren Schicht 3b genannten Eigenschaften entspricht. Zwischen jeder weiteren Schicht 30 und der dieser angeordneten Schicht 3b befindet sich ein Isolationsmaterial. Die Schicht 3b wird folglich zu einer potentialausgleichenden Schicht außerhalb der zu den elektrischen Leitern gehörenden weiteren Schichten 30 aus halbleitendem Material, wobei diese weiteren Schichten 30 an dem entsprechenden elektrischen Leiter 2b angeschlossen sind, damit sie auf dem gleichen Potential wie der Leiter liegen.
Mögliche Modifikationen
Es ist klar, daß die Erfindung nicht auf die oben behandelten Ausführungsbeispielen beschränkt ist. So erkennt der einschlägige Fachmann, daß eine Anzahl detaillierter Modifikationen nach Kenntnis des Grundprinzips der Erfindung möglich sind, ohne von dem Prinzip, wie es in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen. Als ein Beispiel wird darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf die oben beispielhaft angeführten spezifischen Materialarten beschränkt ist. An deren Stelle können funktionell gleichwertige Materialien verwendet werden. Soweit es sich um die Herstellung des Isolationssystems gemäß der Erfindung han delt, ist darauf hinzuweisen, daß auch andere Techniken als Extrusion und Sprühen möglich sind, solange ein fester Kontakt zwischen den verschiedenen Schichten erreicht wird. Ferner wird darauf hingewiesen, daß zusätzliche Äquipotentialschichten verwendet werden können. Beispielsweise können eine oder mehrere Äquipotentialschichten aus halbleitendem Material in der Isolation zwischen den Schichten, die oben als "innere" und "äußere" bezeichnet werden, angeordnet werden.

Claims

Elektro-magnetisches Gerät mit einem ein magnetisches Feld erregenden elektrischen Kreis, zu welchem eine Wicklung mit mindestens einem elektrischen Leiter (2) gehört, der mit einem Isolationssystem versehen ist, dadurch ge kennzeichnet, daß zu dem Isolationssystem eine elektrische Isolation (4) gehört, die aus festem Isolationsmaterial besteht, und eine an der Außenseite der Isolation vorhandenen äußeren Schicht (5) mit einer elektrischen Leitfähigkeit, die größer ist als die der Isolation, um die äußere Schicht zu befähigen, durch Anschluß an Erdpotential oder ein anderes relativ niedriges Potential Potentialunterschiede auszugleichen und im wesentlichen das elektrische Feld, welches durch den genannten Leiter (2) erzeugt wird, innerhalb der äußeren Schicht (5) einzuschließen, daß das Isolationssystem an der Innenseite der Isolation (4) eine innere Schicht (3) enthält, daß der genannte mindestens eine elektrische Leiter (2) innerhalb der inneren Schicht (3) liegt und daß die innere Schicht eine elektrische Leitfähigkeit hat, die kleiner ist als die Leitfähigkeit des elektrischen Leiters, aber ausreicht, um die innere Schicht zu befähigen, Potentialunterschiede auszugleichen und entsprechend das elektrische Feld außerhalb der inneren Schicht (3) zu vergleichmäßigen.
Eelektro-magnetisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte innere und äußere Schicht (3,5) und die Isolation (4) im wesentlichen gleiche thermische Eigenschaften haben.
Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte mindestens eine Leiter (2) mindestens eine Induktionswindung bildet.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die innere und/oder äußere Schicht (3,4) halbleitendes Material enthält.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die innere Schicht 3 und/oder die äußere Schicht (5) einen spezifischen Widerstand im Bereich von 10^–6 Ωcm bis 100 kΩcm, zweckmäßigerweise 10^–3 bis 1000 Ωcm, vorzugsweise 1 bis 500Ω cm.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Schicht (3) und/oder die äußere Schicht (5) einen Widerstand pro Meter Länge der Schicht im Bereich von 50 μΩ bis 5 MΩ.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die feste Isolation (4) und die innere Schicht (3) und/oder die äußere Schicht (5) aus Polymermaterialien bestehen.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Schicht (3) und/oder die äußere Schicht (5) und die feste Isolation (4) über im wesentlichen die gesamten aneinander grenzenden Flächen fest miteinander verbunden sind.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Schicht (3) und/oder die äußere Schicht (5) und die feste Isolation (4) aus Materialien bestehen, die im wesentlichen gleiche thermische Ausdehnungskoeffizienten haben.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die feste Isolation (4) durch Extrusion hergestellt wurde.
Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Schicht (3) und/oder die äußere Schicht (5) durch Extrusion hergestellt wurde, und zwar gleichzeitig mit der Extrusion der festen Isolation (4).
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Wicklung von einem flexiblen Kabel (1) gebildet wird.
Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des genannten mindestens einen elektrischen Leiters des Kabels im Bereich von 2 bis 3000 mm2, während der äußere Durchmesser des Kabels zwischen 20 und 250 mm liegt.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Schicht (3) und/oder die äußere Schicht (5) ein Polymermaterial enthält, welches elektrisch leitende Bestandteile enthält.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Schicht (3) in elektrischem Kontakt mit dem mindestens einen elektrischen Leiter (2) steht.
Gerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine elektrische Leiter (2) aus einer Anzahl von Einzelleitern besteht und daß mindestens ein Einzelleiter des elektrischen Leiters (2) minde stens teilweise unisoliert ist und in elektrischem Kontakt mit der inneren Schicht (3) steht.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der inneren Schicht (3b) sich mehrere elektrische Leiter (2b) befinden, die gegeneinander isoliert sind.
Gerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine innere Schicht (3a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche um jeden der genannten Mehrzahl von elektrischen Leitern angeordnet ist.
Gerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der inneren Schicht (3b) weitere Schichten (30) um jeden der genannten Mehrzahl von Leitern (2b) vorhanden sind, wobei die weiteren Schichten (30) Eigenschaften haben, die denen der inneren Schicht entsprechen.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (2) und sein Isolationssystem für Hochspannung ausgelegt sind, zweckmäßigerweise für über 10 kV, insbesondere für über 36 kV und vorzugsweise für über mehr als 72,5 kV.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schicht (5) in eine Anzahl von Abschnitten unterteilt ist, die separat an Erdpotential oder ein sonstiges niedriges Potential angeschlossen sind.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Gerät um eine rotierende elektrische Maschine handelt.
Maschine nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung des das magnetische Feld erregenden elektrischen Kreises im Stator und/oder Rotor der Maschine angeordnet ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 22–23, dadurch gekennzeichnet, daß der das magnetische Feld erregende Kreis ein oder mehrere magnetische Kerne (8) enthält, die Nuten (10) für die Wicklung (7) haben.
Maschine nach einem der Ansprüche 22–24, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anschluß der äußeren Schicht (5) an Erdpotential das elektrische Feld der Maschine außerhalb der äußeren Schicht nahe bei Null liegt, und zwar sowohl in den Nuten (10) als auch im Wicklungskopfbereich,
Maschine nach einem der Ansprüche 22–25, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (10) von einer Anzahl zylindrischer Öffnungen (12) gebildet werden, die durch enge Einschnürungsabschnitte (13) zwischen den zylindrischen Öffnungen voneinder getrennt sind.
Maschine nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Öffnungen der Nuten (10) kleiner wird, gesehen von einem hinteren Bereich (Joch) (8) des magnetischen Kerns.
Maschine nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Nuten (10) kontinuierlich oder diskontinuierlich kleiner wird.
Maschine nach einem der Ansprüche 22–28, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um einen Generator, einen Motor oder einen Synchron-Kompensator handelt.
Maschine nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Generator um einen Hydrogenerator (Schenkelpolgenerator) oder Turbogenerator handelt.
Maschine nach einem der Ansprüche 22–30, dadurch gekennzeichnet, daß sie direkt ohne Zwischentransformator an ein Starkstromnetz für Hochspannung, zweckmäßigerweise für 36 kV und mehr, angeschlossen ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät ein Starkstromtransformator/Reaktor ist.
Starkstromtransformator/Reaktor nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß er einen magnetischen Kern hat.
Starkstromtransformator/Reaktor nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Wicklung luft-gewickelt ist, also kein magnetischer Kern vorhanden ist.
Starkstromtransformator/Reaktor nach einem der Ansprüche 32–34 mit mindestens zwei galvanisch getrennten Wicklungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (25–27) konzentrisch gewickelt sind.
Elektrisches Hochspannungskraftwerk oder elektrisches Hochspannungs-Starkstromnetz, welches ein oder mehrere elektromagnetische Geräte gemäß einem der Ansprüche 1 bis 35 enthält.
verfahren zur Steuerung des elektrischen Feldes in einem elektromagnetischen Gerät, welches einen ein magnetisches Feld erregenden Kreis hat mit mindestens einer Wicklung (1), die mindestens einen elektrischen Leiter (2) und eine auf dessen Außenseite befindliche elektrische Isolation (4) hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation (4) von einem festen Isolationsmaterial gebildet wird und daß eine äußere Schicht (5) an der Außenseite der Isolation vorhanden ist, die an das Erdpotential oder ein sonstiges relativ niedriges Potential angeschlossen ist und die eine elektrische Leitfähigkeit hat, die höher ist als die Leitfähigkeit der Isolation (4) aber niedriger als die Leitfähigkeit des elektrischen Leiters (2), so daß sie imstande ist, Potentialunterschiede auszugleichen und das elektrische Feld im wesentlichen in der Wicklung innerhalb der äußeren Schicht (5) einzuschließen, und daß eine innere Schicht (3) an der Innenseite der festen Isolation (4) vorhanden ist, wobei der genannte mindestens eine elektrische Leiter (2) innerhalb der inneren Schicht (3) liegt und die genannte innere Schicht (3) eine elektrische Leitfähigkeit hat, die kleiner ist als die des elektrischen Leiters, aber ausreicht, um der inneren Schicht die Funktion zu verleihen, das elektrische Feld außerhalb der inneren Schicht (3) zu vergleichmäßigen.
verfahren zur Herstellung eines magnetischen Kreises für eine rotierende elektrische Maschine, wobei der magnetische Kreis im Stator und/oder Rotor der elektrischen Maschine angeordnet ist und einen magnetischen Kern (8) mit Nuten (10) für eine Wicklung enthält, wobei diese Nuten mit Öffnungen (12) versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein flexibles Hochspannungskabel (1) gemäß Anspruch 12 als Wicklung verwendet wird und daß dieses Hochspannungskabel in die Öffnungen (12) eingefädelt wird.
Verwendung eines Kabels, welches mindestens einen elektrischen Leiter (2) mit einem Isolationssystem enthält, zu dem mindestens zwei Potentialschichten gehören und zwischen diesen Schichten eine Isolation aus einem festen Isolationsmaterial angeordnet ist, wobei die Potentialschichten und die feste Isolation im wesentlichen gleiche themischen Eigenschaften haben, zur Herstellung einer ein magnetisches Feld erregenden Wicklung für ein elektromagnetisches Gerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 36.