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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein den Schutz von Transformatoren.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung den Schutz von Transformatoren,
in denen momentane Überspannungen – wie beispielsweise
Spannungsstöße, die
beim Ein- und Ausschalten des Transformators entstehen – so gedämpft werden,
dass die momentanen Überspannungen
den Transformator nicht beschädigen.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Es
ist bekannt, dass Leistungstransformatoren und andere Komponenten
mit Drahtwicklungen durch ein Phänomen
zum Ausfall gebracht werden, das man "Schaltresonanz" nennt. So kann beispielsweise ein Leistungsschalter,
der einen Leistungstransformator mit einer Spannungsquelle verbindet, einen
Zustand erfahren, der als mehrfache Rückzündungen bekannt ist, wenn der
Leistungstransformator ein- oder ausgeschaltet wird. Die mehrfachen Rückzündungen
können
weniger als zehn Mikrosekunden dauern. Während dieses kurzen Zeitraums kann
sich die Rückzündungsrate
des Leistungsschalters in der Größenordnung
von 10 bis 10.000 Kilohertz bewegen. Die raschen Rückzündungen
führen dazu,
dass die Spulen des Transformators Resonanzen bei diesen Frequenzen
entwickeln. Bei diesen sehr hohen Frequenzen können zwischen den Windungen
der Transformatorspulen sehr hohe Spannungen induziert werden. Zu
den hohen Spannungen kann es kommen, wenn sich ein Schaltvorgang
im Netz abspielt.
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Ein
Verfahren, das verwendet wird, um die Oberschwingungseffekte von
momentanen Überspannungen
zu vermeiden, besteht darin zu versuchen, Oberschwingungsströme mit Hilfe
von Tiefpassfiltern oder Hochfrequenzfallen zu begrenzen. Diese
Filter sind so konfiguriert, dass mit zunehmender Frequenz ihre
Leitfähigkeit
größer wird.
Sie leiten Hochfrequenzstörungen
im Nebenschluss zur Erde ab und bauen so die Energie ab. Des Weiteren
tritt das Schaltresonanzproblem in der Regel tief im Zentrum der
Wicklungen auf, wo normale Mittel zur Überspannungsunterdrückung überaus schwierig
und unpraktisch zu realisieren sind. Zwar wurden schon externe RC-Netze
erfolgreich zur Behebung solcher Probleme eingesetzt, doch sie stellen
eine erhebliche wirtschaftliche Investition dar.
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Es
wurden auch schon verschiedene Verfahren zur elektrostatischen Abschirmung
eingesetzt, um das Ausmaß interner
Spannungsoszillationen zu dämpfen.
Die Abschirmung besteht aus einer Metallfolie und ist von der Spule
und den umgebenden strukturellen Bauteilen mit Erdungspotenzial
stark isoliert. Die Abschirmung ist mit dem Leitungsanschluss der
Spule elektrisch verbunden. Die elektrostatische Abschirmung erhöht die Längskapazität des Stromkreises,
wodurch das Ausmaß der
Hochfrequenzoszillationen minimiert wird. Die Resonanz der Oszillationen
wird durch die elektrostatische Abschirmung jedoch nicht gedämpft. Und
obgleich die elektrostatische Abschirmung die Längskapazität der äußeren Wicklungsschicht erhöht, wird
die Längskapazität der inneren
Wicklungsschichten nicht unmittelbar erhöht.
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Aus
WO 98/34247 ist ein Elektrokabel bekannt, das einen leitfähigen Kern
aufweist, der mit einer halbleitenden Schicht in Verbindung steht.
Eine erste Isolierschicht ist auf der Außenseite dieser inneren Schicht
angeordnet.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Transformator nach Anspruch
1. Der Transformator umfasst eine Spule und ein Leiterelement. Die
Spüle weist
eine Länge
isolierten Drahtes auf, der zu mehreren benachbarten Windungen geformt
ist. Das Leiterelement windet sich spiralförmig um die Länge des isolierten
Drahtes herum und verbindet elektrisch eine Mehrzahl von Windungen
mit einer anderen Mehrzahl von Windungen. Folglich erhöht das Leiterelement
die Längskapazität des Transformatorkreises,
wodurch das Ausmaß der
Hochfrequenzoszillationen minimiert wird. Die vorliegende Erfindung
betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines Transformators
nach Anspruch 8.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Ansicht, welche die Herstellung einer Spule
für einen
Transformator gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Obgleich
sich diese Erfindung leicht in vielen verschiedenen Ausführungsformen
realisieren lässt, sind
in den Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
gezeigt – und
sind in der vorliegenden Beschreibung bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung im Detail beschrieben –, wobei es sich versteht,
dass die vorliegende Offenbarung nur als eine Veranschaulichung
der Prinzipien der Erfindung anzusehen ist und nicht den weitergefassten Aspekt
der Erfindung auf die veranschaulichten Ausführungsformen beschränken soll.
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Herkömmliche
Transformatoren umfassen eine Primärspule und wenigstens eine
Sekundärspule.
Der durch die Primärspule
fließende
Strom ruft ein Magnet feld hervor, das in der Sekundärspule eine Spannung
induziert. Sowohl die Primärspule
als auch die Sekundärspule
weisen eine Länge
isolierten Drahtes auf, der zu einer Mehrzahl benachbarter Windungen
geformt ist, so dass eine Schicht definiert wird. Wie allgemein
bekannt ist, bilden viele Schichten benachbarter Windungen, die
durch Isoliermaterial voneinander getrennt sind, typischerweise
die Spulen.
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In 1 ist
die Spule 10 eines Transformators gemäß der vorliegenden Erfindung
gezeigt. Ein Widerstandselement 12 erstreckt sich entlang
der Länge
des isolierten Drahtes 14 der Spule 10 und windet
sich spiralförmig
um den isolierten Draht 14. Das Widerstandselement 12 weist
einen Widerstand zwischen benachbarten Windungen 16 von
10 Ohm bis 1000 Ohm auf. Das Widerstandselement 12 umfasst
vorzugsweise einen halbleitenden Farbüberzug. Insbesondere umfasst
der halbleitende Farbüberzug
Ruß oder
Metalloxid. Das Widerstandselement 12 ist von einer Dicke,
die gewährleistet,
dass eine der Mehrzahl von Windungen 16 mit einer anderen
Mehrzahl von Windungen 16 derselben Schicht 18 verbunden
ist.
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Der
Draht 20, der zur Spule 10 zu wickeln ist, wird
dadurch isoliert, dass man ein Isolierband 22 über die
Oberfläche
des Drahtes 20 wickelt. Das Widerstandselement 12 kann
direkt auf das Isolierband 22 aufgebracht werden. Das Band 22 ist
vorzugsweise einen Zoll (2,54 cm) breit und ist mit einer großen Steigung
um den Draht 20 herum gewunden, dergestalt, dass das Band 22 bei
einer Umwicklung um den Draht 20 herum zur Hälfte überlappt.
Somit gibt es in den meisten Bereichen über die Drahtoberfläche hinweg
zwei Dicken des Bandes 22, mit Ausnahme eines kleinen Spalts,
wo es nur eine einzige Schicht des Bandes 22 gibt. Wenn
der isolierte Draht 14 zu einer Spule 10 gewickelt
wird, gibt es zwischen zwei und vier Schichten Isolierung zwischen
benachbarten Windungen 16 des Drahtes 14.
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Das
Widerstandselement 12 wird auf das Isolierband 22 aufgebracht,
bevor der Draht 20 mit dem Band 22 umwickelt wird.
Bei dem Widerstandselement 12 handelt es sich konkret um
eine halbleitende Beschichtung, die entlang der Länge des
Isolierbandes 22 aufgetragen wird. Das Widerstandselement 12 könnte einen
Abschnitt einer Oberfläche
des Isolierbandes 22 bedecken, oder es könnte die
gesamte Oberfläche
des Isolierbandes 22 bedecken. Vorzugsweise wird das Widerstandselement 12 als ein
Streifen 24 aufgetragen, der längs entlang der Länge des
Bandes 22 verläuft.
Der Streifen 24 wird entlang des Randes 24 des
Bandes 22 dergestalt angeordnet, dass, wenn er um den Draht 20 herum
gewunden wird, das Widerstandselement 12 nur auf der Außenfläche des
isolierten Drahtes 14 zu sehen ist. Das heißt, es befindet
sich kein Widerstandselement 12 in Kontakt mit dem Draht 20,
und es befindet sich kein Widerstandselement 12 zwischen
den Isolationsschichten.
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Wenn
der isolierte Draht 14 zur Spule 10 gewunden wird,
so gelangt das Widerstandselement 12 einer Windung 16 des
isolierten Drahtes 14 in Kontakt mit dem Widerstandselement 12 einer
benachbarten Windung 16 der Spule 10 und bildet
eine elektrische Verbindung zwischen den Außenflächen des isolierten Drahtes 14.
Auf diese Weise wird zwischen den einzelnen Windungen in der Spule 10 ein
kleines durchgängiges
RC-Netz gebildet. Konkret ausgedrückt, bildet der Draht 14 einer
Windung 16 eine Platte eines ersten Kondensators, das Isoliermaterial dieser
Windung 16 bildet das Dielektrikum für den ersten Kondensator, und
das Widerstandselement 12 auf der Oberfläche dieser
Windung 16 wird zur zweiten Platte des ersten Kondensators.
Das Widerstandselement 12 bildet auch einen Widerstand.
Das Widerstandselement 12 auf der Oberfläche einer
benachbarten Windung 16 bildet einen zweiten Widerstand,
der in Reihe geschaltet ist. Das Widerstandselement 12 der
benachbarten Windung 16 bildet auch die erste Platte für einen
zweiten Kondensator, wobei das Isoliermaterial und der Draht 14 der
zweiten Windung 16 das Dielektrikum bzw. die zweite Platte
des zweiten Kondensators bilden. Das elektrische Äquivalent
dieses Stromkreises wäre
ein Kondensator, zwei Widerstände
und ein zweiter Kondensator, die alle zwischen allen Windungen 16 der
Spule 10 in Reihe geschaltet sind. Dementsprechend erhöht das Widerstandselement 12 nicht
nur die Längskapazität des Transformatorstromkreises,
sondern erhöht
auch die Längsleitfähigkeit
des Transformatorstromkreises über
die Schicht 18 der Transformatorwicklung hinweg. Die Erhöhung der
Längsleitfähigkeit
erhöht
die Dämpfung
der Schaltresonanz. Ein Widerstandselement 12 kann ebenfalls
in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um die Längskapazität zu erhöhen, ohne
den Längswiderstand
des Transformatorstromkreises zu erhöhen.
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Es
können
nicht nur RC-Netzströme
im rechten Winkel durch das Widerstandselement 12 fließen, wie
oben beschrieben, sondern Strom fließt auch längs entlang dem Draht 14.
Außerdem
kann das Widerstandselement 12 eine dielektrische Beanspruchung
gleichmäßiger innerhalb
des Isoliermaterials verteilen. Abrupte Änderungen bei dielektrischen
Materialien mit unterschiedlichen dielektrischen Konstanten können sich
auf die dielektrischen Materialien, die miteinander in Kontakt stehen,
wegen der hohen dielektrischen Beanspruchung nachteilig auswirken.
Das Widerstandselement 12 verteilt alle Beanspruchungskonzentrationen,
die während des
Wicklungsprozesses entstehen können.
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Bei
Netzfrequenzen würde
der Stromfluss in jeder Richtung durch das Widerstandselement 12 hindurch
wegen der relativ hohen kapazitiven Reaktanz in dem Dielektrikum
des Isoliermaterials nur gering sein. Bei hohen Frequenzen jedoch
wird die kapazitive Reaktanz oder Impedanz des Isoliermaterials
gering, und das Widerstandselement 12 kommt in Verbindung
mit jedem Draht 14. Das führt dazu, dass die Energie
der momentanen Überspannung
durch das Wi derstandselement 12 absorbiert wird, das die Energie
in Wärme
umwandelt, die im Lauf der Zeit abgeleitet wird. Dieser Energieabbau
dämpft
die Resonanzaktivität
der Spule 10, was hohe Spannungen zwischen den Windungen
verhindert. Somit schützt sich
der Transformator selbst.
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Zwar
wurden hier spezielle Ausführungsformen
veranschaulicht und beschrieben, doch es lassen sich auch zahlreiche
Modifikationen ersinnen, ohne den Geltungsbereich der Erfindung
wesentlich zu verlassen, und der Geltungsbereich des Schutzes ist
nur durch den Geltungsbereich der begleitenden Ansprüche begrenzt.