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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein den Schutz von Transformatoren.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung den Schutz von Transformatoren,
bei denen Überspannungen,
wie z. B. Spannungsstöße, die
beim Ein- und Ausschaltvorgang von Transformatoren auftreten, gedämpft werden,
so dass der Transformator durch die Überspannungen nicht beschädigt wird.
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Leistungstransformatoren
und andere drahtgewickelte Vorrichtungen können wie bekannt aufgrund eines
Phänomens,
das als „Schaltresonanz" bezeichnet wird,
ausfallen. Z. B. kann sich ein Schutzschalter, der einen Leistungstransformator
mit einer Energiequelle verbindet, in einem Zustand befinden, der
als Mehrfach-Wiederzündung bekannt
ist, wenn der Leistungstransformator ein- oder ausgeschalten wird.
Die Mehrfach-Wiederzündungen
können
weniger als 10 Mikrosekunden andauern. Während dieser kurzen Zeitdauer
kann die Wiederzündgeschwindigkeit
des Schutzschalters im Bereich von 10 bis 10.000 Kilohertz liegen.
Durch die raschen Wiederzündversuche
befinden sich die Spulen des Transformators bei diesen Frequenzen
in Resonanz. Bei diesen sehr hohen Frequenzen können sehr hohe Spannungen zwischen
den Windungen der Transformatorspulen induziert werden. Die großen Spannungen
können
entstehen, wenn irgendein Schaltvorgang im Netzwerk erfolgt.
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Ein
Verfahren zur Verhinderung der Auswirkungen von Oberwellen der Überspannungen
besteht darin, die Oberwellenströme
durch die Verwendung von Tiefpassfiltern oder Hochfrequenz-Abfangeinrichtungen
zu begrenzen. Diese Filter sind derart aufgebaut, dass bei einer
Zunahme der Frequenz die Leitfähigkeit
zunimmt. Sie verzweigen Hochfrequenzstörungen zur Erde und führen Energie
ab. Darüber
hinaus tritt das Problem der Schaltresonanz typischerweise tief
im mittleren Bereich der Wicklungen auf, in dem herkömmliche
Mittel zur Unterdrückung
von Überspannungen
sehr problematisch und unpraktisch sind.
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Obwohl
externe RC-Netzwerke zur Steuerung dieser Ereignisse erfolgreich
verwendet wurden, erfordern diese Einrichtungen erhebliche wirtschaftliche
Investitionen.
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Die
DE 12 53 355 , die den nächstliegenden Stand
der Technik darstellt, offenbart eine Vorrichtung mit einer Isolierschicht
mit einem durch diese diffundierten spannungsabhängigen Material. Dadurch ist
sichergestellt, dass die Isolierung zwischen Wicklungen bei Spannungen
im Normalbereich isoliert jedoch bei Spannungen oberhalb dieses
Bereichs leitet.
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Verschiedene
elektrostatische Abschirmtechniken wurden eingesetzt, um die Größe der internen
Spannungsschwingungen zu steuern. Die Abschirmung besteht aus einer
Metallfolie und ist fest von der Spule und den umgebenden Bauteilen
auf Erdpotential isoliert. Die Abschirmung ist mit der Phasenklemme
der Spule elektrisch verbunden. Durch den elektrostatischen Schirm
wird eine Reihenkapazität
zum Schaltkreis hinzugefügt,
so dass die Höhe der
Hochfrequenzschwingungen minimiert wird. Die Resonanzschwingungen
werden jedoch durch die elektrostatische Abschirmung nicht gedämpft. Darüber hinaus
wird, obwohl durch die statische Abschirmung eine Reihenkapazität zur äußeren Windungsschicht
hinzugefügt
wird, keine Reihenkapazität
direkt zu den inneren Windungsschichten hinzugefügt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Bei
einem ersten Aspekt wird ein Transformator geschaffen, bestehend
aus:
Mehreren Spulen mit einer Primärwicklung und wenigstens einer
Sekundärwicklung,
wobei wenigstens eine der Spulen mehrere Schichten hat, von denen jede
eine Außenfläche und
einen isolierten Draht hat, der mehrere Windungen bildet, und wobei
ein Widerstandselement zwischen benachbarten Schichten angeordnet
ist, dadurch gekennzeichnet, dass auch ein Isolierelement zwischen
benachbarten Schichten in der Spule angeordnet ist, wobei das Widerstandselement
und das Isolierelement ein RC-Netzwerk bilden, das eine der Windungen
in einer Schicht mit einer anderen der Windungen bei hohen Frequenzen, nicht
jedoch bei Netzfrequenzen koppelt.
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Weitere
Merkmale der Erfindung werden in den angehängten Ansprüchen beansprucht.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
die Schichten von Windungen bei einer Spule gemäß der vorliegenden Erfindung; und
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2 ist
eine perspektivische Ansicht, die mehrere Windungen einer Abschirmung
und Widerstandsmaterial um eine Spule gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt.
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Detaillierte
Beschreibung
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Obwohl
bei der vorliegenden Erfindung mehrere verschiedene Ausführungsformen
möglich
sind, werden in den folgenden Zeichnungen und der Beschreibung die
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung detailliert beschrieben, wobei jedoch die vorliegende
Offenbarung als eine beispielhafte Darstellung der Prinzipien der
Erfindung und nicht als eine Einschränkung der breiteren Aspekte
der Erfindung auf die dargestellten Ausführungsformen zu verstehen ist.
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Herkömmliche
Transformatoren bestehen aus einer Primärwicklung und wenigstens einer
Sekundärwicklung.
Ein Strom durch die Primärwicklung erzeugt
ein Magnetfeld, welches eine Spannung in der Sekundärwicklung
erzeugt. Die Primärwicklung sowie
die Sekundärwicklung
weisen einen Abschnitt aus isoliertem Draht auf, der mehrere Windungen
bildet, die eine Schicht definieren.
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Wie
bereits bekannt, bilden typischerweise eine Vielzahl von Schichten
aus benachbarten Windungen, die durch eine Isolierung getrennt sind,
die Wicklungen.
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1 zeigt
die Schichten 10 der Windung 12 einer Wicklung 14 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Eine Schicht aus Widerstandsmaterial 16 und eine
Isolierschicht 18 trennen zwei benachbarte Schichten 10 aus
Windungen 12 der Wicklung 14 voneinander. Die äußere Schicht 10a von
benachbarten Windungen 12 der Wicklung 14 ist
mit dem Widerstandsmaterial 16 umwickelt und von einer
Abschirmung 20 bestehend aus einer Metallfolie, die an das
Hochspannungsleitungsende 22 der Wicklung 14 angeschlossen
ist, umgeben. Ein kleiner (nicht gezeigter) Schlitz trennt die Enden
der Abschirmung 20 voneinander, um einen Kurzschluss über die
Abschirmung 20 zu verhindern. Die Folie 20 dient
als Hochfrequenzkurzschluss, um Hochfrequenzschwingungen zu minimieren.
Das Widerstandsmaterial 16 und die Abschirmung 20 können mehrmals
um die Wicklung 14 gewickelt sein, wie in 2 gezeigt.
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Das
Widerstandsmaterial 16 hat einen Widerstandswert zwischen
benachbarten Windungen von 10 bis 1.000 Ohm. Vorzugsweise besteht
das Widerstandsmaterial 16 aus Kohlepapier, Glasgewebe oder
einem Material der Marke Nomex. Das Widerstandsmaterial 16 koppelt
eine der mehreren Windungen 12 mit einer weiteren der mehreren
Windungen 12.
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Das
Widerstandsmaterial 16 stellt eine elektrische Verbindung
zwischen den Außenflächen der isolierten
Drähte
in einer bestimmten Schicht 10 her. Ein kleines kontinuierliches
RC-Netzwerk wird somit jeweils zwischen den Windungen 12 der
Wicklung 14 gebildet. Insbesondere bilden der Draht einer
Windung 12 eine Platte eines ersten Kondensators, das Isoliermaterial 18 dieser
Windung 12 das Dielektrikum für den ersten Kondensator und
das Widerstandsmaterial 16 an der Fläche dieser Windung 12 die
zweite Platte des ersten Kondensators. Das Widerstandsmaterial 16 bildet
auch einen Widerstand und die erste Platte für einen zweiten Kondensator, wobei
das Isoliermaterial 18 und der Draht der zweiten Windung 12 jeweils
das Dielektrikum und die zweite Platte für den zweiten Kondensator bilden. Das
elektrische Äquivalent
dieses Schaltkreises wäre
ein Kondensator, ein Widerstand und ein zweiter Kondensator, die
zwischen den Windungen 12 in einer Schicht 10 der
Wicklung 14 miteinander in Reihe geschalten sind. Folglich
wird durch das Widerstandsmaterial 16 nicht nur die Reihenkapazität des Transformatorschaltkreises
sondern auch die Reihenleitfähigkeit
des Transformatorkreises über
der Schicht 10 der Transformatorwicklung erhöht. Durch die
Zunahme der Reihenleitfähigkeit
wird die Dämpfung
der Schaltresonanz vergrößert.
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Es
können
nicht nur RC-Netzwerkströme senkrecht
durch das Widerstandsmaterial 16 fließen, wie zuvor beschrieben,
sondern auch Ströme
in Längsrichtung
des Drahtabschnitts in einer bestimmten Schicht 10 fließen. Darüber hinaus
kann durch das Widerstandsmaterial 16 die dielektrische
Belastung innerhalb des Isoliermaterials 18 gleichmäßiger verteilt
werden. Sprunghafte Veränderungen
der dielektrischen Materialien mit unterschiedlichen dielektrischen
Konstanten können
nachteilige Auswirkungen auf die dielektrischen Materialien, die
miteinander in Kontakt stehen, infolge von hohen dielektrischen
Belastungen haben. Das Widerstandsmaterial 16 verteilt
etwaige konzentrierte Belastungen, die beim Aufwickelvorgang entstehen
können.
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Bei
Netzfrequenzen wäre
der Stromfluss in beliebiger Richtung durch das Widerstandsmaterial 16 aufgrund
des relativ hohen kapazitiven Blindwiderstands oder der Impedanz über dem
Dielektrikum des Isoliermaterials 18 gering. Bei hohen
Frequenzen wird jedoch der kapazitive Blindwiderstand des Isoliermaterials 18 niedrig
und das Widerstandmaterial 16 wird mit jedem Draht verbunden.
Dadurch wird die Energie der Überspannung
durch das Widerstandsmaterial 16 absorbiert, das die Energie
in Wärme
umwandelt, die nach und nach abgeführt wird. Durch dieses Abführen von
Energie wird die Resonanzwirkung der Wicklung 14 gedämpft, so
dass hohe Spannungen zwischen Windungen verhindert werden. Folglich
besitzt der Transformator einen Selbstschutz.
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Die
mehreren Windungen der Abschirmung 20 und das Widerstandsmaterial 16 bilden
eine Sekundärwicklung
der Spule 14. Folglich wird eine Spannung in der Abschirmung 20 induziert,
die proportional der Anzahl der Windungen in der Abschirmung 20 ist.
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Insbesondere
ist die Spannung der Abschirmung 20 gleich dem Produkt
aus der Anzahl der Windungen in der Abschirmung 20 und
der Spannung an der Spule 14 geteilt durch die Anzahl der
Windungen der Spule 14. Aufgrund des Spannungsunterschieds zwischen
benachbarten Folienschichten 20 wird Energie durch das
Widerstandsmaterial 16 zwischen den benachbarten Folienschichten 20 abgeführt.
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Obwohl
die speziellen Ausführungsformen dargestellt
und beschrieben wurden, sind zahlreiche Modifizierungen denkbar,
wobei der Schutzbereich alleine durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche festgelegt
ist.