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Wicklungsanordnung zur Beseitigung von Überspannungen bei Stoßbeanspruchung
an den Auskreuzungsstellen von Wicklungen mit mehreren parallel geschalteten Lagen
für Transformatoren Bei Transformatoren, deren.. Wicklung aus parallel geschalteten
Lagen in Form einer Mehrfachzylinderwicklung besteht, müssen bekanntlich die einzelnen
Lagen ausgekreuzt werden, damit durch die verschiedene Verkettung der Lagen mit
dem Streufluß innerhalb der parallel geschalteten Stränge keine Ausgleichströme
auftreten. So muß z. B. eine Wicklung mit n Lagen in n Wicklungsabschnitte aufgeteilt
sein und jede einzelne Lage muß n- z Kreuzungsstellen haben.
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Bei Stoßspannungs.beanspruchung solcher Wicklungen treten nun zwischen
den Lagen noch zusätzliche Überspannungen auf, die von der verschiedenen Verkettung
der parallel geschalteten Lagen nicht nur mit dem Fluß der Grundwelle, sondern auch
aller übrigen im Ausgleichsvorgang enthaltenen höheren Harmonischen der Wicklung
herrühren. Diese Überspannungen wirken sich besonders im Bereich der Kreuzungsstellen
nachteilig aus, weshalb hier zusätzliche Isolation angebracht werden muß, wenn man
Durchschläge vermeiden will. Die zusätzlich aufgebrachte Isolierung verteuert die
Wicklungsisolation, vergrößert den Raumbedarf der Wicklung
und erschwert
die Kühlung. Die Erfindung hat die Aufgabe, diese Mängel zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß sind die einzelnen Lagen der Wicklung jeweils innerhalb
des Bereiches einer Vierte Iswelle der bei Stoßspannungsbeanspruchung in der Anfangsspannungsverteilung
noch merklich enthaltenen höchsten Harmonischen mindestens so oft ausgekreuzt, daß
sich für jeden Wicklungsstrang in diesem Bereich ungefähr die gleiche Flußverkettung
ergibt.
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In Abb. i ist in Abhängigkeit von der Wicklungslänge L durch die Kurve
i die bekannte Anfangsverteilung der Stoßspannung längs der Wicklung, durch die
Kurve 2 die Endverteilung der Stoßspannung für den Fall fest geerdeten Sternpunktes
dargestellt. Die schraffierte Fläche F läßt sich in bekannter Weise nach der Fourierschen
Reihe in Harmonische zerlegen. Die Kurve 3 gibt z. B. den Verlauf der zweiten Harmonischen,
die Kurve .I den Verlauf der vierten Harmonischen wieder. Entsprechende Kurven ergeben
sich für die sechste und für etwaige weitere in der Anfangsverteilung enthaltene
höhere Harmonische. Bekanntlich schwingen nun beim Auftreffen einer Stoßspannungswelle
die Potentiale der einzelnen Wicklungsteile aus der Anfangsverteilung um die Endverteilungskurve
als Schwingungsmittellinie mit mehr oder weniger starker Dämpfung herum, bis schließlich
das Potential der einzelnen Teile in das der Endverteilungskurve 2 übergeht. Dabei
sind die Amplituden sämtlicher in dieser Ausgleichsschwingung enthaltenen Harmonischen
durch die harmonische Analyse der von Anfangs- und Endverteilung in Abb. i umschlossenen
Fläche gegeben. Steuert man nun beispielsweise unter Zuhilfenahme von Schirmen,
die mit dem Eingang der Wicklung galvanisch oder kapazitiv gedoppelt sind, die Anfangsspannungsverteilung
in der Weise, daß höhere Harmonische als etwa die vierte im Ausgleichsvorgang nicht
mehr merklich vorhanden sind, so@ muß die Wicklung bei 3a parallel geschalteten
Lagen statt mit (31.-I) Kreuzungsstellen, wie bisher mit Rücksicht auf den stationären
Betrieb erforderlich, mit (-. n- i) Auskreuzungen versehen «erden. Allgemein ergibt
sich für die Zahl der erforderlichen Auskreuzungen die Beziehung (tit#tt-i), -,venn
n die Lagenzahl und in die Ordnungszahl der höchsten in der Anfangsverteilung enthaltenen
Harmonischen bedeutet. Wenn die Auskreuzungen in dieser Weise für die Bereiche der
Viertelswellenlänge der höchsten Harmonischen richtig durchgeführt sind, ergibt
sich von selbst auch für die niedrigeren Harmonischen die richtige Auskreuzung.
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In den Abbildungen sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt, und zwar ist hier immer vorausgesetzt, daß die. höchste Harmonische,
die noch merklich in der Anfangsverteilung enthalten ist, die vierte sei. Nach der
Kurve d der Abb. i ergeben sich dann für die ganze Wicklungslänge L vier
Viertelswellenbereiche tt.
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In Abb.2 besteht die Wicklung aus drei Lagen. Die einzelnen Lagen
sind jeweils bei 5 ausgekreuzt. Im ganzen ergeben sich gemäß der obigen Beziehung
3 #.I - i, also i i Aus-Kreuzungen. In jedem Abschnitt a ergibt sich für j, den
Leiterstrang der gleiche umfaßte Gesamtfuß, da hier jeder Strang gleichmäßig durch
alle drei Lagen wechselt. Deshalb muß jeder Leitungsstrang bei Stoßbeanspruchung
nach Durchlaufen eines vollen Abschnittes a etwa die gleiche Spannung aufweisen;
an der dritten, sechsten und neunten Kreuzungsstelle können deshalb keine Überspannungen
mehr auftreten. An den übrigen Kreuzungsstellen ist aber die Spannung zwischen den
Lagen auf ein Viertel der Werte bei einer in üblicher Weise ausgekreuzten Wicklung
herabgesetzt. Es wird daher wesentlich an Isolierstoff und Raum für die Wicklung
gespart. --Man kann die Spannung zwischen den Lagen ohne weiteres unter ein Viertel
der Werte bei einer in üblicher Weise ausgekreuzten Wicklung herabsetzen, wenn man
die oben angegebene Zahl der Kreuzungsstellen erhöht, beispielsweise verdoppelt.
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@'m die Zahl der Kreuzungsstellen zu verringern, kann, wie die Abb.
3 zeigt, an jeder innerhalb der Wicklung liegenden Grenze GG eines Viertelswellenhereiches
der höchsten Harmonischen di-e Auskreuzung fortgelassen werden. Auch dann bleibt
noch für jeden Wicklungsstrang innerhalb eines Abschnittes a die gesamte Flußverkettung
die gleiche. Die Zahl der Kreuzungen vermindert sich aber auf m- (n- i). Sie kann
noch weiter vermindert werden, wenn mehrere Lagen, z. B. zwei oder drei, zusammengefaßt
und eng aufeinandergewickelt werden, so daß der zwischen ihnen verlaufende, nicht
gemeinsam umfaßte Fluß klein bleibt.
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Abb. ,I zeigt als Beispiel eine derartige Wicklung mit sechs Lagen.
Zwecks Verringerung der Zahl der Kreuzungsstellen sind hier jeweils zwei Lagen paarweise
zusammengefaßt und wie eine einzige Lage ausgekreuzt. Die Lagen jedes Paares sind
dabei eng aufein.andergepackt, und nur zwischen benachbarten Paaren befinden sich
Kühlkanäle 6. Auch bei der Anordnung nach Abb. 2 und 3 können zwischen den einzelnen
Lagen solche Kühlkanäle ohne weiteres freigelassen werden. Um innerhalb jedes Paares
von Leitungssträngen über die ganze Wicklungslänge den geringen Unterschied in der
Flußverkettung
voll auszugleichen, müssen die Paare wenigstens einmal
in der Wicklungsmitte bei 7 zusätzlich ausgekreuzt werden. Man kann aber statt dessen
auch innerhalb der Paare mehrmals auskreuzen und diese Auskreuzungen über die Wicklung
verteilen.
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In Abb. 5 ist eine Wicklung mit vier Laben dargestellt, bei der sowohl,
ähnlich wie bei Abb. q., durch paarweises Zusammenfassen der Lagen als auch, wie
bei Abb. 3, durch Weglassen der Kreuzungsstelle an den Grenzen GG die Zahl der Kreuzungsstellen
herabgesetzt ist. An der mittleren Grenze bei 7 sind nur die Lagenpaare unter sich
ausgekreuzt.
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In ähnlicher Weise können auch mehr als zwei Lagen in Gruppen zusammengefaßt,
wie eine einzige Gruppe und die Stränge innerhalb jeder Gruppe an einer oder mehreren
Stellen ausgekreuzt werden. Zur Verbesserung der Stoßspannungssicherheit kann man
ferner, wie oben erwähnt, die Anfangsspannungsverteilung längs der Wicklung durch
Schirme, die mit dem Wicklungseingang verbunden sind und die sich z. B. mit weiteren
in den Isolierstoff eingebetteten Metalleinlagen teleskopartig überdecken, derart
verbessern, daß höhere Harmonische als diejenige, für welche die Wicklung auf eine
Viertelswellenlänge voll ausgekreuzt ist, im Ausgleichsvorgang nicht vorkommen.
Insbesondere wird es meist möglich sein, durch Schirmsteuerung die über der vierten
liegenden Harmonischen in der Anfangsverteilung zu unterdrücken. Dadurch läßt sich
die Zahl der Auskreuzungen wesentlich herabsetzen, weil ja die Ordnungszahl in der
höchsten Harmonischen als. Faktor in die Formeln (m-n-i) bzw. m- (n-1) für die Anzahl
der Kreuzungsstellen eingeht.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Wicklung
raum- und werkstoffsparend gebaut und ausreichend mit Kühlkanälen durchsetzt werden
kann, weil zwischen den einzelnen Wicklungssträngen bei Stoßbeanspruchung keine
Überspannungen auftreten.