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Hochspannungstransformator Bei Hochspannungstransformatoren besteht
üblicherweise die Isolation zwischen Ober- und Unterspannungswicklung aus den Zwischenraum
ausfüllendem Isolieröl, in das ein oder mehrere Isolierzylinder, meistens aus Hartpapier,
eingesetzt sind. In Verbindung mit diesen Isolierzylindern werden noch flanschförmige
Stirnisolationen aus Hartpapier oder Preßspan verwendet, welche die Oberspannungswicklung
gegen das Joch isolieren. Zwischen der Wicklung und dem zunächst gelegenen Isolierzylinder
ist ein für eine ausreichende Ölzirkulation für die Wicklungskühlung genügender
Abstand vorgesehen.
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Eine bekannte, häufig benutzte Ausführungsform hat eine Mehrzahl von
Winkelkragen, von denen jeder über das Ende eines besonderen Isolierzylinders gesteckt
ist, wobei die Isolierzylinder gegeneinander durch reichlich bemessene Ölschichten
getrennt sind. Auch die Flansche der Winkelkragen wurden durch starke Ölschichten
getrennt, so daß die Abmessung der gesamten Isolation einschließlich der Ölschichten
am Stirnende der Wicklung in axialer Richtung größer ist als die Abmessung der Isolation
zwischen Ober- und Unterspannungswicklung in radialer Richtung. Es wird damit angestrebt,
den Kriechweg zwischen Wicklungsende und Joch um die äußeren Kragenenden herum möglichst
groß zu halten.
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Weitere Ausführungsformen benutzen nur einen dicken Isolierzylinder
ohne Ölkanäle zwischen Ober- und Unterspannungswicklung, bei anderen sind die Wicklungen
durch reichliche Ölstrecken
voneinander getrennt. Das Ende des Isolierzylinders
kann treppenförmig abgestuft sein. Es sind Winkelkappen mit ihrem Schaftteil eng
anliegend auf das abgestufte Ende aufgeschoben, wobei zwischen ihren Flanschen wieder
starke Ölschichten liegen. Man hat auch vorgeschlagen, die Flansche aus dem Stoff
des Isolierzylinders selbst durch winkelförmiges Abbiegen von Fahnen, die durch
Einreißen oder Einschneiden der Zylinderenden erhalten werden, zu bilden.
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Bei allen diesen Ausführungen muß der praktische Transformatorenbau
mit größeren Ölstrecken im elektrischen Felde zwischen Ober- und Unterspannungswickluiig
rechnen. Da die Dielektrizitätskonstante des Öls nur etwa halb so groß. ist wie
diejenige der Isolierzylinder, auch wenn letztere aus saugfähigem Papier bestehen,
wird nach einem bekannten Gesetz das Öl spezifisch doppelt so hoch beansprucht wie
das feste Isoliermaterial. Die Durchschlagfestigkeit des Öls beträgt aber, auf größere
Strecken bezogen, nur etwa 8o bis 15o kV/cm. Dagegen liegen die Durchschlagfestigkeiten
der Isolierzylinder (Papierzylinder) über 25o kV/cm; d. h., das schwächere Material
ist höher beansprucht als das stärkere. Mit Rücksicht auf diese Tatsache muß der
Abstand zwischen Ober- und Unterspaniiungswicklung reichlich gewählt werden, damit
bei der Spannungsprüfung die Ölstrecken nicht durchsch@agen.
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Der Wickhingsabstand hat Einfluß auf die Streuspannung. Die Streuspannung
entspricht dem Verhältnis des Streufeldes zum Hauptfeld. Um bei einem großen Wicklungsabstand
die bei Großtransformatoren stets vorgeschriebene Streuspannung einhalten zu können,
muß der Eisenquerschnitt entsprechend groß gewählt werden. Bei großen Einheiten
für hohe Spannungen ergibt sich dabei ein Mißverhältnis zwischen dem Eisengewicht
und dem Kupfergewicht. Verhältniszahlen wie 5 : i oder gar 7 : i sind nicht selten.
Anzustreben ist aber ein Verhältnis von etwa 2 : 1 bis 3 : 1, wobei die Transformatoren
bedeutend leichter und wirtschaftlicher werden.
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Es war dem Transformatorenkonstrukteur schon lange bewußt, daß der
Wicklungsabstand verkleinert werden sollte. Es war auch naheliegend, dies durch
Ausschaltung der schwächeren, aber höher beanspruchten Ölstrecken zu erreichen,
unter Ausnutzung der hohen Festigkeit der Papierisolation. Die Wicklungskühlung
mußte dabei in einen ini Innern der Wicklung vorgesehenen Längskanal verlegt werden.
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Der praktischen Verwirklichung dieser Gedanken stellte sich aber ein
großes Hindernis entgegen, nämlich dieGleitfunkenbildung amEnde derPapierisolation.
Würde man beispielsweise eine Anordnung nach Fig. i treffen, so ergäbe sich auf
der Oberfläche des Flansches eine Längskomponente er,
die beispielsweise fast
halb so groß ist wie die radiale Feldstärke en im Zylinderschaft. Da aber die Oberflächenbeanspruchung
nur etwa 15 kV/cm betragen darf, wenn Gleitfunken sicher vermieden werden sollen,
darf bei dieser Anordnung die radiale Feldstärke im Zylinderschaft etwa 3o bis 4.o
kV/ein nicht überschreiten. Damit ist aber die Durchschlagfestigkeit des Papierzylinders
von mindestens 25okV/cm bei weitem nicht ausgenutzt, und die üblichen Wicklungsabstände
können nicht verkleinert werden. Das ist der Grund dafür, daß im Großtransformatorenbau
die Ölabstandsisolation mit eingefügten Barrieren beibehalten worden ist.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Hochspannungstransformator mit zwischen
Ober- und Unterspannungswicklung angeordnetem Isolierzylinder, bei welchem die große
Durchschlagfestigkeit des Papierzylinders ausgenutzt wird, indem er praktisch ohne
Zwischenraum, z. B. auch ohne Freilassen von Kühlkanälen, an den Wicklungen anliegt
und durchgehend an wenigstens einem seiner Enden durch stetig zunehmendes Auseinanderspreizen
in eine ilatischförmige, die Oberspannungswicklung gegen das Joch isolierende Stirn
übergeht, deren Abmessung in a-:ialer Richtung wesentlich größer ist als die Dicke
des zwischen den Wicklungen liegenden Isolierzylinderschaftes.
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In der deutschen Patentschrift 762 171 ist allerdings bereits ein
Hochspannungstransformator geschützt, bei dem die Wicklungen eng an dem sie trennenden
Isolierzylinder anliegen; die einzelnen Schichten dieses Zylinders sind an der Stirn
in Abständen voneinander und nach der einen oder nach der anderen. Seite abgebogen;
die Isolierschichten bilden eine geschlossene Verschalung für jede Wicklung. Dieser
vorpatentierte Transformator ist also offensichtlich teilweise andere aufgebaut.
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Beim Gegenstand der Erfindung müssen dagegen sämtliche bei ihm aufgeführten
Merkmale gleichzeitig vorhanden sein..
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Ein Vorwandern von Gleitfunken längs des Flanschrückens wird nun,
wie Fig. 2 zeigt, infolge des Verschwindens der vorwärts gerichteten Längskomponente
eL in kurzer Entfernung vom Unterspannungswicklungsende aufhören, im Gegensatz zu
der Anordnung nach Fig. i, wo die Gleitfunkenspitze durch eine kaum abnehmende Längskomponente
bis ans Flanschende vorgetrieben wird und sich mit einer vom Oberspannungsschutzring
aus vorwachsenden Gleitfunkenspitze zum Überschlag vereint.
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Der Rücken des gespreizten Flansches kann durch einen Metallbelag
oder einen oder mehrere Schutzringe am Ende der Unterspannungswicklung, soweit es
die Höhe der Unterspannung gestattet, überbrückt werden.
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Eine Bedingung für die volle Ausnutzung der hohen Durchschlagfestigkeit
des Isolierzylinders ist, daß die Wicklungen praktisch dicht an ihm anliegen, also
auch ohne Zwischenlage von Stäben aus Isolierstoff zwecks Bildung von Kühlkanälen.
Ferner muß der Flansch durchgehend aus dem Material des Schaftes Herauswachsen.
Fugen sind, wenn sie auch nur teilweise in der Feldrichtung verlaufen, bei diesen
hohen Beanspruchungen ganz unzulässig. Auch Schrägfugen sind unzulässig, weil sie
in Anbetracht der geringen Gleitfunkenfestigkeit mit einer Steigung von weniger
als 1/1,, ausgeführt sein
müßten, was praktisch nicht möglich ist,
besonders wenn es sich um Isolierstoff handelt, der schwinden und sich werfen kann.
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Inder Zeichnung sind Alzs,führungsbei;spiale -der Erfindung schematisch
in Fig. 3 bis 5 dargestellt.
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In dem inFig.3 dargestelltenBeispiel ist dieUnterspannungswicklung
i unter Zwischenlage einer Isolierschicht 2 unmittelbar über dem Transformatorkern
3 angeordnet; 4 ist die Oberspannungswicklung. Zwischen der Unterspannungswicklung
und der Oberspannungswicklung befindet sich der Isolierzylinder 5, welcher die Oberspannungswicklung
4 gegen das Joch 6 flanschförmig isoliert. Die flanschförmige Abbiegung des Isolierzylinders
liegt vorzugsweise nicht direkt auf der Hochspannungswicklung auf, sondern auf einem
Schutzring 7, der aus Isolierstoff mit metallisierter Oberfläche oder auch ganz
aus Metall bestehen kann. In bekannter Weise ist der Schutzring geschlitzt, damit
er nicht als Kurzschlußwindung wirkt. Dieser Schutzring dient einerseits zur Potentialsteuerung
und anderseits auch dafür, ein sattes Aufliegen des flanschförmigen Endes des Isolierzylinders
und damit eine gleichmäßige Pressung der Hochspannungswicklung 4 zu gewährleisten.
Das flanschförmige Ende 8 des Isolierzylinders 5 ist in mehrere kreisringförmige
Schichten 9 aufgeteilt, die auseinandergespreizt werden. Die Spreizung kann durch
ein wellenförmiges Verbiegen dieser Schichten, d. h. durch Kreppen derselben, erfolgen.
Besser bewährt haben sich eingeschobene sektorförmige Zwischenstücke io, welche
die Schichten 9 voneinander distanzieren. Diese Zwischenstücke, die vorzugsweise
aus demselben Isolierstoff wie der Zylinder 5 bestehen, sind in der Umfangsrichtung
voneinander getrennt, wie dies im Grundriß (Fig. 5) angegeben ist. Dabei wird so
vorgegangen, daß in den verschiedenen Schichten die Schlitze i i nicht übereinanderliegen,
sondern jeweils durch die darüber- bzw. darunterliegenden Zwischenstücke in axialer
Richtung abgedeckt werden. Die Schlitze i i sind für die Entgasung des Isolierzylinders
5 vorgesehen und bezwecken auch, das Eindringen von flüssigem Isolierstoff in das
flanschförmige Ende 8 zu erleichtern. Zur Vergrößerung des Kriechweges sind die
Schichten 9 des Isolierzylinders über die eingefügten Zwischenstücke io vorstehend
ausgeführt. Um die Gefahr von Gleitdurchschlägen zu verringern, hat es sich als
genügend erwiesen, die Dicke des flanschförmigen Endes 8 wenigstens gleich der doppelten
Dicke des Isolierzylinders zwischen Ober- und Unterspannungswicklung zu nehmen.
Ferner wird die Dicke der Zwischenstücke io vorzugsweise derart gewählt, daß die
flanschförmigen Enden 8 des Isolierzylinders den gesamten Raum zwischen der Oberspannungswicklung
und dem Transformatorjoch 6 bzw. zwischen dem Schutzring 7 und dem Joch einnehmen.
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Die beschriebene Bauart des Isolationszylinders erlaubt eine beträchtliche
dielektrische Entlastung des im Raum 12 befindlichen Isolationsvolumens, die hauptsächlich
in Oltransformatoren wünschenswert erscheint. Mittels eines axial geschlitzten,
leitenden Belages 13, der auf der von der Oberspannungswicklung abgewandten Seite
des flanschförmigen Endes 8 aufgebracht und mit der Wicklung i leitend verbunden
ist, wird der ,gesamte Feldverlauf an den Enden des Isolierzylinders in die Flansche
8 verlegt. Vermöge der resultierenden günstigen Beanspruchung, die gegen die Stirn
der Flansche 8 bei genügend hoher Anzahl von Zwischenstücken io gleichmäßig abnimmt,
wird eine hohe Isolationsfestigkeit erreicht, weil an der Stirn nicht nur ein genügend
langer Kriechweg besteht, sondern gleichzeitig die Feldstärke unterhalb des für
die Gleitentladungen kritischen Wertes abgesunken ist.
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Wie in Fig. 4 und 5 angedeutet, können an Stelle der leitenden Schicht
13 in den Raum 12 geschlitzte und gegeneinander isolierte oder mit einer IsolatiOnsschicht
1.4 überzogene Metallringe 15 zur Potentialsteuerung eingelegt werden. In diesem
Falle wird auch zwischen dem Ende der Unterspannungswicklung i und dem Joch 6 eine
reichliche, gut gesteuerte Isolation erzielt, was bei höheren Unterspannungen notwendig
sein kann.
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Die Herstellung der flanschartig ausgebildeten Enden 8 des Isolierzylinders
5 kann beispielsweise in der Weise erfolgen, daß der zunächst glatt gewickelte Papierzylinder
an seinen Enden in axialer Richtung, lagenweise versetzt, geschlitzt wird, worauf
die entstandenen Lappen umgebogen und an den Enden verleimt werden. Nach einer bestimmten
Anzahl Papierlagen werden jeweils die Zwischenstücke io aufgeleimt. Es ist leicht
zu erkennen, daß eine derartige Isolation den eingangs erwähnten Anforderungen entspricht
und eine hohe Festigkeit gegen Gleitentladungen besitzt und auch gleichzeitig gefährliche
Kriechwege nicht mehr existieren.