EP0167896A1 - Scheibenspulenwicklung für Transformatoren - Google Patents

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EP0167896A1 EP85107558A EP85107558A EP0167896A1 EP 0167896 A1 EP0167896 A1 EP 0167896A1 EP 85107558 A EP85107558 A EP 85107558A EP 85107558 A EP85107558 A EP 85107558A EP 0167896 A1 EP0167896 A1 EP 0167896A1
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Siemens AG
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H01F27/343—Preventing or reducing surge voltages; oscillations
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2871—Pancake coils

Definitions

  • the invention relates to a disk coil winding for transformers comprising one or more winding conductors which alternate left and right-hand spirals and with radial cooling and insulating channels arranged between the individual disk coils.
  • Simple disc coils have a non-linear surge voltage distribution in the axial direction along the individual coils, so that breakdowns can occur between two adjacent coils when subjected to voltage surges. A number of measures are already known for controlling these loads resulting from voltage surges.
  • the disc coils are wound from two winding conductors fed simultaneously and spatially parallel to one another during the winding process. Subsequently, the winding conductor sections lying within the individual disk coils are electrically connected in series, for example by solder connections, so that the same current flows through each disk coil twice, a voltage lying within this disk coil between adjacent turns which is equal to the product of the turn voltage and the total number of turns each Disc spool is.
  • the turns are provided in the order in which they are are traversed by the current, with turn indices, the voltage against earth potential drops correspondingly with increasing turn indices.
  • the winding indices can therefore also be viewed as a multiple of the winding voltage compared to the winding input.
  • the voltage drop in a single pass through a disc coil is called the branch voltage that occurs along the conductor. Accordingly, in a single coil winding between adjacent turns there is a single branch voltage and in a double coil winding intertwined between the turns there is twice the branch voltage.
  • the single-coil circuit is therefore preferred for higher surge voltage stresses.
  • the known interwoven disc coil windings also have their disadvantages. These are due to the increased winding stress, since instead of the single winding voltage which occurs in double coils which are not interwoven, the one or more branch voltage occurs between adjacent turns. This branch voltage reaches a multiple of the linearly calculated value during impact processes. As a result, pre-discharges in or between the disc coils are not excluded.
  • the winding insulation is therefore reinforced in interwoven coils compared to simple coils so that no winding breakdown occurs, but preliminary discharges in the gussets between the edges of adjacent turns are often accepted. As a result, part of the longitudinal capacity gained by wrapping one another is lost again.
  • additional insulation which comprise at least one highly stressed edge of these turns and is angular Winding capacity between windings free of additional insulation is increased compared to the winding capacity of windings equipped with additional insulation.
  • more than two, possibly all, windings of the coils located at the winding input can be made with additional insulation, the thickness of which decreases to zero on the coils further away from the input.
  • Another possibility for strengthening the insulation between these edge turns is to increase the distance between these edge turns from one another by arranging an axial cooling channel.
  • the invention is therefore based on the object for disc coil windings of transformers To create order, which has a further improved security against surge voltage breakdowns and still requires such a low insulation job that the heat loss occurring in normal operation can be optimally dissipated J nd a minimization of the cross-sectional area required for the winding is achieved.
  • the disc coils when applied to disc coil windings with graded longitudinal capacitance, are also split in the region of jumps of the longitudinal capacitance of the winding into two parts axially one above the other, each forming an additional insulating channel.
  • Advantageous refinements of the invention consist in that the two parts which form the same disk coil are galvanically connected to one another at the winding lying on the inner jacket and on the outer jacket of the winding, and that at least in the disk coils having an additional insulating channel, the first and the second turn is more insulated from each other than the other turns.
  • the winding arrangement according to the invention is very advantageous because longitudinal flashovers favored by sliding discharges are reliably avoided by the electrically unloaded additional insulating channels.
  • Disc coil windings 41 and 42 are supported on an insulating and support cylinder 43 via axially parallel cooling channel strips 44.
  • Axial cooling channels lying between the axially parallel cooling channel strips 44 are connected to radial cooling and insulating channels 46 between the disk coils 41 and 42.
  • the disk coils 41 and 42 are constructed from two winding conductors wound at the same time, each of which is connected to one another in a crossed manner on the inside diameter of the disk coils 41 and 42, and the ends of which on the outside diameter of the disk coils 41 and 42 represent either a return connection in a disk coil pair or the connection to the adjacent disk coil pair.
  • the top disk coil 41 is connected to a high voltage input 45 and the bottom disk coil 42 is either connected to ground potential and / or a star point or in a manner not shown to produce a delta connection to the high voltage input 45 of the next phase.
  • Each of the disk coils 41 and 42 is split into two parts which are identical in terms of the winding in the axial direction and form an additional insulating channel 47 between them.
  • the two parts, each forming a disc coil 41 and 42, are wound in the exemplary embodiment from winding conductors having the same cross section. Due to the winding design of the parts belonging to the same disk coil 41 or 42, there is no potential difference in the additional insulating channel 47 in the axial direction.
  • the coolant and insulating agent which also fills the additional insulating channels 47 is therefore not subjected to electrical stress in these channels during normal operation in the axial direction.

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Abstract

Derartige Scheibenspulenwicklungen sind üblicherweise aus ein oder mehreren abwechselnd links- und rechtsgängige Spiralen bildenden Wickelleitern und mit zwischen den einzelnen Scheibenspulen (41, 42) angeordneten radialen Kühl- und Isolierkanälen (46) ausgeführt. Erfindungsgemäß sind mindestens die Scheibenspulen (41, 42) im Bereich eines Hochspannungseingangs (45) in zwei wicklungstechnisch gleiche axial übereinanderliegende die gleiche Spannung führende Teile aufgespalten, zwischen denen ein demzufolge im Normalbetrieb elektrisch nicht beanspruchter Zusatzisolierkanal (47) liegt. Aus der artigen in Achsrichtung aufgeteilten Scheibenspulen (41, 42) aufgebaute Scheibe spulenwicklungen sind besonders zweckmäßig dort einzusetzen, wo mit häufigen und/oder extremen Stoßspannungsbelastungen zu rechnen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Scheibenspulenwicklung für Transformatoren aus ein oder mehreren abwechselnd links-und rechtsgängige Spiralen bildenden Wickelleitern und mit zwischen den einzelnen Scheibenspulen angeordneten radialen Kühl- und Isolierkanälen.
  • Einfache Scheibenspulen weisen eine nicht lineare Stoßspannungsverteilung in axialer Richtung längs der einzelnen Spulen auf, so daß bei Belastung mit Spannungsstößen zwischen zwei benachbarten Spulen Durchschläge auftreten können. Zur Beherrschung dieser von Spannungsstößen ausgehenden Belastungen sind bereits eine Reihe von Maßnahmen bekannt.
  • So ist es beispielsweise durch die DE-PS 975 856 schon bekannt, daß durch Ineinanderwickeln der Spulen eine viel gleichmäßigere Stoßspannungsverteilung erzwungen wird und Durchschläge weitgehend verhindert werden. Die Scheibenspulen werden hierzu aus jeweils zwei beim Wickelvorgang gleichzeitig und räumlich parallel zueinander zugeführten Wickelleitern gewickelt. Anschließend werden die innerhalb der einzelnen Scheibenspulen liegenden Wickelleiterabschnitte beispielsweise durch Lötverbindungen elektrisch so hintereinandergeschaltet, daß jede Scheibenspule zweimal von demselben Strom durchflossen wird, wobei innerhalb dieser Scheibenspule zwischen einander benachbarten Windungen eine Spannung liegt, die gleich dem Produkt der Windungsspannung und der Gesamtzahl der Windungen je Scheibenspule ist. Versieht man die Windungen in der Reihenfolge, in der sie vom Strom durchflossen werden, mit Windungskennziffern, so sinkt entsprechend mit steigender Windungskennziffer die Spannung gegen Erdpotential.
  • Die Windungskennziffern können also auch als Mehrfaches der Windungsspannung gegenüber dem Wicklungseingang angesehen werden. Der Spannungsabfall bei einmaligem Durchgang durch eine Scheibenspule wird als Zweigspannung bezeichnet, die längs des Leiters auftritt. Dementsprechend liegt bei einer Einzelspulenwicklung zwischen einander benachbarten Windungen die einfache und bei einer ineinandergewickelten Doppelspulenwicklung zwischen den Windungen die zweifache Zweigspannung an. Die Einzelspulenschaltung wird daher bei höheren Stoßspannungsbeanspruchungen bevorzugt.
  • Leider haben jedoch auch die bekannten ineinandergewickelten Scheibenspulenwicklungen ihre Nachteile. Diese liegen in der erhöhten Windungsbeanspruchung, da statt der bei nicht ineinandergewickelten Doppelspulen auftretenden einfachen Windungsspannung die ein oder mehrfache Zweigspannung zwischen einander benachbarten Windungen auftritt. Diese Zweigspannung erreicht bei Stoßvorgängen ein Mehrfaches vom linear errechneten Wert. Dadurch sind Vorentladungen in oder zwischen den Scheibenspulen nicht ausgeschlossen. Die Windungsisolierung wird daher bei ineinandergewickelten Spulen gegenüber einfachen Spulen zwar so verstärkt, daß kein Windungsdurchschlag eintritt, Vorentladungen in den Zwickeln zwischen den Kanten einander benachbarter Windungen werden häufig jedoch in Kauf genommen. Ein Teil der durch das Ineinanderwickeln gewonnene Längskapazität geht dadurch wieder verloren.
  • Gemäß einer weiteren bekannten Maßnahme zur Beherrschung von Spannungsstößen sind analog zu den Eingangswindungen der Anordnung gemäß der DE-PS 22 46 398, die sich auf eine Lagenwicklung bezieht, in bisher ausgeführten Scheibenspulenwicklungen zum Schutz gegen die Vorentladungen durch das Auftreten der Randfelder, die an der inneren und/oder der äußeren Mantelfläche der Wicklung liegenden Windungen verstärkt isoliert worden. Nachteilig ist bei der Auslegung der verstärkten Isolierung unter diesem Gesichtspunkt jedoch, daß entweder wiederum die Längskapazität verringert wird oder daß eine Schwachstelle in der Isolierung durch eine kumulierende Wirkung der Zweigspannung zwischen den beiden ganz innen oder ganz außen in einer Scheibenspule benachbarten-Windungen mit der Zweigspannung gegenüber anderen Scheibenspulen entsteht. So werden Vorentladungen zwar am Spulenrand nicht aber zwischen den Windungen vermieden.
  • Ausgehend von der Anordnung gemäß der DE-PS 22 46 398 hat man auch schon lediglich die Außenkanten der Randwindungen verstärkt isoliert oder die Wickelleiterisolierung durch Kantenschutzwinkel verstärkt. Trotz dieser Maßnahmen erfolgten aber bei Steigerungen der Prüfspannung über die Nennspannung hinaus Längsüberschläge zunächst längs der äußeren Mantelfläche zu einer weiter vom Eingang entfernt liegenden Spule. Dies wird auch durch die Kantenschutzwinkel nicht verhindert.
  • Ein weiterer Vorschlag zur Gestaltung von Scheibenspulenwicklungen zur Beherrschung von Stoßspannungen ist durch die DE-OS 31 05 317 bekannt geworden. Die dort vorgeschlagene Lösung beruht auf der Annahme, daß die hohe Feldstärke zwischen Nachbarwindungen einen Beitrag zur Ursache des Längsüberschlages gibt, wenn die Spannung zwischen den beiden radial am weitesten innen oder außen liegenden Windungen an einer Scheibenspule sich mit der axial verlaufenden Spannung längs mehrerer Scheibenspulen gleichgerichtet überlagert. Dies ist insbesondere an den Randbereichen innen und außen an den Scheibenspulen der Fall. Dagegen nimmt im radialen mittleren Bereich der einzelnen Scheibenspulen die Spannung von Windung zu Windung nicht monoton zu, sondern abwechselnd zu und ab, so daß es hier nicht zu Quer- überschlägen kommt. Daher ist es möglich, in diesem Bereich die Leiterisolierung schwächer zu gestalten.
  • Demzufolge sind zur Verbesserung der Stoßspannungsfestigkeit in der DE-OS 31 05 317 mindestens in den am Wicklungseingang liegenden Spulen ausgehend von der inneren und der äußeren Mantelfläche mindestens je zwei Windungen mit Zusatzisolierungen ausgerüstet, die mindestens eine hoch beanspruchte Kante dieser Windungen winkelförmig umfassen und ist die Windungskapazität zwischen von Zusatzisolierungen freien Windungen gegenüber der Windungskapazität von mit Zusatzisolierung ausgerüsteten Windungen erhöht. Zur Fertigungsvereinfachung können dabei mehr als zwei, unter Umständen alle, Windungen der am Wicklungseingang liegenden Spulen mit Zusatzisolierungen ausgeführt werden, deren Dicke bis Null an den vom Eingang entfernteren Spulen abnimmt. Eine weitere Möglichkeit zur Verstärkung der Isolierung zwischen diesen Randwindungen besteht in der Vergrößerung des Abstandes dieser Randwindungen voneinander durch die Anordnung eines axialen Kühlkanals.
  • Wie versuche gezeigt haben, bringt jedoch auch diese Lösung für die Stoßspannungsfestigkeit nur eine verhältnismäßig kleine Erhöhung, die in der Größenordnung der der DE-PS 22 46 398 analogen Ausführung liegt.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für Scheibenspulenwicklungen von Transformatoren eine Anordnung zu schaffen, die eine weiter verbesserte Sicherheit gegen Stoßspannungsdurchschläge hat und die trotzdem einen so geringen Isolierauftrag erfordert, daß die im Normalbetrieb auftretende Verlustwärme optimal abgeführt werden kann Jnd gleichzeitig eine Minimierung der für die Wicklung erforderlichen Querschnittsfläche erreicht ist.
  • Diese Aufgabe wird für eine Scheibenspulenanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens die Scheibenspulen im Bereich eines Hochspannungseinganges in zwei wicklungstechnisch gleiche axial übereinanderliegende die gleiche Spannung führende Teile aufgespalten sind, zwischen denen ein demzufolge im Normalbetrieb elektrisch nicht beanspruchter Zusatzisolierkanal liegt.
  • Nach zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung ist bei ihrer Anwendung auf Scheibenspulenwicklungen mit abgestufter Längskapazität vorgesehen, daß die Scheibenspulen auch im Bereich von Sprungstellen der Längskapazität der Wicklung in zwei axial übereinanderliegende zwischen sich je einen Zusatzisolierkanal bildende Teile aufgespalten sind.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bestehen darin, daß die beiden gemeinsam dieselbe Scheibenspule bildenden Teile an der am Innenmantel und am Außenmantel der Wicklung liegenden Windung galvanisch miteinander verbunden sind und daß mindestens in den einen Zusatzisolierkanal aufweisenden Scheibenspulen ausgehend vom Innen- und vom Außendurchmesser jeweils die erste und die zweite Windung stärker gegeneinander isoliert sind als die übrigen Windungen.
  • Die erfindungsgemäße Wicklungsanordnung ist sehr vorteilhaft, weil durch die elektrisch unbelasteten Zusatzisolierkanäle durch Gleitentladungen begünstigte Längsüberschläge sicher vermieden sind.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert.
    • Fig. 1 zeigt in stark verkleinertem Maßstab den Querschnitt durch eine vollständig aus ineinandergewickelten Doppelspulen aufgebauten Scheibenspulenwicklung und
    • Fig. 2 die Einzelheit II aus Fig. 1 in weniger stark verkleinertem Maßstab.
  • Einander entsprechende Teile sind in beiden Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Scheibenspulenwicklungen 41 und 42 stützen sich über achsparallele Kühlkanalleisten 44 auf einen Isolier-und Tragzylinder 43 ab. Zwischen den achsparallelen Kühlkanalleisten 44 liegende axiale Kühlkanäle sind mit radialen Kühl- und Isolierkanälen 46 zwischen den Scheibenspulen 41 und 42 verbunden.
  • Die Scheibenspulen 41 und 42 sind aus zwei gleichzeitig gewickelten Wickelleitern aufgebaut, die jeweils am Innendurchmesser der Scheibenspule 41 und 42 überkreuzt miteinander verbunden sind und deren Enden am Außendurchmesser der Scheibenspulen 41 und 42 entweder eine Rückverbindung in einem Scheibenspulenpaar oder die Verbindung zum benachbarten Scheibenspulenpaar darstellen. Dadurch werden die Windungen in der durch die eingetragenen Ziffern angegegebenen Reihenfolge vom Strom durchflossen, d. h. jede der Scheibenspulen 41 und 42 wird zweimal vom Strom durchflossen. Die oberste Scheibenspule 41 ist mit einem Hochspannungseingang 45 und die unterste Scheibenspule 42 ist entweder mit Erdpotential und/oder einem Sternpunkt oder in nicht dargestellter Art und Weise zur Herstellung einer Dreiecksschaltung mit dem Hochspannungseingang 45 der nächstfolgenden Phase verbunden.
  • Jede der Scheibenspulen 41 und 42 ist in zwei in Achsrichtung übereinanderliegende wicklungstechnisch gleiche Teile gespalten, die zwischen sich einen Zusatzisolierkanal 47 bilden. Die beiden jeweils eine Scheibenspule 41 bzw. 42 bildenden Teile sind beim Ausführungsbeispiel aus im Querschnitt gleichen Wickelleitern gewickelt. Durch die wicklungstechnisch gleiche Ausbildung der jeweils zur selben Scheibenspule 41 bzw. 42 gehörenden Teile tritt in dem Zusatzisolierkanal 47 in Achsrichtung keinerlei Potentialdifferenz auf. Das auch die Zusatzisolierkanäle 47 füllende Kühl- und Isoliermittel ist daher im Normalbetrieb in Achsrichtung in diesen Kanälen elektrisch nicht beansprucht.
  • Beim Auftreffen einer beispielweise durch einen Blitzeinschlag verursachten Stoßspannung wird in den Zwickeln 48 zwischen einander benachbarten Windungen insbesondere im Eingangsbereich der Wicklung eine sehr hohe Felddichte aufgebaut, die zu Vorentladungen an dieser Stelle führen kann. Wie Versuche gezeigt haben, sind derartige Vorentladungen beim weiteren Ansteigen der Stoßspannung häufig Ausgangspunkte für Durchschläge durch die benachbarten mit elektrischer Spannung vorbelasteten Kühl- und Isolierkanäle 46. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung verlaufen derartige Durchschläge etwa entlang einer Linie 49 höchstens bis in einen Zwickel 48 im nächsten Zusatzisolierkanal 47.
  • Ein Überschlag zur jeweils übernächsten Scheibenspule ist nicht möglich, da der Zusatzisolierkanal elektrisch nicht beansprucht wird und eine Entladung an dieser Stelle unterbrochen wird.
  • Die erfindungsgemäße Teilung der Scheibenspulen in Achsrichtung ist unabhängig von der übrigen Ausführung bei allen Scheibenspulenwicklungen möglich und nicht auf ineinandergewickelte Scheibenspulen beschränkt.

Claims (5)

1. Scheibenspulenwicklung für Transformatoren aus ein oder mehreren abwechselnd links- und rechtsgängige Spiralen bildenden Wickelleitern und mit zwischen den einzelnen Scheibenspulen (41, 42) angeordneten radialen Kühl- und Isolierkanälen (46), dadurch ge- kennzeichnet, daß mindestens die Scheibenspulen (41, 42) im Bereich eines Hochspannungseinganges (45) in zwei wicklungstechnisch gleiche axial übereinanderliegende die gleiche Spannung führende Teile aufgespalten sind, zwischen denen ein demzufolge im Normalbetrieb elektrisch in Achsrichtung nicht beanspruchter Zusatzisolierkanal (47) liegt.
2. Scheibenspulenwicklung nach Anspruch 1 mit abgestufter Längskapazität, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Scheibenspulen (41, 42) auch im Bereich von Sprungstellen der Längskapazität der Wicklung in zwei axial übereinanderliegende zwischen sich je einen Zusatzisolierkanal (47) bildende Teile aufgespalten sind.
3. Scheibenspulenwicklung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die beiden gemeinsam dieselbe Scheibenspule (41, 42) bildenden Teile an der am Innenmantel und am Außenmantel der Wicklung liegenden Windung galvanisch miteinander verbunden sind.
4. Scheibenspulenwicklung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d ur c h gekennzeichnet, daß mindestens in den einen Zusatzisolierkanal (47) aufweisenden Scheibenspulen (41, 42) ausgehend vom Innen- und vom Außendurchmesser jeweils die erste und die zweite windung stärker gegeneinander isoliert sind als die übrigen Windungen.
5. Scheibenspulenwicklung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zusammen jeweils eine Scheibenspule (41, 42) bildenden Teile aus im Querschnitt gleichen Wickelleitern gewickelt sind.
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