EP2661759A1 - Transformatorwicklung - Google Patents

Transformatorwicklung

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Publication number
EP2661759A1
EP2661759A1 EP11796621.8A EP11796621A EP2661759A1 EP 2661759 A1 EP2661759 A1 EP 2661759A1 EP 11796621 A EP11796621 A EP 11796621A EP 2661759 A1 EP2661759 A1 EP 2661759A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
winding
transformer
transformer winding
modules
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11796621.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Benjamin Weber
Bhavesh Patel
Burak Esenlik
Frank Cornelius
Marcos Bockholt
Jens Tepper
Karl-Heinz Zillmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Schweiz AG
Original Assignee
ABB Technology AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Technology AG filed Critical ABB Technology AG
Priority to EP11796621.8A priority Critical patent/EP2661759A1/de
Publication of EP2661759A1 publication Critical patent/EP2661759A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • H01F27/2895—Windings disposed upon ring cores
    • 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
    • H01F27/32—Insulating of coils, windings, or parts thereof
    • H01F27/327—Encapsulating or impregnating
    • H—ELECTRICITY
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/32—Insulating of coils, windings, or parts thereof
    • H01F27/327—Encapsulating or impregnating
    • H01F2027/328—Dry-type transformer with encapsulated foil winding, e.g. windings coaxially arranged on core legs with spacers for cooling and with three phases
    • H—ELECTRICITY
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    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/32—Insulating of coils, windings, or parts thereof
    • H01F27/323—Insulation between winding turns, between winding layers

Definitions

  • the invention relates to a transformer winding comprising at least two hollow cylindrical axially adjacent winding modules arranged around a common winding axis with a layer-wound electrical conductor and a common electrical insulation layer, by which the winding modules are enveloped.
  • power transformers for example, with a rated power of a few MVA and in a voltage range of, for example, 5kV to 30kV or 110kV, sometimes even up to 170kV, are also designed as dry-type transformers, wherein in the latter voltage range well rated power of 50MVA and are possible about it.
  • the navalssei- term windings are usually isolated by a mixture of glass roving and epoxy resin, the insulation layer formed therefrom usually encloses the winding.
  • CONFIRMATION COPY occurs, which leads to an increased stress on the interposed insulating layer.
  • a corresponding voltage stress also occurs when galvanically isolated windings are arranged axially adjacent.
  • the insulating material as such is readily dimensioned such that it can withstand this stress in its interior.
  • a hollow cylindrical winding is according to the invention not only a winding with a circular cross-section to understand, but this term also includes an approximately rectangular cross-section with rounded corners. In this way, the winding window available is optimally utilized when the winding is installed on a transformer core having a rectangular cross section.
  • the disadvantage is that along the outer surface of the insulating layer of the winding and in particular over the region of the axially adjacent winding segments also builds up a potential difference. This can lead along the outer surface of the common insulation layer of the winding to unwanted discharges or partial breakdowns, which is still favored by a possible contamination of the outer surface.
  • a transformer winding of the aforementioned type This is characterized in that the insulating layer has at least one transverse to the winding axis pronounced annular radial recess or elevation on its radial outer surface.
  • Such an annular radial depression or elevation advantageously extends the creepage path along the axial extent of the surface, wherein the voltage stress also takes place along the axial surface due to the axially adjacent arrangement of the winding modules.
  • an increase in the voltage carrying capacity is achieved. is sufficient, with an increase in size - at least in the case of wells - avoided in an advantageous manner.
  • the configuration of a depression or an elevation may, for example, have a rectangular, semicircular, parabolic, umbrella-like or else Gaussian curve-like cross section. What is essential is ultimately an extension of the creepage path along the surface and the avoidance of the formation of a continuous moisture film on the surface.
  • the transformer winding according to the invention encloses the at least one annular radial recess or survey the transformer winding completely, ie at an angle of 360 ° about the winding axis.
  • an extension of the axial creepage path takes place uniformly over the entire circumference of the winding.
  • this makes the production of the insulating layer, which is usually also wound, simplified accordingly. But also, for example, a subsequent milling a ring-like radial recess in an existing insulating layer is simplified.
  • At least one annular radial depression is arranged between the at least two axially adjacent winding modules.
  • an extension of the creepage path particularly advantageous effect on the insulation capacity of the winding.
  • such a depression can be made deeper there than directly above a winding module, because the depression can protrude into the intermediate space between the axially adjacent winding modules. In this way, the creepage distance is extended in the isolationistically critical area in a particularly effective manner.
  • a recess arranged in this way can be realized particularly effectively according to the invention if a radially outer winding layer of a winding module is shortened axially with respect to winding layers located radially below it. Then, the space available between the axially adjacent winding modules is increased in the radially outer area, where half there is also provided an enlarged space for the arrangement of a radial annular recess. The insulation resistance is thus advantageously increased with a corresponding design of the depression.
  • the transformer winding can be produced particularly simply if it is arranged on a coil former.
  • it turns out when the winding is limited at its two axial end faces of one end plate.
  • a kind of laterally limited bobbin is formed, which is particularly suitable for a winding process, wherein preferably both the electrical conductor and the insulating layer are wound in a common manufacturing process.
  • this has at least two winding modules, which are electrically connected to each other radially inside.
  • the winding comprises at least two groups of two radially inwardly electrically connected winding modules, which are not necessarily galvanically connected to one another.
  • the common electrical insulation layer has a wound insulating material, for example a fiber roving.
  • a wound insulating material for example a fiber roving.
  • This can be wound production technology together with the electrical conductor, wherein the fiber roving is soaked, for example, with a moist epoxy resin.
  • the winding is then to cure the resin to a polymerization temperature, depending on the used resin, for example, 160 ° C, to heat, so that the resin then cures completely.
  • a dry or at least tacky, tape-like insulating material proves to be particularly advantageous for winding recesses or elevations according to the invention, because this is significantly more dimensionally stable during the winding process.
  • the winding of a survey with rectangular cross-section is particularly easy by a corresponding number of winding layers of a dry insulation tape are wrapped one above the other.
  • the wound insulating material is a fiber roving or glass fiber roving pre-impregnated with resin in the B state, which has been heated to a polymerization temperature after the winding process.
  • B-state of a resin means that the curing process of the resin has already started but has been discontinued intentionally so that the resin is in a state of incomplete polymerization.
  • the B-state of a resin can also mean that this has been converted into a solid state by appropriate heating to a melting temperature of, for example, 80 ° C. and subsequent cooling, without the actual chemical reaction of the polymerization having already been initiated. In such a state, the resin can be remelted at a corresponding temperature, wherein the actual polymerization takes place at a temperature above the melting temperature, for example at a baking temperature in the range of 120 ° C to 140 ° C.
  • the common electrical insulation layer has a part by means the insulation material wrapped transversely to the winding axis arranged flexible profile strip, through which at least a portion of the radial annular depressions or elevations is formed.
  • the profiled strip is made of an insulating material and protrudes preferably with a first part of the radial outer surface of the insulating layer and is arranged with a second in the insulating layer and thereby fixed that preferably parallel to the winding axis extending profile areas are fixed with wound insulation material.
  • the profile strip is to be regarded as part of the insulating layer itself, by which the creepage path is extended in an advantageous manner.
  • the flexible profile strip has a T-shaped profile cross-section. This is particularly suitable to be anchored in the insulation layer. But there are also other profile shapes such as a multiple T cross-section, for example, a TTT cross-section, conceivable, which would then, if necessary, also be placed so deep in the insulation that it does not protrude but is formed by a depression.
  • the flexible profile strip consists at least predominantly of a silicone rubber. Because of the high material flexibility, this can be particularly easily adapted to the outer contour shape of a winding according to the invention, but of course also pre-bent and possibly less flexible profile strip pieces can be used.
  • FIG. 1 shows a section through part of a first exemplary transformer winding
  • Fig. 2 is a section through the second exemplary transformer winding
  • FIG 3 shows a section through part of a third exemplary transformer winding.
  • FIG. 1 shows a section through part of a first exemplary transformer winding 10, which is arranged rotationally symmetrically about a winding axis 16.
  • the winding is arranged on a bobbin 36, which is bounded at its axial ends by two end plates 38, 40.
  • Two axially adjacent hollow-cylindrical winding modules 12, 14 are provided which each comprise a plurality of winding layers of a single conductor 18, 20.
  • a winding layer is illustrated drawing technology as a horizontal line, which, however, symbolizes a plurality of axially adjacent turns of a conductor 18, 20, which in turn is arranged around the winding axis 16.
  • the two winding modules 12, 14 are electrically connected in series with one another by means of a galvanic connection 34.
  • both winding modules 12, 14 are surrounded by a common insulation layer 22, in this case a wound insulating material preimpregnated with an epoxy resin in the B state, which was finally heated to a polymerization temperature.
  • the insulating layer 22 not only surrounds the outer surfaces of the winding, but it is also provided between them also between the individual winding layers and thus ensures the electrical insulation between the wound conductor layers.
  • winding 42 which is intended to symbolize a winding on the underside
  • radially outer winding according to the invention is intended to symbolize a winding on the high side with a rated voltage of, for example, 60 kV.
  • an elongation of the creepage path according to the invention is not essential because of the lower stress load associated with a lower rated voltage of, for example, 6 kV.
  • FIG. 2 shows a complete section through a second exemplary transformer winding 50, that is to say with a partial section above the winding axis 50 and with a partial section below the winding axis 56.
  • a second exemplary transformer winding 50 Arranged around the winding axis 56 are two hollow cylindrical and axially adjacent winding modules 52, 54, each with five winding layers are indicated.
  • the galvanic connections of the layers to each other and the galvanic connection between the winding modules 52, 54 are shown, while only the winding layers are shown in the lower section.
  • the two winding modules are surrounded by a common insulation layer 68.
  • radial outer surface of the insulation layer 68 Arranged on the radial outer surface of the insulation layer 68 are five ring-shaped radial depressions 58, 60, 62, 64, 66, which serve to extend the creeping path. Depending on the structural boundary conditions, depressions prove to be more advantageous over surveys, because they have no additional space requirement and also allow material savings.
  • the respective radially outer two winding layers are axially reset in the axial center of the winding 50, so that the annular radial recess 58 could be correspondingly deeper and larger than the other wells 60, 62, 64, 66. This proves to be particularly advantageous because in the axial gap between the two winding modules along the outer surface of the insulating layer is operatively expected to be the highest voltage stress.
  • FIG. 3 shows a section through a portion of a third exemplary transformer winding 70 disposed about a winding axis 80.
  • the winding corresponds essentially to the winding 10 shown in FIG. 1, wherein, in contrast to this, however, four axially adjacent winding modules 72, 74, 76, 78 are provided which in each case comprise two galvanically interconnected sub-groups of the winding modules 72 and 74 and 76 and 78 are divided, the groups are in turn galvanically separated from each other.
  • the winding modules 72, 74, 76, 78 are surrounded by a common insulation layer 82 or enclosed therein.
  • the highest stress loads along the radially outer surface 90 occur in the axial direction between adjacent winding modules 72, 74, 76, 78. These are also exactly the areas where the creepage distance has been lengthened in the axial direction by corresponding radial ring-like depressions 84, 86, 88, so that a correspondingly increased dielectric strength results.
  • Another Kriechwegverinrung in the region of the adjoining sub-groups 72, 74 and 76, 78 is realized by protruding from the insulating material flexible profile strips 90, 92, 94, wherein the arranged in the recess 86 profile strip protrudes only from the bottom of the recess, but not from the winding surface.
  • the profile strips are made of an electrically insulating material such as a silicone rubber.
  • the T-shaped profile strips are fixed by a plurality of the transverse T-bar enclosing layers of a wound insulation material.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Insulating Of Coils (AREA)
  • Coils Of Transformers For General Uses (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Transformatorwicklung (10, 50, 70) umfassend wenigstens zwei hohlzylindrisch um eine gemeinsame Wickelachse (16, 56, 80) angeordnete axial benachbarte Wicklungsmodule (12, 14, 52, 54, 72, 74, 76, 78) mit einem lagenweise gewickelten elektrischen Leiter (18, 20) sowie eine gemeinsame elektrische Isolationsschicht (22, 68, 82), durch welche die Wicklungsmodule (12, 14, 52, 54, 72, 74, 76, 78) umhüllt sind. Die Isolationsschicht (22, 68, 82) weist an ihrer radialen Außenfläche (24, 90) wenigstens eine quer zur Wickelachse (16, 56, 80) ausgeprägte ringartige radiale Vertiefung (28, 30, 58, 60, 62, 64, 66, 84, 86, 88) oder ringartige radiale Erhebung (32) auf.

Description

Transformatorwicklung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Transformatorwicklung umfassend wenigstens zwei hohlzylindrisch um eine gemeinsame Wickelachse angeordnete axial benachbarte Wicklungsmodule mit einem lagenweise gewickelten elektrischen Leiter sowie eine gemeinsame elektrische Isolationsschicht, durch welche die Wicklungsmodule umhüllt sind.
Es ist allgemein bekannt, dass Leistungstransformatoren, beispielsweise mit einer Nennleistung von einigen MVA und in einem Spannungsbereich von beispielsweise 5kV bis 30kV oder 110kV, teilweise sogar bis 170kV, auch als Trockentransformatoren ausgeführt werden, wobei in dem zuletzt genannten Spannungsbereich durchaus auch Nennleistungen von 50MVA und darüber möglich sind. Die hochspannungssei- tigen Wicklungen werden hierbei üblicherweise durch eine Mischung aus Glasroving und Epoxidharz isoliert, wobei die daraus gebildete Isolationsschicht die Wicklung zumeist umschließt.
Aus konstruktiven Gründen ist es auch üblich, eine derartige Wicklung aus mehreren Wicklungsmodulen aufzubauen, also aus mehreren axial aneinandergrenzenden hohlzylindrischen Wicklungssegmenten, welche vorzugsweise radial innen galvanisch miteinander verbunden und somit elektrisch in Reihe geschaltet sind. Hierdurch wird die Spannungsbeanspruchung zwischen radial aneinandergrenzenden Wickellagen reduziert und damit auch der entsprechend erforderliche Isolationsaufwand. Dies hat allerdings zur Folge, dass bei Betrieb der Wicklung zwischen axial aneinandergrenzenden Wicklungsmodulen an deren Stirnflächen eine erhöhte Spannungsdif-
BESTÄTIGUNGSKOPIE ferenz auftritt, welche zu einer erhöhten Beanspruchung der dazwischen befindlichen Isolationsschicht führt. Eine entsprechende Spannungsbeanspruchung tritt aber selbstverständlich auch auf, wenn galvanisch getrennte Wicklungen axial benachbart angeordnet sind. Das Isolationsmaterial als solches ist ohne weiteres derart dimensionierbar, dass es in seinem Inneren dieser Spannungsbeanspruchung standhält.
Unter einer hohlzylindrischen Wicklung ist erfindungsgemäß nicht nur eine Wicklung mit kreisrundem Querschnitt zu verstehen, vielmehr beinhaltet dieser Begriff auch einen annähernd rechteckförmigen Querschnitt mit abgerundeten Ecken. Auf diese Weise ist nämlich beim Einbau der Wicklung auf einen Transformatorkern mit rechteckigem Querschnitt das zur Verfügung stehende Wickelfenster in optimaler Weise ausgenutzt.
Nachteilig ist jedoch, dass sich entlang der Außenfläche der Isolationsschicht der Wicklung und insbesondere über dem Bereich der axial aneinandergrenzenden Wicklungssegmente ebenfalls eine Potentialdifferenz aufbaut. Diese kann längs der Außenfläche der gemeinsamen Isolationsschicht der Wicklung zu unerwünschten Entladungen beziehungsweise Teildurchschlägen führen, was durch eine eventuelle Verschmutzung der Außenfläche noch begünstigt wird.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Transformatorwicklung bereitzustellen, welche ein verbessertes Isolationsverhalten längs der Außenfläche der Isolationsschicht aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Transformatorwicklung der eingangs genannten Art. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht an ihrer radialen Außenfläche wenigstens eine quer zur Wickelachse ausgeprägte ringartige radiale Vertiefung oder Erhebung aufweist.
Eine derartige ringartige radiale Vertiefung oder Erhebung verlängert in vorteilhafter Weise den Kriechweg längs der axialen Erstreckung der Oberfläche, wobei die Spannungsbeanspruchung aufgrund der axial benachbarten Anordnung der Wicklungsmodule ebenfalls längs der axialen Oberfläche erfolgt. Somit wird - ähnlich wie bei Rippen eines Keramikisolators - eine Erhöhung der Spannungsbelastbarkeit er- reicht, wobei eine Erhöhung der Baugröße - zumindest im Falle von Vertiefungen - in vorteilhafter Weise vermieden ist. Die Ausgestaltung einer Vertiefung oder einer Erhebung kann beispielsweise einen rechteckförmigen, halbkreisförmigen, parabelähnlichen, schirmähnlichen oder auch einen Gaußkurven-ähnlichen Querschnitt aufweisen. Wesentlich ist letztendlich eine Verlängerung des Kriechweges längs der Oberfläche und die Vermeidung der Ausbildung eines durchgehenden Feuchtigkeitsfilms auf der Oberfläche.
Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Transformatorwicklung umschließt die wenigstens eine ringartige radiale Vertiefung oder Erhebung die Transformatorwicklung komplett, also in einem Winkel von 360° um die Wickelachse. Somit erfolgt in vorteilhafter Weise eine Verlängerung des axialen Kriechweges gleichmäßig über den kompletten Wicklungsumfang. Zudem ist hierdurch die Fertigung der Isolationsschicht, welche zumeist ebenfalls gewickelt ist, entsprechend vereinfacht. Aber auch beispielsweise ein nachträgliches Einfräsen einer ringartigen radialen Vertiefung in eine existierende Isolationsschicht ist dadurch vereinfacht.
Gemäß einer ebenfalls bevorzugten Variante ist wenigstens eine ringartige radiale Vertiefung zwischen den wenigstens zwei axial benachbarten Wicklungsmodulen angeordnet. Dort ist wie eingangs erwähnt mit der höchsten Spannungsdifferenz beziehungsweise Feldstärke zu rechen, weshalb sich dort eine Verlängerung des Kriechweges besonders vorteilhaft auf das Isolationsvermögen der Wicklung auswirkt. Zudem lässt sich eine derartige Vertiefung dort tiefer ausführen als direkt über einem Wicklungsmodul, weil die Vertiefung in den Zwischenraum zwischen den axial aneinandergrenzenden Wicklungsmodulen hineinragen kann. Auf diese Weise ist der Kriechweg in dem isolationstechnisch kritischsten Bereich in besonders wirksamer Weise verlängert.
Eine derartig angeordnete Vertiefung lässt sich erfindungsgemäß besonders wirkungsvoll realisieren, wenn eine radial außen liegende Wicklungslage eines Wicklungsmoduls gegenüber radial unter ihr liegenden Wicklungslagen axial verkürzt ist. Dann ist der zwischen den axial aneinandergrenzenden Wicklungsmodulen zur Verfügung stehende Zwischenraum im radial außen liegenden Bereich vergrößert, wes- halb dort auch ein vergrößerter Raum für die Anordnung einer radialen ringartigen Vertiefung zur Verfügung gestellt ist. Die Isolationsfestigkeit ist bei entsprechender Ausgestaltung der Vertiefung damit in vorteilhafter Weise gesteigert.
Die Transformatorwicklung lässt sich erfindungsgemäß besonders einfach fertigen, wenn diese auf einem Spulenkörper angeordnet ist. Als ebenso fertigungstechnisch vorteilhaft erweist es sich, wenn die Wicklung an ihren beiden axialen Stirnflächen von jeweils einer Stirnplatte begrenzt ist. Dann ist nämlich eine Art seitlich begrenzter Spulenkörper gebildet, welcher sich besonders für einen Wickelvorgang eignet, wobei vorzugsweise sowohl der elektrische Leiter als auch die Isolationsschicht in einem gemeinsamen Fertigungsprozess gewickelt werden.
Entsprechend einer Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Wicklung weist diese wenigstens zwei Wicklungsmodule auf, welche radial innen galvanisch miteinander verbunden sind. Durch die Aufteilung einer Hochspannungswicklung in mehrere Wicklungsmodule ist nämlich in vorteilhafter Weise die Spannungsbeanspruchung zwischen benachbarten Wickellagen reduziert, was den Isolationsaufwand zwischen den Lagen in vorteilhafter Weise verringert. Bei der Verwendung von vier in Reihe geschalteten Wicklungsmodulen wären dann vorzugsweise die beiden axial äußeren mit den beiden axial inneren Wicklungsmodulen galvanisch radial innen verbunden und die beiden inneren Wicklungsmodule radial außen. Es ist erfindungsgemäß aber auch vorgesehen, dass die Wicklung wenigstens zwei Gruppen von jeweils zwei radial innen galvanisch miteinander verbundenen Wicklungsmodulen umfasst, welche nicht zwangsläufig galvanisch miteinander verbunden sind.
Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wicklung weist die gemeinsame elektrische Isolationsschicht ein gewickeltes Isolationsmaterial auf, beispielsweise einen Faserroving. Dieses kann fertigungstechnisch zusammen mit dem elektrischen Leiter gewickelt werden, wobei der Faserroving beispielsweise mit einem feuchten Epoxidharz getränkt ist. Nach einem derartigen Wicklungsvorgang ist die Wicklung dann zur Aushärtung des Harzes auf eine Polymerisationstemperatur, je nach verwendetem Harz beispielsweise 160°C, zu erhitzen, so dass das Harz dann vollständig aushärtet. Als besonders vorteilhaft für dass Wickeln von erfindungsgemäßen Vertiefungen oder Erhebungen erweist sich jedoch die Verwendung eines trockenen oder zumindest klebrigen, bandartigen Isolationsmaterials, weil dieses beim Wickelvorgang deutlich formstabiler ist. So ist dadurch beispielsweise das Wickeln einer Erhebung mit rechteckförmigem Querschnitt besonders einfach möglich, indem entsprechend viele Wickellagen eines trockenen Isolationsbandes übereinander gewickelt werden.
Die Isolationsfähigkeit eines trocken gewickelten Isolationsbandes oder Faserrovings ist jedoch zumeist aufgrund der zwischen den Lagen entstehenden infinitesimal kleinen Spalte reduziert, zumal auch eine entsprechend hohe mechanische Stabilität schwer zu gewährleisten ist, gegebenenfalls durch die Verwendung einer Klebeschicht an einer flächigen Seite des Isolationsbandes. Erfindungsgemäß ist es daher auch vorgesehen, dass das gewickelte Isolationsmaterial ein mit Harz im B-Zustand vorimprägnierter Faserroving oder auch Glasfaserroving ist, welcher nach dem Wickelvorgang auf eine Polymerisationstemperatur erhitzt wurde.
B-Zustand eines Harzes bedeutet, dass der Aushärtungsprozess des Harzes bereits begonnen aber anschließend gewollt unterbrochen wurde, so dass sich das Harz im Zustand der unvollständigen Polymerisierung befindet. B-Zustand eines Harzes kann aber auch bedeuten, dass dieses durch entsprechende Erwärmung auf eine Aufschmelztemperatur von beispielsweise 80°C und anschließendes Abkühlen in einen festen Zustand übergegangen ist, ohne dass die eigentliche chemische Reaktion der Polymerisation bereits initiiert wurde. In einem solchen Zustand lässt sich das Harz bei einer entsprechenden Temperatur wieder aufschmelzen, wobei die eigentliche Polymerisation bei einer Temperatur oberhalb der Aufschmelztemperatur stattfindet, beispielsweise bei einer Backtemperatur im Bereich von 120°C bis 140°C.
Durch die Verwendung eines derartigen Harzes, insbesondere Epoxydharzes, ist sowohl ein formstabiler Wickelvorgang ermöglicht als auch durch den nachfolgenden Aufschmelz- und Polymerisationsprozess eine besonders hohe Isolationsfähigkeit und mechanische Stabilität.
Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Transformatorwicklung weist die gemeinsame elektrische Isolationsschicht eine zum Teil mittels des Isolationsmaterials eingewickelte quer zur Wickelachse angeordnete flexible Profilleiste auf, durch welche zumindest ein Teil der radialen ringartigen Vertiefungen oder Erhebungen gebildet ist. Die Profilleiste ist aus einem Isolationsmaterial gefertigt und ragt vorzugsweise mit einem ersten Teil aus der radialen Außenfläche der Isolationsschicht heraus und ist mit einem zweiten in der Isolationsschicht angeordnet und dadurch fixiert, dass vorzugsweise parallel zur Wickelachse verlaufende Profilbereiche mit gewickeltem Isolationsmaterial fixiert sind. Letztendlich ist die Profilleiste aber als Teil der Isolationsschicht selbst anzusehen, durch welche der Kriechweg in vorteilhafter Weise verlängert wird.
Gemäß einer weiteren Variante der Transformatorwicklung weist die flexible Profilleiste einen T-förmigen Profilquerschnitt auf. Dieser ist besonders geeignet um in der Isolationsschicht verankert zu werden. Es sind aber auch weitere Profilformen wie ein mehrfach T Querschnitt, beispielsweise ein TTT-Querschnitt, denkbar, welcher dann bedarfsweise auch so tief in der Isolation anzuordnen wäre, dass er nicht herausragt sondern durch ihn eine Vertiefung gebildet ist.
Einer weiteren Erfindungsvariante folgend besteht die flexible Profilleiste zumindest überwiegend aus einem Silikongummi. Dieses lässt sich aufgrund der hohen Materialflexibilität nämlich besonders einfach an die Außenkonturform der einer erfindungsgemäßen Wicklung anpassen, wobei aber selbstverständlich auch vorgebogene und gegebenenfalls weniger flexible Profilleistenstücke verwendbar sind.
Die erfindungsgemäßen Vorteile einer verbesserten Isolationsfähigkeit einer Wicklung erschließen sich auch für einen Transformator, welcher einen Transformatorkern sowie eine, bevorzugter Weise drei erfindungsgemäße Wicklungen aufweist. Diese werden zur Realisation eines dreiphasigen Transformators benötigt, wie er in Energieverteilungsnetzen üblich ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten sind den weiteren abhängigen Ansprüchen zu entnehmen. Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung, weitere Ausführungsformen und weitere Vorteile näher beschrieben werden.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch Teil einer ersten exemplarischen Transformatorwicklung,
Fig. 2 einen Schnitt durch zweite exemplarische Transformatorwicklung sowie
Fig. 3 einen Schnitt durch Teil einer dritten exemplarischen Transformatorwicklung.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Teil einer ersten exemplarischen Transformatorwicklung 10, welche rotationssymmetrisch um eine Wickelachse 16 angeordnet ist. Die Wicklung ist auf einem Spulenkörper 36 angeordnet, welcher an seinen axialen Enden von zwei Stirnplatten 38, 40 begrenzt ist. Es sind zwei axial aneinandergren- zende hohlzylindrische Wicklungsmodule 12, 14 vorgesehen, welche jeweils mehrere Wickellagen eines Einzelleiters 18, 20 umfassen. Eine Wickellage ist zeichnungstechnisch als waagerechter Strich dargestellt, welcher jedoch eine Vielzahl von axial nebeneinander liegenden Windungen eines Leiters 18, 20 symbolisiert, welcher seinerseits um die Wickelachse 16 angeordnet ist. Die beiden Wicklungsmodule 12, 14 sind mittels einer galvanischen Verbindung 34 elektrisch miteinander in Reihe geschaltet. Durch die Aufteilung der Wicklung in zwei Wicklungsmodule 12, 14 ist die Spannungsbeanspruchung zwischen den einzelnen Wickellagen in vorteilhafter Weise halbiert. Beide Wicklungsmodule 12, 14 sind von einer gemeinsamen Isolationsschicht 22 umgeben, in diesem Fall ein gewickeltes mit einem Epoxidharz im B- Zustand vorimprägniertes Isolationsmaterial, was abschließend auf eine Polymerisationstemperatur erhitzt wurde. Die Isolationsschicht 22 umgibt nicht nur die Außenflächen der Wicklung, vielmehr ist es auch zwischen diese auch zwischen den einzelnen Wickellagen vorgesehen und stellt somit die elektrische Isolation zwischen den gewickelten Leiterlagen sicher.
Im Betrieb der Wicklung 10 ergibt sich die höchste Spannungsbeanspruchung an der radialen Außenfläche 24 der Isolationsschicht genau zwischen den beiden Wicklungsmodulen 12, 14. Um eine Entladung oder einen Teildurchschlag längs der Au- ßenfläche zu vermeiden sind zwei ringartige radiale 26 Vertiefungen 28, 30 und eine dazwischen liegende Erhebung 32 vorgesehen, welche insbesondere der Verlängerung des Kriechweges längs der axialen Erstreckung der Außenfläche 24 dienen.
Radial innen liegend vorgesehen ist eine weitere Wicklung 42, welche eine unter- spannungsseitige Wicklung symbolisieren soll, wohingegen die erfindungsgemäße radial außen liegende Wicklung eine oberspannungsseitige Wicklung mit einer Nennspannung von beispielsweise 60kV symbolisieren soll. Bei einer unterspan- nungsseitigen Wicklung ist eine erfindungsgemäße Verlängerung des Kriechweges aufgrund der mit einer niedrigeren Nennspannung von beispielsweise 6kV verbundenen geringeren Spannungsbelastung nicht von wesentlicher Bedeutung.
Fig. 2 zeigt einen kompletten Schnitt durch eine zweite exemplarische Transformatorwicklung 50, also mit einem Teilschnitt oberhalb der Wickelachse 50 und mit einem Teilschnitt unterhalb der Wickelachse 56. Um die Wickelachse 56 angeordnet sind zwei hohlzylindrische und axial benachbarte Wicklungsmodule 52, 54, welche jeweils mit fünf Wickellagen angedeutet sind. In dem oberen Schnitt sind die galvanischen Verbindungen der Lagen zueinander und die galvanische Verbindung zwischen den Wicklungsmodulen 52, 54 dargestellt, während im unteren Schnitt lediglich die Wickellagen dargestellt sind. Die beiden Wicklungsmodule sind umgeben von einer gemeinsamen Isolationsschicht 68. An der radialen Außenfläche der Isolationsschicht 68 angeordnet sind fünf ringartige radiale Vertiefungen 58, 60, 62, 64, 66, welche der Kriechwegverlängerung dienen. Je nach konstruktiven Randbedingungen erweisen sich Vertiefungen gegenüber Erhebungen als vorteilhafter, weil diese keinen zusätzlichen Raumbedarf aufweisen und zudem eine Materialersparnis ermöglichen. Die jeweiligen radial außen liegenden beiden Wickellagen sind in der axialen Mitte der Wicklung 50 axial zurückgesetzt, so dass die ringartige radiale Vertiefung 58 entsprechend tiefer und größer ausgeführt werden konnte als die weiteren Vertiefungen 60, 62, 64, 66. Dies erweist sich als besonders vorteilhaft, weil in dem axialen Zwischenraum zwischen den beiden Wicklungsmodulen längs der Außenfläche der Isolationsschicht betriebsmäßig auch mit der höchsten Spannungsbeanspruchung zu rechnen ist. Daher korreliert die Verlängerung des Kriechweges in vorteilhafter Weise mit der lokalen Spannungsbeanspruchung. Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch einen Teil einer dritten exemplarischen Transformatorwicklung 70, welche um eine Wickelachse 80 angeordnet ist. Die Wicklung entspricht im Wesentlichen der in Fig. 1 gezeigten Wicklung 10, wobei im Unterschied hierzu jedoch vier axial benachbarte Wicklungsmodule 72, 74, 76, 78 vorgesehen sind, welche in jeweils zwei galvanisch miteinander verbundene Teilgruppen aus den Wicklungsmodulen 72 und 74 sowie 76 und 78 aufgeteilt sind, wobei die Gruppen ihrerseits galvanisch voneinander getrennt sind. Die Wicklungsmodule 72, 74, 76, 78 sind von einer gemeinsamen Isolationsschicht 82 umgeben beziehungsweise in diese eingeschlossen. Die höchsten Spannungsbeanspruchungen längs der radialen Außenfläche 90 tritt in axialer Richtung zwischen benachbarten Wicklungsmodulen 72, 74, 76, 78 auf. Dies sind auch genau die Bereiche, an welchen der Kriechweg in axialer Richtung durch entsprechende radiale ringähnliche Vertiefungen 84, 86, 88 verlängert wurde, so dass sich eine entsprechend erhöhte Spannungsfestigkeit ergibt.
Eine weitere Kriechwegverlängerung im Bereich der aneinander grenzenden Teilgruppen 72, 74 und 76, 78 ist durch aus dem Isolationsmaterial herausragenden flexiblen Profilleisten 90, 92, 94 realisiert, wobei die in der Vertiefung 86 angeordnete Profilleiste lediglich aus dem Boden der Vertiefung herausragt, nicht aber aus der Wicklungsoberfläche. Die Profilleisten sind aus einem elektrisch isolierenden Material wie beispielsweise einem Silikongummi gefertigt. In ihrem unteren, also radial innen liegenden Bereich, sind die T-förmigen Profilleisten durch mehrere, den quer verlaufenden T-Balken umschließenden, Lagen aus einem gewickelten Isolationsmaterial fixiert. Durch den aus der radialen Oberfläche der Isolationsschicht herausragenden Teil erfolgt dann die Kriechwegverlängerung.
Bezuqszeichenliste Schnitt durch Teil einer ersten exemplarischen Transformatorwicklung erstes Wicklungsmodul von erster Transformatorwicklung
zweites Wicklungsmodul von erster Transformatorwicklung
Wickelachse
Leiter von erstem Wicklungsmodul
Leiter von zweitem Wicklungsmodul
erste gemeinsame elektrische Isolationsschicht
radiale Außenfläche von erster Isolationsschicht
radiale Ausrichtung
erste quer zur Wickelachse verlaufende Vertiefung
zweite quer zur Wickelachse verlaufende Vertiefung
erste quer zur Wickelachse verlaufende Erhebung
galvanische Verbindung
Spulenkörper
erste Stirnplatte
zweite Stirnplatte
weitere Transformatorwicklung
Schnitt durch zweite exemplarische Transformatorwicklung
erstes Wicklungsmodul von zweiter Transformatorwicklung
zweites Wicklungsmodul von zweiter Transformatorwicklung
Wickelachse
erste quer zur Wickelachse verlaufende Vertiefung
zweite quer zur Wickelachse verlaufende Vertiefung
dritte quer zur Wickelachse verlaufende Vertiefung
vierte quer zur Wickelachse verlaufende Vertiefung
fünfte quer zur Wickelachse verlaufende Vertiefung
zweite gemeinsame elektrische Isolationsschicht
Schnitt durch Teil einer dritten exemplarischen Transformatorwicklung erstes Wicklungsmodul von dritter Transformatorwicklung
zweites Wicklungsmodul von dritter Transformatorwicklung
drittes Wicklungsmodul von dritter Transformatorwicklung
viertes Wicklungsmodul von dritter Transformatorwicklung 80 Wickelachse
82 dritte gemeinsame elektrische Isolationsschicht
84 erste quer zur Wickelachse verlaufende Vertiefung
86 zweite quer zur Wickelachse verlaufende Vertiefung
88 dritte quer zur Wickelachse verlaufende Vertiefung
90 radiale Außenfläche von dritter Isolationsschicht
92 erste flexible Profilleiste
94 zweite flexible Profilleiste
96 dritte flexible Profilleiste

Claims

Patentansprüche
1. Transformatorwicklung (10, 50, 70) umfassend
- wenigstens zwei hohlzylindrisch um eine gemeinsame Wickelachse (16, 56, 80) angeordnete axial benachbarte Wicklungsmodule (12, 14, 52, 54, 72, 74, 76, 78) mit einem lagenweise gewickelten elektrischen Leiter (18, 20),
- eine gemeinsame elektrische Isolationsschicht (22, 68, 82), durch welche die Wicklungsmodule (12, 14, 52, 54, 72, 74, 76, 78) umhüllt sind,
wobei die Isolationsschicht (22, 68, 82) an ihrer radialen Außenfläche (24, 90) wenigstens eine quer zur Wickelachse (16, 56, 80) ausgeprägte ringartige radiale Vertiefung (28, 30, 58, 60, 62, 64, 66, 84, 86, 88) oder ringartige radiale Erhebung (32) aufweist, dadurch gekennzeichnet,
dass die gemeinsame elektrische Isolationsschicht (22, 68, .82) ein gewickeltes Isolationsmaterial und eine zum Teil mittels des Isolationsmaterials eingewickelte quer zur Wickelachse (16, 56, 80) angeordnete flexible Profilleiste (90, 92, 94) aufweist, durch welche zumindest ein Teil der radialen ringartigen Vertiefungen (28, 30, 58, 60, 62, 64, 66, 84, 86, 88) oder Erhebungen (32) gebildet ist.
2. Transformatorwicklung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine ringartige radiale Vertiefung (28, 30, 58, 60, 62, 64, 66, 84, 86, 88) oder Erhebung (32) die Transformatorwicklung komplett umschließt.
3. Transformatorwicklung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine ringartige radiale Vertiefung (28, 30, 58, 60, 62, 64, 66, 84, 86, 88) zwischen den wenigstens zwei axial benachbarten Wicklungsmodulen (12, 14, 52, 54, 72, 74, 76, 78) angeordnet ist.
4. Transformatorwicklung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine radial außen liegende Wicklungslage eines Wicklungsmoduls gegenüber radial unter ihr liegenden Wicklungslagen axial verkürzt ist und die Form der ringartigen radialen Vertiefung darauf angepasst ist.
5. Transformatorwicklung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese auf einem Spulenkörper (36) angeordnet ist.
6. Transformatorwicklung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese an ihren beiden axialen Stirnflächen von jeweils einer Stirnplatte (38, 40) begrenzt ist.
7. Transformatorwicklung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Wicklungsmodule (12, 14, 52, 54, 72, 74, 76, 78) radial innen galvanisch miteinander verbunden (34) sind.
8. Transformatorwicklung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass diese wenigstens zwei Gruppen (72 + 74; 76 + 78) von jeweils zwei radial innen galvanisch miteinander verbundenen Wicklungsmodulen (12, 14, 52, 54, 72, 74, 76, 78) um- fasst.
9. Transformatorwicklung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gewickelte Isolationsmaterial ein trockenes Isolationsmaterial ist.
10. Transformatorwicklung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das gewickelte Isolationsmaterial ein mit Harz im B-Zustand vorimprägniertes Faserroving ist, welches nach dem Wickelvorgang auf eine Polymerisationstemperatur erhitzt wurde.
11. Transformatorwicklung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Profilleiste (90, 92, 94) ein T-Profil aufweist.
12. Transformatorwicklung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Profilleiste (90, 92, 94) zumindest überwiegend aus einem Silikongummi besteht.
13. Transformator mit einem Transformatorkern und wenigstens einer unterspan- nungsseitigen und einer oberspannungsseitigen Transformatorwicklung, dadurch gekennzeichnet, dass die oberspannungsseitige Transformatorwicklung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgeführt ist.
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