CH229945A - Wicklungsanordnung zur Beseitigung von Überspannungen bei Stossbeanspruchungen an den Auskreuzungsstellen von Wicklungen mit mehreren parallelgeschalteten Lagen für Transformatoren. - Google Patents

Description

  Wicklungsanordnung zur     Beseitigung    von     Überspannungen    bei Stossbeanspruchungen  an den     Auskreuzungsstellen    von Wicklungen mit mehreren parallelgeschalteten  Zagen für     Transformatoren.       Bei Transformatoren, deren Wicklung  aus parallelgeschalteten Lagen in Form einer       Mehrfachzylinderwicklung    besteht, müssen  bekanntlich die     einzelnen    Lagen     ausgekreuzt     werden, damit durch die verschiedene Ver  kettung der Lagen mit dem     Streufluss    inner  halb der parallelgeschalteten Stränge keine  Ausgleichsströme auftreten.

   So muss zum  Beispiel eine Wicklung mit     n-Lagen    in       n-Wicklungsabschnitte    aufgeteilt sein, und  jede einzelne Lage muss     n--1    Kreuzungsstel  len haben.  



  Bei     Stossspannungsbeanspruchung    solcher  Wicklungen treten nun zwischen den Lagen  noch zusätzliche     Überspannungen    auf, die  von der verschiedenen Verkettung der par  allelgeschalteten Lagen nicht nur mit dem  Fluss der Grundwelle, sondern auch aller  übrigen im Ausgleichsvorgang enthaltenen,  höheren Harmonischen der Wicklung herrüh-         ren.    Diese Überspannungen wirken sieh be  sonders im Bereich der     Kreuzungsstellen     nachteilig aus, weshalb hier zusätzlich Iso  lation angebracht werden muss,     wenn-    man  Durchschläge vermeiden will.

   Die     zusätzlich     aufgebrachte Isolierung verteuert die Wick  lungsisolation, vergrössert den     Raumbedärf     der Wicklung und erschwert die     Kühlung.     Die Erfindung hat die     Aufgabe,    diese Män  gel zu vermeiden.  



  Erfindungsgemäss sind die     einzelnen    La  gen der Wicklung jeweils innerhalb des Be  reiches einer     Viertelswelle    der bei Stossspan  nungsbeanspruähung in der Anfangsspan  nungsverteilung noch merklich enthaltenen  höchsten Harmonischen mindestens so oft       ausgekreuzt,    dass sich für jeden Wicklungs  strang in diesem Bereich     ungefähr    die glei  che     Flussverkettung    ergibt.  



       In        Fig.    1     ist    in - Abhängigkeit von der           Wicklungslänge    L durch die Kurve 1 die be  kannte Anfangsverteilung der Stossspannung  längs der Wicklung, durch die Kurve 2 die  Endverteilung der     Stosssparintmg    für den  Fall fest geerdeten Sternpunktes dargestellt.  Die schraffierte Fläche F lässt sich in be  kannter     M7eise    nach der     Fourierschen    Reihe  in Harmonische zerlegen. Die Kurve 3 gibt  zum Beispiel den Verlauf der zweiten Har  monischen, die Kurve 4 den Verlauf der vier  ten 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 Stoss  spannungswelle die Potentiale der einzelnen  Wicklungsteile aus der     Anfangsverteilung     um die     Endverteilungskurve    als Schwin  gungsmittellinie mit mehr oder weniger star  ker Dämpfung herum, bis schliesslich das  Potential der einzelnen Teile in das der     End-          verteilungskurv    e 2 übergeht.

   Dabei sind die  Amplituden sämtlicher in dieser Ausgleichs  schwingung enthaltenen Harmonischen durch  die harmonische Analyse der von Anfangs  und     Endverteilung    in     Fig.    1 umschlossenen  Fläche gegeben. Steuert man nun beispiels  weise unter Zuhilfenahme von Schirmen, die  mit dem Eingang der Wicklung galvanisch  oder     kapazitiv    gekoppelt sind, die Anfangs  spannungsverteilung in der     ZVeise.    dass hö  here Harmonische als etwa die vierte im  Ausgleichsvorgang nicht mehr merklich vor  handen sind, so kann der Erfindungszweck  dadurch erreicht werden, dass man die Wick  lung bei n parallelgeschalteten Lagen statt  mit     (n..-1)

      Kreuzungsstellen - wie bisher  mit Rücksicht auf den stationären Betrieb  erforderlich -, mit     (4ü-1)        Auskreuzungen     versieht. Allgemein ergibt sieh bei einer der  artigen Ausführung für die Zahl der erfor  derlichen     Auskreuzungen    die Beziehung       (m    .     7a    - 1), wenn     i?    die Logenzahl und     nz     die Ordnungszahl der höchsten in der An  fangsverteilung enthaltenen Harmonischen  bedeutet.

   Wenn die     Auskreuzungen    in dieser  Weise für die Bereiche der     Viertelswellen-          länge    der höchsten Harmonischen richtig    durchgeführt sind, ergibt sich von selbst  auch für die niedrigeren Harmonischen die  richtige     Auskreuzung.     



  In den Figuren sind einige Ausführungs  beispiele der Erfindung dargestellt, und zwar  ist: hier immer vorausgesetzt, dass die höchste  Harmonische, die noch merklich in der An  fangsverteilung enthalten ist, die vierte sei.       Krach    der Kurve 4 der     Fig.    1 ergeben sich  dann für die ganze Wicklungslänge L vier       Viertelswellenbereiche    a.  



  In     Fig.    2 besteht die Wicklung aus drei  Lagen. Die einzelnen Lagen sind jeweils bei  5     ausgekreuzt.    Im ganzen ergeben sich ge  mäss der obigen Beziehung 3-4-1, also  elf     Auskreuzungen.    In jedem Abschnitt a er  gibt sich für jeden Leiterstrang der gleiche  umfasste     CTesamtfluss,    da     hier    jeder Strang  gleichmässig durch alle drei Lagen wechselt.  Deshalb muss jeder Leitungsstrang bei Stoss  beanspruchung nach' Durchlaufen eines vol  len Abschnittes a etwa die gleiche Span  nung 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 Vier  tel 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     zv-ischen    den Lagen ohne wei  teres unter ein     Viertel    der Werte bei einer  in üblicher Weise     ausgekreuzten    Wicklung  herabsetzen, wenn man die oben angegebene  Zahl der Kreuzungsstellen erhöht, beispiels  weise verdoppelt.  



  Um die Zahl der     Kreuzungsstellen    zu ver  ringern, kann, wie die     Fig.    3 zeigt, an jeder  innerhalb der     Wicklung    liegenden Grenze GG  eines     Viertelwellenbereiches    der höchsten  Harmonischen die     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<I>m .</I>     (-n   <I>-1).</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.  



       Fig.    4 zeigt als Beispiel eine derartige  Wicklung mit sechs Lagen. Zwecks Verrin  gerung der Zahl der Kreuzungsstellen sind  hier jeweils zwei Lagen paarweise     zusam-          mengefasst    und wie eine einzige Lage aus  gekreuzt. Die Lagen jedes Paares sind dabei  eng     aufeinandergepackt,    und nur zwischen  benachbarten Paaren befinden sich Kühl  kanäle 6.

   (Auch bei der Anordnung nach       Fig.    2 und 3 können zwischen den einzelnen  Lagen solche Kühlkanäle     ohne    weiteres frei  gelassen werden.) Um innerhalb jedes Paares  von Leitungssträngen über die ganze Wick  lungslänge den geringen     Unterschied    in der       Flussverkettung    voll auszugleichen, müssen  die Paare wenigstens einmal in der Wick  lungsmitte bei 7 zusätzlich     ausgekreuzt    wer  den. Man kann aber     statt    dessen auch inner  halb der Paare mehrmals     auskreuzen    und  diese     Auskreuzungen    über die     Wicklung    ver  teilen.  



  In     Fig.    5 ist eine Wicklung mit vier La  gen dargestellt, bei der sowohl, ähnlich wie  bei     Fig.    4, durch paarweises Zusammenfas  sen der Lagen, als auch, wie bei     Fig.    3, durch  Weglassen der     Kreuzungsstelle    an den Gren  zen GG die Zahl der Kreuzungsstellen herab  gesetzt ist. An der     mittleren    Grenze bei 7  sind nur die     Lagenpaare    -unter sich     ausge-          kreuzt.     



  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 meh  reren Stellen     ausgekreuzt    werden. Zur Ver  besserung der     Stossspannungssicherheit    kann  man ferner, wie oben erwähnt, die     Anfangs-          spannungsverteilung    längs der Wicklung  durch Schirme, die mit dem     Wicklungsein-          gang    verbunden sind und die sich zum Bei  spiel mit weiteren, in den Isolierstoff     einze-          betteten        Metalleinlagen        teleskopartia    über  lecken,

   derart verbessern,     da.ss    höhere Har  monische als diejenige, für welche die Wick-         lung    auf eine     Viertelswellenlänge    voll aus  gekreuzt ist, im     Ausgleichsvorgang    nicht vor  kommen.

       Insbesondere        wird    es meist möglich  sein, durch     Schirmsteuerung    die über der  vierten liegenden Harmonischen in der An  fangsverteilung zu     unterdrücken.    Dadurch  lässt sich die Zahl der     Auskreuzungen    we  sentlich herabsetzen, weil ja die Ordnungs  zahl m der höchsten Harmonischen als Fak  tor in die Formeln     (m.n-1)        bezw.    m (n-1)  für die Anzahl der Kreuzungsstellen eingeht.  



  Ausgehend von der Erkenntnis, dass in  folge     Dämpfung    der Wanderwellen beim  Einlaufen in die     Wicklung    die Harmonischen  höherer Ordnungszahlen nur im Eingangs  gebiet noch in merklicher Grösse     in    der     Wel-          lenstirn    enthalten sind, während sie nach  Durchlaufen des Eingangsgebietes praktisch  aus der Wellenstirn verschwunden sind,  kann man noch *zu einer weiteren Herabset  zung der     Kreuzungsstellen    kommen.

   Da eine       Auskreuzung    für diese höheren Harmoni  schen jenseits des Eingangsgebietes' nicht  mehr nötig ist, werden gemäss einer weiteren       Ausführungsform    der Erfindung nur in den  Einzugsgebieten der Wanderwellen, z. B. an  den     Enden,der        Wicklung,    die einzelnen La  gen der     Wicklung        jeweils    innerhalb des Be  reiches einer Viertelwelle der bei Stossbean  spruchung in der Anfangsverteilung der       Spannunb    noch     merklicb;

  enthaltenenhöchsten     Harmonischen mindestens so oft     ausgekreuzt,     dass sich für jeden     Wicklungsstrang    in die  sem Bereich annähernd die     gleiche        Flussver-          kettung    ergibt, während in der übrigen Wick  lung" die entsprechenden     Auskreuzungen    nur  für Harmonische niedrigerer Ordnungszahl  durchgeführt sind. Am besten werden die  Abstände der     Auskreuzungsstellen    so ange  ordnet, dass sie sich vom Einzugsgebiet nach  dem Wicklungsinnern zu zonenweise vergrö  ssern.

   Die günstigste Lösung erhält     man    da  durch, dass für jeden Leiter in der Wick  lungszone grösster     Kreuzungsstellenabsfände,     z. B. in der Mitte der Wicklung, die     Zahl     der Windungen gleichen radialen Abstandes  vom Eisenkern gleich ist den     Windungszah-          len    entsprechender räumlicher Lage in gleich-      langen Wicklungszonen mit kleineren     Kreu-          zungsstellenabständen.     



  Einige Ausführungsbeispiele zeigen die       Fig.    6 und 7.     Fig.    6 zeigt die Hälfte einer  aus vier parallelen Lagen bestehenden Trans  formatorwicklung, während     Fig.    7 eine  ganze     ,Transformatorwicklung    mit drei par  allelen Wicklungslagen zeigt.  



  In     Fig.    6 sind die Abstände b, der Kreu  zungsstellen 5 im ersten Viertel a, der Wick  lung halb so gross wie die Abstände     b_    im  zweiten Viertel     a.2.    Das erste Wicklungsvier  tel a, ist in acht, das zweite,     a_,    in vier gleich  lange Wicklungsabschnitte unterteilt.

   Die  ganze     Transformatorwicklung    ist demnach  bis zur vierten Harmonischen über ihren gan  zen Bereich     ausgekreuzt;    ausserdem ist. das  erste Viertel a, und entsprechend das in der  Zeichnung nicht dargestellte letzte Viertel     a1     sogar bis zur achten Harmonischen     ausge-          kreuzt.    An den Symmetriegrenzen GG kann,  wie bei den vorherigen Beispielen beschrie  ben, je eine Kreuzungsstelle weggelassen  werden.

      Während bei der Wicklung nach     Fig.    6  in dem ersten Viertel a, zwei gleichartige       Wicklungsabschnitte        cl    mit gleichen     Kreu-          zungsstellenabstä.nden    b, vorgesehen sind, ist  in     Fig.    7 eine noch feinere Staffelung der       Kreuzungsstellenabstände    in dem Sinne vor  genommen, dass innerhalb der ersten Zone  zwei     ungleichlange        Abschnitte    c, und     c2    ent  stehen, die verschiedene Kreuzungsstellen  abstände     b1,    und     b,_    haben.

   Die Summe der       Windungszahl    pro Leiter in den     Abständen          b11    und     b",    ist dabei gleich der     Windungs-          zahl    pro Leiter in dem Abschnitt     b_    der Zone  grösster     Kreuzungsstellenabstände.    Allgemein  lässt sich diese Beziehung durch folgende  Formel ausdrücken:

   Bezeichnet man mit N  die Gesamtzahl der Windungen pro Leiter,  mit m, die Ordnungszahl der Harmonischen,  für die die Zone grösster Kreuzungsstellen  abstände     ausgekreuzt    ist,     mz,        m,        usf.    die Ord  nungszahlen der höheren Harmonischen, für  die im Einzugsgebiet     ausgekreuzt    ist, bei  spielsweise für die Abschnitte c, und     c"          Fig.    7, und mit n die Zahl der Lagen, dann  muss sein  
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    Der besondere Vorteil der Erfindung liegt  darin, dass die Wicklung     raum-    und werk  stoffsparend gebaut und ausserdem ausrei  chend mit Kühlkanälen durchsetzt werden  kann,

   weil zwischen den einzelnen Wick  lungssträngen bei Stossbeanspruchung keine  Überspannungen eintreten<B>-,</B> ausserdem wird die  Herstellung der Wicklung beträchtlich er  leichtert und der Materialaufwand und  Raumbedarf herabgesetzt.

Claims (1)

1. PATENTAN SPRUCIi: Wicklungsanordnung zur Beseitigung von tberspannungen bei Stossbeanspruchungen an den Auskreuzungsstellen von Wicklungen mit mehreren parallelgeschalteten Lagen für Transformatoren, dadurch gekennzeichnet, da.ss die einzelnen Lagen der Wicklung ,je weils innerhalb des Bereiches einer Viertels- welle der bei Stossbeanspruchung in der An fangsverteilung der Spannung noch merklich enthaltenen höchsten Harmonischen minde stens so oft ausgekreuzt sind,

   dass sich für jeden Wicklungsstrang in diesem Bereich annähernd die gleiche Flussverkettung ergibt. UNTERANSPRVCHE 1. Wicklungsanordnung nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass jede der iz-Wicklungslagen <I>(m .</I> n <I>-1)</I> Auskreuzun- gen hat, wenn m die Ordnungszahl der höch sten merklich in der Anfangsverteilung vor handenen Harmonischen ist. 2.

   Wicklungsanordnung nach Patentan spruch und Unteranspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, da.ss jeweils die an den inner halb der Wicklung liegenden Grenzen GG einer Viertelswelle der betreffenden Harmo- nischen liegende Kreuzungsstelle fortgelas sen ist, so dass sich<I>m . (n -1)</I> Auskreuzun- gen ergeben. " 3.

   Wicklungsanordnung nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mehrere Lagen gruppenweise zusammenge- fasst und wie eine einzige Lage ausgekreuzt sind, und dass innerhalb der Gruppe nur in der Wicklungsmitte die zu einer Gruppe zu sammengefassten Lagen ausgekreuzt sind. 4.

   Wicklungsanordnung nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mehrere Lagen gruppenweise zusammenge- fasst und wie eine einzige Lage ausgekreuzt sind, und dass innerhalb der Gruppe an meh reren über die Wicklung verteilten Stellen die zu einer Gruppe zusammengefassten La gen ausgekreuzt sind. 5. Wicklungsanordnung nach Patentan spruch und Unteranspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, dass die gruppenweise zusam- inengefa.ssten Lagen radial eng aneinander liegen. 6.

   Wicklungsanordnung nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass durch metallische Schirme, die kapazitiv mit dem Wicklungseingang gekoppelt sind, die An fangsspannungsverteilunglängsder Wicklung derart gesteuert ist, dass Harmonische höherer Ordnungszahl als diejenige, für welche die Wicklung ausgekreuzt ist, in der Anfangs spannungsverteilung nicht vorkommen. 7. Wicklungsanordnung nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass metal lische Schirme, die galvanisch mit dem Wick lungseingang gekoppelt sind, die Anfangs spannungsverteilung längs derWicklung der art steuern, dass Harmonische höherer Ord nungszahl als diejenige, für welche die Wick lung ausgekreuzt ist, in der Anfangsvertei lung nicht vorkommen. B.

   Wicklungsanordnung nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass die An fangsverteilung der Spannung längs der Wicklung nur über einen Teil der Wickel länge entsprechend der axialen Erstreckung der mit dem Eingang galvanisch und kapa- zitiv gekoppelten metallischen Schirme ge steuert ist. 9.

   Wicklungsanordnung nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass nur in den Einzugsgebieten der Wanderwellen die einzelnen Lagen der Wicklung jeweils inner halb des Bereiches einer Viertelswelle der bei Stossbeanspruchung in der Anfangsverteilung der Spannung noch merklich enthaltenen, höchsten Harmonischen so oft ausgekreuzt sind, dass sich für jeden Wicklungsstrom in diesem Bereich annähernd die gleiche Fluss- verkettung ergibt,

   während in der übrigen Wicklung die entsprechenden Auskreuzun- gen nur für Harmonische niedrigerer Ord nungszahl durchgeführt sind. 10. Wicklungsanordnung nach Patentan- spfuch und Unteranspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, dass vom Einzugsgebiet nach dem Wicklungsinnern zu die Abstände der Auskreuzungsstellen zonenweise sich vergrö ssern. 11.

   Wicklungsanordnung nach Patentan spruch und Unteransprüchen 1, 9 und 10; da durch gekennzeichnet, dass für ,jeden Leiter in der Wicklungszone grösster Kreuzungs- stellenabstände die Zahl der Windungen gleichen radialen Abstandes vom Eisenkern gleich ist den Windungszahlen entsprechen der räumlicher Lage in gleich langen Wick lungszonen mit kleineren Kreuzungsstellen abständen. 12.

   Wicklungsanordnung nach Patentan spruch und Unteransprüchen: 1, 9, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangs spa.nnungsverteilung längs der -Wicklung durch metallische Schirme, die mit dem Ein gang der Wicklung galvanisch oder kapazi- tiv gekoppelt sind und sich in axialer Rich tung nur über einen Teil der Wickellänge er strecken, gesteuert ist.