Wicklungsanordnnng für Transformatoren
Für Drehstromübertragungen mit höchsten Leistungen ist es aus Transportgründen vielfach notwendig, anstelle von Drehstromtransformatoren jeweils drei Einphasentransformatoren zu bauen. Diese Einphasentransformatoren werden meist mit zwei bewickelten Schen keln ausgeführt, wobei die Hochspannungswicklungen beider Schenkel parallel geschaltet sind.
Die vorliegende Erfindung befasst sich ausschliesslich mit aus Gründen der höheren Stosspannungsfestigkeit bevorzugten Lagenwicklungen.
Die in der Zeichnung gezeigten Beispiele beschränken sich auf die Zweischenkelausführung, d. h. auf jeden der beiden bewickelten Schenkel eines Kernes befindet sich eine Wicklungsgruppe, bestehend aus einem Anteil der Oberspannungswicklung und konzentrisch dazu dem entsprechenden Anteil der Unterspannungswicklung.
Die Zeichnung stellt in schematischer Darstellung nur die Querschnitte der Wicklungen dar, die in zwei Gruppen aufgeteilt sind, von denen jede auf einem Kernschenkel angeordnet ist. Die vom Kern und den Kesselwänden dargestellte geerdete Gegenelektrode ist in einigen der Figuren durch Erdungsschraffur angedeutet.
In den Figuren 1 und 2 sind die trapezförmigen Querschnittsumrisse der Teillagenwicklungen mit abgestuften Lagenlängen dargestellt, in denen symbolisch durch eingezeichnete Zick-Zacklinien der Verlauf der einzelnen Lagen angedeutet ist. In den weiteren Figuren sind lediglich nur noch die trapezförmigen Umrisse gezeichnet. Die Figuren 1 bis 3 zeigen die bekannten Wicklungsanordnungen, Fig. 4 das Ersatzschaltbild der Kapazitäten der Wicklungsanordnung von Fig. 3.
In Fig. 1 ist die bisher bekannte und übliche Parallelschaltung der beiden Oberspannungsteilwicklungen am Beispiel des Zweischenkelkernes dargestellt.
Hierbei müssen an beiden Schenkeln die Isolationsabstände der Wicklungen für die gesamte Prüfspannung des Transformators ausgelegt sein. Sind die Wicklungen mit den Klemmen 1, 2, 3 und 4, wobei die Klemme 1 in allen Figuren als Hochspannungsanschluss der Eingangsteilwicklung zu verstehen ist, die parallelgeschalteten Oberspannungsteilwicklungen, so müssen die Lagenisolationen jeder dieser Teilwicklungen für die volle Prüfspannung bemessen sein, d. h. wenn zur Beherrschung der Prüfspannung beispielsweise zehn Lagen mit einem Lagenabstand a erforderlich sind, so ergibt sich in beiden Schenkeln ein Raumbedarf für den zwanzigfachen Lagenabstand a. Da auch der Isolationsabstand zwischen den Wicklungen zweimal vorgesehen werden muss, ergibt sich für eine derartige Wicklung ein relativ schlechter Füllfaktor.
Jede Wicklung ist hierbei für die volle Prüfspannung, jedoch nur für den halben Nennstrom des Transformators bemessen und enthält demzufolge relativ viel Isolationsmaterial im Vergleich zum aktiven Leitermaterial
Fig. 2 zeigt eine in zwei Teilwicklungen unterteilte Oberspannungswicklung, die jeweils auf zwei verschiedenen Schenkeln des Kernes angeordnet sind. Die ebenfalls unterteilte Unterspannungswicklung mit den Ein- und Ausgangsklemmen 5 bis 8 gemäss Fig. 1 ist hier weggelassen. Die beiden Teilwicklungen der Oberspannungswicklung sind in Reihe geschaltet, so dass jede Teilwicklung von vollem Strom durchflossen ist. Dagegen wird jede Teilwicklung nur mit der halben Spannung beansprucht, so dass zum Abbau der Spannung auf jedem Schenkel auch nur noch die halbe Zahl von Wicklungslagen notwendig ist. Damit geht der Isolationsaufwand innerhalb der Wicklung erheblich zurück.
Da ausserdem das Einbringen der Lagenisolation und die Herstellung der eventuell an den Lagenenden erfor derlichen Winkelringe einen erheblichen Arbeitsaufwand erfordert, wird durch die Halbierung der Lagenzahl der Arbeitsaufwand für die Herstellung der Wicklung erheblich vermindert.
Bei Wechselspannung und auch bei Schaltüberspannung teilt sich die Spannung entsprechend den Windungszahlen linear über die einzelnen Teilwicklungen auf, was bei Stosspannungsbeanspruchungen nicht der Fall ist. Die Stosspannungsverteilung erfolgt bekanntlich im wesentlichen entsprechend den Wicklungskapazitäten. Die wichtigsten Kapazitäten einer in zwei in Reihe geschalteten und auf zwei Schenkeln aufgeteilten Teilwicklungen gemäss Fig. 2 sind in Fig. 3 eingezeichnet.
Fig. 4 zeigt die zugehörige kapazitive Ersatzschaltung.
Obwohl die Wicklungskapazitäten 10 und 13 der in Reihe geschalteten Teilwicklungen ohne Schwierigkeit gleichgross gewählt werden könnten, ergibt sich dennoch eine ungleichmässige Spannungsaufteilung über die beiden Teilwicklungen, da parallel zu den Kapazitäten 10 und 13 noch die Kapazitäten 11 und 12 gegen geerdete Metallteile - Kern und Kessel - bzw. die praktisch geerdete Unterspannungswicklung liegen. Tritt an der Klemme 1 eine Stosspannung auf und ist die Klemme 4 geerdet, so wird zwischen den Klemmen 1, 2 der ersten Wicklung ein wesentlich höherer Spannungsanteil anfallen als zwischen den Klemmen 3 und 4 der hierzu in Reihe geschalteten Teilwicklungen des anderen Schenkels.
Die Erfindung bezweckt eine wesentliche Verbesserung des Füllfaktors, insbesondere durch Senkung des Isolationsaufwandes in der Eingangsteilwicklung, d. h.
am Hochspannungsanschluss angeschlossenen Teilwicklung. Die Erfindung betrifft eine Wicklungsanordnung für Transformatoren, die sich dadurch auszeichnet, dass die Oberspannungswicklung in mindestens zwei in Reihe geschaltete Teilwicklungen mit Anschlussklemmen aufgeteilt ist, die als Lagenwicklungen ausgeführt und auf verschiedenen Schenkeln des Kernes angeordnet sind und dass das Verhältnis der Gesamtkapazitäten zwi- schen den Anschlussklemmen der beiden Teilwicklungen nahezu eins ist. Dieses Verhältnis. kann z. B. dadurch erreicht werden, dass konzentrisch zur ersten Teilwicklung und ausserhalb dieser ein Schild angeordnet wird, der mit der spannungsniedereren Anschlussklemme der ersten Teilwicklung leitend verbunden ist, während die äusserste Lage der ersten Teilwicklung mit der andern Anschlussklemme verbunden ist (Fig. 5).
Der zusätzliche Schild, der in Fig. 5 als parallel zur Wicklung verlaufende gestrichelte Linie dargestellt ist, bringt eine zusätzliche Reihenkapazität 15 ein, die zur Kapazität 10 parallel liegt. Eine lineare Spannungsaufteilung auf die beiden Teilwicklungen ergibt sich dann, wenn man die Kapazität 15 so wählt, dass die Summe aus den Kapazitäten 10 und 15 etwa der Summe der Kapazitäten 11 und 13 entspricht.
Eine andere Möglichkeit zur Erreichung des genannten Kapazitätenverhältnisses besteht darin, dass man die Lagen der an das Hochspannungspotential angeschlossenen Teilwicklung so anordnet, dass sie von innen nach aussen abnehmendes Potential besitzen, während die Lagen der anderen Teilwicklungen so angeordnet sind, dass sie von aussen nach innen abnehmendes Potential besitzen. Diese Anordnung ist in Fig. 6 dargestellt, während das zugehörige kapazitive Ersatzschaltbild in Fig. 7 dargestellt ist. Auch hier besteht die Oberspannungswicklung aus mindestens zwei in Reihe geschalteten Teilwicklungen. Die mit der Hochspannungsklemme 1 der Oberspannungswicklung verbundene Eingangslage der ersten Teilwicklung ist radial innenliegend angeordnet, während die Endlage radial aussen liegt.
Die Kapazität 11 liegt damit direkt an der Eingangsklemme und ist auf die Stosspannungsverteilung ohne Einfluss.
Die Kapazität 11 ist jedoch gerade bei den in Fig. 3 und 4 parallel zur Kapazität 13 liegenden Kapazitäten 11 und 12 weitaus am grössten, da der Streukanalabstand zwischen Ober- und Unterspannungsteilwicklung, der die Kapazität 11 bestimmt, ganz erheblich kleiner ist, als die äusseren Abstände der Wicklung zum schraffiert eingezeichneten Kessel, von denen die Kapazitäten 9 und 12 abhängen. In den in Fig. 6 und 7 dargestellten Schaltungen liegen jedoch nur noch die relativ kleinen Kapazitäten 9 und 12 parallel zur Kapazität 13, so dass die Spannung sich wesentlich gleichmässiger auf die Wicklungskapazitäten 10 und 13 aufteilt. Wie aus der Fig. 6 weiter hervorgeht, liegt die Eingangslage der zweiten Teilwicklung, die mit der Klemme 3 versehen ist, radial aussen, während die Endlage mit der Ausgangsklemme 4 innen liegt.
Dadurch ergibt sich bei dieser Teilwicklung ein von aussen nach innen abnehmendes Potential.
Erfahrungsgemäss erreichen die Kapazitäten C8 und C12 Werte von etwa 1000 bis 1500 pF, die Kapazitäten C10 und C13 etwa 3000 bis 5000 pF und die Kapazitäten Cii und C14 etwa 10 000 bis 15 000 pF. Die Indizes der C entsprechen dabei den Bezugsziffern in der Zeichnung.
Damit verhalten sich die Kapazitäten etwa wie folgt: e18 ¯ C13 ¯ 3C9 ¯ 3Cl2 und C11 ¯ e14 ¯ 3C10 - 3Co4
Unter diesen Voraussetzungen verhalten sich die
Spannungen Ut2 (zwischen den Klemmen 1 und 2) und U84 (zwischen den Klemmen 3 und 4) bei einer Fig. 3 entsprechenden Schaltung bei einer an Klemme 1 angelegten Stosspannung und bei geerdeter Klemme 2 wie folgt:
: U12 e18 + e12 + e11 = ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ = 4,3 U34 e10
Demnach ergibt sich bei einer Schaltung entspre chend Fig. 3 eine sehr ungleichmässige Spannungsaufteilung. Bei einer Fig. 6 entsprechenden Schaltung dagegen ergibt sich ein Verhältnis
U12 e18 + C12 + C9 = = 1,67 U34 , C10
Dieses Verhältnis ist also wesentlich günstiger.Wer den nun die Kapazitäten e12 und Cg gegenüber der
Kapazität e10 klein gewählt (etwa Cs = 0,1 Clo) so erreicht man ein Spannungsverhältnis U12 = 1,2,
also
U84 1,2, nahezu eins.