CH642478A5

CH642478A5 - Transformer

Info

Publication number: CH642478A5
Application number: CH792979A
Authority: CH
Inventors: E H Friedrich Dr Ing Raupach
Original assignee: Raupach Friedrich
Priority date: 1978-10-06
Filing date: 1979-08-31
Publication date: 1984-04-13
Also published as: DE2843608A1; DE2843608C2; ATA500779A; BE879216A; AT381184B

Description

Die Erfindung betrifft einen Transformator nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein als Spannungstransformator ausgebildeter Transformator der vorstehend angeführten Art ist durch die DE-AS 2154398 bekannt. Nachteilig an diesem bekannten Spannungstransformator ist, dass dieser nicht unmittelbar in den Leitungszug einer mittels Isoliergas vollisolierten, metallgekapselten Hochspannungsschaltanlage eingesetzt werden kann, sondern in einem gesonderten Druckkessel an einen Abzweig derartiger Schaltanlagen angeflanscht werden muss. Damit ist eine wünschenswerte volle Integration des bekannten Spannungstransformators mit der Hochspannungsschaltanlage nicht möglich. Auch ist bei dem bekannten Spannungstransformator die Möglichkeit, auf relativ einfache Weise einen kombinierten Strom- und Spannungswandler zu schaffen, nicht gegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transformator der eingangs erwähnten Art so auszubilden, dass eine völlige Integration in eine vollisolierte, metallgekapselte Hochspannungsschaltanlage üblicher Bauart möglich ist. Ferner sollen durch eine optimale Feldsteuerung in der Hochspannungswicklung und in den daran angrenzenden Bereichen des Transformators dessen radiale Abmessungen möglichst klein gehalten werden können. Ausserdem soll eine einfache Montage des erfindungsgemässen Transformators gewährleistet sein. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Der Transformator gemäss der Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass er unmittelbar in den Leitungszug einer vollisolierten, metallgekapselten Hochspannungsschaltanlage eingebaut werden kann, so dass ein gesonderter Abzweig für die Anflanschung des Transformators und die elektrische Verbindung mit dem Hochspannungsleiter der Anlage entfällt. Aufgrund der in die Hochspannungslagenwicklung eingebrachten Zwischenelektroden erhält man in Verbindung mit den damit gekoppelten Zusatzelektroden eine optimale Feldsteuerung nicht nur in der Hochspannungswicklung selbst, sondern auch in den wicklungsfreien Räumen bis hin zu den abschliessenden Isolierstoffteilen.

Dadurch ergibt sich ein vergleichsweise kleiner Kesseldurchmesser und ein niedriges Gewicht. Auch erhält man bei einer derartigen Dimensionierung kleinere Eisenwege für einen vorteilhafterweise vorhandenen, in der Nähe des Gehäuses angeordneten oder am Gehäuse befestigten magnetischen Rückschluss, was sich auf die Messgenauigkeit günstig auswirkt. Das vorhandene Zentralrohr ist Tragelement für die Aktivteile des Wandlers, wie den stabförmigen Eisenkern, die Hoch- und Niederspannungswicklung und den ggf. vorhandenen magnetischen Rückschluss. Die Montage ist denkbar einfach, weil sich sämtliche Aktivteile baukastenförmig um das zentrale Tragrohr anordnen lassen. Die Montagefreundlichkeit des gesamten Transformators wird durch die Unterteilung des rohrförmigen Stabkerns in mehrere Teilkerne noch gefördert. Der erfindungsgemässe Transformator kann insbesondere als Spannungswandler oder Prüftransformator eingesetzt werden, wobei er aufgrund seines Aufbaues für beliebige Einbaulagen geeignet ist.

Von Vorteil ist es, wenn die Länge der Zusatzelektroden so bemessen ist, dass diese die Joche des Stabkernes zumindest teilweise überragen. Durch eine derartige Ausbildung der Zwischenelektroden erhält man auch eine weitgehend gleich-mässige Spannungsbeanspruchung in den wicklungsfreien Räumen des erfindungsgemässen Transformators.

Um den vorstehend geschilderten Vorteil zu erreichen, ist es nicht notwendig, dass sämtliche Zusatzelektroden in gleicher Weise bis an die abschliessenden Isolierstoffteile herangeführt werden. Es ist vielmehr ausreichend, wenn bei trapezförmiger Ausbildung der Hochspannungslagenwicklung

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die an die Enden der Zusatzelektroden anzulegenden Tangentialebenen wenigstens annähernd die gleiche Neigung in bezug auf die Transformatorlängsachse wie die Stirnseiten der Hochspannungslagenwicklung besitzen.

Eine einfache Befestigung der Zusatzelektroden an den Zwischenelektroden in der Hochspannungslagenwicklung ist insbesondere dann gegeben, wenn die freien Enden der Zwischenelektroden und die diesen zugeordneten Enden der Zusatzelektroden ringförmig ausgebildet und mittels Stiftverbindungen miteinander verbunden sind.

Für eine günstige Spannungsverteilung in den wicklungsfreien Räumen des Transformators auch vorteilhaft ist es, wenn über den Endjochen des rohrförmigen Stabkernes trichterförmige Elektroden vorgesehen sind, die sich wenigstens annähernd bis zu den Isolierstoffteilen erstrecken.

Mit Vorteil kann das Tragrohr gleichzeitig als Anschlusselement für die Hochspannungswicklung verwendet werden. In diesem Falle besteht das Tragrohr aus elektrisch leitendem Material, an das das hochspannungsseitige Ende der Hochspannungswicklung anschliessbar ist.

Insbesondere bei Verwendung eines magnetischen Rückschlusses im Bereich des Druckkessels ist es günstig, wenn die beiden Joche und ggf. auch die Kerne aus Radialblechen zusammengesetzt sind, deren Spalte mit Giessharz ausgefüllt sind, um die magnetischen Streuverluste gering zu halten.

Günstig ist es auch, wenn die freien Enden der Radialbleche kreisbogenförmig abgerundet sind. Damit ist auch ein kantenloser und damit hinsichtlich der Spannungsfestigkeit günstiger Abschluss des Stabkernes gegeben.

Zur Schaffung einer einfachen kombinierten Strom- und Spannungsmesseinrichtung ist es von Vorteil, wenn die Hoch-und Niederspannungswicklung eines als Spannungswandler ausgebildeten Transformators von einem oder mehreren sekundärbewickelten Eisenkernen eines Stromwandlers koaxial umgeben sind, dessen Primärleiter von dem elektrisch leitenden Tragrohr gebildet ist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch einen induktiven Spannungswandler;

Fig. 2 einen Teilausschnitt der Verbindungsstelle einer Zwischenelektrode mit einer Zusatzelektrode und

Fig. 3 a und 3b eine Draufsicht auf eines der radial geblechten Endjoche sowie eine Ansicht eines einzelnen Radialbleches.

Wie Fig. 1 zeigt, setzt sich der induktive Spannungswandler aus folgenden wesentlichen Teilen zusammen.

Ein aus magnetisch nicht leitendem, jedoch elektrisch leitendem Material, vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, bestehendes Tragrohr 1 ist unter Zwischenfügung einer Isolierhülse 2 von einem rohrförmigen Stabkern 3 umgeben. Der rohrförmige Stabkern 3 setzt sich aus mehreren Kernen 4, 5,6 zusammen, die vorzugsweise aus bandförmigem magnetischem Material gewickelt und nach dem Wickeln und ggf. nach deren Verfestigung mit mehreren, über den Umfang möglichst gleichmässig verteilten radialen Luftspalten versehen sind. Der Stabkern 3 bzw. dessen Teilkerne 4, 5, 6 können auch wie die nachstehend beschriebenen Endjoche 7, 8 aus Radialblechen zusammengesetzt sein, deren Spalte vorzugsweise mit Giessharz ausgegossen sind. Den beiderseitigen Abschluss der Ringkerne 4, 5, 6 bilden ringförmige Endjoche 7,8, deren Durchmesser so bemessen ist, dass diese die Ringkerne 4, 5,6 deutlich überragen. Die Isolierhülse 2 und der Stabkern 3 sind vorzugsweise mittels auf das Tragrohr 1 aufgeschrumpfter Ringe 9, 10 kraftschlüssig an dem Tragrohr 1 befestigt. Der Stabkern 3 ist unter Zwischenfügung einer weiteren Isolierhülse 11 von der Hochspannungswicklung 12 und der Niederspannungswicklung 13 koaxial umgeben. Die

Wicklungen 12, 13 sind schliesslich von einem magnetischen Rückschluss 14 koaxial umgeben. Sämtliche vorstehend angeführten Koaxialteile werden von einem auf Erdpotential liegenden Metallgehäuse 15 umfasst, das stirnseitig mittels konusförmiger Isolierstoffteile 16, 17 isoliermitteldicht abgeschlossen ist. Zur Verspannung des Tragrohres 1 mit den Isolierstoffteilen 16,17 sind Schraubenmuttern 18, 19 vorgesehen.

Die Öffnung 20 des Stabkernes 3 ist so bemessen, dass sich die einzelnen Kernteile 4, 5, 6 ohne Widerstand über das Tragrohr und über die dieses umgebende Isolierhülse 2 schieben lassen.

In die als Lagenwicklung ausgebildete Hochspannungswicklung 12 sind in vorbestimmten Abständen Zwischenelektroden 21, 22, 23 eingebracht, die vorzugsweise als Metallbahnen ausgebildet sind und im Zuge der Herstellung der Hochspannungslagenwicklung 12 in diese mit eingewickelt werden. Hierbei stellt die jeweilige Zwischenelektrode 21, 22,23 jeweils den Wickelkörper für die anschliessenden Wicklungslagen der Hochspannungslagenwicklung 12 dar. Die über die Stirnseiten der zugehörigen Wicklungslagen herausgeführten freien Enden der Zwischenelektroden 21,22,23 sind mit ringförmigen Abschlussteilen 24 versehen, an die entsprechende ringförmige Abschlussteile 25 (Fig. 2) der mit den Zwischenelektroden 21, 22,23 zu verbindenden Zusatzelektroden 26, 27,28 bzw. 29,30, 31 angrenzen. Die Verbindungen zwischen den Elektrodenringen 24, 25 sind in Form einer Stiftverbindung ausgestaltet, wobei die jeweiligen Stifte 32 in entsprechenden Ausnehmungen 33 der Ringelektroden 24, 25 zusätzlich durch eine Klebeverbindung gesichert sein können.

Die Länge der Zusatzelektroden 26,27,28 bzw. 29, 30, 31 ist so bemessen, dass zumindest die auf höherem Potential, d.h. die dem Tragrohr 1 am nächsten liegenden Zusatzelektroden die Joche 7, 8 des Stabkernes 3 überragen. Bei einer wie im Ausführungsbeispiel dargestellten trapezförmigen Hochspannungslagenwicklung 12 ist es ausreichend, wenn alle Zusatzelektroden 26, 27, 28 bzw. 29,30, 31 gleiche Länge besitzen, d.h. wenn die an die Enden der Zusatzelektroden angelegten Tangentialebenen Ei, E2 wenigstens annähernd die gleiche Neigung (Winkel a) in bezug auf die Transformatorlängsachse A wie die Stirnseiten 34,35 der Hochspannungslagenwicklung 12 (Winkel ß) aufweisen. Die in Fig. 1 eingezeichneten Winkel a und ß sind demgemäss wenigstens annähernd gleich gross. Die Zwischenelektroden 21,22,23 und die Zusatzelektroden 26,27, 28 bzw. 29, 30,31 sorgen für eine weitgehende Spannungsvergleichmässigung sowohl in der Hochspannungslagenwicklung 12 als auch in den wicklungsfreien Räumen 36, 37 des vorliegenden Spannungswandlers. Günstig in dieser Hinsicht ist auch die Anordnung trichterförmiger Elektroden 38, 39, die über den Jochen 7, 8 bzw. den Schrumpfringen 9,10 angeordnet sind. Diese trichterförmigen Elektroden 38, 39 erstrecken sich vorzugsweise fast annähernd bis zu den Isolierstoffteilen 16,17.

Die Zusatzelektroden 26,27, 28 bzw. 29,30, 31 sowie die trichterförmigen Elektroden 38,39 besitzen vorzugsweise eine Gitter- oder Gazestruktur. Falls sie aus Blechmaterial hergestellt sind, ist vorzugsweise Material mit herabgesetzter elektrischer Leitfähigkeit zu verwenden.

Wie Fig. 3a zeigt, sind die beiden Joche 7, 8 mit Vorteil aus Radialblechen 40 zusammengesetzt, deren Spalte 41 mit Giessharz ausgefüllt sind, um einen kompakten Kernaufbau zu erzielen. Hierbei ist es von Vorteil, wenn die freien Enden 42 dieser Radialbleche 40 mit einem grossen Radius, vorzugsweise kreisbogenförmig, abgerundet sind.

Um eine weitere mechanische Verfestigung der Endjoche 7, 8 zu erhalten, können diese auch an ihrer inneren und äusseren Zylinderfläche mit einer dünnen Schicht 43,44 aus Giessharz versehen sein.

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Bei Verwendung des erfindungsgemässen Transformators als in eine vollisolierte, metallgekapselte Hochspannungsschaltanlage einzubauender induktiver Spannungswandler ist als Isoliermittel vorzugsweise elektronegatives Gas, insbesondere das in derartigen Schaltanlagen üblicherweise vorhan- s dene Schwefelhexafluorid, vorgesehen. Aber auch inerte Gase, wie Stickstoff, können durchaus angewendet werden. Bei Verwendung des Transformators kann als Isoliermittel auch das übliche Transformatorenöl verwendet werden.

Um an Isoliermittelvolumen und an Gewicht des Metall- 10 gehäuses 15 zu sparen, kann der eine der beiden Flanschteile 45,46 des Metallgehäuses 15 für die Befestigung der Isolierstoffteile 16, 17 eine Abkröpfung nach innen aufweisen und somit im Durchmesser kleiner gehalten werden, was im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zu kleineren Abmessungen des is Isolierstoffteiles 17 führt. In diesem Falle würden die Aktivteile des Transformators von unten nach oben bzw. bei waagrechter Anordnung von links nach rechts eingebaut werden. Durch die Festlegung aller Aktivteile an dem Tragrohr 1 kann der erflndungsgemässe Transformator in beliebigen Einbau- 20 lagen verwendet werden. Der magnetische Rückschluss 14 kann selbstverständlich auch am Metallgehäuse 15 befestigt werden, um das Tragrohr 1 gewichtsmässig zu entlasten.

Diese Anordnung bietet sich insbesondere dann an, falls der magnetische Rückschluss 14 aus durch radiale Luftspalte 25 voneinander getrennten stabförmigen Teilen besteht. Im Falle der Verwendung des erfindungsgemässen Transformators als kombinierter Strom- und Spannungswandler ist es zweckmässig, die stabförmigen Teile des magnetischen Rückschlusses 14 auch in axialer Richtung mehrfach zu unterteilen. Wie sich 30 gezeigt hat, ist es vorteilhaft, wenn die Zusatzelektroden 26, 27,28 bzw. 29, 30,31 tonnenförmig gewölbt sind, um günstige Spannungsverhältnisse in den wicklungsfreien Räumen 36,37 zu erhalten.

Die als Trapezwicklung, gegebenenfalls auch als Recht- 35 eckwicklung mit gleichen Lagenlängen ausgebildete Hochspannungslagenwicklung 12 kann zusammen mit den Zwischenelektroden 21,22,23 als fertige Wicklungseinheit vorgefertigt und vorgeprüft werden und als kompakte Funktionseinheit über die Isolierhülse 11 geschoben werden. In gleicher Weise kann auch die Niederspannungswicklung 13 unter Zwischenlage einer weiteren Isolierhülse als fertige Baueinheit koaxial zu der Hochspannungswicklung 12 angebracht und entsprechend befestigt werden. Die Kerne 4-6 grenzen stirnseitig lückenlos aneinander und werden durch die Schrumpfringe 9,10 unter Zwischenfügung der Endjoche 7, 8 in ihrer vorbestimmten Lage gehalten. Selbstverständlich ist auch eine Befestigungsart möglich, die bei unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Tragrohr 1 und den Kernteilen 4, 5, 6 sowie den zugehörigen Jochteilen 7, 8 die gegebenenfalls notwendige axiale Verschiebbarkeit zwischen diesen Teilen ermöglicht.

Falls das Tragrohr 1 aus elektrisch leitendem Material besteht und mit dem Zentralleiter einer vollisolierten, metallgekapselten Schaltanlage verbunden ist oder einen Teil desselben bildet, lässt sich ein kombinierter Strom- und Spannungswandler in einfacher Weise dadurch herstellen, dass koaxial zu der Niederspannungswicklung 13 des als Spannungswandler ausgebildeten Transformators eine oder mehrere sekundärbewickelte Eisenkerne angeordnet werden, die zusammen mit dem zentralen Innenleiter (Tragrohr 1) den Stromwandlerteil eines kombinierten Strom- und Spannungswandlers bilden.

Der erflndungsgemässe Transformator zeichnet sich gegenüber bekannten Transformatoren in Stabkernbauweise durch eine Vielzahl von Vorteilen aus. Es wird erstmalig eine völlige Integration derartiger Spannungstransformatoren mit vollisolierten, metallgekapselten Hochspannungsschaltanlagen üblicher Bauart ermöglicht. Durch eine weitgehend optimale Feldsteuerung erhält man geringe Abmessungen und damit ein geringes Gewicht. Besonders vorteilhaft ist die Montagefreundlichkeit durch die koaxiale Anordnung aller Aktivteile um das zentrale Tragrohr herum. Auch die wicklungsfreien Räume sind durch die Zusatzelektroden feldmäs-sig günstig gesteuert, was der Forderung nach einer gewichtssparenden, gedrängten Bauart weiterhin entgegenkommt.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Transformator mit einem im Betrieb auf Hochspannungspotential befindlichen rohrförmigen Stabkern, der von der als Lagenwicklung ausgebildeten Hochspannungswicklung und der Niederspannungswicklung koaxial umgeben ist, sowie mit einem auf Erdpotential befindlichen Gehäuse, das auf beiden Stirnseiten jeweils mit einem Isolierstoffteil iso-liermitteldicht abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Öffnung (20) des Stabkernes (3) durchsetzendes Rohr (1) aus magnetisch nicht leitendem Material vorgesehen ist, das durch die beiden Isolierstoffteile (16, 17) isoliermittel-dicht hindurchgeführt und mit diesen verspannt ist, wobei dieses Rohr (1) Träger für die Aktivteile des Transformators ist, dass der Stabkern (3) aus zwei oder mehr Kernen (4, 5,6) zusammengesetzt ist, die stirnseitig mit den Durchmesser der Kerne überragenden Endjochen (7, 8) versehen sind, und dass in die Hochspannungswicklung (12) Zwischenelektroden (21, 22,23) eingebracht sind, deren über die Stirnseiten (34,35) der Hochspannungswicklung (12) hervorstehende Enden mit zusätzlichen, die wicklungsfreien Räume (36,37) zwischen dem Tragrohr (1) und dem Gehäuse (15) steuernden Elektroden (26,27,28 bzw. 29,30,31) verbunden sind.

2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Zusatzelektroden (26,27,28 bzw. 29, 30,31) so bemessen ist, dass diese die Joche (7, 8) des Stabkernes (3) zumindest teilweise überragen.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungslagenwicklung (12) trapezförmig ausgebildet ist, wobei die an die Enden der Zusatzelektroden (26,27,28 bzw. 29,30,31) anzulegenden Tangentialebenen (Ei, Ez) wenigstens annähernd die gleiche Neigung in bezug auf die Transformatorlängsachse (A) wie die Stirnseiten (34,35) der Hochspannungslagenwicklung (12) besitzen.

4. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Enden der Zwischenelektroden (21, 22,23) und die diesen zugeordneten Enden der Zusatzelektroden (26,27, 28 bzw. 29,30,31) ringförmig ausgebildet und mittels Stiftverbindungen (32) miteinander verbunden sind.

5. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass über den Endjochen (7, 8) des rohrförmigen Stabkernes (3) trichterförmige Elektroden (38, 39) vorgesehen sind, die sich wenigstens annähernd bis zu den Isolierstoffteilen (16,17) erstrecken.

6. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragrohr aus elektrisch leitendem Material besteht, an das das hochspannungsseitige Ende der Hochspannungswicklung anschliessbar ist.

7. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endjoche (7, 8) und gegebenenfalls auch die Kerne (3,4,5) aus Radialblechen (40) zusammengesetzt sind, deren Spalte (41) mit Giessharz ausgefüllt sind.

8. Transformator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Enden (42) der Radialbleche (40) kreisbogenförmig abgerundet sind.

9. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hoch- und Niederspannungswicklung (12,13) eines als Spannungswandler ausgebildeten Transformatorteils von einem oder mehreren sekundärbewickelten Eisenkernen eines Stromwandlers koaxial umgeben sind, dessen Primärleiter von dem als elektrisch leitend ausgebildeten Tragrohr (1) gebildet ist.

10. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Isoliermedium ein elektro-negatives Gas, vorzugsweise Schwefelhexafluorid, vorgesehen ist.