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Scheibenspulenwicklung für Hochspannungstransformatoren und Drosselspulen
Bekanntlich verwendet man zur Isolierung höchster Spannungsdifferenzen in einem
kühlmittelgefüllten Raum feste Isolierbarrieren, die diesen freien Raum zwischen
zwei Elektroden unterschiedlichen Potentials, z. B. Wicklungen von Transformatoren
und Drosselspulen, unterteilen. Bei den Wicklungen unterscheidet man zwei Wicklungssysteme:
Lagenwicklungen und Scheibenspulenwicklungen. Bei den Lagenwicklungen bestehen die
Wicklungselemente aus Lagen, bei den Scheibenspulen aus Einzelscheiben. Da bei Lagenwicklungen
die Lagen radial aufeinandergewickelt sind, fällt über einer Lage, d. h. längs der
axialen Ausdehnung der Wicklung, beispielsweise im Hauptstreukanal, eine verhältnismäßig
geringe Spannung ab. Bei Scheibenspulenwicklungen dagegen fällt die gesamte Spannung
längs der axialen Kontur der Wicklung ab. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine Anordnung für eine solche Scheibenspulenwicklung zu finden, welche die bekannten
Anordnungen so abwandelt, da.ß diese für noch höhere Betriebsspannungen anwendbar
sind.
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F i g. 1 zeigt ein Beispiel einer bekannten Anordnung für Scheibenspulenwicklungen.
Die beliebig gewickelte Unterspannungswicklung ist mit 1, die Scheibenspulen der
Hochspannungswicklung sind mit 2
bezeichnet. Im Randgebiet der Wicklung sind
Flanschteile 3, die aus den Zylindern 4 durch Umreißen gebildet sind, oder mit einfachen
Zylindern 4' verschachtelte Winkelringe 5 vorgesehen. Liegt die oberste Scheibenspule
2' auf höchster Spannung, d. h. am Eingangspotential, so entsteht insbesondere bei
Stoßspannungsbeanspruchungen ein Potentiallinienbild, das gestrichelt eingetragen
und mit 6 bezeichnet ist. Längs der axialen Erstreckung (s. Pfeil 7) wird aus Kühlungsgründen
immer ein durchgehender Ölkanal oder Ölspalt angeordnet.
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Die Beanspruchung längs des Kanals 7 wird nun sehr hoch, wenn die
Spannungen immer höher werden und um so höher, je kürzer die axiale Erstreckung
der Wicklung ist. Bei auftreffender Stoßspannung fällt zudem entsprechend der Verteilung
der Wicklungs- und Erdkapazitäten über wenigen Spulen die gesamte Stoßspannung ab.
Das wirkt so, als ob die axiale Wicklungslänge, die längs der axialen Strecke 7
beansprucht wird, noch verkürzt wäre. Man muß deswegen besondere Maßnahmen ergreifen,
um die Stehstoßspannung längs des Kanals 7 so heraufzusetzen, daß sie über der maximal
längs des Kanals 7 auftretenden Stoßspannungsdifferenz liegt. Das wurde bei allen
bekannten Anordnungen immer dadurch erreicht, daß die Stoßspannungsverteilung künstlich
linearisiert, also die Stoßspannungsdifferenz längs des Kanals 7 verringert wurde.
Zur Linearisierung hat man meist die gegenseitige Spulenkapazität erhöht, z. B.
durch Windungs- oder Wicklungsverschachtelung, oder auch die Erdkapazität der Spulen
2, insbesondere im Eingangsbereich verringert, etwa durch Schilde od. dgl.
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Es ist nun bei allseits von festen Isolierstoffen umschlossenen Scheibenspulenwicklungen
bekannt, längs der zylindrischen inneren und/oder äußeren Spulenoberfläche verteilte
Winkelringe anzuordnen, deren Flansche zwischen die Scheibenspulen ein Stück weit
hineinragen. Mit dieser Anordnung werden bei den genannten eingeschlossenen Spulen
ebenfalls Gleitfunkenentladungen längs der Spulenoberfläche unterdrückt.
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Zum Schutze besonders der Anfangsspulen solcher Stirn- und streukanalseitig
mit festem Isolierstoff umschlossener Scheibenspulenwicklungen gegen Oberspannungen
ist es auch schon bekannt, Isolierteilzylinder mit beidseitigen Flanschen anzuordnen,
deren einer Flansch die Stirnseite der Wicklung umgreift und deren anderer Flansch
einige Scheibenspulen umgreifend zwischen zwei Scheibenspulen in die Wicklung hineinragt.
Eine solche Ausführung ist jedoch nur bei kleineren Leistungen möglich, da das Kühlmittel
nur von einer Seite, z. B. der äußeren Mantelfläche, an die Wicklung herankommt
und allenfalls kleine axiale Kanäle innerhalb der Spulen eine gewisse Strömung zulassen,
die wiederum im Wicklungsanfangsbereich auch noch durch die zwischen die Scheibenspulen
hineinragenden Flansche der Isolierzylinder behindert wird.
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Bei vollisolierten Spulen für kleine Leistungen, insbesondere von
Spannungswandlern, ist eine abteilungsweise
Isolierung in der Weise
bekannt, daß die Isolierung in mehrere Schichten unterteilt ist, wobei die entsprechend
dem fallenden Potential jeweils nächstfolgende Schicht die vorher isolierte Teilwicklung
und eine dann aufgebrachte nächste Teilwicklung mit umfaßt. Bei einer solchen Isolationsausführung
kann natürlich überhaupt keine Kühlung infolge einer Durchströmung durch das Kühlmittel
erfolgen.
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Man kann aber auch bei gegebenen freien axialen Öllängen die Stehstoßspannung
erhöhen, indem man die freien Ölstrecken durch Unterteilung verkürzt. Die Unterteilung
bedeutet eine Erhöhung der Spannungsfestigkeit der gesamten ununterteilten axialen
Ölstrecke 7. Eine Anordnung, bei der die dielektrische Festigkeit dieser Ölstrecken
sehr wirksam heraufgesetzt wird, so daß extreme Höchstspannungen in Transformatoren
mit Scheibenspulen beherrscht werden können, zeigt die Erfindung.
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Sie bezieht sich auf eine Scheibenspulenwicklung für Hochspannungstransformatoren
und Drosselspulen, bei der der ölgefüllte Hauptisolationsraum zwischen der Mantelfläche
der Hochspannungswicklung und den Flächen der benachbarten Elektroden in radialer
Richtung durch konzentrische, mit Annäherung an die Hochspannungswicklung mit abnehmender
Länge ausgeführte Isolierzylinder unterteilt ist, welche an ihren Stirnseiten den
Hauptisolationsraum unterteilende Isolierflansche aufweisen. Die Erfindung ist darin
zu sehen, daß die Isolierflansche radial in den Isolationsraum zwischen den Scheibenspulen
hineinragen und den in axialer Richtung verlaufenden Hauptisolationsraum mit zunehmender
Annäherung an die Hochspannungswicklung zunehmend axial unterteilen.
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Die mit Flanschen versehenen Isolierzylinder umfassen sich also zwischen
der Mantelfläche der Hochspannungswicklung und den radial benachbarten Elektrodenflächen,
insbesondere den Mantelflächen der innen- oder außenliegenden konzentrischen Wicklungen
oder den außenliegenden Kesselwänden bzw. dem innenliegenden Kern, mit ihren Zylinderteilen
koaxial und mit ihren mindestens einseitig zwischen verschiedene Scheibenspulen
der Hochspannungswicklung hineinragenden Flanschteilen so, daß das die Hochspannungsspulen
umgebende Isolieröl in voneinander getrennte L- oder U-förmige Ölräume unterteilt
ist. Dadurch werden sowohl von der Hochspannungswicklung nach den radial benachbarten
Elektrodenflächen radial aufgeteilte Ölspalte als auch von den Spulen der Wicklung
mit niedrigem Potential zu denen mit höherem Potential entsprechend den steigenden
Stoßspannungsdifferenzen eine zunehmende axiale Unterteilung der freien axialen
Ölspalte erreicht. Hierbei erfolgt die Ölverbindung zwischen den getrennten Ölräumen
zweckmäßig nur innerhalb der Hochspannungswicklung.
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An Hand der F i g, 2 bis 4 wird die Erfindung beispielsweisenäher
erläutert.Eswerdendabeifürgleiche Teile die gleichen Bezugszeichen wie in der bekannten
Anordnung der F i g. 1 gewählt. In F i g. 2 sind die Scheibenspulen 2 so geschaltet,
daß die oberste Spule 2' an das Eingangspotential angeschlossen ist. Die Isolierwinkel
nach der Erfindung bestehen aus zylindrischen Teilen 4 und Flanschteilen 3 außerhalb
der Wicklung ähnlich wie in F i g. 1. Zusätzlich sind noch weitere Flanschteile
8, die zwischen verschiedene im Potential gestaffelte Spulen der Hochspannungswicklung
hineinragen, angeordnet; sie bewirken, daß die in F i g. 1 durchgehende Ölstrecke
7 erfindungsgemäß in viele kleine Ölstrecken 7 unterteilt wird, deren gesamte dielektrische
Festigkeit dann einen vielfachen Wert der ununterteilten Ölstrecke aufweist.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Isolierwinkel aus sich
umfassenden Flanschen 8 und Zylinderteilen 4 wird erreicht, daß das die Hochspannungsspulen
umgebende Isolieröl, insbesondere zwischen den Hochspannungsspulen 2 und Unterspannungsspulen
1 in getrennte Ölräume unterteilt ist.Durch eine Folge von radialen Barrieren werden
so durchgehende Ölspalte vermieden. Die Zahl derBarrieren steigt für die Spulen
2, die nahe der Eingangsspule 2' liegen, entsprechend der dort vorhandenen maximalen
Spannung gegen die Wicklung 1. Bei den bekannten Zylinderbarrieren im Streukanal
ist die Anzahl der zwischen den einzelnen Hochspannungsspulen und den Niederspannungsspulen
radial unterteilenden Isolierbarrieren gleich, d. h. für Spulen mit höchster Stoßspannungsdifferenz
zur Niederspannungswicklung genau so groß wie für niedrigste, für die man Barrieren
überhaupt nicht benötigt. Die Barrierenzahl ist bei der Ausführung nach der Erfindung
wirtschaftlich und sinnvoll gestuft. Die unterste der Spulen 2 hat beispielsweise
überhaupt keine radiale Unterteilung durch eine zylindrische Isolierbarriere nach
der Wicklung 1 hin. Dagegen wird durch die gleichen insgesamt U-förmig gebogenen
zusätzlichen Isolierbarrieren, bestehend aus den Teilen 3, 4 und 8 erreicht, daß
zwischen den Spulen der Hochspannungswicklung 2 mit höherem Potential und denen
mit niedrigerem Potential 1 keine durchgehenden axialen Ölspalte infolge der Unterteilung
vorhanden sind.
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Da bekanntlich die höchsten Stoßspannungen in der Nähe des Spuleneingangs
auftreten, wird man die Staffelung der sich umgreifenden U-förmigen Isolierbarrieren
so wählen, daß die Längen der Pfeile 7, d. h. die Längen der freien axialen Ölstrecken
nach den Spulen mit höherem Potential hin abnehmen, wie in F i g. 2 dargestellt.
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F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Spulenwicklung mit
sogenanntem Mineneingang, bei der der Eingang 2' zu einem Schirmring 2" in der Mitte
der Wicklung geführt ist, von dem aus die galvanische Verbindung zu den Scheibenspulen
2 in zwei parallelen Zweigen erfolgt. Der eine Zweig setzt sich oberhalb des Schirmrings
2', der andere unterhalb desselben axial zu den Stirnseiten fort. Die Isolierbarrieren
zwischen den Scheibenspulen 2 und der Niederspannungswicklung 1 haben wiederum U-Form.
Sie bestehen aus den Flanschteilen 8 und den Zylinderteilen 4, wobei jeweils beide
Flanschteile in die Spulen hineinragen. Solche Wicklungsanordnungen nach F i g.
3 mit Mitteneingang verwendet man für die höchsten Spannungen, um das Randfeld,
das bei F i g. 1 und 2 an den Stirnseiten der Spulen 2', die an den Eingang angeschlossen
sind, auftritt, zu vermeiden.
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Auch in F i g. 3 erkennt man, daß die axialen freien Ölstrecken 7
beliebig fein unterteilt werden können. In diesem Falle ist in der Nähe des Eingangs
eine zwei Spulen umfassende axiale Unterteilung vorgenommen.
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F i g. 4 zeigt schließlich einen Ausschnitt aus der Scheibenspulenwicklung
2, bei der sowohl nach innen zur Unterspannungswicklung 1 hin, als auch nach außen
etwa zur Kesselwand 1' hin Isolierbarrieren
mit Zylinderteilen 4
bzw. nach außen mit Zylinderteilen 4' vorgesehen sind. Die Flanschteile sind mit
8 und 8' bezeichnet. Die voneinander getrennten ölräume sind hier mit 9 bzw. 9'
bezeichnet.
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Die Ölverbindung zwischen den getrennten Ölräumen 9 geschieht in weiterer
Ausgestaltung des Erfindungsgedankens entweder über ölumlenkungen 10 innerhalb
der Wicklung dadurch, daß die inneren und äußeren Flanschteile Öffnungen 11 frei
lassen, oder es wird eine durch Pfeil bezeichnete Ölströmung 12 dadurch geschaffen,
daß innerhalb der Spule radiale Spalte 11' freibleiben. Diese radialen Spalte
11' können von Spule zu Spule versetzt sein, damit auch hier keine axial
durchgehenden Ölspalte entstehen. Eine solche Versetzung 11' ist in F i g. 4 jeweils
von zwei zu zwei Spulen vorgenommen.
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Die erfindungsgemäßen U- oder winkelförmigen Isolierbarrieren brauchen
nicht geschlossen in einem Stück ausgeführt zu sein. Sie können auch durch aneinandergesetzte
überlappte Zylinder- und Winkelteile gebildet werden, wenn nur dafür gesorgt ist,
daß die überlappungslänge 13 genügend groß ist (F i g. 5). Sie können aber auch
durch angeschärfte Schrägverzapfung - wie in F i g. 5 links angedeutet -angesetzt
werden. Stets aber muß dafür gesorgt werden, daß kein axial durchgehender Ölspalt
im Gebiet zwischen Hochspannungswicklung 2 und Niederspannungswicklung
1 in radialer Richtung nahe den Spulen 2 vorhanden ist. Durch beliebig feine
Unterteilung der sich umgreifenden U-förmigen Barrieren läßt sich eine beliebig
hohe axiale und radiale Spannungsfestigkeit der Isolation erreichen, die die bekannten
Steuerungsmaßnahmen, mit denen die Stoßspannungsverteilung verbessert werden soll,
ergänzen oder gar ersetzen.
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Selbstverständlich wird man wahlweise sowohl die Steuerungsmaßnahmen
und damit die Spannungslinearisierung längs der Wicklung als auch die erfindungsgemäße
Erhöhung der Isolationsfestigkeit durch axiale und radiale Unterteilung in kleine
Ölstrecken anwenden, um eine Isolation für besonders hohe Betriebsspannungen zu
erreichen. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen gelingt es, mit wesentlich kleineren
Wicklungsdimensionen auszukommen und eine bedeutend höhere Spannungsfestigkeit zu
erreichen.