Hochspannungstransformator mit Giessharzisolation Die Erfindung betrifft einen Hochspan- nungstransformator mit Giessharzisolation, an dem mindestens die Oberspannungswicklung pro Kernsäule in mindestens zwei übereinan der angeordnete, für sich isolierte Wieklungs- gruppen unterteilt ist. Es sind bereits Trans formatoren mit völlig trockener Isolation be kannt. Solche Transformatoren, z. B. öllose Transformatoren, werfen vor allem die drei folgenden Probleme auf 1.
Die Isolation der HochspannLLngswick- hingen gegen die Niederspannungswicklungen und gegen Eisen resp. Erde. Die in Luft nötigen grossen Abstände bedingen unzulässig grosse magnetische Streuungen, übermässig lange magnetische Kreise und dadurch einen hohen Magnetisierungsstrom, übermässig grosse Spulendurchmesser und dadurch zu grosse Kupferverluste und Spannungsabfälle, dies, sobald Nennspannungen von etwa 15 kV über schritten werden.
2. Ohne Eintauchung in Öl oder in andere flüssige Isolierstoffe ist die genügende Wärme ableitung sehr schwierig zu erreichen.
3. Der Feuchtigkeitsschutz bietet ebenfalls Schwierigkeiten.
Gemäss der vorliegenden, von Dipl. Ing. A. Imhof stammenden Erfindung soll diesen Schwierigkeiten dadurch begegnet werden, dass jede HochspannungswicklLmgsgruppe des Transformators nach der Erfindung allseitig mit einer der vollen Prüfspannung und Be triebsspannung entsprechenden, festen, aussen mit einem leitenden, geerdeten Belag ver- sehenen Isolierschicht umhüllt ist.
Jede solche Wicklungsgruppe besitzt je eine der Höhe der Prüf- und Betriebsspannung entsprechend iso lierte Stronzu- und -ableitung für die Ver- bindung der Gruppen untereinander bzw., wenn eine solche Gruppe an einen Transfor- matorpol angeschlossen ist, eine solche Ver bindung zu dem betreffenden Transformator pol und die zweite zu einer andern Gruppe. Die Kühlung der Wicklungsgruppen geschieht durch die Zirkulation eines fliessbaren Kühl mittels.
Unter dem Ausdruck fliessbares Kühlmittel ist eine Kühlflüssigkeit oder ein Gas zu verstehen.
Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dar. Es zeigen: Fig.1 den Längsschnitt einer Kernsäule, bei welcher die übereinander angeordneten WicklungsgrLippen mittels Isoliergliedern mit radial liegendem Konus miteinander verblin den sind, Fig. 2 den teilweisen Längsschnitt von Wicklungsgruppen und abgewandelten Iso- liergliedern mit axial liegendem Verbindungs konus;
die Gruppen sind unmittelbar aufein- andergesteckt; Fig. 3 ebenfalls den teilweisen Längsschnitt von Wicklungsgruppen, die ohne besondere Isolierglieder miteinander verbunden sind, Fig. 4 wieder den Längsschnitt einer Kern säule eines Transformators mit zwei Hoch- spannungswicklungen, deren Gruppen in axia ler Richtung miteinander abwechseln, Fig.5 die aufeinandergesetzten Gruppen isolationen mit äusserer Kühhuig im Aufriss, Grundriss und in teilweisem Längsschnitt,
Fig. 6a den Grimdriss von 'Kühlkörpern eines Dreiphasentransformators, mit einander parallelen Rippen, die senkrecht zur Verbin dungslinie der Kernachsen verlaufen, Fig. 6b den Grundruss einer hierzu abge wandelten Ausführungsform mit Rippen ge mäss der Fig. 6ca sowie mit radialen Rippen, die an der der benachbarten Kernsäule zuge wandten Stelle des Umfanges fehlen,
Fig. 6c den Grimdriss einer weiteren abge wandelten Ausführungsform, nur mit radialen Rippen, die ebenfalls an der der benachbarten Kernsäule zugewandten Stelle des Umfanges fehlen.
Für die Verbindung der Gruppen unter einander sind mehrere Ausführungen möglich und vorteilhaft. Die Wahl der Ausführung richtet sich zum Beispiel nach der Höhe der Spannung.
Fig.1 veranschaulicht eine dieser Aus führungen. Die die Gruppen verbindenden Leiter sind hier auf ihrer ganzen Länge für die volle Spannung isoliert und die Isolatio nen mit einer leitenden Hülle überzogen, wo bei die Isolationen zwischen den miteinander verbundenen Gruppen durch zwei kegelför mige Stossfugen aufgeteilt und ein drittes Iso- lierstück mit zwei gegenkonusförmigen Enden zwischen die beiden Teile eingefügt ist. Die Isolierung des Verbindungsleiters auf seine ganze Länge und der leitende Überzug ver hüten axiale Beanspruchungen weitgehend und lassen vorwiegend radiale Beanspruchun gen zu.
Die geschilderte konische Verbindung; bei welcher die Konusse radial liegen, ist ins besondere bei hohen Spannungen geeignet, weil dann in Richtung der Spulenachsen nicht genügend Abstand vorhanden ist, um Raum für die erforderlichen langen Konusgebilde zu bieten.
Bei der Ausführungsform nach der Fig.1 ist der Eisenkern 1 von der Unterspannungs- wicklung 2 umgeben, die ihrerseits von den aufeinandergesetzten Hochspannungs-Wick- lungsgruppen 3 umfangen werden, an welche die Zuleitungen 5 angeschlossen sind, die in den Durchführungen 4 laufen, die an die ringförmigen, für die volle Prüfspannung des Transformators gestalteten und bemessenen Gruppenisolationen 6 angesetzt sind oder mit diesen ein Stück bilden. Die Isolationen der Wickhingsgruppen sind aussen mit einer ge erdeten, leitenden Schicht versehen.
Zur Verbindung der benachbarten Grup pen sind Leitungen 9 vorgesehen, die in für die volle Spannung gestalteten und bemes senen Isolationen laufen, die aus einem an die Gruppenisolation 6 angesetzten Konus 7 sowie aus einem auf diese radial zur Kern säulenachse aufgesteckten bügelförmigen Iso lierkörper 8 mit seinen beiden gegenkonusför- mig ausgebildeten Enden bestehen. Der Kör per 8 erhält aussen ebenfalls eine leitende Schicht, die mit der geerdeten leitenden äussern Schicht der Gruppenisolation 6 ver bunden wird. Die elektrischen Beanspruchun gen sind vorwiegend radial. Der Hohlraum 10 wird von einem fliessbaren Kühlmittel, z. B. öl oder Druckgas, durchströmt.
Bei einer abgewandelten Ausführungs form, die in der Fig. 2 dargestellt ist, werden ebenfalls die die Gruppen verbindenden Lei ter auf ihre ganze Länge für die volle Span nung isoliert und die Isolationen mit einer lei tenden, geerdeten Hülle überzogen; aber die Isolation zwischen den miteinander verbun denen Gruppen wird durch eine kegelförmige Stossfuge hier derart aufgeteilt, dass ein kegel förmiges, axial liegendes Isolierstück der einen Gruppe in ein hohlkegelförmiges Isolierstück der andern Gruppe eingreift. Diese Ausfüh rung eignet. sich besonders für weniger hohe Spannungen und hat u. a. den Vorteil gerin geren seitlichen Raumbedarfes.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ent fallen die bügelförmigen Isolierkörper 8; die Wicklungsgruppe 3 ist unmittelbar, und zwar mit Hilfe des Konus 7, an der Gruppenisola tion 6 und der entsprechenden gegenkonusför- migen Einsparung in der Isolation 18 der fol genden Wicklungsgruppe mit derselben in ein- facher eise durch Zusammenstecken verbun den. Die Ausführungsform ist vor allem für weniger hohe Spannungen geeignet.
Die konischen Stossfugen zwischen den Isolationsteilen können mit einer isolierenden Flüssigkeit oder isolierenden kautschukelasti schen Paste gefüllt sein. Die Flüssigkeit oder Paste kann zum Beispiel entsprechend der Genauigkeit und sonstigen Güte der Ausfüh rung nur als Film oder auch als Kegel von etwa 1/2 bis einige Millimeter Stärke verwen det werden.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei welcher besondere konische Verbindungs körper imd Hüllen für die Verbindungslei tungen wegfallen. Die Verbindmigsleiter wer den vielmehr von Gruppendurchführung zu Gruppendurehführung frei geführt, wobei die beiden Durchführungen einer Gruppe der Spannungshöhe entsprechend bemessen sind. Bis zu Nennspannungen von etwa 60 kV bzw. Prüfspannungen von etwa 150 kV auch 200 kV, brauchen die Durchführungen nicht gesteuert zu werden.
Dies wird durch die Be messung der Spulengruppen und die niedrige spezifisehe Oberflächenkapazität ermöglicht. Oberhalb dieser Spannungen ist im allgemei nen eine, zweckmässigerweise kapazitive In nen- oder Aussensteuerung zur Vermeidung von Gleitentladungen erforderlich.
Die Ausführungsform nach Fig. 3 ist prin zipiell derjenigen nach der Fig.1 ähnlich. Der Unterschied besteht darin, dass die ganze Spannung längs der beiden die Stromzu- bzw. -ableitungen enthaltenden Durchführungen gehalten wird. In der Fig. 3 ist für die Wick lungsgruppe 3 eine dieser Durchführungen mit 7 bezeichnet. Ihre Länge bis zu der mit einem leitenden, geerdeten Belag versehenen Oberfläche der Gruppenisolation ist für die volle Betriebs- und Prüfspannung bemessen. Die Spulen verschiedener Gruppen, z.
B. in der Zeichnung die oberste und die unterste, werden über die Leitung 9 miteinander ver: Bunden, die bei der untern Spule in eine gleich ausgebildete Durchführung 7 läuft.
Erhält der Transformator eine zweite oder mehr FIochspannimgswickhmgen, ist es zweck- mässig, sie in gleicher Weise wie die erste Wicklung in Gruppen aufzuteilen und ihrer Spannung entsprechend gegen Erde zu isolie ren und die neuen Gruppen axial so anzu ordnen, dass sie sich zwischen den Gruppen der ersten Wicklung befinden. Die Isolation besteht aus einem Giessharz (sog. Nieder druckharz ), der vorteilhafter-weise aüfgewik- kelte, mit Giessharz imprägnierte poröse Bän der enthalten kann.
Die Unterspannungswickhmgen sind vor teilhafterweise innerhalb der Gruppen als Zylinderwicklungen oder zwischen den Grup pen als Scheibenwicklungen angeordnet, das heisst entweder innerhalb der Gruppen radial oder zwischen den Grüppen axial.
Der mit den zwei Hochspannungswicklun gen ausgerüstete Transformator gemäss Fig. 4 hat axial abwechselnd Gruppen der einen oder andern Wicklung. Für jede der beiden Hoch- spannungswicklungen trifft dasselbe zu, was bereits oben für das in der Fig.1 dargestellte Ausführungsbeispiel gesagt wurde. In der Fig. 4 bedeuten:
1 der Eisenkern, 2 die Wick- lung für die höhere Hochspannung, 3 ihre Isolation, 4 der Einführungsisolator für die Zuleitung 5, 6 die Wicklung für die nied rigere Hochspannung, 7 -deren Isolation, $ der Einführungsisolator für die Zuleitung 9;_ 10 und 11 sind die kegelförmigen Einfüh rungsisolatoren für die Verbindungsleitung 13, 12 die auf 10 -und 11 passende steckerartige Isolation von 13.
Der Hohlraum 14 wird von einem fliessbaren Kühlmittel durchströmt.
Die Anwendung der Erfindung hat, wie ersichtlich, den Vorteil, dass für die Hoch spannungsisolation jegliche Luftstrecke zwi schen Spule und Hochspannungsisolation ver mieden werden kann und es deshalb möglich wird, die Wickh-umgen sehr nahe den Unter spannungs- und geerdeten Teilen anzubringen.
Im folgenden werden die Gruppenisolatio- nen beschrieben. Zur Gruppenisolation der Hochspannungswicklungen eignen sich isolie rende Werkstoffe, die durch eine Polyreaktion, wie z. B. Pölymerisation oder -addition, bei der Verarbeitungstemperatur giessbarer Aus gangsstoffe entstanden sind, wobei nur Aus- gangsstoffe angewandt sind, die ohne Abspal tung flüchtiger Bestandteile bei Raumtem peratur oder erhöhter Temperatur aushärten und dabei durch Querbindungen der Fa denmoleküle zu härtbaren Harzen werden, wie z.
B. Araldit, Marco-Harze usw. Diese Aus gangsstoffe sind meist Kunststoffe, können aber auch Naturstoffe oder aus Naturstoffen abgeleitete Stoffe sein. Sie lassen sich mit Niederdruckharzen bezeichnen, da sie tech nologisch im allgemeinen ohne Überdruck an gewandt werden. Die flüssigen_Ausgangsstoffe werden in einem an sich bereits bekannten Giessprozess angewandt oder als aufknetbare, respektive einstampfbare und einpressbare Pasten.
Die Gruppenisolation kann aber auch durch Aufwickeln poröser isolierender Bän der, z. B. Papier, und nachherige Imprägnie rung mit Harzausgangsstoffen der bereits be schriebenen Art hergestellt werden, wonach deren Aushärtung erfolgt.
Eine sehr nützliche Ausgestaltung, insbe sondere hinsichtlich der Kühlung, erfährt der Transformator gemäss der Erfindung da durch, da.ss neben dem Wicklungsdraht ein Hohldraht oder dergleichen geführt wird, der während des Betriebes von einem zweckmässi- gerweise zugleich isolierenden Kühlmittel durchströmt werden kann. Als Hohldraht kann der Wicklungsdraht selbst dienen. Das Kühlmittel nimmt die Verlustwärme der Wicklung auf und führt sie zum Beispiel zu besonderen Kühlapparaten.
Eine andere, recht einfache Ausführung der Wärmeabfuhr ergibt sich, wenn innerhalb der Gruppenisolation neben der Wicklung ein Raiun vorhanden ist oder belassen wird, durch den flüssiges oder gasförmiges Kühl mittel strömen kann. Das Mittel wird zmn Beispiel durch den Einführungsisolator und die Verbindungsisolatoren der Gruppen ge leitet.
Vorteilhaft kann es ferner sein, die iso lierten Spulengruppen mit einem metalli schen Mantel zu umhüllen und zwischen die sem und der geerdeten Oberfläche der Grup- penisolation ein Kühlmittel, z. B. Wasser, flie ssen zu lassen.
In gewissen Fällen ist es auch nützlich, die Aussenseite der übereinanderliegenden Grup pen, z. B. mittels herabrieselnden Wassers, zu kühlen. Dabei ist es zweckmässig, die Grup penisolation am zylindrischen Umfang mit mehreren Einbuchtungen zur Führung des Wassers zu versehen. An Stelle dessen oder auch zugleich kann auf die Aussenseite der Gruppenisolation ein flüssiges, leicht ver- dampfbares Kühlmittel in zum Beispiel bei Kehlschränken bekannter Weise versprüht und danach durch Kompression wieder ver flüssigt werden. Des weiteren können in Ge meinschaft mit den andern Kühlgliedern oder für sich allein Kühlkanäle, z. B. im Eisenkern, vorgesehen werden.
Eisen und Wicklungen lassen sich ebenfalls durch bewegte Lift küh len. Die Aussenseite der Gruppenisolation kann mit einem vorteilhafterweise sehr dicht anliegenden metallischen Rippenkörper aus gerüstet sein, welcher die durch die Isolation abfliessende Verlustwärme aufnimmt und an die Umgebung abgibt. Die Rippen können senkrecht zu den Jochen des Magnetkernes stehen. Sie können aber auch radial stehen und an einigen Stellen fehlen, so dass, wenn die die Rippen tragenden Körper dort änein- andergesetzt werden, wo die Rippen fehlen, der Abstand der Körperachsen entsprechend vermindert werden kann.
Ein derart kleiner Abstand ergibt sich auch bei den zuerst be schriebenen parallelen Rippen, die senkrecht zur Verbindungslinie der Kernachse stehen, diese Rippen brauchen aber nicht ausgespart zu werden. Die Kühlwirkungen können ohne weiteres gleich stark gehalten werden.
Das gesamte Potentialgefälle des Trans formators kann auch von zwei Kunstharz schichten und einer zwischen diesen befind lichen isolierenden und kühlenden, strömen den Flüssigkeitsschicht aufgenommen werden.
Bei der Kühleinrichtung nach der Fig. 5 sind die aufeinandergesetzten isolierten Spu- lengruppen, die nach Ausführungsform ge mäss Fig.2 gestaltet sind, innerhalb eines metallischen Mantels 12 angeordnet; zwischen diesem und der geerdeten Oberfläche der Gruppenisolation 6 und damit über deren Aussenseiten fliesst das Kühlmittel 9, z. B. Wasser. Die Gruppenisolation ist am zylin drischen Umfang mit mehreren Einbuchtun gen 7 versehen, welche der Führung des Was sers dienen. An der Gruppenisolation sitzen die Einführungsisolatoren 5.
Die Aussenseiten der Gruppenisolationen 1 der drei Kernsäulen eines Dreiphasentrans- formators nach den Fig. 6a, 6b und 6c sind mit einem sehr dicht anliegenden metallischen Rippenkörper 3 bzw. 13 bzw. 23 ausgestattet. Diese Körper nehmen die durch die Isolation abfliessende Verlustwärme auf und geben sie an die Umgebung ab. Bei der Ausführtuigs- form nach der Fig. 6a liegen die Rippen, z. B. 4, 5, einander parallel und verlaufen senkrecht zur Verbindungslinie der Kernachsen. Nach der Fig. 6b sind solche Rippen mit radialen Rippen, z.
B. 13, kombiniert; an der Stelle 14 fehlen die radialen Rippen, ebenso an der benachbarten Stelle 24 der Säule nach der Fig.6c, die ausschliesslich mit radialen Rip pen, z. B. 23, besetzt ist. Die Gruppenisolatio nen 1 sind mit Einführungsisolatoren 2 ver sehen. Der Aufbau der Spulengruppen 1 ent spricht in allen diesen drei Beispielen dem Aufbau der oben beschriebenen Ausführungs beispiele nach Fig. 1 oder 2.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Transformators. Bei hohen Spannungen bie tet es Schwierigkeiten, die Wicklungsgruppen isolation in der erforderlichen Dicke durch einen Giessprozess herzustellen, und zwar in folge der Schwindspanntingen, die während der Pol3merisation enfstehen, und wegen der Wärmedehnung im Betrieb.
Es empfiehlt sieh deshalb, die Gruppen isolation in mindestens zwei gleichartigen, sich zeitlich folgenden Verfahrensstufen herzustel len, die erste Stufe für die innerste Schicht, die weiteren, sich schrittweise folgenden Stu fen für die äussern Schichten, wobei vor Be- Kinn der Herstellung jeder Schicht auf der jeweils äussersten Schicht vorteilhafterweise eine die elastische Dehnbarkeit erhöhende Aus- gleichsschicht, z. B. aus einem kautschukela stischen Giessharz, angebracht wird.
Wenn nötig, kann jede Schicht einen elek trisch leitenden Steuerbelag zur kapazitiven Potentialsteuerung erhalten.