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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Hochspannungstransformator
zur Bereitstellung einer Wechselspannung im kV-Bereich mit wenigstens einer
Sekundärwicklung,
die auf einem einen Transformatorkern umgebenden Spulentragkörper aufgewickelt
ist.
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Solche
Hochspannungstransformatoren sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt.
Sie sind häufig
Bestandteil eines – ggfs.
mobilen – Prüf- oder
Messgeräts,
bei welchem die an der wenigstens einen Sekundärwicklung abgreifbare Hochspannung als
Prüfspannung
für ein
zu prüfendes
Bauteil oder für
sonstige Messzwecke dient.
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Dabei
wird eine Eingangswechselspannung an einer Primärwicklung des Transformators
angelegt, welche einen z. B. aus Eisen oder einem Eisenblechpaket
bestehenden ferromagnetischen Kern des Transformators umgibt. Das
hierdurch im Transformatorkern induzierte Magnetfeld induziert dann seinerseits
eine – in
ihrer Amplitude im wesentlichen von dem Verhältnis der jeweiligen Windungszahlen an
Primär-
und Sekundärwicklung
abhängige – Sekundärspannung
an der wenigstens einen Sekundärwicklung.
Im vorliegend relevanten Hochspannungsbereich ist in Zusammenhang
mit der elektrischen Isolation des Transformators bzw. der Sekundärwicklung
besondere Sorgfalt angezeigt.
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Hochspannungstransformatoren
der eingangs genannten Art gibt es mit genau einer Sekundärwicklung,
deren Ausgangswechselspannung gegen ein Erdsignal abgegriffen wird.
Außerdem
sind Hochspannungstransformatoren mit insgesamt zwei Sekundärwicklungen
bekannt, die jeweils eine um 180° relativ
zueinander phasenverschobene Ausgangsspannung liefern. Durch Abgriff
der Differenzspannung kann somit bei identisch gestalteten Sekundärwicklungen
eine Verdopplung der an einer Sekundärwicklung abgreifbaren Maximalspannung
erhalten werden. Die Sekundärwicklungen
müssen
somit jeweils nur für
eine geringere – bzw.
bei identischem Aufbau die halbe – Ausgangsspannung ausgelegt
sein. Es sei jedoch ausdrücklich
festgestellt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine bestimmte
Transformatoranordnung oder -geometrie beschränkt ist.
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Ein
die Sekundärwicklung
tragender und aus elektrisch isolierendem Material hergestellter
Spulentragkörper,
wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, isoliert die Sekundärwicklung – bezogen
auf die Spulengeometrie – nach
radial innen gegen den Transformatorkern. Der Spulentragkörper weist
hierzu vorteilhaft eine zentrale Bohrung auf, durch die z. B. ein
Schenkel des Transformatorkerns hindurchgeführt ist. Im Stand der Technik
sind zur weiteren elektrischen Isolierung der – häufig ihrerseits bereits aus isolierten
Drähten
bestehenden – Sekundärwicklung im
Wesentlichen zwei verschiedene Isolationskonzepte bekannt.
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In
einer ersten Variante, den so genannten Trockentransformatoren,
wird die Sekundärwicklung mittels
eines Gießharzes
umgossen, welches nach seiner Aushärtung für eine ausreichende elektrische Isolierung
der Sekundärwicklung
auch nach außen hin
sorgt. Bereits kleine Fehlstellen (z. B. Lufteinschlüsse oder
Vakuumblasen, falls unter Vakuumbedingungen gegossen wird) in dem
getrockneten Gießharz
können
jedoch – infolge
eines Spannungsdurchschlags – zu
einer meist irreparablen Zerstörung
des Transformators führen.
In Anbetracht der zähen
Viskosität
der im Stand der Technik bekannten Gießharze erfordert die möglichst
ausschußfreie Herstellung
solcher Trockentransformatoren großen Aufwand.
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Ferner
ist zu bedenken, dass bei Sekundärwicklungen
von neuartigen Hochspannungstransformatoren gerne auf dünne Wickeldrähte zurückgegriffen
wird, was mit der zähen
Viskosität
des Gießharzes
nicht vereinbar ist. Das Gießharz
ist dann nämlich
nicht mehr mit ausreichender Sicherheit in der Lage, etwaige Lücken zwischen
benachbarten Drähten
ohne Ausbildung von Fehlstellen zu schließen. Deshalb wird bei Trockentransformatoren
bereits vor dem Umgießen
der Wicklung mit dem Harz gelegentlich auf eine ”Vorimprägnierung” der Wicklung mit einem dünnflüssigeren
Isoliermedium zurückgegriffen. Auch
hierbei ist jedoch die Gefahr von unerwünschten Fehlstellen bzw. der
zur Vermeidung von solch fehlerhaften Isolierungen zu betreibende
Herstellungsaufwand sehr groß.
Trockentransformatoren greifen daher zumeist auf vergleichsweise
große Drahtdurchmesser
für die
Sekundärwicklung
zurück.
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Insbesondere
bei der Verwendung von Hochspannungstransformatoren der eingangs
genannten Art in mobilen Prüf- oder Messgeräten stellt das
wesentlich durch das Gewicht des Transformators bestimmte Gesamtgewicht
des Prüf-
oder Messgeräts
ein wichtiges Kriterium dar.
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Bei
Trockentransformatoren der vorgenannten Art liefert bereits das
Gießharz
infolge der zu Hochspannungsisolationszwecken notwenigen Schichtdicke
und infolge seiner Dichte, welche üblicherweise im Bereich von
etwa 1,3 bis 1,7 g/cm3 liegt, einen nicht
unerheblichen Beitrag zum Gesamtgewicht des Transformators. Die
Verwendung vergleichsweise dicker Drähte für die Sekundärwicklung(en)
trägt ebenfalls
nachteilig zum Gewicht eines Trockentransformators bei.
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Eine
zweite Variante von Hochspannungstransformatoren bedient sich zu
Isolationszwecken eines Isolationsfluids, welches den gesamten Transformator
innerhalb eines aus Metall bestehenden Transformatorgehäuses umgibt.
Hierbei kommt zumeist ein Isolieröl oder ein – häufig unter Druck stehendes – Isoliergas
(z. B. Schwefelhexafluorid (SF6)) zur Anwendung.
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Hierbei
ist der gesamte Transformator inkl. Transformatorkern und Spulen
von Isolieröl
umgeben. Infolge der nicht unerheblichen thermischen Ausdehnung
des Isolieröls
beim Betrieb des Transformators oder bei einer sich aus sonstigen
Gründen erhöhenden Umgebungstemperatur
müssen
solche ölisolierten
Transformatoren ferner, sofern diese nicht als Standgeräte mit kontinuierlicher
und gekühlter Ölumwälzung eingesetzt
werden, ein spezielles Ausdehnungsvolumen (z. B. in Form eines Ausdehnungsgefäßes) bereitstellen,
in welches sich das Isolieröl
bei Bedarf ausdehnen kann. Die den gesamten Transformator umgebende Ölmenge bzw.
das Gewicht des metallischen Gehäuses
trägt erheblich
zum Gesamtgewicht eines solchen Transformators bei.
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Vor
diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
einen Hochspannungstransformator der eingangs genannten Art so weiterzubilden,
dass er unter Aspekten der Gewichtseinsparung bei gleichzeitig einfacher,
kostengünstiger und
zuverlässiger
Bauweise den aus dem Stand der Technik bekannten Hochspannungstransformatoren überlegen
ist.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Hochspannungsspannungstransformator nach
Anspruch 1 gelöst.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Hochspannungstransformator
ist in Ergänzung
zu den eingangs genannten Merkmalen vorgesehen, dass er zur elektrischen
Isolierung der Sekundärwicklung
ein die Sekundärwicklung
kapselndes Isolationsgehäuse aufweist,
welches – bezogen
auf die Spulengeometrie nach (radial) innen – durch den die Sekundärwicklung
tragenden Spulentragkörper
und – bezogen
auf die Spulengeometrie nach (radial) außen – durch einen aus Kunststoff
hergestellten und die Sekundärwicklung
unter Ausbildung eines Ringspalts umhüllenden Hüllkörper bewandet ist, wobei der
Ringspalt zwischen Sekundärwicklung
und Hüllkörper mit
einem Isolierfluid befüllt
ist.
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Dabei
versteht sich von selbst, dass das Isolationsgehäuse zur erfindungsgemäßen Kapselung der
Sekundärwicklung
auch in axialer Richtung, also auf den einander gegenüberliegenden
Stirnseiten des Isolationsgehäuses,
verschlossen sein muss. Zur notwendigen (nieder- und hochspannungsseitigen)
Kontaktierung der Sekundärwicklung
muss das Isolationsgehäuse
ferner geeignete Durchbrüche bzw. Öffnungen
aufweisen, die auf geeignete Weise fluiddicht zu verschließen bzw.
abzudichten sind.
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Dadurch,
dass das erfindungsgemäß vorgesehene
Isolationsgehäuse
die Sekundärwicklung
unter Ausbildung eines äußeren, mit
Isolierfluid befüllten
Ringspalts kapselt, kann im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik
be kannten Hochspannungstransformatoren, bei welchen der gesamte
Transformator inkl. Transformatorkern in Isolieröl gelagert ist, die zu Isolationszwecken
verwendete Menge an Isolierfluid, insbesondere Isolieröl, in großem Ausmaß reduziert
werden. Dies ist ein erster Beitrag zu einer im Rahmen der vorliegenden
Erfindung realisierten Gewichtseinsparung. Ferner kann der aus Kunststoff bestehende
Hüllkörper infolge
des Umstands, dass darin ein vollständig mit Isolierfluid befüllter Ringspalt die
Sekundärwicklung
umgibt, mit einer erheblich dünneren
Wandstärke
hergestellt werden, als sie im Falle des Harzmantels eines im Bereich
der Sekundärwicklung
mit Gießharz
umgossenen Trockentransformators zu Zwecken der hinreichenden Hochspannungsisolierung
notwendig ist. Und schließlich kann
der Hüllkörper des
erfindungsgemäß vorgesehenen
Isolationsgehäuses
in einfacher und kostengünstiger
Weise aus Kunststoff spritzgegossen werden, ohne dass es eines besonderes
hohen Aufwands zur Vermeidung von Fehlstellen bedarf, wie dies beim
Umgießen
einer Sekundärwicklung
mit Gießharz
der Fall ist. Der Hüllkörper wird,
nachdem die Sekundärwicklung
auf den Spulentragkörper
aufgewickelt wurde, einfach über
die Sekundärwicklung geschoben
und stirnseitig hermetisch, also fluiddicht, zu einem Isolationsgehäuse verschlossen.
Der Ringspalt wird durch eine geeignete (und später zu verschließende) Öffnung des
Isolationsgehäuses
mit Isolierfluid befüllt.
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Die
gegenüber
Gießharz
erhöhte
Fluidität des
in dem Ringspalt befindlichen und nicht härtenden Isolierfluids erlaubt
auf einfache Weise eine fehlstellenfreie elektrische Isolation der
Sekundärwicklung – auch bei
geringen Drahtdurchmessern der Sekundärwicklung.
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Durch
die Verwendung eines Isolierfluids, also eines nicht aushärtenden
Isolieröls
oder eines Isoliergases, kann ferner in besonders vorteilhafter Weise
auf besonders dünne
Drähte
für die
Sekundärwicklung
zurückgegriffen
werden, was insbesondere im Vergleich mit herkömmlichen Trockentransformatoren
eine weitere Gewichtsreduktion erlaubt.
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Es
erweist sich im Übrigen
als besonders vorteilhaft, dass die Kapselung der Sekundärwicklung
durch das Isolationsgehäuse
nach radial innen durch den Spulentragkörper und nach radial außen durch
den – den
isolierölbefüllten Ringspalt
umgebenden – Hüllkörper erfolgt.
Der Transformatorkern oder weitere Komponenten des Transformators
sind also in vorteilhafter Weise nicht unmittelbar mit dem Isolierfluid
in Kontakt, was auch einer möglichst
lange anhaltenden Reinheit des verwendeten Isolierfluids zuträglich ist.
Im Stand der Technik, wo bei ölisolierten
Transformatoren stets auch der ferromagnetische Transformatorkern
in unmittelbarem Kontakt mit Isolieröl ist, kommt es zu einer kontinuierlich
steigenden Verunreinigung des Isolieröls (insbesondere auch mit leitenden
Partikeln) mit der Folge, dass dieses regelmäßig erneuert oder gereinigt
werden muss. Das Isolierfluid eines erfindungsgemäßen Hochspannungstransformators
muss demgegenüber über die
Lebensdauer des Transformators entweder gar nicht oder erst nach
längeren
Betriebsintervallen erneuert werden. Außerdem hat sich gezeigt, dass
infolge der Kapselung mittels eines Kunststoffhüllkörpers und infolge der im Vergleich
zum Stand der Technik wesentlich geringeren Menge an Isolieröl, kein
separates Ausdehnungsvolumen für
das Isolieröl
bereitgestellt werden muss, was ge genüber anderen ölisolierten
Transformatoren aus dem Stand der Technik einen weiteren Vorteil
darstellt.
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Schließlich weist
auch der die Sekundärwicklung
unter Ausbildung eines Ringspalts bevorzugt eng umhüllende Hüllkörper bzw.
das Isolationsgehäuse – sowohl
wegen seiner geringeren Ausmaße
als auch wegen der anderen Materialwahl – ein im Vergleich mit vorbekannten
Metallgehäusen
für ölisolierte
Transformatoren deutlich reduziertes Gewicht auf.
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Ersichtlich
ist bei Bedarf – insbesondere wenn
ein erfindungsgemäßer Hochspannungstransformator
in einem mobilen Prüf-
oder Messgerät
verbaut ist – ein
geeigneter Kühlmechanismus
vorzusehen, mit dem einer übermäßigen Wärmeentwicklung beim
Betrieb des Transformators entgegen gewirkt wird. Insbesondere im
Fall mobiler Prüf-
oder Messgeräte
der weiter unten diskutierten Art halten sich jedoch die Anforderungen
an einen solchen Kühlmechanismus
in vertretbarem Rahmen, da z. B. die Bereitstellung einer Prüfspannung
von 75 kV rms bereits mit batterie- bzw. akkubetriebenen Prüfgeräten bei
einer Leistung von nur 12–15
Watt erfolgen kann. Auch hier gilt jedoch, dass die vorliegende
Erfindung nicht auf spezifische Leistungsbereiche des Transformators
bzw. Prüf-/Messgeräts beschränkt sein
soll, wenngleich in bevorzugter Weise eine Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre
für Prüf- bzw.
Messgeräte
mit einer maximalen Prüf-
bzw. Messspannung von (wenigstens) 75 kV rms (bevorzugt auch 100
oder gar 200 kV rms) bei Leistungen im Bereich von wenigen Watt
bis hin zu 100, 200 oder gar 300 Watt vorgesehen ist.
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Im
Ergebnis stellt die vorliegende Erfindung einen deutlich leichteren
sowie einfach und kostengünstig
herzustellenden Hochspannungstransformator, der sich insbesondere
für mobile
Anwendungen eignet, bereit.
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In
einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
ist am Isolationsgehäuse ein
hermetisch verschließbarer
Isolierfluideinfüllstutzen
vorgesehen, durch welchen das Isolierfluid in den die Sekundärwicklung
umgebenden Ringspalt eingefüllt
werden kann. Dieser ist ersichtlich bevorzugt an dem die Sekundärwicklung
radial umgebenden Hüllkörper ausgebildet,
wobei ggfs. auch eine stirnseitige Anordnung sinnvoll sein kann.
Durch den Einfüllstutzen
wird das Isolierfluid vor Inbetriebnahme des Transformators eingefüllt. Ferner
kann bevorzugt auch dafür
Sorge getragen sein, dass das Isolierfluid durch den Einfüllstutzen
bei entsprechendem Bedarf ggfs. auch ausgelassen und durch ein neues Isolierfluid
ersetzt werden kann. Insbesondere im Fall der Verwendung eines Isolieröls erfolgt
die Befüllung bevorzugt
unter Vakuum- bzw. Unterdruckbedingungen, so dass eine vollständige Befüllung des
innerhalb des Isolationsgehäuses
befindlichen Ringspalts mit Isolieröl gewährleistet ist. Im Falle der
Verwendung eines Isoliergases kann dieses für eine hinreichende Isolierwirkung
ggfs. auch unter einem gewissen Überdruck
in das Isolationsgehäuse
gepumpt werden, wobei dann auf eine ausreichende Überdruckfestigkeit
des Isolationsgehäuses,
insbesondere des Hüllkörpers geachtet
werden muss.
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Der
Einfüllstutzen
kann bevorzugt auch an einer der Öffnungen des Isolationsgehäuses ausgebildet
sein, durch die der nieder- oder hochspannungsseitige An schluss
der Sekundärwicklung
aus dem Gehäuse
herausgeführt
ist.
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Dem
Grundsatz nach ist festzustellen, dass die Hochspannungsisolierung
für die
Sekundärwicklung
nach außen
hin sowohl durch das im Ringspalt befindliche Isolierfluid als auch
durch den Hüllkörper erbracht
wird. Es zeigt sich jedoch, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung
zur hinreichenden Isolierung einer Hochspannung im kV-Bereich – bei gleichzeitig
vergleichsweise dünner
Wandstärke
des Hüllkörpers (siehe
unten) – auch
ein in seiner Spaltbreite vergleichsweise dünner Ringspalt (also eine geringe Menge
an Isolieröl)
ausreichend ist. Der mit Isolierfluid befüllte Ringspalt um die Sekundärwicklung
weist somit in einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung eine im Querschnitt betrachtete Spaltbreite von kleiner
gleich 20 mm, nochmals bevorzugt von kleiner gleich 10 mm auf. Für eine ausreichende
Isolation von Wechselspannungen bis zu etwa 40 kV rms (Effektivspannung)
an der betreffenden Sekundärwicklung
erweist sich gar eine Spaltbreite von etwa 3 mm – bei entsprechend geringem Isolierölbedarf
und in Zusammenwirkung mit den isolierenden Eigenschaften eines
Kunststoffhüllkörpers mit
einer Wandstärke
in der Größenordnung
von etwa 5 mm – als
geeignet. Bevorzugt wird dabei über die
gesamte Länge
der Sekundärwicklung
sowie innerhalb des Querschnitts über die gesamte Länge des
Ringspaltes eine konstante Spaltbreite eingehalten. Im Vergleich
zu herkömmlichen ölisolierten Hochspannungstransformationen
für mobile
Prüfgeräte kann
hiermit die Menge an benötigtem
Isolieröl um
bis zu 90% verringert werden, was ersichtlich mit einer besonders
deutlichen Gewichtsreduktion verbunden ist.
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Im
Hinblick auf eine besonders einfach zu realisierende Geometrie des
Isolationsgehäuses
und einer besonders gleichmäßigen Druckverteilung durch
das sich im Betrieb des Transformators innerhalb des Ringspalts
(geringfügig)
ausdehnende Isolieröl
ist in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen,
dass der Hüllkörper im
Wesentlichen rohrförmig
ausgestaltet ist. Dies erlaubt – insbesondere
bei einer im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmigen Geometrie der Sekundärwicklung – auch eine
besonders kompakte und stabile Bauform des Isolationsgehäuses. Es
sei jedoch nochmals erwähnt,
dass die vorliegende Erfindung generell nicht auf eine spezielle
Querschnittsgeometrie des Transformatorkerns oder der Sekundärwicklung
beschränkt
ist.
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Ferner
ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen,
dass der Hüllkörper eine
Wandstärke
von kleiner gleich 20 mm, nochmals vorteilhaft kleiner gleich 10
mm bzw. gar kleiner oder in etwa gleich 5 mm aufweist. Dies erweist
sich – insbesondere
in Zusammenwirkung mit der bereits genannten Breite des Ringspalts
für das Isolationsfluid – als ausreichend
für den
gewünschten
Isolationszweck bei Hochspannungen im Bereich von mehreren 10 bis
wenigen 100 kV und erlaubt wiederum eine beträchtliche Gewichtseinsparung
gegenüber
dem Stand der Technik, insbesondere im Vergleich mit herkömmlichen
Trockentransformatoren. Für
mobile Prüf-
oder Messgeräte,
die eine Spannung von bis zu 200 kV rms – verteilt auf zwei Sekundärwicklungen
mit separaten Isolationsgehäusen – bereitstellen,
kann mit einer Wandstärke
des Isolationsgehäuses
von etwa 15–20
mm und einer Ringspaltbreite von etwa 20 mm bereits eine ausreichende
Isolierung durch das Isolati onsgehäuse bereitgestellt werden.
Bei geringeren Spannungen lassen sich die genannten Zahlen für die Wandstärke des
Hüllkörpers bzw.
die Breite des Ringspalts entsprechend reduzieren.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Sekundärwicklung
aus einem Draht mit einem Durchmesser von kleiner gleich 0,2 mm
oder kleiner gleich 0,1 mm hergestellte ist. Selbstverständlich sollte
der Draht bereits mit einer eigenen Isolierung, z. B. in Form einer
Lackisolierung, ausgestattet sein. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung
des beanspruchten Hochspannungstransformators kann sogar in einer
besonders bevorzugten Weise auf nochmals dünnere Wickeldrähte mit
Durchmessern von kleiner gleich 0,05 mm, insbesondere auf Drähte mit einem
Durchmesser von etwa 0,04 mm zurückgegriffen
werden. Solche Drähte
sind – bereits
einfach oder zweifach lackisoliert – kommerziell erhältlich.
Sie können
mit aus dem Stand der Technik bekannten Wickeltechniken, z. B. in
Lagen- oder Scheibenwicklung oder anderen Wickelverfahren, um den
Spulentragkörper
gewickelt werden.
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Bevorzugt
werden dabei zur Erzeugung der gewünschten Wechselspannung im
kV-Bereich Sekundärwicklung
mit größer gleich
50.000, 100.000 oder gar 150.000 Windungen realisiert.
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In
einer abermals bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung
ist vorgesehen, dass der Spulentragkörper und der Hüllkörper aus
dem gleichen Kunststoff hergestellt sind. Dies erweist sich insbesondere
dann als vorteilhaft, wenn diese – zur Ausbildung der erfin dungsgemäßen Kapselung
für die
Sekundärwicklung – stirnseitig
miteinander verschweißt
werden. An dem sich im übirgen
axial erstreckenden Spulentragkörper
und/oder Hüllkörper können zur
stirnseitigen Verschließung
des Isolationsgehäuses
geeignete, sich radial erstreckende Ränder vorgesehen sein, die zur
hermetischen Versiegelung des Gehäuses mit dem jeweils anderen Bauteil
verschweißt
sind. Alternativ hierzu können
jedoch auch separate, stirnseitig zwischen Spulentragkörper und
Hüllkörper anzuordnende
und ggfs. ebenfalls aus dem gleichen Kunststoff hergestellte Endkappen
Verwendung finden, die mit Spulentragkörper und Hüllkörper zur fluiddichten Kapselung
der Sekundärwicklung
samt Isolierfluid verschweißt
oder mittels geeigneter Dichtmittel gegen diese abgedichtet werden.
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Als
Kunststoff für
den Hüllkörper bzw.
das Isolationsgehäuse
insgesamt kommt in besonders vorteilhafter Weise Polypropylen zum
Einsatz, welches sich insbesondere wegen seiner guten Isolationseigenschaften
und seiner geringen Dichte von ca. 0,97 g/cm3 in
besonderem Maße
für die
vorliegende Erfindung eignet.
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Als
Isolierfluid wird bevorzugt auf die insoweit aus dem Stand der Technik
bekannten Isolieröle zurückgegriffen.
Gegenüber
einem eigentlich aus Gewichtsgründen
zu bevorzugenden Isoliergas ergibt sich dabei der Vorteil, dass
dieses nicht unter Überdruck
in das Isolationsgehäuse
gefüllt
werden muss, so dass sich die konstruktiven Anforderungen an das
Isolationsgehäuse
verringern.
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Neben
dem Hochspannungstransformator als solchen umfasst die vorliegende
Erfindung insbesondere auch ein mobiles, d. h. insbesondere tragbares,
Prüf- oder
Messgerät
mit einem Prüf-
bzw. Messgerätegehäuse und
einem innerhalb des Prüf-
bzw. Messgerätegehäuses angeordneten
Hochspannungstransformator der vorbeschriebenen Art. Die zuvor beschriebenen
Vorteile, insbesondere der Gewichtsreduktion gegenüber vorbekannten
Transformatoren, kommen hier in besonderer Weise zum Tragen. Bei
Prüfergeräten dieser
Art ist entweder ein Akkubetrieb oder eine separate Spannungsversorgung über einen
geeigneten Anschluss vorgesehen.
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In
besonderer Weiterbildung eines solchen Prüfgeräts ist im Rahmen der vorliegenden
Erfindung vorgesehen, dass das Prüfgerät ein Hochspannungsprüfgerät zur Prüfung der
Durchschlagsfestigkeit von Isolierölen oder sonstigen Prüflingen
ist, wobei der Hochspannungstransformator zur Bereitstellung einer
als Prüfspannung
fungierenden Sekundärspannung
von mehreren 10 kV, insbesondere bis zu bzw. wenigstens 75, 100
oder gar 200 kV rms (Effektivspannung), geeignet ist. Im Falle der
Prüfung
der Durchschlagsfestigkeit von Isolierölen ist ein geeigneter Testraum
für das
zu prüfende
Isolieröl
vorzusehen. Vorteilhaft sind hierbei zwei Sekundärwicklungen vorgesehen. Wie
bereits eingangs erwähnt,
handelt es sich hierbei vorteilhaft um eine Anordnung, bei welcher
die Sekundärwicklungen
eine – relativ
zueinander – um
180° phasenverschobene
Ausgangsspannung liefern, wobei die abgegriffene Differenzspannung
als Prüfspannung
zur Prüfung
der Durchschlagsfestigkeit von zu testenden und innerhalb des Testraums
befindlichen Isolierölen
Anwendung findet. Da hierfür
keine besonders hohen Stromstärken durch
die Sekundärwicklung
geleitet werden müssen,
kann in diesem Anwendungsfall insbesondere auch auf besonders dünne Drähte (s.
o.) für
die Sekundärwicklung
zurückgegriffen
werden.
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Solche
Prüfgeräte mit Akkubetrieb
und aus dem Stand der Technik bekannten Hochspannungstransformatoren
waren bisher (inkl. Akku und aller sonstigen Prüfgerätebestandteile) ausschließlich mit einem
Gesamtgewicht von über
25 kg verfügbar.
Erst im Rahmen der vorliegenden Erfindung, gelang es, deren Gewicht
bzw. Masse auf kleiner gleich 25 kg zu reduzieren. Hauptgrund für die Realisierung
eines solchermaßen
leichten Prüfgeräts zur Bereitstellung von
Spannungen größer gleich
75 kV rms ist dabei der leichtgewichtige Hochspannungstransformator, der
(inkl. Primär-
und Sekundärwicklungen,
Transformatorkern und Isolationsgehäuse samt Isolieröl) eine Masse
von weniger als 7,5 kg (in einer bevorzugten Variante gar nur 6,5
kg) zum Gesamtgewicht des Prüfgeräts beiträgt. Diese
Gewichtsreduktion erweist sich insbesondere deshalb als von außerordentlich großer Bedeutung,
da Arbeitsschutzvorschriften in vielen Ländern eine Gewichtsbegrenzung
für mobile Geräte fordern,
damit diese von einer Person getragen werden dürfen.
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Da
der Transformator eines solchen Prüfgeräts zwei Sekundärwicklungen
aufweist, ist es wiederum aus Gewichtsgründen von Vorteil, wenn jede Sekundärwicklung
von einem separaten Isolationsgehäuse im Sinne der vorliegenden
Erfindung gekapselt ist.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Dabei
zeigt:
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1 eine
perspektivische Ansicht der wesentlichen Komponenten eines Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Hochspannungstransformators,
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2 einen
Schnitt durch ein Isolationsgehäuse
des Hochspannungstransformators aus 1 und
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3 eine
perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Prüfgeräts, innerhalb
dessen Prüfgerätegehäuse der Hochspannungstransformator
aus 1 angeordnet ist.
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Der
in 1 dargestellte Hochspannungstransformator 1 umfasst
einen ferromagnetischen Transformatorkern 2, um welchen
an verschiedenen Schenkeln vorliegend zwei (als Scheibenwicklungen ausgebildete
und separat isolierte) Primärwicklungen 3, 4 gewickelt
sind.
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Ferner
zeigt 1 zwei, je einen Schenkel des Transformatorkerns 2 umgebende
Isolationsgehäuse 5, 6,
von denen jedes einen niederspannungsseitigen Anschluss 7, 8 und
einen hochspannungsseitigen Anschluss 9, 10 für die im
jeweiligen Isolationsgehäuse 5, 6 befindliche
Sekundärwicklung 12 bereitstellt.
Alle Anschlüsse 7, 8, 9, 10 sind
so ausgebildet, dass sie mit dem betreffenden Ende der Sekundärwicklung
kontaktiert sind bzw. dass eine entsprechende Kontaktierung durch
sie hindurch geführt werden
kann.
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Dem
Schnitt aus 2, welcher senkrecht zur Längsachse
L des Isolationsgehäuses 5 und
aus Gründen
der besseren Übersichtlichkeit
in zwei Schnittebenen sowohl durch den niederspannungsseitigen Anschluss 7 als
auch durch den hochspannungsseitigen Anschluss 9 geführt ist,
kann der genaue Aufbau des Isolationsgehäuses 5, welches baugleich
zum zweiten Isolationsgehäuse 6 ist,
entnommen werden.
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Das
Isolationsgehäuse 5 ist
innerhalb der Schnittebene nach radial innen durch einen aus Kunststoff
bestehenden Spulentragkörper 11 begrenzt
bzw. bewandet, der seinerseits einen – in 2 nicht
dargestellten – Schenkel
des Transformatorkerns 2 umgibt. Auf dem Spulentragköprer 11 ist
die Sekundärwicklung 12 mittels
eines geeigneten Wickelverfahrens aufgewickelt, wobei die Sekundärwicklung 12 – unter
Ausbildung eines Ringspalts 13 – von einem ebenfalls aus Kunststoff
bestehenden und im Wesentlichen rohrförmigen Hüllkörper 14 umhüllt wird,
der die radial äußere Bewandung
des Isolationsgehäuses 5 darstellt.
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Der
Ringspalt 13 wird bzw. ist mit einem Isolieröl befüllt.
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Der
niederspannungsseitige Anschluss 7 für die Sekundärwicklung 12 ist
in Form eines Stutzens 15 mit einer zentralen Öffnung 16 ausgebildet,
so dass er gleichzeitig als Isolieröleinfüllstutzten dienen kann, wozu
der Ringspalt 13 durch die Öffnung 16 unter Unterdruckbedingungen
mit Isolieröl
befüllt wird.
Die Niederspannungsseite der Sekundärwicklung 12 wird
durch die Öffnung 16 hindurch
kontaktiert, wobei der Anschluss 7 bzw. dessen Öffnung 16 vor
Inbetriebnahme des Transformators 1, also nach vollständiger Befüllung des
Ringspalts 13 mit dem Isolieröl, auf geeignete Weise abgedichtet
wird.
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In
analoger Weise weist auch der hochspannungsseitige Anschluss 9 am
Isolationsgehäuse 5 unter
einer Schutzummantelung 17 einen entsprechenden Stutzen 18 auf,
der wiederum mit einer zentralen, bis zur Hüllkörperinnenseite weisenden Öffnung 19 ausgestattet
ist. Auch hier erfolgt die elektrische Kontaktierung des hochspannungsseitigen
Endes der Sekundärwicklung 12 durch
die Öffnung 19 hindurch,
die anschließend
auf geeignete Weise zu versiegeln bzw. abzudichten ist. Auch dieser
Stutzen 18 kann zum Befüllen
des Ringspalts 13 mit Isolieröl verwendet werden.
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Das
Isolationsgehäuse 5 ist
selbstverständlich
auch stirnseitig beidseits, d. h. sowohl in Richtung zur benachbarten
Primärwicklung 3 (vgl. 1) als
auch zur entgegen gesetzten Seite, vollständig fluiddicht verschlossen,
so dass letztlich die Sekundärwicklung 12 und
das die Sekundärwicklung 12 innerhalb
des Ringspalts 13 umgebende Isolieröl vollständig gekapselt ist. Das Isolieröl kommt
dabei nicht in Kontakt mit dem Transformatorkern 2.
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Hüllkörper 14 und
Spulentragkörper 11 sind aus
dem gleichen Kunststoff hergestellt.
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3 zeigt
schließlich
noch ein mobiles, also tragbares Hochspannungsprüfgerät 20 zur Prüfung der
Durchschlagsfestigkeit von Isolierölen. Hierzu weist das Prüfgerät 20 einen – von einem
durchsichtigen Gehäuse
umgebenen und mit einem Deckel 21 verschließbaren – Testraum 22 auf,
welcher mit dem zu testenden Isolieröl befüllt werden kann. Innerhalb
des Testraums 22 sind zwei einander zuweisende Hochspannungselektroden 23, 24 angeordnet,
an denen eine Prüfungsspannung
von 75 kV rms angelegt wird.
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Die
Prüfspannung
wird mittels eines in den 1 und 2 dargestellten
Hochspannungstransformators 1 aufgebracht, der innerhalb
des Prüfgerätegehäuses 25 angeordnet
ist. Hierzu sind die beiden Hochspannungselektroden 23, 24 mit
je einem der beiden Hochspannungsausgänge 9, 10 des
Hochspannungstransformators kontaktiert. Hierzu dienen die – geeignet
isolierten – Anschlusselemente 26, 27, die
in das Prüfgerätegehäuse 25 hineinführen.