DE102016200477A1

DE102016200477A1 - Wicklungsanordnung mit festen Wicklungsabschnitten

Info

Publication number: DE102016200477A1
Application number: DE102016200477.8A
Authority: DE
Inventors: Richard Sille; Tim-Felix Mai; Steffen Weinert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2016-01-15
Filing date: 2016-01-15
Publication date: 2017-07-20
Also published as: EP3378074A1; BR112018014218A2; WO2017121569A1; CN108541330A; US20190019619A1; RU2699075C1

Abstract

Um eine Wicklungsanordnung (1) mit einer Anzahl von in vertikaler Richtung übereinander angeordneten Wicklungsabschnitten (2a, 2b, ..., 2n), bereitzustellen, die mit Abstand zueinander angeordnet und unter Ausbildung einer Reihenschaltung elektrisch miteinander verbunden sind, wobei jeder Wicklungsabschnitt (2a, 2b, ..., 2n) übereinander gewickelte Wicklungslagen (3) aufweist, die Wicklungslagen (3) gegeneinander isoliert sind und einen elektrischen Leiter aufweisen, bei der ein Verrutschen der Wicklungsabschnitte vermieden ist, wird vorgeschlagen, dass die Wicklungslagen (3) über ein Lagenverbindungsmittel (5) fest miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wicklungsanordnung mit einer Anzahl von in vertikaler Richtung übereinander angeordneten Wicklungsabschnitten, die mit Abstand zueinander angeordnet und unter Ausbildung einer Reihenschaltung elektrisch miteinander verbunden sind, wobei jeder Wicklungsabschnitt übereinander gewickelte Wicklungslagen aufweist, die gegeneinander isoliert sind und einen elektrischen Leiter aufweisen.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer Wicklungsanordnung.
Die Erfindung betrifft ferner einen Transformator und eine Drossel mit einer solchen Wicklungsanordnung.
Die oben genannte Wicklungsanordnung ist beispielsweise aus der EP 2 251 877 B1 bekannt. Die dort gezeigte Wicklungsanordnung besteht aus einer Reihenschaltung so genannter Scheibenwicklungen, die mit einem Abstand zueinander angeordnet sind. Bei der Herstellung eines solchen Wicklungsabschnittes wird beispielsweise ein Bandleiter zusammen mit einer isolierenden Folie von innen nach außen auf einen formgebenden Wickelträger gewickelt und durch den Wickelzug an diesem gehalten.
Die vorbekannte Wicklungsanordnung weist den Nachteil auf, dass die allein durch den Wickelzug an dem Träger gehaltenen Wicklungsabschnitte verrutschen können, so dass die elektrisch notwendigen Mindestabstände zwischen den Wicklungen nicht mehr eingehalten werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Wicklungsanordnung und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei denen ein Verrutschen der Wicklungsabschnitte vermieden ist.
Diese Aufgabe wird ausgehend von der eingangs genannten Wicklungsanordnung dadurch gelöst, dass die Wicklungslagen über ein Lagenverbindungsmittel fest miteinander verbunden sind.
Ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren löst die Erfindung diese Aufgabe dadurch, dass Wicklungsabschnitte durch Wickeln von Wicklungslagen auf einen Wickelträger gewickelt werden, wobei die Wicklungslagen gegeneinander isolierte elektrische Leiter aufweisen, die Wicklungslagen durch ein Lagenverbindungsmittel fest miteinander verbunden werden, und jeder Wicklungsabschnitt mit einem Isolierstoff vergossen und die so gebildete Wicklungsanordnung zum Aushärten des Isolierstoffes erwärmt wird.
Die erfindungsgemäße Wicklungsanordnung verfügt über Wicklungsabschnitte, deren Wicklungslagen über ein Lagenverbindungsmittel fest miteinander verbunden sind. Das Lagenverbindungsmittel erhöht so die mechanische Stabilität der Wicklungsabschnitte. Ein Verrutschen der Wicklungslagen nach dem Wickeln ist im Rahmen der Erfindung daher vermieden. Als Lagenverbindungsmittel kommt grundsätzlich jedes Verbindungsmittel in Betracht, das in der Lage ist, die aneinander anliegenden Wicklungslagen wirksam miteinander zu verbinden, so dass die Wicklungslagen formstabil bleiben und nicht verrutschen.
Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung ist das Lagenverbindungsmittel jedoch eine ausgehärtete Harzverbindung. Zur Ausbildung der Harzverbindung kommen beliebige Harze in Betracht. Das Harz wird beispielsweise im nicht vollständig ausgehärteten Zustand oder mit anderen Worten im B-Zustand auf beide Seiten der Isolierfolie aufgebracht. Nach dem Wickeln wird die Wicklungsanordnung beispielsweise durch Anwendung von Wärme ausgehärtet. Zweckmäßigerweise ist das Harz ein Epoxidharz.
Zweckmäßigerweise ist eine zwischen die Leiter eines Wicklungsabschnitts gewickelte Isolierfolie mit dem Lagenverbindungsmittel imprägniert oder beschichtet. Die Isolierfolie kann an einer oder vorteilhafterweise an ihren beiden Seiten mit dem Lagenverbindungsmittel imprägniert oder beschichtet sein. Somit verklebt die beidseitig mit Lagenverbindungsmittel ausgerüstete Folie die Leitermiteinander, zwischen die sie gewickelt wurde.
Vorteilhafterweise ist die Harzverbindung zumindest teilweise punkförmig ausgestaltet ist. Eine solche punkförmige Verbindung ist in Fachkreisen auch als „Diamond-Dotted“ bekannt. Sie kann einfach und schnell hergestellt werden und weist darüber hinaus eine hohe Stabilität auf.
Gemäß einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung ist jede Harzverbindung punktförmig ausgebildet.
Bei einer bevorzugten Variante der Erfindung sind die Wicklungsabschnitte zumindest teilweise von einem festen Wicklungsisolator umgeben, der aus einem festen Wicklungsisolierstoff besteht. Durch die Einbettung in einen festen Isolierstoff wird die Spannungsfestigkeit der Wicklungsanordnung erhöht. Eine solche Wicklungsanordnung oder Trockentransformatorwicklung wird beispielsweise als Oberspannungswicklung in einem Transformator oder einer Drossel eingesetzt. Dazu wird im Inneren der Wicklungsanordnung eine Unterspannungswicklung platziert, durch die sich wiederum ein Schenkel eines Eisenkerns erstreckt. Der aus Eisenblechen gebildete Eisenkern weist einen geringeren magnetischen Widerstand auf als Luft und dient zum Führen der magnetischen Felder, die von der Wicklungsanordnung als Oberspannungswicklung und von der in ihr angeordneten Unterspannungswicklung erzeugt werden.
Vorteilhafterweise ist die Harzverbindung direkt auf die Windungsisolation aufgebracht. Mit anderen Worten ist eine Harzschicht bereitgestellt.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Wicklungsanordnung mit Haltemitteln ausgerüstet ist, die wenigstens ein Halteelement aufweisen, das sich in wenigstens zwischen zwei nebeneinander angeordnete Wicklungsabschnitte erstreckt. Ein solches Haltemittel hält die Wicklungsabschnitte zwischen den es sich erstreckt, mit einem gewissen Abstand zueinander, der auf Grund der gewünschten Spannungsfestigkeit der Wicklungsanordnung vorgegeben ist. Während des Betriebs der Wicklungsanordnung liegen die Wicklungsabschnitte auf einem Hochspannungspotential, so dass zwischen den Wicklungsabschnitten eine Spannung abfällt.
Gemäß einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung ist jedes Halteelement als flacher Einlegestreifen ausgebildet. Ein flacher Einlegestreifen kann beim Wickeln der Wicklungsabschnitte besonders einfach und daher kostengünstig zwischen die Wicklungslagen gewickelt und mit diesen verbunden werden.
Vorteilhafterweise besteht jedes Halteelement aus einem mit Glasfasern verstärkten Harz. Der Harz des Halteelements ist beispielsweise der gleiche Harz, der für die Wicklungsisolierung eingesetzt wird.
Bei einer weiteren Variante der Erfindung ist wenigstens ein Fußelement vorgesehen ist, das mit einem Wicklungsabschnitt verbunden und zum Tragen der gesamten Wicklungsanordnung eingerichtet ist. Das Fußelement ermöglicht ein Abstellen des Rohlings der Wicklungsanordnung und somit einen stehenden Verguss.
Gemäß einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung weist jedes Fußelement einen Isolierstoffabschnitt auf, der aus einem elektrisch isolierenden Fußisolierstoff besteht. Der Isolierstoffabschnitt stellt die notwendige elektrisch Isolierung zwischen dem Fußende auf Erdpotential und dem mit dem Wicklungsabschnitt verbundenen Wicklungsende des Fußelementes bereit.
Vorteilhafterweise sind jeder Wicklungsabschnitt und jedes Fußelement zumindest teilweise von einem Wicklungsisolator umgeben, der aus einem festen Wicklungsisolierstoff besteht, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient des Wicklungsisolierstoffs demjenigen des Fußisolierstoffs entspricht. So sind Rissbildungen im Wicklungsisolator vermieden.
Jeder Wicklungsabschnitt ist vorteilhafterweise umfänglich geschlossen, wobei die Wicklungsabschnitte fluchtend zueinander angeordnet sind. Die Wicklungsanordnung ist im Rahmen der Erfindung daher innen hohl ausgebildet, so dass die Aufnahme eine Unterspannungswicklung und/oder eines Kernschenkels ermöglicht ist.
Zweckmäßigerweise wird wenigstens ein Halteelement beim Wickeln zwischen die Wicklungslagen eingebracht, so dass es sich zwischen wenigstens zwei Wicklungsabschnitten erstreckt.
Vorteilhafterweise wird die Wicklungsanordnung nach dem Einbringen der Halteelemente jedoch vor dem Aushärten des Isolierstoffs vorgewärmt. Hierbei härten die Prepregs aus, so dass eine mechanisch stabile Wicklungsanordnung bereit gestellt ist, der stehend ohne Wickelträger vergossen werden kann. Dies ermöglicht das Ausbilden einer Wicklungsisolierung mit einer insbesondere an ihrer Innenseite dickeren Wandung, so dass die Wicklungsanordnung bei gleicher Dimensionierung mit höheren Spannungen beaufschlagt werden kann.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen und wobei
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung in einer perspektivischen Ansicht,
2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens und
3 eine detailliertere Ansicht einer Isolierfolie mit Lagenverbindungsmittel zeigen.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung 1 in einer perspektivischen Darstellung. Es ist erkennbar, dass die Wicklungsanordnung 1 vertikal also hier in axialer Richtung übereinander angeordnete Scheibenwicklungen 2a, 2b, ..., 2n aufweist, die elektrisch in Reihe miteinander geschaltet sind. Die Scheibenwicklungen 2a sind über Haltemittel aneinander befestigt und mit Abstand zueinander gehalten. Die Haltemittel verfügen über die Halteelemente 4, die in die Wicklungsabschnitte 2a, 2b, ..., 2n eingewickelt und flächig mit diesen verbunden sind. Aufgrund der Haltemittel 4 können die elektrisch notwendigen Abstände eingehalten werden. Für eine spätere Anwendung wird der in 1 gezeigte Rohling der Wicklungsanordnung 1 vollständig in einen festen Wicklungsisolator eingebettet, der aus einem zweckmäßigen Wickelisolierstoff, beispielsweise einem zweckmäßigen Gießharz, besteht. Dazu wird der in 1 gezeigte Rohling der Wicklungsanordnung 1 in einer Gießform angeordnet und anschließend der flüssige Wicklungsisolierstoff, beispielsweise ein Epoxidharz mit Additiven und Füllstoffen in flüssiger Form zugeführt. Anschließend erfolgt das Aushärten des Wicklungsisolierstoffes unter Wärme, so dass eine vollständig in einer festen Wicklungsisolation eingebettete Reihenschaltung von Scheibenwicklungen 2a, 2b, ..., 2n bereitgestellt ist. Die so hergestellte Wicklungsanordnung dient dann beispielsweise als Oberspannungswicklung eines Transformators.
In 1 ist die Außenseite der Scheibenwicklungen 2a, 2b, ..., 2n gezeigt. Insbesondere ist erkennbar, dass diese Lagenverbindungsmittel 5 in Gestalt von rautenförmigen Bereichen aufweist, die mit einem Harz in einem B-Zustand beschichtet sind. Harz in einem B-Zustand ist ein noch nicht vollständig ausgehärtetes Harz, das daher noch offene Verbindungsstellen aufweist, die für eine spätere vollständige Polymerisierung zur Verfügung stehen. In diesem B-Zustand weist das Harz Klebeeigenschaften auf.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Wicklungsanordnung gemäß 1 hergestellt wird. Es ist erkennbar, dass die Scheibenwicklungen 2a und 2b auf einen Wickelträger 15 aufgewickelt werden. Jede Scheibenwicklung 2a und 2b ist aus Wicklungslagen 3 zusammengesetzt, die bei der Wicklung von innen nach außen gewickelt werden und dabei jeden Wicklungsabschnitt in radialer Richtung vergrößern. Jede Wicklungslage 3 verfügt über einen Bandleiter 7, der gegenüber dem Bandleiter der darunterliegenden Wicklungslage 3 durch eine Isolierfolie 6 isoliert ist. Die Isolierfolie 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Prepreg mit beidseitig vollflächig beschichteten Lagenverbindungsmitteln 5 ausgeführt. Darüber hinaus ist aus 2 erkennbar, dass die Haltemittel, die aus einem flachen Einlegestreifen 4 bestehen, auf einfache Weise in den Wickelabschnitt 2b und alle anderen Wicklungsabschnitte eingewickelt werden können. Der flache Einlegestreifen 4 besteht aus einem Glasfasern, die mit einem Harz imprägniert sind, das sich ebenfalls im sogenannten B-Zustand befindet, also mit anderen Worten noch nicht vollständig ausgehärtet ist. Nach dem Wickeln aller Wicklungsabschnitte oder in diesem Fall aller Scheibenwicklungen 2a, 2b, ..., 2n wird die Wicklungsanordnung 1 vorgewärmt, so dass sich das Harz im B-Zustand 5 auf der Folie 6, und auch das Prepreg 4 aushärtet und so einen mechanisch stabile Verbindung sowohl zwischen der Folie 6 und den metallischen Bandleitern 7, als auch zwischen der Folie 6 und dem Halteelement 4 bzw. dem Bandleiter 7 bereitgestellt ist. Anschließend kann der Wickelträger 15 entfernt werden, so dass eine wickelträgerfreie selbst stehende Wicklungsanordnung 1 bereitgestellt ist, bei der Scheibenwicklungen 2a, 2b, ..., 2n vertikal in axialer Richtung übereinander mit Abstand zueinander angeordnet sind.
3 verdeutlicht ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lagenverbindungsmittel 5 auf einer Folie 6, die rautenförmige Bereiche aufweist, in denen Harz 5 im B-Zustand punktförmig aufgetragen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2251877 B1 [0004]

Claims

Wicklungsanordnung (1) mit einer Anzahl von in vertikaler Richtung übereinander angeordneten Wicklungsabschnitten (2a, 2b, ..., 2n), die mit Abstand zueinander angeordnet und unter Ausbildung einer Reihenschaltung elektrisch miteinander verbunden sind, wobei jeder Wicklungsabschnitt (2a, 2b, ..., 2n) übereinander gewickelte Wicklungslagen (3) aufweist, die Wicklungslagen (3) gegeneinander isoliert sind und einen elektrischen Leiter aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungslagen (3) über ein Lagenverbindungsmittel (5) fest miteinander verbunden sind.
Wicklungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagenverbindungsmittel eine ausgehärtete Harzverbindung (5) umfasst.
Wicklungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Harzverbindung (5) zumindest teilweise punkförmig ausgestaltet ist.
Wicklungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Harzverbindung (5) punktförmig ausgebildet ist.
Wicklungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Harzverbindung (5) direkt auf die Windungsisolation (6) aufgebracht ist.
Wicklungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsabschnitte (2a, 2b, ..., 2n) zumindest teilweise von einem festen Wicklungsisolator umgeben sind, der aus einem festen Wicklungsisolierstoff besteht.
Wicklungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Haltemittel mit wenigstens einem Halteelement (4), das sich in wenigstens zwei nebeneinander angeordnete Wicklungsabschnitte (2a, 2b, ..., 2n) hinein erstreckt, wobei das besagte Halteelement (4) fest mit den Wicklungsabschnitten (2a, 2b, ..., 2n) verbunden ist, in die hinein es sich erstreckt.
Wicklungsanordnung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Halteelement als flacher Einlegestreifen (4) ausgebildet ist.
Wicklungsanordnung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Halteelement (4) aus einem mit Glasfasern verstärkten Harz besteht.
Wicklungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Fußelement vorgesehen ist, das mit einem Wicklungsabschnitt verbunden und zum Tragen der gesamten Wicklungsanordnung eingerichtet ist
Wicklungsanordnung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Fußelement einen Isolierstoffabschnitt aufweist, der aus einem elektrisch isolierenden Fußisolierstoff besteht.
Wicklungsanordnung (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Wicklungsabschnitt (2a, 2b, ..., 2n) und jedes Fußelement zumindest teilweise von einem Wicklungsisolator umgeben ist, der aus einem festen Wicklungsisolierstoff besteht, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient des Wicklungsisolierstoffs demjenigen des Fußisolierstoffs entspricht.
Wicklungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Wicklungsabschnitt (2a, 2b, ..., 2n) umfänglich geschlossen ist, wobei die Wicklungsabschnitte fluchtend zueinander angeordnet sind.
Verfahren zum Herstellen einer Wicklungsanordnung (1), bei dem – Wicklungsabschnitte (2a, 2b, ..., 2n) durch Wickeln von Wicklungslagen (3) auf einen Wickelträger (15) gewickelt werden, wobei die Wicklungslagen (3) gegeneinander isolierte elektrische Leiter aufweisen, – die Wicklungslagen (3) fest miteinander verbunden werden, – jeder Wicklungsabschnitt (2a, 2b, ..., 2n) mit einem Wicklungsisolierstoff vergossen und – die so gebildete Wicklungsanordnung (1) zum Aushärten des Wicklungsisolierstoffes erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungslagen (3) vor dem Aushärten des Isolierstoffs durch ein nicht vollständig ausgehärtetes Harz (5) miteinander verklebt werden.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Halteelement (4) beim Wickeln zwischen die Wicklungslagen (3) eingebracht wird, so dass es zwischen wenigstens zwei Wicklungsabschnitten erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsanordnung (1) nach dem Einbringen des oder der Halteelemente (4) jedoch vor dem Aushärten des Isolierstoffs vorgewärmt wird.