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Transformator Die Erfindung betrifft einen Transformator, insbesondere
für Hochspannung, mit flüssigem Dielekttrikum als Kühlmittel, dessen Wicklungen
jeweils aus einer Vielzahl von einzelnen Wicklungselementen, insbesondere z. B.
Scheibenspulen, aufgebaut sind. Aufgabe der Erfindung ist es bei diesen Transformatoren,
die Isolation zwischen den Wicklungen und Erde zu verbessern und gleichzeitig noch
Mittel zur Verhinderung schädlicher Feldkonzentrationen sowie zur Unterdrückung
von Glimmerscheinungen und Mittel für eine günstige Wanderwellenverteilung vorzusehen.
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Gemäß der Erfindung läßt sich dieses Ziel dadurch erreichen, daß jedes
der Wicklungselemente, insbesondere der Hochspannungswicklung, aus mindestens zwei
mit Zwischenraum voneinander angeordneten, parallel geschalteten und miteinander
ausgekreuzten Leiterspiralen, die mit dem in gleicher Weise ausgebildeten nächstfolgenden
Wicklungselement in Reihe geschaltet sind, besteht, wobei der zwischen den Leiterspiralen
eines Wicklungselements befindliche Kanal von dem als Kühlmittel dienenden flüssigen
Dielektrikum durchflossen ist, während der elektrisch hochbeanspruchte Raum, nämlich
zwischen der Hoch-und Niederspannungswicklung sowie insbesondere zwischen den einzelnen,
gegebenenfalls gegeneinander geneigt angeordneten Wicklungselementen vollständig
mit geschichtetem, festem Isoliermittel, das auch um die Außenmantelflächen der
Wicklungselemente herumreicht, hohlraumfrei ausgefüllt ist, und daß sowohl Mittel
zur Verhinderung einer Konzentration des elektrischen Feldes an den Wicklungselementenmantelflächen,
z. B. auf die Außen- und Innenmantelfläche aufgesetzte Glimmschutzbeläge, als auch
solche für eine günstige Wanderwellenverteilung, z. B. den Wicklungsinnen- und Außenmantelflächen
vorgelagerte, gegebenenfalls zwischen Nieder- und Hochspannungswicklung eingefügte
elektrostatische Schirme, vorhanden sind.
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An Hand der Zeichnung, die Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigt,
soll diese näher erläutert werden. Fig. 1 gibt eine Schnittzeichnung in Richtung
der Wicklungsachse durch einen Teil der Nieder- und Hochspannungswicklung wieder,
aus dem Einzelheiten der Erfindung ersichtlich sind; Fig.2 zeigt einen Manteltransformator,
bei dem die Wicklungsanordnung nach Fig.1 teilweise in Seitenansicht und im Schnitt
zu sehen ist; in Fig.3 ist eine Randpartie eines elektrostatischen Schirmes im Schnitt
zu sehen; Fig.4 zeigt eine Draufsicht auf einen elektrostatischen Schirm; in Fig.5
ist ein Querschnitt eines elektrostatischen Schirmes gezeigt, und zwar nach den
Linien V-V der Fig. 4; in Fig.6 ist ein weiterer Querschnitt durch einen elektrostatischen
Schirm gezeigt; Fig. 7 gibt einen teilweisen Schnitt durch ein Wicklungselement
der Hochspannungswicklung wieder; aus der in Fig. 8 wiedergegebenen Kurve ersieht
man, wie sich die Durchschlagspannung bei einer gemäß der Erfindung ausgeführten
Wicklung gegenüber einer bisher üblichen Wicklung ändert; Fig.9 zeigt den Anschluß
der Wicklungsanschlüsse teilweise im Schnitt; in Fig.10 ist eine schematische Draufsicht
auf ein Wicklungselement wiedergegeben, wobei die Auskreuzungsstellen der zur Wicklungsherstellung
benutzten Leiter sowie deren Herausführung angedeutet ist; Fig. 11 läßt eine Seitenansicht
eines geformten Isolierteils erkennen, das in Fig. 12 im Schnitt nach Linie XII-XII
der Fig. 11 wiedergegeben ist.
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Der in den Fig. 1 und 2 .dargestellte Transformator ist ein Manteltransformator,
der auf dem Mittelschenkel eines Eisenkerns die Niederspannungswicklung
15
und die Hochspannungswicklung 16 trägt, die beide aus mehreren Scheibenspulen
bestehen. Da bekanntermaßen das Isolationsproblem bei der Hochspannungswicklung
wesentlich schwieriger ist, soll dieErfindung insbesondere an Hand der gemäß der
Lehre nach der Erfindung ausgeführten Hochspannungswicklung erläutert werden. Selbstverständlich
kann auch die Niederspannungswicklung gemäß der Erfindung ausgebildet
werden,
doch wird dies erst bei höheren Spannungen, z. B. etwa 90 000 Volt, notwendig werden.
Bei niedrigen Spannungen empfiehlt es sich dagegen, die Niederspannungswicklung
in der bisher üblichen Weise auszuführen. Die einzelnen Scheibenspulen
18,
19 usw. der Hochspannungswicklung 16 sind je aus zwei in Wicklungsachsrichtung
mit Abstand voneinander angeordneten, parallel geschalteten Leitern 14 (s. Fig 1)
zur Wicklungsdoppelspirale gewickelt, so daß dazwischen der Kanal 17 als sich über
das ganze Wicklungselement erstreckender Querkanal frei bleibt, der dem Durchfluß
des flüssigen Dielektrikums dient, mit dem der elektrische Apparat gefüllt ist.
Zur Abstandshalterung der beiden Wicklungsspiralen voneinander sind in den Kanal
17 entsprechende Distanzstücke eingebracht. Die Wicklungselemente 18, 19
usw. der Hochspannungswicklung, die gleichartig aufgebaut sind, sind in Abstand
voneinander angeordnet und im Ausführungsbeispiel in Doppelspulenschaltung miteinander
in Reihe geschaltet. Damit ist z. B. das Wicklungselement 18, das in Fig. 1 obengelegen
die Wicklungsanschlüsse haben kann, an seiner untenliegenden Stelle mit dem benachbarten
Wicklungselement 19 verbunden. An dieser Stelle ist der Potentialunterschied zwischen
den Wicklungselementen 18 und 19 gering, während er auf der anderen Seite aber groß
ist. Um hier Platz für die Unterbringung einer ausreichenden Isolation zu schaffen,
ist das Wicklungselement 19 gegenüber dem senkrecht auf der Wicklungsachse stehenden
Wicklungselement geneigt zur Wicklungsachse angebracht, und zwar richtet sich diese
Neigung nach der Größe des jeweilig vorhandenen Spannungsgradienten. Wie bereits
erwähnt, ist jedes Wicklungselement der Hochspannungswicklung bei dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1 je aus zwei im Abstand voneinander angebrachten Leiterspiralen 14 aufgebaut.
Selbstverständlich ist es mit Rücksicht auf die Wirbelstromunterdrückung in den
Leitern im Bedarfsfalle auch möglich, eine weitere Unterteilung der Leiter, z. B.
eine Vierfachunterteilung, vorzunehmen. In solchen Fällen werden dann die Leiter
paarweise mit Zwischenraum angeordnet, so daß auch hier sich Kanäle für das strömende
flüssige Dielektrikum ergeben. Um die zirkulierenden Wirbelströme in den zu einem
Wicklungselement gehörenden Leitern zu unterdrücken, werden die Leiter, wie dies
bei 21 (Fig. 1 bzw. 10) angedeutet ist, miteinander in bekannter Weise wenigstens
in der Mitte der Wicklung ausgekreuzt. Das Ausfüllen des Zwischenraums zwischen
der Niederspannungswicklung 15 und der Hochspannungswicklung 16 mit festem Isoliermaterial
sowie das Ausfüllen der Zwischenräume zwischen den einzelnen Wicklungselementen,
z. B. 18, 19 usw., der Hochspannungswicklung 16 mit festem Isoliermaterial muß gemäß
der Erfindung in besonders sorgfältiger Weise durchgeführt werden. Dabei können
die hierzu verwendeten festen Isolierstoffe, die in der Hauptsache als Bahnen, Scheiben,
Winkel-, U-förmige Ringteile u. dgl. Verwendung finden, aus irgendeinem Zellulosestoff
bestehen, der zum Zweck der Verbesserung seiner Isoliereigenschaften, insbesondere
der Durchschlagsfestigkeit, , irgendwie in bekannter Weise veredelt wurde. Hierzu
eignen sich vor allem Preßspan, Hartpapier und ähnliche Stoffe.
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Der Isolationsaufbau der Wicklungsanordnung nach der Erfindung ist
besonders deutlich aus Fig. 1 ersichtlich. Dabei erkennt man, daß z. B. auf der
Scheibenspule 18 auf der der Scheibenspule 19 zugewendeten Seite ein entsprechender,
der Größe der Scheibenspule zugeschnittener Ring 22, z. B. aus Preßspan, aufgelegt
ist. Auf der Außenmantelfläche der Scheibenspule 18 ist ein U-förmiger Isolierteil
23 übergeschoben, der in bekannter Weise gefertigt sein mag, z. B. aus verformtem
Preßspan, wie dies an. sich bekannt-ist. Dieser Teil 23, der insbesondere aus mehreren
sich überlappenden Ringsektoren (s. Fig. 11 und 12) aufgeschichtet ist, liegt also
mit seinem einen Schenkel unmittelbar. auf der Scheibenspule an, während er mit
seinem anderen Schenkel auf dem Isolationsring 22 aufliegt. Die beiden Schenkel
des U-förmigen Ringteils 23 sind schräg auslaufend zugeschnitten., d. h. ausgeschärft,
und ergeben zusammen mit den darauf aufgelegten Isolationsringen 24, die entsprechend
der Ausschärfung des Ringes 23 gleichfalls ausgeschärft sind, eine schalenartige
Umhüllung der Scheibenspule 18. Die Herstellung der U-förmigen Ringe 24 geschieht
zweckmäßig, wie erwähnt, in Form von Ringsektoren, die in genauen Preßformen gepreßt
werden. Das Ausschärfen der Überlappungsstellen muß sorgfältig erfolgen, so daß
sich an den Überlappungsstellen keinerlei vorspringende Teile ergeben oder irgendwelche
Hohlräume sich ausbilden. In gleicher Weise, wie beschrieben, wird die weitere Ausfüllung
des Raums zwischen der Niederspannungswicklung und Hochspannungswicklung sowie zwischen
den einzelnen Wicklungselementen der Hochspannungswicklung selbst durchgeführt,
nämlich mittels aufeinandergeschichteter und an ihren Rändern ausgeschärfter ringförmiger
Isolierteile, die mit den die Außenmantelflächen bzw. Innenmantelflächen der Wicklungselemente
der Hochspannungswicklung übergreifenden U-förmigen Ringteilen 23 bzw., rechtwinkligen
sogenannten Winkelringen schalenförmig sich um die Wicklung legen, und zwar so satt
aufeinander aufliegend, daß keinerlei Hohlräume in dem aufgeschichteten Isolationsaufbau
sich ausbilden können. Damit dies mit Sicherheit vermieden wird, ist darauf zu achten,
daß die sämtlichen Krümmungsradien der U-förmigen und winkelförmigen Ringteile gleichartig
ausgeführt werden, so daß ein lückenloses Aneinanderschmiegen dieser Teile auch
an den Krümmungspartien erreicht wird. Damit die Reihenschaltung der Wicklungselemente
der Hochspannungswicklung ohne weiteres durchführbar ist, übergreifen an der Stelle,
an der die Schaltung vorgenommen wird, wie dies aus Fig. 1 unten bei den Spulen
18 und 19 ersichtlich ist, entsprechend im Querschnitt U-förmige Ringteile die Innenmantelflächen
dieser beiden Spulen gemeinsam. Der Zwischenraum zwischen der Niederspannungswicklung
15 und der Hochspannungswicklung 16 ist im wesentlichen also aus Scheibenringen
und im Querschnitt L-förmigen, also Winkelringteilen ausgefüllt, deren zylindrischer
Schaft sich in Wicklungsachse mehr oder weniger weit erstreckt und dort gegebenenfalls
mit Zylinderteilen bzw. Winkelringen überlappt. Der Zwischenraum zwischen. dem gegenüber
dem Wicklungselement 18 der Hochspannungswicklung 16 und dem dazu geneigt ausgeführten
Wicklungselement 19 ist gleichfalls vollkommen mit dicht auf dicht gepackten Isolationsscheiben
ausgefüllt, die entsprechend dem auszufüllenden, im Querschnitt keilförmigen Zwischenraum
schräg auslaufend ausgeschärft sind um so eine lückenlose Ausfüllung des im Querschnitt
keilförmigen Zwischenraums mit festem Material zu sichern.
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Die Reihenschaltung der Spulen 19 usw. ist in der in Fig.l obenliegenden
Stelle vorgenommen, wo diese Spulen einander am meisten genähert sind. Dieser Spulenteil
wird wieder von im Querschnitt U-förmigen Ringteilen gemeinsam übergriffen, deren
ausgeschärfte
Schenkelteile mit auf den Wicklungselementen 19 usw.
aufgelegten und ausgeschärften Isolationsringen sich zu einer geschlossenen Isolationsumkleidung
dieser Spulen ergänzen. Die weitere Isolation der übrigen, ebenfalls ausgekreuzten
Wicklungselemente der Hochspannungswicklung, die, wie dies aus Fig. 2 ersichtlich,
in der Mitte der Wicklung wieder senkrecht zur Wicklungsachse stehen können. wird
in gleicher bzw. ähnlicher Weise wie vorbeschrieben ausgeführt.
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Die nachstehende Tabelle zeigt einen Vergleich zwischen einem nach
der Lehre der Erfindung isolierten Transformator und einem Transformator gleicher
Größe, bei dem die Isolation in bisher üblicher Weise, also nicht hohlraumfrei ausgeführt
war und bei dem auch nicht gleichzeitig noch Mittel zur Verhinderung von elektrischen
Feldkonzentrationen sowie Mittel zu einer günstigen Wanderwellenverteilung vorgesehen
waren.
| Bisherige Feste |
| Isolation |
| Isolation |
| kVA-Leistung . . . . . . . . . , ... 8500 8500 |
| Einheitsstoßwelle in KV . . . 825 825 |
| Kern-und Wicklungsgewicht |
| in kg . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14528 12041 |
| Gehäuse- und Halterahmen- |
| gewicht in kg . . . . . . . . . . . 7718 6810 |
| Ölgewicht in kg . . . . . . . . . . 11759 6333 |
| Gesamtgewicht in kg ...... 33006 25164 |
| Gehäuselänge in cm ..... .. 259 226 |
| Gehäusebreite in cm ...... 145 120,65 |
| Gehäusehöhe in cm ....... 421,64 378,46 |
| Eisenverluste in Watt ..... 19850 15800 |
| Kupferverluste in Watt .... 59000 55600 |
| Gesamtverluste in Watt ... 78850 71400 |
| Impedanz in "/o . . . . . . . . . . . 22,6 13,75 |
Aus dieser Tabelle erkennt man eindeutig, daß in allen zu vergleichenden Punkten
mit der erfindungsgemäßen Ausführung ein Fortschritt erzielbar ist.
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Der Leitungsanschluß an die Wicklung ist aus Fig. 9 ersichtlich, wo
der eine Anschluß mit 53 bezeichnet ist. An der Herausführungsstelle der Leiteranschlüsse
aus dem Wicklungsverband sind, da die Feldstärken an diesen Stellen hoch sind, die
Isolationsglieder 24 des Anschlußwicklungselements über die Anschlußstelle hinaus
verlängert, so daß sich an diesen Stellen die Kanäle 54 ergeben. Die Anschlußleiter
sind mit einer zusätzlichen Isolation 55, die durch Umwickeln, z. B. mit Papier,
hergestellt sein kann, versehen, die dicht bis an die Anschlußstelle hingeführt
ist und gegen diese zu konisch ausläuft.
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Um ein Glimmen an den Außen- und Innenmantelflächen der Wicklungselemente
der Hochspannungswicklung zu vermeiden, sind auf diesen Mantelflächen Glimmschutzbeläge
25 aufgebracht. Diese bestehen aus einem leitenden Teil 26, der mit einer entsprechenden
Isolation versehen ist. Leiter samt Isolation dürfen dabei nicht breiter sein als
die Breite des Leiters 14 des jeweiligen Wicklungselementes, damit die Kanäle 17
zwischen den beiden Leiterspiralen einer Scheibenspule nicht überdeckt und verstopft
werden. Die Glimmstreifen 25 (Strahlungsringe) können irgendwie an den Wicklungselementen,
z. B. vermittels Bändern, an der benachbarten äußeren Windung gehalten werden. Die
Aufgabe dieser Glimmstreifen ist eine zweifache. Einerseits wird durch sie der Spannungsgradient
an der Spule erniedrigt, und andererseits dienen sie dazu, Feldkonzentrationen an
den Wicklungselementenmantelflächen zu verhüten. Die Glimmstreifen 25 können auch,
wie dies in Fig. 7 zu erkennen ist, aus einem Draht 26 gefertigt werden, der über
einer aufgebrachten Emailleschicht 29 noch eine entsprechende Papierisolation trägt.
Mit 28 ist ein Halteband für den Glimmschutzbelag angedeutet. In Fig. 8 zeigt die
Kurve 30 die Durchschlagsspannung in Prozenten des theoretischen Maximums. Dabei
gibt die vertikale Linie 31 die Durchschlagsspannung an, wie sie bei den bisher
üblichen Wicklungen auftritt. Die vertikale Linie 32 dagegen gibt die Durchschlagsspannung
an, wie sie bei gemäß der Erfindung ausgeführten Wicklungen festgestellt wurde.
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Um die Scheibenspulen der Wicklungsanordnung noch zusätzlich gegenüber
auftretenden Wanderwellen zu schützen, sind elektrostatische Schirme vorgesehen,
die aus einem Isolierstoffring, z. B. Preßspanring 34, von der Größe des benachbarten
Wicklungselements 18 und darauf unter Zwischenlage je eines einen hohen Widerstand
besitzenden Leiterbandes 36 an den beiden Ringrändern aufgebrachter Metallfolie
35 sowie einem darüber aufgebrachten Isolierring 37 bestehen. Sämtliche Teile sind
miteinander verklebt, so daß ein festes Gebilde entsteht. Über die Außen- und Innenmantelfläche
dieser Schirmgebilde wird sodann ein im Querschnitt U-förmiger Isolierstoffringtei138
(s. Fig. 1) herumgelegt, wie dies ähnlich beim Wicklungselement 18 beschrieben wurde,
der mit seinen ausgeschärften Schenkeln mit entsprechenden Isolierstoffringen 39,
wie in Fig. 1 gezeigt, sich zu einem umschließenden Isolationsgebilde ergänzt. Eine
besondere Ausbildungsform eines elektrostatischen Schirmes soll noch an Hand der
Fig. 3 erläutert werden. Hier ist ein Isolierstoffring 40 mit einem Belag aus leitendem
Metall 41, z. B. Kupfer, das aufgesprüht oder sonstwie aufgebracht sein kann, versehen.
Der Ring 40 ist an seiner Außen- und Innenmantelfläche, um Feldkonzentrationen zu
verhüten, abgerundet. Wenn es außerdem noch gilt, Glimmerscheinungen zu verhindern,
dann wird an den Außen- und Innenmantelflächen des Ringes 40, 41 noch j e ein Glimmschutzbelag
42, der ähnlich wie in Fig. 1 und 7 dargestellt aufgebaut sein kann, aufgebracht.
Dieser Glimmschutzbelag besteht somit zweckmäßig aus einem papierumwickelten Leiter.
Als besonders zweckmäßig hat sich dabei ein runder Kupferleiter mit einem Durchmesser
von etwa 2,5 mm und einem Papierisolationsauftrag von etwa 2 mm herausgestellt.
Beim Ausführungsbeispiel des elektrostatischen Schirmes nach Fig. 3 sind die isolierenden
Deckringe 43, 44 auf den den Belag 41 tragenden Ring 40 beidseitig aufgelegt und
mit diesem verklebt. Stirnseitig sind nach Anbringen des Glimmstreifens 42 im Querschnitt
U-förmige Isolierringteile 45 darübergeschoben, die wieder mit ihren ausgeschärften
und die Schenkelteile überlappenden Ringscheiben 46 sich zu einem zusammenhängenden,
hohlraumfreien Gebilde, das keine vorspringenden Teile aufweist, sich ergänzt. Ein
derartig ausgebildeter Schirm wird vor der ersten bzw. vor dem letzten Wicklungselement
der Hochspannungswicklung und Niederspannungswicklung angebracht und von deren Isolation,
wie aus Fig. 1 ersichtlich, mit umschlossen.
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Um auch etwaige durch die scharfen Kernecken hervorgerufene Glimmentladungen
noch, zu unterdrücken, können gemäß der Erfindung auf den Kernschenkeln aufliegende
elektrostatische Schirme vorgesehen werden, die die Kernschenkel umschlingen. Ein
solcher Kernschirm, z. B. 47, besteht, wie *aus Fig. 1
bzw. 6 ersichtlich
ist, aus einer Lage Kupferfolie 48, die zwischen zwei Isolationsmänteln 49 und 50
eingebracht ist, die aus Pappe oder einem anderen geeigneten Isolierstoff hergestellt
sind. Damit der Metallbelag 48 vollständig eingeschlossen ist, sind zwischen die
den Metallring überragenden Enden der Isolierstoffmäntel 49, 50 Streifen aus leitendem
Metall, das einen hohen Widerstand besitzt, an den Randpartien eingefügt und alle
Teile miteinander verklebt. Als Material mit hohem Widerstand ist zweckmäßig das
im Handel unter dem Namen Koronoxband erhältliche Material verwendbar. Die Schirme
selbst werden in bekannter Weise als geschlitzte Mäntel ausgeführt, wobei die Enden
der Mäntel sich eventuell sogar überlappen können. Die Potentialverbindung sämtlicher
elektrostatischer Schirme ist in üblicher Weise vorgenommen. Ein elektrostatischer
Schirm 52 kann schließlich auch noch an der der Hochspannungswicklung benachbart
liegenden Seite der Niederspannungswicklung vorgelagert werden (Fig. 1).
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Die Erfindung ist nicht auf Manteltransformatoren allein beschränkt,
sondern sie kann ebenso auch bei Kerntransformatoren angewandt werden. Die erfindungsgemäße
Transformatorausführung bringt eine Reihe von Vorteilen. Vor allem gelingt es durch
sie, den Transformator kleiner als bisher auszuführen. Dies ist besonders bei bahnfahrtfähigen
Transformatoren von großer Bedeutung. Die Verkleinerung der Gesamtabmessungen wird
erreicht, weil es nach der Erfindung möglich wird, die Fensterabmaße des Kerns infolge
der verbesserten Wicklungsisolation zu verkürzen. Dabei wird aber an Eisen für Kern
und Preßrahmen sowie für das Gehäuse gespart und weiterhin auch eine beträchtliche
Einsparung an Isolieröl erreicht. Ferner ergibt sich infolge der erfindungsgemäßen,
Isolationsanordnung eine Kupfereinsparung und eine Verkleinerung der Gesamtverluste.