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Umlaufend geschaltete Lagenwicklung für Hochspannungstransformatoren
großer Leistung Für Hochspannungstransformatoren großer Leistung und hoher Spannung
wird häufig - die sogenannte Lagenwicklung angewendet, die eine besonders günstige
Ausnützung des Wickelraumes vor allem dann gestattet, wenn ein Punkt der Wicklung
entweder starr geerdet oder mit verminderter Isolation ausgeführt ist.
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In F i g. I. ist im Prinzip der Aufbau einer solchen Lagenwicklung
dargestellt. Mit 1, 2, 3, 4 und 5 sind die fünf Lagen der Hochspannungswicklung
bezeichnet, die mittels der Umleitungen 6, 7, 8, 9 in Reihe geschaltet sind. Die
Hochspannungsausleitung der Wicklung ist mit 10 bezeichnet, der Hochspannungsanschlußpunkt
mit 11. Mit 12 ist die Unterspannungswicklung bezeichnet. Die Lage 5 ist an ihrem
freien Ende im dargestellten Beispiel starr mit dem Erdpunkt 13 verbunden. Der durch
14 angedeutete Isolationsabstand zwischen der Lage 5 und der Unterspannungswicklung
12 kann aus diesem Grunde relativ klein gewählt werden. Der Isolationsabstand zwischen
der bei den dielektrischen Prüfungen und im Betrieb auf hohe Spannung kommenden
Lage 1 nach der mit 15 bezeichneten Kesselwand des Transformators, der, wie bei
Hochspannungstransformatoren üblich, mit Öl gefüllt ist, muß mit einem Abstand 16
ausgeführt werden, der im Verhältnis zu dem Isolationsabstand 14 beachtlich größer
ist.
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Bei sehr hohen Spannungen und hohen Leistungen stellt der zwischen
der Hochspannungslage 1 und der Kesselwand 15 notwendige große Isolationsabstand
16 eine erhebliche Verminderung des durch die Hochspannungswicklung ausnützbaren
Raumes dar; außerdem ist für die Randfeldisolierung der Hochspannungslage 1 ein
erheblicher Aufwand erforderlich.
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Aus den erwähnten Gründen ist schon des öfteren für Transformatoren
hoher Spannung und sehr großer Leistung eine Lagenwicklung in Erwägung gezogen worden,
wie sie in F i g. 2 dargestellt ist. Die höchste Betriebs- bzw. Prüfspannung besitzt
hier die Lage 17; die Lagen 18, 19, 20 und 21 bauen in ihrer Hochspannungsbeanspruchung
nach dem Erdpunkt 22 zu die Spannung bis auf 0 ab. Der Isolationsabstand nach der
Unterspannungswicklung 23 kann auch bei dieser Wicklung mit demselben kleinen Abstand
24 ausgeführt werden, wie er in F i g. 1 finit 14 bezeichnet ist. Da nun aber die
Hochspannungslage 20 ein Potential gegen Erde besitzt, das nur wenig gegen jenes
der Lage 21 nach Erde angehoben ist, genügt es, wenn der Isolationsabstand 25 nach
dem Kessel nur unwesentlich größer ist als der Abstand 24. Die Hochspannungslagen
selbst sind durch die Umleitungen 26, 27, 28 und 29 in Serie geschaltet. Die Hochspannungsausleitung
ist mit 30 bezeichnet, die Erdausleitung mit 31. Neben dem Vorzug des sehr kleinen
Isolationsaufwandes nach Erde hat die in F i g. 2 dargestellte Wicklung auch noch
ein sehr günstiges Stoßspannungsverhalten. - Durch einen mit der Hochspannungsausleitung
verbundenen, hier nicht besonders dargestellten Steuerschirm kann das günstige Stoßspannungsverhalten
der Wicklung noch weiter verbessert werden.
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Konstruktiv ergibt sich bei der Lagenwicklung nach F i g. 2, die als
>rumlaufend geschaltete Lagenwicklung« bekannt ist, allerdings ein erheblicher Nachteil,
der in der konstruktiven Ausbildung der Isolierung der Hochspannungsausleitung 30
zu sehen ist.
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Für die einfache Lagenwicklung nach F i g. 1 zeigt F i g. 3 die bei
diesen Wicklungen übliche Lösung des Ausleitungsproblems im Prinzip. Mit 32, 33,
34, 35 und 36 sind hier wieder die Wicklungslagen mit nach dem Erdpotential 0 zu
fallenden Potential wiedergegeben. Diese Lagen sind gegeneinander durch eine Lage
fester Isolation, für die Wicklungslage 32 mit 37 bezeichnet, und einen darauffolgenden
Ölkanal 38 isoliert. Die Lagenisolation 32 ist an den Lagenenden jeweils zur Bildung
der Randfeldisolation zu rechtwinklig abgebogenen Flanschen 39 umgeformt, wobei
zwischen den Flanschen benachbarter Lagen 39 und 40 durch Abstützklötze 41 ein Kreisringraum
gebildet wird, aus dem das die Ölkanäle durchfließende, der Wicklungskühlung dienende
Öl austreten kann. Das zwischen den Flanschen 39 und 40 austretende Kühlmittel ist
in seiner Flußrichtung durch den Strömungspfeil 42 gekennzeichnet. Die Hochspannungsausleitung
43 in F i g. 3 ist in Anlehnung an F i g. 1 so gezeichnet, daß sie von der äußersten
Lage 32 weg nach oben geführt ist.
Die Erdungsausleitung, die in
F i g. 1 die Wicklungslage 5 mit dem Endpunkt 13 verbindet und die in F i g. 3 in
dem unteren nicht dargestellten Spulenteil zu denken ist, ist in F i g. 3 durch
die gestrichelt wiedergegebene Ausleitung 44 dargestellt. Sie wird zwischen
den Isolationsflanschen 45 und 46 der innersten beiden Wicklungslagen
35 und 36 zwischen zwei Abstützklötze 47 aus der Wicklung nach außen geführt.
Sie besitzt also innerhalb des Isolationsaufbaues der Wicklung die gleiche Richtung,
wie die normale Kühlmittelströmung 48 an den entsprechenden Wicklungsstellen
ohne Ausleitung. Tatsächlich wird bei dieser Konstruktion die Kühlmittelströmung
in dem Ausleitungsfeld zwischen zwei Abstützklötzen 47 durch die Ausleitung im Vergleich
zu jener an entsprechenden anderen Stellen ohne Ausleitung nicht beeinflußt.
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Die Schwierigkeiten, die der konstruktiven Durchbildung der Isolation
der Hochspannungsausleitung einer umlaufend geschalteten Lagenwicklung entgegenstehen,
ergeben sich aus der prinzipiellen Darstellung des Wicklungsaufbaues nach F i g.
4. Entsprechend F i g. 2 ist hier angenommen, daß die innerste Lage, hier als Doppellage
49 und 50 dargestellt, das höchste Potential gegen Erde besitzt. Diese
Doppellage ist in ihrem oberen Teil durch den in der Mitte mit einem Ringkanal versehenen
Doppelschirmring 51
hochspannungsmäßig abgeschlossen. Die nach Erde in ihrem
Potential stetig abnehmenden weiteren Wicklungslagen sind mit 52, 53, 54
und 55 bezeichnet. Die Lagenisolation zwischen der innersten Doppellage
49 und 50 nach den nächsten beiden Lagen 52 und 53
besteht
aus einer auf die Wicklung jeweils aufgewikkelten Lage festen Isoliermaterials 56,
57. Meistens wird hierfür Weichpapier gewählt. Im Randgebiet werden auch hier wieder
abgewinkelte Isolierflansche, für die Doppellage 49 und 50 mit 58, 59 und 60 bezeichnet,
angewendet. Auf diese Lagen festen Isoliermaterials folgen jeweils Ölkanäle 61 und
62. Das diese durchströmende Kühlmittel wird im Wicklungsrandgebiet, hier sei nur
der obere Teil betrachtet, bei Durchströmung der Flanschisolation mehrmals um 90°
umgelenkt. Der Weg des Kühlmittels aus dem Ölkanal 61 ist ungefähr durch den Verlauf
63 angedeutet. Die innerste, hier als Doppellage gedachte Wicklungslage kann auch
als Einfachlage oder als Einfachlage mit Steuerschirm ausgeführt werden.
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Bei einer Wicklungsanordnung nach F i g. 1 bzw. nach F i g. 3 konnten
die Ausleitungen 43 und 44 mit großen Abständen an den Stellen gegenseitig
hohen Potentialunterschiedes geführt werden. Hierbei wurde durch die Flansche der
Wicklungsrandisolation auch eine ausreichende Unterteilung der Ölwege zwischen den
Ausleitungen und den anderen Punkten großen Potentialunterschiedes erreicht. Eine
derartige Unterteilung ist, wie bekannt, eine Notwendigkeit für eine wirksame Isolierung
bei ölgekühlten Transformatoren hoher Betriebsspannung.
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Bei einer umlaufend geschalteten Lagenwicklung nach F i g. 4, bei
der die Hochspannungsausleitung vom hochspannungsseitigen Wicklungsende
64 nach außen zu führen ist, ist die Aufgabe der Ausleitungsisolation wesentlich
schwieriger zu lösen. Wie aus F i g. 4 ohne weiteres zu ersehen ist, ist es nicht
möglich, daß die Ausleitung in den an und für sich offenen Weg des Kühlmittels verlegt
wird, wie das bei F i g. 3 für die Ausleitung 44 möglich war. Es ist aus diesem
Grund schon vorgeschlagen worden, die Ausleitung des Wicklungsendpunktes 64 unmittelbar
symmetrisch zu den Lagenwicklungen nach außen durchzuführen. Um bei einer solchen
Ausführung eine nennenswerte Isolation zwischen der Ausleitung und den doch recht
nahen benachbarten Wicklungsabschnitten 54 und 55, die annähernd auf Erdpotential
liegen, zu erreichen, muß eine derart durch die Flanschisolation hindurchtretende
Ausleitung sehr dick mit festem Isoliermaterial eingehüllt werden. Und auch dann
ergeben sich noch große freie Ölwege zwischen derartigen etwa auf Erdpotential liegenden
Lagenrändern und der Ausleitung. Für sehr hohe Spannungen konnte eine derartige
Konstruktion, d. h. eine solche Wicklung, nicht mit befriedigendem Aufwand verwirklicht
werden.
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Die vorstehend geschilderten Schwierigkeiten werden bei einer umlaufend
geschalteten Lagenwicklung für Hochspannungstransformatoren hoher Leistung mit etwa
rechtwinklig zu den Lagen abgebogener Flanschisolation der Lagenenden und mit aus
der innersten Lage unter Abweichung von der Richtung des den Flanschen außerhalb
des Ausleitungsbereiches folgenden Kühlmittelstromes etwa senkrecht zu den Flanschebenen
geführter Ausleitung erfindungsgemäß dadurch umgangen, daß die Ausleitung allseitig
mit voneinander mit freien Zwischenräumen verschachtelten Barrieren aus festem Isolierstoff
umgeben ist, die auf der aus der Lagenisolierung gebildeten Flanschisolierung aufsitzen
und auch mit dieser verschachtelt sind, wobei die das Kühlmedium führenden Wicklungskanäle
und damit auch der aus der Wicklung kommende Kühlmittelstrom sich mittels der der
gegenseitigen Abstützung der Barrieren dienenden Stützleisten, gegebenenfalls mittels
der entsprechend verlängerten Wicklungsstützleisten, oder mittels zusätzlich eingefügter
Leisten im Bereich der Ausleitungsbarrieren in die Barrierenzwischenräume fortsetzen.
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In F i g. 5 ist unter Bezugnahme auf den Wicklungsaufbau nach F i
g. 4 eine Möglichkeit für die Ausleitungsisolation nach der Erfindung wiedergegeben.
Mit 65 ist die Hochspannungsausleitung der innersten Wicklungsdoppellage 66 und
67 dargestellt. Mit 68 und 69 ist die Lage festen Isoliermaterials auf den Wicklungslagen
66 und 67 bezeichnet. Der Flansch dieser Isolationslage trägt die Bezeichnung
70 und 71.
Das an den Normalstellen vollständig zur Flanschbildung
verwendete Material der Lagenisolation 68
und 69 ist im Ausleitungsbereich
aber ganz, oder wie in F i g. 5 zu einem Teil zur Bildung einer Isolationsverschachtelung
72 und 73 verwendet. In diese Teile 72 und 73 sind die Barrieren
74 und 75 eingeschachtelt; mit Hilfe der Zwischenbarrieren 76 und
77 ist im vorliegenden Fall der freie Ölraum zwischen der Aus-Leitung 65 und den
Barrieren 74 und 75 nochmals unterteilt. Sinngemäß wird mit der Lagenisolation
78
und 79 der nach außen folgenden Hochspannungslagen verfahren, wobei die
Barrieren 80 und 81 und sinngemäß 82 und 83 eingeschaltet
sind. Auch die Lagenisolation der weiter folgenden Wicklungslagen wird in ähnlicher
Weise zur Verschachtelung mit weiteren Ausleitungsbarrieren benutzt. Das Kühlmittel,
das durch den Ölkanal 84 der Wicklung strömt, kann nun, da dieser sich zwischen
den Barrieren der Ausleitungsisolation 75 und 80 bzw. durch Öffnungen in den Barrieren
101, 102, die einen Öldurchtritt senkrecht zu den Ausleitungsbarrieren gestatten,
fortsetzt, auch zwischen den Barrieren 80 und 81 und 81 und
85
weiterfließen. Die gleiche Möglichkeit ist für das Kühlmittel sämtlicher weiterer
ölkanäle der Wicklung im Bereich der Ausleitungsisolation gegeben. Diese Öffnungen
in den Barrierenwänden 101, 102 wird man zur Erzielung möglichst kurzer freier
überschlagswege gegenseitig hochspannungsmäßig versetzen.
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Durch die zuletzt beschriebene erfindungsgemäße Maßnahme, d. h. Anordnung
von Öffnungen in den Barrierenwänden, die einen öldurchtritt senkrecht zu diesen
Wänden ermöglichen, kann das Wicklungskühlmittel aus dem Bereich der Hochspannungsausleitung
in den freien Ölraum an der Ausleitung bzw. des Transformators auch dann austreten,
wenn im weiteren Verlauf der Ausleitung, etwa bei einer Krümmung derselben, die
Kühlmittelkanäle zwischen den Barrieren nicht mehr offengehalten werden.
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Weitere Einzelheiten zur konstruktiven Durchbildung der in F i g.
5 dargestellten Ausführung des Erfindungsgedankens sind in F i g. 6 wiedergegeben.
Sie stellt den Grundriß zu F i g. 5 dar. Mit 86 ist das Leiterpaket der Hochspannungsausleitung
bezeichnet, auf dem eine Grundisolation 87 aufgebracht ist. Die Barrieren 88 und
89, deren Hauptfläche etwa mit dem Wicklungsumfang verlaufen, und die weiteren parallel
dazu verlaufenden Barrieren 90, 91 usw. sind zweckmäßig U-förmig mit den senkrecht
dazu verlaufenden weiteren U-förmigen Barrieren 92, 93, 94 usw. verschachtelt. Diese
U-Formstücke werden zweckmäßig aus Preßspan hergestellt. Zur Sicherung der Zwischenräume
zwischen den Barrieren können die Distanzleisten der Wicklungslagen beispielsweise
95 und 96 oder zusätzlich eingefügte Distanzleisten 97 und 98 verwendet werden.
Zur Sicherung des Zusammenhaltes der im Grundriß kastenförmigen Ausleitungsisolierung
wird man noch an geeigneten Stellen auf diese Isolierbandagen aufbringen und sie
durch Isolierbänder, die um die Endwindungen der Wicklungslagen geschlungen sind
(vgl. 99 und 100 in F i g. 5) in ihrer axialen Lage festhalten.
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Bei neuzeitlichen Hochspannungstransformatoren werden häufig die Hochspannungsdurchführungen
nicht senkrecht auf den Transformatordeckel aufgesetzt, wobei diese Richtung im
Prinzip identisch mit der Wickelachse der Spulen und damit auch mit der in F i g.
5 dargestellten Austrittsrichtung der Hochspannungsausleitung wäre, sondern die
Hochspannungsdurchführungen werden häufig etwa waagerecht vorgesehen. Das bedingt
eine Richtungsänderung der Hochspannungsausleitung, nachdem diese die Wicklung verlassen
hat. Auch die anschließende Ausleitungsstrecke wird man dabei mit einer etwa kastenförmigen
Isolierung, allerdings ohne Kanäle für die Kühlmittelführung, versehen. Den Übergang
zwischen den beiden Ausleitungsstrecken wird man dabei hochspannungsmäßig verschachteln.
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Soweit in der Beschreibung von Kühlmitteln in der Wicklung des Transformators
oder auch in der Ausleitungsisolation die Rede war, wurde dafür auch Kühlöl gesetzt,
da die meisten Transformatoren, insbesondere solche für hohe Spannung, heute mit
Öl gefüllt sind. Grundsätzlich ist die Erfindung aber für jedes beliebige flüssige
oder gasförmige Kühlmedium anwendbar. Als flüssiges Isolier- und Kühlmedium wird
heute vielfach Clophen verwendet, als gasförmiges außer Luft auch Schwefelhexafluorid
und andere.