DE1613674A1 - Elektrostatische Abschirmung fuer elektrotechnische Geraete - Google Patents
Elektrostatische Abschirmung fuer elektrotechnische GeraeteInfo
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Description
Patentanwalt Patentanwalt Λ _ _ Η
Frankfurt/Main 1 6 Frqnkfuri/Mäin \
1613674
General Electric Company, 1 River Road, Schenectady* N.Y.,USA
Elektrostatische Abschirmung für elektrotechnische Geräte
Die Erfindung bezieht sich auf elektrostatische Abschirmungen,
und im besonderen auf elektrostatische Abschirmungen für vergos· sene oder eingekapselte elektrotechnische Geräte, die als Überzug
aufgebracht werden können, .
Es ist bekannt, daß in zahlreichen elektrotechnischen Geräten
elektrostatische Abschirmungen verwendet werden, um sowohl die
inneren als auch dieäußeren Spannungsbeanspruchüngen bzw. die
Feldstärken innerhalb und außerhalb des Gerätes herabzusetzen.
Solche elektrostatischen Abschirmungen werden an elektrotechnischen
Geräten dort angebracht, wo in der Luft neben hochspannungsführenden
Oberflächen erhebliche Feldstärken auftreten. In Transformatoren werden elektrostatische Abschirmungen*auch in
dem Gebiet zwischen der Hochspannungswicklung und dem Transformatorkern
verwendet* Es ist bekannt, als elektrostatische Abschirmungen
Metallfolien zu verwenden. Solche Metallfolien lassen sich besonders gut in elektrotechnischen Geräten verwenden,
bei denen verschiedene Isolierflüssigkeiten verwendet werden. Bei einem fest vergossenen elektrotechnischen Gerät
besteht jedoch die Gefahr, daß an 4er Grenzfläche zwischen
Metallfolie und der Vergußmasse Sprünge und offene Zxtfischen- "
räume auftreten, da die Vergußmassen und die Metallfolien unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen. Solche
Öffnungen und Sprünge führen nun, was bekannt ist, auf Poren und Bläschen, durch die bei hohen Feldstärken im allgemeinen
durch Ionisation Durchschläge oder andere Störungen bedingt sind. Es wurden bereits zahlreiche Versuche unternommen,
die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialien für elektrostatische Abschirmungen den thermischen
Ausdehnungskoeffizienten der -verschiedenen Vergußmassen anzupassen.
Kürzlich wurde entdeckt, daß-man als äußere elektrostatische
Abschirmung für eine vergossene Spule einen elektrisch leitenden überzug verwenden kann. Dieser elektrisch leitende Überzug
kann aus einem Kunststoff oder Kunstharz bestehen, dem als Füller Metallpulver oder Graphit beigegeben ist. Der elektrisch
leitende Überzug kann auf beliebige Weise auf die vergossenen Spulen aufgebracht werden, also beispielsweise mit, dem Pinsel,
durch Spritzen oder durch Tauchen. Bei einem solchen Überzug treten die Schwierigkeiten, die durch die unterschiedlichen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten bedingt sind, nicht mehr auf,
da der thermische Ausdehnungskoeffizient des elektrisch leitenden Überzugs etwa gleich dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten
der Vergußmasse gemacht werden kann.
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Ziel der Erfindung ist daher eine als elektrisch leitender Überzug ausgebildete elektrostatische Abschirmung für ein vergossenes
elektrotechnisches Gerät. Dieser elektrisch leitende Überzug soll sich durch eine besonders gute Haftung an der
Vergußmasse auszeichnen. Weiterhin so£ sich dieser elektrisch
leitende Überzug mit jedem gewünschten Widerstandswert herstellen
lassen.
Ein elektrotechnisches Gerät mit einer vergossenen Spule und
mindestens einem Eisenkern, der durch Fenster in der vergossenen Spule hindurch geht, ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet,
daß um das Äußere der vergossenen Spule herum
ein elektrisch leitender Überzug vorgesehen ist, der als
elektrostatische Abschirmung wirkt, daß dieser elektrisch leitende
Überzug mit dem Kern elektrisch verbunden ist, und daß
ein längs verlaufendes bandförmiges Gebiet um die vergossene Spule herum an jedem der Eisenkerne, die durch das Fenster in
der Spule hindurch gehen, von dem elektrish leitenden Überzug
frei bleibt.
Im folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen
im einzelnen beschrieben werden. -
Fig* 1 ist eine perspektivische, zum Teil geschnittene Ansicht
einef vergossenen Spule mit einer elektrisch leitenden Schicht
nach der Et findung.
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Fig. 2 zeigt im Querschnitt eine Form zum Vergießen der Spule..
Anhand dieser Figur wird eine der Möglichkeiten erläutert, nach der man den elektrisch leitenden Überzug aufbringen kann.
In den Figuren sind gleiche Einzelteile mit den gleichen Bezugsziffern
versehen worden. Die Erfindung wird anhand eines elektrotechnischen Gerätes mit einem vergossenen Spulenwickel
und mehreren Eisenkernen erläutert, wie es in der US-Anmeldung Ser. No. 114 747 beschrieben worden ist. Es sei jedoch bemerkt,
daß die Erfindung keinesfalls nur auf solche speziellen elektrotechnischen
Geräte beschränkt sein soll.
In der Fig. 1 der Zeichnung ist ein Transformator ICfhiit einem
vergossenen Spulenwickel 12 dargestellt. Durch das Fenster 18
des Spulenwickels 12 gehen zwei geschlossene Eisenkerne 14-und
16 hindurch, die in gestrichelten Linien dargestellt sind. Der
Spulenwickel 12 weist eine Primärwicklung 20 und eine Sekundärwicklung
22 auf. Die Primärwicklung ist im dargestellten Ausführungsbeispiel
die Hochspannungswicklung, während die Sekundärwicklung die Niederspannungswicklung ist. Die Zuleitungen 24
für die HOchspannungswicklung werden am besten seitlich an dem
vergossenen Spulenwickel herausgeführt, während die Niederspannungsanschlüsse
26 nach oben oder nach unten herausgeführt sind. In der dargestellten Ausführungsform weist die HOchspannungswicklung
20 eine Anzahl von Drahtwindungen auf, die auf einen Wickelkörper 28 aufgewickelt sind. Der Wickelkörper 28
ist in der Mitte mit einem Abstandstück 30 versehen, der die
Hochspannungswickluh« in eine obere und eine untere Teilwicklung
-S-
unterteilt. Dieses Abstandsstück 30 ist nicht unbedingtnotwendig. Es wird jedoch, verwendet, um die elektrischen Feldstärken
bzw. die Potentialunterschiede zwischen den einzelnen Lagen der
Bochspannungswicklung 20 herabzusetzen. Die Niederspannungswicklung
22 besteht aus einer Anzahl von Windungen aus einem Draht mit
großem Querschnitt, die auf einen Spulenkörper 32 aufgewickelt sind.
Zwischen den verschiedenen Lagen der Miederspannungswicklung 22 ist
zur Isolation der Lagen voneinander eine Isolierschicht 34 angeordnet, was an sich bekannt ist. Auf Wunsch können solche Isolierschichten auch auf oder in der Hochspannungswicklung vorgesehen
werden.
Wenn ein Spulenwickel wie beispielsweise der Spulenwickel 12
mit der Hochspannungswicklung 20 und der WiederSpannungswicklung
mit einer Kunststoffvergußmasse vergossen wird;, werden im allgemeinen
sowohl die Hochspannungswiclclung als auch die Niederspannungswicklung vollständig in die Vergußmasse eingebettet und mit der
Vergußmasse imprägniert. Nun hat sich jedoch gezeigt, daß im
besonderen bei der HOchspannungswicklung dabei Schwierigkeiten
auftreten, die in Blasen innerhalb der Hochspannungswicklung
bestehen, die nicht von der Vergußmasse gefüllt sind. Diese Blasen sind mit Luft oder Gas gefüllte Zwischenräume, in denen
aufgrund der hohen,Feldstärken, die an diesen Punkten innerhalb ;
der iiochspannungswicklung herrschen, Koronaentladungen auftreten
können. Solche Koronaentladungen können das Isolationsmaterial
beschädigen, und außerdem werden durch diese Entladungen hochfrequente Störgeräusche verursacht. Auch dort, wo die
Hochspaiinungsatficlvlung mit der Vergußmasse in direkter Berührung
steht, können ICoronaiientladungen auftreten. Nun hat Jiian
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wei'terhin gefunden, daß sich die Bildung von Blasen und Koronaentladungen
an den Berührungsstellen zwischen der Hochspannungswicklung und der Vergußmasse vermeiden lassen, wenn man die Hochspannungswicklung
mit einer dielektrischen Flüssigkeit wie beispielsweise Mineralöl tränkt, wie es in Transformatoren verwendet
wird. Hierzu ist eine geringe Menge an dielektrischer Flüssigkeit ausreichend, da es genügt, wenn sich um jede Hochspannungswindung
herum eine dünne Flüssigkeitsschicht bildet. Wie und warum die Hochspannungswicklung mit einer dielektrischen Flüssigkeit
imprägniert wird, ist in der US-Patentanmeldung Ser. No. 114 747 im einzelnen beschrieben. Es soll daher hier nur kurz auf den
Aufbau der Hochspannungswifcklung eingegangen i^erden.
Wenn die Hochspannungswicklung auf den Wickelkörper 28 aufgebracht worden ist, wird der offene Teil des Wickelkörpers 28 verschlossen,
um zu verhindern, daß Vergußmasse mit der Hochspannungswicklung
in Berührung kommen kann. Das ist in Fig. 1 dargestellt. Das Verschließen des Wickelkörpers 28 geschieht am besten mit
Hilfe einer durchgehenden Folie oder Bahn, die um den offenen Teil des Wickelkörpers 28 herumgelegt und mit 36 bezeichnet ist,
Zur Abdichtung der Hochspannungswicklung ist beispielsweise glasfaserverstärker
Polyester sehr gut geeignet. Man kann dazu aber auch andere Stoffe wie Polyäthylen verwenden und dieses Polyäthylen
entweder direkt oder als glasfaserverstärke-arter Schichtstoff
aufbringen. Die einzige Forderung, die der zum Abdichten der Hochspannungswicklung verwendete Stoff erfüllen muß, besteht darin,
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daß der Stoff ausreichend flexibel und für die Vergußmasse undurchdringlich
zu sein hat, so daß die Vergußmasse die Hochspannunswicklung nicht berühren kann. Wie in der Fig. 1 dargestellt
ist. dichtet „die Bahn 36 die Hochspannungswi8eklung 20 vollständig
gegenüber der Vergußmasse ab, die mit 38 bezeichnet ist. Die Hochspannungswicklung auf dem Wickelkörper 28, der mit der durchgehenden
Bahn 36 verschlossen ist, befindet sich somit in einem Hohlraum 29,
bevor der Spulenwickel 12 vergossen wird. Um den Hohlraum 29 in
dem Wickelkörper 28 für die HOchspannungswicklung 20 mit Öl füllen
zu können, sind Rohren 40 vorgesehen, die an entgegengesetzten
Enden des vergossenen Wickels angeordnet sind. Wenn man die beiden
Wicklungen 20 und 22 mit der Vergußmasse 38 vergossen hat, kann man dieieine Röhre 40 mit einer Vakuumpumpe verbinden und
durch die andere Röhre 40 die dielektrische flüssigkeit einfüllen,
so daß die Flüssigkeit in den Hohlraum 29 eingesaugt wird,
während der Kohlraum gleichzeitig evakuiert wird. Wie in der US-Anmeldung Ser. Ko. 114 747 näher ausgeführt ist, kann man durch
diese Maßnahmen die Schwierigkeiten umgehen, die in einem vergossenen
Spulenwickel 12 durch Koronaentladungen an der Hochspannungswicklung
auftreten. .
Eine weitere Schwierigkeit bleibt jedoch noch bestehen, nämlich die Schwierigkeit5 die durch die Spannungsbelastungen bzw. durch
die hohen Feldstärken bedingt ist, die innerhalb der Vergußmasse 38 zwischen der Hochspannungswicklung 20 und dem geerdeten Kern
14 oder 16 des Transformators 10 herrschen. Um diese SChwierigkeitn
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zu umgehen, kann die erfindungsgemäße Abschirmung verwendet
werden. Wie man der Fig. 1 entnimmt, ist die Vergußmasse 38
außen mit einem elektrisch leitenden Überzug versehen, der mit 42 bezeichnet ist. Der Überzug ist aus einem Kunstharz oder einem
Kunststoff hergestellt, dem als Füllstoff Metallpulver oder Graphit zugesetzt ist. Von besonderem Vorzug ist es, wenn man
für den überzug 42 den gleichen Stoff wie für die Vergußmasse 38 vetoendet. In diesem Falle stimmen nämlich die Vergußmasse
38 und der elektrisch leitende Überzug 42 in ihren thermischen Ausdehnungkoeffizienten etwa überein. Man kann für den elektrisch
leitenden Überzug jedoch auch einen anderen Stoff als für die Vergußmasse verwenden.
Bei manchen Anwendungen kann es günstig sein, den Widerstand der
elektrisch leitenden Schicht hoch zu wählen und die gesamte Hochspannungswicklung
mit dieser elektrisch leitenden Schicht zu versehen, Dieses kann beispielsweise der Fall sein, wenn der Transformator
10 in aggressiver Atmosphäre betrieben oder eingegraben werden sol. In diesem Falle stellt die elektrisch leitende Schicht
äußern um die Hochspannungswicklung herum eine Kurzschlußwicklung
dar, die den magnetischen Fluß der beiden Kerne 14 und 16 miteinandei
koppelt. Der Widerstand der Schicht muß dann ausreichend hoch sein,
2
um die I R-proportionalen Stromverluste so klein zu machen, daß sie gegenüber den gesamten Transfrmatorverlusten vernachslässigt _ werden könnnen. Andererseits muß der Widerstand der elektrisch leitenden Schicht klein genug sein, um statische Ladungen gegen
um die I R-proportionalen Stromverluste so klein zu machen, daß sie gegenüber den gesamten Transfrmatorverlusten vernachslässigt _ werden könnnen. Andererseits muß der Widerstand der elektrisch leitenden Schicht klein genug sein, um statische Ladungen gegen
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Erde abfließen, zu lassen, so daß Koronaentlädungen neben der
äußeren Wicklungsoberfläche nicht mehr auftreten können. Ein kommerziell erhältliches mit Graphit beschwertes Epoxyharz mit
2 " einem Flächenwiderstand zwischen 30 und 300 Ohm pro cm hat
sich für diesen Zweck als geeignet erwiesen. Es sei daran erinnert, daß dieser Fiächenwiderstand zwischen zwei parallelen
Seiten eines Quadrates von Tcm Größe gemessen wird. Der
Gesamtwiderstand des elektrisch leitenden Überzugesschwanket
jedoch erheblich und hängt von der Transformatorgröße, der Geometrie
und der Dicke der elektrisch leitenden Schicht und von
weiteren Eigenschaften der elektrisch leitenden Schicht ab. Solange
jedoch die elektrischen Gesamtverluste klein bleiben und solange
eine zufriedenstellende Abschirmung .gewährleistet-■ ist-, ■ ist der
elektrisch leitende Oberzug brauchbar.
Für andere Anwendungen kann man einen elektrisch leitenden
Oberzug verwenden, der einen geringeren Widerstand aufweist und
mit Metallpulver beschwert ist, Das ist beispielsweise dann
möglich , wenn der Transformator nicht vergraben zu xverden
braucht und in üblicher Luft aufgestellt werden kann. Der Flächen-*
wider stand solcher Überzug? liegt in der Größenordnung von 1 Ohm pro
cm , Überzüge mit so kleinen Widerstandwe.rten dürfen aber nicht
mehr durchgehend ausgebildet sein,da sie sonst erhebliche Kurzschlußströme
verursachen, was zu erheblichen Verlusten innerhalb des Transformators führt, fienn man also solche Übertfjge mit sehr
kleinen Widerstandswerten verwendet, muß zumindest ein längsverlaufendes
bandförmiges Gebiet von etwa 1 cm Breite von dem Überzug
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frei bleiben. DAs ist in der Fig. 1 durch das bandförmige Gebiet
44 dargestellt, das um den Wickel 12 herumgeht. Wenn ein Transformator
mit zwei Kernen 14 und 16 überzogen werde,n soll.1 ist
es günstig, zwei längsverlaufende, bandförmige Gebiete freizulassen. Das ist in der Fig. 1 durch das freigelassene bandförmige
Gebiet 44 neben dem Kern 16 und durch das freigelassene bandförmige Gebiet 46 auf der anderen Seite des Wickels 12 neben dem
Kern 14 dargestellt. Die'beiden bandförmigen Gebiete 44 und 46
unterteilen die elektrostatische Abschirmung in zwei unabhängige
Abschirmungshälften, so daß der elektrisch leitende Oberzug nicht mehr als Kurzschlußschleife wirken kann, die mit dem Magnetfluß
in einem oder beiden Kernen gekoppelt ist. Jede dieser beiden Abschirmungshälften
ist mit den Kernen 14 und 16 verbunden, wie es bei "48" dargestellt ist. Es sei bemerkt, daß man zur Herstellung
der freigelassenen bandförmigen Gebiete nur ein Abdeckband um den
Wickel 12 herumzulegen braucht. Dann kann man anschließend den
elektrisch leitenden Überzug aufstreichen oder aufsprühen oder durch Tau6hen aufbringen. Daraufhin wird das Abdeckband wieder
entfernt.
Es sei bemerkt, daß die Innnnseite des Wickels 12 nicht mit einem
elektrisch leitenden Überzug versehen worden ist. Es ist auch nicht notx\?endig, zwischen der Niederspannungswicklung 22 und den
Kernteilen14 und 16 eine elektrostatische Abschirmung vorzusehen. Für die hohen Spannungen, die von der Hochspannungswicklung 20
ausgehen und in dieser Region herrschen, wirkt die Niederspannungswicklung
selbst als ausreichend gute,Abschirmung. Wenn jedoch beide
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Wicklungen verhältnismäßig hohe Spannungen führen, so daß zwi-
""■■■■/ " ■ .
•sehen der Innenseite des TYickels 12 und den Kernen 14 und 16
erhebliche Feldstärken herrschen, kann eine weitere elektrisch
leitende Abschirmschicht als Fortsetzung der elektrisch leitenden
Schicht 42 vorgesehen werden. .
Nun soll anhand von Fig. 2 erläutert werden, wie außen auf den
vergossenen Spulenwickel die elektrostatische Abschirmung am besten ,aufgebracht werden kann. In der Fig. 2 ist eine Form 50 dargestellt
in der die HOchspannungswicklung 20 und die Niederspannungswicklung
22 vergossen werden kölnnen. Die Form 50 weist einen Unterteil
mit einem Formkern 54 sowie mit Seitenteilen 56 auf, die zusammen
in dem Unterteil 52 einen Hohlraum 58 bilden. In diesen Hohlraum
58 können die Hochspannungs- und Niederspannungswicklung 20 und 22 eingesetzt werden. Die HOchspannungs- und Niederspannungswicklung.
20 und 22 werden innerhalb des Hohlraums mit Hilfe
kleiner Kunststoffhalterungen 60 montiert, die in den Unterteil
52 gelegt sind; so daß die beiden Wicklungen etwas über dem
Innenboden des Formunterteiles stehen. Die Kunststoffhalterungen
60 sind mit Vorzug aus dem gleichen, jedoch bereits hargewordenen Kunststoff oder Kunstharz hergestellt, aus dem auch die Vergußmasse
besteht. Der Förmunterteil 52 ist durch einen Formdeckel
62 dicht verschlossen, der mittels der Schrauben 64 mit dem Formunterteil 52 verschruabt ist. Der Formdeckel 62 ist mit
öffnungen 66 und 68 versehen, durch die der Hohlraum 58 mit der
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Vergußmasse gefüllt ..werden kann, üblicherweise wird eine, der
beiden Öffnungen, beispielsweise die Öffnung 66 dazu verwendet,
die Vergußmasse in den Hohlraum 58 einzugießen, während der Hohlraum 58 durch die öffnung 68 hindurch evakuiert wird, um
sicherzustellen, daß die Vergußmasse in alle winkel und Poren innerhalb des Hohlraums 58 eindringt. Nach einer Ausfünrungsform
der Erfindung werden die Wände des Kohlraums 58 bis auf die Seitenwände
des Formkerns 54 vor dem Einsetzen der wicklungen 20 und 22 mit einer elektrisch leitenden Schicht besprüht, die in Tig.
mit "70:t bezeichnet ist. Für diese Schicht 70 wird ein Kunststoff
verwendet, dem Metallpulver oder Graphit beigegeben ist. Die Schicht 70 bildet sich dann an den Seitenwänden des Hohlraums
wie es dargestellt ist. Wenn nun die Vergußmasse in den Hohlraum 58 hinein gegossen wird und den Hohlraum 58 giinzlicn ausfüllt,
geht die Schicht 70 auf die Vergußmasse über und \\rird ein bleibender
Bestandteil der Vergußmasse. Dieses Verfahren, einen elektrisch
den'
leitenden überzug herzustellen, läßt Überzug besser auf der Vergußmasse
haften. Außerdem sind so hergestellte elektrisch leitende
Überzüge beständiger gegenüber Erosionen und Abrieb als Überzüge, die auf den fertig vergossenen Wickel aufgepprüht
\\rerden. Weiterhin ist es nach diesem Verfahren nicht mehr notwendig, den überzug 70 noch einmal auszuhärten, nachdem die Vergußmasse
bereits ausgehärtet worden ist. Wenn die Vergußmasse in den Hohlraum 58 eingefüllt worden ist, wird sie ausgehärtet.
Beim Aushärten der Vergußmasse xirird auch das Material des elektrisch
leitenden Überzuges 70 ausgehärtet, so daß der Überzug 70 ein bleibender Bestandteil der Vergußmasse wird.
844/0402
Claims (1)
- ;16Ί3674P at en t an sp r uchElektrisches Gerät rait einem vergossenen Spulenwickel und mindestens einem Kern, der durch ein Fenster im vergossenen Spulenwickel hindurchgeht, da du r c h gekenn ze i c h η et, daß als 'elektrostatische Abschirmung außen auf,dem vergossenen Spulenwickel ein elektrisch leitender Überzug vorgesehen 1st, der elektrisch: mit dem Kern verbunden ist, und daß für jeden Kern, der durch den Spulenwickel hindurch geht s ein längsverlaufendes bandförmiges Gebiet von demjelektrisch leitenden Überzug frei gelassen ist.0&9844/0402
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