DE1613674A1

DE1613674A1 - Elektrostatische Abschirmung fuer elektrotechnische Geraete

Info

Publication number: DE1613674A1
Application number: DE19671613674
Authority: DE
Inventors: Bliss Charles Henry; Nichols Frank Sandham; Giegerich Bertrand Victor
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-04-08
Filing date: 1967-04-04
Publication date: 1970-10-29
Also published as: GB1156369A

Description

Pr. Erhart Zieglef DfpL-Ing. Lothar Michaelis

Patentanwalt Patentanwalt _Λ _ _ _Η

Frankfurt/Main 1 6 Frqnkfuri/Mäin \ 1613674

Postfach 3011 Postfach 3011

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

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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,

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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

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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.

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Claims

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P at en t an sp r uch

Elektrisches 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.

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