DE2438631B2

DE2438631B2 - Glimmentladungsverhindernder schirm fuer die kernschenkel von transformatoren u.dgl. geraete sowie verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2438631B2
Application number: DE19742438631
Authority: DE
Inventors: OHe; Ericsson Ellerth; Ludvika Andersson (Schweden)
Original assignee: Asea AB, Västeraas (Schweden)
Priority date: 1973-08-23
Filing date: 1974-08-12
Publication date: 1978-02-02
Also published as: FR2241863B1; US3896406A; ZA745378B; NO137467C; DE2438631C3; SE7311463L; DE2438631A1; BR7406833D0; CA1002138A; NO137467B; FR2241863A1; NO743020L; SE385418B; GB1476491A

Description

wobei

R_n-ö S Q,^

30

40

Rq = der niedrigste zulässige Flächenwiderstand, den der Schirm mit Rücksicht auf seine Verluste haben darf,

δ = die Dicke des Schirms,

Qs = der Widerstand des Schirms,

6s = die relative Dielektrizitätskonstante des Schirmmaterials,

so = die absolute Dielektrizitätskonstante

T_s = die größte zulässige elektrische Zdtkonstante des Schirmmaterials. Diese wird aus einem Vergleich mit der Steigzeit Γ für die steilste Stoßspannung bestimmt, für welche der Schirm eine akzeptable Abschirmwirkung haben soll.

4. Verfahren zur Herstellung eines Schirmes nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Band aus einem Gewebe hoher mechanischer Festigkeit, weiches mit einem elektrisch halbleitenden und wärmehärtbaren Material imprägniert ist, mit hoher mechanischer Vorspannung überlappt um den Schenkel herum zu einem Schirm gewickelt wird, und daß danach der Schenkel mit dem gewickelten Schirm einer Wärmebehandlung zur Aushärtung des Imprägniermaterials unterworfen wird.

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Die Erfindung betrifft einen glimmentladungsverhindernden Schirm für die Kernschenkel von Transformatoren oder dergleichen Geräte gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schirms. Ein solcher Schirm ist im wesentlichen aus der DL-PS

61 052 bekannt.

An den ein elektrisches Feld begrenzenden Elektroden besteht die Gefahr eines Glimmens, sobald die Oberflächen der Elektroden Unebenheiten, wie z. B. scharfe Kanten oder dergleichen, aufweisen. Ein Beispiel einer solchen Elektrode, bei dem dieses Gliminphänomen leicht auftritt, ist der Kern eines Transformators. Ein Grund hierfür besteht darin, daß der Kernschenkel eines Transformators aus Herstellungsgründen nicht mit einem reinen kreisförmigen Querschnitt hergestellt werden kann, sondern sich aus einer Anzahl länglicher und zueinander senkrechter Flächen mit scharfen Kanten in den Bruchlinien zusammensetzt. Ein weiterer Grund für das Glimmen besteht darin, daß der Kern aus gestanzten Blechen hergestellt ist, wobei an den Schnittkanten stets Grate entstehen. Besonders an den genannten Kanten des Kerns bilden diese Grate einen Ausgangspunkt für das Glimmen, wenn der Transformator an Spannung gelegt wird und sich das elektrische Feld zwischen der innersten Wicklung und dem Kernschenkel aufbaut.

Bei bekannten Kernschenkeln sind zum Zwecke des mechanischen Zusammenhaltes der Schenkelbleche einzelne Spannringe in axialem Abstand voneinander um den Schenkel angeordnet. Als Glimmschutz wird zwischen dem in dieser Weise armierten Schenkel und der Wicklung ein Abschirmzylinder verwendet.

Bei dem aus der DL-PS 61 052 bekannten Kernschenkel wird nuf den zusätzlichen Abschirmzylinder verzichtet und die Abschirmwirkung auf die vorhandenen Spannringe übertragen. Zu diesem Zweck sind die Spannringe über zusätzliche Leitungen an geeigneten Stellen des Transformators geerdet. Auf diese Weise wird ein gewisser Schutz gegenüber spannungsbedingtes Glimmen erreicht. Dieser Schutz ist für sehr hohe Spannungen jedoch nicht ausreichend, da die einzelnen diskret angeordneten Spannringe nicht den gesamten Kern überdecken wie dies durch den gewöhnlich zusätzlich verwendeten Abschirmzylinder der Fall ist. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Funktion des mechanischen Zusammenhaltes und des Glimmschutzes von ein und demselben Bauteil, nämlich den Spannringen, übernommen wird. Der Nachteil dieser bekannten Anordnung besteht einmal darin, daß der mechanische Zusammenhalt der Bleche ungenügend ist: Das Material der Spannringe beginnt im Laufe der Zeit zu fließen, so daß die Zusammenpressung der einzelnen Kernbleche gegeneinander schlechter wird. Ein auch in horizontaler Richtung steifer Kern ist daher durch diskrete Spannringe nicht erreichbar. Zum anderen ist auch die Abschirmwirkung infolge der diskret verteilten Spannringe begrenzt und bei sehr hohen Spannungen nicht ausreichend.

Aus der DT-AS 12 27 139 sind Spannringe für die Schenkel von Transformatorkernen bekannt, welche aus einem kunstharzgetränkten Glasfaserband bestehen. Im übrigen handelt es sich hierbei um einzelne verteilt angebrachte Spannringe, wobei die Bänder in sich überdeckende mehrere Lagen zu einem Ring gewickelt sind. Die Verwendung von Glasfasern als Material für Abschirmeinrichtungen ist auch aus der US-PS 22 23 737 bekannt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen glimmentladungsverhindernden Schirm der vorgenannten Art zu entwickeln, der einerseits eine sehr gute Abschirmwirkung entfaltet und andererseits eine sehr gute mechanische Versteifung des Kernschenkels bewirkt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Schirm nach dein Oberbegriff des Anspruches I vorgeschlagen, der erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 und 3 genannt.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Schirms nach der Erfindung weist erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 4 genannten Merkmale auf.

Durch die Erfindung wird eine tragende steife zylindrische Hülle um die Kernbleche geschaffen, deren Steifigkeit durch Fließen im Laufe der Zeit nicht verlorengehen kann. Infolge des durchgehenden steifen Zylinders ist der Kern auch in horizontaler Richtung steif und fest. Der Eisenkern ist gegenüber dem Auftreten von Glimmentladungen sehr gut abgeschirmt, da der gewickelte Zylinder praktisch eine Äquipotentialfläche darstellt. Im Gegensatz zu der DL-PS 61 052, bei der auf den Zylinder verzichtet wird und die Abschirmfunktion auf die Spannringe übertragen wird, beruht die Erfindung auf dem Gedanken, auf die Spannringe zu verzichten und dem Abschirmzylinder zugleich die mechanisch tragende Funktion zu übertragen.

Die Erfindung besteht somit im wesentlichen darin, daß die Kernschenkel eines Transformators oder einer Drosselspule mit einem glimmhindernden Schirm aus einem, in begrenztem Umfange elektrisch leitenden, d. h. halbleitenden. Material versehen sind, das bei Verwendung in ölgekühlten Geräten den auftretenden hohen Temperaturen sowohl während des Betriebes als auch während des Trocknungsprozesses standhalten kann. Das Gewebe des Bandes kann aus Glasfasern oder einem ähnlichen Material bestehen.

An Hand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch einen Kernschenkel eir.2s Transformators, der mit einem Schirm gemäß der Erfindung versehen ist,

F i g. 2 das Wickeln des Schirms während des Herstellungsverfahrens.

Der Schirm besteht aus einem Band 1 od. dgl. aus einem Gewebe, das eine hohe mechanische Festigkeit hat, und ist mit einem elektrisch halbleitenden und wärmebeständigen Material imprägniert. Das Band ist mit beachtlicher mechanischer Vorspannung und mit Überlappungen gewickelt, so daß der Schirm voll abdeckt. Der Grad der Überlappung hängt von der Dicke des Bandes und der gewünschten Dicke des fertigen Schirmes ab. Wie aus F i g. 1 hervorgeht, liegt der Schirm an jeder vorstehenden Kante 3 des Kernschenkels 1 an, und da das Band gut gespannt gewickelt ist, steht dasselbe und somit auch der fertige Schirm in gutem mechanischem und galvanischem Kontakt mit dem Kernschenkel entlang allen vorstehenden Kanten.

Das Gewebe des verwendeten Bandes kann beispielsweise aus Glasfasern bestehen, was dem Bar.d eine sehr große mechanische Festigkeit gibt. Das Imprägnierungsmittel kann Harze verschiedener Art enthalten, wie ungesättigte Polyester und Äthoxylinharze.

Nachstehend werden einige Beispiele für die Zusammensetzung geeigneter Imprägnierungsmittel genannt:

Beispiel 1

33 Gewichtsteile eines ungesättigten Polyesters, hergestellt auf konventionelle Weise aus 1 Mol Maleinsäure, 2 Mol Isophthalsäure und 3 Mol 1,2-Propandiol (Säurezahl 30).

27 Gewichtsteile Diallylphthalat Monomer,
40 Gewichtsteile Graphitpulver, 70- 75% C,
0,8 Gewichtsteile tertiäres Butylperbenzoat.

Die Bestandteile werden zu einer homogenen Masse vermischt. Diese Masse wird auf eine oder auf beide Seiten des Glasbandes aufgetragen. Nach dem Härten ist die Masse elektrisch halbleitend.

Beispiel 2

60 Gewichtsteile eines ungesättigten Polyesterharzes, bestehend aus 70% konventionell ungesättigtem Isophtbalsäureester und 30% Styrol.

30 Gewichtsteile Graphitpulver, 70—75% C,
1 Gewichtsteil Dicumylperoxyd,
6 Gewichtsteile Diphenylmethan-4,4-Diisozyanat.

Die Bestandteile werden zu einer homogenen Masse vermischt. Diese Masse wird auf die eine oder auf beide Seiten des Glasbandes aufgetragen. Nach dem Härten ist die Masse elektrisch halbleitend.

Beispiel 3

60 Gewichtsteile eines Äthoxylin Novolac mit einem Äthoxylin Äquivalentgewicht von 176—181 und einer Viskosität von 20-50 · 10³ cPbei 52°C,

1,5 Gewichtsteile Amin-BF3-Komplexvereini-

gung,

18 Gewichtsteile Specksteinmehl,
20 Gewichtsteile Graphitflocken, große,
93-95% C.

Beispiel 4

30 Gewichtsteile eines Äthoxylin Novolac mit einem Äthoxylin Äquivalentgewicht von 176—181 und einer Viskosität von 20-50 ■ 10³ cPbei 52° C,

1 Gewichtsteil Amin-BF³-Komplexvereinigung,
30 Gewichtsteile Graphitpulver 3—4 Mikron,
88-92% C.

Beispiel 5

50 Gewichtsteile eines flüssigen Äthoxylinharzes, Bisfenol A, mit einem Äquivalentgewicht von 190 ±3 und einer Viskosität von ca. 12 000 cP bei 25°C,

50 Gewichtsteile Hexahydrophthalsäurenhydrid, 0,5 Gewichtsteile Benzyldimethylamin, 25 Gewichtsteile konduktiver Kienruß. 99%C.

Beispiel 6

30 Gewichtsteile eines Polybutadienharzes mit einem Vinylgehalt von mindestens 90% und einem Molgewicht von mindestens 20 000,

3 Gewichtsteile Ditertiärbutylperoxyd,
30 Gewichtsteile Graphitpulver 3—4 Mikron,

83-86% C,
40 Gewichtsteile Wollastonite.

Das Problem in dem vorliegenden Fall besteht darin, die Materialkomponenten in dem halbleitenden Imprägnierungsmittel im Hinblick auf den spezifischen elektrischen Widerstand und die Dielektrizitätskonstante so zu wählen, daß einerseits die Verluste am Schirm als Folge der betriebsfrequenten Ströme in demselben im Vergleich zu den Eisenverlusten im Schenkel unbedeutend sind und andererseits eine ausreichende Schinnwirkung für die steilste vorkommende Spannungswelle erreicht wird. Die obere zulässige Grenze des spezifischen Widerstandes wird von dem Vermögen des Materials bestimmt, bei transienten Stoßspannungen abzuschirmen, während die untere zulässige Grenze des spezifischen Widerstandes von den Verlusten im Schirm bestimmt wird, die akzeptiert werden können.

Dadurch, daß der elektrische Widerstand des Bandes und damit auch der des fertigen Schirmes durch die Eigenschaften Korngröße usw. des fertigen Materials geändert wird, können keine genauen Angaben über die Menge des halbleitenden Materials gemacht werden. Als eine allgemeine Regel bei der Wahl der elektrischen Eigenschaften des Bandes kann folgendes gelten:

R_n " Λ £ ρ, g ^- ,

/?□ =der niedrigste zulässige Flächenwiderstand, den der Schirm mit Rücksicht auf seine Verluste haben darf,

ö = die Dicke des Schirms,

o, = der Widerstand des Schirms,

E₅ = die relative Dielektrizitätskonstante des Schirmmaterials,

E₀ = die absolute Dielektrizitätskonstante,

Ti = die größte zulässige elektrische Zeitkonstante, des Schirmmaterials. Diese wird aus einem Vergleich mit der Steigzeit T für die steilste Stoßspannung bestimmt, für welche der Schirm eine akzeptable Abschirmwirkung haben soll.

Dadurch, daß ein Transformalorkernschenkcl durch Schichtung einer großen Anzahl dünner Blechstreifen lamellcnförmig hergestellt wird, kann der Schenkel praktisch niemals exakt gerade werden; vielmehr enthält er lokale Unebenheiten. Es ist daher unmöglich, einen vorfabrizierten zylindrischen Schirm auf einem Kernschenkcl derart anzubringen, daß er überall galvanischen Kontakt mit den Kanten des Kernschenkels hat. Auf relativ grollen und /.ufiillig verteilten Flächen wird kein Koniakt zwischen Schirm und Schenkel vorhanden sein, so daß des Auftreten vor Glimmen nicht ausgeschlossen werden kann. Dasselbe Phänomen macht es auch unmöglich, einen vorfabrizier ten zylindrischen Schirm auf dem Schenkel anzubringen um eine ein ausreichend mechanisches Zusammenhalter der Bleche des Kernschenkels zu erhalten, da ein solcher Schirm niemals in genügend festen mechanischer Kontakt mit dem Kernschenkel kommen würde.

Dadurch, daß der Schirm in der oben beschriebener Weise hergestellt wird, kommt er in absolut sicherer mechanischen und elektrischen Kontakt mit aller vorstehenden Kanten des Schenkels auf desser gesamter Länge. Da das Band mit einer gewisser mechanischen Vorspannung (Zugspannung) gewickel wird, die so groß sein soll, daß man den gewünschter mechanischen Anlagedruck an den Schenkel erhält wird sichergestellt, daß dieser Kontakt bestehen bleibt.

Die vorgenannten Mischungen, die als Imprägnier

mitte! benutzt werden, sind im ungehärteten Zustanc sehr klebrig. Dies gibt dem Band die außerordentlich« Eigenschaft, daß, wenn es mit Überlappung um Vorspannung gewickelt wird, die verschiedenen Läget sehr fest miteinander verklebt werden. Die Klebkraft is so ausgeprägt, daß der Teil des Bandes, der mit eine darunterliegenden Schicht des Bandes oder de: Eisenkerns in Kontakt gekommen ist, liegenbleibt, wem das Wickeln abgebrochen wird und die Vorspannun; weggenommen wird. Ein eventuell auftretendes Verrut sehen ist völlig unbedeutend. Dies ist sowohl bei großer

JO Eisenkernen wertvoll, wo die erforderliche Bandlängi so groß ist, daß ein durchgehendes Band nicht zu Verfügung steht, wie auch bei kleineren Kernen, w( infolge des kleineren Abstandes zwischen zwei Kern schenkein gewisse Schwierigkeiten bestehen, das Ban<

3^r> während des Wickeins durch die öffnung zwischen zwe Fernschenkeln hindurchzuführen.

Um eine unnötige Erwärmung des Eisenkerns zi vermeiden, geschieht das Härten des Harzes in den fertiggewickelten Schirm am besten mit Infrarotstrah lung. Hierbei kann ein rohrförmiger Ofen verwende werden, der den Schenkel mit Schirm umschließt. De Ofen besteht aus einer zylindrischen Hülle, die an de Innenseite eine Anzahl elektrisch betriebener Infrarot strahler hat, welche auf das Zentrum des Ofens gerichte sind, Die Infrarotstrahler sind radial verschiebbar, dami der Ofen für verschiedene Schirmdurchmesser benutz werden kann. Der ganze Ofen ist axial verschiebbar, um seine axiale Bewegung kann durch Zeitglieder kontrol iiert werden, so daß die Härtungszeit überall gleich wire

so Die ganze Härtung kann somit nach ihrem Start und de Einstellung der axialen Bewegung des Ofens automa tisch geschehen. Da man in der Regel Graphit al halbleitenden Bestandteil im Imprägnierungsmitte benutzt, ist die Farbe des Bandes schwarz. Hierdurcl absorbiert das Band die Infrarotstrahlen, und dii Erwärmung des Eisenkerns bleibt unbedeutend, di zwischen dem Schirm und dem dahinterliegenden Ken ein Luftspalt ist (Fig. 1). Das Härten von Harzen mi Infrarotstrahlung ist für sich bekannt. In vorliegenden

W) Zusammenhang ist das genannte Erwärmungsverfahrei aufgrund der großen Wärmekapazität eines Kernschen kels jedoch eine Notwendigkeit.

Das Band kann zum Zusammenpressen des Blechpa kets unter Anwendung einer geeigneten Ausrüstunj

μ entweder mit der Hand oder mit einer Maschine auf dei Kernschenkel gewickelt werden. Die Arbeit kann ir vertikaler oder horizontaler Lage der Kernschenke ausgeführt werden.

Die zusammenhaltenden Eigenschaften des Schirmes können durch die Benutzung eines Bandes, das beim Härten einläuft (sich verkürzt), noch weiter verstärkt werden. Auch kann man einen beim Härten zunehmenden Druck auf den Schirm erhalten, indem man vordem

Härten außen auf den Schirm eine schrumpfbarc Folie wickelt. Wenn die Folie beim Erwärmen schrumpft, erhält man einen zunehmenden Druck auf den Kernschenkel, und der Schirm bekommt außerdem eine glatte und gleichmäßige Oberfläche.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Glimmentladungsverhindernder Schirm für die Kernschenkel von Transformatoren, Drosselspulen und dergleichen Geräte, der aus einem mit leitfähigem Material zusätzlich versehenen Band aus einem nichtleitenden Material mit großer mechanischer Zugfestigkeit besteht, das gleichzeitig zum Zusammenhalt der Kernschenkelbleche dient, da- ι ο durch gekennzeichnet, daß das Rand (1) mit einem elektrisch halbleitenden und wärmehärtbaren Material vorgegebener Art und Menge imprägniert, mit hoher mechanischer Vorspannung überlappt um den Kernschenkel (2) gewickelt und durch Wärmebehandlung gehärtet ist.

2. Schirm nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das Material zur Imprägnierung des Bandes einen elektrisch halbleitenden Bestandteil enthält, dessen Art und Menge so gewählt ist, daß die obere zulässige Grenze des spezifischen Widerstandes des Schirmmaterials von der Fähigkeit des Materials bestimmt ist, bei transienten Stoßspannungen abzuschirmen, während die untere zulässige Grenze des spezifischen Widerstandes von den zulässigen Verlusten im Schirm bestimmt ist.

3. Schirm nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialeigenschaften des Bandes folgender Formel genügen: