DE4204092C2 - Aus mindestens einer Wicklungskammer bestehender Spulenkörper für elektrisches Wickelgut, insbesondere für einen Hochspannungstransformator, sowie Hochspannungstransformator - Google Patents

Description

Aus mindestens einer Wicklungskammer bestehender Spulenkörper für elektrisches Wickelgut, insbesondere für einen Hochspannungstransformator, sowie Hochspannungstransformator.

Die Erfindung geht aus von einer Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. von einem Hochspannungs­ transformator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.

Eine solche Anordnung bzw. ein solcher Hochspannungstransformator sind bekannt durch die EP 00 28 383 B1.

Die EP 00 28 383 B1 zeigt insbesondere in den Fig. 4 und 5 einen aus mehreren Kammern bestehenden Spulenkörper als Teil eines Zeilentransformators für elektrisches Wickelgut, dessen umlaufende Kanten am Kammergrund hohlkehlartig abgerundet sind. Durch diese Ausbildung kann die Überschlaggefahr verringert werden.

Zur Erzielung einer ausreichenden Spannungsfestigkeit ist es bekannt, das Wickelgut mitsamt dem Spulenkörper in eine Vergußmasse einzugießen (EP 00 37 970 A2, EP 01 05 942 B1).

Aus der DE-OS 30 39 549 ist ein elektrischer Übertrager bekannt mit einem elektrostatischen Schirm in Form zweier hauchverkupferter Tiefziehhalbschalen um die Primärwicklung gegenüber dem durch einen Luftspalt getrennten Spulenkörper. Feldkonzentrationen lassen sich durch diesen Aufbau nicht überall vermeiden.

Aus der DE-AS 12 58 966 ist ein Transformator in Kunststoffgußtechnik bekannt mit einem in den Kunststoffguß eingebetteten Schirm, der die Stoßspannungsfestigkeit einer Wicklung gegenüber einer weiteren Wicklung erhöht. Dieser Schirm ist entweder auf das Potential des Kerns oder auf das Potential der Unterspannungswicklung gelegt. Feldkonzentrationen lassen sich auch durch diesen Aufbau nicht überall vermeiden.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, die Anordnung, ausgehend vom Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 4, so weiterzubilden, daß keine Feldstärkeüberhöhungen an kritischen Stellen, insbesondere im Bereich des Wicklungskammergrundes, auftreten. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 4 gelöst. Die weiteren Ansprüche zeigen Ausgestaltungen dieser Anordnung auf bzw. deren Einsatz für einen Hochspannungstransformator.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß Verrundungen an kritischen Stellen, z. B. gemäß EP 00 28 383 B1, allein nicht ausreichend sind, um dort Feldstärkeüberhöhungen zu reduzieren. Mit den Maßnahmen der Erfindung, die sich gegenseitig unterstützen, werden Feldstärkeüberhöhungen an kritischen Stellen wirksam reduziert. Die Reduzierung der Feldstärkeüberhöhungen wird durch das Zusammenwirken der aus der EP 00 28 383 B1 beispielsweise bekannten hohlkehlartigen Konturierung des Kammergrundes und der Kammerinnenwände mit der diesen Teilen unmittelbar benachbarten leitenden Schicht, die als "floatende" Elektrode ausgebildet ist, erreicht.

Die Maßnahmen gemäß der Erfindung besitzen den Vorteil, daß insbesondere die Wicklungsisolationsschicht weniger stark belastet wird und daher dünner ausgebildet werden kann. Dies hat wiederum den Vorteil, daß ein günstiger Wärmetransport und eine Gewichtsreduzierung möglich sind, was insbesondere dem Einsatz unter Weltraumbedingungen förderlich ist. Da die Wicklungsisolationsschicht sowie der Spulenkörper weniger belastet sind, kann die Materialauswahl statt auf extrem hohe Durchschlagsfestigkeit auf andere Parameter hin verlagert werden, insbesondere auf gute thermische Eigenschaften und/oder mechanische Stabilität. Letztere Aspekte sind insbesondere für den Einsatz im Weltraum wichtig, wo eine Wärmeabgabe des Wicklungsgutes nach außen kaum möglich ist. Dort ist vielmehr eine Wärmeabgabe über Spulenkörper und Isolationsschicht/en zu einem metallischen Schirm im Inneren ohne großen Zusatzaufwand möglich, wenn die thermischen Eigenschaften der Isolationsschicht/en und Spulenkörper vorteilhaft gewählt sind. Diese Wahl in Richtung thermischer Eigenschaften ist um so eher möglich, je weniger kritisch die Durchschlagsfestigkeit sein muß. Durch die Anordnung einer leitfähigen Schicht zwischen dem Spulenkörper und der Wicklungsisolationsschicht wird das Hochspannungspotential besonders kritischer Punkte abgebaut und auf größere Bereiche verteilt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Hochspannungstransformator, bei welchem die Maßnahmen der Erfindung realisiert sind, und

Fig. 2 einen Ausschnitt aus einer Wicklungskammer.

In Fig. 1 ist ein Hochspannungstransformator in Zylinderform in einer Schnittzeichnung dargestellt, der nach den Maßnahmen der Erfindung ausgestaltet ist. Der zylindrische Transformatorkern KE ist von einer Primärwicklung W1 umgeben. Diese Primärwicklung ist in Isoliermaterial IM eingebettet. Um diese Primärwicklung ist ein metallischer Schirm MS, vorzugsweise eine Aluminiumhülse angeordnet, der mit dem Transformatorgehäuse bzw. -Sockel TS verbunden ist. Dieser metallische Schirm MS dient einerseits zur elektrostatischen Abschirmung und andererseits zur Abfuhr der Verlustwärme, die insbesondere im Wickelgut erzeugt wird. Über dem metallischen Schirm MS befindet sich die Hauptisolationsschicht HW des Transformators, welche wiederum konzentrisch vom Spulenkörper SK umgeben ist, der aus mehreren Wicklungskammern WK zur Aufnahme des Wickelgutes WG der Sekundärwicklungen besteht. Dieses Wickelgut WG mitsamt dem Spulenkörper SK ist ebenfalls in Isoliermaterial eingebettet.

Fig. 2 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Wicklungskammer WK nach Fig. 1 im Ausschnitt. Der Übergang zwischen den Kammerinnenwänden KW und dem Kammergrund KG des Spulenkörpers SK ist der Wicklungsgeometrie des Wickelgutes angepaßt. Bei runden Wicklungsdrähten ist eine hohlkehlartige Ausbildung des Übergangs in den meisten Fällen vorteilhaft. Dieser Übergang ist derart konturiert, daß die Dicke der Wicklungsisolationsschicht WI zwischen Spulenkörper SK und Wickelgut WG - in Fig. 2 sind im Übergangsbereich vier Einzelwindungen dargestellt - überall möglichst gleich groß ist. Durch diese erfindungsgemäße Anordnung wird die Durchschlagsgefahr durch Vermeidung allzu großer Dickenänderungen der Wicklungsisolationsschicht WI wirksam reduziert. Zwischen der Wicklungsisolationsschicht WI und den Kammerinnenwänden KW bzw. dem Kammergrund KG ist eine leitfähige Schicht LS angeordnet, die möglichst überall die gleiche Dicke aufweisen soll. Die leitfähige Schicht ist geschlitzt. Je nach Herstellungsverfahren läßt sich eine Spaltbreite von 0,05-0,5 mm erreichen. Diese leitfähige Schicht LS wirkt als "floatende" Elektrode und reduziert im Zusammenwirken mit der Kontur des Spulenkörpers SK und der Ausbildung der Wicklungsisolationsschicht WI ebenfalls die Durchschlaggefahr. Feldstärkeüberhöhungen an besonders kritischen Stellen - Übergangsbereich von den Kammerinnenwänden KW zum Kammergrund KG - werden so wirksam abgebaut. Durch die floatende Elektrode wird das Hochspannungspotential von beispielsweise 5000 V an den kritischen Stellen auf größere Bereiche verteilt, wodurch insgesamt die Dichte der elektrischen Feldlinien homogener wird.

Als Material für die Wicklungsisolationsschicht WI eignet sich Epoxydharz, z. B. das unter dem Handelsnamen Araldit bekannte Epoxydharz. Die Dicke dieser Wicklungsisolationsschicht WI beträgt vorzugsweise 50 µm. Der Spulenkörper SK besteht aus einem hochspannungsfesten Isolierstoff, beispielsweise aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff. Die leitfähige Schicht LS besteht vorzugsweise aus Kupfer, Nickel oder Aluminium. Im Falle von Kupfer oder Nickel kann diese Schicht LS galvanisch bzw. durch Lackieren oder Sprühen auf die Kammerinnenwände und den Kammergrund aufgetragen werden. Im Falle von Aluminium kann der Auftrag beispielsweise durch Sputtern oder Bedampfen erfolgen. Vorzugsweise wird für diese Schicht eine Dicke von 2 bis 10 µm gewählt. Nach dem Auftragen der Schicht LS wird die Wicklungsisolationsschicht WI beispielsweise im Tauchverfahren aufgetragen, bevor das Wickelgut WG in Form isolierter Kupferwicklungen aufgebracht wird. Verbleibende Zwischenräume werden beim nachfolgenden Vergießen des Wickelgutes WG mitsamt dem Spulenkörper SK mittels Isoliermaterial ausgefüllt. Als Vergußmasse kann wiederum ein Epoxdyharz, z. B. Araldit, verwendet werden.

Je nach Anordnung der Sekundärwicklung/en in der/den Kammer/n (vgl. EP 01 05 942 B1) kann hohes Wechselspannungspotential in den Wicklungen im Bereich des Kammergrundes oder in den äußeren Lagen auftreten. Wenn hohes Wechselspannungspotential in den Wicklungen im Bereich des Kammergrundes auftritt, kann es vorteilhaft für die Isolationsschichten WI und HW sowie den Spulenkörper SK sein, Materialien mit annähernd gleicher relativer Dielektrizitätszahl zu wählen, zumindest aber so zu wählen, daß die relative Dielektrizitätszahl in der gleichen Größenordnung liegt, z. B. ε_r etwa 3-10. Sind die Wicklungslagen im Bereich des Kammergrundes hauptsächlich mit hohem Gleichspannungspotential belastet, ist es vorteilhaft, die Isolationsschichten derart zu wählen, daß der spezifische Durchgangswiderstand in der gleichen Größenordnung von beispielsweise 10¹³ bis 10¹⁷ Ohm/cm liegt in einem Temperaturbereich von 0°-100°C. Die Auswahl nach letzteren Gesichtspunkten ist leichter möglich als bei der Realisierung gemäß dem Stand der Technik, weil dort die Materialauswahl oft zwangsläufig nur unter dem Gesichtspunkt hoher Durchschlagsfestigkeit erfolgen muß. Da diese Durchschlagsfestigkeit durch die Maßnahmen nach der Erfindung unkritisch ist, kann die Materialauswahl auch noch auf andere Aspekte verlagert werden, z. B. auf guten Wärmetransport in Richtung metallischem Schirm MS, zur Wärmeableitung vom Wickelgut über den metallischen Schirm MS zum Sockel und/oder Transformatorgehäuse mit großer Wärmekapazität und der Möglichkeit zur Abstrahlung in den freien Weltraum. Die Materialauswahl der Isoliermaterialien kann auch in Richtung mechanischer Stabilität und/oder Alterungsbeständigkeit, insbesondere unter Weltraumbedingungen verlagert, werden.

Claims (8)

1. Aus mindestens einer Wicklungskammer (WK) bestehender Spulenkörper (SK) für elektrisches Wickelgut (WG), insbesondere für einen Hochspannungstransformator, wobei der Übergang zwischen den Kammerinnenwänden (KW) und dem Kammergrund (KG) des Spulenkörpers (SK) der Wicklungsgeometrie angepaßt ist und insbesondere hohlkehlartig ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wickelgut (WG) und den Kammerinnenwänden (KW) sowie dem Kammergrund (KG) eine Wicklungsisolationsschicht (WI) und eine elektrisch leitfähige Schicht (LS) in der Art einer "floatenden" Elektrode angeordnet sind, wobei diese elektrisch leitfähige Schicht (LS) unmittelbar den Kammerinnenwänden (KW) und dem Kammergrund (KG) benachbart ist, derart, daß die Dicke der Wicklungsisolationsschicht (WI) überall möglichst gleich groß ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Dielektrizitätskonstante des aus einem Isolierstoff bestehenden Spulenkörpers (SK) und jene der Wicklungsisolationsschicht (WI) in der gleichen Größenordnung liegt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgangswiderstand des Spulenkörpers (SK) und der der Wicklungsisolationsschicht (WI) in der gleichen Größenordnung liegt.

4. Hochspannungstransformator umfassend eine Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hauptisolationsschicht (HW) dieses Hochspannungstransformators zwischen dem Spulenkörper (SK) und einem metallischen Schirm (MS) angeordnet ist.

5. Hochspannungstransformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptisolationsschicht (HW) eine relative Dielektrizitätskonstante aufweist, die in der gleichen Größenordnung liegt wie jene des Spulenkörpers (SK) bzw. der Wicklungsisolationsschicht (WI).

6. Hochspannungstransformator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptisolationsschicht (HW) einen Durchgangswiderstand aufweist, der in der gleichen Größenordnung liegt wie jener des Spulenkörpers (SK) bzw. der Wicklungsisolationsschicht (WI).

7. Hochspannungstransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsisolationsschicht (WI), der Spulenkörper (SK) und gegebenenfalls die Hauptisolationsschicht (HW) mit dem metallischen Schirm (MS) aus Materialien bestehen, die möglichst ähnliche Wärmeleitungskoeffizienten aufweisen, derart, daß ein guter Wärmetransport insbesondere unter Weltraumbedingungen vom Wickelgut (WG) in Richtung Spulenkörper (SK) sowie gegebenenfalls Hauptisolationsschicht (HW) und metallischem Schirm (MS) erfolgen kann.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 bzw. Hochspannungstransformator nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Schicht (LS) auf den Spulenkörper (SK) galvanisch, durch Sprühen, Lackieren, oder Sputtern aufgebracht ist, und daß darauf die Wicklungsisolationsschicht (WI) aufgetragen ist.