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Transformator Die Abmessungen der Transformatoren für große Leistungen
von über rooookW und für Spannungen von r oo kV und darüber sind vor allem bedingt
durch die großen Isolierabstände, die bei der bis heute üblichen Bauart - erforderlich
werden. Diese Bauart ist gekennzeichnet durch drei in einer Ebene angeordnete aufrechtstehende
Säulen, die oben und unten durch je ein Querjoch verbunden sind, durch eine meist
über die Säule geschobene Unterspannungswicklung und eine außenliegende Oberspannungswicklung,
durch Isolierzylinder sowohl zwischen Wicklung und Eisenkern als auch zwischen den
beiden Wicklungen, gegebenenfalls auch außerhalb der Oberspannungswicklung, wobei
die Isolierzylinder gewisse Abstände voneinander und von den Spulen haben, um einen
guten Ölumlauf zu gewährleisten; sie ist weiter gekennzeichnet durch einen großen,
druckfesten Ölkasten und Mittel zur Rückkühlung des Öls, durch kabelartig isolierte
Verbindungsleitungen im Kasteninnern und durch gewaltige burchführungsisolatoren
zur Herausführung der Oberspannungsleitungen durch den Deckel zu den Anschlußklemmen.
Dazu kommen noch verschiedene Versteifungen und Schutzvorrichtungen sowie Ölbehandlungs-
und Transportbehelfe, die hier nicht besonders erwähnt werden sollen. Da der Eisenkern
auf dem Boden des Ölkastens steht, muß er aus Sicherheitsgründen geerdet werden.
Es ist also erforderlich, zwischen den Jochen und den Wicklungsenden einen genügenden
Isolierabstand einzuhalten, die sog. Enddistanz. Ferner ist ein erheblicher Isolierabstand
zwischen der Oberfläche der Oberspannungswicklung und der Kastenwand erforderlich.
Und besonders benötigen die oberspannungsseitigen Zuführungs- und Verbindungsleitungen
im
Innern des Kastens erheblichen Platz. Alle diese Isolierabstände bedingen eine bestimmte
Mindestgröße des Transformators, seines Kastens und seiner ülmenge.
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Dazu kommen noch Beförderungsschwierigkeiten, denn man war bisher
gezwungen, für die Bahn- und Straßenbeförderung der Großtransformatoren besondere
Wagen zu bauen und andererseits die Transformatoren so zu gestalten, daß die vorgeschriebenen
Durchgangsprofile nicht überschritten werden. Da es praktisch unerwünscht ist, Großtransformatoren
in Einzelteile zerlegt zu versenden, hat man nur die Isolatoren abnehmbar gemacht
oder man hat sie auf die Schmalseite des Kastens verlegt, oder man hat für den Versand
den Kastendeckel durch einen behelfsmäßigen flachen Deckel ersetzt. Der Weg, den
Dreiphasentransformator durch drei Einphasentransformatoren zu ersetzen, ist unwirtschaftlich
und erhöht den Platzbedarf für eine gegebene Leistung; ebenso der Weg, die Leistung
auf mehrere Transformatoren zu unterteilen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese nachteiligen Verhältnisse
zu ändern und einen Großtransformator für Höchstspannungen zu schaffen, der wesentlich
kleinere Abmessungen erhält. Dabei war das Vorurteil zu überwinden, daß die bisherige
Bauart die einzig mögliche und richtige sei. Nach der Erfindung wird die Aufgabe
in grundsätzlich anderer Art gelöst, indem sie als reines Isolierproblem behandelt
wird. Danach werden die großen Räume, die man bisher der Isolierung zugestehen mußte,
auf ein Mindestmaß verkleinert, und zwar durch eine systematische Stufung der Potentialdifferenzen
innerhalb des Transformators derart, daß Kriechwege weitgehend vermieden und die
Isolationen im wesentlichen auf Durchschlag beansprucht werden. Dies läßt sich erreichen,
wenn man entweder dem Kern oder dem Kasten Oberspannungspotential gibt und von diesem
ausgehend das Potential zwischen Kern und Kasten in .radialer Richtung stufenweise
vom Oberspannungspotential zum Erdpotential vermindert, und zwar kann dabei das
Potential theoretisch entweder vom Kern zum Kasten oder vom Kasten zum Kern abfallen.
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Bei der Erfindung handelt es sich jedoch nicht um die bekannte Radialstufung
des Potentials, wie sie bei jeder Hochspannungslagenwicklung auftritt, sondern um
eine Einbeziehung der Teile des Eisenkernes in die Potentialstufung.
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Die Erfindung besteht mithin darin, daß, um eine solche Potentialstufung
zu erhalten, der Eisenkern durch im wesentlichen parallel und koaxial zur Säulenachse
laufende Spalte in gegeneinander isolierte Teile unterteilt wird, die durch elektrisch
leitende Verbindung mit Punkten der Wicklung auf voneinandeer verschiedene Potentiale
gebracht werden. Es ist bekannt, Eisenkerne senkrecht zur Längsachse zu unterteilen
und die Teile mit Punkten der Wicklung mit voneinander verschiedenem Potential zii
verbinden.
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In Fig. i der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel für die Erfindung
ein senkrecht zur gemeinsamen Mittelebene der Kernsäulen eines öltransformators
liegender Axialschnitt einer der Kernsäulen dargestellt, an welchem gezeigt werden
kann, welche weiteren Vorteile, außer Raum-, Gewichts-, Werkstoff- und Kostenersparnis
die neue Bauart besitzt und auf welche Weise diese Vorteile erreicht worden sind.
Fig.2 zeigt die bekannte Dreieckanordnung der Kerne eines Drehstromtransformators,
die bei Anwendung des Aufbaus des Transformators nach der Erfindung besonders vorteilhaft
ist, u. a. weil man auch bei sehr großer Leistung zwei Säulen nebeneinander im Bahnprofil
unterbringen kann. In Fig.3 ist die Variante einer Einzelheit dargestellt. Fig.
a veranschaulicht das Beispiel eines oberspannungsseitig regelbaren Transformators
nach der Erfindung.
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Gemäß Fig. i ist die Säule i des Kerns zylindrisch und in an sich
bekannter Weise radial. oder evolventenförmig geblecht, wobei sich bekanntlich infolge
der großen aktiven Cbertrittsfläche an den Stoßfugen ein sehr geringer Magnetisierungsstrom
ergibt. Der rohrförmige Kanal 2 in der Säulenmitte wird für die ölzirkulation nutzbar
gemacht. Die Kühlwirkung kann erhöht werden, wenn man in diesen Kanal einzelne Bleche
radial hineinragen läßt. Diese Säule i ist bei 3 unmittelbar an die Hochspannungsklemme
.l des Transformators angeschlossen und besitzt daher Hochspannungspotential, ebenso
wie der mit ihr unmittelbar verbundene ringförmige Teil s, der die magnetische Verbindung
zwischen der Säule i und dem unteren Joch 6 herstellt und ebenfalls vorteilhaft
radial oder evolventenförtnig geblecht werden kann. Das entsprechende Ringstück
; des oberen Jochs 3 ist von der Säule t durch eine Hochspannungskabelisolation
9 isoliert, die fest auf die Säule i aufgewickelt ist und genügend Durchschlagfestigkeit
gegen die gesamte Phasenspannung besitzt. Ein zweiter Isolationsmantel i o wird
auf die Jochringe 5, 7 und die Oberspannungswicklung i i gewickelt, die zwischen
den beiden Ringen 5 und ; angeordnet ist. Sie wird unten bei 12 mit dem unteren
Jochring 5 und am oberen Ende bei 13 mit dem oberen Jochring 7 leitend verbunden
und in horizontalen Lagen gewickelt, so dal >
ihr Potential von
5 nach 7 hin stetig abnimmt. 'Die Wicklung i i ist von einem konzentrischen Kühlschlitz
14 durchsetzt, dem Schlitzöffnungen 15 in den Jochringen 5 und 7 entsprechen,
so daß das Kühlöl durch die Wicklung hindurch zirkulieren kann. Zwischen den beiden
Jochen 6 und 8 ist die Unterspannungswicklung 16 als äußere Wicklung angeordnet.
Je nach der Höhe ihrer Spannung ist ihr Abstand 17 von der Wand des Olkastens
18 zu bemessen. Bei Drehstrom können die oberen Jochringe 7 der drei Phasen zu einem
Sternpunkt verbunden und gegebenenfalls geerdet werden. In diesem Falle kann die
Isolation io oben zwischen Jochrin.-7 und Joch 8 entfallen.
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Da der Kern i, 5, 6, 7, 8 zum Teil Hochspannung führt, wird er von
kräftigen Isolatoren i9 getragen, die aus abwechselnd aufgeschichteten Holz- und
Preßspanscheiben bestehen können. Ebenso ist der Kern oben durch Isolatoren 20 unter
Zwischenschaltung von die Wärmedehnung und Kurzschlußkräfte aufnehmenden Federn
21 gegen den Deckel 22 abgestützt.
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Die Potentialverteilung bei dem dargestellten Transformator ist also
folgende: Die innere Säule i hat Oberspannungspotential, ebenso der untere Jochring
5 ; dieses nimmt auf dem Wege durch die Oberspannungswicklung i i nach oben hin
ab bis auf -das Nullpunktspotential, auf dem sich der obere Jochring 7 befindet;
die Wicklung 16 hät das der Unterspannung entsprechende Potential, und die beiden
Joche 6 und 8 sowie der Kasten 18 mit seinem Deckel 22 liegen an Erde.
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Um das öl in dickeren Schichten nicht zu hoch zu beanspruchen, müssen
die beiden Kabelisolationen 9 und io auf die Eisenteile i, 5, 7 sowie auf die Spule
i i satt aufgewickelt sein; ihre Dicke richtet sich- nach der erforderlichen Prüfspannung.
Wegen der elektrischen ölbeanspruchung an den Enden empfiehlt es sich auch, die
Isoliermäntel 9, i o gemäß Fig.3 sich nach außen verdicken zu lassen und dementsprechend
den Spalten an den Stoßflächen der Jochringe 5, 7 einen keilförmigen Querschnitt
zu geben und die Ecken in bekannter Weise mit einem Schutzring 32 abzudecken. Das
öl steigt in selbsttätigem Umlauf durch den Kernkana12 und die Wicklungs- und Jochringschlitze
14, 15 hoch und sinkt in dem Raum 17 zwischen Kasten 18 und Unterspannungswicklung
16 sowie gegebenenfalls durch die Kühlorgane wie Radiatoren u. dgl. wieder ab.
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Fig.2 zeigt den Grundriß eines Dreiphasentransformators mit in bekannter
Weise in Dreieck angeordneten Säulen und zwei ungleich großen, einander -ähnlichen
Jochen, von denen das obere, 8, den geerdeten Sternpunkt der Oberspannungswicklung
i i bildet, so daß -die oberen Jochringe 7 entfallen können. Das Oberjoch 8 wird
daher nur vom Isolierzylinder 9 nach oben überragt, während der .äußere Isoliermantel
io bis an seine untere Stirnfläche reicht. Die Aussparungen 23 und 24 der Joche
6 und 8 dienen nicht nur dem ölumlauf, sondern auch dem Durchtritt der den Eisenkern
verspannenden, hier der Deutlichkeit halber nicht gezeichneten Bolzen.
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Da bei geerdetem Nullpunkt der äußere Isoliermantel io von unten nach
oben abnehmend beansprucht wird, kann man seine Wandstärke von unten nach oben abnehmen
lassen. Wenn man die Stromleitung durch das aktive' Eisen vermeiden will, kann man
einen besonderen Anschlußleiter von der Klemme 4 durch die Säule i oder ihren Mittelkanal
2 hindurch verlegen, oder man kann eines der Eisenbleche durch ein Kupferblech ersetzen,
an welches d'e Klemme und die Wicklungen angeschlossen werden.-Bei der neuen Bauart
würden Anzapfungen an der Oberspannungswicklung die regelmäßige Potentialverteilung
stören. Um aber trotzdem oberspannungsseitig regeln zu können, läßt sich mit Vorteil
die bekannte Regelungsart mit einem besonderen Wicklungsabschnitt für die Regelung
verwenden, wie sie beispielsweise in Fig. 4. schematisch dargestellt ist. Danach
ist der zu regelnde Teil 25
der Oberspannungswicklung von der Hauptwicklung
i i durch einen Zwischenjochring 26 und durch ein entsprechendes äußeres Zwischenjoch
27 magnetisch getrennt. Die Oberspannungsregelwicklung ist von einer niedergespannten
Primärwicklung 28 umgeben, die von einem regelbaren Spannungsteiler 29 gespeist
-wird, und zwar entweder im Sinne oder gegen den Sinn der Hauptspannung, wenn Zu-
und Gegenschaltung verlangt wird. Der Spannungsteiler 29 wird zweckmäßig an die
Unterspannung 16 des Transformators angeschlossen; er kann ein regelbarer Transformator
mit oder ohne Stufen oder ein Induktionsregler sein. Die Oberspannungswicklung i
i ist am Punkt 12 mit dem unteren Jochring 5 und am Punkt 3o mit dem Zwischenjochring
26, die oberspannungsseitige Regelwicklung 25 am Punkt 31 mit dem Zwischenjochring
26 und am Punkt 13 mit dem oberen Jochring 7 verbunden. An der radialen Potentialverteilung
wird dadurch nichts geändert.
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In der Zeichnung ist der praktisch wichtigere Fall dargestellt, daß
das Potential von innen nach außen, also von der Säule nach dem ölkasten hin, stufenweise
abnimmt. Will man jedoch das Potential von außen nach innen abnehmen lassen, so
wird wenigstens
eines der beiden Joche mit dem Wicklungsende höheren
Potentials und die Säule mit dem Wicklungsende tieferen Potentials elektrisch verbunden.
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Nach der Erfindung hergestellte Drei-oder Mehrwicklungstransformatoren
erhalten entsprechend weitere konzentrische Jochringe und Isoliermäntel. Zweckmäßig
baut man sie so, daß innen die Oberspannung, in der Mitte die Mittelspannung und
außen die Unterspannung angeordnet ist, um wieder die stufenweise Potentialverminderung
von innen nach außen zu erhalten.
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In gewissen Fällen ist die liegende Anordnung des Kerns vorzuziehen,
bedingt dann aber im allgemeinen eine künstliche Ölzirkulation. Selbst Trockentransformatoren
lassen sich mit Vorteil nach der Erfindung bauen.
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Zum Schluß seien noch die besonderen Vorzüge der neuen Bauart hervorgehoben.
Die Anordnung ermöglicht einen besonders kleinen Wicklungsabstand; die Enddistanzen
zwischen den Enden der Oberspannungswicklung und den Jochen fallen fort, ebenso
die oberspannungführenden Zuleitungs- und Verbindungskabel. Die Isoliermäntel 9,
i o, nach Art einer ölkabelisolation gewickelt, werden im wesentlichen nur auf Durchschlag
beansprucht. Alles dies vermindert die Abmessungen und die benötigte Ölmenge. Da
ferner die Niederspannungswicklung außen liegt, kann der Ölkasten sehr gedrängte
Form haben. Die Folge ist eine bedeutende Werkstoffersparnis. Zudem werden die Eisenverluste
und der Kupferaufwand viel geringer als bei den bisherigen Höchstspannungsgroßtransformatoren.
Da die Stoßfugeninduktion sehr klein gehalten werden kann, kann man sich die der
neuen Bauart eigenen großen Luftspalte im Eisenkern leisten. Die kleine Stoßfugeninduktion
hat aber auch eine starke Verminderung der magnetischen Geräusche zur Folge. Da
im Magnetisierungsstrom die Eisenamperewindungen gegenüber den Luftamperewindungen
stark zurücktreten, wird der neue Transformator praktisch obenvellenfrei. Die großen
Eisenkörper als Eingangsschilder bilden einen natürlichen Schutz gegen Sprungwellen,
so daß sich besondere Schutzmaßnahmen erübrigen.