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Elektrischer Apparat, insbesondere Transformator Die Erfindung bezieht
sich auf Mittel zur Verbesserung der elektrostatischen Verteilung von Spannungsstößen
in den Wicklungen elektrischer Apparate, insbesondere Transformatoren: In den Wicklungen
elektrischer Apparate, wie z. B. Transformatoren, die an eine Fernleitung angeschlossen
sind, ändert sich die Spannung zwischen den Klemmen gleichmäßig von einem Ende der
Wicklung zum anderen, vorausgesetzt, daß Frequenz und Spannung im System normal
sind. Unter gewissen Verhältnissen jedoch, wie sie z. B. durch einen Blitzschlag
in die Fernleitung verursacht werden, kann ein Hochspannungsstoß auftreten und in
die Wicklung des Transformators hineingelangen.
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Bei Wicklungen der üblichen Bauart wird sich ein Spannungsstoß nicht
sofort längs der Wicklung so verteilen, daß ein gleichförmiges Spannungsgefälle
zustande kommt, vielmehr wird die anfängliche Verteilung desselben zu einer hohen
Konzentration der Spannungsbeanspruchung in den Teilen der Wicklung führen, welche
der Anschlußklemme für die Fernleitung zunächst liegen. Wenn eine Spannung plötzlich
an die Klemmen der Wicklung gelegt wird, erfolgt eine sofortige Verteilung der Spannung
durch die Wicklung durch das Mittel ihrer Kapazität.
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Die Kapazität der Wicklung setzt sich aus allen in Reihe und parallel
geschalteten Kapazitätselementen zusammen, die in der Wicklung von einer Klemme
zur anderen vorkommen, einschließlich der Kapazität zwischen Wicklung und Erde sowie
der Kapazität zwischen einem Teil der Wicklung und dem anderen. Die Ladung der verschiedenen
Kapazitätselemente
auf die entsprechenden Potentiale entsprechend der anfänglichen Spannungsverteilung
längs der Wicklung erfolgt durch den Stromfluß zwischen den Kapazitätselementen,
welcher längs des Leiters der Wicklung nicht durch seine Induktanz, sondern lediglich
durch die anderen Reihenkapazitäten fließt. .
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Wenn die so in der ganzen Wicklung hervorgerufene Verteilung der anfänglichen
Spannung kein gleichförmiges Spannungsgefälle ergibt, dann folgen weitere und allmählich
abklingende Änderungen in dem Bemühen, eine gleichförmige Verteilung herzustellen.
Diese Änderungen erfolgen durch Ströme, welche längs der Wicklung fließen und Ladungen
von einem Kapazitätselement auf das andere über die Induktanz der Wicklung übertragen.
Bekanntlich ergibt ein solcher Strom zwischen Kapazitätselementen durch Induktanz
Schwingungen, indem der Strom in Stößen hin- und zurückschwingt, und zwar mit wechselnden
Spannungswerten über und unter den Werten, welche einem gleichförmigen Spannungsabfall
entsprechen würden. Die Amplitude- der Schwingungen entspricht anfänglich der Differenz
zwischen der anfänglichen und der endgültigen Spannungsverteilung längs des gleichförmigen
Gradienten. Diese Schwingungen erzeugen aufeinanderfolgende Spannungsbeanspruchungen
zwischen den benachbarten Teilen der Wicklung sowie zwischen Wicklung und Erde.
Diese gefährliche Verteilung der anfänglichen Spannung und die sich daraus ergebenden
Schwingungen treten indessen dann nicht auf, wenn die Verteilung der anfänglichen
Spannung infolge der Kapazität mit Bezug auf die Windungen der Wicklung gleichförmig
ist, d. h., wenn die zu der Induktanz jeder Wicklung gehörige Kapazität in einer
solchen Weise angeordnet wird, daß das Potentialgefälle, welches durch die Kapazität
allein herbeigeführt werden würde, das gleiche ist wie dasjenige, welches durch
die Induktanz allein erzeugt wird. Die Anfangsspannungsbeanspruchungen und die sich
aus der Anfangsspannungsverteilung ergebenden Schwingungen werden erheblich herabgesetzt,
wenn die Kapazität von Spule zu Spule so erhöht wird, daß das von der Kapazität
allein erzeugte Potentialgefälle nahezu dem gleichkommt, welches von der Induktanz
allein erzeugt werden würde.
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Das Problem der Isolierung der Leiter und Spulen bei einer Transformatorwicklung,
damit sie den auftretenden Überspannungen gewachsen sind, ist deshalb so schwierig,
weil bei der üblichen Bauart dieser Teile die Leiter so klein sind, daß zufriedenstellende
Mittel für die Anbringung einer Isolation, die ausreicht, um die Spannungsstöße
auszuhalten, praktisch nicht verfügbar sind. Wenn die Leiter mit genügend Isoliermaterial
umgeben werden, wird der Raumbedarf derart groß, daß der Wirkungsgrad der Konstruktion
dadurch beeinträchtigt werden würde. Es ist daher erwünscht, die Spannungsbeanspruchungen
zwischen den einzelnen Teilen der Wicklung, die durch die Konzentration der Spannungsstöße
verursacht werden, herabzusetzen, um eine Bauart besserer Wirkung mit höherem Wirkungsgrad
zu erhalten.
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Diese Konzentration von Spannungsstößen tritt besonders häufig bei
Kerntransformatoren auf, bei welchen Stapel einer verhältnismäßig großen Anzahl
von Spulen verwendet werden, wobei die einzelnen Spulen verhältnismäßig schmal sind,
so daß die Kapazität zwischen den einzelnen Spulen gering ist im Vergleich zu der
Kapazität zwischen den einzelnen Spulen und der Erde. Die sich daraus ergebende
schlechte Spannungsverteilung führt zu Hochspannungsbeanspruchungen zwischen den
Spulen der Wicklung, insbesondere bei den nahe dem Ende der Wicklung gelegenen,
und erfordert daher große Abstände zwischen den Spulen, um die notwendige Isolationsfestigkeit
zu erreichen.
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Das Hauptziel der Erfindung ist es, eine Anordnung der Windungen der
Wicklung elektrischer Apparate vorzusehen, durch welche die Verteilung von Spannungsstößen
durch die ganze Wicklung hindurch verbessert wird.
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Die Erfindung besteht daher in erster Linie aus einem elektrischen
Apparat, insbesondere einem Transformator, mit einer Wicklung, die einen durchlaufenden
Leiter umfaßt, welcher aus mehreren Spulenabschnitten besteht, und jeder Abschnitt
umfaßt mehrere scheibenförmige Spulenschichten. die in einem Stapel längs einer
gemeinsamen Achse im Abstand zueinander angeordnet sind. Der Anfang der Wicklung
ist in der Spulenschicht des ersten Abschnitts, der von dem Ende des die Wicklung
enthaltenden Spulenstapels entfernt ist; sie geht dann der Reihe nach durch die
verschiedenen Windungen in den einzelnen Spulenschichten des Abschnitts, welche
die gleiche Stellung zu der Spulenachse einnehmen, so daß sie sich von einem Ende
des Abschnitts zum anderen in Windungen von allmählich wechselnden Durchmessern
erstreckt.
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Die Erfindung wird durch die nachfolgende Be schreibung einer bevorzugten
Ausführungsform und an Hand eines Beispiels in den Zeichnungen erläutert.
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Fig. i ist ein Schnitt durch einen Teil einer Wicklung üblicher Bauart;
Fig. z ist ein Schema der Kapazitätsverteilung der Hochspannungswicklung nach Fig.
i; Fig. 3 ist ein Diagramm mit Kurven, welche die Anfangsspannungsverteilung über
die Wicklungslänge in einer Hochspannungswicklung gemäß Fig. i und in einer Wicklung,
die gemäß der Erfindung erstellt wurde, veranschaulichen; Fig. q. ist ein Aufriß,
teilweise im Schnitt, der Anordnung der Windungen der Wicklung gemäß der Erfindung;
Fig. 5 ist ein Grundriß einer Wicklung der in Fig. q. dargestellten Bauart, jedoch
in größerem Maßstab; Fig. 6 ist ein Vertikalschnitt, der die Überkreuzverbindungen
des Leiters zwischen den verschiedenen Spulenschichtebenen der Wicklung zeigt; Fig.
7 ist ein Schema der Verbindungen eines Leiters durch vier Abschnitte einer Wicklung
gemäß der Erfindung;
Fig. 8 ist ein Schnitt einer solchen Wicklung
in größerem Maßstab.
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In den Zeichnungen zeigt die Fig. i einen Teil einer üblichen Transformatorbauart
mit einem Wicklungsk ernschenkel 3 i aus magnetischem Werkstoff, um welchen eine
zylindrische Niederspannungswicklung 32 und eine Hochspannungswicklung, aus einem
Stapel scheibenförmiger Spulen 33 bestehend, gelegt ist. Die Wicklung ist zwischen
einer Hoch,spannungsleiterklemme 41 am oberen Ende des Spulenstapels und der Erde
bei 42 am unteren Ende des Spul.enstapels .angeschlossen. Die- Spulen besitzen,
wie dargestellt, Anfang-Anfang- und Ende-Ende-Verbindungen, und zwar verbindien
die Leiter 43,die Anfänge und die Leiter 44 die Enden der aufeinanderfolgenden Spulen
miteinander.
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Die in Fig.2 dargestellte Kapazitätsverteilung ents:pririht ungefähr
der Anordnung der Kapazitäten zwischen den einzelnen Teilen der Wicklung und ihren
benachbarten Teilen sowie zwischen den Wicklungsteilen und der Erde. Die in Reihe
geschalteten Kondensatorelemente 45 zwischen den Klemmen 41 und 42 der Wicklung
.entsprechen praktisch ,der Kapazität zwischen :den Spulen der Wicklung, während
die Kondensatoren 46, die, längs der Reihenkette von Kondensatorel!ementen verteilt,
zwischen dieser und Erde angeschlossen sind, der Kapazität zwischen den Teilen der
Wicklung und, dem Gehäuse- bzw. Kernteil entsprechen, welcher, wie bei 47 dargestellt,
geerdet ist.
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Wenn nun plötzlich -eine Überspannung an die Klemmen der Wicklung
in Fig. i gelegt wird, erfolgt die Verteilung der anfänglichen Spannurig längs der
Wicklung gemäß der in Fig. 3 gezcigten Kurve 49, aus welcher 'hervorgeht, daß ein
großer Teil der Anfangsspannung ß in einem sehr kleinen Bruchteil der Wicklung zur
Wirkung kommt. Beispielsweise wirken sich etwa zwei Drittel der an ,den ganzen Stapel
gelegten Anfangsspannung in den ersten beiden Spulenschichten aus, so :daß es notwendig
ist, für genügende Isolierung zwischen diesen Spulen zu sorgen, damit sie diesen
großen Anteil der gesamten angelegten Spannung aushalten können.
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Gemäß der Erfindung iist .die Wicklung, wie am besten aus den Fig.
4, 7 und 8 hervorgeht, in eine, Anzahl von Abschnitten mit je einer Anzahl von Spulens
Nichten unterteilt. Der Zweckmäßigkeit halber sind bei der Erläuterung des Prinzips
der Erfindung vier Abschnitte von je drei Spulensch@ichtendargestellt, wobei es
selbstverständlich ist, daß bei Kerntransformatoren ein Stapel von Spulenschichten
von: dem Mehrfachen .dieser Anzahl verwendet und ,daß der ganze Stapel gemäß den
Prinzipien der Erfindung angeschlossen werden kann, bzw. kann, falls gewünscht,
auch nur der Teil der ganzen Wicklung nächst der Anschlußklemme, wo, der Spannungsabfall
am steilsten ist, w,ie in Fig. 3 dargestellt, auf diese Weise angeschlossen werden,
falls festgestellt worden ist, da,ß der Spannungsabfallgrad'ient durch den Rest
der Wicklung hindurdh eine Neigung besitzt, welche die Anordnung der Wicklung in
der vorbeschrieibenen Weise überflüssig macht.
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In der Fig. 8 bezeichnen die Nummern innerhalb des O_wersonnitts der
Leiter .die Nummern der Windungen jenes Leiters in seinem Abschnitt. So, z. B. ist
im Abschnitt i, welcher die drei Spulenschichten oben an der Wicklung in Fig. 8
umfaßt, die erste Leiterwintdung am Boden der direi Schichten. Die zweite Leiterwindung
ist in der mittleren Schicht über der ersten Windung und :die dritte Leiterwindung
in der obersten Schicht über der zweiten Windung, wobe@i diese drei Windungen in
den drei Spu.lensohichten um die Achse der Wicklung den gleichen Durchmesser besitzen.
Die nächsten drei Windungen .4, 5 und 6 dies Wicklungsabschnitts haben ebenfalls
unter sich den gleichen Durchmesser und sind in edier ob@ersten, mittleren und unteren
Schicht um die Windungen 3, 2 und i .herum angeordnet. Der. Leiter ist,so gewickelt,
daß sich diese Folge wiederholt, also die Windungen 7, 8 und 9 die eine fortschreitend
über der anderen und alle von gleichem Durchmesser um die Winduugen6, 5, 4. herum,
dann die Windungen io, ii und 12 de-s nächstgrößeren Durchmessers des Abschnitts
fortschreitend die eine unter der anderen, und diese Folge setzt sich fort bis zum
äußeren Rand des Abschnitts bis zur letzten oder Endwindung 24 des Abschnitts. Im
zweiten Abschnitt vom oberen Ende der Wicklung an gerechnet sind die einzelnen:
Windungen ebenso. wie im Abschnitt i angeordnet, abgesehen davon, daß die senkrechte
Reihenfolge der Windungen gerade umgekehrt ist, also, Windung i ist am oberen Ende
des Abschnitts anstatt am unteren, und jede Gruppe von drei Windungen gleichen Durchmessers,
wie z. B. i, 2 und 3, schreitet in der entgegengesetzten Richtung entweder .abwärts
oder aufwärts zu den entsprechenden drei Windungen in Abschnitt i fort, so daß also
.die letzte oder End:w in:dung 24 des Abschnitts :2 an der Oberseite des Außenrandes
des Abschnitts neben ,der Windung 24 dies Abschnitts i steht. Die Ab-
schnitte,
3 und 4 sind genau -so wie die Abschnitte i bzw. 2 angeordnet, und falls eine Wicklung
mit einer größeren Anzä:hl von Abschnitten als vier verwendet wird, ist die Anordnung
jedes Abschnitts ein Duplikat der Abschnitte i bzw. 2.
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Die Wicklungsklemme 5 1 ist an die Endwindung 24 des Abschnitts
i angeschlossen, und der Leiter geht dann fortschreitend von Windung 24 zu Windung
i :des Abschnitts i und dann. zu Windung i ,dies Abisohnitts 2, wie bei 52 angegeben,
dann fortschreitend von Windung i zu der Endwindung 24 dies Abschnitts 2, und diese
Windung ist dann wiederum an die Endwindung a4 des Abschnitts 3 angesohlo:ssen,
wie bei 53 gezeigt ist, und die Endwindungen i der Abschnitte 3 und 4 sind bei 54
miteinander verbunden, während die Endwindung 24,des Abschnitts 4 an der .anderen
Klemme 55 der Wicklung angeschlossen ist. Eis ist zu :beachten, d'aß bei @dieser
Anordnung der Windungen der ganzen Wicklung ein erheblicher Raum 56 zu Isolierzwecken
zwischen je zwei Abschnitten vorgesehen werden muß, da dtie Endwindungen 24 eine
Potentialdifferenz
besitzen, die dem Potential über zwei in Reihe geschalteten Ahscahnitten der Wicklung
entspricht. Andererseits ist zu bemerken, daß die Zwischenräume 57 zwischen den
einzelnen Spulenschichten eines Abschnitts sehr gering sein können, und zwar braucht,dieser
Zwischenraum nur so groß zu sein, daß Kühlöl in ihm fließen kann, denn die Spannungsbeanspruthung
zwischen den einzelnen Teilen benachbarter Spulenschichten entspricht nur der Spannung
zwischen den benaohharten Windungen, also z. B. zwischen Windung 2 und 3, Windung
4. und 5, 8 und 9 usw. Daraus ergibt sich eine Verminderung des erforderlichen Raums
längs (der Länge der Säule bzw. des Stapels von Spulenabschnitten, wie er benötigt
wird, um die Windungen, der Wicklung zu isolieren und zu kühlen, und die Anordnung
der einzelnen Windungen innerhalb- des Abschnitts bewirkt, d aß die Kapazität zwischen
den Wicklungsabschnitten sehr viel größer ist als die Kapazität zwischen den in
gleichem Abstand befindlichen Spulen einer Wicklung von der in Fing. i.gez:eigten
Bauart, so daß bei !einer Bauart nach Fig. 2,die Serienkapazitäten zwischen. den
Wi:cklungs.abscJhrnitten oder Spulen siehr viel größer sind als @dort, wo die einzelnen
Windungen der Wicklung nacheinander durch eine Spulenschicht fortschreiten, wie
es bei dem üblichen Wicklungstyp der Fall ist.
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In den Fig. 5 und 6 sind die einzelnen Spulenschichten durch Distanzelemente,
wie, z. B. bei 61, 62, 63, 6q., 65 und 66, auseinandergehalten, und dies wiederholt
sich für jeden Raum zwischen den benaohbarten Schichten, und die Überkreuzungen
zwischen ,den @einzelnen Abschnittsschichten werden zweckmäßig zwischen: zwei von
diesen Distanzelementen vorgenommen, -wie z. B. in dem Bogen zwischen den Distanzelementen
62 und 63, wie in Fig. 6 dargestellt ist. Die Überkreuzung zwischen Windung 3 und
2 des oberen Abschnitts wird bei 67 .gezeigt, .die übemkreuzung zwischen Windung.
2 und i bei 68 und die Überkreuzung zwischen den beiden Abschnitten bei 52; die
entsprechenden Überkreuzungen wiederholen sich bei 67 und 68 am unteren der beiden
Abschnitte," wie in Fi.g. 6 gezeigt dost.
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In der Fig. 7 ist die Folge der Windungen in schematischer Farm dargestellt,
und :man ersieht daraus, däß ein einzelner durchlaufenderLeiter verwendet werden
kann mit mehreren in den angegebenen Stellungen verlauf enden Windungen, oder jeder
Abschnitt kann auch für sich allein. gewickelt werden, und die leitende Verbindung
zwischen .den einzelnen Abschnitten kann dann während,de s Einbaus der Abschnitte
in die fertige Transforrnatorkonstruktion bewerkstelligt werden.
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Aus Fig. 3 der Zeichnungen ist zu ersehen, daß die Spannung A über
dem angezeigten Teil der Wicklung, wenn sie gemäß der Erfindung erstellt wurde,
nur etwa,der Hälfte d'er Spannung B über einem entsprechenden Teil der üblichen
Wicklung der Pig. i entspricht. Die jeweilige Gestalt der Kurve 5o kann sich ändern,
je nach dem veruahiedenen Zwischenraum unter den Teilen, was wiederum von
dem Grad abhängt, bis zu welchem man die ursprüngliche Spannungsverteilung einem
geradlinigen Gradienten annähern will.