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Anordnung zum Verhindern übermäßiger Feldkonzentrationen bei benachbarten
Wicklungen von Leistungstransformatoren Die Erfindung beschäftigt sich mit der Herabsetzung
der Feldliniendichte an den Stirnen über-oder nebeneinander angeordneter Wicklungen
bzw. Spulen, ohne daß dadurch die hurzschlußfestigkeit beeinträchtigt wird.
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Bei den üblichen Wicklungsanordnungen> insbesondere von Transformatoren,
sind die Wicklungen bzw. Spulen verschiedenen Potentials entweder, in radialer Richtung
betrachtet, übereinander (Zylinderspulen) oder, in axialer Richtung betrachtet,
nebeneinander (Scheibenspulen) angeordnet. Die Wicklungen unterschiedlichen Potentials
sind durch Abstände voneinander getrennt, deren Größe abhängig ist von der jeweils
erforderlichen Isolationsfestigkeit. Diese Abstände sind entweder von festen lsoliermaterialien
oder flüssigen, vorzugsweise umlaufenden Isoliermitteln erfüllt. Meist finden feste
und flüssige Isoliermittel nebeneinander gleichzeitig Verwendung. Zwischen beiden
Wicklungen herrscht dann bis auf die Wicklungsstirnen ein gleichmäßiges elektrisches
Feld. Die Wicklungsstirnen indessen stellen Störungsstellen des gleichmäßigen Spulenfeldes
dar. Es treten daher an diesen Stellen Feldkonzentrationen auf, die die elektrische
Festigkeit der vorzugsweise gleichzeitig verwendeten festen und flüssigen Isoliermaterialien
einer erheblichen Beanspruchung unterwerfen. Diese Stellen sind daher maßgebend
für die Wahl der
Isoliermaterialien und die Bemessung der Isolationsabstände.
Durch Verhinderung einer Konzentration der Feldlinien verschiedener Wicklungen an
den Wicklungsstirnen kann demnach die Isolationsfestigkeit entsprechend geringer
gewählt werden. Es kann auf diese Weise erheblich an Raum gespart und die Herstellung
verbilligt werden.
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Bekannte Schutzeinrichtungen für Wicklungen bzw. Spulen arbeiten zum
Teil mit elektrostatisch wirkenden Schirmen oder metallisierten Isolierkörpern,
die sämtlich untereinander und mit Erde oder mit einem Zwischenpotential verbunden
sind, das eine gewünschte Feldverteilung in dem Isoliermaterial ergibt. Bei der
Bemessung der einzelnen Teile und deren gegenseitiger Isolationsabstände muß hier
jedoch auf die Erd- oder ein anderes Zwischenpotential tragenden Belegungen Rücksicht
genommen werden. Die Abstände müssen deshalb gegenüber Wicklungsanordnungen ohne
derartigen Schutz erheblich größer gewählt werden. Diese bekannte Einrichtung erfordert
deshalb bei erhöhten Herstellungskosten mehr Raum.
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Bei einer anderen bekannten Anordnung wird von vornherein jede Überlagerung
der an den Stirnen von Wicklungen bzw. Spulen auftretenden Feldstärken vermieden,
während bei der eben genannten bekannten Einrichtung nur die Wirkung vorhandener
Überlagerungen der Feldstärken verschiedener Wicklungen bzw. deren Stirnen aufeinander
verhindert bzw. geschwächt wird. Eine solche Überlagerung der von verschiedenen
Wicklungen herrührenden Feldstärken kann dadurch vermieden werden, da.ß Stellen
hoher Feldstärken, wie sie beispielsweise an den Stirnen von Wicklungen auftreten,
räumlich gegeneinander versetzt angeordnet werden. Bei übereiüanderliegenden Zylinderspulen
beispielsweise wird die Anordnung so getroffen, daß eine Spule die andere um einen
gewissen Betrag in axialer Richtung überragt. Handelt es sich um nebeneinander angeordnete
Scheibenspulen, so werden diese beispielsweise so ausgebildet, daß sich benachbarte
Scheibenspulen jeweils an Wicklungshöhe in radialer Richtung überragen. Die Stirnen
der verschiedenen Wicklungen fallen dann nicht mehr in eine Ebene (bei Zylinderspulen)
bzw. in die gleiche zylindrische Fläche (bei Scheibenspulen). Die Entstehung von
Feldkonzentrationen, wie sie bisher bei den, in radialer Richtung betrachtet, übereinander
angeordneten Zylinderspulen oder bei den, in axialer Richtung betrachtet, nebeneinanderliegenden
Scheibenspulen gleicher Länge oder Höhe unvermeidlich waren, ist damit ausgeschlossen.
Die Isoliermaterialien und Isolationsabstände können daher entsprechend geringer
gewählt werden. Bei Zylinderspulen wurde dabei vorzugsweise die Spule mit dem niedrigeren
Potential verlängert. Da die Hochspannung führende Spule meist breit genug ausgebildet
ist, kann mühelos als Abschluß der Spule noch ein gerundeter Metallring aufgesetzt
werden, so daß hier infolge Fortfalls jeglicher scharfer Kanten eine weitestgehende
Herabsetzung der Feldstärke an den Wicklungsstirnen erreicht wird. Diese bekannte
Anordnung besitzt aber den erheblichen Nachteil, daß durch die einander überragenden
Wicklungs- oder Spulenteile die Kurzschlußfestigkeit der gesamten Wicklungsanordnung
beträchtlich verringert wird. Bei eintretenden Kurzschlüssen wirken starke Kräfte
in axialer Richtung auf die Spulen ein, die beispielsweise bei Zylinderspulen für
die verlängerten Spulen nach außen, bei den kürzeren Spulen nach innen gerichtet
sind. Derartige Kräfte sind jedoch nicht vorhanden bzw. zu vernachlässigen, solange
sich die Wicklungen nicht oder nur gering überragen. Um die beabsichtigte Herabsetzung
der elektrischen Beanspruchung der Isolationsfestigkeit an den Wicklungsstirnen
zu erreichen, müssen diese aber einander schon um einen erheblichen Betrag (mindestens
um den Abstand Hochspannungs--Niederspannungsspule) überragen. Bei einem solchen
Betrag sind aber die im Kurzschlußfall auftretenden Kräfte schon so stark, daß der
gesamte Wicklungsaufbau gefährdet ist.
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Schließlich ist für Transformatorwicklungen oder -spulen eine Überspannungsschutzeinrichtung
der eingangs erwähnten Art angegeben worden, die aus konzentrisch zu den Wicklungsspulen
angeordneten leitenden Schirmelektroden .großer Oberfläche bestehen. Diese Schirmelektroden
stehen mit der Hochspannungswicklung in leitender Verbindung, sie können jedoch
auch selbst einen Teil der Wicklung bilden. Die Abschlußkörper der benachbarten
Säulen sind ihrerseits etwa an der Stelle des kleinsten gegenseitigen Abstandes
durch Zwischenstücke leitend verbunden. Wie die Schirmelektroden weisen diese Zwischenstücke
möglichst große Krümmungsradien auf. Außerdem können die leitenden Zwischenstücke
zugleich die elektrische Verbindung der Wicklungen der Transformatorsäulen bilden.
Nachteilig ist bei solchen Schutzeinrichtungen vor allem, daß bei Bemessung der
einzelnen Teile und ihrer t gegenseitigen Isolationsabstände auf die das Erd- oder
ein anderes Zwischenpotential aufweisenden Belegungen Rücksicht genommen werden
muß. Gegenüber Wicklungsanordnungen ohne derartige Schutzeinrichtung sind deshalb
die Abstände erheblich größer zu wählen, was wiederum mehr Raumbedarf erfordert
und die Herstellungskosten beträchtlich erhöht.
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Die Erfindung hat sich nun zum Ziel gesetzt, bei geringen Herstellungskosten
eine raumsparende Anordnung zu schaffen, bei der sowohl mit Sicherheit von mehreren
Wicklungsstirnen herrührende Feldkonzentrationen als auch Verringerungen der hurzschlußfestigkeit
vermieden werden. Für benachbarte Wicklungen von Leistungstransformatoren, bei denen
die Stirnseiten von Zylinderwicklungen oder -spulen verschiedenen Potentials in
einer Ebene oder die Mantelaußenflächen von Scheibenwicklungen oder -spulen verschiedenen
Potentials auf der gleichen zylindrischen Fläche liegen, wird dies erfindungsgemäß
dadurch erreicht, daß die das niedrigere Potential tragende Wicklung oder Spule
leitend. mit ihr verbundene, jedoch nicht stromdurchflossene Wicklungsteile aufweist,
die die stromführenden Wicklungs- oder Spulenteile überragen.
Auf
diese Weise ist sichergestellt, daß einerseits die die Bildung des Stirnfeldes bestimmenden
Wicklungsstirnen nicht in eine Ebene fallen und andererseits die Kurzschlußfestigkeit
nicht nachteilig beeinflußt wird. Dies ist gerade für Leistungstransformatoren von
ausschlaggebender Bedeutung. Für die Ausbildung von Meß- und Prüftransformatoren,
bei denen bereits ähnliche Anordnungen bekanntgeworden sind, spielt im Gegensatz
dazu die Kurzschlußbeanspruchung keine Rolle. Diese bekannten Ausführungen sind
deshalb mit der Erfindung nicht zu vergleichen.
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Die zusätzlichen Wicklungsteile können aus einigen aufgeschnittenen
Windungen des Spulendrahtes, einem hohlzylindrisch geschlitzten Metallkörper od.
dgl. bestehen. Diese Teile werden entweder durch Löten, Schweißen oder in anderer
geeigneter Weise mit der eigentlichen Wicklung bzw. Spule leitend verbunden, führen
indessen zufolge ihrer Schlitzung keinen Strom.
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Die Erfindung ist auf keine bestimmte Wicklungsart und Spulenanordnung
beschränkt, sie kann beispielsweise mit dem gleichen Vorteil für ein- oder mehrlagige
Zylinderspulen und Scheibenspulen Verwendung finden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei an Hand der Zeichnung kurz
erläutert.
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Fig. i zeigt die übliche Anordnung zweier übereinandergelagerter Zylinderspulen
im Schnitt. An den übereinander in einer Ebene gelegenen Wicklungsstirnen der beiden
Spulen treten hier übermäßige Feldkonzentrationen auf. Die Abstände von verschiedenes
Potential tragenden Teilen müssen entsprechend der elektrischen Beanspruchung an
diesen Stellen bemessen werden. Fig.2 zeigt die bekannte Anordnung zweier Zylinderspulen,
bei welcher eine Spule die andere an Länge überragt. Feldkonzentrationen können
hier in dem Maße, wie es bei der Anordnung gemäß Fig. i der Fall ist, nicht mehr
auftreten, da die Spulen in verschiedenen Ebenen enden bzw. die durch die Spulenstirnen
hervorgerufenen Störungsstellen des gleichmäßigen Spulenfeldes an verschiedenen
Stellen liegen. lm Kurzschlußfall treten hier jedoch erhebliche Kräfte in axialer
Richtung auf, die die überragenden Windungen der inneren Spule nach außen zu reißen,
die der äußeren Spule zusammenzupressen bestrebt sind. Fig. 3 zeigt die erfindungsgemäße
Anordnung. Feldkonzentrationen an den Spulenenden werden hier durch die leitend
mit der Spule verbundenen zusätzlichen Wicklungsteile a, b verhindert. Die
Wicklungsteile a, b sind geschlitzt. Sie tragen daher lediglich die Spannung
der letzten Spulenwindung, führen aber keinen Strom.