EP0014418A1 - Wicklung für einen luftgekühlten Trockentransformator - Google Patents

Wicklung für einen luftgekühlten Trockentransformator Download PDF

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EP0014418A1
EP0014418A1 EP80100436A EP80100436A EP0014418A1 EP 0014418 A1 EP0014418 A1 EP 0014418A1 EP 80100436 A EP80100436 A EP 80100436A EP 80100436 A EP80100436 A EP 80100436A EP 0014418 A1 EP0014418 A1 EP 0014418A1
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
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    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/32—Insulating of coils, windings, or parts thereof
    • H01F27/322—Insulating of coils, windings, or parts thereof the insulation forming channels for circulation of the fluid

Definitions

  • the invention relates to a winding for an air-cooled dry transformer or a corresponding choke coil with at least two winding layers and cooling channels lying between the winding layers and spacing elements lying in the axial direction in the cooling channels.
  • the figure also shows that the voltage difference between the winding layers on the side facing away from the electrical connection can assume considerable values.
  • the transformer manufacturer is aware that due to the mechanical and electrical stress, there is a sufficient safety distance between them insulating turns in adjacent turns must be observed. Furthermore, it can be observed that the originally high insulation values decrease with advancing age of the transformer, which can be caused in part by contamination, material fatigue or change or crack formation. In particular, the formation of leakage current paths can be observed.
  • the transformer designer When designing the construction, the transformer designer will keep in mind that very high-quality, high-purity insulating material that is used for the spacer elements is generally very aging-resistant. However, this material is often very expensive and is replaced by less material, which, however, has less high dielectric strength and aging resistance. On the other hand, the air that is present in the cooling channels must also be taken into account as an insulating material.
  • An upper and lower, essentially mirror-symmetrical partial winding is thus formed, each of which has an external connection; both partial windings are electrically connected to each other within the winding only via the innermost winding layer.
  • the individual current conductors preferably consist of a monofilament wire; however, it is also possible to wind several wires together at the same time if higher performance is desired.
  • the use of the new winding advantageously results in smaller voltage differences at the most stressed points, in particular when layers lying one above the other are considered. These voltage differences can be adequately separated by air insulation. Spacers are then still required to determine the positions in order to increase the mechanical strength; However, these spacers do not need to be arranged over the entire length of the partial winding, since these are z. B. with cast resin have a higher rigidity.
  • DE-AS 1 270 167 is in cast resin cast winding for transformers known, in which each winding element consists of three concentric winding layers, in which the connections to and from the winding elements are located at the outer ends of the outer surface of the element, the winding in the outer and middle layer body each consisting of two concentric half-layers, which are connected in series with the continuous layer in the inner layer body in a meandering manner.
  • the subject of the aforementioned DE-AS does not solve the task of systematically moving zones of higher voltage to air-cooled transformers where an air gap or duct prevents leakage current paths, since such a solution does not exist in a fully encapsulated transformer, even from the cited document can play a role.
  • the following winding layers 2, 3, ... are characterized by the fact that they consist of two sections 10, 11 of substantially the same length, divided on half the length of the axis, which alternate in the axis end or middle area with the one above and below Winding layer are electrically connected via connecting wires 12, 13. This results in an upper and a lower, essentially mirror-symmetrical partial winding (see reference numbers 10 ', 11').
  • Each of the partial windings has an external connection 14 or 15. Inside the winding, the two partial windings 10 ', 11' are only electrically connected to one another via the innermost winding layer.
  • Spacer elements 6, 7 are located between the individual winding layers, which mechanically span the cooling channels and must also withstand the dielectric load.
  • the winding arrangement consists of an inner jacket 21 with the first winding layer 1 lying thereon, which consists of wires lying next to one another, preferably of insulated copper or aluminum wire.
  • a glass fiber jacket 23 is applied to the first winding layer in the wet winding process. These are glass fibers impregnated with epoxy resin, which after curing result in a mechanically very strong cylinder.
  • Ab Stand elements 6 distributed over the circumference and another cladding layer 25 made of impregnated, non-conductive glass fibers applied. The spacer elements are defined.
  • the next winding layer 27 is then wound up. This is followed by another intermediate layer made of non-conductive, hardening material. The further stratification then follows this scheme.
  • the end forms a jacket 32 made of glass fiber reinforced plastic.
  • the inner layer 1 consists of wire wound close to one another, the layer extending continuously over the entire length of the axis.
  • spacer elements 6 are introduced, the length of which is preferably somewhat more than a quarter of the axial length of the winding arrangement.
  • the inserted spacing elements lying one above the other overlap somewhat. Shorter spacer elements can also be used.
  • the subsequent winding layer 2 consists of two sections 10, 11 of essentially the same length, divided over half the length of the axis, which are electrically connected to one another in the axial end region with the winding layer 1 underneath via the connection 12, 13.
  • the sections 10 and 11 are then wound up to about the middle, where they approach each other mirror-symmetrically, but leave an air gap 20 approximately in the central region of the winding layer arrangement. There they are electrically connected to the winding layer above them via the wires 29, 30. Then the two sections belonging to the third winding layer are wound. These end in a connection 14 in the lower section of the winding. A plurality of taps are provided in the upper section, so that in addition to the outermost connection 15 there are further tapping points 15 'which, as is known per se from transformer technology, enable tapping for voltage equalization. As can be seen, in the winding arrangement shown, the air gap 20 is guided to the outside; the outer jacket is therefore not closed. This arrangement further improves insulation and cooling and prevents leakage current paths.
  • the spacing elements 6 and 7 do not occupy the entire axis length, but only about a quarter of the axis length on each side.
  • the length of the spacer elements is determined by the mechanical layer tension; it is in the range 1/5 ... 3/5 of half the section length.
  • the air gap ensures that the winding layers lying one above the other are cleanly electrically separated from one another, that is to say they have no leakage current paths. Furthermore, the air gap 20 in the middle enables the electrical isolation between the two winding sections 10 ', 11'.
  • the present arrangement makes it possible to make do with less and lower quality insulation material, the clear width of the cooling channels being able to be designed optimally and thereby improving the cooling performance without having to accept significant disadvantages.

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Abstract

Wicklung für einen luftgefühlten Trockentransformator oder eine entsprechende Drosselspule mit wenigstens zwei Wicklungslagen und zwischen den Wicklungslagen liegenden Kühlkanälen sowie in den Kühlkanälen in Achsenrichtung liegenden Abstandselementen, mit folgenden Merkmalen: a) Die innerste Wicklungslage (1) liegt auf der gesamten Wicklungsachsenlänge durchgehend; b) die nach außen folgenden Wicklungslagen (2, 3, ...) bestehen aus zwei im wesentlichen gleich langen, auf etwa halber Achsenlänge geteilten Abschnitten (10, 11), die abwechselnd im Achsenend- bzw. Mittelbereich mit der darüber- und darunterliegenden Wicklungslage elektrisch verbunden sind. Zwischen den Wicklungslagen (1,2,3 ...) liegende Abstandselemente (6, 7) nehmen nur einen Teil der Höhe der Wicklungslage ein und sind vorzugsweise im Bereich der elektrischen Verbindungen zwischen den Wicklungslagen der Teilwicklungen (10', 11') angeordnet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Wicklung für einen luftgekühlten Trockentransformator oder eine entsprechende Drosselspule mit wenigstens zwei Wicklungslagen und zwischen den Wicklungslagen liegenden Kühlkanälen sowie in den Kühlkanälen in Achsenrichtung liegenden Abstandselementen.
  • Es ist bekannt, bei sogenannten Trockentransformatoren oder ähnlich aufgebauten Drosselspulen mit Luftkühlungskanälen den Aufbau der Windungen zu einer Wicklung so vorzunehmen, daß zunächst eine innerste Wicklungslage aufgelegt wird, die auf der gesamten Wicklungsachsenlänge durchgehend ist. Am Achsenende der Spule angekommen, wird nach Auflegen der Abstandselemente für die Kühlkanäle die nächste Lage in entgegengesetzter Richtung auf der gesamten Achsenlänge aufgelegt. Dieser Vorgang bei abwechselnder Richtungsänderung wiederholt sich über die Anzahl der bei der Wicklung vorhandenen Lagen. Dieses bekannte Verfahren ist auf der linken Seite der Figur 1 schematisch dargestellt. Die mit den Zahlen 1, 2, 3, 4 bezeichneten Wicklungslagen sind dabei jeweils wechselseitig verbunden und durch Kühlkanäle bzw. Abstandselemente getrennt. Aus der Figur geht ferner hervor, daß der Spannungsunterschied zwischen den Wicklungslagen auf der der elektrischen Verbindung abgewandten Seite beträchtliche Werte annehmen kann. Dem Transformatorenbauer ist bekannt, daß aufgrund der mechanischen und elektrischen Beanspruchung ein ausreichender Sicherheitsabstand zwischen den voneinander zu isolierenden Windungen in benachbarten Windungslagen eingehalten werden muß. Weiterhin ist zu beobachten, daß mit fortschreitendem Alter des Transformators die ursprünglich hohen Isolationswerte abfallen, was teilweise durch Verschmutzung, Materialermüdung oder -veränderung oder Rißbildung verursacht werden kann. Insbesondere ist die Entstehung von Kriechstromwegen zu beobachten.
  • Bei der konstruktiven Gestaltung wird der Transformatorenkonstrukteur im Auge behalten, daß sehr hochwertiges, hochreines Isoliermaterial, das für die Abstandselemente verwendet wird, im allgemeinen sehr alterungsbeständig ist. Dieses Material ist jedoch oft sehr kostspielig und wird durch minderes Material ersetzt, das jedoch weniger hohe Durchschlagfestigkeit und Alterungsbeständigkeit besitzt. Auf der anderen Seite ist auch die Luft als Isoliermaterial zu berücksichtigen, die in den Kühlkanälen vorhanden ist.
  • Aus dieser Problematik folgt, daß bei dem Stand der Technik gemäß linker Seite der Figur 1 aufgrund der relativ hohen Spannungsunterschiede zwischen übereinanderliegenden Windungslagen die Isolierung eine erhebliche Rolle spielt und die Kosten dafür den Transformator erheblich verteuern können.
  • Es stellt sich demnach die Aufgabe, eine Wicklung für einen luftgekühlten Transformator zu schaffen, bei dem die Spannungsunterschiede zwischen übereinanderliegenden Wicklungslagen in ihren Höchstwerten im allgemeinen geringer sind, so daß die Aufwendungen für Isolationsmaßnahmen geringer sind als bei Wicklungen gemäß Stand der Technik. Dabei soll es trotzdem möglich sein, die lichte Weite der Kühlkanäle zu erhalten, den Aufbau der Spulen nicht zu erschweren.
  • Diese Aufgaben werden gelöst bei einer Wicklung für einen luftgekühlten Trockentransformator, die folgende Merkmale aufweist:
    • a) Die innerste Wicklungslage liegt auf der gesamten Wicklungsachsenlänge durchgehend;
    • b) die nach außen folgenden Wicklungslagen bestehen aus zwei im wesentlichen gleich langen, auf halber Achsenlänge geteilten Abschnitten, die abwechselnd in Achsenend- bzw. Mittelbereich mit der darüber- und darunterliegenden Wicklungslagen elektrisch verbunden sind.
  • Dabei wird also je eine obere und untere, im wesentlichen spiegelsymmetrische Teilwicklung gebildet, die je über einen Außenanschluß verfügt; beide Teilwicklungen sind innerhalb der Wicklung nur über die innerste Wicklungslage elektrisch miteinander verbunden.
  • Dabei sei angemerkt, daß die einzelnen Stromleiter vorzugsweise aus einem monofilen Draht bestehen; es ist jedoch auch möglich, mehrere Drähte gemeinsam gleichzeitig zu wickeln, wenn höhere Leistungen angestrebt werden.
  • Wie eine Betrachtung der rechten Seite der Figur 1 zeigt, ergeben sich vorteilhafterweise bei Verwendung der neuen Wicklung an den meistbelasteten Stellen kleinere Spannungsunterschiede, insbesondere wenn übereinanderliegende Lagen betrachtet werden. Diese Spannungsunterschiede können durch Luftisolation ausreichend getrennt werden. Für die Festlegung der Lagen sind dann zwar noch Abstandselemente erforderlich, um die mechanische Festigkeit zu erhöhen; diese Abstandselemente brauchen jedoch nicht auf der gesamten Länge der Teilwicklung angeordnet zu sein, da diese aufgrund der üblichen Verfestigung der Wicklungslagen z. B. mit Gießharz eine höhere Steifigkeit aufweisen.
  • Zwar ist aus der DE-AS 1 270 167 eine in Gießharz eingegossene Wicklung für Transformatoren bekannt, bei der jedes Wicklungselement aus drei konzentrischen Wicklungslagen besteht, bei denen die Verbindungen zu und von den Wicklungselementen sich an den äußeren Enden der Mantelfläche des Elementes befinden, wobei die Wicklung im äußeren und mittleren Lagenkörper aus je zwei konzentrischen Halblagen, die zusammen mit der durchgehenden Lage im inneren Lagenkörper mäanderartig in Reihe geschaltet sind, besteht. Der Gegenstand der genannten DE-AS löst jedoch nicht die Aufgabe, bei luftgekühlten Transformatoren systematisch Zonen größerer Spannung dorthin zu verlegen, wo ein Luftspalt oder -kanal Kriechstromstrecken verhindert, da schon von der Gattung der Entgegenhaltung her eine solche Lösung nicht in einem voll vergossenen Transformator eine Rolle spielen kann.
  • Zur Erläuterung der Erfindung werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Die Figuren zeigen:
    • Figur 1 in schematischer Gegenüberstellung Wicklungen gemäß Stand der Technik und gemäß vorliegender Erfindung mit jeweils gleicher Anzahl von Lagern;
    • Figur 2 eine Spule mit erfindungsgemäßer Wicklung im Querschnitt;
    • Figur 3 den oberen Teil einer derartigen Spule im Längsschnitt.
  • In der Beschreibungseinleitung war bereits auf den Stand der Technik,wie er aus der linken Spalte der Figur 1 hervorgeht, eingegangen. Bei den Spulenanord--nungen gemäß Erfindung, wie sie in der rechten Spalte der Figur 1 gezeichnet sind, liegt jeweils der Kern in der Mitte. Die Figuren sind als Schemata zu betrachten. Es ist möglich, daß zwischen der beschriebenen Wicklung und dem Kern eine weitere Wicklung angeordnet ist, z.B. wie es bei einer Anordnung Kern - Unterspannungswicklung - Oberspannungswicklung üblich ist.
  • Die innerste, in der Figur kernnächste Wicklungslage 1 liegt dabei auf der gesamten Wicklungsachsenlänge durchgehend. Dieser Gestaltung ist bei allen Beispielen die gleiche. Die nach außen folgenden Wicklungslagen 2, 3, ... zeichnen sich dadurch aus, daß sie aus zwei im wesentlichen gleich langen, auf halber Achsenlänge geteilten Abschnitten 10, 11 bestehen, die abwechselnd im Achsenend- bzw. Mittelbereich mit der darüber- und darunterliegenden Wicklungslage über Verbindungsdrähte 12, 13 elektrisch verbunden sind. Dabei ergeben sich je eine obere und eine untere, im wesentlichen spiegelsymmetrische Teilwicklung (vgl. Bezugszahlen 10', 11'). Jede der Teilwicklungen verfügt über einen Außenanschluß 14 bzw. 15..Innerhalb der Wicklung sind die beiden Teilwicklungen 10', 11' elektrisch nur über die innerste Windungslage miteinander verbunden.
  • Zwischen den einzelnen Windungslagen liegen Abstandselemente 6, 7, die die Kühlkanäle mechanisch aufspannen und auch die dielektrische Belastung aushalten müssen.
  • Geht man von der schematischen Betrachtungsweise ab und betrachtet die konkrete Ausgestaltung, wie sie aus den Figuren 2 und 3 erkennbar ist, so läßt sich der Aufbau der Wicklung deutlicher in den Einzelheiten erkennen. Die Wicklungsanordnung besteht aus einem innenliegenden Mantel 21 mit der darauf liegenden ersten Wicklungslage 1, die aus nebeneinanderliegenden Drähten, vorzugsweise aus isoliertem Kupfer- oder Aluminiumdraht besteht. Auf die erste Wicklungslage wird ein Glasfasermantel 23 im Naßwickelverfahren aufgebracht. Es handelt sich hierbei um mit Epoxidharz getränkte Glasfasern, die nach Aushärten einen mechanisch sehr festen Zylinder ergeben. Nachdem die erste Schicht ausgehärtet ist, werden Abstandselemente 6 über den Umfang verteilt und eine weitere Mantelschicht 25 aus getränkten, nicht leitenden Glasfasern aufgebracht. Die Abstandselemente werden dabei festgelegt. Anschließend wird die nächste Wicklungslage 27 aufgewickelt. Hierauf folgt eine weitere Zwischenlage aus nichtleitendem, erhärtendem Material. Die weitere Schichtung folgt dann diesem Schema. Den Abschluß bildet ein Mantel 32 aus glasfaserverstärktem Kunststoff.
  • Die Besonderheit bei der Wicklung ist aus der Figur 3 erkennbar. Die innere Lage 1 besteht aus dicht nebeneinanderliegend gewickeltem Draht, wobei sich die Lage durchgehend über die gesamte Achsenlänge erstreckt. Nach Einbringen des ersten Glasfasermantels 23 werden Abstandselemente 6 eingebracht, deren Länge vorzugsweise etwas mehr als ein Viertel der Achsenlänge der Wicklungsanordnung beträgt. Die eingelegten, übereinanderliegenden Abstandselemente überlappen sich etwas. Es können auch kürzere Abstandselemente verwendet werden. Die darauf folgende Wicklungslage 2 besteht aus zwei im wesentlichen gleich langen, auf halber Achsenlänge geteilten Abschnitten 10, 11, die im Achsenendbereich mit der darunterliegenden Wicklungslage 1 über die Verbindung 12, 13 miteinander elektrisch verbunden sind. Die Abschnitte 10 bzw. 11 werden dann bis etwa zur Mitte gewickelt, wobei sie sich spiegelsymmetrisch annähern, aber einen Luftspalt 20 etwa im Mittelbereich der Wicklungslagenanordnung freilassen. Sie sind dort mit der darüberliegenden Wicklungslage über die Drähte 29, 30 elektrisch verbunden. Anschließend erfolgt das Wickeln der beiden zur dritten Wicklungslage gehörenden Abschnitte. Diese enden im unteren Abschnitt der Wicklung in einem Anschluß 14. Im oberen Abschnitt sind mehrere Anzapfungen vorgesehen, so daß neben dem äußersten Anschluß 15 weitere Anzapfstellen 15' gegeben sind, die, wie an sich aus der Transformatorentechnik bekannt, ein Anzapfen zum Spannungsausgleich ermöglichen. Wie ersichtlich, ist bei der gezeichneten Wicklungsanordnung der Luftspalt 20 nach außen geführt; der äußere Mantel ist demnach nicht geschlossen. Diese Anordnung führt zu einer weiteren Verbesserung der Isolation und der Kühlung und verhindert Kriechstromstrecken.
  • Aus der Beschreibung geht demnach hervor, daß die Abstandselemente 6 bzw. 7 nicht die gesamte Achsenlänge, sondern auf jeder Seite nur etwa ein Viertel der Achsenlänge einnehmen. Die Länge der Abstandselemente bestimmt sich nach der mechanischen Lagenspannung; sie liegt im Bereich 1/5 ... 3/5 der halben Abschnittslänge.
  • An den Orten größerer Spannungsunterschiede sorgt der Luftspalt dafür, daß die übereinanderliegenden Wicklungslagen sauber elektrisch voneinander getrennt sind, also keine Kriechstromstrecken aufweisen. Weiterhin ermöglicht der in der Mitte liegende Luftspalt 20 die galvanische Trennung zwischen den beiden Wicklungsabschnitten 10', 11'. Durch die vorliegende Anordnung ist möglich, mit weniger und qualitätsmäßig geringwertigerem Isolationsmaterial auszukommen, wobei die lichte Weite der Kühlkanäle sich optimal gestalten läßt und sich dadurch die Kühlleistung verbessert, ohne daß wesentliche Nachteile in Kauf genommen zu werden brauchen.

Claims (4)

1. Wicklung für einen luftgekühlten Trockentransformator oder eine Drosselspule mit wenigstens zwei Wicklungslagen und zwischen den Wicklungslagen liegenden Kühlkanälen sowie in den Kühlkanälen in Achsenrichtung liegenden Abstandselementen,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) Die innerste Wicklungslage (1) liegt auf der gesamten Wicklungsachsenlänge durchgehend;
b) die nach außen folgenden Wicklungslagen (2, 3,...) bestehen aus zwei im wesentlichen gleich langen, auf etwa halber Achsenlänge geteilten Abschnitten (10, 11), die abwechselnd im Achsenend- bzw. Mittelbereich mit der darüber- und darunterliegenden Wicklungslage elektrisch verbunden sind.
2. Wicklung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwischen den Wicklungslagen (1, 2, 3, ...) liegende Abstandselemente (6, 7), welche nur einen Teil der Höhe der Wicklungslage einnehmen.
3. Wicklung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Anordnung der Abstandselemente (5, 6) im Bereich der elektrischen Verbindungen zwischen den Wicklungslagen der Teilwicklungen (10', 11').
4. Wicklung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen kreisförmigen, sich etwa auf halber Achsenlänge befindenden peripheren Luftkanal (20) zwischen den Wicklungsabschnitten (10, 11).
EP80100436A 1979-02-08 1980-01-29 Wicklung für einen luftgekühlten Trockentransformator Expired EP0014418B2 (de)

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DE2904746A DE2904746C3 (de) 1979-02-08 1979-02-08 Wicklung für einen luftgekühlten Trockentransformator
DE2904746 1979-02-08

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EP0014418B1 EP0014418B1 (de) 1981-11-25
EP0014418B2 EP0014418B2 (de) 1985-11-21

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EP80100436A Expired EP0014418B2 (de) 1979-02-08 1980-01-29 Wicklung für einen luftgekühlten Trockentransformator

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JP (2) JPS55110011A (de)
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DE (1) DE2904746C3 (de)

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