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Isolationsaufbau für Transformator-oder Drosselspul-Wicklungen Beim
Entwurf des Isolationsaufbaus zwischen Wicklungen verschiedenen Potentials oder
Wicklungsteilen mit entsprechendem Potentialunterschied ist vielfach darauf zu achten,
daß nicht nur die Gesichtspunkte der elektrischen Festigkeitslehre, sondern auch
roch die der Kühlung und Kurzschlußfestigkeit der Wicklungen beachtet werden.
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Im Interesse einer ausreichenden Kühlung und Kurzschlußfestigkeit
muß dann oft ein Isolationsaufbau in Kauf genommen werden, der hinsichtlich der
elektrischen Festigkeit nicht alle Möglichkeiten ausschöpft.
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Ein üblicher, sehr häufig angewendeter Isolationsaufbau ist in Fig.
1 dargestellt, und zwar für einen normalen Zweiwicklungstransform@ator, der sowohl
auf der Unterspannungs- als auch Oberspannungsseite, mit einer axial fortschreitenden
Röhrenwicklung ausgeführt ist. Die Wicklungen sind dabei in einzelne Scheibenspulen
unterteilt. An den Stirnseiten der Spulen sind Schirmringel vorgesehen.
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Mit 1 sind in Fig. 1 die in Serie geschalteten Wicklungsscheiben der
Hochspannungswicklung bezeichnet, mit 2 ein Schirmring der Hochspannungswicklung,
der an die jeweilige Wicklungszuleitung der Hochspannungswicklung angelenkt ist.
3 sind die entsprechenden Wicklungsscheiben der Unterspannungswicklung und mit 4
ist einer der Schirmringe auf der Unterspannungswicklung bezeichnet. 5 stellt den
Kern ,des Transformators dar, 6 die untere Abstützplatte zur Aufnahme des Wicklungsgewichtes
und der Wicklungskräfte. Mit 7 und 8 sind Barrieren aus festem Isolationsmaterial
bezeichnet, die im Wicklungsinnern als Zylinder verlaufen und im Randfeld in Winkelringe
übergehen. 9 ist ein einfacher Isolierzylinder, der zusammen mit den zylindrischen
Teilen von 7 und 8 den Isolationsabstand zwischen der Hochspannungswicklung (Teile
1 und 2) und der Unterspannungswicklung (bestehend aus den Teilen 3 und 4) unterteilt.
Mit 10 ist die Kastenwand des Transformators bezeichnet. Dabei wurde angenommen,
daß es sich hier um einen ölgefüllten Transformator größerer Leistung und hoher
Spannung handelt.
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Die bei der sehr wichtigen Wicklungsprobe sich ergebende elektrische
Beanspruchung zwischen der Ilochsp!annungs- und der iUiederspannungswicklung, wobei
die letztere mit dem Kern verbunden und geerdet gedacht ist, wird durch die Niveaulinien
zwischen der Hoch- und Unterspannungswicklung bzw. den mit dieser verbundenen Teilen
des Kerns und des Transformatorkessels wiedergegeben. Diese Niveaulinien sind in
einer Abstufung von 10 % der :angelegten Spannung durch ;dia Linien 11 dargestellt.
Die Wicklungsteile der Hochspannungswicklung, besitzen dabei das Potential 100 Oh,
während Kastenwand, Kernteile und Unterspännungswicklung das Potential 0 % erhalten.
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Es ist nun eine bekannte Tatsache, daß bei allen Isolationsanordnungen,
die im wesentlichen aus einem Teil mit etwa homogener Feldaufteilung und Randgebieten
mit divergierenden Feldlinien bestehen, die Beanspruchung im Randteil der Anordnung,
also dort, wo die Feldlinien mehr oder weniger stark divergieren, die kritischere
ist. Durch die Beanspruchungen im Randfeld ist also im wesentlichen die zulässige
Spannungsbeanspruchung, -d. h. die zulässige Prüfbeanspruchung festgelegt. Diese
Randprobleme treten in Fig. 1 im wesentlichen zwischen den Schirmringen 2 und 4
der Wicklungen auf, da dort die Feldlinien und damit auch die Niveaulinien sehr
stark vom homogenen Verlauf abweichen.
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Eingangs ist bereits darauf hingewiesen worden, daß bei der Lösung
der Isolationsprobleme von Isolationsaufbauten der vorbezeichneten Art häufig auch
auf die Kühlung und die Kurzschlußbeanspruchungen der zu isolierenden Wicklung Rücksicht
zu nehmen ist. Bei der in Fig. 1 dargestellten Wicklungs- bzw. Isolieranordnung
wurde angenommen, daß zwischen den Teilen der Oberspannungswicklung (1 und
2) und der Isolierbarriere 7 ein freier Ölkanal angeordnet ist, der der Zu-
bzw. Abfuhr des Kühlmediums, bei Großtransformatoren in den meisten Fällen Kühlöl,
dient. Dieser Kanal ist zwischen der Oberspannungswicklung und der Barriere 7 mit
12, zwischen der Unterspannungswicklung (den Teilen 3 und 4) und: dem Isolierzvlinder
9 mit 13 bezeichnet.
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Der ILiihlkanal ist vom hochspannungstechnischen Gesichtspunkt aus
insofern nachteilig, als er in unmittelbarer Nähe der beanspruchten Wicklungsteile,
vor allem auch am hochspannungsseitigen Schirmring
2 freie Ölwege
zur Folge hat. Es mußdabei; auf die bekannte Tatsache hingewiesen werden, @daß innerhalb
von Isolationsaufbauten für ölgefüllte Transformatoren gerade freie Ölstrecken aber
den schwächsten Punkt der meisten Isolieranordnungen .darstellen.
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Um die freien Ölstrecken in der Nähe der hochbeanspruchten Wicklungsteile
- das ,sind in einer großen Zahl von Fällen die Wicklungsschirmringe - zu vermeiden,
sind schon Isolationsaufbauten vorgeschlagen worden, bei denen die Wicklungen unmittelbar
satt aufliegend auf Isolierzylinder aufgebracht wurden, wobei zur Lösung !des Randproblems
die Isolierzylinder zu Winkelringen umgeformt wurden. Derartige Isolationsaufbauten
erlauben eine wesentlich bessere Ausnützung des für die Isolation zur Verfügung
stehenden Raumes, Ü. h. eine wesentliche) Re-.duktion des Abstandes zwischen Wicklungen
verschiedenen Potentials. Allerdingg ist mit derartigen Konstruktionen ein zusätzlicher
Aufwand für die Kühlung der Wicklungen und die Sicherung deren Kurzschlußfestigkeit
erforderlich, da ' der Kühlkanal 12, wie er zwischen Hochspannungswicklung und der
ersten Isolationsbarriere 7 in Fig. 1- vorhanden ist und eine außerordentlich wirksame
Kühlung für die Hochspannungswicklung ergibt, bei den eben erwähnten Konstruktionen
fehlt.
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Ziel der Erfindung ist es nun, die Vorteile eines Wicklungs- bzw.
Isolationsaufbaus, bei dem auf die Wicklung ein Kühlkanal folgt, mit einem Aufbau,
bei dem dieser Kühlkanal nicht vorhanden ist, zu vereinen. Dieses Ziel läßt sich
dadurch erreichen, daß einem Isolationsaufbau für Transformator- oder Drosselspulwicklungen
höherer Spannung, die in einem elektrisch hochbeanspruchten Isolationsraum mit Hilfe
eines unmittelbar auf die Wicklung folgenden, ein Kühlmedium führenden Kanals gekühlt
werden, dneser Kühlkanal erfindungsgemäß im Bereich des Wicklungsrandfeldes sowohl
nach dem zylindrischen als auch gegen den ebenen Teil der den Kühlkanal eingrenzenden
ersten Isolationsbarriere zu durch Isoliermaterial hoher elektrischer Festigkeit
zwickelfrei ausgefüllt ist.
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Es sind auch schon Isolationsanordnungen mit sogenannten gleitenden
Winkelringen bekanntgeworden, wobei diese Winkelringe im Zwischenraum zwischen den
unmittelbar auf den betreffenden Wicklungen aufliegenden Isolationsbarrieren vorgesehen
sind. Hierbei _grenzt also kein Kühlkanal unmittelbar an die Wicklung, wie dies
bei der vorliegenden Erfindung Voraussetzung ist. Außerdem verbleibt bei einem solchen
Isolationsaufbau zwangläufig ein freier Zwischenraum zwischen der oberen inneren
Kante d'er Schirmelektrode und den. Winkelringen, welcher hochspannungstechnisch
sehr nachteilig ist.
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In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Voraussetzung
des grundsätzlichen Isolationsaufbaues nach Fig.1 wiedergegeben. Der Kühlkanal 12
ist hierbei im Bereich des hochspannungsseitigen Schirmringes 2 nach dem zylindrischen
Teil; der Isolierbarriere 7 durch zusätzlich aufgebrachtes Isoliermaterial 14, und
im Bereich des ebenen, abgewinkelten Ringteils von 7 durch eine zusätzlich aufgebrachte
Isolation 15 abgeschlossen.
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Das zusätzliche Isoliermateria114 wird dabei zweckmäßig in Form von
zylindrischen Ringen aus festem Isoliermaterial, das zusätzliche Isoliermaterial
15 in Form von flachen Ringen aus festem Material, in beiden Fällen zweckmäßig aus
Preßspan, mit Hilfe der Isolationsbandage auf dem Schirmring 2 so verarbeitet, daß
in den zu verschließenden Kühlkanalabschnitten der Schirmring mit Isoliermaterial
aufgepolstert wird (Polsterisolation).
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Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß in dem hochbeanspruchten Randfeld
in .der Nähe des Schirmringes, d. h. gerade dort, wo die Divergenz der Feldlinien
besonders groß ist, keine freien Ölwege mehr beansprucht werden, sondern dort, lediglich
ölgetränktes festes Isoliermaterial, das eine wesentlich höhere Durchschlagsfestigkeit
besitzt als das Transformatorenöl, vorhanden ist. Das bedeutet aber, daß bei einem
so ausgeführten Isolationsaufbau, wie auch die praktischen Versuche ergeben haben,
der Abstand zwischen den zu isolierenden Wicklungen in einem beachtlichen Maß reduziert
werden kann.
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Im allgemeinen wird man diese Aufpolsterung der vom Randfeld beanspruchten
Elektroden an den Schirmringen, durchführen. Grundsätzlich kann man diese Maßnahme
aber auch für eine Endspule vorsehen, insofern nur dafür gesorgt ist, daß die Erwärmung
dieser Spule durch entsprechende Dimensionierung,des Kupferquerschnitts in: den
zulässigen Grenzen bleibt: Wie eine genaue Untersuchung der Feldbilder ergibt, kann
es unter Umständen vorteilhaft sein, die aufgepolsterte Endelektrode in ihrem Innendurchmesser
etwas kleiner zu machen sals den Innendurchmesser der einzelnen Teilspulen der Wicklung:
Der Schirmring entlastet dann elektrisch die letzte Wicklungsspule, auf die mach
der ersten Isolationsbarriere ein Kühlkanal folgt.
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Bei einem symmetrischen Wicklungsaufbau müßte grundsätzlich die im
vorliegenden Fall für die Hochspannungswicklung vorgeschlagene Aufpolsterung der
Wicklungsendelektrode auch noch auf der inneren Wicklung, im vorliegendenf Fall
der Unterspannungswwicklung, Teile 3 und 4, durchgeführt werden.. Wie sich jedoch
aus der Fig. 1 ergibt, ist die tatsächliche Beanspruchung im Randgebiet der Wicklung
auf der Unterspannungsseite wesentlich kleiner, da die dem Nullpotential als nächste
benachbarte Linie eingezeichnete Niveaulinie, der die Bezeichnung 10 % zuzuordnen
ist, durch die Spulenabstützplatten und den Kern so umgeformt wird, daß durch sie
im Randfeld derUnterspannungswicklung nur eine unwesentliche Erhöhung der Beanspruchung
erfolgt. Es genügt .aber, wie in Fig. 2 dargestellt, beim praktischen Wicklungsaufbau
im,allgemeinen die dhzrch erfindungsgemäße Maßnahme nur auf der vorzugsweise außen
liegenden Hochspannungswicklung anzuwenden.
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Die Erfindung läßt sich sinngemäß auch auf Transformatoren, die mit
anderen Kühl- bzw. Isolationsmitteln als Öl betrieben werden, anwenden, etwa auf
solche, die mit nicht brennbarer Kühlflüssigkeit gefüllt sind (Clophen-Transformatoren),
oder auch auf Trockentransformatoren, die unter natürlichem Atmosphärendruck oder
auch unter erhöhtem Gasdruck arbeiten.