DE2002273C - Wicklungsanordnung fur Leistungs transformatoren mit zwei oder mehr ko axialen Wicklungskorpern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wicklungsanordnung für Leistungstransfonnatoren mit zwei oder mehr koaxialen Wicklungskörpern, deren Amperewindungsschwerpunkte zur Festlegung der Richtung und Größe der axialen Stromkräfte im Kurzschlußfall axial gegeneinander versetzt sind.

Es wirken bekanntlich zwischen zwei stromdurchflossenen Leitern elektromagnetische Kräfie, die bei gleichsinniger Stromrichtung die Leiter zusammenzurücken versuchen, bei gegensinniger Stromrichtung die l.iiter auseinanderdrücken. In einem Verband von vielen stromdurchflossenen Leitern, wie er in einer Wicklung gegeben ist, wird von der Anzahl der Amperewindungen gesprochen. Bei zwei elektromagnetisch miteinander verkoppelten Wicklungen, wie sie im Transformator vorhanden sind, von denen eine die Energie aus dem Netz aufnimmt uid die andere an ein weiteres Netz abgibt, ist die Summe der Amperewindungen in der einen Wicklung entgegengerichtet der Summe der Amperewindungen der anderen Wicklung, d. h., es treten zwischen beiden Wicklungen abstoßende Kräfte auf- Diese Kräfte sind proportional dem Quadrat des Stromes. Tritt im Netz ein Kurzschluß auf, fließen durch die Wicklungen des Transformators die entsprechenden Kurzschlußströme, die um Größenordnungen größer sein können als die Nennströme, so daß durch die dabei auftretenden elektromagnetischen Kräfte der mechanische Zusammenhalt der Wicklungen auf das Höchste gefährdet ist und sie die Zerstörung des Transformators ver-

ao Ursachen können.

Die auftretenden elektromagnetischen Kräfte können in axiale und radiale Komponenten zerlegt werden. Die Erfindung wendet sich der Beherrschung der axialen Kräfte zu. Die axialen Kräfte werden innerhaib und außerhalb der Wicklung wirksam. Die inneren Kräfte wirken innerhalb der Wicklung auf die einzelnen Leiter, die äußeren Kräfte wirken auf die Preßkonstruktion. Bei elastischen Spulen ist eine ausreichende Vorspannung über die Preßkonstruktion erforderlich, um eine Zerstörung der Wicklung zu vermeiden.

Bei starren Spulen, die in der Lage sind, die inneren Kräfte in sich selbst aufzunehmen, wie z. B. bei mit Gießharz vergossenen Spulen, braucht nur der äußeren Kraft Beachtung geschenk' ?u werden. Bei z. B. zwei symmetrisch aufgebauten Wicklungen (Fig. 1) treten ohne Fertigungsunsymmetrie keine äußeren Kräfte auf. Wegen der praktisch unvermeidlichen Fertigungsunsymmetrie muß jedoch mit dem Auftreten äußerer Kräfte gerechnet werden, deren Richtung im voraus unbekannt ist. Zum Abfangen dieser Kräfte könnte eine starre Spule ohne Vorspannung eingebaut werden. Hierzu wäre nur eine feste und starre Auflage oben und unten erforderlich. Das ganze System aus Spulen, Abstützklötzen, Preßeisen und Zuganker müßte hierbei absolut starr sein.

Die Wärmedehnung der unelastischen Spule läßt jedoch eine starre Preßkonstruktion nicht zu, es müssen elastische Teile eingebaut werden, die die Wärmedehnung aufnehmen. Als Folge des deshalb unvermeidlichen Einbaues von elastischen Teilen muß die Spule nun doch mit entsprechender Vorspannung eingebaut werden.

Um diese Forderung zu erfüllen, d. h. bei mehreren koaxialen Wicklungen die Vorpreßkräfte exakt auf die einzelnen Spulen zu verteilen sowie axiale Längeunsymmetrie weitgehendst zu vermeiden oder zu kompensieren, wurden schon viele zeitraubende und aufwendige Konstruktionen und Maßnahmen angewendet.

Bei einer Röhrenwicklungsanordnung für einen Transformator, bei dem eine Wicklung, insbesondere die Oberspannungswicklung, vorzugsweise mittig, angezapft ist, ist es schon bekannt, zum Zwecke der Verringerung der axial auftretenden Sprengkräfte die nicht angezapfte Wicklung um so viel zu verlängern, daß der nach außen gerichteten Sprengkraft eine nach innen gerichtete Gegenpreßkraft von insbesondere

etwa halber Größe der Sprengkraft entgegenwirkt, oder umgekehrt, die die Anzapfungen aufweisende Wicklung in demselben Verhältnis zu verkürzen. Durch diese Ausbildung der Wicklungen wird erreicht, daß in beiden Extremfällen des Schaltzustandes der angezapften Wicklung jeweils nur die halbe axiale Sprengkraft wirksam wird. Voraussetzung dafür ist, daß die Amperewindungsschwerpunkte beider Wicklungen wie bei allen normalen Konstruktionen einander exakt gegenüberliegen. Die koaxialen Wicklungen werden in üblicher Weise von Druckringen axial gepreßt (deutsche Auslegeschrift I 026 851).

Es ist weiter eine Preßvorrichtung für die Wicklungen von Transformatoren und Drosselspulen bekannt, bei welcher durch vom Wicklungsüberstrom gesteuerte Mittel der Preßdruck der Preßvorrichtung erhöht wird. Zusätzlich sollen, um die bei Überstrom P RH^{bei Kurzschluß} wirksamen, axial gerichteten Preßdrucke noch zu verstärken, die benachbarten Wicklungen verschiedene Länge erhalten oder in axialer Richtung gegeneinander versetzt sein (deutsehe Patentschrift 687422).

Bei den bekannten Lösungen wird zwar von den axial wirkenden dynamischen Stromkräften bei koaxialen Wicklungen Gebrauch gemacht, jedoch ist -5 in jedem Falle die aufwendige, komplizierte und nicht zuletzt auch störanfällige Preßkonstruktion, die insbesondere fur die Kompensation der Wärmedehnsngen der Wicklung ausgelegt sein muß, vorgesehen.

hs ist zwar schon eine Zündspule für Kraftfahrzeuge bekannt, bei der der Primärwiekel und der bekundarwickel koaxial ineinander angeordnet sind und beide Wickel nur am Kopf des einräumigen Schutzgehäuses befestigt sind, so daß die Kühlluft ■ ungehinderter in den Zwischenräumen strömen kann. Jedoch is' eine solche Zündspule keinen Kurzschlußstramkraften ausgesetzt, so daß bei der Festigkeit und befestigung der Wicklungen keinerlei Rücksicht in dieser hragc genommen werden muß. Demgemäß sind auch die beiden koaxial angeordneten Wickel der Zündspule an derselben Seite des einräumigen 1 1120Ifjj\^{aUSeS befesti}g^l (deutsche Auslegeschrift

Aufgabe ist es, bei einer Wicklungsanordnung für Leistungstransformatoren mit zwei oder mehr koaxialen Wicklungskörpern, deren Amperewindungsschwerpunkte zur Festlegung der Richtung und tiroUe der axialen Stromkräfte im Kurzschlußfall axial gegeneinander versetzt sind, eine erheblich großere Sicherheit gegen Störungen durch Vereinfachung der Halterungskonstruktion für die Wicklungskorper zu erzielen und gleichzeitig eine Kosten-Senkung für die Anordnung zu erreichen. Dies wird bei einer derartigen Wicklungsanordung erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß mindestens eine der je fur sich als praktisch starre Körper ausgebildeten Wicklungen nur an einem in Richtung der Amperewindungsscnwerpunktsverschiebunggelegenen axialen Ende genaltert ist.

UA ^{Vornandcnsein von} zwei Wicklungen können nach der Erfindung demgemäß die beiden Wicklungen nur an den einander entgegengesetzten Enden gehaltert sein, in deren Richtung die Amperewindungsschwerpunktc der Wicklungen gegeneinander aus der Mitte versetzt sind.

Werden also die Amperewindungsschwerpunkte der beiden Wicklungen so weit axial gegeneinander verschoben, daß selbst bei den größtmöglichen Fertigungsunsymmetrien die beiden Spulen sich nur in einer bestimmten, vorher festgelegten Richtung zu verschieben trachten, so genügt nur eine einseitige Abstützung mindestens einer Spule an der Seite der Kraftrichtung, wie in F i g. 2 dargestellt. Aufwendige Vorspann- und Ausgleichselemente, wie Druckschrauben, Federn, Federführung, Wippen u. dgl., entfallen. Weiter wird die Schweißarbeit kleiner. Nach Fig. 2 genügt es, die OS zentrisch zur US auf den Abstützklotz aufzusetzen.

An Hand der Zeichnung werden die Erfindung und ihre Wirkungsweise näher erläutert.

In Fig. 1 sind die äußeren Axialkräfte F,., und F,.„ die durch Fertigungsunsymmetrien entstehen, dem Betrag nach gleich groß, also F_s, = F,., = F₁. Bei der in Fig. 1 angegegebenen Kraftrichtung muß die mit US bezeichnete Wie¹ 'ung mit F₁., = F_s verspannt werden, damit im Kurzschlußfall kein Abheben der Spule auftreten kann. Wenn F₁₁ und F_s, dem Betrag nach gleich groß sind, aber entgegen gesetzte Richtung haben, dann muß die OS mit Λ , =/v> verspannt werden. Da unbekannt ist, in weicher Richtung die Kräfte infolge fabrikatorischer Unsymmetrie schließlich wirken, müssen beide Wicklungen mit F₁,, bzw. F₁,., =·= 2 F₁. verspannt werden.

Um bei der erfindungsgemaßen Ausführung gemaß Fig. 2 nun ein Abheben der OS-Wicklung durch Kurzschlußkräfte zu vermeiden, ist eine Wicklungsverkürzung in Richtung der axialen Kraft F_s erforderlich. In Richtung der Abstützklötze wirken Kräfte somit von 0 bis 2-F„ je nach der Größe der Unsymmetrie. In entgegengesetzter Richtung müssen die Kräfte <Ξ Ο sein.

Die Preßkonstruktion eines Drehstrontransformators ist bei der herkömmlichen Bauweise bei einer Vorspannung von 2-F, pro Schenkel mit insgesamt 3-2-F₁. = 6 F₁. belastet. Wenn bei der Ausführung nach der Erfindung keine Vorspannkraft notwendig wird und sich die äußeren axialen Kräfte auf maximal 2-F„ erhöhen, dann braucht die Preßkonstruktion für die z. B. meist gebrauchte Schaltung Dy nur 3-F, aufzunehmen, was für den ungünstigsten Fall des 2- °der 3phasigen Kurzschlusses gilt. Bei 3phasigem Kurzschluß tritt die maximale Kurzschlußkraft F_s nur in einem Schenkel auf. Bei 2phasigem Kurzschluß geht die Kurz^chlußkraft pro Schenkel auf 75% zurück. Demnach kann bei Anwendung der Erfindung die Preßkonstruktion um 50% geschwächt werden. Aus konstruktiven Gründen kann die mögliche Reduzierung der Preßkonstruktion nicht voll ausgenutzt werden. Diese Reserve kann genutzt werden, um die zulässigen Spulenlängentoleranzen zu vergrößern, was wieder andere weitergehende Einsparungen zur Folge hat.

Nun hat man infolge der Gießharztechnik die Mögiichkeit, die Wicklungen in sich starr und stabil herzustellen, so daß eine Wicklung praktisch wie eine Windung gehandhabt werden kann.

_{Bei der} Ausführung einer Wicklung aus einem relativ starken Leiterquerschnitt, insbesondere Rechteckdraht, kann zur Erzielung einer ausreichenden inneren Festigkeit schon ein Verkleben, Einstreichen oder Tränken mit Lack od. ä. ausreichen oder auch eine axiale Verspannung mit einem Isolierstoffband, z. B. einem kunstharzgebranntem Glasseidenband.

Wird nun eine solche in sich starre Wicklung erfindungsgemäß nur an einem axialen Ende abgestützt und dabei die Amperewindunesschwemunkte der

miteinander verkoppelten Wicklungen in Richtung der axialen Abstützung gegeneinander axial-exzentrisch versetzt, so kann auf das zeitaufwendige und penible genaue Verteilen der axialen Prcßkräftc auf die verkoppelten Wicklungen verzichtet werden, da die auftretenden Kurzschlußkräftc nur in einer Richtung wirken können, nämlich gegen die Abstützung der einseitig abgestützten und aus der Mitte versetzten Wicklung.

Können beide Wicklungen als genügend starr betrachtet werden, so können.sie beide auch nur einseitig abgestützt werden, und zwar wie es F i g. 3 zeigt, an entgegengesetzten Enden, wobei wiederum die Ampcrewindungsschwcrpunktc der beiden Wicklungen zu den abgestützten Enden hin verschoben werden müssen, so daß die auftretenden Kurzschlußkräftc die Wicklungen nur gegen ihre Abstützungen pressen. Durch Pfeile sind Kräfte angedeutet, die gegen den Zylinder der inneren Spule infolge der erwähnten Verkeilung gegen den Kern wirken.

Um ein kurzschlußkräftebedingtes Rütteln und Schlagen der Wicklungen zu verhindern, müssen die Wicklungen an ihren Abstützungen anliegen und spätestens nach dem ersten Anschlagen festgehalten werden. Bei üblicherweise senkrecht angeordneten Wicklungen wird die normalerweise auch aus stärkerem Leiter gewickelte inncnliegcnde Unterspannungswicklung mit obenlicgcndcr Abstützung so mit dem Kern verkeilt, daß sie entgegen der Schwerkraft durch die Reibungskräfte in der Verkeilung an der obcnliegendcn Abstützung aufgehalten wird. Die Abstützung der weiter außcnlicgendcn Wicklungen liegt dann unten, auf die sie durch die Schwerkraft angepreßt werden. Ist die am Kern liegende Wicklung eine Röhrenspule, dann treten an den Wicklungen Drehmomente auf, die die Spule senkrecht zur Spulenachse zu drelicn versuchen, was bei der Verschiebung der axialen Amperewindungsschwerpunktc berücksichtigt werden muß. Um die Verschiebung bei großen Windungssteigungen klein zu halten, ist es zweckmäßig, die außenlicgendc Spule, mindestens ihren freien Rand, zur am Kern liegenden Spule zu zentrieren, wie z. B. durch die radiale Abstützung in F i g. 4 gezeigt ist.

Mit der vorliegenden Erfindung können große konstruktive und Montagcaufwcndungcn gespart werden, die notwendig waren, um trotz auftretender Längentolcranzcn Amperewindungsunsymmctrien weitgehendst zu vermeiden und auf jede Wicklung die ihr zukommende vorberechnete Vorprcßkraft zur Kompensation der Stromkräfte aufbringen zu können, womit eine Ausschaltung eines beträchtlichen Anteils

as der durch uetricbliche Unzulänglichkeiten verursachten Störungsrisiken und damit ein zuverlässigerer Betrieb des Transformators erreicht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Wicklungsanordnung für Leistungstransformatoren mit zwei oder mehr koaxialen Wicklungskörpern, deren Amperewindungsschwerpunkte zur Festlegung der Richtung und Größe der axialen Stromkräfte im Kurzschlußfall axial gegeneinander versetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der je für sich als praktisch starre Körper ausgebildeten Wicklungen nur an einem in Richtung der Amperewindungsschwerpunktverschiebung gelegenen axialen Ende gehaltert ist.

2. Wicklungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei entgegengesetzte Durchflutunger erzeugende Wicklungen jeweils am entgegengesetzten axialen Ende abgestützt sind (Fig. 3).

3. Wicklungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einseitig abgestützte Wicklung in Gießharz vergossen ist.

4. Wicklungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einseitig abgestützte Wicklung eine Röhrenspule ist, die durch geeignete Vorbehandlung wie Verkleben, Einstreichen oder Tränken in sich starr ist.

5. Wicklungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, Jaß die einseitig abgestützte Wicklung durcl. axiale Verspannung mittels einer Bandage ausreichend . :arr ist.

6. Wicklungsanordnung nach einem de,· Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Kern am nächsten liegende Wicklung durch Reibungskräfte zwischen Wicklung und Kern an ihrer axialen Abstützung auch entgegen der Schwerkraft festgelegt ist (F i g. 3 und 4).

7. Wicklungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Wicklung bei Ausbildung als Röhrenspule mit großen Windungssteigungen in radialer Richtung gegen die innere Wicklung abgestützt ist (Fig. 4).

8. Wicklungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Abstützung zur innenliegenden Spule an den Gießharzkörper der in Gießharz vergossenen außenliegenden Wicklung angegossen ist.

9. Wicklungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandage aus kunstharzgetränktem Glasgewebeband besteht.