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Durch elektrostatische Schirme geschützte Wicklung für Transformatoren
Die Erfindung betrifft eine Wicklung für Transformatoren, Drosselspulen, Strom-
oder Spannungswandler oder für elektrische Maschinen, wie Generatoren oder Motoren.
Bekanntlich kann man die Wicklung eines Transformators oder einer Maschine als kapazitiven
Kettenleiter auffassen. Datei haben benachbarte Wicklungsteile i, wie Fig. i erkennen
läßt, gegeneinander die Kapazitäten C. Gegen Erde 2 haben diese Wicklungsteile die
Kapazitäten K. Infolgedessen verteilt sich die Spannung einer ankommenden, auf die
Wicklung treffenden Stoßwelle auf das aus den Kapazitäten C und K bestehende Kettenleitergebilde
nach bekannten Gesetzen. Es entsteht die in Fig. 2 mit A bezeichnete Anfangsverteilung.
In Fig. 2 ist E der Verlauf der sogenannten Endverteilung, wenn die Stoßwelle in
die Wicklung eingedrungen ist. In Fig. z ist als Ordinate die Spannungshöhe und
als Abszisse die Wickellänge aufgetragen. Die schraffierte Differenzfläche ist bekanntlich
ein Maß für die Spannungen, um die einzelne Wicklungsteile schwingen können, bis
sie in die Endverteilung E eingeschwungen sind. Je kleiner die Differenzfläche ist,
desto kleiner sind die Amplituden der Ausgleichsschwingungen zwischen den benachbarten
Windungen bzw. zwischen benachbarten Spulen der Wicklung. Je größer man nun die
gegenseitige Kapazität benachbarter Spulen untereinander macht, desto weniger hängt
die Kurve A in Fig. 2 durch. Die Kurve A gilt für ein bestimmtes Verhältnis
C : K. Macht man nun C wesentlich größer, dann entsteht z. B. die gestrichelte
Kurve A1 mit
wesentlich kleinerer Differenzfläche gegen E. Es ist
nun Aufgabe der Erfindung, C wesentlich größer zu machen als K.
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Es ist bereits bekanntgeworden, die Stoßspannungsverteilung längs
der Wicklung zu steuern, indem man in dem Raum zwischen Hoch-und Niederspannungswicklung
metallische Schirme anordnete, die sich in axialer Richtung überdecken und zwischen
den Bahnen des Isolierstoffes eingeschichtet sind. Eine derartige Anordnung hat
den Nachteil, daß zwar die Erdkapazitäten der Hochspannungswicklung gegen die Unterspannungswicklunb
bzw. den Eisenkern durch die Belegungen abgeschirmt werden, daß aber die Belegungen
ihrerseits jetzt gleich große Erdkapazitäten besitzen, die von vornherein die Spannungsverteilung
längs der steuernden Schirmanordnung verschlechtern. Infolgedessen kann mit einer
solchen Anordnung der Steuerbelegungen auch keine optimale Verbesserung der Anfangsspannungsv
erteilung innerhalb der Hochspannungswicklung erreicht werden.
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Erfindungsgemäß wird dieser Nachteil der bekannten Schirmanordnung
dadurch vermieden, daß die Belegungen innerhalb der Hochspannungswicklung so angeordnet
werden, daß sie beiderseits von Teilen der zu steuernden Wicklung eingeschirmt sind.
Dadurch werden die Erdkapazitäten der Schirmbeläge vollständig unterdrückt und die
die Anfangsspannungsverteilung maßgebend beeinflussenden Kapazitäten zwischen den
Belegungen voll wirksam.
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Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Hochspannungswicklung
besteht hier aus einigen parallel geschalteten Röhren zo und 21. Innerhalb der Wicklung,
d. h. zwischen den Röhren 2o und 21, liegen ,die Steuerbeläge 22. Diese können in
einen besonderen Zylinder, z. B. aus Hartpapier, eingebettet werden. Der die Beläge
enthaltende Isolierzylinder 23 kann mit den Wicklungen zwischen Druckringen 2!q:
und 25 eingespannt sein. Um Raum zu sparen, sind die sich überlappenden Steuerbeläge
zickzackförmig angeordnet. Die Niederspannungswicklung ist mit 26 angedeutet. In
der Fig. 3 sind ferner mit K die Kapazitäten der einzelnen Leiter der Hochspannungsröhre
gegen die Unterspannungswicklung bzw. gegen den Kessel, mit C2 die gegenseitigen
Kapazitäten zwischen den Leitern der Hochspannungsröhren und mit C1 die gegenseitigen
Kapazitäten der Beläge bezeichnet. In der Figur ist die Hochspannungswicklung aus
parallel geschalteten Röhren bestehend gezeichnet. Tatsächlich ist die Ausbildung
dieser Wicklung aber beliebig. Sie kann auch aus einzelnen Scheibenspulen aufgebaut
sein. Auch bei Ausbildung mit mehreren parallelen Röhren ist die gegenseitige Kapazität
C2 in radialer Richtung zu den einzelnen Lagen oder Röhren stets wesentlich größer
als die Erdkapazität K einer Windung der innersten bzw. äußersten Röhre. Infolgedessen
ist die Kupplung zwischen den einzelnen Röhren der Hochspannungswicklung immer so
eng, daß die durch die innenliegenden Beläge erzielte Steuerung der Anfangsverteilung
sich auch den äußersten Röhren praktisch unverändert mitteilt.
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Die einzelnen Kapazitäten C1 der einander benachbarten Beläge können
in ihrer Größe gestaffelt werden, indem man ihre axiale Länge verschieden wählt.
Man kann auch den Abstand der Beläge ändern oder dort, wo größere Kapazitätswerte
verlangt werden, Isolierstoffe mit einer größeren Dielektrizitätskonstante zwischen
die Beläge einbetten. Die beste Wirkung wird bei einseitig geerdeter Wicklung dann
erzielt, wenn Ci am Wicklungsanfang, der an die die Stoßspannung führende Leitung
angeschlossen ist, groß gemacht wird, während gegen das geerdete Wicklungsende hin
die Kapazitäten C1 abnehmen.
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Ist das Wicklungsende nicht geerdet und können von beiden Seiten Stoßwellen
in die Wicklung einziehen, dann ergibt sich die beste Wirkung, wenn C1 sowohl am
Wicklungsende als auch am Wicklungsanfang größer ist als vor der Wicklungsmitte.
Im allgemeinen reicht es für die Steuerung der Anfangsspannungsverteilung immer
aus, wenn lediglich die erste und letzte Belegung 27 bzw. 28 mit dem Eingang bzw.
dem Ende der Wicklung galvanisch verbunden werden. Ist der Abstand zwischen den
in der Fig. 3 mit a9 bezeichneten Belegungen und der benachbarten Wicklung nicht
sehr groß, so empfiehlt es sich, :darüber hinaus auch diese Belegungen, wie in der
Figur gestrichelt angedeutet, galvanisch mit den benachbarten Wicklungspunkten zu
verbinden. Die erforderlichen Spulenverbindungen durchbohren an diesen Stellen dann
die Schicht des tragenden Isolierzylinders. Die übrigen Beläge steuern sich vermöge
ihrer eigenen Teilkapazitäten so, daß keine gefährlichen Potentialsprünge zwischen
ihnen auftreten.
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Wenn die gegenseitigen Kapazitäten C1 zwischen den Belägen untereinander
übereinstimmen, so kann man zur Berechnung der verbesserten Anfangsspannungsverteilung
A1 mit praktisch genügender Genauigkeit die Kapazitäten C1 zu den gegenseitigen
Kapazitäten C der zugehörigen Wicklungsabschnitte addieren. Bestehen infolge ungleicher
Überdeckung oder verschiedener Dielektrizitätskonstanten zwischen den einzelnen
Belegungen große Unterschiede in den Werten C1 der einzelnen Beläge, so ist jedoch
zur genauen Berechnung der Steuerwirkung der Anordnung die schrittweise Ausrechnung
der Potentiale der einzelnen Beläge sowie der Spulen an Hand des die wirklichen
Teilkapazitäten enthaltenden Kapazitätsschemas notwendig.
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Der Hauptvorteil der Erfindung beruht demnach auf einer wesentlichen
Verbesserung der Anfangsspannungsverteilung längs der Wicklung gegenüber den bekannten
Schirmanordnungen, indem die Erdkapazität der steuernden Schirme durch die Wicklung
selbst weitgehend abgeschirmt wird.