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Hochspannungstransformator
Bei Hochspannungstransformatoren besteht üblicherweise die Isolation zwischen Ober-und Unterspannungswicklung aus den Zwischenraum ausfüllendem Isolieröl, in das ein oder mehrere Isolierzylinder, meistens aus Hartpapier, eingesetzt sind. In Verbindung mit diesen Isolierzylindem werden noch flanschförmige Stirnisolationen aus Hartpapier oder Pressspan verwendet, welche die Oberspannungswicklung gegen das Joch isolieren. Zwischen der Wicklung und dem zunächst gelegenen Isolierzylinder ist ein für eine ausreichende Ölzirkulation für die Wicklungskühlung genügender Abstand vorgesehen.
Eine bekannte, häufig benutzte Ausführungsform hat eine Mehrzahl von Winkelkragen, von denen jeder über das Ende eines besonderen Isolierzylinders gesteckt ist, wobei die Isolierzylinder gegeneinander durch reichlich bemessene Ölschichten getrennt sind. Auch die Flanschen der Winkelkragen wurden durch starke Ölschichten getrennt, so dass die Abmessung der gesamten Isolation einschliesslich der Ölschichten am Stimende der Wicklung in axialer Richtung grösser ist als die Abmessung der Isolation zwischen Oberund Unterspannungswicklung in radialer Richtung. Es wird damit angestrebt, den Kriechweg zwischen Wicklungsende und Joch um die äusseren Kragenenden herum möglichst gross zu halten.
Weitere Ausführungsformen benützen nur einen dicken Isolierzylinder zwischen Ober-und Unterspannungswicklung, der von den Wicklungen ebenfalls durch reichliche Ölstrecken getrennt ist. Dabei ist beispielsweise das Ende des Isolierzylinders treppenförmig abgestuft und es sind Winkelkappen mit ihrem Schaftteil eng anliegend auf das abgestufte Ende aufgeschoben, wobei zwischen ihren Flanschen wieder starke Ölschichten liegen. Man hat auch vorgeschlagen, die Flansche aus dem Stoff des Isolierzylinders selbst durch winkelförmiges Abbiegen von Fahnen, die durch Einreissen oder Einschneiden der Zylinderenden erhalten werden, zu bilden.
Bei allen diesen Ausführungen muss der praktische Tranformatorenbau mit grösseren Ölstrecken im elektrischen Felde zwischen Ober-und Unterspannungswicklung rechnen. Da die Dielektritzitätskonstante des Öls nur etwa halb so gross ist wie diejenige der Isolierzylinder, auch wenn letztere aus saugfähigem Papier bestehen, wird nach einem bekannten Gesetz das Öl spezifisch doppelt so hoch beansprucht wie das feste Isoliermaterial. Die Durchschlagfestigkeit des Öls beträgt aber auf grössere Strecken bezogen
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höher beansprucht als das stärkere. Mit Rücksicht auf diese Tatsache muss der Abstand zwischen Ober-und Unterspannungswicklung reichlich gewählt werden, damit bei der Spannungsprüfung die Ölstrecken nicht durchschlagen.
Der Wicklungsabstand hat Einfluss auf die Streuspannung. Die Streuspannung entspricht dem Verhältnis des Streufeldes zum Hauptfeld. Um bei einem grossen Wicklungsabstand die bei Grosstransformatoren stets vorgeschriebene Streuspannung einhalten zu können, muss der Eisenquerschnitt entsprechend gross gewählt werden. Bei grossen Einheiten für hohe Spannungen ergibt sich dabei ein Missverhältnis zwischen dem Eisengewicht und dem Kupfergewicht. Verhältniszahlen wie 5 : 1 oder gar 7 : 1 sind nicht selten. Anzustreben ist aber ein Verhältnis von etwa 2 : l bis 3 : l, wobei die Transformatoren bedeutend leichter und wirtschaftlicher werden.
Es war dem Transformatorenkonstrukteur schon lange bewusst, dass der Wicklungsabstand verkleinert werden sollte. Es war auch naheliegend, dies durch Ausschaltung der schwächeren aber höher beanspruchten Ölstrecken zu erreichen unter Ausnützung der hohen Festigkeit der Papierisolation. Die Wicklungskühlung musste dabei in einen im Innern der Wicklung vorgesehenen Längskanal verlegt werden.
Der praktischen Verwirklichung dieser Gedanken stellte sich aber ein grosses Hindernis entgegen, nämlich die Gleitfunkenbildung am Ende der Papierisolation. Würde man beispielsweise eine Anordnung nach Fig. l treffen, so ergäbe sich auf der Oberfläche des Flansches eine Längskomponente eL, die beispielsweise fast halb so gross ist wie die radiale Feldstärke eR im Zylinderschaft. Da aber die Oberflächenbeanspruchung nur etwa 15 kVjcm betragen darf, wenn Gleit- funken sicher vermieden werden sollen, darf bei
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dieser Anordnung die radiale Feldstärke im Zylinderschaft etwa 30-40 kV/cm nicht überschreiten.
Damit ist aber die Durchschlagfestigkeit des Papierzylinders von mindestens 250 kV/cm bei weitem nicht ausgenützt, und die üblichen Wicklungsabstände können nicht verkleinert werden. Das ist der Grund dafür, dass im Grosstransformatorenbau die Ölabstandsisolation mit eingefügten Barrieren beibehalten worden ist.
Gegenstand der Erfindung ist ein Hochspannungstransformator mit zwischen Oberund Unterspannungswicklung angeordnetem Isolierzylinder, bei welchem die grosse Durchschlagfestigkeit des Papierzylinders ausgenützt wird, indem er praktisch ohne Zwischenraum, z. B. ohne Freilassen von Kühlkanälen, an den Wicklungen anliegt und durchgehend an wenig- stens einem seiner Enden durchstetigzunehmendes
Auseinanderspreizen in eine flanschförmige, die
Oberspannungswicklunggegendas Joch isolierende
Stirn überläuft, deren Abmessung in axialer
Richtung grösser ist als die Dicke des zwischen den Wicklungen liegenden Isolierzylinderschaftes.
Ein Vorwandern von Gleitfunken längs des
Flanschrückens wird nun, wie Fig. 2 zeigt, infolge des Verschwindens der vorwärts gerichteten
Längskomponente eL in kurzer Entfernung vom
Unterspannungswicklungsende aufhören, im
Gegensatz zu der Anordnung nach Fig. 1, wo die
Gleitfunkenspitze durch eine kaum abnehmende
Längskomponente bis ans Flanschende vorge- trieben wird und sich mit einer vom Ober- spannungsschutzring aus vorwachsenden Gleit- funkenspitze zum Überschlag vereint.
'Der Rücken des gespreizten Flansches kann durch einen Metallbelag oder einen oder mehrere
Schutzringe am Ende der Unterspannungs- wicklung, soweit es die Höhe der Unterspannung gestattet, überbrückt werden.
Eine Bedingung für die volle Ausnützung der hohen Durchschlagfestigkeit des Isolierzylinders ist, dass die Wicklungen praktisch dicht an ihm anliegen, also auch ohne Zwischenlage von Stäben aus Isolierstoff zwecks Bildung von Kühlkanälen.
Ferner muss der Flansch durchgehend aus dem Material des Schaftes herauswachsen. Fugen sind, wenn sie auch nur teilweise in der Feldrichtung verlaufen, bei diesen hohen Beanspruchungen ganz unzulässig. Auch Schrägfugen sind unzulässig, weil sie in Anbetracht der geringen Gleitfunkenfestigkeit mit einer Steigung von weniger als 1/15 ausgeführt sein müssten, was praktisch nicht möglich ist, besonders wenn es sich um Isolierstoff handelt, der schwinden und sich werfen kann.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch in Fig. 3-5 dargestellt.
In dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel ist die Unterspannungswicklung 1 unter Zwischenlage einer Isolierschicht 2 unmittelbar über dem Transformatorkern 3 angeordnet ; 4 ist die Oberspannungswicklung. Zwischen der Unterspannungswicklung und der Oberspannungswicklung befindet sich der Isolierzylinder 5, welcher die Oberspannungswicklung 4 gegen das
Joch 6 flanschförmig isoliert. Die flanschförmige
Abbiegung des Isolierzylinders liegt vorzugsweise nicht direkt auf der Hochspannungswicklung auf, sondern auf einem Schutzring 7, der aus Isolier- stoff mit metallisierter Oberfläche oder auch ganz aus Metall bestehen kann. In bekannter Weise ist der Schutzring geschlitzt, damit er nicht als
Kurzschlusswindung wirkt.
Dieser Schutzring dient einerseits zur Potentialsteuerung und andererseits auch dafür, ein sattes Aufliegen des flanschförmigen Endes des Isolierzylinders und damit eine gleichmässige Pressung der Hochspannungswicklung 4 zu gewährleisten. Das flanschförmige Ende 8 des Isolierzylinders 5 ist in mehrere kreisringförmige Schichten 9 aufgeteilt, die auseinandergespreizt werden. Die Spreizung kann durch ein wellenförmiges Verbiegen dieser Schichten, d. h. durch Kreppen derselben erfolgen.
Besser bewährt haben sich eingeschobene sektorförmige Zwischenstücke 10, welche die Schichten9 voneinander distanzieren. Diese Zwischenstücke, die vorzugsweise aus demselben Isolierstoff wie der Zylinder 5 bestehen, sind in der Umfangsrichtung voneinander getrennt, wie dies im Grundriss, Fig. 5, angegeben ist. Dabei wird so vorgegangen, dass in den verschiedenen Schichten die Schlitze 11 nicht übereinanderliegen, sondern jeweils durch die darüber bzw. darunter liegenden Zwischenstücke in axialer Richtung abgedeckt werden. Die Schlitze 11 sind für die Entgasung des Isolierzylinders vorgesehen und bezwecken auch, das Eindringen von flüssigem Isolierstoff in das flanschförmige Ende 8 zu erleichtern.
Zur Vergrösserung des Kriechweges sind die Schichten 9 des Isolierzylinders über die eingefügten Zwischenstücke 10 vorstehend ausgeführt.
Um die Gefahr von Gleitdurchschlägen zu verringern, hat es sich als genügend erwiesen, die Dicke des flanschförmigen Endes 8 etwa gleich der doppelten Dicke des Isolierzylinders zwischen Ober-und Unterspannungswicklung zu nehmen. Ferner wird die Dicke der Zwischenstücke 10 vorzugsweise derart gewählt, dass die flansch- förmigen Enden 8 des Isolierzylinders den gesamten Raum zwischen der Oberspannungswicklung und dem Transformatorjoch 6 bzw. zwischen dem Schutzring 7 und dem Joch einnehmen.
Die beschriebene Bauart des Isolierzylinders erlaubt eine beträchtliche dielektrische Entlastung des im Raum 12 befindlichen Isolationsvolumens, die hauptsächlich in Öltransfbrmatoren wünschens- wert erscheint. Mittels eines axialgeschlitzten, leitenden Belages 13, der auf der von der Oberspannungswicklung abgewandten Seite des flanschförmigen Endes 8 aufgebracht und mit der Wicklung 1 leitend verbunden ist, wird der gesamte Feldverlauf an den Enden des Isolierzylinders in die Flanschen 8 verlegt.
Vermöge der resultierenden günstigen Beanspruchung, die gegen die Stirn der Flansche 8 bei genügend hoher Anzahl von Zwischenstücken 10 gleichmässig abnimmt, wird eine hohe Isolationsfestigkeit
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erreicht, weil an der Stirn nicht nur ein genügend langer Kriechweg besteht, sondern gleichzeitig die Feldstärke unterhalb des für Gleitentladungen kritischen Wertes abgesunken ist.
Wie in Fig. 4 und 5 angedeutet, können an Stelle der leitenden Schichte in den Raum 12 geschlitzte und gegeneinander isolierte oder mit einer Isolationsschicht 14 überzogene Metallringe 15 zur Potentialverteilung eingelegt werden. In diesem Falle wird auch zwischen dem Ende der Unterspannungswicklung 1 und dem Joch 6 eine reichliche, gut gesteuerte Isolation erzielt, was bei höheren Unterspannungen notwendig sein kann.
Die Herstellung der flanschartig ausgebildeten Enden 8 des Isolierzylinders 5 kann beispielsweise in der Weise erfolgen, dass der zunächst glatt gewickelte Papierzylinder an seinen Enden in axialer Richtung, lagenweise versetzt, geschlitzt wird, worauf die entstandenen Lappen umgebogen und an den Enden verleimt werden. Nach einer bestimmten Anzahl Papierlagen werden jeweils die Zwischenstücke 10 aufgeleimt. Es ist leicht zu erkennen, dass eine derartige Isolation den eingangs erwähnten Anforderungen entspricht und eine hohe Festigkeit gegen Gleitentladungen besitzt und auch gleichzeitig gefährliche Kriechwege nicht mehr existieren.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Hochspannungstransformator mit zwischen Ober-und Unterspannungswicklung angeordnetem Isolierzylinder, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierzylinder an den Wicklungen praktisch ohne Zwischenraum, z. B. auch ohne Freilassung von Kühlkanälen, anliegt, dass er ferner durchgehend an wenigstens einem seiner Enden durch stetig zunehmendes Auseinanderspreizen in eine flanschförmige, die Oberspannungswicklung gegen das Joch isolierende
Stirn übergeht, deren Abmessung in axialer Richtung grösser ist als die Dicke des zwischen den Wicklungen liegenden Isolierzylinderschaftes.
2. Hochspannungstransformator nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirn in eine hohe Anzahl scheibenförmiger Flansche durch eingebrachte Zwischenstücke aus Isolierstoff auseinandergespreizt ist und dass die in derselben Ebene zwischen die einzelnen Flansche eingebrachten Zwischenstücke in der Umfangsrichtung voneinander distanziert sind, zum Zweck, die Entgasung des Isolierzylinders und das Eindringen von flüssigem Isolierstoff in den Isolerzylinder zu erleichtern.
3. Hochspannungstransformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die flanschförmige, auseinandergespreizte Stirn im wesentlichen den gesamten Raum zwischen Oberspannungswicklung und Transformatorjoch einnimmt, wobei die Abmessung der Stirn in axialer Richtung etwa gleich der doppelten Dicke des Isolierzylinderschaftes gewählt ist.
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