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Wicklungsanordnung für Hochspannungs-Leistungs -Transformatoren Die
Erfindung bezieht sich auf eine Wicklungsanordnung für Hochspannungs-Leistungs-Transformatoren
mit längs der Scheibenspulenhochspannungswicklung verlaufenden isolierten elektrostatischen
Abschirmleitern. Diese dienen bekanntlich zum Schutz der Spulenivicklung gegen Stoßspannungen
durch Verteilung des Stoßspannungspotentials.
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Es ist bereits bekannt, elektrostatische Abschirmleiter als zylindrische,
in Richtung der Wickelachse sich erstreckende und sich zickzackförmig teilweise
überlappende metallische Kapazitätsbeläge innerhalb eines zwischen Röhrenwicklungen
angeordneten Isolierzylinders beiderseits von Teilen der zu steuernden M'icklung
anzuordnen. Diese Abschirmung benötigt einen erheblichen Raumaufwand und ist deshalb
für Hochspannungs-Leistungs-Transformatoren nicht anwendbar. Bei diesen hat man
ringförmige Abschirmungen in Form eines Metallzylinders, der mit dem Wicklungseingang
leitend verbunden und an der Spuleninnenseite einer Scheibenspule oder Doppelscheibenspule
angeordnet ist, verwendet. Diese Abschirmung ist gegen die Unterspannungswicklung
bzw. den Kern gerichtet, wobei aber auch die Abschirmung am Außenumfang der Spule
angeordnet ist, wenn die größte Erdkapazität auf der Außenspulenseite vorhanden
sein sollte. Die außerhalb der Spulen liegenden Abschirmmittel benötigen aber besondere
Halterungen. Man hat deshalb die Abschirmleiter in einen die Scheibenspulen innen
bzw. außen konzentrisch umgebenden Isolierzylinder eingebettet und die Abstände
der ringförmigen Beläge durch eine zweite Schicht versetzt angeordneter, ebenfalls
ringförmiger Abschirmbeläge überdeckt, so daß die beiden Abschirmbeläge in zwei
konzentrischen zylindrischen Ebenen innerhalb des Isolierzylinders liegen. Bei dieser
Anordnung weist aber der Abschirmleiter ein von dem Potential der Spulenwindungen
beträchtlich verschiedenes Potential auf, so daß deshalb die Dicke der Isolierung
der Abschirmleiter vergrößert werden muß, wodurch aber einer an sich erwünschten
Erhöhung der Kapazitätswerte entgegengewirkt wird, abgesehen von dem weiteren Nachteil,
daß das Gesamtvolumen des Hochspannungs-Transformators unerwünscht vergrößert wird.
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Es ist auch bereits eine elektrostatische Abschirmung aus dünnem,
mit seiner Breitseite in Richtung der Wicklungsachse liegendem Kupferband bekannt,
die als leer laufende Schirmwicklung in die Isolation zwischen einen Grob- und einen
Feinstufenteil eine-Transformatorregelwicklung eingebracht ist und auch als mehrfach
quer zur Längsachse geschlitzter Metallzylinder ausgebildet sein kann. Die demgemäß
vorgeschlagene Verwendung eines einzigen Schirmes zur Potentialsteuerung von Stoßspannungen
könnte bei Scheibenspulen nur eine Anwendung ähnlich der bereits vorervrähnten mit
den gleichen Nachteilen dieser finden.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, den statischen Abschirmeffekt
an Hochspannungs-Leistungs-Transformatoren mit einer Scheibenspulenhochspannungswicklung
bei einem Minimum der Isolierung zu verbessern, so daß die Gesamtabmessungen des
abgeschirmten Hochspannungs-Transformators kaum größer sind als diejenigen eines
nicht abgeschirmten Transformators gleichen Typs.
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Die Erfindung besteht darin, daß in einer oder in beiden Spulen von
Doppelscheibenspulen zwischen benachbarten Spulenwindungen der Breite der Scheibenspule
entsprechend breite bandförmige Abschirmleiter entlang den Windungen des Spulenleiters
in einer dem Kapazitätswert entsprechenden Länge angeordnet sind und daß die Abschirmleiter
ein Potential etwa gleich demjenigen der benachbarten Spulenleiter aufweisen. Die
erfindungsgemäße Abschirmung setzt einen Transformatoraufbau aus Scheibenspulen
voraus, wobei der bandförmige Abschirmleiter nunmehr die Scheibenspule nicht wie
bisher einseitig als Zylinder umgibt, sondern zwischen zwei benachbarten Windungen
des Spulenleiters einer Scheibenspule nach beiden Seiten hin wirksam eingewickelt
ist. Wenn eine Vergrößerung der Kapazität erforderlich ist, kann die Länge des Abschirmleiters
entsprechend vergrößert werden, so daß der Abschirmleiter demzufolge über mehr als
eine Windung eingewickelt wird. Dabei
befindet sich aber, auch wenn
der Abschirmleiter kapazitätsmäßig vergrößert wird, seine gesamte Länge auf ein
und derselben Scheibenspule, so daß die Spannungsdifferenz zwischen dem Abschirmleiter
und dem Spulenleiter auf jeden Teil der Länge des Abschirmleiters sehr gering gehalten
werden kann. Die Dicke der Isolation, die den Abschirmleiter umgibt, kann somit
ebenfalls gering sein und dementsprechend die Kapazität zwischen dem Abschirmleiter
und dem Spulenleiter zunehmen. Es besteht also eine gewisse Wechselwirkung zwischen
dem Einwickeln des Abschirmleiters auf eine bestimmte Länge zum Zwecke der Frhöhung
der Kapazität und der dadurch möglichen Verringerung der Dicke der Isolation. die
wiederum eine Erhöhung der Kapazität zur Folge hat.
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Die Vorteile, die durch die Erfindung erreicht werden, bestehen somit
darin, daß die Isolation für die Abschirmleiter wesentlich dünner als bisher gemacht
werden kann, so daß das Volumen des abgeschirmten Transformators gegenüber früheren
Ausführungsformen verringert wird. Als Folge der Verringerung der Dicke der Isolation
für die Abschirmleiter erhöht sich die statische Kapazität zwischen dem Abschirmleiter
und dem Spulenleiter beträchtlich und damit auch der statische Abschirmeffekt. Schließlich
sind auch keine zusätzlichen Mittel für das Halten des Abschirmleiters notwendig,
wodurch die Konstruktion des Transformators sich einfacher gestaltet.
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Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung in mehreren Ausführungsbeispielen
dargestellt, und zwar zeigen Fig. 1 bis 5 verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Abschirmung an Scheibenspulenhochspannungswicklungen, Fig. 6 die Kapazitätsverteilung
bei einer unabgeschirmten Transformatorwicklung in schematischer Darstellung und
Fig. 7 die Kapazitätsverteilung bei einer erfindungsgemäß abgeschirmten Transformatorw
icklung in schematischer Form.
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Gemäß den Fig.1 bis 5 besteht die Hochspannungswicklung aus in Reihe
geschalteten Doppelscheibenspulen. Die Außenwindungen der ersten Doppelscheibenspule
sind mit 1 und 3 und die Außenwindungen der in Reihe geschalteten zweiten Doppelscheibenspule
mit 5 und 7 übereinstimmend bezeichnet. Die Spulenwindungen der ersten Scheibenspule
sind von außen nach innen mit 1, 2 und 19, diejenigen der zweiten Scheibenspule
mit 3. 4 und 20, diejenigen der nächsten Scheibenspule mit 5, 6 und 21 und diejenigen
der darauffolgenden Scheibenspule mit 7, 8 und 22 bezeichnet. Es schließen sich
weitere Scheibenspulen, die nicht mehr gezeichnet sind, an. Die Spulenleiterwindung
1 steht mit der Hochspannungsklemme 13 in Verbindung. Der Kern des Transformators
ist mit 14 bezeichnet. Die in die Scheibenspulen eingewickelten Absehirmleiter sind
mit 9 bis 12, 15 bis 18, 23 bis 26 und 23' bis 26' bezeichnet.
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Gemäß der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Wicklungsanordnung
sind für jede Doppelscheibenspule zwei Abschirmleiter 9, 10; 11, 12 zwischen der
äußersten Windung 1, 3; 5, 7 und der nächstfolgenden inneren Windung 2, 4; 6, 8
jeder Spule der Doppelscheibenspulen eingewickelt, wobei die beiden Abschirmleiter
9. 10 der ersten Doppelscheihenspule und ebenso die beiden Abschirmleiter 11, 12
der zweiten Doppelscheibenspule miteinander elektrisch verbunden sind.
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Die Fig. 2 zeigt ein abgeändertes Ausführungsbeispiel, bei welchem
je Doppelscheibenspule nur ein Abschirmleiter 10 bzw. 12 jeweils in deren zweite
Scheibenspule zwischen der äußersten Windung 3 bzw. 7 und der nächstfolgenden inneren
Windung 4 i bzw. 8 eingewickelt und mit der äußeren Spulenwindung 1 bzw. 5 der jeweils
ersten ohne Abschirmleiter gewickelten Spule elektrisch verbunden ist.
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Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel ist gegenüber demjenigen
nach Fig.1 nur durch die Anordnung der Außenabschirmwindungen 15 bis 18 abgeändert,
wobei analog dieAußenwindungen 15 und 16 und ebenso. die Außenwindungen 17 und 18
elektrisch miteinander verbunden sind. Bei dieser Ausführungsform ist der Abschirmleiter
somit in zwei Windungen, von denen die erste den äußeren Spulenleiter umgibt, gewickelt.
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Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem zur Erzielung eines
höheren Kapazitätswertes je eine dritte Windung, die mit 23 bis 26 bezeichnet ist,
zwischen den benachbarten Spulenwindungen 2, 19 bzw. 4, 20 bzw. 6, 21 bzw. 8, 22
in jede Scheibenspule eingewickelt ist. Analog sind die Abschirmleiterw indungen
23 und 24 und 25 und 26, ebenso diejenigen der anderen Windungslagen elektrisch
miteinander verbunden.
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Das in Fig. 5 dargestellte weitere Ausführungsbeispiel zeigt zunächst
die Anordnung je einer vierten Abschirmleiterwindung, die mit 23' bis 26' bezeichnet
ist. Die eingewickelten Abschirmleiterwindungen 15, 9, 23, 23' der ersten Scheibenspule
und die Abschirmleiterwindungen 16, 10, 24, 24' der zweiten Scheibenspule sowie
die Abschirmleiterwindungen 17, 11, 25, 25' der nächstfolgenden Scheibenleiterspule
und die Abschirmleiterwindungen 18, 12, 26, 26' der zuletzt gezeichneten Scheibenspule
sind je untereinander elektrisch verbunden und stehen jeweils mit der äußeren Spulenleiterwindung
der benachbarten Spule ihrer Doppelscheibenspule in leitender Verbindung. Die Abschirmleiterwindungen
der ersten Spule sind mit der äußeren Spulenleiterwindung 3 und diejenigen der zweiten
Spule mit der äußeren Spulenleiterwindung 1 und ebenso diejenigen der in Reihe geschalteten
Doppelseheibenspule mit den äußeren Spulenleiterwindungen 7 bzw. 5 verbunden.
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Entweder müssen blanke oder isolierte Abschirmleiter gewählt werden.
Dies richtet sich nach der Isolierfestigkeit der Leiterumhüllung, z. B. ob die elektrische
Festigkeit der Isolierung der Leiter 1 und 3 und dem Spannungsunterschied dieser
Leiter genügen kann oder nicht. Bei den Flachspulen, die ungefähr einen in den Zeichnungen
gezeigten Wicklungsraum haben, genügt es, einen dünnen Kupferstreifen von ungefähr
0,8 mm Stärke oder mit einer entsprechend dünnen Isolierhülle versehen zu verwenden,
so daß die Breite jeder zur Aufnahme des Abschirmleiters notwendigen Windungslage
nicht wesentlich größer wird. Obwohl in den bisher erwähnten Figuren nur einige
der Hochspannungsklemme benachbarte Spulenlagen mit der erfindungsgemäßen Abschirmung
versehen wurden, wird darauf hingewiesen, daß ähnliche Anordnungen auch für entferntere
Spulenlagen getroffen werden können.
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Bei einem unabgeschirmten Transformator, also ohne die Abschirmleiter
9, 10, 11 und 12 (Fig. 1), kann die Spannungsverteilung in den Wicklungen im Augenblick
des Auftreffens einer Stoßspannung auf die Hochspannungsklemme 13 durch einen Verteilungszustand
der Kapazität gegen Erde und der Kapazität zwischen benachbarten Windungen wie in
Fig.6 dargestellt zugrunde gelegt werden. Hier bezeichnet
Cl die
Kapazität der innersten Windung jeder Scheibenspule gegen Erde, C, die Kapazität
der äußersten Windung jeder Scheibenspule gegen Erde, K1 die Kapazität zwischen
benachbarten Windungen einer Scheibenspule und K2 die Kapazität zwischen den gegenseitigen
Windungen der Windungslagen einer Doppelscheibenspule. Die Spannung einer ankommenden,
auf die Wicklung treffenden Stoßwelle verteilt sich auf das aus Kapazitäten bestehende
Kettengebilde nach bekannten Gesetzen. Man weiß, daß der Verlauf der Endspannungsverteilung
beim Auftreffen einer Stoßwelle von dem Verlauf der Anfangsspannungsverteilung abweicht
und daß die Differenzfläche beider Spannungskurven möglichst verkleinert werden
muß, um die Amplituden der Ausgleichsschwingungen zwischen den benachbarten Windungen
bzw. den benachbarten Spulen der Wicklung kleiner zu machen. Daß man dies durch
Beeinfluss,ung der gegenseitigen Kapazität benachbarter Spulen, nämlich wenn man
diese größer macht, erreichen kann, ist ebenso bekannt.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen elektrostatischen Abschirmungsanordnung
ist am Ausführungsbeispiel der Fig. 1 in der Fig. 7 schematisch dargestellt.
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Die zwischen die Spulenleiter eingewickelten Abschirmleiter 9 bis
12 dienen der Steuerung der Anfangsspannungsverteilung, indem sie die gegenseitige
Kapazität K? in Fig. 6 durch die Hinzufügung der Teilkapazitäten K., die in beiden
Scheibenspulen einer Doppelscheibenspule gegenüber den beiden Abschirmleitern 9
und 10 vorhanden sind, vergrößern. Da die Abschirmung kapazitiv auch gegenüber den
inneren Windungen wirksam ist, wird gleichzeitig die Kapazität der Spulenleiterwindungen
1 und 3 gegenüber dem Kern14, also gegen Erde verringert. Durch diese zweifache
Kapazitätsbeeinflussung läßt es sich erreichen, daß die Differenzfläche zwischen
den Spannungskurven der Anfangs- und Endspannungsverteilung sehr klein wird und
der Verlauf der Spannungsverteilungen nahezu, ja sogar völlig übereinstimmt.
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Eine Erhöhung der gegenseitigen Kapazität und Verringerung der Kapazität
gegen Erde wird analog auch durch die in den Fig. 2 bis 5 dargestellten Ausführungsformen
erreicht. Bei derjenigen nach Fig.4 wird, wie Messungen ergeben haben, eine beträchtliche
Erhöhung der gegenseitigen Kapazität zwischen den Spulenleitern 1 und 3 erreicht.
Ferner ist allen Ausführungsformen gemeinsam, daß der Abschirrnleiter ein Potential
etwa gleich demjenigen der benachbarten Spulenleiter aufweist und daß der bandförmige
Abschirmleiter nur aus einem dünnen, nur wenige Millimeter starken Kupferbandstreifen
mit einer nur wenige Millimeter starken Isolation zu bestehen braucht, so daß die
dadurch bedingte Vergrößerung des Spulendurchmessers praktisch v ernachlässigbar
ist. Der bandförmige Abschirmleiter läßt sich in der dem Kapazitätswert entsprechenden
Länge im gleichen Arbeitsgang zwischen die Spulenwindungen einwickeln, so daß die
für die Abschirmung aufzuwendenden Herstellungskosten nur wenige Prozent oder sogar
Bruchteile eines Prozents der Kosten der früheren Abschirmanordnungen betragen.