-
Lagen-Wicklung für Leistungs -Transformatoren, insbesondere für Spartransformatoren
Infolge der zunehmenden Vermaschung der elektrischen Netze werden die Kurzschlußströme
immer größer, und an die elektrischen Betriebsmittel, darunter auch Transformatoren,
werden immer höhere Anforderungen hinsichtlich ihrer Kurzschlußfestigkeit gestellt.
Bei Transformatoren für höchste Leistungen hat es sich deshalb als notwendig erwiesen,
die mittleren Wicklungslängen der konzentrisch übereinander angebrachten Ober- und
Unterspannungswicklungen annähernd gleichzumachen, da bei verschiedenen Wicklungslängen
die im überstehenden Endbereich der längeren Wicklung im Kurzschlußfall auftretenden
Kräfte zerstörerisch wirken können.
-
In Fig. 1 sind zwei konzentrisch übereinander angeordnete Wicklungen
dargestellt, wobei in üblicher Weise die dem Kein am nächsten liegende Wicklung
die Unterspannungswicklung bzw. bei Spartransformatoren die Parallelwicklung ist
und die konzentrisch darüber gewickelte die Oberspannungswicklung bzw. Reihenwicklung.
Mit 1 ist der bewickelte Schenkel, mit 2 werden die Seitenjoche bezeichnet.
5 ist die mittlere Wicklungslänge, 7 die Wicklungshöhe der inneren
Wicklung 3, 6 die mittlere Wicklungslänge, 8 die Wicklungshöhe der
äußeren Wicklung 4. Mit 9 und 10 sind die aus Gründen ausreichender
Spannungsfestigkeit erforderlichen Ab-
stände zu den Seitenjochen bezeichnet,
die nach der größten Spannung ausgelegt werden.
-
Dieses hier wiedergegebene schematische Schnittbild einer Transformatorenwicklung
stellt eine normalerweise aus Scheibenspulen hergestellte Zylinderwicklung dar und
ist, da beide Spulen gleiche Wicklungslänge besitzen, optimal kurzschlußfest.
-
Eine bessere Raumausnutzung zeigt eine ebenfalls bekannte und übliche
Anordnung in Fig. 2 a, in der die innere Unterspannungswicklung wegen ihrer kleineren
Spannung verlängert und näher an die Seitenjoche herangezogen ist. Andererseits
treten hier wegen der verschiedenen Wicklungslängen größere von den Streuflüssen
herrührende resultierende Kräfte auf, die die Kurzschlußfestigkeit in Frage stellen.
-
Bei Transformatoren für höchste Spannungen bietet die Ausbildung der
OS-Wicklungen als Lagenwicklungen erhebliche Vorteile. Insbesondere die Einzellagenschaltung,
die auch als »umgeleitete Lagenwicklung« bezeichnet wird und bei der alle Lagen
den gleichen Wickelsinn haben, indem durch außenliegende Umleitungen der Strom jeweils
am gleichen Ende aller Lagen zu- bzw. abgeführt wird, verlangt erheblich kleinere
Lagenabstände als die Doppellagenschaltung, die fortlaufend gewickelt wird, weil
zwischen zwei Lagen die einfache Lagenspannung auftritt. Eine weitere Platzersparnis
bei Wicklungen mit Außeneingang ergibt sich, wenn die Lagenlängen von innen nach
außen gestaffelt werden, so daß die äußerste Lage mit der größten Spannung den größten
und die innerste Lage den kleinsten Jochabstand aufweist. Wenn hierbei die Lagenisolation
umgerissen wird, was nur bei dieser gestaffelten Ausführung möglich ist, können
sehr kleine spannungssichere Jochabstände eingehalten werden.
-
Hierbei kann der zur Verfügung stehende Platz elektrisch optimal ausgenutzt
werden, da die einzelnen Lagenlängen entsprechend ihres Potentials von innen nach
außen abgestuft werden, so daß der spannungsbeanspruchte Jochabstand genau dem Potential
der jeweiligen Lage angepaßt werden kann. Außerdem kann der kleinste aus Spannungsgründen
wählbare Jochabstand 10 der Oberspannungswicklung deswegen bei Anordnungen
nach Fig. 2b
kleiner gewählt werden als bei Fig. 2 a, weil hier die Isollerbarrieren,
insbesondere die umgerissene Isolation, die beanspruchte Ölstrecke besser unterteilen
und gut mit dem Potentiallinienverlauf übereinstimmen.
-
Bei Transformatoren für höhere und höchste Spannungen mit kleinerem
übersetzungsverhältnis, die heute infolge der starren Stempunktserdung vorteilhaft
als Spartransformatoren ausgeführt werden können, weist die dem Kein nächste Unterspannungswicklung
bzw. Parallelwicklung auch eine große
Windungszahl auf, die man
wegen der obengenannten Vorteile ebenfalls zweckmäßig als abgestufte Lagenwicklung
mit Außenumleitungen ausführen möchte. Es ergeben sich dabei für die Wicklungen
trapezförmige Querschnitte, wobei die äußeren schrägen Lagenbegrenzungslinien beider
Wicklungen etwa in einer Linie liegen, wie in Fig. 2b dargestellt. Diese
Anordnung ergibt in elektrischer Hinsicht optimale Verhältnisse, kann jedoch in
der Praxis deswegen nicht ohne weiteres ausgeführt werden, weil wegen der unsymmetrischen
Kräfteverteilung infolge der unterschiedlichen mittleren Wicklungslängen die erforderliche
Kurzschlußfestigkeit nicht mehr gewährleistet ist. Man hat sich dadurch geholfen,
daß nur die äußere Wicklung als umgeleitete Lagenwicklung mit den genannten Vorteilen
ausgeführt wurde, während die innere Wicklung eine entgegengesetzte Ab-
stufung
von außen nach innen erhalten hat.
-
Fig. 3 zeigt diese Lösung, mit der in letzter Zeit versucht
wurde, die Vorteile der Lagenwicklung ohne Aufgabe von Kurzschlußfestigkeit wenigstens
teilweise wahrzunehmen. Die Oberspannungs- bzw. Reihenwicklung4 ist hier in der
günstigsten Form der Lagenwicklung mit umgerissener Isolation 13 und Außenumleitungen
14 dargestellt. Hingegen ist, um gleiche mittlere Wicklungslänge und beste Kurzschlußfestigkeit
zu erhalten, die innere Unterspannungswicklung bzw. Parallelwicklung3 entgegengesetzt
abgestuft, wobei der dreieckige Querschnitt11 zur Stützung der Wicklung mit Isolierstoff
ausgefüllt wird. Bei dieser Form der Wicklung sind naturgemäß keine Außenumleitungen
möglich, es muß fortlaufend gewickelt werden, und für die auftretende doppelte Lagenspannung
ist eine verstärkte Lagenisolation nötig. Bei einer Lagenwicklung für Leistungstransforinatoren,
insbesondere für Spartransformatoren ' bei denen die konzentrisch angeordneten
Ober- und Unterspannungswicklungen in gleicher Richtung kontinuierlich abgestuft
sind, wird nun eine ausreichende Kurzschlußfestigkeit erfindungsgemäß dadurch erreicht,
daß die Ampere-Windungsdichte im Endbereich jeder Lage der längeren Wicklung von
der Ampere-Windungsdichte im Mittelbereich der betreffenden Lage abweicht. Durch
eine bestimmte Zone verdünnter Ampere-Windungsdichte in den Endbereichen der längeren
Wicklung erhält die effektive mittlere Wicklungslänge der längeren Wicklung etwa
die gleiche Größe wie die der kürzeren Wicklung, wodurch die unsymmetrischen Kräftekomponenten
reduziert werden und die Wicklungen die geforderte Kurzschlußfestigkeit erhalten.
Diese gewünschte, für die Ausnutzung der genannten Vorteile erforderliche, in gleicher
Richtung abgestufte Form der Wicklungen bei gleicher effektiver Wicklungslänge kann
nach der Erfindung auf mehreren Wegen erreicht werden.
-
An Hand der Zeichnungen seien die Vorteile der Erfindung und zwei
Ausführungsbeispiele erläutert. Die Figuren geben Schnitte durch das Kernfenster
wieder, wobei Fig. 3 bis 5 nur den interessierenden Endbereich der
Wicklungen zeigt.
-
In der Anordnung nach Fig. 4 werden in jeder Lage der inneren Wicklung3
isolierte, jedoch nicht stromführende abgestufte leitende Elektroden 15 eingewickelt,
so daß eine gleichmäßig abgestufte, in Verlängerung der Flanke der Außenwicklung4
befindliche Wicklungsflanke entsteht. Die Lagenisolationen werden bis zu dieser
schrägen Flanke hinausgeführt und dann umgerissen; die Lagenzuleitungen werden an
dieser Stelle umgeleitet.
-
Diese Lösung bietet die folgenden Vorteile: Da jetzt auch in der Innenwicklung
3 nur einfache Lagenspannungen auftreten, kann die Isolation vermindert werden
und es tritt bei beiden Wicklungen eine Einsparung im Umfang ein. Durch die umgerissenen
Lagenisolationen beider Wicklungen ist die freie spannungsbeanspruchte Strecke zwischen
Wicklungsflanken und Jochen elektrisch unterteilt, so daß die Jochabstände ganz
wesentlich vermindert werden können. Diese Isolation und die parallelliegenden Lagenumleitungen
liegen in diesem Gebiet praktisch im Verlauf der Äquipotentiallinien, so daß keine
besondere Spannungsbeanspruchung in Längsrichtung an ihnen auftritt und sie andererseits
das Feld nicht stören. Dadurch können die Jochabstände verkleinert werden, wodurch
weiterer Wicklungsraum gewonnen wird.
-
Fig. 5 gibt ein weiteres Beispiel der Erfindung wieder. Hier
befindet sich im Endbereich der längeren Wicklung 3 ein amperewindungsverdünnter
Querschnitt 15, der z. B. durch Zwischenlage von Preßspanstreifen zwischen
den Windungen oder durch Verwendung eines größeren Kupferprofils gewonnen wird.
Die geometrischen Abmessungen dieses amperewindungsverdünnten Querschnitts ergeben
sich aus der Bedingung etwa gleicher mittlerer Wicklungslänge bei beiden Wicklungen,
d. h., er ist etwa spiegelbildlich symmetrisch zu einer an der Stelle der
mittleren Wicklungslänge der kürzeren Wicklung gedachten Symmetrieachse
S angeordnet. Bei dieser Wicklungsart können die Vorteile der Lagenwicklung
mit umgerissener Lagenisolation und Außenumleitungen voll ausgenützt werden, und
dabei ist infolge der gleichen effektiven mittleren Wicklungslängen beider Wicklungen
eine optimale Kurzschlußfestigkeit vorhanden.
-
Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme können sowohl die Lagenabstände
als auch der Jochabstand9 der inneren Wicklung und damit auch der Jochabstand
10 der äußeren Wicklung kleiner gehalten werden, so daß im Endeffekt schließlich
eine erhebliche Einsvarung an Wickelraum die Folge ist. Besonders ausgeprägt zeigt
sich der Gewinn bei Transformatoren in Sparschaltung, da bei diesen die Wicklungen
praktisch ohne Isolation aufeinandergewickelt werden können.
-
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Möglichkeit, die
Potentiale aller Lagenenden durch die Lagenumleitungen nach außen zu bringen, wo
sie für Stoßspannungsverteilungsmessungen zugänglich sind, aber auch zur Steuerung
des Feldes, insbesondere im Gebiet zwischen Fenster und Kesselwand, benutzt werden
können. Im horizontalen Verlauf der Umleitungen, wo diese aus der Lage kommend die
Enden der übrigen Lagen überkreuzen, dienen die Barrieren der umgerissenen Isolation
als Äquipotentialhüllen, so daß an diesen Stellen die Isolationsfestigkeit besonders
hoch ist. Dieser Effekt wird erhöht durch verstärkte Isolation der Umleitungen an
den Kreuzungsstellen.
-
Die Erfindung bringt für den Bau von Grenzleistungstransformatoren
höchster Spannung besondere wirtschaftliche Effekte. Sie verbindet die
Mög-
lichkeit der optimalen Hochspannungsdimensionierung mit optimaler Ausnützung
bei gleichzeitiger
Berücksichtigung der Forderung nach ausreichender
Kurzschlußfestigkeit und gestattet die Unterbringung einer größeren Leistung im
durch das Bahnprofil begrenzten Raum.