COIL FOR AN AIR-COOLED DRY-TYPE TRANSFORMER

Abstract: 1. A winding for an air-cooled transformer or reactor comprising at least two winding layers and having the following structure : the innermost winding layer (1) extends continuously across the full axial length of the winding ; the winding layers (2, 3 ...) joining said innermost winding layer in radial outward direction are formed of a pair of essentially equally long sections (10, 11) which are divided in a position equal to about one-half of the axial length, said section alternatingly electrically connected or coupled to the overlying and underlying winding layer or winding sections, respectively, in their axial end and central regions ; the winding layer (s) is (are) isolated from the other concentrically positioned winding layer (s) by hollow spaces froming cooling channels (18) ; bar-shaped spacers (6, 7) are disposed in said hollow spaces so as to extend in axial direction, characterized in that distributed with a spacing around the circumference in said cooling channels (18) and extending in the axial direction, a pair of axially aligned spacer element (6, 7) are each positioned in the region of the electrical connections between the winding layers of said winding sections (10, 11), with the length of each spacer element being about 0,1 to 0,3, preferably slightly more than 0,25, of the axial length ; and that a peripheral outwardly open air channel (20) is interposed between said winding sections in a position corresponding to about one-half of the axial length.

Description: Die Erfindung betrifft eine Wicklung für einen luftgekühlten Trockentransformator oder eine entsprechende Drosselspule mit wenigstens zwei Wicklungslagen und zwischen den Wicklungslagen liegenden Kühlkanälen sowie in den Kühlkanälen in Achsenrichtung liegenden Abstandselementen. Es ist bekannt, bei sogenannten Trockentransformatoren oder ähnlich aufgebauten Drosselspulen mit Luftkühlungskanälen den Aufbau der Windungen zu einer Wicklung so vorzunehmen, dass zunächst eine innerste Wicklungslage aufgelegt wird, die auf der gesamten Wicklungsachsenlänge durchgehend ist. Am Achsenende der Spule angekommen, wird nach Auflegen der Abstandselemente für die Kühlkanäle die nächste Lage in entgegengesetzter Richtung auf der gesamten Achsenlänge aufgelegt. Dieser Vorgang bei abwechselnder Richtungsänderung wiederholt sich über die Anzahl der bei der Wicklung vorhandenen Lagen. Dieses bekannte Verfahren ist auf der linken Seite der Figur 1 schematisch dargestellt. Die mit den Zahlen 1, 2, 3, 4 bezeichneten Wicklungslagen sind dabei jeweils wechselseitig verbunden und durch Kühlkanäle bzw. Abstandselemente getrennt. Aus der Figur geht ferner hervor, dass der Spannungsunterschied zwischen den Wicklungslagen auf der der elektrischen Verbindung abgewandten Seite beträchtliche Werte annehmen kann. Dem Transformatorenbauer ist bekannt, dass aufgrund der mechanischen und elektrischen Beanspruchung ein ausreichender Sicherheitsabstand zwischen den voneinander zu isolierenden Windungen in benachbarten Windungslagen eingehalten werden muss. Weiterhin ist zu beobachten, dass mit fortschreitendem Alter des Transformators die ursprünglich hohen Isolationswerte abfallen, was teilweise durch Verschmutzung, Materialermüdung oder -veränderung oder Rissbildung verursacht werden kann. Insbesondere ist die Entstehung von Kriechstromwegen zu beobachten. Bei der konstruktiven Gestaltung wird der Transformatorenkonstrukteur im Auge behalten, dass sehr hochwertiges, hochreines Isoliermaterial, das für die Abstandselemente verwendet wird, im allgemeinen sehr alterungsbeständig ist. Dieses Material ist jedoch oft sehr kostspielig und wird durch minderes Material ersetzt, das jedoch weniger hohe Durchschlagfestigkeit und Alterungsbeständigkeit besitzt. Auf der anderen Seite ist auch die Luft als Isoliermaterial zu berücksichtigen, die in den Kühlkanälen vorhanden ist. Aus dieser Problematik folgt, dass bei dem Stand der Technik gemäss linker Seite der Figur 1 aufgrund der relativ hohen Spannungsunterschiede zwischen übereinanderliegenden Windungslagen die Isolierung eine erhebliche Rolle spielt und die Kosten dafür den Transformator erheblich verteuern können. Es stellt sich demnach die Aufgabe, eine Wicklung für einen luftgekühlten Transformator zu schaffen, bei dem die Spannungsunterschiede zwischen übereinanderliegenden Wicklungslagen in ihren Höchstwerten im allgemeinen geringer sind, so dass die Aufwendungen für Isolationsmassnahmen geringer sind als bei Wicklungen gemäss Stand der Technik. Dabei soll es trotzdem möglich sein, die lichte Weite der Kühlkanäle zu erhalten, den Aufbau der Spulen nicht zu erschweren. Diese Aufgaben werden gelöst bei einer Wicklung für einen luftgekühlten Trockentransformator, die folgende Merkmale aufweist: a) Die innerste Wicklungslage liegt auf der gesamten Wicklungsachsenlänge durchgehend; b) die nach aussen folgenden Wicklungslagen bestehen aus zwei im wesentlichen gleich langen, auf halber Achsen länge geteilten Abschnitten, die abwechselnd in Ach senend- bzw. Mittelbereich mit der darüber- und dar unterliegenden Wicklungslagen elektrisch verbunden sind. Dabei wird also je eine obere und untere, im wesentlichen spiegelsymmetrische Teilwicklung gebildet, die je über einen Aussenanschluss verfügt; beide Teilwicklungen sind innerhalb der Wicklung nur über die innerste Wicklungslage elektrisch miteinander verbunden. Dabei sei angemerkt, dass die einzelnen Stromleiter vorzugsweise aus einem monofilen Draht bestehen; es ist jedoch auch möglich, mehrere Drähte gemeinsam gleichzeitig zu wickeln, wenn höhere Leistungen angestrebt werden. Wie eine Betrachtung der rechten Seite der Figur 1 zeigt, ergeben sich vorteilhafterweise bei Verwendung der neuen Wicklung an den meistbelasteten Stellen kleinere Spannungsunterschiede, insbesondere wenn übereinanderliegende Lagen betrachtet werden. Diese Spannungsunterschiede können durch Luftisolation ausreichend getrennt werden. Für die Festlegung der Lagen sind dann zwar noch Abstandselemente erforderlich, um die mechanische Festigkeit zu erhöhen; diese Abstandselemente brauchen jedoch nicht auf der gesamten Länge der Teilwicklung angeordnet zu sein, da diese aufgrund der üblichen Verfestigung der Wicklungslagen z. B. mit Giessharz eine höhere Steifigkeit aufweisen. Zwar ist aus der DE-AS 1 270 167 eine in Giessharz eingegossene Wicklung für Transformatoren bekannt, bei der jedes Wicklungselement aus drei konzentrischen Wicklungslagen besteht, bei denen die Verbindungen zu und von den Wicklungselementen sich an den äusseren Enden der Mantelfläche des Elementes befinden, wobei die Wicklung im äusseren und mittleren Lagenkörper aus je zwei konzentrischen Halblagen, die zusammen mit der durchgehenden Lage im inneren Lagenkörper mäanderartig in Reihe geschaltet sind, besteht. Der Gegenstand der genannten DE-AS löst jedoch nicht die Aufgabe, bei luftgekühlten Transformatoren systematisch Zonen grösserer Spannung dorthin zu verlegen, wo ein Luftspalt oder -kanal Kriechstromstrecken verhindert, da schon von der Gattung der Entgegenhaltung her eine solche Lösung nicht in einem voll vergossenen Transformator eine Rolle spielen kann. Zur Erläuterung der Erfindung werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Die Figuren zeigen: Figur 1 in schematischer Gegenüberstellung Wicklungen gemäss Stand der Technik und gemäss vorliegender Erfindung mit jeweils gleicher Anzahl von Lagern; Figur 2 eine Spule mit erfindungsgemässer Wicklung im Querschnitt; Figur 3 den oberen Teil einer derartigen Spule im Längs schnitt. In der Beschreibungseinleitung war bereits auf den Stand der Technik,wie er aus der linken Spalte der Figur 1 hervorgeht, eingegangen. Bei den Spulenanordnungen gemäss Erfindung, wie sie in der rechten Spalte der Figur 1 gezeichnet sind, liegt jeweils der Kern in der Mitte. Die Figuren sind als Schemata zu betrachten. Es ist möglich, dass zwischen der beschriebenen Wicklung und dem Kern eine weitere Wicklung angeordnet ist, z.B. wie es bei einer Anordnung Kern - Unterspannungswicklung - Oberspannungswicklung üblich ist. Die innerste, in der Figur kernnächste Wicklungslage 1 liegt dabei auf der gesamten Wicklungsachsenlänge durchgehend. Dieser Gestaltung ist bei allen Beispielen die gleiche. Die nach aussen folgenden Wicklungslagen 2, 3, ... zeichnen sich dadurch aus, dass sie aus zwei im wesentlichen gleich langen, auf halber Achsenlänge geteilten Abschnitten 10, 11 bestehen, die abwechselnd im Achsenend- bzw. Mittelbereich mit der darüber- und darunterliegenden Wicklungslage über Verbindungsdrähte 12, 13 elektrisch verbunden sind. Dabei ergeben sich je eine obere und eine untere, im wesentlichen spiegelsymmetrische Teilwicklung (vgl. Bezugszahlen 10', 11'). Jede der Teilwicklungen verfügt über einen Aussenanschluss 14 bzw. 15. Innerhalb der Wicklung sind die beiden Teilwicklungen 10', 11' elektrisch nur über die innerste Windungslage miteinander verbunden. Zwischen den einzelnen Windungslagen liegen Abstandselemente 6, 7, die die Kühlkanäle mechanisch aufspannen und auch die dielektrische Belastung aushalten müssen. Geht man von der schematischen Betrachtungsweise ab und betrachtet die konkrete Ausgestaltung, wie sie aus den Figuren 2 und 3 erkennbar ist, so lässt sich der Aufbau der Wicklung deutlicher in den Einzelheiten erkennen. Die Wicklungsanordnung besteht aus einem innenliegenden Mantel 21 mit der darauf liegenden ersten Wicklungslage 1, die aus nebeneinanderliegenden Drähten, vorzugsweise aus isoliertem Kupfer- oder Aluminiumdraht besteht. Auf die erste Wicklungslage wird ein Glasfasermantel 23 im Nasswickelverfahren aufgebracht. Es handelt sich hierbei um mit Epoxidharz getränkte Glasfasern, die nach Aushärten einen mechanisch sehr festen Zylinder ergeben. Nachdem die erste Schicht ausgehärtet ist, werden Ab standselemente 6 über den Umfang verteilt und eine weitere Mantelschicht 25 aus getränkten, nicht leitenden Glasfasern aufgebracht. Die Abstandselemente werden dabei festgelegt. Anschliessend wird die nächste Wicklungslage 27 aufgewickelt. Hierauf folgt eine weitere Zwischenlage aus nichtleitendem, erhärtendem Material. Die weitere Schichtung folgt dann diesem Schema. Den Abschluss bildet ein Mantel 32 aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Die Besonderheit bei der Wicklung ist aus der Figur 3 erkennbar. Die innere Lage 1 besteht aus dicht nebeneinander liegend gewickeltem Draht, wobei sich die Lage durchgehend über die gesamte Achsenlänge erstreckt. Nach Einbringen des ersten Glasfasermantels 23 werden Abstandselemente 6 eingebracht, deren Länge vorzugsweise etwas mehr als ein Viertel der Achsenlänge der Wicklungsanordnung beträgt. Die eingelegten, übereinanderliegenden Abstandselemente überlappen sich etwas. Es können auch kürzere Abstandselemente verwendet werden. Die darauf folgende Wicklungslage 2 besteht aus zwei im wesentlichen gleich langen, auf halber Achsenlänge geteilten Abschnitten 10, 11, die im Achsenendbereich mit der darunterliegenden Wicklungslage 1 über die Verbindung 12, 13 miteinander elektrisch verbunden sind. Die Abschnitte 10 bzw. 11 werden dann bis etwa zur Mitte gewickelt, wobei sie sich spiegelsymmetrisch annähern, aber einen Luftspalt 20 etwa im Mittelbereich der Wicklungslagenanordnung freilassen. Sie sind dort mit der darüberliegenden Wicklungslage über die Drähte 29, 30 elektrisch verbunden. Anschliessend erfolgt das Wickeln der beiden zur dritten Wicklungslage gehörenden Abschnitte. Diese enden im unteren Abschnitt der Wicklung in einem Anschluss 14. Im oberen Abschnitt sind mehrere Anzapfungen vorgesehen, so dass neben dem äussersten Anschluss 15 weitere Anzapfstellen 15' gegeben sind, die, wie an sich aus der Transformatorentechnik bekannt, ein Anzapfen zum Spannungsausgleich ermöglichen. Wie ersichtlich, ist bei der gezeichneten Wicklungsanordnung der Luftspalt 20 nach aussen geführt; der äussere Mantel ist demnach nicht geschlossen. Diese Anordnung führt zu einer weiteren Verbesserung der Isolation und der Kühlung und verhindert Kriechstromstrecken. Aus der Beschreibung geht demnach hervor, dass die Abstandselemente 6 bzw. 7 nicht die gesamte Achsenlänge, sondern auf jeder Seite nur etwa ein Viertel der Achsenlänge einnehmen. Die Länge der Abstaniselemente bestimmt sich nach der mechanischen Lagenspannung; sie liegt im Bereich 1/5 ... 3/5 der halben Abschnittslänge. An den Orten grösserer Spannungsunterschiede sorgt der Luftspalt dafür, dass die übereinanderliegenden Wicklungslagen sauber elektrisch voneinander getrennt sind, also keine Kriechstromstrecken aufweisen. Weiterhin ermöglicht der in der Mitte liegende Luftspalt 20 die galvanische Trennung zwischen den beiden Wicklungsabschnitten 10', 11'. Durch die vorliegende Anordnung ist möglich, mit weniger und qualitätsmässig geringwertigerem Isolationsmaterial auszukommen, wobei die lichte Weite der Kühlkanäle sich optimal gestalten lässt und sich dadurch die Kühlleistung verbessert, ohne dass wesentliche Nachteile in Kauf genommen zu werden brauchen.

Claims: P a t e n t a n s p r ü c h e : 1. Wicklung für einen luftgekühlten Trockentransformator oder eine Drosselspule mit wenigstens zwei Wicklungs lagen und zwischen den Wicklungslagen liegenden Kühl kanälen sowie in den Kühlkanälen in Achsenrichtung liegenden Abstandselementen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) Die innerste Wicklungslage (1) liegt auf der ge samten Wicklungsachsenlänge durchgehend; b) die nach aussen folgenden Wicklungslagen (2, 3,...) bestehen aus zwei im wesentlichen gleich langen, auf etwa halber Achsenlänge geteilten Abschnit ten (10, 11), die abwechselnd im Achsenend- bzw. Mittelbereich mit der darüber- und darunterlie genden Wicklungslage elektrisch verbunden sind. 2. Wicklung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwi schen den Wicklungslagen (1, 2, 3, ...) liegende Abstandselemente (6, 7), welche nur einen Teil der Höhe der Wicklungslage einnehmen. 3. Wicklung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch An ordnung der Abstandselemente (5, 6) im Bereich der elektrischen Verbindungen zwischen den Wicklungs lagen der Teilwicklungen (10', 11'). 4. Wicklung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen kreisförmigen, sich etwa auf halber Achsenlänge be findenden peripheren Luftkanal (20) zwischen den Wicklungsabschnitten (10, 11).

Inventors: BIJLSMA, GERRIT
Applicants: SMIT TRANSFORMATOREN B.V.
Application year: 1980
Main classification: H01F27
IPC codes: H01F27