[0001] Die Erfindung betrifft Scheibenspulenwicklungen aus ineinandergewickelten Einzel-
oder Doppelspulen, in denen die Isolierung der außenliegenden Windungen gegenüber
der inneren bzw. der äußeren Mantelfläche der Wicklung im Vergleich zur Normalisolierung
des Wickelleiters verstärkt ist.
[0002] Einfache Scheibenspulenwicklungen weisen eine nicht lineare Stoßspannungsverteilung
in axialer Richtung längs der einzelnen Spulen auf, so daß bei Belastung mit Spannungsstößen
zwischen zwei benachbarten Spulen Durchschläge auftreten können.
[0003] Durch die DE-PS 975 856 ist es bekannt, daß durch Ineinanderwickeln der Spulen eine
viel gleichmäßigere Stoßspannungsverteilung erzwungen wird, durch die Durchschläge
weitgehend verhindert werden. Ausführungsbeispiele für ineinandergewickelte Scheibenspulen
zeigen die Fig. 1 und die Fig. 2 im Querschnitt. Dabei ist Fig. 1 ein Beispiel für
zwei ineinandergewickelte Einzelspulen und Fig. 2 ein Beispiel für ein Paar von ineinandergewickelten
Doppelspulen. Die Windungen dieser Scheibenspulen werden in der Reihenfolge der in
sie eingetragenen Ziffern vom Laststrom durchflossen.
[0004] Die Scheibenspulen werden aus jeweils zwei beim Wickelvorgang gleichzeitig und räumlich
parallel zueinander zugeführten Wickelleitern gewickelt. Anschließend werden die innerhalb
der einzelnen Scheibenspulen liegenden Wickelleiterabschnitte durch Zusammenlötungen
elektrisch so hintereinandergeschaltet, daß die Windungen entsprechend der Reihenfolge
ihrer Ziffern vom Hochspannungsanschluß und damit auch von der Einleitstelle der Stoßspannungsimpulse
entfernt sind. Entsprechend sinkt mit steigender Windungskennziffer die Spannung gegen
Erdpotential. Die Windungskennziffern können also auch als Mehrfaches der Windungsspannung
gegenüber dem Wicklungseingang angesehen werden. Der Spannungsabfall bei einmaligem
Durchgang durch eine Scheibenspule wird als Zweigspannung bezeichnet, die längs des
Leiters auftritt. Dementsprechend liegt bei einer Einzelspulenwicklung zwischen einander
benachbarten Windungen die einfache und bei einer Doppelspulenwicklung zwischen den
Windungen die zweifache Zweigspannung an. Die Einzelspulenschaltung wird daher bei
höheren Stoßspannungsbeanspruchungen bevorzugt.
[0005] Leider haben jedoch auch die bekannten ineinandergewickelten Scheibenspulenwicklungen
ihre Nachteile. Diese liegen in der erhöhten Windungsbeanspruchung, da statt der bei
nicht ineinandergewickelten Doppelspulen auftretenden einfachen Windungsspannung die
ein- oder mehrfache Zweigspannung zwischen einander benachbarten Windungen auftritt,
die bei Stoßvorgängen ein Mehrfaches vom linear errechneten Wert beträgt. Dadurch
sind Vorentladungen in oder zwischen den Scheibenspulen nicht ausgeschlossen. Die
Windungsisolierung wird daher bei ineinandergewickelten Spulen gegenüber einfachen
Spulen zwar so verstärkt, daß kein Windungsdurchschlag eintritt, Vorentladungen an
den Windungskanten werden jedoch in Kauf genommen. Ein Teil der durch das Ineinanderwickeln
gewonnenen Längskapazität geht dadurch wieder verloren.
[0006] Analog zu den Eingangswindungen der Anordnung gemäß der DE-PS 22 46 398, die sich
auf eine Lagenwicklung bezieht, sind nun in bisher ausgeführten Scheibenspulenwicklungen
zum Schutz gegen die Vorentladungen durch das Auftreten der Randfelder die an der
inneren und/oder der äußeren Mantelfläche der Wicklung liegenden Windungen verstärkt
isoliert worden. Nachteilig ist bei der Auslegung der verstärkten Isolierung unter
diesem Gesichtspunkt jedoch, daß entweder wiederum die Längskapazität verringert wird
oder daß eine Schwachstelle in der Isolierung durch eine kumulierende Wirkung der
Zweigspannung zwischen den beiden ganz innen oder ganz außen in einer Scheibenspule
benachbarten Windungen mit der Zweigspannung gegenüber anderen Scheibenspulen entsteht.
So werden Vorentladungen zwar am Spulenrand, nicht aber zwischen den Windungen vermieden.
[0007] Dies ergibt sich aus der Problematik der Längsfestigkeit von ineinandergewickelten
Spulenwicklungen. Durch das Ineinanderwickeln wird die Stoßspannungsdifferenz zwischen
zwei Nachbarspulen soweit reduziert, daß zwischen ihnen, bei gegenüber nicht ineinandergewickelten
Spulen insgesamt verstärkten Leiterisolierungen, kein Durchschlag stattfindet. Steigert
man die Spannung aber weiter, so erfolgt ein Längsüberschlag über mehrere Spulen hinweg
vor dem Durchschlag zwischen zwei benachbarten Windungen oder Spulen.
[0008] Die Ursache derartiger Längsüberschläge ist bisher umstritten. Gemäß einer vorherrschenden
Meinung wird die Ölfeldstärke an den Außenkanten der beiden Randwindungen einer Scheibenspule
gegenüber weiteren Spulen als Ursache derartiger Entladungen vermutet. Aus diesem
Grund wurden diese Windungen analog zu der Anordnung gemäß der DE-PS 22 46 398 verstärkt
isoliert oder die Wickelleiterisolierung durch Kantenschutzwinkel verstärkt. Trotz.dieser
Maßnahmen erfolgten aber bei Steigerungen der Prüfspannung über die Nennspannung hinaus
Längsüberschläge zunächst längs der äußeren Mantelfläche zu einer weiter vom Eingang
entfernt liegenden Spule. Dies wird auch durch die Kantenschutzwinkel nicht verhindert.
[0009] Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Verstärkung der Leiterisolierung
unter Beachtung der Wirtschaftlichkeit und unter Bewahrung der durch das Ineinanderwickeln
erreichten hohen Lärigskapazität s
'o zu wählen, daß Vorentladungen sowohl zwischen einander benachbarten Windungen als
auch zwischen verschiedenen Scheibenspulen bei der vorgesehenen Prüfspannungen ausgeschlossen
sind.
[0010] Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe beruht auf der Annahme, daß die hohe Feldstärke
zwischen Nachbarwindungen einen Beitrag zur Ursache des Längsüberschlages gibt, wenn
die Spannung zwischen den beiden radial am weitesten innen oder außen liegenden Windungen
einer Scheibenspule sich mit der axial verlaufenden Spannung längs mehrerer Scheibenspulen
gleichgerichtet überlagert. Dies ist insbesondere an den Randbereichen innen und außen
an den Scheibenspulen der Fall. Dagegen nimmt im radial mittleren Bereich der einzelnen
Scheibenspulen die Spannung von Windung zu Windung nicht monoton zu, sondern abwechselnd
zu und ab, so daß es hier nicht zu Querüberschlägen kommt. Daher ist es möglich, in
diesem Bereich die Leiterisolierung schwächer zu gestalten.
[0011] Die obengenannte Aufgabe wird demzufolge erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens
in den am Wicklungseingang liegenden Spulen ausgehend von der inneren und der äußeren
Mantelfläche mindestens je zwei Windungen mit Zusatzisolierungen ausgerüstet sind,
die mindestens eine hochbeanspruchte Kante dieser Windungen winkelförmig umfassen
und daß die Windungskapazität zwischen von Zusatzisolierungen freien Windungen gegenüber
der Windungskapazität von mit Zusatzisolierung ausgerüsteten Windungen erhöht ist.
Aus Gründen einfacher Fertigung können dabei mehr als zwei, insbesondere alle, Windungen
der am Wicklungseingang liegenden Spulen mit Zusatzisolierungen ausgeführt werden,
deren Dicke bis Null an den vom Eingang entfernteren Spulen abnimmt.
[0012] Nach zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung ist zwischen den jeweils an der inneren
bzw. äußeren Mantelfläche liegenden Windung und der jeweiligen Nachbarwindung zusätzlich
zur Zusatzisolierung je ein axialer Kühlkanal angeordnet. Die Zusatzisolierung kann
aus einer allseitig, die Windungen umgebenden Papierumbandelung, aus U
~ oder aus winkelförmigen Preßspanabdeckungen bestehen.
[0013] Nach vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung nimmt bei an der inneren Mantelfläche
der Wicklung liegenden Windungen die Zusatzisolierung der Reihe nach an den Stellen
unten außen, unten innen und oben innen ab und bei der Nachbarwindung der Reihe nach
unten innen und oben innen ab. Dabei bedeutet unten in Richtung auf Erdpotential und
oben in Richtung auf den Hochspannungseingang. Entsprechend nimmt vorteilhafter Weise
bei an der äußeren Mantelfläche der Wicklung liegenden Windungen die Isolationsverstärkung
der Reihe nach an den Stellen oben innen, oben außen, unten innen ab und bei der Nachbarwindung
der Reihe nach oben außen und unten außen ab, wobei wiederum unten in Richtung auf
Erdpotential und oben in Richtung auf den Hochspannungseingang bedeutet.
[0014] Nach weiteren Ausgestaltungsmerkmalen der Erfindung sind die an der inneren Mantelfläche
der Wicklung liegenden Windungen an der unteren Außenkante und ihre jeweilige Nachbarwindung
an der unteren Innenkante mit einem zusätzlichen Isolierwinkel verkleidet und sind
entsprechend die an der äußeren Mantelfläche der Wicklung liegenden Windungen an der
oberen Innenkante und ihre jeweilige Nachbarwindung an der oberen Außenkante mit einem
zusätzlichen Isolierwinkel verkleidet und sind die
' Windungen im übrigen gleich den Windungen im mittleren Teil der Scheibenspulen isoliert.
Dabei weisen die . mittleren Windungen in den einzelnen Scheibenspulen vorteilhafter
Weise einen gemeinsamen Papiereinschlag auf. Dieser Papiereinschlag vermeidet Vorentladungen
im Ölkanal zwischen zwei Spulen, wenn Vorentladungen in den Randleiterzwickeln vermieden
sind,
[0015] Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung sind die Zusatzisolierung und/oder
zusätzliche axiale Kühlkanäle mindestens in den nahe dem Hochspannungseingang der
Wicklung liegenden Scheibenspulen vorgesehen und ist die Stärke der Zusatzisolierung
mit zunehmendem Abstand vom Hochspannungseingang der Wicklung verringert.
[0016] Die erfindungsgemäße Scheibenspulenanordnung ist sehr vorteilhaft bei ineinandergewickelten
Scheibenspulen einsetzbar, weil sie deren Spannungsfestigkeit im Wicklungsverband
wesentlich verbessert, ohne die durch das Ineinanderwickeln gewonnene hohe Längskapazität
nennenswert zu vermindern. Dabei wird trotz besserem Füllfaktor durch die erfindungsgemäße
Wicklungsgestaltung die Stehstoßspannung der Spulenwicklung durch Erhöhung ihrer Längsfestigkeit
erhöht. Dadurch ist der Aufbau einer kostengünstigeren Wicklung für höhere Spannungen
im Vergleich zur konventionellen Bauweise möglich. Durch die Anordnung von zusätzlichen
axialen Kühlkanälen wird darüber hinaus die höhere Erwärmung in den stärker isolierten
Randwindungen teilweise wieder kompensiert. Eine vollständige Kompensation der höheren
Erwärmung in den Randwindungen der erfindungsgemäßen Anordnung ist erforderlichenfalls
durch eine geringfügige Verstärkung von deren Querschnitten möglich, wobei dann die
I
2R-Verluste mit R stärker abnehmen, als die Wirbelstromverluste zunehmen.
[0017] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
[0018] In der Zeichnung sind Querschnitte von ineinandergewickelten Spulen im Prinzip dargestellt,
und zwar in
Fig. 1 durch zwei Einzelspulen,
Fig. 2 durch ein Doppelspulenpaar,
Fig. 3 durch zwei Einzelspulen gemäß Fig. 1 mit bekannter Isolierung durch Winkelringe,
Fig. 4 bis 12 durch jeweils eine Einzelspule mit Variationen von erfindungsgemäßen
Zusatzisolierungen, wobei in Fig. 9 angedeutet ist, daß nicht nur die mindest erforderlichen
je zwei Randwindungen, sondern alle Windungen der Eingangsspulen eine Zusatzisolierung
32 erhalten, und nur die vom Eingang entfernten Normalspulen ohne 32 ausgeführt sind.
Die Zusatzisolierungen 32 können dabei bei den Eingangsspulen in Richtung abnehmender
Spannung bis Null, bei den Normalspulen abnehmen, was eine wirtschaftliche Auslegung
ermöglicht.
Fig. 13 bis 17 stellt jeweils eine Einzelspule mit erfindungsgemäßer Zusatzisolierung
und zusätzlichen axialen Kühlkanälen dar.
[0019] Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
[0020] Übliche, sogenannte ineinandergewickelte Scheibenspulen sind aus zwei gleichzeitig
und räumlich parallel zugeführten Wickelleitern gewickelt, deren Windungen 1 bis n
in der Reihenfolge der eingetragenen Ziffern vom Laststrom durchflossen sind. Dabei
liegt zwischen einander benachbarten Windungen jeweils ein Vielfaches:der Windungsspannung.
Zur Bestimmung dieser Spannung ist jeweils die Differenz der Ziffern in den betrachteten
Windungen mit der einfachen Windungsspannung zu multiplizieren, woraus man die bei
linearer Verteilung etwa bei Wechselspannung auftretende Spannungsdifferenz zwischen
Nachbarleitern erhält, die bei Stoßspannung um ein mehrfaches des linearen Anteils
erhöht ist. Für diese Spannungsdifferenz ist die durchgehende Isolierung der Wickelleiter
ausgelegt.
[0021] Zur Verbesserung der Spannungsfestigkeit und zum gleichzeitigen mechanischen Schutz
der Wicklung werden bisher, wie in Fig. 3 dargestellt, Winkelringe 30 jeweils an der
innersten und äußersten Windung jeder einzelnen Scheibenspule vorgesehen. Auch bei
dieser Anordnung werden bei steigender Spannung Überschläge vielfach entlang der gestrichelt
angedeuteten Linien 31 beobachtet (siehe
"Fig. 1 bis 3). Dabei verlaufen vielfach die inneren Linien 31 von der gezeichneten
obersten Eingangsspule zum innersten Nachbarleiterspalt (Zwickel) einer vier und mehr
Spulen entfernten Spule. Die äußeren Linien 31 verlaufen jedoch ausgehend von der
nicht gezeichneten Außenwindung der obersten Eingangsspule zum äußersten Nachbarleiterspalt
(Zwickel) der unteren eingezeichneten Spule, die vier oder mehr Spulen von der Eingangsspule
entfernt ist.
[0022] Die hohe Feldstärke an der Trennstelle zwischen den zwei Rand-Nachbarleitern der
Eingangsspulen wird dabei als Ursache für erste Vorentladungen angesehen.
[0023] Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß diese Vorentladungen nur dann von diesen
"kritischen Ölzwickeln", die am Rande des Nachbarleiterspaltes entstehen, längs der
Linie 31, d.h. in radialer Richtung zur Spulenmantelfläche und dann in axialer Richtung
längs dieser Mantelfläche entlang laufen oder umgekehrt, weil nur ausgehend von diesen
kritischen Zwickeln in beiden Richtungen die an 31 anliegende Spannung monoton ab-
oder zunimmt und dabei stets Längen von 31 vorkommen, bei denen die zulässige Gleitfestigkeit
überschritten ist, so daß es zum Längsüberschlag längs 31 kommt.
[0024] Die Längen und Spannungen kann man aber-weniger wirkungsvoll ändern und damit weniger
ihre zugeordnete Gleitfestigkeit erhöhen als die Vorentladungen in den kritischen
Zwickeln als Ursache des Gleitens zu beseitigen, indem man dort die Ölfeldstärken
herabsetzt. Letzteres geschieht durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen.
[0025] Unter zulässiger Gleitfestigkeit von 31 ist die an einer Länge 31 anliegende experimentell
ermittelte Stoßspannung zu verstehen, die gerade noch nicht längs 31 zum Überschlag
führt, wenn an einem Ende von .31 infolge hoher Ölfeldstärken Vorentladungen einsetzen.
[0026] Zur Ertüchtigung der Scheibenspulenanordnung ist erfindungsgemäß eine Zusatzisolierung
32 mindestens an den beiden innersten und äußersten Windungen in jeder nahe am Eingang
liegenden Scheibenspule vorgesehen, wobei zur einfacheren Herstellung bei allen Windungen
dieser Eingangsspulen die Dicke der Zusatzisolierung 32 mit abnehmender Spannung gegen
Erde bis auf Null bei den Normalspulen abnehmen darf. Diese Zusatzisolierung 32 ist
in ihrer Wirkung bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 13 bis 17 durch je
einen axialen Kühlkanal an den obengenannten Trennstellen unterstützt, wodurch die
kritischen Leiterzwickel ganz vermieden werdeq.
[0027] Im Hinblick auf die tatsächlich auftretende Spannungsbelastung genügt es an sich
bei allen Eingangsspulen die beiden äußersten bzw. innersten Windungen jeder Scheibenspule
nur außen oben und innen unten verstärkt zu isolieren. Ausführungsbeispiele hierzu
zeigen die Figuren 14, 16 und 17. Im Gegensatz dazu sind bei der Ausführung gemäß
Fig. 15 diese Windungen allseitig gleich verstärkt isoliert. Diese Lösungen sind jedoch
verhältnismäßig aufwendig und unübersichtlich, nutzen jedoch den zur Verfügung stehenden
Wickelraum optimal.
[0028] In den Anordnungen gemäß Fig. 6, 16 und 17 sind die Zusatzisolierungen 32 von einfachen
Kantenwinkeln dargestellt und bei der Ausführung gemäß Fig. 14 sind die innerste und
die äußerste Windung der Scheibenspule von mehreren entsprechend der abnehmenden Feldstärke
gestaffelten Kantenschutzwinkeln umgeben.
[0029] Zur Vermeidung von Verengungen der radialen Kühlkanäle ist bei den Ausführungsbeispielen
gemäß den Figuren 4, 5, 7, 9, 10, 11, 12 und 17 auf in Achsrichtung von den Scheibenspulen
abstehende Isoliermittelteile verzichtet, indem z.B. die Randwindungen einen so veränderten
Windungsquerschnitt erhalten, daß die axiale Höhe einschließlich der Zusatzisolierung
32 gleich der Normalhöhe einer Normalwindung ist. Diese ist bei den Ausführungsbeispielen
gemäß der Figuren 4 und 5 durch einen gemeinsamen Einschlag der mittleren Windungen
der Scheibenspule dargestellt.
[0030] Die Erfindungsbeispiele Fig. 4 bis 17 sind für das Beispiel von ineinandergewickelten
Einzelspulen nach Fig.1 gezeichnet, gelten aber auch erfindungsgemäß für ineinandergewickelte
Doppelspulen nach Fig. 2. In Fig. 4 bis 17 mit Ausnahme von Fig. 9 weisen nur die
beiden inneren und äußeren Randwindungen Zusatzisolierungen 32 auf, natürlich sind
auch erfindungsgemäße Ausführungen denkbar, wenn alle Windungen der am Wicklungseingang
liegenden Spulen mit diesen Zusatzisolierungen versehen sind, so daß diese bei Verwendung
von allseitig verstärkt isolierter Windungsisolierung 32 wie Fig.1,2 und
-9 aussehen, und daß nur die vom Eingang entfernteren Spulen mit Windungen ohne Zusatzisolierung
ausgeführt sind.
1. Scheibenspulenwicklung aus ineinandergewickelten Einzel- oder Doppelspulen, in
denen die Isolierung der außen liegenden Windungen gegenüber der inneren bzw. der
äußeren Mantelfläche der Wicklung im Vergleich zur Normalisolierung des Wickelleiters
verstärkt ist, d a - durch gekennzeichnet ,
- daß mindestens in den am Wicklungseingang liegenden Spulen ausgehend von der inneren
und der äußeren Mantelfläche mindestens je zwei Windungen mit Zusatzisolierungen (32)
ausgerüstet sind, die mindestens eine Kante dieser Windungen winkelförmig umfassen
und
- daß die Windungskapazität zwischen von Zusatzisolierungen freien Windungen erhöht
ist gegenüber der Windungskapazität an den mit Zusatzisolierung ausgerüsteten Windungen.
2. Scheibenspulenwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der
jeweils an der inneren bzw. äußeren Mantelfläche liegenden Windung und der jeweiligen
Nachbarwindung zusätzlich zur Zusatzisolierung je ein axialer Kühlkanal angeordnet
ist (Fig. 13 bis 17).
3. Scheibenspulenwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzisolierung
(32) aus einer allseitig die Windungen umgebenden Papierumbandelung, aus U- oder aus
winkelförmigen Preßspanabdeckungen besteht.
4. Scheibenspulenwicklung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß bei
an der inneren Mantelfläche der Wicklung liegenden Windungen die Zusatzisolierungen
(32) der Reihe nach an den Stellen unten außen, unten innen und oben innen abnimmt
und bei der Nachbarwindung der Reihe nach unten innen und oben innen abnimmt, wobei
unten in Richtung auf Erdpotential und oben in Richtung auf den Hochspannungseingang
darstellt.
5. Scheibenspulenwicklung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei an
der äußeren Mantelfläche der Wicklung anliegenden Zusatzisolierungen (32) der Reihe
nach an den Stellen oben innen, oben außen, unten innen abnimmt und bei der Nachbarwindung
der Reihe nach oben außen und unten außen abnimmt, wobei wiederum unten in Richtung
auf Erdpotential und oben in Richtung auf den Hochspannungseingang bedeutet.
6. Scheibenspulenwicklung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die
an der inneren Mantelfläche der Wicklung liegenden Windungen an der unteren Außenkante
und ihre jeweilige Nachbarwindung an der unteren Innenkante mit einem zusätzlichen
Isolierwinkel verkleidet sind und im übrigen gleich den Windungen im mittleren Teil
der Scheibenspulen isoliert sind.
7. Scheibenspulenwicklung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an
der äußeren Mantelfläche der Wicklung liegenden Windungen an der oberen Innenkante
und ihre jeweilige Nachbarwindung an der oberen Außenkante mit einem zusätzlichen
Isolierwinkel verkleidet sind und im übrigen gleich den Windungen im mittleren Teil
der Scheibenspulen isoliert sind.
8. Scheibenspulenwicklung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet , daß die Zusatzisolierung und/oder zusätzliche axiale Kühlkanäle mindestens
in den nahe dem Hochspannungseingang der Wicklungen liegenden Scheibenspulen vorgesehen
sind und daß die Stärke der Zusatzisolierung mit zunehmendem Abstand vom Hochspannungseingang
der Wicklung verringert ist.
9. Scheibenspulenwicklung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mittleren
Windungen in den einzelnen Scheibenspulen einen gemeinsamen Papiereinschlag aufweisen.