Elektrische Wicklungsanordnung

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine elektrische Wicklungsanordnung (1) mit einer Teilwicklung (2), die zumindest eine weitere Teilwicklung (6, 3-5)unter Belassung eines Zwischenraums (8, 9-11) koaxial umgibt und mit dieser elektrisch verbunden ist. Um die Wicklungsanordnung (1) für eine vergleichsweise hohe Nennleistung auszubilden, ist vorgesehen, dass die Windungszahl pro Längeneinheit (ΔL) bei den Teilwicklungen (2, 6, 3-5) jeweils derart bemessen ist, dass im Betrieb eine im Wesentlichen gleiche thermische Belastung jeder Teilwicklung (2, 6, 3-5) auftritt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine elektrische Wicklungsanordnung mit einer Teilwicklung, die zumindest eine weitere Teilwicklung unter Belassung eines Zwischenraums koaxial umgibt und mit dieser elektrisch verbunden ist.

[0002] Eine solche Wicklungsanordnung ist durch offenkundige Vorbenutzung bei einem Transformator mit der Produktbezeichnung GEAFOL der Siemens AG bekannt.

[0003] Die bekannte Wicklungsanordnung weist drei Teilwicklungen auf, die alle koaxial ineinander stehend angeordnet sind, so dass eine der Teilwicklungen, nämlich die äußerste, zumindest eine weitere Teilwicklung, nämlich die innerste, umgibt. Die Teilwicklungen umgeben einen zentral angeordneten Kernschenkel eines Transformatorkerns. Sie sind elektrisch miteinander zu einer Wicklung verbunden, die eine Unterspannungswicklung des Transformators bildet. Die Unterspannungswicklung ist von einer Oberspannungswicklung koaxial umgeben, wobei zwischen dieser und der einen Teilwicklung ein Ringkanal belassen ist, damit die für den Betrieb des Transformators erforderliche Spannungsfestigkeit zwischen der Unterund der Oberspannungswicklung erreicht ist. Die Windungen der Unterspannungswicklung sind weitgehend gleichmäßig auf die Teilwicklungen aufgeteilt; die Gesamtwindungsanzahl ist jedoch nicht ganzzahlig durch die Anzahl der Teilwicklungen teilbar, wodurch eine der Teilwicklungen eine Windung mehr aufweist als die beiden restlichen Teilwicklungen. Um den fertigungstechnischen Aufwand zur Herstellung des Transformators bzw. der Wicklungsanordnung möglichst gering zu halten, sind alle Teilwicklungen - bis auf die Windungszahl - identisch aufgebaut. Jede Teilwicklung ist gleichmäßig gewickelt, und alle Teilwicklungen weisen eine gleiche axiale Länge auf. Bei allen Teilwicklungen ist außerdem gleiches Material zur Windungsisolation vorgesehen. Die Teilwicklungen sind dabei jeweils so ausgelegt, dass im Betrieb mit der Nennleistung ein Grenzwert für die Temperatur der Teilwicklungen nicht überschritten wird, damit insbesondere die Windungsisolation thermisch nicht überlastet wird.

[0004] Um unter Berücksichtigung der thermischen Belastung eine möglichst hohe Nennleistung zu erreichen, ist zur Kühlung der Teilwicklungen zwischen jeweils unmittelbar benachbarten Teilwicklungen jeweils ein Zwischenraum zur Durchströmung mit Kühlfluid, insbesondere Kühlluft, vorgesehen. Ebenso ist der Ringkanal mit Kühlluft durchströmbar. Aufgrund der einzuhaltenden Spannungsfestigkeit zwischen der Ober- und Unterspannungswicklung weist der Ringkanal eine größere radiale Breite auf als jeder der Zwischenräume zwischen den Teilwicklungen.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wicklungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die für eine vergleichsweise hohe Nennleistung ausgebildet ist.

[0006] Die Aufgabe wird bei einer Wicklungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Windungszahl pro Längeneinheit bei den Teilwicklungen derart bemessen ist, dass im Betrieb eine im Wesentlichen gleiche thermische Belastung jeder Teilwicklung auftritt.

[0007] Die Erfindung macht sich zunutze, dass die eine und die weitere Teilwicklung im Betrieb aufgrund ihrer baulichen Anordnung unterschiedlich stark gekühlt werden. Dadurch, dass die weitere Teilwicklung von der einen Teilwicklung umgeben ist, kann von ihr Wärme schlecht abgeführt werden, weil sie nur mit schon durch die eine Teilwicklung erwärmter Kühlluft gekühlt werden kann. Da die weitere Teilwicklung den Kernschenkel umgibt, kann auch von innen her aus der weiteren Teilwicklung Wärme nicht über Kühlluft abgeführt werden. Die eine Teilwicklung ist zwar von der Oberspannungswicklung umgeben, allerdings weist der dazwischenliegende Ringkanal im Vergleich zum Zwischenraum zwischen der einen und der weiteren Teilwicklung eine größere radiale Breite auf, so dass die eine Teilwicklung von außen her sehr viel besser gekühlt wird, als die weitere Teilwicklung. Die eine Teilwicklung wird also mit einer höheren Kühlleistung gekühlt als die weitere Teilwicklung, die also eine stärkere thermische Belastung erfährt.

[0008] Erfindungsgemäß ist die Windungszahl pro Längeneinheit für jede Teilwicklung daher so gewählt, dass der unterschiedlichen Kühlung der Teilwicklungen jeweils Rechnung getragen wird. Mit anderen Worten: Es wird im Vergleich zum Stand der Technik in die Teilwicklung mehr Windungen gelegt, die besser gekühlt wird. Die zur Verfügung stehende Kühlleistung wird somit besser ausgenutzt und die Wicklungsanordnung ist mit einer höheren elektrischen Nennleistung betreibbar.

[0009] Im Vergleich dazu ist bei dem Transformator nach dem Stand der Technik die elektrische Nennleistung so gewählt, dass die weitere Teilwicklung thermisch nicht überlastet wird; d.h., dass die Wicklungstemperatur der weiteren Teilwicklung den Grenzwert nicht überschreitet. In diesem Betrieb liegt die Wicklungstemperatur der einen Teilwicklung weit unter der Grenztemperatur, weil sie besser gekühlt wird.

[0010] Die Ausbildung der erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung ist auch besonders gut bei einer Drossel anwendbar, die nur eine einzige Wicklung mit zumindest den beiden Teilwicklungen aufweist. In diesem Fall ist die eine Teilwicklung, die die äußere der Teilwicklungen bildet, nach außen hin frei, so dass ihr von dort stets frische und damit kühlere Kühlluft zugeführt wird. Der Unterschied zwischen der Kühlung von der einen und der Kühlung von der weiteren Teilwicklung ist dadurch besonders ausgeprägt.

[0011] Um eine unterschiedliche Windungszahl pro Längeneinheit für die eine und die weitere Teilwicklung zu erreichen, kann die weitere Teilwicklung bei gleicher Windungszahl axial länger sein als die eine Teilwicklung. Die weitere Teilwicklung ragt in diesem Fall stirnseitig aus der einen Teilwicklung heraus. Bei gleichmäßiger Wicklung der Windungen der weiteren Teilwicklung ist aufgrund der größeren axialen Länge eine niedrigere Windungszahl pro Längeneinheit erreicht, als bei der einen Teilwicklung. Vorzugsweise weisen jedoch die Teilwicklungen eine gleiche axiale Länge auf und die Windungszahl der einen Teilwicklung ist größer als die Windungszahl der weiteren Teilwicklung. Durch die gleiche axiale Länge ergibt sich ein kompakter Aufbau der Wicklungsanordnung und es ergibt sich ein geringerer Streufluss des im Betrieb ausbildenden Magnetfeldes als bei einer Ausgestaltung der Teilwicklungen mit unterschiedlicher axialer Länge.

[0012] Die Teilwicklungen können in beliebiger Art und Weise mit einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmittel gekühlt werden; beispielsweise können sie mit Öl gekühlt werden, wobei sie innerhalb eines ölgefüllten Kessels angeordnet sind. Das Kühlmittel kann mittels einer Pumpe oder einer gleichwirkenden Einrichtung in eine Strömung versetzt werden, die entlang der Teilwicklungen verläuft, so dass die Teilwicklungen besonders gut gekühlt werden. Die Strömung des Kühlmittels kann sich aber auch von selbst ohne äußere Einwirkung allein aufgrund der Anordnung der Teilwicklungen und der im Betrieb von den Teilwicklungen abgegebenen Wärme einstellen. Bevorzugt sind die Teilwicklungen mittels Luftkühlung kühlbar und dazu stehend angeordnet, wobei der Zwischenraum von Kühlluft durchströmbar ist. Bei dieser Anordnung der Teilwicklungen ergibt sich eine Strömung der Kühlluft im Zwischenraum von selbst allein aufgrund der Abgabe der Wärme durch die Teilwicklungen. Die Strömung kann mit einem Ventilator/Gebläse unterstützt werden. Die Kühlung mit Luft bietet im Vergleich zu anderen Kühlmitteln, beispielsweise Öl den Vorteil eines geringen Wartungsaufwands und eines geringeren Aufwands an Sicherheitsmaßnahmen.

[0013] Bei einer weiteren Ausgestaltung sind zusätzlich weitere Teilwicklungen zwischen der einen Teilwicklung und der einen weiteren Teilwicklung angeordnet, die jeweils untereinander gleiche Windungszahl pro Längeneinheit aufweisen. Diese Anordnung mit fünf Teilwicklungen ist insbesondere von Vorteil, wenn die Wicklungsanordnung als Drosselwicklung einer elektrischen Drossel vorgesehen ist. Bei dieser Anordnung erfahren die zusätzlichen Teilwicklungen im Betrieb eine weitgehend gleich starke thermische Belastung, so dass sie hinsichtlich der Windungsanzahl pro Längeneinheit nahezu gleich ausgebildet sein können.

[0014] Die Isolation der Windungen kann mit einem beliebigen dazu geeigneten Material ausgebildet sein. Beispielsweise kann als Isolationsmaterial eine Flüssigkeit, insbesondere Transformatoröl, oder Gas, insbesondere SF₆, zum Einsatz kommen, wobei die Wicklungsanordnung in einem Kessel angeordnet ist. Vorzugsweise ist jedoch jede Teilwicklung trockenisoliert. Zur Trockenisolation kommt als Material beispielsweise Papier oder Kunststoff in Betracht; die Windungen können auch mit Gießharz oder mit einem Klebharz, beispielsweise in Form von Klebharzbändern oder Folien, isoliert sein. Die Trockenisolation bietet im Vergleich zu einer Isolation mit Öl oder Gas den Vorteil eines geringeren Wartungsaufwandes und geringerer Sicherheitsanforderungen.

[0015] Die Erfindung wird anhand eines in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

[0016] In der Figur ist eine Wicklungsanordnung 1, insbesondere für eine Drossel, im Längsschnitt dargestellt. Die Wicklungsanordnung 1 weist fünf Teilwicklungen 2-6 auf, die koaxial ineinander stehend angeordnet sind und sich entlang einer gemeinsamen Achse 7 erstreckt. Dabei bildet die Teilwicklung 2 die äußerste Teilwicklung und die Teilwicklung 6 die innerste Teilwicklung der Wicklungsanordnung 1. Zwischen jeweils zwei unmittelbar benachbarten der Teilwicklungen 2,3; 3,4; 4,5; 5,6 ist jeweils ein Zwischenraum 8, 9, 10 bzw. 11 belassen. Zentral von allen Teilwicklungen 2-6 umgeben ist ein Kernschenkel 22 angeordnet, der sich entlang der Achse 7 erstreckt. Bei einer Ausführung der Drossel als "eisenlose Drossel" ist bei Kernschenkel 22 vorhanden.

[0017] Jede der Teilwicklungen 2-6 weist eine Anzahl von Windungen 12,13,14,15 bzw. 16 auf. Die Windungen 12-16 sind elektrisch gegeneinander mit einer jeweiligen Isolation 17,18,19,20 bzw. 21 isoliert.
Die Teilwicklungen 2-6 sind elektrisch miteinander verbunden, so dass sie gemeinsam eine Wicklung mit Wicklungsanschlüssen 23 und 24 bilden.

[0018] Schematisch angedeutet ist ein Gehäuse 25, das die Wicklungsanordnung 1 zum Schutz gegen Staub und Feuchtigkeit umgeben kann.

[0019] Zur Kühlung der Wicklungsanordnung im Betrieb sind die Zwischenräume 8-11 von Kühlluft 26 durchströmbar. Zusätzlich kann zwischen der innersten Teilwicklung 6 und dem Kernschenkel 22 ein ebenfalls mit Kühlluft 26 durchströmbarer Zwischenraum vorgesehen sein; hier jedoch liegt die innerste Teilwicklung 6 unmittelbar am Kernschenkel 22 an. Weiterhin ist zwischen dem Gehäuse 25 und der äußersten Teilwicklung 2 ebenfalls ein Zwischenraum 27 zur Durchströmung mit Kühlluft 26 belassen sein; das Gehäuse 25 kann aber auch unmittelbar an der äußeren Teilwicklung 2 anliegen. Die Teilwicklungen 2-6 können beispielsweise selbstragend ausgebildet sein. Entsprechende Vorrichtungen zur Abstützung der Teilwicklungen 2-6, sei es gegen ein Rahmengestell oder gegeneinander, sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Die Teilwicklungen 2-6 können auch fortlaufend mit einem gemeinsamen Wicklungsleiter gewickelt sein, wobei die Zwischenräume 8-11 durch freihaltende Einlagen gebildet sein können.

[0020] Aufgrund ihrer baulichen Anordnung ist die Teilwicklung 2 im Betrieb besser gekühlt als alle anderen Teilwicklungen 3-6. Dies ergibt sich daraus, dass die Teilwicklung 2 nicht von einer anderen Teilwicklung umgeben ist. Von der äußeren Teilwicklung 2 kann also Wärme besonders gut nach außen, also in Richtung zum Gehäuse 25 hin, abgegeben werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das Gehäuse 25 aus einem gut wärmeleitenden Material ausgebildet ist. Die innerste Teilwicklung 6 ist zwar von der Teilwicklung 5 umgeben, umgibt allerdings selbst keine weitere Teilwicklung und kann daher gut Wärme nach innen, also in Richtung zum Kernschenkel 22, abgeben. Daher ist die innerste Teilwicklung 6 am zweitbesten kühlbar. Der Kernschenkel 22 ist in der Regel aus Transformatorblech oder anderen magnetisierbaren Materialien ausgeführt, die in der Regel gleichzeitig gute Wärmeleiter sind.

[0021] Die Teilwicklungen 3-5 hingegen sind jeweils von einer Teilwicklung umgeben und umgeben selbst ebenfalls eine andere Teilwicklung. Beispielsweise wird die Teilwicklung 3 von der Teilwicklung 2 umgeben und umgibt selbst die Teilwicklung 4. Durch ihre bauliche Anordnung Dadurch sind also die Teilwicklungen 3-5 jeweils zwischen im Betrieb ebenfalls wärmeerzeugenden Teilwicklungen angeordnet, so dass aus diesen Teilwicklungen 3-5 die Wärme am schlechtesten abgeführt werden kann.

[0022] Die äußere Teilwicklung 2 und die innere Teilwicklung 6 sind also allein aufgrund ihrer baulichen Anordnung jeweils mit einer höheren Kühlleistung kühlbar als die Teilwicklungen 3-5.

[0023] Um dieser unterschiedlichen Kühlbarkeit der Teilwicklungen 2-6 Rechnung zu tragen, ist die Anzahl der Windungen pro Längeneinheit ΔL für jede der Teilwicklungen 2-6 derart bemessen, dass im Betrieb bei allen Teilwicklungen 2-6 eine im Wesentlichen gleiche thermische Belastung auftritt. Dadurch wird im Betrieb jede der Teilwicklungen 2-6 auf eine nahezu gleiche Wicklungstemperatur erwärmt. Die geeignete Windungszahl pro Längeneinheit für jede der Teilwicklungen 2-6 kann experimentell ermittelt oder mittels Berechnungen bestimmt werden. Im vorliegenden Fall weist die Teilwicklung 2 eine Windungszahl von 3 pro Längeneinheit auf, die Teilwicklungen 3-5 weisen jeweils eine Windungszahl von 2 pro Längeneinheit ΔL auf und die Teilwicklung 6 weist eine Windungszahl von 2,5 pro Längeneinheit ΔL auf. Durch diese Bemessung der Windungszahl pro Längeneinheit ΔL für jede der Teilwicklungen, wird berücksichtigt, dass die äußerste Teilwicklung 2 am besten gekühlt wird, die innerste Teilwicklung 6 am zweitbesten gekühlt wird und die Teilwicklungen 3-5 gleichermaßen am schlechtesten gekühlt werden. Die Teilwicklungen 2 und 6 sind also mit einer höheren Windungsanzahl pro Längeneinheit ΔL ausgestattet.

[0024] Da die Teilwicklungen 2-6 alle eine gleiche axiale Länge aufweisen, ergeben sich unterschiedliche Windungszahlen für die Teilwicklungen 2-6. Teilwicklung 2 weist insgesamt 14 Windungen 12 auf, die Teilwicklung 6 weist 12 Windungen 16 auf, und die Teilwicklungen 3-5 weisen jeweils 10 Windungen 13,14 bzw. 15 auf. Hierbei ergibt sich eine Gesamtwindungszahl von 56. Bei einer Gesamtwindungszahl von 228 könnte die Teilwicklung 2 insgesamt 57 Windungen 12, die Teilwicklung 6 insgesamt 51 Windungen 16 und die Teilwicklungen 3-5 jeweils 40 Windungen 13, 14 bzw. 15 aufweisen. Eine solche Wicklungsanordnung ist der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.

[0025] Die Teilwicklungen 2-6 könnten auch eine gleiche Anzahl von Windungen 12,13,14,15 bzw. 16 aufweisen, allerdings würde die Teilwicklung 6 dann eine größere axiale Länge aufweisen als die Teilwicklung 2. Ebenso würden in diesem Fall die Teilwicklungen 3-6 eine größere Länge als die Teilwicklung 2 und als die Teilwicklung 6 aufweisen. Die Teilwicklungen 3-5 würden also stirnseitig aus der Teilwicklung 2 herausragen.

[0026] Ebenso kann die Wicklungsanordnung 1 - wie auch schon oben erwähnt - eine Drosselwicklung einer elektrischen Drossel bilden, ebenso kann sie als Transformatorwicklung, insbesondere eines elektrischen Transformators, die Unterspannungswicklung ausgeführt sein. In diesem Fall weist die Wicklungsanordnung 1 beispielsweise nur zwei Teilwicklungen auf, die beide gemeinsam unter Belassung eines Ringkanals von der Oberspannungswicklung umgeben sind oder zwischen denen koaxial die Oberspannungswicklung angeordnet ist.

[0027] Die Teilwicklungen 2-6 können, wie dargestellt, als Drahtwicklungen ausgebildet sein. Die Teilwicklungen 2-6 können allerdings auch als Bandwicklungen ausgeführt, wobei die Windungen mit einem Band aus einem Metall gebildet sind. Speziell kommen bei einer Bandwicklung Aluminiumbänder für die Bildung einer Teilwicklung 2-6 in Betracht.

Ansprüche

1. Elektrische Wicklungsanordnung (1) mit einer Teilwicklung (2), die zumindest eine weitere Teilwicklung (6, 3-5)unter Belassung eines Zwischenraums (8, 9-11) koaxial umgibt und mit dieser elektrisch verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Windungszahl pro Längeneinheit (ΔL) bei den Teilwicklungen (2, 6, 3-5) jeweils derart bemessen ist, dass im Betrieb eine im Wesentlichen gleiche thermische Belastung jeder Teilwicklung (2, 6, 3-5) auftritt.

2. Elektrische Wicklungsanordnung (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Teilwicklungen (2-6) eine gleiche axiale Länge aufweisen und die Windungszahl der einen Teilwicklung (2) größer als die Windungszahl der weiteren Teilwicklung (6, 3-5) ist.

3. Elektrische Wicklungsanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Teilwicklungen (2, 6, 3-5) mittels Luftkühlung kühlbar sind und dazu stehend angeordnet sind, wobei der Zwischenraum (8-11) von Kühlluft durchströmbar ist.

4. Elektrische Wicklungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
zusätzlich weitere Teilwicklungen (3-5) zwischen der einen Teilwicklung und der einen weiteren Teilwicklung (6) angeordnet sind und jeweils untereinander gleiche Windungszahl pro Längeneinheit (ΔL) aufweisen.

5. Elektrische Wicklungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
jede Teilwicklung (2-6) trockenisoliert ist.

Zeichnung