Hochspannungstransformator

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Hochspannungstransformator (10), umfassend einen Transformatorkern mit wenigstens zwei axial parallelen Kernschenkeln (12, 14, 16), auf welchen jeweils eine hohlzylindrische Spule (18, 20, 22, 52, 72) mit jeweils wenigstens einer elektrischen Wicklung angeordnet ist. Zumindest in Teilbereichen gegeneinander zugewandter Oberflächen (36, 38) benachbart angeordneter Spulen (18, 20, 22, 52, 72) weisen die jeweiligen Oberflächenbereiche der Spulen eine jeweilige radial außen integrierte elektrisch isolierende Barrierenstruktur (54, 74).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Hochspannungstransformator, umfassend einen Transformatorkern mit wenigstens zwei axial parallelen Kernsehenkeln, auf welchen jeweils eine hohlzylindrische Spule mit jeweils wenigstens einer elektrischen Wicklung angeordnet ist

[0002] Es ist allgemein bekannt, dass bei Hochspannungstransformatoren, beispielsweise im Nennspannungsbereich von 6 kV, 10kV, 30kV, 60kV, 110kV und darüber, Maßnahmen zur gegenseitigen Isolation benachbarter Spulen zu treffen sind, um elektrische Durchschläge zu vermeiden. Eine einfache Möglichkeit besteht darin, die Abstände zwischen spannungsführenden Komponenten entsprechend zu vergrößern, jedoch wird hierdurch auch die Baugröße des Hochspannungstransformators nachteilhaft erhöht. Dies gilt insbesondere für Trockentransformatoren, bei welchen eine Isolation lediglich durch das Medium Luft gegeben ist.

[0003] Um den Abstand zwischen benachbarten Spulen und damit die Baugröße eines Transformators verringern zu können, ist es im Stand der Technik üblich, sogenannte Zwischenbarrieren zwischen benachbarten Spulen anzuordnen. Dies sind im Wesentlichen Platten aus einem Isolationsmaterial, welche zwischen den Spulen angeordnet sind und welche durch einen entsprechend verlängerten Entladungspfad längs deren Oberfläche ermöglichen, die betreffenden Spulen mit einem entsprechend geringerem Abstand zueinander anzuordnen.

[0004] Als nachteilig erweist sich hierbei, dass durch die isolationstechnisch notwendige Breite der Barrierenwandungen platzbedingte Konflikte mit beispielsweise den Anschlüssen der Spulen entstehen können, beispielsweise mit Dreiecksableitungen. Derartige Anschlüsse sind dann in aufwändiger Weise um die Barrieren herum zu führen.

[0005] Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Hochspannungstransformator bereitzustellen, welcher eine separate zwischen benachbarten Spulen angeordnete Barrierenstruktur vermeidet.

[0006] Diese Aufgabe wird gelöst von einem Hochspannungstransformator der eingangs genannten Art. Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in Teilbereichen gegeneinander zugewandter Oberflächen benachbart angeordneter Spulen die jeweiligen Oberflächenbereiche der Spulen eine jeweilige radial außen integrierte elektrisch isolierende Barrierenstruktur aufweisen.

[0007] Die Grundidee der Erfindung besteht darin, eine Barriere direkt in die isolationstechnisch kritischen Oberflächenbereiche benachbarter Spulen zu integrieren. Dies sind von der Sache her insbesondere diejenigen Oberflächenbereiche benachbarter Spulen, welche gegeneinander zugewandt sind, wobei innerhalb dieser Oberflächenbereiche beim jeweils kleinsten gegenseitigen Abstand auch das höchste Risiko eines Durchschlags besteht. Eine jeweilige Barrierenstruktur umfasst typischerweise die gesamte axiale Länge einer Spule, kann aber auch bedarfsweise etwas verkürzt oder verlängert sein. Je nach Typ des Transformatorkerns ergeben sich unterschiedliche gegenüber liegende Oberflächenbereiche. Bei drei auf einem E-Kern angeordneten Spulen ergeben sich beispielsweise für die mittlere Spule zwei gegenüber liegend radial außen angeordnete Barrierenstrukturen, wobei für die beiden äußeren Spulen jeweils eine radial außen angeordnete Barrierenstruktur benötigt wird.

[0008] Bei einem dreieckigen Transformatorkern ergäben sich für jede Spule zwei um jeweils 60° zueinander versetzte Barrierenstrukturen, welche zweckmäßiger Weise durch eine übergreifende Barrierenstruktur realisiert werden sollten.

[0009] Entsprechend würde bei einem Einphasen-Transformatoren mit einem 2-Schenkelkern jede der beiden Spulen in dem Bereich zur benachbarten Spule mit einer Barrierenstruktur versehen.

[0010] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Hochspannungstransformators sind die Barrierenstrukturen derart ausgestaltet, dass die zwischen den elektrischen Wicklungen der benachbarten Spulen im Betrieb auftretende Spannungsdifferenz ohne eine zusätzliche zwischen den Spulen angeordnete Barrierenwandung gehalten ist.

[0011] Eine integrierte Barrierenstruktur reduziert in vorteilhafter Weise die zwischen den Spulen herrschende Feldstärkebelastung derart, dass keine weitere Zwischenbarriere mehr notwendig ist. Eine Barrierenstruktur lässt sich beispielsweise als linsenähnlicher Aufsatz auf die radial äußere Oberfläche einer Spule vorstellen. Idealerweise ist eine Barrierenstruktur bereits beim Herstellungsprozess der Spule in diese integriert worden, ähnlich wie die dem Fachmann bekannte Kühlkanäle, welche jedoch nicht an der Oberfläche der Spule sondern zwischen radial benachbarten Spulensegmenten angeordnet sind.

[0012] Durch entsprechend mechanisch feste Integration in die Oberflächen der jeweiligen Spulen ist die mechanische Stabilität eines betreffenden Transformators in vorteilhafter Weise erhöht, weil auf eine mechanisch labile Konstruktion einer oder mehrerer zwischen den Spulen angeordneten Barrierenplatten verzichtet wurde. In ebenso vorteilhafter Weise können bei einem erfindungsgemäßen Transformator daher alle Anschlüsse der Spulen ohne geometrische Beeinträchtigungen geführt werden.

[0013] Einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Transformators folgend umfassen die Barrierenstrukturen axial verlaufende Leisten, welche eine radial darüber angeordnete Barrierenwandung tragen. Ein derartiges Konzept ist durch eine einfache Fertigungsweise sowie eine hohe mechanische Stabilität gekennzeichnet. Als hinreichend stabiles Material für die Leisten bietet sich beispielsweise ein Glasfaserverbundwerkstoff an.

[0014] Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Hochspannungstransformators ist die Barrierenwandung zumindest teilweise aus einem bandähnlichen Material gewickelt. Ein bandähnliches Material, beispielsweise ein harzgetränktes glasfaserverstärktes Faserroving, welches nach Abschluss des Wicklungsvorgangs einer Spule erhitzt wird und danach eine erhärtete Struktur bildet, ist beim Wickeln von Spulen von Hochspannungstransformatoren zu Isolations- und Stabilisierungszwecken bekannt. Erfindungsgemäß ist es daher in einer Variante vorgesehen, auch die radial äußere Barrierenstruktur mit einem derartigen Material zu befestigen oder sogar zumindest teilweise daraus zu wickeln. In vorteilhafter Weise wird dadurch sowohl eine hohe mechanische Festigkeit als auch eine gute Isolationsfähigkeit erreicht.

[0015] Gemäß einer anderen Erfindungsvariante besteht die Barrierenwandung zumindest teilweise aus einem vorgefertigten Zylinderelement, beispielsweise einer isolierenden Halbschale. Derartige Zylinder- beziehungsweise Schalenelemente können einfach beim Wickelprozess einer Spule integriert werden und haben sich beispielsweise auch bei der Integration von Kühlkanälen bewährt.

[0016] Einer weiteren Erfindungsvariante folgend sind zumindest bereichsweise mehrere radial benachbarte Lagen von Leisten und Barrierenwandungen vorgesehen. Hierdurch wird beispielsweise in vorteilhafter Weise sowohl die mechanische Stabilität der Barrierenstruktur als auch deren Isolatonsfähigkeit erhöht.

[0017] Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung ist die Barrierenstruktur wenigstens einer Spule über deren gesamten Umfang ausgebildet. Eine um 360° umlaufende Barrierenstruktur ist insbesondere durch eine einfachere Fertigung gekennzeichnet, wobei auf der anderen Seite ein geringfügig erhöhter Bauraum benötigt wird Wenn dieser Bauraum bei einem jeweiligen Transformator vorhanden ist, lässt sich auf diese Weise die Fertigung der Spulen in vorteilhafter Weise vereinfachen und es ist zudem nicht mehr auf eine Ausrichtung der Barrierenstruktur relativ zum Transformatorkern zu achten.

[0018] Gemäß einer Variante des Hochspannungstransformators ist die Barrierenstruktur wenigstens einer Spule nicht über deren gesamten Umfang ausgebildet, wobei der Querschnitt der Barrierenstruktur an seinen beiden äußeren Enden stufenähnlich ausgeprägt ist. Dies ist eine Variante, welche sich produktionstechnisch besonders einfach beispielsweise mittels mehrerer Leisten mit radial aufgesetztem Schalenelement realisieren lassen, wobei die beiden äußeren Stufen durch eine jeweilige Seitenwand der jeweils äußeren Leisten gebildet sind.

[0019] Entsprechend einer weiteren Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Transformators ist die Barrierenstruktur wenigstens einer Spule nicht über deren gesamten Umfang ausgebildet, wobei der Querschnitt der Barrierenstruktur an seinen beiden äußeren Enden flach in die Oberfläche der Spule übergeht. Diese Variante bietet sich insbesondere bei zumindest teilweise gewickelten Barrierenwandungen an, wobei ein jeweiliges Isolationsband (18, 20, 22, 52, 72) dann etwa tangential zwischen der Oberkante einer jeweiligen äußeren Leiste und der Oberfläche der jeweiligen Spule verläuft. Durch die Vermeidung einer Stufe wird eine möglichst kompakte Oberflächenstruktur gebildet.

[0020] Gemäß einer weiteren Variante sind durch wenigstens eine der Barrierenstrukturen sich über deren gesamte axiale Länge erstreckende Hohlräume gebildet, welche als Kühlkanäle fungieren. Eine Barrierenstruktur ist nämlich der Struktur von zwischen radial benachbarten Spulensegmenten angeordneten Kühlkanälen, beispielsweise im Streukanal, sehr ähnlich. Hierbei wird in vorteilhafter Weise der Kamineffekt ausgenutzt.

[0021] Gemäß einer weiteren Erfindungsvariante ragt wenigstens eine der Barrierenstrukturen über wenigstens ein axiales Ende der jeweiligen Spule heraus. Dies ist beispielsweise zur Steuerung der Luftverhältnisse an den Enden der jeweiligen Kühlkanäle von Nutzen, um deren Kühlwirkung zu verstärken.

[0022] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten sind den weiteren abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.

[0023] Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung, weitere Ausführungsformen und weitere Vorteile näher beschrieben werden.

[0024] Es zeigen:

Fig. 1

einen exemplarischen erfindungsgemäßen Hochspannungstransformator,

Fig. 2

einen exemplarischen Hochspannungstransformator gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 3

eine erste exemplarische hohlzylindrische Spule mit Barrierenstruktur sowie

Fig. 4

eine zweite exemplarische hohlzylindrische Spule mit Barrierenstruktur.

[0025] Fig. 1 zeigt einen exemplarischen erfindungsgemäßen Hochspannungstransformator in einer Schnittdraufsicht 10. Um drei in einer gemeinsamen Ebene angeordnete Kernschenkel 12, 14, 16 eines Transformatorkems sind jeweils eine hohlzylindrische Spule 18, 20, 22 angeordnet. Jede Spule 18, 20, 22 weist eine radial innen liegende Unterspannungswicklung und eine radial außen liegende Oberspannungswicklung auf. In die durch die Pfeile 36 und 38 gekennzeichneten gegeneinander zugewandten Oberflächen der Spulen 18, 20, 22 sind linsenähnliche Barrierenstrukturen integriert, welche jeweils durch Leisten 26, 30, 34 und radial darüber liegende Barrierenwandungen 24, 28, 32 gebildet sind. Die Barrierenwandungen sind in diesem Fall vorgefertigte Schalenelemente, welche mittels eines gewickelten Faserrovings auf der Oberfläche der Spulen 18, 20, 22 fixiert sind.

[0026] Fig. 2 zeigt im Gegensatz zur Fig. 1 einen exemplarischen Hochspannungstransformator gemäß dem Stand der Technik, welcher zwischen benachbarten Spulen jeweilige Barrierenwandungen 42, 44 aufweist, welche erfindungsgemäß zu vermeiden sind.

[0027] Fig. 3 zeigt eine erste exemplarische hohlzylindrische Spule mit Barrierenstruktur in einer Darstellung 50. In einem Teilbereich der radial äußeren Oberfläche einer Spule 52 ist eine Barrierenstruktur 54 integriert. Diese weist radial übereinander angeordnete Barrierenwandungen 56, 58 auf, welche jeweils von axial verlaufenden Leisten abgestützt sind. Die Zwischenräume zwischen Leisten und Barrierenwandungen sind als kanalähnliche Hohlräume 60, 62 ausgebildet und werden als Kühlkanäle genutzt. Die Seitenflächen der äußeren Barrierenwandungen 56, 58 bilden einen stufenähnlichen seitlichen Abschluss der Barrierenstruktur 54.

[0028] Fig. 4 zeigt eine zweite exemplarische hohlzylindrische Spule mit Barrierenstruktur in einer Darstellung 70. An einem Teilbereich der Außenfläche einer hohlzylindrischen Spule 72 ist über einen Winkelbereich von etwa 90° eine Barrierenstruktur 74 integriert, deren Barrierewandung gewickelt ist, so dass diese flach in die Oberfläche der Spule 72 übergeht.

Bezugszeichenliste

[0029] 

10

exemplarischer erfindungsgemäßer Hochspannungstransformator

12

erster Kernschenkel

14

zweiter Kernschenkel

16

dritter Kernschenkel

18

erste hohlzylindrische Spule von Hochspannungstransformator

20

zweite hohlzylindrische Spule von Hochspannungstransformator

22

dritte hohlzylindrische Spule von Hochspannungstransformator

24

Barrierenwandung von Barrierenstruktur von erster Spule

26

Leiste von Barrierenstruktur von erster Spule

28

Barrierenwandung von Barrierenstruktur von zweiter Spule

30

Leiste von Barrierenstruktur von zweiter Spule

32

Barrierenwandung von Barrierenstruktur von dritter Spule

34

Leiste von Barrierenstruktur von dritter Spule

36

erste gegeneinander zugewandte Oberflächen

38

zweite gegeneinander zugewandte Oberflächen

40

exemplarischer Hochspannungstransformator gemäß Stand der Technik

42

Barrierenwandungen

44

Barrierenwandungen

50

erste exemplarische hohlzylindrische Spule mit Barrierenstruktur

52

erste exemplarische hohlzylindrische Spule

54

Barrierenstruktur von erster exemplarischer Spule

56

erste Barrierenwandung von Barrierenstruktur

58

zweite Barrierenwandung von Barrierenstruktur

60

erster Hohlraum (als Kühlkanal genutzt)

62

zweiter Hohlraum (als Kühlkanal genutzt)

70

zweite exemplarische hohlzylindrische Spule mit Barrierenstruktur

72

zweite exemplarische hohlzylindrische Spule

74

Barrierenstruktur von zweiter exemplarischer Spule

Ansprüche

1. Hochspannungstransformator (10), umfassend einen Transformatorkern mit wenigstens zwei axial parallelen Kernschenkeln (12, 14, 16), auf welchen jeweils eine hohlzylindrische Spule (18, 20, 22, 52, 72) mit jeweils wenigstens einer elektrischen Wicklung angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest in Teilbereichen gegeneinander zugewandter Oberflächen (36, 38) benachbart angeordneter Spulen (18, 20, 22, 52, 72) die jeweiligen Oberflächenbereiche der Spulen eine jeweilige radial außen integrierte elektrisch isolierende Barrierenstruktur (54, 74) aufweisen.

2. Hochspannungstransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Barrierenstrukturen (54, 74) derart ausgestaltet sind, dass die zwischen den elektrischen Wicklungen der benachbarten Spulen (18, 20, 22, 52, 72) im Betrieb auftretende Spannungsdifferenz ohne eine zusätzliche zwischen den Spulen angeordnete Barrierenwandung (42, 44) gehalten ist.

3. Hochspannungstransformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Barrierenstrukturen (54, 74) axial verlaufende Leisten (26, 30, 34) umfassen, welche eine radial darüber angeordnete Barrierenwandung (24, 28, 32, 56, 58) tragen.

4. Hochspannungstransformator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Barrierenwandung (24, 28, 32, 56, 58) zumindest teilweise aus einem bandähnlichen Material gewickelt ist.

5. Hochspannungstransformator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Barrierenwandung (24, 28, 32, 56, 58) zumindest teilweise aus einem vorgefertigten Zylinderelement besteht.

6. Hochspannungstransformator nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bereichsweise mehrere radial benachbarte Lagen von Leisten (26, 30, 34) und Barrierenwandungen (24, 28, 32, 56, 58) vorgesehen sind.

7. Hochspannungstransformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Barrierenstruktur (54, 74) wenigstens einer Spule (18, 20, 22, 52, 72) über deren gesamten Umfang ausgebildet ist.

8. Hochspannungstransformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Barrierenstruktur (54, 74) wenigstens einer Spule (18, 20, 22, 52, 72) nicht über deren gesamten Umfang ausgebildet ist und dass der Querschnitt der Barrierenstruktur (54, 74) an seinen beiden äußeren Enden stufenähnlich ausgeprägt ist.

9. Hochspannungstransformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Barrierenstruktur (54, 74) wenigstens einer Spule (18, 20, 22, 52, 72) nicht über deren gesamten Umfang ausgebildet ist und dass der Querschnitt der Barrierenstruktur (54, 74) an seinen beiden äußeren Enden flach in die Oberfläche der Spule (18, 20, 22, 52, 72) übergeht.

10. Hochspannungstransformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch wenigstens eine der Barrierenstrukturen (54, 74) sich über deren gesamte axiale Länge erstreckende Hohlräume (60, 62) gebildet sind, welche als Kühlkanäle fungieren.

11. Hochspannungstransformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Barrierenstrukturen (54, 74) über wenigstens ein axiales Ende der jeweiligen Spule (18, 20, 22, 52, 72) herausragt.

Zeichnung