DE1258966B - Air-cooled plastic transformer - Google Patents
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Description
Luftgekühlter Kunststofftransformator Die Erfindung betrifft luftgekühlte Transformatoren für größere Leistungen bis etwa 1600 kVA, insbesondere höhere Spannungsreihen, deren Wicklungen völlig in Kunststoffe eingebettet sind.Air-cooled plastic transformer The invention relates to air-cooled transformers Transformers for higher powers up to about 1600 kVA, especially higher voltage series, whose windings are completely embedded in plastics.
Eine derartige Ausführungsform der Transformatoren ist für die Projektierung von elektrischen Innenraumanlagen in Großstädten, vor allem in baulicher Hinsicht, von großer praktischer Bedeutung, denn sie ermöglicht die Aufstellung der Transformatoren direkt in Verbrauchernähe, wie beispielsweise in Kaufhäusern, Appartementhäusern, Theatergebäuden usw.Such an embodiment of the transformers is for planning purposes of electrical indoor systems in large cities, especially from a structural point of view, of great practical importance because it enables the transformers to be installed directly in the vicinity of the consumer, such as in department stores, apartment houses, Theater buildings, etc.
Kunststofftransformatoren zeichnen sich nämlich gegenüber flüssigkeitsgekühlten Transformatoren (Öl bzw. Clophen) durch kleinere Abmessungen und geringeres Gewicht aus. Sie weisen eine große Widerstandsfähigkeit gegen Feuchtigkeit, chemische Dämpfe und sonstige angreifende Umgebungseinflüsse auf und besitzen ferner eine ausgezeichnete dynamische und elektrische Festigkeit. Darüber hinaus erübrigt sich durch Einsatz von Kunststofftransformatoren die Öl-bzw. Clophen-Grube als zusätzliche bauliche Sicherheitsmaßnahme; auch Brandgefahr besteht nicht.Plastic transformers stand out from liquid-cooled ones Transformers (oil or Clophen) due to their smaller dimensions and lower weight the end. They have great resistance to moisture, chemical vapors and other aggressive environmental influences and also have an excellent dynamic and electrical strength. In addition, is superfluous through use of plastic transformers the oil or. Clophen pit as additional structural Security measure; there is also no risk of fire.
Es ist bekannt, die galvanisch voneinander getrennte Oberspannungswicklung und Unterspannungswicklung in einen massiven Kunststoffblock einzubetten. Dies geschieht beispielsweise in einer Form durch mittels Zentrifugalkraft erfolgendes Schleudern, wobei die Kunstharze in der Form erhärten. Diese Ausführungsform ist mit dem Nachteil behaftet, daß die insbesondere im Kurzschlußfall beträchtlichen axialen Schubkräfte den Kunststoffblock zwischen der Ober- und Unterspannungswicklung auf Druck, Biegung und Scherung beanspruchen; es besteht dann die Gefahr der Rißbildung, weil gerade diese Kunststoffzone hohen elektrischen Spannungsbeanspruchungen ausgesetzt ist, die zuverlässig zu beherrschen schwierig ist.It is known that the high-voltage winding, which is electrically isolated from one another and embed low voltage winding in a solid plastic block. this happens for example in a form by centrifugal centrifugal force, whereby the synthetic resins harden in the mold. This embodiment has the disadvantage afflicted by the fact that the axial thrust forces, which are considerable, especially in the event of a short circuit the plastic block between the high and low voltage winding on pressure, bending and shear stress; there is then the risk of cracking because straight this plastic zone is exposed to high electrical voltage stresses, which is difficult to master reliably.
Bei großen Leistungen ist es bekannt, zwischen den zylindrischen, konzentrisch angeordneten Primär- und Sekundärwicklungen, die je für sich allseitig in Kunststoff eingebettet sind, einen (Luft)-Kühlkanal anzuordnen. Da in diesem Falle die elektrische Beanspruchung durch die Luft aufgenommen wird, ist der Abstand zwischen der Ober- und der Unterspannungswicklung etwa dreimal größer als bei flüssigkeitsgekühlten Transformatoren zu bemessen. Diese Maßnahme verschlechtert somit den Wicklungsfüllfaktor und erhöht durch einen breiten Hauptstreukanal den Blindwiderstand bzw. den induktiven Streuspannungsfall. Um. bei großem Wicklungsabstand die stets vorgeschriebene; genormte Streuspannung einzuhalten, muß der Eisenquerschnitt entsprechend groß oder die Wicklung länger gewählt werden. Durch jede dieser Maßnahmen wird aber der Aktivteil des Transformators, insbesondere unter Wahrung gleicher Wicklungs- und Eisenverluste, gewichtiger und teuerer als der flüssigkeitsgekühlte Transformator. Ferner kann sich während des Betriebes im Kühlkanal infolge des zwischen der Ober-und Unterspannungswicklung herrschenden elektrischen Feldes Staub ansammeln, der die Kühlung des Transformators beeinträchtigt und unter Umständen im Laufe der Zeit die Kriechwegbildung begünstigt und zu Überschlägen führen kann.In the case of high outputs it is known to choose between the cylindrical, concentrically arranged primary and secondary windings, each on all sides are embedded in plastic to arrange an (air) cooling channel. Because in this If the electrical stress is absorbed by the air, the distance is between the high and low voltage windings about three times larger than with liquid-cooled ones Transformers to be sized. This measure therefore worsens the winding fill factor and increases reactance or inductive resistance through a wide main scattering channel Stray voltage case. Around. if the winding spacing is large, the one that is always prescribed; standardized To comply with stray voltage, the iron cross-section or the winding must be correspondingly large be chosen longer. With each of these measures, however, the active part of the transformer, especially while maintaining the same winding and iron losses, weightier and more expensive than the liquid-cooled transformer. Furthermore, during the Operation in the cooling channel as a result of the between the high and low voltage winding the prevailing electric field collect dust, which cools the transformer impaired and under certain circumstances favors the formation of tracking paths over time and can lead to flashovers.
Trotz vieler Vorzüge gegenüber flüssigkeitgekühlten Transformatoren konnten sich deshalb Trockentransformatoren der üblichen Bauart nicht durchsetzen.Despite many advantages over liquid-cooled transformers Therefore, dry-type transformers of the usual design could not prevail.
Die Erfindung zeigt für die Bemessung und Gestaltung von Trockentransformatoren der Leistung bis 1600 kVA und Mittel- und Hochspannung, deren Wicklungen völlig in Kunststoff eingebettet sind, einen neuen Weg.The invention shows for the dimensioning and design of dry-type transformers of power up to 1600 kVA and medium and high voltage, their windings completely embedded in plastic, a new way.
Nach der Erfindung ist zwischen der Oberspannugs-(Primär-)Wicklung und der Unterspannungs-(Sekundär-)Wicklung eine entkuppelnde Gleitfuge oder ein Streukanal (Kühlkanal) elektrisch feldfrei derart angeordnet, daß die elektrische Hauptbeanspruchung durch einen der Primärwicklung vorgeschalteten Kunststoffumguß mit einem im Bereich der Oberspannungswicklung oder deren Teilspule angeordneten metallischen Schirm, der entweder an dem Kern oder an die Unterspannungswicklung angelenkt ist, aufgenommen wird.According to the invention is between the high voltage (primary) winding and the low-voltage (secondary) winding a decoupling sliding joint or a Stray channel (cooling channel) arranged electrically field-free in such a way that the electrical Main stress caused by a plastic encapsulation upstream of the primary winding with one arranged in the area of the high-voltage winding or its sub-coil metallic screen attached to either the Core or to the low voltage winding is hinged, is included.
An Hand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments explained.
F i g. 1 zeigt einen Schnitt der bekannten Ausführung mit je für sich allseitig in Kunststoff eingebetteten Oberspannungsspulen 1 und Unterspannungsspulen 2 für die Spannungsreihe 20. Der Kern befindet sich innerhalb der Unterspannungsspule. Die Prüfwechselspannung der:Reihe 20 beträgt 50 kV zwischen der Oberspannungswicklung und der Unterspannungswicklung - Kern mitsamt Preßteilen. Bei dieser Anordnung wird trotz der allseitigen Isolierung der zylindrischen Spulen mit Kunststoff (angenommene Wandstärke 2 mm) die elektrische Beanspruchung durch die Luftstrecke zwischen der Ober- und der Unterspannungswicklung aufgenommen. Im Hinblick auf die zulässige Glimmeinsatzspannung bei einem Spannungswert von 80 % der Prüfwechselspannung würde diese Strecke mit 40 mm bemessen werden. Der Hauptstreukanal d beträgt demnach 44 mm.F i g. 1 shows a section of the known design, each for itself High-voltage coils 1 and low-voltage coils embedded in plastic on all sides 2 for voltage series 20. The core is inside the undervoltage coil. The AC test voltage of: Series 20 is 50 kV between the high-voltage winding and the low voltage winding - core including pressed parts. With this arrangement despite the all-round insulation of the cylindrical coils with plastic (assumed Wall thickness 2 mm) the electrical stress caused by the air gap between the Upper and lower voltage winding added. In terms of permissible Glow threshold voltage at a voltage value of 80% of the test AC voltage would this distance can be measured at 40 mm. The main scattering channel d is therefore 44 mm.
Die erfindungsgemäße Lösung dagegen gestattet eine beträchtliche Reduzierung des Hauptstreukanals d, wie dies F i g. 2 veranschaulicht. Der Oberspannungswicklung 1 ist der Kunststoffzylinder mit dem metallischen Schirm 4 vorgeschaltet. Die Prüfwechselspannung von 50 kV wird durch einen a = 5 mm Kunststoffbelag direkt zwischen geerdetem Schirm 4 und der Innenfläche der Oberspannungswicklung 1 aufgenommen. Der Abstand a ist gegeben durch die elektrische Beanspruchung, herrührend von der Prüfwechselspannung und dem dielektrischen Festigkeitswert des Kunststoffes. Er beträgt in diesem Falle 5 mm, also einem Bruchteil der üblichen Luftstrecke.The solution according to the invention, on the other hand, allows a considerable reduction of the main scattering channel d, as shown in FIG. 2 illustrates. The high voltage winding 1, the plastic cylinder with the metallic screen 4 is connected upstream. The AC test voltage of 50 kV is achieved by an a = 5 mm plastic covering directly between the earthed screen 4 and the inner surface of the high-voltage winding 1 were added. The distance a is given by the electrical stress resulting from the test alternating voltage and the dielectric strength value of the plastic. In this case it is 5 mm, i.e. a fraction of the usual clearance.
Mithin kann bei diesem Ausführungsbeispiel der Hauptstreukanal d auf 10 mm reduziert werden. Diese Reduzierung ist beträchtlich und bedeutet, daß sich die Abmessungen eines nach der Erfindung gestalteten Transformators storchschnabelförmig verkleinern lassen. Durch die erfindungsgemäße Ausführung des Kunststofftransformators sind für die Bemessung des Aktivteiles etwa die gleichen geometrischen Entwurfsvoraussetzungen wie bei flüssigkeitsgekühlten Transformatoren geschaffen.Thus, in this exemplary embodiment, the main scattering channel d can open 10 mm can be reduced. This reduction is considerable and means that the dimensions of a transformer designed according to the invention in the shape of a cranesbill let it zoom out. Due to the inventive design of the plastic transformer are roughly the same geometric design requirements for the dimensioning of the active part as created with liquid-cooled transformers.
Noch günstiger hinsichtlich des Materialaufwandes wirkt sich die erfindungsgemäße Lösung bei noch höheren Spannungsreihen aus. So beträgt z. B. für die Reihe 30 die Prüfwechselspannung bereits 70 kV, der Hauptstreukanal d müßte bei üblicher Bemessung dementsprechend vergrößert werden, so daß es gegenwärtig nicht möglich ist, Trockentransformatoren für die Reihe 30 wirtschaftlich zu gestalten. Bei Ausführung der Wicklungen nach der Erfindung dagegen besteht zwischen der Reihe 10, 20 und 30 praktisch kein Unterschied in den radialen Abmessungen.The inventive one has an even more favorable effect in terms of the cost of materials Solution for even higher voltage series. So z. B. for the row 30 the AC test voltage already 70 kV, the main scattering channel d would have to be with the usual dimensioning be enlarged accordingly, so that it is currently not possible to use dry-type transformers for the 30 series. When executing the windings after of the invention, on the other hand, there is practically no difference between the 10, 20 and 30 series in the radial dimensions.
Einen weiteren beachtlichen Beitrag zum technischen Fortschritt liefert die erzielte Stoßspannungsfestigkeit dieses Wicklungsaufbaues. An Hand von Versuchen an erfindungsgemäß vollisolierten Kunststofftransformatoren konnte nachgewiesen werden, daß diese den Anforderungen des unteren Stoßpegels und des oberen Stoßpegels nach VDE 0532/8. 64, § 47 und Tafel 11, genügen. Dies wird erreicht durch die völlige Einbettung aller hochspannungsführenden Teile in Kunststoff großer dielektrischer Festigkeit, wodurch sich ein Stoßfaktor 3 bis 4 ergibt. Bekanntlich sind die üblichen Trockentransformatoren nicht stoßspannungsfest; gemäß VDE 0532/8. 64, § 47, entfällt deshalb die Stoßspannungsprüfung bei Trockentransformatoren.Makes another considerable contribution to technical progress the surge voltage resistance achieved in this winding structure. On the basis of experiments on plastic transformers fully insulated according to the invention could be demonstrated that these meet the requirements of the lower shock level and the upper shock level according to VDE 0532/8. 64, § 47 and Table 11, suffice. This is achieved through the total Embedding of all high voltage parts in plastic of large dielectric Strength, resulting in a shock factor of 3 to 4. As is well known, they are the usual ones Dry-type transformers not surge-proof; according to VDE 0532/8. 64, § 47, is not applicable therefore the surge voltage test for dry-type transformers.
Die Unterspannungswicklung 2 und die Oberspannungswicklung 1 sind durch eine Gleitfuge 10 mechanisch entkuppelt. Durch dieses kennzeichnende Ausgestältungsmerkmal der Erfindung werden die axialen Schubkräfte ausschließlich von der Kernpreßkonstruktion aufgenommen. Eine mechanische Beanspruchung der größtbeanspruchten elektrischen Strecke des Kunststoffes zwischen Schirm 4 und dem Potential der Oberspannungsspule 1 besteht nicht. Eine Rißbildung des Kunststoffkörpers durch dynamische Beanspruchung, hauptsächlich im Kurzschlußfall, ist unterbunden.The low-voltage winding 2 and the high-voltage winding 1 are mechanically decoupled by a sliding joint 10. With this characteristic feature of the invention, the axial thrust forces are absorbed exclusively by the core press structure. There is no mechanical stress on the most stressed electrical route of the plastic between the screen 4 and the potential of the high-voltage coil 1 . Cracking of the plastic body due to dynamic stress, mainly in the event of a short circuit, is prevented.
Die erfindungsgemäße Ausbildung der Unterspannungswicklung 2 und der Oberspannungswicklung 1 zeigt F i g. 3 (Aufriß) und F i g. 4 (Grundriß). Die Oberspannungswicklung 1 und die Unterspannungswicklung 2 sind hinsichtlich einer wirkungsvollen Kühlung in einen oder mehrere Kühlkanäle unterteilt, wodurch die Kühlmittelströmung in elektrisch nicht stark beanspruchte Luftstrecken verlegt wird.The inventive design of the low voltage winding 2 and the High-voltage winding 1 shows FIG. 3 (elevation) and FIG. 4 (floor plan). The high voltage winding 1 and the low voltage winding 2 are effective in terms of cooling divided into one or more cooling channels, whereby the coolant flow in electrical Airways that are not heavily used are laid.
Auch kann bei großen Leistungen ein Kühlkanal (Gleitfuge) zwischen der Unterspannungswicklung 2 und der Oberspannungswicklung 1 sowie ein oder mehrere Kühlkanäle innerhalb der Unterspannungswicklung und der Oberspannungswicklung vorgesehen sein.A cooling channel (sliding joint) can also be installed between the low-voltage winding 2 and the high-voltage winding 1 and one or more Cooling channels are provided within the low-voltage winding and the high-voltage winding be.
Der Grundriß (F.i g. 4) zeigt, daß zu diesem Zweck Distanzstege 6 die einzelnen Teilspulen sowohl der Oberspannungswicklung als auch der Unterspannungswicklung in einem Guß zu einem homogenen Ganzen verbinden. Um dies zu erreichen, werden in der Gießform Füllstücke 5 (Segmente) entlang der axialen Wicklungshöhe derart eingelegt, daß die Distanzstege 6 beim Gießen entstehen. Die Füllstücke 5 werden nach dem Erhärten des Kunststoffes in der Gießform wieder entfernt, so daß die Kühlkanäle entstehen. Die obige Formgebung gestattet, den Verbindungsleiter 7 zweier aufeinanderfolgender Lagen in nahezu axialer Richtung von einem Ende der einen Lage zum entgegengesetzt liegenden Ende der anderen Lage in einem der Distanzstege glimmfrei in den Kunststoff einzubetten (F i g. 5). Der Verbindungsleiter 7 befindet sich somit auch in Kunststoff großer dielektrischer Festigkeit und gewährleistet eine hohe Stoßspannungsfestigkeit des Aufbaues. Darüber hinaus wird durch die Verbindung der einzelnen koaxial umeinander angeordneten Teilspulen zu einem Ganzen die mechanische Stabilität der Wicklung wesentlich verbessert.The plan (Fig. 4) shows that spacer bars 6 the individual coil sections of both the high-voltage winding and the low-voltage winding combine in one piece to form a homogeneous whole. To achieve this, in the casting mold filler pieces 5 (segments) are inserted along the axial winding height in such a way that that the spacer bars 6 arise during casting. The filler pieces 5 are after hardening of the plastic in the mold is removed again, so that the cooling channels are created. The above shape allows the connecting conductor 7 of two successive Layers in an almost axial direction from one end of one layer to the opposite lying end of the other layer in one of the spacer bars in the plastic embed (Fig. 5). The connecting conductor 7 is thus also made of plastic high dielectric strength and ensures high surge voltage resistance of the structure. In addition, by connecting each one coaxially around each other arranged partial coils to a whole the mechanical stability of the winding much improved.
Ferner ist aus dem Grundriß (F i g. 4) ersichtlich, daß beispielsweise im Distanzsteg 6 zwischen den einzelnen Teilspulen ein Einsatzteil 8 vorgesehen ist, welches zur Aufnahme von überwachungseinrichtungen, wie Thermoelemente, Widerstandsthermometer usw. dient. Dadurch kann bei kraftschlüssiger Einbettung bei luftgekühlten Kunststofftransformatoren direkt der heißeste Wicklungspunkt gemessen werden.It can also be seen from the plan (FIG. 4) that, for example an insert part 8 is provided in the spacer bar 6 between the individual coil sections is, which is used to accommodate monitoring devices such as thermocouples, resistance thermometers etc. serves. This allows for frictional embedding in air-cooled plastic transformers the hottest winding point can be measured directly.
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