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WO2012031646A1 - Transformatorwicklung - Google Patents

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Publication number
WO2012031646A1
WO2012031646A1 PCT/EP2011/003669 EP2011003669W WO2012031646A1 WO 2012031646 A1 WO2012031646 A1 WO 2012031646A1 EP 2011003669 W EP2011003669 W EP 2011003669W WO 2012031646 A1 WO2012031646 A1 WO 2012031646A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
winding
cooling channel
transformer
transformer winding
modules
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2011/003669
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Benjamin Weber Weber
Bhavesh Patel
Burak Esenlik
Frank Cornelius
Marcos Bockholt
Jens Tepper
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Technology AG
Original Assignee
ABB Technology AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Technology AG filed Critical ABB Technology AG
Priority to CN201180043376.5A priority Critical patent/CN103125003B/zh
Priority to CA2810416A priority patent/CA2810416C/en
Priority to BR112013005274-0A priority patent/BR112013005274B1/pt
Publication of WO2012031646A1 publication Critical patent/WO2012031646A1/de
Priority to US13/785,306 priority patent/US8952777B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/08—Cooling; Ventilating
    • H01F27/085—Cooling by ambient air
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/288—Shielding
    • H01F27/2885—Shielding with shields or electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H01F27/36—Electric or magnetic shields or screens
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H01F27/36—Electric or magnetic shields or screens
    • H01F27/363—Electric or magnetic shields or screens made of electrically conductive material

Definitions

  • the invention relates to a transformer winding, with at least two hollow cylindrical nested around a common winding axis extending electrically connected in series multi-layer winding modules and at least one cooling channel, which is arranged along the same winding axis hollow cylindrical between the winding modules.
  • power transformers for example, with a rated power of a few MVA and in a voltage range of, for example, 5kV to 30kV or 110kV, sometimes even up to 170kV, are also designed as dry-type transformers, wherein in the latter voltage range well rated power of 50MVA and are possible about it.
  • a loss of heat arises in its electrical windings, which is dissipated to the environment. Therefore, for cooling purposes of such a dry transformer usually at least one guided along the axial extent of the winding cooling channel is pronounced to lead out the heat loss preferably by means of natural air cooling from the winding interior.
  • the usually radially inwardly located lower voltage winding is divided into a plurality of radially spaced and electrically connected in series hollow cylindrical winding segments, between which a likewise hollow cylindrical cooling channel is arranged.
  • This effect is particularly important in the case of a surge voltage load of the winding, that is to say in the case of a voltage pulse entering from outside the terminals of the winding, for example with a rise time in the ps range. Due to the high-frequency fundamental portion of such a voltage pulse, the voltage along the individual turns of the winding distributed according to their respective capacity. Since the capacity is now distributed unevenly due to the introduction of the cooling channel, there is also a disadvantageous uneven stress on the conductor, which is usually designed over its entire length for the same voltage stress.
  • a transformer winding of the aforementioned type is characterized in that within the at least one cooling channel at least in sections along its radial circumference is provided over approximately the entire axial length extending planar electric screen, through which the electrical capacitance distribution in the electrical series-connected transformer winding is influenced.
  • the basic idea of the invention is to provide the hollow-cylindrical interior of the at least one cooling channel, which generally extends over the entire axial length of the transformer winding, with a respective inner, electrically conductive screen, so that, on the one hand, the capacitive characteristics of further windings, which are without Presence of a cooling channel would be provided there are approximately at least partially replicated.
  • the respective screen is to be designed in such a way that the cooling function of the cooling channel is not adversely affected, or in the ideal case even improved.
  • This is achieved by a preferably flat, sheet-like design of the respective screen, which is arranged along the axial extent of the cooling channel reaches.
  • An example of this is a metal sheet which, for example, rolled in a cylindrical shape, is to be provided in the cooling channel.
  • a respective breakthrough to allow there the required spacing of the two radially adjacent winding modules, for example by webs or blocks.
  • a cylindrical shell-like segmentation of a screen is conceivable.
  • the at least one cooling channel has a radially inner and a radially outer wall, through which a channel cavity is enclosed, wherein at least one of the two wall facing the cavity side, an electrical screen is arranged.
  • Such the channel cavity enclosing walls are on the one hand not unusual in the design of a cooling channel, even if no additional electrical screens are provided in this.
  • a cooling channel can be produced by nesting two pieces of pipe from an insulating material with additional radial spacing in an advantageously simple manner.
  • a respective electrical screen must accordingly be provided without problems on at least one of the two sides facing the inner cooling channel.
  • a sheet-like screen also painting the respective wall side with a conductive paint material is conceivable.
  • a further arrangement of a screen - for example, in the radial center of the cooling channel - advantageous for achieving a homogeneous as possible capacity Verieung effect.
  • a centrally mounted screen also advantageously increases the interaction surface with the cooling medium flowing through the cooling channel air and the cooling effect is thereby improved.
  • the at least one electrical shield is galvanically connected to a radially adjacent winding layer. This has a positive effect on the potential distribution in the event of an impulse voltage load but also on the voltage stress of the conductors in steady-state operation at mains frequency, depending on the further configuration of the winding.
  • the at least one electrical shield is arranged parallel to the winding axis.
  • the potential distribution along the axial length of the winding in each winding position is constant, therefore, also the orientation of the electric screen oriented parallel to the winding axis and oriented towards an expected potential distribution in the case of a surge stress situation must be selected.
  • This also proves to be the least influencing thedemittehne thanks through the cooling channel arrangement variant.
  • the at least one electric screen is arranged obliquely to the winding axis corresponding to an expected electric potential distribution.
  • a voltage gradient is present along the axial extent of the transformer winding, which is then taken into account by a corresponding oblique arrangement of the screen.
  • this is to be designed such that the air flow through the cooling channel is influenced as little as possible.
  • a plurality of axially adjacent winding modules with a cooling channel and a planar electric screen are provided.
  • the cooling channels are usually designed such that they are guided along the common axial extent of all axially adjacent winding modules.
  • the invention accordingly extends a common cooling channel over the entire axial length of the axially adjacent winding modules, wherein at least one planar electric screen along the entire axial length of the cooling channel is provided.
  • two galvanically isolated windings are provided for each different nominal voltages. This is the case, for example, when a low-voltage winding and a high-voltage winding are arranged on the same bobbin.
  • the low-voltage winding for example, for a rated voltage of 10kV, arranged radially inward
  • the high-voltage winding for example, for a rated voltage of 30kV, radially outward.
  • Each of these galvanically isolated windings can be constructed according to the invention of winding modules with interposed cooling channels with respective electrical screen.
  • the advantages of a transformer winding according to the invention are also apparent for a transformer with transformer core and at least one, but preferably three transformer windings. This allows use in a three-phase power supply network.
  • FIG. 1 is a plan view of a first exemplary transformer winding
  • FIG. 2 shows a sectional view through a second exemplary transformer winding
  • FIG. 3 shows a partial sectional view through a third exemplary transformer winding
  • FIG. 4 is a partial sectional view through a fourth exemplary transformer winding
  • Fig. 1 shows a plan view 10 of a first exemplary transformer winding.
  • a hollow-cylindrical first winding module 12 Disposed about a common winding axis 18 is a hollow-cylindrical first winding module 12, which comprises, for example, a plurality of layers of a strip conductor wound on one another. Radial on the outside is followed by a radially inner wall 26 and a radially outer wall 28, which are radially spaced from each other by spacing blocks 30.
  • Between the two insulating walls 26, 28 of the actual cooling channel 16 is formed, which is cooled during operation of the winding, for example, as part of a three-phase transformer by flowing from bottom to top air.
  • two cylindrical electrical screens 20, 22 are indicated, which consist for example predominantly of a suitable conductive sheet material. In order to attach the spacer blocks 30 between the walls 26, 28, an at least partial breakdown of the electrical screens 20, 22 is necessary.
  • a second winding module 14 connects, which likewise has a plurality of layers of an electrical conductor, which, however, are not indicated in the figure.
  • An electrical series connection of the two winding parts is indicated by a series circuit element 24, for example an aluminum profile or a conductor segment guided radially through the cooling channel.
  • the heat emitted by the winding modules during operation heat is transmitted through the walls 26, 28 in the cooling channel 16 and also radiates to the electric screens 20, 22 a.
  • the air flow through the cooling channel 16 is not adversely affected by the arrangement of the electric screens 20, 22, it is even achieved an improved cooling effect. Namely, the thermal radiation also heats the two electric screens 20, 22, which then form an increased exchange surface for the heat exchange with the cooling air.
  • further further cooling channels, which follow radially outside, and further winding modules connected radially on the outside are conceivable.
  • Fig. 2 shows a sectional view 40 through a second exemplary transformer winding.
  • a third winding module 42 Arranged radially inward around a common winding axis 50 are a third winding module 42 and an axially adjacent fourth winding module 44, for example with a plurality of turns of an insulated copper wire.
  • a cooling channel 52 Radially outside, a cooling channel 52 connects, which over the entire axial length the axially adjacent winding modules 42, 44 is guided.
  • an electrical screen 54 is arranged radially inward, over the axial length of both winding modules 42, 44, wherein radially in the cooling channel 52 a two-part screen 56, 58 is arranged.
  • Both shield parts 56, 58 correspond in their axial extent to the axial extent of winding modules 46, 48 which adjoin each other radially on the outside of the cooling channel 52 and are axially adjacent to each other. All four winding modules 42, 44, 46, 48 are electrically connected in series. Depending on the type of series connection or according to the structural boundary conditions, a division of the radially outer screen into a first 56 and a second 58 screen part may be useful. It is usually assumed that all radially inner winding modules 42, 44 are connected in series and then a series connection with the radially outer winding modules 46, 48 takes place.
  • Fig. 3 shows a partial sectional view 60 through a third exemplary transformer winding.
  • a common winding axis 62 Arranged around a common winding axis 62 is a radially inwardly lying hollow-cylindrical seventh winding module 64, which is adjoined radially on the outside by a hollow-cylindrical cooling channel 68 and a hollow-cylindrical eighth winding module 68.
  • the two winding modules 64, 66 are indicated as a strip conductor winding with a single turn of a strip conductor 70 per winding layer and with several winding layers.
  • Indicated inside the cooling channel 68 are two electrical screens 72, 74, which extend parallel to the winding axis 62 and along almost the entire axial length of the winding modules 64, 66.
  • the electrical screens 72, 74 are also to be arranged in parallel, wherein both screens 72, 74 are electrically connected to the respective adjacent position of the strip conductor 70 via connecting elements 76.
  • the radial gap between the two cooling channel 68 radially surrounding band conductor turns is electrically reduced, whereby an increase in the capacity is reached.
  • FIG. 4 shows a partial sectional view 80 through a fourth exemplary transformer winding.
  • two hollow-cylindrical winding modules nested one inside the other are arranged around a common winding axis 82, wherein a winding layer now comprises a plurality of adjacent turns 84 or 88 of a round conductor includes.
  • a cooling channel 90 Arranged radially between the winding modules is a cooling channel 90 with two electrical shields 92, 94. Due to the multiple turns per winding layer, no potential distribution is to be expected in the case of a surge voltage load which is constant along the axial extent of the winding modules.
  • the electric umbrellas 92, 94 are slightly angled, for example, 1 ° - 10 ° to the winding axis 82, arranged so as to ensure the most homogeneous possible stress distribution.
  • the arrangement of winding modules and cooling channels around a common axis of rotation does not necessarily have to be circular, it is possible with regard to transformer legs, which may only be approximately circular, to adapt the shape of the winding accordingly and, if necessary, to approximate a rectangle.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Coils Of Transformers For General Uses (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Transformatorwicklung (10, 40, 60, 80), mit wenigstens zwei hohlzylindrisch ineinandergeschachtelten sich um eine gemeinsame Wickelachse (18, 50, 62, 82) erstreckenden elektrisch in Reihe geschalteten (24) mehrlagigen Wicklungsmodulen (12, 14, 42, 44, 46, 48, 64, 66) und mit wenigstens einem Kühlkanal (16, 52, 68, 90), welcher längs derselben Wickelachse (18, 50, 62, 82) hohlzylindrisch zwischen den Wicklungsmodulen (12, 14, 42, 44, 46, 48, 64, 66) angeordnet ist. Innerhalb des wenigstens einen Kühlkanals (16, 52, 68, 90) ist zumindest abschnittsweise längs dessen radialen Umfangs ein sich über annährend die gesamte axiale Länge erstreckender flächiger elektrischer Schirm (20, 22, 54, 56, 58, 72, 74, 92, 94) vorgesehen, durch welchen die elektrische Kapazitätsverteilung in der elektrisch in Reihe geschalteten Transformatorwicklung beeinflusst ist.

Description

Transformatorwicklung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Transformatorwicklung, mit wenigstens zwei hohlzylindrisch ineinandergeschachtelten sich um eine gemeinsame Wickelachse erstreckenden elektrisch in Reihe geschalteten mehrlagigen Wicklungsmodulen und mit wenigstens einem Kühlkanal, welcher längs derselben Wickelachse hohlzylindrisch zwischen den Wicklungsmodulen angeordnet ist.
Es ist allgemein bekannt, dass Leistungstransformatoren, beispielsweise mit einer Nennleistung von einigen MVA und in einem Spannungsbereich von beispielsweise 5kV bis 30kV oder 110kV, teilweise sogar bis 170kV, auch als Trockentransformatoren ausgeführt werden, wobei in dem zuletzt genannten Spannungsbereich durchaus auch Nennleistungen von 50MVA und darüber möglich sind. Beim Betrieb eines Transformators entsteht in dessen elektrischen Wicklungen eine Verlustwärme, die an die Umgebung abzuführen ist. Daher ist zu Kühlzwecken eines derartigen Trockentransformators zumeist wenigstens ein längs der axialen Erstreckung der Wicklung geführter Kühlkanal ausgeprägt, um die Verlustwärme vorzugsweise mittels natürlicher Luftkühlung aus dem Wicklungsinneren herauszuführen. Um die Kühlwirkung zu vergrößern, ist insbesondere die üblicherweise radial innen liegende Unterspannungswicklung in mehrere radial beabstandete und elektrisch in Reihe geschaltete hohlzylindrische Wicklungssegmente geteilt, zwischen denen ein ebenfalls hohlzylindrischer Kühlkanal angeordnet ist.
Nachteilig hieran ist jedoch, dass die (Streu-) Kapazität der zusammen geschalteten Wicklung nicht mehr annähernd homogen auf die einzelnen Wicklungswindungen verteilt ist, sondern sich vielmehr ein Bereich mit geringer Kapazität im Bereich des Kühlkanals ausprägt. Dies ist insbesondere bei Trockentransformatoren der Fall, weil dort Kühlkanäle mit einer Dicke von einigen Zentimetern üblich sind, wohingegen bei ölgefüllten Transformatoren die Dicke der Kühlkanäle im Millimeterbereich liegt, so dass die kapazitive Änderung der Wicklung entsprechend gering ausfällt.
Dieser Effekt ist insbesondere bei einer Stossspannungsbelastung der Wicklung von Bedeutung, also bei einem von außen an die Anschlüsse der Wicklung einlaufenden Spannungsimpuls, beispielsweise mit einer Anstiegszeit im ps Bereich. Aufgrund des hochfrequenten Grundanteils eines derartigen Spannungsimpulses verteilt sich die Spannung längs der einzelnen Windungen der Wicklung entsprechend deren jeweiliger Kapazität. Da die Kapazität aufgrund der Einbringung des Kühlkanals nunmehr ungleichmäßig verteilt ist, ergibt sich auch eine nachteilige ungleichmäßige Spannungsbeanspruchung des Leiters, der üblicherweise über seine gesamte Länge für dieselbe Spannungsbeanspruchung ausgelegt ist.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Transformatorwicklung mit homogenisierter Spannungsverteilung bei Stossspannungsbelastung anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Transformatorwicklung der eingangs genannten Art. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des wenigstens einen Kühlkanals zumindest abschnittsweise längs dessen radialen Umfangs ein sich über annährend die gesamte axiale Länge erstreckender flächiger elektrischer Schirm vorgesehen ist, durch welchen die elektrische Kapazitätsverteilung in der elektrisch in Reihe geschalteten Transformatorwicklung beeinflusst ist.
Die Grundidee der Erfindung besteht darin, den hohlzylindrischen Innenraum des wenigstens einen Kühlkanals, welcher sich zumeist über die gesamte axiale Länge der Transformatorwicklung erstreckt, mit einem jeweiligen inneren, elektrisch leitfähigen Schirm zu versehen, so dass einerseits die kapazitiven Eigenschaften von weiteren Windungen, weiche ohne Vorhandensein eines Kühlkanals dort vorzusehen wären, in etwa zumindest teilweise nachgebildet sind.
Andererseits ist der jeweilige Schirm derart auszugestalten, dass die Kühlfunktion des Kühlkanals nicht negativ beeinflusst, oder im Idealfall sogar noch verbessert wird. Dies wird durch eine vorzugsweise flache, blechähnliche Ausgestaltung des jeweiligen Schirms, welcher längs der axialen Erstreckung des Kühlkanals angeordnet ist, erreicht. Vorzugsweise ist eine Ausrichtung des Schirmes - auch in Teilbereichen - quer zu einer Strömungsrichtung durch den jeweiligen Kühlkanal zu vermeiden, um die Kühlwirkung nicht negativ zu beeinflussen. Ein Beispiel hierfür ist ein Blech, welches - beispielsweise in Zylinderform gerollt - in dem Kühlkanal vorzusehen ist. Es wird dann allerdings in gewissen Bereichen des Schirmes ein jeweiliger Durchbruch notwendig sein, um dort die erforderliche Beabstandung der beiden radial angrenzenden Wicklungsmodule zu ermöglichen, beispielsweise durch Stege oder Klötze. Auch eine zylinderschalenähnliche Segmentierung eines Schirmes ist denkbar.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Transformatorwicklung weist der wenigstens eine Kühlkanal eine radial innere und eine radial äußere Wandung auf, durch welche ein Kanalhohlraum umschlossen ist, wobei an wenigstens einer der beiden dem Hohlraum zugewandten Wandungsseiten ein elektrischer Schirm angeordnet ist. Derartige den Kanalhohlraum umschließende Wandungen sind einerseits nicht unüblich bei der Ausgestaltung eines Kühlkanals, auch wenn keine zusätzlichen elektrischen Schirme in diesem vorgesehen sind. So lässt sich ein derartiger Kühlkanal durch Ineinanderschachtelung von zwei Rohrstücken aus einem Isolationsmaterial mit zusätzlicher radialer Beabstandung in vorteilhaft einfacher Weise fertigen. Andererseits ist während der Fertigung ein jeweiliger elektrischer Schirm entsprechend problemlos an wenigstens einer der beiden dem inneren Kühlkanal zugewandten Seiten vorzusehen. Hier ist neben dem Anbringen eines blechähnlichen Schirms auch das Bestreichen der betreffenden Wandungsseite mit einem leitfähigen Lackmaterial denkbar.
Es sei darauf verwiesen, dass sich eine weitere Anordnung eines Schirmes - beispielsweise in der radialen Mitte des Kühlkanals - vorteilhaft zur Erreichung einer möglichst homogenen Kapazitätsverieiiung auswirkt. Ein derart mittig angebrachter Schirm erhöht zudem in vorteilhafter Weise die Interaktionsfläche mit dem durch den Kühlkanal strömenden Kühlmedium Luft und die Kühlwirkung wird dadurch verbessert. In einer weiteren Erfindungsvariante ist der wenigstens eine elektrische Schirm galvanisch mit einer radial benachbarten Wicklungslage verbunden. Dies wirkt sich - je nach weiterer Ausgestaltung der Wicklung - positiv auf die Potentialverteilung im Falle einer Stoßspannungsbelastung aber auch auf die Spannungsbeanspruchung der Leiter im stationären Betriebsfall mit Netzfrequenz aus.
Erfindungsgemäß erweist es sich bei Bandleiterwicklungen mit einer Windung pro Wickellage als vorteilhaft, wenn der wenigstens eine elektrische Schirm parallel zur Wickelachse angeordnet ist. In diesem Fall ist die Potentialverteilung längs der axialen Länge der Wicklung in jeder Wickellage konstant, daher ist auch die sich an einer zu erwartenden Potentialverteilung im Stossspannungsbeanspruchungsfall orientierende Ausrichtung des elektrischen Schirmes parallel zur Wickelachse zu wählen. Dies erweist sich zudem als die den Kühlmittefluss durch den Kühlkanal am wenigsten beeinflussende Anordnungsvariante.
Entsprechend einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung, welche für Transformatorwicklungen mit mehreren axial nebeneinander liegenden Windungen pro Wickellage ausgeführt vorgesehen ist, ist der wenigstens eine elektrische Schirm schräg zur Wickelachse entsprechend einer zu erwartenden elektrischen Potentialverteilung angeordnet. Bei axial nebeneinander liegenden Wickellagen ist nämlich längs der axialen Erstreckung der Transformatorwicklung ein Spannungsgefälle vorhanden, welchem dann durch eine entsprechend schräge Anordnung des Schirms Rechnung getragen wird. Dieser ist jedoch derart auszugestalten, dass die Luftströmung durch den Kühlkanal möglichst wenig beeinflusst wird.
In einer besonders bevorzugten Erfindungsvariante sind mehrere axial aneinander grenzende Wicklungsmodule mit Kühlkanal und flächigem elektrischen Schirm vorgesehen. Durch eine derartige axiale Segmentierung ist der Zusammenbau - insbesondere von größeren Wicklungen von beispielsweise 10MVA Leistung und höher, deutlich vereinfacht. Dennoch sind die Kühlkanäle zumeist derart ausgestaltet, dass sie längs der gemeinsamen axialen Erstreckung aller axial benachbarten Wicklungsmodule geführt sind. Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung erstreckt sich demgemäß ein gemeinsamer Kühlkanal über die gesamte axiale Länge der axial aneinandergrenzenden Wicklungsmodule, wobei wenigstens ein flächiger elektrischer Schirm längs der gesamten axialen Länge des Kühlkanals vorgesehen ist. Hierdurch ist die Konstruktion weiter vereinfacht.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind zwei galvanisch getrennte Wicklungen für jeweils unterschiedliche Nennspannungen vorgesehen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn eine Unterspannungswicklung und eine Oberspannungswicklung auf demselben Spulenkörper angeordnet sind. Üblicherweise ist die Unterspannungswicklung, beispielsweise für eine Nennspannung von 10kV, radial innen angeordnet und die Oberspannungswicklung, beispielsweise für eine Nennspannung von 30kV, radial außen. Jede dieser galvanisch getrennten Wicklungen kann erfindungsgemäß aus Wicklungsmodulen mit dazwischen angeordneten Kühlkanälen mit jeweiligem elektrischem Schirm aufgebaut sein. Die Vorteile einer erfindungsgemäßen Transformatorwicklung erschließen sich auch für einen Transformator mit Transformatorkern und wenigstens einer, vorzugsweise aber drei Transformatorwicklungen. Hiermit ist der Einsatz in einem dreiphasigen Energieversorgungsnetz ermöglicht.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten sind den weiteren abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung, weitere Ausführungsformen und weitere Vorteile näher beschrieben werden.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erste exemplarische Transformatorwicklung,
Fig.2 eine Schnitiansicht durch eine zweite exemplarische Transformatorwicklung, Fig. 3 eine Teilschnittansicht durch eine dritte exemplarische Transformatorwicklung sowie
Fig. 4 eine Teilschnittansicht durch eine vierte exemplarische Transformatorwicklung Fig. 1 zeigt eine Draufsicht 10 auf eine erste exemplarische Transformatorwicklung. Um eine gemeinsame Wickelachse 18 angeordnet ist ein hohlzylindrisches erstes Wicklungsmodul 12, welches beispielsweise mehrere aufeinander gewickelte Lagen eines Bandleiters umfasst. Radial außen schließt sich eine radial innere Wandung 26 und eine radial äußere Wandung 28 an, welche durch Beabstand ungsklötze 30 radial voneinander beabstandet sind. Zwischen den beiden isolierenden Wandungen 26, 28 ist der eigentliche Kühlkanal 16 gebildet, welcher im Betrieb der Wicklung beispielsweise als Bestandteil eines dreiphasigen Transformators durch von unten nach oben durchströmende Luft gekühlt ist. In dem Kühlkanal 16 sind zudem zwei zylindrische elektrische Schirme 20, 22 angedeutet, welche beispielsweise überwiegend aus einem geeigneten leitfähigem Blechmaterial bestehen. Um die Beabstandungsklötze 30 zwischen den Wandungen 26, 28 anbringen zu können, ist ein zumindest partieller Durchbruch der elektrischen Schirme 20, 22 notwendig.
Radial außen schließt sich ein zweites Wicklungsmodul 14 an, welches ebenfalls mehrere Lagen eines elektrischen Leiters aufweist, welche jedoch in der Fig. nicht angedeutet sind. Eine elektrische Reihenschaltung der beiden Wicklungsteile ist mit einem Reihenschaltungselement 24 angedeutet, beispielsweise einem Aluminiumprofil oder einem radial durch den Kühlkanal geführten Leitersegment. Die von den Wicklungsmodulen im Betriebsfall abgegebene Wärme wird durch die Wandungen 26, 28 in den Kühlkanal 16 übertragen und strahlt auch auf die elektrischen Schirme 20, 22 ein. Der Luftstrom durch den Kühlkanal 16 ist durch die Anordnung der elektrischen Schirme 20, 22 nicht negativ beeinflusst, es wird sogar noch eine verbesserte Kühlwirkung erreicht. Die Wärmestrahlung erwärmt nämlich auch die beiden elektrischen Schirme 20, 22 welche dann eine erhöhte Austauschfläche für den Wärmeaustausch mit der Kühlluft bilden. Selbstverständlich sind weitere sich radial außen anschließende weitere Kühlkanäle und weitere sich radial außen anschließende Wicklungsmodule denkbar.
Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht 40 durch eine zweite exemplarische Transformatorwicklung. Um eine gemeinsame Wickelachse 50 sind radial innen angeordnet ein drittes Wicklungsmodul 42 und ein axial angrenzendes viertes Wicklungsmodul 44, beispielsweise mit einer Vielzahl von Windungen eines isolierten Kupferdrahtes. Radial außen schließt sich ein Kühlkanal 52 an, welcher über die gesamte axiale Länge der axial aneinander grenzenden Wicklungsmodule 42, 44 geführt ist. Im Kühlkanal 52 selber ist radial innen, über die axiale Länge beider Wicklungsmodule 42, 44 hinweggehend, ein elektrischer Schirm 54 angeordnet, wobei radial außen im Kühlkanal 52 ein zweigeteilter Schirm 56, 58 angeordnet ist. Beide Schirmteile 56, 58 entsprechen in ihrer axialen Ausdehnung der axialen Ausdehnung von sich jeweils radial außen am Kühlkanal 52 anschließenden und axial aneinandergrenzenden Wicklungsmodulen 46, 48. Alle vier Wicklungsmodule 42, 44, 46, 48 sind elektrisch in Reihe geschaltet. Je nach Art der Reihenschaltung oder auch entsprechend den konstruktiven Randbedingungen kann eine Zweiteilung des radial äußeren Schirmes in einen ersten 56 und einen zweiten 58 Schirmteil sinnvoll sein. Üblicherweise ist davon auszugehen, dass alle radial innen liegenden Wicklungsmodule 42, 44 in Reihe geschaltet sind und dann eine Reihenschaltung mit den radial außen liegenden Wicklungsmodulen 46, 48 erfolgt.
Fig. 3 zeigt eine Teilschnittansicht 60 durch eine dritte exemplarische Transformatorwicklung. Um eine gemeinsame Wickelachse 62 angeordnet ist ein radial innen liegendes hohlzylinderförmiges siebtes Wicklungsmodul 64, dem sich radial außen ein hohlzylinderförmiger Kühlkanal 68 und ein hohlzylinderförmiges achtes Wicklungsmodul 68 anschließen. Die beiden Wicklungsmodule 64, 66 sind als Bandleiterwicklung mit einer einzigen Windung eines Bandleiters 70 je Wickellage und mit mehreren Wickellagen angedeutet. Im Inneren des Kühlkanals 68 angedeutet sind zwei elektrische Schirme 72, 74, welche sich parallel zur Wickelachse 62 und längs fast der gesamten axialen Länge der Wicklungsmodule 64, 66 erstrecken. Aufgrund der zu erwartenden konstanten Potentialverteilung im Bandleiter 70 längs seiner axialen Erstreckung sind die elektrischen Schirme 72, 74 ebenfalls parallel anzuordnen, wobei beide Schirme 72, 74 mit der jeweils angrenzenden Lage des Bandleiters 70 über Verbindungselemente 76 galvanisch verbunden sind. Hierdurch wird der radiale Zwischenraum zwischen den beiden den Kühlkanal 68 radial umschließenden Bandleiterwindungen elektrisch reduziert, womit eine Erhöhung der Kapazität erreicht ist.
Fig. 4 zeigt eine Teilschnittansicht 80 durch eine vierte exemplarische Transformatorwicklung. Auch hier sind um eine gemeinsame Wickelachse 82 zwei ineinander verschachtelte hohlzylindrische Wicklungsmodule angeordnet, wobei eine Wickellage nunmehr mehrere nebeneinander liegende Windungen 84 bzw. 88 eines Rundleiters umfasst. Radial zwischen den Wicklungsmodulen angeordnet ist ein Kühlkanal 90 mit zwei elektrischen Schirmen 92, 94. Aufgrund der mehreren Windungen je Wickellage ist im Falle einer Stossspannungsbelastung keine Potentialverteilung zu erwarten, welche längs der axialen Erstreckung der Windungsmodule konstant ist. Daher sind die elektrischen Schirme 92, 94 leicht gewinkelt, beispielsweise 1° - 10° zur Wickelachse 82, angeordnet, um so eine möglichst homogene Spannungsverteilung zu gewährleisten. Die Anordnung von Wicklungsmodulen und Kühlkanälen um eine gemeinsame Rotationsachse muss nicht zwangsläufig kreisrund sein, es ist mit Hinblick auf Transformatorschenkel, welche gegebenenfalls nur annähernd kreisrund sind, möglich, die Form der Wicklung entsprechend anzupassen und bedarfsweise einem Rechteck anzunähern.
Bezugszeichenliste
Draufsicht auf eine erste exemplarische Transformatorwicklung erstes Wicklungsmodul
zweites Wicklungsmodul
erster Kühlkanal
Wickelachse
erster elektrischer Schirm
zweiter elektrischer Schirm
elektrische Reihenschaltung
radial innere Wandung
radial äußere Wandung
Beabstandung
Schnittansicht durch eine zweite exemplarische Transformatorwicklung drittes Wicklungsmodul
viertes Wicklungsmodul
fünftes Wicklungsmodul
sechstes Wicklungsmodul
Wickelachse
zweiter Kühlkanal
dritter elektrischer Schirm
vierter elektrischer Schirm
fünfter elektrischer Schirm
Teilschnittansicht durch eine dritte exemplarische Transformatorwicklung
Wickelachse
siebtes Wicklungsmodul
achtes Wicklungsmodul
dritter Kühlkanal
Bandieiter des siebten Wicklungsmoduls
sechster elektrischer Schirm
siebter elektrischer Schirm
galvanische Verbindung zum elektrischen Schirm
Teilschnittansicht durch eine vierte exemplarische Transformatorwicklung
Wickelachse 84 elektrische Leiterwindungen des achten Wicklungsmoduls
88 elektrische Leiterwindungen des neunten Wicklungsmoduls
90 vierter Kühlkanal
92 achter elektrischer Schirm
94 neunter elektrischer Schirm

Claims

Patentansprüche
1. Transformatorwicklung (10, 40, 60, 80), mit wenigstens zwei hohlzylindrisch ineinandergeschachtelten sich um eine gemeinsame Wickelachse (18, 50, 62, 82) erstreckenden elektrisch in Reihe geschalteten (24) mehrlagigen Wicklungsmodulen (12, 14, 42, 44, 46, 48, 64, 66), mit wenigstens einem Kühlkanal (16, 52, 68, 90), welcher längs derselben Wickelachse (18, 50, 62, 82) hohlzylindrisch zwischen den Wicklungsmodulen (12, 14, 42, 44, 46, 48, 64, 66) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
dass innerhalb des wenigstens einen Kühlkanals (16, 52, 68, 90) zumindest abschnittsweise längs dessen radialen Umfangs ein sich über annähernd die gesamte axiale Länge erstreckender flächiger elektrischer Schirm (20, 22, 54, 56, 58, 72, 74, 92, 94) vorgesehen ist, durch welchen die elektrische Kapazitätsverteilung in der elektrisch in Reihe geschalteten Transformatorwicklung beeinflusst ist.
2. Transformatorwicklung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (16, 52, 68, 90) eine radial innere (26) und eine radial äußere (28) Wandung aufweist, durch welche ein Kanalhohlraum umschlossen ist und dass an wenigstens einer der beiden dem Hohlraum zugewandten Wandungsseiten ein elektrischer Schirm (20, 22, 54, 56, 58, 72, 74, 92, 94) angeordnet ist.
3. Transformatorwicklung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein elektrischer Schirm (20, 22, 54, 56, 58, 72, 74, 92, 94) galvanisch mit einer radial benachbarten Wicklungslage verbunden (76) ist.
4. Transformatorwicklung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformatorwicklung als Bandleiterwicklung (70) mit einer Windung pro Wickellage ausgeführt ist und der wenigstens eine elektrische Schirm (20, 22, 54, 56, 58, 72, 74, 92, 94) parallel zur Wickelachse (18, 50, 62, 82) angeordnet ist.
5. Transformatorwicklung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsmodule (12, 14, 42, 44, 46, 48, 64, 66) mit mehreren axial nebeneinander liegenden Windungen (84, 88) pro Wickellage ausgeführt ist und der wenigstens eine elektrische Schirm (92, 94) schräg zur Wickelachse (18, 50, 62, 82) entsprechend einer zu erwartenden elektrischen Potentialverteilung angeordnet ist.
6. Transformatorwicklung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere axial aneinander grenzende Wicklungsmodule (12, 14, 42, 44, 46, 48, 64, 66) mit Kühlkanal (16, 52, 68, 90) und flächigem elektrischen Schirm (20, 22, 54, 56, 58, 72, 74, 92, 94) vorgesehen sind.
7. Transformatorwicklung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens ein gemeinsamer Kühlkanal (52) über die gesamte axiale Länge der axial aneinandergrenzenden Wicklungsmodule erstreckt und das wenigstens ein flächiger elektrischer Schirm (54) längs der gesamten axialen Länge des Kühlkanals (52) vorgesehen ist.
8. Transformatorwicklung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei galvanisch getrennte Wicklungen für jeweils unterschiedliche Nennspannungen vorgesehen sind.
9. Transformator, umfassend einen Transformatorkern und wenigstens eine Transformatorwicklung nach Anspruch 8.
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