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Leistungstransformator Gegenstandder Erfindung ist ein Leistungstransformator mit einem neuartigen Isolationsaufbau. Zwar werden an sich bekannte Isolierstoffe verwendet, aber nun so disponiert, dass die gesamte Isolation der Wieklun- gen durch ein nur quer durchsetzendes elektrisches Feld beansprucht ist und somit. keine spannungsbeanspruchten Grenzflächen von festem und flüssigem oder festem und gasförmigem Dielektrikum vorhanden sind, ausgenommen am luftseitigen Ende der Durchführungen.
Dies wird erreicht, indem um mindestens die eine der Transformatorwicklungen jeder Phase, vorzugsweise die für Hochspannung zu isolierenden, und die ihr zugeordneten Kühlkanäle für ein fliessbares Kühldielektri- kam eine elektrische Isolation sieh schliesst aus aufgewundenem Foliendielektrikum, und dass diese Isolation bis zum Überschlagsteil der Hochspannungszuführungen von einer anliegenden Metallhülle völlig umkapselt ist. Auch die Isolation der Hoehspannungszu- tührungen besteht. aus dem aufgewundenen Foliendielektrikum in kontinuierlicher Fortsetzung der Wieklungsisolation, wie man sie vom Stromwandlerbau her kennt.
Es sind bereits Stromwandler bekannt, welche in dieser Weise isoliert sind. Aber das Problem ist dort dadurch sehr viel einfacher als bei Leistungstransformatoren, dass die zu isolierende Wicklung kleine Abmessungen aufweist und die Kühlung keine primäre Rolle spielt. Auch Leistungstransformatoren nach Schweizer Patent Nr. 313454 weisen nur Querbeanspruchungen auf. Indes erlaubt jenes Dielektrikum erfahrungsgemäss nicht, grosse Wicklungen zu isolieren, vor allem der thermischen Schrumpfung wegen, weshalb jene Erfindung eine Unterteilung in mehrere für sich isolierte Spulengruppen vornimmt. Doch auch damit ist die Transforma- torleistung eng begrenzt, da es kaum möglich ist, Spulen mit. sehr grossem Durchmesser einzugiessen.
Die vorliegende Erfindung löst das Problem auch fär die allerhöchsten Betriebsspannungen und grössten in der Technik vorkommenden Leistungen.
Uni Leistungstransformatoren nach der vorliegenden Erfindung in rationeller Weise zu bauen, sind auch neuartige Vorrichtungen nötig, die deshalb ebenfalls Gegenstand der Erfindung sind.
Die Zuleitungen können, soweit sie nicht Leitungsenden darstellen, als Kabel ausgeführt werden, an den Enden sind sie dann als Kabelendv erschlüsse ausgebildet und im Falle hoher Spannung in bekannter Weise mit ka- pazitiver Steuerung versehen, oder zu Keilen verdickt, oder mit Spreizflanschen versehen.
Das aufgewickelte Foliendielektrikumkann vorzugsweise aus Papierband bestehen. Papier gibt, mit guten -flüssigen oder gasförmigen Dielektriken imprägniert, eine wirtschaftliche und in dielektrischer Hinsicht ausserordent-
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lich gute Isolation. Neuerdings kennt man aber auch Folien aus mineralischen Fasern, z. B. Glasfasern, die zwar noch teuer sind, aber sich doch in Fällen, wo die Brandgefahr im Vordergrund des Interesses steht, wirtschaftlich verwenden lassen, weshalb sie ebenfalls im Rahmen dieser Erfindung genannt sind. Ferner kann das Foliendielektrikum aus aufgebandeltem Micafolium bestehen, dessen Bindemittel - ein Lack, Kunstharz oder Asphalteompound - durch Heiss-Aufplätten erweicht und zum Binden gebraucht wird.
Micafolium besteht aus einer Trägerfolie, insbesondere Papier, und darauf in gleichmässiger Verteilung aufgeklebten Glimmerschuppen.
Wenn das isolierende Band porös ist, wie z. B. Papier, so ist das Kühlmittel gleichzeitig Imprägniermittel der Bandisolation. Da seine Menge gegenüber den üblichen Transformatoren sehr klein ist, können auch teure Isoliermittel angewandt werden wie flüssige Chlor- diphenyle und flüssige Fluorkarbone. Für besonders intensive Kühlung kann Fluorkarbon im Kühlkanal verdampft werden, da auch die Dämpfe hochisolierende Dielektrzka sind. Ferner eignen sieh als Isolier- und Kühlmittel strömende Druckgase wie Stickstoff, Argon, Wasserstoff, CO2, besonders aber auch das wegen seiner schon bei atmosphärischem Druck und mässigem Überdruck hoch durchschlagfeste Gas SF6.
Aus der Kabeltechnik ist bekannt, dass die elektrische Festigkeit ölimprägnierter Papierisolationen ganz wesentlich erhöht wird durch Anwendung eines gegenüber dem äussern Luftdruck erhöhten öldruekes. Diese Erkenntnis wird vorzugsweise für die vorliegende Erfindung angewandt, um die elektrische Festigkeit des Transformators zu erhöhen, indem man z. B. den Druck auf die Isolierflüssigkeit höher wählt als die Summe von Atmosphärendruck und Druckgefälle im Kühlsystem. Praktisch kommen Drucke von etwa 5 bis 15 at in Betracht.
Die Strömung kann mittels einer dem Isoliermedium angepassten Pumpe erwirkt werden. Wenn Umlaufleitungen verwendet werden, müssen sie mindestens teilweise aus Isoliermaterial bestehen, damit nicht Wieklun- gen kurzgeschlossen werden.
Es muss vermieden werden, dass allfälliger Metallschlamm, der in den Pumpen durch Absetzung entsteht, in die Isolationen gelangt. Dies kann z. B. durch zeitweises Einschalten einer Filtervorrichtung in die eventuellen Umlaufleitungen geschehen.
Da der erfindungsgemässe Transformator keinen Nessel im übliehen Sinne zu besitzen braucht, kann der thermisehen Ausdehnungdes Kühlmittels Rechnung getragen werden, indem die eventuelle Umlaufleitung des Kühlmittels mit einem Expansionsgefäss in Verbindung gebracht wird.
Primär- und Sekundärwieklungen können jede für sieh im Sinne der Erfindung direkt metallisch umkapselt sein. Sie können aber auch gemeinsam umkapselt sein. Sofern die eine Wicklung eine Niederspannungswicklung ist, kann sie indes auch in Luft stehen und luftgekühlt werden. Dass letztere gilt auch vom Eisenkern. Indes kann auch der Eisenkern mit Kanälen für ein Kühlmedium ausgestattet sein. Da die einzelnen aktiven Teile direkt um ihre Papierisolation herum metallisch umkapselt sind, wird es sieh als nötig erweisen, die durch die Umkapselung bedingte K urz- schlusswindungen durch Isolierfugen zu unterbrechen.
Einige Ausführungsbeispiele sind in den Fig. 1 bis 4 dargestellt.
Fig.l zeigt einen Dreiphasen-HIoehspan- nungstransforniator, dessen Eisenkern 1 und Unterspannungswicklung ' in gewohnter Weise luftgekühlt sind, während die Oberspannungswieklung 3 im Sinne der Erfindung mit Papier 4 umbandelt und direkt anliegend durch die metallische Kapsel 5 umhüllt ist.
Die Stromzuleitungen 6 und 7 sind in Fortsetzung der Wieklungsumbandelung mit Papier bandagiert und durch je eine als Überselilagsteil der 1loehspannungszuführungen dienende Isolierhaube 8 überdeckt. 9 ist die Sternpunktsverbindung. Das Kühlmedium wird durch die -U@inlaufpunipe 10 in die zwi-
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sehen den Wicklungen verbleibenden Kanäle und darnach durch den Kühler 11 getrieben. Die Stromdurchführungen können als Kühlmitteleinführungen verwendet werden, aber auch besondere Durchführungen können für diesen Zweckt angebracht sein, die in analoger W'eise isoliert sind wie die Stromdurchführungen.
Fig.2 zeigt im Sehnut, wie die Ober- spannungswicklung im Sinne der Erfindung isoliert, gekühlt und umkapselt sein kann; es bedeuten: 12 die Spulen der Wicklung 3, 1 3 die Endringe, 14 der Kühlkanal zwischen den Spulen, 4 die umhüllende Isolation, die sieh rings uni die Durchführungsrohre 6 und 7 fortsetzt unter der Bezeichnung 15 und 16. 8 ist wieder eine abschliessende, aus Giessharz bestehende Isolierhaube um 15. 5 ist die metallische Umkleidung der Isolationsschicht 4l, bestehend z. B. aus einer Bandage aus perforiertem, metallisiertem Papier und einer dieses umhüllenden Blechverkleidung.
Fig.3 zeigt einen analogen Schnitt. Im Gegensatz zu der Ausführung nach Fig. 2 befindet sieh nun aber auch, die U nterspannungs- wicklung 2 innerhalb der metallischen Um- kapselung 5. Es bedeuten: 12 die Spulen der Oberspannungswicklung 3, 13 die Endringe dazu, 14 der Kühlkanal, begrenzt einerseits durch die zylindrischen Spulenflächen, anderseits durch ihnen zugeordnete Isolier- ringe 17, 4 die Papierisolierschicht um die Obe rspannungswicklung 3, 5 die metallische Umnkleidung, die nun gemeinsam ist für die W icklung 3 und die Unterspannungswicklung 2 mit ihrer Papierhülle 18.
Der Wicklung 2 läuft auch hier ein koaxialer Isolierkanal 14 entlang, begrenzt einerseits durch die zylindrischen Spulenflächen, anderseits durch die Isolierringe 17. Die Isolation der Hochspannungszuführungen ist hier wiederum durch eine als Überschlagsteil der Zuführung die- itende Isolierhaube 30 überdeckt, die hier z. B. aus Porzellan bestehen kann. Die Isolier- haube ist. abgedichtet und mit dem die Wiek lungsisolation imprägnierenden und Kühlkanäle durchströmenden Kühl- und Isoliermittel gefüllt. Die Isolation der Hochspan- nungszuführungen wird hier zweckmässigerweise innerhalb der Isolierhaube zu Spreiz- flanschen ausgebildet.
Gegenstand der Erfindung ist auch das Verfahren zur Herstellung von Transformatoren der beschriebenen Art, ist doch mit den bisher bekannten Maschinen und Einrichtungen der beschriebene Isolationsaufbau wenigstens bei grossen Transformatoren nicht in rationeller Weise möglich. Nach dem neuen Verfahren wird die gesamte zu isolierende Wicklung mit dem Polienband in Achsrichtung maschinell umbandelt, mit. Ausnahme, der Zonen, in denen die Hochspannungszuführungen austreten.
Diese Zonen werden unter Mitv erwendung von isolierenden Einlagestücken von Hand umbandelt Zur Ausübung des erwähnten maschinellen Verfahrens sieht die Erfindung eine Vorrichtung vor, mit deren Hilfe isolierendes Band von Vorratsrollen auf die z11 isolierende Wicklung abgerollt wird, indem die Achsen der Rollen durch ein endloses Laufband getragen sind, welches die Wicklung mit Spielraum umschliesst. Die Bezeichnung Band soll ein Sammelausdruck für alle Transportmittel sein, die wie Treibriemen ihre Bahnen durchlaufen können, wie flache Riemen, Riemen reit Trapezquerschnitt, Ketten.
Damit das Laufband in die zu isolierende Wicklung ein und ausgefahren werden kann, muss es sich öffnen und wieder schliessen lassen. Zu diesem Zweck kann z. B. das Laufband mit trennbaren. Gliedern versehen werden. Die Laufbandführungsrollen werden relativ zur Wicklung um die Wicklungsachse bewegt.
Ein Beispiel einer Vorrichtung, welche dass beschriebene Verfahren anzuwenden erlaubt, ist in Fig. 4 schematisch gezeichnet. 3 ist die zu isolierende Wicklung, 19 das Laufband mit Papiervorratsrollen 20, die auf die ganze Laufbandlänge verteilt sein können. Mit 21 sind die ablaufenden Papierbänder bezeichnet. Das Laufband ist getragen und angetrieben durch die beiden Räder 22 mit den Trägern 23. Die letzteren sind um die Achse 24 der Wieklung drehbar, aber sie können auch feststehen, und es geht dann die
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Wicklung auf einer Drehscheibe. So ist es möglich, den ganzen Wicklungsumfang mit abrollendem Band zu bestreichen. Mit 25 ist das Schloss zur Öffnung des Bandes angedeutet.
So kann die ganze Wicklung bandagiert werden, mit Ausnahme der Zonen, in denen die Durchführungen austreten. Diese Teile werden durch Handarbeit bewickelt, in analoger Weise wie dies bei papierisolierten Ringstromwandlern üblich ist.
Ist der Wicklungsdurchmesser mindestens um den Durchmesser der Papiervorratsrollen grösser als die Höhe der Wicklung, so kann an Stelle des Laufbandes ein starrer Laufring von Kreisform treten.
Transformatoren nach dieser Erfindung können sehr kleine Mengen eines flüssigen oder gasförmigen Isolier- und Kühlmittels enthalten, was sich in bezug auf die Brandgefahr vorteilhaft auswirkt. Zudem können aber aus demselben Grunde die teuren un- brennbaren Isolierflüssigkeiten und Isolier- gase verwendet werden, wodurch der Transformator völlig unbrennbar wird. Da die Wicklungsisolation nur quer beansprucht ist, können die Abstände zwischen Wicklungen und Jochen des Eisenkernes relativ zur Hölle der Spannung extrem klein sein, z. B. für einen 220-kV-Transformator etwa 6 cm. Dies hat grosse Einsparungen an Material zur Folge.
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Power transformer The object of the invention is a power transformer with a novel insulation structure. Insulation materials known per se are used, but are now arranged in such a way that the entire insulation of the cradles is stressed by an electric field that only penetrates transversely, and thus. There are no voltage-loaded interfaces between solid and liquid or solid and gaseous dielectric, except at the air-side end of the bushings.
This is achieved by an electrical insulation around at least one of the transformer windings of each phase, preferably the one to be insulated for high voltage, and the cooling channels assigned to it for a flowable cooling dielectric, and that this insulation includes up to the flashover part of the high voltage feeds is completely encapsulated by an attached metal shell. The high voltage supply lines are also insulated. from the wound film dielectric in a continuous continuation of the weighing insulation, as we know it from current transformer construction.
Current transformers are already known which are insulated in this way. But the problem there is much simpler than with power transformers because the winding to be insulated has small dimensions and cooling does not play a primary role. Even power transformers according to Swiss Patent No. 313454 only have transverse loads. However, experience has shown that that dielectric does not allow the insulation of large windings, above all because of thermal shrinkage, which is why that invention subdivides it into several individually isolated coil groups. But even with this, the transformer output is strictly limited, as it is hardly possible to use coils. pour a very large diameter.
The present invention also solves the problem for the very highest operating voltages and the greatest power that occurs in technology.
To build uni power transformers according to the present invention in a rational manner, novel devices are also necessary, which are therefore also the subject of the invention.
The supply lines can, if they do not represent the ends of the line, be designed as cables, at the ends they are designed as cable end closures and, in the case of high voltage, are provided with capacitive control in a known manner, or thickened into wedges, or provided with expanding flanges.
The wound film dielectric can preferably consist of paper tape. Impregnated with good liquid or gaseous dielectrics, paper gives an economical and, in dielectric terms, extraordinary
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good isolation. Recently, however, films made of mineral fibers have also been known, e.g. B. glass fibers, which are still expensive, but can be used economically in cases where the risk of fire is in the foreground of interest, which is why they are also mentioned in the context of this invention. Furthermore, the film dielectric can consist of coated micafolium, the binding agent of which - a lacquer, synthetic resin or asphalt compound - is softened by hot flattening and is used for binding.
Micafolium consists of a carrier film, in particular paper, and mica flakes stuck onto it in an even distribution.
When the insulating tape is porous, e.g. B. paper, the coolant is also the impregnation of the tape insulation. Since its amount is very small compared to the usual transformers, expensive insulating agents such as liquid chlorodiphenyls and liquid fluorocarbons can also be used. For particularly intensive cooling, fluorocarbon can be evaporated in the cooling channel, since the vapors are also highly insulating dielectrics. Furthermore, pressurized gases such as nitrogen, argon, hydrogen, CO2 are suitable as insulating and coolants, but especially the SF6 gas, which is highly puncture-proof even at atmospheric pressure and moderate overpressure.
It is known from cable technology that the electrical strength of oil-impregnated paper insulation is significantly increased by using an oil pressure that is higher than the external air pressure. This knowledge is preferably used for the present invention in order to increase the electrical strength of the transformer by e.g. B. selects the pressure on the insulating liquid higher than the sum of atmospheric pressure and pressure drop in the cooling system. In practice, prints of around 5 to 15 at are possible.
The flow can be brought about by means of a pump adapted to the insulating medium. If recirculation lines are used, they must be made at least partially of insulating material so that weighings are not short-circuited.
It must be avoided that any metal sludge that is created in the pumps by sedimentation gets into the insulation. This can e.g. B. done by temporarily switching on a filter device in the eventual circulation lines.
Since the transformer according to the invention does not need to have a nettle in the usual sense, the thermal expansion of the coolant can be taken into account by connecting the possible coolant circulation line to an expansion vessel.
Primary and secondary waves can each be encapsulated directly in metal for the purposes of the invention. But they can also be encapsulated together. If one winding is a low-voltage winding, it can, however, also stand in air and be air-cooled. The latter also applies to the iron core. However, the iron core can also be equipped with channels for a cooling medium. Since the individual active parts are encapsulated in metal directly around their paper insulation, it will prove necessary to interrupt the short-circuit windings caused by the encapsulation with insulating joints.
Some exemplary embodiments are shown in FIGS. 1 to 4.
Fig.l shows a three-phase high voltage transformer, the iron core 1 and low voltage winding 'are air-cooled in the usual way, while the high voltage base 3 is wrapped in paper 4 in the sense of the invention and encased directly by the metal capsule 5.
The power supply lines 6 and 7 are bandaged with paper as a continuation of the weighing process and are covered by an insulating hood 8 each serving as an overlay part of the voltage supply lines. 9 is the star point connection. The cooling medium is fed through the -U @ inlaufpunipe 10 into the
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see the windings remaining channels and then driven through the cooler 11. The power feedthroughs can be used as coolant inlets, but special feedthroughs can also be attached for this purpose, which are insulated in the same way as the power feedthroughs.
FIG. 2 shows in a groove how the high voltage winding can be insulated, cooled and encapsulated within the meaning of the invention; it means: 12 the coils of the winding 3, 1 3 the end rings, 14 the cooling channel between the coils, 4 the enveloping insulation, which see around the ducts 6 and 7 continues under the designation 15 and 16. 8 is again a final, made of cast resin insulating hood to 15. 5 is the metallic casing of the insulation layer 4l, consisting z. B. from a bandage made of perforated, metallized paper and this enveloping sheet metal cladding.
3 shows an analogous section. In contrast to the embodiment according to FIG. 2, however, the low-voltage winding 2 is now also located within the metallic encapsulation 5. The following mean: 12 the coils of the high-voltage winding 3, 13 the end rings, 14 the cooling channel, on the one hand delimiting through the cylindrical coil surfaces and, on the other hand, through the insulating rings 17, 4 assigned to them, the paper insulating layer around the high-voltage winding 3, 5, the metallic covering that is now common for the winding 3 and the low-voltage winding 2 with its paper envelope 18.
Here, too, a coaxial insulating channel 14 runs along the winding 2, delimited on the one hand by the cylindrical coil surfaces and on the other hand by the insulating rings 17. The insulation of the high-voltage supply lines is in turn covered by an insulating cover 30 which acts as a rollover part of the supply line. B. can be made of porcelain. The insulating hood is. sealed and filled with the cooling and insulating agent which impregnates the vibration insulation and flows through cooling channels. The insulation of the high-voltage supply lines is expediently designed here to form expanding flanges within the insulating hood.
The invention also relates to the method for producing transformers of the type described, since the above-described insulation structure is not possible in an efficient manner with the previously known machines and devices, at least for large transformers. According to the new method, the entire winding to be insulated is wrapped with the polishing tape in the axial direction by machine. Exception, the zones in which the high voltage leads emerge.
These zones are wrapped by hand with the use of insulating insert pieces. To carry out the aforementioned machine method, the invention provides a device with the aid of which insulating tape is unrolled from supply rolls onto the z11 insulating winding, with the axes of the rolls being carried by an endless conveyor belt which encloses the winding with clearance. The term band is intended to be a collective term for all means of transport that can run through their paths like drive belts, such as flat belts, belts with trapezoidal cross-section, chains.
In order for the treadmill to be able to be extended and retracted into the winding to be insulated, it must be able to open and close again. For this purpose z. B. the treadmill with separable. Links are provided. The treadmill guide rollers are moved around the winding axis relative to the winding.
An example of a device which allows the method described to be used is shown schematically in FIG. 3 is the winding to be insulated, 19 the treadmill with paper supply rolls 20, which can be distributed over the entire length of the treadmill. With 21 the running paper tapes are designated. The treadmill is carried and driven by the two wheels 22 with the carriers 23. The latter are rotatable about the axis 24 of the cradle, but they can also be stationary, and it then goes
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Winding on a turntable. So it is possible to coat the entire circumference of the winding with unwinding tape. At 25 the lock for opening the band is indicated.
In this way, the entire winding can be bandaged, with the exception of the areas in which the bushings emerge. These parts are wound by hand, in a manner analogous to that used for paper-insulated ring current transformers.
If the winding diameter is greater than the height of the winding by at least the diameter of the paper supply rolls, a rigid circular raceway can take the place of the treadmill.
Transformers according to this invention can contain very small amounts of a liquid or gaseous insulating and coolant, which has an advantageous effect with regard to the risk of fire. In addition, the expensive, non-flammable insulating liquids and gases can be used for the same reason, making the transformer completely non-flammable. Since the winding insulation is only stressed transversely, the distances between the windings and yokes of the iron core can be extremely small relative to the hell of the voltage, e.g. B. for a 220 kV transformer about 6 cm. This results in great savings in material.