DE69816101T2

DE69816101T2 - Leistungstransformator/induktanz

Info

Publication number: DE69816101T2
Application number: DE69816101T
Authority: DE
Inventors: Udo Fromm; Sven HÖRNFELDT; Pär Holmberg; Gunnar Kylander; Li Ming; Mats Leijon
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1997-02-03
Filing date: 1998-02-02
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2018-02-03
Also published as: BR9807143A; CA2276402A1; NO993672L; SE9704413D0; EA001634B1; CN1193386C; TR199901580T2; US7046492B2; AU730195B2; EP1016103A1; NO993672D0; JP4372845B2; NZ337095A; CN1244289A; US20050099258A1; UA54485C2; PL334616A1; WO1998034246A1; EA199900702A1; DE69816101D1

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leistungstransformator/Induktor.
Transformatoren werden bei jeglicher Übertragung und Verteilung von elektrischer Energie verwendet, um einen Austausch zwischen zwei oder mehreren elektrischen Systemen zu ermöglichen, die im Normalfall unterschiedliche Spannungspegel aufweisen. Transformatoren stehen für einen Leistungsbereich zur Verfügung, der von VA bis zu 1000 MVA reicht. Der Spannungsbereich weist ein Spektrum bis hinauf zu den höchsten Übertragungsspannungen auf, die heutzutage eingesetzt werden. Elektromagnetische Induktion wird für die Energieübertragung zwischen elektrischen Systemen verwendet.
Bei Induktoren handelt es sich ebenfalls um ein essentielles Bauteil bei der Übertragung von elektrischer Energie, beispielsweise bei der Phasenkompensation und beim Filtern.
Der Transformator/Induktor der vorliegenden Erfindung gehört zu den sogenannten Leistungstransformatoren/Induktoren, welche Nennleistungen, die von mehreren Hundert kVA bis über 1000 MVA reichen, sowie Nennspannungen von 3 bis 4 kV bis hin zu sehr hohen Übertragungsspannungen aufweisen.
Stand der Technik
Im Allgemeinen ist es die Hauptaufgabe eines Leistungstransformators, den Austausch von elektrischer Energie zwischen zwei oder mehreren elektrischen Systemen mit größtenteils unterschiedlichen Spannungen mit der gleichen Frequenz zu ermöglichen.
Herkömmliche Leistungstransformatoren/Induktoren sind beispielsweise in dem Buch mit dem Titel "Elektriska Maskiner" von Fredrik Gustavson, Seite 3–6 bis 3–12 beschrieben, das vom Royal Institute of Technology, Schweden, 1996 veröffentlicht wurde.
Ein herkömmlicher Leistungstransformator/Induktor umfasst einen Transformatorkern, der nachfolgend als Kern bezeichnet wird, der aus einem laminierten, auf übliche Weise ausgerichteten Blech, im Normalfall Siliziumeisen, gebildet ist. Der Kern setzt sich aus einer Reihe von Kernblechen zusammen, die durch Joche miteinander verbunden sind. Um die Kernbleche herum ist eine Reihe von Wicklungen vorgesehen, die normalerweise als Primär-, Sekundär- und Regelwicklung bezeichnet werden. In Leistungstransformatoren sind diese Wicklungen praktisch immer in konzentrischer Konfiguration angeordnet und entlang der Länge des Kernblechs verteilt.
Andere Arten von Kernaufbau treten beispielsweise gelegentlich bei sogenannten Manteltransformatoren oder bei Ringkern-Transformatoren auf. Beispiele für Kernausführungen werden in der DE 40414 erörtert. Der Kern kann aus herkömmlichen magnetisierbaren Werkstoffen gebildet sein, wie z. B. dem ausgerich teten Blech oder anderen magnetisierbaren Werkstoffen, wie z. B. Ferrite, amorphe Werkstoffe, Drahtlitzen oder Metallband. Der magnetisierbare Kern ist wie bekannt in Induktoren nicht erforderlich.
Die vorstehend genannten Wicklungen bilden eine oder mehrere in Reihe geschaltete Spulen, wobei die Spulen eine Reihe von in Reihe geschalteten Windungen aufweisen. Die Windungen einer einzigen Spule bilden normalerweise eine geometrische, ununterbrochene Einheit, die physisch von den restlichen Spulen getrennt ist.
In der US 5,036,165 ist ein Leiter offenbart, in welchem die Isolierung mit einer Innen- und einer Außenschicht aus halbleitender pyrolysierter Glasfaser bereitgestellt ist. Es ist zudem bekannt, Leiter in einer dynamo-elektrischen Maschine mit einer derartigen Isolierung zu versehen, wie es z. B. in der US-5,066,881 beschrieben ist, bei der eine halbleitende pyrolysierte Glasfaserschicht mit den zwei den Leiter bildenden parallelen Stäben in Kontakt ist, und die Isolierung in den Statorschlitzen von einer äußeren Schicht aus halbleitender pyrolisierter Glasfaser umgeben ist. Der pyrolysierte Glasfaserwerkstoff wird als geeignet bezeichnet, da er seinen spezifischen elektrischen Widerstand auch nach der Imprägnierungsbehandlung bewahrt.
Das Isoliersystem, das zum Teil auf der Innenseite einer Spule/Wicklung und zum Teil zwischen Spulen/Wicklungen und verbleibenden Metallabschnitten angeordnet ist, liegt normalerweise in Form einer Vollisolierung oder einer Isolierung auf Lackbasis vor und das Isolierungssystem auf der Außenseite liegt in Form einer Zellulose-Vollisolierung, einer Fluidisolierung und möglicherweise sogar in Form einer gasförmigen Isolierung vor. Wicklungen mit einer Isolierung und möglichen sperrigen Abschnitten stellt daher große Volumen dar, die hohen elektrischen Feldstärken ausgesetzt sind, die in und um die zu einem Transformator gehörigen aktiven elektrischen Magnetabschnitte herum auftreten. Zur Festlegung der auftretenden dielektrischen Feldstärken und zum Erhalt einer Bemessung, so dass ein minimales Risiko einer elektrischen Entladung besteht, sind detaillierte Kenntnisse über die Eigenschaften von Isolierwerkstoffen erforderlich. Es ist wichtig, eine Umgebung zu schaffen, welche die Isolierungseigenschaften nicht verändert oder vermindert.
Das heutzutage vorherrschende äußere Isolierungssystem für herkömmliche Hochspannungs-Leistungstransformatoren/Induktoren besteht aus Zellulosewerkstoff als die Vollisolierung und Transformatorenöl als die Fluidisolierung. Transformatorenöl basiert auf sogenanntem Mineralöl.
Herkömmliche Isolierungssysteme sind beispielsweise in dem Buch mit dem Titel "Elektriska Maskiner" von Fredrik Gustavson auf den Seiten 3–9 bis 3–11 beschrieben, das vom Royal Institute of Technology, Schweden, 1996 veröffentlicht wurde.
Darüber hinaus ist das herkömmliche Isolierungssystem relativ kompliziert im Aufbau und es müssen spezielle Maßnahmen während der Herstellung ergriffen werden, um die guten Isolierungseigenschaften des Isolierungssystems zu nutzen. Das System muss einen niedrigen Feuchtigkeitsgehalt haben und die Feststoff-Phase in dem Isolierungssystem muss gut in dem umgebenden Öl getränkt werden, so dass ein minimales Risiko für das Entstehen von Gasblasen besteht. Während der Herstellung wird ein spezifischer Trocknungsvorgang auf dem gesamten Kern mit den Windungen durchgeführt, bevor dieser in den Tank abgesenkt wird. Nach dem Absenken des Kerns und dem Abdichten des Tanks wird der Tank mit Hilfe einer speziellen Behandlung im Vakuum luftleer gemacht, bevor er mit Öl gefüllt wird. Dieser Vorgang ist aus Sicht des gesamten Herstellungsverfahrens neben dem umfangreichen Verbrauch von Ressourcen in der Werkhalle zudem relativ zeitaufwendig.
Der den Transformator umgebende Tank muss derart konstruiert sein, dass er auch einer völligen Luftleere standhalten kann, da es der Vorgang erfordert, dass das gesamte Gas fast bis zur absoluten Luftleere herausgepumpt wird; was einen zusätzlichen Materialbedarf und zusätzliche Herstellungszeit mit sich bringt.
Des Weiteren erfordert die Einführung des Verfahrens jedesmal dann eine Wiederholung der Behandlung im Vakuum, wenn der Transformator zur Überprüfung geöffnet wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß weist der Leistungstransformator/Induktor mindestens eine Wicklung auf, die in den meisten Fällen um einen magnetisierbaren Kern angeordnet ist, der unterschiedliche Formen aufweisen kann. Auf den Begriff "Wicklungen" wird nachfolgend noch Bezug genommen, um die nachfolgende Beschreibung zu vereinfachen. Die Wicklungen setzen sich aus einem Hochspannungskabel mit einer Vollisolierung zusammen. Die Kabel besitzen mindestens einen zentral angeordneten elektrischen Leiter. Um den Leiter herum ist eine erste halbleitende Schicht angeordnet, um die halbleitende Schicht ist eine Vollisolierschicht angeordnet, und die Vollisolierschicht wird von einer zweiten externen halbleitenden Schicht umgeben.
Die Verwendung eines derartigen Kabels bringt mit sich, dass sich diejenigen Bereiche eines Transformators/Induktors, die einer hohen elektrischen Belastung ausgesetzt sind, auf die Vollisolierung des Kabels beschränken. Die restlichen Teile des Transformators/Induktors werden im Hinblick auf Hochspannung nur sehr mäßigen elektrischen Feldstärken ausgesetzt. Des Weiteren beseitigt die Verwendung eines derartigen Kabels mehrere Problembereiche, die im Abschnitt "Hintergrund der Erfindung" beschrieben sind. Folglich ist für ein Isolier- und Kühlmittel kein Tank erforderlich. Die Isolierung als Ganzes wird zudem im Wesentlichen einfach. Die Konstruktionszeit ist erheblich kürzer im Vergleich zu der Konstruktionszeit eines herkömmlichen Leistungstransformators/Induktors. Die Wicklungen können separat hergestellt werden und der Leistungstransformator/Induktor kann an Ort und Stelle zusammengebaut werden.
Auf der anderen Seite bringt die Verwendung eines derartigen Kabels neue Probleme mit sich, die gelöst werden müssen. Die halbleitende äußere Schicht muss direkt an oder in unmittelbarer Nähe zu den beiden Enden des Kabels geerdet sein, so dass die entstehende elektrische Belastung, die sowohl während der normalen Betriebsspannung als auch während eines vorübergehenden Spannungsanstiegs auftritt, vorwiegend nur die Vollisolierung des Kabels belastet. Die halbleitende Schicht und die direkten Erdungen bilden zusammen einen geschlossenen Schaltkreis, in welchen ein Strom während des Betriebs induziert wird. Der spezifische elektrische Widerstand der Schicht muss groß genug sein, so dass die in der Schicht auftretenden Widerstandsverluste vernachlässigbar sind.
Neben diesem induzierten magnetischen Strom soll ein kapazitiver Strom durch beide direkt geerdeten Enden des Kabels in die Schicht fließen. Falls der spezifische elektrische Widerstand zu hoch ist, wird der kapazitive Strom so beschränkt, dass sich das Potential während einer Zeitdauer wechselnder Belastung in Teilen der Schicht derart von dem Erdpotential unterscheiden kann, dass Bereiche des Leistungstransformators/Induktors abgesehen von der Vollisolierung der Wicklungen einer elektrischen Belastung ausgesetzt werden. Durch das direkte Erden mehrerer Punkte der halbleitenden Schicht, vorzugsweise eines Punkts pro Windung der Wicklung behält die gesamte äußere Schicht Erdpotential bei und es wird die Beseitigung der vorstehend genannten Probleme gewährleistet, wenn die Leitfähigkeit der Schicht hoch genug ist.
Diese Erdung jeder Windung des Außenmantels an einem Punkt erfolgt derart, dass die Erdungsstellen auf einer Generatrix zu einer Wicklung liegen und dass Punkte entlang der axialen Länge der Wicklung direkt an einer Erd-Leiterbahn elektrisch angeschlossen sind, welche anschließend an das herkömmliche Erdpotential angeschlossen wird.
In extremen Fällen können die Wicklungen einer derart schnellen vorübergehenden Überspannung ausgesetzt werden, dass Teile der äußeren halbleitenden Schicht ein derartiges Potential aufweisen, dass Bereiche des Leistungstransformators, abgesehen von der Isolierung des Kabels, einer unerwünschten elektrischen Belastung ausgesetzt sind. Um eine solche Situation zu vermeiden ist eine Reihe von nichtlinearen Elementen, beispielsweise Funkenstrecken, Phanotrone, Zenerdioden oder Varistoren, zwischen der äußeren halbleitenden Schicht und dem Erdungspunkt pro Windung der Wicklung verbunden. Auch durch das Anschließen eines Kondensators zwischen der äußeren halbleitenden Schicht und der Masse kann das Auftreten einer unerwünschten elektrischen Belastung verhindert werden. Ein Kondensator verringert die Spannung sogar bei 50 Hz. Dieses Erdungsprinzip wird nachfolgend als "indirekte Erdung" bezeichnet.
In dem erfindungsgemäßen Leistungstransformator/Induktor ist die zweite halbleitende Schicht direkt an beiden Enden einer jeden Wicklung geerdet und ist mindestens an einem Punkt zwischen den beiden Enden indirekt geerdet.
Die individuell geerdeten Erdungs-Leiterbahnen sind an Masse über eines der folgenden Elemente angeschlossen:

1. ein nichtlineares Element, z. B. eine Funkenstrecke oder ein Phanotron;
2. ein nichtlineares Element, das parallel zu einem Kondensator angeordnet ist;
3. einen Kondensator

In einem erfindungsgemäßen Leistungstransformator/Induktor setzen sich die Wicklungen vorzugsweise aus Kabeln mit einer extrudierten Vollisolierung von der Art zusammen, wie sie jetzt für die Energieverteilung verwendet wird, beispielsweise XLPE-Kabel oder Kabel mit einer EPR-Isolierung. Derartige Kabel sind biegsam, was eine wichtige Eigenschaft in diesem Zusammenhang ist, da die Technologie für die erfindungsgemäße Vorrichtung überwiegend auf Wicklungssystemen basiert, in denen die Wicklung aus einem Kabel gebildet wird, das während der Montage gekrümmt wird. Die Biegsamkeit eines XLPE-Kabels entspricht im Normalfall einem Krümmungsradius von ungefähr 20 cm bei einem Kabel mit 30 mm Durchmesser, und einem Krümmungsradius von 65 cm bei einem Kabel mit einem Durchmesser von 80 mm. In der vorliegenden Erfindung wird der Begriff "biegsam" verwendet, um anzuzeigen, dass die Wicklung bis zu einem Krümmungsradius in der Größenordunung des vierfachen Kabeldurchmessers, vorzugsweise bis zum acht- bis zwölffachen des Kabeldurchmessers, hinab biegsam ist.
Wicklungen in der vorliegenden Erfindung sind so aufgebaut, dass sie ihre Eigenschaften auch dann beibehalten, wenn sie gekrümmt werden und wenn sie während des Betriebs einer thermischen Belastung ausgesetzt werden. Es ist äußerst wichtig, dass die Schichten des Kabels in diesem Zusammenhang ihre Haftung aneinander bewahren. Die Werkstoffeigenschaften der Schichten sind hier entscheidend, insbesondere ihre Elastizität und ihre relativen Wärmeausdehnungskoeffizienten. In einem XLPE-Kabel z. B. besteht die Isolierschicht aus vernetztem Polyethylen mit einer niedrigen Dichte, und die Halbleiter-Schichten bestehen aus Polyethylen mit eingemischten Ruß- und Metallpartikeln. Volumenveränderungen als Ergebnis von Temperaturschwankungen werden vollständig als Veränderungen des Radius im Kabel absorbiert, und dank dem vergleichsweise ge ringfügigen Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten in den Schichten im Verhältnis zu der Elastizität dieser Werkstoffe kann die radiale Ausdehnung stattfinden, ohne dass die Haftung zwischen den Schichten verloren geht.
Die vorstehend genannten Werkstoffkombinationen sollten lediglich als Beispiele betrachtet werden. Andere Kombinationen, welche die im Einzelnen genannten Bedinungen erfüllen und zudem die Bedingung, dass der Werkstoff halbleitend ist, d. h. einen spezifischen elektrischen Widerstand innerhalb des Bereichs von 10^–1 bis 10⁶ ohm-cm, beispielsweise 1 bis 500 ohm-cm, oder 10 bis 200 ohm-cm aufweist, fallen natürlich ebenfalls in den Schutzumfang der Erfindung.
Die Isolierschicht kann beispielsweise aus einem festen thermoplastischen Werkstoff, wie z. B. Polyethylen mit geringer Dichte oder weiches Polyethylen (LPDE), Polyethylen mit einer hohen Dichte oder Hartpolyethylen (HDPE), Polyproylen (PP), Polybutylen (PB), Polymethylpenten (PMP), vernetzte Werkstoffe, wie z. B. vernetztes Polyethylen (XLPE), oder Gummi wie z. B. Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPR) oder Silikongummi bestehen.
Die inneren und äußeren halbleitenden Schichten können den selben Grundwerkstoff aufweisen, wobei jedoch Teilchen eines leitfähigen Werkstoffs, beispielsweise Ruß oder Metallpulver, zugemischt sind.
Die mechanischen Eigenschaften dieser Werkstoffe, insbesondere ihre Wärmeausdehnungskoeffizienten, werden relativ wenig dadurch beeinflusst, ob Ruß oder Metallpulver zugemischt sind oder nicht – zumindest in den Verhältnissen, die zum Erreichen der Leitfähigkeit, die erfindungsgemäß erforderlich ist, notwendig sind. Die Isolierschicht und die halbleitenden Schichten weisen somit im Wesentlichen die gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf.
Copolymere aus Ethylen-Vinyl-Acetat/Nitrilkautschuk, Butyl-Graft-Polyethylen, Copolymere aus Ethylen-Butyl-Acrylat und Copolymere aus Ethylen-Ethyl-Acrylat können ebenfalls geeignete Polymere für halbleitende Schichten darstellen.
Sogar bei der Verwendung unterschiedlicher Werkstoffarten als Basis in den verschiedenen Schichten ist es wünschenswert, dass ihre Wärmeausdehnungskoeffizienten im Wesentlichen gleich sind. Dies ist der Fall bei der Kombination der vorstehend aufgelisteten Werkstoffe.
Die vorstehend genannten Werkstoffe weisen mit einem E-modul von E < 500 MPa, vorzugweise < 200 MPa eine relativ gute Elastizität auf. Die Elastizität reicht aus, damit jegliche kleine Abweichungen zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe in den Schichten in radiale Elastizitätsrichtung absorbiert werden, so dass keine Risse oder andere Schäden auftreten, und so dass sich die Schichten nicht voneinander lösen. Der Werkstoff in den Schichten ist elastisch, und die Haftung zwischen den Schichten ist mindestens gleich groß wie die Haftung des schwächsten Werkstoffs.
Die Leitfähigkeit der beiden halbleitenden Schichten reicht aus, damit das Potential entlang jeder Schicht im Wesentlichen ausgeglichen wird. Die Leitfähigkeit der äußeren halbleitenden Schicht ist groß genug, um das elektrische Feld in dem Kabel zu bewahren, jedoch ausreichend klein, um erhebliche Verluste aufgrund der in die Längsrichtung der Schicht induzierten Ströme zu vermeiden.
Daher bildet jede der beiden halbleitenden Schichten im Wesentlichen eine Äquipotentialfläche, und die Schichten schließen das elektrischen Feld dazwischen ein.
Natürlich steht der Anordnung von einer oder mehreren zusätzlichen halbleitenden Schichten in der Isolierschicht nichts entgegen.
Die vorstehend genannten und andere vorteilhafte erfindungsgemäße Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Die Erfindung wird nun in der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungformen insbesondere anhand der anliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine Querschnittsansicht eines Hochspannungskabels;
2 eine Perspektivansicht von Wicklungen mit drei indirekten Erdungspunkten pro Wicklungswindung entsprechend einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
3 eine Perspektivansicht von Wicklungen mit einem direkten Erdungspunkt und zwei indirekten Erdungspunkten pro Wicklungswindung entsprechend einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
4 eine Perspektivansicht von Wicklungen mit einem direkten Erdungspunkt und zwei indirekten Erdungspunkten pro Wicklungswindung entsprechend einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform; und
5 eine Perspektivansicht von Wicklungen mit einem direkten Erdungspunkt und zwei indirekten Erdungspunkten pro Wicklungswindung entsprechend einer vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Ausführliche Beschreibung der erfindungsgemäßen Ausführungsformen
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Hochspannungskabels 10, das traditionell für die Übertragung elektrischer Energie verwendet wird. Bei dem gezeigten Hochspannungskabel kann es sich beispielsweise um ein genormtes XLPE-Kabel 145 kV handeln, jedoch ohne Mantel und Kabelschirm. Das Hochspannungskabel 10 weist einen elektrischen Leiter mit einer oder mehreren Litzen 12, die einen kreisförmigen Querschnitt haben, beispielsweise aus Kupfer (Cu), auf. Die Litzen 12 sind in der Mitte des Hochspannungskabels 10 angeordnet. Eine erste halbleitende Schicht 14 ist um die Litzen 12 angeordnet. Die erste halbleitende Schicht 14 wiederum ist von einer ersten Isolierschicht 16 umgeben, beispielsweise einer XLPE-Isolierung. Um die erste Isolierschicht 16 ist eine zweite halbleitende Schicht 18 angeordnet.
Das in 1 gezeigte Hochspannungskabel 10 ist mit einer Leiterfläche hergestellt, die zwischen 80 und 3000 mm² liegt und mit einem Kabel-Außendurchmesser, der zwischen 20 und 250 mm liegt.
2 zeigt eine Perspektivansicht von Wicklungen mit drei indirekten Erdungspunkten pro Wicklungswindung gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform. 2 zeigt ein Kernblech in einem Leistungstransformator oder Induktor, der mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet ist. Zwei Wicklungen 22₁ , 22₂ , die aus dem in 1 gezeigten Hochspannungskabel (10) gebildet sind, sind um das Kernblech 20 herum angeordnet. Mit dem Ziel der Befestigung der Wicklungen 22₁ und 22₂ liegen in diesem Fall sechs radial angeordnete Abstandshalter 24₁ , 24₂ , 24₃ , 24₄ , 24₅ , 24₆ pro Wicklungswindung vor. Wie es in 2 gezeigt ist, ist die äußere halbleitende Schicht an beiden Enden 26₁ , 26₂ ; 28₁ , 28₂ einer jeden Wicklung 22₁ , 22₂ geerdet. Die Abstandshalter 24₁ , 24₃ , 24₅ , welche schwarz her vorgehoben sind, werden in diesem Fall zum Erzielen von drei indirekten Erdungspunkten pro Wicklungswindung verwendet. Der Abstandshalter 24₁ ist direkt mit einem ersten Erdungselement 30₁ verbunden, der Abstandshalter 24₃ ist direkt mit einem zweiten Erdungselement 30₂ verbunden, und der Abstandshalter 24₅ ist direkt mit einem dritten Erdungselement 30₃ am Umfang der Wicklung 22₂ und entlang der Axiallänge der Wicklung 22₂ verbunden. Die Erdungselemente 30₁ , 30₂ , 30₃ können beispielsweise in Form von Erdungsleiterbahnen 30₁ bis 30₃ vorliegen. Wie in 2 gezeigt liegen die Erdungspunkte auf einer Generatrix zu einer Wicklung. Jedes der Erdungselemente 30₁ bis 30₃ ist insofern direkt geerdet, dass es über seinen jeweils eigenen Kondensator 32₁ , 32₂ bzw. 32₃ mit Masse verbunden ist. Durch diese indirekte Erdung wird auf diese Weise jegliches Entstehen einer unerwünschten elektrischen Belastung verhindert.
3 zeigt eine Perspektivansicht von Wicklungen mit einem direkten Erdungspunkt und zwei indirekten Erdungspunkten pro Wicklungswindung gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform. In den 2 und 3 sind identische Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, um die Figuren verständlicher zu machen. Darüber hinaus sind in diesem Fall die beiden Wicklungen 22₁ und 22₂ , die aus dem in 1 gezeigten Hochspannungskabel gebildet sind, um das Kernblech 20 herum angeordnet. Die Wicklungen 22₁ , 22₂ werden mit Hilfe von sechs Abstandshaltern 24₁ , 24₂ , 24₃ , 24₄ , 24₅ , 24₆ pro Wicklungswindung befestigt. An beiden Enden 26₁ , 26₂ ; 28₁ , 28₂ einer jeden Wicklung 22₁ , 22₂ ist die zweite halbleitende Schicht (vergleiche 1) gemäß 2 geerdet. Die Abstandshalter 24₁ , 24₃ , 24₅ , die schwarz markiert sind, werden verwendet, um in diesem Fall einen direkten und zwei indirekte Erdungspunkte pro Wicklungswindung zu erzielen. Auf die gleiche Art und Weise wie in 2 gezeigt ist der Abstandshalter 24₁ direkt mit einem ersten Erdungselement 30₁ verbunden, der Abstandshalter 24₃ ist direkt mit einem zweiten Erdungslement 30₂ verbunden und der Abstandshalter 24₅ ist direkt mit einem dritten Erdungselement 30₃ verbunden. Wie es in 3 gezeigt ist, ist das Erdungselement 30₁ direkt mit der Masse 36 verbunden, wohingegen die Erdungselemente 30₂ , 30₃ indirekt geerdet sind. Das Erdungselement 30₃ ist insofern indirekt geerdet, dass es mit der Masse über einen Kondensator 32 in Reihe geschaltet ist. Das Erdungselement 30₂ ist insofern indirekt geerdet, dass es mit der Masse über eine Funkenstrecke 34 in Reihe geschaltet ist. Die Funkenstrecke ist ein Beispiel für ein nichtlineares Element, d. h. ein Element mit einer nichtlinearen Spannungs-Strom-Kennlinie.
4 zeigt eine Perspektivansicht von Wicklungen mit einem direkten Erdungspunkt und zwei indirekten Erdungspunkten pro Wicklungswindung entsprechend einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform. In den 2 bis 4 sind identische Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, um die Figuren verständlicher zu machen. 4 zeigt die Wicklungen 22₁ , 22₂ , ein Kernblech 20, Abstandshalter 24₁ , 24₂ , 24₃ , 24₄ , 24₅ , 24₆ sowie die Erdungselemente 30₁ , 30₂ , 30₃ , die auf gleiche Art und Weise wie in 3 angeordnet sind und daher hier nicht weiter ausführlich beschrieben werden. Das Erdungselement 30₁ ist direkt mit Masse verbunden, wohingegen, die Erdungselemente 30₂ , 30₃ indirekt geerdet sind. Die Erdungselemente 30₂ , 30₃ sind insofern indirekt geerdet, dass sie über ihren jeweils eigenen Kondensator in Reihe geschaltet sind.
5 zeigt eine Perspektivansicht von Wicklungen mit einem direkten Erdungspunkt und zwei indirekten Erdungspunkten pro Wicklungswindung entsprechend einer vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform. In den 2 bis 5 sind identische Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, um die Figuren verständlicher zu machen. 5 zeigt die Wicklungen 22₁ , 22₂ , ein Kernblech 20, Abstandshalter 24₁ , 24₂ , 24₃ , 24₄ , 245, 246, End-Erdungspunkte 26₁ , 26₂ ; 28₁ , 28₂ sowie die Erdungselemente 30₁ , 30₂ , 30₃ , die auf gleiche Art und Weise wie in den 3 und 4 angeordnet sind und daher hier nicht weiter ausführlich beschrieben werden. Das Erdungselement 30₁ ist direkt mit der Masse 36 verbunden, wohingegen die Erdungselemente 30₂ , 30₃ indirekt geerdet sind. Das Erdungselement 30₂ ist insofern indirekt geerdet, dass es über eine Entladestrecke mit der Masse in Reihe geschaltet ist. Das Erdungselement 30₃ ist insofern indirekt geerdet, dass es über einen Schaltkreis mit der Masse in Reihe geschaltet ist, wobei der Schaltkreis eine Funkenstrecke 38 aufweist, die parallel zu einem Kondensator 40 geschaltet ist.
Nur die Funkenstrecke in den vorstehend gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist mit Hilfe eines Beispiels gezeigt.
Der Leistungstransformator/Induktor in den vorstehend genannten Figuren weist einen magetisierbaren Kern auf. Es versteht sich jedoch, dass der Leistungstransformator/Induktor ohne magnetisierbaren Kern gebaut werden kann.
Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungformen beschränkt, da mehrere Veränderungen im Rahmen der anliegenden Patentansprüche möglich sind.

Claims

Leistungstransformator/Induktor, welcher mindestens eine aus einem Hochspannungskabel (10) bestehende Wicklung aufweist, wobei das Kabel einen elektrischen Leiter, eine den Leiter umgebende erste Halbleiterschicht (14), eine die erste Halbleiterschicht (14) umgebende Isolierschicht (16) und eine die Isolierschicht (16) umgebende zweite Halbleiterschicht (18) aufweist, wobei die zweite Halbleiterschicht (18) direkt an beiden Enden einer jeden Wicklung (22₁ , 22₂ ) geerdet ist, und mindestens eine Stelle zwischen den beiden Enden entweder über ein Element (34) mit einer nichtlinearen Spannungs-Strom-Kennlinie, über ein parallel zu einen Kondensator (32; 32₁ –32₃ ) angeordnetes Element (34) mit einer nichtlinearen Spannungs-Strom-Kennlinie, einen Kondensator (32; 32₁ –32₃ ), oder eine Kombination aus allen drei Alternativen indirekt geerdet ist.
Leistungstransformator/Induktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochspannungskabel (10) mit einer Leiterfläche von zwischen 80 und 3000 mm² und mit einem äußeren Kabeldurchmesser von zwischen 20 und 250 mm hergestellt wird.
Leistungstransformator/Induktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die direkte Erdung (36) mit Hilfe einer galvanischen Verbindung zur Erde erfolgt.
Leistungstransformator/Induktor nach einem der vorhergehen den Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Element mit der nichtlinearen Spannungs-Strom-Kennlinie eine Funkenstrecke (36), eine mit Gas gefüllte Diode, eine Zenerdiode oder einen Varistor bildet.
Leistungstransformator/Induktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungstransformator/Induktor einen magnetisierbaren Kern aufweist.
Leistungstransformator/Induktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungstransformator/Induktor ohne einen magnetisierbaren Kern ausgebildet ist.
Leistungstransformator/Induktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung/Wicklungen biegsam (a) sind und dass die Schichten aneinander haften.
Leistungstransformator/Induktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten aus einem Werkstoff mit einer derartigen Elastizität und mit einer derartigen Beziehung der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Werkstoffs zueinander hergestellt sind, dass Volumenveränderungen aufgrund von Temperaturschwankungen während des Betriebs durch die Elastizität des Werkstoff absorbiert werden können, so dass die Schichten ihre Haftung aneinander während der im Betrieb auftretenden Temperaturschwankungen beibehalten.
Leistungstransformator/Induktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstoffe in diesen Schichten eine hohe Elastizität aufweisen, vorzugsweise einen E-Modul geringer als 500 MPa und am bevorzugtesten weniger als 200 MPa.
Leistungstransformator/Induktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeausdehnungskoeffizienten in den Werkstoffen der Schichten im Wesentlichen gleich sind.
Leistungstransformator/Induktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftung zwischen den Schichten mindestens die gleiche Belastbarkeit wie in dem schwächsten Werkstoff aufweist.
Leistungstransformator/Induktor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass jede Halbleiterschicht im Wesentlichen eine Äquipotentialfläche bildet.