GRÜTTNER, Christian (Breslauer Str. 30a, Rüthen, 59602, DE)
ZILLMANN, Karl (An der Diemel 4, Marsberg, 34431, DE)
WEBER, Benjamin (Ennertstr 16, Winterberg, 59955, DE)
NELGES, Jörg (Im Mittel 20, Mosbach, 74821, DE)
HOFFMANN, Roland (Bontkirchenerstr. 36, Brilon, 59929, DE)
GRÜTTNER, Christian (Breslauer Str. 30a, Rüthen, 59602, DE)
ZILLMANN, Karl (An der Diemel 4, Marsberg, 34431, DE)
WEBER, Benjamin (Ennertstr 16, Winterberg, 59955, DE)
NELGES, Jörg (Im Mittel 20, Mosbach, 74821, DE)
Patentansprüche
1. Herstellungsverfahren für eine mehrlagige Transformatorwicklung (10), wobei während oder nach dem Wickeln einer Leiterlage (21 , 22, 23) um einen Wickelkörper (11 ) jeweils eine Schicht (32, 33) elektrisches Isolationsmaterial auf deren radial äußerer Oberfläche aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Isolationsmaterial ein trockener Faserverbundwerkstoff verwendet wird und dass dieser durch Erhitzen der Transformatorwicklung (10) auf eine vorbestimmte Verbundtemperatur zu einer Isolationsschicht verbunden wird.
2. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass dem Isolationsmaterial ein bei erstmaligem Erreichen einer bestimmten Expansionstemperatur irreversibel expandierenden Materialzusatz zugefügt wird oder ist.
3. Herstellungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialzusatz so dosiert wird, dass die Volumenzunahme aufgrund der Menge an Materialzusatz in etwa dem Summenvolumen der in der Transformatorwicklung (10) enthaltenen Hohlräume (40) entspricht.
4. Herstellungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die radial äußere Oberfläche des Wickelkörpers (11 ) vor dem Wickelvorgang der radial innersten Leiterlage (21 ) zunächst eine Schicht (31 ) elektrisches Isolationsmaterial aufgebracht wird.
5. Herstellungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor Beginn des Wickeins wenigstens einer der bestimmten Leiterlagen (21 , 22, 23) zunächst auf der radial äußeren Oberfläche der teilweise gefertigten Wicklung wenigstens ein in axialer Richtung verlaufender Kühlkanal aufgebracht wird.
6. Herstellungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der radial äußeren Fläche des Kühlkanals Isolationsmaterial aufgebracht wird, bevor die daran radial außen angrenzende Leiterlage (21 , 22, 23) gewickelt wird.
7. Herstellungsverfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal aus elektrischem Isolationsmaterial hergestellt wird.
8. Mehrlagige Transformatorwicklung (10) mit wenigstens einer Schicht (32, 33) Isolationsmaterial zwischen den Wicklungslagen (21 , 22, 23), dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmaterial ein trockener Faserverbundwerkstoff ist und dass dieser durch Erhitzen der Transformatorwicklung (10) auf eine vorbestimmte Verbundtemperatur zu einer Isolationsschicht verbindbar ist.
9. Mehrlagige Transformatorwicklung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmaterial einen durch erstmaliges Erhitzen auf eine bestimmten Expansionstemperatur irreversibel expandierbaren Materialzusatz enthält.
10. Mehrlagige Transformatorwicklung (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere jeweils axial nebeneinander liegende Teilbereiche mit jeweils mehreren radial übereinanderliegenden Leiterlagen (21 , 22, 23) vorhanden sind und dass in wenigstens einer Leiterlagenschicht wenigstens zwei der darin enthaltenen axial aneinandergrenzenden Leiterlagen nicht direkt galvanisch miteinander verbunden sind.
11. Mehrlagige Transformatorwicklung (50) mit wenigstens einer Isolationsschicht zwischen den Wicklungslagen (21 , 22, 23), dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmaterial der wenigstens einen Isolationsschicht einen durch erstmaliges Erhitzen auf eine bestimmten Expansionstemperatur irreversibel expandierten Materialzusatz enthält. |
Herstellungsverfahren für eine mehrlagige Transformatorwicklung mit Isolationsschicht
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine mehrlagige Transformatorwicklung, wobei während oder nach dem Wickeln einer Leiterlage um einen Wickelkörper jeweils eine Schicht elektrisches Isolationsmaterial auf deren radial äußerer Oberfläche aufgebracht wird. Zudem betrifft die Erfindung eine mehrlagige Transformatorwicklung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist.
Es ist allgemein bekannt, dass bei der Herstellung von Wicklungen für Leistungstransformatoren, beispielsweise im Nennleistungsbereich von einigen kVA bis über 50MVA 1 mehrere Leiterlagen um einen Wickelkörper gewickelt werden und dass diese Leiterlagen zusätzlich zu der den Leiter umgebenden Isolationsschicht untereinander elektrisch zu isolieren sind. Diese Isolation sollte möglichst frei von Lufteinschlüssen sein, weil diese die elektrische Isolationsfähigkeit des Isolationsmaterials negativ beeinflussen.
Die Isolationsschicht wird beispielsweise gemäß DE4445423 B4 mittels eines bandförmigen Glasgewebes hergestellt, welches mehrfach wendeiförmig um die zu isolierende Leiterlage gewickelt wird, wobei dieses sogenannte Glasroving unmittelbar vor dem Wickelvorgang mit flüssigem Harz imprägniert wird. Nach Abschluss des Wickelvorgangs der gesamten Transformatorwicklung wird diese zum Aushärten des Harzes erhitzt, beispielsweise auf 160 0 C, und danach wieder auf Umgebungstemperatur abgekühlt.
Bei dieser Vorgehensweise erfolgt der Wickelprozess der Isolationsschicht in nassem, nämlich harzgetränkten Zustand des Isolationsmaterials und demzufolge mit einem vergleichsweise hohen Zeitbedarf.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein möglichst schnelleres Herstellungsverfahren für eine Transformatorwicklung und die Transformatorwicklung dazu anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Herstellungsverfahren für eine mehrlagige Transformatorwicklung mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen.
Demgemäß kennzeichnet sich das Herstellungsverfahren der eingangs genannten Art für eine mehrlagige Transformatorwicklung dadurch, dass als Isolationsmaterial ein trockener Faserverbundwerkstoff verwendet wird und dass dieser durch Erhitzen der Transformatorwicklung auf eine vorbestimmte Verbundtemperatur zu einer Isolationsschicht verbunden wird.
Durch das Verwenden eines trockenen Isolationsmaterials ist es möglich, den Zeitbedarf für den Herstellungsprozess der Isolationsschicht deutlich zu senken, beispielsweise durch eine erhöhte Wickelgeschwindigkeit des Isolationsmaterials. Der Aufwand für die Produktion der Transformatorwicklung wird ebenfalls in vorteilhafter Weise reduziert, da eine Imprägnierung des Isolationsmaterials vor Ort entfällt. Diese erfolgt zum Beispiel bereits bei dem Hersteller des Isolationsmaterials oder in einem wicklungsprozessunabhängigen Verfahren. Es steht ein fertig imprägniertes und getrocknetes Isolationsmaterial als Halbprodukt für die Fertigung der Transformatorwicklung zur Verfügung.
Die Anlieferung kann beispielsweise in Form eines um einen Spulenkörper gewickelten bandförmigen Isolationsmaterials erfolgen, was insbesondere für dessen weitere Verarbeitung günstig ist. Dieses bandförmige Material ist mehrfach wendeiförmig um die zu isolierende Leiterlage zu wickeln, so dass die gewünschte auslegungsbedingte minimale Isolationsdicke um den gesamten Umfang der Leiterlage erreicht wird. Beim Wickelvorgang ist darauf zu achten, dass die jeweiligen Bänder möglichst dicht und ohne Lufteinschlüsse gewickelt werden.
Als Trägermaterial für die Imprägnierung sind isolierende Stoffe geeignet, wie zum Beispiel gewebte Bänder aus Glas, Polyester oder einem anderen Isolationsmaterial
mit hinreichender Temperaturstabilität bezüglich des nachfolgenden Erhitzungsprozesses. Das Imprägniermaterial kann beispielsweise ein Harz sein.
Nach Beenden des Wickelvorgangs der mehrlagigen Transformatorwicklung mit Isolation ist diese auf eine bestimmte Verbundtemperatur zu erhitzen. Hierdurch wird die Imprägnierung des vorimprägnierten Isolationsmaterials verflüssigt und die nebeneinander liegenden Wendelungen des Faserverbundwerkstoffes verbinden sich zu einer Einheit. Eventuelle Hohlräume werden partiell gefüllt. Ein solcher Erhitzvorgang kann beispielsweise in einem Ofen geeigneter Größe erfolgen. Anschließend erfolgt ein Abkühlungsprozess auf Umgebungstemperatur, bei welchem die Imprägnierung aushärtet.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn der Imprägnierung des bandförmigen Isolationsmaterials beziehungsweise dem Isolationsmaterial ein Materialzusatz hinzugefügt wird, welcher bei erstmaligem Erreichen einer bestimmten Expansionstemperatur irreversibel expandieret.
Ein solcher Materialzusatz ist beispielsweise das Produkt .Expancel', das bei einer Expansionstemperatur von beispielsweise 160 0 C eine einmalige, irreversible Expansionsphase aufweist. Es ist für den Erhitzvorgang jeweils die höhere Temperatur aus Verbund- und Expansionstemperatur zu wählen.
Nach dem Wickelvorgang der Transformatorwicklung können nämlich Hohlräume zwischen den einzelnen Leitern einer Leiterlage vorhanden sein. Es können auch Hohlräume beim Wickeln der einzelnen Bahnen des trockenen Isolationsmaterials entstanden sein. Derartige Hohlräume beeinträchtigen die Isolationsfähigkeit des Isolationsmaterials und werden durch einen derartigen Materialzusatz in vorteilhafter Weise gefüllt. Somit kann die Isolationsfähigkeit der gesamten Isolationsschicht weiter gesteigert werden und das Isolationsvermögen einer konventionell, im nassen Zustand hergestellten, Isolationsschicht übersteigen.
Es ist bei der Bemessung des Anteils an expansivem Material zu berücksichtigen, dass die bei erstmaliger Erhitzung auf eine bestimmte Expansionstemperatur entste-
hende Volumenvergrößerung in etwa dem zu erwartenden Volumen an auszufüllenden Hohlräumen entspricht.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens wird auf die radial äußere Oberfläche des Wickelkörpers vor dem Wickelvorgang der radial innersten Leiterlage zunächst eine Schicht elektrisches Isolationsmaterial aufgebracht.
Dadurch wird die Isolationsfähigkeit der fertig gestellten Transformatorwicklung weiter gesteigert.
In einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird vor Beginn des Wickelvorgangs wenigstens einer der Leiterlagen zunächst auf der radial äußeren Oberfläche der Wicklung wenigstens ein in axialer Richtung verlaufender Kühlkanal aufgebracht.
Leistungstransformatoren benötigen häufig Kühlkanäle, um die im Betrieb anfallende Verlustwärme abzutransportieren. Solche Kanäle erstrecken sich üblicherweise über die .gesamte axiale Wicklungslänge. Ein solcher Kühlkanal kann beispielsweise aus zwei ineinander geschobenen Rohrelementen gebildet werden und verläuft zwischen zwei Leiterlagen um den gesamten Umfang der Wickelachse der Transformatorwicklung entlang deren gesamter axialer Länge.
In einer Weiterführung des Herstellungsverfahrens wird an der radial äußeren Fläche des Kühlkanals Isolationsmaterial aufgebracht wird, bevor die daran radial außen angrenzende Leiterlage gewickelt wird.
Dadurch kann die Isolationsfestigkeit der Transformatorwicklung weiter gesteigert werden.
Es entspricht auch dem Gedanken des erfindungsgemäßen Verfahrens, den Kühlkanal aus elektrischem Isolationsmaterial herzustellen.
Auf diese Weise übernimmt dieser die Isolationsfunktion zwischen den ihn umbebenden Leiterlagen und eine zusätzliche Isolationsschicht ist nicht notwendig.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch eine mehrlagige Transformatorwicklung mit wenigstens einer Schicht Isolationsmaterial zwischen den Wicklungslagen, wobei das Isolationsmaterial ein trockener Faserverbundwerkstoff ist, welcher durch Erhitzen der Transformatorwicklung auf eine vorbestimmte Verbundtemperatur zu einer Isolationsschicht verbindbar ist.
Eine derartige Wicklung ist aufgrund des trockenen Isolationsmaterials besonders schnell herstellbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Transformatorwicklung enthält das Isolationsmaterial einen durch erstmaliges Erhitzen auf eine bestimmte Expansionstemperatur irreversibel expandierbaren Materialzusatz.
Auf diese Weise kann die Spannungsfestigkeit und die Lebensdauer der Isolationsschicht besonders gesteigert werden, weil eventuelle Hohlräume, welche vor dem Erhitzen der Wicklung auf Expansions- beziehungsweise Verbundtemperatur in dem Isolationsmaterial vorhanden sind, durch die Volumenexpansion bei Erreichen der Expansionstemperatur füllbar sind.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Transformatorwicklung weist diese mehrere jeweils axial nebeneinander liegende Teilbereiche mit jeweils mehreren radial übereinanderliegenden Leiterlagen auf, wobei in wenigstens einer Leiterlagenschicht wenigstens zwei der darin enthaltenen axial aneinandergrenzen- den Leiterlagen der jeweiligen Teilbereiche im Grenzbereich galvanisch voneinander getrennt sind.
Aus isolationstechnischen Gründen ist es nämlich oft zweckmäßig, durch einen solchen Aufbau einer Transformatorwicklung die Spannungsbeanspruchung von benachbarten Leitern zu reduzieren oder auch zwei komplett galvanisch getrennte Wicklungsleiter in einer Wicklung anzuordnen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens und der daraus resultierenden Transformatorwicklung sind den weiteren 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 gefertigte erste Transformatorwicklung vor einer erstmaligen Erhitzung auf Verbundtemperatur
Fig. 2 eine gefertigte zweite Transformatorwicklung nach einer erstmaligen Erhitzung auf Expansionstemperatur
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäß gefertigte erste Transformatorwicklung 10 vor der Ersterhitzung auf Verbundtemperatur in schematischer Darstellung. Vor Fertigungsbeginn wird ein Wickelkörper 11 , welcher einen lichten Innendurchmesser der zu fertigenden Transformatorwicklung bestimmt, auf eine geeignete und jedoch in der Fig. 1 nicht dargestellte Fertigungsplattform positioniert.
Anschließend wird ein bandförmiger, imprägnierter und trockener Faserverbundwerkstoff, welcher beispielsweise auf einer Rolle vom Lieferanten zur Verfügung gestellt wird, in mehreren wendeiförmigen Lagen um den Wickelkörper 11 gewickelt, bis eine vorbestimmte Mindestschichtdicke der Isolation erreicht ist. Es ist aber durchaus möglich, dass zunächst ein fadenähnlicher Verbundwerkstoff für den Wickelvorgang einer Schicht gewählt wird, um so Unebenheiten auf der Oberfläche der Leiterlage auszugleichen und anschließend auf einen bandförmigen Verbundwerkstoff überzugehen. Ein Wickelvorgang erfolgt beispielsweise mit Hilfe einer in der Fig. 1 nicht gezeigten Wickelmaschine, wobei ein über der zu fertigenden Spule angeordneter Wickelarm an seinem einen Ende drehbar um die Rotationsachse 12 gelagert ist und an seinem anderen Ende eine Aufnahmemöglichkeit für die angelieferte Rolle des Faserverbundwerkstoffes hat. Auf diese Weise lässt sich durch eine Drehung des
Armes um die Rotationsachse 12 einfach ein Aufbringen des bandförmigen Faserverbundwerkstoffes durchführen.
Nach Abschluss des Wicklungsvorganges der ersten Schicht Isolationsmaterial 31 der ersten Transformatorwicklung 10 ist diese über den gesamten Umfang des Wickelkörpers 11 und ihre gesamte axiale Länge 14 mit einer Mindestgesamtschichtdi- cke von dem trockenen Isolationsmaterial bedeckt, wobei die erste Wicklung 10 rotationssymmetrisch um die gedachte Rotationsachse 12 ist. Die Mindestschichtdicke variiert gemäß der zu erzielenden Spannungsfestigkeit der Isolationsschicht und kann im Bereich von beispielsweise ca. 1mm bis zu 20mm variieren. Beim Wickeln ist darauf zu achten, dass möglichst keine Lufteinschlüsse in der gewickelten Isolationsschicht vorhanden sind.
Nachfolgend wird eine erste Leiterlage 21 aufgebracht, wobei ein von einer Isolationsschicht umgebener Leiter wendeiförmig über die gesamte Wicklungslänge 14 aufgebracht wird.
Danach wird analog zur ersten Schicht Isolationsmaterial 31 auf die erste Leiterlage 21 eine zweite Schicht Isolationsmaterial 32 aufgebracht, auf die wiederum eine zweite Leiterlage 22 gewickelt wird. Es ist zu beachten, dass die erste Leiterlage 21 und die zweite Leiterlage 22 an einem der beiden Enden der Wicklung 10 elektrisch verbunden sind.
Es ist fernerhin zu beachten, dass Hohlräume 40 zwischen benachbarten Leitern und in den Schichten des Isolationsmaterials 31 , 32, 33 entstehen können, welche die Isolationsfestigkeit der Isolationsschichten reduzieren. Eine solche Reduktion der Isolationsfestigkeit beeinträchtigt die grundsätzliche Funktionalität der Isolationsschichten bei einer entsprechenden Auslegung der Transformatorwicklung nicht.
Anschließend wird die gefertigte Transformatorwicklung 10 auf eine bestimmte Mindesttemperatur erhitzt, welche der Verbundtemperatur entspricht und für harzbasierte Isolationssysteme im Temperaturbereich von beispielsweise 120 0 C bis 160 0 C liegt. Ein solcher Erhitzungsvorgang wird vorzugsweise in einem Ofen geeigneter Größe durchgeführt, wobei die Zeit der Erhitzung so zu bemessen ist, dass die ge-
samte Transformatorwicklung auf Solltemperatur gebracht wird. Je nach Größe der Wicklung können sich Ofenzeiten im Bereich von 15min bis zu mehreren Stunden ergeben, was dem Fachmann jedoch allgemein bekannt ist.
Fig. 2 zeigt eine zweite gefertigte Transformatorwicklung 50 mit einem ähnlichen Wicklungsaufbau wie die erste Transformatorwicklung 10, im Unterschied zu dieser aber nach der erstmaligen Erhitzung auf eine Grenztemperatur. Dem Isolationsmaterial wurde zuvor ein bei erstmaligem Erreichen der Expansionstemperatur irreversibel expandierender Materialzusatz hinzugefügt. Die Grenztemperatur der Erhitzung entspricht in diesem Beispiel der höheren Temperatur aus Verbund- und Expansionstemperatur.
Ein Hinzufügen des Materialzusatzes erfolgt vorzugsweise dadurch, dass vor dem Aufbringen der ersten Schicht Isolationsmaterial auf den Wickelkörper 51 eine zusätzliche Schicht des Materialzusatzes aufgetragen wird und dass nach Aufbringen der ersten Schicht Isolationsmaterial eine weitere zusätzliche Schicht des Materialzusatzes aufgetragen wird. Bei jeder weiteren Schicht Isolationsmaterial ist entsprechend analog zu verfahren. Es ist aber auch ohne weiteres denkbar, dass beispielsweise der Imprägnierung eines bandförmigen Faserverbundwerkstoffes bereits bei dessen Herstellung ein solcher Materialzusatz beigefügt wurde.
Ein solcher bei erstmaligem Erreichen einer Expansionstemperatur irreversibel expandierender Materialzusatz ist beispielsweise das am Markt als .Expancel' bekannte Produkt. , Expancel' kennzeichnet sich dadurch, dass in einer gasdichten, nur wenige Mikrometer großen Kunststoffhülle eine exakt bemessene Menge eines Treibmittels eingeschlossen ist. Wenn diese Mikrosphäre erwärmt bzw. erhitzt wird, erweicht die Kunststoffhülle, das Treibmittel wird gasförmig und die Mikrosphäre expandiert irreversibel in definierter Weise. Es sind aber auch andere Materialzusätze mit ähnlichen Eigenschaften denkbar, auch solche, die nach anderen Wirkprinzipien arbeiten, beispielsweise Expansion aufgrund chemischer Vorgänge.
Fig. 2 zeigt weiterhin, dass durch die vorangegangene erstmalige Erwärmung auf die Grenztemperatur eine Volumenexpansion des Materialzusatzes erfolgt ist und die in Fig. 1 angedeuteten Hohlräume 40 und die Schichten Isolationsmaterial 31 , 32, 33
nunmehr Teile des Isolationsbereiches 80 sind. Vorteilhafterweise sind keine Hohlräume in dem Isolationsbereich 80 vorhanden, welcher mehrere Isolationsschichten zwischen den Leiterlagen aufweist.
Es ist bei der Bemessung der Menge an Materialzusatz darauf zu achten, dass der Volumenzuwachs bei Expansion in etwa dem zu erwartenden Volumen an zu füllenden Hohlräumen entspricht.
Eine weitere Reduktion des Volumens an nicht gefüllten Hohlräumen bei einer gefertigten Wicklung kann darüber hinaus erreicht werden, dass der Erhitzungsvorgang im Ofen unter vakuumähnlichen Bedingungen erfolgt.
Bezuqszeichenliste
Gefertigte erste Transformatorwicklung vor erstmaliger Erhitzung Wickelkörper von erster Transformatorwicklung Rotationsachse von erster Transformatorwicklung Länge der ersten Transformatorwicklung Erste Leiterlage von erster Transformatorwicklung Zweite Leiterlage von erster Transformatorwicklung Erste Schicht Isolationsmaterial von erster Transformatorwicklung Zweite Schicht Isolationsmaterial von erster Transformatorwicklung Dritte Schicht Isolationsmaterial von erster Transformatorwicklung Hohlraum von erster Transformatorwicklung Gefertigte zweite Transformatorwicklung nach erstmaliger Erhitzung Wickelkörper von zweiter Transformatorwicklung Rotationsachse von zweiter Transformatorwicklung Isolationsbereich zweiter Transformatorwicklung