Erzeugung hoher Wechselspannungen
2.1 Schaltung von Prüftransformatoren
2.2 Aufbau von Prüftransformatoren
2.3 Betriebsverhalten von Prüftransformatoren
2.4 Resonanzschaltung
Erzeugung hoher Wechselspannungen Schaltung von Prüftransformatoren
Transformatoren zur Erzeugung hoher Prüfwechselspannungen werden meist mit einpolig geerdeter Hochspannungswicklung ausgeführt. Für Schaltungen zur Erzeugung hoher Gleich- und Stoßspannungen werden jedoch oft auch Transformatoren mit Wicklungen benötigt, die vollständig isoliert sind.
Bild 1 Schaltungen einstufiger Prüftransformatoren
Bild 1 zeigt diese beiden Grundschaltungen von Prüftransformatoren. Die Länge der Spannungspfeile soll die Höhe der Beanspruchung der Isolierung zwischen der Hochspannungswicklung H und der Erregerwicklung E bzw. dem Eisenkern F andeuten. Die vollisolierte Wicklung kann wahlweise an einer der beiden Klemmen oder an der Mittelanzapfung geerdet werden; im letzteren Fall erhält man eine symmetrische Spannung.
Aus wirtschaftlichen und technischen Erwägungen erzeugt man Spannungen größer als einige 100kV nicht mehr mit einstufigen Transformatoren nach Bild 1, sondern durch Reihenschaltung der Hochspannungswicklungen mehrerer Transformatoren als Kaskade. In einer solchen Kaskadenschaltung müssen die einzelnen Transformatoren entsprechend den Spannungen der unteren Stufen isoliert aufgestellt werden.
Bild 2 Prüftransformator in dreistufiger Kaskadenschaltung
2.2 Aufbau von Prüftransformatoren
Bei Leistungen von höchstens einigen kVA können zur Erzeugung hoher Wechselspannungen induktive Spannungswandler verwendet werden. Auch Prüftransformatoren kleinerer Leistung weisen konstruktive Ähnlichkeiten mit Spannungswandlern gleicher Prüfspannung auf. Als Isolierung werden dementsprechend bei Spannungen bis etwa 100kV Epoxidharz, darüber Ölpapier oder Öl mit Isolierbarren angewendet. Bei größeren Leistungen findet man wegen der erforderlichen Maßnahmen zur Kühlung der Wicklungen mehr Merkmale von Leistungstransformatoren. Als Isolierung sind Öl mit Barrieren und Ölpapier vorherrschend.
Bei Prüftransformatoren mit Gießharz-Isolierung ist zumindest die Hochspannungswicklung in Epoxidharz eingegossen. Bild 3a stellt eine mögliche Ausführungsform stark vereinfacht dar. Für Prüftransformatoren mit Isolieröl gibt es eine Vielzahl von konstruktiven Lösungen.
Bei der Kesselbauweise nach Bild 3b werden die aktiven Teile (Kern und Wicklungen) von einem metallischen Gehäuse umgeben, das eine günstige Oberflächenselbstkühlung ermöglicht. Nachteilig ist jedoch der hohe Aufwand für die Durchführung bei hohen Spannungen.
Bei der Isoliermantelbauweise nach Bild 3c werden die aktiven Teile mit einem Isolierrohr umgeben. Ein Transformator dieser Ausführung enthält meist viel Öl und besitzt daher für Erwärmungsvorgänge eine große thermische Zeitkonstante.
Eine Wärmeabfuhr über den Isoliermantel ist sehr gering, weshalb bei hoher Dauerleistung eine Umlaufkühlung mit Wärmeaustauscher außerhalb des Isoliermantels erforderlich wird.
Von Vorteil ist, daß keine Durchführungen benötigt werden und daß Hochspannungselektroden mit großen Abrundungsradien leicht anzubringen sind.
Dieser Typ wird in unserem Hochspannungslabor für den vorliegenden Versuch eingesetzt.
Bild 3a Aufbau eines Prüftransformators mit Gießharzisolierung
Bild 3b Aufbau ölisolierter Prüftransformatoren
2.3 Betriebsverhalten von Prüftransformatoren
Das Betriebsverhalten von Prüftransformatoren ist mit dem üblichen Transformator- Ersatzschaltbild nur sehr unvollkommen zu erfassen, da die Eigenkapazität Ci der Hochspannungswicklungen und der angeschlossene Prüfling, der meist eine überwiegend kapazitive äußere Belastung Ca darstellt, das Verhalten wesentlich beeinflussen.
Der Magnetisierungsstrom dagegen kann vernachlässigt werden, so lange noch keine Sättigung des Eisenkerns vorliegt. Für eine näherungsweise Untersuchung des Betriebsverhaltens ist die Ersatzschaltung nach Bild 4 gut geeignet. Sie enthält die Kurzschlußimpedanz Rk + jωLk und die gesamte hochspannungsseitige Kapazität C = Ci + Ca. Mit U´1 wird die auf die Sekundärseite bezogene Primärspannung U1 bezeichnet. Diese Ersatzschaltbild gilt auch für Prüftransformatoren in Kaskadenschaltung.
Bild 4 Untersuchung des Betriebsverhalten mittels Schaltbild und Zeigerdiagramm
Da in der Regel Rk << ϖLk ist und die Sekundärspannung U2 dann phasengleich der Primärspannung U1 wird, gilt:
Da der Ausdruck 1/(1-ϖ2LkC) stets > 1 ist, ergibt sich durch Reihenresonanz eine kapazitive Überhöhung der Sekundärspannung. Diese läßt sich für den Fall, daß C bei Nennspannung Un und Nennfrequenz gerade In aufnimmt, unmittelbar aus der bezogenen Kurzschlußspannung uk des Transformators berechnen:
Ein Prüftransformator mit uk = 20% hat demnach bei Nennfrequenz und bei kapazitiver Belastung mit Nennstrom eine Spannungserhöhung von 25%.
2.4 Resonanzschaltung
Mit Bild 4 wurde gezeigt, daß an einem Prüftransformator bei kapazitiver durch Reihenresonanz eine wesentliche Spannungserhöhung auf der Sekundärseite entstehen kann.
Diese Erscheinung kann nun auch zur Erzeugung von hohen Prüfwechselspannungen ausgenutzt werden, wobei anstelle der Kurzschlußinduktivität des Prüftransformators eine eigene Hochspannungsinduktivität tritt. Der aus der Kapazität des Prüflings und dieser Induktivität gebildete Reihenresonanzkreis wird durch einen Transformator mit vergleichsweise niedriger Sekundärspannung erregt. Besonders bietet sich die Anwendung dann an, wenn ein Prüfling mit hoher Kapazität, wie z.B. ein Hochspannungskabel, vorliegt.
Vorteilhaft an der Schaltung ist, daß sie eine verzerrungsarme Hochspannung liefert und daß, durch die Wirkungsweise des Reihenschwingkreises bedingt, eine weitgehende Kompensation der für den Prüfling erforderlichen Blindleistungen erfolgt.
Zu den Resonanzschaltungen gehört auch der nach seinem Erfinder benannte Tesla- Transformator (Marx 1952; Heise 1964). Die Schaltung besteht aus einem primären und einem sekundären Schwingkreis, die magnetisch lose miteinander gekoppelt sind. Dieses schwingungsfähige Gebilde wird durch periodische Entladungen des Primärkondensators über eine Funkenstrecke zu hochfrequenten Schwingungen angeregt. Entsprechend den gewählten Kreisdaten und dem Übersetzungsverhältnis von Sekundär- zu Primärwicklung können mit Tesla-Transformatoren Spannungen bis über 1MV erzeugt werden. Die Frequenz der Hochspannung kann einige 10kHz bis über 100kHz betragen.
