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KondeMsatorwiekel ud Vetfali'eu zu dessen Herstellung.
Es ist bekannt, dass heute in der Elektrotechnik in sehr vielen Fällen, wo schwierige Isolierprobleme zu bemeistern sind, vom Kondensatorprinzip Gebrauch gemacht wird. Der Grundgedanke dieses Prinzips besteht in der zwangsweisen Beeinflussung (Steuerung) des elektrischen Feldes mit Hilfe von zwischen den Windungen einer aufgewickelten Isolierbahn eingeschalteten leitenden Einlagen.
Die Fig. 1, 2 und 3 der Zeichnung stellen schematisch einige technisch wichtige Anwendungsbeispiele des genannten Prinzips in der gebräuchlichen Ausführung im Längsschnitt dar. In Fig. 1 ist ein Kondensator-Durchführungsisolator abgebildet. Der zentrale, unter Spannung stehende Leiterbolzen 1 wird vom zylindrischen Isolierkörper 2 umfasst, welcher aus einem Papierbahnwickel besteht und den geerdeten Befestigungsflansch 3 trägt. Zur Beeinflussung des elektrischen Feldes zwischen Leiterbolzen j ! und Flansch. ? sind in den Isolierkörper konzentrisch um den Leiterbolzen zwischen die Windungen des Wickels Metallbeläge 1 eingebettet. Die axiale Länge dieser Beläge nimmt mit zunehmendem Durchmesser des Wickels ab.
Je zwei aufeinanderfolgende Beläge bilden zusammen mit der trennenden Isolierschicht einen elektrischen Kondensator. Zwischen Leiterbolzen und Flansch sind somit gewissermassen eine Reihe von Einzelkondensatoren eingefugt, die unter sich in Serie geschaltet sind. Durch geeignete Grössenwahl der Metallbeläge kann erreicht werden, dass auf jeden durch sie gebildeten Kondensator annähernd die gleiche Teilspannung entfällt, wodurch eine sehr vorteilhafte Steuerung des elektrischen Feldes erreicht wird. Diese Einrichtung ist an sich wohlbekannt.
In vielen Fällen wird der äusserste Metallbelag durch einen Verbindungskontakt o mit dem Flansch-3 verbunden.
Fig. 2 stellt einen Hochspannungskondensator dar. Die in den Isolierwiekelkörper 6 eingebetteten koaxialen und treppenförmig angeordneten Metallbeläge 7 stellen wiederum mit den trennenden Isolierschichten eine Reihe von seriegeschalteten Kondensatoren dar. Der innerste Metallbelag ist mit einer oberen Metallkappe 8 und der äusserste Belag mit einer unteren Kappe 9 verbunden. Die Kappen bilden die Anschlusselektroden des Kondensators. Eine solche Anordnung kann auch als Stützisolator verwendet werden.
In der Fig. 3 ist dargestellt, wie das Kondensatorprinzip bei einem Kabelendverschluss zur Anwendung kommen kann. Die Kabelseele 10 ist von der Kabelisolation 11 und dem Bleimantel umschlossen, der jedoch nur bis zur Fassung 1.) reicht. Zwischen der geerdeten Fassung 1.) und der unter Spannung stehenden Kappe J würde ein sehr ungleichmässiges elektrisches Feld herrschen, wenn nicht im Isolierwiekelkörper 14 zwischen dessen Schichten Metallbeläge 16 eingebettet wären.
Die Herstellung der soeben beschriebenen Isolatoren erfolgt in den weitaus meisten Fällen aus technologischen Gründen in der Weise, dass eine lange dünne Bahn eines isolierenden Stoffes, z. B.
Papier, zu einem Wickel aufgewickelt wird und bei diesem Wickelprozess in bestimmten Zeitabständen leitende Beläge oder Blätter, z. B. Metallfolien, metallisiertes Papier, mit eingewickelt werden, die dann die erwähnten feldsteuernden l\1etaUbeläge bilden. Der auf diese Weise hergestellte Kondensatorwickel ist meistens rund ; er kann aber auch ovalen oder polygonalen Querschnitt besitzen. Jeder eingewickelt Metallbelag bildet einen Zylinder, der jedoch nicht in sieh geschlossen ist, weil sieh beim Aufwickeln jeweils die aufgewickelte Isolierstoffbahn zwischen die beiden sich überlappenden Enden des Metallbelages legt.
In Fig. 4 ist ein solcher aufgewickelter Metallbelag ausgezogen im Schnitt dargestellt. Man ersieht aus der Figur deutlich, wie sich die gestrichelt angedeutete Isolierstoffbahn 17 zwischen die sieh überlappenden Enden des Metallbelages M gelegt hat. Diese in der Art des Fabrikations-
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prozesses liegende Zwangsläufigkeit hat zur Folge, dass die ideale Form der Metallbeläge, in sich geschlossene Zylinder darzustellen, nicht erreicht werden kann und dadurch ins ganze System Unsymmetrien hineingebracht werden. Da nun aber im allgemeinen sowohl die Isolierbahn als auch der Metallbelag recht dünn sind (Papier, Metallfolie), so ist die durch diese Überlappung entstehende Ver- zerrung des Idealbildes, äusserlich betrachtet, sehr gering.
Schneidet man einen runden Kondensatorwickel senkrecht zur Achse entzwei, so zeichnen sich die Metallbeläge als konzentrische Kreise auf der Schnittfläche ab, und die einzelnen Überlappungsstellen sind von blossem Auge kaum sichtbar. Auf den ersten Blick mögen somit diese geringen Unsymmetrien vollkommen unschädlich erscheinen. Bei näherer Überlegung zeigt sich jedoch, dass diese Überlappungsstellen der Metallbeläge zu schweren Störungen und sogar zur vollständigen Zerstörung des Kondensatorwiekels Anlass geben können.
Zur genauen Erklärung dieser Tatsache ist in Fig. 5 der Schnitt durch eine Kondensatordurchführung veranschaulicht, bei der der Einfachheit halber nur ein einziger eingewickelter Metallbelag dargestellt ist. Die Durchführung stehe unter Spannung, u. zw. sei im betrachteten Augenblick der zentrale Leiterbolzen19 positiv und der Flansch 20 negativ geladen. Zwischen Bolzen 19 und Flansch besteht somit ein elektrisches Feld, das in der Figur durch radiale Pfeile angedeutet ist und das auf dem
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negativ und die Aussenseite positiv auf, wie es aus der Figur ersichtlich ist.
Da nun im allgemeinen an der Innen-und Aussenseite des Metallbelages sowohl die Feldstärke als auch die Dieelektrizitätskonstante nicht stark verschieden sind, so ist die oberflächliche Ladungsdichte auf beiden Seiten des Metallbelages gleich gross, aber entgegengesetzten Vorzeichens. Verschwindet die Spannung zwischen Bolzen und Leiterflansch und damit auch das elektrische Feld, so vereinigen sich die durch Influenz getrennten Ladungen des Metallbelages augenblicklich und ohne irgendwelche Nebenerscheinungen.
Ganz anders verhalten sieh jedoch die Dinge an der Überlappungsstelle des : Metallbelages ; ! 1.
Der zwischen den sich überlappenden Endteilen desselben vorhandene Raum ist feldfrei, da alle Teile des Metallbelages im stationären und im quasistationären Zustande des elektrischen Feldes, d. h. bei Gleichspannung oder geringer Frequenz der Wechselspannung, gleiches Potential besitzen. Die einander zugekehrten Seiten des Metallbelages an der tberlappungsstelle sind somit ungeladen und nur die einander abgekehrten Seiten sind mit umgekehrtem Vorzeichen aufgeladen. Beim Verschwinden des Feldes können sich nun diese durch Influenz getrennten Ladungen nicht wie auf den übrigen Teilen
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lappenden Endteile des Metallbelages noch aufgeladen, während sonst überall die influenzierten Ladungen verschwunden sind.
Es ist nun leicht nachzuweisen, dass in dem früher feldfreien Raume zwischen den Überlappungen ein Feld von der gleichen Stärke entsteht, wie es im benachbarten Raume unmittelbar vorher bestanden hat. Die beiden Überlappungen bilden nämlich jetzt nichts anderes als zwei ent-
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herrscht.
Tritt der Fall ein, dass der Kondensatorwiekel nicht nur sehr schnell entladen, sondern entgegen- gesetzt aufgeladen wird, so tritt im Raume zwischen den Überlappungen sogar eine doppelt so grosse Feldstärke als im übrigen Raume auf.
Diese Betrachtungen führen somit zu der Erkenntnis, dass bei den beschriebenen Kondensatorwickeln zwischen den Überlappungsenden eines Kondensatorbelages beträchtliche Spannungen auftreten können. Die Ursache dieser Spannungen ist in der durch die Überlappung hervorgerufenen Unsymmetrie begründet.
In ähnlicher Weise treten in dem in Fig. 6 dargestellten Falle Spannungen zwischen den Überlappungen des Metallbelages 24 auf. Der Metallbelag S- ist hier der äusserste einer Reihe von konzentrischen Metallbelägen, die der Einfachheit halber nicht gezeichnet sind. In vielen Fällen wird nun dieser äusserste Belag durch einen Kontakt ; M an beliebiger Stelle mit dem Flansch : 22 verbunden.
Dadurch entsteht wiederum eine Unsymmetrie, die die erwähnten Spannungen zwischen den Überlappungsenden verursachen kann.
Endlich ist es möglich, dass durch Schwingungsvorgänge sehr hohe Frequenz auf den Metallbelägen Punkte verschiedenen Potentials erzeugt werden und dadurch ebenfalls Spannungen zwischen den Überlappungsenden auftreten können.
Die Tatsache, dass zwischen den Überlappungen eines Metallbelages Spannungen auftreten. würde an und für sieh nichts schaden können, wenn die zwischen den Uberlappungsteilen liegende Isolierschicht eine genügend hohe Durchschlagsfestigkeit besässe. Nun weist aber erfahrungsgemäss
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Dabei kann an der Durehschlagstelle eine solche Wärmemenge entwickelt werden, dass die Metallbeläge daselbst geschmolzen und die nächstanliegenden Schichten des Isolierstoffes verbrannt werden.
Es bildet sich auf diese Art mitten im Material des Kondensatorwickels ein kleiner Zerstörungsherd. der sich im Laufe der Zeit vergrössern und schliesslich zum vollständigen Durchbruch des Isolators führen kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft nun einen Kondensatorwickel mit zwischen den Windungen einer Isolierbahnliegenden metallischen Belägen, von denen jeder einen sich an den Enden überlappenden Zylinder bildet.
Bei einem solchen Kondensatorwickel werden die oben erwähnten unerwünschten Durchschläge dadurch vermieden, dass erfindungsgemäss jeder Belag an der Stelle, wo er sich überlappt, durch unmittelbare gegenseitige Berührung seiner sich überlappenden Endteile in sich kurzgeschlossen ist.
Zur Herstellung eines solchen Kondensatorwickels kann in der Weise verfahren werden, dass beim Aufwickeln der Isolierbahn kurz vor dem Einwickeln eines leitenden Belages in der Isolierbahn mindestens eine Aussparung angebracht und der Belag an die Isolierbahn so angesetzt wird, dass sein vorlaufender Randteil auf diese Aussparung der Isolierbahn zu liegen kommt, um beim Einwickeln hier mit dem hinteren Teil des Belages in Kurzschluss zu kommen.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird beispielsweise durch die Fig. 7,8, 9 und 10 erläutert.
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die Zufuhrwalze 26 läuft, wird sie kurz vor dem Aufwickeln mit einer Reihe länglicher Löcher 29 versehen, und dann wird der Metallbelag 28 an die Papierbahn so angesetzt, dass sein vorlaufender Endteil über die Löcher 29 zu liegen kommt (Fig. 7).
Beim Umlauf des im Wickelvorgang begriffenen Wickelkörpers 25 im Sinne des Pfeiles x wird der : Metallbelag 28 mit eingewickelt und schliesslich mit seinem hinteren Endteil so vor die Löcher 29 gebracht (Fig. 8), dass er hier, d. h. in den Löchern 29, kurzgeschlossen wird, wie dies aus der die Schichtung in übertriebenem Dickenmass darstellenden Fig. 10, wo diese Kurzschlussstelle bei. ? angedeutet ist, hervorgeht.
Die Form und die Zahl der Löcher der Lochreihe der Papierbahn sind nebensächlich. Ein einziger 'Schlitz könnte genügen. Die Lochreihe oder der Schlitz erstreckt sich zweckmässig fast über die ganze Breite des Metallbelages, endigt aber vorteilhaft in beträchtlichem Abstande von den Seitenrändern der Papierbahn.
PATENT-ANSPRÜCHE : 1. Kondensatorwickel mit zwischen den Windungen einer Isolierbahn eingelegten metallischen Belägen, von denen jeder einen sich an den Enden überlappenden Zylinder bildet, dadurch gekenn- zeichnet, dass jeder Belag an der Stelle, wo er sich überlappt, durch unmittelbare gegenseitige Berührung seiner sich überlappenden Endteile in sich kurzgeschlossen ist.