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Wicklung für Transformatoren und Drosselspulen für hohe Leistungen
und Spannungen Bekanntlich macht es Schwierigkeiten, eine aus Scheibenspulen aufgebaute
Wicklung in ihrer Stoßspannungsverteilung geeignet zu bemessen, wenn der Stoßpegel
der Wicklung ein bestimmtes Maß überschreitet. Die Scheibenspulenwicklung ist gegenüber
der Lagenwicklung insofern benachteiligt, als das Verhältnis
für die Spulenwicklung wesentlich größer als für die Lagenwicklung ist. Je größer
dieses Verhältnis jedoch ist, desto mehr weicht die Stoßanfangsverteilung von der
linearen Endverteilung ab und desto höher sind die auftretenden Spannungen zwischen
den Spulen bzw. Lagen im Verlauf der Ausgleichsschwingungen.
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C,, ist dabei die Erdkapazität der Wicklung, während C, die resultierende
Reihenkapazität der einzelnen Elemente (Spulen, Lagen) der Wicklung bedeutet.
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Man ist daher bei Spulenwicklungen bestrebt, das genannte Verhältnis
a durch Vergrößerung von C, zu verringern. Es sind zwar verschiedene Maßnahmen für
solche eine Vergrößerung von C, bekanntgeworden, doch laufen sie meist darauf hinaus,
Wicklungspunkte, die weiter als eine Windung auseinanderliegen, durch Kunstschalungen
kapazitiv aneinanderzukoppeln. Eine engere kapazitive Kopplung wird auch erreicht,
wenn die Windungskapazitäten erhöht werden. Die bekanntgewordenen Kunstschaltungen
haben aber fast immer den Nachteil, daß sie fabrikatorische Schwierigkeiten bereiten,
vor allem da sie viele komplizierte Lötverbindungen erfordern.
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Will man solche Schwierigkeiten vermeiden und trotzdem die Spulenwicklung
anwenden, so kann man den Ausweg der Einzelspulenschaltung benutzen, bei dem zwar
die Stoßspannungsverteilung nicht verbessert wird, jedoch zwischen den Spulen nur
die einfache Spulenstoßspannung auftritt, welche keine so hohen Isolationsmaßnahmen
zwischen den Spulen erfordert. Mit solchen Wicklungen kommt man in den meisten Fällen
zu einer stoßspannungsfesten Ausführung. Man hat allerdings auch hier den Nachteil,
daß man die Wicklung nicht fortlaufend wickeln kann wie bei der verstürzten Wicklung,
sondern in Einzelspulen, die einzeln zusammengelötet werden müssen, wobei die Lötverbindungen
fabrikatorische und isolationstechnische Schwierigkeiten bereiten. Die Erfindung
soll hier Abhilfe schaffen, indem sie den Vorteil der fortlaufenden Wicklungsart
mit gestürzten Spulen beibehält, deren Nachteile aber vermeidet.
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Die wesentlichen Nachteile der verstürzten Wicklungen, insbesondere
bei hohen Leistungen, sind die folgenden: Die Spulenhöhe h darf bei verstürzten
Wicklungen ein bestimmtes Maß nicht überschreiten, da sonst ein Stürzen der Spule
fertigungsmäßige Schwierigkeiten bereitet und die Spule außerdem mechanisch nicht
befriedigt. Je größer die Spulenbreite b, desto größer kann h werden,
so daß es auf das Verhältnis 6 ankommt.
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Es macht bereits Schwierigkeiten, mehr als drei parallele Leiter zu
wickeln. Deshalb ist eine feinere Aufteilung, die sich besonders bei hohen Leistungen
anbieten würde, nicht möglich. Eine Erhöhung der Zahl der parallelen Leiter vergrößert
in gewissen Fällen auch das Maß h. Die Aufteilung in parallele Leiter, vor allem
aus Gründen der Senkung der Zusatzverluste, wird durch Unterteilung des Querschnitts
erfolgen. ' Bei großen Leistungen und großen Spulenhöhen sind Ölkanäle parallel
zur Wicklungsachse, die innerhalb der Wicklung verlaufen, unerläßlich. Die Herstellung
solcher Axialkanäle bei- verstürzten Wicklungen macht Schwierigkiten, weil man keine
durchgehende Isolierstoffleiste dafür verwenden kann, sondern nur einzelne Distanzstücke,
deren Einpassen beim Stürzen viel Mühe macht und deren mechanischer Halt Schwierigkeiten
bereitet.
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Bei der normalen verstürzten Wicklung ohne besondere zusätzliche Maßnahmen
ist, wie bereits
dargestellt, die Stoßspannungsverteilung so ungünstig,
daß man bei hohen Stoßpegeln auch hier Schwierigkeiten hat. Entweder wird der Aufwand
für die Isolation zu groß, oder die Stoßfestigkeit ist nicht ausreichend hoch.
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In allen vier Fällen lassen sich die genannten Schwierigkeiten bei
Anwendung einer Wicklung nach der Erfindung verringern. Diese bezieht sich auf eine
Wicklung für Transformatoren und Drosselspulen für hohe Leistungen und Spannungen,
die aus mit n parallelen Drähten gewickelten verstürzten Spulen aufgebaut ist und
in der in Achsrichtung verlaufende Kühlkanäle vorgesehen sind. Hierbei wird erfindungsgemäß
die gegenseitige Kapazität benachbarter Spulen und Windungen dadurch erhöht, daß
in < n geometrisch durch achsparallele Kanäle getrennte, verstürzte gewickelte
und konzentrisch angeordnete Teilwicklungen derart gewickelt und geschaltet sind,
daß sich die Ordnungszahlen von radial benachbarten, durch die Kühlkanäle voneinander
getrennten Windungen der radial benachbarten Teilwicklungen mindestens um die Windungszahl
einer Einzelspule unterscheiden und daß die m konzentrisch übereinandergewickelten
Teilwicklungen (m - 1)-mal untereinander ausgekreuzt sind, so daß jeder Leiter einer
Teilwicklung sämtliche übrigen Teilwicklungen durchläuft.
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An Hand einiger Ausführungsbeispiele soll die Wirkungsweise der Erfindung
näher erläutert und einige weitere. Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben werden.
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In F i g. 1. ist eine Doppelspule, wie sie am Eingang von verstürzt
gewickelten Spulen verwendet wird, mit zwei parallelen Drähten skizziert. Sie besteht
aus zwei Einzelspulen mit den Windungen 1 bis 4 bzw. 5 bis 8 und den dazu parallelen
Windungen 1' bis 4' bzw. 5' bis 8'. Die Höhe der Einzelspule sei mit h, die
Breite mit b bezeichnet. Die Spulenverbindungen zwischen 4 und 5 bzw.
4' und 5' sind durch Striche eingetragen. In F i g. 1 sind diese Verbindungen
gekreuzt, in F i g. 2 und 3 sind diese Kreuzungen weggelassen.
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Die F i g. 1 und 2 veranschaulichen bekannte Anordnungen, während
eine Ausführung nach der F i g. 3 die Erfindung wiedergibt. Bei hoher Stoßspannung
zwischen den Spulen muß die Spule gemeinsam durch eine Papierumbandelung 9 verkleidet
werden, damit die Isolationsfestigkeit zwischen 1 und 8' ausreichend hoch ist. Außerdem
muß eventuell die Breite 10 des radialen Ölkanals vergrößert werden. Solche Maßnahmen
sind nicht nur unmittelbar am Eingang, sondern bei sehr hohen Spannungen bis verhältnismäßig
tief in die Wicklung hinein nötig, um eine ausreichende Stoßfestigkeit zu erreichen.
Dadurch entsteht eine gerade bezüglich der Spulenkapazitäten sehr ungleichmäßig
aufgebaute Wicklung, so daß man einmal die Vorausberechnung nur mit Unsicherheit
durchführen kann und zum anderen die zwischen den Spulen auftretenden Stoßspannungen
höher sind als bei gleichmäßig aufgebauten Wicklungen.
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In F i g. 1 sind die Profile der benutzten Drähte reichlich und die
Stromdichte verhältnismäßig gering gewählt, da wegen der dicken Umbandelung 9 die
Kühlung schwieriger ist als bei nicht umbandelten Spulen. Ein vertikaler Kühlkanal
11 parallel zur Achse ist weiterhin erforderlich, da das Maß h sehr groß
ist. Eine Möglichkeit, die Anordnung nach F i g. 1 stoßspannungs-. stromkühlungsmäßig
und in bezug auf Wirtschaftlichkeit zu verbessern, ist in F i g. 2 angedeutet. Diese
Figur stellt einen Ausschnitt aus der gleichen in F i g. 1 gezeigten Wicklung dar,
bei der jedoch die Spulenzahl gegenüber F i g. 1 verdoppelt und dafür die Windungszahl
pro Spule halbiert ist. Das ist dadurch erreichbar, daß vier parallele Drähte benutzt
werden. Im Beispiel F i g. 2 sind vier Spulen mit je zwei Windungen und je vier
parallelen Drähten gezeichnet und gleichartig wie in F i g. 1 benannt.
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Durch eine solche Maßnahme wird nun die zwischen zwei Spulen auftretende
maximale Stoßspannung, also etwa zwischen 1 und 4, nur etwa halb so
groß wie in F i g. l sein, so daß einmal die Papierumbandelung 9 weggelassen werden
kann und zum anderen der Ölkanal nur noch so breit wie für die Stoßspannungsfestigkeit
oder die Kühlung ausreichend gewählt zu werden braucht. Die Kühlung ist aber wegen
des Fehlens von 9 günstiger.
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Man kann nun in den meisten Fällen eine Verbesserung in der mit F
i g. 2 angedeuteten Richtung deswegen nicht durchführen. weil das Verhältnis b viel
zu groß wird und die Spule sich nicht mehr stürzen läßt und mechanisch nicht befriedigt
und weil die Maximalzahl von parallelen Windungen schon erreicht ist.
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Die Erfindung schafft auch hier Abhilfe. Sie ermöglicht nicht nur
die Ausführung nach den zu F i g. 2 genannten Gedanken, sondern sie bringt auch
eine weitere Verbesserung der Stoßspannungsverteilung dadurch, daß sich die Windungskapazität
C". = C1+ C.= gegenüber F i g. 2 verdoppelt und die Kapazität von Spule zu
Spule dadurch erhöht, daß die radial benachbarten Teilwicklungen 12 und 13 an benachbarten
und daher kapazitiv aneinandergekoppelten Punkten um die Windungszahl einer Teilspule,
im vorliegenden Fall um zwei Windungen, unterscheidet, wie man aus F i g. 3 erkennt.
In F i g. 2 ist C,. = C nur deshalb besonders klein, weil in diesem Spezialfall
von zwei Windungen pro Spule die zwei verschiedenen Windungen nur über dem Axialkanal
11 benachbart sind. Im allgemeinen Fall, bei mehr als zwei Windungen pro
Spule, ist C". jedoch die Kapazität zwischen zwei dicht nebeneinanderliegenden Windungen.
Bei einer Anordnung analog F i g. 3 mit m Teilwicklungen sind dann
m
solche Kapazitäten parallel geschaltet, so daß Cw = Ci+C,+C.;-@.
. .--C", wird.
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Der in F i g. 3 gezeichnete Fall ist ein Spezialfall der Erfindung
mit den Werten n = 4 und m = 2.
Der genannte Effekt der Verbesserung
der Stoßspannungsverteilung wird erhöht, wenn man m = 4 setzt, d. h. wenn man statt
zwei Teilwicklungen mit je zwei parallelen Drähten vier Teilwicklungen mit nichtparallelen
Drähten in einer Teilwicklung vorsieht (s. F i g. 8 und 9), zwischen denen dann
drei Ölkanäle 11 in axialer Richtung verlaufen. In F i g. 3 ist nur ein solcher
Axialkanal 11 vorhanden. Man wählt F i g. 8 oder 9 vorwiegend aus Stromgründen.
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F i g. 4 zeigt schematisch und leicht zu übersehen den in F i g. 3
gezeichneten Wicklungsaufbau, den man mit der bekannten Anordnung einer normalen
verstürzten Wicklung (F i g. 5) einfach vergleichen kann. Auch F i g. 4 stellt einen
Spezialfall für m = 2 Teilwicklungen dar. In F i g. 4 a ist ein Beispiel dafür
gegeben,
daß sich die radial benachbarten Spulenenden, etwa die Stellen 12a und 12b, um mehr
als die Windungszahl einer Einzelspule (hier die 3fache Spulenwindungszahl) unterscheiden.
Mit 11 ist der zwischen beiden Teilwicklungen 12 und 13 liegende axiale Ölkanal
bezeichnet. Dieser ist in F i g. 5 durch eine gestrichelte Linie angedeutet. 14
sollen die an Wicklungseingang und -ende angelenkten Steuerschirmringe mit ihren
bekannten Aufgaben, insbesondere für das Randfeld zwischen Ober- und Unterspannungswicklung,
darstellen. Damit in der Teilwicklung 12 der gleiche Strom wie in 13 fließt, wird
in Wicklungsmitte eine Kreuzungsstelle IS vorgesehen. Für den allgemeinen Fall von
m Teilspulen müssen dann (m -1) solcher Kreuzungsstellen vorgesehen werden, welche
in (m -1) Löchern liegen. Diese Löcher erhält man etwa dadurch, daß man die Länge
der Wicklung in m gleiche Teile teilt. An den (m-1) Tellerstellen wählt man dann
die Spulenabstände größer, so daß die Löcher 16 entstehen, an denen man die Verdrillung
vornehmen kann. Dieser Fall für na = 4 ist in den F i g. 8 und 9 dargestellt.
Man wird dabei so vorgehen, daß man die Kreuzungsstellen durch nachträgliches Löten
der beim Wickeln herausgeführten zugeordneten Drahtenden herstellt. Die Herstellung
solcher Kreuzungsstellen kann nach bekannten Verfahren geschehen. Man lötet etwa
nach Fertigstellung aller Teilwicklungen, indem man die Drahtenden, welche zusammenzulöten
sind, weit von der äußersten Teilwicklung entfernt verbindet, gut abrundet, nachisoliert
und dann in das Loch 16 zurückdrückt. Das ist insbesondere dann erforderlich, wenn
auf der äußersten Teilspule eine weitere Wicklung, etwa eine Unterspannungswicklung
oder eine Regelwicklung, vorgesehen ist.
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An Hand von F i g. 3 kann man sich überzeugen, daß tatsächlich die
vier vorgenannten Nachteile von nomalen verstürzten Wicklungen bei einer Wicklung
nach der Erfindung vermieden werden: Das Verhältnis lzlb kann tatsächlich beliebig
klein gehalten werden, was den Vorteil bringt, daß man sehr kleine Profile wickeln
kann, in denen die Zusatzverluste besonders klein gehalten werden können, was durchaus
als weiterer Vorteil angesehen werden kann, der nur durch eine Anordnung nach der
Erfindung erreicht wird.
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Man kann jetzt beliebig viele parallele Leiter wickeln, dadurch, daß
man zwar auch nur pro Teilspule höchstens wie bisher bei verstürzten Wicklungen
etwa vier parallele Drähte wickeln kann, daß man aber die Zahl der Teilspulen beliebig
hoch wählen kann, so daß man die gesamte Wicklung mit beliebig vielen parallelen
Drähten ausführen kann. Alle Anfänge der Teilwicklungen sind dann natürlich zu verbinden,
ebenso alle Enden. Verbindet man jedoch diese nicht, sondern führt diese über einzelne
Durchführungen über Deckel heraus, so kann man die Teilwicklungen an verschiedene
Netzteile anschließen, mit verschiedenen Strömen belasten oder an verschiedenen
Maschinen, etwa Generatoren eines Kraftwerkes, anschließen. Im letzteren Falle wäre
die Erfindung weniger anwendbar für eine Hochspannungswicklung als auf eine Wicklung
mittlerer Spannung, aber sehr hoher Leistung. Die zuletzt beschriebenen weiteren
Erfindungsgedanken sind ebenfalls mit einer normalen Anordnung nicht zu verwirklichen.
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Die axialen Ölkanäle innerhalb der Wicklung sind bei einer Anordnung
nach der Erfindung ebenfalls wesentlich einfacher und mechanisch günstiger herstellbar,
wie ein Blick auf F i g. 6 zeigt.
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In F i g. 6 bedeutet 17 den Tragzylinder, auf dem etwa die in F i
g. 3 gezeichneten m = 2 Teilwicklungen 12 und 13 aufgewickelt sind. Das geschieht
folgendermaßen: In bekannter Weise werden auf dem Zylinder 17 Leisten 18 vorgesehen,
auf welche die Wicklung 12 aufgewickelt wird. Jede zweite Spule wird normal verstürzt.
Zwischen zwei Spulen von 12 werden die in die Leisten 18 eingreifenden Distanzstücke
19 vorgesehen, welche den in F i g. 3 gezeichneten radialen Ölkanal der Breite 10
herstellen. Nach Beendigung der Wickelarbeiten für die Teilwicklung 12 werden auf
den bisherigen Aufbau die weiteren Leisten 18' und darauf entsprechende Distanzstücke
19' vorgesehen, derart, daß - wie in F i g. 6 gezeichnet - die Distanzstücke
19 und 19' sich gegenseitig halten und festlegen und gleichzeitig
die Leisten 18' festhalten. Die Teilwicklung 13 wird dann genauso wie die Teilwicklung
12 ganz normal verstürzt gewickelt. Bei mehr als zwei Teilwicklungen verfährt man
in gleicher Weise, wie beschrieben, bis zur m-ten Teilspule.
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F i g. 6 zeigt lediglich eine Möglichkeit der Herstellung der axialen
Kanäle 11.
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F i g. 7 stellt eine weitere Möglichkeit dar. Dort sind die Bezeichnungen
entsprechend gewählt. Die Stoßspannungsverteilung wird - wie schon beschrieben -
nicht nur deswegen wesentlich günstiger, weil man eine größere Spulenzahl bei kleinerer
Windungszahl pro Spule wählen kann, sondern auch, weil die einzelnen Elemente der
Wicklung besser kapazitiv gegeneinandergekoppelt sind. Den besten Effekt erreicht
man, wenn man n = m Teilspulen wählt, d. h. soviele Teilspulen wie parallele
Drähte der Gesamtwicklung, und dabei diesen Wert n möglichst hoch wählt. Man erhält
dann einen Aufbau, wie er aus F i g. 8 ersichtlich ist. F i g. 8 entspricht dabei
F i g. 3, ist aber für größere Werte n = 4 und m = 4 gezeichnet. Die
Bezeichnungen entsprechen den bisher gewählten.
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Eine Wicklungsausführung nach der Erfindung wird man vor allem aus
Stromgründen wählen, da damit die Sturzwicklung bis zu beliebig hohen Leistungen
anwendbar ist, ohne daß man zu große Drahtprofile mit ihren hohen Zusatzverlusten
wählen muß.
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Um die Kapazität zwischen zwei übereinandergewickelten Teilwicklungen
noch zu erhöhen und so die Stoßspannungsverteilung weiter zu verbessern, kann man
die Teilwicklungen auch direkt ohne Zwischenschalten von Leisten und Ölkanälen aufeinanderwickeln.
Ein Beispiel dafür, daß auf die in F i g. 8 gezeichnete Anordnung mit vier übereinanderliegenden
Teilwicklungen 12, 12', 12" und 12"' anwendbar ist, zeigen die F i g. 8 a,und 8
b.
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In F i g. 8 a sind von den vier übereinandergewickelten verstürzten
Teilwicklungen immer je zwei ohne Ölkanal in axialer Richtung direkt aufeinandergewickelt,
und
nur in der Mitte zwischen Teilwicklung 12' und 12" ist ein Axialölkanal
vorgesehen. Daher ist die Kapazität zwischen l' und 4
sowie zwischen
1"' und 4" viel größer als an den gleichen Stellen der Anordnung F
i g. 8 bzw. als zwischen 1" und 4' in F i g. 8 a.
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F i g. 8 b schließlich zeigt eine spezielle Ausführungsform für eine
nach F i g. 8 a gewickelte Anordnung.
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Auf den Isolierzylinder 17 werden die Leisten 18
aufgelegt
und darauf die Teilwicklung 12"', deren Spulen durch Distanzstücke 19"',
die in 18 eingreifen, distanziert werden. Auf 19"' wird unmittelbar
die zweite Wicklung 12" gewickelt, wobei diesmal die Distanzstücke
19" die Spulen distanzieren, usf. bis zur letzten Teilwicklung
12. Die Distanzstücke 19" werden durch 19"' in ihrer Lage gehalten.
Ein Herausrutschen nach außen ist für 19" nicht möglich, da dies die folgenden
Distanzstücke 19'
verhindern. Lediglich das äußerste Distanzstück
19
muß am Herausrutschen durch einen Isolierstreifen 20 gehindert werden,
der bandagenartig über alle Spulen von 12 läuft und diese radial nach außen
zusätzlich abstützt. In F i g. 8 b ist nur ein axialer Ölkanal 11 zwischen
12' und 12" vorgesehen und durch die Leisten 18' gebildet.
Wie man sieht, kommt man auch ganz ohne Ölkanal 11. aus, wenn solche Axialkanäle
nicht kühlungsmäßig notwendig sind.
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Eine weitere Verallgemeinerung besteht darin, daß man die Teilwicklungen
so gegeneinander in Teilen verschiebt, daß zwar die die Kräfte bestimmende Symmetrie
erhalten bleibt, aber zwischen radial benachbarten Spulen zweier verschiedener Teilwicklungen
eine Spannungsdifferenz besteht, die der Windungszahl nicht einer, sondern mehrerer
Einzelspulen entspricht. Die kapazitive Kopplung wird dadurch weiter erhöht. Durch
ein Beispiel ist dies in F i g. 4 a angedeutet, wo zwischen den Punkten
12 a und 12 b z. B. die Spannungsdifferenz von drei Spulen auftritt.
Man kann z. B. die gegenseitige Verschiebung in Teilen dadurch erreichen, daß man
die radialen Ölkanäle 10 verschieden breit macht. Dazu sind Distanzstücke
nach F i g. 7 geeignet.
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Verbindet man nun noch geeignete, zu verschiedenen Teilwicklungen
gehörige Wicklungspunkte mit der gleichen Windungszahl bis zum Eingang galvanisch
etwa durch nachträgliches Verlöten, so kann man eine weitere Verbesserung der Stoßspannungsverteilung
erzwingen. Die Stromverteilung könnte dann allerdings ungleichmäßiger werden. Die
Kombination aller geschilderter Maßnahmen läßt, wie man erkennt, eine Vielzahl von
Ausführungsmöglichkeiten zu, deren Prinzip aber stets das gleiche ist. Der durch
solche Kombinationen erreichbare Effekt wird im Spezialfall für Höchstspannungstransformatoren
sehr erheblich sein.