DE1438666A1 - Induktives elektrisches Geraet - Google Patents

Description

Electric Corporation Sast Pittsburgh PJL 62/9004 Induktives elektrisches gerät

PtIr diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden USA-Anmeldung Serial Ho, 233 302 vom 26.10.1962 beansprucht.

Die Erfindung betrifft ein flüssigkeitsisoliertes, induktives elektrisches Gerät, wie Transformator oder Wandler, Bit auaindest einer von einer festen Isolation umgebenen Hochspannungswicklung und einem diese speisenden, in einer Hochspannungsdurchführung ν-.-.· laufenden Leiter sowie mehreren der Hochspannungswicklung zugeordneten Schirmen, von denen einer auf Hochspannungepotential 1. to.-tend als innerer Schirm den umfang der Hochspannungswicklung alt, Hohlring und den Durchführungskanal der Hochspannungsdurchführung umfaßt und ein anderer Schirm auf Erdpotential liegend al - äußerer Schirm die Hochspannungswicklung, den inneren Schire iiriu α ie feste Isolation umschließt, während ein weiterer Schirm hlc ZwiBchenschirm sswischen dem inneren und äußeren Schirm einen Teil der Hochspannungswicklung und der Isolation umschließt.

Die Größe induktiver Hochspannungsgeräte, wie beispielsweise Wandler, 1st mehr durch die Erfordernisse der Isolation als durch das VoIt-Ampere-Verhältnis der Geräte bestimmt. Eine beträchtliche Verringerung der Größe von Heßwandlem, die in ein flüssiges Dielektrikum, wie öl, eingesetzt sind, ist dadurch erreicht worden, daß eine feste Isolation «it faaerföreigem Isoliermaterial, wi·

Kreppapier, vorwendet wurde.

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Die Sperrwirkung des faserförraigen Isolierraateii als läßt eine erhebliche Verringerung der Hauptisolation zu. Weitere Vorteile erhält man, wenn induktive Hochspannungsgeräte, wie Spannungstransformatoren, eine feste Isolation verwenden und mit einer einzigen, trapezförmigen Hochspannungswicklung ausgerüstet sind. Die Spannungsverteilung bei einem Spannungsstoß in einer trapezförmigen Primärwicklung mit sich kontinuierlich verringernder Breite der Wicklungslagen ist ausgezeichnet. Die Anfangs- und Endspannungsverteilung über einer trapezförmigen Wicklung stimmen nahezu überein, was ein Anzeichen für das Fehlen schädlicher Schwingungen ist und es möglich macht, den Aufwand an Isoliermaterial zu verringern, der bei anderen Wicklungsformen zwecks Erzielung bestimmter Stoßspannungscharakteristiken erforderlich ist.

Selbst bei den eben erwähnten Verringerungen der Hauptisolation ließen sich noch weitere Verringerungen erzielen, wenn die Potentialbeanspruchung in der Umgebung der Hochspannungswicklung verringert werden könnte. So könnten weitere Verringerungen der Hauptisolation dann erreicht werden, wenn die Anfangs und Endspannungsverteilung für den Transformator als Ganzes übereinstimmen wurden.

Ein großer Seil des Gewichts und der Kosten eines induktiven Hochspannungsgerätes liegt ferner in dem wetterfesten Gehäuse oder der Durchführung des Primärleiters begründet. Durchführungen nach Art von Kondensatordurchführungen rufen eine

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lineare Spannungsverteilung länge ihrer äußeren Oberflächen hervor, aber aus Gründen ihrer übermäßigen länge und der Kosten ist es äußeret vorteilhaft, einfache, gedrängt aufgebaute Durchführungen zu verwenden und andere Mittel zur Eontrolle der längsbeanspruchung der Hochspannungsdurchführung zu benutzen. Bekannte Konstruktionen verwenden ein Spannungsabbauaystem ähnlich dem einer Kondensatordurchführung mit der Abweichung, daß die stufenförmig angeordneten konzentrischen Abschirmungen in der Isolation des Primärleiters und nicht in der Durchführung selbst enthalten sind.

Dieses Verfahren hat aber insofern Nachteile, als erhebliche

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Ärltahrung und Sorgfalt seitensdes Her β tellerpersonale, das

die Leiter isoliert, erforderlich sind. Außerdem muß die

Isolation des Prieärleitere relativ dick und mit einer Tiel-

sohl von Abschirmungen hergestellt werden, um die Spannungsstufen und! den Kanteneffekt an den Enden der Abschirmungen zu verringern. Sine zu große Spannung'zwischen benachbarten Abschirmungen ruft einen Koronaeffekt an den scharfen Kanten

der Schirme hervor.

Aus diesen Gründen besteht Bedarf an einer verbesserten Iy Wicklunga- und Isolationsanordnung, die eine günstige Anfangs- und Endspannungsverteilung sowie eine Kontrolle der Beanspruchung länge der Hochspannungadurchfuhrung bewirkt und :' ebenso eine Regelung der Radialbeanspruchung an den Ecken der wicklung vornimmt, ohne das die Nachteile der eben beschriebenen Anordnungen zur Spannungsverteilung auftreten.

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Ferner ist erwünscht, daß die verbesserte Wicklunge- und Isolationsanordnung trapezförmige Primärwicklungen und gedrängt aufgebaute Durchführungen aufweist, so daß ein induktives elektrisches Gerät entsteht, das nicht nur eine verringerte Sicke der Isolation, sondern auch einen herabgesetzten kritischen Spannungsgradienten aufweist.

Demgemäß besteht die allgemeine Aufgabe der Erfindung darin, eine neue und verbesserte Wicklungs- und Isolationsanordnung für induktive elektrische Geräte, beispielsweise Transformatoren, zu schaffen. Eine Verbesserung ist bei einem flüssigkeitsisolierten, induktiven elektrischen Gerät, wie Transformator oder Wandler, mit zumindest einer von einer festen Isolation umgebenen Hochspannungswicklung und einem diese speisenden, in einer Hochspannungsdurchführung verlaufenden Leiter sowie mehreren der Ho chspannungs v/i cklung zugeordneten Schirmen, von denen einer auf Hochspannungspotential liegend als innerer Schirm den Uafang der Hochspannungswicklung als Hohlring und den Durchführungskanal der Hochspannungsdurchführung umfaßt und ein anderer Schirm auf Erdpotential liegend als äußerer Schira die Hochspannung»wicklung, den innerea Schirm und die feste Isolation uaschließt, während ein weiterer Schirm als Zwischenschirm zwischen dem inneren und äußeren Schirm einen Seil der Hochspannung«wicklung und der Isolation uaschließt, daß erfindungsgemäß der als Hohlring ausgebildete Teil des inneren Schirmes mit dem vorwiegend senkrecht ver-

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laufenden Durchftthrungskanal der Hochspannungsdurchführung einen Kühlkanal für das flüssige Isolationsmittel bildet.

Der Zwiachensehirm ist vorzugsweise mit einen Teil der Hochspannungawicklung verbunden, wodurch sein Potential irgendwo zwischen der dem Transformator zugeführten Primärspannung und dem Bezugs- oder Erdpotential liegt. Der Zwischenschirm ist zwischen dem inneren und äußeren Schirm und bezüglich dieser Schirme so angeordn&t, daß die Kapazitäten zwischen den einseinen Schirmen Stoß- und IndspannungsVerteilungen hervorrufen, die im wesentlichen dieselben sind. Ferner verringert der Zwischenschirm die kritischen Gradienten in dem induktiven Gerät beträchtlich und bewirkt eine günstige Spannungsverteilung sowohl längs der Hochspannungsdurchführung als auch radial zur Hochspannungswicklung.

Weitere konstruktive Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich. In der Zeichnung ist

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Figur 1 eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, eines nach der lehre der Erfindung konstruierten Transformators;

Figur 2 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht des Transformators nach Figur 1;

Figur 3 eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, eines statischen Schirmes, der in dem Transformator nach den Figuren 1 und 2 Verwendung finden kann;

Figur 4 eine schematische Darstellung der Schirmanordnung in dem Transformator nach den Figuren 1 und 2 und

Figur 5 schließlich eine schematische Darstellung der wirksamen Kapazitätsverhältnisse innerhalb der Schirmanordnung nach Figur'4·

In den Figuren 1 und 2 ist ein Hochspannungstransformator 10 dargestellt, 'der nach der lehre der Erfindung konstruiert ist. Der Transformator 10 enthält eine Wicklungs- und Kernanordnung, die die Primär- oder Hochspannungswicklung 12 und die Sekundär- oder Niederspannungswicklung 14 umfaßt. Alle diese Teile sind in induktiver Kopplung mit dem magnetischen Kern 16 angeox'dnet, der einen beliebigen bekannten Aufbau haben mag. Die Hochspannungswicklung ist in die Teile 12A und 12B durch den Zwischenschirm 20 unterteilt, wie dies im folgenden im einzelnen beschrieben wird. Der leiter 22 erstreckt sich von

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der Hochspannungewicklung 12 radial nach außen und nach oben und ist durch Lotung oder auf andere geeignete Weise mit dem Anschluß 21 an dein metallenen Kopfteil 24 befestigt. Der Primäranschluß 26, der ebenfalls in geeigneter Weise an dem metallenen Kopfteil 24 befestigt ist, kann an den Hochspannungskreis, dessen Potential gemessen werden soll, angeschlossen werden-r Hoch- und Niederspannungswicklung 12 und 14 sind zusammen mit dem Magnetkern 16 in geeigneter Weise innerhalb des Gehäuses 28 angeordnet. Der leiter 22 von der Hochspannungswicklung 12 ist in dem Rohr 30 geführt, das seinerseits in ein geeignetes hohlzylindrisches oder rohrförmiges wetterfestes Gehäuse 32, das auch als Durchführung bezeichnet werden kann, eingeschlossen ist, dessen zentrale öffnung sich im Querschnitt längs seiner senkrechten Achse verjüngt. Das Gehäuse 28 und die Durchführung 32 sind mit einem geeigneten flüssigen Dielektrikum, beispielsweise Isolieröl, gefüllt. Das metallene Kopfteil 24 ist ein übliches Ausdehnungsgefäß, das in geeigneter Weise am oberen Ende der Durchführung 32 angeordnet ist, um der Expansion und Zusammenziehung der dielektrischen Flüssigkeit innerhalb des Gehäuses 28 und der Durchführung 32 Rechnung zu tragen.

Die Durchführung 32 f/ird von der Abdeckung 34 des Gehäuses 28, an der sie auch befestigt ist, getragen, wozu beispielsweise die Plansche 36 und 38 dienen können} der letztgenannte kann zusammen mit der Abdeckung 34 des Gehäuses 28, wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt, aus einem Stüok geformt sein.

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Der Plansch 36 kann durch geeignete Mittel mit dem Plansch -38 und der Abdeckung 34 verbunden sein. Hierfür lassen sich Bolzen oder eine Schweißkonstruktion verwenden, die ähnlich der in dem USA-Patent 2 508 184 beschriebenen ist. Die Anschlüsse 39 sind die mit der Sekundärwicklung 14 in Verbindung stehenden Niederspannungsanschlüsse.

Die Hochspannungswicklung 12 hat Träpezformj die Breite ihrer Wicklungslagen verringert sich kontinuierlich. Sie ist auf einem Teil des Magnetkernes 16 angeordnet. Die trapezförmige Wicklung hat sehr günstige Eigenschaften hinsiehtlieh der Spannungsverteilung und iBt kostenmäßig bezüglich ihrer Konstruktion, ihrer Isolation und ihrer Abschirmung günstiger ala die manchmal verwendeten Mehrspulen-Konstruktionen. Die Niederspannungswicklung 14 liegt innerhalb der Hochspannungswicklung 12 im wesentlichen konzentrisch zu dieser. Zwecks Isolae rung der Hochspannungswicklung 12 gegen die Niederspannungswicklung 14 und gegen die geerdeten Teile des Transformators 10 ist die feste Isolation 40 so angeordnet, daß sie die Hochspannungswicklung 12 im wesentlichen umgibt und die erforderliche Isolation zwischen der Hochspannungswicklung 12 und der Niederspannungswicklung 14 bewirkt. Die feste Isolation 40 kann aus Jedem geeigneten Isoliermaterial, wie Kreppapier in Blatt- oder Bandform bestehen, das um die Hochspannungswicklung 12 und zwischen die Hochspannung swicklung 12 und die Niederspannungswicklung 14 gewickelt, herumgeschlagen oder gefaltet sein kann.

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Zwecks Erzeugung eines Kanals, durch den das flüssige Dielektrikum senkrecht sowohlaufwärts als auch abwärts aus später zu erläuternden Gründen fließen kann, ist das rohr- oder hohlzylinderförmige Isolierteil 30, das aus Phenolschichten oder einem anderen geeigneten Isoliermaterial besteht, in diesem Beispiel rund um den leiter 22 herum zwischen der Hochspannungswicklung und dem oberen Teil des genannten Leiters innerhalb der Durchführung 32 angeordnet. Das untere Ende des Isolierteiles 30 ist in geeigneter Weise an dem statischen Hohlring 42B, der noch im einzelnen beschrieben wiud, befestigt.

Zwecks zusätzlicher elektrischer Isolierung des Hochspannungsleiters 22 gegenüber den geerdeten Teilen des Transformators 10 ist die feste Isolation 140 so angeordnet, daß sie den größten Teil des vertikalen Bereiches dieses Leiters im wesentlichen umgibt. Diese Isolation kann ähnlich der festen Isolation 40 um,die Hochspannungswicklung 12 sein und aus Kreppapier in form flexibler Blätter bestehen, das um den Leiter 22 gewickelt, herumgeschlagen oder gefaltet ist. Die Dicke der festen Isolation 140 verjüngt sich von einem Höchstwert am unteren Ende des Leiters 22 zu einem Kleinstwert nahe dom oberen Bereich dieses Leiters.

Die gesamte feste isolationsanordnung kann ölimprägniert n.ein, wobei Verfahren der Hochvakuumtechnik angewendet werden können. Das Fehlen von Kanälen für das Öl in der festen Iso-

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. !ation verringert oder beseitigt die Möglichkeit von Hohlräumen oder Waschen in der die Hochspannungswicklung 12 und den leiter 22 umgebenden festen Isolation, die sonst mit einem flüssigen Dielektrikum mit einer gegenüber der benachbarten festen Isolation geringeren Dielektrizitätskonstante gefüllt sein wurden. Die Gegenwart derartiger Hohlräume oder Taschen in Gebieten hoher dielektrischer Beanspruchung ist insbesondere bei höheren Betriebsspannungen unerwünscht und kann gegebenenfalls zu einem Isolationsfehler oder einem Durchschlag in der die Hoehspanriungswicklung und ihre leiter umgebenden festen Isolation führen. Dies beruht darauf, daß sich die Spannung auf zwei Medien umgekehrt proportional den Dielektrizitäbskonatanten dieser Materialien aufteilt. Da die Kapazität der Stoffe direkt proportional ihren Dielektrizitätskonstanten ist, wird die Spannungsverteilung im großen Maße durch die Dielektrizitätskonstante der beiden Stoffe beeinflußt. Aus diesem Grunde wird eine Öltasche mit einer Dielektrizitätskonstante von ungefähr 2 mit einem gegenüber dem Normalfall höheren Teil der Spannung beaufschlagt, wenn die Dielektrizitätskonstante des umgebenden ölimprägnierten Kreppapiers 4 betagt. Außerdem ist die Durchschlagfestigkeit des Öls niedriger als die einer festen Isolation.

Zwecks Verringerung der Konzentration der dielektrischen Beanspruchung in der festen Isolation 40 um die Hochsparaiungs- * wicklung 12, insbesondere in der Nähe der äußeren Drulen oder Ecken der genannten Hochspannungswicklung, und in der den

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leiter 22 umgebenden festen Isolation 140 ist der innere Schirm 42 mit oberen und unteren feilen 42A und 42B so angeordnet, daß er die Hochspannungswicklung 12 und den größten Teil des Leiters 22 im wesentlichen umgibt. Dieser innere Sohirra 42 eliminiert außerdem im wesentlichen jegliche Potentialbeanspruchungι der das flüssige Dielektrikum in dem Kanal, der durch das rohrförmige Isolationsteil 30 um den Leiter 22 gebildet ist, unterworfen sein könnte. Der untere Bereich 42B des inneren Schirmes 42, der auch manchmal statischer Ring genannt wird, hat mehrere grundlegende Funktionen. Er dient als Schirm mit abgerundeten Kanten,"hat eine öffnung zu dem rohrförmigen Isolationtitexl 30 hin und wirkt als innerer Kühlkanal; ferner schützt er die Hochspannungswicklung 12 mechanisch und formt eine starre Basis zur Befestigung des Isolationsteiles 30.

Figur 3 zeigt den einen statischen Ring bildenden Bereich des inneren Schirmes in seinen Einzelheiten. Der statische Ring 42B besteht aus einem äußeren rohrförmigen Teil 50, das a*us Preßspan/ geschichteter Plastik oder einem anderen geeigneten Isoliermaterial bestehen kann und eine öffnung 52 besitzt, über der das Isolationsteil 30 in geeigneter Weise angeordnet ist. Wenn Preßspan Verwendung findet, können die aufeinandertreffenden Enden gefaltet werden, so daß sie eine Basis bilden, an der das Isolierteil 30 mittels flexiblen IsoliermaterialB in Bandform befestigt werden kann.

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Konzentrisch innerhalb des äußeren rohrförmigen Teiles 50 ist das innere rohrförmige Teil 54 angeordnet, das aus demselben Material wie das genannte äußere rohrförmige Teil bestehen mag. Daa innere Teil 54 hat aber keine Öffnungen oder gefaltete Enden.

Das innere und das äußere Teil 54 bzw. 50 sind konzentrisch angeordnet und mittels der Abstandsglieder 56 und 58 gehalten, die aus gewellten Preßspanstreifen bestehen können, die durch Zementierung oder andere geeignete Mittel mit dem genannten inneren und äußeren Teil verbunden sind. Die Abstandsglieder 60 und 62 sind ähnlich den Abstandsgliedern 56 und 58 mit der Abweichung, daß die Glieder 60 und 62 kurze Teile oder Streifen sind, so daß die dielektrische Flüssigkeit frei längs des statischen Schirmes 42B fließen kann.

Abrundungen 64 und 66 an beiden Enden der rohrförmigen Anordnung, insbesondere zwischen den inneren und äußeren rohrförmigen Teilen 54 und 50, mögen aus Material wie einem Drahtbund oder einem Metallrohr geformt sein, falls ein Metallrohr Verwendung findet, kann es als kühleinrichtung eines an der Spitze der Durchführung 32 befestigten Kapillar-Thermoaeters dienen und bo die optische Überwachung der Temperatur der Hochspannungswicklung ermöglichen.

Der statische Schirm 42B wird durch eine Abschirmung vervoll-

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ständigt, die die gesamte Ringanordnung umgibt. Zu diesem

-des Zweck ist ein leitendes oder halbleiter Band so angeordnet, daß es die gesamte Anordnung sowohl an ihrer inneren als auch an ihrer äußeren Seite bedeckt. Der Schirm 70 bedeckt die gerundeten Enden des durch die !eile 64 und 66 gebildeten statischen Ringes 42B. Das Teil 70 des statischen Ringes 42B ist dadurch gebildet, daß ein biegsames leitendes Material ~* >t _f;.:·«■....·.- :.;-, das eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material, wie mit Kreppapier kaschierte Metallfolie in Form eines Bandes, besitzt, um den statischen Schirm 42B herum und durch ihn hindurch dicht gewunden ist. Die umfangsaeitigen Enden des unteren Bereiches 42B des inneren Schirmes 42 überlappen sich zweekmäßigerweise, aber mit einem Spalt, der mit der festen Isolation 40 ausgefüllt ist, um eine Kurzschlußwindung um den Magnetkern 16 zu.vermeiden.

Wie aus den Figuren 1 und 2 ersichtlich, kann der obere Bereich 42A des inneren Schirmes 42 dadurch gebildet sein, daß ein biegsames leitendes Material mit einer Isolierschicht, beispielsweise mit Kreppapier kaschierte Metallfolie in Form eines Blattes oder eines Bandes, im wesentlichen um das rohrförmige Isolationsteil 30 vor dem Aufbringen der festen Isolation 140 dicht herumgewickelt ist. Der obere und der untere Teil 42A bzw. 42B des inneren •Schirmes 42 sind zwecks Bildung eines kontinuierlichen leitenden Weges durch den Schirm 42 elektrisch miteinander ver-

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•bunden, was die Potentialdifferenz zwischen verschiedenen . !Heilen davon auf einen vernachlässigbaren Wert begrenzt, so daß keine Unterbrechung in dem'Schirraeffekt sswischen dem oberen und dem unteren Bereich des Schirmes 42 auftritt.

Das obere Ende des inneren Schirmes 42 ist mit dem Anschluß ■

21 mittels des biegsamen Leiters 80 elektrisch verbunden, damit' der Schirm 42 im wesentlichen eine Äquipotentialfläche um die Hochspannungswicklung 12 und den Hociispannungsleiter

22 herum bildet, der im wesentlichen auf demselben Potential wie die äußerste Lage der Hochspannungswicklung 12 liegt. Diese Maßnahme dient dem Zweck, jegliche Potentialbeanspru-' chung eines flüssigen Dielektrikums innerhalb des genannten Schirmes möglichst zu vermeiden. Das flüssige Dielektrikum benutzt die oberen und unteren Bereiche des inneren Schirmes 42 als Kanäle. Der Flüssigkeitsstrom wird durch das Gegenstromprinzip hervorgerufen, wobei erhitzte Flüssigkeit durch das Isolationsteil 30 aufsteigt und kältere Flüssigkeit längs dieses Teiles herabfließt.

Obwohl ein getrennter Leiter zwischen Hochspannungswicklung 12 und Anschluß 21 dargestellt ist, könnte verständlicherweise die Hochspannungswieklung 12 genauso wirksam mit dem metallischen Bereich des inneren Schirmes am unteren Ende des Isolationsteiles 30 verbunden sein. In diesem Falle würde die einzige Verbindung mit dem Anschluß 21 in einem biegsamen Leiter 80 von dem metallischen Schirm am oberen Ende des

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Isolierteiles 30 zum Anschluß 21 bestehen. Der Schirm um das Isolierteil 50 herum kann wirkungsvoll als Hochspannungsleiter verwendet werden, da nur kleine Ströme auftreten.

Um die Konzentration der dielektrischen Beanspruchung in der festen Isolation 140, die den leiter 22 in der Nähe der geerdeten Teile des Gehäuses 28, das der Leiter durchsetzt, umgibt» EU verringern und um jegliche Potentialbeanspruchung des flüssigen Dielektrikums innerhalb des Gehäuses 28 und im unteren Bereich der zentralen Bohrung der Durchführung 52 mögliohat eu eliminieren, ist der äußere Schirm 90 derart angeordnet, daß er die Hochspannungswicklung 12 und die damit verbundene feste Isolation 40 ebenso wie den unteren Bereich des Leiters 22 und die feste Isolation 140 um den genannten Leiter herum umgibt.

Der äußere Schirm 90 ist dadurch hergestellt, daß ein biegsames leitendes Material mit einer Isolationsschicht um die zentrale Öffnung der Hochspannungswioklung 12 und durch sie hindurch nach Vorsehen der festen Isolation 140 um die Hoch,-spannungswicklung 12 herum gewickelt istj ferner ist dieselbe Art flexiblen Materials bündig und fest um die äußere Oberfläche der festen Isolation 140 gewickelt, nachdem die letztgenannte Isolation um den Leiter 22 herum angeordnet worden ist. Der obere Bereich des äußeren Schirmes 90 ist in die feste Isolation 140 eingebettet, die äQn Leiter 22 umgibt, und das obere Ende dea Schirmes 90 ist umgebogen,

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wie bei 92 angedeutet, um einen Kragen au bilden und. die Konzentration der dielektrischen Beanspruchung in der benachbarten festen Isolation 140 sowie dem flüssigen Dielektrikum zu verringern.

Der äußere Schirm 90 kann aus Materialien wie mit Alurainium^bestehen^_Palls_mit^ Kohlenstoff^ versehenes, Kreojgapier foliiTodir mit EoElenstoff^versehenera^KreppapierZVerwendung findet, gestattet dessen höherer ¥/iderstand die Bildung eines geschlossenen Kreises um den Kernschenkel, der die Hoch- und Niederspannungswicklungen 12 und 14 trägt. Ist dagegen Kreppapier mit einer Metallschicht verwendet, wird ^ es erforderlich, einen Spalt in der Abschirmung vorzusehen, um eine Kursschlußwindung um den Magnetkern 16 auszuschliessen. Kreppapier mit Kohlenstoff hat noch andere Vorteile gegenüber solchen mit Metall, die beispielsweise darin bestehen, daß Palten und scharfe Kanten nicht so schädlich sind. Ferner bewirkt der höhere Widerstand des Kohlenstoffes eine Potentialabstufung, weil der Verschiebestrom, hervorgerufen durch die Konzentration der Beanspruchung, einen Spannungsabfall längs der halbleitenden Schicht hervorruft. Diese Erscheinung ist bekannt und wird bei Kondensatordurchführungen und Wicklungen für Hochspannungsgeneratoren ausgenutzt. Es ist ferner bekannt, daß infolge der sogenannten Oberflächenaktivität eine Isolation mit einer halbleitenden Elektrode, wie Kohlenstoff, im Bereich der höchsten Beanspruchung eine größere dielektrische Festigkeit besitzt als •ein nur Metallelektroden aufweisendes System.

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Der äußere Schirm 90 formt eine kontinuierlich leitende Ober-' fläche oder Elektrode von zylindrischer Gestalt um die Hochspannungswicklung 12 und ein im wesentlichen hohlzylindrisches Gebilde um den unteren Bereich des Leiters 22. Der äußere Schirm 90 wird durch elektrische Verbindung mit dem Gehäuse 28 über den in Fig. 1 mit 94 bezeichneten flexiblen leiter auf Bezugs- oder Erdpotential gehalten; die Verbindung kann auch zu einem anderen geerdeten Teil des Transformators 10 gehen.

Der äußere Schirm 90 ist' im wesentlichen konzentrisch zu dem inneren Schirm 42 angeordnet und formtin ähnlicher Weise wie der letztgenannte eine kontinuierliche, im wesentlichen äquipotentiale Oberfläche um die äußere Oberfläche der festen Isolation 40 und die äußere Oberfläche des unteren Bereiches der festen Isolation 140. Das biegsame Schirmmaterial, das den äußeren Schirm 90 bildet, ermöglicht es, daß der Schirm der Kontur oder der äußeren Oberfläche der festen Isolation 40 eng folgt und vermeidet damit das Auftreten von Hohlräumen oder Taschen, die anderenfalls mit dem benachbarten flüssigen Dielektrikum gefüllt wären und Anlaß zu möglichen Isolationsfehlern oder Durchschlägen geben könnten.

Um die radialen Beanspruchungen auf dem statischen Schirm 42B und die Hochspannungswicklung 12 zu verringern" und eine vorteilhafte Spannungsverteilung längs der Durchführung 32 zu bewirken, ist ein Zwischenschirm 20 mit oberen und unteren

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'Bereichen 20Λ bzw. 2OB so angeordnet, daß er die Hochspannungswicklung 12 und den unteren Bereich des Leiters 22 im wesentlichen umgibt. Zusätzlich durchsetzt der Zwischenschirm 20 die Hochspannungswicklung 12, indem er diese in zwei Seile 12Λ und 12B unterteilt. Zu beachten ist, daß die äußere Oberfläche des unteren Bereiches 2OB des Zwischenschirmes in die feste Isolation 40 eingebettet ist. Die innere Oberfläche des genannten oberen Bereiches des Zwi-

schenschirmes 20 durchsetzt und unterteilt die Hochspannungswicklung 12 in mit 12B und 12A bezeichnete innere und äußere Bereiche. Der obere Bereich 2OA des Zwischenschirmes 20 ist in die feste Isolation 140, die den Leiter 22 umgibt, eingebettet. Die oberen und unteren Bereiche 2OA und 2OB des Zwiachenschirmes 20 können ähnlich wie der äußere Schirm 90 in der zuvor beschriebenen Weise dadurch geformt sein, daß ein biegsames leitendes oder halbleitendes Material mit einer Isolationsschicht gewickelt ist. Hierfür kann Krepppapier mit einer Metallfolie oder Kohlenstoff in Form eines Bandes oder eines Blattes dienen, das zugleich die Hochspannungswicklung durchsetzt. Dieses Band wird gewickelt, nachdem ungefähr die Hälfte der festen Isolation 40 um die Hochspannungswicklung herum angeordnet ist; das Wickeln um den unteren Bereich des Leiters 22 erfolgt, nachdem etwa die Hälfte der festen Isolation 140 um den Leiter herum angeordnet worden ist. Der Zwischenschirra 2OB weist, falls ein . metallischer Sohirm Verwendung findet, einen Spalt auf, damit keine Kurzschlußwindung um den Magnetkern 16 entsteht. Wie

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bereits erklärt, erübrigt sich ein Spalt, falls ein halbleitender Schirm, wie Kohlenstoff, verwendet ist. Das obere Ende des oberen Bereichs 2OA des Zwischenschirmes 20 ist zurückgebogen, wie bei 96 angedeutet, um einen Kragen zu bilden, hierdurch den wirksamen Radius der Krümmung des oberen Endes des genannten Schirmes zu vergrößern und dadurch die Konsentration der dielektrischen Beanspruchung in der benachbarten festen Isolation 140 und dem flüssigen Dielektrikum bis unter den für die Korona wesentlichen Wert zu Benken.

Die oberen und unteren Bereiche 2OA bzw. 2OB des Zwischenschirmes 20 sind miteinander elektrisch verbunden oder aus demselben biegsamen leitenden Material gebildet, um eine kontinuierliche, im wesentlichen äquipotentiale Oberfläche um die Hochspannungswicklung 12 und den unteren Bereich des Leiters 22 zu bilden. Ähnlich wie der äußere Schirm 90 formt der Zwischenschirm 20 eine im wesentlichen zylindrische Elektrodenoberfläche um die Hochspannungswicklung 12 herum und ebenfalls eine im wesentlichen zylindrische Elektrodenoberfläche um den unteren Bereioh des Leiters 22 herum in im wesentlichen konzentrischer oder paralleler Lage bezüglich des inneren Schirmes 42 und des äußeren Schirmes 90. In Abweichung von dem äußeren Schirm 90 umgibt der Zwischenschirm 20 dagegen die Hochapannungewioklung nicht vollständig durch den zentralen Teil der WicklungeÖffnung.

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Der Zwischenschirm durchsetzt die Eochspannungswicklung 12 an einer Zwischenstelle und unterteilt dadurch die Hochspaiinungswieklung in die Seile 12A und 12B. Das Potential des Zwischenschiraies 20 ist durch Verbindung mit demjenigen Punkt der Hoehspannungswicklung 12 auf einer geeigneten Höhe gehalten5 der das gewünschte, induktiv festgelegte Wechselpotential aufweist» Das Potential des Zwischenschirmes ist auf einen Wert festgelegt, der zwischen dem dem Primäranschluß 26 des Transformators zugeführten Potential und Bezugs- oder Brdpotential liegt, wobei der Wert gewöhnlich 30 bis 70 fo des zugeführten Potentials beträgt. Die Anordnung des Zwischenschiriäes 20 in dieser Weise und das Durchsetzen und Unterteilen der Hoehspannungswicklung 12 in zwei Teile 12Ä und 12B verringern in vorteilhafter Weise den maximalen Spannuiigsgradienten auf dem statischen Schirm 42B dadurch, daß der Zwischenschirm 20 radial von dem ort bewegt wird., in dem die 'entsprechende Äquipotentialfläche bei Fehlen des gesiamitexi Zt'/ischenschirmes liegen würde= Dadurch, daß er den kritischen Spannungsgradieaten auf dem statischen Schirm 42B' verringert, ermöglicht der Zwischenschirm 20 eine wesentliche Verringerung der Hauptisolation «ad verbessert das Koronaverhalten des Transformators 10. Außerdem macht die Isolationsverringerung den ϊ/ärmedurchgajig weniger problematisch, und eine T/irksame Kühlung wird sogar dann erhalten, wenn ein kleineres Tolumen flüssigen Dielektrikums verwendet v/ird. Ein weiterer Vorteil des Zwisohenschirmes 20, der im folgenden im einseinen erläutert i^ird» liegt darin, daß eine günsti-

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gere Spannungsverteilung längs der Durchführung 32 erhalten wird. Diese linearere Spannungsverteilung längs der Durch- ' führung 32 trägt ebenfalls zu einer Verringerung der erforderlichen Menge des flüssigen Dielektrikums und der Hauptisolation bei.

Während die einfachste Maßnahme zum festlegen der Spannung des Zwischenschirmes 20 auf den gewünschten Wert darin besteht, eine körperliche Verbindung zwischen dem geeigneten Bereich der Hochspannungswicklung 12 und dem Zwischenschirm 20 herzustellen, kann in vorteilhafter Weise das gewünschte Potential an dem Zwischenschirm 20 auch ohne jegliche körperliche Verbindungen hergestellt werden. So kann das gewünschte Potential durch geeignete Anordnung der Schirme 20, 42 und 90 relativ zueinander und relativ zu den geerdeten Teilen des Transformators 10 erhalten werden.

Der Zwis.ohenschirm 20 verringert nicht nur die Beanspruchungen an kritischen Stellen auf dem statischen Schirm 42B, sondern gestattet auch die Einstellung der Kapazität des Transformators auf einen Wert, bei dem schädliche Binschwingvorgänge, die beim Einschalten einer dem Transformator zugeführten hohen Spannung auftreten können, praktisch vermieden sind. Wenn einmal Strom durch einen Transformator hindurchfließt, w3,rd die Spannungsverteilung induktiv oder durch magnetische Kopplung bestimmt und kann im wesentlichen gleichförmig gemacht werden.Die anfängliche Spannungsver-

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ά®τ I»äwi?t©iltfflg aids«, w@iX sie anfängliche ung auss@^li@ilieli ©!©!stsOstati BQh oder durch* die Kapazitäten d©r Wioltlungen wad Windungen gegeneinander und d@a? verseiiiedexi©:» BeMrme Ijegtimmt ist. Je größer . die Abweichung eier sBfänglicaeis SpassmragSTerteilung von der Bndvorteilung ist, deato größer sind die sehädliehen Ausgleicliaspannuiig83ohwingungen_? die auftreten» wenn die Spannungsverteilung von der kapazitiven zur induktiven Verteilung übergeht. Aus diesem Grunde ist es wichtig, daß der Transformator so ausgelegt wird, daß er im wesentlichen ähnliche Kurven für die Anfangs- und die Sndvertellung der Spannung besitzt. Der Zwischenschirm ermöglicht es, eine Anfangsspannungsverteilung zu erhalten» die im wesentlichen der Endspannujigaverteilung ähnlich ist. Vfexm beispielsweise der Zwiechenschirm 20 für §0 φ dea Potentials ausgelegt ist; so muß er zusätzlich zu der geeigneten Verbindung mit dem entsprechenden Punkt der Wicklung so angeordnet sein, daß die gesamte Kapazität zwischen dem inneren Schirm 42 und dem Zwigehenschirm 20 gleich der Kapazität zwischen dem Zwischenschirm 20 und dem äußeren Schirm 90 und anderen geerdeten Bereichen des transformatoröMQ ist. für V"onjl50 $£ abweichende Potentiale des Zwisohenaohiroes ist es lediglich erforderlich, die Schirme ao «u konstruieren» daß die Sesamtkapazitäten zwischen den Schirmen umgekehrt proportional den Potentialdiffereneen unter normalen Betriebebedingungen sind., . . ■ ■.■■"....- - - . ■ : _ - .

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Figur 4 veranschaulicht diagrammatisch die Schirme 20, 42 und 90, die entsprechenden effektiven Kapazitäten und Induktitäten, die zwischen den verschiedenen Teilen der genannten Schirme auftreten, sowie die effektiven Kapazitäten zwischen den Schirmen 20 und 42 und den geerdeten !eilen des Transformators 10. Sie wirksame Kapazität zwischen dem unteren Bereich 42B des Schirmeο 42 und dem unteren Bereich des Zwischenschirmos 2OB ist mit C₁ ς bezeichnet« Die wirksame Kapazität zwisohen dem unteren Bereich 2OB des Zwischenachirmee 20 und dem unteren Bereich des äußeren Schirmes 90 trägt das Bezugszeichen CgQt die wirksame Kapazität zwischen dem oberen Bereich 42A des inneren Schirmes 42 und dem oberen Bereich 2OA des Zwischenschirmes 20 ist mit G^, die wirksame Kapazität zwischen dem oberen Bereich 2OA des Zwischenschirmes 20 und dem oberen Bereich des äußeren Schirmes 90 ist mit C₂IJi bezeichnet, während die wirksame Kapazität zwischen dem oberen Bereich 42A des inneren Schirmes 42 und anderen geerdeten Bereichen dea Transformators 10 mit C₁ ^ benannt ist. Die wirksame Kapazität zwischen dem oberen Bereich 2OA dec Zwischenschirmeo 20 und anderen geerdeten Bereichen des Transformators 10 ist durch Cg_G veranschaulicht. Die letztgenannten Kapazitäten zwischen den Schirmen 20, und 90 und zwischen bestimmten der genannten Schirmer, und den geerdeten Bereichen des Transformators 10 sind in dem entsprechenden schematischen Diagramm der Figur 5 angedeutet. Es ist bekannt, daß bei Reihenschaltung einer Vielzahl von Kapazitäten und bei Zuführung eines Potentials an diese

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Reihenschaltung das Potential geteilt wird und sich über die einzelnen Kapazitäten iin umgekehrten Verhältnis der Kapazitätswerte aufteilt. Durch Vorsehen eines Zwischenschirmes 20, dessen einzelne Bereiche in radialer Richtung an' einer Zwischenstellc in der festen Isolation 140 um den leiter 22 und in der festen Isolation 40 um die Hochspannungswicklung 12 verteilt sind und der in die Hochspannungswicklung 12 eingeschichtet ist, sowie durch Veränderung der effektiven Kapazitäten zwischen verschiedenen Bereichen der Schirme 20, 42 und 90, kann das Potential in demjenigen radialen Punkt in der festen Isolation 40, in dem sich der Zwischenschirm 2OB befindet, auf einen Wert oberhalb desjenigen vergrößert werden, der sonst bei Fehlen des Zwischenschirmes 20 auftreten würde. Daher kann der maximale Spannungsgradient an den äußeren Kanten der Hochspannungswicklung 12 in der Nachbarschaft des inneren Schirmes oder statischen Schirmes 42B in der festen Isolation verringert werden, wodurch eine wesentliche Verringerung der Dicke der festen Isolation 40 um die Hochspannungswicklung 12 und zwischen der Hochspannungswicklung 12 und der Niederspannungswicklung 14 zulässig wird.

Der Zwischenschirm 20 verursacht ferner eine wesentliche Verringerung der Isolation 140 um den leiter 22 und der länge und Größe der Durchführung 32 dadurch, daß er die Einstellung der geeigneten Kapazitäten zwischen den Schirmen sowie den Schirmen und den geerdeten Teilen des Transforma-

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tors 10 ermöglicht, wodurch eine günstige Mngsver teilung der Spannung entlang der Durchführung 32 erhalten wird.

Unter Zugrundelegung der Figur 5 und unter der Voraussetzung, daß C₁ = G_1τ + C₁₀ sowie C₂ = C₂₃, + C₂C ^ist> ^{wira die} Spannungsverteilung durch das Verhältnis E₁ZEg - C₂ZC₁ bestimmt. Ist die Konstruktion im Hinblick auf gleiche Spannungen auf beiden Seiten des Zwischenschirmes 20 abgestellt, würde C₁ » C₂ sein; anderenfalls würden unterschiedliche kapazitive Verhältnisse vorliegen. Zwecks Erzielung der gewünschten Kapazitätsverhältnisse kann ea notwendig sein, die G-esamtkapazität zwischen dem inneren Schirm 42 und dem Zwischenschirm 20 zu vergrößern. Die Gesamtkapa2ität zwischen dem inneren Schirm 42 und dem Zwischenschirm 20 kann durch Verlegen des oberen Bereiches 2OA des Zwischenschirmes 20 radial einwärts in Bichtung auf den oberen Bereich 42A des inneren Schirmes 42 vergrößert werden oder durch Verlängerung des Zwischenschirmes 20 in Richtung nach oben. Zusätzlich zur Wahl der kapazitiven Verhältnisse zwischen den Schirmen sowie zwischen den Schirmen und Erde im Hinblick auf die Erzielung einer im wesentlichen linearen Spannungsverteilung längs der Durchführung 32 werden diese kapazitiven Verhältnisse so gewählt, daß bei impulsförmigem Betrieb die günstige Spannungsverteilung nicht gestört wird. Darstellungen der Flußverhältnisse können dazu dienen, die wirksame Kapazität ,der Wicklungen bei Beginn der Zuführung der Hochspannung .an den Transformator au bestimmen. .

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„Insgesamt gesehen ist die Wirkung des ZwL sohenschirmes in einer Wicklungs-und Isolationsanordnung, wie sie beschrieben wurde, eine dreifache. Erstens verringert der Zwischenschirm 20 den maximalen Potentialgradienten, der sonst an der Oberfläche des inneren Schirmes 425 an den äußeren Enden der Hochspannungswicklung 12 auftreten würde und vergrößert den Potentialgradienten in den Bereichen der festen Isolation 40, die in radialer Richtung von den äußeren Enden der Hochspannungswicklung 12 entfernt sind. Es ist wichtig, daß es möglich ist, den maximalen Potentialgradienten in der beschriebenen Weise durch Bewegung dea Bereiches 2OA des Zwischenschirmes 20 radial einwärts in Richtung auf den oberen Bereich 42A des inneren Schirmes 42 zu verringern, da der wirksame Radius der Krümmung des inneren Schirmes 42, der sich im wesentlichen auf demselben Potential wie die Hochspannungswicklung 12 befindet, wesentlich größer als der wirksame Radius der Krümmung an den äußeren Enden der Hochspannungswicklung 12 an der Oberfläche des unteren Bereiches 42B des inneren Schirmes 42 ist. Gleichwohl besteht die Alternativmöglichkeit, die axiale Abmeaaung des oberen Bereiches 2OA des Zwiachenschirmes 20 in Richtung nach oben zu vergrößern, um den gewünschten Anstieg der Gesamtkapazität zwischen dem inneren Schirm 20 und dem äußeren Schirm 90 in einem besonderen Anwendungefall zu erhalten und um die gewünschten Potentialverhältnisae zwischen den in Be-• tracht kommenden Schirmen einzuatellen. Demgemäß ermöglicht der Zwiachenachirm 20 eine wesentliche Verringerung der J?icke

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der festen Isolation um die Hochspannungswicklung 12 und vergrößert den Füllfaktor des Transformators IO erheblich, da die erforderliche Größe des Magnetkernes entsprechend dem Gewicht und der Größe des Transformators 10 als Ganzes verringert wird.

Zweitens ist eine weitere Verringerung der Isolation sowie des Gewichts und der Größe der Hochspannungsdurchführung dem Zwischenschirm 20 insofern zuzuschreiben, als die geeignete Anordnung dieses Schirmes die Spannung längs der genannten Durchführung gleichförmiger verteilt. Dadurch erübrigt sich das Vorsehen von Kondensatordurchführungen oder stufenförmig konzentrisch angeordneten Schirmen, wie vorher beschrieben.

Drittens ist es nicht erforderlich, eine extreme Isolation zwecks Verhinderung von Isolationsfehlern infolge Stoßspannungen und Spannungsschwingungen bei erstmaliger Zuführung der Spannung an den Transformator vorzusehen. Der Zwischenschirm 20 macht es möglich, kapazitive Verhältnisse zu erhalten, die eine anfängliche Spannungsverteilung bewirken, die im wesentlichen der Bndverteilung ähnlich ist. Infolgedessen treten praktisch keine schädlichen Spannungsschwingungen auf, wenn die Spannung von kapazitiver oder Anfangsverteilung zu induktiver oder Endverteilung übergeht.

Veretändlicherweise können in gewissen Anwendungsfällen zusätzliche Zwischenschirme verwendet werden, um den Fotential-

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gradienten in bestimmten Teilen der festen Isolation zu verbessern und eine linearere Spannungsverteilung längs der Hochspannungsdurchführung in einem Transformator des beschriebenen Typs zu erreichen. Die angegebenen Schirme können' aus halbleitendem oder leitendem Material anderer Art, beispielsweise halbleitendem Gummi, biegsamem Isoliermaterial mit einer darauf gesprühten metallischen Schicht oder Coronox-JBand bestehen. Weiterhin Ijann die Erfindung in der Weise abgewandelt werden, daß der äußere Schirm 90 in bestimmten Fällen ausgelassen wird, wobei das Metallgehäuse 28, das sich normalerweise auf Erdpotential befindet, als wirksamer äußerer Schirm dient.

Nach dem Vorstehenden befaßt sich die Erfindung mit einer neuen und verbesserten Wicklungs-, Isolations- und Schirmanordnung für induktive elektrische Geräte, die den Potentialgradienten nächst der Hochspannungswicklung und auf dem der Hochspannungswicklung benachbarten statischen Schirm verringert, eine günstigere Spannungsverteilung längs der Hochspannungsdurchführung bewirkt und zu einem induktiven Gerät führt, bei dem die Kurven der Anfangs- und der Endspannungsverteilung im wesentlichen übereinstimmen. Die neue Anordnung bietet eine Heihe von Vorteilen. Beispielsweise ist die Menge und radiale Dicke der erforderlichen festen Isolation in einem Transformator nach der Erfindung erheblich verringert, wodurch auch Größe und Gewicht des Transformators kleiner werden. Ferner kann die Hochepannungsdurchführung beträcht-

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lieh* kleiner und leichter werden, was zur weiteren Gewichts- und Größenverringerung des 3?ransformators als Ganzes beiträgt . Zusätzlich resultiert die Verkleinerung des maximalen Potentialgradienten in einer Verringerung der Möglichkeit des Auftretens von Isolationsfehlern infolge Durchschlags des flüssigen Dielektrikums. Schließlich verkleinert die Reduzierung der festen Isolation deren Wirkung als thermische Barriere und verringert den Aufwand für spezielle Kühleinrichtungen; in demselben Zusammenhang ist die Verringerung des erforderlichen flüssigen Dielektrikums zu nennen.

Wie bereits aus Bemerkungen während der Beschreibung hervorgegangen ist, ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern es sind zahlreiche Möglichkeiten zur Abänderung gegeben.

Ansprüche

4 Figuren

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Claims (2)

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1. JlUssigkeitsisoliertes, induktives elektrisches Gerät» wie Transformator oder Wandler, mit zumindest einer Ton einer festen Isolation umgebenen Hochspannungswicklung und einem diese speisenden, in einer Ilochspannungsdurchführung verlaufenden Leiter sowie mehreren der Hochspannungswioklung zugeordneten Schirmen, von denen einer auf Hochepannungspotential liegend als innerer Schirm den Umfang der Hochspannungawicklung als Hohlring und den Durchführungskanal der Hochsp&nnungadurchfUhrung umfaßt und ein anderer Schirm auf Erdpotential liegend als äuBerer Sohir» die Hochspannungswicklung, den inneren Schirm und die feste Isolation uaachlieflt, während ein weiterer Schirm als Zvischensohirm zwi, hen dem inneren und Äußeren Schirm einen Zeil ier Hochflpannunga-wiulclung und der Isolation umschließt, dadurch gekennzeichnet t daS der al· Hohlring (42 S) ausgebildete feil des inneren Schirme» (fig·!] 42) mit dem vorwiegend senkrecht verlaufenden Durohftihrungskanal der Hoohapannnngsdurchfühiung (?ig.l; 30) einen Kühlkanal fite das flüssig· Isolafcionsmittel bildet»

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2. Induktives elektrisches Gerat nach Ansprach 1, dadurch likiBBiilehnit , dm· der innere Schirs (?ig.l; 42) alt «ine« Hoehspannungaat aohlui (VIg.1; 26) elektrisch verbunden 1st «ad dem die Bbehspaviiungswioklung (Jlg.l; 12) speisenden Leiter »ildet.

5· IndoktiTe« elektrische« Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dafl für die Sohirae (?ig.l{ 42, 9O₉ 96) flexibles, wickelbares Material, vorzugsweise alt einer Metall- oder Halbleiterschloht versehenes Kreppapier, verwendet 1st·

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