DE2024522A1

DE2024522A1 - Transformator, Meßwandler oder der gletchen

Info

Publication number: DE2024522A1
Application number: DE19702024522
Authority: DE
Inventors: Transfer Pa Peckham Rodney L (V St A ) HOIf 27 02
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1969-05-13
Filing date: 1970-05-12
Publication date: 1971-06-16
Also published as: US3548357A

Description

Westinghouse - „

Electric Corporation I Z. MAI 1970

Pittsburgh.

Mein Zeichen: VPA 70/8386 Kr/Etz

Transformator _?r Meßwandler" oder dergleichen

Pur diese Anmeldung wird die Priorität der entsprechenden USA-Anmeldung Serial No. 824- 093 vom 13. Mai 1969 beansprucht.

Die Erfindung betrifft einen Transformator, Meßwandler oder 4! dergleichen mit einer Eisenkernanordnung und einer auf die EiBenkernanordnung aufgebrachten Wicklungsanordnung, die mindestens eine Hoch- und eine Niederspannungswicklung aufweist.

Eine charakteristische elektrische Größe von Transformatoren, Meßwandlern oder dergleichen ist der Isolationspegel, der. einen Bezugspegel darstellt, ausgedrückt durch eine Stoßspitzenspannung mit einer Grundschwingung von nicht mehr als 1,5 χ 40 /as. Die Nenn-Stehstoßspannung ist der Spitzenwert der Stoßwelle, die der Transfoirmator, Meßwandler oder dergleichen ohne Durchschlag aushält. Der Spitzenwert der Stehstoßspannungskurve ist identisch mit dem Isolationspegel. . λ

Wenn bisher Transformatoren, Meßwandler oder dergleichen für Isolationspegel von 60 kV un'd darüber ausgelegt wurden, war es üblich, eine Konstruktion mit einer Ölfüllung im Hinblick

wenden. Trockentransformatoren wurden bisher zwar auch eingesetzt, wenn höhere Isolationspegel erzielt werden sollten, aber sie erforderten spezielle Teile und Konstruktionen, die sich weitgehend von den eingeführten Konstruktionen für Trokkentransformatoren unterschieden und daher Trockentransformatoren im Hinblick auf die Heratellungskosten ungünstig erscheinen

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ließen. Es ist daher erstrebenswert, den Isolationspegel von Trockentransformatoren zu erhöhen, ohne daß "besondere Teile, Spezialmaschinen und/oder besondere Herstellungsmethoden angewendet werden müssen; derartige Trockentransformatoren wären dann auch wettbewerbsfähig mit ölgefüllten Transformatoren.

Diese Aufgabe, nämlich Trockentransformatoren mit verhältnismäßig hohem Isolationspegel kostengünstig herzustellen, läßt sich bei einem Transformator, Meßwandler oder dergleichen mit einer Eisenkernanordnung und einer auf die Eisenkernanordnung aufgebrachten Wicklungsanordnung, die mindestens eine Hoch- und eine Niederspannungswicklung aufweist, dadurch lösen, daß erfindungsgemäß bei der Hochspannungswicklung mit mehreren durch Isoliermaterial voneinander getrennten Wicklungslagen die Windungen mindestens einiger Wicklungslagen durch mindestens eine miteingewickelte Isolierschnur voneinander isoliert sind. Vorzugsweise ist dabei die Isolierschnur in Wicklungslagen miteingewickelt, die in der Nähe des hochspannungsseiti- gen Anschlusses der Hochspannungswicklung liegen.

Die Isolierschnur kann aus einem Paden oder aus Pasern bestehen, und sie kann aus Vollmaterial bestehen oder als Schlauch ausgeführt sein. Vorzugsweise hat die Isolierschnur den gleichen Durchmesser wie der eigentliche ¥icklungsdraht. Die Zahl der Isolierschnüre zwischen jeweils benachbarten Windungen einer Wicklungslage richtet sich nach der elektrischen Festigkeit des für die Isolierschnur verwendeten Materials und nach dem jeweils geforderten Isolationspegel.

Eine schlauchartige Isolierschnur ist handelsüblich und kann ■vorteilhafterweise gemeinsam mit dem Wicklungsdraht gewickelt werden, in ähnlicher V/eise wie es beim gemeinsamen Wickeln mehrerer Wicklungsdrahte bekannt ist. Es können daher die gleichen Wickelmaschinen und Wickeltechniken angewendet werden,

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um den erforderlichen Abstand zwischen benachbarten Windungen des Wickluhgsdrahtes zu erzielen, wie es gegenwärtig beim Herstellen konventioneller Trockentransformatoren üblich ist.

Zur Erläuterung der Erfindung sind in den Figuren Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Transformators, Meßwandlers oder dergleichen dargestellt. Die Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung, teilweise im Schnitt. In der Figur 2 ist ein Querschnitt durch eine Wicklungsanordnung des erfindungsgemäßen Transformators gemäß Figur 1 wiedergegeben, und in der Figur 3 ist ein Teil eines Querschnitts einer Hochspannungswicklung eines gemäß der Erfindung hergestellten Transformators, Meßwandlers oder dergleichen dargestellt.

Wendet man sich zunächst der Figur 1 zu, dann erkennt man einen vergossenen Trockentransformator 10, der einen Aufbau 12 aus Eisenkernanordnung mit aufgebrachter Wicklungsanordnung enthält. Eisenkernanordnung und Wicklungsanordnung sind in einer gegossenen, festen Isolation 14 eingebettet, und das gesamte vergossene System befindet sich in einem geeigneten Gehäus e 16.

Die Eisenkernanordnung 18 enthält in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen ersten und einen zweiten Kernteil 20 bzw. 22, die stumpf aneinder stoßend einen Steg zur Aufnahme einer Wicklungsanordnung 24 bilden. Jeder der _% Kernteile 20 und 22 kann aus einem Paar gebogener C-Kerne bestehen, die durch eine Spannvorrichtung 30 zusammengehalten sind, um einen Eisenkern zu bilden. Jeder der C-Kerne besteht aus einer Anzahl ineinander verschachtelter Bleche 32, die miteinander verlascht sind, um ■eine zusammenhängende Struktur zu bilden.

Die Wicklungsanordnung 24 enthält in konzentrischer Anordnung eine Hoch- und eine Niederspannungswicklung, wobei die Hoch-

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spannungswicklung elektrische Anschlußleitungen 34 und 36 und die Niederspannungswicklung elektrische Anschlußleitungen 38 •und 40 aufweist. Der■Transformator 10 kann zusätzliche, ebenfalls konzentrisch angeordnete Wicklungen aufweisen, falls ein spezieller Anwendungszweck dies erforderlich macht..

Die gegossene Isolation 14 kann in geeigneter ¥eise hergestellt sein, beispielsweise aus gestrecktem Epoxydharz. Als Füllstoff können fein verteilter Kiesel, beispielsweise Sand, oder auch andere anorganische, nicht zerreibbare Materialien dienen. Geeignete Harze zum Vergießen von Trockentransformatoren sind beispielsweise aus der USA-Patentschrift 3 030 597 bekannt.

Die Eisenkernanordnung mit aufgebrachter Sekundärwicklungsanordnung kann innerhalb des Gehäuses 16 mittels eines Bügels gehalten sein, der mit der Innenseite des Gehäuses 16 verbunden ist. Der Bügel 42 kann auch dazu benutzt werden, um die vergossene Eisenkernanordnung mit aufgebrachter Wicklungsanordnung innerhalb des Gehäuses 16 mittels abgewinkelter Vorsprünge 44 zu halten.

Die Figur 2, die einen Querschnitt durch die Wicklungsanordnung 24 gemäß Figur 1 entlang der linie II - II wiedergibt, läßt erkennen, daß die Wicklungsanordnung 24 eine Hoch- und eine Niederspannungswicklung 50 bzw. 52 enthält. Die gemäß der Erfindung aufgebaute Wicklungsanordnung ermöglicht eine Steigerung des Isolationspegels von Transformatoren, Meßwandlern oder dergleichen bis auf 60 kV und auch noch höher, beispielsweise bis auf 75 kV oder 95 kV.

Die Niederspannungswicklung 52 ist aus einem Metallstreifen oder aus einer Metallfolie gewickelt und weist eine Vielzahl von radial übereinander angeordneten, isolierten Windungen 54 auf,· die auf einem Wickeldorn oder auf einem Spulenkörper um

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die Mittelachse 51 gewickelt sind. Da die Niederspannungswicklung 52 nur eine Windung pro Lage aufweist, ist der Isolationspegel dieser Wicklung durch. Vergrößerung der Dicke der Isolation zwischen benachbarten Windungen zu steigern. Üblicherweise wird die normale Isolationsdicke zwischen den Windungen verdoppelt und sollte nicht weniger als etwa 0,04 mm betragen. Die Isolation zwischen benachbarten Windungen kann aus einem Isolierüberzug, beispielsweise aus lack, bestehen, der auf beiden Seiten des Streifens oder der Folie aufgebracht ist, oder sie ist von einem besonderen Streifen aus Isoliermaterial gebildet, der auf die Metallfolie oder das Metallband aufgewickelt ist; dafür eignet sich ein Polyesterband. Die Isolationsdicke zwischen benachbarten Windungen 54 der Niederspannungswicklung 52 ist so- ausgelegt, daß die Niederspannungswicklung vor hohen Spannungen geschützt ist,,die kapazitiv in die Niederspannungswicklung von der Hochspannungswicklung 50 aus bei Stoßspannungen eingekoppelt werden können.

Die Isolation 56 der Niederspannungswicklung 54 gegenüber Hochspannungswicklung 50 ist verstärkt, indem eine Vielzahl von Lagen eines undurchlässigen -Bandes, beispielsweise eines Polyesterbandes, vorgesehen sind. Da ein Polyesterband eine Durchschlagsfestigkeit von etwa 160 kV/mm aufweist, ergibt sich bei einem üblichen Sicherheitsfaktor von 10 : 1 eine Polyesterschicht von etwa 3,8 mm Stärke bei einem Isolationspegel von 60 kW '

Die Stärke der gegossenen Isolation 14, die an die Enden der Hoch- und der Niederspannungswicklung 50 bzw. 52 angrenzt, ist auch auf etwa 2,5 cm für einen Isolationspegel von etwa 60 kV verstärkt. Eine zusätzliche Isolation von etwa 1,4 mm Stärke, beispielsweise aus einem Polyesterband, ist an den Enden der Wicklungsanordnung vorgesehen, die an Jochteile des Eisenkernes 20 angrenzen.

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Der Aufbau der Hochspannungswicklung 50 ist "besonders kritisch, wenn Isolationspegel von 60 kV und höher gefordert werden, da eine dem Hochspannungsanschluß zugeführte Stoßspannung sich nicht induktiv über die gesamte Wicklung verteilt, sondern eine Verteilung unter Berücksichtigung der inneren Kapazitäten erfährt. Daher ist anstelle einer gleichmäßigen Verteilung der Stoßspannung über die Wicklung eine nicht lineare Verteilung zwischen den lagen der Wicklung, zwischen den Windungen der einzelnen Lagen und von der Hochspannungswicklung zur Niederspannungswicklung sowie zur Eisenkernanordnung gegeben, wobei die Nichtlinearität so ausgebildet ist, daß die elektrische Feldstärke auf Teile der Wicklung konzentriert ist, die dem Hochspannungsanschluß benachbart sind.

Daher ist die Feldstärkekonzentration zwischen den Endwindungen der Lage, die mit dem Hochspannungsanschluß verbunden sind, extrem hoch. Dies gilt auch für die Endwindungen der ersten zwei Lagen, in denen die meisten Stoßspannungsfehler auftreten.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun ein Weg vorgeschlagen, wie die Hochspannungswicklung 50 für Isolationspegel von 60 kV, 75 kV oder 95 kV ausgelegt werden kann, wenn Nennspannungen von 2,5 kV bis 15 kV gefordert werden, ohne daß spezielle Formen der Isolierteile oder spezielle Herstellungsverfahren erforderlich werden. Ein Trockentransformator gemäß der Erfindung kann daher'so gebaut werden, daß er wettbewerbsfähig mit öl~ isolierten Typen für ähnliche Spannungen und Isolationspegel' ist.

Zu diesem Zwecke ist die HoüiiSpaimungs'wicklUxig 50 aut> einem Draht 59, beispielsweise einem Zupferdraht, hergestellt, der um dieselbe Achse 51 wie die Niederspannungswicklung 52 gewickelt ist, um eine Mehrzahl von Lagen 60, 62, 64, 66 und 68 zu bilden, wobei jede Lage aus mehreren Windungen 70 besteht.

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Die Windungen 70 der ersten lage 60 sind in axialer Richtung fortschreitend von einem Ende der Wicklung 50 zum anderen Ende hin nacheinander aufgebracht, und die nächste lage ist über der ersten Lage angeordnet, wobei ihre Windungen in axialer Richtung im umgekehrten Sinne fortschreitend nebeneinander aufgebracht sind. Der Wicklungsaufbau ist in derselben Weise weitergeführt, bis alle Lagen vorhanden sind.

Der Wicklungsdraht 59, der die einzelnen Windungen 70 bildet, kann, einen Isolierüberzug 61 aufweisen, der beispielsweise aus einem Isolierlack bestehen kann.

Die kritische Isolation zwischen benachbarten Windungen wird durch eine besondere durchgehende Isolierschnur geschaffen, die ein Faden oder eine Paser aus Isoliermaterial sein kann. Die Isolierschnur ist vorzugsweise ein langer Schlauch 80, der einen äußeren Durchmesser aufweist, der etwa mit dem Durchmesser, des Wicklungsdrahtes 59 einschließlich seines Isolierüberzuges 61 übereinstimmt. Vorzugsweise sollte der Außendurchmesser der Isolierschnur 80 genauso groß oder etwas größer als der Durchmesser des isolierten Wicklungsdrahtes sein.

Der Schlauch 80 aus,Isoliermaterial ist handelsüblich und kann Seite an S_eite gemeinsam mit dem isolierten Wicklungsdraht 59 gewickelt v/erden, ähnlich wie es beim gemeinsamen Aufwickeln von zwei Wicklungsdrähten ,üblich ist. Das Material, aus dem die Isolierschnur 80 besteht, sollte so ausgewählt sein, daß im Hinblick auf die elektrische Beanspruchung die doppelte Wandstärke höher ist, als es der Isolationspegel erfordert. Beispielsweise bewirkt ein Isolierschlauch mit einer Wanddicke von 0,25 mm eine 0,5 mm starke Barriere von Windung zu Windung. Wenn eine kompakte Isolierschnur, beispielsweise eine Isolierfaser verwendet wird, dann sollten die Abmessungen der

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Paser von Leiterwiridung zu le it er windung im Hinblick auf die elektrische Beanspruchung gewählt-werden. Wenn der Wieklungsdraht rechteckförmigen Querschnitt hat, beispielsweise ein Metallband ist, dann weist die Isolierschnur zweekmäßigerweise -ebenfalls einen rechteckförmigen Querschnitt auf.

Die Stärke der !lagenisolation ist so bemessen, wie es der jeweilige Isolationspegel erfordert, wobei die "Lagenisolation gegebenenfalls abgestuft ist, wie es die Figur 2 zeigt. Da die größte elektrische Beanspruchung zwischen den ersten an den Hochspannungsanschluß angrenzenden Lagen auftritt, ist die Stärke der Isolationsschicht zwischen den ersten Wicklungslagen zweckmäßigerweise größer als zwischen den übrigen Wicklungslagen. Die Abmessungen W1 der Figur 2 zwischen den inneren Wicklungslagen 60 und 62 und zwischen den Wicklungslagen und 64 sind demzufolge größer als die Abmessungen W2 zwischen den lagen 64 und 66 sowie 66 und 68, entsprechend der Abstufung der Lagenisolation» Beispielsweise wurde bei einem Transformator gemäß der Erfindung für einen Isolationspegel Ton 60 kV ein Polyesterband auf 0,5 mm Stärke zwischen benachbarten Lagen für die ersten vier Wicklungslagen vorgesehen, und dann wurde die Lagenisolation, auf 0,25 mm für die verbleibenden Wicklungslagen vermindert. .

In Figur 3 ist ein Teil eines Querschnittes durch eine Hochspannungswicklung 100 für einen vergossenen Trockentransformator gezeigt» Die Hochspannungswicklung· 100 enthält Wicklungslagen 102 und 104, von denen jede aus einer Mehrzahl von Windungen 106 besteht j die Windungen 106 sind aus einem Wicklungsdraht 108 hergestellt. Bei der dargestellten Ausführung ist der Wickeldraht 108 blank und hat daher keinen Isolierüberzug. Die Isolation zwischen benachbarten Windungen und benachbarten Lagen muß daher vollständig durch anderes Isoliermaterial bereitgestellt werden. Ferner kann, wie die Figur 3 aufzeigt,

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jede Windung durch eine Mehrzahl von Isolierschnüren von der jeweils "benachbarten Windung getrennt seinj die Isolierschnüre sind mit 110 und 112 bezeichnet. Die Zahl der Isolierschnüre, die zwischen benachbarten Windungen angeordnet sind, hängt von 'der elektrischen Beanspruchung der Isolation, den Anforderungen im Hinblick auf den Isolationspegel und die Abmessungen der Isolierschnüre ab. Weiterhin sind, wie die gezeigten Isolierschnüre 110 und 112 erkennen lassen, im vorliegenden Beispiel die Isolierschnüre aus vollem Material hergestellt. Isolierschnüren aus vollem Material ist der Vorzug gegeben gegenüber schlauchförmigem Material, dabei einem gegebenen äußeren Durchmesser der Isolierschnüre bei Verwendung von vollem Material eine größere elektrische Beanspruchung zulässig ist. Die Wahl der jeweiligen Isolierschnur ist aber weitgehend dadurch bestimmt, daß Isolierschnüre in schlauchartiger Ausführung leichter erhältlich sind als Isolierschnüre aus vollem Material.

Zusätzlich zu der Abstufung der Lagenisolation ist es auch möglich, die Isolation von Windung zu Windung dadurch abzustufen, daß unterschiedliche Isolierschnüre zwischen den Windungen der lagen verwendet werden; bei unmittelbar dem Hochspannungsanschluß benachbarten Windungen werden andere Schnüre zwischen den Windungen.äsr übrigen lagen verwendet.

Die Anschlußleitungen der Hochspajinungswicklung 50 des Iränsfonnators 10 sind mit geeigneten ^solierhüllen umgeben und können - in den Figuren nicht gezeigt - an. Anschlußklemmen geführt sein, die ebenfalls in der gegossenen Isolation 14 gehalten sijnd. - \

Die Hochspannungswioklung 50 ist außen von einer isolierenden Umhüllung umgeben, die beispielsweise aus einer Schicht aus Polyeoterband von eines Stärke von etwa 3,8 mm für einen , iBolationepegel von etwa 60 kV besteht. ' ν^: ■■..!.

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INSPECTED

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Nachdem die Wicklungsanordnung 24 vervollständigt ist, können die C-Kerne der Eisenkernanordnung 20 unter Aufnahme der Wicklungsanordnung 24 zusammengeschachtelt und die Verbindungen von der Hochspannungswicklung 50 mit den Anschlußklemmen, · falls solche vorhanden sind, hergestellt werdenj danach ist die vollständige Anordnung in ein Gehäuse 16 gesetzt, nachdem dieses umgestülpt ist und daher in "bezug auf die in der "Figur 1 dargestellte lage auf dem Kopf steht. Die Eisenkernanordnung 20 mit aufgebrachter Wicklungsanordnung 24 ist innerhalb des Gehäuses 16 mittels des Bügels 42 gehalten, der sicherstellt, daß die Anordnung eine günstige lage in-bezug auf das Gehäuse 16 einhält, während die Eisenkernanordnung 20 mit Wicklungsanordnung 24 vergossen wird. Das Gehäuse 16 und die Eisenkernanordnung 20 mit Wicklungsanordnung 24 wird dann auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt, beispielsweise 135° C> als Vorbereitung für das Einfüllen des flüssigen Gießharzes; danach wird das Gießharz eingefüllt, und zwar bis zu einem vorbestimmten Niveau innerhalb des Gehäuses 16. Peinverteilter Füllstoff, beispielsweise Sand, wird dann in das Gehäuse eingefüllt, bis das Gießharzniveau über den oberen Rand der Eisenkernanordnung reicht. Das Gehäuse 16 wird beim Einfüllen von Gießharz und Sand geschüttelt, um einerseits eine vollständige Imprägnierung der Eisenkernanordnung 20 mit Wicklungsanordnung 24 mit dem flüssigen Gießharz zu sichern und um andererseits eine gleichmäßige Verteilung des Füllstoffes im Gießharz zu erreichen.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß mit der Erfindung ein neuer und verbesserter vergossener Trockentransformator, Meßwandler odfcr dergleichen geschaffen ist, der für Isolationöpegel von 60,^75 und 95 kV geeignet ist, ohne daß besondere Anordnungen oder Teile zur Herateilung benötigt werden, die bisher Trockejjitransformatören hinsichtlich der Herstellungskosten gegenüber ©"!gefüllten Transformatoren ungünstig er-

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scheinen ließen» Der vergrößerte Isolationsabstand von der Hochspanriungswicklung zur Eisenkernanordnung und zur Niederspannungswicklung ist durch zusätzliche Lagen aus festem Isolierband erreicht» und die Isolationsdicke zwischen den lagen der Hochspannungswicklung ist durch zusätzliche Xagen ' aus Isolierband "bewirkt j ferner ist die kritische Isolation zwischen benachbarten Windungen in der Hochspannungswicklung durch Isolierschnüre erreicht, die entweder aus vollem Mate- , rial bestehen oder schlauchartig ausgebildet sind| wobei diese Isolierschnüre zwischen benachbarten Windungen in jeder Wicklungslage angeordnet sind.

3 Figuren 7 Ansprüche

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Claims

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Patentansprüche

!Transformator, Meßwandler oder dergleichen.mit einer Eisenkernanordnung und einer'auf die Eisenkernanordnung aufgebrachten Wicklungsanordnung, die mindestens eine Hoch- und eine Niederspannungswicklung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß hei der Hochspannungswicklung (50; 100) mit mehreren durch Isoliermaterial voneinander getrennten Wicklungslagen (60, 62, 64| 66,, 68; 102, 104) die Windungen (70, 106) mindestens einiger Wicklungslagen (60, 62* 64, 66, 68; 102, 104) durch mindestens eine miteingewickelte Isolierschnur (80j 110, 112) voneinander isoliert sind.

2» !Transformator, Meßwandler oder dergleichen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eisenkernanordnung (20) gemeinsam mit der Wicklungsanordnung (24) in einer geschlossenen Isolation (-14) eingebettet ist.

3* Transformator, Meßwandler oder dergleichen nach Anspruch oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschnur (80) einen ringförmigen Querschnitt aufweist.

4. Transformator, Messwandler oder dergleichen nach Anspruch oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschnür (110, 112) aus Tonmaterial besteht»

5. Transformator, Meßwandler oder dergleichen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,- daß der Wicklungsdraht (59) der Hochspannungswicklung (50) einen Isolierüberzug (61) aufweist, '

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6, Transformator, Meßwandler oder dergleichen nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß der Wick- ' lungsdraht (108) der Hochspannungswicklung (100) "blank ist ' und daß die Isolation zwischen benachbarten Windungen (106) der Hochspannungswicklung (100) aus der Isolierschnur (HOy 112) besteht.

7. Transformator, Meßwandler oder dergleichen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Isolationsschicht zwischen den einzelnen Wicklungslagen (60, 62, 64, 66, 68; 102, 108) der HochspannungsWicklung (50; 100) abgestuft ist. .

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