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Transformator, insbesondere Meßwandler, für hohe Spannungen, bestehend
aus in Kaskade geschalteten Einzelsystemen mit in Reihe liegenden Primärwicklungen
und Schub- und Überkopplungswicklungen Es sind bereits Drosselspulen bzw. Wandler
für hohe Spannungen bekannt, bei denen Hochspannungswicklung und Eisenkern in mehrere
Teile unterteil, die einzelnen Teilwicklungen in Reihe geschaltet und die Teilkerne
von Erde isoliert und mit der Mitte der auf die senkrecht verlaufenden Schenkel
der viereckigen Kerne verteilten Teilwicklung verbunden sind. Diese Verbindung braucht
nicht metallisch leitend zu sein, sondern kann auch über einen Kondensator erfolgen,
dessen Beläge durch die Wicklung einerseits und den Eisenkern andererseits gebildet
werden. Es bilden also die Eisenkerne gewissermaßen zur Wicklung in Parallelschaltung
liegende Kondensatoren, welche im. Verhältnis zur Fortpflanzungszeit der durch die
NN'icklung fortschreitenden Überspannungswelle augenblicklich auf Spannung kommen.
Die `Felle, welche durch die Hochspannungswicklung läuft und deren Drahtisolation
beansprucht, entspricht daher nur der auf die Teilspule entfallenden, ungefährlichen
Teilspannung. Durch eine derartige Unterteilung des Spannungsgefälles wird eine
bessere Spannungsverteilung erzielt, bei welcher die örtlichen Beanspruchungen der
Isolationen geringer werden. Auch ist es bereits bekannt, die Kondensatoren aller
Systeme als konzentrisch zueinander liegende Zylinderkondensatoren auszubilden.
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Weiterhin ist es bekannt, auf die die beiden Wicklungen tragenden
Enden bzw. Schenkel eines stabförmigen oder viereckigen Eisenkernes eine in sich
kurzgeschlossene Magnetisierungs- oder Schubwicklung aufzubringen und ebenso zum
Zwecke der Erzielung gleicher Potentialstufen sämtliche Enden der in Reihe geschalteten
Elemente durch Ausgleichs- oder Überkopplungswicklungen elektromagnetisch zu verketten.
Diese Schaltungen der sogenannten Kaskadenwandler sind in der Siemens-Zeitschrift
1928, Seite 631 Bild r zusammengestellt.
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Auch ist eine Einrichtung, um den Potentialunterschied zwischen den
beiden Wicklungen eines Hochspannungstransformators zu vermindern, bekannt geworden.
bei der die
Wicklungen des hlochspannungstransforinators und des
Hiltstranstorniators auf einem genfeinsamen, gegen Erde isolierten Eisenkern
angeordnet sind und bei der die Sekundärwicklung in zwei oder mehr in Reihe geschaltete.
räumlich getrennte Zylinder- oder Lagenwicklungen ausgeführt -ist und die 2vlagnetisierungswicklung
(Schubwicklung) derart nahe dein einen Ende des Spulensysteins angeordnet ist. daß
die Potentiale nahezu gleich sind. Dabei ist die Primärspule über der Sekundärspule
angeordnet, so daß auch beide konzentrisch zu der Schubwicklung lie-g efi.
Diese Ausbildung ermöglicht eine sehr breite Ausführung der Primärspule, eine feste
Kopplung und eine große Energieübertragung.
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Weiterhin ist ein als Glied einer Transforinatorkaskade verwendbarer,
isoliert aufgestellter Einphasentransformator mit einer Primärwicklung niederer
Spannung, einer Sekundärwicklung hoher Spannung und einer dritten Wicklung meist
niederer Spannung, welche zum Anschluß bzw. zur Speisung der Primärwicklung eines
zweiten gleichartigen Transformators der Kaskade dient. dessen Sekundärwicklung
zur Erzielung höherer Spannungsstufen finit der Sekundärwicklung des Vordertransformators
in Reihe geschaltet ist und seine dritte Wicklung zur Speisung eines weiteren derartigen
Transformators der Kaskade dienen kann. vorgeschlagen wörden, dessen Kennzeichen
darin besteht, daß die Wicklungen des Transformators derart angeordnet sind, daß
allein durch die kapazitiv e Verkettung der Wicklungen gegeneinander und gegen Eisen
eine solche Potentialverteilung auf die Wicklungen erreicht wird, daß sich von selbst
eine möglichst geringe Potentialdifferenz zwischen benachbarten Wicklungen einstellt.
Hierbei «-erden die Enden benachbarter Wicklungen derart ausgebildet, daß ihre Enden
als Beläge von Kapazitäten dienen.
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Es ist auch bereits eine Schutzeinrichtung für Transformatoren, Drosselspulen
u. dgl. gegen die Einwirkung elektrischer N@,-ellen bekannt geworden, die darin
besteht, daß parallel zu den Scheibenspulen bzw. zwischen denselben isolierte Metallscheiben
angeordnet und mit den Windungen benachbarter Spulen verbunden sind, uni eine gleichmäßige
Z% erteilung plötzlich auftretender Wellen auf die benachbarten Windungen zu erzielen.
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Der Gegenstand der Erfindung betrifft einen Transformator, insbesondere
Meßwandler, für hohe Spannungen. bestehend aus in Kaskade geschalteten EinzeIsysteuien
mit in Reibe liegenden Primärwicklungen und Schub- und überkopplungswiclciungeu.
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Die I?rfinclung geht Von der Erkenntnis aus. auftreffende Wandlerwellen
finit steiler Stirif oderlloclifre@lueiizscli@N-inäuiigeii, welclic diese -Erscheinungen
im Gefolge haben, sei es durch einen kapazitiven Schutz finit Kondensatoren zwischen
Hochspannungsspule und Erde, sei es nur durch eine kapazitive Überbrückung vier
mittels passender Kondensatoren zwischen den Wickltnigsenden der Spulen oder 51)tilengrulfpeii
für die Wicklung selbst unschädlich zu machen. Iss soll also eine Ableitung der
hochspannuifgsseitig auftretenden Überspannung durch den Transformator, insbesondere
den Meßwandler, für hohe Spannungen hindurch erfolgen. so daß die Wicklungen selbst
von. diesen nicht betroffen werden.
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Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen, bei derartigen Transformatoren
alle M'icklungen konzentrisch zueinander anzuordnen und sie -durch dazwischenliegende,
mit den Enden der lagenweise angeordneten Primärwicklung verbundene, leitende und
geschlitzte Zylinder zu trennen, um dadurch eine kapazitiv e Durchkopplung durch
den Transformator zu erzielen. Dabei bilden abwechselnd die Lagen der Wicklung und
die Zylinder oder Zylinder und Zylinder die Beläge der sämtlich in Reihe liegenden
Kondensatoren. Eine auftreffende Überspannungwelle wird also kapazitiv durch das
ganze Transformatorsystem nach Erde abgeleitet, ohne auf die Wicklungen einen schädlichen
Einfluß ausüben zu können. -Hierdurch wird der Vorteil erzielt, ciaß die unmittelbar
zwischen den Wicklungen befindlichen Kapazitäten durch die Wicklungslagen selbst
weiter kapazitiv unterteilt sind, so daß ein Durchschlag, wie er bei Ein-Lagenwicklungen
zwischen der ersten die volle Spannung besitzenden `Findung und dem Eisenkern auftritt,
vermieden ist. Weiterhin wird durch die leitenden Zylinder eine statische Kapslung
aller Lagen der Primärwicklung erzielt. Auch können die um die Primärwicklung gelegten
Überkopplungswicklungen und die Sekundärwicklung jetzt unmittelbar auf diese Zylinder
gelegt werden, so daß sie im Sinne der Erfindung kapazitiv mit der Primärwicklung
gekoppelt sind. Bei dem unmittelbar an der Hochspannung liegenden Teil der Primärwicklung
wird überhaupt die erste Lage in an sich bekannter Weise als Eingangswindung mit
verstärktem Leiterquerschnitt ausgebildet. indem sie von den übrigen Lagen durch
einen mit dein Eingangslagenende und dein Anfang der dartinterliegenden Lage der
Wicklung verbundenen, sich über die ganze Lagenlünge erstreckenden leitenden Zylinder
getrennt ist. Dabei bildet die erste Lage den einen Belag; und der Zylinder ileii
;i;;@le#reii Belag eines
Eingangskondensators. der parallel zu der
als Eingangsdrossel wirkenden ersten Lage der Primärwicklung liegt.
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Die leitenden geschlitzten Zylinder können nicht nur als Belegungen
von Kondensatoren benutzt werden, sondern auch gleichzeitig als Windung, wie dies
bei Abschlußkörpern der Wicklungssäulen von Transformatoren gegen Überspannung an
sich bekannt ist, dienen, nämlich durch Anschluß der darüberliegenden Wicklungslage
an sein eines und Anschluß der darunterl=egenden Wicklungslage an sein anderes Ende.
Dabei kann die Wicklungslage unmittelbar an dem Zylinder anliegen oder räumlich
von diesem getrennt sein. Die leitenden Zylinder können als volle oder gitterförmige,
geschlitzte Metallzylinder oder auch als angeordnete leitende Ringe, Stäbe o. dgl.
ausgebildet sein.
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In den Abbildungen sind Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung dargestellt.
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Die Abb. i und 3 geben die an sich bekannten Schaltschemata von Kaskadenspannungswandlern
an, während die Abb. 2 und 4 die erfindungsgemäße praktische Durchbildung der einzelnen
Transformatorsysteme und ihren Einbau in Isoliergehäuse gemäß den Abb. 5 und 6 zeigen.
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Nach Abb. i ist das obere Ende der Priinärwicklung ii an die Leitung
12 gelegt, die die zu messende Hochspannung besitzt. Mit ihrem unteren Ende liegt
sie an dem Eisenkern 13, an dein ebenfalls das obere Ende der nächsten Primärwicklung
14 angeschlossen ist. Diesen beiden Wicklungen ii und 14 liegen die auf dem Eisenkern
13 angeordneten Schubwicklungen 15 und 16 gegenüber. Das zweite darunterl=egende
Transformatorsystem wird durch Überkopplungswicklungen 17, 18 mit dem oberen System
verbunden, und zwar über zwei Leitungen i9, 2o. Die Leitung i9 dient dabei gleichzeitig
zur Verbindung der Primärwicklung 14 mit der ersten Primärwicklung 21 des anderen
Svstem's sowie der einen Enden der Überkopplungswicklungen i7 und 18. Auf dem Eisenkern
22 dieses zweiten Systems liegen neben den Schubwicklungen 23, 24 noch die zweite,
mit ihrem unteren Ende mit Erde verbundene Primärwicklung 25 und die Sekundärwicklung
26, an die das Meßinstrument 27 angeschlossen wird.
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Das Schaltschema nach Abb. 3 unterscheidet sich von diesem Schaltschema
nur dadurch, daß für die Verbindung der beiden Primärwicklungen 14, 21 und der beiden
Überkopplungswicklungen 17, 18 je eine besondere Leitung i9 und 28 vorgesehen ist.
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Diese aus den Schaltschemata ersichtlichen Wicklungen werden gemäß
den Abb. -2 und 4 angeordnet. Zunächst werden auf die horizontal liegenden Schenkel
des Eisenkernes 13 die Schubwicklungen i .# und 16 aufgebracht und ihre linken Enden
an den Stellen 29 mit dem Kern, ihre rechten Enden durch eine Leitung
30 miteinander verbunden. Darüber lagern sich zwei geschlitzte Metallzylinder
31, 32, an die das eine Ende der Primärwicklungen i i und 14 angeschlossen wird
und die ebenfalls an den Stellen 29 mit dem Eisenkern verbunden sind. Die Primärwicklungen
i i und 14 sind lagenweise gewickelt und liegen gleichachsig zu den Schubwicklungen
15 und 16. Die oberste Lage 33 der . Primärwicklung i i wird durch den geschlitzten
Metallzylinder 34 von den übrigen Lagen getrennt und mit dem Lagenende bzw. -anfang
elektrisch verbunden und stellt, gleichzeitig eine Eingangsdrosselspule dar. Sie
liegt auf dem Metallzylinder 34 auf und wird von dessen umgebogenen Rändern umfaßt.
Auf die oberste Lage der Primärwicklung 14 ist ein geschlitzter Metallzylinder 35
mit umgebogenen Rändern aufgebracht, an den das andere Ende der Primärwicklung 14
angeschlossen wird. Um diesen Metallzylinder 35 legt sich die Überkopplungswicklung
17 herum.
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Die gleiche Anordnung ist bei dein zweiten System getroffen. Auch
hier werden wieder die horizontal liegenden Schenkel des Eisenkernes 22 von den
Schubwicklungen 23 und 24 umgeben, die durch geschlitzte Metallzylinder 36, 37 umschlossen
werden. Auf diesen sitzen die Primärwicklungen 21, 25. Auf die Endenlagen dieser
Wicklungen sind wieder geschlitzte Metallzylinder 38, 39 gebracht. Zwischen die
Metallzylinder 36, 38 und 37. 39 sind die Primärwicklungen 21, 25 geschaltet. Auf
dem Metallzylinder 38 liegt die Überkopplungswicklung 18 und auf dem Metallzylinder
39 die Sekundärwicklung 26, an die das Meßinstrument 27 angeschlossen ist. Das Ende
der Hochspannungswicklung 25 ist mit dem Metallzylinder 39 und über diesen mit Erde
verbunden.
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Die rechts von den Abb. 2 und 4 gezeichneten symbolischen Schaltungsschemata
lassen die zwischen Wicklungen und Zylindern und zwischen Zylindern und Zylindern
bestehenden Kapazitäten 4o bis 47, die parallel zu den entsprechenden Wicklungen
liegen, erkennen. Dabei sind die K=apazitäten 41. 42, 45 und 4( noch entsprechend
der Anzahl der vorhandenen Lagen unterteilt. Die zwischen Zylindern und `'Wicklungen
liegenden Kapazitäten sind dabei die größten.
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Die Abb. ; und 6 lassen den bei der Anordnung der@M7iclclungen nach
der 1?rfindung sich ergebenden einfachen konstruktiven Aufbau eines derart ausgebildeten
Transformators bzw. lle!iwandler@ in Kaskadenschaltung
erkennen.
Hiernach sind die beiden Einzelsvsteme 48, 49 von einem einteiligen, zvlindrischen
Isoliergehäuses 5o umgeben.