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Als Glied einer Transformatorkaskade verwendbarer, isoliert aufgestellter
Einphasentransformator mit mehreren (mindestens drei) Wicklungen Zur Erzielung außerordentlich
hoher Spannungen hat man bisher zwei oder mehrere isoliert aufgestellte Einphasentransformatoren
zu einer sogenannten Transformatorkaskade kombiniert, indem man jedem Transformator
außer der Niederspannungs-Primärwicklung und der Hochspannungs-Sekundärwicklung
noch eine dritte Wicklung meist niederer Spannung gab, welche zum Anschluß bzw.
zur Speisung der Primärwicklung eines zweiten gleichartigen Transformators der Kaskade
diente, dessen Sekundärwicklung zur Erzeugung höherer Spannungsstufen mit der Sekundärwicklung
des Vordertransformators in Reihe geschaltet war und dessen dritte Wicklung gegebenenfalls
zur Speisung eines weiteren derartigen Transformators der Kaskade diente. Die Schwierigkeit
dieser Kombination der Transformatoren lag in der Isolation der Wicklungen gegeneinander
und gegen Eisen, weil sich bei der üblichen Bauart der Transformatoren sehr große
Spannungsdifferenzen zwischen den benachbarten Teilen der verschiedenen Wicklungen
bzw. zwischen Wicklung und Eisen einstellen konnten. Man war daher bestrebt, die
Potentialeinstellung zwangsweise derart zu gestalten, daß sich eine möglichst geringe
Potentialdifferenz zwischen den benachbarten Teilen des Transformators ergab. Diese
erzwungene Potentialverteilung auf die betreffenden Teile wurde durch leitende Verbindungen
erreicht, welche die in ihrer Potentiallage steuerbaren Teile des Transformators
mit geeigneten Punkten der einpolig geerdeten Hochspannungswicklung verbanden. Das
Potential der so gesteuerten Teile wurde dabei so gewählt, daß es angenähert dem
Mittelwert der Potentiale benachbarter Teile entsprach. Diese Steuerung der Potentialverteilung
hat aber große Nachteile. Die leitende Verbindung nur je eines Punktes zweier getrennt
und somit voneinander gut isolierter Stromkreise wäre an sich zwar nicht schädlich,
weil sie keine Erhöhung der Strombeanspruchung der Transformatorwicklungen zur Folge
hat und daher ohne Einfluß auf den Belastungszustand der Transformatoren ist. Anders
liegt aber der Fall, wenn aus irgendeinem Grunde die Isolation zwischen diesen Stromkreisen
auch an anderer Stelle durchbricht. Dann stellt die genannte Maßnahme einen direkten
Kurzschluß des Transformators dar, welcher ihn zerstört und die ganze Anlage gefährdet.
Die Potentialsteuerung durch leitende Verbindung getrennter Stromkreise der Transformatoren
ist also möglichst zu vermeiden und stellt nur eine ungünstige Lösung der gestellten
Aufgabe dar.
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In günstigerer Weise wurde die gewünschte Potentialverteilung jedoch
auch schon mit anderen Mitteln. erreicht, welche die angegebenen Nachteile nicht
besitzen. Es wurde zu diesem Zweck von einer Erscheinung Gebrauch gemacht, die auf
der kapazitiven Beziehung jedes isolierten Körpers zu seiner Umgebung beruht. Befindet
sich ein isolierter Körper in
der Nähe anderer Körper verschiedenen
Potentials, dann nimmt er selbst ein Potential an, welches etwa dem Mittelwert derjenigen
Potentiale entspricht, die er annehmen würde, wenn die vorhandenen Körper einzeln
sein Potential bestimmen würden. Es findet in ihm gewissermaßen ein Ausgleich verschiedener
gleichzeitig in ihm erzeugter Potentiale zu einem Mittelwert statt. Die Höhe dieses
Ausgleichswertes ist aber verschieden, je nach der Stellung des Körpers zu den andern,
und es läßt sich in jedem Falle eine Lage finden, in welcher der Ausgleichswert
ein solcher ist, daß die jeweils maximale Potentialdifferenz zwischen diesem Körper
und den andern ein Minimum wird. Diese Erkenntnis läßt sich auf die Anordnung der
verschiedenen Transformatorwicklungen anwenden, indem man ihnen eine solche Lage
gegeneinander und gegen Eisen gibt, daß die gegenseitige kapazitive Verkettung aller
Teile den Zustand herbeiführt, der bisher zwangsweise durch die Potentialsteuerung
der Wicklungen erreicht wurde.
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Eine besonders vorteilhafte Wicklungsanordnung dieser Art läßt sich
durch eine eigenartige Symmetrieanordnung der Wicklungen erreichen, und Gegenstand
der Erfindung ist ein als Glied einer Transformatorkaskade verwendbarer, isoliert
aufgestellter Einphasentransformator mit mehreren (mindestens drei) Wicklungen,
nämlich einer Primärwicklung niederer Spannung, einer aus zwei parallel geschalteten
Teilen bestehenden Sekundärwicklung hoher Spannung und einer dritten Wicklung meist
niederer Spannung, welche zur Speisung der Primärwicklung eines zweiten gleichartigen
Transformators der Kaskade dient, dessen Sekundärwicklung zur Erzielung höherer
Spannungsstufen mit der Sekundärwicklung des Vordertransformators in Reihe geschaltet
ist und dessen dritte Wicklung zur Speisung eines weiteren derartigen Transformators
der Kaskade dienen kann.
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Die Wicklungen des Transformators sollen nun erfindungsgemäß derart
symmetrisch zu einer durch die Mitten der beiden Transformatorschenkel gelegten
Geraden angeordnet sein, daß die Primärwicklung und die dritte Wicklung zwischen
den gleiches Potential aufweisenden Anfängen bzw. Enden der parallel geschalteten
Teile der Sekundärwicklung liegen.
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Die Beanspruchung der Isolation der Transformatoren wird bei dieser
Ausführung auf den minimal . überhaupt erreichbaren Wert gebracht.
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Die Erfindung sei an Hand der Ausführungsbeispiele der Fig. z und
a näher erläutert. In der Zeichnung ist eine Kaskade von zwei zweischenkligen Einphasentransformatoren
T1 und T2 dargestellt. Die Transformatoren seien isoliert aufgestellt, so daß auch
das Potential des Eisenkörpers steuerbar ist. In Fig. z bedeutet T1 den ersten (Vorder-)
Transformator der Kaskade, T2 den zweiten (Hinter-) Transformator der Kaskade, P1
bzw. P2 sind die Primärwicklungen nied--: er Spannung, Q1' Qi', Q2Z Q21' die Sekundärwicklungen
hoher. Spannung, Z1 bzw. Z2 die dritten Wicklungen meist niederer Spannung. Hier
sei angenommen, daß sie die gleiche Windungszahl wie die Primärwicklungen haben,
Cl Bi bzw. C2 B2 die beiden Schenkel des Transformatoreisens F1 bzw. F2,
ynl zzl bzw. in, n2 die Schenkelmitten der beiden Transformatoren, 0l bzw. o2 Anschlußpunkte
des Eisens an die Wicklungsmitten der Sekundärwicklungen Q1 bzw. Q2, Si bzw. S2
sind die durch die Schenkelmitten nzl yzl bzw. m2 y2, gelegten Symmetrieachsen der
beiden in allen Punkten gleich ausgeführten Transformatoren.
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Die Primärenergie wird der Wicklung P1 zugeführt, von dieser teils
auf die Wicklungen Qi Q teils auf die Wicklung Z1 übertragen. Die Wicklung Z1 speist
die Primärwicklung P2 des Transformators T2, und die Wicklung P2 überträgt die aufgenommene
Energie auf die Wicklungen Q2 Q2' und gegebenenfalls bei weiteren Kaskadentransformatoren
auf den nächsten Transformator der Kaskade. Die beiden Wicklungen Q1 und Q1" bzw.
Q2 Q2' sind parallel geschaltet, und es liegen ihre Anfänge und Enden in der Symmetrieasche
S1 bzw. S2. Die Wicklungen Q1 Q1" bzw. Q2 Q2' sind zur Erzielung einer vollen Symmetrie
in bezug auf die genannte Symmetrieachse mit entgegengesetztem Wicklungssinn gewickelt.
Ferner sind sie auf beide Schenkel des Transformators gleich verteilt, so daß sich
die Spannungsmitte der Sekundärwicklung in den beiden Verbindungsleitungen L1 L1
' bzw. L2 L2 ' befindet. Die Sekundärwicklungen der beiden Transformatoren sind
durch die Verbindungsleitung L3 in Reihe geschaltet. Der Anfang A der Sekundärwicklung
Q1 ist geerdet. Das Ende E der Sekundärwicklung Q2 besitzt somit gegen Erde eine
Spannung gleich dem zweifachen Wert der Sekundärspannung eines der beiden gleich
ausgeführten Transformatoren. Während die Potentiallage der Zwischenstromkreise
Z,-P, erfindungsgemäß durch ihre kapazitive Verkettung bestimmt sein soll, soll
die Potentiallage der Eisenkörper F1 und F2 in der bekannten Weise durch die leitende
Verbindung der Punkte o1 mit L1 und o2 mit L2 so festgelegt sein, daß F1 das Potential
der Wicklungsmitte von Q1, F2 das Potential der Wicklungsmitte von Q2 besitzt.
Durch
die dargestellte symmetrische Anordnung aller drei `Wicklungen in bezug auf die
gezeichneten Symmetrieachsen S1 bzw. S. wird nun folgende Potentialeinstellung der
Wicklungen erreicht: i. Die Wicklung P1 ist kapazitiv eng gekoppelt mit den benachbarten
Windungen der '\Vicklungen Q1' Qi', welche infolge der Erdung des Punktes A Erdpotential
besitzen. Das Potential der Wicklung P1 wird aber vorwiegend bestimmt durch das
speisende Primärnetz, welches selbst auch annähernd Erdpotential besitzt. Es ist
somit zweifellos, daß sich das Potential von P1 nicht wesentlich anders einstellen
wird als das Potential der benachbarten Windungen der Wicklungen Ql' Q1".
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Der Stromkreis der Wicklungen Z,-P. ist mit den Endwindungen der Wicklungen
Q1' Q1" und den Anfangswindungen der Wicklungen Q2 Q2" eng gekoppelt. Alle diese
Windungen haben das der Sekundärspannung des Transformators Ti entsprechende Potential.
Sie würden also dem Stromkreis annähernd dieses Potential aufdrücken. Andererseits
ist die Wicklung Z1 mit dem Eisen F1, die `'Wicklung P, mit dem Eisen F2 noch enger
gekoppelt. Da nun F1 das Potential der Wicklungsmitte der Sekundärwicklung von T1,
F2 das Potential der Wicklungsmitte der Sekundärwicklung von T2 besitzt, und da
das erstgenannte Potential dem halben, das zweite dem eineinhalbfachen Wert der
Sekundärspannung eines Transformators entspricht, so stellt sich das Potential des
Stromkreises Z,-P, auf den Mittelwert dieser Potentiale ein, welcher ebenfalls dem
einfachen Wert der Sekundärspannung eines Transformators entspricht. Also sowohl
die kapazitive Verkettung mit den Wicklungen Q, Q2 wie auch mit dem Eisen F, F2
bewirkt, daß sich das Potential des Stromkreises Zl-P2 auf den Wert der S°kundärspannung
eines Transformators einstellt. Die sich hierbei ergebende Potentialdifferenz gegen
benachbarte Wicklungsteile ist Null, gegen Eisen dagegen gleich dem halben Wert
der Sekundärspannung, wie es annähernd auch bei der M'icklung P1 der Fall war.
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3. Die Wicklung Z2 ist mit den Endverbindungen der Sekundärwicklungen
Q2 Q2' und mit dem Eisen F2 käpazitiv verkettet, sie wird also ein zwischen den
entsprechenden Potentialen liegendes Potential gegen Erde annehmen, welches also
größer als die eineinhalbfache, aber kleiner als die zweifache Sekundärspannung
eines Transformators ist. Die Potentialdifferenz der Wicklung Z2 gegen Eisen sowohl
als gegen die Wicklungen Q2 Q2' ist also auch hier kleiner als die halbe Sekundärspannung
eines Transformators. Für den Fall, daß die Wicklung Z2 zum Anschluß einer weiteren
Primärwicklung P3 dient, stellt sich das Potential des Stromkreises Z.-P" in analoger
`reise auf das Endpotential der Sekundärwicklung des Transformators T2 ein, wie
sich das Potential von Zi P2 auf das Endpotential der Sekundärwicklung des Transformators
T1 eingestellt hat.
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Man erkennt hieraus, daß allein durch Anordnung der Wicklungen unter
Einfluß ihrer kapazitiven Verkettung die Potentiale der Wicklungen sich von selbst
so einstellen, daß sich keine den halben Wert der Sekundärspannung eines Transformators
übersteigende Potentialdifferenz zwischen benachbarten Teilen des Transformators
ergibt, ein Resultat, das bisher nur durch leitende Verbindungen der steuerbaren
Stromkreise mit Punkten der geerdeten Hochspannungssekundärwicklung erreicht wurde.
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Eine Verbesserung der beschriebenen und dargestellten Einrichtung
erhält man durch Einführung einer vierten 'Wicklung gemäß Fig.2. In Fig. 2 ist die
Bedeutung der Buchstaben die gleiche wie in Fig. i. Die Wicklungen P1, Z1, P2 und
Z2 liegen als konzentrierte Wicklung in der Mitte der Schenkel, und zwar liegt jede
Wicklung symmetrisch zu den Symmetrieachsen Si und S2. Ferner wird jede dieser Wicklungen
von den parallel geschalteten Teilen der. zugehörigen Sekundärwicklung flankiert,
weche demnach jeweils zu beiden Seiten neben den Niederspannungswicklungen angeordnet
sind. Den bisher genannten Wicklungen jedes Schenkels gegenüber und auf dem ganzen
Schenkel gleichmäßig verteilt liegt je eine Hälfte einer vierten Wicklung D,' D1
' bzw. D2 D2', wobei die Hälften dieser vierten Wicklung derart miteinander verbunden
sind, daß sie die Streufelder der drei anderen Wicklungen kompensieren. Diese vierte
Wicklung hat außer dem Zweck der Kompensation der Streufelder noch die Aufgabe,
die Sekundärwicklung von der Übertragung der der Primärwicklung zugeführten Energie
auf die dritte Wicklung zu entlasten. Das Potential dieser vierten Wicklung stellt
sich -wegen ihrer symmetrischen Anordnung von selbst derart ein, daß es dem Potential
des zugehörigen Eisenkörpers gleich ist. Dies ist aus der engen kapazitiven Verkettung
dieser Wicklung hauptsächich mit der Sekundärwicklung leicht zu erkennen, denn die
kapazitive Verkettung besteht in jedem Transformator in gleicher Weise mit Sekundärwindungen
niedrigen, mittleren und hohen Potentials, so daß sich als Ausgleichs- bzw. Mittelwert
des Potentials der vierten Wicklung jeweils ein Potential ergibt, welches dem Potential
der Wicklungsmitte der Sekundärwicklung gleich ist. Dies ist aber auch das Potential
des Eisenkörpers des betreffenden Transformators.
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Die angegebenen Ausführungsbeispiele erschöpfen die Möglichkeit einer
der Erfindung entsprechenden Wicklungsanordnung nicht. So
können
an Stelle konzentrierter auch untermischte Wicklungen verwendet werden, und es ist
die Zahl der Wicklungen pro Transformator durchaus nicht auf drei oder vier beschränkt.
In jedem Falle läßt sich schon durch die Anordnung und symmetrische Lage der Wicklungen
zu einer durch die Schenkelmitte gelegten Symmetrieachse erreichen, daß sich unter
Einfluß der kapazitiven Verkettung der Transformatorteile gegeneinander von selbst
eine möglichst geringe Potentialdifferenz zwischen benachbarten Wicklungen ergibt.