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Lagenweise Hochspannungswicklung mit axial gesteuerter Spannungsverteilung
der Lagenenden vom End- zum Anfangspotential, insbesondere für Transformatoren,
Meßwandler oder Drosselspulen Es ist bereits eine lagenweise Hochspannungswicklung,
insbesondere für Transformatoren, Meßwandler oder Drosselspulen mit radial gesteuerter
Spannungsverteilung der Lagenenden vom End= zum Anfangspotential, bekanntgeworden;
des weiteren eine H_ochs2annungsspule, .bei, der die einzelnen sich koaxial
umschließenden Wicklung- slaen von der#inif deren -äri"Höch-@...-,.#rhy#_ ...
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`spnnün,5liegenden. Lager ausgeh#d,--hinteemandergeschaltet smd, derad@'_laß
die ß a:n-`nüng bei Erdung der äußeren oder inneren Lage von diesen nach
den mittleren Lagen zu zunimmt. -Die@äxiä@e Länge der einzelnen' Wicklurigslag n
nimmt von der äußeren und der inneren Lage nach der mittleren, die Hochspannung
führenden Lage hin ab. Zwecks Abschirmung der jeweils unmittelbar miteinander verbundenen,
gleiches Potential führenden Enden der koaxial zugeordneten Lagen sind sie paarweise
mit flachen ringförmigen Schalen überdeckt, so daß dadurch neben der radialen n_
auch eine gewisse axiale P tentiälsteüeüng innerhalb der Spule vor-Bei der radialen
Steuerung muß die Spule entsprechend der zu steuernden Spannungsdifferenz, vor allem
bei höheren Spannungen, eine gewisse Mindesthöhe an ihren freien Enden haben. Zum
Bau eines Transformators mit niedriger Kurzschlußspannung ist eine solche Spule
aus dem Grunde nicht vorteilhaft, weil eine möglichst geringe Spulendicke bei entsprechender
axialer Längenausdehnung notwendig ist. Die beiden Forderungen stehen also einander
gegenüber.
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Bei der bekannten Hochspannungsspulenanordnung mit koaxialen Zylindern
und axialer Potentialsteuerung sind aber die Feldkontraktionen an den dreieckförmig
in die Spule eindringenden Rändern nicht vermieden; denn zwischen der letzten Windung
des jeweils kür zeren Zylinders und der nächsten darunter- oder darüberliegenden
längeren Lage entsteht eine Feldkontraktion bzw. Feldverschiebung, so daß eine Feldbeherrschung
bei der bekannten Anordnung bisher nicht gelungen ist, trotzdem die Enden der Lagen
höheren Potentials durch die zwischenliegenden- Potentiale vom Anfangspotential
getrennt sind.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß Feldkontraktionen bzw.
-verschiebungen des elektrischen Feldes vermieden werden müssen, weil diese der
Rechnung kaum zugänglich sind und vor allem geschichtete Isoliermaterialien zwischen
den einzelnen Wicklungslagen sich
diesen Beanspruchungen gegenüber
nicht gewachsen zeigen. Vermieden werden die Feldverschiebungen bzw. das Ineinandergreifen
der Feldlinien in der lagenweisen Hochspannungswicklung erfindungsgemäß dadurch,
daß die Potentiale des Verbindungspunktes je zweier aufeinanderfolgender Lagen radial
an den Spulenumfang herausgeführt sind, so daß die Lagenenden höheren Potentials
durch die zwischenliegenden Potentiale der radialen Herausführungen in der Spule
selbst vom Anfangspotential getrennt und die Potentialsteuerung der freien Enden
auf den Umfang der Spule verlegt ist. Damit wird durch die zwischengelegten leitenden
Flächen, die die Zwischenpotentiale führen, an den Enden der Lagenwicklung die gesamte
Spannungsdifferenz in so kleine, zwangsmäßig gesteuerte Teilspannungen unterteilt,
daß sie bequem beherrscht werden können. Es entstehen zu beiden Seiten der Spule
potentialgesteuerte Zylinderflächen, so daß die Hochspannung unmittelbar ohne Verwendung
eines Isolators an die " außenliegende Eingangslage angeschlossen werden kann. Auch
ist es möglich, in einfacher Weise den äußeren Umfang der Spule durch Isolierzylinder
abzudecken. Zum Herausführen der Potentiale der Verbindungspunkte der einzelnen
Lagen kann auch die Wicklung selber dienen, indem der Draht am Lagenende nicht axial
zurück, sondern radial nach außen gewickelt wird. Dadurch entsteht eine auf dem
Lagenende sich aufbauende Scheibenwicklung. Das Ende der Scheibenwicklung wird an
der Scheibenwicklung heruntergeführt, die zweite Lage auf die erste aufgebracht
und am Ende wieder die Scheibenspule hergestellt USW.
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Die Entwicklung sei sogleich an Hand der in den Abbildungen dargestellten
Ausführungsformen von Hochspannungslagenwicklungen beschrieben.
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Nach den Abb. i und 2 eignen sich zunächst zum Herausführen der Potentiale
von den Verbindungspunkten ii der einzelnen, durch gewellte Striche angedeuteten
Wicklungslagen radial nach außen geführte geschlitzte, ebene, 12, oder winklig abgebogene,
13, Metallscheiben i2, 13. Dabei ist. die Isolation zwischen den einzelnen
Scheiben 12, 13 nur für die jeweilig doppelte Lagenspannung zu, bemessen, die sehr
reichlich sein kann, weil j a in axialer Richtung genügend Platz zur Verfügung steht.
Eine besondere Stärke der radialen Scheiben 12, 13 ist aus Gründen der Spannungsverteilung
nicht notwendig. Sie können auch aus leitenden Folien bestehen und auch in einem
Winkel zur Normalen auf die Spulenachse verlaufen.
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Die Anordnung kann wirtschaftlicher gestaltet werden, wenn, wie in
Abb. 3 gezeigt, ein Teil der für die Hochspannungsspule notwendigen Windungen nach
Fertigstellen der Wicklungslage am Ende der Lage. radial nach außen «eitergewickelt
und so das Lagenendpotential an den Umfang der Spulen geschafft wird. Es entstehen
dann neben den konzentrischen Wicklungslagen abwechselnd sich auf den axialen Lagenenden
aufbauende, parallele Scheibenspulen 14. Zum Weiterwickeln wird der Dralit
15 von dem äußeren Umfang abgekröpft und längs der Scheibenspule 14 "Nieder
auf den Umfang der Lagenwicklung nach innen geführt. Dann wird die nächste Lage
der Wicklung ausgeführt, am Ende wieder die Scheibenspule 14 radial nach außen gewickelt
usf., bis man in der Spule die nötigen Windungen untergebracht hat. Jeder Lagenwicklung
ist somit eine Endscheibenwicklung 14 zugeordnet. Diese Wicklungsanordnung hat den
Vorteil, daß keine Lötstellen in der Wicklung vorhanden sind, weil diese aus Lagen-
und Scheibenwicklungen zusammengesetzte Hochspannungsspule von Anfang bis Ende durchgewickelt
ist. Die an den Scheibenspulen bei einer derartigen lötstellen-oder verbindungslosen
Wicklung heruntergeführten Drähte bedingen immer einen Zwischenraum, entsprechend
der Drahtstärke zwischen benachbart liegenden Scheibenspulen und auch eine Feldverzerrung.
in diesen Zwischenräumen. Es werden daher nach Abb. 4 zwischen einander benachbarte
Scheibenspulen 14 noch geschlitzte Metallscheiben 12 gesetzt. In dem durch den Schlitz
entstehenden Hohlraum läßt sich sodann der Draht 15 vom äußeren Umfange bzw.
Ende der anliegenden Scheibenspule zum Anfang der nächstenLagenwicklungherunterführen.
Gleichzeitig erfolgt durch die Metallscheiben i2 die Ausfüllung des Luftzwischenraumes
zwischen den Scheibenspulen.
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Es ist auch möglich, wenn auf eine lötstellen-bzw. verbindungslose
Wicklung kein Wert gelegt wird, das äußere Ende der Scheibenspule mit dem einen
und den Anfang der Lagenwicklung mit dem anderen Ende der radial geschlitzten Scheibe
iz'zu verbinden und sie so als Windung oder, wenn die Scheibe i2 selbst spiralig
aufgeschlitzt wird, als Windungen mitzubenutzen. Auch kann in den Spiralschlitz
der Draht 15 wieder spiralig eingelegt werden. Auch dieser durch die Scheiben i--
eingenommene Raum kann besser ausgenutzt werden, wenn an Stelle des Drahtes die
Spule von außen nach innen weitergewickelt wird, so also, daß zu jeder Lagenwicklung
eine radial nach außen und eine radial von außen nach innen gewickelte Scheibenspule
gehört. Dadurch, daß die Potentiale der räumlich verschieden hoch liegenden Verbindungspunkte
nebeneinanderliegender Lagenwicklungen entweder durch leitende Scheiben oder- durch
die Scheibenwicklung selbst radial bis zu einer gemeinsamen Höhe, dem gemeinsamen
Außendurchmesser der Wicklung, herausgeführt sind, ergibt sich die Trennung der
Lagen
höheren Potentials von denen niedrigeren Potentials.
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Da die Spule bis zum Ende ihrer ersten Lage gegen das Anfangspotential
nur eine geringe Spannungsdifferenz hat, kann sie nach Abb. 3 und q. in einen geschlitzten
Metallkörper 16 eingewickelt werden, der sie zusammenhält und gegen- Auseinanderreißen
bei Kurzschlüssen schützt. Dieser Spulenkörper kann auch, wenn er einen Eisenkern
umgibt, in an sich bekannter Weise als einlagige Unterspannungswicklung eines Transformators
benutzt werden, indem die Unterspannung rechts und links vom Schlitz abgenommen
oder angeschlossen wird. Hierdurch wird ein dichtes Aneinanderlegen der beiden Wicklungen
und damit eine sehr geringe Streuspannung sowie eine niedrige Kurzschlußspannung
erreicht. Werden mehr als eine Unterspannungswindung benötigt, so kann man das Rohr
des Metallspulenkörpers 16 schraubenförmig und die Flansche spiralig aufschneiden.
Ein derart aufgeschnittener Spulenkörper stellt dann die Unterspannungswicklung
dar.
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Man kann auch den umgekehrten Weg gehen und den Spulenkörper gemäß
Abb. 5 gleich aus der aus Profildrähten 17 bestehenden Unterspannungswicklung herstellen.
Die Profilierung kann dabei auch ähnlich einer solchen sein, wie man sie bei Metallschläuchen
verwendet, derart, daß die einzelnen Profilteile ineinandergreifen. Zur leichteren
Herstellung eines solchen Spulenkörpers können die Windungen auf einen Träger 18
aus Isoliermaterial oder aus einem mit Isolierüberzug versehenen Metall aufgewickelt
werden. Der Träger kann auch im Querschnitt rechen- oder kammartig ausgebildet sein,
um als Abstandshalter der einzelnen Windungen zu dienen. Seine Enden umfassen dabei
im Bedarfsfalle noch zangenartig die den Spulenkastenflansch bildenden Windungen.
Der so gebildete Spulenkörper mit dem Träger wird in Isolierlack oder Emaille eingetaucht,
bis die für die Windungsspannungen notwendige Isolation erreicht ist und bis sie
die Spannungsdifferenz gegen die erste Oberspannungslagenwicklung aushält. Dies
Verfahren kann so lange fortgesetzt werden, bis die Zwischenräume vollständig ausgefüllt
sind und die Windungen mit dem Isolierstoff zusammen einen festen, elektrisch oder
mechanisch widerstandsfähigen Spulenkörper darstellen, in den die Oberspannungswicklung
in der vorher beschriebenen Weise eingebracht werden kann.
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Die Oberspannungsspule ist in diesem Fall dreiseitig umschlossen,
die Hochspannung wird an der offenen- vierten Seite, ungefähr in der Mitte des äußeren
Umfanges abgenommen und fällt nach den beiden Spulenkörperflanschen hin in der Höhe
der jeweils doppelten Lagenspannung ab. Zufolge dieser gestaffelten Spannungsverteilung
wird auch die Staubniederschlagsgefahr auf dem Umfang der Spule vermindert. Bekanntlich
richten sich auf blanken Metallteilen Fäserchen und Staubpartikelchen zufolge der
elektrostatischen Kräfte auf, saugen sich voll Feuchtigkeit und bilden dann Spitzen,
die beim Auftreffen von Überspannungswellen zur sogenannten Ionenwolkenbildung und
damit zu Überschlägen Veranlassung geben. Aus diesem Grunde werden die radialen
Metallscheiben 12 bzw. 13 allseitig mit einem Isolierüberzug versehen, der so stark
sein muß, daß er der jeweiligen doppelten Lagenspannungsdifferenz entspricht. Auch
die auf dem äußeren Umfang in der Mitte liegende Eingangswindung xg wird mit einer
derartigen Isolierschicht versehen. Wenn die Eingangswindung =g in ihrer Längenausdehnung
verhältnismäßig breit gemacht wird, dann werden die auf der Spule auftreffenden
Wanderwellenreflexionen durch die Kapazität der Windungslagen gegeneinander und
der eingelegten radialen Metallscheiben 12 bzw. 13 sehr stark verflacht. Um noch
eine glatte Oberfläche der Oberspannungsspule zu bekommen, wird der ganze Spulenkörper
in Isolierlack eingetaucht und so das Eindringen von Feuchtigkeit verhindert. Allerdings
würde die Feuchtigkeit in diesem Fall sehr wenig schaden, weil nirgends erhebliche
Spannungsdifferenzen und Feldkontraktionen auftreten, wo sich Feuchtigkeit und Staub-
und Olausscheidungen niederschlagen können. Trotzdem ist es möglich, insbesondere
bei in Luft, Gas oder in Sand angeordneten, jedenfalls nicht in Isolierflüssigkeit
befindlichen Wicklungen für Trockenapparate noch den Spulenumfang mit einem Isoliermantelrohr
so zu umgeben und mit der Hochspannung an einer Stelle in der Mitte des Rohrumfanges
hindurchzugehen, zumal j a die innere Mantelfläche des Isolierrohres 2o zu beiden
Seiten in axialer Richtung durch die darunterliegende Oberspannungswicklung potentialgesteuert
wird. Dies ist insbesondere dann erforderlich, wenn der Spulenkörper 16 gemäß Abb.
q. auf einem Eisenkern 2z angeordnet wird und die radiale Spannungsdifferenz des
Endpotentials gegen den annähernd auf Anfangspotential befindlichen Eisenkern oder
bei Drehstromtransformatoren die Spannungsdifferenz zwischen den einzelnen Phasenwicklungen
nicht durch einen entsprechend größeren Abstand aufgenommen werden soll oder in
dem Zwischenraum an Hochspannungswicklungspunkte angeschlossene Potentialsteuerbleche
angeordnetwerden.
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Kommt es darauf an, diesen Abstand sehr klein zu halten, so kann,
wie Abb, q. zeigt, das Isoliermantelrohr 2o auf seinem äußeren Umfang mit einer
Metallschicht 22 versehen und eine Durchführung 23 als Herausführung für die Hochspannung
benutzt werden, die mit dem Isoliermantel zo ein Stück bildet. Die Metallschickt
22
geht in diesem Falle bis in die untere Hohlkehle des Vorsprunges 24 der Durchführung
23. Die auf dem Isoliermantelrohr 2o befindliche Metallschicht 22 verläuft dabei
senkrecht zu den radial zur. Spulenachse angeordneten Metallscheiben 12 oder Scheibenspulen
14, so daß infolge dieser räumlichen Lage dieser Teile zueinander Feldverzerrungen
auch hier vermieden sind.
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Um die Durchführungslänge nicht für die ganze Spannungsdifferenz der
Hochspannung gegen Erde ausführen zu müssen, kann auf dem Mantel die Metallisierung
22 um die Durchführung 23 herum in mehrere konzentrische Ringe unterteilt werden.
Diese Metallringe können dann auch noch durch den Mantel 2o hindurch an die zugehörigen
Hochspannungspotentiale angeschlossen werden. .
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Auf die Oberspannungswicklung 25 kann erfindungsgemäß nach Abb. 6
eine zweite, an sich bekannte, konzentrisch dazu liegende Oberspannungswicklung-26
derart im Axialschnitt spiegelbildlich aufgewickelt werden, daß die herausgeführten
Wicklungsteile gleichen Potentials an der Trennstelle 27 einander gegenüberstehen.
Ob nun die beiden Wicklungen nach Abb. 6 und 7 parallel oder nach Abb. 8 hintereinandergeschaltet
sind, immer entsteht an der Berührungsfläche ein axial verlaufender Spalt mit axialer
Potentialsteuerung, aus welchem Grunde auch hier wieder Feldkontraktionen vermieden
sind. Um aber die beiden Wicklungen nach Abb. 8 in Serie zu schalten, werden die
einzelnen im Querschnitt spiegelbildlich sich gegenüberstehenden, zueinander gehörigen
Wicklungsabteilungen miteinander verbunden oder metallisch dicht aneinandergelegt.
In beiden Fällen wird zuerst die innere Wicklung 25 hergestellt und um diese herum
die äußere 26 in umgekehrter Reihenfolge gelegt. Man beginnt an die innerste Lage
ig anschließend die Scheibenspule 28 hochzuwickeln, sodann die Lagenwicklung 29
herzustellen, geht mit der Metallscheibe 3o oder Draht nach unten und wickelt im
Falle der Parallelschaltung die nächste Scheibenwicklung 31 usf., und im Falle der
Hintereinanderschaltung verfährt man genau so, nur daß man die Windungen der einen
wie der anderen Wicklungen 25 bzw. 26 an dem Umkehrpunkt aufschneidet und sie miteinander
an der Trennstelle 27 verbindet.
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Die das End- bzw. Hochspannungspotential führende Windung ig liegt
ungefähr in der Mitte der beiden Wicklungen 25, 26 und muß zum Anschluß herausgeführt
werden. Dies ist auf sehr einfache Weise mit einer verhältnismäßig kleinen Durchführung
32 möglich, da man sie mit zwangsmäßig durch die Wicklungslagen gesteuerten Potentialbelegen
33 ausführen kann. Um ein bequemes Aufspulen der zweiten Wicklung 26 zu ermöglichen,
wird ein Isolierring 34 auf die Eingangswindung ig aufgebracht, dessen Querschnitt
des in der Wicklung '26 unterzubringenden unteren Teiles der Durchführung 32 entspricht.
Durch entsprechende Öffnungen im Isolierring 34 werden nun die durch ihn unterbrochenen
Lagenverbindungen hindurchgeführt und auf der anderen Seite weitergewickelt. Um
auch die Potentialverteilung dieses Ringes 34 von innen nach außen zwangsmäßig potential
zu steuern, können Metallringe eingelegt werden, die mit den zugehörigen Lagen leitend
oder kapazitiv verbunden sind. Außerdem können die eingelegten geschlitzten Metallringe
als Windungen mit angeschlossen werden. Die Durchführung 32 kann, wie in Abb. 7
durch den Hochspannungspfeil angedeutet, auch in Längsrichtung des Spaltes 27 liegen.
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Da nun die Wicklungen 25, 26 auf ihrem ganzen Umfang nur eine verhältnismäßig
geringe Spannung gegen das Anfangspotential führen, können sie von einem radial
geschlitzten Metallgehäuse 35 umschlossen werden. Die Unterspannungswicklung 36
befindet sich auf dem Eisenkern 21.
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Das allseitig geschlossene Metallgehäuse 35 kann jedoch auch wieder
seinerseits die Unterspa.nnungswicklung bilden. Dann werden die vier Seitenwände
des Gehäuses bei entsprechender Isolierung paarweise oder alle vier in Serie geschaltet.
Außerdem können zur Vermehrung der Unterspannungswindungen die Rohrteile, wie bereits
früher erwähnt, schraubenförmig und die Flansche des Gehäuses bzw. Spulenkörpers
spiralig aufgeschnitten werden. Da in diesem Falle eine Wicklung die andere voll
umfaßt, ist die Streuspannung und somit auch die Kurzschlußspannung eines derartigen
Transformators ein Minimum.
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Die Oberspannungswicklung 25, 26 ist sodann durch die starke Unterspannungsw
icklung umfaßt, so daß auftretende Kurzschlußkräfte durch sie aufgenommen werden
können. Außerdem kann der ganze Spulenblock noch bandagiert . werden, um ein Auseinanderreißen
der Spulen zu vermeiden. Er kann auch von der Kernbefestigung aus entsprechend radial
und axial abgestützt werden, das in diesem Falle um so leichter ist, da man auf
eine etwa sich hierdurch ergebende Beschädigung der empfindlichen Oberspannungswicklung
keine Rücksicht zu nehmen braucht. Zufolge der geringen Kurzschlußspannung und der
geringen Streuung sind Wirbelstromverluste ein Minimum.
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Bei kleinen und mittleren Apparaten können bei Nichtverwendung von
Mänteln die radial geschlitzten Potentialscheiben i2, 13 oder Scheibenwicklungen
14 über den Umfang der Mricklung herausstehen, so daß dadurch eine künstlich vergrößerte
Oberfläche als Kühlfläche geschaffen wird.
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Bei großen abzuführenden Wärmemengen,
beispielsweise
bei Leistungstransformatoren, genügt aber die natürliche Kühlung nicht mehr. Hier
kann man, wie Abb. g zeigt, durch die hohl ausgebildeten, über isolierende Rohrverbindungen
36 hintereinandergeschalteten Potentialscheiben 12 bzw. 13 Druckluft oder
ein anderes flüssiges oder gasförmiges, normal temperiertes oder unterkühltes Isoliermittelhindurchdrücken.
Da man in den meisten Fällen mit höherem Anfangsdruck arbeiten muß, wird hierbei
auch die Expansionskälte mit zur Wärmeabfuhr ausgenutzt.
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Die zwischen den radial nach außen geführten Scheibenspulen 14 als
Fortsetzung der Lagenspulen liegenden geschlitzten Hohlscheiben 12 bzw. 13 nehmen
nun die Wärme aus diesen Spulen heraus, -die ihnen von der Wicklung selbst immer
wieder zugeführt wird. Vorteilhaft wird die Strömungsrichtung des Kühlmittels so
gewählt, daß es entsprechend der zunehmenden Spannung der Wicklung von rechts (Anschlußstutzen
37) und links nach innen zu der hohlen Eingangswindung ig hinfließt, damit die Einblaseöffnung
und die metallischen Zuleitungen auf Erdpotential und die Ausblaseöffnung an Hochspannung
liegen können. Der hohlen Eingangswindung gibt man ungefähr eine den Lagenwicklungen
entsprechende Länge, damit sie die Wärme aus den Lagenwindungen heraustransportiert.
An ihr ist die Austritts-bzw. Ausblaseöffnung 38 für das -Kühlmittel angesetzt,
deren Rohr 39, wenn es aus Metall besteht, gleichzeitig als Hochspannungsanschluß
dienen kann. Das Rohr führt im Falle des Umgebens mit einem Isoliermantel 2o durch
den Durchführungsisolator --3' bzw. 32. Um ein Pfeifen bei hoher Austrittsgeschwindigkeit
der frei ausgeblasenen Kühlluft zu vermeiden, erweitert sich die Öffnung vorteilhaft
zu einem Trichter bekannter Ausführung.
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Genügt diese Wärmeabfuhr noch nicht, so wird auch der Spulenkörper
16 hohl ausgeführt, oder es können zwischen die einzelnen Wicklungslagen eingebettete
und oder als Windungen angeschlossene Hohlrohre für sich vom Kühlmittel durchflossen
oder in den Kühlstrom mit eingeschaltet werden. Schließlich kann man, wenn die Unterspannungswicklung
den Spulenkörper, wie in Abb. 5 gezeigt, bildet, diese selbst hohl ausführen und
so die in der Unterspannungsspule entstandene Wärme und einen Teil der darüber befindlichen
Hochspannungsspulenwärme abführen. Hierbei können in bezug auf den Luftstrom alle
Unterspannungswindungen hintereinander oder auch ein Teil derselben zwecks geringer
Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Austritt des Kühlmittels parallelgeschaltet
werden.
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Wird die nach der Erfindung ausgebildete Hochspannungsspule bzw. der
sie tragende Eisenkern isoliert aufgestellt, so kann an die Eingangslage ig das
Anfangspotential bzw. Erde und an die innerste Wicklungslage die Hochspannung angeschlossen
werden. Dann verteilt sich die Spannung in umgekehrter Weise, wie an Hand der Abbildungen
beschrieben.