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Hochspannungstransformator oder Drosselspule Bei der Herstellung von
Transformatoren oder Drosseln mit sehr hohem Spannungsabfall in der Hochspannungswicklung
bereitet die Isolation die hauptsächlichen Schwierigkeiten. Man hat infolgedessen
zunächst den Weg eingeschlagen, die Spannung in mehrere Stufen aufzuteilen, von
denen jede einen besonderen, in bezug auf den Hochspannungskreis in Reihe mit den
anderen geschalteten Transformator aufweist, so daß in jedem einzelnen Transformator
die Isolation nur für einen Teil der Gesamtspannung bemessen zu sein braucht. Diese
Anordnung hat jedoch neben den verhältnismäßig hohen Kosten vor allem den Nachteil,
daß die Energie nacheinander über mehrere Eisenkerne transportiert werden muß, so
daß unter Umständen sehr erhebliche Verluste entstehen. Bei Verwendung solcher Transformatoren
für Meßzwecke ergibt sich der weitere Nachteil, daß die Fehler mit zunehmender Kernzahl
ebenfalls entsprechend zunehmen.
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Die obengenannten Nachteile des Stufentransformators könnte man vermeiden,
wenn es gelänge; eine einzige Stufe für die gesamte zu bewältigende Spannung zu
isolieren, ohne daß -man zu unwirtschaftlich großen Abmessungen des Transformators
gelangt.
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Um überhaupt hohe Spannungen mit einer einzigen Wicklung bewältigen
-zu können, pflegt man diese Wicklung in eine Reihe axial aufeinanderfolgender
Scheibenspulen aufzuteilen. Unter Benutzung dieser in der Hoch= spannungstechnik
allgemein üblichen Anordnung gelingt es erfindungsgemäß, einen Einstufentransformator
von verhältnismäßig kleinen Abmessungen für sehr hohe Spannungen herzustellen, nämlich
durch die Vereinigung folgender für sich bereits bekannter bzw. vorgeschlagener
Maßnahmen: r. Mindestens neben den ein höheres Potential gegen den Kern führenden
Scheibenspulen wird entweder der Kern selbst unter Vermeidung scharfer, weiter vorspringender
Kanten ausgebildet oder er wird mit einer solche Kanten nicht aufweisenden, metallisch
leitenden Hülle umgeben. Dadurch wird zunächst einmal die Vorbedingung für eine
möglichst gleichmäßige Verteilung des . Feldes zwischen den entgegengesetztes Potential
führenden Teilen, nämlich dem Eisenkern und der Oberspannungswicklung, erreicht
und so das Auftrete.z von Gleitfunken, das sich sonst auch bei der besten Isola:
tion nicht verhindern läßt, vermieden.
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Da sich ein runder Kern wegen der dafür erforderlichen sehr verschiedener.
Blechschnitte nur schwer aufbauen läßt, wird man im allgemeinen den Kern mit einer
leitend mit ihm verbundenen, metallisch leitenden Hülle versehen, bei der sich die
gewünschten Abrundungen ohne weiteres erreichen lassen, indem man ihr z. B. kreisförmigen
Querschnitt gibt. Um den innerhalb dieser Hülle zur Verfügung stehenden Raum möglichst
gut auszunutzen, wird man zweckmäßig den
Kernquerschnitt der Kreisform
möglichst annähern, also z. B. dem Kerbquerschnitt etwa die vielfach gebräuchliche
Kreuzform geben.
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2. Der zweckmäßig langgestreckte zweischenklige Kern wird mit einer
U-förmigen Isolierhülle versehen, und auf dieser Isolierhülle wird die Oberspannungswicklung
derart angeordnet, daß das Potential der einzelnen Scheibenspulen nach dem oder
den offenen Enden der Isolierhülle abfällt. Die Stärke dieser Isolierhülle braucht
nicht so bemessen zu sein, daß die Hülle den gesamten Spannungsabfall im Transformator
aufnehmen kann, weil nämlich, wie späterhin. ausgeführt ist, auch die Oberspannungswicklung
zweckmäßig noch mit einer besonderen Isolation versehen wird.
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3. Die unter 2 erläuterte Anordnung würde immer noch zu einer sehr
störenden Längenausdehnung der Oberspannungswicklung führen. Diese Schwierigkeit
wird dadurch beseitigt, daß die Oberspannungswicklung mit einer besondersartigen
Isolation versehen wird, von der zweckmäßig der größere Teil der Spannung aufgenommen
wird. Die Scheibenspulen der Oberspannungswicklung werden nämlich von einer Mehrzahl
einander umfassender Isolierhüllen umgeben, und diese Isolierhüllen werden derart
gestaffelt, daß die für die Isolation niedriges Potential gegen den Eisenkern führender
Scheibenspulen vorgesehenen Isolierhüllen auch alle höheres Potential gegen den
Eisenkern führenden Spulen mit- umfassen. Dadurch gelingt es, die Länge der Oberspannungswicklung
auf ein in Anbetracht der zu überwindenden Spannung sehr geringes Maß zu verringern.
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Durch die Vereinigung der oben angeführten Maßnahmen gelingt es somit,
die Vorteile aller bisher vorgeschlagenen, besonders für die räumliche Zusammendrängung
eines Transformators geeigneten Maßnahmen miteinander zu vereinigen und ihre Nachteile
gegenseitig aufzuheben, so daß als Ergebnis ein Transformator sich ergibt, dessen
geringe Abmessungen bisher für völlig unmöglich gehalten wurden. So läßt sich z.
B. ein einstufiger 22o-kV-Spannungswandler innerhalb eines Isolierbehälters unterbringen,
dessen Höhe derjenigen eines für 22o kV Betriebsspannung bemessenen Stützens entspricht
und dessen Durchmesser den eines normalen Stützens entweder gar nicht oder nur wenig
überschreitet.
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In den Fig. z bis q. sind einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dargestellt, und zwar zeigt Fig. i die aktiven Teile eines Spannungswandlers, wobei
die linke Kernhälfte mit den diese umfassenden Spulen im Schnitt, die rechte Kernhälfte
in Ansicht dargestellt ist. Die Fig.2 und 3 stellen Schnitte durch vollständige
Wandler dar, deren aktive Teile gemäß Fig. i aufgebaut sind, und Fig. q. zeigt,
in welcher Weise zweckmäßig die Scheibenspulen miteinander verbunden werden.
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In der Fig. i ist mit i der Eisenkern bezeichnet, der aus Blechen
zusammengeschachtelt ist und zweckmäßig die dem Kreisquerschnitt sich annähernde
Kreuzform aufweist, um das Aufbringen der isolierenden Hülle zu erleichtern. Um
diesen Eisenkern ist zunächst unter Zwischenfügung einer Isolationsschicht die Unterspannungswicklung
2 gewickelt. Danach ist der Eisenkern mitsamt der Unterspannungswicklung von einer
leitenden Metallschicht q. umschlossen, die zweckmäßig z. B. durch Aufwickeln eines
Blechbandes hergestellt werden kann. Es können natürlich auch andere Blechformen
dafür benutzt werden. Dabei muß jedoch stets darauf Bedacht genommen werden, daß
keine Kurzschlußwindungen von der Blechhülle gebildet werden; so müssen z. B. die
einander überlappenden Kanten des Bandes gegeneinander isoliert sein, Über die Blechhülle
q. ist eine Isolierhülle 3, zweckmäßig aus Papierband, aufgebracht. 5 sind
Rohre aus Isoliermaterial, welche die Blechhülle q. und die Isolierhülle 3 durchsetzen
und die infolge der Kreuzform des Kernes frei gebliebenen, längs des Kernes verlaufenden
Kanäle mit der äußeren Umgebung verbinden. Sie haben den Zweck, bei Verwendung des
Wandlers unter Öl einen für die Wärmeabfuhr günstigen Ölkreislauf längs des Kernes
zu ermöglichen.
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Die Oberspannungswicklung ist in eine Reihe von Scheibenspulen aufgeteilt.
In der Zeichnung sind der Übersichtlichkeit halber nur sechs solcher Scheibenspulen
dargestellt. In Wirklichkeit wird man diese Zahl erheb= sich überschreiten. Bei
der Herstellung ist so vorgegangen, daß zunächst die Scheibenspule 6, die den Hochspannungsanschluß
7 trägt und im wesentlichen die Schutzwindungen aus stärkerem Draht enthält, von
zwei Isolierhüllen 8 und 9 umgeben ist. Beide Isolierhüllen erstrecken sich auch
auf die Hochspannungsausführung 7. Danach wird die anschließende Spule io zunächst
für sich mit einer Isolierhülle umgeben und darauf gemeinsam mit der Spule 6 von
einer Isolierhülle i i umfaßt, die sich ebenfalls mit auf die Hochspannungsausführung
erstreckt. In derselben Weise sind alle darauffolgenden Spulen zunächst für sich
isoliert und dann gemeinsam mit den voraufgegangenen von einer Isolierhülle umgeben,
wobei sich die zuletzt genannten Isolierhüllen alle wieder auch auf die Hochspannungsausführung
erstrecken.
Von der tiefsten Spule aus ist die Verbindungsleitung
1a an Erde geführt. Die Zuleitungen der Unterspannungswicklung 2 sind nicht dargestellt,
sie werden in der üblichen Weise ausgeführt. Mit 13 ist die nur für sich isolierte
Spule bezeichnet, die, ohne die umhüllende Isolation zu beschädigen, eine Veränderung
der Windungszahl zum Zwecke der Abgleichung des Wandlers ermöglicht.
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Die einzelnen Isolierhüllen werden zweckmäßig aus bandförmigem Isoliermaterial,
insbesondere Papierband, ausgeführt, da man sie so der Form der zu umhüllenden Spulen
am leichtesten anpassen kann.
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Die Verbindung der einzelnen Spulen untereinander geht aus der Fig.
q. hervor. In dieser Figur sind mit 13 und 14 zwei einander benachbarte Scheibenspulen
umfassende Isolierhüllen bezeichnet. 15 und 16 sind die aus diesen Scheibenspulen
herausgeführten Drahtenden. Diese sind durch die Isolierhüllen durchsetzende Papierrohre
17 und 18 geführt. Sie werden an der Stelle ig miteinander verbunden, und danach
wird um diese Stelle ig herum ein weiteres Papierrohr 2o gerollt, das im wesentlichen
auch die aus den Isolierhüllen 13 und 14 herausstehenden Enden der Papierrohre 17
und 18 mit umfaßt. Nunmehr können die Spulen fest gegeneinandergedrückt werden.
Dabei wird aber zweckmäßig ein zur Aufnahme der zwischen den Spulen liegenden Verbindungsleitung
hinreichender Zwischenraum zwischen den Spulen aufrechterhalten, z. B. durch Einlegen
von Zwischenscheiben aus Preßspan, die Aussparungen für die Verbindungsleitung enthalten.
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Die in der Fig. i dargestellte Anordnung der Isolation hat zunächst
den Vorteil, daß alle Metallteile, von denen aus Gleitfunkenbildung zu befürchten
ist, mit hochwertigem Isoliermaterial bedeckt sind. Sie hat weiterhin den Vorzug,
daß die zur Beherrschung der Isolation gegen Durchschlag erforderliche Isolationsstärke
auf beide einen Potentialunterschied gegeneinander aufweisende Teile aufgeteilt
ist, so daß der mittlere Durchmesser der Isolation geringer wird und an Isolationsmaterial
gespart wird. Sie hat außerdem den Vorteil, daß bei Anordnung der aktiven Wandlerteile
im Innern eines Isolierbehälters der Potentialabfall im Innern. dieses Behälters
in günstiger Weise beeinflußt wird. Während nämlich bei ungeschütztem Eisenkern
das Potential an der oberen Stelle des Eisenkernes zwangsläufig . auf Null gehalten
würde, wird durch die Umhüllung des Eisenkernes mit Isoliermaterial das Potential
außerhalb dieser Hülle einem mittleren Wert näher gebracht und so die Potentialverteilung
-im Innern des Wandlerbehälters verbessert. Ein wesentlicher Vorteil der in der
Fig. i beispielsweise dargestellten Ausführungsform besteht noch darin, daß scharfe
Ecken und Kanten, die zur Gleitfunkenbildung Anlaß geben können; ganz vermieden
sind.
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In der Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines vollständigen Wandlers
im Schnitt dargestellt. Der Kern i des Wandlers ist mit seinem unteren Querjoch
auf einer zweckmäßig aus Metall, z. B. Eisenblech, bestehenden Bodenplatte 2i befestigt,
die durch einen U-förmigen Ring 22 versteift ist. Über den Wandler ist in bekannter
Weise ein stützisolatorähnliches Isoliergehäuse 23 gestülpt, das unter Zwischenlegen
eines Dichtungsringes 24 von Schrauben 25 gegen den Boden 2i abgedichtet ist. Durch
den Boden sind öldicht die Zuführungsleitungen der Unterspannungswicklung und die
Erdungsleitung der Hochspannungswicklung geführt. Nach oben ist der Isolierbehälter
23 von einer Kappe 26 abgeschlossen, die die Hochspannungsklemme 27 trägt und gleichzeitig,
wie bereits bekannt, als ölausdelinungsgefäß für die Ölfüllung des Wandlers dient.
Die erfindungsgemäße Isolation der leitenden Wandlerteile ermöglicht es, den Wandler
in einem Behälter unterzubringen, der nur eine für die Betriebsspannung ausreichende
Höhe hat. Infolgedessen wird der Wandler nicht nur sehr billig, er läßt sich auch
bequem in fertig montiertem Zustand transportieren und vor allem auch in bereits
vorhandene Anlagen ohne Änderung der Leitungsführung einbauen, weil durch ihn ein
normaler, bisher vorhandener Stutzer ersetzt werden kann. Ebenso kann auch bei seiner
Entfernung an seine Stelle ohne weiteres ein normaler Stutzer treten.
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Die bisher beschriebenen Ausführungsformen gehen von einem- auf Erdpotential
befindlichen Eisenkern aus, d. h. einem Eisenkern, dessen Potential demjenigen der
einen Ausführung aus der Hochspannungswicklung entspricht. Man kann den Erfindungsgegenstand
aber auch in solchen Fällen mit Vorteil verwenden, wo man dem Kern ein Zwischenpotential
gibt, das z. B. dem mittleren Potential der Hochspannungswicklung entspricht, um
so an Isolation zu sparen. Eine Ausführungsform dafür ist in der Fig. 3 dargestellt.
Der Wandler besteht aus zwei U-förmigen Eisenkernen, die zunächst getrennt für sich
mit einer Isolierhülle und einer Hochspannungswicklung versehen und erst nachträglich
in der dargestellten Weise vereinigt werden, wobei die Verbindungsleitung der beiden
Hochspannungswicklungen auch mit dem Eisenkern in leitende Verbindung gebracht wird.
Der Aufbau des Eisenkernes kann dabdi,
was' auch bei -anderen Ausführungsformen
zweckmäßig sein kann, in bekannter Weise aus magnetisch leitenden Bändern vorgenommen
werden, deren Fläche in Richtung der Kernfensterachse liegt. Die zur Sicherung guter
magnetischer Leitfähigkeit notwendige Verschachtelung der Bänder beider Kernteile
kann, wie die Zeichnung zeigt, in bequemer Weise nach Aufbringen der Wicklungen
vorgenommen werden, indem einfach die Eisenkerne, deren Bandlängen vorher entsprechend
abgestimmt sind, gegeneinandergeschoben werden. Dieser Ausführungsform muß allerdings-
die Isolation insofern angepaßt werden, als zunächst einmal beide Hochspannungswicklungen
so ausgeführt werden, daß die den Kernjochen zunächstliegenden Teile die stärkste
und die der Mitte zunächstliegenden Teile die schwächste Isolation haben, d. h.
der obere Wandlerteil wird hinsichtlich der Isolationsanordnung in dem unteren Wandlerteil
abgespiegelt. Vor allem aber muß die Unterspannungswicklung für die halbe Oberspannung
ausreichend gegen den Kern isoliert sein. Zu diesem Zweck wird vorteilhaft eine
der Hochspannungsisolation entsprechende Bandagierung benutzt, nur mit dem Unterschied,
daß eine Aufteilung der Unterspannungswicklung in mehrere Spulen -nicht erforderlich
ist. Des bequemen Zusammenbaues halber empfiehlt es sich, die .Unterspannungswicklung
zweckmäßig mit der dem Boden des Wandlers zunächstliegenden Oberspannungswicklung
zu einem konstruktiven Ganzen zu vereinigen, indem die letzte Isolierhülle beide
Wicklungen umfaßt. Zweckmäßig gibt man der Unterspannungswicklung keine Scheibenform,
sondern Zylinderform, so daß sie dem Eisenkern zunächst liegt und von mehreren Oberspannungsspulen
umfaßt wird. Natürlich müssen alle Leitungsausführungen aus den Spulen nunmehr so
behandelt werden, wie es. in der Fig. i -zunächst nur für die die Oberspannung zuführende
Leitung angegeben ist. Es sind demnach eine für die Zuführung der Oberspannung dienende
Spuleneinführung und drei Äusführungen vorhanden, von denen eine für die -Erdung
der Oberspannungswicklung dient, während zwei zu der Unterspannungswicklung gehören.
Von diesen zuletzt genannten drei Ausführungen kann man auch mehrere derart miteinander
vereinigen, daß sie von derselben Ausführungsisolation umschlossen werden. Zweckmäßig
wird man dabei -die Leitungen ineinander führen, d. h. die äußere öder die äußeren
Leitungen rohrförmig ausbilden und- ihrem Innern eine oder zwei drahtförmige Leitungen
anordnen. Dabei bereitet die Isolation der Leitungen gegeneinander keine Schwierigkeiten.
Man gewinnt aber dadurch den Vorteil, daß die Herstellung der Isolierhülle erleichtert
wird und vor allem der ohnedies zur Vermeidung zu großer Felddichte erforderliche
große Durchmesser der Ausführungsleitungen voll ausgenutzt wird.
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Der Aufbau des Wandlers geht aus der Fig.3 ohne weiteres hervor. Die
aktiven Teile werden von einer zweckmäßig metallischen Platte 28 getragen, die so
ausgebildet sein muß, daß sie keine Kurzschlußwindung für den Wandlerkern bildet.
Dazu genügt es, wenn zwischen den beiden Wandlerschenkeln eine Aussparung in der
Platte vorhanden ist. Diese Platte wird getragen von einem rohrförmigen Isolierkörper
29, der z. B. in der in der Fig. :2 dargestellten Art auf einer Grundplatte befestigt
ist. Über die obere Hälfte des Wandlers ist wieder ein stützisolatorähnlicher Isolierbehälter
23 gestülpt, der nach oben wieder durch eine Kappe 26 mit der Oberspannungseinführung
27 abgeschlossen ist. Zur Verspannung der beiden Isolierkörper gegen die Platte
28 können beliebige bekannte Mittel dienen. Auch dieser Wandler wird zweckmäßig
wieder mit Ölgefüllt.
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Ein besonderer Vorteil des in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiels
besteht darin, .daß durch die auf mittlerem Potential gehaltene Platte 28, die zweckmäßig
leitend mit den vorteilhaft ringförmigen, die Isolierkörper. gegeneinander verspannenden
Teilen verbunden ist, das Potential längs des Isolierkörpers gesteuert wird. Vor
allem kann man aber auch den Wandler ohne weit-2res für zwei Spannungsbereiche verwenden,
indem man niedrigere Spannungen unmittelbar über die Platte 28 nur der einen Hälfte
der Oberspannungswicklung zuführt, wodurch die Genauigkeit des Wandlers verbessert
wird.