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Kondensatorwickel mit zwischen den Windungen einer Isolierbahn eingelegten
metallischen Belägen Es ist bekannt, daß in der Elektrotechnik in vielen Fällen,
wo schwierige Isolierprobleme zu bemeistern sind, vom Kondensatorprinzip Gebrauch
gemacht wird. Der Grundgedanke dieses Prinzips besteht in der zwangsweisen Beeinflussung
(Steuerung) des elektrischen Feldes mit Hilfe von zwischen den Windungen einer aufgewickelten
Isolierbahneingeschalteten leitenden Einlagen. Die Fig. 1, 2 und 3 der Zeichnung
stellen schematisch peinige technisch wichtige bekannte Anwendungsbeispiele des
genannten Prinzips in der gebräuchlichen Ausführung im Längsschnitt' dar.
In Fig. i ist ein Kondensatordurchführungsisolator abgebildet. Der zentrale, unter
Spannung stehende Leiterbolzen i wird vom zylindrischen Isolierkörper 2 umfaßt,
welcher aus einem Papierbahnwickel besteht und den geerdeten Tefiestigungsflansch
3 trägt: Zur Beeinflussung des .elektrischen Feldes zwischen Leiterbolzen 1 und
Flansch 3 sind in den Isolierkörper konzentrisch um den Leiterbolzen zwischen die
Windungen des Wickels Metallbeläge q. eingebettet. Die axiale Länge dieser Beläge
nimmt mit zunehmendem Durchmesser des Wickels ab. Je zwei aufeinanderfolgende Beläge
bilden zusammen mit der trennenden Isolierschicht einen . elektrischen Kondensator.
Zwischen Leiterbiolzen und Flansch sind somit gewissermaßen eine Reihe von Einzell@öndensatoren
eingefügt, die unter sich in Serie geschaltet sind. Durch geeignete Bemessung der
Größe der Metallbeläge kann Herreicht werden, daß auf jeden durch sie gebildeten.
Kondensator annähernd die gleiche Teilspannung entfällt, wodurch eine sehr vorteilhafte
Steuerung des elektrischen Feldes erreicht wird.
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In vielen Fällen wird der äußerste Metallhelag durch einen Verbindungskontakt
5 mit dem Flansch 3 verbunden. ..
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Fig.2 stellt einen Nochspannungskondensator dar. Die in den Isolierwickelkörper
6 eingebetteten koaxialen und treppenförmig angeordneten Metallbeläge 7 stellen'
wiederum mit den trennenden Isolierschichten eine Reihe von in Reihe geschalteten
Kondensatoren dar. Der innerste Metallbelag ist mit ,einer oberen Metallkappe 8
und der äußerste Belag mit einer unteren Kappe g verbunden. Die Kappen bilden die
Anschlußelektroden des Kondensators. Eine solche Anordnung kann auch als Stützisolator
verwendet werden.
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In der Fig. 3 ist dargestellt, wie das Kondensatorprinzip bei ,einem
Kabelendverschluß zur Anwendung kommen kann. Die Kabelseele i o ist von der Kabelisolation
i i und dem Bleimantel 12 umschlossen, der jedoch nur bis zur Metallfassung 13 reicht.
Zwischen der geerdeten Fassung 13 'und der unter Spamzung stehenden Kappe 15 würde
-ein sehr ungleichmäßiges ielektrisches Feld herrschen, wenn nicht im Isolierwickelkörper
1¢ zwisehen
dessen Isolierschichten Metallbeläge 16 eingebettet
wären.
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Die Herstellung der soeben beschriebenen Isolatoren :erfolgt in den
weitaus meisten Fällen aus technologischen Gründen in der Weise: daß eint- lange
dünne Bahn eines isolierenden: Stoffes, z. B. Papier, zu einem Wickel aufgee= wickelt
wird und bei diesem Wickelprozeß in bestimmten Zeitabständen leitende Beläge oder
Blätter, z. B. Metallfolien, metallisiertes Papier, miteirlgewickelt werden, die
dann die .erwähnten feldsteuernden Metallbeläge bilden. Der auf diese Weise hergestellte
Kondensat,orwickel ist meistens rund; @er kann aber auch ,ovalen ioder polygonalen
Querschnitt besitzen. Jeder eingewickelte Metallbelag bildet einen Zylinder, der
jedoch nicht in sich geschlossen ist, weil sich beim Aufwickeln je-
weils
die .aufgewickelte Isolierstoffbahn zwischen die beiden sich überlappenden Enden
des Metallbelages legt.
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111 Fig. q. ist ein solcher aufgewickelter Metallbelag ausgezogen
im Schnitt dargestellt. Man ersieht aus der Abbildung deutlich, wie sich die gestrichelt
angedeutete Isolierstoffbahn 17 zwischen die sich überlappenden Enden des Metallbelages
18 gelegt hat. Diese in der Art des Fabrikationsprozesses liegende Zwangsläufigkeit
hat zur Folge, daß die ideale Form der Metallbeläge, in sich geschlossene Zylinder
darzustellen, nicht erreicht werden kann und dadurch in das ganze System Ursymmetrien
hineingebracht werden. Da nun aber im allgemeinen sowohl die Isolierbahn als auch
der Metallbelag recht dünn sind (Papier, Metallfolie), so ist die durch diese überlappung
@entstehende Verzerrung des Idealbildes, äußerlich betrachtet, sehr gering. Schneidet
man einen runden Kondensatorwickel senkrecht zur Achse in zwei Teile, so zeichnen
sich die Metallbieläge als konzentrische Kreise auf der Schnittfläche ab, und die
einzelnen überlappungsstellen sind von bloßem Auge kaum sichtbar. Auf den ersten
Blick mögen somit diese geringen Ursymmetrien vollkommen unschädlich erscheinen.
Bei näherer Überlegung zeigt sich jedoch, daß diese überlappungsstellen der Metallbezüge
zu schweren Störungen und sogar zur vollständigen Zerstörung des Kondensatorwickels
Anlaß geben können.
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Zur genauen Erklärung dieser Tatsache ist in Fig. 5 der Schnitt durch
eine Kondensatordurchführung veranschaulicht, bei der der Einfachheit halber nur
neineinziger eingewickelter Metallbelag dargestellt ist. Die Durchführung stehe
unter Spannung, und zwar sei im betrachteten Augenblick der zentrale Leiterbolzen
1 g positiv und der Flansch 20 negativ geladen. Zwischen Bolzen 1g und Flansch 2o
besteht somit ein elektrisches Feld, das in der Figur durch radiale Pfeile angedeutet
ist und das auf dem allseitig isolierten Metallbelag 21 Ladungen influenziert. Die
Innenseite des Belages 21 ladet sich negativ iliid die Außenseite positiv auf, wie
es aus
| J Figur ersichtlich ist. Da nun im allge- |
| inen an der Innen- und Außenseite des |
| ketallbelages sowohl die Feldstärke als auch |
die Dielektrizitätskonstante nicht sehr verschieden sind, so ist die Dichte der
Oberflächenladung auf beiden Seiten des Metallbelages gleich groß, aber entgegengesetzten
Vorzeichens. Verschwindet die Spannung zwischen Bolzen und Leiter und damit auch
das elektrische Feld, so vereinigen sich die durch Influenz getrennten Ladungen
des Metallbelages augenblicklich und ohne irgendwelche Nebenerscheinungen.
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Ganz anders verhalten sich jedoch die Dinge an der Cberlappungsstelle
des Metallbelages 21. Der zwischen den sich überlappenden Endteilen desselben vorhandene
Raum ist feldfrei, da alle Teile des Metallbelages im stationären und im quasistationären
Zustande des elektrischen Feldes, d. h. bei Gleichspannung oder geringer Frequenz
der Wechselspannung, gleiches Potential besitzen. Die einander zugekehrten Seiten
des Metallbelages an der Überlappungsstelle sind somit ungeladen, und nur die einander
abgekehrten Seiten sind mit umgekehrtem Vorzeichen aufgeladen. Beim Verschwinden
des Feldes können sich nun diese durch Influenz getrennten Ladungen nicht wie auf
den übrigen Teilen des Metallbelages auf kürzestem Wega vereinigen, sondern sie
müssen sich längs des ganzen Umfanges des Metallbelages bewegen. Da ihr Weg widerstandsbehaftet
ist, so kann ihre Vereinigung nur meiner bestimmten Zeit erfolgen. Bei geringer
Änderungsgeschwindigkeit des elektrischen Feldes, z. B. bei 50 Peri-,od@en
in der Sekunde, kann diese Vereinigung der Ladungen und umgekehrt auch ihre Trennung
,ohn weiteres dem Rhythmus des elektrischen Feldes folgen, und es treten keine absonderlichen
Erscheinungen auf. Ganz anders liegen die Dinge jedoch bei einer sehr raschen Änderung
des elektrischen Feldes im Kondensavorwickel, z. B. heim Auftreten einer großen
Überspannung in Form einer Sprungwelle oder bei einem plötzlichen Kurzschluß (Überschlag).
Nehmen wir den extremen Fall an, daß das elektrische Feld in unendlich kurzer Zeit
verschwinde, dann sind unmittelbar nachher die sich überlappenden Endteile des Metallbelages
noch aufgeladen, während sonst überall die influenzierten Ladungen verschwunden
sind. Es ist nun leicht nachzuweisen, daß in dem früher feldfreien Raum zwischen
den Überlappungen ein Feld von der gleichen Stärke entsteht, wie es im benachbarten
Raum
unmittelbar vorher bestanden hat. Die beiden überlappungen bilden nämlich jetzt
nichts .anderes als zwei entgegengesetzt aufgeladene Kondensatorbeläge, zwischen
denen notwendigerweise ein elektrisches Feld herrscht.
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Tritt der Fall ein, daß der Kondensatorwickel nicht nur sehr schnell
entladen, sondern entgegengesetzt aufgeladen wird, so tritt im Raum zwischen den
überlappungen sogar eine doppelt so große Feldstärke als im übrigen Raum auf.
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Diese Betrachtungen führen somit zu der Erkenntnis, daß bei den beschriebenen
Kondensatorwickeln. zwischen den überlappungsendeneines Kondensatorbelages beträchtliche
Spannungen auftreten können. Die Ursache dieser Spannungen ist in der durch die
überlappung hervorgerufenen Unsymmetrie begründet.
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In ähnlicher Weise treten in dem in Fig. 6 dargestellten Falle Spannungen
zwischen den Überlappungen des Metallbelages 2 1 auf. Der Metallbelag 21 ist hier
der äußerste einer Pieihe von konzentrischen Metallbelägen, die der Einfachheit
halber nicht gezeichnet sind. In vielen Fällen wird nun dieser äußerste Belag durch
einen Kontakt 23 an beliebiger Stelle mit dem Flansch 22 verbunden. Dadurch entsteht
wiederum eine Unsymmetrie, die die @erwähnten Spannungen zwischen den Überlappungsenden
verursachen kann.
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Endlich ist es möglich, daß durch Schwingungsvorgänge sehr hoher Frequenz
auf den Metallbelägen Punkte verschiedenen Potentials erzeugt werden !und dadurch
ebenfalls Spannungen zwischen den Überlappungsenden auftreten können.
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Die Tatsache, daß zwischen den überlappungen seines Metallbelages
Spannungen auftreten, würde an und für sich nichts schaden können, wenn die zwischen
den überlappungsteilen liegende Isolierschicht .eine genügend hohe Durchschlagfestigkeit
besäße. Nun weist aber .erfahrungsgemäß eine einzige Schicht einer Papierbahn wegen
der unvermeidlichen Fehlerstellen eine sehr geringe Durchschlagsfestigkeit auf.
Es tritt somit beim Erscheinen einer verhältnismäßig geringen Spannung zwischen
den überlappungeneines Metallbelages ein Durchschlag der dazwischen liegenden Isolierschicht
auf. Dabei kann an der Durchschlagsstelle eine solche Wärmemenge entwickelt werden,
daß die Metallbeläge daselbst .geschmolzen und die nächstanliegenden Schichten des
Isolierstoffes verbrannt werden. Es bildet sich auf diese Art mitten im Material
des Kondensatorwickels ein kleiner Zerstörungsherd, der sich im Laufe der Zeit vergrößern
und schließlich zum vollständigen Durchbruch des Isolators führen kann. Es ist zwar
eine Einrichtung bekanntgeworden, bei der soggenannte metallene Erdbeläge in seinem
Isolatorwickel zur Bildung seines an den Enden sich überlappenden Zylinders eingewickelt
und alle diese Beläge untereinander und mit dem Befestigungsflansch @elektrisch
verbunden werden, so daß dort die Metallbeläge und der Flansch alle am gleichen
Potential liegen, jedoch treten bei dieser bekannten Einrichtung die vorgenannten
Erscheinungen nicht auf.
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Die vorliegende Erfindung betrifft nun einen Kondensatvrwickel mit
zwischen den Windungen ,einer Isolierbahn liegenden metallischen Belägen, von denen
jeder einen sich an den Enden überlappenden Zylinder bildet.
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Bei einem solchen Kondensatorwickel werden die ob.enerwähnten unerwünschten
Durchschläge dadurch vermieden, daß @erfindungsgemäß jeder Belag an der Stelle,
wo er sich überlappt, durch :unmittelbare gegenseitige Berührung seiner sich überlappenden
-Endteile *in sich kurzgeschlossen ist.
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Bei dein erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines solchen
Kondensatorwickels wird in der Weise verfahren, daß beim Aufwickehi der Isolierbahn
kurz vor dem Einwickeln eines leitenden Belages in der Isolierbahn mindestens eine
Aussparung 29 angebracht und der Belag an die Isolierbahn so angesetzt wird, daß
sein vorlaufender Randteil .auf diese Aussparung der Isolierbahn zu liegen kommt,
-um beim Einwickeln hier finit dem hinteren Teil des Belages in Kurzschluß
zu gelangen.
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Der Kondensator nach der Erfindung und das Verfahren zu seiner Herstellung
werden beispielsweise durch die Fig.7, 8, 9 und io erläutert.
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In Fig.7, 8 und 9 ist die aufzuwickelnde Isolierbahn, hier beispielsweise
eine Papierbahn, mit 27 und der mit einzuwickelnde Metallbelag mit 28 bezeichnet.
Während noch die Papierbahn 27 über die Zufuhrwalze 26 läuft, wird sie kurz vor
dem Aufwickeln mit einer Reihe länglicher Löcher 29 versehen. Dann wird der Metallbelag
28 an die Papierbahn. so angesetzt, daß sein vorlaufender Endteil über die Löcher
29 zu liegen kommt (Fig.7). Beim Umlauf des im Wickelvorgang begriffenen Wickelkörpers
2 5 in der Drehrichtung des Pfeiles x wird der Metallbelag 28 mit eingewickelt und
schließlich mit seinem hinteren Endteil so vor die Löcher 29 gebracht (Fig.8), daß
@er hier, d. h. in den Löchern 29, kurzgeschlossen wird, wie dies aus der die Schichtung
in übertriebenem Dickenmaß darstellenden Fig. io, wo diese Kurzschlußstelle bei
3o angedeutet ist, hervorgeht. .
Die Form und die Zahl der Löcher
der Lochreihe der Papierbahn sind nebensächlich. Ein einziger Schlitz könnte genügen.
Die Lochreihe oder der Schlitzerstreckt sich zweckmäßig fast über die ganze Breite
des Metallbelages, endigt aber vorteilhaft in beträchtlichem Abstande von den Seitenrändern
der Papierbahn.