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Grosstransfonnator
Die Erfindung betrifft einen Grosstransformator, bestehend aus zwei getrennt transportierbaren Bau- einheiten, von denen die eine zumindest den elektrisch aktiven Teil des Transformators umfasst.
Der ständig wachsende Bedarf an elektrischer Energie erfordert den Bau immer grösserer Transformatoreinheiten. Die Entwicklung ist heute wegen der mit der Leistungssteigerung zunehmenden Abmessungen der Transformatoren aus Transportgründen an einer oberen Leistungsgrenze angelangt. Die eingangs genannte bekannte Transformatorbauart bietet eine teilweise Lösung der bei konventionellen Transformatoren bestehenden Transportschwierigkeiten. Sie sieht den getrennten Versand des ölgefüll- ten, die Transformatorwicklung enthaltenden Kessels mit abgenommenem Deckel und des Eisenkernes des Transformators vor.
Bekanntlich stellt ja der Transformatorkem den schwersten Bauteil konventioneller Transformatoren dar, so dass bei Höchstleistungstransformatoren praktisch die Notwendigkeit eines separaten Versandes des Kernes besteht, wenn nicht eine erhebliche Beschränkung der Transformatorleistung in Kauf genommen werden soll. Nun sprechen aber verschiedene Gründe, wie die Notwendigkeit der Hochspannungsüberprüfung beim Hersteller und Aufrechterhaltung der bei der Herstellung erreichten elektrischen und mechanischen Eigenschaften usw., gegen die zur Verfrachtung vorgesehene Zerlegung des Transformators in Einzelteile und seinen anschliessenden Zusammenbau am Aufstellungsort.
Ausserdem beschränkt sich das Transportproblem bei Transformatoren keineswegs darauf, das Gewicht und die Abmessungen der Transformatoren bzw. ihrer in einzeln transportierbare Baueinheiten zusammengefasste. n Teile den durch das Lichtraumprofil und den zulässigen Achsdruck gegebenen Beschränkungen unterzuordnen, sondern es geht vor allem darum. Grosstransformatoren mit immer höheren Leistungen transportieren zu können. Diesem Bestreben sind bei konventionellen Transformatoren vor allem das Gewicht des benötigten Eisenkernes und vielfach auch die grossen Kesselabmessungen hinderlich. Weiters führt der übliche Versand des elektrisch aktiven Teiles des Transformators unter Ölbedeckung trotz allem zu höheren Transportgewichten.
Die zahlreichen Unterschiede in den baulichen Grundprinzipien konventioneller Transformatoren vereiteln überdies eine generelle Anwendbarkeit der vorgenannten, bekannten Methode für den Versand dieser Transformatoren.
Einem weiteren bekannten Vorschlag ist die Anregung zu entnehmen, Transformatoren mit Eisenkern und supraleitenden, tiefstgekühlten Wicklungen auszuführen, da sich bei ihnen wegen der viel niedrigeren spezifischen Stromwärmeverluste in den Wicklungen gegenüber konventionellen Transformatoren gleicher Leistung Volumseinsparungen bzw., was für das Transportproblem wichtig erscheint, grössere Leistungen als in konventionellen Transformatoren gleichen Volumens, d. h. gleicher Abmessungen, erreichen lassen. Der Bau solcher Transformatoren bietet jedoch-wegen der Notwendigkeit, den Eisenkern im Hinblick auf sonst auftretende unzulässig hohe Eisenverluste und lange Abkühlzeiten
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fabrikatorische Schwierigkeiten und es besteht, abgesehen von den auftretenden Eisenverlusten, eine relativ grosse Störungsanfälligkeit solcher Transformatoren.
Es wurde deshalb auch bereits vorgeschlagen, Transformatoren mit supraleitenden Wicklungen ohne
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Eisenkern zu bauen und die Flusslenkung unter Ausnutzung der Schirmwirkung supraleitender Bleche zu bewirken. Wegen der dann geringen verfügbaren Permeabilität sind bei ihnen im Hinblick auf die ein- zuhaltenden Magnetisierungsstrombedingungen jedoch sehr hohe Windungszahlen nötig, wodurch hohe magnetische Feldstärken in den Wicklungsrahmen verursacht werden und die Gefahr der Auslöschung der
Supraleitfähigkeit der Leiter (sogenanntes Feldquenchen) entsteht.
Diese Schwierigkeit kann zwar durch
Unterteilung und Mischen der primären und sekundären Transformatorwicklungen verringert werden, sie führt aber wegen der Notwendigkeit der Isolierung der einzelnen primären und sekundären Wicklungs- teile gegeneinander auf Prüfspannung zu grossen Gesamtabmessungen der Transformatoren. Diese besit- zen deshalb im Vergleich zu konventionellen Transformatoren gleicher Leistung und gleichen Wirkungs- grades zwar geringeres Gewicht, jedoch ein grösseres Volumen, so dass sich für ihre obere Leistungsgren- ze aus Transportgründen noch ungünstigere Verhältnisse als bei konventionellen Transformatoren er- geben.
Die Erfindung strebt eine Lösung des gesamten Transportproblemes auf einem von den bekannten
Methoden abweichenden Weg an. Im Vordergrund steht hiebei die Forderung, im Rahmen der vorgegebenen räumlichen und gewichtsmässigen Beschränkungen wesentlich grössere Transformatorenleistungen als bisher zu ermöglichen. Erfindungsgemäss geschieht dies dadurch, dass der Transformator in an sich bekannter Weise eisenkernlos ausgebildet und mit supraleitenden Wicklungen versehen ist, wobei die den elektrisch aktiven Teil umfassende Baueinheit aus den supraleitenden Wicklungen samt Wicklungsabstützungen und Stützisolatoren besteht, und die zweite die Kühleinrichtung und eventuelle supraleitende Abschirmungen, wie supraleitende Schirmbleche od. dgl. umfasst. Es ist also, im Gegensatz zu konventionellen Transformatoren, überhaupt kein materieller Kern zu transportieren.
Ebenso entfällt die Ölbedeckung des elektrisch aktiven Teiles, da der supraleitende Wicklungsteil, der zugleich den elektrisch und magnetisch aktiven Teil des Transformators repräsentiert, nach hochspannungsmässiger Überprüfung unter flüssiger Heliumbedeckung in der Herstellerfabrik, allein versendet werden kann und erst am Aufstellungsort mit den übrigen Teilen des Transformators vereinigt werden kann. Wenngleich zur Vermeidung der Auslöschung der Supraleitfähigkeit grosse Windungsanzahlen vorgesehen werden müssen und sich dadurch ein etwas grösseres Wicklungsvolumen gegenüber konventionellen Transformatoren gleicher Leistung ergibt, liegt der Raumbedarf des Wicklungsteiles samt seinen Wicklungsabstützungen und den Stützisolatoren weit unterhalb des Gesamtvolumes konventioneller Transformatoren.
Bei voller Ausnutzung des verfügbaren Raumes besteht daher erstmals die Möglichkeit, Transformatoren wesentlich gesteigerter Leistung unter den gleichen Versandbedingungen wie bisher zu befördern.
Der Transport der zweiten Baugruppe bietet dagegen keine besonderen Probleme, insbesondere dann nicht, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die zur Kühlung dienenden Konstruktionsteile sowie die gegebenenfalls vorhandenen supraleitenden Abschirmungen aus einzelnen Stücken zusammengesetzt sind. Hiebei ist im Einzelfall darüber zu entscheiden, ob supraleitende Abschirmungen, beispielsweise Schirmbleche oder ebensolche Überzüge der Ummantelung des Transformators, anzuwenden sind oder nicht. Dies richtet sich nach den Gegebenheiten am Aufstellungsort selbst. Wenn sich nämlich in Nähe der Transformatorwicklung keine Metallteile befinden, kann auch auf eine äussere Abschirmung des Magnetfeldes durch supraleitende Bleche verzichtet werden.
Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. l eine schematische Darstellung eines Grosstransformators nach der Erfindung im Vertikalschnitt, Fig. la eine Einzelheit des Transformators der Fig. l in vergrössertem Massstab, Fig. lb eine abgewandelte Ausführungsform der Einzelheit aus Fig. la und Fig. lc eine weitere Einzelheit des Ausführungsbeispieles nach Fig. l, gleichfalls in vergrössertem Massstab.
Bei dem in Fig. l dargestellten Grosstransformator handelt es sich um eine eisenkernlose Ausführung, bei der sowohl die primären als auch die sekundären Transformatorwicklungen-Wpr und Ws-- von Supraleitern gebildet sind. Dieser Wicklungskern wird von Stützisolatoren getragen und zusammen mit diesen in einem Kühlgefäss untergebracht.
Um den Transport des Grosstransformators zu ermöglichen, ist seine Aufteilung in zwei getrennt transportierbare Baueinheiten vorgesehen. Eine dieser Baueinheiten umfasst den Wicklungskern einschliesslich Stützisolatoren und mechanischer Wicklungsabstützungen. Zur zweiten Baueinheit zählen die Ummantelung, die Kühleinrichtung und eventuell vorhandene supraleitende Abschirmungen, wie supraleitende Schirmbleche od. dgl.
Dem Versand des Transformators geht eine werksmässige Überprüfung voraus, bei der die erstgenannte Baueinheit hochspannungsmässig unter flüssiger Heliumbedeckung überprüft wird. Sodann erfolgt der Transport dieser Baueinheit zum Aufstellungsort des Transformators : dort erfolgt dann der endgülti-
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ge Zusammenbau mit der getrennt transportierten zweiten Baueinheit, wobei die zur Wärmeisolation dienenden Konstruktionsteile-MMM und M-der Transformatorummantelung unter Umständen aus Einzelstücken durch Schweissen, Löten oder Kleben verbunden werden (Fig. la, lb und lc). In gleicher Weise werden auch die gegebenenfalls vorhandenen, den Magnetfluss lenkenden supraleitenden Schirmbleche --SM-- am Aufstellungsort montiert.
Obwohl das Wicklungsvolumen des Transformators, als das Volumen des Wicklungskerns, grösser als das reine Wicklungsvolumen konventioneller Transformatoren gleicher Leistung ist, bleibt es weit unterhalb des Gesamtvolumens konventioneller Transformatoren. Dies ist aus Transportgründen ein wesentlicher Vorteil gegenüber konventionellen Transformatoren. Es ist nämlich möglich, unter Ausnutzung der beim Transport höchstzulässigen Abmessungen Grosstransformatoren höherer Leistung als bisher aufzustellen.
Die Ummantelung des Transformators ist in zwei Varianten in Fig. la und Fig. lb dargestellt. Mit - ist eine supraleitende Schicht, die z. B. aus Blei oder Niobiumblech besteht oder durch Aufspritzen, Plattieren oder Bedampfen gebildet werden kann, bezeichnet. Die supraleitende Schicht --SM-verhindert ein Hinaustreten des Magnetflusses in den aus Metall oder Kunststoff bestehenden inneren Mantel--MI-- und in den Raum dahinter.-M M und M-bezeichnen weitere Metall- oder Kunst-
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Zwischen den Mänteln befinden sich Abstandshalter --A-- aus schlecht wärmeleitendem Metall oder Kunststoff.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. la wird sogenannte Superisolation --SI-- (metallisierte Kunststoff-Folie) angewendet, wogegen bei der Variante nach Fig. lb zur Verringerung der Strahlungsverluste ein mit flüssigem Stickstoff erfüllter Zwischenraum--N 2--zwischen den Mänteln --M und M -- vor- gesehen ist.
Der Anschluss des Transformators erfolgt gemäss Fig. lc über ein Kabel, welches die Ummantelung des Transformators in einer hochisolierten Spannungsdurchführung-D-- durchsetzt.
Um die zur Kühlung des Wicklungskerns notwendige Heliummenge zu verringern, empfiehlt es sich, die Räume, in denen sich das Magnetfeld bildet (R,R und R in Fig. 1) teilweise durch nichtmagnetische Hohlkörper (z. B. evakuierte Glasröhren in Fig. 1 durch gestrichelte Linien angedeutet) auszufüllen.
Der Versand der zweiten, die Ummantelung, die Kühleinrichtung und die gegebenenfalls vorhandenen supraleitenden Abschirmungen umfassenden Baueinheit bietet keine besonderen Probleme, da diese Bauteile erforderlichenfalls auch aus mehreren vorgefertigten Einzelteilen bestehen können. Die Entscheidung, ob supraleitende Abschirmungen anzuwenden sind oder nicht, richtet sich nach den Gegebenheiten am Aufstellungsort selbst, wobei nur das Vorhandensein von Metallteilen in Nähe der Transformatorwicklungen die Anordnung einer supraleitenden Abschirmung rechtfertigt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Grosstransformator, bestehend aus zwei getrennt transportierbaren Baueinheiten, von denen die eine zumindest den elektrisch aktiven Teil des Transformators umfasst, dadurch g e k e n n z e i c h -
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supraleitenden Wicklungen samt Wicklungsabstützungen und Stützisolatoren besteht, und die zweite die Kühleinrichtung und eventuelle supraleitende Abschirmungen, wie supraleitende Schirmbleche od. dgl. umfasst.
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Large transformer
The invention relates to a large transformer, consisting of two separately transportable structural units, one of which comprises at least the electrically active part of the transformer.
The constantly growing demand for electrical energy requires the construction of ever larger transformer units. Due to the increasing dimensions of the transformers due to transport reasons, the development has now reached an upper output limit. The known transformer design mentioned at the beginning offers a partial solution to the transport difficulties that exist with conventional transformers. It provides for the separate shipment of the oil-filled tank containing the transformer winding with the cover removed and the iron core of the transformer.
As is well known, the transformer core is the heaviest component of conventional transformers, so that in the case of high-performance transformers there is practically the need for separate shipping of the core, if a considerable limitation of the transformer output is not to be accepted. However, there are various reasons, such as the need for a high-voltage test by the manufacturer and maintenance of the electrical and mechanical properties achieved during manufacture, etc., against the dismantling of the transformer into individual parts and its subsequent assembly at the installation site.
In addition, the transport problem with transformers is by no means limited to the weight and dimensions of the transformers or their combined in individually transportable structural units. n Subordinate parts to the restrictions given by the clearance profile and the permissible axle pressure, but it is all about that. To be able to transport large transformers with ever higher powers. In conventional transformers, the weight of the iron core required and, in many cases, the large dimensions of the tank are a hindrance to this endeavor. Furthermore, the usual shipping of the electrically active part of the transformer under oil cover leads to higher transport weights despite everything.
The numerous differences in the basic structural principles of conventional transformers also prevent the general applicability of the aforementioned, known method for shipping these transformers.
Another well-known proposal suggests designing transformers with iron cores and superconducting, deeply cooled windings, because they save volume or, which appears to be important for the transport problem, greater volume savings due to the much lower specific current heat losses in the windings compared to conventional transformers of the same power Power than in conventional transformers of the same volume, i.e. H. the same dimensions. However, the construction of such transformers offers the iron core in view of the otherwise unacceptably high iron losses and long cooling times that would otherwise occur
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manufacturing difficulties and, apart from the iron losses that occur, such transformers are relatively susceptible to failure.
It has therefore already been proposed to use transformers with superconducting windings without
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To build an iron core and to direct the flow using the shielding effect of superconducting sheets. Because of the then low available permeability, however, with regard to the magnetizing current conditions to be observed, very high numbers of turns are necessary, which causes high magnetic field strengths in the winding frame and the risk of extinction
Superconductivity of the conductor (so-called field quenching) is created.
This difficulty can go through
Subdivision and mixing of the primary and secondary transformer windings are reduced, but because of the need to isolate the individual primary and secondary winding parts from one another on test voltage, it leads to large overall dimensions of the transformers. Compared to conventional transformers of the same power and efficiency, these therefore have a lower weight, but a larger volume, so that the conditions for their upper output limit are even less favorable than with conventional transformers for reasons of transport.
The invention seeks to solve the entire transport problem on one of the known ones
Methods different way. The focus here is on the requirement to enable significantly greater transformer capacities than before within the given spatial and weight restrictions. According to the invention, this is done in that the transformer is designed without iron cores in a manner known per se and is provided with superconducting windings, the structural unit comprising the electrically active part consisting of the superconducting windings including winding supports and post insulators, and the second the cooling device and any superconducting shields, such as superconducting shields or the like. In contrast to conventional transformers, there is no material core to transport.
There is also no oil covering of the electrically active part, as the superconducting winding part, which also represents the electrically and magnetically active part of the transformer, can be shipped alone after a high-voltage check under liquid helium cover in the manufacturer's factory, and only at the installation site with the other parts of the transformer can be united. Although a large number of turns must be provided to avoid the extinction of superconductivity and this results in a somewhat larger winding volume compared to conventional transformers of the same power, the space requirement of the winding part including its winding supports and the post insulators is far below the total volume of conventional transformers.
If the available space is used to the full, it is therefore possible for the first time to transport transformers with significantly increased performance under the same shipping conditions as before.
The transport of the second assembly, on the other hand, does not present any particular problems, in particular if, in a further embodiment of the invention, the structural parts used for cooling and the possibly existing superconducting shields are composed of individual pieces. In this case, a decision has to be made in each individual case whether or not superconducting shielding, for example shielding plates or covering of the transformer casing, is to be used. This depends on the conditions at the installation site itself. If there are no metal parts in the vicinity of the transformer winding, there is no need for external shielding of the magnetic field by superconducting metal sheets.
The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic representation of a large transformer according to the invention in vertical section, FIG. 1 a shows a detail of the transformer from FIG. 1 on an enlarged scale, FIG. 1 b shows a modified embodiment of the detail from FIG. 1 a and FIG. 1 c shows a further detail of the embodiment according to FIG. 1, likewise on an enlarged scale.
The large transformer shown in Fig. 1 is a design without an iron core, in which both the primary and the secondary transformer windings - Wpr and Ws - are formed by superconductors. This winding core is carried by post insulators and housed together with them in a cooling vessel.
To enable the large transformer to be transported, it is intended to be divided into two separate transportable structural units. One of these structural units comprises the winding core including post insulators and mechanical winding supports. The second structural unit includes the casing, the cooling device and any superconducting shields that may be present, such as superconducting shield plates or the like.
The shipment of the transformer is preceded by a factory inspection, during which the first-mentioned structural unit is checked for high voltage under liquid helium coverage. This structural unit is then transported to the installation site of the transformer: this is where the final
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ge assembly with the separately transported second structural unit, whereby the structural parts used for thermal insulation - MMM and M - of the transformer casing may be connected from individual pieces by welding, soldering or gluing (Fig. la, lb and lc). In the same way, any superconducting shielding plates --SM-- that are present and direct the magnetic flux are mounted at the installation site.
Although the winding volume of the transformer, as the volume of the winding core, is greater than the pure winding volume of conventional transformers of the same power, it remains far below the total volume of conventional transformers. For reasons of transport, this is a major advantage over conventional transformers. This is because it is possible to set up large transformers of higher power than before, taking advantage of the maximum dimensions permitted for transport.
The sheathing of the transformer is shown in two variants in Fig. La and Fig. Lb. With - is a superconducting layer that z. B. consists of lead or niobium sheet or can be formed by spraying, plating or vapor deposition, referred to. The superconducting layer - SM - prevents the magnetic flux from escaping into the inner jacket made of metal or plastic - MI - and into the space behind it - M M and M - denote other metal or synthetic materials.
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Between the jackets there are spacers --A-- made of poorly heat-conducting metal or plastic.
In the embodiment according to Fig. La, so-called super insulation --SI-- (metallized plastic film) is used, whereas in the variant according to Fig. Lb an intermediate space filled with liquid nitrogen - N 2 - between the jackets - is used to reduce the radiation losses. -M and M - is provided.
The transformer is connected as shown in FIG. 1c via a cable which penetrates the transformer's sheathing in a highly insulated voltage bushing-D--.
In order to reduce the amount of helium required to cool the winding core, it is recommended that the spaces in which the magnetic field is formed (R, R and R in Fig. 1) are partially replaced by non-magnetic hollow bodies (e.g. evacuated glass tubes in Fig. 1 indicated by dashed lines).
The dispatch of the second structural unit comprising the sheathing, the cooling device and the possibly existing superconducting shields does not present any particular problems, since these components can, if necessary, also consist of several prefabricated individual parts. The decision as to whether or not to use superconducting shields depends on the conditions at the installation site itself, with only the presence of metal parts in the vicinity of the transformer windings justifying the arrangement of a superconducting shield.
PATENT CLAIMS:
1. Large transformer, consisting of two separately transportable units, one of which comprises at least the electrically active part of the transformer, thereby g e k e n n n z e i c h -
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superconducting windings including winding supports and post insulators, and the second includes the cooling device and any superconducting shields, such as superconducting shield plates or the like.
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