DE19524579A1 - Transformator als Strombegrenzer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Transformator als Strombegrenzer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der europäischen Anmeldung EP 0 620 570 A1 ist eine Anordnung bekannt, bei der die Primärspule, die beispielsweise einen Weicheisen­ kern umgibt, von einem massiven keramischen Bauteil bestehend aus ei­ nem keramischen Supraleiterzylinder, konzentrisch umgeben ist. Der supraleitende Ring ist in einem ringförmigen Behälter angeordnet, der mit dem Kühlmittel, z. B. Flüssigstickstoff, angefüllt ist.

Probleme, die mit der Notwendigkeit des Abkühlens solcher Strombe­ grenzereinheiten unter die kritische Übergangstemperatur des Supra­ leiters verbunden sind, werden beispielweise in der EP-PS 0 353 449 oder von H. Kanbach, E. Bochenek, M. Trautmann, R. Fischer, H. Voigt, in: "Melt-processed YBCO for a Fault Current Limiter", 6. International Symposium on Superconductivity, ISS ′93, Hiroshima, Japan, 26.- 29.10.1993 beschrieben.

Die strombegrenzende Wirkung im Überstromfall ist auf den Übergang des Supraleiters vom supraleitenden in den normal leitenden Zustand zu­ rückzuführen. Der Ring erfährt eine lokale, stoßartige Erwärmung und demzufolge eine mechanische Verspannung. Darüber hinaus dehnt sich der Ring beim Übergang durch die wirkenden elektromagnetischen Kräfte aus, und der an sich spröde Keramikkörper baut die Zugbe­ lastung durch mechanische Schädigung, d. h. Rißbildung, ab. Die Ver­ wendung von keramischen Ringen bringt also große Probleme bei der Langzeitstabilität der Strombegrenzeranordnungen mit sich. Es werden Alterungseffekte beobachtet, die bei wiederholtem Schalten des Strombe­ grenzers zu einer massiven Degradation der Eigenschaften des Materials bis zur Zerstörung des Bauteils führen können. Die Degradationseffekte werden Mikrorissen zugeschrieben, die durch die thermische Beanspru­ chung des Supraleiters im Schaltfall entstehen.

Aus der Europäischen Anmeldung EP 0 620 630 A1 ist bekannt, den zy­ lindrischen Supraleiter mit einem wärmedämmenden Mantel zu umgeben, der die mechanische Stabilität des supraleitenden Zylinders verstärken soll.

Besonders problematisch werden diese Effekte bei einer etwaigen Skalie­ rung solcher Bauteile für Mittel- und Hochspannungsnetze, bei denen der Einsatz supraleitender Strombegrenzer anstatt der üblicherweise eingesetzten Explosionsschalter erwartet wird. Zur Rißbildung beim Schalten des Strombegrenzers kommt hier noch hinzu, daß für die ange­ sprochenen Leistungsbereiche Bauteile notwendig sind, die Dimensionen von z. B. 1 m Höhe und 50 cm Durchmesser aufweisen können.

Keramische Körper in dieser Größe sind schwierig in der Handhabung und brechen leicht. Die bisher bekannten Transformatoren zur Strombe­ grenzung haben den Nachteil, daß die Sekundärwicklungen sehr aufwen­ dig in der Herstellung sind, wobei auch die Kosten für das Material des Hochtemperatursupraleiters eine Rolle spielen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Transformator der eingangs erwähnten Art so weiterzuentwickeln, daß er auf einfache Weise als Strombegrenzer in Mittelspannungsnetzen einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten. Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß die Sekundärwicklung nur aus einer dünnen Schicht besteht. Durch diese ist die Herstellung der Sekundärwicklung sehr einfach und auch die Kühlung mit flüssiger Luft wird wesentlich erleichtert. Wegen der thermischen Spannungen beim Übergang vom supraleitenden in den normal leitenden Zustand werden spezielle Maßnahmen vorgeschlagen, welche insbesondere auf die Sprö­ digkeit des keramischen Supraleiters abgestimmt sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Darstellung des Funktionsprinzips und

Fig. 2 einen Transformator in praxisnaher Gestaltung.

Der Transformator 1 besteht aus einem Kern 6, einer Primärwicklung 2 und dem supraleitenden Ring 3, welcher in einem Kühlgefäß 4 thermisch isoliert gehalten wird (s. Fig. 1). Der Vorteil des erfindungsgemäßen Transformators besteht darin, daß er im Hochstrombereich von über 1 kA Wechselstrom in Verteilernetzen als Generator-Transformator oder Apparateschutz eingesetzt werden kann. Bei Nennstrom ist dabei die Se­ kundärwicklung in Form eines Kurzschlußringes von einem Magnetfeld unterhalb der kritischen Feldstärke durchflutet. Diese kritische Feld­ stärke läßt sich durch die Anzahl der Primärwindungen leicht auf einen Wert einstellen, welcher einem maximalen Strom I_max entspricht. Bei ei­ nem Mehrfachen dieses maximalen Stroms geht die Sekundärwicklung vom supraleitenden in den normal leitenden Zustand über und heizt sich dabei sehr stark auf. Aus diesem Grunde wird der keramische Ring, aus wel­ chem der Supraleiter hergestellt ist, als dünne Schicht 3 ausgebildet, die auf einem Träger 5 aufgebracht ist, welcher verhindert, daß der supraleitende Ring sich plötzlich zu stark ausdehnt und Risse bekommt.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Der Verbundkörper 7 besteht aus einem supraleitenden Ring 3 aus YBaCuO und aus einem Träger 5, der den Ring 3 umgibt. In diesem Bei­ spiel wird der Träger 5 aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) ge­ bildet. Der Verbund wird im Ofen bei 120° ausgeheizt, was die End­ festigkeit des GFK deutlich erhöht, wobei Werte bis 500 Mpa erreichbar sind.

Wird der Verbundkörper anschließend als Strombegrenzer eingesetzt, wird auch nach hundertfachem Schalten keine der sonst üblichen Degra­ dationen beobachtet.

In einem anderen Ausführungsbeispiel wird statt der GFK-Manschette ein Stahlzylinder verwendet.

Besonders vorteilhaft ist es, einen Trägerzylinder mit einem geeigneten Beschichtungsverfahren wie Elektrophorese, Siebdruck, Plasmaspitzen u. ä. auf der Innenseite oder Außenseite zu beschichten. Geeignete Schichtdicken sind 10 µm bis 2 mm. Es können darüber hinaus geeignete Zwischenschichten verwendet werden, um die Wachstumsbedingungen bzw. das Haften auf der Unterlage und ähnliche Eigenschaften der Supraleiter-Schichten zu optimieren.

Solche Beschichtungsverfahren sind speziell für Bauteile großer Di­ mensionen geeignet und bieten neben der besseren Handhabung des Bauteils zusätzliche Kostenersparnisse durch geringere Materialkosten.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich, wenn der Träger 5 als Koppelmedium der Kühlung eingesetzt wird. So kann der Träger bei­ spielsweise Kühlschlangen tragen oder doppelwandig ausgeführt sein, wobei in den Hohlräumen das Kühlmedium geführt ist. Eine weitere Mög­ lichkeit besteht darin, daß der Träger 5 selbst eine Begrenzungswand eines Badkryostaten darstellt oder auch als ganzer Verbundkörper in ein Kühlmedium eintaucht. Es ist aus diesem Grund vorteilhaft, einen metallischen Träger zu verwenden. Der Träger kann weiterhin dazu dienen, Befestigungselemente aufzunehmen, die notwendig sind, den Ver­ bundkörper in einem Kryostaten zu verankern.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht der Träger 5 aus mehreren Lagen eines Bandes aus Glas- oder Kohlefasern, die miteinander verklebt sind.

Um insbesondere die Rißbildung zu erschweren, ist die Oberfläche des supraleitenden Ringes dicht gesintert und poliert. Das Polieren geschieht insbesondere durch Wasserstrahlschleifen.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Schelle oder Manschette 9 aus einer hochfesten Legierung durch Aufheizen im Durchmesser so weit vergrößert, daß sie über den supraleitenden Ring 3 samt Trägerzylinder 5 geschoben werden kann. Die Legierung besitzt einen hohen spezifischen Widerstands um den durch Induktion entste­ henden Strom und die dadurch bedingten Verluste auf einen möglichst niedrigeren Wert zu begrenzen. Beim Abkühlen wird eine Druckvorspan­ nung erzeugt, welche die supraleitende Keramik und den Trägerzylinder unter einer solchen Vorspannung hält, daß sie beim plötzlichen Aufhei­ zen der Keramik nicht zerspringen kann. Vorzugsweise ist der Träger 5 aus einem keramischen Material hergestellt, auf dem die supraleitende Schicht 3 gut haftet. Andernfalls wird eine Anpassungsschicht 8 (s. Fig. 2) auf den Träger aufgebracht.

Der Transformator ist so bemessen, daß er im Kurzschlußfall oder bei Überspannungen, die dabei auftretende Leistung übertragen kann. Erst bei der maximal auftretenden Größe der primären Amperewindungen darf der Kern in die Nähe der Sättigung kommen, um ein gutes Abschaltver­ halten zu gewährleisten.

Die Kühlung des supraleitenden Ringes 3 geschieht in einem wär­ meisolierten Gefäß 4, in das bei dem Einlaßstutzen 11 flüssiger Stickstoff eingeleitet wird, der bei dem Auslaß 10 das Kühlgefäß 4 verläßt und durch eine Kältemaschine gepumpt oder einem Vorratsgefäß zugeführt wird. Das Kühlgefäß 4 ist vorzugsweise doppelwandig ausgeführt.

Es wird als günstig angesehen, wenn die Primärwicklung 2 als innere Wicklung auf dem Transformatorkern 6 aufgebracht ist und das etwas mehr Raum einnehmende Kühlgefäß 4 mit dem supraleitenden Ring 3 als Sekundärwicklung darauf konzentrisch angebracht ist. Es ist aber prin­ zipiell nur wichtig, daß der primäre und sekundäre Fluß miteinander derart verkettet sind, daß die Sekundärimpedanz auf die Primärseite transformiert wird und dort der induktive Widerstand praktisch Null ist, solange der Ring 2 supraleitend ist. Bei Überlastung im Primärkreis wird die kritische magnetische Feldstärke im Ring überschritten und der Ring verhält sich wie eine Windung mit hohem Widerstand, d. h. wie ein Iso­ lator. Dadurch wird die normale Induktivität der Drossel mit geschlos­ senem Eisenkern im Netz spürbar und begrenzt den Strom auf einen durch die Größe der Induktivität der Drossel einstellbaren Wert.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Trägerzylinder mit einer dünnen Schicht eines keramischen Supra­ leiters beschichtet. Als Beschichtungsmaterialien kommen alle Hochtempe­ ratur-Supraleiter mit einer hohen Übergangstemperatur und hoher Stromtragfähigkeit in Frage. Geeignete Hochtemperatur-Supraleiter fin­ den sich in der Gruppe Y-Ba-Cu-O, Bi-Sr-Ca-Cu-O, Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O, Tl-Ba-Ca-Cu-O, Ba-K-Bi-O. Diese Schichten können durch Dichtschicht­ verfahren, wie Sol-Gel-Verfahren, Plasmaspritzen, Elektrophorese, Sieb­ druck oder elektrochemisches Abscheiden erzeugt werden.

Der erfindungsgemäße Transformator kann mit Vorteil in einem Energie­ verteilungsnetz eingesetzt werden, um Kurzschlußströme zu begrenzen. Aus elektrotechnischen Gründen ist es sinnvoll, die Geometrie so zu wählen, daß die Gesamthöhe der Sekundärwindung im Verhältnis zu ihrem Außendurchmesser so gewählt ist, daß sie sich wie n:1 (mit 1 kleiner gleich n kleiner gleich 10) verhält. Dies kann entweder durch einen entsprechend geformten Trägerzylinder oder durch einen Stapel von beschichteten Ringen verwirklicht werden.

Beispiel 1

Bei einem Nennstrom von beispielsweise 2,5 kA soll die Stromstärke im Kurzschlußfall begrenzt werden, falls der Strom in der Primärspule 2 des Transformators 1 über 14 kA ansteigt. Der Durchmesser des Eisen­ kerns 6 beträgt 40 cm, der Kern selbst ist 2 m hoch und besitzt O-Form, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Primärspule 2 ist im Kupferquer­ schnitt für eine Nennstromdichte von 2,5 A/mm² ausgelegt. Sie wird durch einen Konvektionskühler gekühlt. Die Sekundärwindung 3 ist Teil des Verbundkörpers 7, welcher als Sinterkeramik hergestellt wurde. Der Trägerzylinder 5 besteht aus einem H=1 m hohen Al₂O₃-Zylinder, auf welchem durch Innenbeschichtung eine 60 µm dicke und h=90 cm hohe Schicht aus schmelzprozessiertem Y Ba₂ Cu₃ O₇ aufgebracht wurde. Zwi­ schen dem Al₂O₃-Zylinder und der Supraleiterschicht ist eine Puffer­ schicht 8, hier Ceroxid mit 0,5 µm Dicke aufgebracht, die eine uner­ wünschte Interdiffusion zwischen Träger 5 und Supraleiterschicht 3 unterbindet, welche bekanntermaßen die Supraleitereigenschaften deut­ lich verschlechtern kann. Als Puffer- oder Anpassungsschicht sind auch andere Materialien, wie z. B. yttriumstabilisiertes Zirkonoxid, MgO, SrTiO₃ und andere Systeme mit angepaßten Gitterparametern geeignet. Der Trägerzylinder hat eine Wandstärke von 3 cm. Dieser Verbundkörper ist in einem doppelwandigen Kryostaten in einem Bad aus flüssigem Stick­ stoff gehalten.

Durch die Windungszahl n der Primärspule kann die kritische Feldstärke bei etwa 14 kA eingestellt werden. Bei dem verwendeten supraleitenden Material, dessen Herstellung und Eigenschaften in der Patentschrift DE 42 26 942 C1 beschrieben sind, beträgt der magnetische Fluß, bei dem der supraleitende Kern in den normal leitenden Zustand übergeht, etwa 100 T. Der Verbundzylinder 7 ist mechanisch stabil und zeigt keinerlei Risse, auch nach mehrfacher Kurzschlußprüfung. Die supraleitende Schicht zeigt ebenfalls keinerlei Degradationserscheinungen. Das ist dar­ auf zurückzuführen, daß der Keramikzylinder, auf welchen diese Schicht aufgebracht ist, die hohen Druckbelastungen auffängt und sich im Kurz­ schlußfall zunächst einmal wie eine sehr starke Manschette verhält, wel­ che jede Ausdehnung der supraleitenden Schicht verhindert. Die große Oberfläche der supraleitenden Schicht sorgt außerdem dafür, daß die Verlustwärme, welche den Übergang supraleitend-normalleitend begleitet, sehr schnell an den flüssigen Stickstoff abgeführt wird.

Der Trägerzylinder 5 kann selbstverständlich auch aus anderen kerami­ schen Materialien hergestellt werden. Aus elektrischen Gründen ist Quarz eine gute Wahl, doch sind die thermischen Ausdehnungskoef­ fizienten von Träger- und supraleitenden Schichtmaterial sowie die Git­ teranpassung beim Aufbringen der möglichen Supraleiterschichten auf die Unterlage des Trägers zu berücksichtigen.

Beispiel 2

In einer weiteren Ausführungsform wird die Druckspannung nicht vom Trägerzylinder 5 selbst aufgebracht, sondern von einer nach der Be­ schichtung außen aufgebrachten Bandage.

Dies erlaubt einen weiteren Freiheitsgrad bei der Wahl des Trägerzylin­ dermaterials, da hier die Abstimmung der thermischen Ausdehnungskoef­ fizienten weniger ins Gewicht fällt.

Für Kühlzwecke besonders geeignet ist ein metallischer Träger 5, z. B. aus Nickel-Basislegierungen, der jedoch zur Vermeidung von zu hohen Verlusten durch unvermeidlich induzierte Wirbelströme im Träger mög­ lichst dünnwandig ausgeführt wird. Die nachträglich angebrachte Ban­ dage setzt dann den Schichtkörper unter Druck und stabilisiert den Träger mechanisch.

Neben GFK- oder auch kohlefaserverstärkten Kunststoff-Bandagen kann die Druckvorspanung auch über außen an gesetzte Halbschalen aus einer hochfesten Legierung, die miteinander verspannt sind, aufgebracht wer­ den.

Beispiel 3

In einer weiteren Ausführungsform ist der Trägerzylinder 5 auf der Außenseite mit dem Supraleiter beschichtet. Wie im vorangegangenen Beispiel wird die Druckspannung, die den Supraleiter im Begrenzungsfall vor Zugbelastung schützt, von einer nachträglich auflaminierten Bandage 9 geschützt.

Claims (19)

1. Transformator als Strombegrenzer, bei dem ein im Störfall zu be­ grenzender Strom durch die Primärspule (2) fließt und ein supra­ leitender Ring (3) als Sekundärspule vorgesehen ist, welcher in einem Kühlgefäß (4) unter die Sprungtemperatur des Hochtempe­ ratur-Supraleiters abgekühlt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiter als dünne ringförmige Schicht (3) auf einem Trägerzylinder (5) aufgebracht ist und mit diesem einen Verbund­ körper (7) bildet.

2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (3) auf der Innenseite des Trägerzylinders (5) aufgebracht ist.

3. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (3) auf der Außenseite des Trägerzylinders (5) aufgebracht ist.

4. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (3) 10 µm-2 mm dick ist.

5. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (3) 50-500 µm dick ist.

6. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerzylinder (5) eine Wandstärke (W) kleiner als 1/10 des Außendurchmessers (D) aufweist.

7. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Schicht (3) im Verbundkörper (7) durch Vorspannung des Trägerzylinders (5) unter Druckspannung ge­ setzt ist.

8. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerzylinder (5) aus einem Metall gebildet ist, insbe­ sondere aus einer Nickel-Basislegierung wie Inconel 600 und/oder Hastalloy.

9. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerzylinder (5) einen elektrischen Widerstand aufweist, der so groß ist, daß im Begrenzungsfall im Trägerzylinder höchstens ein Zehntel der Stromstärke fließt, verglichen mit der Stromstärke in der supraleitenden Schicht (3).

10. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerzylinder (5) aus einem Isolator gebildet ist, insbe­ sondere aus einer Keramik und/oder aus einem glasfaserver­ stärkten Kunststoff und/oder aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff.

11. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Schicht (3) durch Keramikprozesse als Massivmaterial hergestellt ist.

12. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Schicht (3) durch Beschichtungsverfahren hergestellt ist, insbesondere durch Dickschichtverfahren wie Sol- Gel-Verfahren, Plasmaspritzen, Elektrophorese, Siebdruck oder elektrochemisches Abscheiden.

13. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspule (2) die supraleitende Schicht (3) konzentrisch umschließt.

14. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Schicht (3) die Primärspule (2) konzentrisch umschließt.

15. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerzylinder (5) eine Begrenzungswand der Kühlein­ richtung darstellt.

16. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Schicht (3) aus mindestens einem kerami­ schen Supraleiter aus der Gruppe Y-Ba-Cu-O, Bi-Sr-Ca-Cu-O, Bi- Pb-Sr-Ca-Cu-O, Tl-Ba-Ca-Cu -O, Ba-K-Bi-O besteht.

17. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (3) als keramischer Supraleiter eine Verbindung der allgemeinen Formel Y_1+2+y Ba_2+x Cu_3+x O_z mit 0 x 0,5 0 y 0,5 und 6 z 7 ist.

18. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (h) des supraleitenden Zylinders (3) zu seinem Außendurchmesser (d) sich wie n:1 verhält, wobei 1 n 10 ist.

19. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Schicht (3) und dem Trägerzylinder eine Anpas­ sungsschicht (8) vorgesehen ist.