DE3919487C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Transformator gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 (Electrical Review, März 1971, Seiten 335 bis 338).

Es ist bekannt, daß Transformatoren konventioneller Bauweise supraleitend betrieben werden können, so daß ohmsche Ver­ luste in den Leitern verhindert werden können.

Ferner ist bekannt, daß Transformatoren konventioneller Betriebsweise zur Einsparung von Material, insbesondere von Kupfer, mit Wicklungen in koaxialer Bauweise betrieben werden können. Dabei bestehen die Windungen der Wicklung aus Leiterschich­ ten in dem Koaxialkabel. Dieses umfaßt eine Oberspannungs­ wicklung und eine Unterspannungswicklung und ist von einem gewickelten Eisenkern umgeben (DE-OS 23 20 589).

Durch das DE-GM 19 33 696 ist ein supraleitender Transformator mit einer koaxialen Leiteranordnung bekannt.

Aus der DE-OS-34 05 310 ist ein supraleitendes Magnetsystem bekannt, bei dem für einen Kryostatgenerator ein ringförmiges Gehäuse vorgesehen ist.

Bisher war es nicht möglich, supraleitende Transformatoren wirtschaftlich zu betreiben, weil der Kühlaufwand die Ein­ sparungen bei den ohmschen Verlusten überstieg.

Mit Hochemperatur-supraleitenden Wicklungen könnte der Wir­ kungsgrad von Großtransformatoren von heute 99,8% auf nahe­ zu 100% verbessert werden, wenn das Problem der Beherr­ schung der maximalen betriebsmäßigen Stromamplituden (Ein­ schaltstrom und Stoßkurzschlußstrom) gelöst wäre. Die Magnet­ feldamplituden konventioneller Transformatoren erreichen dabei 2800 kA/m mit dementsprechenden Radialdruckamplituden von 50 bar. Eine wirbelstromfreie Stützkonstruktion bzw. ein Druckgefäß für solche Drücke erscheint auf kleinstem Raum nicht ausführbar.

Eine Lösungsmöglichkeit besteht darin, Einschaltströme durch phasengesteuertes Einschalten zu vermeiden und Kurzschluß­ ströme durch Hochtemperatursupraleitungs-(HTSL)-Schalter, z. B. auf doppelten Nennstrom, zu begrenzen. Damit entfällt der Zwang, die Kurzschlußstrombegrenzung im Netz durch hohe Transformator-Reaktanzen zu erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verlustlei­ stung von Transformatoren zu verringern und gleichzeitig die magnetischen Feldstärken im Transformator so zu reduzieren, daß sie mit Sicherheit unterhalb derjenigen liegt, die für den verwendeten Leiterwerkstoff kritisch ist, wobei eine möglichst günstige Anordnung der Wicklungen im Gehäuse gegeben ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei wird auf den Einsatz von Eisen als Übertrager des magnetischen Feldes verzichtet wird. Die Leiter bestehen aus einem Innenleiter und einem Außenleiter eines Koaxialkabels, das weder von einem Eisen­ mantel umgeben noch um einen Eisenkern gewickelt ist.

Durch mehrfach-konzentrische Anordnung der OS- und US-Wick­ lungslagen ist es möglich, die resultierenden Magnetfeld­ amplituden und Drücke so zu reduzieren, daß selbsttragende HTSL-Wicklungen gebaut werden können. Eine Weiterführung dieser Entwicklung mit dem Ziel, auch die Kernverluste zu vermeiden, führte zu einer Entwurfsstudie für einen kern­ losen HTSL-Transformator, dessen Wicklungen in einem zu einer toroidförmigen Spule aufgewickelten Koaxialkabel vereinigt sind.

Die für die Bemessung, die Betriebseigenschaften und den Einsatz eines solchen Transformators maßgeblichen Einfluß­ größen werden diskutiert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bestehen darin,

• - daß der Wickelleiter für die Wicklung mit der höchsten Nennspannung im Koaxialkabel dessen zentralen über die gesamte Leiterlänge durchgehenden Mittenleiter darstellt, der in radialer Richtung in abwechselnder Reihenfolge von Isolierschichten und von in axialer Richtung in Abschnitte unterteilten Mantelleitern umgeben ist,
• - daß die Enden des Mittenleiters und aller Abschnitte aller Mantelleiter in Umfangsrichtung der Wicklung an derselben Stelle liegen,
• - daß um die Enden des Mittenleiters und die Enden der Ab­ schnitte der Mantelleiter eine Anschlußkammer vorgesehen ist, in der die Verbindungsleiter zur Parallelschaltung der Abschnitte der Mantelleiter liegen und von deren Wänden Durchführungen zur Verbindung der Wicklungen mit Stromversorgungsnetzen getragen sind,
• - daß die Länge der Abschnitte der Mantelleiter gleich dem Umfang des Kryostatgefäßes oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen hiervon ist und
• - daß mehrere koaxiale Mantelleiter vorgesehen sind, wobei die außen im Koaxialkabel liegenden Mantelleiter die Wick­ lung mit der kleinsten Nennspannung bilden.

Wie beim konventionellen Transformator ist das Windungsüber­ setzungsverhältnis eine rationale Zahl, d. h. die Windungs­ zahlen der parallel- oder in zwei Gruppen serien-parallel­ geschalteten Mantelabschnitte 2U-2V sind ganzzahlig und damit auch die Windungszahl des Innenleiters. Ist trotz vernachlässigbar kleiner Kurzschlußreaktanz eine Einstellung des Übersetzungsverhältnisses erforderlich, dann kann dies durch eine "Aggregatschaltung" von Kabeln erreicht werden.

Gemäß einer hierzu vorgesehenen Schaltung ist zur Herstel­ lung einstellbarer Übersetzungsverhältnisse der Mittenleiter des Koaxialkabels mit dem Mantelleiter bzw. den Mantellei­ terabschnitten eines Zusatz-Koaxialkabels elektrisch in Reihe geschaltet, wobei der Mittenleiter des Zusatz-Koaxial­ kabels elektrisch parallel zu dieser Reihenschaltung oder elektrisch parallel zu den Mantelleiterabschnitten des ersten Koaxialkabels liegt.

Gemäß weiteren Ausgestaltungen der Erfindung ist das Kryostatgefäß torusförmig ausgebildet und ist der Innen­ leiter lediglich von einer Isolierschicht und von einer Schicht unterteilter elektrisch parallelgeschalteter Mantelabschnitte umgeben.

Wird das Kabel in Schleifen gelegt, so daß jeder Mantelab­ schnitt eine ganze Zahl von Windungen darstellt, dann können die parallel zu schaltenden Mantelenden sowie Anfang und Ende des Innenleiters zu einer gemeinsamen Anschlußkammer zusammengeführt werden.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß durch den Wegfall der Eisenverluste ein wirtschaftlich zu betreibender supraleitender Transformator geschaffen ist. Es treten durch die Flußverkettung über Isolationsmaterial und die Supraleitung außer unvermeidlichen dielektrischen und Ausleitungsverlusten keine Verluste auf. Ein weiterer Aspekt der Wirtschaftlichkeit ist die durch die Einsparung des Eisens und die supraleitungs-bedingten geringen Leiterquer­ schnitte erzielte Material- und damit auch Gewichtserspar­ nis. Das Gewicht des (Hochtemperatur)-Supraleitungs-Trans­ formators reduziert sich gegenüber dem eines konventionellen Transformators vergleichbarer Leistung um mehr als 80%.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau des geschirmten Kabels,

Fig. 2 den Wicklungsaufbau und die Verschaltung der Unter­ spannungswicklung und

Fig. 3 einen Schnitt durch einen schematisch dargestellten Hochtemperatursupraleitungs-Transformator.

Der prinzipielle Aufbau des verwendeten Kabels ist Fig. 1 zu entnehmen. Um den die Funktion der Oberspannungswicklung übernehmenden Innenleiter 1 ist ein Hauptisolierung 4 auf­ gebracht. Sie besteht zweckmäßigerweise aus helium-impräg­ nierter Kunststoffolie bei Verwendung von Tieftemperatur­ supraleitern bzw. aus stickstoff-imprägnierten Kunststoff­ olien bei der Verwendung von Hochtemperatursupraleitern. Der Hauptisolierschicht folgt eine Unterspannungswicklung 2, die je nach Übersetzungsverhältnis durch Verbindungs- oder Zusatzleiter 2.1 parallel geschaltet wird. Gefolgt von einer weiteren Isolationsschicht 5 schließt eine geerdete Schir­ mung 3, die entweder blank oder isoliert sein kann, den Kabelkomplex nach außen ab.

Ein Wicklungsbeispiel ist in Fig. 2 ausgeführt. Die Wick­ lungsanordnung dient nicht der Flußverkettung, sondern der Platzersparnis. Beim Wickeln können sich die blanken Schir­ mungen berühren.

Die Wicklungsanordnung umfaßt einen Eisenkern 6. Die Wick­ lungsanordnung selbst liegt in einem Gehäuse mit Hohlräume 12 einschließenden Wänden 7, 8, 9. Die Hohlräume 12 sind über einen Stutzen 10 evakuiert. Die Wand 8 dient gleich­ zeitig als Strahlungsschutz und ist durch Profile 11 me­ chanisch versteift.

Wicklungen 13 aus Hochtemperatursupraleitern werden von Ringen 14 und Leisten 15 mechanisch zusammengehalten und hängen an Zugstangen 16. Anstelle von Leisten 15 sind auch Isolierzylinder einsetzbar. Die Wicklungen sind über Leiter 17 mit einem Netz verbindbar. Die Räume 18 zwischen den Teilen der Wicklungen 13 sind bis zu einem Pegel 19 mit einem Kühlmittel gefüllt, beispielsweise mit flüssigem Helium oder mit flüssigem Stickstoff. Die Zufuhr des Kühl­ mittels erfolgt über ein Rohr 20, und verdampftes Kühlmittel wird über einen großvolumigen Stutzen 21 abgeführt.

Claims (9)

1. Transformator zur Umsetzung von elektrischen Leistungen im MVA-Bereich mit mindestens zwei Wicklungen aus im Be­ triebszustand supraleitenden Wickelleitern in einem Kryostat­ gefäß, dessen Magnetfluß eisenlos geführt ist, dadurch gekennzeichnet,

• - daß den Wickelleitern (1, 2) Schirmleiter (3) zugeordnet sind,
• - daß jeweils alle mit demselben Magnetfluß verketteten Wickelleiter (1, 2) und die zugeordneten Schirmleiter (3) in einem Koaxialkabel zusammengefaßt sind, und
• - daß das Kryostatgefäß (7, 8, 9) ringförmig ausgebildet ist.

2. Transformator nach Anspruch 1 dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Wickelleiter (1, 2) für die Wicklung mit der höchsten Nennspannung im Koaxialkabel dessen zentralen über die gesamte Leiterlänge durchgehenden Mittenleiter (1) darstellt, der in radialer Richtung in ab­ wechselnder Reihenfolge von Isolierschichten (4, 5) und von in axialer Richtung in Abschnitte unterteilten Mantelleitern (2) umgeben ist.

3. Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des Mitten­ leiters (1) und aller Abschnitte aller Mantelleiter (2) in Umfangsrichtung der Wicklung an derselben Stelle liegen.

4. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß um die Enden des Mittenleiters (1) und die Enden der Abschnitte der Man­ telleiter (2) eine Anschlußkammer vorgesehen ist, in der Verbindungsleiter (2.1) zur Parallelschaltung der Abschnitte der Mantelleiter (2) liegen und von deren Wänden Durchfüh­ rungen zur Verbindung der Wicklungen mit Stromversorgungs­ netzen getragen sind.

5. Transformator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ab­ schnitte der Mantelleiter (2) ganzzahlige Windungszahlen aufweisen.

6. Transformator nach einem der Ansprüche 4 oder 5, da­ durch gekennzeichnet, daß mehrere koaxiale Mantelleiter (2) vorgesehen sind, wobei die außen im Koaxialkabel liegenden Mantelleiter (2) die Wicklung mit der kleinsten Nennspannung bilden.

7. Transformator nach einem der Ansprüche 2 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Zusatz­ koaxialkabel vorgesehen ist, und daß zur Herstellung ein­ stellbarer Übersetzungsverhältnisse der Mittenleiter (1) des Koaxialkabels mit dem Mantelleiter oder den Mantelleiterab­ schnitten des Zusatz-Koaxialkabels elektrisch in Reihe ge­ schaltet ist, wobei der Mittenleiter des Zusatz-Koaxial­ kabels elektrisch parallel zu dieser Reihenschaltung oder elektrisch parallel zu dem Mantelleiter (2) oder den Man­ telleiterabschnitten des Koaxialkabels liegt.

8. Transformator nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Zusatz-Koaxialkabel zur stufenweisen Veränderung des Übersetzungsverhältnisses den Stufen entsprechend in Abschnitte unterteilt ist.

9. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß das Kryostatgefäß torusförmig ausgebildet ist.