DE4412761A1 - Leiterdurchführung für ein Wechselstromgerät mit Supraleitung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiterdurchführung für ein Wech­ selstromgerät mit Supraleitung, insbesondere ein Hochspan­ nungstransformator in supraleitender Ausführung.

Aus der Electrical Review vom 12.03.1971, Seiten 335 bis 338 sind elektrische Wechselstromgeräte mit Supraleitung bekannt. Dabei ist der Aktivteil des Wechselstromgerätes, beispiels­ weise der Aktivteil eines Transformators, in einem Kyrostat­ gefäß angeordnet. Innerhalb des Kyrostatgefäßes wird mittels eines Kühlmediums für die erforderliche Tieftemperatur ge­ sorgt, so daß mit einem entsprechenden Leiter eine Supralei­ tung erzeugt werden kann. Bei der praktischen Realisierung solcher Geräte besteht das Problem, die Leiter für die elek­ trische Energiezu- und -abfuhr elektrisch und thermisch iso­ liert von außen durch das Kyrostatgefäß an das Aktivteil her­ anzuführen.

Bei herkömmlichen Durchführungen, wie beispielsweise aus der DD 2 82 102 A5 bekannt, ist lediglich eine elektrische Iso­ lierung des Leiters gegenüber einem Gehäuse erforderlich. Aus der FR 2 647 590 ist eine Leiterdurchführung für supralei­ tende Gleichstrommagnetspulen mit kleinen Betriebsspannungen bekannt. Bei kleinen Betriebsspannungen kann jedoch der elektrische Isolieraufwand als vernachlässigbar betrachtet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leiterdurch­ führung für ein Wechselstromgerät mit Supraleitung für hohe Spannungen bereitzustellen, bei dem eine sichere thermische als auch elektrische Isolation gegeben ist.

Die Lösung der Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit einer Leiterdurchführung für das Gehäuse eines supraleitenden Wechselstromgerätes mit hoher Betriebsspannung, insbesondere für Mittel- oder Hochspannung, mit

• - einem Innenleiter, der von einem als thermischer und elektrischer Isolierkörper ausgebildeten ersten Durchfüh­ rungsteil umgeben ist, in welchem koaxial um den Innen­ leiter elektrisch leitende Einlagen mit geringer Wärmeleit­ fähigkeit angeordnet sind,
• - endseitigen Verbindungsmitteln zum Anschluß eines elek­ trischen Leiters zur elektrischen Energiezu- oder -abfuhr beziehungsweise zum Anschluß eines Supraleiters
• - und Haltemitteln zur Befestigung an der Gehäusewand.

Auf diese Weise ist ein sicherer Betrieb des Wechselstrom­ gerätes in bezug auf die Spannungsfestigkeit der Leiterdurch­ führung und auf die Temperaturverluste gegeben. Die Leiter­ durchführung läßt sich dabei in ihren Baumaßen an das Gehäuse des Wechselstromgerätes problemlos anpassen, wobei dann ent­ sprechend die Form und die Anzahl der leitenden Einlagen an­ gepaßt wird. Auf diese Weise sind auch schwierige Durchfüh­ rungen am Gehäuse elektrisch als auch thermisch weitestgehend beherrschbar.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist an dem ersten Durchführungsteil axial ein passendes zweites Durch­ führungsteil angeordnet, wobei zwischen den beiden Durch­ führungsteilen ein gekühlter Zwischenraum liegt. Auf diese Weise ist eine zweistufige Ausbildung der Leiterdurchführung gegeben. Die Einlagen der beiden Durchführungsteile sind dann aufeinander abgestimmt, so daß eine vorteilhafte Potential­ steuerung für den Zwischenraum möglich ist. Diese Leiter­ durchführung eignet sich insbesondere für Wechselstromgeräte mit besonders niedriger Kühlmitteltemperatur, bei denen die Temperaturverluste entlang der Leiterdurchführung auf einen besonders kleinen Wert gehalten werden müssen. Gegebenenfalls kann der Zwischenraum sich auch um den Innenleiter herum er­ strecken, so daß dieser noch eine zusätzlich Kühlung erfährt. Durch eine günstige Auslegung dieser Zwischenkühlung kann ge­ gebenenfalls der Temperaturverlust für den Innenraum des Ge­ häuses entlang der Leiterdurchführung geringer sein als durch die Gehäusewand an sich. Die Temperaturverluste werden dabei durch den Kühlkreislauf für den Zwischenraum bereitgestellt oder gedeckt. Der Kühlkreislauf für den Innenraum wird da­ durch nicht belastet. Da der Kühlkreislauf für den Zwischen­ raum auf einer höheren Temperatur als der des Innenraumes arbeitet, kann dieser auch einfacher und kostengünstiger aus­ geführt werden. Das Verhältnis des spezifischen Energieauf­ wands zwischen Hauptkühlkreis zum Zwischenkühlkreis beträgt etwa 500 W/W zu 10 W/W.

Bevorzugt weisen die Einlagen einen gegenüber Aluminium ge­ ringeren, insbesondere einen minimalen, Wärmeleitwert auf und können als Folie aus einer unmagnetischen Stahllegierung, z. B. Hasteloy, gefertigt sein. Dadurch ist ein besonders ge­ ringer Temperaturverlust entlang der Leiterdurchführung ge­ geben. Die Einlagen an sich stellen Wärme- oder Kältebrücken innerhalb des Isolierkörpers dar. Durch Verwendung des speziellen Werkstoffes sind die dort entstehenden Verluste auf ein geringes Maß begrenzt. Die Einlagen können dabei in beiden Durchführungsteilen angeordnet sein. Dadurch ist auch eine gleichmäßige Potentialverteilung entlang der gesamten Durchführung, insbesondere auch im Bereich des Zwischen­ raumes, möglich. Mit Vorteil kann der Innenleiter zumindest im ersten Durchführungsteil ein im Verhältnis zum Leiter oder Supraleiter großen Außendurchmesser aufweisen. Auf diese Weise ist eine bessere Potentialsteuerung möglich.

Die Leiterdurchführung findet eine bevorzugte Verwendung bei einem supraleitenden Leistungstransformator, insbesondere für Mittel- oder Hochspannung. Die Anordnung von Leistungstrans­ formator mit der erfindungsgemäßen Leiterdurchführung weist ein besonders sicheres Betriebsverhalten und eine günstige Baugröße auf.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den übrigen An­ sprüchen angegeben.

Die Erfindung und weitere Vorteile werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Leiterdurchführung und

Fig. 2 eine zweite Leiterdurchführung.

Fig. 1 zeigt einen Teilschnitt durch eine Gehäusewand 1 eines nicht näher gezeigten elektrischen Wechselstromgerätes mit hoher Betriebsspannung, beispielsweise Mittel- oder Hochspan­ nung. Der Aktivteil des Wechselstromgerätes kann zum Beispiel eine Spule, ein Kondensator oder sonstige elektrische Leiter­ anordnungen - auch Halbleiter - umfassen. Bevorzugt ist das Wechselstromgerät als Hochspannungstransformator für die Energieversorgung ausgebildet und supraleitend ausgeführt. Das heißt, daß zumindest ein Teil seiner elektrischen Aktiv­ teile in einem Kyrostatgefäß 2 derart gekühlt sind, daß deren elektrische Leiter supraleitend sind. Dazu wird die elek­ trische Energie von außen über einen üblichen elektrischen Leiter 3 durch die Gehäusewand 1 in den gekühlten Innenraum 5 des Kyrostatgefäßes 2 geführt. Innerhalb des Kryostatgefäßes 2 befindet sich ein Kühlmedium 7, z. B. LN₂. Die Kühlung des Innenraumes 5 und der darin befindlichen Aktivteile erfolgt dabei mittels des Kühlmediums 7. Das Kühlmedium 7 wird mittels einer nicht näher gezeigten Kühleinrichtung auf einer vorgegebenen Tieftemperatur gehalten. Die Form des Kyrostat­ gefäßes ist üblicherweise an die Form des Wechselstromgerätes angepaßt und kann z. B. eine zylindrische, quaderförmige oder eine sonstige geeignete Ausbildung haben.

Zur Erzeugung der Supraleitung wird ein spezieller elek­ trischer Leiter, vorliegend ein Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL) 9 verwendet. Dieser wird bei Temperaturen zwischen 10 und 100 K, insbesondere bei 77 K eingesetzt. Es können jedoch auch metallische Supraleiter (MSL) verwendet werden, die einen Einsatz unterhalb von 20 K, insbesondere bei ca. 4 K, erlauben.

Bei einer Durchführung des elektrischen Leiters 3 durch die Gehäusewand 1 ist einerseits eine thermische Isolierung und andererseits eine elektrische Isolierung erforderlich. Dies gilt insbesondere, wenn der elektrische Leiter 3 mit Hoch­ spannung beaufschlagt ist. Vorliegend wird eine Leiterdurch­ führung 11 verwendet, deren Innenleiter 13 nach Art einer Stromdurchführung ausgebildet ist. Sein Durchmesser ist dabei im Verhältnis zum Durchmesser des elektrischen Leiters 3 relativ groß, so daß zwischen der Gehäusewand 1 und dem Innenleiter 13 nur eine geringe Feldstärkebelastung auftritt. Die Leiterdurchführung 11 weist im Längsschnitt beispielhaft eine keulenartige Form auf.

Die Leiterdurchführung 11 ist als Isolierkörper ausgebildet und umfaßt in an sich bekannter Art und Weise koaxial um den Innenleiter 13 angeordnete Kondensatoreinlagen 15. Diese sind zur Beherrschung des elektrischen Feldes zwischen dem Innen­ leiter 13 und der Gehäusewand 1 erforderlich. Bei 400 KV Be­ triebsspannung sind beispielsweise ca. 100 Einlagen erfor­ derlich. Zur Beherrschung der thermischen Isolierfähigkeit dürfen die Kondensatoreinlagen 15 jedoch nicht wie üblich aus Aluminiumfolie gewickelt sein, da Aluminium ein hervorragen­ der Wärmeleiter ist. Die Kondensatoreinlagen 15 müssen bei der vorliegenden Anwendung schlechte Wärmeleiter sein. Als Materialien eignen sich daher beispielsweise Folien aus einer unmagnetischen Stahllegierung, z. B. Hastelloy, die auch bei tiefen Temperaturen eine wesentlich geringere Wäremeleit­ fähigkeit aufweisen als Aluminium. Es eignen sich jedoch auch nichtmetallische Folien, z. B. Kohlefolie, Kunststoffolie oder auch mit einem elektrischen Leiter kaschierte Folien. Die Leiterdurchführung 11 ist ansonsten herkömmlich aus epoxydharzgetränkter Isolierfolie gewickelt. Gegebenenfalls kann aber auch hier eine Verwendung von Materialien statt­ finden, die eine Verringerung der Wärmeleitfähigkeit der Leiterdurchführung 11 zur Folge hat. Denkbar sind Materialien wie Kunststoff oder Keramik.

Die Verbindung des HTSL 9 mit dem Innenleiter 13 kann in einen Bereich innerhalb der Leiterdurchführung 11 verlegt sein. Die Verbindung des Innenleiters 13 mit dem elektrischen Leiter 3 erfolgt wie nach dem Stand der Technik üblich. In der Fig. 1 ist hierzu rein schematisch eine Verbindungsschelle 19 gezeigt. Die einstufige Ausführung nach Fig. 1 ist insbesondere für Geräte mit HTSL auf einer Kühltemperatur von ca. 77 K und eventuell für Geräte mit MSL bei 4 K geeignet. Ihr Nennstrom sollte unterhalb 100 A liegen.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer zwei­ stufigen Leiterdurchführung 11a. Diese ist im wesentlichen für ein Kyrostatgefäß 2 mit besonders niedriger Kühltempera­ tur, insbesondere unter 10 K, geeignet. Die Leiterdurch­ führung 11a umfaßt dazu ein erstes und ein zweites Durch­ führungsteil 21a und 21b. Das Durchführungsteil 21a ent­ spricht dabei im wesentlichen der bereits oben beschriebenen Leiterdurchführung 11. Es ist dabei im wesentlichen außerhalb der Gehäusewand 1 angeordnet und ragt zum Teil in den Innen­ raum 5 hinein. Es dient zum Anschluß des elektrischen Leiters 3. Im Innenraum des Kyrostatgefäßes 2 ist das zweite Durch­ führungsteil 21b angeordnet. Die beiden Durchführungsteile 21a und 21b sind an ihren einander zugewandten Flächen in der Formgebung angepaßt und bilden dabei gleichzeitig einen Zwi­ schenraum 23. Die beiden Durchführungsteile 21b, 21a sind bevorzugt, wie die oben bereits beschriebene Durchführung 11, als Kondensatordurchführungen mit Einlagen 15 aufgebaut.

Diese Ausführung kann auch so beschrieben werden, daß durch Anordnung des Zwischenraumes bei einer einfachen Anordnung eine zweistufige Ausführung gebildet wird.

Der zwischen den beiden Durchführungsteilen 21a und 21b ge­ bildete Zwischenraum 23 dient zur Aufnahme eines Kühlmediums, wodurch eine zusätzliche Kühlung der gesamten Leiterdurchfüh­ rung 11a erfolgt. Der Wärmeübergang von Außen nach Innen ist dadurch zweistufig. Auf diese Weise ist nur noch ein geringer Wärmeübergang über die elektrischen Leiter 27, 13, 9a inner­ halb der Durchführung 11a möglich. Das Kühlmedium 7a für den Zwischenraum 23 wird ebenfalls über eine nicht näher gezeigte Kühleinrichtung gekühlt und aufbereitet. Dadurch wird auch der Wärmeverlust des Kühlmediums 7 im Innenraum 5 klein ge­ halten und dessen Kühleinrichtung entlastet. Die Zwischen­ raumkühleinrichtung ist gegenüber der Hauptkühleinrichtung klein ausgeführt. Das Kühlmedium 7a für den Zwischenraum 23 kann dabei ein anderes als das innerhalb des Kryostatgefäßes 2 sein. Für tiefe Temperaturen wird beispielsweise LH_e bei ca. 4 K verwendet. Da ein kontinuierlicher Wärmeübergang von dem Innenraum 5 des Kyrostatgefäßes 2 über die Durchführung 11a bis zum elektrischen Leiter 3 stattfindet, könnte bei­ spielsweise für den Zwischenraum 23 als Kühlmittel 7a LN₂ bei über 50 K wie bei der Hochtemperatursupraleitung verwendet werden.

Zur Befestigung der Durchführung 11a und zur Bildung von An­ schlußmöglichkeiten für den Zwischenraum 23 ist ein geeig­ neter Flansch 25 an der Gehäusewand 1 vorgesehen. Die Befe­ stigung erfolgt dabei in bekannter Art und Weise, z. B. durch Schweißen oder mittels gas- und flüssigkeitsdichte Verschrau­ bungen.

Entsprechend den wärmetechnischen Bedingungen innerhalb der Durchführung 11a, können auch entsprechende Leiter verwendet werden. Ausgehend davon, daß das Wechselstromgerät innerhalb einen MSL 27 aufweist und außerhalb an einen elektrischen Leiter 3 angeschlossen ist, kommen im weiteren der bereits oben beschriebene Innenleiter 13 für das Durchführungsteil 21a und für das Durchführungsteil 21b ein HTSL 9a zur Anwen­ dung. Die Verluste und der Wärmeleitwert des HTSL 9a im zweiten Durchführungsteil 21b sind vernachlässigbar klein, so daß der Wärmestrom durch das zweite Durchführungsteil 21b nur noch als Produkt aus dem Wärmeleitwert des Durchführungsteils 21b und der Temperaturdifferenz

ΔT = 77 - u = 73 K

gegeben ist. Es wird dabei den jeweiligen elektrischen oder thermischen Bedingungen am besten geeignete Leiter verwendet.

Zur Verbindung der jeweiligen Leiter 27, 9a und 13 sind ent­ sprechende Verbindungsmittel 29a und 29b vorgesehen. Das Ver­ bindungsmittel 29a ist dabei bevorzugt innerhalb des Durch­ führungsteils 21b jedoch auf Temperatur des MSL angeordnet. Beispielhaft ist das zweite Verbindungsmittel 29b zur Verbin­ dung des HTSL 9a und des Innenleiters 13 im Zwischenraum 23 angeordnet.

Zur weiteren Potentialsteuerung kann das Verbindungsmittel 29b eine separate Abschirmelektrode aufweisen. Gegebenenfalls kann diese auch von der "100%-Einlage", bevorzugt bei Mittelspannung, gebildet sein. Bei sehr hohen Anschlußspan­ nungen - z. B. 400 kV - wird auch hier die Anordnung der inneren Verbindung 17 bzw. 29a innerhalb einer Abschirm­ elektrode in Frage kommen, um die Anschlußstelle elektrisch hochwertig abzuschirmen.

Das Verbindungsmittel 29b kann dabei gegebenenfalls auch gleichzeitig als Abstandsteil zur Erzeugung des Zwischenraums 23 dienen. Zur Verbindung der jeweils unterschiedlichen Lei­ termaterialien und -arten, können die Verbindungsmittel 29a, 29b und die Verbindung 17 als Löt-, Schweiß-, Klemm- oder Klebeverbindung ausgeführt sein. Auch hier ist entsprechend der elektrischen und thermischen Wärmeleitfähigkeit vom Fach­ mann die günstigste Verbindungstechnik zu wählen.

Claims (16)

1. Leiterdurchführung (11, 11a) für das Gehäuse (2) eines supraleitenden Wechselstromgerätes mit hoher Betriebsspan­ nung, insbesondere für Mittel- oder Hochspannung, mit

• - einem Innenleiter (13), der von einem als thermischer und elektrischer Isolierkörper ausgebildeten ersten Durch­ führungsteil (21) umgeben ist, in welchem koaxial um den Innenleiter elektrisch leitende Einlagen (15) mit geringer Wärmeleitfähigkeit angeordnet sind,
• - endseitigen Verbindungsmitteln (19, 29b) zum Anschluß eines elektrischen Leiters (3) zur elektrischen Energiezu- oder abfuhr beziehungsweise zum Anschluß eines Supraleiters (9, 9a)
• - und Haltemitteln (25) zur Befestigung an der Gehäusewand (1).

2. Leiterdurchführung nach Anspruch 1, wobei das Verbindungs­ mittel (17, 29a, 29b) zum Anschluß des Supraleiters (9, 9a) innerhalb des Isolierkörpers angeordnet ist.

3. Leiterdurchführung nach Anspruch 1 oder 2, wobei an dem ersten Durchführungsteil (21a) axial ein passendes zweites Durchführungsteil (21b) angeordnet ist, zwischen denen ein von einem Kühlmittel durchströmbarer Zwischenraum (23) liegt.

4. Leiterdurchführung nach Anspruch 1 oder 2, welche etwa quer zu ihrer Längsachse einen von einem Kühlmittel durch­ strömbarer Zwischenraum (23) aufweist, wodurch ein erstes und ein axial dazu passendes zweites Durchführungsteil (21a bzw. 21b) gebildet sind.

5. Leiterdurchführung nach Anspruch 3, wobei das zweite Durchführungsteil (21b) ebenfalls koaxial angeordnete elek­ trisch leitende Einlagen (15) aufweist.

6. Leiterdurchführung nach Anspruch 3, 4 oder 5, wobei der Leiter (9a) des zweiten Durchführungsteils (21b) ein Supra­ leiter ist.

7. Leiterdurchführung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei das Verbindungsmittel (29b) zum Anschluß des Supraleiters (9a) zumindest teilweise im Zwischenraum (23) angeordnet ist.

8. Leiterdurchführung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei das zweite Durchführungsteil (21b) ein Verbindungsmittel (29a) zum Anschluß seines Leiters (9a) an den Supraleiter (27) des Wechselstromgerätes aufweist.

9. Leiterdurchführung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei als Haltemittel ein im Bereich des Zwischenraumes (23) ange­ ordneter Flansch (25) vorgesehen ist.

10. Leiterdurchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Einlagen (15) einen gegenüber Aluminium geringen Wärmeleitwert aufweisen.

11. Leiterdurchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Einlagen (15) als Folie aus einer unmagnetischen Stahllegierung, insbesondere Hasteloy, gefertigt sind.

12. Leiterdurchführung nach Anspruch 3 bis 11, wobei das Kühlmittel im Zwischenraum (23) eine höhere Betriebstempe­ ratur als das Kühlmittel des Wechselstromgerätes aufweist.

13. Leiterdurchführung nach Anspruch 3 bis 12, wobei der Zwischenraum (23) kegelmantelförmig ausgestaltet ist.

14. Leiteranordnung nach Anspruch 3 bis 13, wobei zur elektrischen Potentialsteuerung im Zwischenraum (23) die Einlagen (15) der beiden Durchführungsteile (21a, 21b) aufeinander abgestimmt sind.

15. Leiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Innenleiter (13) zumindest im ersten Durchführungsteil (21, 21a) einen im Verhältnis zum Leiter (3) oder zum Supra­ leiter (9, 9a) großen Außendurchmesser aufweist.

16. Verwendung einer Leiterdurchführung nach einem der An­ sprüche 1 bis 15 bei einem supraleitenden Leistungstrans­ formator, insbesondere für Mittel- oder Hochspannung.