DE69609731T2

DE69609731T2 - Transformator mit supraleitenden wicklungen

Info

Publication number: DE69609731T2
Application number: DE69609731T
Authority: DE
Inventors: Sven Hoernfeldt
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1995-12-27
Filing date: 1996-12-10
Publication date: 2001-04-12
Anticipated expiration: 2016-12-11
Also published as: WO1997024736A1; SE9504650L; EP0870309A1; JP3769299B2; DE69609731D1; US6175294B1; SE9504650D0; ATE195389T1; SE504852C2; EP0870309B1; JP2000502840A; DK0870309T3

Description

Eine wichtige Bedingung zur Ausstattung von Transformatoren mit supraleitenden Wicklungen, sollen sie gleichzeitig im Vergleich zu Transformatoren mit herkömmlichen Wicklungen ein wettbewerbsfähiges Produkt werden, besteht darin, daß die Wechselstromverluste (ac) minimiert werden. Supraleitende Wicklungen werden herkömmlichen blechgewickelten Wicklungen gleichen, da die gegenwärtig erhältlichen supraleitenden Hochtemperatur-Materialien in Bandform ausgeführt sind. Da die ac-Verluste in dem supraleitenden Band größtenteils von der Richtung eines magnetischen Wechselfeldes in Bezug zur Ebene des Bands abhängt, müssen spezielle Vorkehrungen getroffen werden, um die ac-Verluste auf einem annehmbaren Niveau halten zu können. Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aufbau, der dazu beiträgt diese Verluste auf ein Mindestmaß zu reduzieren.
Die Fig. 1 zeigt schematisch die Magnetfeldkonfiguration von zwei konzentrischen Transformatorwicklungen um einen Schenkel eines Transformatorkerns gemäß dem Stand der Technik.
Die Fig. 2 zeigt, wie herkömmliche, blechgewickelte Transformatorwicklungen gemäß dem Stand der Technik aufgebaut sind, um die Verluste so gering wie möglich zu halten.
Die Fig. 3 zeig, wie gemäß dem Stand der Technik vorzugehen ist, um bei Verwendung von supraleitenden Wicklungen geringe Verluste zu erzielen.
Die Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung um geringe Verluste zu erzielen.
Kennzeichnend für Supraleiter ist, daß die mögliche Stromdichte bedeutend höher ausfällt als bei gewöhnlichen Leitern. Wie vorstehend erwähnt, hat ein in einer Transformatorwicklung verwendeter Supraleiter normalerweise die Form eines Bandes. Das gegenwärtig erhältliche Band enthält ca. 30% Supraleiter und 70% Silbermatrix. Das supraleitende Material weist in dem Band in eine derartige Ausrichtung auf, daß die ac-Verluste dann, wenn das magne tische Wechselfeld, welchem der Leiter ausgesetzt ist, senkrecht auf die Ebene des Bandes gerichtet ist, 3 bis 5 mal größer sind, als wenn das Feld in der Ebene des Bandes liegt.
Falls keine speziellen Vorkehrungen für einen Transformator gewählt werden, wird die Magnetfeldkonfiguration für zwei konzentrische Wicklungen 1 und 2 um einen Schenkel 3 des Transformators ein wie in Fig. I gezeigtes Erscheinungsbild aufweisen. Der im Wesentlichen axiale, magnetische, zwischen den Wicklungen sich erstreckende Streufluß 4, weicht an den beiden Enden der Wicklungen in eine mehr oder weniger radiale Richtung aus. Dies bewirkt eine Durchsetzung der Wicklungen in Längsrichtung durch einen Magnetfluß mit einer radialen Komponente, wobei in dem Leiter Wirbelströme erzeugt werden und Verluste entstehen. Das ist natürlich unabhängig davon, ob die Wicklung aus einer herkömmlichen Blechwicklung besteht oder ob sie als eine supraleitende Blech-(Band-)wicklung ausgeführt ist. Da das Verlustverhalten des supraleitenden Bandes von der Feldrichtung in Bezug zur Fläche des Bandes abhängt, wird dieses Problem in supraleitenden Wicklungen noch mehr hervortreten als in herkömmlichen Wicklungen.
In der US-4,323,870 ist ein typisches Beispiel der in herkömmlichen Blechwicklungen verwendeten Technik offenbart, um die aufgrund der radialen Feldkomponente entstehenden Verluste zu reduzieren. Anstelle der Beeinflussung der Feldkonfiguration kann das Leitermaterial dem Feld folgen. Dies wird durch eine derartige Ausbildung des Bandes erreicht, daß der magnetische Feldvektor an jedem Punkt eine Tangente zur Oberfläche des Leiters darstellt. Auf diese Art und Weise können Wirbelströme ausgeschlossen werden. Die beiliegende Fig. 2, welche zur Fig. 1 des vorstehenden U. S. Patentes identisch ist, zeigt wie blechumwickelte Wicklungen aufgebaut werden können, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Die innere Rundung nahe des Kerns wird durch Runden des Wicklungsträgers 5 an den Enden nahe des Kerns hervorgebracht, was aus mechanischer Sicht nicht wirklich erforderlich ist, und die äußere Rundung kann mit Hilfe von verschiedenartigen Keilen oder Verschlägen ausgeführt werden. Dieses Verfahren bringt jedoch einen vergrößerten Raumbedarf mit sich und einen vergrößerten Radius der Wicklungen, was zu erhöhten Verlusten und einem verhältnismäßig zeitaufwendigen und schwierigen Wicklungsprozeß führt.
Aus Patent SE 922 455 (WO 94/06133) "Wicklungsträger für Transformatoren/Reaktoren mit Supraleitern" und der beiliegenden Fig. 3 ist ein Beispiel ersichtlich, wie vorzugehen ist, um die Verluste bei Verwendung von supraleitenden Wicklungen niedrig zu halten. Das supraleitende Band 8 ist um einen Wicklungsträger 6, bestehend aus einem im Wesentlichen geraden, kreisförmig-zylindrischen, röhrenförmigen Träger, gewickelt. Zwischen dem Kern 3 und dem Wicklungsträger ist eine sogenannte kryogene Wand 7 vorgesehen. Auf der Seite auf der sich die Wicklung befinden soll, ist der Träger außen, nahe den beiden Enden entlang des Trägerkörpers mit einem spiralförmigen Schlitz versehen, wobei der Schlitz eine Ebene mit einer der Weite aufweist, die gleich der Weite des Leiters ist. Auf diese Art und Weise bildet jede Drehung des Schlitzes außen um den Trägerkörper nahe den Enden eine Fläche, welche in der Praxis die Hüllfläche eines geraden Kegelstumpfes bildet. Der Winkel zwischen einer Erzeugenden 9 der umhüllenden Fläche des geraden Kegelstumpfes und der axialen Mittellinie des Trägerkörpers nimmt mit jeder Drehung außen, auf die Enden des Trägerkörpers derart zu, daß die Hüllfläche an jedem Punkt mit der Richtung des Magnetfeldes übereinstimmt. Der mittlere Bereich des Trägerkörpers hat eine kreisförmigzylindrische Hüllfläche ohne Schlitze. Aufgrund des spiralförmigen Schlitzes entlang der Enden des Trägerkörpers kann das supraleitende Band entlang des gesamten Trägerkörpers kontinuierlich in ein oder mehreren Schichten gewickelt werden.
Zur Vermeidung von auftretenden Wirbelströmen in dem Band an den Wicklungsenden und der damit einhergehenden ac-Verlusten wird erfindungsgemäß ein unterschiedlicher Lösungsweg beschritten. Das Magnetfeld wird stattdessen derart beeinflußt, daß sich das Magnetfeld in der axialen Länge aller Wicklungen parallel zur Symmetrieachse der Wicklungen erstreckt, d. h. es weicht an den Wicklungsenden nicht aus, wie in Fig. 1 gezeigt.
Zwischen den konzentrisch angeordneten Sekundär- und Primärwicklungen des Transformators befindet sich ein konzentrischer, röhrenförmiger Raum, der sogenannte Hauptkanal, der zur elektrischen Isolierung zwischen den zwei Wicklungen mit Isolationsmaterial gefüllt ist. Um das Feld derart zu steuern, daß es sich auch an den Wicklungsenden parallel zur Symmetrieachse der Wicklungen erstreckt, werden an beiden Enden des Hauptkanals zusammen mit und in der Isolation mehrere konzentrische, zylindrische Blenden aus magnetischen Material mit einer relativ hohen Permeabilität, zweckmäßigerweise größer als 103, eingebracht (Anspruch 1). Wenn die Blenden aus einem elektrisch nicht-leitenden Material bestehen, dann können sie geschlossene Windungen ausbilden. Bei einer bestimmten elektrischen Leitfähigkeit sollen die Blenden geschlitzt sein oder, falls sie überlappen, eine ausreichende Isolation im überlappenden Bereich aufweisen.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist aus der Fig. 4 ersichtlich. Die konzentrischen Wicklungen werden in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 1 und 2 und der Transformatorkern mit 3 bezeichnet. Die magnetischen Feldlinien 4 sind in dem mit Isolationsmaterial gefüllten Hauptkanal 10 gezeigt. In dem oberen und unteren Bereich des Hauptkanals sind gemäß der vorstehenden Beschreibung mehrere zylindrische Blenden 11 und 12 aus magnetischem Material konzentrisch eingebracht. Wie aus der Figur ersichtlich ist die Aufgabe dieser Blenden die Flußlinien derart zu konzentrieren, daß sich diese auch an den unteren und oberen Bereichen der Wicklungen in den Hauptkanal erstrecken und nicht mehr oder weniger radial durch die Wicklungen hindurchtreten.
Der Umfang der Erfindung läßt, abhängig von dem verfügbaren Raum in dem Hauptkanal, der Dicke und den magnetischen Eigenschaften und in anderer Beziehung von dem Blendenmaterial eine unterschiedliche Anzahl an Blendenringen zu. Die Blendenringe müssen jedoch derart bemessen sein, daß sie bei einem Nennstrom keine magnetische Sättigung erfahren. Gleichzeitig muß ausreichend Raum für die notwendige Isolation zwischen den Wicklungen vorhanden sein. Die axiale Länge der Blenden sollte andererseits an den gegebenen Transformatoraufbau angepaßt sein. Ein geeignetes Material für diese Blenden ist das sogenannte amorphe Transformatorblech oder andere Materialien mit vernachlässigbaren Hysteresis- Verlusten.
In einer Ausführungsform können die konzentrischen Ringe durch einen spiralförmigen Ring ersetzt werden (Anspruch 4).

Claims

1. Transformator mit konzentrisch um einen Kern (3) gewickelten, supraleitenden Primär- und Sekundärwicklungen (1, 2), zwischen denen ein konzentrischer röhrenförmiger Raum vorhanden ist, d. h. der Hauptkanal, und mit Isolationsmaterial (10) zur elektrischen Isolierung zwischen den zwei Wicklungen, dadurch gekennzeichnet, daß zylindrische Blenden (11, 12) aus magnetischem Material mit einer relativ hohen Permeabilität an beiden Enden des Hauptkanals konzentrisch in das Isolationsmaterial eingebracht sind.

2. Transformator mit supraleitenden Primär- und Sekundärwicklungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blenden geschlossene Windungen ausbilden können, wenn sie aus einem elektrisch nicht-leitenden Material bestehen.

3. Transformator mit supraleitenden Primär- und Sekundärwicklungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blenden geschlitzt sein sollen, wenn sie aus elektrisch leitendem Material bestehen.

4. Transformator mit konzentrisch um einen Kern (3) gewickelten, supraleitenden Primär- und Sekundärwicklungen (1, 2), zwischen denen ein konzentrischer röhrenförmiger Raum vorhanden ist, d. h. der Hauptkanal, der mit Isolationsmaterial (10) zur elektrischen Isolierung zwischen den zwei Wicklungen gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine zylindrische, spiralförmige Blende aus magnetischem Material mit einer relativ hohen Permeabilität an beiden Enden des Hauptkanals konzentrisch in das Isoliermaterial eingebracht ist.

5. Transformator mit supraleitenden Primär- und Sekundärwicklungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blenden aus einem amorphen Transformatorblech bestehen.

6. Transformator mit supraleitenden Primär- und Sekundärwicklungen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die spiralförmige Blende aus einem amorphen Transformatorblech besteht.