DE69728301T2

DE69728301T2 - Supraleitender transformator ohne kern

Info

Publication number: DE69728301T2
Application number: DE69728301T
Authority: DE
Inventors: Gunnar Asplund
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1996-01-18
Filing date: 1997-01-07
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2017-01-08
Also published as: SE507576C2; SE9600173L; ATE262728T1; EP1021811B1; DE69728301D1; EP1021811A1; JP2000503474A; WO1997026668A1; SE9600173D0

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Transformator mit supraleitenden Wicklungen und ohne einen Eisenkern. Einen Transformator mit supraleitenden Wicklungen ohne einen Eisenkern zu entwickeln, bringt spezielle Probleme mit sich, die Isolation, Magnetisierungsstrom, Verluste etc. betreffen. Ein kernloser Transformator mit supraleitenden Wicklungen bringt jedoch Vorteile mit sich, die dazu beitragen, einen solchen Transformator sowohl weniger teuer als auch weniger schwer als einen herkömmlichen Transformator für die gleiche Leistung zu machen. Aufgrund der Kosten, die mit Installationen verbunden sind, um einen supraleitenden Zustand der Wicklungen zu erreichen, gehören jedoch derzeit erhältliche Transformatoren in erster Linie zur Kategorie der Leistungstransformatoren.
Technischer Hintergrund, Probleme
Es existiert ein Anzahl von Publikationen, die die Entwicklung und das Überprüfen von Transformatoren mit einem Eisenkern und supraleitenden Wicklungen beschreiben. Als ein Beispiel des Stands der Technik im Hinblick auf solche Transformatoren wird Bezug genommen auf einen Artikel mit dem Titel "POWER TRANSFORMER WITH SUPERCONDUCTING WINDINGS", veröffentlicht in IEEE TRANS. ON MAGNETICS, Vol.2, No. 6, November 1993, Seiten 3356-3358, (A).
Es existiert ebenso eine Anzahl von Publikationen, die sich mit kernlosen Transformatoren mit supraleitenden Wicklungen befassen. Als Beispiele können hier genannt werden "Loss Characteristics of Air-Core Superconducting Transformers", veröffentlicht in IEEE TRANS. ON MAGNETICS, Vol. 28, No. 5, September 1992, Seiten 2232-2234 (B), "Volt-Ampere Rating of Air-Core Superconducting Power Transformers", veröffentlicht in IEEE TRANS. ON MAGNETICS, Vol. 29, No. 6, November 1993, Seiten 3592-3594 (C), und "Conceptual Design Rating of Air-Core Superconducting Power Transformer for Cable Transmission Systems", präsentiert auf dem IEEE/PES Sommertreffen, 23.-27. Juli, 1995, Portland, OR (95 SM 610-6 PWRD), Seiten 1-7 (D).
Der Hauptgrund für den Wunsch, supraleitende Wicklungen in einem Transformator zu verwenden, ist die Möglichkeit einer deutlichen Erhöhung der Stromdichte in den Wicklungen, die dies erlaubt. In den Wicklungen eines herkömmlichen öl-gekühlten Transformators ist es möglich, mit einer Stromdichte von 2.5-4 A/mm² zu arbeiten. Aufgrund der Isolation und der erforderlichen Kühlkanäle ist jedoch die mittlere Stromdichte über den gesamten Wicklungsquerschnitt auf 1-2 A/mm² reduziert. Dies wiederum bedeutet, dass für ein Paar von Wicklungen, in denen jede Wicklung eine Dicke von 0.4-0.7 m aufweist, das magnetische Feld in dem Hauptkanal auf 1 T begrenzt ist. Angenommen, dass der Kupferbereich nur zu 20-25 % zu der Öffnung des Kernfensters beiträgt, wird dann die Stromdichte in diesem Fenster nur 0.5-1 A/mm² betragen.
Indem als Wicklungsmaterial Hochtemperatursupraleiter (HTSC) verwendet werden, können die Bedingungen radikal geändert werden, da deren Supraleitfähigkeit die von Kupfer um eine bis zwei Größenordnungen übersteigt. Mit einer solchen Stromdichte wird eine supraleitende Wicklung jedoch eine Art von mechanischer Abstützung benötigen, die einen bestimmten Raum einnehmen wird. Von einem rein praktischen Standpunkt aus bedeutet ein Wechsel zu einer supraleitenden Wicklung, dass von einer effektiven Stromdichte von 10-100 A/mm² über den Wicklungsquerschnitt ausgegangen werden kann.
Wie aus den zitierten Referenzen klar sein dürfte, ist der Austausch einer Transformatorwicklung, die bei einer normalen Betriebstemperatur arbeitet, durch eine supraleitende Wicklung Teil des Stands der Technik und gehört zu den Problemen, die auf eine vergleichsweise befriedigende Art und Weise überwunden werden können. Wenn ein Wechsel zu einem kernlosen Transformator durchgeführt werden soll, sind die Probleme, die verbleiben, dass der Leerlaufstrom des Transformators mit einem herkömmlichen Aufbau der Wicklungen 30-90 % des Nennstroms des Transformators betragen kann. Ein Weg, um den Leerlaufstrom zu reduzieren kann jedoch sein, die Anzahl von Windungen in der Wicklung zu erhöhen. Unglücklicherweise führt dies jedoch in den meisten Fällen zu einer nicht akzeptabel hohen Kurzschluss-Reaktanz.
In der vorstehend genannten Referenz (B) ist die Verlust-Charakteristik von kernlosen Transformatoren mit einer supraleitenden Wicklung untersucht worden. Zu diesem Zweck ist eine äquivalente Transformatorschaltung erreicht worden. Um die theoretischen Berechnungen zu überprüfen, ist ein experimenteller Transformator mit vier beidseitig isolierten und konzentrisch angeordneten Unterwicklungen hergestellt worden.
In der vorstehend genannten Referenz (C) sind die primären Volt-Ampere-Verhältnisse eines kernlosen Transformators mit einer supraleitenden Wicklung untersucht worden, basierend auf der äquivalenten Transfonnatorschaltung, die in Referenz (B) erreicht worden ist. Kernlose supraleitende Wicklungen können vorteilhafterweise als Nebenschlussreaktoren in Netzwerken mit einer großen kapazitiven Last verwendet werden. In Referenz (C) sind die Verhältnisse von kernlosen supraleitenden Wicklungen, so wie einem Nebenschlussreaktor, ebenso mit dem gleichen äquivalenten Diagramm untersucht worden. Um die berechneten Werte zu überprüfen, ist der experimentelle Transformator gemäß der Referenz (B) verwendet worden.
Die Referenz (D) präsentiert noch ein anderes Verfahren der Berechnung, basierend auf der äquivalenten Transformatorschaltung aus Referenz (B), für einen kernlosen Transformator mit supraleitenden Wicklungen auf der Basis der vorgegebenen elektrischen Daten. Das Verfahren zeigt, dass die Größe eines solchen Transformators kleiner und sein Gewicht deutlich geringer ist als bei einem herkömmlich gewickelten Transformator mit einem Eisenkern mit entsprechenden elektrischen Daten. Die reduzierte Größe und das reduzierte Gewicht werden noch verstärkt bzw. betont für einen entsprechenden Nebenschlussreaktor.
Eine wichtige Schlussfolgerung, die aus den Testergebnissen mit einem experimentellen Transformator, wie er in der Referenz (D) beschrieben wird, gezogen werden kann, ist, dass die Verluste in einem kernlosen Transformator mit supraleitenden Wicklungen dazu neigen, konstant zu werden, unabhängig von dem Belastungsstrom bei hohen magnetischen Koeffizienten der induktiven Kopplung zwischen den Wicklungen. Das bedeutet, dass die Transformatoren ausgelegt werden sollten, um die kleinstmöglichen Leerlaufverluste zu erreichen. Um dies zu erreichen, weist der experimentelle Transformator fünf Wicklungen auf, von denen die primäre Wicklung, in diesem Fall die Hochspannungswicklung, aus zwei konzentrischen inneren und zwei konzentrischen äusseren Unterwicklungen besteht, und worin die dazwischen liegende fünfte Windung die sekundäre Wicklung des Transformators ist.
Indem die primäre Wicklung, wie in der Referenz (D), in vier Unterwicklungen aufgeteilt wird, das heisst mit einer Höhe entsprechend einem Viertel der Höhe verglichen mit dem Fall nur einer Wicklung, wird die Induktivität, die die Versorgungsquelle bei Leerlaufbetrieb erfährt, höher sein, wenn diese Unterwicklungen miteinander verbunden sind, so dass die dadurch hervorgerufenen Felder im zentralen Hohlraum aufsummiert werden. Dies beruht auf der Tatsache, dass die gespeicherte Energie proportional zu der quadrierten Feldstärke ist, multipliziert mit dem eingeschlossenen Volumen. Die Aufteilung in vier Unterwicklungen bedeutet, dass sich die Feldstärke um einen Faktor vier erhöht und das eingeschlossene Volumen sich um einen Faktor vier verringert. Daher wird der Leerlaufstrom im wesentlichen um einen Faktor zwei verringert. Die Feldverteilung, in einem Schnitt durch eine Hälfte der Wicklungen, im Leerlaufbetrieb eines Transformators gemäß (D), wobei die primäre Wicklung in vier Unterwicklungen aufgeteilt ist, ist weitgehend aus der unterbrochenen Linie in 1 ersichtlich, worin B₁ dem Feld in dem inneren zentralen Hohlraum des Transformators entspricht. In der Figur wurde angenommen, dass der radiale Raum zwischen den Unterwicklungen, und zwischen den Unterwicklungen und der sekundären Wicklung für Isolation und mechanische Stabilität der Wicklungen gleich dem radialen Raum für die Wicklungen ist.
Wie vorstehend erwähnt, führen kernlose Transformatoren mit einer herkömmlichen Wicklungsauslegung in den meisten Fällen zu Problemen mit einer hohen Kurzschlussreaktanz. Wenn eine sekundäre Wicklung innerhalb oder ausserhalb der Unterwicklungen in einem Transformator gemäß der Referenz (D) angeordnet wird, werden sowohl die reaktive Leistung beim Nennstrom als auch die Kurzschlussreaktanz des Transformators ebenfalls vier mal höher sein als wenn die primäre Wicklung nicht aufgeteilt ist. Jedoch werden diese beiden Größen reduziert, indem die sekundäre Wicklung; wie in der Referenz (D), zwischen den Unterspulen in der aufgeteilten primären Wicklung angeordnet wird. Dies führt zu einer Feldkonfiguration beim Nennstrom, die aus der durchgezogenen Linie in 1 ersichtlich ist. Das bedeutet, dass, in Bezug auf eine herkömmliche Wicklungsauslegung, ein kernloser Transformator mit einer aufgeteilten primären Wicklung und einer sekundären Wicklung zwischen den mittlersten Unterwicklungen jeweils eine niedrigere Kurzschlussreaktanz und reaktive Leistung aufweisen wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt die Feldverteilung eines kernlosen Transformators mit einer primären Wicklung, die in vier Teile aufgeteilt ist, bestehend aus zwei inneren und zwei äusseren Lagen, und mit einer dazwischen liegenden sekundären Wicklung.
2 zeigt die Feldverteilung eines kernlosen Transformators mit einer primären Wicklung, die in vier Teile aufgeteilt ist und einer sekundären Wicklung, die in vier Teile aufgeteilt ist, worin die Unterwicklungen verschachtelt sind.
Zusammenfassung der Erfindung, Ausführungsformen
Insbesondere bei Leistungstransformatoren ist es normalerweise wünschenswert, zusätzlich dazu, in der Lage zu sein, eine vergleichsweise niedrigen Leerlaufstrom aufrechtzuerhalten, ebenso eine jeweils vergleichsweise niedrige reaktive Leistung und eine niedrige Kurzschlussreaktanz zu haben. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wicklungsauslegung, die, im Bezug auf den vorstehend beschriebenen Stand der Technik, eine zusätzlich reduzierte reaktive Leistung für kernlose Leistungstransformatoren mit supraleitenden Wicklungen gestattet. Dies kann erreicht werden, indem der sekundären Wicklung gestattet wird, ebenso aus einer Anzahl von Unterwicklungen zu bestehen, entsprechend der Anzahl der Unterwicklungen, mit der die primäre Wicklung ausgelegt ist, wobei die Unterwicklungen der sekundären Wicklung mit den Unterwicklungen der primären Wicklung verschachtelt sind. Daher bedeutet in einer Ausführungsform gemäß 2 das Verschachteln, dass sich das Wicklungspaket, von der Außenseite aus gezählt, aus einer sekundären Unterwicklung, S1, Raum für Isolation und mechanische Abstützung, einer primären Unterwicklung, P1, Raum für Isolation und mechanische Abstützung, einer sekundären Wicklung, S2, Raum für Isolation und mechanische Abstützung, einer primären Wicklung, P2, etc. zusammensetzt, davon abhängend, aus wie vielen Unterwicklungen das Wicklungspaket besteht. In einer anderen Ausführungsform kann sich das Wicklungspaket, gezählt von der Außenseite aus, aus einer primären Unterwicklung, Raum für Isolation und mechanische Abstützung, einer sekundären Unterwicklung, etc. zusammensetzen. Wie vorstehend erwähnt, soll die Verbindung zwischen den Unterwicklungen derart sein, dass die davon verursachten Felder in dem zentralen inneren Hohlraum aufsummiert werden.
Die Feldverteilung, in einem Schnitt durch eine Hälfte der Wicklungen, sowohl im Leerlaufbetrieb als auch beim Nennstrom, für einen Transformator gemäß der Erfindung in einer Ausführungsform gemäß 2, wobei sowohl die primäre Wicklung als auch die sekundäre Wicklung in vier Unterwicklungen aufgeteilt sind und verschachtelte Wicklungen aufweisen, ist weitgehend klar aus der Figur. Hier entspricht B₁ ebenso dem Feld in dem zentralen inneren Hohlraum des Transformators. Die Feldverteilung im Leerlaufbetrieb wird durch die unterbrochene Linie dargestellt, und die Feldverteilung beim Nennstrom wird durch die durchgezogene Linie dargestellt.
Der Schutzumfang der Erfindung gestattet es, dass die Wicklungen in weniger als vier bzw. mehr als vier Unterwicklungen aufgeteilt werden. Wenn eine der Wicklungen in "n" Wicklungen aufgeteilt wird, kann die andere Wicklung in "n+1" Wicklungen aufgeteilt werden.

Claims

Kernloser Transformator mit einer supraleitenden primären und sekundären Wicklung, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die primäre als auch die sekundäre Wicklung in eine Anzahl von Unterwicklungen (P1, P2,..., S1, S2,...) aufgeteilt sind und worin die Unterwicklungen der primären Wicklung konzentrisch mit den Unterwicklungen der sekundären Wicklung verschachtelt sind, so dass sie ein verschachteltes Wicklungspaket (P1, S1, P2, S2,...) bilden.
Kernloser Transformator mit einer supraleitenden primären und sekundären Wicklung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die primäre als auch die sekundäre Wicklung in eine gleiche Anzahl n von Unterwicklungen aufgeteilt sind (P1, P2,..., Pn, S1, S2,..., Sn).
Kernloser Transformator mit einer supraleitenden primären und sekundären Wicklung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre Wicklung in eine Unterwicklung, n+1, mehr aufgeteilt ist als die sekundäre Wicklung, n, (P1, P2,..., Pn, Pn+1, S1, S2,..., Sn).
Kernloser Transformator mit einer supraleitenden primären und sekundären Wicklung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Wicklung in eine Unterwicklung, n+1, mehr aufgeteilt ist als die primäre Wicklung, n, (P1, P2,..., Pn, S1, S2,..., Sn, Sn+1).
Kernloser Transformator mit einer supraleitenden primären und sekundären Wicklung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äusserste Unterwicklung des überlappenden Wicklungspakets eine der Unterwicklungen (P1) der primären Wicklung ist.
Kernloser Transformator mit einer supraleitenden primären und sekundären Wicklung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äusserste Unterwicklung des überlappenden Wicklungspakets eine der Unterwicklungen (S1) der sekundären Wicklung ist.