DE69916388T2

DE69916388T2 - Elektrischer Transformator mit supraleitenden Wicklungen

Info

Publication number: DE69916388T2
Application number: DE69916388T
Authority: DE
Inventors: Thierry Verhaege; Christian Cottevieille
Original assignee: Areva T&D SAS
Current assignee: Grid Solutions SAS
Priority date: 1998-09-18
Filing date: 1999-09-15
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2019-09-16
Also published as: EP0987723B1; FR2783632B1; CA2282869A1; AU4758399A; US6292080B1; NO321614B1; EP0987723A1; NO994484D0; ATE264542T1; DE69916388D1; RU2219607C2; FR2783632A1; CA2282869C; AU757354B2; NO994484L

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Transformator elektrischen Stroms mit supraleitenden Wicklungen an der Primär- und/oder Sekundärspule.
Auf bekannte Weise werden supraleitende Leiter mit metallischer Matrix verwendet, um elektrische Transformatoren mit starker Masseleistung und mit hoher Ergiebigkeit zu realisieren. Die supraleitenden Leiter mit metallischer Matrix ermöglichen es nämlich, Stromdichten, die viel höher sind und Verluste, die viel geringer sind als bei massiven bzw. Feststoff-Supraleitern oder bei nicht-supraleitenden Leitern, zu erhalten.
Der geringe elektrische Widerstand der metallischen Matrix (beispielsweise aus Silber oder aus Silberlegierung) gestattet es jedoch nicht, die Kurzschlussströme wirksam zu begrenzen, und es ist notwendig, den Transformator sowie die anderen an der Leitung vorhandenen elektrischen Vorrichtungen so zu definieren, dass sie hohe Kurzschlussströme ertragen können, sofern nicht eine Vorrichtung in Reihe geschaltet ist, die zur Strombegrenzung dient. Eine solche Vorrichtung kann auf bekannte Weise anhand von massiven bzw. Feststoff-Supraleitern ausgeführt sein, die einen starken elektrischen Widerstand aufweisen, wenn der Strom ihre normalen Kapazitäten überschreitet.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Funktionen von Transformator und von Strombegrenzer in einer einzigen Vorrichtung und insbesondere unter den besten Platzsparbedingungen zu kombinieren.
Die der Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, die für die Begrenzung des Stroms gerade nötige Menge an massivem Supraleiter zu verwenden und sie zu der Erzeugung von Ampere-Windungen beitragen zu lassen, indem darauf geachtet wird, sie in Bereichen des Transformators zu positionieren, in denen das Magnetfeld am schwächsten ist, wobei diese letztere Anordnung eine erhebliche Verringerung der Verluste des massiven Supraleiters gestattet.
Im einzelnen ist die Aufgabe der Erfindung ein elektrischer Stromtransformator mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung, die jeweils mindestens aus einer ersten Spule, welche durch die Wicklung eines oder mehrerer Supraleiter mit metallischer Matrix gebildet ist, bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spule der Primärwicklung oder der Sekundärwicklung koaxial zu mindestens einer zweiten Spule, mit der sie in Reihe geschaltet ist, angeordnet ist, wobei diese zweite Spule durch ein massives Supraleiterrohr gebildet ist, das eine Funktion eines Strombegrenzers aufweist und in elektrischem und mechanischem Kontakt mit einem Rohr aus stark resistiver Metalllegierung steht, wobei die beiden Rohre koaxial und in Solenoidform gefertigt sind.
In der Anordnung des Transformators gemäß der Erfindung ist das Volumen des/der hergestellten supraleitenden Rohrs/Rohre auf das notwendige Minimum reduziert, um wirksam die Kurzschlussströme zu begrenzen, während die supraleitenden Leiter mit metallischer Matrix für den Rest der Wicklungen verwendet werden.
Gemäß einem ersten Vorteil der Erfindung kann/können das/die hergestellte(n) supraleitende(n) Rohr/e an der Primärwicklung im Fall eines spannungserhöhenden Transformators oder an der Sekundärwicklung im Fall eines spannungssenkenden Transformators plaziert sein. Sie arbeiten so unter Hochspannungsstrom und Niederspannungsstrom, das heißt, mit starkem Querschnitt und geringer Windungszahl, was diesem Wicklungstyp am besten entspricht, wobei die dielektrischen Probleme bei der Strombegrenzung reduziert werden.
Gemäß einem zweiten Vorteil der Erfindung liefert das Rohr aus stark resistiver Legierung eine mechanische Verstärkung des Supraleiterrohrs, begünstigt die Ausbreitung des Übergangs und verringert die Erhitzung des Rohrs bei Strombegrenzungen.
Nach einer speziellen Ausführungsform des Transformators gemäß der Erfindung ist/sind das/die maschinell bearbeiteten supraleitenden Rohre in den Bereichen des Transformators gelegen, in denen das Magnetfeld schwach ist, was als nützliche Konsequenz eine beträchtliche Verringerung ihrer Verluste hat, sowie eine Zunahme der Stromdichte, die sie tragen.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der Lektüre der Beschreibung zweier in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen hervor. Es zeigen:
1 einen Axialschnitt längs der Achse D eines Transformators gemäß der Erfindung, der eine Hochspannungs-Primärwicklung auf der Basis von supraleitenden Leitern mit metallischer Matrix aufweist und an der Sekundärwicklung eine Spule auf der Basis von supraleitenden Leitern mit metallischer Matrix, die in Reihe mit der maschinell bearbeiteten Anordnung eines Supraleiterrohrs und eines Rohrs aus Metalllegierung geschaltet ist,
2 eine Darstellung im Längsschnitt des Details der maschinell bearbeiteten Anordnung des Supraleiterrohrs und des Rohr aus Metalllegierung,
3 einen halben Axialschnitt nach der Achse D eines weiteren Beispiels des Transformators gemäß der Erfindung.
Ein Transformator gemäß der Erfindung umfasst im einzelnen nach 1 einen Magnetkreis 1, eine Primärwicklung 2 und zwei in Reihe geschaltete Sekundärwicklungen 3 und 4. Die Wicklungen 2, 3 und 4 sind koaxial, wobei die Wicklung 3 zwischen die Wicklungen 2 und 4 eingefügt ist. Die Wicklungen bzw. Spulen 2 und 3 sind aus Mehrschicht-Solenoiden auf der Basis von Wicklungen eines oder mehrerer supraleitender Leiter mit metallischer Matrix hergestellt; beispielsweise kann es sich um Silberstreifen handeln, die mehrere supraleitende Keramik-Filamente Bi₂Sr₂CaCu₂O₇ enthalten. Diese Streifen bzw. Bänder akzeptieren Stromdichten der Größenordnung von 30 A/mm², die relativ hoch im Vergleich zu 5 bis 10 A/mm² für die massiven Röhren aus Bi₂Sr₂CaCu₂O₇ sind. Sie weisen eine geringe Dicke (typischerweise 0,2 mm) auf, was eine starke Verringerung ihrer Verluste im Vergleich zu massiven Röhren ermöglicht, die eine Dicke von mehreren Millimetern aufweisen.
Die Spule bzw. Wicklung 4 wird auf der Basis eines massiven Rohrs 5 aus Bi₂Sr₂CaCu₂O₇ sowie eines Rohrs 6 einer Metalllegierung (beispielsweise aus rostfreiem Stahl, Kupfer-Nickel oder Inconel) maschinell bearbeitet, die zusammen in Form eines Solenoids gefertigt sind, wie aus 2 hervorgeht. Das Rohr 5 wird beispielsweise um das Rohr 6 durch Dehnung oder Kontraktion des einen oder anderen aufgesetzt, um einen elektrischen und mechanischen Kontakt von einer Spirale zur anderen nach der Bearbeitung herzustellen, so dass, wenn sich das Rohr 5 als Strombegrenzer verhält, der Strom teilweise in das Rohr 6 übergeht. Der Feststoff aus Bi₂Sr₂CaCu₂O₇ stellt, wenn er seinen Supraleiterzustand verliert, weist starke elektrische Resistivität (von der Größenordnung von 10^–5 Ω·m) auf, was ihn für die Funktion des Strombegrenzens prädisponiert. Diese Begrenzung kann erzielt werden, sobald eine hinreichende Fraktion der Wicklungen (typischerweise 10 Prozent) auf der Basis des Bi₂Sr₂CaCu₂O₇-Massivstoffs maschinell bearbeitet ist. Die parallele Präsenz eines koaxialen Rohrs 6 aus Metalllegierung zum Rohr 5, das in elektrischem und mechanischem Kontakt mit diesem steht, ermöglicht es, die Beinträchtigung des Supraleiters durch Überhitzen während eines lokalisierten Verlusts des Supraleiterzustands zu vermeiden, indem der Joule-Effekt verringert wird, die thermische Trägheit verstärkt wird und die Ausbreitung des Übergangs begünstigt wird.
Da die Strombegrenzung nur einen kleinen Bruchteil des massiven Supraleiters erfordert, ist es gemäß einem ersten Vorteil der Erfindung möglich, die maschinell bearbeiteten Supraleiterrohre an der Primärwicklung im Fall eines spannungssteigernden Transformators und an der Sekundärwicklung im Fall eines spannungssenkenden Transformators zu plazieren, wie es der Fall des in 1 gezeigten Transformators ist. Sie arbeiten auf diese Weise unter Strom mit Hochspannung und Niederspannung, d. h. mit starkem Querschnitt und geringer Anzahl von Wicklungen, was für diese Art von Wicklung am geeignetsten ist, wobei die dielektrischen Probleme bei der Strombegrenzung verringert werden.
Die maschinell bearbeiteten Supraleiterrohre werden vorzugsweise in denjenigen Bereichen des Transformators positioniert, in denen das Magnetfeld am schwächsten ist, was die Vorteile hat, eine erhebliche Reduktion ihrer Verluste und eine bemerkenswerte Zunahme der Stromdichte, die sie akzeptieren, zu erhalten. Das Profil des Magnetfeldes an den Wicklungen bzw. Spulen ist dem Fachmann bekannt; es ist durch die Linie 10 in 1 in willkürlichen Einheiten dargestellt. Das Magnetfeld ist zwischen Spulen 2 und 3 maximal und an den äußeren und inneren Grenzen der gewickelten Zone praktisch Null. Durch seine Extremposition ist das maschinell bearbeitete Supraleiterrohr 5 hier einem sehr schwachen Magnetfeld ausgesetzt und hat damit geringe Verluste.
Die Erfindung ist natürlich nicht auf die anhand eines Beispiels in 1 dargestellte Geometrie beschränkt. Allgemein hat der Fachmann keine Schwierigkeit, die Bereiche zu erstellen, in denen sich das Magnetfeld im Transformator aufhebt, um dort die maschinell bearbeiteten Supraleiterröhren zu positionieren. Eine der möglichen Varianten des Transformators gemäß der Erfindung ist in 3 dargestellt.
3 zeigt einen stromsenkenden Transformator, der nacheinander von innen nach außen an seiner Achse D9 koaxiale Wicklungen aufweist, die mit 11 bis 19 bezeichnet sind. Die Wicklungen 11, 15 und 19 gehören zur Primärwicklung, und die Wicklungen 12 bis 14, 16 bis 18 gehören zur Sekundärwicklung. Die Wicklungen 12 bis 14 sind in Reihe geschaltet, ebenso wie die Wicklungen 16 bis 18. Die Wicklungen 13 und 17 sind in Form eines Solenoids maschinell bearbeitete Supraleiterröhren, die von ebenfalls in Form eines Solenoids maschinell bearbeiteten Rohren aus Metalllegierung ergänzt werden; die anderen Spulen bzw. Wicklungen bestehen aus supraleitenden Leitern mit metallischer Matrix. Das Profil des Magnetfelds ist durch die Linie 20 in willkürlichen Einheiten dargestellt; es hebt sich auf halber Dicke der zwei maschinell bearbeiteten Supraleiterrohre 13 und 17 auf, die damit sehr geringe Verluste aufweisen.
Die Anordnung des Transformators gemäß der Erfindung bringt daher zahlreiche Vorteile im Vergleich zu der einfachen Nebeneinander Anordnung eines Transformators mit supraleitenden Wicklungen und einem Strombegrenzer mit sich. Der Schutz des Transformators vor Kurzschlussströmen mit Hilfe der maschinell bearbeiteten Feststoff-Supraleiterrohre, die zur Erzeugung von Ampere-Wicklungen beitragen, bringt eine starke Kostensenkung im Vergleich zu einem Transformator mit sich, der extern mit einem Strombegrenzer verbunden ist. Demgegenüber ermöglicht es der dem Transformator gemäß der Erfindung eigene Aufbau, maschinell bearbeitete Feststoff-Supraleiterrohre, die zur Strombegrenzung notwendig sind, in Bereichen mit schwachem Magnetfeld anzuordnen, wo sie ihre besten Leistungen zeigen. Schließlich werden aktive und reaktive Verluste sowie die cryogenen Anforderungen reduziert.

Claims

Elektrischer Stromtransformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, die jeweils aus mindestens einer ersten Spule (2, 3, 11, 12, 14–16, 18, 19), welche durch die Wicklung eines oder mehrerer Supraleiter mit metallischer Matrix gebildet ist, bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spule der Primärwicklung oder der Sekundärwicklung koaxial zu mindestens einer zweiten Spule, mit der sie in Reihe geschaltet ist, angeordnet ist, wobei diese zweite Spule durch ein massives Supraleiterrohr (5, 13, 17) gebildet ist, das eine Funktion eines Strombegrenzers aufweist und in elektrischem und mechanischem Kontakt mit einem Rohr aus stark resistiver Metallegierung (6) steht, wobei die beiden Rohre koaxial und in Solenoidform gefertigt sind.
Transformator nach Anspruch 1, wobei die zweite Spule (5, 13, 17) in einem Bereich des Transformators angeordnet ist, in dem das Magnetfeld am schwächsten ist.
Transformator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei mindestens eine zweite Spule (13, 17) zwischen zwei ersten Spulen (12, 14; 16, 18) der Primärwicklung oder der Sekundärwicklung des Transformators angeordnet und in Reihe mit diesen beiden ersten Spulen geschaltet ist.