EP1225602A1 - Transformatorwicklung - Google Patents

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Publication number
EP1225602A1
EP1225602A1 EP01810067A EP01810067A EP1225602A1 EP 1225602 A1 EP1225602 A1 EP 1225602A1 EP 01810067 A EP01810067 A EP 01810067A EP 01810067 A EP01810067 A EP 01810067A EP 1225602 A1 EP1225602 A1 EP 1225602A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage conductor
conductor tracks
low
voltage
transformer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01810067A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jakob Rhyner
Rolf Luchsinger
Martin Lakner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Research Ltd Switzerland
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Research Ltd Switzerland filed Critical ABB Research Ltd Switzerland
Priority to EP01810067A priority Critical patent/EP1225602A1/de
Priority to US10/043,136 priority patent/US20020130748A1/en
Priority to PCT/CH2002/000029 priority patent/WO2002059919A1/de
Publication of EP1225602A1 publication Critical patent/EP1225602A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2804—Printed windings

Definitions

  • the present invention relates to and relates to the field of transformer construction a transformer winding with a high and a low voltage winding.
  • Conventional power transformers also have a current-limiting function due to the impedance generated by the magnetic stray fields between the high-voltage winding and the low-voltage winding.
  • the so-called short-circuit impedance X CC is characterized by the ratio of operating current to short-circuit current, ie a transformer with a short-circuit impedance X CC of N% limits the short-circuit current to 100 / N times the operating or nominal current.
  • Power transformers usually have short circuit impedances of 10 to 15%.
  • Conventional, wound transformers with a small short-circuit impedance of a few percent are very expensive to manufacture because the windings have to be nested in a complex manner to reduce the stray fields.
  • a transformer for power supply is known from European patent application EP-A 0 354 121 known from electrical circuits.
  • This includes a high and a Low-voltage winding, both of which are made of flat, identically designed conductor tracks are constructed in the form of a single turn.
  • the conductor tracks of the high voltage winding and those of the low voltage winding are arranged differently and take turns.
  • the former are electrically in series and via connecting elements
  • the latter electrically connected in parallel, so that the relationship between high and low voltage is equal to the number of high-voltage conductor tracks and in all conductor tracks a current of equal strength flows. Accordingly, they are not non-integers Gear ratios possible.
  • the connecting elements mentioned function simultaneously as heat sinks and supports for the conductor tracks, the axis of the transformer is accordingly horizontal, i.e. parallel to the surface of the earth.
  • the object of the present invention is to provide an easy-to-implement winding for one Specify transformer. This task is accomplished by using a transformer winding the features of claim 1 and a method for producing such Transformer winding with the features of claim 10 solved.
  • the essence of the invention is to construct a transformer winding from flat conductor tracks, which are arranged in succession and by suitable spacing and insulation elements be separated from each other.
  • This modular transformer structure the labor-intensive winding process of the conventional conductor wire is eliminated.
  • the proposed transformer concept is based on one production, which is divided into two First make the turns and then assemble them to the transformer and thus combines automation potential and flexibility.
  • Both the high voltage winding and the low voltage winding are out quasi-two-dimensional, preferably spiral-shaped interconnects.
  • These conductor tracks comprise at least one turn, which can have the corresponding structure generated by machine. Then the conductor tracks are in the desired Order arranged and electrically connected to a winding. Isolation and spacing elements are inserted between the conductor tracks, which on the one hand are optimal cause electrical isolation and on the other hand despite the inevitable electromagnetic Forces and vibrations ensure mechanical stability.
  • transformer winding disintegrate the spacer elements in several sub-elements or have recesses or channels on, through which a cooling liquid for cooling the Circuits can circulate.
  • the transformer axis is vertical, i.e. perpendicular provided to the earth's surface. This arrangement is self-supporting, only the bottom trace must be supported and possibly against the core or housing of the transformer be electrically isolated.
  • the conductor tracks of the high-voltage winding and those of the low-voltage winding are identical to each other, see above that only two different types of conductor tracks have to be manufactured and kept in stock.
  • the high and low voltage conductor tracks combined in pairs into modules.
  • the current density integral over a module cross-section, which lies in a plane containing the transformer axis is approximate equal to zero, i.e. the total current in the low-voltage conductor track totaled over all turns is opposite to that in the high-voltage conductor track.
  • well-known magnetic stray fields are only in the area of the insulation element to record, which results in a low impedance of the winding.
  • the total conductor track widths are the same, which also causes the magnetic field components in the conductors to be perpendicular to the plane of the conductor tracks and are responsible for a large part of the AC losses are minimized.
  • the low-voltage conductor tracks and the High-voltage conductor tracks each electrically connected in series. That through the total number of turns fixed gear ratio can be found in the turns ratio of each Module again. Any non-integer, rational translation ratios are possible.
  • only one type of module is used and for it every other module turned upside down so that every low voltage circuit is one adjacent to the first module with the low-voltage conductor track of the next module and only spacer elements are required between these modules.
  • Fig. 1 is a basic structure of a three-phase transformer with inventive Shown windings.
  • conductor tracks 2 are arranged, of which only one is visible in each phase in FIG is.
  • elements 1 and / or Conductor tracks 2 also have a rectangular shape.
  • the three-phase Transformer core in Fig.1 has a so-called "shell-type” topology, where for example, a "core-type” topology is possible or the transformer axis 31 can be aligned vertically.
  • shell-type topology
  • the transformer axis 31 can be aligned vertically.
  • Analogous to the design of the core in classic, wound transformers are criteria such as iron loss and volume to consider.
  • Cooling and / or electrical insulation liquid for example oil or liquid Nitrogen in the case of high-temperature superconducting conductors, the windings.
  • the Tank or cryostat for taking up this liquid as well as the electrical connection conductors to the high and low voltage winding are not shown in Fig.1. transformer core and coolant are no longer considered in the following.
  • FIG. 2 shows a module comprising a disk-shaped or plate-shaped insulation element 11, a high-voltage conductor track 21 and a low-voltage conductor track 22 are shown.
  • the Low-voltage conductor track 22 has four spiral windings, whereas the High-voltage conductor track 21 comprises a total of twelve turns and in Fig.2 in section is visible below the insulation element 11.
  • both tracks are structured out of an annular conductive region of the total conductor width B. Service. With such a module comes the dielectric properties of the Isolation element 11 is of crucial importance, not only the breakdown field strength the material of the insulation element 11, but also its geometric Design is important.
  • leakage current paths 13 two examples of which are shown in FIG are shown in bold between a high-voltage conductor track 21 and a low-voltage conductor 22 on the surface of the insulation element 11 so-called Leakage currents flow.
  • a minimum length for all leakage current paths 13 set This is achieved by the radial expansion of the insulation element 11, i.e. whose ring width is chosen to be significantly larger than the total conductor width B of the conductor tracks 21, 22.
  • FIG. 3 shows a section of a section along a transformer axis 31 Arrangement with six modules shown in Fig.2.
  • the individual high and low voltage conductor tracks are electrically connected to one another via connecting elements 4, 4 ' an unconventional high or low voltage winding.
  • These windings therefore do not include conventional three-dimensional coils Helix, but plane interconnects arranged at discrete intervals.
  • Spacer elements 12 are provided between adjacent conductor tracks 22, 22 ′, which belong to the same winding. Although also from the spacer elements 12 a certain dielectric strength is required, they mainly have a mechanical one Function as a spacer and vibration damper.
  • the spacer elements 12 In contrast to the insulation elements 11 disassemble the spacer elements 12 into, for example, radially arranged, spoke-shaped Partial elements or are at least with recesses, channels or cavities provided which are filled with said coolant during operation.
  • the spacer elements 12 When arranging 3 alternate insulation and spacer elements 12, so that each Conductor is cooled at least on one side. So it follows the low-voltage conductor track 22 of one module, the low voltage conductor 22 'of the adjacent module, i.e. every second module is upside down. It is an additional advantage with this arrangement possible to use identical modules, as this means that the currents circulate is maintained when moving from one module to the next.
  • the order 3 thus comes with a limited number of just four base units (High and low voltage conductor track, insulation and spacing element) as well as the connecting elements out.
  • module denotes a logical rather than a physical unit.
  • module types are used, in particular it is conceivable for the first and / or last conductor track of a winding has a different total conductor track width or one choose different structuring, for example fewer and wider turns.
  • the inductive impedance of a transformer is mainly determined by the volume of the Areas with high magnetic fields are determined, being square with the field strength increases. With classic, wound transformers, the radial distance between the hollow cylindrical low-voltage coil and the coaxial high-voltage coil authoritative.
  • a module according to FIG. 2 there are because of what is indicated in section opposite direction of rotation of the currents in the high and low voltage conductor tracks high magnetic fields only between the conductor tracks, i.e. in the area of Insulation element 11, as well as in the area of the conductor tracks directly adjoining it.
  • the desired effect is only achieved if it is constant Current density is the total cross-sectional area of high and low voltage conductor tracks are the same size regardless of the respective division into turns.
  • stray impedances of one percent or less can be realized. Should but in contrast, an impedance within the conventional range can be achieved, the distance between high and low voltage conductor tracks can be chosen larger or by a less nested arrangement of the conductor tracks on the field compensating Module formation according to Fig. 2 can be completely omitted.
  • Another criterion are the ohmic losses and those caused by the time-dependent ones Magnetic fields in the conductor itself caused AC losses.
  • the latter hang at least linearly from the magnetic field amplitude and are also called eddy current losses in metallic conductors and hysteresis losses in superconductors and occur there too when the AC amplitude is below the critical DC current.
  • the magnetic field components are mainly important perpendicular to the plane of these conductor tracks.
  • At least the Low-voltage conductors can be divided into several parallel sub-conductors.
  • a parallel guide requires a transposition the sub-leader, i.e. swapping an inner with an outer or an upper with a lower conductor. This transposition is suitably done with the fasteners 4, i.e. when moving from one module to the next.
  • the conductor tracks mentioned can comprise both metallic conductors, for example Cu or Al, and high-temperature superconducting materials.
  • High-temperature superconductors are ceramic materials which have a negligible DC resistance below a critical temperature T C for currents below a critical current I C.
  • Thin single-crystalline or highly textured superconducting layers are created using vacuum processes such as PVD (Physical Vapor Deposition), CVD (Chemical Vapor Deposition), IBAD (Ion Beam Assisted Deposition), ISD (Inclined Substrate Deposition), PLD (Pulsed Laser Deposition) or EBE (Electron Beam Evaporation) or alternatively grown on a substrate using so-called sol-gel processes such as LPE (Liquid Phase Epitaxy).
  • sol-gel processes such as LPE (Liquid Phase Epitaxy).
  • LPE Liquid Phase Epitaxy
  • the layer thicknesses on a sapphire substrate are less than 5 ⁇ m.
  • Polycrystalline melt-processed superconductors of the type Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 are between 50 and 5000 ⁇ m thick and are often mechanically supported and protected by a carrier in the form of a glass fiber plastic. Normally, the high-temperature superconductors are still electrically stabilized by an electrically parallel bypass bypass.
  • Suitable materials for the insulation element are, for example, pressboard or polymers such as polyethylene, polypropylene, polyprole, polyvinyl chloride or polyethylene terephthalate with breakdown field strengths in the order of 10 kV / mm and average leakage current field strengths in the order of 0.1 to 2 kV / mm.
  • a numerical exemplary embodiment based on an average leakage current field strength of 0.5 kV / mm allows a comparison between a conventional, wound transformer and two modular transformers according to the invention of the same power with conductor tracks made of copper or a high-temperature superconductor: Modular transformer with superconducting conductor tracks Modular transformer with Cu conductor tracks Conventional transformer Power [MVA] 50 50 50 Voltage [kV] 110/18 110/18 110/18 Current [A] 262/1604 262/1604 262/1604 Number of turns 489/80 489/80 642/105 Number of modules 30 20 - Volume [m 3 ] 4 4 5.0 Radius [m] 0.9 0.8 0.5 Height [m] 0.5 0.7 1.8 Current density [A / mm 2 ] 30.0 / 30.0 2.0 / 2.0 2.26 / 2:45 Total losses [kW] 138 164 166 Inductance X CC [%] 0.1 0.3 9.8
  • the unstructured conductive layers need to be kept in stock.
  • the desired ones can be made from it Structures, i.e. worked out the number of turns of the spiral conductor track become.
  • the conductor tracks together with the spacing and insulation elements stacked on top of each other in the desired order a work which suitably can be transmitted to a robot, and electrically connected.
  • the proportion of manual work and thus the manufacturing costs can be reduced by the inventive method Procedures can be significantly reduced.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Coils Of Transformers For General Uses (AREA)

Abstract

Das vorgeschlagene modulare Transformatorkonzept basiert auf einer Herstellung in zwei Schritten, welche die Fabrikation der Windungen vom Zusammenbau des Transformators trennt und somit Automatisierungspotential und Flexibilität vereinigt. Sowohl die Hochspannungswicklung wie die Niederspannungswicklung werden aus quasizweidimensionalen spiralförmigen Leiterbahnen (21,22) zusammengesetzt. Diese Leiterbahnen können computerunterstützt produziert werden und brauchen anschliessend nur noch gestapelt und elektrisch verbunden zu werden. Spezielle Isolatorschichten (11,12) werden zwischen die Leiterbahnen eingefügt, welche einerseits das Gewicht tragen und andererseits eine optimale elektrische Isolation bewirken, so dass die Abstände zwischen den Hoch- und Niederspannungsleiterbahnen verringert und die Verluste in den Leitern sowie die Kurzschlussimpedanz der Wicklung herabgesetzt werden können.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Transformatorbaus und betrifft eine Transformatorwicklung mit einer Hoch- und einer Niederspannungswicklung.
STAND DER TECHNIK
Die Herstellung von konventionellen, gewickelten Leistungstransformatoren weist einen hohen und kostenintensiven Anteil an Handarbeit auf, bedingt durch die komplizierte Wicklungstechnik im Zusammenspiel mit den erforderlichen elektrischen Isolationen. Im Weiteren sind Transformatoren im Bereich der Stromübertragung mit Leistungen von 10 bis 500 MVA keine Serienprodukte und werden nach Kundenwünschen gefertigt, so dass sich praktisch jedesmal unvermeidliche Entwicklungs- oder Anpassungskosten ergeben. Die konventionelle Herstellung von Leistungstransformatoren weist kein grosses Automatisierungspotential auf. Alternative Herstellungskonzepte, bei denen beispielsweise auf eine begrenzte Anzahl standardisierter, vorgefertigter Halbfabrikate zurückgegriffen wird, haben aber oft Flexibilitätseinbussen zur Folge.
Konventionelle Leistungstransformatoren weisen aufgrund der durch die magnetischen Streufelder zwischen der Hochspannungswicklung und der Niederspannungswicklung erzeugten Impedanz auch eine strombegrenzende Funktion auf. Die sogenannte Kurzschlussimpedanz XCC ist gekennzeichnet durch das Verhältnis von Betriebs- zu Kurzschlussstrom, d.h. ein Transformator mit einer Kurzschlussimpedanz XCC von N% begrenzt den Kurzschlussstrom auf das 100/N-fache des Betriebs- oder Nennstromes. Leistungstransformatoren haben gewöhnlich Kurzschlussimpedanzen von 10 bis 15%. Konventionelle, gewikkelte Transformatoren mit einer kleinen Kurzschlussimpedanz von einigen wenigen Prozent sind in der Herstellung sehr teuer, da zur Reduktion der Streufelder die Windungen in aufwändiger Weise verschachtelt werden müssen.
Aus der Europäischen Patentanmeldung EP-A 0 354 121 ist ein Transformator zur Stromversorgung von elektrischen Schaltkreisen bekannt. Dieser umfasst eine Hoch- und eine Niederspannungswicklung, welche beide aus flachen, identisch ausgebildeten Leiterbahnen in Form einer einzigen Windung aufgebaut sind. Die Leiterbahnen der Hochspannungswicklung und diejenigen der Niederspannungswicklung sind unterschiedlich angeordnet und wechseln sich ab. Über Verbindungselemente sind Erstere elektrisch in Serie und Letztere elektrisch in Parallel geschaltet, so dass das Verhältnis zwischen Hoch- und Niederspannnung gleich der Anzahl der Hochspannungsleiterbahnen ist und in allen Leiterbahnen ein Strom gleicher Stärke fliesst. Dementsprechend sind keine nicht-ganzzahligen Übersetzungsverhältnisse möglich. Die genannten Verbindungselemente fungieren gleichzeitig als Wärmeableiter und Stützen für die Leiterbahnen, die Achse des Transformators ist dementsprechend horizontal, d.h. parallel zur Erdoberfläche, vorgesehen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfach zu realisierende Wicklung für einen Transformator anzugeben. Diese Aufgabe wird durch eine Transformatorwicklung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Transformatorwicklung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst.
Kern der Erfindung ist es, eine Transformatorwicklung aus ebenen Leiterbahnen aufzubauen, welche aufeinanderfolgend angeordnet und durch geeignete Abstands- und Isolationselemente voneinander getrennt werden. Durch diesen modularen Transformatoraufbau entfällt der arbeitsintensive Wickelprozess des konventionellen Leiterdrahtes.
Das vorgeschlagene Transformatorkonzept basiert auf einer Herstellung, welche in zwei Schritten zuerst die Fabrikation der Windungen und anschliessend deren Zusammenbau zum Transformator umfasst und somit Automatisierungspotential und Flexibilität vereinigt. Sowohl die Hochspannungswicklung wie die Niederspannungswicklung werden aus quasi-zweidimensionalen, vorzugsweise spiralförmigen Leiterbahnen zusammengesetzt. Diese Leiterbahnen umfassen mindestens eine Windung, die entsprechende Struktur kann maschinell erzeugt werden. Anschliessend werden die Leiterbahnen in der gewünschten Reihenfolge angeordnet und zu einer Wicklung elektrisch verbunden. Isolations- und Abstandselemente werden zwischen die Leiterbahnen eingefügt, welche einerseits eine optimale elektrische Isolation bewirken und andererseits trotz der unvermeidbaren elektromagnetischen Kräfte und Vibrationen für mechanische Stabilität sorgen.
In einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemässen Transformatorwicklung zerfallen die Abstandselemente in mehrere Teilelemente oder weisen Aussparungen oder Kanäle auf, durch welche im Betrieb des Transformators eine Kühlflüssigkeit zur Kühlung der Leiterbahnen zirkulieren kann.
Gemäss einer zweiten Ausführungsform ist die Transformatorachse vertikal, d.h. senkrecht zur Erdoberfläche vorgesehen. Diese Anordnung ist selbsttragend, nur die unterste Leiterbahn muss gestützt und gegebenenfalls gegenüber dem Kern oder Gehäuse des Transformators elektrisch isoliert werden.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform sind die Leiterbahnen der Hochspannungswicklung und diejenigen der Niederspannungswicklung untereinander jeweils identisch, so dass nur zwei verschiedene Leiterbahntypen gefertigt und an Lager gehalten werden müssen.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform sind die Hoch- und Niederspannungsleiterbahnen paarweise zu Modulen zusammengefasst. Das Stromdichteintegral über einen Modulquerschnitt, welcher in einer die Transformatorachse enthaltenden Ebene liegt, ist dabei annähernd gleich Null, d.h. die über alle Windungen summierte Gesamtstromstärke in der Niederspannungsleiterbahn ist entgegengesetzt gleich derjenigen in der Hochspannungsleiterbahn. Dadurch sind nur im Bereich des Isolationselementes namhafte magnetische Streufelder zu verzeichnen, was eine geringe Impedanz der Wicklung zur Folge hat.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform sind die Gesamtleiterbahnbreiten gleich gross, wodurch sich auch die Magnetfeldkomponenten in den Leitern, welche senkrecht zur Ebene der Leiterbahnen stehen und für einen grossen Teil der Wechselstromverluste verantwortlich sind, minimiert.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform sind die Niederspannungsleiterbahnen und die Hochspannungsleiterbahnen je elektrisch in Serie geschaltet. Das durch die Windungsgesamtzahlen festgelegte Übersetzungsverhältnis findet sich im Windungsverhältnis jedes Moduls wieder. Beliebige nichtganzzahlige, rationale Übersetzungsverhältnisse sind möglich.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform wird nur ein Typ Module eingesetzt und dafür jedes zweite Modul auf den Kopf gestellt, so dass jede Niederspannungsleiterbahn eines ersten Moduls mit der Niederspannungsleiterbahn des nächstfolgenden Moduls benachbart ist und zwischen diesen Modulen nur Abstandselemente benötigt werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den weiteren abhängigen Patentansprüchen hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1
einen grundlegenden Aufbau eines dreiphasigen Transformators in Schrägaufsicht,
Fig.2
ein Modul umfassend ein Isolationselement, eine Hochspannungsleiterbahn und eine Niederspannungsleiterbahn in Aufsicht und als Schnitt,
Fig.3
einen Ausschnitt aus einem Schnitt durch eine Anordnung mit sechs Modulen.
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst. Grundsätzlich sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In Fig. 1 ist ein grundlegender Aufbau eines dreiphasigen Transformators mit erfindungsgemässen Wicklungen dargestellt. Auf oder zwischen Isolations- oder Abstandselementen 1 sind Leiterbahnen 2 angeordnet, von denen in Fig. pro Phase nur jeweils eine sichtbar ist. Anstelle einer runden, ringförmigen Geometrie können die Elemente 1 und/oder die Leiterbahnen 2 auch eine rechteckige Form haben. Durch eine zentrale Öffnung der Elemente 1 führt der Transformatorkern 3 in Richtung der Transformatorachse 31. Der dreiphasige Transformatorkern in Fig.1 weist eine sogenannte "shell-type" Topologie auf, wobei beispielsweise auch eine "core-type" Topologie möglich ist oder die Transformatorachse 31 vertikal ausgerichtet werden kann. Analog zur Ausgestaltung des Kernes bei klassischen, gewickelten Transformatoren sind auch hier Kriterien wie Eisenverluste und Volumen zu berücksichtigen. Zumindest bei Leistungstransformatoren umgibt eine wärmeleitende Kühl- und/oder elektrische Isolationsflüssigkeit, beispielsweise Öl oder flüssiger Stickstoff im Falle von hochtemperatursupraleitenden Leitern, die Wicklungen. Der Tank oder Kryostat zur Aufnahme dieser Flüssigkeit wie auch die elektrischen Anschlussleiter an die Hoch- und Niederspannnungswicklung sind in Fig.1 nicht gezeigt. Transformatorkern und Kühlflüssigkeit werden in der Folge nicht mehr weiter betrachtet.
In Fig.2 ist ein Modul umfassend ein scheiben- oder plattenförmiges Isolationselement 11, eine Hochspannungsleiterbahn 21 und eine Niederspannungsleiterbahn 22 dargestellt. Die Niederspannungsleiterbahn 22 weist vier spiralförmige Windungen auf, wogegen die Hochspannungsleiterbahn 21 insgesamt zwölf Windungen umfasst und in Fig.2 im Schnitt unterhalb des Isolationselementes 11 sichtbar ist. Im vorliegenden Fall sind beide Leiterbahnen aus einem ringförmigen leitenden Bereich der Gesamtleiterbreite B herausstrukturiert worden. Bei einem derartigen Modul kommt den dielektrischen Eigenschaften des Isolationselementes 11 eine entscheidende Bedeutung zu, wobei nicht nur die Durchbruchfeldstärke des Materials des Isolationselementes 11, sondern auch dessen geometrische Ausgestaltung wichtig ist. Entlang von Kriechstrompfaden 13, wovon in Fig.2 zwei Beispiele fett eingezeichnet sind, können zwischen einer Hochspannungsleiterbahn 21 und einer Niederspannungsleiterbahn 22 an der Oberfläche des Isolationselementes 11 sogenannten Kriechströme fliessen. Um Letzteren vorzubeugen, wird eine Minimallänge für sämtliche Kriechstrompfade 13 eingestellt. Dies wird erreicht, indem die radiale Ausdehnung des Isolationselementes 11, d.h. dessen Ringbreite, deutlich grösser gewählt wird als die Gesamtleiterbreite B der Leiterbahnen 21,22.
In Fig.3 ist ein Ausschnitt aus einem Schnitt entlang einer Transformatorachse 31 einer Anordnung mit sechs Modulen gemäss Fig.2 gezeigt. Die einzelnen Hoch- und Niederspannungsleiterbahnen sind untereinander über Verbindungselemente 4,4' elektrisch zu einer unkonventionellen Hoch- beziehungsweise Niederspannungswicklung verschaltet. Diese Wicklungen umfassen also keine herkömmlichen Spulen in Form einer dreidimensionalen Helix, sondern untereinander in diskreten Abständen angeordnete ebene Leiterbahnen. Abstandselemente 12 sind zwischen benachbarten Leiterbahnen 22,22' vorgesehen, welche zur selben Wicklung gehören. Obwohl auch von den Abstandselementen 12 eine gewisse Spannungsfestigkeit gefordert ist, haben sie hauptsächlich eine mechanische Funktion als Abstandshalter und Vibrationsdämpfer. Im Gegensatz zu den Isolationselementen 11 zerfallen die Abstandselemente 12 in beispielsweise radial angeordnete, speichenförmige Teilelemente oder sind zumindest mit Aussparungen, Kanälen oder Hohlräumen versehen, welche im Betrieb mit dem genannten Kühlmittel gefüllt sind. Bei der Anordnung gemäss Fig.3 wechseln sich Isolations- und Abstandselemente 12 ab, so dass jede Leiterbahn zumindest einseitig gekühlt wird. Es folgt also auf die Niederspannungsleiterbahn 22 eines Moduls die Niederspannungsleiterbahn 22' des benachbarten Moduls, d.h. jedes zweite Modul steht auf dem Kopf. Als zusätzlicher Vorteil ist es bei dieser Anordnung möglich, identische Module zu verwenden, da dadurch der Umlaufsinn der Ströme beim Übergang von einem Modul zum Nächstfolgenden beibehalten wird. Die Anordnung nach Fig.3 kommt somit mit einer begrenzten Anzahl von nur gerade vier Basiseinheiten (Hoch- und Niederspannungsleiterbahn, Isolations- und Abstandselement) sowie den Verbindungselementen aus.
Es ist selbstverständlich auch möglich, die genannten Basiseinheiten auf eine andere Weise zu Modulen oder kleinsten Transformatoreinheiten zusammenzustellen. Der Begriff Modul bezeichnet denn auch mehr eine logische denn eine physische Einheit. Es sind auch andere Anordnungen der Basiseinheiten als die in Fig.3 dargestellte denkbar. Es können auch mehrere Modultypen eingesetzt werden, insbesondere ist es denkbar, für die erste und/oder letzte Leiterbahn einer Wicklung eine unterschiedliche Gesamtleiterbahnbreite oder eine andere Strukturierung, beispielsweise weniger und dafür breitere Windungen, zu wählen.
Die induktive Impedanz eines Transformators wird hauptsächlich durch das Volumen der Bereiche mit hohen magnetischen Feldern bestimmt, wobei sie quadratisch mit der Feldstärke steigt. Bei klassischen, gewickelten Transformatoren ist der radiale Abstand zwischen der hohlzylinderförmigen Niederspannungs- und der dazu koaxialen Hochspannungsspule massgebend. In einem Modul nach Fig.2 finden sich wegen des im Schnitt angedeuteten gegensinnigen Umlaufsinns der Ströme in den Hoch- und Niederspannungsleiterbahnen hohe magnetische Felder nur zwischen den Leiterbahnen, d.h. im Bereich des Isolationselementes 11, sowie im unmittelbar daran anschliessenden Bereich der Leiterbahnen. Der gewünschte Effekt wird allerdings nur dann erreicht, falls bei konstanter Stromdichte die Gesamtquerschnittsflächen von Hoch- und Niederspannungsleiterbahnen unabhängig von der jeweiligen Unterteilung in Windungen gleich gross sind. Durch die verschachtelte Anordnung mehrerer Module wie in Fig.3 werden die ausserhalb der Module, d.h. im Bereich der Abstandselemente 12, liegenden restlichen Streufelder zusätzlich reduziert. Wird die Dicke des Isolationselementes 11 auf den dielektrischen Minimalwert eingestellt, lassen sich Streuimpedanzen von einem Prozent oder weniger realisieren. Soll aber im Gegensatz dazu eine im konventionellen Rahmen liegende Impedanz erreicht werden, kann der Abstand zwischen Hoch- und Niederspannungsleiterbahnen grösser gewählt oder durch eine weniger verschachtelte Anordnung der Leiterbahnen auf die feldkompensierende Modulbildung gemäss Fig.2 ganz verzichtet werden.
Ein weiteres Kriterium sind die Ohm'schen Verluste und die durch die zeitabhängigen Magnetfelder im Leiter selbst hervorgerufenen Wechselstromverluste. Letztere hängen mindestens linear von der Magnetfeldamplitude ab und heissen auch Wirbelstromverluste in metallischen Leitern und Hystereseverluste in Supraleitern und treten dort auch dann auf, wenn die Wechselstromamplitude unterhalb der kritischen Gleichstromstärke liegt. Bei flachen Leiterbahnen wie im vorliegenden Fall sind hauptsächlich die Magnetfeldkomponenten senkrecht zur Ebene dieser Leiterbahnen wichtig. Falls nun im Modul nach Fig.2 der Betrag der Flächenstromdichte lokal in der Hoch- und der Niederspannungsleiterbahn gleich ist und somit beide Leiterbahnen dieselbe Gesamtleiterbahn- oder Ringbreite B aufweisen, werden auch die genannten senkrechten Magnetfeldkomponenten in den Leitern selber maximal kompensiert und die Verluste weiter eingeschränkt. Eine maximale Reduktion der Verluste in den Leitern gemäss Fig.3 hat somit immer auch eine Verringerung der Felder zwischen den Leiterbahnen und damit eine niedrige Kurzschlussimpedanz der Transformatorwicklung zur Folge.
Für eine weitere Reduktion der genannten Wechselstromverluste können zumindest die Niederspannungsleiter in mehrere parallelgeführte Teilleiter unterteilt werden. Um einer die Verluste erhöhenden Asymmetrie in den Magnetfeldern und der Stromverteilung in den Teilleitern vorzubeugen, benötigt eine derartige Parallelführung aber eine Transponierung der Teilleiter, d.h. ein Vertauschen eines inneren mit einem äusseren oder eines oberen mit einem unteren Teilleiter. Diese Transponierung erfolgt geeigneterweise bei den Verbindungselementen 4, d.h. beim Übergang von einem Modul zum nächsten.
Die genannten Leiterbahnen können sowohl metallische Leiter, beispielsweise Cu oder Al, wie auch hochtemperatursupraleitende Materialien umfassen. Hochtemperatursupraleiter sind keramische Werkstoffe, welche unterhalb einer kritischen Temperatur TC für Ströme unterhalb eines kritischen Stromes IC einen vernachlässigbaren Gleichstromwiderstand aufweisen. Dünne einkristalline oder hochtexturierte supraleitende Schichten werden mittels Vakuumverfahren wie beispielsweise PVD (Physical Vapor Deposition), CVD (Chemical Vapor Deposition), IBAD (Ion Beam Assisted Deposition), ISD (Inclined Substrate Deposition), PLD (Pulsed Laser Deposition) oder EBE (Electron Beam Evaporation) oder alternativ dazu über sogenannte Sol-Gel Prozesse wie LPE (Liquid Phase Epitaxy) auf ein Substrat aufgewachsen. Die Schichtdicken betragen beispielsweise für Supraleiter der YBCO-Familie auf einem Substrat aus Saphir weniger als 5 µm. Diese Verfahren zur Aufbringung einer dünnen supraleitenden Schicht erlauben im Zusammenwirken mit einer geeigneten Maskentechnik gleichzeitig die Ausgestaltung einer zweidimensionalen Struktur.
Polykristalline schmelzprozessierte Supraleiter vom Typ Bi2Sr2CaCu2O8 sind zwischen 50 und 5000 um dick und werden häufig durch einen Träger in Form eines Glasfaserkunststoffes mechanisch gestützt und geschützt. Normalerweise werden die Hochtemperatursupraleiter noch durch einen elektrisch parallelgeschalteten normalleitenden Bypass elektrisch stabilisiert.
Aus einer durchgehenden, normal- oder hochtemperatursupraleitenden Schicht können mittels verschiedener Verfahren Strukturen wie beispielsweise eine Spirale herausgearbeitet werden. Dazu gehören Ätzverfahren, bei welchen durch Öffnungen in einer Maske aus einem geeigneten Photoresist die darunterliegende leitende Schicht zumindest teilweise abgetragen wird. Andere Verfahren zur selektiven Materialabtragung sind Wasserstrahlschneiden, Laserschneiden, Fräsen oder Stanzen. Die zu erstellende Struktur kann rechtekkig oder rund sein, weist eine zentrale Öffnung für den Transformatorkern auf und wird vorzugsweise per CAD definiert und per CAM realisiert. Anschliessend werden die radial versetzten Windungen einer Leiterbahn mittels eines Lackes elektrisch voneinander isoliert. Die erhaltene Leiterbahn wird anschliessend auf ein Isolations- oder Abstandselement gepresst oder geklebt. Eine supraleitende Schicht kann direkt auf ihrem Substrat oder Träger strukturiert werden, wobei Letztere die Funktion eines Isolations- oder Abstandselementes übernehmen.
Beim Design eines Transformators müssen auf viele Bedingungen und Parameter Rücksicht genommen werden. So gilt es abzuwägen zwischen den Verlusten im Leiter und denjenigen im Eisenkern, zwischen Leiterlänge und Leiterquerschnitt. Als Material für das Isolationselement geeignet sind beispielsweise Pressboard oder Polymere wie Polyethylen, Polypropylen, Polyprolen, Polyvinilchlorid oder Polyethylenterephthalat mit Durchbruchfeldstärken in der Grössenordnung von 10 kV/mm und mittleren Kriechstromfeldstärken in der Grössenordnung von 0.1 bis 2 kV/mm. Ein numerisches Ausführungsbeispiel basierend auf einer mittleren Kriechstromfeldstärke von 0.5 kV/mm erlaubt einen Vergleich zwischen einem konventionellen, gewickelten Transformator und zwei erfindungsgemässen, modularen Transformatoren gleicher Leistung mit Leiterbahnen aus Kupfer beziehungsweise einem Hochtemperatursupraleiter:
Modularer Transformator mit supraleitenden Leiterbahnen Modularer Transformator mit Cu Leiterbahnen Konventioneller Transformator
Leistung [MVA] 50 50 50
Spannung [kV] 110/18 110/18 110/18
Strom [A] 262/1604 262/1604 262/1604
Anzahl Windungen 489/80 489/80 642/105
Anzahl Module 30 20 -
Volumen [m3] 4 4 5.0
Radius [m] 0.9 0.8 0.5
Höhe [m] 0.5 0.7 1.8
Stromdichte [A/mm2] 30.0/30.0 2.0/2.0 2.26/2.45
Verluste total [kW] 138 164 166
Induktivität XCC [%] 0.1 0.3 9.8
Im Idealfall müssen nur die unstrukturierten leitenden Schichten an Lager gehalten werden. Je nach Auftrag und Spezifikation des Transformators können daraus die gewünschten Strukturen, d.h. die Anzahl der Windungen der spiralförmigen Leiterbahn, herausgearbeitet werden. Anschliessend werden die Leiterbahnen zusammen mit den Abstands- und Isolationselementen in der gewünschten Reihenfolge aufeinandergestapelt, eine Arbeit, welche geeigneterweise einem Roboter übertragen werden kann, und elektrisch verbunden. Der Anteil an manuellen Arbeiten und damit die Herstellungskosten können durch das erfindungsgemässe Verfahren signifikant gesenkt werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
1
Leiterbahnen
11
Isolationselement
12
Abstandselement
13
Kriechstrompfad
2
Leiterbahnen
21
Hochspannungsleiterbahn
22
Niederspannungsleiterbahn
3
Transformatorkern
31
Transformatorachse
4
Verbindungselement

Claims (10)

  1. Transformatorwicklung, welche um eine Transformatorachse (31) zentriert und für ein Übersetzungsverhältnis N von Hoch- zu Niederspannung ausgelegt ist, mit
    a) einer Hochspannungswicklung umfassend mehrere untereinander über Verbindungselemente (4) elektrisch verbundene und senkrecht zur Achse (31) ausgerichtete Hochspannungsleiterbahnen (21),
    b) einer Niederspannungswicklung umfassend mehrere untereinander über Verbindungselemente (4) elektrisch verbundene und senkrecht zur Achse (31) ausgerichtete Niederspannungsleiterbahnen (22),
    c) plattenförmigen elektrischen Isolationselementen (11) zwischen jeweils einer Niederspannungsleiterbahn (22) und einer benachbarten Hochspannungsleiterbahn (21),
    d) Abstandselementen (12) zwischen jeweils zwei benachbarten Niederspannungsleiterbahnen (22,22') und zwischen jeweils zwei benachbarten Hochspannungsleiterbahnen.
  2. Transformatorwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandselemente (12) mehrere Teilelemente umfassen oder Aussparungen aufweisen, in welchen eine Kühlflüssigkeit zirkulieren kann.
  3. Transformatorwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformatorachse (31) vertikal ausgerichtet ist und die Leiterbahnen (21,22) übereinander angeordnet sind.
  4. Transformatorwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Niederspannungsleiterbahnen (22) und alle Hochspannungsleiterbahnen (21) jeweils dieselbe Form und Strukturierung aufweisen.
  5. Transformatorwicklung nach Anspruch 1, wobei gleich viele Niederspannungsleiterbahnen wie Hochspannungsleiterbahnen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass zu jeder Niederspannungsleiterbahn (22) eine Hochspannungsleiterbahn (21) benachbart ist und mit Ersterer unter Einschluss des Isolationselementes (11) ein Modul bildet, dass in jedem derartigen Modul in der Hochspannungsleiterbahn (21) und in der Niederspannnungsleiterbahn (22) zumindest annäherungsweise gleich grosse Gesamtstromstärken fliessen, und dass die magnetischen Felder ausserhalb der Module durch die Ströme in den Leiterbahnen der Module kompensiert sind.
  6. Transformatorwicklung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Modul die Gesamtbreite der Niederspannungsleiterbahn (22) zumindest annäherungsweise gleich der Gesamtbreite der Hochspannungsleiterbahn (21) ist.
  7. Transformatorwicklung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass alle Hochspannungsleiterbahnen und alle Niederspannnungsleiterbahnen in Serie geschaltet sind und dass für jedes Modul das Verhältnis der Anzahl Windungen der Hochspannungsleiterbahn (21) zur Anzahl Windungen der Niederspannungsleiterbahn (22) zumindest annäherungsweise gleich dem Übersetzungsverhältnis N ist.
  8. Transformatorwicklung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle Niederspannungsleiterbahnen und alle Hochspannungsleiterbahnen jeweils dieselbe Form und Strukturierung aufweisen und dass jede Niederspannungsleiterbahn mit einer weiteren Niederspannungsleiterbahn benachbart ist.
  9. Transformatorwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere die Niederspannungsleiterbahnen in mindestens zwei elektrisch und geometrisch parallel geführte Teilleiterbahnen unterteilt sind, und dass die Teilleiterbahnen in den Verbindungselementen (4) transponiert werden.
  10. Verfahren zur Herstellung einer Transformatorwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die spiralförmigen Nieder- und Hochspannungsleiterbahnen aus einer durchgehenden, elektrisch leitenden Schicht herausstrukturiert werden und anschliessend senkrecht zur Transformatorachse (31) angeordnet und untereinander elektrisch verbunden werden.
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