NO321614B1

NO321614B1 - Elektrisk transformator med superledende spoler

Info

Publication number: NO321614B1
Application number: NO19994484A
Authority: NO
Inventors: Christian Cottevieille; Thierry Verhaege
Original assignee: Areva T & D Sa
Priority date: 1998-09-18
Filing date: 1999-09-16
Publication date: 2006-06-12
Also published as: CA2282869A1; NO994484L; CA2282869C; RU2219607C2; EP0987723A1; FR2783632B1; FR2783632A1; ATE264542T1; AU4758399A; EP0987723B1; DE69916388D1; DE69916388T2; NO994484D0; AU757354B2; US6292080B1

Description

Oppfinnelsen gjelder en elektrisk transformator som omfatter en primærside og en sekundærside som hver består av i det minste en første spole dannet ved vikling av en eller flere superledende metallmatriseledere.

Som eksempel på tidligere kjent teknikk er det i US-patent nr. 4 336 561 beskrevet en superledende transformator som har et viklingsarrangement som skal sørge for strøm-begrensning når den utsettes for strømtransienter. Transformatoren har en primær og en sekunder del som omfatter en første spole som er parallell med en andre spole. Spolene er dannet ved vikling av en vanlig superledende ledning av den type som har flere tråder lagt inn i en matrise av kobber eller som er dannet av et massivt superledende bånd. Spolene kan også ha form av ledninger ordnet i lag eller ha konisk form.

Det er vanlig å bruke superledende metallmatriseledere for å fremstille elektriske trans-formatorer med høy effekt pr. masseenhet og høy effektivitet. Superledende metallmatriseledere gjør det mulig å oppnå strømtettheter som er mye større og tap som er mye lavere enn hva som kan oppnås med massive superledere eller med ikke-superledende ledere.

Ikke desto mindre gjør den lave elektriske motstand i metallmatrisen (f.eks. fremstilt av sølv eller sølvlegering) det ikke mulig å begrense kortslutningsstrømmer effektivt, slik at det er nødvendig å konstruere transformatoren og annet elektrisk utstyr som er tilstede på linjen, på en slik måte at de blir i stand til å tåle høye kortslutningsstrømmer, eller alternativt i tillegg å seriekoble apparatur som er beregnet på å begrense strømmer. På konvensjonell måte kan sådan apparatur fremstilles ved å bruke massive superledere som har høy elektrisk motstand når strømmene overskrider deres normale kapasitet.

Formålet for oppfinnelsen er å kombinere transformatoren med strømbegrensende funksjoner i en eneste anordning samt å gjøre dette under gode betingelser, særlig med hensyn til den samlede størrelse.

Idéen bak oppfinnelsen er å bruke en mengde massive superledere som er akkurat tilstrekkelig til å begrense strømmen og få den til å bidra til å skape ampereviklinger, idet det passes på at den plasseres i de områder av transformatoren hvor magnetfeltet er svakest, fordi denne spesielle plassering gjør det mulig å oppnå en betraktelig reduksjon i tapene fra den massive superleder.

Nærmere bestemt skaffer oppfinnelsen tilveie en elektrisk transformator av den innled-ningsvis nevnte art, og som har som særtrekk at den første spole på primærsiden eller

sekundærsiden er anordnet koaksialt i forhold til minst én andre spole som den er koblet i serie med, og hvor den andre spole er dannet av et massivt superledende rør som har en strømbegrensende funksjon og er i elektrisk og mekanisk kontakt med et metalleger-ingsrør med høy motstand, idet de to rør er koaksiale og bearbeidet slik at de har form av en solenoid.

Fortrinnsvis er den andre spole anordnet i et område av transformatoren hvor magnetfeltet er svakest.

Med en transformator konstruert i henhold til oppfinnelsen holdes volumet av de bearbeidede superledende rør nede til det minimum som er nødvendig for å begrense kortslutningsstrømmene effektivt, samtidig som superledende metallmatriseledere brukes for det gjenværende av spolene.

I en første utførelse av oppfinnelsen kan et eller flere bearbeidede superledende rør plasseres på primærsiden i en spenningshevende transformator eller på sekundærsiden i en spenningssenkende transformator. De arbeider således med høy strøm og lav spenning, dvs. stort tverrsnittsareal og lite antall vindinger, hvilket er mer passende for denne type spoler, og som også minsker de dielektriske problemer mens strømmen begrenses.

I en bestemt utførelse av transformatoren i henhold til oppfinnelsen er det eller de bearbeidede superledende rør plassert i områder av transformatoren hvor magnetfeltet er svakest, hvilket har den nyttige følge at tapene i dem reduseres betraktelig og den strømtetthet som de kan bære, økes.

Fortrinnsvis står hvert superledende rør i mekanisk og elektrisk kontakt med et rør fremstilt i en metallegering med høy resistivitet, idet enheten er bearbeidet til formen av en solenoid, og i tillegg til å utgjøre en mekanisk forsterkning, favoriserer metallegerings-røret utbredelsen av overgangen og reduserer oppvarmingen av det superledende rør samtidig som strømbegrensning finner sted.

Andre særtrekk og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av den etterfølgende beskrivelse av to utførelsesformer som er vist på de vedføyde tegninger, på hvilke: Fig. 1 er et aksialt halvsnitt langs en akse D, som viser en transformator i henhold til oppfinnelsen, som omfatter en høyspent primærspole basert på superledende metallmatriseledere og en sekundærside som omfatter en spole basert på superledende metallmatriseledere i serie med den bearbeidede enhet bestående

av et superledende rør og et metallegeringsrør,

fig. 2 er et lengdesnitt som i detalj viser den bearbeidede enhet bestående av det

superledende rør og metallegeringsrøret, og

fig. 3 er et aksialt halvsnitt langs aksen D som viser et annet eksempel på en

transformator i henhold til oppfinnelsen.

Som vist i fig. 1 omfatter en transformator i henhold til oppfinnelsen særlig en magnet-krets 1, en primærspole 2 og to sekundærspoler 3 og 4 i serie. Spolene 2, 3 og 4 er koaksiale, idet spolen 3 er plassert mellom spolene 2 og 4.

Spolene 2 og 3 har form av flerlagssolenoider, og med utgangspunkt i vindinger av en eller flere superledende metallmatriseledere kan de f.eks. være bånd av sølv som inne-holder tråder av superledende Bi2Sr2CaCu207-keramikk. Disse bånd tillater strømtett-heter på i størrelsesorden 30 A/mm<2>, hvilket er høyt sammenlignet med 5-10 A/mm<2 >for massive rør av Bi2Sr2CaCu207. De har meget liten tykkelse (typisk 0,2 mm), hvilket gjør det mulig i stor grad å redusere tapene fra dem sammenlignet med tapene fra massive rør som er flere millimeter tykke.

Spolen 4 er fremstilt fra et massivt rør 5 av Bi2Sr2CaCu207 samt et rør 6 av en metall-legering (f.eks. et rustfritt stål, kobbernikkel eller inkonel) som ved hjelp av en maskin er bearbeidet sammen for å få formen av en solenoid, slik som vist i fig. 2. Som et eksempel kan røret 5 være krympet omkring røret 6 ved at det ene eller annet er ekspandert eller sammentrukket, slik at det etter bearbeiding er frembragt elektrisk og mekanisk kontakt mellom en vinding og en annen, og slik at når røret 5 oppfører seg som en strømbegrenser, formidles noe av strømmen ved hjelp av røret 6. Når det mister sin superledende tilstand, oppviser massivt Bi2Sr2CaCu207 høy elektrisk motstand (omtrent 10"<5> fim), slik at det er forhåndsdisponert for den strøm begrensende funksjon. Denne begrensning kan oppnås ved å sørge for at en stor nok andel av spolene (typisk 10 %) fremstilles fra massivt Bi2Sr2CaCu207. Ved å minske strømvarmen ved å øke den termiske treghet samt ved å fremme utbredelsen av overgangen, gjør nærværet av et koaksialt metallegeringsrør 6 i parallell med røret 5 og i elektrisk og mekanisk kontakt med dette, det mulig å unngå at superlederen blir skadet ved overoppheting i tilfellet av et lokalt tap i den superledende tilstand.

Gitt at strømbegrensningen fordrer bare en liten andel av en massiv superleder, er det i en første utførelse av oppfinnelsen mulig å plassere de bearbeidede superledende rør på primærsiden av en spenningshevende transformator og på sekundærsiden i en spenningssenkende transformator, slik det er tilfellet i transformatoren vist i fig. 1. Rør-ene arbeider da med høy strøm og lav spenning, dvs. at de har et stort tverrsnitt og et lite antall vindinger, idet dette er mer passende for denne type spole, mens det også minsker de dielektriske problemer når strømbegrensning finner sted.

De bearbeidede superledende rør er fortrinnsvis plassert i områder av transformatoren hvor magnetfeltet er svakest, hvilket har fordelen av at det oppnås en betraktelig reduksjon i tapene derfra og en vesentlig økning i den strømtetthet som kan tillates. Profilen av magnetfeltet inne i spolene er kjent for fagfolk og er i fig. 1 representert ved linjen 10

i vilkårlige enheter. Magnetfeltet har sin største verdi mellom spolene 2 og 3, og er praktisk talt lik null ved spolesonens ytre og indre grenser. På grunn av sin ekstreme (eller ytre) plassering, blir det bearbeidede superledende rør 5 i dette tilfelle utsatt for et magnetfelt som er meget svakt og derfor gir lave tap.

Oppfinnelsen er selvsagt ikke begrenset til den geometri som er vist som et eksempel i fig. 1. Generelt har fagfolk på området ingen vanskelighet med å bestemme de områder i transformatoren hvor magnetfeltet kanselleres og således plassere de bearbeidede superledende rør i disse. En av de mulige varianter av transformatoren i henhold til oppfinnelsen er vist i fig. 3.

Fig. 3 viser en strømsenkende transformator som omfatter ni aksiale spoler som i rekke-følge er betegnet 11 - 19 fra innsiden mot utsiden i forhold til dens akse D. Spolene 11, 15 og 19 utgjør en del av primærsiden mens spolene 12 -14 og 16 -18 utgjør en del av sekundærsiden. Spolene 12 - 14 er koblet i serie slik som spolene 16 - 18. Spolene 13 og 17 er superledende rør som er bearbeidet slik at de har solenoidfasong og foret med metallegeringsrør som likeledes er bearbeidet slik at de har solenoidfasong, idet de

øvrige spoler består av superledende metallmatriseledere. Magnetfeltets profil er med vilkårlige enheter representert ved linjen 20, dvs. at den kanselleres halvveis gjennom tykkelsen av de to bearbeidede superledende rør 13 og 17 som derfor har meget små tap.

Konstruksjonen av en transformator i henhold til oppfinnelsen gir således tallrike fordeler sammenlignet med ganske enkelt å sidestille en strømbegrenser og en transformator med superledende spoler. Ved å beskytte transformatoren mot kortslutningsstrømmer ved hjelp av de bearbeidede, massive superledende rør som bidrar til å frembringe amperevindinger, reduseres prisen betraktelig sammenlignet med en transformator som eksternt er tilknyttet en strømbegrenser. På den annen side gjør den spesifikke struktur av transformatoren i henhold til oppfinnelsen det mulig å installere de bearbeidede, massive superledende rør som fordres for strømbegrensning, i områder med svakt magnetfelt, dvs. områder hvor rørene har sin beste ytelse. Endelig reduseres de aktive og reaktive tap, slik som de kryogene fordringer.

Claims

1. Elektrisk transformator som omfatter en primærside og en sekundærside som hver består av i det minste en første spole (2, 3, 11, 12, 14 - 16, 18, 19) dannet ved vikling av en eller flere superledende metallmatriseledere, karakterisert ved at den første spole på primærsiden eller sekundærsiden er anordnet koaksialt i forhold til minst én andre spole som den er koblet i serie med, og hvor den andre spole er dannet av et massivt superledende rør (5, 13, 17) som har en strømbegrensende funksjon og er i elektrisk og mekanisk kontakt med et metallegerings-rør (6) med høy motstand, idet de to rør er koaksiale og bearbeidet slik at de har form av en solenoid.

2. Transformator som angitt i krav 1, og hvor den andre spole er anordnet i et område av transformatoren hvor magnetfeltet er svakest.