RU2193253C2 - Power transformer - Google Patents

Power transformer Download PDF

Info

Publication number
RU2193253C2
RU2193253C2 RU2000116637/09A RU2000116637A RU2193253C2 RU 2193253 C2 RU2193253 C2 RU 2193253C2 RU 2000116637/09 A RU2000116637/09 A RU 2000116637/09A RU 2000116637 A RU2000116637 A RU 2000116637A RU 2193253 C2 RU2193253 C2 RU 2193253C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
power transformer
transformer according
paragraphs
semiconductor
layer
Prior art date
Application number
RU2000116637/09A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2000116637A (en
Inventor
Матс ЛЕИЙОН (SE)
Матс Леийон
Кристиан ЗАССЕ (SE)
Кристиан Зассе
Original Assignee
Абб Аб
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 Абб Аб filed Critical Абб Аб
Publication of RU2000116637A publication Critical patent/RU2000116637A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2193253C2 publication Critical patent/RU2193253C2/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F36/00Transformers with superconductive windings or with windings operating at cryogenic temperature
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/04Cooling
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
  • Insulation, Fastening Of Motor, Generator Windings (AREA)

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: power transformer 1 whose high-temperature semiconductor windings are provided with insulation for which corona discharge is not a problem has at least one current-carrying winding incorporating conducting means 13-15, cooling means for the latter to raise its electric conductivity, and insulating means 20-22 around conducting means; insulating means has internal semiconductor layer 20 contacting mentioned conducting means, external semiconductor layer 21 placed at variable potential across its length, and intermediate insulating layer 22 between mentioned layers 20 and 21. EFFECT: enhanced reliability of transformer winding insulation. 26 cl, 6 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к силовому трансформатору того типа, который имеет, по меньшей мере, одну электрическую обмотку, содержащую электропроводящее средство, охлаждающее средство для охлаждения электропроводящего средства для улучшения его свойств электропроводности, и окружающее электроизолирующее средство. В частности, но не исключительно, проводящее средство обладает свойствами сверхпроводимости, и изобретение относится к сверхпроводящим силовым трансформаторам, имеющим номинальные мощности от нескольких мегавольтампер (МВА) до более 1000 МВА и номинальные напряжения от 3-4 кВ до очень высоких напряжений передачи, например от 400 до 800 кВ. Хотя изобретение относится главным образом к стержневым трансформаторам, его также можно отнести к трансформаторам других типов, например броневым трансформаторам и бесстержневым, например воздушным трансформаторам. The invention relates to a power transformer of the type that has at least one electrical winding comprising an electrically conductive means, a cooling means for cooling the electrically conductive means to improve its conductivity properties, and a surrounding electrically insulating means. In particular, but not exclusively, the conductive means has superconducting properties, and the invention relates to superconducting power transformers having rated capacities from several megavolts (MVA) to more than 1000 MVA and rated voltages from 3-4 kV to very high transmission voltages, for example from 400 to 800 kV. Although the invention mainly relates to rod transformers, it can also be referred to other types of transformers, for example armored transformers and rodless transformers, for example air transformers.

Предшествующий уровень техники
Сверхпроводники 2-го рода (например, титанат ниобия, NbTi) можно охарактеризовать их свойством постепенного изменения от состояния сверхпроводимости к состоянию нормального сопротивления, когда они подвергаются воздействию увеличивающегося внешнего магнитного поля. Вместо перехода непосредственно в нормальное состояние, эти материалы попадают во вторую фазу, называемую вихревым или смешанным состоянием, в котором некоторая часть магнитной индукции В в виде потока линии магнитной индукции пронизывает материал, и при протекании постоянного тока возникают очень маленькие потери. С увеличением приложенного магнитного поля, все более и более значительная индукция пронизывает материал до тех пор, пока при некотором поле, именуемом Нк2, сверхпроводник не станет насыщенным и заработает нормально. Физические свойства сверхпроводника 2-го рода можно суммировать на графике температуры, магнитного поля и плотности тока, изображенном на фиг.1. Все известные сверхпроводники, представляющие возможный интерес для сектора электроэнергетики, являются сверхпроводниками 2-го рода, которые работают в смешанном состоянии.
State of the art
Type 2 superconductors (for example, niobium titanate, NbTi) can be characterized by their property of a gradual change from the state of superconductivity to the state of normal resistance when they are exposed to an increasing external magnetic field. Instead of going directly to the normal state, these materials enter the second phase, called the vortex or mixed state, in which some part of the magnetic induction B penetrates the material in the form of a magnetic induction line stream, and very small losses occur when direct current flows. With an increase in the applied magnetic field, a more and more significant induction permeates the material until, for a certain field called H k2 , the superconductor becomes saturated and starts working normally. The physical properties of a type 2 superconductor can be summarized in a graph of temperature, magnetic field, and current density shown in FIG. All known superconductors of potential interest to the electricity sector are type 2 superconductors that operate in a mixed state.

Термодинамическое равновесие в сверхпроводнике достигается, когда магнитная индукция распределена равномерно - это условие, которое не может наступить, когда по сверхпроводнику протекает ток. Когда магнитная индукция перемещается и течет ток, возникает измеримая потеря энергии, которая нежелательна в электроэнергетических приложениях. Материалы, в которых поле перемещается, а равновесие достигается быстро, известны как "обратимые" или "мягкие". Материалы, в которых поле не перемещается (о таком поле говорят как о "пиннингованном (закрепленном)"), называют "необратимыми" или "жесткими" сверхпроводниками 2-го рода. Thermodynamic equilibrium in a superconductor is achieved when the magnetic induction is uniformly distributed - this is a condition that cannot occur when a current flows through the superconductor. When magnetic induction moves and current flows, a measurable loss of energy occurs, which is undesirable in electrical applications. Materials in which the field moves and equilibrium is reached quickly are known as “reversible” or “soft”. Materials in which the field does not move (such a field is referred to as “pinned”) is called “irreversible” or “hard” type 2 superconductors.

Когда ток течет по сверхпроводнику в присутствии магнитного поля, сила Лоренца F (произведение J, плотности тока, и В, магнитной индукции) старается переместить поток линий магнитной индукции в боковом направлении. При увеличении плотности тока и/или магнитной индукции, сила Лоренца увеличивается до тех пор, пока не превысит силу линнинга (закрепляющую силу), тем самым рассеивая энергию. Момент, когда поток линий магнитной индукции начинает перемещаться, соответствует критической плотности тока, Jк, которая зависит от магнитной индуктивности и температуры, как показано на фиг.1. Как правило, символом Тк обозначают переходную или критическую температуру для нулевого приложенного магнитного поля и нулевой плотности тока. Точно так же, принято обозначать символом Нк критическое магнитное поле для нулевой температуры и нулевой плотности тока. Вместе с тем, символ jк, традиционно обозначает критическую плотность тока при реальных рабочих условиях, например, 77К (-196oС) в поле 1 Тл.When a current flows through a superconductor in the presence of a magnetic field, the Lorentz force F (product of J, current density, and B, magnetic induction) tries to move the flux of magnetic induction lines in the lateral direction. With increasing current density and / or magnetic induction, the Lorentz force increases until it exceeds the lining force (fixing force), thereby dissipating energy. The moment when the flux of magnetic induction lines begins to move corresponds to the critical current density, J k , which depends on the magnetic inductance and temperature, as shown in FIG. Typically, the symbol T to denote the transition or critical temperature for a zero applied magnetic field and zero current density. In the same way, it is customary to denote by the symbol H k the critical magnetic field for zero temperature and zero current density. At the same time, the symbol j k traditionally denotes the critical current density under real operating conditions, for example, 77K (-196 o C) in the field of 1 T.

Обычные "низкотемпературные" сверхпроводники 2-го рода, которые работают при температурах, близких к абсолютному нулю, известны уже много лет. Однако полезное применение таких сверхпроводников обусловило потребность в использовании охлаждения дорогостоящим жидким гелием для поддержания температуры сверхпроводников ниже 4К (-269oС). В последние годы были разработаны высокотемпературные сверхпроводники (далее именуемые ВТС) 2-го рода, которые имеют переходную или критическую температуру Тк до 135К (-138oС) (или 164К (-109oС) при наличии давления), т.е. значительно выше температуры кипения жидкого азота при 77K (-196oC). Со времени открытия ВТС, стала привлекать внимание разработка сверхпроводящих силовых трансформаторов.Conventional "low-temperature" type 2 superconductors that operate at temperatures close to absolute zero have been known for many years. However, the useful application of such superconductors necessitated the use of cooling with expensive liquid helium to maintain the temperature of superconductors below 4K (-269 o C). In recent years, high-temperature superconductors (hereinafter referred to as VTS) of the second kind have been developed, which have a transitional or critical temperature T k up to 135K (-138 o С) (or 164K (-109 o С) in the presence of pressure), i.e. . significantly higher than the boiling point of liquid nitrogen at 77K (-196 o C). Since the opening of the military technical cooperation, the development of superconducting power transformers began to attract attention.

К преимуществам сверхпроводящих силовых трансформаторов над обычными маслонаполненными трансформаторами относятся уменьшение их размера и массы, меньшие омические потери в них, исключение из них трансформаторного масла и вытекающие отсюда меньшие затраты на изготовление сверхпроводящих силовых трансформаторов. Более подробное обсуждение известных сверхпроводящих силовых трансформаторов и преимуществ таких сверхпроводящих силовых трансформаторов над обычными маслонаполненными трансформаторами приведено в статье "Преобразующие трансформаторы", Сэм П.Мехта, Николя Аверса и Майкл С.Уокер, в сборнике "Спектр Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (ИИЭР)" ("Transforming Transformers" by Sam P.Mehta, Nicola Aversa и Michael S.Walker in "IEEE Spectrum"), июль 1977. The advantages of superconducting power transformers over conventional oil-filled transformers include a reduction in their size and weight, lower ohmic losses in them, the exclusion of transformer oil from them and the resulting lower costs for the manufacture of superconducting power transformers. A more detailed discussion of the known superconducting power transformers and the advantages of such superconducting power transformers over conventional oil-filled transformers is given in the article "Converting Transformers" by Sam P. Meht, Nicolas Avers and Michael S. Walker, in the collection "Spectrum of the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IER) ) "(" Transforming Transformers "by Sam P. Mehta, Nicola Aversa and Michael S. Walker in" IEEE Spectrum "), July 1977.

Типовой известный сверхпроводящий силовой трансформатор описан в ЕР-А-0740315. В этом известном силовом трансформаторе первичная и вторичная катушки состоят из ВТС, внедренных в эпоксидный или пластмассовый материал. Катушки погружены в охлаждающее вещество, как правило - жидкий азот, который также служит в качестве диэлектрического изолятора. Если электрическое напряжение, вызываемое электрическим полем сверхпроводника, превышает электрическую прочность диэлектрика, то возникнут разряды, особенно, если в жидком азоте образуются пузырьки. Частичные разряды могут также возникнуть в эпоксидном или пластмассовом материале, в который внедрены ВТС-обмотки. Например, при понижении температур до криогенных температур для достижения сверхпроводимости, материалы дают усадку. В зависимости от их состава, материалы будут давать усадку с различными скоростями, увеличивая таким образом вероятность образования полостей между материалами, например между проводниками и эпоксидным материалом. Чтобы предотвратить появление разрядов, проводники и эпоксидный материал должны иметь идентичные коэффициенты теплового расширения, а это возможно только в случае, если материалы, о которых идет речь, одинаковы. A typical known superconducting power transformer is described in EP-A-0740315. In this known power transformer, the primary and secondary coils are comprised of HTS embedded in an epoxy or plastic material. The coils are immersed in a coolant, usually liquid nitrogen, which also serves as a dielectric insulator. If the electric voltage caused by the electric field of the superconductor exceeds the dielectric strength, then discharges will occur, especially if bubbles form in liquid nitrogen. Partial discharges can also occur in epoxy or plastic material into which the PTS windings are embedded. For example, when lowering temperatures to cryogenic temperatures to achieve superconductivity, materials shrink. Depending on their composition, the materials will shrink at different speeds, thus increasing the likelihood of cavities between the materials, for example between conductors and epoxy. To prevent the occurrence of discharges, the conductors and epoxy material must have identical coefficients of thermal expansion, and this is possible only if the materials in question are the same.

Краткое изложение сущности изобретения
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать усовершенствованный силовой трансформатор, имеющий охлаждаемые обмотки, например, из сверхпроводников, таких, как высокотемпературные сверхпроводники, снабженные электрической изоляцией, которая не страдает проблемами коронного разряда.
Summary of the invention
An object of the present invention is to provide an improved power transformer having cooled windings, for example of superconductors, such as high temperature superconductors, provided with electrical insulation that does not suffer from corona discharge problems.

В соответствии с настоящим изобретением, силовой трансформатор упомянутого типа отличается тем, что электроизолирующее средство содержит внутренний слой полупроводникового материала, находящийся в электрическом контакте с указанным электропроводящим средством, наружный слой полупроводникового материала под регулируемым электрическим потенциалом вдоль его длины и промежуточный слой электроизолирующего материала между внутренним и наружными слоями. In accordance with the present invention, the power transformer of said type is characterized in that the insulating means comprises an inner layer of semiconductor material in electrical contact with said electrically conductive means, an outer layer of semiconductor material under an adjustable electric potential along its length, and an intermediate layer of electrically insulating material between the inner and outer layers.

В этом описании термин "полупроводниковый материал" означает вещество, которое имеет значительно более низкую проводимость, чем электрический проводник, но которое не имеет настолько низкую проводимость, чтобы являться электрическим изолятором. В подходящем, но не исключительном, случае полупроводниковый материал должен иметь объемное удельное сопротивление от 1 до 105 Ом•см, предпочтительно от 10 до 500 Ом•см, наиболее предпочтительно от 10 до 100 Ом•см, как правило около 20 Ом•см.In this description, the term "semiconductor material" means a substance that has a significantly lower conductivity than an electrical conductor, but which does not have a conductivity so low as to be an electrical insulator. In a suitable, but not exclusive, case, the semiconductor material should have a volume resistivity of 1 to 10 5 Ohm • cm, preferably 10 to 500 Ohm • cm, most preferably 10 to 100 Ohm • cm, typically about 20 Ohm • cm .

Электрическая изоляция обычно имеет унитарную форму со слоями, находящимися либо в плотном механическом контакте, либо, что более предпочтительно, соединенных вместе, например сцепленных посредством экструзии. Слои обычно сформированы из пластмассового материала, обладающего упругими или эластичными свойствами, по меньшей мере, при окружающих рабочих температурах. Это обеспечивает кабелю, образующему обмотку, гибкость и возможность формообразования с получением требуемой формы обмотки. Путем использования для таких слоев только тех материалов, которые можно изготавливать с минимальными, если они вообще есть, дефектами, и имеющих аналогичные тепловые свойства, уменьшают тепловые и электрические нагрузки внутри изоляции. В частности, изолирующий промежуточный слой и полупроводниковые внутренний и наружный слои должны иметь, по меньшей мере, по существу одинаковые коэффициенты (α) теплового расширения, чтобы не возникали дефекты, вызываемые разными тепловыми расширениями, когда слои подвергаются нагреву или охлаждению. В идеальном случае, будет осуществляться совместная экструзия слоев вокруг проводящего средства. Electrical insulation usually has a unitary shape with layers either in tight mechanical contact or, more preferably, bonded together, for example, bonded by extrusion. The layers are usually formed from a plastic material having elastic or elastic properties, at least at ambient operating temperatures. This provides the cable forming the winding with flexibility and the possibility of shaping to obtain the desired shape of the winding. By using for such layers only those materials that can be manufactured with minimal, if any, defects and having similar thermal properties, reduce thermal and electrical loads inside the insulation. In particular, the insulating intermediate layer and the semiconductor inner and outer layers must have at least substantially the same coefficient of thermal expansion (α) so that defects caused by different thermal expansion do not occur when the layers are heated or cooled. Ideally, co-extrusion of the layers around the conductive means will be carried out.

Как правило, электроизолирующий промежуточный слой содержит сплошной термопластовый материал, такой, как полиэтилен низкой или высокой плотности (ПЭНП или ПЭВП), полипропилен (ПП), полибутилен (ПБ), полиметилпентен (ПМП), сополимер этилена и (этил)акрилата, сшитые материалы, такие, как сшитый полиэтилен (СПЭ), или каучуковую изоляцию, такую, как этиленпропиленовый каучук (ЭПК) или кремнийорганический каучук. Полупроводниковые внутренний и наружный слои могут содержать материал, аналогичный промежуточному слою, но со внедренными в него проводящими частицами, например частицами углеродной сажи или копоти. Вообще говоря, обнаружено, что конкретный изолирующий материал, такой, как ЭПК, имеет аналогичные механические свойства, когда не содержит углеродные частицы или содержит их немного. Промежуточный слой может быть разделен на два или более подслоев одним или более дополнительными промежуточными слоями полупроводникового материала. As a rule, the electrically insulating intermediate layer contains a continuous thermoplastic material, such as low or high density polyethylene (LDPE or HDPE), polypropylene (PP), polybutylene (PB), polymethylpentene (PMP), a copolymer of ethylene and (ethyl) acrylate, crosslinked materials such as crosslinked polyethylene (SPE), or rubber insulation, such as ethylene propylene rubber (EPA) or silicone rubber. The semiconductor inner and outer layers may contain a material similar to the intermediate layer, but with conductive particles embedded therein, for example, carbon black or soot particles. Generally speaking, it has been found that a particular insulating material, such as EPA, has similar mechanical properties when it does not contain carbon particles or contains little. The intermediate layer may be divided into two or more sublayers by one or more additional intermediate layers of semiconductor material.

Экраны из полупроводниковых наружного и внутреннего слоев образуют, по существу, эквипотенциальные поверхности внутри и снаружи изолирующего промежуточного слоя, так что, в случае концентрических полупроводниковых и изолирующих слоев, электрическое поле является, по существу, радиальным и ограничено внутри промежуточного слоя. В частности, полупроводниковый внутренний слой расположен так, что находится в электрическом контакте и под одинаковым потенциалом с проводящим средством, которое он окружает. Полупроводниковый наружный слой предназначен для действия в качестве экрана для предотвращения потерь, вызываемых индуцируемыми напряжениями. Индуцируемые напряжения в наружном слое можно уменьшить путем увеличения удельного сопротивления наружного слоя. Удельное сопротивление можно увеличить путем уменьшения толщины наружного слоя, но толщину нельзя уменьшать до значения, которое меньше некоторой минимальной толщины. Удельное сопротивление можно также увеличивать путем выбора - для этого слоя - материала, имеющего более высокое удельное сопротивление. С другой стороны, если удельное сопротивление полупроводникового наружного слоя слишком велико, потенциал напряжения в середине между соседними отстоящими друг от друга точками при регулируемом потенциале, например потенциале заземления, станет достаточно высоким, чтобы возник риск появления коронного разряда в изоляции с последующей эрозией изоляции и полупроводниковых слоев. Следовательно, полупроводниковый наружный слой отражает компромисс между проводником, имеющим низкое удельное сопротивление и высокие потери на индуцируемые напряжения, но легко подсоединяемым к регулируемому потенциалу, как правило, потенциалу заземления или "земли", и изолятором, который имеет высокое удельное сопротивление с низкими потерями на индуцируемые напряжения, но требует подсоединения к регулируемому потенциалу вдоль своей длины. Таким образом, удельное сопротивление ρпп полупроводникового наружного слоя должно находиться в диапазоне ρminппmax, где ρmin определяется допустимой потерей мощности, вызываемой потерями на вихревые токи и резистивными (активными) потерями, вызываемыми напряжениями, индуцируемыми магнитным потоком, ρmax определяется требованием отсутствия коронного или тлеющего разряда.The screens of the semiconductor outer and inner layers form substantially equipotential surfaces inside and outside the insulating intermediate layer, so that in the case of concentric semiconductor and insulating layers, the electric field is essentially radial and bounded inside the intermediate layer. In particular, the semiconductor inner layer is arranged to be in electrical contact and at the same potential with the conductive means that it surrounds. The semiconductor outer layer is intended to act as a shield to prevent losses caused by induced voltages. Induced stresses in the outer layer can be reduced by increasing the resistivity of the outer layer. The resistivity can be increased by reducing the thickness of the outer layer, but the thickness cannot be reduced to a value that is less than a certain minimum thickness. The resistivity can also be increased by selecting — for this layer — a material having a higher resistivity. On the other hand, if the resistivity of the semiconductor outer layer is too high, the voltage potential in the middle between adjacent spaced points at an adjustable potential, for example, the ground potential, will become high enough to cause the risk of a corona discharge in the insulation, followed by erosion of the insulation and semiconductor layers. Therefore, the semiconductor outer layer reflects a compromise between a conductor having a low resistivity and high losses due to induced voltages, but easily connected to an adjustable potential, usually a ground or ground potential, and an insulator that has a high resistivity with low losses on induced voltages, but requires connection to an adjustable potential along its length. Thus, the resistivity ρ pp of the semiconductor outer layer should be in the range ρ minppmax , where ρ min is determined by the allowable power loss caused by eddy current losses and resistive (active) losses caused by magnetic flux voltages, ρ max is determined by the requirement of the absence of a corona or glow discharge.

Если полупроводниковый наружный слой замкнут на заземление или подсоединен к какому-то другому регулируемому потенциалу на отстоящих друг от друга интервалах вдоль своей длины, то нет необходимости в наружном металлическом экране и защитном кожухе, окружающем полупроводниковый наружный слой. Таким образом, диаметр кабеля уменьшается, что позволяет получить больше витков для заданного размера обмотки. If the semiconductor outer layer is earthed or connected to some other adjustable potential at spaced apart intervals along its length, then there is no need for an outer metal shield and a protective casing surrounding the semiconductor outer layer. Thus, the cable diameter is reduced, which allows you to get more turns for a given size of the winding.

В большинстве практических приложений, проводящее средство обладает свойствами сверхпроводимости. Однако изобретение не сводится к проводящему средству, обладающему свойствами сверхпроводимости, и предназначено для охвата любых проводящих средств, свойства электропроводности которых значительно улучшаются при низких температурах, например при температурах ниже 200К (-73oС). В предпочтительном случае проводящего средства, обладающего свойствами сверхпроводимости, это сверхпроводящее средство может содержать низкотемпературные полупроводники, но в наиболее предпочтительном случае содержит ВТС-материалы, например ВТС-провода или ленту, спирально намотанную на внутреннюю трубку. Обычная ВТС-лента содержит BSCCO-2212 или BSCCO-2223 в серебряной оболочке (где цифровые обозначения указывают число атомов каждого элемента в молекуле [Bi, Рb]2Sr22Сu3Ох), и в дальнейшем такие ВТС-ленты будут именоваться "BSCCO-лентами". BSCCO-ленты изготавливают путем заключения тонких нитей оксидного сверхпроводника в матрицу серебра или оксида серебра посредством процессов вытяжки порошка в трубке (ВПТ), волочения, спекания и скатывания в рулон. В альтернативном варианте, ленты можно формировать с помощью процесса нанесения покрытия на поверхность. В любом случае, оксид расплавляют и повторно отверждают - в качестве завершающего технологического этапа. Другие ВТС-ленты, например ТiВа2Са2Сu3Ох (ТВССО-1223) и (YВа2Сu3Оx (YBCO-123), изготавливали различными методами нанесения покрытия на поверхность или осаждения на поверхность. В идеальном случае, ВПТ-провод должен иметь плотность тока выше jк~105 А/см2 при рабочих температурах от 65К (-208oС), а предпочтительно выше 77К (-196oС). Коэффициент заполнения ВТС-материала в матрице должен быть таким, чтобы иметь расчетную плотность тока jк≥104 А/см2, jк не должна резко уменьшаться с приложением поля в диапазоне Тесла. Спирально намотанную ВТС-ленту охлаждают ниже критической температуры Тк для ВТС с помощью охлаждающей текучей среды, предпочтительно жидкого азота, пропускаемого по внутренней опорной трубке.In most practical applications, a conductive agent has superconductivity properties. However, the invention is not limited to a conductive agent having superconductivity properties, and is intended to cover any conductive means whose electrical conductivity properties are significantly improved at low temperatures, for example, at temperatures below 200K (-73 ° C). In a preferred case of a conductive means having superconducting properties, this superconducting means may contain low temperature semiconductors, but in the most preferred case it contains HTS materials, for example HTS wires or a tape spirally wound on an inner tube. A typical PTS tape contains BSCCO-2212 or BSCCO-2223 in a silver shell (where the numeric designations indicate the number of atoms of each element in the [Bi, Pb] 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O x molecule), and in the future such PTS tapes will be be called "BSCCO tapes." BSCCO tapes are made by wrapping thin filaments of an oxide superconductor in a silver or silver oxide matrix by means of processes for drawing powder in a tube (CVT), drawing, sintering and rolling into a roll. Alternatively, tapes can be formed using a surface coating process. In any case, the oxide is melted and re-solidified as a final process step. Other HTS tapes, for example, TiBa 2 Ca 2 Cu 3 O x (TVSSO-1223) and (YBA 2 Cu 3 O x (YBCO-123), were produced by various methods of coating the surface or deposition on the surface. -the wire should have a current density above j to ~ 10 5 A / cm 2 at operating temperatures from 65K (-208 o C), and preferably above 77 K (-196 o C). The fill coefficient of the PTS material in the matrix should be such in order to have a calculated current density j k ≥10 4 A / cm 2 , j k should not decrease sharply with the application of a field in the Tesla range. I cool the spiral-wound PTS tape t below the critical temperature T k for the PTS by means of a cooling fluid, preferably liquid nitrogen, passed through the inner support tube.

Вокруг спирально намотанной ВТС-ленты может быть расположен криостатный слой для теплоизоляции охлаждаемой ВТС-ленты от электроизолирующего материала. Однако в альтернативном варианте криостатный слой может быть распределенным, и при этом, вместо предыдущего варианта, осуществляют полное погружение узла обмоток в охлаждающее вещество, например в ванну жидкого азота. В этом последнем случае электроизолирующий материал можно наносить непосредственно поверх проводящего средства. В альтернативном варианте можно предусмотреть пространство между проводящим средством и электроизолирующим материалом, причем это пространство является либо пустым пространством, либо пространством, заполненным сжимаемым материалом, таким, как вспененный материал высокой сжимаемости. Это пространство уменьшает силы расширения и/или усадки, воздействующие на систему изоляции во время нагрева от криогенных температур и/или охлаждения до этих температур. Если пространство заполнено сжимаемым материалом, последний может быть сделан полупроводниковым для гарантии электрического контакта между полупроводниковым внутренним слоем и проводящим средством. A cryostat layer can be arranged around the spiral wound PTS tape to insulate the cooled PTS tape from an electrically insulating material. However, in an alternative embodiment, the cryostat layer can be distributed, and in this case, instead of the previous version, the winding assembly is completely immersed in a cooling substance, for example, in a liquid nitrogen bath. In this latter case, the electrically insulating material can be applied directly over the conductive means. Alternatively, a space can be provided between the conductive means and the electrically insulating material, this space being either an empty space or a space filled with a compressible material, such as highly compressible foam material. This space reduces the forces of expansion and / or shrinkage acting on the insulation system during heating from cryogenic temperatures and / or cooling to these temperatures. If the space is filled with compressible material, the latter can be made semiconductor to ensure electrical contact between the semiconductor inner layer and the conductive means.

Возможны другие конструкции проводящего средства, причем изобретение посвящено обмоткам трансформатора, образованным из охлаждаемых, предпочтительно, сверхпроводящих кабелей любой подходящей конструкции, имеющих окружающую электрическую изоляцию вышеописанного типа. Например, другие типы проводящих средств, обладающих свойствами сверхпроводимости, могут содержать, помимо ВТС, охлаждаемых изнутри, ВТС, охлаждаемые извне, или ВТС, охлаждаемые и изнутри, и извне. В последнем случае ВТС-кабеля, используют два концентрических ВТС-проводника, разделенные криогенной изоляцией и охлаждаемые жидким азотом, для передачи электричества. Наружный проводник работает как канал возврата, и оба ВТС-проводника можно сформировать из одного или многих слоев ВТС-ленты для переноса электрического тока. Внутренний проводник может содержать ВТС-ленту, намотанную на трубчатую опору, по которой пропускают жидкий азот. Наружный проводник охлаждают снаружи жидким азотом, а весь узел может быть окружен теплоизолирующим криостатом. Other constructions of the conductive means are possible, the invention being devoted to transformer windings formed of cooled, preferably superconducting cables of any suitable design having surrounding electrical insulation of the type described above. For example, other types of conductive means possessing superconductivity properties may contain, in addition to HTS, cooled from the inside, HTS, cooled from the outside, or HTS, cooled both from the inside and from the outside. In the latter case of a PTS-cable, two concentric PTS-wires are used, separated by cryogenic insulation and cooled with liquid nitrogen, to transfer electricity. The outer conductor acts as a return channel, and both PTS conductors can be formed from one or many layers of PTS tape to transfer electric current. The inner conductor may comprise a PTS tape wound around a tubular support through which liquid nitrogen is passed. The outer conductor is cooled externally with liquid nitrogen, and the entire assembly can be surrounded by a heat-insulating cryostat.

Желательно иметь низкое внешнее магнитное поле, чтобы обеспечить более высокие плотности тока в состоянии сверхпроводимости. В конкретно предпочтительной конструкции это достигается путем смешения обмоток низкого и высокого напряжения трансформатора. Таким образом, магнитные поля, по меньшей мере, частично исключают друг друга, уменьшая таким образом индуктивность рассеяния и обеспечивая более высокие плотности тока. Этого очень трудно достичь в обычном сверхпроводящем трансформаторе, потому что приходится диэлектрически изолировать обмотки друг от друга, а это требует, чтобы обмотки отстояли друг от друга. В настоящем изобретении, электрическое поле снаружи обмоток пренебрежимо мало, что позволяет перемешивать обмотки высокого и низкого напряжения, в результате чего получается более компактная конструкция трансформатора. It is desirable to have a low external magnetic field in order to provide higher current densities in the state of superconductivity. In a particularly preferred design, this is achieved by mixing the low and high voltage windings of the transformer. Thus, the magnetic fields are at least partially mutually exclusive, thereby reducing the leakage inductance and providing higher current densities. This is very difficult to achieve in a conventional superconducting transformer, because one has to dielectricly isolate the windings from each other, and this requires that the windings are separated from each other. In the present invention, the electric field outside the windings is negligible, which allows the high and low voltage windings to be mixed, resulting in a more compact transformer design.

Краткое описание чертежей
Теперь, лишь в качестве примера, будут описаны конкретные варианты осуществления изобретения с конкретными ссылками на прилагаемые чертежи, где
фиг. 1 изображает график, показывающий изменение температуры, магнитного поля и плотности тока сверхпроводника 2-го рода,
фиг. 2 изображает схематический вид магнитного сердечника и обмоток силового трансформатора, соответствующего изобретению,
фиг.3 изображает разрез по линии А-А, показанной на фиг.2,
фиг.4 изображает схематический разрез в увеличенном масштабе через часть сверхпроводящего кабеля, из которого намотана обмотка трансформатора,
фиг.5А и 5В изображают схематические иллюстрации частей обмоток высокого и низкого напряжения, перемешанных друг с другом и обмотанных вокруг стержня сердечника трансформатора.
Brief Description of the Drawings
Now, only as an example, specific embodiments of the invention will be described with specific references to the accompanying drawings, where
FIG. 1 is a graph showing a change in temperature, magnetic field, and current density of a type 2 superconductor,
FIG. 2 is a schematic view of a magnetic core and windings of a power transformer according to the invention,
figure 3 depicts a section along the line aa shown in figure 2,
figure 4 depicts a schematic section on an enlarged scale through a part of a superconducting cable from which the transformer winding is wound,
5A and 5B are schematic illustrations of parts of high and low voltage windings intermixed with each other and wound around a core core of a transformer.

Фиг.2 и 3 изображают трехфазный сверхпроводящий силовой трансформатор 1, содержащий шихтованный магнитный сердечник 2, имеющий стержни 3, 4 и 5 для трех разных фаз и соединительные верхнее и нижнее ярма 6 и 7. Стержни 3, 4 и 5 имеют обмотки 8, 9 и 10, соответственно намотанные на них. Каждая обмотка 8, 9 и 10 содержит три концентрических витка обмотки, отделенных друг от друга электрической изоляцией 11. По поводу обмотки 8 следует отметить, что крайние изнутри обмотки 8а и 8b представляют собой первичные обмотки или обмотки высокого напряжения, а другая обмотка 8с представляет собой вторичную обмотку или обмотку низкого напряжения. Figures 2 and 3 depict a three-phase superconducting power transformer 1 comprising a lined magnetic core 2 having rods 3, 4 and 5 for three different phases and connecting upper and lower yokes 6 and 7. The rods 3, 4 and 5 have windings 8, 9 and 10, respectively wound on them. Each winding 8, 9 and 10 contains three concentric turns of the winding, separated from each other by electrical insulation 11. Regarding the winding 8, it should be noted that the outermost windings 8a and 8b are primary windings or high voltage windings, and the other winding 8c is secondary winding or low voltage winding.

Каждая обмотка образована из сверхпроводящего кабеля 12, схематически изображенного на фиг.4. Сверхпроводящий кабель 12 содержит внутреннюю медную трубчатую опору 13, на которую спирально намотан удлиненный ВТС-материал, например BSCCO-лента или что-либо подобное, для образования сверхпроводящего слоя 14 вокруг трубчатой опоры 13. Криостат 15, расположенный снаружи сверхпроводящего слоя, содержит две отстоящие друг от друга гибкие гофрированные трубки 16 и 17. В пространстве между трубками 16 и 17 поддерживается вакуум, и оно содержит тепловую сверхизоляцию 18. Жидкий азот или другая охлаждающая текучая среда пропускается по трубчатой опоре 13 для охлаждения окружающего сверхпроводящего слоя 14 до температуры, которая ниже его критической температуры Тк сверхпроводимости. Трубчатая опора 13, сверхпроводящий слой 14 и криостат 15 вместе образуют сверхпроводящее средство кабеля 12.Each winding is formed of a superconducting cable 12, schematically depicted in Fig.4. The superconducting cable 12 comprises an inner copper tubular support 13, on which an elongated PTS material, for example a BSCCO tape or the like, is spirally wound to form a superconducting layer 14 around the tubular support 13. The cryostat 15 located outside the superconducting layer contains two spaced apart flexible corrugated tubes 16 and 17 are separated from each other in the space between the tubes 16 and 17, a vacuum is maintained and it contains super thermal insulation 18. Liquid nitrogen or other cooling fluid is passed through the tubular support 13 to cool the surrounding superconducting layer 14 to a temperature that is below its critical temperature T to superconductivity. The tubular support 13, the superconducting layer 14 and the cryostat 15 together form the superconducting means of the cable 12.

Электрическая изоляция расположена снаружи сверхпроводящего средства. Электрическая изоляция имеет унифицированную форму и содержит внутренний полупроводниковый слой 20, находящийся в электрическом контакте со сверхпроводящим слоем 14, наружный полупроводниковый слой 21 и промежуточный между этими полупроводниковыми слоями изолирующий слой 22. Слои 20-22 предпочтительно содержат термопластовые материалы, находящиеся в плотном механическом контакте или, предпочтительно, прочно соединенные друг с другом на поверхностях их раздела. Для удобства, эти термопластовые материалы имеют аналогичные коэффициенты теплового расширения и являются упругими или эластичными, по меньшей мере, при комнатной температуре. Слои 20-22 предпочтительно получают путем совместной экструзии вокруг сверхпроводящего средства для обеспечения монолитной структуры с тем, чтобы минимизировать риск появления полостей и пор внутри электрической изоляции. Присутствие таких пор и полостей в изоляции нежелательно, поскольку это приводит к коронному разряду в электрической изоляции при высоких напряженностях электрического поля. Если полупроводниковый слой 20 находится в контакте с трубкой 17, контактирующие поверхности должны быть гладкими, чтобы способствовать тепловому движению между этими поверхностями, когда происходит изменение теплового (температурного) градиента между внутренней и наружной поверхностями кабеля 12. Electrical insulation is located outside the superconducting means. The electrical insulation has a uniform shape and comprises an inner semiconductor layer 20 in electrical contact with the superconducting layer 14, an outer semiconductor layer 21 and an insulating layer 22 intermediate between these semiconductor layers. The layers 20-22 preferably contain thermoplastic materials in tight mechanical contact or preferably firmly bonded to each other on their interfaces. For convenience, these thermoplastic materials have similar coefficients of thermal expansion and are resilient or elastic at least at room temperature. Layers 20-22 are preferably obtained by co-extrusion around a superconducting means to provide a monolithic structure so as to minimize the risk of cavities and pores inside the electrical insulation. The presence of such pores and cavities in the insulation is undesirable, since this leads to a corona discharge in the electrical insulation at high electric field strengths. If the semiconductor layer 20 is in contact with the tube 17, the contacting surfaces must be smooth in order to facilitate thermal motion between these surfaces when a change in the thermal (temperature) gradient between the inner and outer surfaces of the cable 12.

Только в качестве примера отметим, что сплошной изолирующий слой может содержать сшитый полиэтилен (СПЭ). Вместе с тем, в альтернативном варианте сплошной изолирующий слой может содержать другие сшитые материалы, полиэтилен низкой плотности (ПЭНП), полиэтилен высокой плотности (ПЭВП), полипропилен (ПП) или каучуковую изоляцию, такую, как этилен-пропиленовый каучук (ЭПК), каучук на основе тройного сополимера этилена и пропилена с диеновым сомономером (КОТСЭПДС) или кремнийорганический каучук. Полупроводниковый материал внутреннего и наружного слоев 20 и 21 может содержать, например, основной полимер из того же материала, что и сплошной изолирующий слой 22, и обладающие высокой электропроводностью частицы, например частицы углеродной сажи или металла, внедренные в основной полимер. Объемное удельное сопротивление, например около 20 Ом•см, этих полупроводниковых слоев можно регулировать по потребности путем изменения типа и пропорции углеродной сажи, добавленной в основной полимер. Ниже приведен пример способа, которым можно изменять удельное сопротивление, используя разные типы и количества углеродной сажи. Only as an example, we note that a continuous insulating layer may contain cross-linked polyethylene (SPE). However, in an alternative embodiment, the continuous insulating layer may contain other crosslinked materials, low density polyethylene (LDPE), high density polyethylene (HDPE), polypropylene (PP) or rubber insulation, such as ethylene-propylene rubber (EPA), rubber based on a triple copolymer of ethylene and propylene with a diene comonomer (KOTSEPDS) or silicone rubber. The semiconductor material of the inner and outer layers 20 and 21 may contain, for example, a base polymer of the same material as the continuous insulating layer 22, and particles having high electrical conductivity, such as carbon black or metal particles embedded in the base polymer. The volume resistivity, for example about 20 Ohm • cm, of these semiconductor layers can be adjusted as needed by changing the type and proportion of carbon black added to the base polymer. The following is an example of a method by which resistivity can be changed using different types and quantities of carbon black.

Наружный полупроводниковый слой 21 подсоединен в отстоящих друг от друга областях вдоль его длины к регулируемому потенциалу. В большинстве практических приложений этот регулируемый потенциал будет потенциалом заземления или "земли", при этом конкретные промежутки, разделяющие соседние точки заземления, зависят от удельного сопротивления слоя 21. The outer semiconductor layer 21 is connected in spaced apart regions along its length to an adjustable potential. In most practical applications, this adjustable potential will be the potential of grounding or ground, with the specific gaps separating adjacent grounding points depending on the resistivity of layer 21.

Полупроводниковый слой 21 действует как статический экран и как заземленный наружный слой, который гарантирует, что электрическое поле сверхпроводящего кабеля обмотки заключено внутри сплошной изоляции между полупроводниковыми слоями 20 и 21. Потери, вызываемые индуцируемыми напряжениями в слое 21, уменьшают путем увеличения удельного сопротивления слоя 21. Однако, поскольку слой 21 должен иметь, по меньшей мере, некоторую минимальную толщину, например менее 0,8 мм, удельное сопротивление можно увеличить лишь путем выбора материала слоя таким образом, чтобы он имел относительно высокое удельное сопротивление. Однако удельное сопротивление нельзя увеличивать слишком сильно, иначе напряжение слоя 21 в середине между двумя соседними точками заземления будет слишком высоким, и возникнет связанный с этим риск появления коронных разрядов. The semiconductor layer 21 acts as a static shield and as a grounded outer layer, which ensures that the electric field of the superconducting winding cable is enclosed within the solid insulation between the semiconductor layers 20 and 21. The losses caused by the induced voltages in the layer 21 are reduced by increasing the resistivity of the layer 21. However, since the layer 21 must have at least some minimum thickness, for example less than 0.8 mm, the resistivity can only be increased by choosing the material of the layer. that it has a relatively high resistivity. However, the resistivity cannot be increased too much, otherwise the voltage of layer 21 in the middle between two adjacent grounding points will be too high, and there will be a risk of corona discharges associated with this.

Толщина электрической изоляции не обязательно должна быть равномерной вдоль длины обмотки. Толщина должна быть больше для высоких напряжений и не должна быть такой же большой для более низких напряжений. Поэтому толщина электрической изоляции может ступенчато изменяться вдоль ее длины, при этом более толстая изоляция имеет место на конце (концах) обмотки высокого напряжения. На практике, кабели с разной толщиной изоляции соединяют вместе для образования конкретной обмотки. Если, например, обмотка образована вокруг трансформатора стержневого типа, кабель с одной толщиной электрической изоляции может быть намотан вокруг стержня сердечника, а затем соединен снаружи конструкции сердечника с другим кабелем, имеющим другую толщину электрической изоляции. Кроме того, можно соединять кабели вдоль длины обмотки на стыках, отдаленных от конструкции сердечника, что приводит к получению обмотки, имеющей разные толщины изоляции вдоль ее длины. The thickness of the electrical insulation does not have to be uniform along the length of the winding. The thickness should be greater for high voltages and should not be as large for lower voltages. Therefore, the thickness of the electrical insulation can vary in steps along its length, with thicker insulation taking place at the end (s) of the high voltage winding. In practice, cables with different thicknesses of insulation are connected together to form a specific winding. If, for example, a winding is formed around a rod-type transformer, a cable with one thickness of electrical insulation can be wound around the core core, and then connected outside the core structure to another cable having a different thickness of electrical insulation. In addition, it is possible to connect the cables along the length of the winding at the joints remote from the core structure, which leads to a winding having different insulation thicknesses along its length.

Обмотки 8а, 8b и 8с не обязательно должны быть физически отделены друг от друга, и на самом деле предпочтительной является компоновка, обуславливающая перемешивание обмоток с тем, чтобы уменьшить индуктивность рассеяния. Это становится возможным потому, что электрическое поле снаружи обмоток пренебрежимо мало. Путем уменьшения индуктивности рассеяния можно обеспечить более высокую критическую плотность тока. Кроме того, перемешивание обмоток позволяет трансформатору иметь более компактную конструкцию, особенно, когда обмотки имеют "ступенчатую" форму, описанную выше, с электрическими изоляциями разной толщины. The windings 8a, 8b and 8c need not be physically separated from each other, and in fact, an arrangement that causes the windings to be mixed in order to reduce the leakage inductance is preferable. This becomes possible because the electric field outside the windings is negligible. By reducing the leakage inductance, a higher critical current density can be achieved. In addition, the mixing of the windings allows the transformer to have a more compact design, especially when the windings have the "step" shape described above with electrical insulations of different thicknesses.

Примеры смешанных обмоток схематически изображены на фиг.5А и 5В. Фиг.3А изображает трансформатор с коэффициентом трансформации 1:2, причем слои обмоток низкого напряжения обозначены позицией 26, а слои обмотки высокого напряжения обозначены позицией 28. Шихтованный магнитный материал 27 и прокладки 29 для обеспечения воздушных зазоров размещены между разными слоями обмоток и витков для повышения кпд трансформатора. Фиг.5В изображает компоновку, в которой витки и слои обмоток 30 низкого напряжения и обмотки 32 высокого напряжения симметричны и равномерно перемешаны в регулярном порядке. Examples of mixed windings are shown schematically in FIGS. 5A and 5B. Fig. 3A depicts a transformer with a transformation ratio of 1: 2, wherein the layers of the low voltage windings are indicated by 26, and the layers of the high voltage winding are indicated by 28. The lined magnetic material 27 and gaskets 29 to provide air gaps are placed between different layers of windings and turns to increase transformer efficiency. Fig. 5B shows an arrangement in which the turns and layers of the low voltage windings 30 and the high voltage windings 32 are symmetrical and uniformly mixed in a regular manner.

Хотя настоящее изобретение посвящено главным образом силовым трансформаторам, имеющим обмотки, в которых проводящие средства обладают свойствами сверхпроводимости и охлаждаются до температур такой сверхпроводимости при эксплуатации, изобретение также предназначено для охвата проводящих средств, которые имеют повышенную удельную электропроводность при низкой рабочей температуре, достигающей, но предпочтительно не превышающей 200К (-73oС), но которые могут не обладать свойствами сверхпроводимости, по меньшей мере, при надлежащей низкой рабочей температуре. При этих более высоких криогенных температурах можно использовать жидкий диоксид углерода для охлаждения проводящего средства.Although the present invention is mainly devoted to power transformers having windings in which the conductive means have superconducting properties and are cooled to temperatures of such superconductivity during operation, the invention is also intended to cover conductive means that have an increased electrical conductivity at a low operating temperature reaching, but preferably not exceeding 200K (-73 o C), but which may not have the properties of superconductivity, at least with an appropriate low th working temperature. At these higher cryogenic temperatures, liquid carbon dioxide can be used to cool the conductive agent.

Электроизолирующее средство силового трансформатора, соответствующего изобретению, предназначено для отработки очень высоких напряжений и являющихся их следствием электрических и тепловых нагрузок, которые могут возникать при этих напряжениях. В качестве примера, отметим, что силовые трансформаторы, соответствующие изобретению, могут иметь номинальные мощности от нескольких сотен мегавольтампер (МВА) до более 1000 МВА, причем номинальные напряжения находятся в диапазоне от 3-4 кВ до очень высоких напряжений передачи порядка 400-800 кВ. При высоких рабочих напряжениях серьезную проблему для известных систем изоляции представляют частичные разряды или ЧР. Если в изоляции есть полости или поры, может возникнуть внутренний коронный разряд, из-за которого изолирующий материал постепенно ухудшается, что в перспективе приводит к пробою изоляции. Электрическую нагрузку на электрическую изоляцию силового трансформатора, соответствующего настоящему изобретению, уменьшают, гарантируя, что внутренний слой изоляции находится, по существу, под тем же электрическим потенциалом, что и внутреннее проводящее средство, а наружный слой изоляции находится под регулируемым потенциалом, например, потенциалом заземления. Таким образом, электрическое поле в промежуточном слое изолирующего материала между внутренним и наружным слоями распределено, по существу, равномерно по толщине промежуточного слоя. Кроме того, при наличии материалов с аналогичными тепловыми свойствами и с незначительными дефектами в слоях изолирующего материала, уменьшается возможность ЧР при заданных рабочих напряжениях. Поэтому можно сконструировать силовой трансформатор, выдерживающий очень высокие рабочие напряжения, как правило до 800 кВ или выше. The electrical insulating means of the power transformer according to the invention is designed to work out very high voltages and the resulting electrical and thermal loads that can occur at these voltages. As an example, we note that the power transformers corresponding to the invention can have rated powers from several hundred megavolt-amperes (MVA) to more than 1000 MVA, with rated voltages ranging from 3-4 kV to very high transmission voltages of the order of 400-800 kV . At high operating voltages, partial discharges or PD are a serious problem for known insulation systems. If there are cavities or pores in the insulation, an internal corona discharge can occur, due to which the insulating material gradually deteriorates, which in the future leads to a breakdown of the insulation. The electrical load on the electrical insulation of the power transformer according to the present invention is reduced, ensuring that the inner insulation layer is substantially at the same electrical potential as the inner conductive means and the outer insulation layer is at an adjustable potential, for example, ground potential . Thus, the electric field in the intermediate layer of insulating material between the inner and outer layers is distributed substantially uniformly over the thickness of the intermediate layer. In addition, in the presence of materials with similar thermal properties and with minor defects in the layers of insulating material, the possibility of PD at a given operating voltage is reduced. Therefore, a power transformer can be designed to withstand very high operating voltages, typically up to 800 kV or higher.

Хотя предпочтительным является экструдируемое по месту электроизолирующее средство, можно построить систему электрической изоляции из плотно наматываемых перекрывающихся слоев пленки или листообразного материала. Таким способом можно формировать как полупроводниковые слои, так и электроизолирующий слой. Систему изоляции можно изготавливать из полностью синтетической пленки, при этом внутренний и наружный полупроводниковые слои или части будут выполнены из тонкой полимерной пленки, изготовленной, например, из полипропилена (ПП), полиэтилентерефталата (ПЭТ), полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) или полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) с внедренными проводящими частицами, например частицами углеродной сажи или металла, и с изолирующим слоем или частью между полупроводниковыми слоями, или частями. Although a locally extruded electrical insulating agent is preferred, it is possible to construct an electrical insulation system from tightly wound overlapping layers of film or sheet-like material. In this way, both semiconductor layers and an electrical insulating layer can be formed. The insulation system can be made of a fully synthetic film, while the inner and outer semiconductor layers or parts will be made of a thin polymer film made, for example, of polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), low density polyethylene (LDPE) or high density polyethylene (HDPE) with embedded conductive particles, such as carbon black or metal particles, and with an insulating layer or part between the semiconductor layers or parts.

Применительно к замыслу, лежащему в основе изобретения, достаточно тонкая пленка будет иметь зазоры на стыках меньше, чем так называемые минимумы Пашена (Paschen), вследствие чего пропитка жидкостью станет необязательной. Сухая намотанная многослойная тонкопленочная изоляция также имеет хорошие тепловые свойства и может сочетаться со сверхпроводящей трубкой в качестве электрического проводника, а по этой трубке можно прокачивать охлаждающее вещество, такое, как жидкий азот. In relation to the concept underlying the invention, a sufficiently thin film will have gaps at the joints less than the so-called Paschen minimums, as a result of which liquid impregnation will become optional. Dry wound multilayer thin-film insulation also has good thermal properties and can be combined with a superconducting tube as an electrical conductor, and coolant such as liquid nitrogen can be pumped through this tube.

Другой пример системы электрической изоляции аналогичен обычному кабелю с изоляцией на основе целлюлозы, в котором тонкий материал на основе целлюлозы или синтетической бумаги, или нетканый - намотан внахлест вокруг проводника. В этом случае полупроводниковые слои на любой стороне изолирующего слоя можно изготавливать из целлюлозной бумаги или нетканого материала, состоящего из волокон изолирующего материала, и с внедренными проводящими частицами. Изолирующий слой можно изготавливать из того же основного материала, или можно использовать другой материал. Another example of an electrical insulation system is similar to a conventional cellulose-based insulation cable in which a thin material based on cellulose or synthetic paper, or non-woven, is lapped around a conductor. In this case, the semiconductor layers on either side of the insulating layer can be made from cellulose paper or non-woven material consisting of fibers of the insulating material, and with embedded conductive particles. The insulating layer may be made from the same base material, or another material may be used.

Другой пример системы изоляции получают, комбинируя пленочный и волокнистый изолирующий материал в виде либо слоистого, либо сформованного внахлест материала. Примером такой системы изоляции является промышленно поставляемый, так называемый слоистый материал на основе бумаги и полипропилена, СМОБПП, но возможны и несколько других комбинаций пленочных и волокнистых частей. В этих системах можно использовать различные пропитки, например минеральное масло или жидкий азот. Another example of an insulation system is obtained by combining a film and a fibrous insulating material in the form of either a layered or lap-molded material. An example of such an insulation system is a commercially available, so-called paper and polypropylene laminate, SMOBP, but several other combinations of film and fiber parts are possible. Various impregnations can be used in these systems, for example mineral oil or liquid nitrogen.

Claims (26)

1. Силовой трансформатор 1, имеющий, по меньшей мере, одну электрическую обмотку, содержащую электропроводящее средство 13-15, охлаждающее средство для охлаждения электропроводящего средства для повышения его удельной электропроводности и окружающее электроизолирующее средство 20-22, отличающийся тем, что указанное электроизолирующее средство содержит внутренний слой 20 полупроводникового материала, находящийся в электрическом контакте с указанным электропроводящим средством, наружный слой 21 полупроводникового материала под регулируемым электрическим потенциалом вдоль его длины и промежуточный слой 22 электроизолирующего материала между указанными внутренним и наружным слоями 20, 21. 1. A power transformer 1 having at least one electrical winding comprising an electrically conductive means 13-15, a cooling means for cooling an electrically conductive means to increase its conductivity and surrounding electrical insulating means 20-22, characterized in that the said electrical insulating means contains the inner layer 20 of semiconductor material in electrical contact with the specified conductive means, the outer layer 21 of the semiconductor material is adjustable m electrical potential along its length and an intermediate layer 22 of electrically insulating material between said inner and outer layers 20, 21. 2. Силовой трансформатор по п. 1, отличающийся тем, что полупроводниковый наружный слой 21 имеет удельное сопротивление 1 - 105 Ом•см.2. The power transformer according to claim 1, characterized in that the semiconductor outer layer 21 has a specific resistance of 1-10 5 Ohm • cm. 3. Силовой трансформатор по п. 1, отличающийся тем, что указанный наружный слой 21 имеет удельное сопротивление 10 - 500 Ом•см, предпочтительно 10 - 100 Ом•см. 3. The power transformer according to claim 1, characterized in that said outer layer 21 has a resistivity of 10-500 Ohm * cm, preferably 10-100 Ohm • cm. 4. Силовой трансформатор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что удельное сопротивление на единицу длины вдоль оси полупроводникового наружного слоя 21 составляет 5 - 50000 Ом•м-1.4. Power transformer according to any one of paragraphs. 1-3, characterized in that the resistivity per unit length along the axis of the semiconductor outer layer 21 is 5 to 50,000 Ohm • m -1 . 5. Силовой трансформатор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что удельное сопротивление на единицу длины вдоль оси полупроводникового наружного слоя 21 составляет 500 - 25000 Ом•м-1, предпочтительно 2500 - 5000 Ом•м-1.5. Power transformer according to any one of paragraphs. 1-3, characterized in that the resistivity per unit length along the axis of the semiconductor outer layer 21 is 500 to 25,000 Ohm • m -1 , preferably 2500 to 5000 Ohm • m -1 . 6. Силовой трансформатор по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что полупроводниковый наружный слой контактирует с проводящим средством под регулируемым электрическим потенциалом на отстоящих друг от друга областях вдоль его длины, причем соседние области контакта достаточно близки друг к другу, чтобы напряжения средних точек между соседними областями контакта были недостаточными для возникновения коронных разрядов внутри электроизолирующего средства. 6. Power transformer according to any one of paragraphs. 1-5, characterized in that the semiconductor outer layer is in contact with the conductive means under an adjustable electric potential on spaced apart areas along its length, and the adjacent contact areas are close enough to each other so that the stresses of the midpoints between adjacent contact areas are insufficient for occurrence of corona discharges inside an electrically insulating agent. 7. Силовой трансформатор по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что указанный регулируемый электрический потенциал равен потенциалу "земли" или близок к нему. 7. Power transformer according to any one of paragraphs. 1-6, characterized in that the specified adjustable electric potential is equal to or close to the potential of the "earth". 8. Силовой трансформатор по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что указанный промежуточный слой 22 находится в плотном механическом контакте с каждым из указанных внутреннего и наружного слоев 20 и 21. 8. Power transformer according to any one of paragraphs. 1-7, characterized in that the intermediate layer 22 is in tight mechanical contact with each of these inner and outer layers 20 and 21. 9. Силовой трансформатор по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что указанный промежуточный слой 22 соединен с каждым из указанных внутреннего и наружного слоев 20 и 21. 9. Power transformer according to any one of paragraphs. 1-7, characterized in that the intermediate layer 22 is connected to each of these inner and outer layers 20 and 21. 10. Силовой трансформатор по п. 9, отличающийся тем, что сила адгезии между указанным промежуточным слоем 22 и полупроводниковым наружным слоем 21 имеет величину того же порядка, что и собственная прочность материала промежуточного слоя. 10. The power transformer according to claim 9, characterized in that the adhesion force between the specified intermediate layer 22 and the semiconductor outer layer 21 has a value of the same order as the intrinsic strength of the material of the intermediate layer. 11. Силовой трансформатор по п. 9 или 10, отличающийся тем, что указанные слои 20-22 соединены вместе путем экструзии. 11. Power transformer according to claim 9 or 10, characterized in that said layers 20-22 are connected together by extrusion. 12. Силовой трансформатор по п. 11, отличающийся тем, что внутренний и наружный слои 20 и 21 полупроводникового материала и изолирующий промежуточный слой 22 нанесены вместе поверх проводящего средства через мундштук для многослойной экструзии. 12. The power transformer according to claim 11, characterized in that the inner and outer layers 20 and 21 of the semiconductor material and the insulating intermediate layer 22 are deposited together over the conductive means through the mouthpiece for multilayer extrusion. 13. Силовой трансформатор по любому из пп. 1-12, отличающийся тем, что указанный внутренний слой 20 содержит первый пластмассовый материал, имеющий диспергированные внутри него первые электропроводящие частицы, указанный наружный слой 21 содержит второй пластмассовый материал, имеющий диспергированные внутри него вторые электропроводящие частицы, а указанный промежуточный слой 22 содержит третий пластмассовый материал. 13. Power transformer according to any one of paragraphs. 1-12, characterized in that said inner layer 20 contains a first plastic material having first electrically conductive particles dispersed inside it, said outer layer 21 contains a second plastic material having second electrically conductive particles dispersed inside it, and said intermediate layer 22 contains a third plastic material. 14. Силовой трансформатор по п. 13, отличающийся тем, что каждый из указанных первого, второго и третьего пластмассовых материалов содержит каучук на основе сополимера этилена и бутилакрилата, каучук на основе тройного сополимера этилена и пропилена с диеновым сомономером, каучук на основе сополимера этилена и пропилена, полиэтилен низкой плотности, полиэтилен высокой плотности, полипропилен, сшитый полиэтилен, этилен-пропиленовый каучук или кремнийорганический каучук. 14. The power transformer according to claim 13, characterized in that each of the first, second and third plastic materials contains rubber based on a copolymer of ethylene and butyl acrylate, rubber based on a triple copolymer of ethylene and propylene with a diene comonomer, rubber based on an ethylene copolymer and propylene, low density polyethylene, high density polyethylene, polypropylene, crosslinked polyethylene, ethylene-propylene rubber or silicone rubber. 15. Силовой трансформатор по п. 13 или 14, отличающийся тем, что указанные первый, второй и третий пластмассовые материалы имеют, по меньшей мере, по существу те же самые коэффициенты теплового расширения. 15. A power transformer according to claim 13 or 14, characterized in that said first, second and third plastic materials have at least substantially the same thermal expansion coefficients. 16. Силовой трансформатор по любому из пп. 13, 14 или 15, отличающийся тем, что указанные первый, второй и третий пластмассовые материалы представляют собой один и тот же материал. 16. Power transformer according to any one of paragraphs. 13, 14 or 15, characterized in that the said first, second and third plastic materials are the same material. 17. Силовой трансформатор по любому из пп. 1-16, отличающийся тем, что указанное проводящее средство 13-15 обладает свойствами сверхпроводимости и указанное охлаждающее средство выполнено с возможностью охлаждения проводящего средства до температуры, которая ниже критической температуры последнего. 17. Power transformer according to any one of paragraphs. 1-16, characterized in that said conductive means 13-15 has superconducting properties and said cooling means is configured to cool the conductive means to a temperature that is lower than the critical temperature of the latter. 18. Силовой трансформатор по п. 17, отличающийся тем, что сверхпроводящее средство содержит высокотемпературный сверхпроводящий (ВТС) материал. 18. The power transformer according to claim 17, characterized in that the superconducting means comprises a high temperature superconducting (HTS) material. 19. Силовой трансформатор по п. 18, отличающийся тем, что ВТС-материал содержит спирально намотанные ВТС-ленты или проводники. 19. The power transformer according to claim 18, characterized in that the PTS material comprises spirally wound PTS tapes or conductors. 20. Силовой трансформатор по п. 18, отличающийся тем, что ВТС-материал содержит ВТС-ленту, спирально намотанную на опорную трубку, охлаждающая текучая среда, например жидкий азот, пропускается по опорной трубке для охлаждения ВТС-ленты до температуры, которая ниже критической температуры ВТС-материала. 20. The power transformer according to claim 18, characterized in that the PTS material comprises a PTS tape helically wound around the support tube, a cooling fluid, such as liquid nitrogen, is passed through the support tube to cool the PTS tape to a temperature that is below critical temperature of the PTS material. 21. Силовой трансформатор по любому из пп. 17-20, отличающийся тем, что проводящее средство включает в себя теплоизолирующий наружный слой. 21. Power transformer according to any one of paragraphs. 17-20, characterized in that the conductive means includes a heat insulating outer layer. 22. Силовой трансформатор по любому из пп. 1-16, отличающийся тем, что при эксплуатации трансформатора указанное охлаждающее средство охлаждает проводящее средство до температуры ниже 200К (-73oС).22. Power transformer according to any one of paragraphs. 1-16, characterized in that during operation of the transformer, said cooling means cools the conductive means to a temperature below 200K (-73 ° C). 23. Силовой трансформатор по любому из пп. 1-22, отличающийся тем, что полупроводниковый внутренний слой имеет удельное сопротивление 1 - 105 Ом•см, как правило, 10 - 500 Ом•см, а предпочтительно 50 - 100 Ом•см.23. Power transformer according to any one of paragraphs. 1-22, characterized in that the semiconductor inner layer has a resistivity of 1 to 10 5 Ohm • cm, typically 10 to 500 Ohm • cm, and preferably 50 to 100 Ohm • cm. 24. Силовой трансформатор по любому из пп. 1-23, отличающийся тем, что обмотки низкого и высокого напряжения смешаны друг с другом для уменьшения индуктивности рассеяния. 24. Power transformer according to any one of paragraphs. 1-23, characterized in that the windings of low and high voltage are mixed with each other to reduce the leakage inductance. 25. Силовой трансформатор по любому из пп. 1-24, отличающийся тем, что указанное электроизолирующее средство предназначено для высокого напряжения, обычно составляющего свыше 10 кВ, в частности свыше 36 кВ и предпочтительно более 72,5 кВ и до очень высоких напряжений передачи, таких, как 400 кВ - 800 кВ или выше. 25. Power transformer according to any one of paragraphs. 1-24, characterized in that the said insulating means is intended for high voltage, usually comprising more than 10 kV, in particular more than 36 kV and preferably more than 72.5 kV and to very high transmission voltages, such as 400 kV - 800 kV higher. 26. Силовой трансформатор по любому из пп. 1-25, отличающийся тем, что указанное электроизолирующее средство предназначено для диапазона мощности свыше 0,5 МВА, предпочтительно свыше 30 МВА и до 1000 МВА. 26. Power transformer according to any one of paragraphs. 1-25, characterized in that the said electrical insulating means is intended for a power range above 0.5 MVA, preferably above 30 MVA and up to 1000 MVA.
RU2000116637/09A 1997-11-28 1998-11-30 Power transformer RU2193253C2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB9725312A GB2331852A (en) 1997-11-28 1997-11-28 Transformer winding arrangements
GB9725312.4 1997-11-28

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2000116637A RU2000116637A (en) 2002-08-20
RU2193253C2 true RU2193253C2 (en) 2002-11-20

Family

ID=10822859

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2000116637/09A RU2193253C2 (en) 1997-11-28 1998-11-30 Power transformer

Country Status (11)

Country Link
EP (1) EP1034550A1 (en)
JP (1) JP2001525608A (en)
KR (1) KR20010032376A (en)
CN (1) CN1279817A (en)
AU (1) AU737248B2 (en)
CA (1) CA2309901A1 (en)
GB (1) GB2331852A (en)
IL (1) IL136069A0 (en)
NO (1) NO20002733L (en)
RU (1) RU2193253C2 (en)
WO (1) WO1999028929A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2815169C1 (en) * 2023-09-26 2024-03-12 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования Сибирский Государственный Университет Водного Транспорта Superconducting hybrid transformer

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2350474A (en) * 1999-05-28 2000-11-29 Asea Brown Boveri A flexible power cable
AUPQ637600A0 (en) * 2000-03-21 2000-04-15 Metal Manufactures Limited A superconducting transformer
JP3485540B2 (en) 2000-12-28 2004-01-13 新日本製鐵株式会社 Low noise transformer
FR2916298B1 (en) * 2007-05-16 2009-08-21 Converteam Sas Soc Par Actions COOLING THE MAGNETIC CORE OF AN INDUCTION COIL
US9640315B2 (en) 2013-05-13 2017-05-02 General Electric Company Low stray-loss transformers and methods of assembling the same
CN103277612B (en) * 2013-05-17 2015-12-23 厦门大学 Liquid nitrogen transmission device
RU2700506C1 (en) * 2019-03-28 2019-09-17 Николай Даниелян Current distributor
CN112652470B (en) * 2020-12-07 2022-11-15 阳光电源股份有限公司 Transformer
CN115312259B (en) * 2022-10-11 2023-03-24 富通集团(天津)超导技术应用有限公司 Superconducting cable terminal device

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB589071A (en) * 1942-03-27 1947-06-11 Gen Electric Co Ltd Improvements in protective shields in high-voltage apparatus
DE2541670C2 (en) * 1974-09-19 1986-09-04 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd., Kadoma, Osaka Electrical coil encapsulated in synthetic resin
GB2140195B (en) * 1982-12-03 1986-04-30 Electric Power Res Inst Cryogenic cable and method of making same
US4510476A (en) * 1983-06-21 1985-04-09 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration High voltage isolation transformer
US5036165A (en) * 1984-08-23 1991-07-30 General Electric Co. Semi-conducting layer for insulated electrical conductors
DE4022476A1 (en) * 1990-07-14 1992-01-16 Thyssen Industrie Electric cable for three=phase AC winding of linear motor - covers one phase by inner conducting layer surrounded by insulation and outer conducting layer
DE19515003C2 (en) * 1995-04-24 1997-04-17 Asea Brown Boveri Superconducting coil
EP0802542B1 (en) * 1996-03-20 2002-01-02 NKT Cables A/S A high-voltage cable

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2815169C1 (en) * 2023-09-26 2024-03-12 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования Сибирский Государственный Университет Водного Транспорта Superconducting hybrid transformer

Also Published As

Publication number Publication date
AU2156399A (en) 1999-06-16
NO20002733D0 (en) 2000-05-26
GB2331852A9 (en)
WO1999028929A1 (en) 1999-06-10
IL136069A0 (en) 2001-05-20
NO20002733L (en) 2000-05-26
CN1279817A (en) 2001-01-10
KR20010032376A (en) 2001-04-16
JP2001525608A (en) 2001-12-11
GB9725312D0 (en) 1998-01-28
CA2309901A1 (en) 1999-06-10
GB2331852A (en) 1999-06-02
AU737248B2 (en) 2001-08-16
EP1034550A1 (en) 2000-09-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU1965599A (en) High voltage induction device
RU2193253C2 (en) Power transformer
AU2156499A (en) A high voltage power cable termination
Kosaki Research and development of electrical insulation of superconducting cables by extruded polymers
AU737052B2 (en) A power induction device
AU737317B2 (en) Magnetic energy storage
JP2001525650A (en) Fault current limiter
WO2000074211A1 (en) A power cable
GB2350486A (en) A power transformer / reactor
GB2350485A (en) A fault current limiter
JP2002140943A (en) Superconductive cable
GB2350507A (en) Resonant energy storage device
WO2000039815A1 (en) Magnetic energy storage
GB2350475A (en) Power cable termination
WO2000039816A1 (en) A high voltage induction device
CA2310595A1 (en) Magnetic energy storage
WO2000039820A1 (en) A high voltage transformer
MXPA00005157A (en) Magnetic energy storage
WO2000039818A1 (en) A high voltage inductor

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20031201