SE507576C2 - Supraledande kärnfri transformator - Google Patents

Description

40 45 507 576 2 IEEE/PES Summer Meeting, July 23-27,l995, Portland, OR (95 SM 610-6 PWRD) ppl-7, (D).

Det primära skälet till varför man önskar använda supraledande lindningar i en transformator är den möjlighet detta medger till en väsentlig höjning av strömtätheten i lindningarna. I en konventionell oljekyld transformators lindningar kan man arbeta med en strömtäthet på 2.5-4 A/mm2. På grund av isolation och nödvändiga kylkanaler reduceras dock medelströmtätheten över hela lindningstvärsnittet till 1-2 A/mm2. Detta innebäri sin tur att magnetfältet i huvudkanalen begränsas till l T för ett lindningspar där varje lindning har en tjocklek på 0.4-0.7 m. Om man sedan utgår från att koppararean endast utgör ca -25 % av kärnfönstrets öppning blir strömtätheten endast 0.5-l A/mm2i detta fönster.

Genom att som lindningsmaterial använda högtemperatursupraledare (HTSC) kan förutsättningarna ändras radikalt eftersom deras strömledarförrnåga överstiger motsvarande för koppar med en till två storleksordningar. Med en sådan strömtäthet kommer dock en supraledande lindning att behöva någon form av mekaniskt stöd som kommer att uppta ett visst utrymme. Rent praktiskt innebär en övergång till supraledande lindning att man borde kunna räkna med en effektiv strömtätliet på 10-100 A/mm2 över lindningstvärsnittet.

Att ersätta en transforrnatorlindnng som arbetar vid normal drifttemperatur med en supraledande lindning är som det har framgått av de citerade referenserna känd teknik och tillhör de problem som relativt väl kan bemästras. Det problem som återstår om man skall övergå till en kärnfri transformator är att transforrnatorns tomgångsström med konventionell utformning av lindningarna kan komma att uppgå till 30-90 % av transformatorns märkström. Ett sätt att minska tomgångsströmmen kan dock vara att öka antal varv i lindningen. Tyvärr resulterar dock detta i de flesta fall i en oacceptabelt hög kortslutningsreaktans.

I ovan anförda referens (B) har man studerat förlustkarakteristikorna för kärnfria transformatorer med supraledande lindning. För detta ändamål har man tagit fram en ekvivalent transforrnatorkrets. För att verifiera de teoretiska beräkningarna har man tillverkat en experimenttransformator med fyra från varandra isolerade och koncentriskt belägna dellindningar.

I ovan anförda referens (C) har man studerat en kärnfri transformator med supraledande lindnings primära Volt-Ampere-märkdata med utgångspunkt från den i referens (B) framtagna-ekvivalenta transformatorkretsen. Kärnfria supraledande lindningar kan med fördel 40 45 3 507 576 användas som shuntreaktorer i nät med stor kapacitiv belastning. I referens (C) har man med samma ekvivalenta schema också studerat märkdata fär kämfria supraledande lindningar så som shuntreaktor. För att verifiera de beräknade värdena har experimenttransformatorn enligt referens (B) använts. ' I referens (D) presenteras ytterligare ett beräkningsförfarande, baserat på den ekvivalenta transfonnatorkretsen från referens (B), för en kärnfri transformator med supraledande lindningar med utgångspunkt från givna elektriska data. Förfarandet visar att storleken av en sådan transfonnator är mindre och dess vikt är väsentligt mindre än för en konventionellt lindad transfonnator med järnkärna med motsvarande elektriska data. Den reducerade storleken och vikten blir än mer påtaglig för en motsvarande shuntreaktor.

En viktig slutsats man har kunnat dra från testresultaten med en experimenttransformator beskriven i referens (D) är att förlusterna i en kärnfri transformator med supraledande lindningar tenderar att bli konstanta oberoende av lastströmmen vid höga magnetiska kopplingsfaktorer mellan lindningarna. Detta innebär att transformatorlindningarna bör utformas för att få så låga tomgångsförluster som möjligt. För att åstadkomma detta består experimenttransformatorn av fem lindningar varav primärlindningen, i detta fall högspänningslindningen, utgöres av två koncentriska inre och två koncentriska yttre dellindningar och där den mellanliggande femte lindningen är transforrnatorns sekundärlindning.

Genom att som i referens (D) dela primärlindningen i fyra dellindningar, dvs med en höjd motsvarande en fjärdedel av höjden järnfört med om man endast hade en primärlindning, kommer den induktans som den matande källan ser vid tomgång att bli högre då dessa dellindningar är sarnrnankopplade så att de fält de ger upphov till summeras i det centrala hålrummet. Detta beror på att den upplagrade energin är proportionell mot fältstyrkan i kvadrat multiplicerad med den inneslutna volymen. Uppdelningen i fyra dellindningar innebär ju att fältstyrkan ökar med en faktor fyra och den inneslutna volymen minskar med en faktor fyra. Därvid kommer således tomgångsströmmen i huvudsak att rninska med en faktor två.

Fältdistributionen, i ett snitt genom den ena halvan av lindningarna, i tomgång för en transformator enligt referens (D), dvs med primärlindningen delad i fyra dellindningar framgår i stora drag av den streckade linjen i figur 1 där B; motsvarar fältet i transforrnatorns inre centrala hålrum. I figuren har som ansats antagits att det radiella utrymmet mellan dellindningarna respektive mellan dellindningar och sekundärlindning för isolation och mekanisk stabilitet hos lindningama är lika med det radiella utrymmet för lindningarna. 40 45 507 576 4 Som omtalat får man med kärnfria transformatorer med konventionell lindningsutformning i de flesta fall problem med hög kortslutningsreaktans. Placeras en sekundärlindning innanför eller 'utanför dellindningarna i en transformator enligt referens (D) blir också både' den reaktiva effekten vid märkström och transformatorns kortslutningsreaktans fyra gånger högre än om primärlindningen inte är uppdelad. Båda dessa storheter reduceras dock genom att som i referens (D) placera sekundärlindningen mellan delspolarna i den uppdelade primärlindningen. Därvid erhålles en fältbild vid märkström som framgår av den heldragna linjeni figur 1. Detta innebär att, relativt en konventionell lindningsutformning, kommer en kärnfri transformator med en delad primärlindning och en sekundärlindning mellan de mittersta dellindningarna att få lägre kortslutningsreaktans respektive reaktiv effekt. I RITNINGSFÖRTECKNING Figur 1 visar fältfördelningen hos en kärnfri transformator med en fyrdelad primärlindning bestående av två inre och två yttre lager och med en mellanliggande sekundärlindning.

Figur 2 visar fältfördelningen hos en. kärnfri transformator med en fyrdelad primärlindning och en fyrdelad sekundärlindning där dellindningarna är interfolierade.

REDoGöRELsE FöR UPPFiNNmGEN, UTFöRmGsFoRMER Speciellt hos krafttransformatorer är det vanligtvis, förutom att kunna hålla en relativt låg tomgångsström, också önskvärt att ha relativt låg reaktiv effekt respektive kortslutningsreaktans. Föreliggande uppfinning innebär en lindningsutforrmiing som medger, relativt den redovisade teknikens ståndpunkt, ytterligare reducerad reaktiv effekt för kämfria krafttransforinatorer med supraledande lindningar. Detta kan ske genom att förutom att utforma primärlindningen med ett antal dellindningar även låta sekundärlindningen bestå av ett motsvarande antal dellindningar som interfolieras med primärlindningens dellindningar. Interfolieringen innebär således i en utföringsform enligt figur 2 att lindningspaketet består av utifrån räknat en sekundärdellindning, S1, utrymme för isolering och mekanisk stagning, en primärdellindning, Pl, utrymme för isolering och mekanisk stagning, en sekundärdellindning, S2, utrymme för isolering och 40 45 507 576 mekanisk stagning, en primärdellindning, P2, osv beroende på hur många dellindningar som lindningspaketet består av. I en annan utföringsform kan lindningspaketet utifrån räknat börja med en primärdellindning, utrymme för isolering och mekanisk stagning, en sekundärdellindning osv. Sarnrnankopplingen mellan dellindningama skall som omtalat ovan vara så att de fält de ger upphov till summeras i det inre centrala hålrummet.

Fältdistributionen, i ett snitt genom den ena halvan av lindningarna, både i tomgång och vid märkström för en transformator enligt uppfinningen med en utföringsforrn enligt figur 2, dvs med både primärlindningen och sekundärlindningen delad i fyra dellindningar och med interfolierade lindningar, framgår i stora drag av ñguren. B; motsvarar även här fältet i transformatorns centrala inre hålrum.

Fältfördelningen vid tomgång visas med den streckade linjen och fältfördelningen vid märkström visas med den heldragna linjen.

Inom ramen för uppfinningen ingår att lindningarna kan vara uppdelade i mindre än fyra respektive mera än fyra dellindningar. Om en av lindningarna är uppdelad i "n" lindningar kan den andra lindningen vara uppdelad i "n+1" lindningar.

Claims (6)

10 15 20 25 30 35 40 45 507 576 6 PATENTKRAV

1. Kärnfri transformator med supraledande primär- och sekundärlindning, k ä n n e te c k n a d av att både primär- och sekundärlindningen är delade i ett antal dellindningar (Pl, P2,....,S1, S2,...) och där dellindningarna hos primärlindningen koncentriskt interfolieras med dellindningarna hos sekundärlindningen bildande ett interfolierat lindningspaket (Pl, Sl, P2, S2,....)

2. Kärnfri transformator med supraledande primär- och sekundärlindning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att både primär- och sekundärlindningen är uppdelade i ett lika antal, n, dellindningar (Pl, P2,...., Pn, S1, S2,..., Sn).

3. Kärnfri transformator med supraledande primär- och sekundärlindning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att primärlindningen är uppdelad i en dellindning, n+l, mer än sekundärlindningen, n, (Pl, P2,...., Pn, Pn+l, S1, S2,..., Sn).

4. Kärnfri transformator med supraledande primär- och sekundärlindning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att sekundärlindningen är uppdelad i en dellindning, n+l, mer än primärlindningen, n (Pl, P2,...., Pn, S1, S2,..., Sn, Sn+l)

5. Kärnfri transformator med supraledande primär- och sekundärlindning enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a d av att det interfolierade lindningspaketets yttersta dellindning är en av primärlindningens dellindningar (Pl).

6. Kärnfri transformator med supraledande primär- och sekundärlindning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att det interfolierade lindningspaketets yttersta dellindning är en av sekundärlindningens dellindningar (S1).