DE4412761C2 - Leiterdurchführung für ein Wechselstromgerät mit Supraleitung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiterdurchführung für ein Wech­ selstromgerät mit Supraleitung, insbesondere ein Hochspan­ nungstransformator in supraleitender Ausführung.

Aus der Electrical Review vom 12.03.1971, Seiten 335 bis 338 sind elektrische Wechselstromgeräte mit Supraleitung bekannt. Dabei ist der Aktivteil des Wechselstromgerätes, beispiels­ weise der Aktivteil eines Transformators, in einem Kryostat­ gefäß angeordnet. Innerhalb des Kryostatgefäßes wird mittels eines Kühlmediums für die erforderliche Tieftemperatur ge­ sorgt, so daß mit einem entsprechenden Leiter eine Supralei­ tung erzeugt werden kann. Bei der praktischen Realisierung solcher Geräte besteht das Problem, die Leiter für die elek­ trische Energiezu- und -abfuhr elektrisch und thermisch iso­ liert von außen durch das Kryostatgefäß an das Aktivteil her­ anzuführen.

Bei herkömmlichen Durchführungen, wie beispielsweise aus der DD 2 82 102 A5 bekannt, ist lediglich eine elektrische Isolie­ rung des Leiters gegenüber einem Gehäuse erforderlich. Aus der FR 2 647 590 ist eine Leiterdurchführung für supralei­ tende Gleichstrommagnetspulen mit kleinen Betriebsspannungen bekannt. Bei kleinen Betriebsspannungen kann jedoch der elek­ trische Isolieraufwand als vernachlässigbar betrachtet wer­ den.

In der US 3,440,326 wird eine Leiterdurchführung für das Ge­ häuse eines supraleitenden Wechselstromgerätes mit hoher Be­ triebsspannung und einem Innenleiter beschrieben, der von ei­ nem als thermischer und elektrischer Isolierkörper ausgebil­ deten Durchführungsteil umgeben ist, in welchem koaxial um den Innenleiter angeordnete elektrisch leitende Einlagen aus nichtrostendem Stahl angeordnet sind. Diese weisen eine rela­ tiv gute Wärmeleitfähigkeit auf, wodurch die Leiterdurchfüh­ rung für das Wechselstromgerät thermisch ungünstig ist.

Der US 4,227,035 ist eine Leiterdurchführung zu entnehmen, bei der an dem ersten Durchführungsteil ein axial passendes zweites Durchführungsteil angeordnet ist, zwischen denen ein von einem auch als Kühlmittel dienenden Isoliermittel durch­ strömbarer Zwischenraum liegt. Der Zwischenraum dient dabei zur Potentialsteuerung, wobei als Isoliermittel offenbar Öl verwendet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leiterdurch­ führung für ein Wechselstromgerät mit Supraleitung für hohe Spannungen bereitzustellen, bei dem eine sichere thermische als auch elektrische Isolation gegeben ist.

Die Lösung der Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit einer Lei­ terdurchführung für das Gehäuse eines supraleitenden Wechsel­ stromgerätes mit hoher Betriebsspannung, insbesondere für Mittel- oder Hochspannung,

• - mit einem Innenleiter, der von einem als thermischer und elektrischer Isolierkörper ausgebildeten ersten Durchfüh­ rungsteil umgeben ist, in welchem koaxial um den Innenlei­ ter elektrisch leitende Einlagen angeordnet sind,
• - wobei die Einlagen einen gegenüber Aluminium geringeren Wär­ meleitwert aufweisen,
• - wobei an dem ersten Durchführungsteil axial ein passendes zweites Durchführungsteil angeordnet ist, zwischen denen ein von einem Kühlmittel durchströmbarer Zwischenraum liegt,
• - wobei der Leiter des zweiten Durchführungsteils ein Supra­ leiter ist,
• - und wobei das Kühlmittel im Zwischenraum eine höhere Be­ triebstemperatur als das Kühlmittel des Wechselstromgerätes aufweist.

Auf diese Weise ist ein sicherer Betrieb des Wechselstromge­ rätes in bezug auf die Spannungsfestigkeit der Leiterdurch­ führung und auf die Temperaturverluste gegeben. Die Leiter­ durchführung läßt sich dabei in ihren Baumaßen an das Gehäuse des Wechselstromgerätes problemlos anpassen, wobei dann ent­ sprechend die Form und die Anzahl der leitenden Einlagen an­ gepaßt wird. Auf diese Weise sind auch schwierige Durchfüh­ rungen am Gehäuse elektrisch als auch thermisch weitestgehend beherrschbar. Durch die Ausführung mit den beiden Durchfüh­ rungsteilen ist eine zweistufige Ausbildung der Leiterdurch­ führung gegeben.

Die Einlagen der beiden Durchführungsteile sind bevorzugt aufeinander abgestimmt, so daß eine vorteilhafte Potential­ steuerung für den Zwischenraum möglich ist. Diese Leiter­ durchführung eignet sich insbesondere für Wechselstromgeräte mit besonders niedriger Kühlmitteltemperatur, bei denen die Temperaturverluste entlang der Leiterdurchführung auf einen besonders kleinen Wert gehalten werden müssen.

Gegebenenfalls kann der Zwischenraum sich auch um den Innen­ leiter herum erstrecken, so daß dieser noch eine zusätzliche Kühlung erfährt. Durch eine günstige Auslegung dieser Zwi­ schenkühlung kann gegebenenfalls der Temperaturverlust für den Innenraum des Gehäuses entlang der Leiterdurchführung ge­ ringer sein als durch die Gehäusewand an sich. Die Tempera­ turverluste werden dabei durch den Kühlkreislauf für den Zwi­ schenraum bereitgestellt oder gedeckt. Der Kühlkreislauf für den Innenraum wird dadurch nicht belastet. Da der Kühlkreis­ lauf für den Zwischenraum auf einer höheren Temperatur als der des Innenraumes arbeitet, kann dieser auch einfacher und kostengünstiger ausgeführt werden. Das Verhältnis des spezi­ fischen Energieaufwands zwischen Hauptkühlkreis zum Zwischen­ kühlkreis beträgt etwa 500 W/W zu 10 W/W.

Die Einlagen weisen erfindungsgemäß einen gegenüber Aluminium geringeren, insbesondere einen minimalen, Wärmeleitwert auf und können als Folie aus einer unmagnetischen Stahllegierung, z. B. Hasteloy, gefertigt sein. Dadurch ist ein besonders ge­ ringer Temperaturverlust entlang der Leiterdurchführung gege­ ben. Die Einlagen an sich stellen Wärme- oder Kältebrücken innerhalb des Isolierkörpers dar. Durch Verwendung des spezi­ ellen Werkstoffes sind die dort entstehenden Verluste auf ein geringes Maß begrenzt.

Die Einlagen können dabei in beiden Durchführungsteilen ange­ ordnet sein. Dadurch ist auch eine gleichmäßige Potentialver­ teilung entlang der gesamten Durchführung, insbesondere auch im Bereich des Zwischenraumes, möglich. Mit Vorteil kann der Innenleiter zumindest im ersten Durchführungsteil einen im Ver­ hältnis zum Leiter oder Supraleiter großen Außendurchmesser aufweisen. Auf diese Weise ist eine bessere Potentialsteue­ rung möglich.

Die Leiterdurchführung findet eine bevorzugte Verwendung bei einem supraleitenden Leistungstransformator, insbesondere für Mittel- oder Hochspannung. Die Anordnung eines Leistungstrans­ formators mit der erfindungsgemäßen Leiterdurchführung weist ein besonders sicheres Betriebsverhalten und eine günstige Baugröße auf.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den übrigen An­ sprüchen angegeben.

Die Erfindung und weitere Vorteile werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt einen Teilschnitt durch eine Gehäuse­ wand 1 eines nicht näher gezeigten elektrischen Wechselstrom­ gerätes mit hoher Betriebsspannung, beispielsweise Mittel- oder Hochspannung. Der Aktivteil des Wechselstromgerätes kann zum Beispiel eine Spule, ein Kondensator oder sonstige elek­ trische Leiteranordnungen - auch Halbleiter - umfassen. Be­ vorzugt ist das Wechselstromgerät als Hochspannungstransfor­ mator für die Energieversorgung ausgebildet und supraleitend ausgeführt. Das heißt, daß zumindest ein Teil seiner elektri­ schen Aktivteile in einem Kryostatgefäß 2 derart gekühlt sind, daß deren elektrische Leiter supraleitend sind. Dazu wird die elektrische Energie von außen über einen üblichen elektrischen Leiter 3 durch die Gehäusewand 1 in den gekühl­ ten Innenraum 5 des Kryostatgefäßes 2 geführt. Innerhalb des Kryostatgefäßes 2 befindet sich ein Kühlmedium 7, z. B. LN₂. Die Kühlung des Innenraumes 5 und der darin befindlichen Ak­ tivteile erfolgt dabei mittels des Kühlmediums 7. Das Kühlme­ dium 7 wird mittels einer nicht näher gezeigten Kühleinrich­ tung auf einer vorgegebenen Tieftemperatur gehalten. Die Form des Kryostatgefäßes ist üblicherweise an die Form des Wech­ selstromgerätes angepaßt und kann z. B. eine zylindrische, quaderförmige oder eine sonstige geeignete Ausbildung haben.

Zur Erzeugung der Supraleitung wird ein spezieller elektri­ scher Leiter, vorliegend ein Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL) 27 verwendet. Dieser wird bei Temperaturen zwischen 10 und 100 K, insbesondere bei 77 K eingesetzt. Es können jedoch auch metallische Supraleiter (MSL) verwendet werden, die ei­ nen Einsatz unterhalb von 20 K, insbesondere bei ca. 4 K, er­ lauben.

Bei einer Durchführung des elektrischen Leiters 3 durch die Gehäusewand 1 ist einerseits eine thermische Isolierung und andererseits eine elektrische Isolierung erforderlich. Dies gilt insbesondere, wenn der elektrische Leiter 3 mit Hoch­ spannung beaufschlagt ist. Vorliegend wird eine Leiterdurch­ führung 11 verwendet, deren Innenleiter 13 nach Art einer Stromdurchführung ausgebildet ist. Sein Durchmesser ist dabei im Verhältnis zum Durchmesser des elektrischen Leiters 3 re­ lativ groß, so daß zwischen der Gehäusewand 1 und dem Innen­ leiter 13 nur eine geringe Feldstärkebelastung auftritt. Die Leiterdurchführung 11 weist im Längsschnitt beispielhaft eine keulenartige Form auf.

Die Leiterdurchführung 11 ist als Isolierkörper ausgebildet und umfaßt in an sich bekannter Art und Weise koaxial um den Innenleiter 13 angeordnete elektrisch leitende Einlagen 15 (üblicherweise auch als Kondensatoreinlagen bezeichnet). Diese sind zur Beherrschung des elektrischen Feldes zwischen dem Innenleiter 13 und der Gehäusewand 1 erforderlich. Bei 400 KV Betriebsspannung sind beispielsweise ca. 100 Einlagen erforderlich. Zur Beherrschung der thermischen Isolierfähig­ keit dürfen die Kondensatoreinlagen 15 jedoch nicht wie üb­ lich aus Aluminiumfolie gewickelt sein, da Aluminium ein her­ vorragender Wärmeleiter ist. Die Kondensatoreinlagen 15 müs­ sen bei der vorliegenden Anwendung schlechte Wärmeleiter sein. Als Materialien eignen sich daher beispielsweise Folien aus einer unmagnetischen Stahllegierung, z. B. Hastelloy, die auch bei tiefen Temperaturen eine wesentlich geringere Wärme­ leitfähigkeit aufweisen als Aluminium. Es eignen sich jedoch auch nichtmetallische Folien, z. B. Kohlefolie, Kunststoffo­ lie oder auch mit einem elektrischen Leiter kaschierte Fo­ lien. Die Leiterdurchführung 11 ist ansonsten herkömmlich aus epoxydharzgetränkter Isolierfolie gewickelt. Gegebenenfalls kann aber auch hier eine Verwendung von Materialien stattfin­ den, die eine Verringerung der Wärmeleitfähigkeit der Leiter­ durchführung 11 zur Folge hat. Denkbar sind Materialien wie Kunststoff oder Keramik.

Die Verbindung des HTSL 27 mit dem Innenleiter 13 kann in ei­ nen Bereich innerhalb der Leiterdurchführung 11 verlegt sein. Die Verbindung des Innenleiters 13 mit dem elektrischen Lei­ ter 3 erfolgt wie nach dem Stand der Technik üblich. In der Figur ist hierzu rein schematisch eine Verbindungsschelle 19 gezeigt.

Das in der Figur gezeigte Ausführungsbeispiel ist eine zwei­ stufige Leiterdurchführung 11. Diese ist im wesentlichen für ein Kryostatgefäß 2 mit besonders niedriger Kühltemperatur, insbesondere unter 10 K, geeignet. Die Leiterdurchführung 11 umfaßt dazu ein erstes und ein zweites Durchführungsteil 21a und 21b. Das Durchführungsteil 21a entspricht dabei im we­ sentlichen der bereits oben beschriebenen Leiterdurchführung 11. Es ist dabei im wesentlichen außerhalb der Gehäusewand 1 angeordnet und ragt zum Teil in den Innenraum 5 hinein. Es dient zum Anschluß des elektrischen Leiters 3. Im Innenraum des Kryostatgefäßes 2 ist das zweite Durchführungsteil 21b angeordnet. Die beiden Durchführungsteile 21a und 21b sind an ihren einander zugewandten Flächen in der Formgebung angepaßt und bilden dabei gleichzeitig einen Zwischenraum 23. Die bei­ den Durchführungsteile 21b, 21a sind bevorzugt als Kondensa­ tordurchführungen mit Einlagen 15 aufgebaut. Diese Ausführung kann auch so beschrieben werden, daß durch Anordnung des Zwi­ schenraumes bei einer einfachen Anordnung eine zweistufige Ausführung gebildet wird.

Der zwischen den beiden Durchführungsteilen 21a und 21b ge­ bildete Zwischenraum 23 dient zur Aufnahme eines Kühlmediums, wodurch eine zusätzliche Kühlung der gesamten Leiterdurchfüh­ rung 11 erfolgt. Der Wärmeübergang von außen nach innen ist dadurch zweistufig. Auf diese Weise ist nur noch ein geringer Wärmeübergang über die elektrischen Leiter 27, 13, 9a inner­ halb der Leiterdurchführung 11 möglich. Das Kühlmedium 7a für den Zwischenraum 23 wird ebenfalls über eine nicht näher ge­ zeigte Kühleinrichtung gekühlt und aufbereitet. Dadurch wird auch der Wärmeverlust des Kühlmediums 7 im Innenraum 5 klein gehalten und dessen Kühleinrichtung entlastet. Die Zwischen­ raumkühleinrichtung ist gegenüber der Hauptkühleinrichtung klein ausgeführt. Das Kühlmedium 7a für den Zwischenraum 23 kann dabei ein anderes als das innerhalb des Kryostatgefäßes 2 sein. Für tiefe Temperaturen wird beispielsweise LH_e bei ca. 4 K verwendet. Da ein kontinuierlicher Wärmeübergang von dem Innenraum 5 des Kryostatgefäßes 2 über die Leiterdurch­ führung 11 bis zum elektrischen Leiter 3 stattfindet, könnte beispielsweise für den Zwischenraum 23 als Kühlmittel 7a LN₂ bei über 50 K wie bei der Hochtemperatursupraleitung verwen­ det werden.

Zur Befestigung der Leiterdurchführung 11 und zur Bildung von Anschlußmöglichkeiten für den Zwischenraum 23 ist ein geeig­ neter Flansch 25 an der Gehäusewand 1 vorgesehen. Die Befe­ stigung erfolgt dabei in bekannter Art und Weise, z. B. durch Schweißen oder mittels gas- und flüssigkeitsdichter Verschrau­ bungen.

Entsprechend den wärmetechnischen Bedingungen innerhalb der Leiterdurchführung 11, können auch entsprechende Leiter ver­ wendet werden. Ausgehend davon, daß das Wechselstromgerät in­ nerhalb einen MSL 27 aufweist und außerhalb an einen elektri­ schen Leiter 3 angeschlossen ist, kommen im weiteren der be­ reits oben beschriebene Innenleiter 13 für das Durchführungs­ teil 21a und für das Durchführungsteil 21b ein HTSL 9a zur Anwendung. Die Verluste und der Wärmeleitwert des HTSL 9a im zweiten Durchführungsteil 21b sind vernachlässigbar klein, so daß der Wärmestrom durch das zweite Durchführungsteil 21b nur noch als Produkt aus dem Wärmeleitwert des Durchführungsteils 21b und der Temperaturdifferenz

ΔT = 77 - 4 = 73 K

gegeben ist. Es wird dabei der für die elektrischen oder thermischen Bedingungen am besten geeignete Leiter verwendet.

Zur Verbindung der jeweiligen Leiter 27, 9a und 13 sind ent­ sprechende Verbindungsmittel 29a und 29b vorgesehen. Das Ver­ bindungsmittel 29a ist dabei bevorzugt innerhalb des Durch­ führungsteils 21b jedoch auf Temperatur des MSL angeordnet. Beispielhaft ist das zweite Verbindungsmittel 29b zur Verbin­ dung des HTSL 9a und des Innenleiters 13 im Zwischenraum 23 angeordnet.

Zur weiteren Potentialsteuerung kann das Verbindungsmittel 29b eine separate Abschirmelektrode aufweisen. Gegebenenfalls kann diese auch von der "100%-Einlage", bevorzugt bei Mit­ telspannung, gebildet sein. Bei sehr hohen Anschlußspannungen - z. B. 400 kV - wird auch hier die Anordnung der inneren Verbindung 29a innerhalb einer Abschirmelektrode in Frage kommen, um die Anschlußstelle elektrisch hochwertig ab­ zuschirmen.

Das Verbindungsmittel 29b kann dabei gegebenenfalls auch gleichzeitig als Abstandsteil zur Erzeugung des Zwischenraums 23 dienen. Zur Verbindung der jeweils unterschiedlichen Lei­ termaterialien und -arten, können die Verbindungsmittel 29a, 29b als Löt-, Schweiß-, Klemm- oder Klebeverbindung ausgeführt sein. Auch hier ist entsprechend der elektrischen und thermischen Wärmeleitfähigkeit vom Fach­ mann die günstigste Verbindungstechnik zu wählen.

Claims (12)

1. Leiterdurchführung (11) für das Gehäuse (2) eines supra­ leitenden Wechselstromgerätes mit hoher Betriebsspannung, insbesondere für Mittel- oder Hochspannung,

• - mit einem Innenleiter (13), der von einem als thermischer und elektrischer Isolierkörper ausgebildeten ersten Durch­ führungsteil (21a) umgeben ist, in welchem koaxial um den Innenleiter (13) elektrisch leitende Einlagen (15) angeordnet sind,
• - wobei die Einlagen (15) einen gegenüber Aluminium geringeren Wärmeleitwert aufweisen,
• - wobei an dem ersten Durchführungsteil (21a) axial ein pas­ sendes zweites Durchführungsteil (21b) angeordnet ist, zwischen denen ein von einem Kühlmittel durchströmbarer Zwi­ schenraum (23) liegt,
• - wobei der Leiter des zweiten Durchführungsteils (21b) ein Supraleiter (9a) ist,
• - und wobei das Kühlmittel im Zwischenraum (23) eine höhere Betriebstemperatur als das Kühlmittel des Wechselstromge­ rätes aufweist.

2. Leiterdurchführung nach Anspruch 1, wobei das zweite Durchführungsteil (21b) ebenfalls koaxial angeordnete elek­ trisch leitende Einlagen (15) aufweist.

3. Leiterdurchführung nach Anspruch 2, Wobei zur elektrischen Potentialsteuerung im Zwischenraum (23) die Einlagen (15) der beiden Durchführungsteile (21a, 21b) aufeinander abgestimmt sind.

4. Leiterdurchführung nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, wobei ein erstes Verbindungsmittel (29b) zum Anschluß des Supraleiters (9a) an den Innenleiter (13) zumindest teilweise im Zwischenraum (23) angeordnet ist.

5. Leiterdurchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das zweite Durchführungsteil (21b) ein zweites Verbindungs­ mittel (29a) zum Anschluß des Supraleiters (9a) an den Su­ praleiter (27) des Wechselstromgerätes aufweist.

6. Leiterdurchführung nach Anspruch 5, wobei das zweite Ver­ bindungsmittel (29a) zumindest teilweise innerhalb des zwei­ ten Durchführungsteils (21b) angeordnet ist.

7. Leiterdurchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei als Haltemittel zur Befestigung am Gehäuse ein im Bereich des Zwischenraumes (23) angeordneter Flansch (25) vorgesehen ist.

8. Leiterdurchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Einlagen (15) als Folie aus einer unmagnetischen Stahlle­ gierung, insbesondere Hasteloy, gefertigt sind.

9. Leiterdurchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Zwischenraum (23) etwa kegelmantelförmig ausgestaltet ist.

10. Leiterdurchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein drittes Verbindungsmittel (19) zum Anschluß eines elektrischen Leiters (3) zur elektrischen Energiezu- oder abfuhr außerhalb des Gehäuses (2) am ersten Durchführungsteil (21a) vorgesehen ist.

11. Leiterdurchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei zumindest der Innenleiter (13) einen im Verhältnis zum Leiter (3) oder zum Supraleiter (27, 9a) großen Außendurchmes­ ser aufweist.

12. Verwendung einer Leiterdurchführung nach einem der An­ sprüche 1 bis 11 bei einem supraleitenden Leistungstransfor­ mator, insbesondere für Mittel- oder Hochspannung.