Die Erfindung betrifft eine Hochstrom-Trafodurchführung mit einem Befestigungsmittel zur Befestigung an einem Kraftwerkstrafo, einem elektrischen Leiter zur Durchführung durch ein Trafokesselgehäuse und einem um den Leiter geführten elektrischen Isolator.

Eine elektrische Zuleitung zu einem Kraftwerkstransformator ist eine Hochstrom-Zuleitung, die zur Durchleitung sehr hoher Ströme in Verbindung mit hohen Spannungen ausgelegt ist. Liefert beispielsweise ein Generator eines Dampfkraftwerks eine Leistung von 600 MW bis 900 MW bei einer Ausgangsspannung von 21 kV bis 27 kV, so ergibt sich eine Stromstärke von 18 kA bis 25 kA, für die die Zuleitung zum Transformator ausgelegt sein muss.

Erschwerend kommt hinzu, dass der Strom durch eine solche Zuleitung durch den Skin-Effekt an den Außenbereich des Leiters drängt, so dass dort sehr hohe Querschnittsströme auftreten, die erhebliche Stromwärmeverluste bewirken. Der Skin-Effekt beschreibt den Umstand, dass ein durch einen Leiter fließender Wechselstrom im Inneren des Leiters Wirbelströme erzeugt, die dem Erzeugerstrom entgegengerichtet sind. Da das vom Wechselstrom induzierte Magnetfeld im Inneren des Leiters stärkere Wirbelströme induziert als am Rand, ist die hierdurch im Inneren des Leiters erzeugte Gegenspannung am größten und schwächt sich zu dessen Rand hin ab. Durch den großen Blindwiderstand im Inneren des Leiters fließt der Strom im Wesentlichen am Rand. Bei einem Kupferleiter ist die Skin-Tiefe, bei der die Stromdichte unter den Faktor 1/e abgesunken ist, bei 50 Hz etwa 9 mm. Daher tragen Leitungsbereiche, die unterhalb von etwa 20 mm unter der radial äußeren Leitungsoberfläche liegen, kaum zur Stromleitung bei.

Zur Zuleitung hoher Ströme zu einem Kraftwerkstrafo ist es bekannt, die Zuleitung als einen rohrförmigen Leiter auszuführen, dessen Wandstärke maximal 20 mm beträgt. Ein solcher Rohrleiter kann einen Durchmesser von bis zu 1 m aufweisen. Die Durchführung von drei solchen Rohrleitern für die drei Phasen einer Drehstromzuführung durch das Gehäuse des Kraftwerkstrafos ist allerdings aufwendig in der Spannungsisolierung und ungünstig im Raumbedarf, weshalb die Durchführung durch das Trafogehäuse mit einem schlankeren Rohrleiter gebaut wird. Die hieraus resultierende höhere Stromdichte im Leiter und die damit verbundene höhere Wärmeentwicklung wird durch teurere Leitermaterialien und eine Kühlung des Leiters mit Trafoöl zumindest teilweise kompensiert, um die nach den Normen IEC und ANSI geforderte maximal zulässige Temperatur von 90°C für den Leiter, maximal bis 115°C an heißen Einzelstellen, einzuhalten.

Die US 4 132 853 A (Wagenaar, Loren B.) offenbart eine elektrisch isolierte Durchführung, die zur Lösung des Problems der Erwärmung, ein aus mehreren Kanälen bestehendes Kühlsystem aufweist. Dabei wird eine isolierende Durchführung mit einem ersten Kanal zwischen einem Leiter und einer isolierenden, den Leiter umgebenden Schicht, und einem zweiten Kanal der durch ein konzentrisch innerhalb des Leiters angeordnetes und vom Leiter beabstandetes röhrenförmiges Element gebildet. Ein isolierendes Gehäuse ist von der äußeren Oberfläche der Schicht so beabstandet, dass ein dritter längs verlaufender Kanal gebildet wird, dessen Enden mit den Enden des ersten Kanals in Verbindung stehen. Ringsum angeordnete Öffnungen an beiden Enden des elektrischen Leiters verbinden den zweiten mit dem dritten Kanal, so dass Kühlmittel im ersten und zweiten Kanal in einen oberen Teil der Durchführung steigen und über den dritten Kanal wieder nach unten abgegeben werden kann. US 4 132 853 A offenbart dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die EP 1 411 619 A (Feuerstein Winfried; Schreiner, Franz) offenbart eine elektrisch isolierte Generatorableitung, die einen zylindrischen Innenleiter und einen konzentrisch zu dem Innenleiter angeordnetes zylindrisches Hüllrohr-Anschlussbereich aufweist. Der Innenleiter ist aus einem inneren Leitrohr und einem äußeren Leitrohr aufgebaut, und so ausgebildet, dass die Strombahnen in Längsrichtung des Innenleiters wenigstens einmal zwischen dem äußeren Leitrohr und dem inneren Leitrohr wechseln. Durch die gleichmäßige Aufteilung des Stromflusses durch das innere Leitrohr und das äußere Leitrohr des Innenleiters werden die Stromwärmeverluste gleichmäßig auf beide Leitrohre aufgeteilt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kleinbauende Hochstrom-Trafodurchführung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 anzugeben, mit der eine Erwärmung des durch ein Trafokesselgehäuse geführten elektrischen Leiters gering gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Hochstrom-Trafodurchführung der Eingangs genannten Art gelöst, bei der der elektrische Leiter zwei ineinander geführte rohrförmige Teilleiter aufweist. Der Strom zum Trafo kann durch beide Teilleiter geführt und eine Stromdichte in jedem Teilleiter so gehalten werden, dass eine Erwärmung der Teilleiter in einem erwünschten Umfang bleibt. Zweckmäßigerweise sind die inneren Widerstände beider Teilleiter durch geeignete Maßnahmen gleich, so dass eine gleichmäßige Verteilung des Gesamtstroms auf beide Teilleiter ohne eine entsprechende Steuerung erfolgt. Die beiden Teilleiter sind an ihren Enden vorteilhafterweise miteinander verbunden, so dass der Gesamtstrom beiden Teilleitern gemeinsam zugeführt und von beiden Teilleitern gemeinsam abgeführt werden kann, und dass die Durchkreuzung in Axialrichtung umeinander gedrehte Verbindungsleiterpaare zwischen inneren und äußeren Abschnitten aufweist.

Die Erfindung kennzeichnet dabei einerseits, dass beide Teilleiter entlang einer Strombahn mittels einer radialen Durchkreuzung sowohl einen inneren Abschnitt innerhalb des anderen Teilleiters als auch einen äußeren Abschnitt außerhalb des anderen Teilleiters aufweisen. Dadurch, hat der jeweils im Inneren des anderen Teilleiters angeordnete Teilleiter einen höheren inneren Widerstand als der äußere Teilleiter. Da beide Teilleiter sowohl innen als auch außen verlaufen, verteilt sich dieser erhöhte innere Widerstand auf beide Teilleiter, da beide Teilleiter mit einer inneren Strecke mit erhöhtem Widerstand versehen sind. Hierdurch kann auf einfache Weise eine gleichmäßige Stromverteilung auf beide Teilleiter erfolgen. Eine Strombahn ist eine Bahn entlang eines Spannungsgradienten bei Anlegen einer betriebsgemäßen Spannung an den Leiter.

Die Erfindung kennzeichnet zudem das Merkmal, dass die Durchkreuzung in Axialrichtung umeinander gedrehte Verbindungsleiterpaare zwischen inneren und äußeren Abschnitten aufweist. Dadurch kann auf die blind endenden Abschnitte - bis auf kleine Isolierabstände zwischen den Verbindungsleitern - verzichtet werden und ein großer durchgehender Leitungsquerschnitt erreicht werden.

Eine gleichmäßige Aufteilung des durch beide Teilleiter fließenden Gesamtstroms kann besonders einfach erfolgen, wenn die beiden Teilleiter konzentrisch angeordnet sind. Eine radiale Stromverdrängung durch den Skin-Effekt kann in radialer Richtung gleichmäßig auf beide Teilleiter verteilt werden.

Vorteilhafterweise sind die beiden Teilleiter über eine axiale Strecke ineinander geführt, und die Durchkreuzung ist in der Mitte der axialen Strecke angeordnet. Auf diese Weise kann der innere Widerstand der beiden Teilleiter besonders zuverlässig und unabhängig von Betriebsbedingungen symmetrisch und somit gleichmäßig verteilt werden. Es ist hierbei ausreichend, wenn ein Bereich der Durchkreuzung in der Mitte der axialen Strecke angeordnet ist. Zweckmäßigerweise ist die Durchkreuzung außerhalb des Trafogehäuses angeordnet.

Eine Durchkreuzung der Teilleiter kann mit einer Verringerung des Leitungsquerschnitts der Teilleiter verbunden sein und damit mit einem erhöhten Widerstand und einer erhöhten Wärmeentwicklung. Um einer an dieser Stelle auftretenden gegenüber der Umgebung erhöhten Wärmeentwicklung entgegenzuwirken und die erzeugte Wärme effektiv in die Umgebung zu verteilen, ist es vorteilhaft, wenn die Durchkreuzung zur Umspülung mit Kühlöl vorgesehen ist. Das Kühlöl ist zweckmäßigerweise Trafoöl.

Eine Durchkreuzung kann durch eine Anordnung von Verbindungsleitern hergestellt werden, die einen inneren Abschnitt mit einem äußeren Abschnitt eines Teilleiters miteinander verbinden. Diese Verbindungsleiter können in Radialrichtung weisen oder schräg zur Axialrichtung X-förmig geführt sein. Eine einfache Herstellung einer mechanisch stabilen und kompakten Durchkreuzung kann erreicht werden, wenn die Durchkreuzung S-förmig geschwungene Verbindungsleiter zwischen einem inneren und einem äußeren Abschnitt aufweist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein axialer Abstand zwischen inneren Abschnitten der Teilleiter kleiner als ein axialer Abstand zwischen äußeren Abschnitten der Teilleiter. Es kann eine Durchkreuzung auf engem Raum hergestellt werden, so dass Leiterstrecken mit geringem Leitungsquerschnitt kurz und der Widerstand klein gehalten werden kann.

Bei der Durchkreuzung wird ein Teileiter durch den anderen hindurchgeführt. Dies kann in der Herstellung besonders einfach ausgeführt werden, wenn ein Teilleiter tangentiale Abschnitte aufweist, die blind enden und an denen Verbindungsleiter des anderen Teilleiters hindurchgeführt werden können. Um bei einer solchen Durchkreuzung eine möglichst geringe Stromverdrängung in den Verbindungsleitern zu erzielen, ist es vorteilhaft, wenn in Axialrichtung umeinander gedrehte Verbindungsleiterpaare maximal dreimal so breit sind wie eine radiale Rohrwanddicke der Teilleiter. Zusätzlich sind solche Verbindungsleiter leichter zu fertigen als breitere Verbindungsleiter. Zum Ausgleich einer Stromverdrängung im Verbindungsleiter kann dieser in seinem mittleren Bereich dicker ausgeführt sein als an seinen axialen Enden.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.

Es zeigen:

FIG 1

einen Anschluss einer gekapselten Generatorableitung an einen Kraftwerkstrafo mit einer Hochstrom-Trafodurchführung,

FIG 2

die Hochstrom-Trafodurchführung aus FIG 1 in einer Schnittdarstellung,

FIG 3

einen ersten Querschnitt durch einen Leiter der Hochstrom-Trafodurchführung,

FIG 4

einen weiteren Querschnitt durch den Leiter,

FIG 5

einen anderen Leiter mit einer Durchkreuzung von zwei Teilleitern in einer perspektivischen Ansicht und

FIG 6

eine Durchkreuzung mit in Axialrichtung umeinander gedrehten Verbindungsleiterpaaren.

FIG 1 zeigt eine Generatorableitung 2, die eine von drei Phasen einer Drehstromableitung eines Kraftwerksgenerators ist. Die Drehstromableitung dient zur Weiterleitung des vom Kraftwerksgenerator abgegebenen Drehstroms an einen in FIG 1 nur angedeuteten Kraftwerkstrafo 4. Der Kraftwerksgenerator hat eine Leistung von 900 MW und die Generatorableitung 2 und der Kraftwerkstrafo 4 sind dementsprechend ausgelegt. Die Generatorableitung 2 umfasst einen rohrförmigen Leiter 6 aus Reinaluminium mit einem Durchmesser von 0,92 m und einer Wandstärke von 20 mm, der zur Kapselung von einem Hüllrohr 8 umgeben ist. Der Leiter 6 endet an einem Flansch 10, der über flexible Kupferbänder 12 elektrisch mit einer Trafoklemme 14 verbunden ist. Die Trafoklemme 14 ist über einen Flanschkontakt 16 mit einer Hochstrom-Trafodurchführung 18 verbunden, die mit einem Flanschanschluss 20 eines Trafokesselgehäuses 22 des Kraftwerkstrafos 4 verbunden und durch diesen und das Trafokesselgehäuse 22 hindurchgeführt ist. Das Hüllrohr 8 umfasst ein flexibles Ausgleichsstück 24, das, wie die Kupferbänder 12, zum Ausgleich von Schwingungen zwischen dem Kraftwerkstrafo 4 und der Generatorableitung 2 vorgesehen ist.

In FIG 2 ist die Hochstrom-Trafodurchführung 18 in einem Längsschnitt dargestellt. Sie umfasst einen äußeren Isolator 26, der als Porzellanröhre mit Rippen 28 zum Überschlagsschutz ausgestaltet ist, und einen elektrischen Leiter 30 von dem auf Erdpotential gelegenen Flanschanschluss 20 der Kesseldecke trennt. Der Leiter 30 beginnt oben am Flanschkontakt 16 und endet innerhalb des Trafokesselgehäuses 22 an einem als Doppelleiterflansch ausgeführten stromtragenden Befestigungsmittel 32 zur mittelbaren Befestigung am Kraftwerkstrafo 4. Der Doppelleiterflansch ist durch eine Schraubverbindung mit einer Stromschiene 34 einer Schaltleitung verbunden ist, die den Leiter 30 elektrisch mit einer Unterspannungswicklung des Kraftwerkstrafos 4 verbindet. Eine untere Isolierplatte 36 dichtet einen mit Trafoöl gefüllten Ölraum 38 gegen das Trafoinnere ab, wobei der Ölraum 38 den größten Teil des Inneren des Isolators 26 ausfüllt und den größten Teil des Leiters 30 umgibt und durch eine Dichtung 40 nach außen abgedichtet ist.

Der Leiter 30 umfasst zwei ineinander geführte rohrförmige Teilleiter 42, 44 aus Kupfer, von denen der Teilleiter 42 einen äußeren Abschnitt 46 und einen inneren Abschnitt 48 und der Teilleiter 44 einen inneren Abschnitt 50 und einen äußeren Abschnitt 52 aufweist. Die Abschnitte 46 und 50 und die Abschnitte 48 und 52 sind rohrförmig und jeweils konzentrisch um eine Mittelachse 54 ineinander angeordnet. Die äußeren Abschnitte 46, 52 weisen einen Durchmesser von 340 mm und die inneren Abschnitte 48, 50 einen Durchmesser von 280 mm auf, wobei die Abschnitte 46, 48, 50, 52 mit einer Wandstärke von 16 mm und einem radialen Abstand zwischen sich von 14 mm ausgeführt sind. In ihrem Inneren sind die Abschnitte 46, 48, 50, 52 vollständig von dem als Kühlöl dienenden Trafoöl im Ölraum 38 umgeben und von ihrer radialen Außenseite sind die Abschnitte 48, 50 vollständig und die Abschnitte 46, 52 weitgehend vollständig vom Trafoöl umgeben. Um eine Zirkulation des Trafoöls zu erlauben, sind in die Abschnitte 46, 48, 50, 52 jeweils mehrere Öffnungen 56 eingebracht.

Das Trafoöl umspült auch eine radiale Durchkreuzung 58 der Teilleiter 42, 44, die den äußeren Abschnitt 46 mit dem inneren Abschnitt 48 des Teilleiters 42 und den inneren Abschnitt 50 mit dem äußeren Abschnitt 52 des Teilleiters 44 elektrisch verbindet. Die Durchkreuzung 58 ist in der Mitte einer axialen Strecke 60 zwischen dem Flanschkontakt 16 und dem Flansch des Befestigungsmittels 32 angeordnet, so dass die inneren Abschnitte 48, 50 und die äußeren Abschnitte 46, 52 in ihren Abmessungen zumindest im Wesentlichen gleich ausgeführt sind.

Die Durchkreuzung 58 ist in den FIGen 3 und 4 in verschiedenen Querschnitten gezeigt. Vier Verbindungsleiter 62 verbinden den äußeren Abschnitt 46 mit dem inneren Abschnitt 48 und vier Verbindungsleiter 64 verbinden den inneren Abschnitt 50 mit dem äußeren Abschnitt 52, so dass eine Strombahn entlang des Leiters 30 stets durch einen äußeren Abschnitt 46, 52, einen Verbindungsleiter 62, 64 und einen inneren Abschnitt 48, 50 verläuft. Zwischen den Verbindungsleitern 62, 64 ist stets ein kleiner tangentialer Abstand 66, der einen Kurzschluss der Teilleiter 42, 44 verhindert. Die Verbindungsleiter 62, 64 sind mit einem oberen und unteren in Axialrichtung geführten Segment 68, 70 versehen zur Verbindung mit jeweils einem der Abschnitte 46, 48, 50, 52 und mit einem in Radialrichtung ausgerichteten Zwischensegment 72 zur Verbindung der Segmente 68, 70. Die Verbindungsleiter 62, 64 sind an die Abschnitte 46, 48, 50, 52 jeweils angeschweißt.

Durch die in den FIGen 2 bis 4 dargestellte Anordnung des Leiters 30 sind die durch den Skin-Effekt hervorgerufenen inneren Widerstände bzw. Wechselstromwiderstände der äußeren Abschnitte 46, 52 gleich und der inneren Abschnitte 48, 50 gleich. Durch das gleiche Material und die gleichen geometrischen Abmessungen jeweils der äußeren Abschnitte 46, 52 und der inneren Abschnitte 48, 50 sind auch die ohmschen Widerstände der jeweils gleichen Abschnitte 46, 48, 50, 52 sowie der Verbindungsleiter 62, 64 gleich. Da jeder der Teilleiter 42, 44 einen äußeren Abschnitt 46, 52 und einen inneren Abschnitt 48, 50 und vier Verbindungsleiter 62, 64 aufweist, sind auch die Gesamtwiderstände der Teilleiter 42, 44 gleich und sie werden im Betrieb der Hochstrom-Trafodurchführung 18 von Strom mit gleicher Stromstärke durchflossen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Leiters 74 für eine Hochstrom-Trafodurchführung ist in FIG 5 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel in den FIGen 1 bis 4, auf das bezüglich gleichbleibender Merkmale und Funktionen verwiesen wird. Im Wesentlichen gleichbleibende Bauteile sind grundsätzlich mit den gleichen Bezugszeichen beziffert. Der Leiter 74 ist analog zum Leiter 30 aufgebaut. Die Abschnitte 46 und 48 sowie die Abschnitte 50 und 52, von denen in FIG 5 jedoch nur die äußeren Abschnitte 46, 52 sichtbar sind, sind durch Verbindungsleiter 76, 78 miteinander verbunden, die jeweils diagonal geführt sind und zusammen eine X-förmige Durchkreuzung 80 bilden. Diese Ausführungsform ist besonders einfach in der Herstellung. Alternativ sind jedoch auch andersförmige Durchkreuzungen denkbar, etwa durch S-förmige oder allgemeiner: geschwungene Verbindungsleiter.

Während das in FIG 5 gezeigte Ausführungsbeispiel einfach in der Herstellung ist, erlaubt das Ausführungsbeispiel aus den FIGen 2-4 einen in Axialrichtung kompakten Aufbau der Durchkreuzung 58, der es erlaubt, dass ein axialer Abstand 82 zwischen inneren Abschnitten 48, 50 der Teilleiter 42, 44 kleiner ist als ein axialer Abstand 84 zwischen äußeren Abschnitten 46, 52 der Teilleiter 42, 44. Der Abstand 82 zwischen den inneren Abschnitten 48, 50 beträgt nur 70 mm und der Abstand 84 zwischen den äußeren Abschnitten 46, 52 beträgt 100 mm.

Bei den in den FIG 1 bis 5 gezeigten Leitern 30, 74 enden die äußeren Abschnitte 46, 52 zur Durchkreuzung 58, 80 hin über mehr als die Hälfte ihres Leitungsquerschnitts blind. Der Leitungsquerschnitt der jeweils vier Verbindungsleiter 62, 64, 76, 78 beträgt nur etwa 40% des Leitungsquerschnitts der Abschnitte 46, 48, 50, 52. Hierdurch tritt in den Verbindungsleitern 62, 64, 76, 78 eine etwas höhere Stromdichte verbunden mit einer etwas höheren Wärmeentwicklung auf als in den Abschnitten 46, 48, 50, 52. Durch die geringen Leitungsstrecken der Verbindungsleiter 62, 64, 76, 78 kann diese Mehrwärme jedoch durch das Ölbad mit Trafoöl abgeführt werden, das die Verbindungsleiter 62, 64, 76, 78 umgibt. Hierzu ist die durch die Öffnungen 56 begünstigte Konvektion des Trafoöls vorteilhaft.

Ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Erzeugung von Mehrwärme durch einen geringen Leitungsquerschnitt der Verbindungsleiter 62, 64, 76, 78 gering gehalten ist, ist in FIG 6 in einer schematischen Seitenansicht gezeigt. Ein Leiter 86 mit Abschnitten 46, 48, 50, 52, von denen in FIG 6 nur die äußeren Abschnitte 46, 52 sichtbar sind, umfasst eine Durchkreuzung 88 mit Verbindungsleitern 90, 92, die in Axialrichtung des Leiters 86 umeinander gedreht sind. Der Übersichtlichkeit halber sind nur zwei jeweils paarweise umeinander gedrehte Paare von Verbindungsleitern 90, 92 dargestellt. Zwischen den Verbindungsleitern 90, 92 verbleibt auch in der Verdrehung stets der gleiche Abstand wie zwischen den Abschnitten 46 und 50 sowie 48 und 52. Um die Herstellung der Verbindungsleiter 90, 92 nicht zu schwierig zu gestalten und um eine Stromverdrängung in den Verbindungsleitern 90, 92 möglichst gering zu halten, sind die Verbindungsleiter 90, 92 maximal dreimal so breit sind wie eine radiale Rohrwanddicke von 16 mm der Abschnitte 46, 48, 50, 52.