Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Stromleiter nach dem einleitenden Teil von Patentanspruch 1. Die Erfindung betrifft auch eine Hochstromdurchführung mit einem solchen Stromleiter und ein Verfahren zur Herstellung dieser Hochstromdurchführung.
Hochstromdurchführungen werden in Kraftwerkstransformatoren eingesetzt und befinden sich im Strompfad zwischen dem Generator und den Primärwicklungen des Transformators in einer im allgemeinen gekapselt ausgebildeten Generatorableitung, die bei vergleichsweise geringen Nennspannungen von bis zu 52 kV mit Nennströmen bis zu 40 kA belastet werden. Wegen der geringen dielektrischen und der hohen thermischen Belastung weisen Hochstromdurchführungen einen relativ kurzen Stromleiter mit einem grossen Durchmesser auf. Daher wird im Stromleiter der Durchführung infolge von Stromverlusten erzeugte Wärme rasch an seine beiden, jeweils als Stromanschluss ausgebildeten, Enden geführt. Ein erster der beiden Stromanschlüsse befindet sich im Öl des Transformators und ist mit dessen Primärwicklung verbunden. Er weist - wie von den Transformatorherstellern vorgeschrieben - zwei zueinander parallel ausgerichtete Kontaktflächen auf. Der zweite Stromanschluss befindet sich im allgemeinen in der mit Luft gefüllten Kapselung der Generatorableitung und ist mit einem stromführenden Leiter der Ableitung verbunden.
Die Nennstrombelastbarkeit der Hochstromdurchführungen ist ganz wesentlich durch die an den Stromanschlüssen auftretenden vergleichsweise hohen Temperaturen und die zulässige Temperatur des in der Durchführung eingesetzten Isoliermaterials bestimmt.
Ein Stromleiter der eingangs genannten Art ist beschrieben in
Ein Stromleiter für eine Transformatordurchführung vom Typ GOH ist in der von ABB Power Technologies AB Components, 77180 Ludvika/Schweden, herausgegebenen technischen Anleitung 1ZSE 2750-107 de, Rev 1, 2000-04-15 beschrieben. Dieser Stromleiter enthält einen steifen Aluminiumbolzen, in dessen in das Öl des Transformators geführtes erstes Ende ein Stromanschluss mit zwei zueinander parallel ausgerichtete Kontaktflächen sowie Kühlelemente eingefräst sind. Das an Luft geführte zweite Ende des Bolzens ist mit vier gebohrten Flachanschlüssen ausgestattet, die mit dem Bolzen verschweisst sind.
Ein Stromleiter für eine in Transformatoren einsetzbare Hochstromdurchführung das Typs RTXF ist in einer von Micafil AG, Zürich/Schweiz, herausgegebenen Firmenschrift D 4317 beschrieben. Dieser Stromleiter ist rohrförmig ausgebildet und enthält an beiden Enden des Rohrs angeordnete, plattenförmige Stromanschlüsse, die auf zwei die beiden Enden des Rohrs abschliessenden Stirnplatten gehalten sind.
Die beiden letztgenannten Stromleiter enthalten mehrere durch Schweissen oder Löten miteinander verbundene stromleitende Teile. Daher befinden sich in einem zwischen den beiden Stromanschlüssen erstreckten Strompfad Fügestellen, welche den elektrischen Widerstand im Strompfad erhöhen und so zu einer Vergrösserung der elektrischen Verluste beitragen.
Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromleiter der eingangs genannten Art und eine Hochstromdurchführung mit einem solchen Stromleiter anzugeben, welche sich bei kompakter Bauweise durch geringe elektrische Verluste auszeichnen.
Beim Stromleiter nach der Erfindung ist ein erster Stromanschluss hohl ausgebildet und weist quer zur Achse ovales Profil mit zwei die beiden Kontaktflächen bildenden Längsseiten auf, ist zwischen dem ersten Stromanschluss und einem ersten Ende eines Leiterstücks ein hohler Stromleiterabschnitt angeordnet, der den ersten Stromanschluss mit dem Leiterstück verbindet und einen fliessenden Übergang von zwei Kontaktflächen des ersten Stromanschlusses auf eine zylindrische Mantelfläche des Leiterstücks bildet.
Beim Stromleiter nach der Erfindung werden wegen des ovalen Profils des ersten Stromanschlusses und des fliessenden Übergangs von seinen beiden parallel zueinander ausgerichteten Kontaktflächen auf die zylindrische Mantelfläche des hohlen Leiterstücks zum einen die elektrischen Verluste im Strompfad reduziert und wird so zum anderen eine übermässig hohe lokale Erwärmung des Stromleiters vermieden. Das ovale Profil des ersten Stromanschlusses enthält zwei Bogenstücke, welche die beiden Kontaktflächen miteinander verbinden. Diese Bogenstücke sorgen dafür, dass der erste Stromanschluss eine hohe mechanische Festigkeit aufweist und sich zudem durch eine relativ grosse Oberfläche auszeichnet, welche infolge der elektrischen Verluste im Stromleiter entstehende Wärme rasch nach aussen abgibt. Da der der Stromleiter lediglich ein einziges stromleitendes Teil umfasst, kann er ohne aufwendige Verbindungstechniken unmittelbar aus einem geeigneten Metall oder einer geeigneten Legierung, etwa auf der Basis von Aluminium, gefertigt werden. Ein bei Betrieb des Stromleiters zwischen den beiden Stromanschlüssen erstreckter Strompfad weist wegen fehlender Fügestellen geringe elektrische Verluste auf. Da beide Stromanschlüsse jeweils fugenlos in den Strompfad integriert sind, wird auch dann eine gleichmässige Verteilung des Stroms im Stromleiter erreicht, wenn die Stromzuführungen unsymmetrisch oder unvollständig mit Anschlussleitern verbunden sind.
Um den bei Betrieb im Stromleiter fliessenden Nennstrom zu erhöhen, ist es vorteilhaft, im Inneren des hohlen Stromleiterabschnitts ein erstes Kühlsystem anzuordnen. Eine fertigungstechnisch vorteilhafte Integration dieses Kühlsystems in den Stromleiter wird mit axial ausgerichteten Kühlelementen erreicht, die an einem radial erstreckten Wandabschluss des hohlen Stromleiterabschnitts angeordnet sind. Zugleich sind die vorzugsweise als Nadeln oder Rippen ausgebildeten Kühlelemente sind durch die umgebende Wand des hohlen Stromleiterabschnitts vor mechanischer Beschädigung geschützt.
Der Austausch von erwärmtem Kühlmittel, wie insbesondere Transformatoröl, welches sich im hohlen Stromleiterabschnitt befindet und dem ersten Kühlsystem und dem Stromanschluss Wärme entzieht, wird verbessert, wenn in eine den hohlen Stromleiterabschnitt radial nach aussen begrenzende Wand Öffnungen eingeformt sind.
Ist in den hohlen Stromleiterabschnitt ein radial nach aussen erstreckter Tragring mit axial ausgerichteten Zapfen eingeformt, so wird die Fertigung einer den Stromleiter verwendenden Hochstromdurchführung erheblich vereinfacht.
Eine höhere Nennstrombelastbarkeit des Stromleiters nach der Erfindung wird erreicht, wenn das Leiterstück als Hohlzylinder ausgebildet ist, wenn der zweite Stromanschluss in einen rohrförmigen Fortsatz des Hohlzylinders eingeformt ist, und wenn der Hohlzylinder und der Rohrfortsatz durch eine radial geführte Verschlussplatte voneinander getrennt sind. Da der Nennstrom in einem hohlen, weitgehend geradlinigen verlaufenden Strompfad geführt ist, der weder Fügestellen noch Kanten aufweist, werden die elektrischen Verluste bei Betrieb des Stromleiters besonders stark reduziert. Wird im Inneren des Rohrfortsatzes ein zweites Kühlsystem angeordnet, welches an der Trennwand angeordnete, axial ausgerichtete Kühlelemente aufweist, so kann der Nennstrom wegen der vergrösserten Kühlleistung noch weiter erhöht werden.
Der Stromleiter nach der Erfindung und mindestens eine der vorgenannten, gegebenenfalls in den Stromleiter integrierten Vorrichtungen, wie das erste oder zweite Kühlsystem oder der von aussen zugängliche Tragring, können als Gusskörper ausgeführt sein. Es werden dann in besonders einfacher Weise die unerwünschten Fügestellen vermieden und durch Integration einer oder mehrerer der zusätzlichen Vorrichtungen Funktionen erreicht, die die Kühlung des Stromleiters und die Fertigung einer den Stromleiter enthaltenden Hochstromdurchführung begünstigen.
Eine Hochstromdurchführung mit einem Stromleiter nach der Erfindung weist einen der Lagerung vorgespannter Druckfedern dienenden und am Stromleiter gehaltenen ersten Tragring auf. Der Stromleiter ist in koaxialer Anordnung von einem auf den vorgespannten Druckfedern abgestützten, hohlzylindrischen Feldsteuerkörper, einem auf dem Feldsteuerkörper abgestützten Montageflansch, einem auf dem Montageflansch abgestützten Isolator und einem den Isolator abstützenden und kraftschlüssig mit dem Stromleiter verbundenen zweiten Tragring umgeben. Der erste Tragring ist hierbei in den hohlen Stromleiterabschnitt eingeformt und weist axial ausgerichteten Zapfen zur Führung der Druckfedern auf.
Eine solche Hochstromdurchführung zeichnet sich durch geringe elektrische Verluste und eine dementsprechend hohe Nennstrombelastbarkeit aus. Sie kann zudem in einem für eine Massenfertigung geeigneten Verfahren hergestellt werden. Bei diesem Herstellungsverfahren werden die Druckfedern auf die axial ausgerichteten Zapfen aufgesteckt und wird ein Stützring von oben auf den Stromleiter aufgeschoben und auf nach oben freien Enden der Druckfedern gelagert. Sodann werden auf den Stromleiter Dichtungsringe, der Feldsteuerkörper, der Montageflansch, der Isolator und der zweite Tragring aufgeschoben. Ein so gebildeter Stapel wird mit einer am zweiten Tragring angreifenden Kraft vorgespannt und der zweite Tragring wird schliesslich unter Aufrechterhaltung der Vorspannkraft mit dem Stromleiter kraftschlüssig verbunden.
Anhand von Zeichnungen werden nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigt:
Die in
Der Feldsteuerkörper F ist wie aus dem Stand der Technik bekannt als Stützisolator ausgeführt und weist einen mit einem gehärteten duromeren Polymer verfestigten, das elektrische Feld der Durchführung kapazitiv steuernden Wickelkörper auf, der eine Isolierfolie und in die Folie eingelagerte, voneinander elektrisch isolierten flächenhafte Metallbeläge enthält. Der Feldsteuerkörper F sitzt mit seinem unteren Ende auf einem Stützring SR auf, der seinerseits auf einem am unteren Teil des Stromleiters gehaltenen Kranz von vorgespannten Druckfedern D federnd gehalten ist. In die Mantelfläche des Feldsteuerkörpers ist eine aus der Figur nicht ersichtliche Schulter eingeformt, auf der ein Montageflansch M mit einer unteren Stirnfläche aufsitzt. Auf der oberen Stirnfläche des Montageflanschs M sitzt eine untere Stirnfläche des mit einer Beschirmung versehenen Isolators I auf. Auf der oberen Stirnfläche des Isolators I sitzt ein Tragring T auf, der mit Hilfe eines nicht dargestellten - etwa als Sprengring ausgeführten - Befestigungselements im oberen Teil des Stromleiters S festgesetzt ist. Ein aus der Figur nicht ersichtlicher, vom Stromleiter S nach innen, dem Tragring T nach oben, dem Stützring SR und dem Montageflansch M nach unten und dem Feldsteuerkörper F und dem Isolator I nach aussen begrenzter, ringförmiger Hohlraum ist mit nicht bezeichneten Dichtungen abgeschlossen und mit einer isolierenden Vergussmasse gefüllt.
Die Durchführung kann in beliebiger Einbaulage in eine Öffnung eines Transformatorgehäuses eingesetzt und mit dem Montageflansch M luft- und öldicht am Gehäuse befestigt werden. Das untere Ende des Stromleiters S ist als Stromanschluss 10 ausgebildet und wird bei der Montage der Durchführung mit Hilfe von Verbindungsschrauben, die in Bohrungen 12 des Stromanschlusses 10 geführt sind, mit einer Primärwicklung des Transformators elektrisch leitend verbunden. Der Stromanschluss 10 befindet sich während des Betriebs der Durchführung im Inneren des mit Isolieröl gefüllten Transformators. Das obere Ende des Stromleiters S ist als Stromanschluss 20 ausgebildet und wird bei der Montage der Durchführung ebenfalls mit Hilfe von Schrauben, die in Bohrungen 22 geführt sind, mit einem im allgemeinen in einer geerdeten, luftgefüllten Metallkapselung angeordneten Phasenleiter einer Generatorableitung elektrisch leitend verbunden. Die Durchführung ist so ausgelegt, dass sie im Betrieb mit Nennströmen bis zu 40 kA und mit Nennspannungen bis zu 52 kV belastet werden kann.
Der Stromleiter S wird von einem elektrisch leitenden Gusskörper, der typischerweise aus einer giessbaren Aluminiumlegierung besteht, gebildet. Dieser Gusskörper weist neben den beiden Stromanschlüssen 10 und 20 ein als Hohlzylinder 30 ausgebildetes, längs der Achse A erstrecktes Leiterstück mit einer zylindrischen Mantelfläche auf. Der Stromanschluss 10 weist zwei zueinander parallel ausgerichtete Kontaktflächen 11, 11' auf (aus
Wegen seiner Ausbildung als Gusskörper weist der Stromleiter 1 in einem zwischen den beiden Stromanschlüssen 10, 20 erstreckten Strompfad keine Fügestelle auf. Eine Fügestelle entsteht sonst beim Fertigen des Stromleiters aus zwei oder mehr Bauteilen. Hierbei werden die beiden Bauteile unter Bildung einer Fuge an Fügeflächen zusammengeführt und danach durch Auffüllen der Fuge, etwa mit Metall beim Schweissen oder Löten, stoffschlüssig miteinander verbunden. Beim Betrieb der Durchführung auftretende elektrische Verluste und eine damit verbundene Erwärmung der Durchführung sind daher kleiner als bei einer vergleichbar dimensionierten und vergleichbar belasteten Durchführung nach dem Stand der Technik, die einen Stromleiter mit mindestens einer Fugestelle aufweist. Wegen des ovalen Profils des Stromanschlusses 10 und des fliessenden, frei von Kanten und abrupten Richtungsänderungen, die beim Stand der Technik typischerweise 90° betragen, gehaltenen Übergangs von den beiden parallel zueinander ausgerichteten Kontaktflächen 11, 11' auf die zylindrische Mantelfläche des hohlen Leiterstücks 30 werden die elektrischen Verluste im Strompfad zusätzlich reduziert und an sonst vorhandenen Unstetigkeitsstellen lokale Erwärmung aufgrund erhöhter Verlustleistung weitgehend vermieden.
Das ovale Profil des Stromanschlusses 10 weist zwei aus
Der im Transformatoröl angeordnete, hohle Stromleiterabschnitt 40 nimmt ein Kühlsystem 50 auf. Dieses Kühlsystem ist in einen radial erstreckten Wandabschluss 41 des hohlen Stromleiterabschnitts 40 integriert und weist als Nadeln oder Rippen ausgebildete Kühlelemente 51 auf. Der hohle Stromleiterabschnitt 40 ist radial nach aussen durch eine Wand begrenzt, in die Öffnungen 42 eingeformt sind. Die Öffnungen 42 sorgen dafür, dass Transformatoröl, welches am Kühlsystem 50 durch Aufnahme von Verlustwärme erwärmt wurde, aus dem Inneren des Abschnitts 40 und des Stromanschlusses 10 radial nach aussen strömt und durch axial zuströmendes kühles Öl rasch ersetzt werden kann.
In den hohlen Stromleiterabschnitt 40 ist ein von aussen zugänglicher Tragring 60 mit axial ausgerichteten Zapfen 61 eingeformt. Auf diesen Zapfen sind die die Vorspannung erzeugenden Druckfedern D in axialer Richtung verschiebbar gelagert.
Der aus den
Zur Fertigung des Stromleiters S wird ein an einer Stange gehaltener und die Innenkonturen des Rohrfortsatzes 31, des Hohlzylinders 30 und des Wandabschlusses 41 bestimmender Giesskern in einer zweiteiligen Giessform angeordnet. Die Giessform bestimmt hierbei die Aussenkonturen des Rohrfortsatzes 31 resp. des Stromanschlusses 20 und des Hohlzylinders 30 sowie die innere und äusseren Konturen des hohlen Stromanschlusses 10 und des hohlen Stromleiterabschnitts 40, einschliesslich des die Lagerzapfen 61 enthaltenden Tragrings 60 und des Kühlsystems 50. Die geschlossene Giessform wird mit einer Schmelze einer Aluminiumlegierung gefüllt und nach Abkühlen und Entformen der als Gusskörper ausgeführte Stromleiter S erhalten. Wegen der den Giesskern haltenden Stange weist der Gusskörper eine zentral im Wandabschluss 41 angeordnete Öffnung auf, die durch einen axial nach unten erstreckten Rohrstutzen 43 begrenzt ist. Um das Eindringen vom Öl ins Innere des Hohlzylinders 30 zu verhindern ist der Rohrstutzen mit einer senkrecht zur Achse A geführten Platte 44 verschlossen. In entsprechender Weise wird das Eindringen von Luft in den durch den Hohlzylinder 30 begrenzten Hohlraum des Stromleiters S durch die senkrecht zur Achse A geführte Wand 32 verhindert.
Um bestimmte an den Stromleiter gestellte Spezifikationen zu erfüllen, wird der Gusskörper gegebenenfalls spanabhebend nachbearbeitet. Typischerweise werden die Kontaktflächen 11, 11', 21 durch Fräsen eingeformt und werden die zur Führung der Verbindungsschrauben vorgesehenen Öffnungen sowie die Öffnungen 42 durch Bohren gebildet.
Bei der Fertigung der Hochspannungsdurchführung werden zunächst die Druckfedern D auf die axial ausgerichtete Zapfen 61 aufgesteckt und wird der Stützring SR von oben auf den Stromleiter S aufgeschoben und auf nach oben freien Enden der Druckfedern gelagert. Nachfolgend werden auf den Stromleiter S Dichtungsringe, der Feldsteuerkörper F, der Montageflansch M, der Isolator I und der Tragring T aufgeschoben. Ein so gebildeter Stapel wird mit einer am Tragring T angreifenden Kraft unter Bildung von Vorspannkraft zusammengepresst und der Tragring T unter Aufrechterhaltung der Vorspannkraft mit Hilfe des Befestigungselements kraftschlüssig am Stromleiter S festgesetzt.
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