Elektrischer Apparat. Die vorliegende Erfindung bezieht sieh auf einen elektrischen Apparat mit einem in einem dichten Gehäuse angeordneten und da gegen isolierten elektrischen Leiter.
Es ist in der Elektroindustrie bekannt, in geschlossenen elektrischen Apparaten ein flüs siges Dielektrikum anzuwenden, in dein die darin betriebenen elektrischen Elemente untergetaucht sind, und zwar zur Kühlung der elektrischen Elemente und zur elektri schen Isolation der Elemente gegeneinander, als auch von dem Gehäuse, in dem dieselben untergebracht. sind.
Es haben sieh jedoch da bei gewisse Nachteile gezeigt, die bei der Iler- s -tellung <B>-</B> und beim Gebrauch solcher durch ein flüssiges Dielektrikum isolierten Apparate entstehen. Ein Nachteil ist die Notwendigkeit, grosse Mengen des flüssigen Dielektrikums verwenden zit müssen, beispielsweise Öl,
chlo riertes Diphenyl oder dergleichen. Transfor inatoren erfordern etwa 1,900 Liter des flüs sigen Dielektrikums für 1,000<B>kV A</B> Leistime:. Die flüssigen Dielektrika erfordern fiberwa- ehung und Wartung, da dieselben durch die Reaktionen mit in den Transformator eindrin gender Feuchtigkeit oder Luft verunreinigt und geschädigt werden und dabei eine Ver- schlechterung ihrer Isolationswerte erleiden.
Ein elektrischer Lichtbogen, der sich inner halb eines mit einem flüssigen Dielektrikum gefüllten Apparates ausbildet, führt entweder zu einer Explosion oder zu Bränden, wenn das flüssige Dielektrikum ein Mineralöl ist, während andernfalls korrosive und schädi gende Halogendämpfe entstehen, falls ein chloriertes Flüssigkeitsdielektrikum verwandt ist, mindestens aber zu einer Korrosion des Innern des Apparates.
Eine neuere Entwicklung elektrischer Ap parate sind die sogenannten Trockentypen, gasgefüllte oder luftgekühlte Transforma toren, welche verschiedene Nachteile vermei den, die beim Gebrauell flüssiger Dielektrika entstehen. Immerhin besitzt. auch der gas gefüllte Transformator eine Anzahl beson derer Nachteile, beispielsweise die Notwen digkeit, in den Wicklungen entsprechende Mittel zur Eindringungs. und Durchfluss- möglichkeit der Luft oder des andern Gases vorzusehen, um eine genügende Kühlung der elektrischen Elemente zu gewährleisten.
Da bei sind feste Isolierzwischenlagen zwischen den Wicklungen und geerdeten Teilen nur beschränkt anwendbar, wegen der Notwendig keit, Luftleitungen hinter den Wieklungen anzuordnen; beim Fehlen solch fester Isolier- zwisehenlagen begrenzt aber die h\berschlags- oder Durchschlagsspannung zwischen den Wieklungen und den geerdeten Teilen die anwendbaren Spannungen.
Der Kern und die Spule eines gasgefüllten Transformators sind für eine bestimmte Nennleistung grösser als in einem flüssigketsgekühlten Transformator. Der Trockentransformator stellt auch be trächtlich grössere Fertigungsprobleme als der flüssigkeitsgekühlte Transformator. Dies be- dingt eine bedeutend sorfältigere, konstruk tive Vorarbeit. So müssen die festen Isolatio nen in den Wieklungen viel schwerer aus geführt werden als bei einem mit flüssigem Dielektrikum gefüllten Apparat.
Luftgefüllte Transformatoren haben eine sehr gerinne Überlastungskäpazität, was ihre Fähigkeit zum Betrieb oberhalb ihrer Nennwertska.pa- zität begrenzt. und ihre Zuverlässigkeit beein trächtigt, im Gegensatz zu einem mit einem flüssigen Dielektrikum gefüllten Apparat.
Der elektrische Apparat gemäss der vor liegenden Erfindung kennzeichnet sieh da durch, dass Mittel angeordnet sind zur Ver teilung einer dünnen Schicht eines flüssigen, Fluor und Kohlenstoff enthaltenden Dielek- i.rikums über den elektrischen Leiter, so dass die Kühlung des Leiters hauptsächlich durch Verdampfung des zugeführten, flüssigen Dielektrikums bewirkt wird, und die Dämpfe des Dielektrikums zur Isolation des Leiters dienen.
Ein vorzugsweises Ausführungsbeispiel ist. im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeich nung erläutert.
Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Transformator gemäss der Erfindung.
Fis. ? ist eine graphische Darstellung der Durchschlagsspannung in Kilovolt (Ordinate) in Abhängigkeit des Druckes gewisser Gase in Zentimeter-Quecksilbersäule (Abszisse).
Fis. 3 ist eine graphische Darstellung der Stossspannungfestigkeit von Dielektrika in Kilovolt in Abhängigkeit des Gasdruckes in Zentimeter-Quecksilbersäule.
Ein geschlossener elektrischer Apparat, gemäss der vorliegenden Erfindung, besitzt. in vielen Hinsichten die Vorzüge der mit einem flüssigen Dielektrikum gefüllten Bauart und ebenso die Vorzüge der gasgefüllten Bauart elektrischer Geräte, während er nur wenige Nachteile jedes dieser Apparatetypen auf- weist, und enthält darüber hinaus verschie dene, nur ihm eigene Vorzüge. Im besonderen werden die unter Strom stehenden Elemente oder Wicklungen des Apparates durch ein Übergiessen oder Übersprühen mit flüssigem Fluorkohlenstoff 'gekühlt, dessen Siedepunkt. zwischen 50 und 150 C bei Atmosphären druck liegt.
Der Fluorkohlenstoff kühlt die elektrischen Windungen hauptsächlich duren seine Verdampfung. Die entwickelten Fluor kohlenstoffdämpfe schlagen sieh entweder an den Innenwänden des umschliessenden (Tehäu- ses nieder, in weleheiu die Wieklungen ange ordnet sind, und kondensieren durch die Be rührung mit den verhältnismässig kalten Wän den desselben, oder werden in einem besonde ren Kühler oder dergleielien kondensiert.
Der kondensierte, flüssige Fluorkohlenstoff und diejenige Fluorkohlenstoffnienge, welche nicht. verdampft w2irde, während sie über die elektrischen Wicklungen gesprüht oder gegos sen wurde, wird hernach gesammelt und aufs Neue über die Wieklun gen gesprüht oder ge gossen. Es hat sich gezeigt, dass eine geringe ':Henge flüssigen Fluorkohlenstoffes zu einer wirksamen Kühlung eines gegebenen elektri schen Apparates ausreicht.
So sind beispiels weise für einen Transformator mit einem Nennwert von 1000 kVA ungefähr 38 Liter Fluorkohlenstoff genügend. Ein grösserer Be trag von Fluorkohlenstoff kann jedoch als Sicherheitsfaktor angewandt werden.
Die Fluorkohlenstoffdämpfe haben ausser gewöhnliche elektrische Isolationseigenschaf ten. Sie sind denjenigen anderer Gase über legen, beispielsweise in ihren elektrischen Iso lationswerten wie Durchlagsfestigkeit, Dielek- trizitätskonstante, dielektrischer Verlustfak tor und dem Widerstand gegen die Bildung von Koronaeffekten. Die Fluorkohlenstoffe sind überragend in ihrer Stabilität gegen Zersetzung durch chemische und thermische Einflüsse und werden darin lediglich von den permanenten Gasen übertroffen.
Die flüssigen Fluorkohlenstoffe greifen die handelsüblichen Isolierwerkstoffe und Lacke, wie sie bei der Behandlung üblicher elektrischer Elemente. beispielsweise Wicklungen und Spulen, zur Anwendung kommen, praktisch nicht an.
Für den vorliegenden Zweck geeignete Fluorkohlenstoffe, welche nur Fluor und Kohlenstoff enthalten und deren Siedepunkte innerhalb des Temperaturbereichs von 50 bis 150 C bei Atmosphärendruck liegen, sind bei spielsweise: Perfluorinethylcyclohexan, Per- fluordimethyleyelohexan, Perfluorheptan, Per- fluorhexan, Perfluortuluol, Perfluorpropyl.- c3-clohexan, Perfluoräth,
#-lej-clohezan und Per- fluordiäthylcyclohexan. Der (lefrierpunkt dieser flüssigen Fluorkohlenstoffe liegt wesentlich unter 0 C, so dass sie in voller Sicherheit bei allen im Betrieb erwarteten Umgebungsbedingungen anwend bar sind.
Die nachfolgende Aufstellung bezieht sich insbesondere auf Perfluor- methylcy clohexan als Beispiel eines wirk samen Fluorkohlenstoffs, doch sind auch an der Fluorkohlenstoffe als Ganzes oder in Tei len davon einsetzbar und Mischungen von zwei, drei oder mehr Fluorkohlenstoffen, welche Siedepunkte zwischen 50 und 150 C besitzen, können wirksam angewandt werden.
Die physikalischen Eigenschaften von Per fluormethylcyclohexan sind: Siedepunkt 76,3 C, Verdampfungswärme 22 Kalorien pro Gramm am Siedepunkt, Spezifische Wärme 0,2 Kalorien pro Gramm, Spezifisches Gewicht 1,8, Gefrierpunkt unter -50 C. Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung diene Fig. 1 der Zeichnung, die einen Transformator 10 mit einem dichten Gehäuse 12 und einem Deckel 14 zeigt.
Innerhalb des Gehäuses ist ein geerdeter Tragrahmen 22 angeordnet, in welchem ein bIagnetkern 20 und elektrische Spulen oder Wicklungen 18 angeordnet sind, welche mit einander zusammenarbeiten und so angeord net sind, dass das Übergiessen oder über sprühen derselben mit dem flüssigen Dielek- trikum erleichtert ist. Feste Isolierzwischen- stücke 24 sind zwischen den Wicklungen und dem geerdeten Rahmen 22 angeordnet. Die Wicklungen sind mit Stromzuführungen 28 versehen, welche durch den Deckel 14 mittels Isolatoren 30 geführt sind.
Der Boden 16 des Gehäuses bildet, einen Sumpf 32, in welchem ein Vorrat von Fluorkohlenstoff, beispiels- weise Perfluormethylcyclohexan, ruht. Es ist. zu beachten, dass der Vorrat von Fluorkoh- lenstoffen in dem Sumpf 32 so klein gehalten ist, dass er mit dem Kern 20 oder den Wiek- lungen 18 nicht. in Kontakt. kommt. Eine ain Grunde des Sumpfes 16 angeordnete Leitung 34 dient. zum Absaugen des Fluorkohlen- stoffes von demselben durch die Pumpe 36.
Die Pumpe 36 ist innerhalb eines Schutz gehäuses 38 angeordnet, so dass sie gewartet und gehandhabt werden kann, ohne das Ge häuse 12 zu öffnen. Der von der Pumpe 36 kommende Fluorkohlenstoff geht durch das Rohr 40 und von dort zu einer Sprüheinrich tung 42 zur Verteilung des flüssigen Fluor kolilenstoffes über die Spulen 18 und der. Kern 20. Der Nebel 43 aus flüssigem Fluor kohlenstoff verteilt sich als dünner Film über die elektrischen Elemente und verdampft frei, wenn Spule und Kern heiss sind, wobei Spule und Kern gekühlt werden. Es hat sich gezeigt, dass die so erzeugte Kühlung ausser ordentlich wirksam ist.
Die entwickelten Dämpfe des Fluorkohlenstoffes werden an den Wandungen des Gehäuses 12 teilweise kondensiert und der flüssige Fluorkohlen- stoff fliesst zum Wiedergebrauch zurück in den Sumpf 32. Die übrigen Fluorkohlenstoff- dämpfe strömen zu einem Kühler 44, der am Gehäuse 12 befestigt ist. Die Dämpfe treten in den Kühler durch eine verhältnismässig grosse Einlassöffnung 46 und der konden sierte, flüssige Fluorkohlenstoff läuft durch einen kleineren Auslass 48 in den Transfor mator zurück.
In manchen Fällen kann auf den Gebrauch eines Kühlers verzichtet wer den, da die Wände des Gehäuses 12 und der Deckel 14 genügen, um die entwickelte Wärme an die Atmosphäre abzugeben.
Der in Fig. 1 dargestellte Transformator ist. gewichtsmässig leichter als ein mit einem flüssigen Dielektrikum versehener Eintauseli- transformator bei gleichem Nennwert. Die elektrischen Elemente sind kompakter als in einem luftgekühlten Transformator gleicher Leistung. Ausserdem ist er feuersicher und explosionssicher. Cegenüber der Konstruk tion eines luftgekühlten Transformators ist. die Bauweise bedeutend vereinfacht, da ein massiver, geerdeter Kernträger 22 zur An wendung gelangt und ausserdem keine Luft leitungen erforderlich sind.
Ein mittlerer Transformator von 1000 kVA entwickelt bei Vollast eine Wärmemenge, die etwa 15 KW entspricht. Dieser Wärmebetrag wird durch 5,5 Liter pro -Minute flüssiges Perfluormethylcyclohexan durch Verdamp fung absorbiert. Dementsprechend muss die Pumpe 36 mindestens diesen Betrag von Fluorkohlenstoff der Sprüheinrichtung 42 zuführen. Vorzugsweise wird die Pumpe ge nügend gross gewählt, um dieses Volumen von flüssigem Fluorkohlenstoff zwei bis viermal umzupumpen. Die Begiessung mit.
einem Überschuss an Fluorkohlenstoff gibt dem Gerät ein ganz besonderes Widerstands vermögen gegen Überlastungen.
Die Fluorkohlenstoffdämpfe besitzen ausser gewöhnliche elektrische Isolationseigenschaf ten und liefern dementsprechend ein ausge zeichnetes isolierendes Gas zur Isolation der Wicklungen 18 gegeneinander, gegenüber dem Gehäuse und gegenüber andern Teilen des Apparates, wenn ein Potential zwischen Wicklungen und Gehäuse besteht. Gewöhn lich ist das Gehäuse 12 mit. einem perma nenten Gas gefüllt, beispielsweise Stickstoff von ungefähr einer Atmosphäre Druck, ob wohl je nach dem Verwendungszweck der Druck wesentlich geringer oder grösser sein kann.
Bei ausgeschaltetem Apparat 10 bildet das Stickstoffgas den grösseren Anteil des Gases innerhalb des Gehäuses mit einem ge ringen Partialdruck von Fluorkohlenstoff- dampf. Wird der Transformator in Betrieb genommen und steigt seine Temperatur über die Umgebungstemperatur, so wird mehr und mehr Fluorkohlenstoffdampf erzeugt und der Druck innerhalb des Gehäuses 12 des Trans formators steigt an.
In Fig. 2 der Zeichnung sind die Durch sehlagswerte dargestellt bei einem Abstand von 5 mm zwischen Kugeln von 13 mm Durchmesser von einzelnen und gemischten Gasen, welche innerhalb eines grossen Druck bereiches im Transformator vorhanden sind. Kurve ca gilt für Stickstoff, Kurre <I>b</I> für Perfluormethylcvclohexan, und Kurve c für ein Gemisch von beiden Stoffen. Beim aus schliesslichen Vorhandensein von Stickstoff (Kurve a) bleibt die Durchschlagsspannunn bei einer Atmosphäre Druck unter ungefähr 1.0 Kilovolt.
Wird zii Stickstoff bei Atmos phärendruck (760 mm Hg) Perfluormethyl- cyelohexan zugeführt, wie im Punkt. A dar gestellt, so ergibt sich ein scharfes Ansteigen der Durehschlagsfestigkeit (Kurve c). Wird noch mehr Perfluormetlivlev clohexan zuge geben, so steigt die Durehsehlagsspannung sprungartig, so da.ss bei einem CTesamtdruck von ungefähr 850 mm Hg die Durchschlags festigkeit des Gemisches ungefähr 30 Kilovolt beträgt..
Bei zwei Atmosphären Druck, glei- eherweise bestehend aus Stickstoff und Per- fluormethvlc@#clohexan-Dämpfen, beträgt die Durchschlagsfestigkeit ungefähr 73 Kilovolt.
Eines der kritischen -Merkmale eines Transformators ist seine Stossspa.nnungsfe- stigkeit.Werden solche hohen Stossspannun gen nicht beherrscht, so %vird dadurch das Anwendungsfeld eines Transformators erlieb lieh eingeschränkt; er erleidet. Schaden, wenn ein Blitzstrahl oder andere Hochspannungs stösse den Transfoiniatorstromkreis treffen.
Fluorkohlenstoffgase haben eine ausgezeich nete Stolspannungsfestigkeit, und die mit denselben versehenen Transformatoren wider stehen allen normalerweise vorkommenden Stossspannungen. In I'ig. 3 der Zeichnung ist die Stossspannungsfestigkeit von Stick stoff- und Perfliiorniethvleveloiiexan-Stielz- stoff-Gasgemischen dargestellt, welche mit. Vierkantelektroden von 13 mm Seitenlänge, die im Abstand von 51. mm innerhalb des Ga ses angeordnet waren, gemessen wurde.
Die Kurven a' und a" gelten für Stickstoff. und c' und c" für ein Stiekstoff-Perfluormethv 1 cyclohexan-Gemiseli, wobei die voll ausgezo genen. Kurven a' und c' sieh auf die positive Stossspannungsfestigkeit, und die gestrichel ten Kurven a" und c" auf die negative Stoss spannungsfestigkeit beziehen. Die positive Stossspannungsfestigkeit von Stickstoffgas al lein wird, bei Zusatz von Perfluormethyl- cyclohexan, ungefähr verdreifacht, während die negative Stossspannungsfestigkeit sogar noch mehr verbessert wird.
Die Anwendung von Fluorkohlenstoff als Kühlmittel zur t\bersprühung - elektrischer Apparate steigert das mögliche kV A-Verhä.lt- nis bei der Heisstellung von feuer- und explo sionssichern Apparaten. Sie ermöglicht wei terhin eine Steigerung der Spannung von der gegenwärtigen Grenze von ungefähr 13,000 Volt für luftgekühlte Transformatoren auf 30,000 Volt und darüber.
Ist das Gehäuse 1.2 genügend stark kon struiert, um Drücken zu widerstehen, so kann die innere Atmosphäre lediglich aus Fl uor- kohlenstoffdämpfen, beispielsweise Perfluor- metliy ley elohexan bestehen.
Selbst. bei gerin gen Umgebungsteml)eraturen entwickelt Per- fluormethylcyclohexan einen merklichen CTas- druck. Aus der Peilluormetlivlevclohexän- kurve in Fig. \? geht hervor, dass dasselbe eine sehn hohe Durchschlagsfestigkeit selbst bei geringen Drücken aufweist, so dass bei einem absoluten Druck von 1.00 inin IIg die Perfluormethyleyclohexandämpfe eine Durch schlagsfestigkeit von ungefähr 15 Kilovolt besitzen,
welche diejenige des Stickstoffs bei Atmosphärendruck übertrifft. Selbst, bei 0 C beträgt der Dampfdruck ungefähr 10 mm IIg und die Durchschlagsfestigkeit etwa 10 Kilo volt. Der Dampfdruck und die Durchschlags festigkeit von Perfluornietliylcyclohexan steigt sprunghaft an, sobald die Temperatur des Transformators ansteigt, so dass der Transformator in allen Fällen vorschrifts mässig isoliert ist.
Bei einem ungefähren Ab solutdruck von 700 mm H- ist die Durch schlagsfestigkeit von Perfluormethylcy clo- hexandämpfen gleich derjenigen von Trans- formatoröl bei einer Funkenstrecke von 5 mm. Ferner gewährleisten Mischungen aus zwei oder mehreren Fluorkohlenstoffen, von denen wenigstens einer einen hohen Dampfdruck bei niedrigen Temperaturen besitzt, einen gleich wertigen Isolationswiderstand selbst bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen.
Die im Vorstehenden beschriebene Anord nung kann weiterhin dadurch verbessert wer- den, dass Mittel zur Verdrängung eines nicht kondensierbaren Gases in einen Raumteil des Gehäuses vorgesehen sind, der entfernt von den arbeitenden Betätigungselementen ange ordnet ist, so dass die Fluorkohlenstoffdämpfe zu den Gehäusewandungen strömen können und dabei schneller kondensieren.
In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass das Tran,3- formatorgehäuse, vorzugsweise zu Beginn, mit Stickstoff oder einem andern, relativ trä gen, nicht kondensierbaren Gas, beispiels weise Helium, Argon, Neon, Kohlendioxyd, Sehwefelhexafluorid oder Gernisehen dersel ben gefüllt wird, welche Gase ihre Funktion als Isolierungsgas bei Atmosphärendruck hin länglich erfüllen und auch die erforderlichen elektrischen Eigenschaften hierzu besitzen. Die Dichte dieser Gase sollte zweckniä ssiger- weise geringer sein als diejenige des Fluor kohlenstoffdampfes.
Der Druck des St.iek- stoffes im Gehäuse beispielsweise, kann im wesentlichen gleich dein atmosphärischen sein, d. h. also 760 mm Hg oder weniger, wenn das Gehäuse 12 teilweise einem Vaeuum und zu andern Zeiten einem etwas grösseren als dem Atmosphärendruck festigkeitsmässig wider stehen kann.
Eine Füllung eines typischen flüssigen Fluorkohlenstoffes, beispielsweise Per fluorniethylcy elohexan wird dann in das Gehäuse eingefüllt und übt einen Teildruck von wenigen hundert mm Hg, selbst bei Temperaturen von unter 0 C aus. Wird der Transformator 10 durch Stromzuführung zu den Spulen 18 in Betrieb genommen, so steigt die Temperatur von Spule und Kern mit der angelegten Belastung. Die steigende Tempe ratur von Spule und Kern allein bewirkt schon eine Steigerung des Druckes der einge schlossenen Gasatmosphäre.
Ferner steigt durch die Verdampfung des flüssigen Fluor kohlenstoffes der Partialdruck des Fluor kohlenstoffes schon bei geringen Temperatur änderungen wesentlich an. Da die Fluorkoh- lenstoffdämpfe eine beträchtlich grössere Dichte besitzen als Stickstoff, und da Fluor kohlenstoffdämpfe an der Oberfläche von Spule und Kern w'a'hrend des Betriebes lau fend erzeugt werden, so wird das Stickstoff- gas innerhalb des Gehäuses aufwärts getrie ben. Der Stickstoff sammelt sich dabei in den obern Teilen des Gehäuses an, und zwar un gefähr proportional der Temperatur der Wicklungen bzw. des Gasdruckes.
Um eine wirksame Verdrängung des nicht kondensierbaren Gases, beispielsweise Stick stoff, von den Fluorkohlenstoffdämpfen zu ermöglichen, damit die Fluorkohlenstoff- dämpfe ungehindert zu den Wänden 12 und dem Kühler 44 strömen können, und um da mit die im Kern und Spule erzeugte Wärme wirksam abzuleiten, ist vorzugsweise ein ge nügend grosser Raum oder ein entsprechender Gasbehälter im obern Teil des Gehäuses für den Stickstoff vorgesehen.
Im untern Teil des Gehäuses, also um den Kern und die Spulen, herrschen dabei nur Fluorkohlen- stoffdämpfe, die grundsätzlich frei von nicht kondensierbarem Stickstoff sind. In manchen Fällen ist das Gehäuse 12 genügend hoch ausgeführt., so dass zur Verdrängung des Stiekstoffes genügend freier Raum vorhan den ist.
Ein perforiertes Blech kann einige Zentimeter über dem Sprührohr 42 ange bracht werden, Ein den darunter befindlichen Raum, der jetzt. mit Fluorkohlenstoffdämpfen gefüllt ist, von dem darüber befindliehen, mit nicht kondensierbarem Gas gefüllten Raum teilweise abzuschliessen. Das perforierte Blech erschwert die Mischung des nicht kondensier- baren Gases mit den in Bewegung befindli chen Fluorkohlenstoffdämpfen.
Fig. 1 der Zeichnung zeigt ein Beispiel einer Gasverdrängungsvorrichtung. In die- Beim Betrieb des Transformators wird sem Ausführungsbeispiel ist am obern Teil des Gehäuses entweder ein mit dem Gehäuse zusammen aus einem Teil bestehender oder auf dem Äussern desselben befestigter Gasbe hälter 50 angeordnet, der mit dem Innern des Gehäuses 12 durch die drosselnden Durchgangsbohrungen 52 in Verbindung steht.
Das Fassungsvolumen des Gasbehälters 50 ist vorzugsweise wenigstens halb so gross wie der CTasraum des übrigen Teil: des CTe- häuses, obwohl es für manche Zwecke gleich gross und in andern Fällen grösser sein kann. aus dem Gehäuse 1.2 durch die Durch gangsbohrungen 52 in den Behälter 50 abge drängt, und zwar infolge der Steigerung des Gesamtgasdruckes, herrührend von der Tem peratursteigerung, und durch die kontinuier liche Verdampfung des Fluorkohlenstoffes, wobei Dämpfe erheblich grösserer Dichte als diejenige des Stickstoffgases erzeugt werden.
Das Gas innerhalb des Gasbehälters 50 ent hält einen viel kleineren Betrag an Fluor kohlenstoff als die Gesamtatmosphäre inner halb des Gehäuses 12, zufolge der kontinuier lichen Anreieherung der Dämpfe im untern Teil des Gehäuses durch die Entwicklung der Fluorkohlenstoffdämpfe. Gewöhnlich ist der Gasbehälter 50 kühler als der übrige Teil des Transformators und alle darin befindlichen überschüssigen Fluorkohlendämpfe (über dem Partialdruck des Fluorkohlenstoffes bei der zugehörigen Temperatur) neigen dazu, darin zu kondensieren und tropfen in den Sumpf 16 zurück.
Daraus folgt, dass der CTasdi-iick des Fluorkohlenstoffdampfes im Gasbehälter 50 ein anderer wird, als derjenige innerhalb des Gehäuses 12.
Es ist sehr zweckmässig, dass eine solche Verdrängung von nicht kondensierbarem Gas aus der Atmosphäre in dem Gehäuse 12 statt findet, wenn die elektrischen Wicklungen und der Kern Strom führen und Wärme ent wickeln, zum Unterschied von der gemisch ten Gasatmosphäre im Gehäuse, wenn der Ap parat kalt und stromlos ist. Neben der Erzie lung einer besseren Wärmeübertragung wird damit die Atmosphäre innerhalb des Gehäuses 12 steigend reicher an Fluorkohlenstoffdämp- fen, welche weit höhere dielektrische Werte als Stickstoff besitzen.
Obwohl die Zeichnung als Ausführungs beispiel einen Transformator darstellt, so ist dessen ungeachtet die Erfindung auch auf andere Arten elektrischer Apparate, beispiels weise Schalter, Kondensatoren, Generatoren, Drosselspulen und dergleichen anwendbar. Ferner kann der flüssige Fluorkohlenstoff dein Innern der Wicklungen zugeführt wer den und durch die Spalten zwischen den Windungen der Wicklungen austreten. In der Praxis hat sieh die Anwendung der über- sprühung am besten bewährt, doch sind auch andere Mittel zur Aufbringung einer dünnen Schicht des Fluorlcohlenstoffes auf die zu kühlenden elektrischen Leiter anwendbar.
Electrical apparatus. The present invention relates to an electrical apparatus having an electrical conductor arranged in a sealed housing and therefrom insulated.
It is known in the electrical industry to use a liquid dielectric in closed electrical apparatus, in which the electrical elements operated therein are submerged, namely for cooling the electrical elements and for electrical isolation of the elements from one another, as well as from the housing, in which housed the same. are.
However, there have been shown certain disadvantages that arise in the case of the position and the use of such apparatus which are insulated by a liquid dielectric. A disadvantage is the need to use large quantities of the liquid dielectric, e.g. oil,
chlorinated diphenyl or the like. Transformers require around 1,900 liters of the liquid dielectric for 1,000 <B> kV A </B> times. The liquid dielectrics require monitoring and maintenance, since they are contaminated and damaged by the reactions with moisture or air penetrating into the transformer and their insulation values deteriorate in the process.
An electric arc that forms within an apparatus filled with a liquid dielectric will either lead to an explosion or to a fire if the liquid dielectric is a mineral oil, while otherwise corrosive and harmful halogen vapors are produced if a chlorinated liquid dielectric is used, but at least to corrosion of the interior of the apparatus.
A more recent development of electrical ap parate are the so-called dry types, gas-filled or air-cooled transformers, which avoid various disadvantages that arise when using liquid dielectrics. After all, owns. Even the gas-filled transformer has a number of special disadvantages, such as the need for appropriate means for penetration in the windings. and to provide a flow-through possibility for the air or the other gas in order to ensure sufficient cooling of the electrical elements.
Since solid insulating layers between the windings and grounded parts are only applicable to a limited extent, because of the need to arrange air lines behind the cradles; In the absence of such solid insulating layers, however, the flashover or breakdown voltage between the vibrations and the earthed parts limits the voltages that can be used.
The core and the coil of a gas-filled transformer are larger for a certain nominal power than in a liquid chain-cooled transformer. The dry-type transformer also poses considerably greater manufacturing problems than the liquid-cooled transformer. This requires significantly more careful, constructive preparatory work. So the solid Isolatio NEN in the Wieklungen have to be performed much more difficult than with an apparatus filled with liquid dielectric.
Air-filled transformers have a very low overload capacity, which limits their ability to operate above their nominal capacity. and their reliability is impaired, in contrast to an apparatus filled with a liquid dielectric.
The electrical apparatus according to the present invention is characterized by the fact that means are arranged for distributing a thin layer of a liquid dielectric containing fluorine and carbon over the electrical conductor, so that the conductor is mainly cooled by evaporation supplied, liquid dielectric is effected, and the vapors of the dielectric are used to isolate the conductor.
A preferred embodiment is. explained in connection with the accompanying drawing.
Fig. 1 is a longitudinal section through a transformer according to the invention.
F sharp. ? is a graphic representation of the breakdown voltage in kilovolts (ordinate) as a function of the pressure of certain gases in centimeter mercury (abscissa).
F sharp. 3 is a graph of the surge voltage strength of dielectrics in kilovolts as a function of the gas pressure in centimeters of mercury.
A closed electrical apparatus according to the present invention has. in many respects the advantages of the type filled with a liquid dielectric and also the advantages of the gas-filled type of electrical devices, while it has only a few disadvantages of each of these types of apparatus, and also contains various advantages that are unique to it. In particular, the energized elements or windings of the apparatus are cooled by pouring or spraying liquid fluorocarbon, its boiling point. between 50 and 150 C at atmospheric pressure.
The fluorocarbon cools the electrical coils mainly through its vaporization. The developed fluorocarbon vapors either condense on the inner walls of the surrounding (Tehäuses, in which the movements are arranged, and condense through contact with the relatively cold walls of the same, or are condensed in a special cooler or something similar .
The condensed liquid fluorocarbon and the fluorocarbon which are not. evaporated while it was sprayed or poured over the electrical windings, is then collected and sprayed or poured again over the cradles. It has been shown that a small amount of liquid fluorocarbon is sufficient for effective cooling of a given electrical apparatus.
For example, about 38 liters of fluorocarbon are sufficient for a transformer with a nominal value of 1000 kVA. However, a larger amount of fluorocarbon can be used as a safety factor.
The fluorocarbon vapors have exceptional electrical insulation properties. They are superior to those of other gases, for example in their electrical insulation values such as dielectric strength, dielectric constant, dielectric loss factor and resistance to the formation of corona effects. The fluorocarbons are outstanding in their stability against decomposition by chemical and thermal influences and are only surpassed by the permanent gases.
The liquid fluorocarbons attack the commercially available insulating materials and paints, such as those used in the treatment of common electrical elements. for example, windings and coils, are used, practically not at all.
Fluorocarbons suitable for the present purpose which only contain fluorine and carbon and whose boiling points are within the temperature range from 50 to 150 ° C. at atmospheric pressure are, for example: perfluoroethylcyclohexane, perfluorodimethyleyelohexane, perfluoroheptane, perfluorohexane, perfluorotulene, perfluoropropyl.- c3 -clohexane, perfluoroeth,
# -lej-clohezan and perfluorodiethylcyclohexane. The (freezing point of these liquid fluorocarbons is significantly below 0 C, so that they can be used in complete safety under all ambient conditions expected in operation.
The following list refers in particular to perfluoromethylcyclohexane as an example of an effective fluorocarbon, but fluorocarbons as a whole or in parts and mixtures of two, three or more fluorocarbons with boiling points between 50 and 150 ° C can also be used , can be used effectively.
The physical properties of perfluoromethylcyclohexane are: boiling point 76.3 C, heat of vaporization 22 calories per gram at boiling point, specific heat 0.2 calories per gram, specific gravity 1.8, freezing point below -50 C. Serve to explain the mode of operation of the invention 1 of the drawings, which shows a transformer 10 with a sealed housing 12 and a cover 14.
A grounded support frame 22 is arranged inside the housing, in which a magnet core 20 and electrical coils or windings 18 are arranged, which work together and are arranged so that the pouring or spraying of the liquid dielectric is facilitated. Fixed intermediate insulating pieces 24 are arranged between the windings and the grounded frame 22. The windings are provided with power supply lines 28 which are passed through the cover 14 by means of insulators 30.
The bottom 16 of the housing forms a sump 32 in which a supply of fluorocarbon, for example perfluoromethylcyclohexane, rests. It is. It should be noted that the supply of fluorocarbons in the sump 32 is kept so small that it does not come with the core 20 or the bulges 18. in contact. comes. A line 34 arranged at the bottom of the sump 16 is used. for sucking the fluorocarbon therefrom by the pump 36.
The pump 36 is arranged within a protective housing 38 so that it can be serviced and handled without opening the housing 12. The fluorocarbon coming from the pump 36 goes through the tube 40 and from there to a Sprüheinrich device 42 for distributing the liquid fluorine kolilenstoffes over the coils 18 and the. Core 20. The mist 43 of liquid fluorocarbon spreads as a thin film over the electrical elements and evaporates freely when the coil and core are hot, whereby the coil and core are cooled. It has been shown that the cooling produced in this way is also extremely effective.
The fluorocarbon vapors developed are partially condensed on the walls of the housing 12 and the liquid fluorocarbon flows back into the sump 32 for reuse. The remaining fluorocarbon vapors flow to a cooler 44 which is attached to the housing 12. The vapors enter the cooler through a relatively large inlet opening 46 and the condensed, liquid fluorocarbon runs back through a smaller outlet 48 into the transformer.
In some cases, the use of a cooler can be dispensed with because the walls of the housing 12 and the cover 14 are sufficient to dissipate the heat generated into the atmosphere.
The transformer shown in Fig. 1 is. lighter in weight than a single transformer with a liquid dielectric with the same nominal value. The electrical elements are more compact than in an air-cooled transformer of the same power. It is also fire-proof and explosion-proof. Compared to the construction of an air-cooled transformer. the design is significantly simplified, since a solid, grounded core support 22 is used and, moreover, no air lines are required.
At full load, a medium-sized transformer of 1000 kVA develops an amount of heat that corresponds to about 15 KW. This amount of heat is absorbed by 5.5 liters per minute of liquid perfluoromethylcyclohexane by evaporation. Accordingly, the pump 36 must deliver at least this amount of fluorocarbon to the sprayer 42. The pump is preferably chosen to be large enough to pump this volume of liquid fluorocarbon two to four times. The shower with.
an excess of fluorocarbon gives the device a very special ability to withstand overload.
The fluorocarbon vapors have exceptional electrical insulation properties and accordingly provide a distinguished insulating gas to isolate the windings 18 from one another, from the housing and from other parts of the apparatus when there is a potential between the windings and the housing. Usually, the housing 12 is with. filled with a permanent gas, for example nitrogen at about one atmosphere pressure, although depending on the intended use, the pressure can be significantly lower or higher.
When the apparatus 10 is switched off, the nitrogen gas forms the greater part of the gas within the housing with a low partial pressure of fluorocarbon vapor. If the transformer is put into operation and its temperature rises above the ambient temperature, more and more fluorocarbon vapor is generated and the pressure within the housing 12 of the transformer rises.
In Fig. 2 of the drawing, the failure values are shown at a distance of 5 mm between balls of 13 mm diameter of individual and mixed gases, which are present within a large pressure range in the transformer. Curve ca applies to nitrogen, curve <I> b </I> for perfluoromethylclohexane, and curve c for a mixture of both substances. In the event of the eventual presence of nitrogen (curve a), the breakdown voltage remains below approximately 1.0 kilovolt at an atmosphere pressure.
If zii nitrogen is supplied at atmospheric pressure (760 mm Hg) perfluoromethylcyelohexane, as in point. A represents, there is a sharp increase in the dielectric strength (curve c). If more perfluorometlivlev clohexane is added, the breakdown voltage rises abruptly, so that at a total pressure of about 850 mm Hg, the dielectric strength of the mixture is about 30 kilovolts.
At two atmospheres of pressure, consisting of nitrogen and perfluoromethane vapors, the dielectric strength is approximately 73 kilovolts.
One of the critical characteristics of a transformer is its surge resistance. If such high surge voltages are not managed, the transformer's field of application is limited; he suffers. Damage if a lightning bolt or other high voltage surges hit the transformer circuit.
Fluorocarbon gases have an excellent surge voltage strength, and the transformers equipped with the same resist all surge voltages that normally occur. In I'ig. 3 of the drawing shows the impact strength of stick material and Perfliiorniethvleveloiiexan-Stielz- material gas mixtures, which with. Square electrodes with a side length of 13 mm, which were arranged at a distance of 51 mm inside the gas, were measured.
The curves a 'and a "apply to nitrogen. And c' and c" to a Stiekstoff-Perfluormethv 1 cyclohexane Gemiseli, the fully extended. Curves a 'and c' refer to the positive surge voltage strength, and the dashed curves a "and c" relate to the negative surge voltage strength. The positive surge strength of nitrogen gas alone is approximately tripled when perfluoromethylcyclohexane is added, while the negative surge strength is improved even more.
The use of fluorocarbon as a coolant for spraying electrical equipment increases the possible kV A ratio when heating fire- and explosion-proof equipment. It also allows the voltage to be increased from the current limit of approximately 13,000 volts for air-cooled transformers to 30,000 volts and above.
If the housing 1.2 is sufficiently strong to withstand pressures, the inner atmosphere can only consist of fluorocarbon vapors, for example perfluoromethyl elohexane.
Self. at low ambient temperatures, perfluoromethylcyclohexane develops a noticeable C-pressure. From the Peilluormetlivlevclohexän- curve in Fig. it can be seen that it has a very high dielectric strength even at low pressures, so that at an absolute pressure of 1.00 inin IIg the perfluoromethyleyclohexane vapors have a dielectric strength of about 15 kilovolts,
which exceeds that of nitrogen at atmospheric pressure. Even at 0 C the vapor pressure is around 10 mm IIg and the dielectric strength around 10 kilovolts. The vapor pressure and the dielectric strength of perfluoronietliylcyclohexane increases sharply as soon as the temperature of the transformer rises, so that the transformer is properly insulated in all cases.
At an approximate absolute pressure of 700 mm H-, the dielectric strength of perfluoromethylcyclohexane vapors is the same as that of transformer oil with a spark gap of 5 mm. Furthermore, mixtures of two or more fluorocarbons, at least one of which has a high vapor pressure at low temperatures, ensure an equivalent insulation resistance even at very low ambient temperatures.
The arrangement described above can be further improved in that means for displacing a non-condensable gas are provided in a space of the housing that is remote from the operating actuating elements so that the fluorocarbon vapors can flow to the housing walls and condense faster.
In this context, it should be mentioned that the Tran, 3-formator housing, preferably at the beginning, is filled with nitrogen or another, relatively inert, non-condensable gas, for example helium, argon, neon, carbon dioxide, sulfur hexafluoride or the like which gases fulfill their function as insulating gas at atmospheric pressure and also have the necessary electrical properties for this. The density of these gases should expediently be lower than that of the fluorocarbon vapor.
For example, the pressure of the plastic in the housing can be substantially equal to atmospheric, i.e. H. That is, 760 mm Hg or less, if the housing 12 can partially withstand a vacuum and at other times a somewhat greater than atmospheric pressure in terms of strength.
A filling of a typical liquid fluorocarbon, for example Perfluorniethylcy elohexane is then poured into the housing and exerts a partial pressure of a few hundred mm Hg, even at temperatures below 0C. If the transformer 10 is put into operation by supplying power to the coils 18, the temperature of the coil and core increases with the load applied. The rising tempe temperature of the coil and core alone causes an increase in the pressure of the enclosed gas atmosphere.
Furthermore, as a result of the evaporation of the liquid fluorocarbon, the partial pressure of the fluorocarbon increases significantly even with small changes in temperature. Since the fluorocarbon vapors have a considerably greater density than nitrogen, and since fluorocarbon vapors are continuously generated on the surface of the coil and core during operation, the nitrogen gas is driven upwards within the housing. The nitrogen collects in the upper parts of the housing, and it is proportional to the temperature of the windings and the gas pressure.
In order to enable an effective displacement of the non-condensable gas, for example nitrogen, from the fluorocarbon vapors, so that the fluorocarbon vapors can flow unhindered to the walls 12 and the cooler 44, and in order to effectively dissipate the heat generated in the core and coil, a sufficiently large space or a corresponding gas container is preferably provided in the upper part of the housing for the nitrogen.
In the lower part of the housing, i.e. around the core and the coils, only fluorocarbon vapors prevail, which are basically free of non-condensable nitrogen. In some cases, the housing 12 is made sufficiently high, so that there is enough free space for the displacement of the steel material.
A perforated sheet metal can be placed a few centimeters above the spray tube 42, a space below that is now. is filled with fluorocarbon vapors, from the space above it, which is filled with non-condensable gas, partially to be closed off. The perforated sheet makes it difficult to mix the non-condensable gas with the moving fluorocarbon vapors.
Fig. 1 of the drawing shows an example of a gas displacement device. In the operation of the transformer is sem embodiment is on the upper part of the housing either a with the housing together with a part or attached to the outside of the same Gasbe container 50 is arranged, which is connected to the interior of the housing 12 through the throttling through bores 52 in Connection.
The capacity of the gas container 50 is preferably at least half as large as the C-space of the remaining part: the C-housing, although it can be the same size for some purposes and larger in other cases. from the housing 1.2 through the through holes 52 in the container 50 pushes abge, due to the increase in the total gas pressure, originating from the tem perature increase, and through the continuous Liche evaporation of the fluorocarbon, with vapors significantly greater density than that of the nitrogen gas are generated .
The gas inside the gas container 50 contains a much smaller amount of fluorocarbon than the total atmosphere inside the housing 12, due to the continuous accumulation of the vapors in the lower part of the housing by the development of the fluorocarbon vapors. Usually the gas container 50 is cooler than the remainder of the transformer and any excess fluorocarbon vapors therein (above the partial pressure of the fluorocarbon at the associated temperature) tend to condense therein and drip back into the sump 16.
It follows from this that the CTasdi-iick of the fluorocarbon vapor in the gas container 50 is different from that within the housing 12.
It is very useful that such a displacement of non-condensable gas from the atmosphere in the housing 12 takes place when the electrical windings and the core conduct electricity and develop heat, in contrast to the mixed gas atmosphere in the housing when the Ap is cold and de-energized. In addition to achieving better heat transfer, the atmosphere within the housing 12 is thus increasingly richer in fluorocarbon vapors, which have much higher dielectric values than nitrogen.
Although the drawing shows a transformer as an embodiment, the invention is also applicable to other types of electrical apparatus, for example switches, capacitors, generators, inductors and the like. Further, the liquid fluorocarbon can be supplied to the inside of the windings and can leak through the gaps between the turns of the windings. In practice, spraying has proven to be the best, but other means of applying a thin layer of the fluorine-carbon material to the electrical conductors to be cooled can also be used.