CN101572167A - 油冷却系统、带该系统的变压器及确定冷却流体流动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油冷却系统、带有该系统的变压器及确定冷却流体流动的方法。所述系统特别是用于为牵引电机供电的变压器和用于高粘度状态下的油的油冷却系统，该系统包括从产热源到冷却油的第一热交换器，第一热交换器由至少一条输送管道和至少一条回流管道连接到第二热交换器，第二热交换器通过将吸收在第一热交换器中的热量传递至温度低于冷却油温度的环境而使油冷却，此外设有使冷却油从第一流动至第二热交换器及从第二流动至第一热交换器的装置，以及用于监控回路中的油流动的装置，所述回路包括第一和第二热交换器及输送和回流管道，所述用于监控流动的装置控制用于指示冷却系统的运行状况的装置和/或用于进行防止产热源过热的安全运行的装置。

Description

油冷却系统、带该系统的变压器及确定冷却流体流动的方法

技术领域

本发明涉及一种油冷却系统，特别是用于为牵引电(动)机供电的变压器的油冷却系统，该系统包括从产热源到冷却油的第一热交换器，所述第一热交换器由至少一条输送管道和至少一条回流管道连接到第二热交换器，所述第二热交换器用于通过将吸收在所述第一热交换器中的热量传递至温度低于冷却油温度的环境而使所述油冷却，此外设置有用于使冷却油从所述第一热交换器流动至所述第二热交换器及从所述第二热交换器流动至所述第一热交换器的装置，以及用于监控回路中的油流动的装置，所述回路包括所述第一和所述第二热交换器及所述输送管道和回流管道，所述用于监控流动的装置控制用于指示所述冷却系统的运行状况的装置和/或用于进行防止所述产热源过热的安全运行的装置。

背景技术

在本发明中术语“产热源”特别是指铁路变压器，尤其是指为铁路电力机车等的电机供电的变压器。

如例如在Prieto Colmenero等人的公开于2006年1月26日的文献US2006/0017537中所述，用于产热源、特别是铁路领域内使用的变压器(例如为电力机车、电动火车等的电机供电的变压器)的油冷却系统和方法的应用是已知的。在各文献US 854,277和US 1,504,625中已知冷却系统的其它示例。

在US 854,277中公开了一种用于冷却尤其是用在铁路领域内的变压器的系统。文献US 854,277提供了一种可避免使用泵、鼓风机和其它需要维修保养的结构部件的冷却系统。因此，变压器浸没在冷却油槽中，该冷却油槽具有能充分吸收变压器产生的热量而不使其过热的容积。

在文献US 1,504,625中，用于冷却变压器、特别是用来为电力机车、电动火车等的电机供电的变压器的系统提供空气作为冷却流体，并且根据该文献，变压器具有如此特殊的构造，即，使得冷却空气流更好地分布于变压器绕组且由此更有效地冷却变压器。

文献US 2006/0017537大体提供了一种上文所述类型的冷却系统，并且其中冷却油在两个热交换器之间的供给回路中流动，在所述两个热交换器中，第一交换器吸收来自变压器的热量并将其传递至冷却油，而第二交换器吸收来自冷却油的热量并将其传递至外部环境，以便降低将再次供给至第一热交换器的冷却油的温度。

油冷却系统的缺点在于，出于安全的原因要监控流入冷却回路中的油。这使用流量计或差压传感器来实现。

流量计通常包括机械部件如桨叶(paddle)等，所述机械部件的偏斜度与流速相关。当没有流动或流体流动过慢、即速度低于最小临界速度时，桨叶不偏斜并且流量计不能指示出流体流动的存在。

所有这些都发生在流体流动过慢时，而且特别是发生在较低温度下，此时流体尤其是油的粘度增加。

因此，在这种状况下，常规的流量计无法指示出流体流动的存在，或者这样的指示并不可靠。

差压传感器是用于确定在冷却系统的回路中存在流体流动的一种选择。热交换器之一的入口与出口之间产生的压降通过这种传感器来检测。当流动很慢或当冷却流体特别是冷却油具有较大粘度时，差压传感器不具有流量计的缺点。

但是，所述差压传感器并不十分可靠，所以它们必须进行冗余设置，即回路必须设置一个以上的差压传感器，特别是用于保证铁路领域的安全等级。这导致结构不佳，且首先导致冷却系统的成本增加。

在冷却流体是油的冷却系统中，对于用流量计检测冷却油流动来说，粘度增加且由此信号不可靠的缺点在温度等于或低于10℃时开始出现，且随着温度的降低越来越严重。因此，应注意的是，流量计不可靠不是在极端环境条件下出现的不重要缺点，而是在对于世界上大部分地方都通常和普遍的室温下具有其影响的缺点。

发明内容

因此，本发明旨在通过比较经济、易于安装和使用可靠的装置来提供一种上述类型的系统以克服已知系统的缺点，即使在很低的温度和很慢的冷却流体流动下也能确保最高的运行安全性。

本发明通过提供这样一种上述类型的系统来实现上述目的，其中，用于监控冷却流体流动的装置包括设置在冷却回路中的不同位置处的至少两个温度传感器，并且设置有电子装置，所述电子装置用于确定由所述至少两个传感器检测出的温差并且用于将所述温差与所述温差的能在所述电子装置中设定的最大临界值(阈值)进行比较，该比较装置判定由温度传感器检测出的温差是高于还是低于所述临界值，并且在由所述至少两个温度传感器检测出的所述温差高于所述临界值时控制用于指示所述冷却系统的运行状况的装置和/或用于进行防止产热源过热的安全运行的装置。

由一个有利实施例可预知，所述至少两个温度传感器分别设置在所述冷却回路的不同位置处，在所述不同位置处，所述冷却流体的温差在没有冷却流体流动或冷却流体流动不充分的状况下具有其最大值。

特别地，第一温度传感器设置在冷却所述产热源的第一热交换器的出口内或出口处，第二温度传感器设置在冷却所述冷却流体自身的第二热交换器的出口内或出口处。

就铁路变压器来说，当冷却变压器的第一热交换器提供与变压器热接触的油箱，并且第二交换器设置在冷却流体与外界环境之间时，第一温度传感器设置在所述油箱中，而第二传感器设置在第二热交换器的出口处。

有利的是，使用从10至20℃的值作为所述温差的临界值。

有利地，一个实施例提供了这样一种根据本发明的系统，其与温度传感器结合地还包括用于直接测量冷却流体流动的装置，例如所述流量计，所述用于直接测量冷却流体流动的装置与温度传感器并行工作，并且由此产生的测量信号在流体温度高于预定的最低温度时被用作冷却流体流动的测量结果(measurement)。

从由所述两个温度传感器确定的温差得到的对流体流动的冗余间接测量值能用于对系统装置如温度传感器、控制电子装置和冷却系统的其它工作单元的运行进行诊断校验(diagnostic check)。

根据一种特定的运行模式，当油温高于预定的最低温度时，只有由一个或多个流量计提供的值被用作测量流体流动的值。

有利地，在这种情况下，由温度传感器检测出的温差被用于诊断温度传感器的适当运行。

作为上述方案的替换选择，也能与所述至少两个温度传感器结合地还在所述两个交换器之一的入口与出口之间设有差压传感器，与由所述至少两个温度传感器测得的温差有关的测量结果被用作对差压传感器的适当运行进行交叉校验(相互校验，cross-check)的测量结果。在这种情况下，它是使用一对差压传感器的方案与作为更可靠和更经济方案的优选实施例之间的折衷方案，因为在成本方面对差压测量结果进行可靠的交叉校验所需的第二差压传感器被所述至少两个温度传感器所替代，因而这导致与仅使用差压传感器的现有技术有关的高成本部分地降低。但是，应注意，由于差压传感器不涉及低温和/或具有高粘度的冷却流体的问题，所以当需要时和如果需要，由监控冷却流体流动的系统提供的交叉校验结果可能基于所述温差起作用。

本发明也涉及一种变压器，特别是用在铁路领域中和尤其用于为电力机车、电动火车等的电机供电的变压器，该变压器与使用油作为冷却流体来冷却变压器的系统结合设置。

根据本发明，冷却系统根据上述特征的一种或多种组合制成。

本发明还涉及一种用于监控冷却系统中的冷却流体流动的方法，所述冷却系统包括冷却流体流动回路，并且所述方法设置成，通过确定在冷却流体流动回路的至少两个不同位置处测得的冷却流体温度之间的冷却流体温差的值，并将所述测得的温差与预定的最大临界值进行比较，来间接地测量冷却(流体)流动，高于所述最大临界值则认为冷却流体流动不充分或不存在，而低于所述最大临界值则认为流体流动充分以致于能实现有效的冷却作用。

结合地，所述方法并行地设置成，使用由冷却流体流动直接驱动的机械装置来直接测量冷却流体流动，限定冷却流体温度或室温的温度临界值，使得当冷却流体的温度或室温低于所述温度临界值时，基于冷却回路的至少两个不同位置处的冷却流体温度值之间的温差来确定流体流动的指示，而当所述温度高于所述温度临界值时，通过用机械装置测量流体流动来确定流体流动。

当油温或室温高于临界值时，流体流动的冗余测量结果被用于系统及其装置的诊断目的。特别地，当温度高于所述温度临界值时，用机械装置测量流体流动允许对温度传感器的测量结果进行校验以查看其是否一致。

一种可选方案设置成，通过确定冷却回路的至少两个不同位置处的冷却流体温度值之间的温差，以及确定冷却回路的至少两个不同位置处的冷却流体压力值之间的压差、特别是热交换器的入口与出口之间的压差，来并行地测量冷却流体流动回路中的流体流动。

从以上叙述中可清楚看到根据本发明的冷却系统和方法的优点。对于冷却流体流动回路的两个不同位置的温差测量不会受到由于温度变化引起的流体粘度变化的影响，也不受流量或流速的影响。特别是在冷却流体的温度很低时，对两个不同位置处的流体温度之间的温差进行测量是很可靠的。所述温差的临界值能容易地通过实验来确定，此外，温度传感器没有可动部分，所以它们具有高的运行可靠性和长的寿命。由于温度传感器是经济的并且对其进行电气校验的装置简单且非常可靠，所以在成本方面也具有优点。

本发明提供的其它改进是从属权利要求的目的。

附图说明

从下面对附图所示的非限制性实施例的描述可更清楚地看到本发明的特征，在附图中：

图1是本发明第一实施例的框图。

具体实施方式

参照图1，其示出在铁路领域中使用的且特别是为电力机车、电动火车等的电机供电的变压器的示意性框图。变压器与用于冷却变压器的系统结合设置，并且其特别提供了具有高热容量的冷却流体，如油等。

在所示的框图中，变压器未详细示出，因为所述构造对于本领域技术人员来说是已知的。

用15表示的变压器与容纳在油箱14中的油热接触，在油箱14中设有通气装置7。油箱14构成第一热交换器，其用于将热量从变压器、特别是从变压器的绕组传递到冷却油。具有油箱14作为其一部分的第一交换器是设有另一个热交换器16的冷却回路的一部分。来自第一交换器的冷却油在该热交换器16内通过用具有较低温度的热容器(例如环境)散除吸收在第一交换器中的热量而被再次冷却。具有油箱14作为其一部分的第一交换器和第二交换器16分别由输送管道和回流管道彼此相连。在输送管道和回流管道中设置有允许泵4或交换器被更换的用3表示的隔离阀。

泵4使冷却油在作为第一交换器的油箱14和第二交换器16之间流动。有利地，在两条并行的管道内并行地设置两个泵4，并且在相应的管道内有单向阀5与各个这些泵连接。与第一交换器相联并与变压器15热接触的油箱14具有用于油箱14中的冷却油液位的可视液位指示器8以及检测器9和10。此外，如果超过油箱14内的油的最大压力，则油箱14具有用1表示的排出和过滤油的阀以及安全放泄阀6。

为了确保冷却系统的适当运行，在冷却回路的两个不同位置处分别设有温度传感器12，从而提供所述位置的冷却油温度。测量信号被提供给电子装置，该电子装置确定由所述至少两个传感器12检测出的温差并将所述温差与所述温差的能在所述电子装置内设定的最大临界值进行比较。在图1中，这种装置包括用17表示的电子处理单元。因此，单元17确定由两个传感器12检测出的温差。在单元17内能针对所述温差设定临界值，并且该单元包括将由传感器12检测出的温差与针对所述温差设定的临界值进行比较的装置或执行该装置的任务。

当由温度传感器检测出的温差低于临界值时，认为冷却油流动充分而能够确保冷却系统的适当运行。

当由温度传感器检测出的温差高于临界值时，认为冷却油流动不充分而不能确保冷却系统的适当运行。在这种情况下，单元17将适当地控制用于指示和/或进行安全运行的装置，该装置总体用18表示并且其可以是任意类型的。

冷却回路中的必须设置所述两个温度传感器12的所述两个不同位置这样来选择，即，在所述位置处，冷却油的温差在油不流动的情况下应当在理论上具有其最高值。也能通过实验来确定两个温度传感器12在回路内的最佳位置。

已经发现，优选位置即冷却回路的最符合上述标准的位置是第二热交换器16的出口(在此油应当具有其最低温度)，以及作为第一热交换器一部分的油箱14(在此油应当具有其最高温度)。

使用温差测量来间接确定充分流体流动的存在使得测量流体流动能在很低的温度下进行，此时油的粘度增加且因此机械装置如流量计不能工作。

按照通常被用作冷却流体的油的特性，当油温低于10℃时，使用如上所述的温差测量来确定油的流动。

通过间接测量冷却回路的不同位置处的油的温差，能在低至大约-40℃的很低温度下可靠地检测冷却油的流动。

温度传感器的上述布置不应被认为是限制性的，而其只是优选的布置。

温度传感器的可选的优选布置可直接位于两个热交换器即使油冷却的热交换器16和冷却变压器的热交换器的出口处或位于所述热交换器内。

有利地，如从图1可看出，与用于确定回路中两个不同位置处的油的温差的温度传感器12并行地在回路中设置有至少一个流量计13。特别地，针对各个输送管道(其中两个泵4中的一个与另一个彼此并行地运行)都设置流量计13。

一个或多个流量计13是已知类型的并且包括偏斜度与流速相关的桨叶等部件。基于桨叶偏斜成较低或较高程度来测量流动。

根据一有利实施例，当温度超过10℃时，作为从由两个温度传感器测得的油温差测量得到的信号的替换，从流量计获得的信号被用于确定冷却油的流动。因此，这样的温度值是油温或室温的临界值，藉此，关于冷却油流动的信息由一个或多个流量计检测出来或通过测量冷却回路中两个不同位置处的油温差而被间接确定。

当温度超过10℃且因此超过油温或室温的临界值时，由冷却回路的不同位置处的油温差间接获得的冷却油流动测量结果可被用于诊断目的。特别地，所述测量结果被用作校验温度传感器的适当运行的测量结果。

差压传感器用2和虚线表示。其是用于确定回路的两个不同位置之间的压差的已知传感器。如所已知，差压测量结果可被用作流体流动的间接测量结果，特别是在两个不同测量位置被具有高流动阻力的回路部段分开时。在这种情况下，例如，差压传感器测量使油冷却的交换器16的入口与出口之间的压差。在这种变型实施例中，差压传感器设置成取代一个或多个流量计13。与温度传感器12一样，差压传感器不受到低温下冷却油粘度增加的影响或受其影响的程度较小，当然它们不那么可靠。

在所示实施例中，差压传感器被用于根据在回路的两个不同位置处检测出的压差和该压差值与预定临界值之间的比较来确定流体流动。由包括确定回路中两个不同位置处的冷却油温差的温度传感器和一个或多个差压传感器的双重系统获得的流体流动值的测量结果在此情况下被用作用于校验差压传感器和/或温度传感器的适当运行的并行装置。也能提供与以上所述相对的方案，即流体流动的主要测量结果由温度传感器检测出来，而压差值是用于校验温度传感器12和评价电子装置17的适当运行的值。

应注意，本发明的技术教导可应用于变压器用冷却系统的任何类型的布置，本领域技术人员能改变现有冷却系统以应用本发明的总体技术概念。

Claims (15)

1、油冷却系统，特别是用于为牵引电机供电的变压器和用于高粘度状态下的油的油冷却系统，所述系统包括从产热源到冷却油的第一热交换器，所述第一热交换器由至少一条输送管道和至少一条回流管道连接到第二热交换器，所述第二热交换器用于通过将吸收在所述第一热交换器中的热量传递至温度低于冷却油温度的环境而使所述油冷却，此外设置有用于使冷却油从所述第一热交换器流动至所述第二热交换器及从所述第二热交换器流动至所述第一热交换器的装置，以及用于监控回路中的油流动的装置，所述回路包括所述第一和所述第二热交换器及所述输送管道和回流管道，所述用于监控流动的装置控制用于指示所述冷却系统的运行状况的装置和/或用于进行防止所述产热源过热的安全运行的装置，

其特征在于：

用于监控冷却流体流动的装置包括设置在冷却回路中的不同位置处的至少两个温度传感器，并且设置有电子装置，所述电子装置用于确定由所述至少两个传感器检测出的温差并且用于将所述温差与所述温差的能在所述电子装置中设定的最大临界值进行比较，该比较装置判定由温度传感器检测出的温差是高于还是低于所述临界值，并且在由所述至少两个温度传感器检测出的所述温差高于所述临界值时控制用于指示所述冷却系统的运行状况的装置和/或用于进行防止所述产热源过热的安全运行的装置。

2、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少两个温度传感器分别设置在冷却回路的两个不同位置之一处，在所述不同位置处，冷却流体的温差在冷却流体不流动或流动不充分的情况下具有其最大值。

3、根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，第一温度传感器设置在冷却所述产热源的第一热交换器的出口内或出口处，第二温度传感器设置在冷却所述冷却流体自身的第二热交换器的出口内或出口处。

4、根据前述权利要求中的一项或多项所述的系统，其特征在于，所述产热源是铁路变压器，特别是为电力机车、电动火车等的电机供电的变压器，冷却所述变压器的第一热交换器提供与所述变压器热接触的油箱，并且第二交换器设置在所述冷却流体和外部环境之间，第一温度传感器设置在所述油箱中，而第二传感器设置在第二热交换器的出口处。

5、根据前述权利要求中的一项或多项所述的系统，其特征在于，所述系统与温度传感器结合地还包括用于直接测量冷却流体流动的装置，例如所述流量计，所述用于直接测量冷却流体流动的装置与温度传感器并行工作，并且由此产生的测量信号在流体温度高于预定的最低温度时被用作冷却流体流动的测量结果。

6、根据权利要求5所述的系统，其特征在于，由温度传感器检测出的温差被用作用于对冷却系统装置和特别是温度传感器的适当运行进行诊断校验的测量结果。

7、根据前述权利要求1至4中的一项或多项所述的系统，其特征在于，所述系统与所述至少两个温度传感器结合地还在所述两个交换器之一的入口与出口之间设有差压传感器，与由所述至少两个温度传感器测得的温差有关的测量结果被用作用于对差压传感器的适当运行进行校验和/或用于对冷却系统的其它装置进行诊断校验的测量结果。

8、根据前述权利要求中的一项或多项所述的系统，其特征在于，在冷却回路的两个不同位置处测得的两个温度之间的温差的最大临界值为从10至20℃。

9、根据权利要求5至8中的一项或多项所述的系统，其特征在于，用于通过温差、或直接的机械装置如流量计、或压差测量来测量冷却流体流动的温度临界值是10℃。

10、变压器，特别是用在铁路领域中和尤其用于为电力机车、电动火车等的电机供电的变压器，该变压器与能采用高粘度状态下的冷却流体来运行的冷却系统结合设置，所述冷却系统包括：

冷却回路，具有从产热源到冷却油的第一热交换器，所述第一热交换器由至少一条输送管道和至少一条回流管道连接到第二热交换器，所述第二热交换器用于通过将吸收在所述第一热交换器中的热量传递至温度低于冷却油温度的环境而使所述油冷却，此外设置有用于使冷却油从所述第一热交换器流动至所述第二热交换器及从所述第二热交换器流动至所述第一热交换器的装置，以及用于监控回路中的油流动的装置，所述回路包括所述第一和所述第二热交换器及所述输送管道和回流管道，所述用于监控流动的装置控制用于指示所述冷却系统的运行状况的装置和/或用于进行防止所述产热源过热的安全运行的装置，

其特征在于：

它具有根据权利要求1至9中的一项或多项所述的一个或多个特征。

11、用于监控冷却系统中的处于高粘度状态下的冷却流体的流动的方法，所述冷却系统包括冷却流体流动回路，其特征在于，所述方法设置成，通过确定在冷却流体流动回路的至少两个不同位置处测得的冷却流体温度之间的冷却流体温差的值，并将所述测得的温差与预定的最大临界值进行比较，来间接地测量冷却流动，高于所述最大临界值则认为冷却流体流动不充分或不存在，而低于所述最大临界值则认为流体流动充分。

12、根据权利要求11的方法，其特征在于，所述方法并行地设置成，使用由冷却流体流动直接驱动的机械装置来直接测量冷却流体流动，限定冷却流体温度或室温的温度临界值，使得当冷却流体的温度或室温低于所述温度临界值时，基于冷却回路的至少两个不同位置处的冷却流体温度值之间的温差来确定流体流动的指示，而当所述温度高于所述温度临界值时，通过用机械装置测量流体流动来确定流体流动。

13、根据权利要求12的方法，其特征在于，当温度超过所述温度临界值时，通过确定冷却回路的至少两个不同位置处的冷却流体温度值之间的温差而得到的流体流动测量结果被用作用于对系统装置、特别是温度传感器进行诊断校验的值，并且被认为可靠的流体流动值是由所述流量计给出的值。

14、根据权利要求11的方法，其特征在于，所述方法设置成，通过确定冷却回路的至少两个不同位置处的冷却流体温度值之间的温差，以及确定冷却回路的至少两个不同位置处的冷却流体压力值之间的压差、特别是热交换器的入口与出口之间的压差，来并行地测量冷却流体流动回路中的流体流动。

15、根据权利要求14的方法，其特征在于，通过测量冷却回路的两个不同位置处的冷却流体的温差而确定的流体流动值和通过测量冷却回路的两个不同位置处的压差而确定的流体流动值被用于对系统装置进行诊断校验，特别是用于对温度传感器和差压传感器进行运行交叉校验。