CN102165539B - 变压器系统 - Google Patents

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Abstract

为了提高在风力发电站中操作的变压器的冷却效率，根据本发明，设置有一种冷却系统。冷却系统包括具有用于供给变压器冷却介质的第一开口(12)并具有用于排出变压器冷却介质的第二开口(14)的变压器保护外壳(10)。并且，第一通道系统(20)向变压器保护外壳(10)供给变压器冷却介质；第二通道系统(22)从变压器保护外壳(10)排出变压器冷却介质。通过本发明的冷却系统的设置，冷却介质向容纳于变压器保护外壳(10)中的变压器的受控流动增加了设备的操作效率。

Description

变压器系统
技术领域
本发明涉及变压器系统，特别是，涉及在风力发电站中操作的变压器的冷却。
背景技术
风力发电站被操作用于将风能转换成其它形式的能量，典型地是电。由于风能的可再生性、广泛的分布和减少温室气体排放的潜力，风力发电站越来越普及。近年来，随着风能已经成为发展最快的能源之一，现在有数千的风力发电站处于运行之中。
在DE 103 10 036 A1中，描述了风力发电站的构建方法。在风力发电站的塔底设置至少包含变压器的功率模块。这里，功率模块被封装于容器中。容器具有使得在容器的侧壁和风力发电站的塔的内壁之间保持空间的尺寸。但是，随着容器被完全封装，在容器的内部和大气之间不存在任何的空气交换。
发明内容
鉴于以上情况，本发明的目的是，实现改善在风力发电站中操作的变压器的冷却。
根据本发明，通过一种在风力发电站中操作的变压器的冷却系统解决该目的。冷却系统包括具有用于供给变压器冷却介质的第一开口并具有用于排出变压器冷却介质的第二开口的变压器保护外壳。并且，冷却系统包括用于向变压器保护外壳的第一开口供给变压器冷却介质的第一通道系统。并且，冷却系统还包括用于从变压器保护外壳的第二开口排出变压器冷却介质的第二通道系统。
通过在变压器保护外壳中设置入口和出口，能够实现明显改善变压器的冷却。这使得能够实现变压器的受控冷却并减少用于其构造的材料的量。并且，变压器保护外壳的设置实现更多的对于维护人员的保护和防火保护。最后，冷却系统和变压器可在产品设施处在其安装于风力发电站中之前被测试，以增加整个变压器系统的可靠性。
根据本发明的优选实施例，第一通道系统与被安装于风力发电站的塔壁或吊舱中的供给箱连接。优选地，第二通道系统与被安装于风力发电站的塔壁或吊舱中的排出箱连接。任选地，供给箱可设有过滤器系统。
根据本发明的该优选实施例，能够从风力发电站的外部向操作变压器的位置提供例如新鲜空气。为了避免变压器的任何污染，过滤器系统可去除包含于来自外部的空气流中的任何污染物。同样，排出箱的使用支持变压器冷却介质向风力发电站的外部的受控排出。
根据本发明的另一优选实施例，风扇被设置在例如第一通道系统中、第二通道系统中和/或排出箱中。
根据本发明的该优选实施例，能够增加系统中的变压器冷却介质的流速。当风扇根据变压器损耗被操作时，例如，当在变压器不运转时被关断以及在变压器损耗超过一定的阈值时被接通，这使得能够根据操作条件而优化变压器的冷却以及当不需要风扇的操作时能够节能。
根据本发明的另一优选实施例，第一通道系统与用于在风力发电站的塔内设置冷却回路的第二通道系统耦合。冷却回路与为风力发电站提供的热交换器耦合，该热交换器例如被安装到风力发电站的外壁上、风力发电站的塔内或风力发电站的吊舱中。
根据本发明的该优选实施例，能够使变压器冷却介质流与变压器保护外壳的外部隔断。这减少变压器保护外壳内的变压器的污染。
并且，通过设置用于在风力发电站中操作的特定的变压器实现以上概述的目的。变压器包含变压器芯和绕变压器芯缠绕的至少一个变压器绕组。根据本发明，建议变压器绕组设有用于引导变压器冷却介质的至少一个冷却通道。优选地，在至少一个低压绕组和高压绕组之间设置用于建立附加的冷却通道的附加的空间。
根据本发明的第二方面，通过设置具有冷却通道的绕组和高压绕组和低压绕组之间的间隔，特别是与以上概述的冷却系统组合地支持变压器的冷却。
根据本发明的另一优选实施例，变压器被设置在上述的变压器保护外壳内，并且，优选设置有用于将变压器冷却介质导向变压器和相关的冷却通道的至少一个导向板。
本发明的该优选实施例使得能够结合本发明的冷却系统和本发明的变压器的优点。导向板的设置优化变压器冷却介质从外部向变压器以及通过变压器的冷却通道两者的流动。
根据本发明的另一优选实施例，变压器可设有用于检测变压器损耗的温度传感器和用于检测变压器的操作扰动的保护器件。
本发明的这些优选实施例实现增加本发明的冷却系统内的变压器的操作期间的故障安全性。
附图说明
以下，将参照附图描述本发明的实施例，其中，
图1表示根据本发明的变压器保护外壳的第一例子；
图2表示根据本发明的变压器保护外壳的第二例子；
图3表示在风力发电站的塔底处安装图1所示的变压器保护外壳的例子；
图4表示根据本发明的变压器的示意图；
图5表示根据本发明的变压器绕组的示意图；
图6表示根据本发明的冷却系统的第一例子；
图7表示根据本发明的冷却系统的第二例子；
图8表示根据本发明的冷却系统的第三例子；以及
图9表示根据本发明的冷却系统的第四例子。
具体实施方式
以下，将参照附图解释本发明的不同的实施例和例子。
图1表示根据本发明的变压器保护外壳的第一例子。
如图1所示，变压器保护外壳10包含用于供给变压器冷却介质的第一开口12。并且，变压器保护外壳包含用于排出变压器冷却介质的第二开口14。如图1所示，变压器保护外壳还设有用于在其维护期间接近容纳于变压器保护外壳中的变压器的一个或更多个检修门16-1、16-2、16-3。
如图1所示，在保护性外壳10内，可设置有以虚线表示的内部通道系统18，用于将从第一开口12供给的变压器冷却介质在送到变压器之前将其导向变压器保护外壳10的下部。内部通道系统18的设置使得能够在风力发电站内的较低水平处安装变压器保护外壳。
图2表示根据本发明的变压器保护外壳10的另一例子。
图2所示的第二例子与第一例子的不同在于，由于在变压器保护外壳10的较低水平处设置第一开口12，因此内部通道系统被省略。当变压器保护外壳10被安装在风力发电站的塔中的较高水平处时，可以使用变压器保护外壳10的该例子。
一般地，应当注意，根据本发明不以任何方式限制第一开口12和第二开口14的位置，并且，该位置适当地被调整以用于现有在风力发电站内安装的任何要求。并且，保护性外壳10也可被放置于风力发电站的吊舱(gondola)中。
图3表示风力发电站内的变压器保护外壳10的安装的例子。
如图3所示，变压器保护外壳10可被安装到风力发电站的基座上。并且，变压器保护外壳10的第一开口与用于供给变压器冷却介质的第一通道系统20连接。第二开口14与用于在冷却变压器之后排出变压器冷却介质的第二通道系统22连接。第一通道系统20可与被安装在风力发电站的塔壁中的供给箱24连接。第二通道系统22可与排出箱26连接，该排出箱26也被安装在风力发电站的塔壁中。任选地，供给箱24可设有过滤器系统。作为替代方案，当变压器保护外壳被安装在风力发电站的吊舱中时，可以理解，供给箱22和排出箱24也被安装在吊舱中的适当位置处。
在操作上，对于图3所示的安装，使用外部空气作为变压器冷却介质。但是，应当注意，根据本发明，可以使用适用于冷却变压器的任何其它类型的材料。
如图3所示，通过供给箱24和第一通道系统20向变压器保护外壳10的第一开口12供给外部空气。在通过图3未示出的内部通道系统将空气导向保护外壳10的下部之后，空气在变压器保护外壳10内从底部流向顶部。然后，加热的空气通过第二开口14和第二通道系统22被导向排出箱26。并且，在维护期间，人员可通过开口16-1、16-2、16-3接近容纳于变压器保护外壳上的变压器。
根据本发明，设置可在工厂中被测试并且确保生产测试的结果在安装在风力发电站中之后保持有效的规定的冷却系统。
并且，通过冷却系统的优化设置，可以大大减少材料和必要的空间。规定的变压器冷却介质流实现减少变压器绕组的加热。变压器可以是气候类型C2，并且可在例如-25℃～+40℃或者甚至-50℃～+50℃的温度范围内操作。
如图3所示，例如由锌涂层钢板构造的变压器保护外壳10防止人员接触导电部件。设备的所有部件与风力发电站的接地系统连接。当出现故障时，可通过本发明的系统排出热气体。传感器器件(如电弧传感器)可用于检测扰动并能够非常迅速地切断设备。这在很大程度上减少危险和损害。可通过使用本发明的冷却系统从设备排出可燃气体。可以满足根据例如EN 50308的要求。并且，变压器的绕组中的温度传感器和相关的测量值被集成到设备的控制中，这使得能够在绕组的加热不可接受时使设备停止。
图4表示根据本发明的变压器的示意图。
变压器28可以是干式变压器，例如，为铸塑树脂干式变压器。
如图4所示，根据本发明的变压器28包含变压器芯30、至少一个高压绕组32-1、32-2和至少一个低压绕组34。变压器芯30被安装到支撑件36上并被框架38-1～38-4固定。任选地，可以设置用于吸收变压器28的运输期间的振动的弹簧，例如盘式弹簧40-1、40-2。任选地，在一个或更多个绕组中，可以设置有用于在变压器28的操作期间检测绕组温度的一个或更多个温度传感器42-1、42-2。
如图4所示，根据本发明，在绕组中的每一个之间，即，在第一和第二高压绕组32-1和32-2之间并进一步在内部高压绕组32和低压绕组34之间提供空间以建立冷却通道，使得在变压器28的操作期间变压器冷却介质可在变压器28的绕组之间流动。同样，虽然图4表示多于两个的变压器绕组之间的空间的设置，但应注意，本发明的范围也覆盖仅在绕组中的任一个之间的单一空间或者任何其它的修改的设置。
图5表示通过变压器28的绕组中的一个横截图。
如图5所示，根据本发明，建议在变压器绕组中设置至少一个冷却通道44-1～44-n，以还从内部实现变压器绕组的附加冷却。这里，应当注意，可以对于高压绕组、低压绕组或它们的组合提供附加冷却通道44-1～44-n的设置。并且，可以根据变压器28的操作条件自由配置附加的冷却通道44-1～44-n的数量。
以下，将讨论用于连接变压器与电力网络的条件。
常常远离消费中心或常规的发电站中心建立世界范围的风力涡轮机组。由于消费中心中的风力的稳定增加，因此网络操作员对于电特性的需求增加。根据不同国家的占优势的条件，关于由于风力涡轮机组的电力特性导致的电压变化以及关于故障特性存在不同的要求。必须设置一定量的电感和电容无功功率。
由于变压器被连接在电力网络和风力发电机之间，因此电力网络连接条件对于变压器的设计并因此对于制造成本具有明显的影响。由于较高的网络电压或电容负载导致的变压器处的过大的电压导致过激励，并因此导致变压器芯的不可接受的加热。可通过降低电感即通过增加使用磁钢板来补偿这一点。
还应在欠电压的条件下设置风力发电站的额定功率。因此，变压器必须设计成可随增加的电流以连续方式操作。通过使用本发明的变压器和绕组中的冷却通道的优化冷却并且进一步通过变压器芯的设计，能够大大降低该额外的花费。
并且，当长距离大量地运输风力发电站时，必须考虑由于卡车、船或铁路运输导致的变压器上的机械负载。迄今为止，本发明的用于风力发电站的变压器设有具有高机械稳定性的胶叠层芯钢板。为了进一步增加该机械稳定性，通过芯接头固定叠层芯钢板。任选地，可通过使用绕组带进一步使变压器芯稳定。用于增加机械稳定性的另一措施是设置相对于芯和框架支撑绕组的盘式弹簧。
以下，将参照图6～9解释根据本发明的冷却系统的不同的例子。
图6表示根据本发明的冷却系统的第一例子。在附图表示相对于图1～5解释的要素的范围内，其解释将不被重复以避免冗余。
如图6所示，在风力发电站的塔46内设置本发明的冷却系统。并且，变压器保护外壳10被设置并安装于塔46的下侧。同样，供给箱24包含用于过滤流入物中的污染物的过滤器系统48。过滤器系统48的设置避免变压器28的污染。
如图6所示，在变压器保护外壳10的第二开口14处，设置有风扇50。应当注意，风扇50也可被布置于冷却系统内的任何其它适当的位置处，例如，布置于第一通道系统20中、布置于第二通道系统22中或者布置于排出箱26(图6未示出)内。在操作上，风扇50增加冷却系统内的冷却空气的对流以增加操作效率。如上面概述的那样，可根据可在变压器28的操作期间改变的变压器28的绕组的温度来控制风扇50的操作。
优选地，为了减少本发明的冷却系统内的功耗，考虑到变压器损耗切断风扇50。换句话说，可以在不接通风扇50的情况下排出无载损耗或例如达1000KVA的低负载损耗。仅在较高的负载处，风扇50通过设置在变压器28的绕组中的温度传感器的控制被打开。
如图6所示，可以设置用于检测变压器28的操作扰动，例如电弧，的保护器件52。在检测到这种故障时，可以停止风力发电站的操作以避免冷却系统和变压器28的任何破坏。
如图6所示，变压器保护外壳10还可设有至少一个导向板54-1、54-2。导向板54-1、54-2的设置增加了变压器冷却介质的流动效率，使得冷却介质向变压器、在变压器的冷却通道内以及向变压器保护外壳10的出口的流动被优化。同样，应当注意，可以根据变压器保护外壳10内的操作条件适当地选择导向板的数量。这同样适用于变压器保护外壳10内的定位及其布置。
图7表示根据本发明的冷却系统的第二例子。
图7所示的例子与图6所示的例子的不同是安装的变压器的类型。图6表示使用干式变压器，而图7表示，也可根据本发明在变压器保护外壳10内适当地安装例如油冷变压器。同样，在这种情况下，可通过本发明的冷却系统明显提高对于变压器的冷却效率。
图8表示根据本发明的冷却系统的第三例子。
如图8所示，根据该第三例子，第一通道系统与设置在风力发电站的塔46中的用于提供冷却回路56的第二通道系统耦合。内部回路56与外部冷却回路58热耦合，该外部冷却回路例如通过建立空气对空气冷却系统被设置为热交换器。外部回路58设有用于增加其冷却效率的附加风扇60。没有通过塔壁中的开口供给的外部冷却介质不会到达变压器28，因此冷却系统的第三例子实现变压器28的针对污染的更多的保护。
图9表示作为第三例子的变型的根据本发明的冷却系统的第四例子。
如图9所示，根据冷却系统的第四例子，在风力发电站的塔46内设置热交换器。
应当注意，热交换器不限于空气-空气冷却系统类型，而也可以为空气-流体冷却系统类型，例如，为空气-水冷却系统类型。其它的选择可以是在热交换器中使用板冷却系统。
并且，应当注意，也可以在风力发电站的吊舱中安装根据第三和第四例子的冷却系统。
总体来说，本发明实现在风力发电站中操作的变压器的的冷却的目标。通过维护人员的增加的保护、增加的防火保护、适当的电力网络连接条件以及运输期间的振动和运输条件的考虑，补充优化的冷却。本发明对于风力发电站的安全的网络连接提供生产设施测试的、可靠的和成本有效的选择。它可供陆上风力发电站使用，例如，在UM36KVA的1.6MVA～4MVA最大操作电压的功率范围中使用。

Claims (11)

1.一种在风力发电站中操作的变压器的冷却系统，包括：
具有用于供给变压器冷却介质的第一开口并具有用于排出变压器冷却介质的第二开口的变压器保护外壳(10)；
用于向变压器保护外壳的第一开口供给变压器冷却介质并用于从变压器保护外壳的第二开口排出变压器冷却介质的内部冷却回路(56)；和
与内部冷却回路热耦合并且作为热交换器操作的外部冷却回路(58)，其中，
外部冷却回路(58)设有用于增加冷却效率的第一风扇(60)，并且外部冷却回路(58)可被安装在风力发电站的外壁上、风力发电站的塔内或风力发电站的吊舱中。
2.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，热交换器是空气对空气冷却系统、空气流体冷却系统或板冷却系统。
3.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，第二风扇(50)被设置在内部冷却回路(56)中。
4.根据权利要求3所述的冷却系统，其特征在于，所述第二风扇(50)可根据变压器损耗操作。
5.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，变压器保护外壳(10)设有用于将变压器冷却介质导向变压器(28)的至少一个导向板(54-1、54-2)。
6.变压器系统，包括：
用于在风力发电站中操作的变压器(28)，所述变压器(28)具有变压器芯(30)和绕变压器芯(30)缠绕的至少一个变压器绕组(32-1、32-2、34)，其中，
至少一个变压器绕组(32-1、32-2、34)设有用于引导变压器冷却介质的至少一个冷却通道(44-1、...、44-n)，
其特征在于，
变压器被容纳于根据权利要求1～5中的一项所述的冷却系统中。
7.根据权利要求6所述的变压器系统，其特征在于，所述变压器系统包括至少一个低压绕组(34)和至少一个高压绕组(32-1、32-2)，并且，在低压绕组(34)和高压绕组(32-1、32-2)之间设置有用于建立另外的冷却通道的空间。
8.根据权利要求6所述的变压器系统，其特征在于，在至少一个变压器绕组(32-1、32-2、34)中设置有用于检测变压器损耗的温度传感器(42)。
9.根据权利要求6～8中的一项所述的变压器系统，其特征在于，在变压器保护外壳中设置有用于检测变压器(28)的操作扰动的保护器件(52)。
10.根据权利要求6～8中的一项所述的变压器系统，其特征在于，变压器包含通过芯接头固定的叠层芯钢板。
11.根据权利要求9所述的变压器系统，其特征在于，变压器包含通过芯接头固定的叠层芯钢板。
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