CN102313471A - 冷却系统的功能监视和/或控制方法及相应的冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明为冷却系统的功能监视和/或控制方法及相应的冷却系统涉及一种方法，用于带有至少一个热虹吸管的冷却系统的功能监视，该冷却系统特别用于变压器，优选用于干式变压器，其中，给该冷却系统提供至少一个蒸发器和至少一个冷凝器，并且使用可蒸发的致冷剂和气体形式的介质、优选空气作为载热体，其中热差方法和/或热传输效率的方法用于监视设有热虹吸管的冷却系统的功能和运行安全。此外本发明涉及具有至少一个热虹吸管的相应冷却系统。

Description

冷却系统的功能监视和/或控制方法及相应的冷却系统

技术领域

本发明涉及用于带有至少一个热虹吸管的冷却系统的功能监视或者控制的方法，特别用于变压器，优选用于干式变压器，其中，该冷却系统设有至少一个蒸发器和至少一个冷凝器，并且使用可蒸发的致冷剂和气体形式的介质、优选空气作为载热体，以及涉及用于执行该方法的系统。

背景技术

装备有热虹吸管的冷却系统原则上在现有技术中公知。除了作为载热体的水和空气之外它们还经常使用致冷剂作为中间冷却介质。

当今为空气-空气以及空气-水冷却系统使用的监视技术对于热虹吸管的工作方式的可靠预测和估计而言是不够的。

例如不能早期预言系统填充有载热体介质的填充状态。分别通过传感器测量的温度和压力差单独不适合提供该信息。单单在致冷剂泄漏的情况下这些传感器就能够引起错误的较晚识别。

在使用当今的技术、例如空气-水热交换器、空气-空气热交换器以及肋形管组换热器的冷却系统中，通过水泄漏传感器、压力差传感器和温度传感器进行关于功能以及运行安全的监视。

水泄漏传感器经常应用在海事中，用以检测空气-水冷却器的破裂，从而避免水侵入外壳的电气功能区域内。

压力差传感器监视冷却系统的通风机或者空气入口和空气出口。

使用温度测量，用以监视冷却空气和绕组的温度且在必要时导入改正措施。

从欧洲专利申请No.09015185.3获知为变压器的冷却提供的冷却系统，其利用热虹吸管原理(即热虹吸管技术)的优点。

然而用于这种系统的监视和诊断策略迄今尚不存在。

从该现有技术出发，本发明的任务在于实现开始时提到的类型的方法和冷却系统，其以尽可能简单的方式允许对于当前的系统状态进行可靠并且有意义的陈述。为此，对于早期的错误识别，开发新的逻辑和信号处理策略是必需的。

发明内容

根据本发明该任务通过权利要求1的区别性特征解决。

因此，根据本发明规定，热差方法和/或热交换效率

的方法用于监视设有热虹吸管的冷却系统的功能以及运行安全。

在这种情况下在热差方法中以有利的方式、相应于如下公式构成并且估计至少一个冷凝器中的以及至少一个蒸发器中的致冷剂的温度差DT：

$\mathrm{DT}=T_{\mathrm{evap}}^{\mathrm{manifold}}-T_{\mathrm{condens}}^{\mathrm{manifold}}$

其中T^manifold _evap＝蒸发器中的温度以及

其中T^manifold _cond＝冷凝器中的温度。

亦即在该方法中构成冷凝器容器中和蒸发器容器中的致冷剂的温度差。该公式的物理解释如下：

热虹吸管中的压力降通常仅提供小值。在这种情况下压力和温度在双相致冷剂(液体和气体形式)的情况下彼此耦合，这也如图4所示。因为容器中的压力彼此只有不明显的差别，所以温度差也几乎为零(DT～0)。

但是在泄漏的情况下沿热虹吸管的温度梯度不再可以忽略，因为在蒸发器(热点)和冷凝器(冷点)之间的热阻非常高，亦即

DT～(T_warm-T_kalt)。

因此冷却系统功能的监视相应于在图2中给出的逻辑进行。

本发明的一个优选的改进方案规定，为减少用于采集温度特征值所需要的测量通道的数目，顺序地执行测量。

本发明的一种有利的设计方案的特征在于，每次同时在一个热虹吸管单元上测量这两个温度。

作为本发明的第二-备选或者补充-测量和监视方法，提供热交换效率的方法。

该方法规定，根据关系式

热虹吸管系统的总的效率ε由冷凝器入口处的温度(T_env)和冷凝器出口处的温度(T_condens ^out)的差与冷凝器入口处的温度(T_env)和蒸发器入口处的温度(T_evap ⁱⁿ)的差的比率构成。

于是例如C_condens＞C_evap成立，其中C＝cp＊m

这里，cp＝恒压下空气的比热容

m＝空气流

对于C_condens＜C_evap的情况，其中C＝cp＊m

下式成立： $\mathrm{\ϵ}=\frac{(T_{\mathrm{evap}}^{\mathrm{in}}-T_{\mathrm{evap}}^{\mathrm{out}})}{(T_{\mathrm{evap}}^{\mathrm{in}}-T_{\mathrm{env}})}$

使用分别测定的冷凝器入口处的温度值(T_env)、蒸发器入口处的温度值(T_evap ⁱⁿ)和冷凝器出口处的温度值(T_condens ^out)，根据上面给出的关系式构成热虹吸管系统的总的效率。

当一个或者多个热虹吸管故障时，冷凝器出口温度(T_condens ^out)必然降低而蒸发器入口处的温度(T_evap ^out)升高。这导致效率数(Effektivitaetszahl)减小。该减小可以与多个损坏的热虹吸管相关。

为发现这种错误情况，确定效率数的较低临界值(eff_l)是有意义的。

在例如由于沉积而引起空气入口的流入横截面减小的情况下冷凝器入口处的空气体积流减小时，冷凝器出口处的空气温度升高。相应地效率数升高(在恒定的蒸发器入口温度下)。

为发现这种错误情况，确定效率的上限(eff_u)是有意义的。

效率数的边界值(eff_l和eff_u)例如在热运转测试期间与外壳内部的空气温度一起确定。用于该方法的逻辑在图3中表示。

根据本发明的方法的一个有利的改进方案的特征是，在故障的情况下，例如“警告”状态(图2和3中的信号)，为排除故障至少暂时中断气体形式的载热体的流动，或者在需要时甚至至少暂时反转气体形式的载热体的流动方向。

本发明的方法的另一种适当的设计方案在于，加热冷凝器以及蒸发器，其方式是分别、例如在涉及的排口处由热源供热，以便避免在冷凝器外壳内形成冷凝液或者冷凝器-换热器器结冰。

如之前已经提到的一样，本发明的对象还有冷却系统，特别是用于变压器的冷却系统，优选用于干式变压器，其中，该冷却系统具有至少一个热虹吸管，所述至少一个热虹吸管设置在外壳内且设有至少一个蒸发器和至少一个冷凝器，以及使用可蒸发的致冷剂和气体形式的介质、优选空气作为载热体，并且适合执行上述方法。

这种冷却系统的特征特别在于，在外壳内提供用于测定有关温度的温度传感器，以便测定对于热差方法和/或对于热交换效率的方法所需要的特征值。

按照根据本发明的冷却系统的一种优选的设计方案，提供鼓风机装置，所述鼓风机装置用于产生气体形式的介质的流动。

在这种情况下相应地提供一种有利的实施方式，即气体形式的介质的运送至少可以暂时中断。同样地，可以通过改变鼓风机装置的送风方向反转气体形式的介质的流动方向。

本发明的冷却系统的另一种特别有利的设计方案的特征在于，在容纳至少一个冷凝器和至少一个蒸发器的外壳内设置至少一个热源，这里以优选的方式由至少一个加热元件构成该热源。

用本发明实现的监视策略仅使用温度的信息来诊断热虹吸管的功能。这导致显著减少了系统中的传感器的数目，其中例如不需要压力或者压力差传感器。

本发明的这些以及另外的有利的设计方案和改进是从属权利要求的对象。

附图说明

根据在附图中表示的本发明的一个实施例详细阐述和说明本发明、本发明的有利的设计方案和改进以及本发明的特别的优点。

图1示出带有热虹吸管技术的变压器的示意剖面图。

图2示出用于实现热差方法的逻辑图。

图3示出用于实现热交换效率方法的逻辑图。

图4示出内部冷却循环的压力-焓图。

具体实施方式

图1是带有外壳12的变压器10的示意剖面图，在外壳12内设置带有三个绕组布置16的铁芯14以及与其分开地在单独的腔室18、19内分别设置冷凝器20和蒸发器22。

此外在外壳12内总共设置5个温度传感器24、26，其中，一方面传感器24用于测定为了确定效率(热交换效率的方法)所需要的特征值，另一方面用于测定为了确定冷凝器20中的致冷剂和蒸发器22中的致冷剂的热差形成(温差方法)所需要的特征值。

此外使用箭头28、30、32(带有阴影线)示出流入外壳12内的冷的致冷液以及在外壳12内部的走向，而箭头34、36(带有点栅格)示出装载有损耗热量的致冷液从外壳12流出。

冷的致冷液相应于箭头28流入外壳12的腔室18内，且在流经冷凝器20后一部分带着在冷凝器20内吸收的热量到达外面，另一部分进入腔室19，从那里流入设置有带有铁芯14和绕组布置16的实际变压器的区域。在这里致冷液吸收从绕组布置散发出的损耗热量，接着流入蒸发器22。

图2示出为实现温差方法的示意性监视逻辑的流程图。其中分别给出各个步骤。下面说明其内示出的各个步骤或者措施。

根据图3的热差方法逻辑的说明

1.该监视(Monitoring)比较蒸发器入口处的温度(或者绕组温度)与预先给定的设计温度。如果未超过阈值，则系统处于备用；也就是说不执行任何动作。如果绕组的温度或者蒸发器入口处的温度过低，则通风机继续运行或者不起动。

2.如果在步骤2中超过阈值温度，并且按照图1的通风机被关断，则通风机必须现在起动。这里可以进行通风机转速调节。

3.在该步骤中等待稳定状态。测量冷凝器处和蒸发器处的“歧管温度”。构成“n”个热虹吸管的差。

4.将这些差与阈值比较：DT阈值。

5.在超过阈值的情况下，计数器n_error升高(诊断)。

6.在步骤6构成损坏的热虹吸管的比率，并与两个阈值比较(例如0.6和1)。如果该比例在该范围内，则多个热虹吸管损坏且冷却系统的功能危险。状态服务、检查和修理是必需的。

7.如果比率n_error/n不大于确定的但非临界的阈值(例如0.3)，则热虹吸管系统不危险。那时存在状态“OK”。对于超过临界阈值(例如0.3)的情况，激活状态“警告”，并且需要检查。

图3示出用于实现热交换效率的方法的示意性监视逻辑的流程图。其中分别给出各个步骤。下面说明其内示出的各个步骤或者措施。

描述用于热交换效率方法的逻辑

1.该监视(Monitoring)比较蒸发器入口处的温度或者绕组温度与预先给定的设计温度。如果未超过阈值，则系统仍处于备用；也就是说不执行任何动作。如果绕组的温度或者蒸发器入口处的温度过低，则通风机继续运行或者不起动。

2.如果在步骤2中超过阈值温度，并且按照图1的通风机被关断，则该通风机必须现在起动。这里可以进行通风机转速调节。

3.在该步骤中等待稳定状态。通过计算确定效率数eff。

4.把该效率数与下阈值eff_low-和上阈值eff_up-比较。同样比较绕组温度或者蒸发器入口处的温度与阈值T_limit1。如果条件满足，则热虹吸管系统功能良好。

5.如果在步骤4中条件不满足，则重新比较温度绕组温度或者蒸发器入口处的空气温度与第二阈值T_limit2。如果温度和由4得到的效率数仍在该范围内，则给出警告信号。

6.如果温度绕组温度或者蒸发器入口处的空气温度超过第二阈值，则需要检查或者修理(服务)。如果示出效率数超过eff_up则必须检查冷凝器或者冷凝器通风机。如果效率数示出低于eff_l的值，则一个或者多个热虹吸管损坏。

图4示出内冷却循环(致冷剂)的压力-焓图。其为具有恒定的蒸发温度和冷凝温度(压力)的双相图(气体-液体)。热虹吸管中的压力降很小，以致可以忽略温度差异。

附图标记列表

10变压器

12外壳

14铁芯

16绕组布置

18第一腔室

19第二腔室

20冷凝器

22蒸发器

24温度传感器

26温度传感器

28箭头(带有阴影线)

30箭头(带有阴影线)

32箭头(带有阴影线)

34箭头(带有点栅格)

36箭头(带有点栅格)

Claims (12)

1.用于带有至少一个热虹吸管的冷却系统的功能监视的方法，该冷却系统特别用于变压器，优选用于干式变压器，其中，该冷却系统设有至少一个蒸发器和至少一个冷凝器，并且使用可蒸发的致冷剂和气体形式的介质、优选空气作为载热体，其中热差方法和/或热交换效率的方法用于监视设有热虹吸管的冷却系统的功能和运行安全，其特征在于，

在所述热传输效率的方法中所述热虹吸管系统的总的效率ε根据关系式 $\mathrm{\ϵ}=\frac{(T_{\mathrm{env}}-T_{\mathrm{condens}}^{\mathrm{out}})}{(T_{\mathrm{env}}-T_{\mathrm{eva}}^{\mathrm{in}})}$ 或者 $\mathrm{\ϵ}=\frac{(T_{\mathrm{evap}}^{\mathrm{in}}-T_{\mathrm{evap}}^{\mathrm{out}})}{(T_{\mathrm{evap}}^{\mathrm{in}}-T_{\mathrm{env}})}$

从冷凝器入口处的温度(T_env)和冷凝器出口处的温度(T_condens ^out)的差与所述冷凝器入口处的温度(T_env)和蒸发器入口处的温度(T_evap ⁱⁿ)的差的比率构成。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在热差方法中构成并且相应于如下公式估计所述至少一个冷凝器中的致冷剂以及所述至少一个蒸发器中的致冷剂的温度差DT，

$\mathrm{DT}=T_{\mathrm{evap}}^{\mathrm{manifold}}-T_{\mathrm{condens}}^{\mathrm{manifold}}$

其中T^manifold _evap＝所述蒸发器中的温度以及

其中T^manifold _cond＝所述冷凝器中的温度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，为减少用于采集温度特征值所需要的测量通道的数目，顺序地执行测量。

4.根据权利要求2或3之一所述的方法，其特征在于，每次同时在一个热虹吸管单元上测量所述两个温度。

5.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在故障的情况下为排除故障至少暂时中断气体形式的载热体的流动。

6.根据权利要求1到4之一所述的方法，其特征在于，在故障的情况下为排除故障至少暂时反转气体形式的载热体的流动方向。

7.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，加热所述冷凝器以及所述蒸发器。

8.带有至少一个热虹吸管的冷却系统，所述冷却系统特别用于变压器，优选用于干式变压器，其中，该冷却系统具有至少一个热虹吸管，所述至少一个热虹吸管设置在外壳内，以及设有至少一个蒸发器和至少一个冷凝器，并且使用可蒸发的致冷剂和气体形式的介质、优选空气作为载热体，其特征在于，

在外壳内提供用于测定有关温度的温度传感器。

9.根据权利要求8所述的冷却系统，其特征在于，提供鼓风机装置，所述鼓风机装置用于产生气体形式的介质的流动。

10.根据权利要求8或9之一所述的冷却系统，其特征在于，可通过改变鼓风机装置的送风方向反转气体形式的介质的流动方向。

11.根据权利要求8到10之一所述的冷却系统，其特征在于，在容纳所述至少一个冷凝器和所述至少一个蒸发器的外壳内设置至少一个热源。

12.根据权利要求11所述的冷却系统，其特征在于，所述热源由至少一个加热元件构成。

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