CN108475573A - 具有与温度相关的冷却的变压器 - Google Patents

Abstract

一种电气设备(1)，其具有壳体(6)，布置在壳体(6)中的和可被加载高压的有源构件(2)，有源构件在其运行时产生热量，配设用于冷却的绝缘液(20)，所述壳体(6)被填充该绝缘液，用于冷却绝缘液(20)的冷却装置(8)，所述冷却装置具有至少一个与外界环境导热地连接的冷却元件(10)，绝缘液(20)被导引通过冷却元件，为了使其低成本限制或者甚至避免温度波动，建议所述冷却装置(8)具有与所述壳体(6)相连的和配设有爬升支路(9)的爬升部段(15、15.1)，所述爬升部段在每个爬升支路(9)处都与冷却元件(10)相连，其中，所述爬升部段(15、15.1)的容积根据所述绝缘液(20)的热膨胀系数选择为，使得在预定温度时，液位(21)到达不同数量的爬升支路(9)。

Description

具有与温度相关的冷却的变压器

本发明涉及一种电气设备，该电气设备具有壳体、布置在壳体中的和能被加载高压的有源构件、配设用于冷却的绝缘液，和用于冷却绝缘液的冷却装置，该有源构件在其运行时产生热量，所述壳体被填充该绝缘液，所述冷却装置具有至少一个与外界环境导热地连接的冷却元件，绝缘液被导引通过冷却元件。

这种电气设备已经由不断的实践中已知。因此，油浸变压器按照现有技术为了冷却而配备有散热器。该散热器直接连接在变压器的壳体上，使得绝缘液从内部流过散热器。散热器以其外侧面朝向环境。尤其对于较大的冷却装置设有多个散热器，多个散热器相互平行地布置并且构成所谓的散热器组。在变压器运行时，由于负载波动，会出现由有源构件发出的热量的极大的变化并且导致绝缘液的温度的极大的变化。为了吸收通过该温度波动引起的绝缘液的体积变化，通常设有油膨胀箱，所述油膨胀箱与变压器的壳体相连。较大的温度波动会与绝缘液的热膨胀系数相应地导致较大的体积变化，使得延伸得较远的膨胀箱是必要的，以便可靠地吸收在高温情况下变压器中产生的大体积的绝缘液。

在密封地封闭的变压器中出现与绝缘液的温度相关的压力波动，该压力波动同样不利地影响该电气设备的运行。在与呼吸式变压器的壳体相连的除湿装置的情况中，应当限制空气的吞吐量，因为否则就会升高除湿剂的消耗。

本发明要解决的技术问题是，提供一种开始所述种类的变压器，其中，低成本限制或者甚至避免了温度波动。

按照本发明上述技术问题解决的方式是，冷却装置具有与壳体相连的和配设有爬升支路的爬升部段，所述爬升部段在每个爬升支路处都与冷却元件相连，其中，爬升部段的容积根据绝缘液的热膨胀系数选择为，使得在预定温度时，液位到达不同数量的爬升支路。

按照本发明提供一种电气设备、例如变压器或者扼流线圈，其装备有无源的或者被动的、取决于温度的冷却装置。换句话说，随着升高的冷却需求，即随着绝缘液升高的温度，冷却装置的有效的冷却表面增加。为此，冷却装置装备有爬升部段、例如爬升管或者爬升腔，所述爬升部段配设有爬升支路。每个爬升支路都与冷却元件的入口相连，使得受热的、向上升的绝缘液能从爬升部段流入与爬升支路相连的冷却元件中。绝缘液的体积选择为，使得温度在已知的温度范围内变化时，绝缘液的水位、即绝缘液的表面或者液位在爬升部段中变化。适宜的是，每个爬升支路都与冷却元件的上部的、即背离电气设备底部区域的入口相连，其中，冷却元件的出口进一步向下地、即与电气设备底部区域间隔一个微小距离地布置。冷却元件的出口又适宜地通过管路与壳体相连，使得冷却液能通过各个冷却元件导引，换句话说即循环。按照本发明，各个冷却元件的设计基本上是任意的。绝缘液的体积选择为，使得绝缘液在爬升部段内部的液位、即绝缘液的水位由绝缘液的温度确定。因此，在预定的温度T1时，达到绝缘液的一个液位或者一个水位，其中，绝缘液通过被绝缘液达到的爬升支路流入配属于该爬升支路的冷却元件。在此，通过对流造成的流动使得受热的冷却液向上流。

爬升支路的垂直间距和爬升部段的通过爬升部段直径确定的容积是根据绝缘液的热膨胀系数选择的或者说设计的。这表明，在例如略低于临界值的、预定的第二温度T1时，绝缘液水位到达第二爬升支路并因此绝缘液通过第二冷却元件导引，其中，整个冷却装置的表面增大。因而出现逐级提升的冷却。当然按照本发明也可行的是，根据应当给冷却设置多精细的分级，给爬升部段装备两个、三个、四个或者更多的爬升支路。以这种方式提供低成本的、可靠的和高效的由温度决定的冷却。

此外，冷却装置和膨胀箱作用，从而要么能完全省掉，要么能更紧凑地设计现有技术中通常配设的膨胀箱。

按照本发明，电气设备的壳体和冷却装置被填充这样多的绝缘液，使得在预知的温度范围的所有温度下，壳体被绝缘液填充直至向上封闭壳体的盖的下边棱。

本发明尤其也有利地影响变压器的冷启动性能。若按照本发明的变压器例如在维护之后较长时间不运行而接着又被启用，或者例如该变压器被重新布置，由于缺少绝缘液的高液位，冷却作用就会很小。绝缘液可以更快地加热并且也更快地到达其被期望的特性。变压器的这种有利的冷启动性能尤其在使用液态酯作为绝缘液的情况下是有利的，并且是本发明的重要动机。

按照本发明，例如多个爬升部段也是可行的。一个或者多个爬升部段的几何构造按照本发明是任意的。然而优选的是，每个爬升部段都设计为爬升管。

有利的是，一个或者多个爬升部段具有相对于壳体的侧壁倾斜地延伸的倾斜部段，其中，爬升支路布置在倾斜部段中。按照本发明，术语“倾斜”指的是既不垂直也不水平地延伸，而是歪斜地延伸。换句话说，倾斜部段与水平面构成角度α。爬升支路布置在倾斜部段中。随温度的升高，绝缘液在倾斜部段中上升，使得视爬升管或爬升部段的容积与倾斜位置和热膨胀系数的匹配而定地，一个、两个或者更多的冷却元件被绝缘液流过。按照与此相关的优选的改进设计方案，冷却元件布置得不一样高，换句话说即在高度上分级。

适宜的是，绝缘液是油、酯或者其他已知的、在处于高压下的有源构件和通常处于地电势的壳体之间实现必要的耐电强度的绝缘液。所述的酯是在给定的运行温度下以液态形式存在的酯。这种酯也被称为酯流体。

适宜的是，每个爬升支路都与散热器相连，散热器具有多个内部冷却通道。散热器是被本领域技术人员已知的，所以在此不再赘述。在此重要的是，散热器具有多个内部冷却通道，所述多个内部冷却通道全部与散热器的上部的入口相连。冷却通道在散热器的下端部上接入下部的汇集通道，所述汇集通道通过散热器的出口和相应的管路与变压器的壳体相连。绝缘液在爬升部段中相应的升高接通另外的散热器显著增大了冷却装置的表面。换句话说，按照该设计方案，冷却的所谓级别高度是比较大的。

与此不同的是，每个爬升支路都分别与独立的单个冷却管相连。相较于所述一个散热器，冷却管具有明显更小的冷却表面，使得按照这种形式提供了一种相应的更精细分级的冷却。

按照本发明的一种另外的适宜的设计方案，爬升部段具有垂直的管部段。该管部段将壳体延长直至背离底壁的侧面，即向上延长，其中，爬升支路布置在所述垂直的管部段中。

按照本发明在这方面适宜的改进设计方案，每个爬升支路都与管形的管冷却装置的入口相连，管形的管冷却装置在其出口上与壳体在壳体的底部区域中相连。垂直的爬升管的使用，实现了按照本发明的电气设备的更紧凑的构造。

适宜的是，至少一个爬升支路与导向热交换器的管路的入口相连，其中，热交换器的出口与壳体在底部区域中相连。按照这种有利的改进设计方案，受热的绝缘液在确定温度下额外地通过热交换器导引，使得热能可以输送至其他应用。适宜的是，爬升支路已经与热交换器相连。

按照本发明的另外的设计方案，至少一个爬升支路与热管和例如与所谓的Heat-Pipes相连。Heat-Pipes被本领域技术人员已知，其构造不再赘述。热管或者Heat-Pipes是有效的冷却手段并且通常通过一个端部导热地与待冷却的物体相连。由于受热，在该端部上在热管的内部液体被蒸发。这种吸热的蒸发保证了期望的冷却。蒸气然后向较冷的位置上升并在较冷的位置上冷凝。冷凝后的液体例如经毛细管作用被带至下端部上。

此外按照本发明适宜的是，配设用于增强冷却装置的冷却作用的风扇。该风扇例如可以与热交换寄存器这样地共同作用，使得由风扇产生的气流从冷却元件的或者散热器的外侧面旁经过，其中，热量被经过的气流吸收并以此排出。

按照在这方面适宜的改进设计方案，风扇与调控装置相连，调控装置本身与液位传感器相连。液位传感器在出口侧提供信号，所述信号与爬升部段中的液位一致。调控装置根据这种液位信号控制风扇，使得在高临界温度的情况下风扇的转速升高并且因而产生增大的更快的气流。这增强了风扇的冷却作用。当然，以这种方式也只能简单地开风扇和关风扇。

在本发明的有利设计方案总，壳体、冷却元件以及爬升管构成抗压的、密封地封闭的单元，其中，在绝缘液的液位上方的空间被填充可压缩的惰性气体。可压缩的惰性气体、例如氮气起气垫的作用。若温度升高并因此在冷却装置和爬升管中的绝缘液的液位升高，则该惰性气体在冷却装置的绝缘液上方剩下的部分中被压缩。在需要时，额外填充惰性气体的容器通过管路与冷却装置的或者爬升管的导引气体的部分相连。因此得到了密封地封闭的变压器并且可靠地保护绝缘液不受周围空气的影响。

通过合适地设计爬升管的横截面、爬升支路之间的高度错移量以及配属于每个爬升支路的冷却元件的数量，可以精确地控制冷却功能。负荷/温度曲线的升高可以被有目的地设置。温度的升高可以作为线性的、指数的、也可以作为对数的函数控制，因为在电气设备的按照本发明的设计中，每个温度都能配有确定的冷却面。为此，按照期望的冷却曲线走向，为爬升管中的每个爬升支路都配有确定数量的冷却元件。

所做选择针对各个要求：冷启动性能、在低温情况下的使用、绝缘液(酯)的粘度、密封地封闭的设计中的压力平衡、绕组损耗。为了在呼吸式变压器中减小空气交换和为了在密封地封闭的变压器中限制压力波动，通过比例过大地增加参与的冷却元件使温度升高的对数式变化会是有利的。就是说，给每个爬升支路分配的冷却元件的数量随爬升支路布置在爬升管中的高度而增加。

为了保持较低的绕组损失合适的是，在达到最佳运行温度情况下整个冷却装置的快速参与。

有利的是，爬升部段在绝缘液的最高液位上方配设有开口，在通过绝缘液的温度变化引起的绝缘液体积变化时通过该开口实现与环境或者其他容器的气体交换，并且冷却元件的内腔完全或者部分地吸收绝缘液的体积波动。

例如可以利用仅仅较少的或者仅一个爬升管支路实现对最低的运行温度的保证，整个冷却装置接在这一个爬升管支路上。

有利的是，电气设备是变压器或者扼流线圈。

本发明的其他适宜的设计方案和优点是下面参照附图对本发明的实施例的说明的主题，其中，相同的附图标记表示相同的构件，附图中：

图1至图6分别示意出按照本发明的电气设备的一个实施例。

图1示出按照本发明的设备的第一实施例、在此为变压器1。变压器1具有有源部件2，有源部件2又由绕组装置4构成，绕组装置4围绕磁芯3卷绕。绕组装置4由图中未进一步示出的低压绕组和高压绕组构成。变压器1还具有壳体6，壳体6被以绝缘液20填充。为了在高温情况下容纳绝缘液配设有油膨胀箱26，油膨胀箱26通过管路15与变压器1的壳体6相连。在油膨胀箱26和壳体6之间布置有冷却装置8。冷却装置8具有作为爬升部段的爬升管15，爬升管具有倾斜部段15.1。还配设有回流管路16。爬升支路9在管路15的倾斜部段15.1中，爬升支路9与散热器10的上部入口相连。每个散热器10本身装备多个相互平行地延伸的冷却通道，冷却通道通过出口与回流管16相连。在图1中还通过虚线表示了绝缘液的液位。液位21.3相当于绝缘液的最低液位，该最低液位在变压器1未工作时出现。在正常运行时出现以21.1表示的液位。液位21.5相当于最高液位。

由于管路15部分倾斜的走向，散热器，或者换句话说冷却元件10在高度上分级地布置。这种高度分级有利地影响绝缘液20通过冷却装置8的循环速度。散热器还通过回流管路16液压地与变压器1相连。在温度升高时，绝缘液20的膨胀导致散热器10中以及管路15中、尤其在倾斜部段15.1中液位升高。散热器10可以仅在绝缘液穿过散热器时或者说在散热器中循环时起作用。为此，倾斜部段15.1中的绝缘液位必须到达各个配属于散热器10的爬升支路9。冷却元件10的布置选择为，使得根据期望的冷却率将与绝缘液的液位相应数量的散热器纳入绝缘液20的流动中。因为冷却装置8按照本发明地吸收由热造成的绝缘液的体积波动，所以可更紧凑地设计膨胀箱26并且在与此处不同的实施例中可完全取消膨胀箱26。

图2示出按照本发明的电气设备1的与图1不同的实施例，电气设备1在此同样构造为变压器1。按照该实施例，壳体6和冷却装置8的尺寸设计为，使得变压器的盖的下边棱在绝缘液20的所有温度下都布置在绝缘液20的表面的下方。因而在图中未示出的高压套管的下部总是完全被绝缘液20包围。按照图2所示实施例，管路15也具有倾斜部段15.1。然而，倾斜部段15.1的爬升支路3分别与单独的冷却管10的入口相连。冷却管10同样起冷却元件的作用并且可以根据绝缘液20的液位被纳入绝缘液20的循环中，使得冷却功率升高到使得在变压器1的输入的损失热量和冷却装置8的排出的热量之间形成平衡。若液位高到使得几乎全部冷却管10都被纳入冷却中，这就会被传感器34检测到，传感器34布置在垂直地从管路15伸出的管形凸出部中。传感器34的输出信号被传输给未示出的调控装置，该调控装置接着接通风扇12，风扇12提供额外的冷却。风扇12的控制因而与液压式冷却相结合。

在图2中示出的实施例中，冷却装置8的上部总管，即管路15配设有排气管18。在绝缘液液面上升时，空气被从冷却装置8挤出并且通过排气管18和除湿器28排出，以便在该装置冷却时和绝缘液的液位因而下降时避免绝缘液的受潮，该除湿器28布置在排气管18的外端部上。

图3示出按照本发明的变压器1的另一种实施例，该变压器1在此具有用于隔热的器件39，其在所示示例中通过隔热板实现。隔热板39安装在变压器1的壳体6的外部。以此例如也可以在室外低温的情况下进行交变的负载运行，因为在此空载损失导致变压器的受热，在受热时，绝缘液的粘度降低为能实现绝缘液循环的值。以此避免负载变化时绕组中危险的局部受热位置的形成。这尤其在变压器的壳体6被填充以天然的或者合成的酯为基础的绝缘液20的情况下是有利的，因为这种流体的粘度明显高于以矿物油为基础的绝缘液20的情况。爬升管15中的爬升支路9布置为，使得在达到保证电气设备安全运行的绝缘液20温度时才开始设备的绝缘液20在冷却元件中的循环。

在图3中还示出用于利用变压器的损失热量的循环。该循环由热交换器17.1构成，热交换器17.1向用于废热利用的热回路17.5供能。绝缘液20的入口设置在这样的高度上，该高度与一种温度相应，该温度下可以实现废热的合理利用。此外，在具有废热利用的一种设计方案中，另外的冷却元件以其上部的流体入口布置在用于具有废热利用的冷却循环的爬升支路9的上方。因而在不具有可电机式移位的配件的情况下实现废热的有效利用，因为用于废热利用的回路自动地优选地被供应以热的冷却液。若变压器1的损失热量超过由用于损耗热利用的装置所需的热量，或者废热利用装置停用，则绝缘液发生进一步受热并因此导致体积增大。绝缘液20以此升高，使得另外的冷却元件被纳入冷却中。通过合适地设置用于供给冷却装置8的爬升管15的直径，可以精确地控制致使另外的冷却元件10纳入的温差。因而在绝缘液20的爬升管25的直径相应较小时，可以实现小于1K的控制精度。

按照本发明，电气设备的壳体和冷却装置被填充的绝缘液20多到，使得在预定温度范围的所有温度下壳体被绝缘液填充直至向上封闭壳体的盖的下边棱并且绕组4和套管7的底部始终被绝缘液包围。

有利的是，爬升管15在最顶部爬升支路上方的直径增大，使得在温度继续升高时冷却功率不再随冷却面，而是仅作为相对于环境温度的温差的函数而升高。爬升管的横截面的这种增大还用于，在到达绝缘液的相应液位而已将所有冷却元件纳入冷却循环之后，吸收由受热导致的绝缘液体积的继续增加。

图4示出本发明的一种实施例，其中，传统的散热器10.1、10.2、10.3这样地布置在变压器1上，使得散热器10.1、10.2、10.3的上部的总管10.8在高度上错移地布置。变压器1具有在容积上剧烈减小的膨胀箱26。冷却装置8的排气通过通向膨胀箱26的管路进行，该管路布置在双浮子继电器31的上方。

在本发明的另一种实施方式中，冷却元件10至少部分地布置在相同的高度上并且通过装备有爬升支路的爬升管15与变压器1相连。在各个液位的情况中未填充绝缘液20的冷却元件10以及通向冷却装置的管路是可压缩的气体体积，并且在相应设计时在变压器内部短路情况下被用作防爆保护。

图5示出另一种实施例，其中，根据变压器1的温度调整冷却面通过常见的板件或者管散热器的斜置实现。爬升管15的倾斜部段15.1在上部的、在本实施例中与入口对置的端部上配设有排气连接端。通过该连接端将在液位升高时受挤压的空气经由管路18排出。散热器10因而既有冷却作用还被用作变压器1的膨胀箱。该技术方案不仅可实施为呼吸式变压器1，也可实施为密封地封闭的变压器1。在密封的设计方案中，在管路18上在空气除湿器28的位置上连接有气体压缩腔29，该气体压缩腔29在图5中以虚线表示。在绝缘液20上方的空间用惰性气体、优选氮气填充。

在按照图6的实施例中，变压器1额外地装备有热管14。热管14布置为，使得在到达绝缘液20的确定的液位时热管14才发挥其冷却作用。热管14设计用于比较高的运行温度并且导致可导出的损失功率的极大提升。热管例如是“Heat pipe”或者“热虹吸管”，其是已知的并且不具有泵或类似物就够用。在实施例中，热管设计为热虹吸管14。在此，热虹吸管14的冷凝部段配设有额外的冷却面。在特殊的设计方案中，用风扇12.5对热管14的冷凝部段额外的吹风是可行的。此外，在本实施例中变压器1以密封地封闭的方案实施。为此，爬升管15在最高液位24的上方利用气体压缩腔29扩展。

附图标记列表

1 电气设备

2 有源部件

3 铁芯

4 绕组

6 壳体

7 高压套管

8 冷却装置

9 爬升支路

10 冷却元件

10.1-10.5 冷却元件1、2、3、4、5

10.8 (散热器中)冷却器的上部总管

12 风扇

14 Heat Pipe/热管

15 爬升管

16 回流管路

17.1 热交换装置

17.2 泵

17.5 用于废热利用的热回路

18 管路

19 管路

20 绝缘液

21 绝缘液液位

21.1 正常运行时绝缘液水位

21.3 最低绝缘液液位

21.5 最高绝缘液液位

24 绝缘液液位上方的区域

26 油膨胀箱

28 空气除湿器

29 压力补偿箱

31 双浮子继电器

33 温度传感器

34 液位传感器

36 压力传感器

39 隔热板

Claims (15)

1.一种电气设备(1)，其具有

-壳体(6)，

-布置在壳体(6)中的和能被加载高压的有源构件(2)，所述有源构件在其运行时产生热量，

-配设用于冷却的绝缘液(20)，所述壳体(6)被填充所述绝缘液，

-用于冷却绝缘液(20)的冷却装置(8)，所述冷却装置具有至少一个与外界环境导热地连接的冷却元件(10)，所述绝缘液(20)被导引通过所述冷却元件，

其特征在于，

所述冷却装置(8)具有与所述壳体(6)相连的和配设有爬升支路(9)的爬升部段(15、15.1)，所述爬升部段在每个爬升支路(9)处都与冷却元件(10)相连，其中，所述爬升部段(15、15.1)的容积根据所述绝缘液(20)的热膨胀系数选择为，使得在预定温度时，液位(21)到达不同数量的爬升支路(9)。

2.按照权利要求1所述的电气设备(1)，其特征在于，所述爬升部段(15、15.1)具有至少一个相对于所述壳体(6)的侧壁倾斜地延伸的倾斜部段(15.1)，并且所述爬升支路(9)布置在所述倾斜部段(15.1)中。

3.按照权利要求2所述的电气设备(1)，其特征在于，每个爬升支路(9)都与散热器(10)相连，所述散热器具有多个内部冷却通道。

4.按照权利要求2所述的电气设备(1)，其特征在于，每个爬升支路(9)都分别与独立的冷却管(10)相连。

5.按照权利要求1所述的电气设备(1)，其特征在于，爬升部段(15)具有垂直的管部段，垂直的管部段将所述壳体(6)向背离底壁的侧面延长，其中，所述爬升支路(9)布置在所述垂直的管部段中。

6.按照权利要求5所述的电气设备(1)，其特征在于，每个爬升支路(9)都与管形的管冷却装置(10)的入口相连，所述管形的管冷却装置(10)的出口与所述壳体(6)在壳体的底部区域中相连。

7.按照权利要求6所述的电气设备(1)，其特征在于，至少一个爬升支路(9)与导向热交换器(17.1)的管路的入口相连，其中，所述热交换器(17.1)的出口与所述壳体(6)在所述壳体(6)的底部区域中相连。

8.按照权利要求7所述的电气设备(1)，其特征在于，导向热交换器(17.1)的入口的管路的爬升支路(9)布置在至少一个用于另外的冷却元件(10)的另外的爬升支路(9)下方。

9.按照上述权利要求之一所述的电气设备(1)，其特征在于，所述壳体(6)、冷却元件(10)以及爬升管(15)构成抗压的、密封地封闭的单元，并且在绝缘液(20)的液位上方的空间被填充可压缩的惰性气体。

10.按照上述权利要求之一所述的电气设备(1)，其特征在于，所述爬升部段(15)在绝缘液(20)的最高液位上方配设有开口，在通过绝缘液(20)的温度变化引起的绝缘液体积变化时通过所述开口实现与环境或者其他容器的气体交换，并且冷却元件(10)的内腔完全或者部分地吸收绝缘液(20)的体积波动。

11.按照上述权利要求之一所述的电气设备(1)，其特征在于，所述爬升支路(9)与热管(14)相连。

12.按照上述权利要求之一所述的电气设备(1)，其特征在于，所述电气设备(1)具有用于增强冷却装置的冷却作用的风扇。

13.按照权利要求9所述的电气设备(1)，其特征在于，所述风扇(12)具有调控装置，所述调控装置与液位传感器(34)相连。

14.按照权利要求1所述的电气设备(1)，其特征在于，所述冷却元件(10)高度错移地布置。

15.按照上述权利要求之一所述的电气设备(1)，其特征在于，所述电气设备(1)是变压器或扼流线圈。