DE10116287A1

DE10116287A1 - Vakuum-beaufschlagter Hermetiktransformator

Info

Publication number: DE10116287A1
Application number: DE2001116287
Authority: DE
Inventors: Juergen Bastian
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-04-06
Filing date: 2001-03-31
Publication date: 2001-10-11
Also published as: GB2361112A; GB0008358D0; GB2361112B

Abstract

Durch die Anordnung und erfindungsgemäß ausgeführte einer als kompensatorische Hydrostatik-Säule wirkenden Rohrverbindung zwischen Transformatorkessel und Vakuum-beaufschlagten Ausdehnungsgefäß wird einerseits Sauerstoff vom Isoliersystem ferngehalten, andererseits das Auftreten von Gasübersättigung der Isolierflüssigkeit in der Abkühlphase verhindert.

Description

Umfeld der Erfindung

Bei elektrischen Transformatoren unterscheidet man hauptsächlich nach den Konstruktionstypen hermetisch oder Luft atmend, wobei beide Typen mehrere Varianten aufweisen. Die meisten Luft atmenden Transformatoren besitzen ein kesselaußenseitig angeordnetes Ausdehnungsgefäß, sowie einen Lufttrockner mit Ölvorlage.

Der Hauptvorteil des Luft atmenden Transformators wird darin gesehen, daß im Tank keine öltemperaturbedingten Druckschwankungen auftreten, während andererseits unstrittig als Nachteil gilt, daß das Öl während des vieljährigen Betriebs nahezu sauerstoffgesättigt ist, was insbesondere bei höheren Betriebstemperaturen zur Beeinträchtigung der Isoliereigen schaften des Öls und damit auch der Zellulose führt.

Im Gegensatz dazu wird die Abwesenheit von Sauerstoff als Hauptvorteil des Hermetik transformators angeführt. Strittiger ist die Frage nach eventuellem Eindringen atmosphärischer Feuchte, und insbesondere der Einschluß des gesamten von der Zellulose bei deren Altern gebildeten Wassers. Theoretisch könnte der Luft atmende Transformator dem Hermetiktransformator überlegen sein, dadurch daß er Zellulose-Alterungsfeuchte an die Umgebungsluft oder den Trockner abführen kann, da die im Ausdehnungsgefäß über dem Ölspiegel stehende Luft bei einem gealterten Transformator häufig trockener sein kann als das ebenfalls im Ausdehnungsgefäß befindliche Öl.

Die Frage muß strittig bleiben, da mehrere Parameter das jeweilige Sättigungsgefälle beeinflussen, insbesondere der Zustand der Feststoffisolierung, die Betriebstemperatur schwankungen, die Hygroskopizität des Öls und sein relativer Sättigungsgrad, der Zustand des Lufttrockners, sowie der relative Feuchtegrad der Umgebungsluft. Die Frage nach dem Wassergehalt des Systems aus Zellulose und Öl wird aber auch mit Rücksicht auf den Hermetiktransformator verschiedenster Ausführung gestellt. (In den USA sind die meisten Transformatoren mit einem Stickstoffpolster ausgestattet.) Es wurde jedoch nachgewiesen, daß man den Hermetiktransformator so konstruieren kann, daß das bei der Alterung der Zellulose anfallende Wasser aus dem Isoliersystem abgeführt werden kann. (Europäische Patente EP 0 746 000 und EP 0 750 322) Überall dort wo man annehmen darf, daß das Zellulosealterungswasser vernachlässigt werden kann - z. B. wenn die Öltemperaturen immer niedrig gehalten werden oder wo an heißeren Wicklungsstellen Isolierstoffe eingesetzt werden, die kein Wasser produzieren - wird dem Hermetiktransformator in dieser Hinsicht ein Vorteil eingeräumt, jedoch nur dann, wenn man voraussetzen kann, daß er tatsächlich hermetisch ist und bleibt.

Allerdings weisen auch die Hermetiktransformatoren Beschränkungen und Nachteile auf:
Der integralbefüllte Kessel ist nur bis zu einer bestimmten Baugröße ausführbar, während das Öl im Stickstoffpolster-Transformator, insbesondere bei plötzlicher und starker Abkühlung, mehr oder weniger stark gast und der im Kessel entstehende Unterdruck die Gefahr des Eindringens von Luft, und damit von Luftfeuchte, mit sich bringt.

Bei Ausführungen, bei denen sich das Stickstoffpolster im Kessel befindet, ist die Hochspannungsdurchführung besonders gefährdet, wenn sich unter dem Deckel Kondenswasser niederschlagen sollte. Gas im Öl ist grundsätzlich unerwünscht, weil es Inhomogenitäten in der Isolierung und Verschiebung der elektrischen Feldlinien verursacht.

Dem Entstehen starker Unterdrücke im Stickstoffpolster-Transformator kann man durch großzügige Bemessung des Polsters entgegenwirken. Im allgemeinen wird aus verschiedenen Gründen dieser Weg jedoch nicht beschritten, weil damit andere Nachteile geschaffen werden; zu diesen zählen insbesondere die durch das Polster bedingte schlechtere Wärmeabfuhr, konstruktive Beschränkungen bei der Gestaltung der Radiatoren, die bei einer nach dem Thermosiphon-Prinzip arbeitenden Kühlung nicht den Mindestölstand im Tank überragen dürfen.

Eine Hybrid-Konstruktion, bei der sich der Kesselinnendruck nicht ändert und die Umgebungsluft nicht in Berührung mit dem Öl steht, stellt die Bauausführung mit sogenanntem Membranabschluß dar. Hierbei steht gewöhnlich ein in dem Ausdehnungsgefäß befindlicher Sack mit der Außenluft in Berührung und füllt sich mit dieser, wenn das Ölvolumen bei sinkender Temperatur kleiner wird. Mit dieser Bauform versucht man die wichtigsten Vorteile der beiden Konstruktionsprinzipien zu vereinen. Aus verschiedenen Gründen, die von verschiedenen Betreibern und Herstellern unterschiedlich beruteilt und gewichtet werden, konnte sich der Hybridtyp nicht durchsetzen. Bei großen Maschinentransformatoren ist man in einigen Ländern, darunter Deutschland, ganz davon abgekommen.

Einen wesentlichen Nachteil hat der Transformator mit Membranabschluß mit anderen Hermetiktransformatoren gemein: Weder Zellulose-Alterungswasser noch Spaltgase können an die Umgebungsluft abgegeben werden.

Erfindungsziel

Hauptzweck der Erfindung ist, Nachteile des herkömmlichen Stickstoffkissen- Transformators zu überwinden.

Beschreibung der Erfindung

Mit Ausnahme der lastabhängigen Druckschwankungen können die oben aufgeführten Nachteile überwunden werden. Dies geschieht durch die erfindungsgemäße Kombination verschiedener Konstruktionsmerkmale und ihr Zusammenspiel. Um Luftkontakt des Öls auszuschließen - ohne das Hilfsmittel eines Gaspolsters, das bei Kesselunterdruck Gasen des Öls hervorruft- sowie um außerdem die Ansammlung von Spaltgasen im Öl zu verhindern, wird der Transformatorenkessel mit einem nach außen geschlossenen Ausdehnungsgefäß verbunden, in dem sich Stickstoff befindet, der bei allen normalen Betriebszuständen unter Unterdruck steht.

Um zu verhüten, daß sich der im Ausdehnungsbehälter herrschende Unterdruck einen Unterdruck im Transformatorenkessel hervorruft, ist zwischen Ausdehnungsgefäß und Transformatorenkessel ein einen hydrostatischen Druck ausübendes Steig- und Fallrohr angeordnet, dessen Höhe so bemessen ist, daß die so geschaffene Hydrostatik-Säule ihrer kompensatorischen Funktion genügen kann.

Die Abmessungen des Ausdehnungsgefäßes mit "Vakuum"-Überlagerung, der gewählte Unterdruck in "Vakuum", sowie die Höhe der kompensatorischen Säule bilden funktionell ein Ganzes. (Der Terminus "Vakuum" wird hier im Sinn von "Gasraum, in dem ein variabler Unterdruck, bezogen auf Atmosphärendruck, herrscht", benutzt.)

Die Abmessungen des Ausdehnungsbehälters mit Vakuumüberlagerung werden bestimmt durch

- die Ölmasse im Transformator;
- den Expansionskoeffizienten des Öls;
- die zu erwartenden Öltemperaturen bei verschiedenen Betriebszuständen;
- die mit Rücksicht auf die Öl-Betriebstemperaturen gewählten Veränderungen des Unterdrucks im Ausdehnungsgefäß;
- die Höhe des Verbindungsrohrs zwischen Kessel und Ausdehnungsgefäß, das bei allen Öl-Betriebstemperaturen mit Flüssigkeit gefüllt sein soll;
- das Quasi-Gas-Sättigungsgleichgewicht, das bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck erreicht wird.

Ein verhältnismäßig großes Ausdehnungsgefäß erfordert nur eine geringere Höhe der kompensatorischen Säule und verringert die sonst auftretenden größeren Druckschwankungen im Kessel.

Bei Erwärmung des Öls wächst das Ölvolumen, und mehr Öl gelangt in das Ausdehnungs gefäß, wodurch auch die Gesamthöhe der kompensatorischen Hydrostatiksäule wächst. Je schlanker das Ausdehnungsgefäß, desto größer sind die Druckschwankungen. Gemäß den vorstehenden Erklärungen zum Prinzip der einen Unterdruck kompensierenden Hydrostatiksäule besteht ein großer Spielraum bei der Dimensionierung des vakuumbeaufschlagten Ausdehnungsgefäßes und der Höhe der kompensatorischen Säule. Es wird bei der Ausführung jedoch immer von folgenden Annahmen ausgegangen:

1. Die verwendete Isolierflüssigkeit besitzt keinen höheren Ausdehnungskoeffizienten und Dampfdruck als gewöhnliches Transformatorenöl.
2. Die Betriebstemperatur verändert sich nicht so stark, daß die dadurch bewirkten Ölvolumenveränderungen die Funktion der erfindungsgemäßen Anordnung gefährden würden. Die öltemperaturbedingten Ölvolumenveränderungen können durch entsprechende Dimensionierung des Ausdehnungsgefäßes berücksichtigt werden. Sind große Öltemperaturveränderungen im Betrieb zu berücksichtigen, z. B. von etwa 40°K, so sollte das Volumen des Ausdehnungsgefäßes etwa das Dreifache der Ölvolumenzunahme bzw. -abnahme betragen.
3. Die Inbetriebnahme des Transformators und seines Ausdehnungsgefäßes, einschließlich Ölbefüllung auf den Mindestfüllstand, findet bei ca. 20°C statt. Im normalen Betrieb wird diese Temperatur nicht unterschritten, womit die Rohrleitungsverbindung zwischen Kessel und Ausdehnungsgefäß immer mit Öl gefüllt bleibt. Wird diese Temperatur unterschritten, muß gegebenenfalls zeitweilig die Ölmasse erhöht und bei Temperaturerhöhung wieder durch Ablassen einer Teilmenge erniedrigt werden, um zu vermeiden, daß der Kessel nur unvollständig mit Öl gefüllt ist.

Dagegen könnte z. B. bei einem Maschinentransformator, dessen Last nur geringen Schwankungen unterworfen ist, ein relativ kleineres Ausdehnungsgefäß vorgesehen werden, z. B. mit einem Gesamtvolumen vom Zweifachen der Ölvolumenzunahme bei einer Öltemperaturerhöhung von 40°K oder sogar 20°K.

Es wird außerdem von der Annahme ausgegangen, daß sich bei genügend häufigen Lastspielen in einigen Wochen ein Gasgleichgewicht einstellt und das anfangs stark gasuntersättigte Öl kein weiteres Gas aufnimmt, und es nicht zu einer die Konstruktion belastenden Entstehung von Druckspielen kommt. Unterdruck im Tank, der zum Ansaugen von Umgebungsluft führen könnte, kann durch die Gegenmaßnahme der Zugabe geringer Gasmengen in das Ausdehnungsgefäß vermieden werden. Die Gefahr der Entstehung eines Unterdrucks im Kessel besteht nur während der anfänglichen Lastspiele nach Inbetriebnahme.

Erklärungen zur Schemazeichnung Fig. 1

Fig. 1 zeigt in schematischer Form die öltemperaturabhängigen Ölfüllstände und die dadurch verursachten Veränderungen des jeweiligen, unter Unterdruck stehenden, Gasvolumens im Vakuum-beaufschlagten Ausdehnungsgefäß.

Das Öl im Transformatorentank steht über eine hydrostatischen Druck verursachende Rohrleitung in Verbindung mit dem Ausdehnungsgefäß.
h₁ zeigt die Höhe der kompensatorischen Säule bei kaltem Öl,
h₂ bei maximaler Öltemperatur,
V° ist das Volumen des kalten Öls,
V_eep gibt den Ölvolumenzuwachs an.

Jede Ölvolumenzunahme bewirkt eine Gasvolumenabnahme und ein Ansteigen des absoluten Drucks im Ausdehnungsgefäß.

Claims

Flüssigkeitsgekühlter Transformator, dadurch gekennzeichnet, daß ein unter Unterdruck stehender und mit verdünntem Stickstoff gefüllter Behälter als Ölausdehnungsgefäß dient, dessen Innendruck sich mit den Veränderungen des Ölvolumens verändert, wobei die Vakuum-Überlagerung des Ausdehnungsgefäßes dadurch keinen Unterdruck im Transformatorenkessel hervorrufen kann, daß die ölgefüllte Rohrleitung, die Kessel und Ausdehnungsgefäß miteinander verbindet, als Hydrostatiksäule angeordnet ist, die den sonst im Kessel entstehenden Unterdruck kompensiert.