DE102005033925A1

DE102005033925A1 - Ausdehnungsgefäß für Stufenschalter

Info

Publication number: DE102005033925A1
Application number: DE200510033925
Authority: DE
Inventors: Jörg FINDEISEN
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-07-15
Filing date: 2005-07-15
Publication date: 2007-01-18
Also published as: CN101223612B; CN101223612A

Abstract

Mit einer Isolierflüssigkeit gefüllter und mit einem dicht verschlossenen Gehäuse versehenes elektrisches Bauteil, insbesondere ein Stufenschalter, mit Ausdehnungsgefäß zur Aufnahme der thermisch bedingten Volumenänderungen der Isolierflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet dass, zur Aufnahme der thermisch bedingten Volumenschwankungen die Bewegung eines Faltenbalges genutzt wird und dass die Ausgleichvorrichtung direkt auf dem Kopf des elektrischen Bauteils montiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen mit einer Isolierflüssigkeit gefüllten Stufenschalter und Einrichtungen zur Aufnahme der thermisch bedingten Volumenschwankungen dieser Isolierflüssigkeit.
Die Erfindung ermöglicht einen hermetischen Abschluss des Schaltergefäßes und damit eine deutliche Reduzierung der Alterung des Schalteröles.
Der Einsatz der erfindungsgemäßen Anordnung ermöglicht weiterhin den Verzicht auf Luftentfeuchter, externes Ausdehnungsgefäß und zugehörige Rohrleitungen. Des Weiteren löst die Erfindung das Problem der Gasansammlung in der Rohrleitung zum Ausdehnungsgefäß von hermetisch abgeschlossenen Schaltern.
Stufenschalter der oben genannten Art kommen vorwiegend in Leistungstransformatoren zum Regeln der Spannung unter Last zum Einsatz. Im Betrieb kommt es durch Erwärmung der Überschaltwiderstände, Wärmeabgabe durch das den Schalter und sein Gefäß umgebende Isolier und Kühlmedium des Transformators und weitere Einflüsse zu erheblichen Temperaturschwankungen. Diese bewirken wesentliche Änderungen des Volumens der Isolierflüssigkeit des Stufenschalters. Weiterhin kommt es durch Schaltlichtbögen und/oder Aufheizen der Überschaltwiderstände zur thermischer Zersetzung von Isolierflüssigkeit und daraus resultierender Gasentwicklung. Diese Gase steigen auf Grund ihrer geringeren Dichte nach oben und müssen durch geeignete Maßnahmen abgeführt werden.

Stand der Technik ist die Verwendung von über dem Transformator angebrachten Ausdehnungsgefäßen, welche über eine geneigte Rohrleitung mit dem Schalter verbunden werden. Über diese Rohrleitung erfolgt sowohl der Fluss der Isolierflüssigkeit bei thermisch bedingten Volumenänderungen, als auch der Abtransport der Gase.

Bekannt ist die Verwendung eines gemeinsamen Ausdehnungsgefäßes für den Transformator und den Schalter, dabei kommt es jedoch zu einer Mischung der Isolierflüssigkeiten. Deshalb wird zurzeit überwiegend ein Zweikammerausdehnungsgefäß eingesetzt. Solche Ausdehnungsgefäße sind zum Beispiel in DE 19527763 C2 beschrieben. Nachteil dieser Ausdehnungsgefäße ist der Kontakt der Öloberfläche mit der Außenluft, was die Verwendung von so genannten Luftentfeuchtern erfordert. In diesen Luftentfeuchtern wird die Luft über ein Trocknungsmittel geführt und hierbei entfeuchtet. Die Adsorptionsfähigkeit des Trocknungsmittels (Hygroskopizität) wird hierbei aufgebraucht und das Trocknungsmittel muss regelmäßig erneuert werden. Die periodisch notwendigen Sichtprüfungen sowie der regelmäßige Austausch des Trocknungsmittels, insbesondere in Gegenden mit hoher Luftfeuchtigkeit, stellt einen erheblichen Kostenfaktor dar (Empfohlener Wartungsintervall: 3 Monate). Diese Luftentfeuchter bieten des Weiteren keinen sicheren Abschluss gegen die Aufnahme von Feuchtigkeit und Sauerstoff durch die Isolierflüssigkeit, insbesondere bei schneller Abkühlung des Transformators.

In DE 10010737 A1 wird ein hermetisch abgeschlossener Transformator beschrieben, welcher zum Volumenausgleich einen dehnbaren Radiator vorsieht. Die Verwendung eines solchen Radiators zur Kompensation der Volumenausdehnung der Isolierflüssigkeit des Schalters erfordert einen erheblichen Aufwand und bringt Probleme bei der Abführung von Gasen aus dem Schaltergefäß. Für die Ausdehnung der Isolierflüssigkeit von Transformatoren sind Ausdehnungsgefäße bekannt, welche in der Hauptkammer eine Membran zur Trennung der Isolierflüssigkeit von der Umgebungsluft verwenden. Ein solches ist in DE 3206368 beschrieben. Diese Ausdehnungsgefäße bieten zwar einen sicheren Abschluss der Isolierflüssigkeit von der Umgebungsluft, benötigen aber dennoch einen Luftentfeuchter, was mit den bereits erwähnten Nachteilen verbunden ist. Weiterhin führt der Kontakt mit der Umgebungsluft zur Alterung der Membran und bedingt somit technische Unsicherheiten.

Bekannt ist weiterhin der Einsatz von Gaspolstern direkt unter dem Deckel von Transformatoren ( DE 710389 ). Diese Lösung bietet jedoch keine Möglichkeit der Abtrennung von Schadgasen vom Gaspolster.

In DE 10224074 A1 ist eine Anordnung für die in den Stufenschalter führende Rohrleitung beschrieben, welche ein Labyrinthsystem zur Vermeidung des Strömens von Gasen zum Ausdehnungsgefäß nutzt. Dieses System bietet aber weder einen hermetischen Abschluss des Schalters, noch kann es das Eindringen von Gasen in die Rohrleitung vollständig verhindern. Auch die aufwändige Rohrleitungs- anordnung zum Ölausdehnungsgefäß bleibt erforderlich.

Aus DE 3504916 C2 ist weiterhin ein Ausdehnungsgefäß bekannt, welches direkt auf dem Stufenschalterkopf montiert wird. Diese Lösung benötigt ebenfalls einen Luftentfeuchter, was die bekannten bereits eingangs genannten Nachteile zur Folge hat. Ein hermetischer Abschluss lässt sich auch damit nicht erzielen.

Aus WO98/54498 ist eine Abdeckhaube für Druckentlastungsventile bekannt und in DE 10312177 ist die Integration einer Abdeckhaube in ein Druckentlastungsventil beschriebe. Beide Lösungen sind mit erheblichen Handhabungsproblemen behaftet und erfordern einen großen Raumbedarf.

Die im Folgenden beschriebene Erfindung ermöglicht eine Kompensation der Änderung des Volumens der Isolierflüssigkeit beim Betrieb des Schalters, bei Vermeidung der oben genannten Nachteile.

Die vorliegende Erfindung nutzt zur Aufnahme der thermisch bedingten Volumenschwankungen der Isolierflüssigkeit des Schalters einen Faltenbalg/Kompensator. Erfindungsgemäß bildet diese Ausgleichvorrichtung eine kompakte Baugruppe ohne zusätzliche Rohrleitungen und wird direkt auf dem Schalter montiert. Die Form des Ausdehnungsgefäßes wird weitgehend der Kontur des Stufenschalterkopfes angepasst, so dass der Raumbedarf klein gehalten wird. Das Ausdehnungsgefäß bildet somit mit dem Schalter eine Einheit und bleibt auch beim Transport angebaut. Die umständliche Montage von Ausdehnungsgefäß und Rohrleitungen bei Aufstellung des Transformators entfallen.

Für Volumenausgleichsvorgänge lässt sich bei Faltenbälgen und/oder Kompensatoren nur das Differenzvolumen zwischen dem gestreckten Zustand und dem zusammengefalteteten Zustand nutzen. Das Grundvolumen im zusammengefalteten Zustand ist nicht nutzbar. Erfindungsgemäß wird das nichtnutzbare Volumen durch Einbringen eines Napf- oder Topfförmigen Einsatzes auf ein Minimum begrenzt. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird dieser Topf so ausgebildet das ein Hohlraum entsteht, der zur Aufnahme oder Unterbringung der notwendigen Schutz und Überwachungstechnik genutzt.

In einer weiteren besonderen Ausbildung der Erfindung wird dieser Topf derart gestaltet das er als Abdeck- und Schutzhaube für die Schutz-, Überwachungs-, und Regelgeräte dient. Ein besonderer Anwendungsfall dieser Ausführung ist die Gestaltung des Topfes als Abdeckung und Spritzschutz für ein Druckentlastungsventil. Der Topf übernimmt das Auffangen und die Ableitung des heißen Ölschwalles im Fehlerfall.

Durch diese erfindungsgemäße Anordnung wird der Ausgleichkörper zum Bestandteil des Schalters. Zusätzliche externe Baugruppen entfallen und führen zu einer Vereinfachung des gesamten Transformators. Probleme mit Gasansammlungen in Rohrleitungen und eine Behinderung der Ölströmung bei Temperaturänderungen der Isolierflüssigkeit sind durch Entfall der mit diesen Problemen behafteten Baugruppen ausgeschlossen.

Das bei der Ölzersetzung entstehende Gas steigt nach oben und sammelt sich in dem durch das Verbindungsstück zwischen Schalter und Ausdehnungsgefäß gebildeten Raum. Durch das erheblich größere Gasvolumen kommt es zu einem Überdruck im Schaltergefäß. Überschreitet der Druck im Schalter einen vor bestimmten Grenzwert, so öffnet das während des normalen Betriebes geschlossene Druckentlastungsventil und stellt eine Druckentlastung mit der den Schalter umgebenden Atmosphäre her.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Volumenkompensationseinrichtung lässt sich ein völliger Abschluss der Isolierflüssigkeit des Schalters von der Atmosphäre/Umgebungsluft erreichen. Die Aufnahme von Feuchtigkeit und Sauerstoff durch die Isolierflüssigkeit wird verhindert. Eine Beeinflussung der elektr. Durchschlagfestigkeit der Isolierflüssigkeit durch Feuchtigkeit wird vermieden sowie die Alterung der Isolierflüssigkeit deutlich herabgesetzt. Das äußere Ausdehnungsgefäß, der Luftentfeuchter sowie die zugehörigen Rohrleitungen können entfallen. Die regelmäßige Prüfung des Zustandes des Trocknungsmittels im Luftentfeuchter kann eingespart werden und es kommt zu Kosteneinsparungen durch den Entfall des kostspieligen regelmäßigen Austausches des Trocknungsmittels. Umweltverschmutzungs- und Entsorgungsprobleme durch verbrauchte Trocknungsmittel werden vermieden.

Vorteilhafterweise wird der erfindungsgemäße Schalter mit einem Gasablassventil (D3) ausgerüstet. Dieses kann zweckmäßigerweise derart ausgeführt oder gesteuert werden, dass es bei einem kleinen Gasdruck anspricht, nicht jedoch bei Anliegen von Isolierflüssigkeit. Dadurch ist ein ständiges Abpumpen der Gase möglich. Zum Schutz vor Überdruck dient ein Druckventil und/oder ein übliches großflächiges Druckentlastungsventil (D2).

Durch die Kombination einer füllstandsunabhängigen Druckentlastungseinrichtung und einer bereits bei geringem Überdruck ansprechenden füllstandsabhängigen Druckentlastungseinrichtung, lässt sich ein sicherer Berstschutz für das Schaltergefäß bei kontinuierlicher Abfuhr sich bildender Gase ermöglichen.

Die Geschwindigkeit des notwendigen Volumenausgleiches bei Erwärmung ist von den thermischen Zeitkonstanten des Trans formators und des Schalters sowie den Betriebsbedingungen abhängig, erfolgt aber in jedem Falle recht langsam. Um im Fehlerfall schwallartige Volumenänderungen (Entstehung großer Gasmengen durch Zersetzung von Isolierflüssigkeit) von der Ausgeichsvorrichtung fernzuhalten, ist die Anbringung von Druckdämpfern in Form eines kleinen Querschnittes zum Kompensator vorteilhaft. (DD) im Kanal zur Ausgleichsvorrichtung vorteilhaft. Diese Druckdämpfer (DD) können aus einer Querschnittsverengung auf dem Weg der Isolierflüssigkeit zum Ausgleichskörper gebildet werden.

Weiterhin ist durch Verwendung eines mehrwandigen Balges eine völlige Berstsicherheit erzielbar, diese Ausführung ermöglicht außerdem eine Leckageüberwachung. Durch Verwendung eines Führungsrohres kann der Balg des Kompensators gegen seitliches Ausweichen (Knicken) geschützt werden. Dieses Führungsrohr kann ebenfalls zur Aufnahme der beim Transport des Transformators auftretenden Querbeschleunigungskräfte genutzt werden. Die Druckwellenleiteinrichtung für das Druckentlastungsventil wird als Führungsrohr für den Balg genutzt. Die Druckwellenleiteinrichtung ist derart gestaltet dass sowohl bei gedehntem Kompensator als bei gestauchtem Kompensator eine sichere Weiterleitung der Druckwellen gewährleistet. Bewegliches Grundelement des Kompensators ist der Metallbalg, der aufgrund seiner ringförmig umlaufenden Wellen eine axiale Beweglichkeit aufweist, die bei Anwendung im erfindungsgemäßen Ausdehnungsgefäß zum Ausgleich der thermisch bedingten volumenänderungen der Isolierflüssigkeit des Stufenschalters genutzt wird. Dieser Balg bezieht seine Beweglichkeit aus der Biegsamkeit der radial stehenden Wellenflanken. Dabei ist für den beschriebenen Anwendungsfall die lyraförmige Welle aufgrund der großen Beweglichkeit bei ausreichender Druckfestigkeit zu bevorzugen.

In einer weiteren besonderen Ausführungsform wird der Ausgleichskörper mit einem Federelement (F1) versehen, um ein vorbestimmtes Druckspiel zu erzielen. Diese Federelemente können auch durch den Körper des Kompensators selbst gebildet werden.

In einer speziellen Ausführung wird die Ausgleichsvorrichtung mit einer Volumenbegrenzung in eine oder auch beide Richtungen ausgerüstet. Dadurch kann beispielsweise im Schaltergefäß ein besonderen Anforderungen entsprechendes Druckspiel realisiert werden. Diese Begrenzung ist ebenfalls durch eine Hubbegrenzung der Ausgleichselemente sowie eine mehrteilige Ausgleich-vorrichtung mit Kammern unterschiedlicher Federkonstante möglich.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
1 zeigt einen Schalter (S) mit einem Schalterkopf (SK), welcher am Deckel (TD) eines Transformators angeordnet ist. Der Raum innerhalb des Schalters (S) ist mit Isolierflüssigkeit gefüllt. Da das Gehäuse des Schalters (SW) diesen hermetisch abschließt, kommt es bei Erwärmung der Isolierflüssigkeit des Schalters zu einer Erhöhung des Innendruckes im Schalter. Diese Druckerhöhung bewirkt eine Streckung des Kompensators (K). Sich durch thermische Ölzersetzung bildende Gase steigen nach oben und werden durch die zylindrischen Rohrstücke (R1) zu einer Überwachungseinrichtung (D1) geführt.
Eines der beiden Rohrsegmente ist an der beweglichen Endplatte des Kompensators angeordnet. Diese Rohrstücke sind derart gestaltet das sie bei jeder Stellung des Kompensators eine sichere Ableitung von Druckwellen zum Druckentlastungsventil D1 gewährleisten. Die Höhe ist derart bemessen dass der Kompensator seine volle Beweglichkeit ausnutzt und eine sichere Ölströmung zwischen Schalter und Ausdehnungsgefäß gewährleistet ist. Ist der Druck zu groß, wird Gas über ein Ventil (D1) abgelassen.
Die 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Stufenschalter (S) mit Ausdehnungsgefäß, wobei zusätzlich zum bestehenden Druckentlastungsventil (D1) ein zweites Druckentlastungsventil (D2) über ein Rohrsystem (P1) mit dem Innenraum des Schalters verbunden ist.
Die Figuren 3 und 4 zeigen einen Schalter (S), der innerhalb einer Isolierflüssigkeit des äußeren elektr. Bauteils, z. B. ein Transformator, angeordnet ist. Die Erhöhung des Innendruckes im Schalter durch sich durch thermische Ölzersetzung bildende Gase werden in einem hermetisch gegen die Isolierflüssigkeit des Transformators abgeschirmte Kammer geleitet, die mittels der Streckung des Kompensators (K) entsprechende Druckänderungen aufnehmen kann. Über ein Ventil (D1, D2) kann das so gebildete Zersetzungsgas nach Außen abgeleitet werden. Alternativ wird in der Figur 4 das Ausgleichsvolumen oberhalb des Ventils (D1) konstant gelassen und gegebene Volumenänderungen direkt mittels eines Kompensators (K) auf das umgebende Isolierflüssigkeitsmedium übertragen.

Claims

Mit einer Isolierflüssigkeit gefüllter und mit einem dicht verschlossenen Gehäuse versehenes elektrisches Bauteil, insbesondere ein Stufenschalter, mit Ausdehnungsgefäß zur Aufnahme der thermisch bedingten Volumenänderungen der Isolierflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet dass, zur Aufnahme der thermisch bedingten Volumenschwankungen die Bewegung eines Faltenbalges genutzt wird und dass die Ausgleichvorrichtung direkt auf dem Kopf des elektrischen Bauteils montiert ist.
Ausdehnungsgefäß für einen elektrischen Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass, durch einen topfförmigen Innenzylinder im die Außenwand bildenden Kompensator oder durch Anordnung eines negativen inneren Kompensators in einem topfförmigen Außenzylinder das Ölvolumen der Ausgleichvorrichtung der nutzbaren Kompensatorvolumendifferenz angeglichen wird.
Anordnung nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass, der innere Topf oder der innere Balg des Ausdehnungsgefäßes einen Hohlraum bilden, in welchem die erforderlichen Überwachungsgeräte und Armaturen für den Schalter raumsparend untergebracht werden.
Anordnung nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass, der innere Topf oder der innere Balg des Ausdehnungsgefäßes ein Druckentlastungsventil umschließen.
Anordnung nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass, der oder die Ausgleichskörper mit einem Federelement versehen sind, um ein vorbestimmtes Druckspiel zu erzielen.
Anordnung nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei innere Hülsen vorgesehen sind, welche sich teilweise überlappen und von denen eine an der beweglichen Kompensatorplatte angebracht ist.
Ausdehnungsgefäß nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dass ein mehrschichtiger Kompensator zum Einsatz kommt.
Ausdehnungsgefäß nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für den mindest zweischichtigen Kompensator eine Leckageeüberwachung an den Hohlraum zwischen den Schichten angeschlossen wird.
Schalter (S1) nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreitung eines bestimmten Druckes im Inneren des Schaltergehäuses (S) durch Öffnen von Absperrmitteln (D1, D2) der Überdruck im Schalter vermindert wird.
Schalter (51) nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter mit einem Gasablassventil (D3) ausgerüstet ist, welches derart ausgeführt oder gesteuert wird, dass es bei Anliegen von Isolierflüssigkeit nicht anspricht.
Schalter nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter mit Vakuum Schaltzellen (SZ) ausgestattet ist.
Anordnung nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenausgleichsvorrichtung (K) durch Druckwellendämpfer vor Druckwellen (z.B. durch plötzliche Ölzersetzung bei Schaltvorgängen) geschützt wird.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet dass, der Druckwellendämpfer (DD) durch eine Querschnittsverringerung in der Zuleitung zur Druckausgleichvorrichtung gebildet wird.
Anordnung nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass, der Schalter mit Vorrichtungen zur Erfassung des Füllstandes der Isolierflüssigkeit und/oder Erfassung des Druckes ausgestattet ist.
Anordnung nach Anspruch 14 gekennzeichnet dadurch, dadurch gekennzeichnet dass, die von der Volumenänderung hervorgerufene Verformung der Ausgleichselemente zur Auswertung und/oder Anzeige des Schalterölvolumens genutzt wird.
Anordnung nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass, der Schalter (S1) mit Vorrichtungen (D3, S) zur Sammlung und zum Ablassen von sich bildenden Gasen ausgestattet ist.
Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet dass, diese Vorrichtungen in Abhängigkeit vom Ölstand im Schalter gesteuert werden.
Anordnung nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass, die maximale Ausdehnung des Kompensators mittels geeigneter Arretierungen begrenzt wird.
Anordnung nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass, die Rückstellkraft für den Kompensator durch die Gewichtskraft eines Beschwerungskörpers erzeugt wird.
Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet dass, die erforderlichen Überwachungsgeräte und Armaturen für den Schalter den Beschwerungskörper für die Rückstellkraft des Kompensators bilden.
Ausdehnungsgefäß nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass, der Faltenbalg mit einer Schutzhaube abgedeckt ist.
Anordnung nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass, die an einem sich bei Erwärmung ausdehnendem Isoliermedium gefüllten elektr. Einrichtung zum Einsatz kommt.