-
Die
Erfindung betrifft einen Hochspannungserzeuger mit einer Ausdehnungseinheit
für einen Druckausgleich
in einem mit einem Fluid befüllten Druckbehälter.
-
Bei
vielen Vorrichtungen ist ein geschlossenes Gefäß vorgesehen, in dem sich eine
Flüssigkeit oder
ein Gas befindet. Ein Beispiel für
eine solche Vorrichtung ist ein Hochspannungserzeuger, dessen Komponenten
wie etwa Wicklungen, Hochspannungsrichter usw. in einem ölgefüllten Kessel
angeordnet sind. Das Öl
im Kessel dient hierbei zur elektrischen Isolation sowie zur Aufnahme
der Wärme der
Komponenten des Hochspannungserzeugers. Im Betrieb des Hochspannungserzeugers
erhöht
sich die Temperatur im Inneren des Kessels, was zu einer nicht vernachlässigbaren
Ausdehnung des Öls
bzw. zu einem Anstieg des Drucks im Kessel führt. Um einen einwandfreien
Betrieb des Hochspannungserzeugers zu gewährleisten, sind in der Regel
Mittel zum Druckausgleich vorgesehen. Dies können beispielsweise externe
Ausdehnungsgefäße sein,
die strömungstechnisch
mit dem Kessel verbunden sind. Eine Einrichtung bei der ein temperaturabhängiger Druckausgleich über einen
zusätzlichen
Ausgleichraum erfolgt, ist z.B. in der
DE 103 11 308 A1 beschrieben.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Druck in einem Druckbehälter eines
Hochspannungserzeugers besonders effektiv auszugleichen.
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen Hochspannungserzeuger mit einer Ausdehnungseinheit für einen
Druckausgleich in einem mit einem Fluid befüllten Druckbehälter, umfassend einen
porösen
Grundkörper
der von einer undurchdringlichen Haut umschlossen ist, wobei im
Grundkörper
ein Gas eingeschlossen ist.
-
Die
Erfindung geht von der Überlegung
aus, dass ein Druckanstieg bzw. eine Drucksenkung in einem Druckbehälter, die
durch ein temperaturbedingtes Ausdehnen oder Komprimieren eines
Fluids im Behälter
verursacht werden, besonders wirkungsvoll kompensiert werden, indem
eine im Behälter
angeordnete Ausdehnungseinheit in Abhängigkeit von dem Druck im Druckbehälter ihr
Volumen verändert. Unter
Druckbehälter
wird hierbei ein geschlossenes Gefäß verstanden, in dessen Inneren
ein Druck eingestellt ist, der sich vom Umgebungsdruck (Luftdruck)
unterscheidet, insbesondere höher
als der Umgebungsdruck ist. Die Ausdehnungseinheit ist hierbei ein
in sich geschlossenes System, das durch eine Haut von dem im Druckbehälter befindlichen Fluid
getrennt ist. Die Ausdehnungseinheit weist einen porösen Grundkörper auf,
in dem ein Gas unter einem beliebigen Druck eingeschlossen ist.
Bei Veränderungen
des Drucks im Druckbehälter
kann dieses Gas expandieren oder sich zusammenpressen, wodurch ein
Druckausgleich im Behälter
erfolgt. Die Aufnahmekapazität
der Ausdehnungseinheit kann beispielsweise durch ihre Größe oder
durch den Druck des im Grundkörper
eingeschlossenen Gases eingestellt werden. Der besondere Vorteil
hierbei ist, dass sich das Gas besonders leicht ausdehnen oder zusammendrücken lässt, was
der Ausdehnungseinheit eine sehr große Flexibilität verleiht.
Darüber
hinaus zeichnet sich die Ausdehnungseinheit durch ihren einfachen
und kostengünstigen
Aufbau aus.
-
Die
Fähigkeit
der Ausdehnungseinheit ihr Volumen in Abhängigkeit vom Druck im Druckbehälter zu ändern wird
weiterhin durch den Aufbau bzw. die Zusammensetzung des Grundkörpers unterstützt. Hierbei
besteht der Grundköper
bevorzugt aus einem Schaumstoff, insbesondere aus Polyurethan. Dank
der niedrigen Dichte des Schaumsstoffs steht dem Gas im Inneren
der Ausdehnungseinheit ausreichend Platz zur Verfügung, so
dass eine verhältnismäßig große Menge
an Gas in der Ausdehnungseinheit eingeschlossen werden kann. Zudem
kann der Polyurethan-Schaumstoff weich und elastisch ausgebildet
werden, was ihn für
den Einsatz als Druckaufnehmer besonders geeignet macht.
-
Vorzugsweise
ist die Haut aus einem gas- und ölundurchlässigen Material
ausgebildet. Somit wird gewährleistet,
dass das Gas im Inneren der Ausdehnungseinheit nicht durch die Haut
ausweicht. Gleichzeitig kann das im Druckbehälter befindliche Fluid, das
insbesondere ein Öl
ist, nicht durch die Haut in die Ausdehnungseinheit eindringen.
Die Haut ist hierbei Zweckdienlicherweise aus Polyurethan ausgebildet.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist das im Grundkörper eingeschlossene Gas Luft.
Dies stellt eine besonders kostengünstige Ausgestaltung der Ausdehnungseinheit
dar.
-
Gemäß einer
alternativen Variante ist das im Grundkörper eingeschlossene Gas SF6. SF6 ist reaktionsträge und weist
gute Isolationseigenschaften auf, die beispielweise bei seinem Einsatz
in Hochspannungserzeugern von Vorteil sind.
-
Die
Aufnahmekapazität
der Ausdehnungseinheit hängt
nicht allein von ihrem Aufbau und Größe, sondern auch von ihrer
Form ab. Somit weist der Grundkörper
vorteilhafterweise eine Kugelform auf, durch die eine gleichmäßige Verteilung
der auf die Ausdehnungseinheit wirkenden Kräfte des im Druckbehälter enthaltenen
Fluids gewährleistet
ist, was zu einer gleichmäßige Verformung
der Ausdehnungseinheit führt.
-
Weiterhin
von Vorteil ist, dass im Grundkörper
im Ausgangszustand ein Druck von etwa 1 bar eingestellt ist, der
dem umgebenden Luftdruck entspricht. Unter Ausgangszustand ist hier
der Zustand der Ausdehnungseinheit bei Umgebungsdruck zu verstehen,
wenn sie nicht gerade den Kräften
eines im Druckbehälter
enthaltenen Fluids ausgesetzt ist. Dies bietet Vorteile insbesondere
beim Komprimieren des in der Ausdehnungseinheit eingeschlossenen Gases.
Die Ausdehnungseinheit lässt
sich hierbei leichter komprimieren als bei einem höheren Innendruck.
Auch beim Ausdehnen der Ausdehnungseinheit hat der relativ geringe
Innendruck Vorteile, denn der Grundkörper expandiert nicht so stark.
-
Der
erfindungsgemäße Hochspannungserzeuger
umfasst einen Druckbehälter
mit einem mit einem Fluid gefüllten
Innenraum in dem eine Ausdehnungseinheit nach einer der vorhergehenden
Ausgestaltungen angeordnet ist.
-
Bei
dieser Anordnung umgibt das Fluid im Druckbehälter, das insbesondere eine
Flüssigkeit
ist, ganz die Ausdehnungseinheit. Dabei wirken die Druckkräfte der
Flüssigkeit
auf die gesamte Oberfläche
der Ausdehnungseinheit. Außerdem
kann der Druckbehälter
hierbei vollständig
gegenüber
der Umgebung abgedichtet werden, so dass ein gewünschter Druck im Innenraum
eingestellt wird und die Gefahr eines Austretens der Flüssigkeit
minimiert ist. Um eine Kollision mit anderen Bauelementen im Druckbehälter zu
vermeiden, ist die Ausdehnungseinheit insbesondere an einem Ort
festgehalten, sie kann aber alternativ auch frei in dem Druckbehälter schwimmen.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieser Anordnung ist, dass bei
einem Defekt in der Ausdehnungseinheit, der zum Ausweichen des in
ihr eingeschlossenen Gases führt,
das freigesetzte Gas sich weiterhin im abgedichteten Druckbehälter befindet und
die Funktion des Druckausgleichs weiterhin übernehmen kann. Zudem ist der
Druckbehälter kompakt
ausgeführt,
da keine großartige
Volumenvergrößerung des
Druckbehälters
notwendig ist, um die Ausdehnungseinheit aufzunehmen.
-
Bevorzugt
bildet der Druckbehälter
das Gehäuse
für den
Hochspannungserzeuger. Dank der gas- und ölundurchlässigen Haut, die den Grundkörper der
Ausdehnungseinheit ummantelt, kann die Ausdehnungseinheit problemlos
in einem ölgefüllten Gehäuse eines
Hochspannungserzeugers eingesetzt werden. Hierbei wird entsprechend
ein Gas zum Füllen
des Grundkörpers
gewählt,
das gut elektrisch isoliert und chemisch nicht reaktiv ist, so dass
bei einem eventuellen Ausweichen des Gases aus dem Grundkörper der
Hochspannungserzeuger weiterhin einwandfrei funktionieren kann.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin
zeigen vereinfacht und schematisch:
-
1 einen
Schnitt durch einen Druckbehälter
mit einer darin befindlichen kugelförmigen Ausdehnungseinheit,
-
2 einen
Schnitt durch einen Druckbehälter
mit einer darin befindlichen zylinderförmigen Ausdehnungseinheit im
Ausgangszustand, und
-
3 die
Ausdehnungseinheit gemäß 2,
wobei der Druckbehälter
mit einer erwärmten Flüssigkeit
befällt
ist.
-
Gleiche
Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.
-
In 1 ist
ein Druckbehälter 2 gezeigt,
der insbesondere ein Gehäuse
eines Hochspannungserzeugers ist, dessen Innenraum 3 vollständig mit
einem Öl 4 aufgefüllt ist.
Der Druckbehälter 2 stellt
ein geschlossenes System dar und ist gegenüber der Umgebung abgedichtet,
so dass kein Öl 4 aus
dem Druckbehälter 2 austreten
und keine Luft von außen in
den Druckbehälter 2 eindringen
kann.
-
Im
Druckbehälter 2 ist
eine kugelförmige Ausdehnungseinheit 6 angeordnet,
die in diesem Ausführungsbeispiel
ortsfest gehalten ist, damit eine Kollision mit den hier nicht näher dargestellten
Komponenten des Hochspannungserzeugers vermieden wird. Die Ausdehnungseinheit 6 weist
einen porösen Grundkörper 8 auf,
der in diesem Ausführungsbeispiel
aus einem Polyurethan-basierten Schaumstoff ausgebildet ist. In
den Hohlräumen
des Grundkörpers 8 ist
ein Gas eingeschlossen, beispielsweise SF6,
das durch eine den Grundkörper 8 umschließende Haut 10 innerhalb
der Ausdehnungseinheit 6 gehalten wird und nicht ausweichen
kann. Die Haut 10 ist außerdem ölundurchläs sig, so dass das Innere der
Ausdehnungseinheit 6 gegenüber dem Öl 4 im Druckbehälter 2 isoliert
ist. Die Haut 10 besteht ebenfalls aus Polyurethan und
ist elastisch.
-
Die
Ausdehnungseinheit 6 ist für einen Druckausgleich bei
einer Temperaturänderung
im Druckbehälter 2 vorgesehen.
Beispielweise führt
im Betrieb eine Temperaturerhöhung
des Öls 4 zu
einer Druckerhöhung
im Druckbehälter 2,
welche die Funktion des Hochspannungserzeugers beeinträchtigen kann.
Die Wände
des Druckbehälters 2 sind
massiv und unelastisch und da der Druckbehälter 2 ein geschlossenes
System ist, kann der Druckaufbau nicht nach außen geleitet werden. Eine Aufnahme
der durch die Temperaturerhöhung
entstandenen Druckkräfte
im Behälter 2 (die
in der Figur durch Pfeile angedeutet sind) erfolgt hierbei über die
Ausdehnungseinheit 6. Dank der porösen Struktur des Grundkörpers 8 und
des im Grundkörper 8 eingeschlossenen Gases
kann die Ausdehnungseinheit 6 zusammengedrückt werden,
wobei das Gas in ihr komprimiert wird, bis der Druck in der Ausdehnungseinheit 6 sich mit
dem Druck im Behälter 2 ausgleicht.
Beim Zusammenschrumpfen der Ausdehnungseinheit 6 wird im
Behälter 2 Platz
frei, in dem sich das Öl 4 ausdehnen
kann, wobei der Druck im Druckbehälter 2 nachlässt. In
der Figur ist die Ausdehnungseinheit 6 im zusammengedrückten Zustand
gezeigt, ihr Volumen vor dem Druckanstieg im Behälter 2 ist durch eine
gestrichelte Kreislinie veranschaulicht. Aufgrund des symmetrischen
Aufbaus der Ausdehnungseinheit 6, der zu einer gleichmäßigen Verteilung
der Druckkräfte
auf ihre Oberfläche
führt,
bleibt ihre Kugelform auch im zusammengedrückten Zustand im Wesentlichen
erhalten.
-
Das
Gas im Inneren der Ausdehnungseinheit 6 ist so gewählt, dass
es elektrisch isolierend wirkt und bei einem direkten Kontakt mit
dem Öl 4 mit
diesem nicht chemisch reagiert. Bei einer eventuellen Beschädigung der
Haut 10, die zu einem Ausweichen des Gases aus der Ausdehnungseinheit 6 führt, kann somit
das Gas im Betrieb des Hochspannungserzeugers weiterhin den Druck
bei Temperaturschwankungen kompensieren.
-
Eine
Ausdehnungseinheit 6 in einer zylindrischen Form, die in
der Schnittdarstellung durch einen Rechteck angedeutet ist, ist
aus der 2 ersichtlich. Die Ausdehnungseinheit 6 weist
die gleiche Struktur auf wie die im Zusammenhang mit der 1 beschriebenen
Ausdehnungseinheit 6 und unterscheidet sich lediglich durch
ihre Form.
-
In
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2 ist der
Druckbehälter 2 leer,
d.h. nicht mit einem Öl 4 aufgefüllt und
im Innenraum 3 herrscht Umgebungsdruck. Die Ausdehnungseinheit 6 ist
derart ausgebildet, dass unter diesen Bedingungen in ihrem Inneren ebenfalls
Umgebungsdruck von etwa 1 bar eingestellt wird.
-
Vor
der Inbetriebnahme des Hochspannungserzeugers wird der Druckbehälter 2 evakuiert, mit Öl 4 aufgefüllt und
abgedichtet. Dabei wirken auf die Ausdehnungseinheit 6 Druckkräfte des
dichteren Öls 4,
die bereits eine Schrumpfung der Ausdehnungseinheit 6 verursachen.
Durch die im Betrieb des Hochspannungserzeugers freigesetzte Wärme erhöht sich
der Druck im Innenraum 3 zusätzlich, wobei immer größere Druckkräfte auf
die Ausdehnungseinheit 6 und die Wände des Behälters 2 wirken. Dies ist
in der 3 gezeigt. Allerdings sind die auf die Ausdehnungseinheit 6 wirkende
Druckkräfte
aufgrund ihrer zylindrischen Form nicht gleichmäßig verteilt, so dass sich
die Ausdehnungseinheit 6 beim Schrumpfen deformiert.
-
Ein ähnlicher
Vorgang kann beobachtet werden, wenn aufgrund einer Temperatursenkung
im Innenraum 3 das Öl 4 sich
zusammenzieht. Dadurch entstehen Ziehkräfte im Behälter 2, die eine Vergrößerung des
Volumens der Ausdehnungseinheit 6 hervorrufen, wobei sich
ihre zylindrische Form ebenfalls verzerrt.