DE102016219406A1

DE102016219406A1 - Elektrisches Gerät mit mehreren Kühleinheiten

Info

Publication number: DE102016219406A1
Application number: DE102016219406.2A
Authority: DE
Inventors: Jörg Findeisen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2016-10-06
Filing date: 2016-10-06
Publication date: 2018-04-12
Also published as: EP3494584A1; EP3494584B1; US11322287B2; WO2018065189A1; US20190318862A1

Abstract

Um ein Elektrisches Gerät (1) zum Anschluss an ein Hochspannungsnetz mit – einem Gefäß (14), das mit einem Isolierfluid (30) befüllt ist, – einem in dem Gefäß (14) angeordneten Aktivteil, das einen magnetisierbaren Kern (2) und Teilwicklungen (3.1, 3.2) zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Kern (2) aufweist, und – einer Kühleinrichtung (15) zum Kühlen des Isolierfluids (30), zu schaffen, das kostengünstig ist und gleichzeitig bei höheren Temperaturen betrieben werden kann, wird wenigstens eine thermische Barriere (4) vorgeschlagen, die Kühlräume begrenzt, in denen jeweils wenigstens eine Teilwicklung (3.1, 3.2) angeordnet ist, wobei die Kühleinrichtung (15) wenigstens zwei Kühleinheiten aufweist und jede Kühleinheit zum Kühlen einer zugeordneten Teilwicklung (3.1, 3.2) eingerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät zum Anschluss an ein Hochspannungsnetz mit einem Gefäß, das mit einem Isolierfluid befüllt ist, einem in dem Gefäß angeordneten Aktivteil, das einen magnetisierbaren Kern und Teilwicklungen zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Kern aufweist, und einer Kühleinrichtung zum Kühlen des Isolierfluids.
Ein solches elektrisches Gerät ist dem Fachmann bekannt. So weisen beispielsweise Transformatoren oder Drosseln, die an ein Hochspannungsnetz angeschlossen sind, jeweils ein Gefäß auf, das in der Regel mit einem mineralischen Isolieröl als Isolierfluid befüllt ist. Bei einem Transformator sind in dem Gefäß eine Unterspannungs- und eine Oberspannungswicklung angeordnet, die über einen magnetisierbaren Kern induktiv miteinander gekoppelt sind. Das Isolierfluid dient neben der Isolierung der Wicklungen auch zur Kühlung des Transformators. Dazu wird das beim Betrieb erwärmte Isolieröl zum Abführen der Wärme über eine außen an das Gefäß angebaute Kühleinrichtung geführt. Die Kühlung ist so eingestellt, dass eine maximale Temperatur des Isolierfluids nicht überschritten wird, da ansonsten die Feststoffisolierungen des Transformators beschädigt werden könnten.
Zunehmend kommen alternative Isolierfluide, wie Ester- oder Silikonöle, in Transformatoren zum Einsatz, die eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweisen. Diese alternativen Isolierfluide gewährleisten eine höhere Brandsicherheit und sind zudem biologisch abbaubar. Eine verbesserte Umweltverträglichkeit von Isolierfluiden ist insbesondere für Off-Shore-Anwendungen erforderlich. Auf Grund der verbesserten thermischen Beständigkeit dieser alternativen Isolierfluide kann der Transformator bei höheren Temperaturen betrieben werden. In diesem Zusammenhang sei auf die Norm IEEE 1276(1997) verwiesen.
Neben den konventionellen, also derzeit überwiegend eingesetzten, Isoliersystemen und Materialien sind so genannte Hochtemperaturisolierungen für elektrische Geräte bekannt. Diese sind jedoch kostenintensiv. Aus diesem Grunde wurden so genannte Hybridlösungen vorgeschlagen, bei denen sowohl Hochtemperaturwerkstoffe als auch übliche Werkstoffe als Isolierung eingesetzt wurden. Beispielsweise weist das Barrierensystem der Isolierung konventionelle Isolierwerkstoffe auf, während die Leiterwicklungsisolierung durch Hochtemperaturwerkstoffe erfolgt. Den Hybridlösungen haftet jedoch der Nachteil an, dass trotz des Einsatzes kostspieliger Hochtemperaturisolierwerkstoffe die Betriebstemperatur des Isolierfluids aufgrund der immer noch verwendeten konventionellen Isolierwerkstoffe deutlich unter der Temperatur liegt, die bei ausschließlichem Einsatz von Hochtemperaturisolierwerkstoffen möglich wäre.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein elektrisches Gerät der eingangs genannten Art bereitzustellen, das kostengünstig ist und gleichzeitig bei höheren Temperaturen betrieben werden kann.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch wenigstens eine thermische Barriere, die Kühlräume begrenzt, in denen jeweils wenigstens eine Teilwicklung angeordnet ist, wobei die Kühleinrichtung wenigstens zwei Kühleinheiten aufweist und jede Kühleinheit zum Kühlen einer zugeordneten Teilwicklung eingerichtet ist.
Erfindungsgemäß sorgt eine thermische Barriere im Zusammenspiel mit wenigstens zwei Kühleinheiten dafür, dass zumindest zwei Teilwicklungen in unterschiedlichen Temperaturabschnitten, die hier als Kühlraumtemperaturen bezeichnet sind, betrieben werden können. Die thermische Barriere sorgt für die Ausbildung von wenigstens zwei Kühlräumen, die mit jeweils einer der Kühleinheiten verbunden sind. Die Kühleinheiten können so im Rahmen der Erfindung in den mit ihnen verbundenen Kühlräumen unterschiedliche Kühlraumtemperaturen, also unterschiedliche Temperaturen des Isolierfluids und/oder der Wicklungen, einstellen. Die Kühlraumtemperatur wird zweckmäßigerweise so eingestellt, dass eine für diesen Kühlraum vorbestimmte maximale Betriebstemperatur nicht überschritten wird. Auf diese Weise ist es möglich, in den Kühlräumen unterschiedliche Isoliermaterialien einzusetzen. Darüber hinaus kann beispielsweise die Teilwicklung, die in einem Kühlraum angeordnet ist, der höhere Kühlraumtemperaturen erlaubt, isolierstoffarm ausgelegt sein.
Im Rahmen der Erfindung stellen sich Vorteile ein, wenn in dem Kühlraum, in dem sich bei Normalbetrieb höhere Kühlraumtemperaturen einstellen, eine Teilwicklung angeordnet ist, die für geringere Betriebsspannungen ausgelegt ist. Hier ist beispielsweise der Einsatz von Netzdrilleiterwicklungen möglich.
Weiterhin sind mit verschiedenen Isolierlacken beschichtete Kupferlackdrähte, die selbst hohen Temperaturen Stand halten können, am Markt erhältlich. Dies gilt beispielsweise auch für einen Draht mit einer Beschichtung aus Pyre-ML-polyimid, der bis 220°C thermisch beständig ist. Aufgrund der geringen Dicke seiner Lackschicht ist eine gute Wärmeabgabe des Drahtes an das Isolierfluid gewährleistet.
Andere Teilwicklungen, die in einem Kühlraum angeordnet sind, in dem das Isolierfluid eine geringere Kühlraumtemperatur aufweist, sind hingegen zweckmäßigerweise mit den üblichen konventionellen, also nicht hochtemperaturbeständigen Teilwicklungsisolierungen oder Barrierensystemen bestückt.
Im Rahmen der Erfindung ist vorteilhafterweise das Material des Isolierstoffs in Abhängigkeit der Lage der jeweiligen Isolierung in Bezug auf den so genannten Heißpunkt der Wicklung ausgewählt. Eine Heißpunkttemperatur ist die bei Betrieb des elektrischen Gerätes heißeste Temperatur des mit festem Isolierstoff oder dem Isolierfluid in wärmeleitendem Kontakt stehenden elektrischen Leiters der Teilwicklung. Somit ist beispielsweise die Leiterisolation so ausgewählt, dass das Material auch bei Erreichen der Heißpunkttemperatur nicht beschädigt wird. Die Leiterisolation kann mit anderen Worten der maximalen Wicklungstemperatur standhalten. Feststoffisolationen mit einem gewissen Abstand zu den heißesten Stellen der jeweiligen Teilwicklung, können hingegen, wenn der entsprechende Temperaturgradient dies zulässt, einer niedrigeren thermischen Klasse zugeordnet sein.
Im Rahmen der Erfindung weist die Kühleinrichtung wenigstens zwei Kühleinheiten auf, wobei jede Kühleinheit zum Kühlen eines zugeordneten Kühlraums eingerichtet ist. Durch den Einsatz von zwei Kühleinheiten kann eine der Kühleinheiten beispielsweise über Zu- und Abführungsleitungen mit einer Teilwicklung in einer Weise verbunden werden, dass das von einer Kühleinheit abgekühlte Isolierfluid gezielt über eine ausgewählte Teilwicklung umgewälzt wird und in dem Kühlraum für die Einstellung der erforderlichen Kühlraumtemperatur sorgt.
Da auf Grund der verschiedenen Spannungen der Teilwicklungen jeweils unterschiedliche vertikale Abstände zum Joch des Kernes erforderlich sind, kann der schichtweise aufgebaute Wicklungsunterbau zur gezielten Zuführung des Isolierfluides zu der ausgewählten Teilwicklung genutzt werden. Die Isolierstoffscheiben des Unterbaus sind zweckmäßigerweise so ausgeführt, dass eine Trennung des Flusses des Isolierfluids zu den jeweiligen Teilwicklungen bereitgestellt ist.
Auf Grund der Trennung der Strömung des Isolierfluides durch die Kühlräume, können die Kühlkreise strömungstechnisch vollständig voneinander getrennt sein, oder aber teilweise einen gemeinsamen Raum nutzen. Dieser Raum kann jeweils strömungstechnisch vor oder hinter den Kühlräumen liegen.
Vorteilhafterweise bildet die thermische Barriere eine Eintrittsöffnung aus, die an einen Ausgang der Kühleinrichtung angeschlossen ist. Dieser Anschluss oder mit anderen Worten die Verbindung zwischen der jeweiligen Kühleinheit und der Eintrittsöffnung kann im Rahmen der Erfindung beliebig ausgestaltet sein. Wesentlich ist, dass der Hauptteil der aus der jeweiligen Kühleinheit austretende Isolierfluidströmung in die Eintrittsöffnung gelangt.
Weitere Vorteile bringt es mit sich, wenn die Eintrittsöffnung von einer thermischen Barriere ausgebildet ist, die einen Kühlraum zumindest teilweise definiert, in dem eine Oberspannungswicklung angeordnet ist. Die Oberspannungswicklung ist aufgrund der höheren Spannung mit einer aufwändigeren Isolierung bestückt. Um dort konventionelle Materialen für die besagte Isolierung einzusetzen, muss die Oberspannungswicklung stärker gekühlt werden als die Unterspannungswicklung, die mit Hochtemperarturwerkstoffen isoliert ist.
Im Rahmen der Erfindung sind die durch das Barrierensystem voneinander getrennten fluidgefüllten Kühlräume zweckmäßigerweise hydraulisch miteinander verbunden. Diese Verbindung kann über den Anschluss an ein von beiden Kühlräumen genutztes gemeinsames Ausdehnungsgefäß, oder durch eine teilweise offene Gestaltung von Wicklungsunterbauten oder Wicklungsoberbauten erfolgen.
Gemäß einer diesbezüglichen Weiterentwicklung umschließt die thermische Barriere eine Teilwicklung zumindest abschnittsweise. Die thermische Barriere ist beispielsweise hohlzylindrisch ausgebildet und konzentrisch zu wenigstens einer Teilwicklung angeordnet. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung bildet die thermische Barriere eine Führung oder mit anderen Worten Kühlkanäle für den Isolierfluidstrom aus, so dass das Isolierfluid über die Teilwicklung geführt wird. Die Kühlkanäle können mäanderförmig ausgeführt sein.
Gemäß einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung ist die thermische Barriere zumindest abschnittsweise auch eine elektrische Barriere.
Zweckmäßigerweise ist die erste Teilwicklung eine Unterspannungswicklung und eine zweite Teilwicklung eine Oberspannungswicklung. Die beiden Wicklungen sind konzentrisch zueinander und beispielsweise auch zu einem sich durch die innere Unterspannungswicklung hindurch erstreckenden Kernabschnitt angeordnet. Mit anderen Worten ist das elektrische Gerät gemäß dieser Ausführung der Erfindung ein Transformator mit konzentrischen Ober- und Unterspannungswicklungen als Teilwicklungen. Die Teilwicklungen sind vorteilhafterweise als umfänglich geschlossene zylinderförmige Wicklungen ausgeführt.
Gemäß einer diesbezüglichen Variante sind eine erste Kühleinheit zum Kühlen der Unterspannungswicklung und eine zweite Kühleinheit zum Kühlen der Oberspannungswicklung eingerichtet. Wie bereits ausgeführt wurde, ist es hier zweckmäßig, dass die Kühleinrichtung die Oberspannungswicklung mit kälterem Isolierfluid beaufschlagt, so dass diese bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden kann. Die Unterspannungswicklung und die Oberspannungswicklung sind dann wiederum mit unterschiedlichen Isolierwerkstoffen als Teilwicklungsisolierung ausgerüstet, die den unterschiedlichen Kühlraumtemperaturen standhalten können.
Grundsätzlich sind die Kühlräume im Rahmen der Erfindung hydraulisch miteinander gekoppelt. Gemäß einer vorteilhaften Variante hierzu ist der Kühlraum, in dem die Oberspannungswicklung angeordnet ist, mit dem Kühlraum, in dem die Unterspannungswicklung angeordnet ist, über ein Ausdehnungsgefäß hydraulisch miteinander verbunden.
Gemäß einer Variante ist eine Kühleinheit als geschlossenes umlaufendes Kühlsystem ausgebildet, wobei eine Pumpe zum Umwälzen des Isolierfluids vorgesehen ist. Eine zweite Kühleinheit ist mit dem Innenraum des Gefäßes verbunden, wobei die erste Kühleinheit und der Innenraum des elektrischen Geräts nur über ein Ausdehnungsgefäß miteinander verbunden sind. Gemäß dieser Variante findet eine hydraulische Verbindung der Kühlräume ausschließlich über das Ausdehnungsgefäß statt, das aufgrund der temperaturabhängigen Volumen-Ausdehnung des Isolierfluids ohnehin zwingend erforderlich ist.
Vorteilhafterweise können die Lücken zwischen den Einzelbarrieren und zwischen Wicklung und Gefäß, welche nicht zur Kühlung oder zur Führung des Isolierfluids benötigt werden, zur Vermeidung von Bypässen, mittels Beilagen verschlossen werden.
Wie bereits ausgeführt wurde, ist es im Rahmen der Erfindung vorteilhaft, dass die Kühleinrichtung über eine Zuführungsleitung verfügt, die eine unterhalb der ersten Teilwicklung und insbesondere unterhalb der Oberspannungswicklung angeordnete Austrittsöffnung ausbildet. Gemäß dieser Variante tritt das abgekühlte Isolierfluid aus der Kühleinrichtung über die Zuführungsleitung aus und wird direkt in den Kühlraum der ersten Teilwicklung eingeführt, so dass die erste Teilwicklung stärker gekühlt wird als die weiteren Teilwicklungen, die der ersten Teilwicklung in Strömungsrichtung des Isolierfluids nachgeordnet sind.
Vorteilhafterweise ist mindestens eine Kühleinheit mit dem Wicklungsunterbau und/oder Wicklungsoberbau einer Teilwicklung so verbunden, dass die bei Normalbetrieb jeweils über die Kühleinheiten geführten Strömungen des Isolierfluids voneinander getrennt sind.
Zweckmäßigerweise weist jede Kühleinheit wenigstens ein Kühlregister auf. Der Begriff Kühlregister soll hier auch Radiatoren umfassen. Wenigstens eine oder jede Kühleinheit kann eine passive Kühleinheit sein oder aber eine Umwälzpumpe zum Umwälzen des Isolierfluids über ein Kühlregister aufweisen. Das Kühlregister kann mit einem oder mehreren Lüftern oder Ventilatoren ausgestattet sein.
Gemäß einer weiteren Variante sind die Kühlregister so mit dem Gefäß des elektrischen Gerätes verbunden, dass diese unterschiedliche lotrechte Abstände zu einer durch die Bodenfläche des Gefäßes definierten Bodenfläche aufweisen. Mit anderen Worten sind die Kühlregister unterschiedlich hoch an dem Gefäß befestigt. Bei einer diesbezüglichen Weiterentwicklung sind die Kühleinheiten passive Kühleinheiten und weisen keine Umwälzpumpe auf. Bei passiven Kühleinheiten wird die Umwälzgeschwindigkeit des Isolierfluids über das Kühlregister neben anderen Einflussgrößen durch den Höhenversatz zwischen dem Mittelpunkt der Warmfluidsäule in den Kühlkanälen der jeweiligen Teilwicklung und dem Mittelpunkt der Kaltfluidsäule des jeweiligen Kühlregisters bestimmt. Da die Teilwicklungen auf dem unteren Joch des Kerns abgestützt sind und somit einen festen Abstand zum Boden aufweisen, kann diese Abhängigkeit der Umwälzgeschwindigkeit von der besagten Höhendifferenz auch mit Hilfe des Abstands des jeweiligen Kühlregisters zur Bodenebene beschrieben werden, die durch den Boden des Gefäßes definiert ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Teilwicklungen unterschiedliche Isolierungen auf. So weist beispielsweise eine erste Teilwicklung eine Hochtemperaturisolierung auf, während eine zweite Teilwicklung und alle weiteren Teilwicklungen übliche Isolierungen aus Werkstoffen aufweisen, die für niedrigere Temperaturen ausgelegt sind. Der Begriff „Isolierung“ umfasst hier auch Barrierensysteme und Abstandshalter, die neben der Isolierung der Wicklungsleiter eingesetzt werden.
Weitere Komponenten des elektrischen Gerätes, zum Beispiel Stufenschalter, werden entsprechend ihrer jeweiligen zulässigen Betriebstemperatur einem der beiden die Kühlräume durchströmenden Kühlkreisläufe zugeordnet.
Vorteilhafterweise weist die Kühleinrichtung eine Steuerungseinheit mit Temperatursensoren auf, wobei die Temperatursensoren zum Erfassen der Temperatur einer Teilwicklung und/oder zum Erfassen der Temperatur des Isolierfluids in einer Teilwicklung eingerichtet sind. Die Steuerungseinheit ist beispielsweise für jede Kühleinheit mit einem Schwellenwert ausgerüstet, so dass die Kühlleistung der jeweiligen Kühleinheit in Abhängigkeit des jeweiligen Schwellenwertes steuerbar ist. Der jeweilige Schwellenwert ist in Abhängigkeit der Temperaturbeständigkeit der Isolierstoffe der Teilwicklungen bestimmt. Erreicht die von den Temperatursensoren erfasste Temperatur den Schwellenwert, steuert die Steuerungseinheit entweder eine Umwälzpumpe oder aber einen Lüfter der jeweiligen Kühleinheit an und erhöht so die Kühlleistung der besagten Kühleinheit.
Die Temperatursensoren sind zum Erfassen der Temperatur einer Teilwicklung und/oder zum Erfassen der Temperatur des Isolierfluids eingerichtet. Die Temperatursensoren können daher im Rahmen der Erfindung auch die Temperatur des Wicklungsleiters direkt erfassen.
Gemäß einer weiteren Variante weist wenigstens eine Teilwicklung mehrere Temperaturbereiche auf, in denen Isolierstoffe unterschiedlicher thermischer Belastbarkeit angeordnet sind. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn in jedem vorgelagerten Temperarturbereich Isolierstoffe mit geringerer thermischer Belastbarkeit angeordnet sind als in nachgelagerten Temperaturbereichen, die in Strömungsrichtung des Isolierfluide hinter dem vorgelagerten Temperaturbereich liegen.
Bei einer hierzu zweckmäßigen Weiterentwicklung ist in wenigsten zwei Temperaturbereichen jeweils ein Temperatursensor zur Messung einer Heißpunkttemperatur angeordnet, der ausgangsseitig Temperaturmesswerte bereitstellt, die mit einem in Abhängigkeit der im jeweiligen Temperaturbereich eingesetzten Isolierstoffe zuvor festgelegten Schwellenwert verglichen werden, wobei auf der Grundlage dieses Vergleichs ein Steuersignal erzeugt wird. Dieses kann je nach Auslegung ein Warnsignal auslösen, die Abschaltung bewirken, eine Senkung der Last des elektrischen Geräts auslösen oder aber zur Steuerung der Kühlanlage genutzt werden.
Erfindungsgemäß wird der Betrieb bei höheren Temperaturen ermöglicht, wobei eine kostspielige Umstellung beispielsweise der isolierstoffreichen Wicklungsteile einer Oberspannungswicklung auf Hochtemperaturisolierwerkstoffe unterbleiben kann. Darüber hinaus sind eine höhere Stromdichte in den Wicklungsleitern und damit eine deutliche Reduzierung der Baugröße möglich. Eine Erhöhung der Temperatur des Isolierfluides führt im Rahmen der Erfindung zu einer erheblichen Vergrößerung der Temperaturdifferenz zum äußeren Kühlmedium wie beispielsweise Luft oder Wasser. Damit steigt die Effektivität der Kühlung erheblich, so dass das erfindungsgemäße elektrische Gerät kompakter ausgeführt sein kann.
Auf Grund der hohen Viskosität von Isolierfluiden auf Ester- und Silikonbasis ergeben sich weiterhin strömungstechnische und kühlungstechnische Vorteile beim Betrieb mit höheren Temperaturen. Es wird eine Optimierung der Verluste für Normallast, bei Bereitstellung eines hohen Überlastspielraumes möglich.
Für bestimmte Anwendungen ermöglicht die hohe Temperaturspreizung der Isolierflüssigkeit den effektiven Einsatz von äußeren Verdampfungskühlern und Kühlern auf der Basis von Wärmerohren.
Vorteilhafterweise sind mehrere strömungstechnisch verbundene Temperaturbereiche im Kühlraum mit Sensoren zur Messung der Heißpunkttemperatur der Teilwicklung im jeweiligen Temperaturbereich ausgestattet, wobei den Signalen jedes dieser Temperatursensoren jeweils eigene Schwellenwerte zur Auslösung von Steuerfunktionen zugeordnet sind, welche auf die thermische Klasse der in den jeweiligen Temperaturbereichen der Teilwicklung verwendeten Isolierstoffe abgestimmt sind.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen und wobei
1 bis 7 unterschiedliche Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht schematisch verdeutlichen.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts 1 in einer geschnittenen Seitenansicht, wobei das elektrische Gerät als Transformator 1 ausgeführt ist. Der Transformator 1 weist ein Gefäß 14 auf, in dem ein magnetisierbarer Kern 2, eine Unterspannungswicklung 3.1 und eine Oberspannungswicklung 3.2 jeweils als Teilwicklung im Sinne der Erfindung konzentrisch zueinander angeordnet sind. Die besagten Wicklungen 3.1, 3.2 sind hohlzylindrisch ausgestaltet. Die Oberspannungswicklung 3.2 ist über einen figürlich nicht dargestellten Anschluss mit einem Hochspannungsnetz verbindbar, wobei die Unterspannungswicklung 3.1 über eine ebenfalls nicht dargestellte Anschlussleitung mit einem Verteilnetz oder einer Last verbunden werden kann. Die Ober- und Unterspannungswicklung 3.1, 3.2 sind über den magnetisierbaren Kern 2 induktiv miteinander gekoppelt, so dass die Oberspannungswicklung 3.2 in der Unterspannungswicklung 3.1 eine Spannung induziert oder umgekehrt.
Das Gefäß 14 ist mit einem Isolierfluid 30 und in dem vorliegenden Fall einem handelsüblichen Ester befüllt. Eine thermische Barriere 4 ist zwischen der Oberspannungswicklung 3.2 und der Unterspannungswicklung 3.1 angeordnet. Die thermische Barriere 4 ist umfänglich geschlossen und ebenfalls hohlzylindrisch ausgebildet. Dabei umschließt sie die ebenfalls zylindrische Unterspannungswicklung 3.1 vollständig. Oberhalb des Gefäßes 14 ist ein Ausdehnungsgefäß 18 angeordnet, das zur Aufnahme der temperaturbedingten Volumenschwankungen des Isolierfluids 30 dient.
Zum Kühlen der Teilwicklungen 3.1 und 3.2 ist eine Kühleinrichtung vorgesehen, die zwei Kühleinheiten aufweist, wobei eine erste Kühleinheit ein Kühlregister 15.1, eine Umwälzpumpe 16.1 sowie einen Temperatursensor 22.1, eine Zuführungsleitung 37.1 sowie eine Rückführungsleitung 38.1 aufweist. Die zweite Kühleinheit verfügt über ein Kühlregister 15.2, eine Umwälzpumpe 16.2, einen Temperatursensor 22.2, eine Zuführungsleitung 37.2 sowie eine Rückführungsleitung 38.2. Die Zuführungsleitung 37.1 weist eine Austrittsöffnung 32 auf, die unterhalb der radial innen liegenden Unterspannungswicklung 3.1 angeordnet ist. Eine Eintrittsöffnung der Rückführungsleitung 38.1 ist direkt mit einem Wicklungsoberbau 9.1 der Wicklung 3.1 verbunden. Der Wicklungsoberbau 9.1 ist strömungstechnisch abgedichtet, damit ist gemeint, dass die Strömung des Isolierfluids 30 von dem Wicklungsoberbau geführt ist. Die Rückführungsleitung 38.1 ist über eine Verbindungsleitung mit dem Ausdehnungsgefäß 18 verbunden, das wiederum über eine zweite Verbindungsleitung mit dem Innenraum des Gefäßes 14 des Transformators 1 verbunden ist. Die Zuführungsleitung 37.2 der zweiten Kühleinheit mündet mit ihrer Austrittsöffnung direkt in der Seitenwand des Gefäßes 14. Die Rückführungsleitung 38.2 ist nahe der Oberkante des Gefäßes angeschlossen. Durch die Innenwand der thermischen Barriere 4 ist somit ein erster Kühlraum begrenzt, in dem die Unterspannungswicklung 3.1 angeordnet ist. Die Außenwand der thermischen Barriere 4 begrenzt zusammen mit dem Gefäß 14 einen zweiten Kühlraum, in dem die Oberspannungswicklung 3.2 liegt. Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das von der ersten Kühleinheit 15.1, 16.1, 37.1, 38.1 gekühlte Isolierfluid 30 über den abgedichteten Wicklungsunterbau 8.1 direkt zur Unterspannungswicklung 3.1 und von dort aus direkt zurück zum Kühlregister 15.1 geführt. Die hydraulische Kopplung der Kühlräume erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel nur über das Ausdehnungsgefäß 18. Es stellen sich unterschiedliche Kühlraumtemperaturen in den Kühlräumen ein. Die Isolierungen sind an diese Kühlraumtemperaturen jeweils angepasst.
Die Temperatursensoren 22.1 und 22.2 sind jeweils mit einer figürlich nicht dargestellten Steuerungseinheit über eine Signalleitung verbunden. Übersteigt die von den Temperatursensoren 22.1 bzw. 22.2 erfasste Temperatur des Isolierfluids 30 einen zuvor für die jeweilige Teilwicklung 3.1 oder 3.2 festgelegten Schwellenwert, erhöht die Steuerungseinheit die Leistung der Umwälzpumpe und somit die Leistung der jeweiligen Kühleinheit. Die Schwellenwerte wurden in Abhängigkeit der thermischen Klasse der Isolierstoffe der jeweiligen Teilwicklungen ermittelt.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts 1, bei dem die hydraulische Kopplung der Kühlkreise über die nach oben offenen Wicklungsoberbauten 9.1, 9.2 der Teilwicklungen 3.1, 3.2 erfolgt. Es kommt oberhalb der Teilwicklungen 3.1 und 3.2 zu einer Mischung des Isolierfluides 30. In den jeweils einer Teilwicklung 3.1, 3.2 zugeordneten Kühleinheiten wird das Isolierfluid 30 unterschiedlich gekühlt. So wird im Kühlkreis für die Teilwicklung 3.2 deren Wicklungsleiter mit einer aufwändigen Hochspannungsisolation ausgerüstet sind, ein höherer Kühlaufwand betrieben. Mit anderen Worten wird das Isolierfluid 30 auf eine tiefere Temperatur gekühlt.
Der Kühlraum der Teilwicklung 3.1, sowie der Kern 2 werden in den über den Kühler 15.2 gebildeten Kühlkreislauf einbezogen.
Die Teilwicklung 3.1 mit geringeren Anforderungen an deren Spannungsfestigkeit, die also einen im Vergleich zur anderen Teilwicklung geringen Anteil an Isolierwerkstoffen aufweist, ist mit einer Isolation einer höheren thermischen Klasse ausgestattet und kann so bei höherer Temperatur betrieben werden. Die Ausstattung dieser Teilwicklung mit Hochtemperaturisolierstoffen erfordert nur geringe Kosten. Im Rahmen der Erfindung ist es zweckmäßig Teilwicklungen mit einer vergleichsweise geringen Spannungsfestigkeit bei einer höheren Temperatur zu betreiben, als die Teilwicklungen mit einer hohen Spannungsfestigkeit.
Die Auslegung des Kernes 2 auf höhere Temperaturen erfordert nur einen sehr geringen Aufwand, da keine Formteile erforderlich sind und eine elektrische Feldbeanspruchung nicht berücksichtigt werden muss. Demzufolge wird der Kern 2 ebenfalls höheren Betriebstemperaturen ausgesetzt.
Die Zufuhr des in getrennten Kühleinheiten gekühlten Isolierfluides 30 zu den Teilwicklungen 3.1 und 3.2 erfolgt über den Wicklungsunterbau 8.1, 8.2 der jeweiligen Teilwicklung 3.1 bzw. 3.2.
Der jeweils schichtweise aufgebaute Wicklungsunterbau 8.1, 8.2 wird zur getrennten Zuführung des Isolierfluides 30 zu den durch die thermisch Barriere getrennten Teilwicklungen 3.1, 3.2 genutzt. Die hier nicht im Detail dargestellten Isolierstoffscheiben des jeweiligen Wicklungsunterbaus 8.1, 8.2 sind so ausgestaltet, dass eine Trennung der Strömung des Isolierfluids 30 zu den jeweiligen Teilwicklungen 3.1 und 3.2 bereitgestellt ist.
Zur Entkopplung der Fluidströmungen sind die Wicklungsunterbauten 8.1 und 8.2 gegeneinander abgedichtet. Weiterhin ist zumindest eine Verbindungsleitung 37.1 vorgesehen, die sich zwischen der Kühleinheit 15.1, 16.1 und dem Wicklungsunterbau 8.2 erstreckt, so dass die Strömung des gekühlten Isolierfluids gegenüber dem Innenraum des Gefäßes 14 abgedichtet ist. Im Ausführungsbeispiel ist das Kühlregister 15.1 über eine Rohrleitung 37.1 direkt mit dem Wicklungsunterbau 8.2 verbunden.
Im Ausführungsbeispiel sind die nicht zur Kühlung oder zur Führung des Isolierfluids 30 benötigten Räume 40 zwischen der Teilwicklungen 3.2 und dem Gefäß 14 zur Vermeidung von Bypässen mittels Beilagen 11.2 verschlossen.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei durch die thermische Barriere 4 getrennten Kühlräumen. Die thermische Barriere 4 umfasst zylindrische Abschnitte 4.1 und 4.2 sowie eine Trennwand 4.5. Im gezeigten Ausführungsbeispiel bewirkt die aus einem thermisch isolierenden Material hergestellte thermische Barriere 4 eine thermische und strömungstechnische Entkopplung der radial außen liegenden Teilwicklung 3.2 von der innen liegenden Teilwicklung 3.1 und dem Kern 2 des Transformators 1. Die Entkopplung wird mit anderen Worten durch die Trennung der Isolierfluidströme beider Kühlkreise mittels der thermischen Barriere 4 erreicht.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine elektrische Barriere 7 als Abschnitt in die Barriere 4 integriert. Zur thermischen Trennung der Isolierfluidströmung wird der Wicklungsunterbau 8.2 der Teilwicklung 3.2 strömungstechnisch mit der Zuführungsleitung 37.2 verbunden, welche zum außerhalb des Gefäßes angeordneten Kühlerregister 15.2 der zweiten Kühleinheit führt. Die radial innen liegende Teilwicklung 3.1 und die Kühlkanäle des Kernes 2 liegen zum Fluidraum des Gefäßes 14 hin offen. Weiterhin wird die Zuführungsleitung 37.1 des ersten Kühlregisters 15.1 in einer Höhe unterhalb der Unterkante der Teilwicklung 3.1 mit dem Gefäß 14 verbunden. Die innenliegende Teilwicklung 3.1 und der Kern 2 werden somit durch „freie“ also nicht geführte Strömung mit gekühltem Isolierfluid 30 versorgt. Jede Teilwicklung verfügt neben einem Wicklungsunterbau 8.1 beziehungsweise 8.2 über einen Wicklungsoberbau 9.1, 9.2. Jeder Wicklungsoberbau 9.1 und 9.2 liegt offen zum Fluidraum des Gefäßes 14. Durch die Öffnungen ihres Wicklungsoberbaus 9.1, 9.2 sind im Ausführungsbeispiel beide Kühlräume über das Gefäßinnere also den Fluidraum des Gefäßes 14 hydraulisch miteinander verbunden.
Zur Aufnahme der thermisch bedingten Volumenschwankungen des Isolierfluides 30 sind der Innenraum des Gefäßes 14 und somit beide Kühlräume mit dem Ausdehnungsgefäß 18 verbunden. Innerhalb der besagten Fluidräume des Transformators 1 kommt es auf Grund der Temperaturabhängigkeit der Dichte des Isolierfluids 30 zu einer thermischen Schichtung des Isolierfluids 30. Diese thermische Schichtung wird durch eine hohe Viskosität des eingesetzten Isolierfluids 30 und die sehr geringen Strömungsgeschwindigkeiten im großen Querschnitt verstärkt. Im speziellen Ausführungsbeispiel wird dieser Effekt zur thermischen Trennung der beiden Kühlkreisläufe genutzt. Dazu erfolgt erfindungsgemäß die Anordnung des Anschlusses der Rückführungsleitung 38.2 zum Kühlregister 15.2 unterhalb des Anschlusses der Rückführungsleitung 38.1 zum Kühlregister 15.1. Um eine Durchmischung des unterschiedlich stark erwärmten Iso-lierfluids 30 zu vermeiden, ist im üblicherweise offenen Bereich oberhalb der Wicklungen ein weiterer Abschnitt 4.5 der thermischen Barriere 4 vorgesehen. Dieser Abschnitt 4.5 überragt die elektrische Barriere 7. Im Ausführungsbeispiel beträgt der vertikale Abstand H5 von der Oberkante des Abschnitts 4.5 der thermischen Barriere 4 zur Rückführungsleitung 38.2 ein Vielfaches des die Strömung begrenzenden Durchmessers der Rückführungsleitung 38.2. Damit wird verhindert, dass deutlich höher temperiertes Isolierfluid 30, welches die Unterspannungswicklung 3.1 durchströmt hat, in die Rückführungsleitung 38.2 gelangt.
Zur Vermeidung der Bildung von Bypässen werden potentielle unerwünschte Strömungskanäle 10.5 beispielsweise zwischen Abschnitten 7.5 des Barrierensystems 4 und der elektrischen Barriere 7 an einem ihrer Enden durch Beilagen aus Isoliermaterial ganz oder teilweise verschlossen.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel bilden die Teilwicklungen 3.1 und 3.2 innerhalb der Kühlräume vertikal übereinander liegende Temperaturbereiche 5.1, 5.2, 5.3 beziehungsweise 6.1, 6.2 aus, die mit einer elektrischen Isolation aus Isolierwerkstoffen ausgerüstet sind, die eine von Temperaturbereich zu Temperaturbereich unterschiedliche thermische Belastbarkeit aufweisen. So ist die thermische Belastbarkeit der Isolierstoffe in dem vom Isolierfluid 30 zuerst durchströmten Temperaturbereich 5.1 geringerer als die Isolierstoffe der in Strömungsrichtung nachgelagerten Temperaturbereiche. Darüber hinaus können auch innerhalb der Temperaturbereiche zumindest teilweise Isolierwerksoffe unterschiedlicher thermischer Klassen eingesetzt werden. So kann die thermische Belastbarkeit eines Isolierstoffes geringer sein, wenn dieser zum heißesten Punkt des Temperaturbereichs also beispielsweise zu einer bestimmten Wicklungslage den notwendigen Abstand einhält. Somit kann beispielsweise innerhalb eines Temperaturbereichs 5.1 eine Abstufung der thermischen Klasse erfolgen, je nachdem ob der Isolierwerkstoff als Leiterisolation, Abstandshalter, Potentialsteuerring oder Barriere eingesetzt wird.
Diese Anordnung ist für verschiedenste Isolierstoffe und damit verschiedene Temperaturbereiche anwendbar. Nachfolgend wird eine beispielhafte Zuordnung der thermischen Klassen zu den im Ausführungsbeispiel dargestellten Temperaturbereichen angegeben. Im Ausführungsbeispiel kommt ein Isolierfluid auf Basis eines Esters zum Einsatz.

Auslegungsbeispiel für eine Wicklungsanordnung nach 3 (Thermische Klassen der Isolierstoffe nach EN 60085:2008)

Temperaturbereich	5.1	5.2	5.3	6.1	6.2
Leiterisolation	B (130°C)	F (155°C)	H (180°C)	E (120°C)	B (130°C)
Abstandshalter	E (120°C)	B (130°C)	F (155°C)	A (105°C)	E (120°C)
Barrierensystem / Potentialsteuerringe	A (105°C)	E (120°C)	B (130°C)	A (105°C)	A (105°C)

Hierbei soll der Begriff „Abstandshalter“ radiale und axiale Abstandshalter wie beispielsweise Leisten, Reiter, Zwischenlagen oder dergleichen umfassen. Der Begriff „Barrierensystem“ soll Barrieren, Winkelringe, Kappen, Scheiben, Isolierzylinder oder dergleichen mit beinhalten.
Die Staffelung der thermischen Leistungsfähigkeit der Isolierstoffe kann auch innerhalb der thermischen Klassen nach EN 60085 vorgenommen werden, hier besteht eine Vielzahl an Möglichkeiten, beispielsweise ist auch eine Staffelung in Differenzen kleiner 10K möglich.
Weiterhin sind im Ausführungsbeispiel die Heißpunkte der Temperaturbereiche mit thermischen Sensoren 25.1, 25.2, 25.3, 26.1, 26.2 ausgestattet, die jeweils mit einer figürlich nicht dargestellten Steuereinheit verbunden sind. Im Ausführungsbeispiel ist weiterhin im Bereich der jeweiligen Austrittsöffnung im Wicklungsoberbau 9.1 oder 9.2 ein Sensor 27, 28 zur Messung der maximalen Temperatur der Isolierflüssigkeit 30 angeordnet.
In 3 sind somit fünf Temperaturbereiche 5.1, 5.2, 5.3, 6.1, 6.2 vorgesehen, die jeweils mit Isoliersoffen aus 3 unterschiedlichen thermischen Klassen bestückt sind. Somit ergeben sich für jeden Temperaturbereich unterschiedliche zulässige Maximaltemperaturen. Die Isolierflüssigkeit 30 darf in den im Strömungsverlauf vorn angeordneten Temperaturbereichen nicht die für das Isolierfluid zulässige Maximaltemperatur erreichen, da sonst der Temperaturgradient von der Wicklung zum Isolierfluid 30 in den nachfolgend durchströmten Wicklungsbereichen für eine ausreichende Kühlung zu gering wird.
Da wie beschrieben die zulässigen Temperaturen in den verschiedenen Temperaturbereichen unterschiedlich sind, macht es Sinn, die Temperaturen in den Temperaturbereichen getrennt zu überwachen. Im Ausführungsbeispiel sind daher die Heißpunkte aller Temperaturbereiche mit thermischen Sensoren ausgestattet und die Signale einer Steuereinheit zugeführt. Jedem dieser Signale wird ein auf die thermische Klasse der Isolierwerkstoffe des entsprechenden Wicklungsbereiches abgestimmter Schwellwert zugeordnet. Überschreitet eines der Temperatursignale den ihm zugeordneten Schwellwert wird ein Steuersignal erzeugt. Dieses kann je nach Auslegung ein Warnsignal auslösen, die Abschaltung bewirken, eine Senkung der Last des elektrischen Geräts auslösen oder aber zur Steuerung der Kühlanlage genutzt werden.
Vorzugsweise werden dem Signal jedes Temperatursensors 25.1, 25.2, 25.3, 26.1, 26.2 verschiedene Schwellwerte für Kühlanlagensteuerung, Warnung und Auslösung zugeordnet.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem eine Kühleinheit als aktive Kühleinheit ausgestaltet ist und über eine Umwälzpumpe 16.2 verfügt, während die andere Kühleinheit eine passive Kühleinheit 15.1 ist, bei der das Isolierfluid 30 auf Grund einer sich einstellenden Temperaturdifferenz über das Kühlregister 15.1 umgewälzt wird.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Wicklung 3.2 mit den höheren hochspannungstechnischen Anforderungen, also die Wicklung mit einem hohen Anteil an Isolierstoffen und aufwändig zu fertigenden Isolierteilen, durch die aktiver Kühleinheit 15.2, 16.2 forciert gekühlt. Die Teilwicklung 3.2 ist wieder von zylindrischen Abschnitten 4.1 der thermischen Barriere 4 umschlossen. Die Zuführung des gekühlten Isolierfluids 30 erfolgt über den strömungstechnisch abgedichteten Wicklungsunterbau 8.2 der über die Zuführungsleitung 37.2 mit der Kühleinheit 15.2 und der Pumpe 16.2 verbunden ist.
Das Gefäß 14 ist ferner mit dem Kühlregister 15.1 verbunden. Die stärker gekühlte Teilwicklung 3.2 ist mit Isolierstoffen einer geringen thermischen Klasse versehen. Da sich beim Betrieb eines gezeigten Transformtors 1 große Differenzen der Temperaturen des Isolierfluids 30 innerhalb und außerhalb der thermischen Barriere 4 einstellen, sind zusätzliche Barrierenabschnitte 4.6 vorgesehen, die eine Fluidströmung direkt an der Wandung der Barriere 4.2 vermeiden und damit die thermische Beeinflussung der Teilwicklung 3.2 verringern. Im Ausführungsbeispiel werden dazu direkt den Barrierenabschnitt 4.2 folgende elektrische Barrieren und Winkelringe mit Beilagen versehen, welche die Fluidströmung innerhalb des Kanales zwischen den Barrieren verhindern.
In diesem Ausführungsbeispiel weist nur die Teilwicklung 3.1 zwei Temperaturbereiche 5.1 und 5.2 auf. Hinsichtlich der Temperaturbereiche gelten die Ausführungen zu 6 hier entsprechend.
5 stellt ein Ausführungsbeispiel eines Transformators 1 mit natürlicher Kühlung (ONAN-Kühlung) dar. Hierbei wird die Bewegung der Isolierflüssigkeit durch thermischen Auftrieb bewirkt. Das von den Teilwicklungen 3.1, 3.2 erwärmte Isolierfluid 30 steigt auf Grund seiner geringeren Dichte gegenüber der Isolierflüssigkeit 30 der weiteren Umgebung der Wicklung auf und wird durch von unten zuströmende kalte Isolierflüssigkeit 30 ersetzt. Der Gewichtsunterschied zwischen der warmen Flüssigkeitssäule in den Wicklungskanälen und der kälteren Flüssigkeitssäule im Kühlregister 15.1 oder 15.2 erzeugt eine Druckdifferenz, welche als antreibende Kraft für den Fluidkreislauf dient. Darüber hinaus führt eine höhere geometrische Anordnung der kalten Isolierfluidsäule des Kühlregisters zu einer Erhöhung der die Kühlmittelströmung antreibenden Druckdifferenz. Dieser Effekt wird im Ausführungsbeispiel genutzt, um eine Wicklung 3.1 mit einem erhöhten Druck und damit einem höheren Volumenstrom der Isolierflüssigkeit zu versorgen. Dazu wird das Kühlregister 15.1, welches die Wicklung 3.1 mit gekühltem Isolierfluid versorgt, mit einem größeren Abstand zur Mitte der Wicklung 3.1 angeordnet, als das Kühlregister 15.2, das zur Versorgung der Teilwicklung 3.2 und des Kernes 2 vorgesehenen ist.
Dieser Höhenversatz wird hier – auf Grund des fest stehenden Abstandes der Teilwicklung zu einer vom Boden des Gefäßes definierten Bodenebene – durch den Abstand des jeweiligen Kühlregisters zur besagten Bodenebene beschrieben. Diese verschiedenen Höhenlagen werden daher hier als lotrechter Abstand H1, H2 des jeweiligen Kühlregisters 15.1, 15.2 zur der Bodenebene berücksichtigt, die durch den Boden des Gefäßes 14 definiert ist.
H1 ist größer als H2. Da beide Teilwicklungen 3.1 und 3.2 am unteren Joch des Kerns 4 abgestützt sind, liegen deren Mitten in etwa gleicher Höhe. Demzufolge ist der Abstand zwischen der Mitte des ersten Kühlers 15.1 und der Mitte der ersten Wicklung 3.1 größer als der Abstand zwischen der Mitte des zweiten Kühlers 15.2 und der Mitte der zweiten Wicklung 3.2.
Wird diese Antriebskraft zu hoch, dann kommt es auf Grund des Strömungswiderstandes in der Wicklung zu einer starken Nebenströmung des Isolierfluids 30 zwischen Teilwicklung und Gefäßwand des Transformators 1, welche die Effektivität der Kühlung senkt. Um dies zu vermeiden erfolgt im Ausführungsbeispiel die Zufuhr des gekühlten Isolierfluides 30 zu der mit der höher angeordneten Kühleinheit 15.1 verbundenen Wicklung 3.1 über den dafür strömungstechnisch abgedichteten Wicklungsunterbau 8.1.
Somit ist die Isolierfluidströmung an die verschiedenen Betriebstemperaturen der beiden Teilwicklungen und deren unterschiedliche Strömungswiderstände angepasst.
Die Kühlregister 15.1 und/oder 15.2 können im Rahmen der Erfindung mit Lüftern ausgerüstet sein.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts 1, das sich von dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel dahin unterscheidet, dass die Kühlregister 15.1 und 15.2 mit Lüftern oder Ventilatoren 17 ausgerüstet sind. Dabei weisen das Kühlregister 15.1 und das Kühlregister 15.2 eine unterschiedliche Anzahl von Lüftern 17 auf. Darüber hinaus liegen die Kühlregister 15.1 und 15.2 auf der gleichen Höhe. Die Zuführungsleitung 37.1 der ersten Kühleinheit ist genau unterhalb der ersten Teilwicklung 3.1, also der Unterspannungswicklung, angeordnet. Die thermische Barriere 4 erstreckt im Gegensatz zu den in den 1 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispielen bis zur oberen Wandung des Gefäßes 14, wobei die Rückführungsleitung 38.1 den Kühlraum im Inneren der thermischen Barriere 4 mit dem Kühlregister 15.1 verbindet. Die erste Kühleinheit bildet daher wieder einen geschlossen umlaufenden Kühlkreislauf aus, wobei die hydraulische Kopplung zwischen dem ersten Kühlraum und dem zweiten Kühlraum, der von der Außenwand der thermischen Barriere 4 und der Innenwand des Gefäßes 14 definiert wird, über das Ausdehnungsgefäß 18 erfolgt. Hierzu sind die entsprechenden Verbindungsleitungen vorgesehen.
Da sich im Ausführungsbeispiel die thermische und strömungstechnische Trennung der Wicklungen auch oberhalb der Wicklungen fortsetzt, sind beide Kühlräume jeweils mit einem eigenen Buchholzrelais 20 ausgestattet, um Gasansammlungen in beiden Kühlräumen zu überwachen.
Bei steigender Belastung des Transformators 1 steigen die Temperaturen in beiden Teilwicklungen 3.1, 3.2 unterschiedlich an und werden zunächst ohne Lüfterunterstützung gekühlt(ONAN-Kühlung). Die Lüfter 17 werden für jeden Kühlkreis unterschiedlich bei für beide Teilsysteme unterschiedlichen Temperaturen zugeschaltet beziehungsweise gesteuert.
Im Ausführungsbeispiel wird die Kühleinheit für den Kühlraum mit der Teilwicklung welche mit Isolierwerkstoffen einer geringeren thermischen Klasse ausgestattet ist, bereits bei einer niedrigeren Temperatur auf Lüfterbetrieb umgeschaltet, als der Kühler für die Teilwicklung mit Isolierwerkstoffen einer höheren thermischen Klasse. Um beide Teilwicklungen bei voller Last betreiben zu können, verfügt das Kühlregister 15.2 im Vergleich zum Kühlregister 15.2 über eine größere Anzahl von Lüftern 17.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts 1, das im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 entspricht, wobei jedoch die Kühleinheiten 15.1 und 15.2 jeweils als passive Kühleinheiten ausgelegt sind, so dass die Kühleinheiten jeweils keine Umwälzpumpe aufweisen.
Weitere hier nicht dargestellte Komponenten des elektrischen Gerätes 1, zum Beispiel Stufenschalter, werden entsprechend ihrer jeweils zulässigen Betriebstemperatur einem der beiden Kühlräume zugeordnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm IEEE 1276(1997) [0003]
EN 60085:2008 [0059]
EN 60085 [0061]

Claims

Elektrisches Gerät (1) zum Anschluss an ein Hochspannungsnetz mit – einem Gefäß (14), das mit einem Isolierfluid (30) befüllt ist, – einem in dem Gefäß (14) angeordneten Aktivteil, das einen magnetisierbaren Kern (2) und Teilwicklungen (3.1, 3.2) zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Kern (2) aufweist, und – einer Kühleinrichtung (15) zum Kühlen des Isolierfluids (30), gekennzeichnet durch wenigstens eine thermische Barriere (4), die Kühlräume begrenzt, in denen jeweils wenigstens eine Teilwicklung (3.1, 3.2) angeordnet ist, wobei die Kühleinrichtung (15) wenigstens zwei Kühleinheiten aufweist und jede Kühleinheit zum Kühlen einer zugeordneten Teilwicklung (3.1, 3.2) eingerichtet ist.
Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Barriere (4) wenigstens eine Eintrittsöffnung ausbildet, die an einen Ausgang der Kühleinrichtung (15) angeschlossen ist.
Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Barriere (4) eine Teilwicklung zumindest abschnittsweise umschließt.
Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Barriere (4) zumindest abschnittsweise eine elektrische Barriere ist.
Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teilwicklung eine Unterspannungswicklung (3.1) und eine zweite Teilwicklung eine Oberspannungswicklung (3.2) sind, wobei die Wicklungen (3.1, 3.2) konzentrisch zueinander und zu einem sich durch die innere Unterspannungswicklung hindurch erstreckenden Kernabschnitt (2) angeordnet sind.
Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Kühleinheit (15.1, 16.1) zum Kühlen der Unterspannungswicklung (3.1) und eine zweite Kühleinheit (15.2, 16.2) zum Kühlen der Oberspannungswicklung (3.2) eingerichtet sind.
Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlraum, in dem die Oberspannungswicklung angeordnet ist, mit dem Kühlraum, in dem die Unterspannungswicklung angeordnet ist, über ein Ausdehnungsgefäß hydraulisch gekoppelt ist.
Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kühleinheit (15.1, 16.1) mit dem Wicklungsunterbau (8.1, 8.2) und / oder Wicklungsoberbau (9.1, 9.2) einer Teilwicklung (3,1, 3,2) so verbunden ist, dass die bei Normalbetrieb jeweils über die Kühleinheiten (15.1, 16.1) geführten Strömungen des Isolierfluids (30) voneinander getrennt sind.
Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kühleinheit (15) ein Kühlregister (15.1, 15.2) aufweist.
Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlregister (15.1, 15.2) unterschiedliche lotrechte Abstände (H1, H2) zu einer durch eine Bodenfläche des Gefäßes (14) definierten Bodenebene (35) aufweisen.
Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilwicklungen (3.1, 3.2) unterschiedliche Teilwicklungsisolierungen aufweisen.
Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung eine Steuerungseinheit mit Temperatursensoren aufweist, wobei die Temperatursensoren zum Erfassen der Temperatur einer Teilwicklung und/oder zum Erfassen der Temperatur des Isolierfluids in einer Teilwicklung eingerichtet sind.
Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Teilwicklung Temperaturbereiche (5.1, 5.2, 5.3) aufweist, in denen Isolierstoffe unterschiedlicher thermischer Belastbarkeit angeordnet sind.
Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigsten zwei Temperaturbereichen (5.1, 5.2, 5.3) jeweils ein Temperatursensor zur Messung einer Heißpunktemperatur angeordnet ist, der ausgangsseitig Temperaturmesswerte bereitstellt, die mit einem in Abhängigkeit der im jeweiligen Temperaturbereich eingesetzten Isolierstoffe zuvor festgelegten Schwellenwert verglichen werden, wobei auf der Grundlage dieses Vergleichs ein Steuersignal erzeugt wird.
Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere strömungstechnisch verbundene Temperaturbereiche (5.1, 5.2, 5.3) im Kühlraum mit Sensoren (25.1, 25.2, 25.3) zur Messung der Heißpunkttemperatur der Teilwicklung (3.1, 3.2) im jeweiligen Temperaturbereich (5.1, 5.2, 5.3) ausgestattet sind und den Signalen jedes dieser Temperatursensoren jeweils eigene Schwellenwerte zur Auslösung von Steuerfunktionen zugeordnet sind, welche auf die thermische Klasse der in den jeweiligen Temperaturbereichen (5.1, 5.2, 5.3) der Teilwicklung (3.1, 3.2) verwendeten Isolierwerkstoffe abgestimmt sind.
Elektrisches Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der strömungstechnisch und thermisch getrennten Teilwicklungen (3.1, 3.2) über eigene Sensoren zur Temperaturüberwachung der Wicklungstemperatur (25.3, 26.2) und/oder Sensoren (27, 28) zur Messung der maximalen Isolierfluidtemperatur in den thermisch getrennten Kühlräumen der Wicklungen (3.1, 3.2) verfügt und die Sensoren mit einer Steuereinheit verbunden sind, welche mit Mitteln zur Überwachung der Einhaltung der für jeden Kühlraum unterschiedlichen zulässigen Temperaturen der Wicklungen (3.1, 3.2) und/oder des Isolierfluides 30 und zur unabhängigen Steuerung der jeweils einem Kühlraum zugeordneten Kühleinheiten (15.1, 15.2) versehen ist.