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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät zum Anschließen an eine Hochspannungsleitung mit wenigstens einem mit einem Isolierfluid befüllten Gehäuse, einem magnetisierbaren Kern, der wenigstens einen Kernschenkel ausbildet, und wenigstens zwei den Kernschenkel umschließenden Wicklungen, die in dem Gehäuse angeordnet sind.
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Ein solches elektrisches Gerät ist aus der
WO 2014/086948 bereits bekannt. Dort ist ein Transformator für Schienenfahrzeuge offenbart, der über einen Kern mit zwei Kernschenkeln verfügt, die über ein unteres und oberes Joch unter Ausbildung eines geschlossenen Magnetkerns miteinander verbunden sind. Jeder Kernschenkel wird von lediglich einer Wicklung umschlossen, von denen eine als Oberspannungswicklung dient. Die andere als Traktionswicklung bezeichnete Wicklung ist über den Kern induktiv mit der Oberspannungswicklung gekoppelt und stellt ausgangsseitig die gewünschte Traktionsspannung für das Schienenfahrzeug bereit. Jede Wicklung ist in einem eigenen zylindrischen Gehäuse angeordnet, das mit einem Isolierfluid zum Isolieren und Kühlen der jeweiligen Wicklung befüllt ist. Die Kernschenkel erstrecken sich durch das Gehäuse hindurch, so dass der Kern luftgekühlt ist. Die zylindrischen Gehäuse sind jeweils mit einem Kühlelement ausgerüstet, das für eine Kühlung der jeweiligen Wicklung sorgt.
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Die
WO 2014/086948 offenbart ferner einen Transformator, bei dem Oberspannungswicklung und Traktionswicklung konzentrisch zueinander und in einem gemeinsamen zylindrischen Gehäuse angeordnet sind. Das Gehäuse besteht aus einer Innen- und Außenwand, die mit einem Deckelabschnitt oben und unten dicht verschlossen sind. Der Kern erstreckt sich mit seinem Kernschenkel durch das Gehäuse hindurch, wobei ein wicklungsfreier Rückführungsschenkel über obere und untere Joche mit dem besagten Kernschenkel verbunden ist.
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Dem vorbekannten elektrischen Gerät haftet der Nachteil an, dass Oberspannungs- und Unterspannungswicklung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Daher müssen beide Wicklungen mit Isoliermitteln der gleichen thermischen Klasse ausgerüstet werden. Zwar ist ebenfalls bekannt Oberspannungswicklung und Traktionsspannungswicklung in unterschiedlichen Gehäuseteilen anzuordnen. Bei dieser Lösung ist jeder Schenkel jedoch nur von einer einzigen Wicklung umschlossen, so dass ein raumgreifender Transformator geschaffen ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrisches Gerät der eingangs genannten Art bereitzustellen, dessen Wicklungen mit Isoliermittel unterschiedlicher thermischer Klasse bestückt werden können, wobei gleichzeitig ein kompaktes und leistungsfähiges elektrisches Gerät bereitgestellt ist.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass zumindest ein Gehäuse mehrere Kühlräume ausbildet, wobei in jedem Kühlraum eine Wicklung zumindest teilweise angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß ist ein elektrisches Gerät bereitgestellt, das zum Anschluss an eine Hochspannungsleitung mit einer Spannung von über 10 kV vorgesehen ist. Das elektrische Gerät verfügt über einen magnetisierbaren Kern, der wenigstens einen Kernschenkel ausbildet. Jeder Kernschenkel ist von zwei Wicklungen umschlossen, die konzentrisch zueinander angeordnet sind. Beide Wicklungen sind daher schenkelweise gekapselt und in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Erfindungsgemäß bildet dieses Gehäuse mehrere Kühlräume aus. In jedem Kühlraum ist wenigstens eine Wicklung zumindest teilweise angeordnet. Die in einem Kühlraum angeordnete Wicklung oder deren Abschnitt kann daher mit Isoliermitteln ausgestattet werden, die von den Isoliermitteln der Wicklungsabschnitte oder Wicklungen in einem anderen Kühlraum des gleichen Gehäuses abweichen. Somit kann die Kühlung des elektrischen Geräts so eingestellt werden, dass bei Normalbetrieb des elektrischen Geräts in jedem Kühlraum unterschiedlich hohe Temperaturen herrschen.
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Gemäß einer diesbezüglichen Weiterentwicklung ist jeder Kühlraum mit einer eigenen Kühleinheit ausgerüstet. Abweichend davon ist lediglich eine Kühleinheit vorgesehen, die so eingestellt ist, dass in den Kühlräumen unterschiedlich hohe Betriebstemperaturen herrschen. So kann die Kühleinheit beispielsweise mit einer Pumpe ausgerüstet sein, mit der das Isolierfluid über das Gehäuse und deren Kühlräume umgewälzt wird. Das Isolierfluid kann beispielsweise durch einen Wärmetauscher abgekühlt werden und das frisch abgekühlte Isolierfluid zunächst in den ersten Kühlraum des Gehäuses überführt werden. Das Isolierfluid durchströmt den ersten Kühlraum und wärmt sich dabei auf. Anschließend gelangt es in den zweiten Kühlraum, in dem es von der dort angeordneten Wicklung oder dem dort angeordneten Wicklungsabschnitt noch weiter erwärmt wird. In den in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Kühlräumen stellen sich somit unterschiedlich hohe Temperaturen ein. Die Strömung des Isolierfluids kann sich im Rahmen der Erfindung auch passiv, also ohne Verwendung einer Umwälzpumpe einstellen.
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Isoliermittel der Wicklungen sind beispielsweise die Leiterisolation eines Wicklungsleiters, die Abstandshalter, die Wicklungsringe und dergleichen, wobei diese Aufzählung keinesfalls abschließend gemeint ist.
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Zweckmäßigerweise bildet der Kern zwei Kernschenkel aus, die sich jeweils durch ein Gehäuse erstrecken, in dem wenigstens eine Wicklung angeordnet ist, wobei die Kernschenkel durch Joche miteinander verbunden sind und in jedem Gehäuse eine Unterspannungswicklung und eine Oberspannungswicklung konzentrisch zueinander angeordnet sind. Bei dieser Ausführung des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts sind zwei Oberspannungswicklungen vorgesehen, die jeweils einen Schenkel des Kerns umschließen und konzentrisch zu einer Unterspannungswicklung angeordnet sind. Die beiden Oberspannungswicklungen sind dabei vorteilhafterweise elektrisch in Reihe zueinander geschaltet. Dies gilt auch für Unterspannungswicklungen entsprechend. Ein wicklungsfreier Rückführungsschenkel ist bei dieser Ausführungsvariante der Erfindung nicht vorgesehen. Jeder Kernschenkel erstreckt sich durch ein Gehäuse, in dem die beiden Wicklungen paarweise angeordnet sind. Dabei sind in jedem Gehäuse zwei Kühlräume vorgesehen, in denen jeweils unterschiedliche Abschnitte einer oder mehrerer Wicklungen oder jeweils eine Wicklung angeordnet sind. In diesem Zusammenhang können die Kernschenkel auch mehrstückig ausgebildet sein. Bei einer bevorzugten Variante umfasst der Kern zwei U-förmig ausgebildete Kernteile, wobei die freien Schenkel der beiden Kernteile stirnseitig aneinander anliegen. Der Verbindungssteg jedes U-förmigen Kernteils bildet jeweils ein Joch aus, das zwei Schenkelteile und somit die beiden Schenkel miteinander verbindet, so dass ein geschlossener Eisenkreis ausgebildet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Weiterentwicklung ist jede Oberspannungswicklung in einem Oberspannungskühlraum und jede Unterspannungswicklung in einem Unterspannungskühlraum angeordnet. Gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich jeder Kernschenkel durch ein Gehäuse mit einem Oberspannungskühlraum und einem Unterspannungskühlraum. In dem Oberspannungskühlraum eines jeden Gehäuses ist eine Oberspannungswicklung angeordnet. In dem Unterspannungskühlraum ist die Unterspannungswicklung angeordnet. Wieder sind die Oberspannungswicklungen der beiden Kernschenkel zueinander in Reihe geschaltet. Dies gilt entsprechend für die Unterspannungswicklungen.
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Zweckmäßigerweise weist jedes Gehäuse eine innere Gehäusewand und eine äußere Gehäusewand sowie eine die Kühlräume voneinander trennende Zwischenwand auf. Das Gehäuse erstreckt sich zweckmäßigerweise in einer Längsrichtung und ist zylindrisch ausgebildet, wobei der Zylinder einen kreisförmigen oder polygonen Querschnitt aufweist. Die äußere Gehäusewand und die trennende Zwischenwand weisen vorteilhafterweise die gleiche Querschnittsform auf. So sind beispielsweise die äußere Gehäusewand und die Zwischenwand beide kreiszylindrisch ausgestaltet, wobei der Durchmesser der äußeren Gehäusewand selbstverständlich größer ist als der Durchmesser der Zwischenwand. Die innere Gehäusewand weist vorteilhafterweise ebenfalls die gleiche Gestalt auf, wie die Zwischenwand und die äußere Gehäusewand.
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Die Kühlräume eines Gehäuses können im Rahmen der Erfindung miteinander verbunden sein. Abweichend davon sind die Kühlräume fluiddicht voneinander getrennt. Mit anderen Worten kann Isolierfluid aus dem einen Kühlraum nicht direkt in den zweiten Kühlraum gelangen. Dies ist bei einer vollständigen Kapselung nur mit Hilfe eines Rohr- oder Leitungssystems möglich, die erwärmtes Isolierfluid aus dem Gehäuse abgeführt und abgekühltes Isolierfluid wieder zuführt. Das Rohr- oder Leitungssystem weist vorteilhafterweise eine Pumpe auf, die das Isolierfluid über die Gehäuse umwälzt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist jede äußere Gehäusewand aus einem elektrisch nicht leitenden Material gefertigt. Das Material kann ein geeigneter faserverstärkter Kunststoff sein, welcher elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung verfügt jedes Gehäuse über eine Gehäusewand, die in einer Querschnittsansicht als Rechteck mit abgerundeten Ecken ausgestaltet ist. Das Rechteck mit abgerundeten Ecken wird im Sinne der Erfindung ebenfalls als Zylinder bezeichnet. Zweckmäßigerweise bildet auch die Zwischenwand ein Rechteck mit abgerundeten Ecken aus. Dies gilt bei einer Variante auch für die innere Gehäusewand. Aufgrund der vom Kreiszylinder abweichenden Ausgestaltung des Gehäuses, ist dessen Innenvolumen an die Außenkontur des Kerns angepasst und somit optimiert. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung verfügt jedes Gehäuse über eine obere und untere Gehäuseplatte, die über Zugelemente miteinander verspannt sind. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung ist eine besonders einfache Konstruktion bereitgestellt, die Kostenvorteile mit sich bringt.
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Das erfindungsgemäße elektrische Gerät ist beispielsweise ein Transformator, insbesondere Bahntransformator oder eine Drossel.
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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 gleichwirkende Bauteile verweisen und wobei
- 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts in einer Seitenansicht und
- 2 eine Querschnittsansicht eines Kernschenkels mit dem diesen umschließenden Gehäuse und den darin angeordneten Wicklungen verdeutlichen.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts 1 in einer Seitenansicht. Das als Transformator 1 ausgeführte elektrische Gerät verfügt über einen Kern 2, der zwei Kernschenkel 3 und 4 aufweist, die sich jeweils durch ein Gehäuse 5 und 6 erstrecken. Dabei sind die Kernschenkel 3 und 4 durch ein oberes 7 und unteres Joch 8 miteinander verbunden, so dass ein geschlossener Magnetkreis geschaffen ist. Der Kern 2 besteht erfindungsgemäß aus einem magnetisierbaren Material. Vorteilhafterweise ist der Kern als so genannter Wickelkern ausgeführt, der aus mehreren Wicklungs- oder Elektrobändern besteht, die aneinander anliegen. Dabei sind die Elektrobänder beispielsweise kornorientierte Elektrobleche oder bestehen aus einem amorphen Material. Gewickelte Kerne sind jedoch grundsätzlich bekannt.
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Abweichend davon besteht der Kern aus aneinander anliegenden Elektroblechen.
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In jedem Gehäuse 5 beziehungsweise 6 sind eine in 1 nicht sichtbare Unter- und Oberspannungswicklung angeordnet, die konzentrisch zueinander angeordnet sind und den jeweiligen Kernschenkel 3 beziehungsweise 4 vollumfänglich umschlie-ßen. Dabei ist die Oberspannungswicklung, die den Kern 3 umschließt, in Reihe zu der Oberspannungswicklung geschaltet, die den Kernschenkel 4 umschließt. Entsprechendes gilt für die jeweiligen Unterspannungswicklungen. Die Gehäuse 5 und 6 verfügen an jeder Stirnseite über eine obere Gehäusedeckelplatte 9 sowie eine untere Gehäusedeckelplatte 10, die fluiddicht an der äußeren Gehäusewand 11 sowie der in 1 nicht sichtbaren Gehäuseinnenwand anliegen, so dass ein fluiddicht gekapseltes Gehäuse 5 beziehungsweise 6 bereitgestellt ist. Die obere und untere Verschlussplatte sind über Zugelemente 12 miteinander verspannt. Die Zugelemente 12 sorgen auch für ein Verspannen der in den Gehäusen 5 und 6 angeordneten Wicklungen, die ebenfalls zwischen den Verschlussplatten 9 beziehungsweise 10 angeordnet ist. Zum Erzeugen der notwendigen Spannkraft verfügen die Zugelemente 12 an ihren freien Enden jeweils über ein Gewinde sowie über eine auf das besagte Gewinde aufschraubbare Mutter 13. Die freien Enden durchragen jeweils eine der Verschlussplatten, so dass diese durch Aufschrauben der Mutter 13 aufeinander zu bewegt werden können, bis die notwendige Spannkraft erreicht ist.
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2 zeigt das Gehäuse 6 gemäß 1 in einer geschnittenen Querschnittsansicht. In dieser Darstellung ist erkennbar, dass das Gehäuse 6 eine äußere Gehäusewand 11 sowie eine innere Gehäusewand 14 aufweisen. Ferner ist eine Zwischenwand 15 erkennbar, die einen ersten Kühlraum 16 von einem zweiten Kühlraum 17 trennt. Eine Unterspannungswicklung 18 ist konzentrisch zu einer Oberspannungswicklung 19 angeordnet, die beide den Kernschenkel 4 umschließen. Das Gehäuse 6 und somit die Kühlräume 16 und 17 sind fluiddicht mit der oberen und unteren Gehäusedeckelplatte 9 und 10 verbunden, so dass die Kühlräume 16 und 17 fluiddicht voneinander getrennt sind.
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Aufgrund der im Vergleich zur Oberspannungswicklungen höhere Ströme, die in der Unterspannungswicklung 18 fließen, und der größeren Nähe zum Kernschenkel 6 sind die Temperaturen des Isolierfluids, in diesem Fall eine Esterflüssigkeit, im Unterspannungskühlraum 17 höher als im ersten Oberspannungskühlraum 16. Die Unterspannungswicklung 18 ist daher mit Isoliermitteln, beispielsweise elektrisch nicht leitenden Abstandshaltern, Leiterisolation und dergleichen, ausgerüstet, die für höhere Temperaturen ausgelegt und einer anderen thermischen Klasse zugeordnet sind. Die Temperatur des Isolierfluids im Oberspannungskühlraum 16 ist jedoch im Vergleich mit den Temperaturen des Isolierfluids im zweiten Kühlraum 17 geringer. Daher kann die Oberspannungswicklung mit Isoliermitteln ausgestattet werden, die für geringere Maximaltemperaturen ausgelegt sind. Diese sind somit kostengünstiger. Auf diese Art und Weise ist es möglich, die Kosten des elektrischen Geräts 1 herabzusetzen.
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Sowohl die äußere Gehäusewand 11 als auch die innere Gehäusewand 14 und die Zwischenwand 15 weisen jeweils im Querschnitt eine rechteckige Struktur mit abgerundeten Ecken auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014/086948 [0002, 0003]
