DE19636456A1 - Vorrichtung zur Fremdgasfernhaltung von Systemen mit temperaturbedingt veränderlichem Volumen, insbesondere elektrischen Transformatoren, verbunden mit einer integrierten Vorrichtung zur isolierflüssigkeitstemperaturabhängigen oder -unabhängigen Druckbeeinflussung - Google Patents

Description

Bei Wärmeträgeranlagen und Transformatoren mit flüssigen Arbeitsmedien bzw. Isoliermedien ist das Flüssigkeitsvolumen Temperatur- und damit Volumenschwankungen unterworfen, die selten oder häufig auftreten. Bei Transformatoren treten sie gewöhnlich tageszeitenzyklisch auf. Dies bedingt, daß solche Systeme entweder "atmend" betrieben werden oder daß z. B. durch Verwendung von Inertgaspolstern Sauerstoff und Feuchte ferngehalten werden.

Die Verhältnisse bei Wärmeträgeranlagen sind analog denjenigen, die man bei elektrischen Transformatoren antrifft. Letztere dienen als Beispiel zur Verdeutlichung des Problems.

Es wird dabei ein Isoliersystem aus Mineralöl und Zellulose zugrunde gelegt.

Da Sauerstoff und Feuchte sich nachteilig auf das Isolier- und Alterungsverhalten des dielektrischen Systems auswirken, sind mehrere Versuche unternommen worden, beide aus dem System fernzuhalten. Hermetik-Transformatoren verschiedener Bauweise sollen das Problem lösen.

Da jedoch die Isolierflüssigkeit ihr Volumen mit der lastabhängigen Betriebstemperatur ändert und da sogenannte Hermetik-Transformatoren hinsichtlich ihrer Anpassungsfähigkeit an die Lastspiele die an sie gestellten Ansprüche nicht voll befriedigen können, werden viele Transformatoren, insbesondere solche großer Leistung, mit einem atmenden Ausdehnungsgefäß betrieben, dem ein Lufttrockner mit Ölvorlage vorgeschaltet ist.

Die Silicagel-Füllung des Lufttrockners bindet den größten Teil der bei jedem Abkühlvorgang mit der Luft angesaugten Feuchte, muß jedoch in regelmäßigen Abständen ausgetauscht werden.

Die beschriebene Maßnahme führt dazu, daß die Luft über der Flüssigkeit so trocken ist, daß die wenig hygroskopische Flüssigkeit der trockenen Luft nur wenig Feuchte entziehen und zur hygroskopischen Zellulose transportieren kann. Die angesaugte Luft ist jedoch nicht trocken genug, um der Flüssigkeit Feuchte zu entziehen, die aus der Zellulose stammt und bei deren Alterung anfiel, noch ist die Flüssigkeit untersättigt genug, um der Zellulose Feuchte zu entziehen.

Daß es sich beim herkömmlichen Ausdehnungsgefäß um einen wenig befriedigenden Kompromiß handelt, zeigt auch der Umstand, daß sich die Flüssigkeit mit Luft sättigt. Sowohl Sauerstoff als auch Kohlendioxid sind dem dielektrischen System schädlich, müßten also von ihm ferngehalten werden.

Das bestehende Vorurteil wird durch die im folgenden beschriebene Erfindung überwunden.

In dem hier beschriebenen neu konzipierten Ausdehnungsgefäß wird grundsätzlich zwischen der Isolierflüssigkeit und der Außenluft oder einem Gaspolster eine Membran verwendet, die jedoch nicht direkt mit einem Gas in Verbindung steht, sondern nur mittelbar über eine Pufferflüssigkeit, die mit der Isolierflüssigkeit identisch sein kann. Die Pufferflüssigkeit kann, z. B. um den Druck im Transformator zu erhöhen oder zu erniedrigen, druck- oder vakuumbeaufschlagt werden. Im letzteren Fall würde man eine Flüssigkeit mit möglichst niedrigem Dampfdruck einsetzen.

Da man die Druckverhältnisse im Gasraum über der Pufferflüssigkeit bestimmen kann, hat man die Möglichkeit, das Ausdehnungsgefäß über, neben oder unter dem Transformator anzubringen.

Das hier beschriebene neu konzipierte Ausdehnungsgefäß kann nicht nur herkömmliche Ausdehnungsgefäße ersetzen, sondern eignet sich auch zur Verwendung mit Hermetiktransformatoren verschiedener Bauarten, insbesondere integral befüllten.

Bei integral befüllten Transformatoren herkömmlicher Bauart bestimmt der Unterschied zwischen Innen- und Außendruck die elastische Verformung der Wellblechrippen. Bei kaltem Transformator nimmt das Volumen ab, und es entsteht Unterdruck. Beim Transformator mit Ausdehnungsgefäß besteht dieser Nachteil nicht. Dafür wird der Nachteil der Fremdgassättigung und des Wartungsaufwandes für den Trockner in Kauf genommen. Weltweit setzt sich der integralbefüllte Transformator mit volumenveränderlichem Kessel bei den kleineren Leistungen immer stärker durch; bei größeren Leistungen sind dieser Bauform durch die starke Beanspruchung der Wellblechrippen Grenzen gesetzt.

Die Vorteile beider herkömmlichen Konstruktionen, d. h. hermetisch oder mit Ausdehnungsgefäß, können erhalten bleiben und die Nachteile vermieden werden, wenn eine Vorrichtung verwendet wird, die sowohl Fremdgasfreiheit als auch Unterdruckfreiheit gewährleistet, welche Merkmale nach dem Stand der Technik allgemein als einander ausschließend betrachtet werden. Es soll darüber hinaus von der Vorrichtung in allen ihren Varianten die Forderung nach Überlastaufnahme, insbesondere bei Notbetrieb, erfüllt werden.

Die Baueinheit des hier beschriebenen doppelkammrigen Expansionsgefäßes aus volumenveränderlichem primären oder inneren Expansionsgefäß, das nur Isolierflüssigkeit von zyklisch wechselndem Volumen enthält, und einem äußeren Expansionsgefäß, das die Pufferflüssigkeit und ein Gas enthält, sowie gegebenenfalls in einigen der im folgenden beschriebenen Ausführungsvarianten eine Verschließvorrichtung für das äußere Ausdehnungsgefäß, gestattet, in allen ihren Varianten, Expansion und Kontraktion der Isolierflüssigkeit bei allen normalen Betriebstemperaturen, bei nur äußerst geringer Beanspruchung der Elastizität des Transformatorenkessels, und ermöglicht die Schaffung von Gegendruck zur Ausnutzung der Elastizität des elastischen, volumenveränderlichen Kessels im Überlast- oder Notbetrieb. Es können damit die Vorteile des integralbefüllten volumenveränderlichen Kessels auch für größere Leistungen genutzt werden.

Die verwendeten Hilfsmittel und ihre Anordnung sind der Gegenstand der von Anspruch 2 abgeleiteten Ansprüche 3 bis 6.

Drei konstruktive Hauptvarianten mit ihren geringfügigen Abwandlungen werden beschrieben, die die gestellten Forderungen erfüllen. Sie unterscheiden sich darin, mit welchen Mitteln sie bewirken, daß die Elastizität des Transformatorenkessels zur Aufnahme von Überlasten z. B. bei Notbetrieb in Anspruch genommen wird.

Es werden mehrere aufeinander bezogene Ausführungen beschrieben.

Die Ansprüche sind nicht jeweils einer Ausführung zugeordnet.

Ausführung A

Diese Anordnung ist durch das Zusammenwirken folgender Merkmale gekennzeichnet, deren Funktion so aufeinander abgestimmt ist, daß der verfolgte Zweck erreicht wird: In hydrostatisch sinnvoller Höhe, abhängig von den hydrostatisch beeinflußbaren Druckverhältnissen bei verschiedenen Ausführungen, über oder neben dem Kessel angeordnet, befindet sich ein volumenvariables blasen- oder balgförmiges inneres Ausdehnungsgefäß 1 in einem zweiten mit der Isolierflüssigkeit oder mit ihr kompatiblen Pufferflüssigkeit gefüllten äußeren Ausdehnungsgefäß 2, das mit der Außenluft (Ausführung AI) oder einem Stickstoff enthaltenden Gefäß (Ausführung A2) über eine Rohrleitung 3 in Verbindung steht.

Ausführung A1, in Fig. 2 schematisch dargestellt, ist besonders geeignet für integral befüllte Transformatoren und bringt die Verformbarkeit des Kessels bei einer bestimmten mittleren Flüssigkeitstemperatur ins Spiel.

Ausführung A2 ist nicht dargestellt.

Die beiden Expansionsgefäße 1 und 2 sind so konstruiert, daß bei Ausdehnung der sich im Kessel erwärmenden Isolierflüssigkeit sich das innere Expansionsgefäß füllt, ohne ungebührlich belastet zu werden, und die Pufferflüssigkeit verdrängt wird und ansteigt, bis, in Ausführung Al, bei Erreichen der gewählten höchstzulässigen Normalbetriebstemperatur, durch Verschließen der Rohrleitung 3 ein Gegendruck entsteht, der die elastische Verformbarkeit des Kessels zur Aufnahme einer Überlast oder bei Notbetrieb ins Spiel bringt.

Die Rohrleitung 3 wird bei Erreichen einer bestimmten Temperatur der Isolierflüssigkeit auf eine der im folgenden beschriebenen Arten verschlossen, um zu vermeiden, daß die Pufferflüssigkeit in die Rohrleitung gelangt und um ab einer bestimmten Isolierflüssig­ keitstemperatur Gegendruck im Kessel aufzubauen. Dies geschieht, wie in Fig. 2 schematisch zur Verdeutlichung der Ausführung Al dargestellt, am einfachsten durch einen konusförmigen Verschluß 7, der die konusförmige Öffnung des Verbindungsrohres 3 ausfüllt, wenn die Pufferflüssigkeit ein bestimmtes Niveau erreicht hat. Die Betätigung des Verschlusses kann durch Dichteunterschied (Schwimmer-Prinzip) oder durch den auf den Verschlußstopfen vom inneren Ausdehnungsgefäß (Balg oder Blase) ausgeübten Druck erfolgen. Auf diese Möglichkeiten wird in Anspruch 2 Bezug genommen. Der Verschluß der Rohrleitung bei Erreichen einer bestimmten maximalen mittleren-Temperatur der Isolierflüssigkeit und ihre Öffnung bei Unterschreiten dieser Temperatur der Isolierflüssigkeit kann auch ohne Inanspruchnahme des Bezugs zwischen Temperatur und Volumen der Isolierflüssigkeit erfolgen, und zwar durch einen temperaturgesteuerten Schließ- und Öffnungsmechanismus, sinnvollerweise motorisch. Auf diese Möglichkeit bezieht sich Anspruch 3.

Bei der Ausführung A2 kann ein volumenkonstantes oder volumenvariables Gefäß 6 (Balg) verwendet werden, in das die Verbindungsleitung 3 mündet; es muß dabei, in Abhängigkeit der Lastspiele und gegebenenfalls der Höhe der hydrostatisch-kompensatorischen Steigleitung, die Entstehung von Unterdrücken im Kessel bei niedriger Isolierflüssigkeitstemperatur vermieden werden, dadurch daß das Inertgas-Gefäß entsprechend dimensioniert wird, bzw. volumenvariabel ausgeführt ist.

Durch die Verwendung des beschriebenen doppelkammrigen Ausdehnungsgefäßes ergeben sich bei allen Ausführungsvarianten mehrere Vorteile:

• 1. Die Isolierflüssigkeit bleibt wegen der Flüssigkeitspufferung der Membran fremdgasfrei und nimmt keine Luftfeuchte auf.
• 2. Im Kessel entsteht zu keinem Zeitpunkt ein Unterdruck; es kann also weder Luftsauerstoff noch Luftfeuchte angesaugt werden.
• 3. Die elastischen Wellblechrippen des bei integralgefüllten Hermetiktransformatoren verwendeten Kessels haben im normalen Betrieb nur Kühlfunktion; nur im Überlast- und Notbetrieb wird ihre Elastizität zur Aufnahme des temperaturbedingt angestiegenen Isolierflüssigkeitsvolumens in Anspruch genommen, woraus sich die Vorteile geringerer Materialermüdung und die Möglichkeit der Aufnahme sehr hoher Last ergeben.

Es ergibt sich bei allen Varianten der Erfindung ein weiterer konstruktiver und wärmeübertragungstechnischer Vorteil: Bei herkömmlichen Konstruktionen des volumen­ variablen Kessels wird zwar bei stark geblähten Wellblechrippen die sogenannte innere Wärmeabfuhr gefördert, dafür wird jedoch die sehr viel kritischere äußere Wärmeabfuhr beeinträchtigt, da die enger werdenden Luftkanäle den Luftdurchsatz drosseln.

Durch das Hinausschieben oder Hinaufschieben - zeitlich oder im Sinne einer höheren Temperaturstufe - der Verformung der elastischen Rippen, wird der Punkt optimalen Wärmeübergangs auf ein höheres Temperaturniveau verschoben, da die Verengung der Luftkanäle zwischen den Kühlrippen erst bei wesentlich höherer Temperatur erfolgt, so daß, je nach Verlauf der Lastkurve und Häufigkeit von Spitzen- und Überlasten, der Betrieb bei hohen Überlasten durchaus wirtschaftlich gerechtfertigt sein kann, da die mit kompakteren Transformatoren gegebenen geringeren Leerlaufverluste die gegenüber größeren Bautypen höheren Kurzschlußverluste ausgleichen können. Ob die dimensionierungsbedingten Einsparungen einen Mehraufwand für hochwertige imprägnierbare Feststoffisolierungen aufwiegen, ist nur unter Zugrundelegung der zu erwartenden Last und der einzusetzenden Kosten pro Watt auf der Eisen- und Kupferverlustseite kalkulierbar.

Das in der vorliegenden Erfindung beschriebene neu konzipierte Expansionsgefäß, das die Elastizität der Wellblechrippen verzögert ins Spiel bringt, gibt dem Transformatorenkonstruk­ teur ein sehr viel höheres Maß an Freiheit bei der Dimensionierung und der Werkstoff­ spezifizierung. Kostengünstigere anpassungsfähigere Transformatoren mit geringerer Nennleistung senken die Leerlaufverluste.

Es läßt sich durch eine bessere äußere Kühlung vermeiden, daß die durch den Einsatz von Transformatoren niedrigerer Nennleistung erzielten Einsparungen durch die sonst wegen höherer Leitertemperaturen entstehenden zusätzlichen Ohmschen Verluste verloren gehen.

Ausführung B

Diese Ausführung unterscheidet sich von der vorhergehenden dadurch, daß im oder am äußeren Ausdehnungsgefäß ein sich auf das innere Ausdehnungsgefäß und den Kessel fortpflanzender Gegendruck aufgebaut wird. Dies geschieht dadurch, daß im äußeren Ausdehnungsgefäß selbst ein Inertgas-Puffer (Ausführung B1, nicht dargestellt) vorgesehen wird, womit das äußere Ausdehnungsgefäß voluminöser wird, oder die in der Ausführung A vorgesehene, hier jedoch nicht sich selbst verschließende Rohrleitung 3 in ein balgartiges und druckbelastbares Kompensationsgefäß 6, z. B. einen Ballon aus Nitrilkautschuk, mündet (Ausführung B2, schematisch dargestellt in Fig. 1).

Bei Ausführung B1 entfällt die Notwendigkeit der in den Ausführungen A1, A2 und B2 erforderlichen Rohrverbindung 3, da das äußere Ausdehnungsgefäß selbst ein volumen- und druckveränderliches Gaskissen enthält.

Bei den als B bezeichneten Ausführungen kann Unterdruck im Kessel bei Abkühlung der Isolierflüssigkeit durch zwei Anordnungen oder ihre Kombination vermieden werden:

• a. Schaffung eines genügend großen hydrostatischen Drucks zur Kompensation des Unterdrucks im Gasraum über der Pufferflüssigkeit bei kalter Isolierflüssigkeit durch entsprechende Wahl der Höhe eines Steigrohrs mit hydrostatisch-kompensatorischer Funktion zwischen Kessel und Doppel-Expansionsgefäß;
• b. genügend großes Gasvolumen über der Pufferflüssigkeit.

Ausführung C

Diese Ausführung stellt eine Variante zu den Ausführungen A oder B dar, wobei jedoch das innere Ausdehnungsgefäß druckbelastbar ausgeführt wird, beispielsweise aus Nitrilkautschuk. Auf diese konstruktive Möglichkeit wird in Anspruch 4 Bezug genommen.

Wie bei der Ausführung B1 entfällt bei der Ausführung C die Notwendigkeit, das äußere Expansionsgefäß mit einer aus ihm herausführenden Öffnung zu versehen.

Da bei Ausführung C die Schaffung von Gegendruck bei heißer Isolierflüssigkeit vom elastischen inneren Ausdehnungsgefäß und, bei entsprechenden Druckverhältnissen im Ausdehnungsgefäß, dem Gaspolster im äußeren Ausdehnungsgefäß erfolgt, entfällt die Notwendigkeit zu hydrostatisch geschaffenem Druck zur Kompensation eines Unterdrucks und kann das doppelkammrige Expansionsgefäß neben oder sogar unter dem Transformatorenkessel angeordnet werden, wenn durch die oben unter (b) beschriebenen Maßnahmen Unterdruck bei Abkühlung vermieden wird.

Die für die Ausführung A aufgeführten Vorteile, insbesondere Fremdgasfreiheit und Überlastaufnahmefähigkeit, gelten auch für die beiden Varianten der Ausführung B, sowie die Ausführung nach C.

Insgesamt ergibt sich als Vorteil der Erfindung gegenüber bisherigen Vorrichtungen zur Anpassung an Änderungen des Isolierflüssigkeitsvolumens von Transformatoren die Verbindung der Vorteile beider herkömmlichen Ausführungen, sowie die Schaffung zusätzlicher Vorteile, insbesondere der Überbelastbarkeit von Hermetiktransformatoren mit Integralbefüllung.

Die verschiedenen Anordnungen unter Verwendung der Hauptelemente der Erfindung machen die Vorrichtung äußerst anpassungsfähig und vergrößern den Spielraum des Konstrukteurs, insbesondere bei der Festlegung der Druckverhältnisse.

Fig. 1 bezieht sich auf mehrere Ansprüche, Fig. 2 bezieht sich auf Anspruch 2.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Fremdgasfernhaltung von Systemen mit temperaturbedingt veränderlichem Volumen, insbesondere elektrischen Transformatoren, die als Ausdehnungsgefäß dient und unter einer Pufferflüssigkeit 2 ein von dieser durch eine impermeable Membran 5 getrenntes und mit dem Isolier- bzw. Wärmeträgermedium kommunizierendes volumenveränderliches inneres Ausdehnungsgefäß 1 enthält, wobei die Pufferflüssigkeit 2 entweder mit der Umgebungsluft in Berührung steht oder druck- oder vakuumbeaufschlagt sein kann, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Einsatz mit Hermetiktransformatoren, insbesondere integralbefüllten dient und daß sich zwischen Kessel und Ausdehnungsgefäß 1 eine Steigleitung 4 befindet, und sich über der Pufferflüssigkeit ein Inertgaspolster, sinnvollerweise Stickstoffpolster, befindet, wobei durch entsprechende Isolierflüssigkeitsfüllmenge und Steigleitungshöhe gewähr­ leistet ist, daß bei der tiefsten zu erwartenden Temperatur der Isolierflüssigkeit kein Unterdruck auftritt, das Inertgaspolster jedoch so bemessen ist, daß die Elastizität des Kessels bei gewöhnlichen Betriebstemperaturen vernachlässigbar wenig und erst bei Überlast stärker in Anspruch genommen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbindungsleitung 3 oben aus dem äußeren Ausdehnungsgefäß herausgeführt wird und ins Freie oder in einen mit Inertgas gefüllten Behälter mündet und diese Verbindungsleitung auf der dem Ausdehnungsgefäß zugekehrten Seite dadurch verschlossen wird, daß ein z. B. konisch geformter und auf einem Schwimmer befindlicher Verschlußstopfen 7 von der verdrängten Pufferflüssigkeit oder der Membran des inneren Expansionsgefäßes gegen die in das äußere Ausdehnungsgefäß hineinreichende und entsprechend geformte Rohrleitungsöffnung gepreßt wird und diese verschließt, sobald eine bestimmte mittlere Isolierflüssigkeitstemperatur erreicht wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschluß und die Öffnung der in das äußere Expansionsgefäß hineinreichenden Rohrleitung durch die Temperatur der Isolierflüssigkeit gesteuert - indirekt und nicht durch die Nutzung der Beziehung Isolierflüssigkeitstemperatur/Isolierflüssigkeitsvolumen - erfolgt, sinnvollerweise motorisch.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung eines sich als Kesselinnendruck auswirkenden Gegendrucks bei Erreichen eines bestimmten last- und damit temperaturabhängigen Flüssigkeitsvolumens dadurch bewirkt wird, daß das innere Ausdehnungsgefäß durch Verwendung eines dehnbaren Werkstoffs in zweckentsprechender Ausführung - sinnvollerweise Nitril­ kautschukbalg oder -ballon - diese Funktion übernehmen kann, wahlweise unter Beibehaltung eines Gaspolsters über der Pufferflüssigkeit zur teilweisen Entlastung der Membran.