DE19801222A1 - Trockentransformator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Trockentransformator mit Kern und den Kern umgebenden Wicklungen, wobei eine Luftkühlung vorgesehen ist und hierzu im wesentlichen parallel zum Kern und zwischen Wicklungslagen Luftkanäle angeordnet sind. Ge­ genstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Kühlung von Trockentransformatoren.

Zur Abfuhr der Verlustwärme werden in die Wicklungen von Trockentransformatoren Kühlkanäle eingearbeitet. Weil der statische Zug gering ist, müssen die Kanäle weit sein, da­ mit eine ausreichende Luftmenge hindurchströmt. Die erfor­ derliche Weite vergrößert den Durchmesser der Spule und die Länge des Eisenkerns, vergrößert die Verluste und erfordert mehr Material.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, die genannten Nachteile zu vermeiden und einen Trockentransfor­ mator mit effektiver Luftkühlung anzugeben.

Zur Lösung dieses technischen Problems lehrt die Erfindung einen Trockentransformator gemäß Patentanspruch 1. Die Pa­ tentansprüche 2 bis 5 betreffen bevorzugte Ausführungsfor­ men der Erfindung.

Gegenstand der Erfindung ist die Verstärkung des statischen Zuges durch einen Aufsatz auf dem Trafo und die Anpassung der Kühlkanäle an diesen verstärkten Zug.

Die Kanäle von Lagenwicklungen werden erfindungsgemäß in schmalere Kanäle aufgeteilt. Für den normalen Zug ist dann der Strömungswiderstand zu groß. Erst bei verstärktem Zug durch den Aufsatz strömt noch eine ausreichende Luftmenge durch die Kanäle. Die gekühlte Oberfläche wird so min­ destens verdoppelt.

Bei Hochspannungswicklungen, die auch bisher schon teil­ weise in Scheiben aufgebaut waren, wird der Kühlkanal zwischen Hoch- und Niederspannung (Streukanal) unten ver­ schlossen und die Luft durch die waagerechten Spalten dieser Wicklung gezwungen. Dies ist ohne Verstärkung des statischen Zuges durch einen Aufsatz nicht möglich.

Beim Einsatz von saugenden Gebläsen ist mit dieser Wickel­ technik schon bei kleinen Gebläseleistungen eine Leistungs­ steigerung um das 2- bis 3-fache möglich.

Bei Hochspannungswicklungen werden je nach Aufsatz oder Ge­ bläse die oberen Spalten der Spule verschlossen, weil im oberen Teil des Streukanals eine turbulente Strömung mit sehr guten Kühleigenschaften entsteht und dadurch mehr Luft durch die unteren Spalten strömt, die durch die laminare Strömung weniger gut gekühlt werden.

Eines der größten Probleme im Transformatorenbau ist die Abfuhr der Verlustwärme. Hierzu muß an einer ausreichend großen kühlenden Oberfläche eine ausreichend große Luft­ menge vorbeiströmen. Die Kühlkanäle in der Wicklung müssen nach dem Stand der Technik weit und damit der Strömungs­ widerstand klein sein, um bei dem geringen Auftrieb der Kühlluft eine ausreichende Luftmenge durch die Kühlkanäle fließen zu lassen.

Wird der Auftrieb wie bei dieser Baureihe durch einen Auf­ satz vergrößert, können die Kühlkanäle aufgeteilt werden. Der vergrößerte Auftrieb reicht auch dann noch aus, um eine ausreichende Luftmenge durch die schmaleren Kanäle strömen zu lassen. Durch die Aufteilung der Kanäle kann die küh­ lende Oberfläche mindestens verdoppelt werden.

Werden bei einer Hochspannungswicklung schmale waagerechte Kühlkanäle in die Wicklung eingearbeitet und der Hauptkanal unten verschlossen, wird die Kühlluft durch die seitlichen Schlitze gezwungen und berührt eine wesentlich größere Oberfläche. Durch den höheren Strömungswiderstand dieser Anordnung ist ein zugverstärkender Aufsatz zwingend erfor­ derlich. Bei der bisherigen Bauart reicht der geringe Auf­ trieb zur Überwindung des Strömungswiderstandes nicht aus.

Diese Wickelart ist ideal für Zwangslüftung. Bei der bisher verwendeten künstlichen Lüftung werden die Spulen von unten durch leistungsstarke Gebläse angeblasen. Der größere Teil der Luft wählt den Weg des geringsten Widerstandes an der Spule vorbei. Wird aus dem Aufsatz die Luft nach oben abge­ saugt, muß die gesamte Luft durch die Kühlkanäle. Mit viel schwächeren Gebläsen wird eine wesentlich intensivere Küh­ lung erreicht.

Man unterscheidet in der Strömungslehre die laminare und die turbulente Strömung. Die laminare Strömung hat den ge­ ringeren Strömungswiderstand und die geringere Kühlwirkung, die turbulente Strömung den höheren Widerstand und die grö­ ßere Kühlwirkung. Der Übergang von der laminaren zur turbu­ lenten Strömung hängt von der Geometrie der Kühlkanäle und der Strömungsgeschwindigkeit ab.

Herkömmliche Transformatoren haben ausschließlich laminare Strömung. Schon bei einem Aufsatz ohne Lüfter tritt bei Hochspannungswicklungen im obersten Spulenteil turbulente Strömung auf, so daß der obere Spulenteil im Gegensatz zum herkömmlichen Transformator kälter ist als die tieferen Spulenteile. Beim Einsatz von Lüftern hat der größte Teil der Kühlkanäle turbulente Strömung. Die Spule wird intensiv gekühlt. Damit läßt sich die Trafoleistung mehr als ver­ doppeln, was mit keiner anderen Technik möglich ist.

Die für diese Wickelart erforderliche Unterteilung der Spu­ len in schmale Scheiben von ca. 500 Volt Spannung bei La­ genspannungen unter 100 Volt macht die zerstörerische Teilentladung physikalisch unmöglich und bringt eine sehr gute Stoßspannungsfestigkeit.

Diese Technik bietet bei allen Transformatoren wesentliche Vorteile. Sollen die Verlustgrenzen nach DIN 42523-24 ein­ gehalten werden und ist eine Leistungsreserve nicht erfor­ derlich, werden die Kühlkanäle schmaler, der Spulendurch­ messer kleiner und der Kern kürzer. Es wird Kupfer und Eisen gespart.

Bei einer Leistungsreserve von 50 bis 60% bei Niederspan­ nung und 40 bis 50% bei Mittelspannung sinken im gesamten Normallastbereich Betriebstemperatur und Lastverluste. Die temperaturabhängige Lebensdauer steigt erheblich.

Werden zur weiteren Leistungssteigerung, die mit der alten Technik nicht möglich war, Lüfter eingesetzt, so können diese so montiert werden, daß sie ohne Betriebsunter­ brechung gewartet bzw. getauscht werden können.

Bei Trafos im Schutzgehäuse sind die Vorteile besonders groß. Bisher behinderte das Gehäuse die Kühlung. Bei der neuen Technik ist das Gehäuse Teil des Aufsatzes und verstärkt sie.

Wird bei ungünstigen Umgebungsbedingungen die Schutzart IP 54 gefordert, so müssen wegen der stark eingeschränkten Kühlung wesentlich größere Transformatoren eingesetzt werden oder es wird über Wärmetauscher bzw. Filterlüfter zusätzlich gekühlt. Bei der herkömmlichen Bauart ist die Kühlwirkung begrenzt.

Die neue Technik gestattet ohne großen Aufwand eine sehr intensive Kühlung und dadurch eine erhebliche Leistungsstei­ gerung. So können für beengte Platzverhältnisse hohe Leistun­ gen auf kleinem Raum untergebracht werden.

Dieses Verfahren bietet auch die Möglichkeit erheblicher Energieeinsparung. Die Leerlaufverluste eines Trafos fallen unabhängig von der Belastung ständig an. Die Lastverluste ändern sich mit dem Quadrat der Belastung. Bei niedrigem Aus­ lastungsgrad, dem Verhältnis der möglichen zur tatsächlich entnommenen Leistung überwiegt die Bedeutung der Leerlaufver­ luste. Die meisten Transformatoren werden mit einer niedrigen Auslastung betrieben, weil die Maximallast, für die sie ausgelegt werden müssen, fast nie über die gesamte Einschalt­ dauer benötigt wird.

Bisher scheiterte der hierbei sinnvolle Einsatz kleinerer Transformatoren an der Unmöglichkeit, die dabei höhere Ver­ lustwärme zuverlässig und preisgünstig abzuführen. Dies ist mit dem neuen Verfahren möglich, so daß jetzt mit kleineren Transformatoren Verlustenergie und Anschaffungskosten gespart werden können.

Ein Rechenbeispiel soll dies verdeutlichen.

Ein Transformator versorgt einen Betrieb mit einer Maximallast von 400 kVA und 40 Stunden Woche. Benötigt werden 10 Stunden 400 kVA, 15 Stunden 300 kVA, 15 Stunden 200 kVA, in 128 Stunden (168 - 40) Betriebsruhe 4 kVA.

Es stehen zur Wahl 1 Trafo 400 kVA Typenleistung mit 1150 Watt Leerlauf und 4300 Watt Lastverlusten sowie ein billiger Trafo 290 kVA Typenleistung mit den erniedrigten Leerlaufver­ lusten 620 Watt und Lastverlusten von 2700 Watt. Die maximale Leistung dieses Trafos mit Aufsatz beträgt ebenfalls 400 kVA.

Es ergeben sich folgende Gesamtverluste:

Der Einsatz dieser neuen Technik spart also Energie und An­ schaffungskosten.

In vielen Fällen ist die Auslastung noch niedriger und damit die Ersparnis noch größer.

Diese neue Technik ist bestens geeignet für die Fertigung von Transformatoren für außergewöhnliche Einsätze und gestattet die wirtschaftlich optimale Lösung vor Ort.

Zur Erläuterung der Erfindung wird auf die einzige Figur ver­ wiesen, die lediglich ein Ausführungsbeispiel des erfindungs­ gemäßen Trockentransformators darstellt.

Claims (5)

1. Trockentransformator mit Kern und den Kern umgebenden Wicklungen, wobei eine Luftkühlung vorgesehen ist und hierzu Luftkanäle im wesentlichen parallel zum Kern und zwischen Wicklunglungslagen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen vertikal angeordneten Luftkanäle ein oberes Luftaustrittsende aufweisen und daß oberhalb der oberen Luftaustrittsenden ein luftzugverstärkender Aufsatz angeordnet ist.

2. Trockentransformator nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der luftzugverstärkende Aufsatz mit der Maß­ gabe ausgebildet und angeordnet ist, daß die Luft die Luft­ kanäle und den Aufsatz von unten nach oben kamineffektartig durchströmt.

3. Trockentransformator nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der luftzugverstärkende Aufsatz ein Saugge­ bläse zum Ansaugen der Luft aufweist.

4. Trockentransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die äußeren Wicklungen des Transformators seitliche Lufteintrittsöffnungen aufweisen, durch welche Lufteintrittsöffnungen Luft im wesentlichen senkrecht zu den Luftkanälen eintritt.

5. Trockentransformator nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der den äußeren Wicklungen zugeordnete Luft­ kanal oder die den äußeren Wicklungen zugeordneten Luftka­ näle am unteren Eintrittsende verschlossen sind.