DE19807136A1 - Station zur Aufnahme eines Transformators und einer Spannungsschaltanlage - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Station zur Aufnahme eines Transformators und einer Spannungsschaltanlage, und zwar insbesondere eine Kompakt- oder Niedrigstation.

Kompaktstationen sind kleine, nicht begehbare und daher von außen zu bedienende Anlagen, die Transformatoren, Niederspannungs- und Mittelspan­ nungsgeräte, Verbindungen (Kabel, Kabelanschlüsse etc.) und Hilfseinrich­ tungen enthalten und die für die Übertragung vom Mittelspannungsnetz auf das Niederspannungsnetz eingesetzt werden. Sie sind regelmäßig an öffent­ lich zugänglichen Orten errichtet, und dementsprechend besteht ein Bedarf an Sicherheitsmaßnahmen, um eine ausreichende Personensicherheit zu gewähr­ leisten.

Eine besondere Gefahr, die bei einem Bemühen um ausreichende Perso­ nensicherheit zu berücksichtigen ist, steht im Zusammenhang mit dem Auf­ treten von Lichtbögen (bzw. Kurzschlüssen) innerhalb oder in der Nähe der Spannungsschaltanlagen aufgrund sogenannter "innerer Fehler". Dieses Auf­ treten von Lichtbögen ist mit verschiedenartigen physikalischen Phänomenen verbunden, insbesondere entsteht aber durch die beträchtliche freiwerdende Energie eines solchen Lichtbogens, der je nach Bauweise der Schaltanlage beispielsweise in Luft oder (innerhalb einer Kapselung) in einem Schutzgas wie Schwefelhexafluorid SF₆ brennt, eine lokale Erwärmung und ein korre­ spondierender lokaler Überdruck. Dadurch wiederum wird die Schaltanlage me­ chanisch und thermisch beeinträchtigt, und es können beispielsweise auf­ grund thermischer Zersetzungen der Schaltanlagenwerkstoffe heiße gas- und/oder dampfförmige Substanzen entstehen, die zunächst aus dem Schaltan­ lagenraum und dann - in der Regel durch stets vorhandene Lüftungsöffnun­ gen - aus dem Gehäuse der Station ins Freie austreten oder ausströmen.

Diese heißen ausströmenden Gase und/oder Dämpfe stellen eine erhebli­ che Gefahr für das Bedienpersonal und unbeteiligte Passanten dar.

Es war deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Station zur Aufnahme eines Transformators und einer Spannungsschaltanlage (Mit­ telspannungsgerät, Niederspannungsgerät und dergleichen) anzugeben, die so eingerichtet ist, daß ein Heraustreten heißer, personengefährdender Sub­ stanzen, wie sie im Zusammenhang mit dem Auftreten von Lichtbögen entste­ hen, zumindest weitgehend unterbunden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine
Station zur Aufnahme eines Transformators und einer Spannungsschalt­ anlage, mit einer Kühleinrichtung, die einen oder mehrere sich ver­ jüngende Kühlkanäle umfaßt, wobei die Station so eingerichtet ist, daß heiße Gase und/oder Dämpfe, die bei Betrieb der Station in oder in der Nähe der Schaltanlage entstehen, den oder die Kanäle in Ver­ jüngungsrichtung passieren können.

Die Erfindung basiert dabei auf der Idee, daß ein personengefährden­ des Heraustreten heißer Gase und/oder Dämpfe aus einer Station vermieden werden kann, wenn eine effektive Abkühlung der in oder in der Nähe der Spannungsschaltanlage entstehenden Gase (Dämpfe) noch in der Station selbst (also vor dem Heraustreten) erreicht werden kann.

In einer erfindungsgemäßen, auf übliche Weise mit einer Spannungs­ schaltanlage, einem Transformator und zugehörigen Einrichtungen ausgerüste­ ten Station durchströmen die aufgrund innerer Fehler schlagartig entstehen­ den heißen Gase und/oder Dämpfe den oder die sich verjüngenden Kanäle der Kühleinrichtung in Verjüngungsrichtung. Beim Durchströmen des oder der Ka­ näle wird das heiße Gas (Dampf) somit komprimiert und weiter erhitzt; gleichzeitig findet aber ein Wärmetransfer von dem strömenden heißen Gas auf die Kanalwände und damit die Kühleinrichtung statt. Dieser Wärmetrans­ fer ist dabei besonders effektiv, denn der Betrag des lokalen Wärmeflusses (d. h. die Stärke des Wärmeentzugs aus dem Gas) hängt direkt von der Tempe­ raturdifferenz zwischen strömendem Gas und Kanalwand ab, und diese Tempera­ turdifferenz wird aufgrund der durch die Kompression entstehenden Tempera­ turerhöhung des Gases (Dampfes) in den Kanälen erhöht. Nach Durchströmen des oder der Kanäle expandiert das Gas (der Dampf), das bereits den we­ sentlichen Anteil der zu beseitigenden Wärme an die Kanalwände der Kühl­ einrichtung abgegeben hat, und es wird dabei noch weiter abgekühlt. Die nach der Expansion erreichte Gas- oder Dampftemperatur ist so niedrig, daß eine personengefährdende Hitzewirkung des Gases oder Dampfes weitestgehend ausgeschlossen ist.

Vorteilhafterweise wird die Kühleinrichtung in der Station so ange­ ordnet, daß im Betrieb entstehende heiße Gase (Dämpfe) frühestens nach Durchströmen der Kühleinrichtung in den Transformatorenraum eintreten können. An die Kühlrippen des Transformators können die heißen Gase dann noch weitere Wärme abgeben. Zum Zwecke der Vorgabe eines bestimmten Strö­ mungsverlaufs des Gases oder Dampfes können innerhalb der Station Leit­ einrichtungen vorgesehen werden.

Vorzugsweise besteht die Kühleinrichtung im wesentlichen aus Beton oder einem anderen nicht brennbaren Baumaterial; sie kann dann integraler Bestandteil einer Zwischen- oder Stützwand der Station sein, durch die beispielsweise der Raum zur Aufnahme des Transformators von dem oder den übrigen Räumen der Station (inklusive dem zur Aufnahme der Spannungsschalt­ anlage) abgetrennt wird. Es kann aber auch günstig sein, die Kühleinrich­ tung als eine ins Freie führende Lüftungsöffnung der Station vorzusehen, wobei dann die Kühlkanäle die Verbindung zwischen dem Innenraum der Station und der Umgebung bilden.

Besonders hohe Kühlleistungen werden erreicht, wenn die Kühleinrich­ tung mehrere sich verjüngende Kanäle bezogen auf die Strömungsrichtung der heißen Gase und/oder Dämpfe neben- und/oder hintereinander aufweist. Es ist aber auch möglich, mehrere Kühleinrichtungen an verschiedenen Orten der Station vorzusehen, die von den heißen Gasen hintereinander passiert werden müssen; auf diese Weise kann die Gesamt-Kühlleistung an die jeweiligen Er­ fordernisse angepaßt werden.

Die Kühlwirkung der in den erfindungsgemäßen Stationen eingesetzten Kühleinrichtungen läßt sich im übrigen gemäß dem Verfahren für die Licht­ bogenprüfung einer Kompaktstation bei inneren Fehlern" gemäß dem Entwurf DIN IEC 17 C (Sec) 124 (VDE 0670 Teil 611, Seite 33 ff) vom August 1993 überprüfen. Die Auslegung einer Station und ihrer Kühleinrichtung (Kanal­ länge, Anzahl der Kanäle, Material und Anzahl der Kühleinrichtung, Ort der Kühleinrichtung) kann daher vom Fachmann nach Auswertung weniger ent­ sprechender Prüfversuche individuell an die einzusetzenden Spannungsschalt­ anlagen und Stationsgeometrien angepaßt werden.

Neben der erfindungsgemäßen Station zur Aufnahme eines Transformators und einer Spannungsschaltanlage ist Gegenstand der Erfindung auch eine
Station mit einem Transformator, einer Spannungsschaltanlage und einer Kühleinrichtung, wobei die Kühleinrichtung einen oder mehrere sich verjüngende Kühlkanäle umfaßt und die Station so eingerichtet ist, daß heiße Gase und/oder Dämpfe, die bei Betrieb der Station in oder in der Nähe der Schaltanlage entstehen, den oder die Kanäle in Verjüngungsrichtung passieren können.

Schließlich ist Gegenstand der Erfindung auch noch eine
Kühleinrichtung aus Beton zur Verwendung in einer Transformatoren­ station, wobei die Kühleinrichtung einen oder mehrere sich verjüngen­ de Kühlkanäle umfaßt.

Mit einer solchen Kühleinrichtung lassen sich bestehende Trans­ formatorenstationen nachrüsten.

Hinsichtlich besonders bevorzugter Ausgestaltungen der weiteren Er­ findungsgegenstände wird auf die vorangehenden Ausführungen Bezug genommen. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Stationen und der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 eine schematische Querschnittansicht einer erfindungs­ gemäßen Station, die mit einer Spannungsschaltanlage, einem Transformator und einer erfindungsgemäßen Kühlein­ richtung versehen ist.;

Fig. 2 eine Detailansicht der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung aus Fig. 1;

Fig. 3 eine Querschnitt-Detailansicht einer gegenüber den Fig. 1 und 2 abgewandelten Ausführungsform einer erfin­ dungsgemäßen Kühleinrichtung mit im wesentlichen horizon­ talen Kühlkanälen.

Bei dem in Fig. 1 und 2 schematisch dargestellten Beispiel einer erfindungsgemäßen Station 1 ist die Station in ihrem Inneren mit einem Transformator 2, einer Spannungsschaltanlage 3 und einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung 4 aus Beton ausgestattet; die Kühleinrichtung 4 ist in Fig. 2 im Detail dargestellt.

Neben diesen für den Betrieb der Station 1 besonders wesentlichen Elementen besitzt die Station eine oberhalb des Transformators 2 angeord­ nete Lüftungsöffnung 5 und eine der Lüftungsöffnung 5 gegenüber angeordnete Tür 6, welche die Station 1 und ihre Einbauten einer Bedienung und Wartung zugänglich macht. Die Lüftungsöffnung bzw. Lüftungsöffnungen können auch an anderen Stationswänden bzw. an weiteren Türen angebracht sein. Ebenso ist eine stochersichere Unterdachentlüftung möglich. Derartige Stationen werden regelmäßig zu etwa einem Drittel in den Erdboden eingelassen, so daß sich beispielsweise die Tür 6 der Station 1 nur knapp über dem Erdboden befin­ det.

Unterhalb der Spannungsschaltanlage 3 ist ein Vorkeller 9 angeordnet, der nach oben hin (zur Schaltanlage 3) durch einen Zwischenboden 7 und zum Transformator 2 hin durch eine parallel zur Tür 6 verlaufende, den Zwi­ schenboden 7 tragende Stützwand begrenzt ist, wobei die Stützwand wiederum als integralen Bestandteil die Beton-Kühleinrichtung 4 umfaßt. Der von der Stützwand getragene Zwischenboden 7 dient als Stellplatz für die Schaltan­ lage 3 und ist in etwa mittig mit einer Durchtrittsöffnung 8 für Kabel und Leitungen versehen, die auch den Durchtritt von Gasen erlaubt. In seiner unteren Ecke ist im Vorkeller 9 eine Kabeleinlaßbuchse 10 angeordnet, von der aus ein Mittelspannungskabel zur Spannungsschaltanlage 3 führt. Der Vorkeller kann dabei als Kabelanschlußraum für den Anschluß des Mittel­ spannungskabels an die Schaltanlage dienen, häufig ist die Anordnung aber so getroffen, daß der untere Teil der Schaltanlage nach unten offen und als Kabelanschlußraum ausgebildet ist, sich also der Kabelanschlußraum oberhalb des Zwischenbodens 7 befindet.

In Fig. 1 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit keine Kabel, Verbin­ dungen und Hilfseinrichtungen dargestellt; die erfindungsgemäße Station weist aber im Betriebszustand natürlich die üblichen Kabel, Verbindungen und Hilfseinrichtungen auf.

Die in Fig. 1 nicht näher dargestellte Schaltanlage 3 befindet sich in einem typischen Ausführungsbeispiel innerhalb eines geschlossenen, nach außen völlig abgekapselten Schrankes, der mit Schutzgas (Schwefelhaxafluo­ rid SF₆) gefüllt ist und auf seiner Unterseite eine Klappe o. dgl. aufweist, die sich zum Kabelanschlußraum hin öffnet, wenn sich im Innern des Schalt­ schrankes aufgrund eines Lichtbogens ein Gas-Überdruck entwickelt.

Nach Auftreten eines inneren Fehlers dringen die unter Überdruck ste­ henden heißen Gase (Dämpfe) durch die Klappenöffnung auf der Unterseite der Schaltschrankes in den Kabelanschlußraum ein, von wo aus sie durch die Durchtrittsöffnung 8 im Zwischenboden 7 in den Vorkeller 9 gelangen. Aus diesem Raum können die Gase nun ausschließlich durch die Kühleinrichtung 4 entweichen. Dabei treten sie von oben in die Kanäle 14', 14'' ein und und strömen in diesen abwärts. In Strömungsrichtung der Gase, d. h. nach unten zu, verjüngen sich die Kanäle, vgl. Fig. 2; die strömenden Gase werden daher in ihnen komprimiert, was zu einer Erhöhung der Gastemperatur und einem besonders effektiven Wärmetransfer führt. Nach Passage der Kanäle 14', 14'' entspannen sich die Gase in den unteren Bereich desjenigen Raums der Station 1 hinein, in dem sich der Transformator 2 befindet. Der gleiche Kühleffekt tritt ein, wenn ein Lichtbogen im Kabelanschlußraum entsteht.

Die Gase geben während der Passage durch die Kanäle 14', 14'' eine ausreichende Wärmemenge an die Kanalwände der Kühleinrichtung 4 ab, so daß nach der anschließenden Expansion der Gase in den Transformatorenraum hinein eine beträchtliche Gasabkühlung stattgefunden hat.

Das in den Transformatorenraum hinein entspannte (expandierte) Gas überstreicht dann den Transformator 2, wobei gegebenenfalls eine weitere Abkühlung stattfindet. Schließlich treten die abgekühlten Gase durch die Lüftung 5 aus der Station 1 aus. Sie besitzen eine für Passanten und Be­ dienpersonal unschädliche, d. h. ausreichend niedrige Temperatur.

In Fig. 1 ist der Strömungsweg der Gase (Dämpfe) innerhalb der Station teilweise durch Pfeile angedeutet.

Die Kanäle 14', 14'' der Kühleinrichtung 4 (Fig. 1 und 2) verlau­ fen wie gesagt im wesentlichen vertikal und verjüngen sich nach unten zu; dies ist aus mehreren Gründen vorteilhaft: Zum einen ist der Vorkeller 9 im Falle des Auslaufens von Öl aus dem Transformator 2 (dies ist ein typischer Transformatordefekt!) sicher gegen einen Öleintritt aus dem Transformato­ renraum geschützt, was besonders wichtig ist, da Einlaßbuchsen wie die Ein­ laßbuchse 10 für das Mittelspannungskabel regelmäßig nicht öldicht sind bzw. durch Öl undicht werden können. Zum anderen sind die Kanäle 14', 14'' nahezu so lang wie die Stützwand hoch ist, was eine gute Gasabkühlung gewährleistet.

In Fig. 3 ist eine abgewandelte erfindungsgemäße Kühleinrichtung 4' dargestellt, die beispielsweise anstelle der Kühleinrichtung 4 in der in Fig. 1 dargestellten Station 1 eingesetzt werden kann. Im Unterschied zu der Kühleinrichtung 4 besitzt die Kühleinrichtung 4' eine Anzahl im wesent­ lichen horizontaler Kühlkanäle 24, wobei der unterste Kühlkanal einen Si­ cherheitsabstand zu den Böden des Vorkellers 9 und des nur angedeuteten Transformatorenraums aufweist, um im Falle eines Transformatordefekts einen Öleintritt in den Vorkeller auszuschließen.

Claims (9)

1. Station (1) zur Aufnahme eines Transformators (2) und einer Span­ nungsschaltanlage (3), mit einer Kühleinrichtung (4 bzw. 4'), die einen oder mehrere sich verjüngende Kühlkanäle (14', 14'' bzw. 24) umfaßt, wobei die Station (1) so eingerichtet ist, daß heiße Gase und/oder Dämpfe, die bei Betrieb der Station in oder in der Nähe der Schaltanlage (3) entstehen, den oder die Kanäle (14', 14'' bzw. 24) in Verjüngungsrichtung passieren können.

2. Station nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrich­ tung (4 bzw. 4') im wesentlichen aus Beton besteht.

3. Station nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kühleinrichtung (4 bzw. 4') in der Station (1) so angeordnet ist, daß im Betrieb entstehende heiße Gase und/oder Dämpfe frühestens nach Durchströmen der Kühleinrichtung (4) in den Raum zur Aufnahme des Transformators (2) eintreten können.

4. Station nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kühleinrichtung (4) mehrere sich verjüngende Kanäle (14', 14'' bzw. 24) bezogen auf die Strömungsrichtung der heißen Gase und/oder Dämpfe neben- und/oder hintereinander aufweist.

5. Station nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kühleinrichtung (4 bzw. 4') integraler Bestandteil einer Zwischen- oder Stützwand der Station (1) ist, durch die der Raum zur Aufnahme des Transformators (2) von dem für die Aufnahme der Span­ nungsschaltanlage (3) vorgesehenen Ort räumlich abgetrennt ist.

6. Station nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kühleinrichtung (4) einen oder mehrere im wesentlichen vertikal verlaufende Kühlkanäle (14', 14'') aufweist.

7. Station nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kühleinrichtung (4') einen oder mehrere im wesentlichen horizontal verlaufende Kühlkanäle (24) aufweist.

8. Station (1) mit einem Transformator (2), einer Spannungsschaltanlage (3) und einer Kühleinrichtung (4 bzw. 4'), wobei die Kühleinrichtung (4 bzw. 4') einen oder mehrere sich verjüngende Kühlkanäle (14', 14'' bzw. 24) umfaßt und die Station (1) so eingerichtet ist, daß heiße Gase und/oder Dämpfe, die bei Betrieb der Station (1) in oder in der Nähe der Schaltanlage (3) entstehen, den oder die Kanäle (14', 14'' bzw. 24) in Verjüngungsrichtung passieren können.

9. Kühleinrichtung (4 bzw. 4') aus Beton zur Verwendung in einer Trans­ formatorenstation, wobei die Kühleinrichtung (4) einen oder mehrere sich verjüngende Kühlkanäle (14', 14'' bzw. 24) umfaßt.