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Hochspannungs-Stromwandler mit Thermosyphon-Kühlung Die Erfindung
betrifft einen Hochspannungs-Stromwandler mit Thermosyphon-Kuhlung, dessen Primär-Ringleiter
und hohl ausgeführte Stromzuführungen durch eine Hochspannungsisolation gegen die
Sekundärwicklung und den Eisenkern elektrisch isoliert sind und bei dem das Ganze
in einem Kühlmittelraum angeordnet ist, wobei das Kühlkanalsystem über eine Einströmöffnung
und eine Ausströmöffnung an den Enden der hohlen Stromzuführungen mit dem Kühlmittelraum
in Verbindung steht und die Kanäle der Stromzuführung derart ausgebildet sind, dass
zufolge Thermosyphon-Wirkung der Kanal der einen Stromzuführung absteigendes Kühlmittel
und der Kanal der anderen Stromzuführung aufsteigendes Kühlmittel führt.
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Bei einem Stromwandler der bekannten Ausführung sind der Primär-Ringleiter
mit den Stromzuführungen, der Eisenkern und die Sekundärwicklung in einem Porzellan-Isolator
untergebracht, der am Fuss durch eine geerdete Grundplatte oder einen geerdeten
Kasten abgeschlossen ist und am Kopfende ein metallisches Kopfgehäuse mit den Anschlussbolzen
tragt. Die Zuführungsleitung für den Primär-Ringleiter ist meist in Form eines aus
gegeneinander elektrisch isolierten konzentrischen Rohren oder Segmenten bestehenden
Doppelleiters ausgeführt, der im Porzellan-Isolator koaxial mit diesem angeordnet
ist. Aus isolationstechnischen Gründen umschliesst die Hochspannungsisolation üblicherweise
als geschlossener
Wickel den Primärleiter und den Doppelleiter beinahe
bis zu dessen oberem Ende an dem der hohle Doppelleiter offen und durch Armaturen
mit den Anschlussbolzen elektrisch verbunden ist. Der Porzellan-Isolator und das
Kopfgehäuse sind meistens mit einem Isolieröl gefüllt, das gleichzeitig als Kühlmittel
dient. Die durch Stromverluste in den Leitern erzeugte Wärme wird einerseits an
das in den Kanälen des Doppelleiters und in Kühlkanälen des Primär-Ringleiters zirkulierende
Kühlmittel direkt abgegeben und andererseits durch die Hochspannungsisolation an
das die Isolation umgebende Kühlmittel abgeleitet. Die Wärmeabgabe vom Kühlmittel
an die Atmosphäre erfolgt über das metallische Kopfgehäuse, das zur Erzielung einer
besseren Wärmeabgabe häufig mit zusätzlichen Kühlflächen ausgerüstet ist, und über
das Stützerporzellan und dessen Grundplatte bzw. Kasten.
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Bei derart ausgebildeten Stromwandlern für Nennströme von mehr als
2 kA und Spannungen über 110 kV bereitet das Abführen der Verlustwärme erhebliche
Schwierigkeiten. Die Oeleintritts- und Oelaustrittsöffnungen der Kühlkanäle in der
Doppelleitung und im Primär-Ringleiter liegen nahe beim Kopfende des Porzellan-Isolators,
also so hoch, dass das aus der Doppelleitung austretende warme Oel zumindest zum
grössten Teil an der Oberfläche des metallischen Kopfgehäuses rückgekühlt wird,
wobei häufig ein Teil des ausströmenden warmen Oels ohne an die Gehäusewandung zu
gelangen sofort wieder in die Oeleintrittsöffnung hineingezogen wird. Die Speisung
der Kühlkanäle erfolgt hierbei praktisch ausschliesslich aus dem verhältnismässig
geringen Oelvorrat im Kopfgehäuse und im Kopfende des Porzellan-Isolators, während
der übrige, grössere Oelvorrat des Porzellan-Isolators und insbesondere das im Isolator-Fussteil
befindliche Oel wesentlich weniger oder gar nicht zur Kühlung des aus dem Doppelleiter
austretenden warmen Oelstromes herangezogen ist. Da der Isolationswickel im allgemeinen
so dick ist, dass durch ihn eine geringe Wärmeleistung durch Wärme leitung nach
aussen abgeführt werden kann, erhöht sich die Temperatur des Oels im Kühlkanal des
Primär-Ringleiters und in den daran anschliessenden Kanalteilen
des
Doppelleiters und damit auch die Temperatur der Hochspannungsisolation. Um die Temperaturerhöhung
in unschädlichen Grenzen zu halten, werden üblicherweise die Stromverluste durch
Vergrösserung der Leiterquerschnitte vermindert und/oder am Kopfgehäuse die Kühlflächen
zur Verbesserung der Wärmeabgabe vergrössert. Beide Massnahmen führen jedoch zu
einer nicht unerheblichen Verteuerung solcher Hochspannungs-Stromwandler.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochspannungs-Stromwandler
der dargelegten Art mit gegenüber bekonnte nnten solchen Wandl ern verbesserter
Thermosyphon-Kühlung zu schaffen, bei dem zur Rückkühlung des aus dem Kühlkanalsystem
austretenden warmen Kühlmittelstromes über den K£ihlmittelvorrat auch der Porzellan-Isolator
herangezogen und das Einströmen von ungekühltem Kühlmittel in die Kühlkanäle sowie
eine lokale Ansammlung von warmem Kühlmittel vermieden ist.
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Die Aufgabe wird gemass der Erfindung dadurch gelöst, dass das obere
Ende des Kanals für aufsteigendes Kühlmittel in eine im Kühlmittelraum abwärtsgerichtete
Düse übergeht, deren Ausströmöffnung kleiner als die Kanalquerschnittsfläche und
nicht grösser als der kleinste Kanalquerschnitt im Kühlkanalsystem ist und dass
der Kanal für absteigendes Kühlmittel an der der Düsen gegenuberliegenen weite mindestens
eine Sinströmöffnung aufweist, über die er mit dem Kühlmittelraum in Verbindung
steht.
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Durch die unterschiedliche Erwärmung des Kühlmittels in den Kanälen
mit aufsteigendem und mit absteigendem Kühlmittel entsteht eine Thermosyphonwirkung.
Die Folge von dieser Thermosyphonwirkung ist ein Ueberdruck am oberen Ende des Kanals
mit dem aufsteigenden Kühlmittel durch den dieses Kühlmittel aus der Düse in einem
abwärts gerichteten Kühlmittelstrom ausgestossen wird Ein Teil des Kühlmittelstromes
wird dabei abgebremst.
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Das von diesem Teil des Kühlmittelstromes mitgeführte Kühlmittel steigt
nach oben und vermischt sich mit dem Kühlmittel im Kopfgehäuse. Ein anderer Teil
des Kühlmittelstromes gelangt bis in
tiefere und kühlere Schichten
des unterhalb der Düse liegenden Kühlmittelvorrates und mischt sich dort mit kaltem
Kühlmittel. Dieser Teil des Kühlmittelvorrates wird dadurch ebenfalls erwärmt, was
zur Folge hat, dass die beim Betrieb des Wandlers erzeugte Wärme über einen grösseren
Teil des Wandlergehäuses abgeführt wird. Das Kühlmittel, das nach der Rückkühlung
am Wandlerkopf und am Wandlerporzellan wiederum durch die Einströmöffnungen in die
Kühlkanäle gelangt, wird dadurch auf eine tiefere Temperatur zurückgekühlt.
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Der Wandler wird dadurch besser gekühlt.
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Um den Strömungswiderstand bei starker Strömung zu vermindern und
um auch den oberhalb der seitlichen Einströmöffnungen liegenden Teil des Leiters
zu kühlen, erhält der Final für das absteigende Kühlmittel zweckmässig an seinem
oberen Ende eine zusätzliche Einströmöffnung. Bei verhältnismäsvii- langen Kanälen
für auf- und absteigendes Kühlmittel kann das obere Ende des Kanals für aufsteigendes
Kühlmittel in ein abwärts gerichtetes seitliches Verlängerungsrohr münden, das am
unteren Ende die Düse trägt und auf seiner Länge verteilt zusätzliche Ausströmöffnungen
aufweist.
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Einerseits wird damit ein grösserer Teil des Kühlmittelvorrats erwärmt,
wodurch die Wärmeabgabe an die Atmosphäre verbessert wird. Andererseits verhindern
die zusätzlichen Ausströmöffnungen ein Unterbinden des Kühlmittelstromes in den
Kühl kanälen durch eine Ansammlung von erwärmtem Kühlmittel in abwärts gerichtetes
seitliches Verlängerungsrohr.
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An der seitlichen Einströmöffnung des Kanals mit dem einströmendem
Kühlmittel kann ein abwärts gekrümmtes Rohrstück angesetzt sein. In den Kanal mit
dem einströmendem Kühlmittel wird dadurch kühleres Kühlmittel aus tieferen Schichten
des Kühlmittelvorrats eingesaugt, was ebenfalls zu einer Verbesserung der Wärmeabgabe
führt.
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Nachstehend wird die Erfindung an Ausführungsbeispielcn näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen Hochspannungs-Stromwandler
nach der Erfindung, bei dem die Kanäle für
auf- und absteigendes
Kühlmittel durch zwei koaxiale Rohre der Stromzuführung gebildet sind, wobei Kühlmittel
strömungen durch eingezeichnete Pfeile angegeben sind, Fig. 2 einen Axialschnitt
durch den oberen Teil von die genannten Kanäle bildenden koaxialen Rohren in abgeänderter
Ausführung und Fig. 3 in Aufsicht durch zwei Rohrsegmente gebildete Kanäle für auf-
und absteigendes Kühlmittel.
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Bei dem in Fig. 1 gezeigten Hochspannungs-Stromwandler ist der hohlkegelförmige
Porzellan-Isolator 1 am Fussende durch eine Metall-Grundplatte 2 mit angesetztem
Kasten 3 abgeschlossen. Auf der Grundplatte 2 ist der Eisenkern 5 mit dem Primär-Ringleiter
4 und der Sekundärwicklung 6 befestigt. Für die Stromzuführung zu dem aus einem
kreisförmig gebogenen Rohr bestehenden Primär-Ringleiter 4 sind zwei koaxiale Rohre
7,8 vorgesehen, deren unteren Endo an dem Primär-Ringleiter 4 befestigt und deren
oberen Enden durch, zur Stromführung bestimmte Verbindungen 9,10 elektrisch mit
den im Kopfgehäuse 15 angeordneten Anschlussbolzen 11,12 verbunden sind. Das den
Primär-Ringleiter 4 bildende kreisförmig gebogene Rohr ist, wie gezeigt, oben durch
einen schräg verlaufenden Schnitt aufgetrennt, in welchem eine Isolierplatte 14
eingelegt ist, um die hnschlussenden des Ringleiters zu bestimmen. Oberhalb der
Isolierplatte 14 befindet sich im Ringleiter 4 eine Oeffnung 15, an deren Rand das
äussere Rohr 8 der Stromzuführung angeschlossen ist. Das innere Rohr 7 der Stromzuführung
ist durch die Isolierplatte 14 hindurchgeführt und unterhalb der Isolierplatte 14
mit der Innenseite des Ringleiters 4 verbunden; wobei vom inneren Rohr 7 am unteren
Ende ein Stück abgeschnitten ist, um einen Durchgang 16 vom Innenraum des Ringleiters
4 zum Innenraum des inneren Rohres 7 zu schaffen.
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Damit ergibt sich einerseits ein elektrischer Stromkreis, der von
dem einen Anschlussbolzen 11 über die Verbindung 9, das innere Rohr 7, den Primär-Ringleiter
4, das äussere Rohr 8
und die Verbindung 10 zum anderen Anschlussbolzen
12 führt, und andererseits ein Kühlkanalsystem, das den den kreisförmigen Querschnitt
aufweisenden Innenkanal 17 des inneren Rohres, den Durchgang 16, den Kühlkanal 19
des Primär-ingleiters 4, die Oeffnung 15 und den den kreisförmigen Querschnitt aufweisenden
Aussenkanal 18 zwischen innerem Rohr 7 und äusseremRohr 8 umfasst. Der Primär-Ringleiter
4 ist gegen den Eisenkern 5 durch eine Hochspannungsisolation 20 elektrisch isoliert,
die, wie erwähnt und üblich, den Primär-Ringleiter 4 und das äussere Zuführungsrohr
8 bis nahe zu dessen oberen Ende als geschlossener Wickel umgibt. Das Kühlkanalsystem
17,18,19,der Innenraum 21 des Porzellan-Isolators 1 und der Innenraum 22 des Kopfgehäuses
13 sind, wie bei 23 angedeutet, mit Isolieröl ausgefüllt, das gleichzeitig als Kühlmittel
dient. Wie üblich, ist im Kopfgehäuse 13 ein Oelausdehnungsgefäss vorgesehen, das
in der Zeichnung jedoch nicht dargestellt ist. Das innere Zuführungsrohr 7 überragt
oben das äussere Rohr 8 und sein offenes Ende bildet eine Einströmöffnung 24 für
Kühlmittel in das Kühlkanalsystem. Das äussere Zuführungsrohr 8 ist am oberen Ende
durch eine Kappe 25 aus elektrisch isolierendem Material abgeschlossen, wobei das
innere Rohr 7 flüssigkeitsdicht durch die Kappe 25 hindurchgeführt ist. Als Kühlmittel-Ausströmöffnung
weist die Kappe 25 seitlich eine abwärts gerichtete Düse 26 auf. Um im Kühlkanalsystem
17,18, 19 eine definierte Strömung des Kühlmittels zu erhalten, die im inneren Kanal
17 abwärts und im äusseren Ringkanal 18 aufwärts gerichtet ist, sind die beiden
Zuführungsrohre 7 und 8 so dimensioniert, dass bei dem Ringkanal 18 einerseits die
kühlende Oberfläche und andererseits das Verhältnis von kühlender Oberfläche zur
Kanalquerschnittsfläche grösser sind als bei dem inneren Kanal 17. Die beiden Zahlenwerte
bei dem Kanal 17 für absteigendes Kühlmittel, d.h. sowohl der Zahlenwert für dessen
kühlende Oberfläche als auch der Zahlenwert für das Verhältnis seiner kühlenden
Oberfläche zu seiner Querschnittsfläche, verhalten sic zu den entsprechenden Zahlenwerten
bei dem Kanal 18 für aufsteigendes Kühlmittel
jeweils wie 1:1,2
... 1:10. Bei ausgebildeter Strömung ist der Wärmeübergang zum Kühlmittel im Kanal
für aufsteigendes Kühlmittel, d.h. im Ringkanal 18 wegen der grösseren Kühlfläche
und der grösseren Strömungsgeschwindigkeit grösser als zu dem Kühlmittel im Kanal
für absteigendes Kühlmittel, ..... im inneren Kanal 17, so dass die Thermosyphonwirkung
verstarkt wird und die Kühlmittelströmung stets aufrechterhalten bleibt. Das in
Kopfgehäuse 13 rückgekühlte Kühlmittel römt unbehindent durch die Einströmöffnung
24 in das innere @@@r 7 ein und sinkt nach unten. nach Durchströmung des l@@@ r-kin
leiters 4 gelangt das erwärmte Kühlmittel zur @@ @s@.appe . Die Ausströmöffnung
der Düse 26 ist dem @@@n en Querschnitt im Kühlkanalsystem 17,18,19 höchstens @lei@,
vorzugsweise jedoch kleiner als dieser und auch kleiner @@ @ @ @@@l@@sfläche des
Kanals für aufsteigendes Kühlmittel, d.h. des Ringkanals 18. Der kleinste Querschnitt
im Kühlkanalsystem bzw. die Querschnittsfläche des Ringkanals 18 v@r@@lt sich bierbei
zur Ausströmöffnung der Düse 6 wie 1:1 ... 1:0,@ bzw. 1:0,9 ... 1:0,1. Infolge des
aufsteigenden erwärmten Kühlmittels entsteht innerhalb der Abschlusskappe @@ ein
gegenüber dem Kühlmitteldruck im oberen Teil des Hohlraumes 21 des Porzellan-Isolators
l leicht erhöhter Druck, so dass das Kühlmittel durch dis Düse 26 in einem nach
unten gerichteten Kühlmittelstrom 27, der in Fig. 1 durch Pfeile angedeutet ist,
ausgestossen wird. Der warme Kühlmittelstrom 27 gelangt in tiefer gelegene, noch
kühlere Schichten des Kühlmittelvorrates im Porzellanisolator 1. Der durch Wärmeleitung
über die Hochspannungsisolation 20 nur wenig erwärmte Kühlmittelvorrat im Porzellan-Isolator
1 wird dadurch zusätzlich erwärmt und von dem auf höhere Temperatur erwärmter Porzellan-Isolator
1 wird Wärme an die Atmosphäre abgegeben, d.h. das erwärmte Kühlmittel wird auch
durch den Porzellan-Isolator 1 rückgekühlt.
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Hierbei bildet sich auch im Kühlmittelvorrat eine Strömung aus. Zur
Verstärker dieser Strömung wird möglichst weit unterhalb der Abschlusskappe 25,
praktisch unmittelbar über den Ende der o@@@@@@mm sisch@@@@@ @@ mindestens eine
Einströmöffnung
28 für den inneren, absteigendes Kühlmittel führenden
Kanal 17 vorgesehen, durch welche möglichst kühles Kühlmittel des im Porzellan-Isolator
1 befindlichen Vorrates einströmen kann. Die Gesamtfläche dieser Einströmöffnungen
28 beträgt hierbei 20 ... 300% der Querschnittsfläche des Kanals 18 für aufsteigendes
Kühlmittel, vorzugsweise 80 ... 120% desselben. Bei einer aus koaxialen Rohren 17,18
(Fig. 1) bestehenden Stromzuführung wird die Einströmöffnung 28 durch ein Rohrstück
29 aus elektrisch isolierendem Material gebildet, das in die beiden Rohre 7,8 radial
eingesetzt ist und den inneren Kanal 17 mit dem Hohlraum 21 des Porzellan-Isolators
1 verbindet. Das Rohrstück 29, bzw. die Einströmöffnung 28 befindet sich vorzugsweise
auf der der Düse 26 entgegengesetzten Seite der Stromzuführung.
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Fig. 2 zeigt im Schnitt den oberen Teil des Kühlkanal systems der
Fig. 1 in etwas abgeänderter Ausführung.
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Das äussere Rohr 8 der Stromzuführung ist wiederum durch eine Abschlusskappe
25 aus elektrisch isolierendem Material abgeschlossen, durch die das innere, oben
offene Rohr 7 geführt ist. An die Abschlusskappe 25 ist seitlich ein nach unten
weisendes Verlängerungsrohr 30 angesetzt, dessen unteres Ende die Düse 26 trägt.
Damit wird erreicht, dass der aus der Abschlusskappe 25 austretende warme Kühlmittelstrom
27 in tiefer liegende Schichten des Kühlmittelvorrates 23 im Porzellan-Isolator
gelangt und damit der zur Rückkühlung des Kühlmittels benutzte Anteil des Kühlmittelvorrates
gegenüber dem der Ausführung nach Fig. 1 vergrössert ist. Damit sich vor Ausbildung
der Strömung im Kühlkanalsystem erwärmtes Kühlmittel nicht unter der Abschlusskappe
25 und im Verlängerungsrohr 30 ansammeln und damit die Strömungsausbildung behindern
kann, sind im Verlängerungsrohr 30 in Abstand angeordnete Ausströmöffnungen 31 -vorgesehen.
Bei schwacher Strömung kann das warme Kühlmittel durch diese Oeffnungen austreten.
Bei starker Strömung strömt nur ein kleiner Teil des warmen Kühlmittels durch die
Oeffnungen
31 der grössere Anteil jedoch durch die Düse 26 aus,
wobei der durch die Oeffnungen 31 austretende Kühlmittelanteil durch Ausnützung
der Strömungskräfte klein gehalten werden kann.
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Die dem inneren Kanal 17 kühles Kühlmittel aus dem Kühlmittelvorrat
zuführende Einströmöffnung 28 ist bei diesem Ausführungsbeispiel durch ein abwärts
gekrümmtes Rohrstück 32 aus elektrisch isolierendem Material gebildet, so dass hier
gegenüber der Ausführung nach Fig. 1 Kühlmittel aus einer tiefer liegenden Schicht
abgesaugt wird. Der zum Ansaugen erforderliche Unterdruck wird durch die Thermosyphonwirkung
der im inneren Rohr 7 oberhalb der Einströmöffnung 28 liegenden warmen Kühlmittelsäule
erzeugt.
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Die Stromzuführung für den Primär-Ringleiter kann auch aus zwei Rohrsegmenten
bestehen, die elektrisch voneinander isoliert sind und die zwei Kanäle, einen für
absteigendes Kühlmittel und einen für aufsteigendes Kühlmittel bilden. Fig. 3 zeigt
schematisch eine solche Stromzuführung von oben gesehen. Ein Metallrohr ist der
Länge nach in ein grdsseres Rohrsegment 33a und ein kleineres Rohrsegment 33b zerschnitten.
Mittels einer zwischen beide Rohrsegmente eingelegten gekrümmten Platte 34 aus elektrisch
isolierendem Material sind im grösseren Rohrsegment 33a der Kanal 18 für aufsteigendes
Kühlmittel und im kleineren Segment 33b der Kanal 17 für absteigendes Kühlmittel
gebildet. Die Rohrsegmente sind wie vorstehend beschrieben dimensioniert. Der Kanal
18 für aufsteigendes Kühlmittel ist durch die Abschlusskappe 25 mit der Düse 26
abgeschlossen. Der Kanal für absteigendes Kühlmittel ist oben offen und überragt
die Abschlusskappe und trägt seitlich z.B. das abwärts gekrümmte Rohrstück 32 zur
Zuführung von kaltem Kühlmittel aus dem Kühlmittelvorrat im Porzellan-Isolator.