DE2916747A1

DE2916747A1 - Elektrische induktionsmaschine mit verdampfungskuehlung

Info

Publication number: DE2916747A1
Application number: DE19792916747
Authority: DE
Inventors: Thomas W Stubblefield
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1978-04-25
Filing date: 1979-04-25
Publication date: 1979-11-08
Also published as: BE875823A; US4205289A; FR2424616B1; GB2019656A; ZA791711B; ES479858A1; FR2424616A1; CA1111916A; IT1112718B; JPS5823724B2; NO151988B; NO151988C; IT7922136A0; GB2019656B; NO791337L; BR7902404A; JPS54142525A

Description

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Elektrische Induktionsmaschine mit Verdampfungskühlung

Die Erfindung betrifft eine elektrische Induktionsmaschine mit Verdampfungs k-.ühlung, bei welcher ein mit Wicklungen versehener und über diese nach unten vorstehender Magnetkern in einem Gehäuse untergebracht ist, dessen freies Innen'volumen bis zu einem unterhalb der Wicklungen liegenden Niveau mit einer bei der Betriebstemperatur verdampfungsfähigen Isolationsflüssigkeit gefüllt ist, und mit einem mit dem Gehäuseinneren kommunizierenden Speicherbehälter zur Aufnahme eines bei der Betriebstemperatur sowie dem Betriebsdruck nicht kondensierbaren Isoliergases, welches in Abhängigkeit vom Dampfdruck der Isoüationsflüssigkeit im Gehäuse inner en aus diesem in den Speicherbehälter verschiebbar ist, wobei das nicht kondensierbare Isoliergas bei einer ersten vorgegebenen Temperatur im wesentlichen vollständig im Speicherbehälter sowie bei einer zweiten vorgegebenen Temperatur im wesentlichen vollständig in dem Gehäuseinneren angeordnet ist, und ferner die erste und zweite vorgegebene Temperatur innerhalb des Temperaturbereichs liegt, welchen der Magnetkern und die Wicklungen während des Betriebs annehmen.

Fs/ai Die

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Die Verwendung einer Verdampfungskühlung bei elektrischen Induktionsmaschinen, insbesondere bei Leistungstransformatoren, ist bekannt, wobei eine Isolationsflüssigkeit Verwendung findet, die einen im Bereich der normalen Betriebstemperaturen liegenden Verdampfungspunkt hat. Die Isolationsflüssigkeit wird dem Leistungstransformator in flüssiger Form zugeführt und verdampft auf der Oberfläche des wärmeerzeugenden Teiles, wobei diesem eine Wärmemenge entzogen wird, die gleich der latenten Verdampfungswärme ist. Die entstehenden Dämpfe werden anschließend kondensiert und erneut im Kühlkreislauf zirkuliert. Neben der eigentlichen Kühleigenschaft hat die Isolationsflüssigkeit auch die Aufgabe, die nötige Durchschlagsfestigkeit zwischen den einzelnen elektrischen Elementen in der Dampfphase bei der normalen Betriebstemperatur und dem normalen Partialdruck sicherzustellen.

Da Isolationsflüssigkeiten mit diesen Eigenschaften extrem teuer sind, wird aufgrund wirtschaftlicher Überlegungen gefordert, die Flüssigkeitsmenge auf ein Minimum zu begrenzen. Bei bekannten elektrischen Induktionsgeräten mit Verdampfungskühlung wird eine verhältnismäßig kleine Menge der verdampfungsfähigen Isolationsflüssigkeit in einem Sumpfvolumen am Boden des Gehäuses vorgesehen und von dort aus mit Hilfe einer Pumpe den wärmeerzeugenden elektrischen Wicklungen zugeführt (US-PS 2 961 476 und 3 261 905).

Da die Durchschlagsfestigkeit der verdampfungsfähigen Isolationsflüssigkeit direkt proportional dem innerhalb des Gehäuses wirkenden Druck ist, wird üblicherweise ein zweites Isoliermedium als Isoliergas beigefügt, das im wesentlichen bei den Betriebstemperaturen und Betriebsdrücken des Induktionsgerätes nicht

kondensier-

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kqndensierbar ist. Ein solches Isoliergas ist ζ. Β. Schwefelhexafluorid (SF,,), das in genügend großen Mengen beigegeben

wird, um die Durchschlagsfestigkeit zwischen den elektrischen Elementen innerhalb des Gehäuses auch zu gewährleisten, wenn die Anlage eingeschaltet wird oder bei niederen Lastbedingungen läuft. In diesem Zustand befindet sich nahezu die gesamte verdampfungsfähige Isolationsflüssigkeit in der flüssigen Phase, so daß die Durchschlagsfestigkeit von dem Isoliergas gewährleistet wird. Wenn sich die Temperatur des Gerätes der normalen Betriebstemperatur nähert, muß das nicht kondensierbare Isoliergas aus dem Gehäuse verdrängt und in einem separaten Speicherbehälter gespeichert werden, damit es nicht die Verdampfungskühlung beeinträchtigt. Eine derartige Lösung ist durch die US-PS 2 961 476 und 4 011 535 bekannt. Da das nicht kondensierbare Gas einen wesentlichen Teil des Gehäuses im abgeschalteten Zustand oder bei geringer Last ausfüllt, ist ein verhältnismäßig großer Speicherbehälter erforderlich, damit das gesamte Volumen des nicht kondensierbaren Gases aus dem freien Innenvolumen des Gehäuses in den Speicherbehälter verdrängt werden kann. Da sowohl die Nennwerte als auch die Größe von Leistungstransformatoren mit Verdampfungskühlung in letzter Zeit wesentlich angestiegen ist, ergibt sich daraus ein verhältnismäßig hoher Volumenbedarf für den Speicherbehälter infolge der größeren erforderlichen Menge des nicht kondensierbaren Gases. Dadurch werden die Gesamtabmessungen der Anlagen wesentlich vergrößert. Obwohl es bekannt ist, die Trennung des nicht kondensierbaren Isoliergases von der Isolationsflüssigkeit effektiv vorzusehen, sind bei diesen Anlagen keine Maßnahmen bekannt, aufgrund deren die Menge des nicht kondensierbaren Isoliergases und damit die Größe des Speicherbehälters verringert werden

kann

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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, für eine elektrische Induktionsmaschine mit Verdampfungskühlung Maßnahmen zu finden, die es ermöglichen, das Volumen des Speicherbehälters für das nicht kondensierbare Isoliergas gegenüber bekannten Anordnungen zu verringern, wobei auch mit geringen Mengen der verdampfungsfähigen Isolationsflüssigkeit eine einwandfreie Kühlung gewährleistet ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Speicherbehälter ein Volumen hat, dessen Größe proportional dem freien Innenvolumen des Gehäuses sowie dem Volumen der Isolierflüssigkeit sich durch folgende Gleichung ergibt:

V - ^VE I ^K1^VL

S KoKq

darin bedeutet:

VS das Volumen des Speicherbehälters

V„ das freie Innenvolumen des Gehäuses ab-

züglich dem Volumen des Magnetkerns und

der Wicklungen

K. eine Konstante, welche gleich 0-1/1 -/"^ 0 ist,

wobei 0 ein Volumenverhältnis des nicht kondensierbaren Isoliergases ist, das pro Volumeneinheit der Isolierflüssigkeit absorbiert wird, und β ein Verhältnis der Dichte des verdampften Anteils zur Dichte des flüssigen Anteils der Isolierflüssigkeit ist V_T das Volumen der Isolie!"flüssigkeit K eine Konstante, welche gleich 1- β /1- β φ ist

K eine Konstante, welche gleich T P /T₀P₁ ist,

ο 12 2 1

wobei

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wobei T₁ die Temperatur sowie P der Partial druck des nicht kondensierbaren Isoliergases bei der ersten vorgegebenen Temperatur und T die Temperatur sowie P der Parbialdruck des nicht kondensierbaren Isoliergases bei der zweiten vorgegebenen Temperatur ist

- daß die Bodenwand des Gehäuses mit einer Vertiefung

versehen ist, welche das untere Joch des Magnetkerns

aufnimmt, wobei der das Joch umgebende freie Fraum ein

Sumpfvolumen bildet, welches eine möglichstgeringe Menge

der Isolierflüssigkeit aufnimmt.

Die Erfindung findet besonders vorteilhafte Verwendung bei einem Leistungstransformator, der In einem dicht abgeschlossenen Gehäuse untergebracht ist und aus auf einem Magnetkern

angeordneten Phasenwicklungen besteht. Die Bodenwand des Gehäuses ist mit einer Ausnehmung versehen, in welche das untere Joch des Magnetkernes ragt, wobei sich die untere Stirnseite der Wicklungen in einem gewissen Abstand von der übrigen Bodenwand befindet. In das Innere des Gehäuses wird von der Isolationsflüssigkeit zumindest so viel eingefüllt, daß zumindest ein Teil des um das untere Joch des Magnetkerns verlaufenden Sumpfvolumens mit der Isolationsflüssigkeit ausgefüllt ist. Ferner ist in dem Gehäuse das bei normalen Betriebstemperaturen und normalen Betriebsdrücken . nicht kondensierende Isoliergas, welches die Aufgabe hat, die elektrische Durchbruchfestigkeit zwischen den leitenden Teilen im .Einschaltbetrieb bzw. im niedrigen Lastbetrieb zu sichern. Im Betrieb wird die Isolationsflüssigkeit mit Hilfe einer Pumpe aus dem. Sumpfvolumen abgesaugt und Verteilereinrichtungen zugeführt, welche eine gleichmäßige

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mäßige Verteilung der Flüssigkeit über den Magnetkern und die elektrischen Wicklungen gewährleisten. Ein Teil dieser Isolationsflüssigkeit verdampft, wenn sie mit den erwärmten Teilen in Berührung kommt, wobei die der latenten Verdampfungswärme entsprechende Wärmemenge abgeführt wird. Das nicht kondensierbare Gas wird zusammen mit dem Dampf der Isolationsflüssigkeit einem Kühler zugeführt, in welchem sich das nicht kondensierende Isoliergas aufgrund seiner geringeren Dichte über der kondensierten Isolationsflüssigkeit sammelt. Diese kondensierte Isolationsflüssigkeit fließt in das Gehäuse zurück, wogegen das nicht kondensierte Gas in den hierfür vorgesehenen Speicherbehälter verdrängt wird. Sobald die Last und damit die Betriebstemperatur zurückgeht, fließt das nicht kondensierende Isoliergas in das Gehäuse zurück und gewährleistet die Aufrechterhaltung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit zwischen den elektrischen Teilen.

Durch entsprechende konstruktive Ausgestaltungen der Vertiefung in der Bodenwand des Gehäuses kann das das untere Joch des Magnetkernes ganz umgebende Sumpfvolumen und das Volumen zwischen der unteren Stirnfläche der Wicklungen sowie der Bodenwand beeinflußt und verringert werden. Durch diese Volumenverringerung entfällt die Notwendigkeit für bekannte Füllkörper und ferner wird die Voraussetzung geschaffen, daß das Volumen des Speicherbehälters für das nicht kondensierende Isoliergas beträchtlich verringert werden kann. Durch die Anordnung des unteren Jochs des Magnetkernes in der Vertiefung ist dieses kontinuierlich von der Isolationsflüssigkeitumspült, so daß die Temperatur des Magnetkernes ohne eine Vergrößerung der Menge der verdampfungsfähigen Isolationsflüssigkeit abgesenkt werden kann. Da somit die I solationsflüssigkeit effizienter

ver-

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verwertet wird, können geringere Mengen Verwendung finden., womit die Kosten für die Isolationsflüssigkeit und damit für die Kühlung wesentlich reduziert werden können. Andererseits trägt dies dazu bei, daß das Speichervolumen für das nicht kondensierbare Isoliergas ebenfalls verringert werden kann. Schließlich bietet das Eintauchen des unteren Jochs des Magnetkernes in die Isolationsflüssigkeit den Vorteil, daß der Magnetkern als Wärmequelle beim Einschalten wirksam'ist und bereits die Verdampfung der Isolationsflüssigkeit im Einschaltbetrieb auslöst, so daß auf bisher übliche Pumpen verzichtet werden kann, die aufgrund der Dampf ent wicklung die Isolationsflüssigkeit fördern.

Die Vorteile

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Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Induktionsmaschine mit Verdampfungskühlung;

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer weiteren Induktionsmaschine mit Verdampfungskühlung;

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III der Fig. 1;

Fig. 4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht durch eine weitere Induktionsmaschine gemäß der Erfindung,

Die in Fig. 1 dargestellte Induktionsmaschine 10 ist als Leistungstransformator aufgebaut und in einem Gehäuse 12 untergebracht, das Gehäusewände 14, 16 und 18 hat. Dieses Gehäuse 12 umgibt den eigentlichen Induktionsapparat 22, der aus einem vielschichtigen Magnetkern 24 und elektrischen Wicklungen besteht. Der Magnetkern 24 ist seinerseits aus Schenkeln 30 und 32 aufgebaut, welche jeweils über ein Joch 26 und 28 miteinander magnetisch verbunden sind. Diese Joche verlaufen waagrecht, wogegen die Schenkel senkrecht verlaufen.

Auf den Schenkeln 30 und 32 sind Wicklungen 34 und 36 angeordnet, welche als Hochspannungswicklung und als Niederspannungswicklung ausgebildet sind. Die Wicklungen bestehen aus einem geeigneten elektrisch leitenden Material wie Aluminium oder Kupfer und können sowohl rund, bandförmig

oder

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oder auch plattenförmig ausgebildet sein, wobei sie in einzelnen Wicklungslagen 30 um die Schenkel 30 und 32 des Magnetkernes 24 herum angeordnet sind. Zwischen den einzelnen Wicklungslagen 38 sind eine Vielzahl von Kühlleitungen 40 angeordnet, durch welche für Kühlzwecke eine nachfolgend näher erläuterte Isolationsflüssigkeit 42 fließen kann.

Die Wicklungen 34 und 36 sind in herkömmlicher Weise über nicht dargestellte elektrische Leitungen und Durchführungskondensatoren an ein äußeres elektrisches Netzwerk angeschlossen. Obwohl zur Erläuterung nur ein Einphasentransformator dargestellt ist, ist die Erfindung auch für den Fachmann leicht erkennbar für Mehrphasentransformatoren bzw. mehrphasige Induktionsapparate verwendbar und kann auch zum Kühlen von Reaktoren sowie weiterer elektrischer Hochspannungseinrichtungen Verwendung finden, wenn immer eine Verdampfungskühlung einsetzbar ist.

Der Induktionsapparat wird mit einer Isolationsflüssigkeit in Form -einer zweiphasigen dielektrischen Flüssigkeit gekühlt, deren Verdampfungspunkt im Bereich der normalen Arbeitstemperatur des Induktionsapparates 22 liegt. Die Isolationsflüssigkeit bewirkt nicht nur eine ausreichende Kühlung in der Dampfphase, sondern auch bei normalen Arbeitstemperaturen und Arbeitsdrücken auch eine elektrische Isolation der einzelnen Wicklungen 34 und 36. Als Isolationsflüssigkeit können, wie allgemein bekannt, inaktive fluorierte organische Verbindungen Verwendung finden, wobei derartige Verbindungen durch die US-PS 2 961 476 bekannt sind. Da diese dielektrischen Flüssigkeiten verhältnismäßig teuer sind, wird es aus wirtschaftlichen Überlegungen heraus notwendig, die verwendete Menge

der

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der Isolationsflüssigkeit möglichst gering zu halten. Aus diesem Grund wird innerhalb des Gehäuses 12 eine geringe Menge der Isolationsflüssigkeit 42 bis zu einem Niveau 44 über der Bodenfläche vorgesehen. Da nur eine geringe Menge der Isolationsflüssigkeit zum Kühlen des Leistungstransformators 10 Verwendung findet, sind geeignete Einrichtungen vorhanden, die die Isolationsflüssigkeit 42 immer wieder über die Wicklungen 36 und 38 rezirkulieren. Wie man aus Fig. 3 entnehmen kann, sind zu diesem Zweck eine Pumpe 46, eine Leitung 48 und eine Verteilerdüse 50 innerhalb des Gehäuses 12 angeordnet. Mit Hilfe der Pumpe 46 wird die Isolationsflüssigkeit 42 aus dem unteren Bereich des Gehäuses über die Leitung 48 hochgepumpt und mit Hilfe der Verteilerdüse 50 über die Wicklungen 34 und 36 gleichmäßig verteilt. Die Isolationsflüssigkeit fließt dabei durch die Kühlleitungen 40 innerhalb der Wicklungen 34 und 36 nach unten ab. Obwohl nur eine einfache Verteilerdüse 50 in der Zeichnung dargestellt ist, kann für die Verteilung der Isolationsflüssigkeit jede beliebige Verteilereinrichtung Verwendung finden, mit der eine gleichmäßige Verteilung der Isolationsflüssigkeit über die zu kühlenden Oberflächen gewährleistet ist.

Im Betrieb wird die Isolationsflüssigkeit 42 gleichmäßig mit Hilfe der Verteilerdüse 50 über die einzelnen Wicklungen und die Kühlleitungen 40 des Leistungstransformators verteilt. Dabei fließt die Isolationsflüssigkeit durch die Kühlleitungen 40 nach unten und verdampft infolge der durch die Wicklungen 34 und 36 erzeugten Wärme. Dabei wird eine der latenten Verdampfungswärmen der Isolationsflüssigkeit 42 entsprechende Wärmemenge von den Wicklungen abgeführt. Der entstehende Dampf der Isolationsflüssigkeit 42 steigt durch die Kühlleitungen 40 nach oben in das Gehäuse 12, wobei es sich als Kondensat

an

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an den Gehäusewänden niederschlägt und zur Bodenfläche 12 zurückfließt. Mit dem Gehäuse 12 ist ferner ein Außenkühler 52 verbunden, der aus einem Rohrkühler oder einer anderen geeigneten Kühleinrichtung bestehen kann und über eine Leitung 54 mit dem Innenraum des Gehäuses 12 verbunden ist. Das im Außenkühler entstehende Kondensat fließt durch die Leitung 54 in das Innere des Gehäuses 12 zurück und kann erneut für Kühlzwecke zirkuliert werden.

Die Isolationseigenschaften der verwendeten dampfförmigen Isolationsflüssigkeit sind in bekannter Weise direkt proportional zum Druck und zur Temperatur, welche innerhalb des Gehäuses 12 wirksam sind. Wenn der Leistungstransformator beim anfänglichen Einschalten erregt wird oder mit geringer Last arbeitet, wird nur ein verhältnismäßig geringer Teil der Isolationsflüssigkeit 42 in den gas- bzw. dampfförmigen Zustand überführt, so daß die Durchschlagsfestigkeit zwischen den einzelnen Leiterelementen des Transformators unzureichend sein kann. Aus diesem Grund wird ein zweites Isolationsmedium in Verbindung mit der Isolationsflüssigkeit 42 verwendet, wobei dieses Isolationsmedium eine ausreichend hohe Durchschlagsfestigkeit auch bei niederen Lastzuständen und im E ins ehalt zu stand des Leistungstransformators hat. Dieses Isolationsmedium ist typischerweise gasförmig und hat keine Neigung bei den üblichen Betriebstemperaturen und Betriebs drücken zu kondensieren. Als derartiges gasförmiges Isolationsmedium kann Schwefelhexafluorid (SF _R) Verwendung finden, wobei dieses gasförmige Isolationsmedium den wesentlichen Teil des Gehäusevolumens im abgeschalteten Zustand ausfüllt.

Wenn der Transformator mit einer Last beaufschlagt wird, wird zunehmend Isolationsflüssigkeit verdampft, wodurch sich im

Gehäuse

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Gehäuse 12 ein zunehmender Dampfdruck aufbaut. Dieser Dampfdruck bewirkt, daß das Gemisch aus dem nicht kondensierbaren Gas sowie der verdampften Isolationsflüssigkeit vom Gehäuse 12 zum Außenkühler 52 abfließt, in welchem die verdampfte Isolatiorisflüssigkeit kondensiert wird und in das Gehäuse 12 zurückfließt. Da das vorzugsweise verwendete, nicht kondensierbare Gas eine geringere Dichte als die Isolationsflüssigkeit im verdampften Zustand hat, steigt das nicht kondensierbare Gas in den oberen Teil des Außenkühlers 52 und fließt über die Leitung 56 in einen geeigneten Speicherbehälter 58, wodurch die verdampfungsfähige Isolationsflüssigkeit von dem nicht kondensationsfähigen Gas während des Normalbetriebs des Leistungstransformators getrennt wird. Bei einem Leistungsabfall fließt das nicht kondensierbare Gas aus dem Speicherbehälter 58 zurück in das Gehäuse 12, womit für eine konstante Durchschlagsfestigkeit zwischen den leitenden Teilen des Transformators sichergestellt wird. Der Speicherbehälter 58 ist über eine Abflußleitung 59 mit dem Inneren des Gehäuses 12 verbunden, so daß eventuell in den Speicherbehälter gelangte Isolationsflüssigkeit 42 zum Gehäuse 12 zurückfließen kann.

In der Darstellung ist eine direkte Verbindungsleitung 56 vom Speicherbehälter zum Außenkühler dargestellt, jedoch können sowohl der Außenkühler als auch der Speicherbehälter jeweils voneinander unabhängig mit dem Inneren des Gehäuses 12 verbunden sein. Auf diese Weise wird das nicht -kondensierbare Gas vom Außenkühler 52 aus direkt in das Gehäuse 12 zurückgeführt.

Da das nicht kondensierbare Gas im unbelasteten Zustand des Transformators das Innenvolumen des Gehäuses 12 im we sent-

liehen

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lichen vollständig ausfüllt und da ferner bei normalen Betriebsbedingungen das nicht kondensierbare Gas vollständig in den Speicherbehälter 58 verdrängt wird, muß dieser ein ausreichend hohes Speichervolumen atxfweisen, um den Gegesamten Anteil des nicht kondensierbaren Gases aufnehmen zu können. Die Erhöhung der Nennleistung von Transformatoren mit Verdampfungskühlung hat in der Vergangenheit zu sehr großen Gehäuseabmessungen geführt. Aus demselben Grund wird daher auch eine zusätzliche Menge an nicht kondensier barem Gas benötigt, um das Gehäuseinnere vollständig mit dem nicht kondensierbaren Gas zu füllen, wenn der Transformator abgeschaltet oder im Niedriglastzustand betrieben wird. Dadurch wurde es notwendig, die Gesamtabmessungen derartiger Indukti ons anlagen wesentlich zu vergrößern, um die nötigen Volumen zu schaifen. In vielen Fällen ist einer solchen Vergrößerung jedoch aufgrund anderer Voraussetzungen eine Grenze gesetzt.

Nachfolgend werden mehrere grundsätzliche Erwägungen angestellt, -um die Erfindung besser verstehen zu können. Das erforderliche Volumen des Speicherbehälters 58 zur Speicherung des nicht kondensierbaren Gases wird durch nachfolgende Gleichung beschrieben.

_v -

^VS

S K₂K₃ - 1

Dabei ist: V₁-, das Volumen des Speicherbehälters 58

V das freie Innenvolumen des Gehäuses 12 einschließlich dem Außenkühler und ausschließlich dem Volumen des Induktionsapparates

K. eine Konstante vom Wert 0-1/1-$ 0, wobei 0 der Volumenanteil des nicht kondensierbaren

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baren Gases beschreibt, welches in einer Volumeneinheit einer bestimmten Isolationsflüssigkeit 42 absorbiert ist. Die Größe β beschreibt das Dichte\~erhältnis zwischen dem dampfförmigen Anteil und dem flüssigen Anteil der Isolationsflüssigkeit

V das Volumen der Isolationsflüssigkeit 42 L

K eine Konstante mit der Größe 1- /3/1-/3 0

Cl

K den Ausdruck Τ,Ρ,/Τ P„ wobei T die Temperatur und P₁ der Partialdruck im nicht kondensier baren Gas bei fehlender Last und T„ die Temperatur bzw. P den Partialdruck des nicht kondensierbaren Gases bei normalen Arbeitsbedingungen beschreibt.

Für Temperaturen unter 30 C, welche innerhalb der normalen Betriebstemperaturen des beschriebenen Induktionsapparates liegen, ist B verhältnismäßig klein und kann gleich Null gesetzt werden, ohne daß die Genauigkeit der Beziehung wesentlich beeinflußt wird.

Mit Hilfe der Erfindung soll erreicht werden, daß für elektrische Induktionsmaschinen bzw. Induktionsapparate kleinere Gehäuse mit einem kleineren Innenvolumen und damit ein entsprechend kleinerer Bedarf an Isolationsflüssigkeit benötigt wird. Die Verringerung des freien Innenvolumens und des von der Isolationsflüssigkeit eingenommenen Volumens resultiert in einer noch größeren Verringerung des erforderlichen Speichervolumens für das nicht kondensierbare Gas. Dadurch lassen sich die Gesamtabmessungen solcher elektrischer Induktionsapparate ganz wesentlich verringern.

Aus Fig. 1 ist entnehmbar, daß die Bodenwand 20 des Gehäuses eine zentrale kanalförmige Vertiefung 70 hat, welche sich über die ganze Länge des Leistungstransformators 10 erstreckt.

Die

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Die Vertiefung hat im wesentlichen einen U-förmigen Querschnitt mit einem querverlaufenden Wandabschnitt 72 und je einem senkrecht verlaufenden Wandabschnitt 74 und 76. In die Vertiefung paßt im wesentlichen das untere Joch 28 des Magnetkernes 24, wobei ein gewisses Sumpfvolumen 78 frei bleibt. Von der Isolationsflüssigkeit 42 wird im wesentlichen soviel verwendet, daß das Sumpf volumen 78 gefüllt und das untere Joch 28 des Magnetkernes allseits von der Isolationsflüssigkeit umgeben ist. An die Vertiefung schließen querverlaufende Wandabschnitte 80 und 82 an, welche in die Seitenwände übergehen. Im Übergangsbereich in die Seitenwände ist dafür zu sorgen, daß das Gehäuse absolut dicht ist. Das Gehäuse geht im unteren Ende in Flansche 84 und 86 über, die zur Abstützung des Gehäuses 12 dienen.

Durch die stufenförmige Ausbildung der Vertiefung 70 rückt die Gehäusewand 20 näher an die Wicklungen 34 und 36 heran, so daß auch der Abstand zwischen den Bodenabschnitten 80 und 82 und der unteren Stirnseite der Wicklungen wesentlich verringert wird. Auch dadurch ergibt sich eine weitere Reduzierung des freien Innenvolumens im Gehäuse 12 und entsprechend eine Verringerung des Bedarfs an dem nicht kondensierbaren Gas und der Isolationsflüssigkeit. Wie bereits erwähnt, geht damit einher auch eine wesentlich größere Verringerung des Speicherbehälters 58, da eine Verringerung

3 des Gehäuseinnenvolumens um 1 cm eine wesentlich größere Verringerung des Volumens im Speicherbehälter 58 zuläßt.

Zur Erläuterung wird nachfolgendes Beispiel beschrieben. Ein Leistungstransformator mit 2500 kVA und einer Verdampfungskühlung, bei welchem die Bodenwand 20 des Gehäuses

flach

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flach ist, hat typischerweise ein freies Innenvolumen einschließ-

3 lieh dem Kühl volumen von etwa I₃ 33 m und würde für eine ange-

3
messene Kühlung etwa O₅ 18 m von der verdampfungsfähigen Isolationsflüssigkeit benötigen, wobei genügend Hitze erzeugt wird, um eine Pumpe zu betreiben. Für die angegebenen Isolationsflüssigkeiten würde 0 einen Wert von etwa 6, 7 haben. Bei einem gleichartigen Transformator mit einem Aufbau gemäß der Erfindung und einer das Joch des Magnetkerns aufnehmenden Vertiefung im Bodenbereich reduziert sich das freie Innenvolumen

3 einschließlich dem Kühler auf etwa 1, 26 m , wobei nur etwa

3
0,11 m der verdampfungsfähigen Isolationsflüssigkeit benötigt wird. Wenn man das Volumenverhältnis der für die beiden Transformatorenanordnungen notwendigen Speicherbehälter ermittelt und wenn man die voraus stehend angegebene Gleichung mit den entsprechenden Werten auflöst, ergibt sich, daß das Volumen des erforderlichen Speicherbehälters für den Transformator gemäß der Erfindung um 21 % kleiner als das entsprechende Volumen für den Speicherbehälter des Transformators mit der flachen Bodenwand ist. Diese 21 % Verringerung des Volumens bezüglich des Speicherbehälters wird durch eine Verringerung von nur 5 % des freien Innenvolumens im Gehäuse durch das Vorsehen der Vertiefung erreicht. Außerdem benötigt der Transformator gemäß der Erfindung etwa 40 % weniger Isolationsflüssigkeit, was unabhängig von der Verringerung der Kosten für die Isolationsflüssigkeit auch eine Verringerung des Volumens für den Speicherbe hälter mit sich bringt, da eine kleinere Menge an Isolationsflüssigkeit auch eine kleinere Menge des nicht kondensierbaren Gases absorbiert.

Die Bodenabschnitte 80 und 82 gemäß Fig. 1 verlaufen im wesentlichen senkrecht zu den vertikal angeordneten Wandabschnitten 74

und

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und 76 der Vertiefung 70. Bei einer solchen Anordnung läßt sich die maximale Verringerung des freien Innenraums im Gehäuse 12 erzielen.

Bei der weiteren in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform sind die Bodenabschnitte 80 und 82 des Gehäuses nach unten geneigt ausgebildet und gehen nicht senkrecht in die vertikalen Wandabschnitte 74 und 76 der Vertiefung über. Durch diese geneigte Anordnung der Bodenabschnitte wird ein sicheres Ablaufen des kondensierten Dampfes der Isolationsflüssigkeit in das Sumpfvolumen 78 gewährleistet, in welchem das untere Joch 28 des Magnetkernes 24 angeordnet ist.

Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn die Montagebeim Verbraucher erfolgt und die unteren Stirnflächen der Wicklungen des Transformators nicht in einem Niveau verlaufen. In einem solchen Fall kann es sich nämlich ergeben, daß sich die Isolationsflüssigkeit aufgrund unterschiedlicher horizontaler Stirnflächen in Teilen des Tankes sammelt, insbesondere wenn dieser nicht ganz eben aufgestellt ist und damit eine ungleichmäßige Kühlung des Leistungstransformators ausgelöst wird. Mit Hilfe der geneigten Bodenabschnitte läßt sich dieses Problem überwinden und das Abfließen der kondensierten Isolationsflüssigkeit In das Sumpfvolumen 78 sicherstellen.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der sich die kanalförmige Vertiefung 70 über die gesamte Bodenbreite des Gehäuses 12 erstreckt. Dabei verläuft die Bodenfläche der Vertiefung, d.h. der Wandabschnitt 72 nicht horizontal , sondern geringfügig nach einer Seite geneigt. Durch diese geringfügige Neigung wird sichergestellt, daß die Isolationsflüssigkeit in Richtung zur Pumpe 46 fließt und die Pumpe im tiefsten

Bereich

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Bereich des Sumpfvolumens angeordnet werden kann. Auch dadurch läßt sich die Menge der benötigten Isolationsflüssigkeit weiter verringern. Schließlich ist in Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der die Vertiefung 70 durch zwei weitere senkrecht verlaufende Wandabschnitte und 95 begrenzt ist, so daß eine Vertiefung entsteht, deren Bodenabschnitt 92 gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig. 3

umdie Länge der Wandabschnitte 96 und 97 weiter verringert ist. Diese Vertiefung ist gerade groß genug, um das Joch 28 des Magnetkernes aufzunehmen und ein geringes, um das Joch herum verlaufende Sumpfvolumen 78 zu bilden. Die Wandabschnitte der Vertiefung umgeben dieses Joch in einem verhältnismäßig geringen Abstand. Dadurch wird die benötigte Menge der Isolationsflüssigkeit weiter ganz wesentlich verringert. Bei dieser Ausführungsform liegt die Pumpe 46 außerhalb des Sumpfvolumens und mündet lediglich mit einem Ansaugstutzen in dasselbe.

Durch diese Maßnahmen der Erfindung läßt sich entsprechend der jeweiligen Gegebenheiten und Anforderungen das freie Innenvolumen im Gehäuse eines Induktionsapparates in denjenigen Bereichen wesentlich verringern, welche für die Bestimmung der notwendigen Menge der ' Isolationsfl üssigkeit von Bedeutung sind. Aufgrund der Verringerung der erforderlichen Menge der Isolationsflüssigkeit verringert sich das Volumen des Speicherbehälters 58 für das nicht kondensierbare Gas noch wesentlich mehr, da eine Reduzierung des Innenvolumens des Gehäuses eine entsprechende Verringerung des Volumens des Speicherbehälters 58 um einen Faktor von etwa 1, 2 bis etwa 2, 5 bewirkt. Durch die Ausbildung der Vertiefung und das Anordnen des unteren Jochs des Magnetkernes

in dieser

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in dieser Vertiefung taucht das Joch in die Isolationsflüssigkeit fortlaufend ein, so daß auch die Temperatur dieses Teils des Magnetkernes ohne zusätzlichen Aufwand an Isolationsflüssigkeit kontinuierlich gekühlt wird. Mit Hilfe der Erfindung kann die Isolationsflüssigkeit wesentlich effektiver benutzt werden, so daß für eine gute Kühlung trotzdem nur weniger Flüssigkeit benötigt wird. Außerdem, wirkt das untere in die 'Isolationsflüssigkeit eingetauchte Joch des Magnetkerns als Wärmequelle im Anlaufbetrieb, welcher ein Verdampfen der Isolationsflüssigkeit bewirkt und damit das Anlaufen nicht mechanischer, auf Dampfdruck beruhender Pumpen auslöst, wie sie für derartige Verdampfungskühlungen vorgeschlagen wurden.

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eerse

it

Claims

Patentansprüche

( 1. Elektrische Induktionsmaschine mit einer Verdana pfungs- ^Tcühlung, bei welcher ein mit Wicklungen versehener und über diese nach unten vorstehender Magnetkern in einem Gehäuse untergebracht ist, dessen freies Innenvolumen bis zu einem unter halb der Wicklungen liegenden Niveau mit einer bei der Betriebstemperatur verdampfungsfähigen Isolations flüssigkeit gefüllt ist, und mit einem mit dem Gehäuseinneren kommunizierenden Speicherbehälter zur Aufnahme eines bei der Betriebstemperatur sowie dem Betriebsdruck nicht konden sierbaren Isoliergases, welches in Abhängigkeit vom Dampfdruck der Isolationsflüssigkeit im Gehäuseinneren aus diesem in den Speicherbehälter verschiebbar ist, wobei das nicht kondensierbare Isoliergas bei einer ersten vorgegebenen Temperatur im wesentlichen vollständig im Speicherbehälter sowie bei einer zweiten vorgegebenen Temperatur im wesentlichen vollständig in dem Gehäuseinneren angeordnet ist, und ferner die erste und zweite vorgegebene Temperatur innerhalb des Temperaturbereichs liegt, welchen der Magnetkern und die Wicklungen während des Betriebs annehmen, dadurch gekennzeichnet,
- daß der Speicherbehälter (58) ein Volumen hat, dessen Größe

proportional

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proportional dem freien Innenvolumen des Gehäuses (12)sowie dem Volumen der Isolierflüssigkeit (42) sich durch folgende Gleichung ergibt:

V S

darin bedeutet:

VS das Volumen des Speicherbehälters (58)

V das freie Innenvolumen des Gehäuses (12) abzüglich dem Volumen des Magnetkerns (24) und der Wicklungen (34, 36)

K. eine Konstante, welche gleich 0-1/1 -A 0 ist,

wobei 0 ein Volum en verhältnis des nicht kondensierbaren Isoliergases ist, das pro Volumeneinheit der Isolierflüssigkeit (42) absorbiert wird, und $ ein Verhältnis der Dichte des verdampften Anteils zur Dichte des flüssigen Anteils der Isolierflüssigkeit ist

V das Volumen der Isolierflüssigkeit

K eine Konstante, welche gleich 1- β /1-/3 0 ist

K eine Konstante, welche gleich T₁P /T P₁ ist,

O X. Ct 2t X.

wobei T, die Temperatur sowie P der Partialdruck des nicht kondensierbaren Isoliergases bei der ersten vorgegebenen Temperatur und T die Temperatur sowie P₀ der Partialdruck des nicht

Ct

kondensierbaren Isoliergases bei der zweiten vorgegebenen Temperatur ist

- daß die Bodenwand (20)des Gehäuses (12) mit einer Vertiefung (70) versehen ist, welche das untere Joch (28) des Magnetkerns (24) aufnimmt, wobei der das Joch umgebende freie Fraum ein Sumpfvolumen (78) bildet, welches eine möglichstgeringe Menge

909846/08*0

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der Isolierflüssigkeit aufnimmt.
2. Elektx-ische Induktionsmaschine mit Verdampfungskühlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Vertiefung (70) nur teilweise mit der Isolierflüssigkeit gefüllt ist.
3. Elektrische Induktionsmaschine mit Verdampfungskühlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Vertiefung (70) im wesentlichen einen U-förmigen Querschnitt hat und von einem unter dem Joch (28) verlaufenden Bodenabschnitt (72; 90) sowie zwei senkrecht verlaufenden Wandabschnitten (74, 76) gebildet wird, welche in einem Abstand seitlich entlang dem Joch verlaufen.
4. Elektrische Induktionsmaschine mit Verdampfungskühlung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Bodenabschnitt (72) zur horizontalen Ebene geneigt verläuft.
5. Elektrische Induktionsmaschine mit Verdampfungskühlung nach Anspruch 3, oder 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß die senkrecht verlaufendenWandabschnitte der Vertiefung (70) in querverlaufende Bodenabschnitte (80, 82) übergehen, die Teil der Bodenwand (20) des Gehäuses (12) sind.
6. Elektrische Induktionsmaschine mit Verdampfungskühlung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

- daß die querverlaufenden Bodenabschnitte (80, 82) im wesentlichen senkrecht zu den vertikal verlaufenden Wandabschnitten (74, 76) der Vertiefung (70) bis zueinander gegenüberliegenden Gehäusewänden (16) verlaufen.

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7. Elektrische Induktionsmaschine mit Verdampfungskühlung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

- dalj die Bodenabschnitte (80, 82) in Richtung auf gegenüberliegende Gehäusewände (16) mit ansteigender Neigung verlaufen.
8. Elektrische Induktionsmaschine mit Verdampfungskühlung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennze ichnet,

- daß die senkrechten Wandabschnitte (74, 76, 94₃ 95) von einem Bodenabschnitt (90) ausgehend in einem Abstand zu den vier Seiten des unteren Jochs (28) des Magnetkerns (24) verlaufen, wobei der Bodenabschnitt (90) vorzugsweise nach einer Seite geneigt ist, und

- daß die Vertiefung derart in die Bodenwand (20) eingesetzt ist, daß um die Vertiefung horizontal oder zur Vertiefung hin geneigt verlaufende Bodenabschnitte (80, 82, 96, 97) der Bodenwand (20) ausgebildet sind.

Ö0984B/0840