DE29924221U1

DE29924221U1 - Transformer arrangement with cooling circuit

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Publication number: DE29924221U1
Application number: DE29924221U
Authority: DE
Original assignee: Nieke Elektroapp Berlin GmbH
Current assignee: Nieke Elektroapp Berlin GmbH
Priority date: 1998-10-07
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2002-08-01
Anticipated expiration: 2009-10-01

Description

Nieke Elektroapparate GmbH BerlinNieke Electrical Appliances GmbH Berlin

Transformatorenanordnung mit KühlkreislaufTransformer arrangement with cooling circuit

Die Erfindung betrifft eine Transformatorenanordnung mit Kühlkreislauf, insbesondere zur Verwendung als Bahntransformatoranordnung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.The invention relates to a transformer arrangement with a cooling circuit, in particular for use as a railway transformer arrangement according to the preamble of the main claim.

Es sind Bahntransformatoren bekannt, die als Scheibenwickler ausgebildet sind, wobei die Primär- und Sekundärwicklungen als Scheiben ausgebildet sind, die axial nebeneinander auf dem Kern angeordnet sind. Derartige Transformatoren sind mit einer Kühlung versehen, bei der das Kühlmittel, hier Transformatorenöl über Düsen unter hohem Druck zwischen und auf die scheibenförmigen Wicklungen beströmt wird. Das Öl wird über eine Pumpe abgezogen, einem Kühler zugeführt und anschließend wieder zur Kühlung verwendet. Ein solcher bekannter Scheibenwickler mit Kühlung hat den Nachteil, daß sich das auf- bzw. zwischen die Wicklungen eingedüster kalte Öl sehr schnell mit demRailway transformers are known which are designed as disc winders, with the primary and secondary windings being designed as discs which are arranged axially next to one another on the core. Such transformers are provided with a cooling system in which the coolant, in this case transformer oil, is flowed through nozzles under high pressure between and onto the disc-shaped windings. The oil is drawn off via a pump, fed to a cooler and then used again for cooling. Such a known disc winder with cooling has the disadvantage that the cold oil sprayed onto or between the windings mixes very quickly with the

im Transformator vorhandenen heißen Öl mischt, so daß eine große Menge Öl, z.B. 1000 1 im Kreislauf geführt werden muß, wenn nur 400 1 wirksam notwendig sind. Darüber hinaus treten bei einem Scheibenwickler große axiale Kurzschlußkräfte auf, denen mit entsprechenden Spannelementen Rechnung getragen werden muß.in the transformer, so that a large amount of oil, e.g. 1000 l, must be circulated when only 400 l are actually required. In addition, large axial short-circuit forces occur in a disc winder, which must be taken into account with appropriate tensioning elements.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Transformatoranordnung zu schaffen, die geringe Abmessungen aufweist und ein effektives Kühlsystem zur Verfügung stellt.The invention is based on the object of creating a transformer arrangement which has small dimensions and provides an effective cooling system.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.This object is achieved according to the invention by the characterizing features of the main claim in conjunction with the features of the preamble.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.Advantageous further developments and improvements are possible through the measures specified in the subclaims.

Dadurch, daß der Transformator als Lagenwickler ausgebildet ist, bei dem zwischen den Wicklungslagen Kühlkanäle vorgesehen sind, die gezielt und im wesentlichen laminar von dem Kühlmedium durchströmt werden, kann eine Transformatoranordnung mit äußerst geringer Bauhöhe zur Verfügung gestellt werden, der einen außerordentlich hohen Kühlwirkungsgrad aufweist. Dabei ist die Transformatorspule quasi in Form eines Wärmetauschers ausgebildet, dessen Kühlkanäle sehr dünn sein können, z.B. lichte Weiten von kleiner 4 mm aufweisen. Es wird dadurch eine geringe umlaufende Ölmenge verlangt, die Geschwindigkeit ist gering und gleichfalls sind die Druckabfälle gering.Because the transformer is designed as a layered winder, in which cooling channels are provided between the winding layers, through which the cooling medium flows in a targeted and essentially laminar manner, a transformer arrangement with an extremely low overall height can be provided, which has an extraordinarily high cooling efficiency. The transformer coil is designed in the form of a heat exchanger, whose cooling channels can be very thin, e.g. have clear widths of less than 4 mm. This means that a small amount of circulating oil is required, the speed is low and the pressure drops are also low.

Dadurch, daß die durch den Verlusterzeuger, d.h. die Transformatorspule aufgewärmte Ölmenge nach der Rück-Because the amount of oil heated by the loss generator, i.e. the transformer coil, is returned to the

kühlung durch den Kühler direkt ohne Mischung mit dem im Gehäuse befindlichen Öl zur Kühlung der Spule wieder zugeführt wird, wird der Wirkungsgrad der Kühlung erhöht. Der hierbei auftretende Vorteil liegt in der jeweiligen Differenz zur sich einstellenden Mischtemperatur aus rückgekühlter Flüssigkeit und der Flüssigkeit, die sich nach der im Kessel befindlichen Flüssigkeitsmenge und deren Möglichkeit zum Temperaturausgleich richtet. Ein Angleichen der Temperaturen mit der Kesselflüssigkeit kann nur im Bereich der kurzen Zulaufkanäle im Kessel stattfinden. Aufgrund der geringen umzuwälzenden Kühlmediummenge können die Aggregate, wie Umwälzpumpe und Kühler kleiner ausgebildet werden. Da die Druckabfälle bei der kontrollierten Führung des Kühlmediums durch die Kühlkanäle, bei der kaltes Öl gezielt in die heiße Spule eingebracht wird, gering sind, wird das Kühlmedium mit geringerem Druck z.B. Atmosphärendruck, in das Gehäuse eingebracht, wodurch dieses als Niederdruckkessel ausgebildet sein kann, was zur Folge hat, daß er leichter gebaut werden kann als es im Stand der Technik der Fall ist.cooling is fed back through the cooler directly without mixing with the oil in the housing to cool the coil, the efficiency of the cooling is increased. The advantage of this is the respective difference in the resulting mixed temperature of the recooled liquid and the liquid, which depends on the amount of liquid in the tank and its ability to equalize the temperature. The temperatures can only be equalized with the boiler liquid in the area of the short inlet channels in the tank. Due to the small amount of cooling medium to be circulated, the units such as the circulation pump and cooler can be made smaller. Since the pressure drops are small when the cooling medium is guided in a controlled manner through the cooling channels, where cold oil is specifically introduced into the hot coil, the cooling medium is introduced into the housing at a lower pressure, e.g. atmospheric pressure, which means that this can be designed as a low-pressure tank, which means that it can be built more lightly than is the case with the prior art.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigenAn embodiment of the invention is shown in the drawing and is explained in more detail in the following description.

Fig. 1 die zu einem Kühlkreislauf miteinander verbundenen Bauelemente der erfindungsgemäßen Transformatoranordnung mit Kühlsystem,Fig. 1 shows the components of the transformer arrangement according to the invention with cooling system connected to form a cooling circuit,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Transformator,Fig. 2 a longitudinal section through a transformer,

Fig. 3 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Transformator undFig. 3 a cross section through the transformer according to the invention and

Fig. 4 eine schematische Darstellung der im Gehäuse aufgenommenen Transformatoren mit Strömungsaufteilung. Fig. 4 is a schematic representation of the transformers accommodated in the housing with flow distribution.

In Fig. 1 ist eine Transformatoranordnung mit Kühlsystem dargestellt, der als Bahntransformator in geringer Bauhöhe unter den Wagenboden eines Triebzuges zu montieren ist. Dabei ist die verfügbare Einbauhöhe beispielsweise 450 bis 550 mm. Das in Fig. 1 gezeigte System besteht aus mindestens einem in einem Gehäuse bzw. Kessel 1 aufgenommenen, in Fig. 1 nicht dargestellten Transformator, einer Umwälzpumpe 2, einem Kühler 3 mit Ventilator und entsprechenden Verbindungsleitungen 4, die das warme Kühlmedium aus dem Kessel zur Umwälzpumpe 2 und zum Kühler leiten und das kalte Kühlmedium, d.h. Transformatorenöl wieder in den Kessel 1 zurückführen.Fig. 1 shows a transformer arrangement with a cooling system which is to be installed as a low-profile railway transformer under the car floor of a multiple unit. The available installation height is, for example, 450 to 550 mm. The system shown in Fig. 1 consists of at least one transformer (not shown in Fig. 1) housed in a housing or tank 1, a circulation pump 2, a cooler 3 with a fan and corresponding connecting lines 4 which conduct the warm cooling medium from the tank to the circulation pump 2 and the cooler and return the cold cooling medium, i.e. transformer oil, back to the tank 1.

Zur Überwachung des Kühlsystems sind Druckmeßgeräte P und Temperaturmeßgeräte T vorgesehen und weiterhin kann in die Leitungen 4 ein Durchflußmesser Q eingesetzt sein. Die Überwachung des Kühlsystems findet im wesentlichen durch die Kontrolle der Temperaturen der die Transformatoren kühlenden Flüssigkeit statt. Eine unzulässige Temperatur signalisiert dabei Fehler die auf Spulenfehler, auf Pumpenausfall oder Minderleistung, auf Kühler- oder Kanalverschmutzung oder auf unzulässigem Überlast- oder Fahrbetrieb beruhen können. Pressure gauges P and temperature gauges T are provided for monitoring the cooling system and a flow meter Q can also be installed in the lines 4. The cooling system is monitored essentially by checking the temperatures of the liquid cooling the transformers. An inadmissible temperature signals errors that may be due to coil faults, pump failure or reduced performance, cooler or duct contamination or inadmissible overload or driving.

In dem Kessel oder Gehäuse 1 sind zwei Transformatoren parallel nebeneinander angeordnet, wobei die entsprechenden Spulen auf zwei Schenkeln eines Kerns sitzen.In the tank or housing 1, two transformers are arranged parallel to one another, with the corresponding coils sitting on two legs of a core.

In den Fign. 2 und 3 ist eine Spule des Transforma-In Figs. 2 and 3, a coil of the transformer

tors im Längs- und Querschnitt dargestellt, die nach dem Prinzip eines Wärmetauschers aufgebaut ist. Die Spule 5 weist ein inneres Trägerrohr 6 auf, auf die konzentrisch eine Oberspannungswicklung 7 als Primärwicklung gewickelt ist, die beispielsweise für eine Hochspannung von 25 kV ausgelegt ist. Die Oberspannungswicklung 7 besteht aus mehreren Lagen, zwischen denen Distanzleisten 8 angebracht sind. Diese Distanzleisten 8 erstrecken sich über die gesamte Länge der Oberspannungswicklung 7, wobei zwischen innerem Trägerrohr 6 und erster Lage vorzugsweise gleichfalls Leisten 8 angeordnet sind. Auf der Oberspannungswicklung 7 sitzt die Traktionswicklung 9 als Sekundärwicklung, die gleichfalls mehrere Lagen umfaßt und die beispielsweise für eine Niederspannung von 2000 V ausgelegt ist. Zwischen Oberspannungswicklung 7 und Traktionswicklung 9 ist ein Separationsrohr 10 vorgesehen, das die Isolierung zwischen beiden Wicklungen sicherstellt. Auch zwischen den Lagen der Traktionswicklungen sind Leisten 8 vorgesehen.tor in longitudinal and cross-section, which is constructed according to the principle of a heat exchanger. The coil 5 has an inner support tube 6, onto which a high-voltage winding 7 is concentrically wound as a primary winding, which is designed for a high voltage of 25 kV, for example. The high-voltage winding 7 consists of several layers, between which spacer strips 8 are attached. These spacer strips 8 extend over the entire length of the high-voltage winding 7, with strips 8 preferably also being arranged between the inner support tube 6 and the first layer. The traction winding 9 sits on the high-voltage winding 7 as a secondary winding, which also comprises several layers and is designed for a low voltage of 2000 V, for example. A separation tube 10 is provided between the high-voltage winding 7 and the traction winding 9, which ensures the insulation between the two windings. Strips 8 are also provided between the layers of the traction windings.

Die Leisten 8 definieren die Größe bzw. die lichte Weite von Kühlkanälen 11, wobei die lichte Weite kleiner als 4 mm vorzugsweise kleiner als 3 mm ausgebildet sein kann.The strips 8 define the size or the clear width of cooling channels 11, wherein the clear width can be smaller than 4 mm, preferably smaller than 3 mm.

Die Oberspannungswicklung 7 und die Traktionswicklung 9 können auch getrennt voneinander hergestellt werden, wobei sie anschließend ineinandergesteckt werden. The high-voltage winding 7 and the traction winding 9 can also be manufactured separately and then plugged into each other.

Die Wicklungen sind in einem äußeren Trägerrohr 12 aufgenommen, wobei das innere Trägerrohr 6 und das äußere Trägerrohr 12 beidseitig über die Wicklungen 7,9 herausragen. Die Wicklungen werden von radial angeordneten Druckstücken 13 und von jeweils einemThe windings are accommodated in an outer support tube 12, with the inner support tube 6 and the outer support tube 12 projecting on both sides over the windings 7, 9. The windings are held in place by radially arranged pressure pieces 13 and by one

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das Ende der Trägerrohre 6, 12 abschließenden ringförmigen Druckflansch 14 festgelegt. Zwischen Druckflanschen 14 und den Wicklungsenden wird somit jeweils eine aus Raumsegmenten zwischen den Druckstükken 13 gebildete Verteilerkammer 15 hergestellt, die gleichzeitig als Hochspannungssicherheit gegen Masse und Streufelder dient und vermeidet, daß Streufelder in das Joch eindringen. Die Druckstücke 13 weisen Löcher 16 auf, durch die Segmente der Verteilerkammer 15 miteinander in Verbindung stehen. Weiterhin weisen die Druckflansche 14 Durchströmöffnungen 17 für das Kühlmedium auf.the end of the support tubes 6, 12 is fixed to the annular pressure flange 14. Between the pressure flanges 14 and the winding ends, a distribution chamber 15 is thus created, which is formed from space segments between the pressure pieces 13 and simultaneously serves as high-voltage protection against ground and stray fields and prevents stray fields from penetrating the yoke. The pressure pieces 13 have holes 16 through which the segments of the distribution chamber 15 are connected to one another. The pressure flanges 14 also have flow openings 17 for the cooling medium.

Die Trägerrohre 6, 12 sowie das Separationsrohr 10 und die Distanzleisten 8 für die Kühlkanäle 11 sind aus Glas-Faser-Verbundwerkstoffen hergestellt, die ihren Anforderungen an Isolationsfestigkeit und mechanischer Festigkeit gerecht werden.The support tubes 6, 12 as well as the separation tube 10 and the spacer strips 8 for the cooling channels 11 are made of glass-fiber composite materials that meet their requirements for insulation strength and mechanical strength.

Die in den Fign. 2 und 3 dargestellte Spule wird zusammen mit einer identisch aufgebauten Spule auf die zwei Schenkel eines Kerns aufgesetzt und in das Gehäuse 1 bzw. den Kessel eingesetzt, wobei der Kern über als Preßeisen ausgebildete Spannelemente zusammengehalten und mit dem Gehäuse verbunden wird. Die Preßeisen sind dabei als Hohlprofile ausgebildet, die Durchströmöffnungen aufweisen, die wiederum mit den Durchströmöffnungen 17 der Spulen 5 in Verbindung stehen. Vorzugsweise weist auch das Gehäuse Hohlprofile auf, die zur Zu- und Abführung des Kühlmediums in die Preßeisen und gegebenenfalls als Nebenströme in das Innere des Gehäuses dienen. Spulen und Kern sind in dem Gehäuse befestigt, wobei in dem Gehäuse noch weitere Bauelemente wie Drosseln oder dergleichen aufgenommen sein können.The coil shown in Figs. 2 and 3 is placed together with an identically constructed coil on the two legs of a core and inserted into the housing 1 or the tank, whereby the core is held together and connected to the housing by clamping elements designed as pressed iron. The pressed irons are designed as hollow profiles that have through-flow openings that in turn are connected to the through-flow openings 17 of the coils 5. Preferably, the housing also has hollow profiles that serve to supply and discharge the cooling medium into the pressed irons and, if necessary, as secondary flows into the interior of the housing. The coils and core are fastened in the housing, whereby further components such as chokes or the like can also be accommodated in the housing.

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In Fig. 4 ist schematisch das Strömungsschema in dem Gehäuse 1 dargestellt, das entsprechend Fig. 1 einerseits mit dem Kühler 3 und andererseits mit der Umwälzpumpe 2 verbunden ist. Entsprechend Fig. 4 sind zwei Spulen 5 auf jeweils einem Schenkel 18 des Kerns parallel angeordnet und über die Rückleitung 4 vom Kühler 3 wird kaltes Öl dem Gehäuse 1 entsprechend dem Pfeil 19 zugeführt. Dabei ist der Druck, mit dem das Öl zugeführt wird gering, er beträgt beispielsweise 0,15 bar. Das Öl gelangt in das als Hohlprofil ausgebildete Preßeisen, was durch das Bezugszeichen 20 angedeutet ist, und strömt über die Durchströmöffnungen 17 in den Flanschen 14 in die Verteilerkammern 15. Von den Verteilerkammern 15 wird das Öl in einer im wesentlichen laminaren Strömung durch die Kühlkanäle 11 der Spulen 5 hindurchgeleitet, was durch die Pfeile 21 angedeutet wird. Durch die laminare Strömung treten in der Spule kaum Druckverluste auf und das kalte Öl wird gezielt in den schmalen Kühlspalten durch die heiße Spule geführt, wodurch die Wärme ohne die Nachteile der laminaren Strömung kontrolliert abgeführt wird. Falls es jedoch gewünscht ist, kann die Strömung durch gezielte Maßnahmen turbulent geführt werden.Fig. 4 shows a schematic of the flow pattern in the housing 1, which, as shown in Fig. 1, is connected on the one hand to the cooler 3 and on the other hand to the circulation pump 2. As shown in Fig. 4, two coils 5 are arranged in parallel on each leg 18 of the core, and cold oil is fed to the housing 1 via the return line 4 from the cooler 3 as shown by arrow 19. The pressure at which the oil is fed is low, for example 0.15 bar. The oil enters the pressed iron designed as a hollow profile, which is indicated by the reference number 20, and flows via the flow openings 17 in the flanges 14 into the distribution chambers 15. From the distribution chambers 15, the oil is fed in an essentially laminar flow through the cooling channels 11 of the coils 5, which is indicated by the arrows 21. Due to the laminar flow, there is hardly any pressure loss in the coil and the cold oil is guided through the hot coil in the narrow cooling gaps, whereby the heat is dissipated in a controlled manner without the disadvantages of laminar flow. If desired, however, the flow can be made turbulent by taking specific measures.

Wenn das Öl die Spulen verläßt kann es gezielt herausgeführt werden oder es kann zur Kühlung von sekundären Verlusterzeugern verwendet werden, wie sie beispielsweise in einer weiteren Kammer im Gehäuse aufgenommen sein können, was durch das Bezugszeichen 22 angedeutet wird. Das Öl verläßt das Gehäuse 1, das noch weiteren Raum 23 für Durchführungen aufweisen kann, und wird entsprechend dem Pfeil 23 über die Umwälzpumpe 2 erneut dem Kühler zugeführt.When the oil leaves the coils, it can be led out in a targeted manner or it can be used to cool secondary loss generators, such as those that can be accommodated in another chamber in the housing, which is indicated by the reference number 22. The oil leaves the housing 1, which can have further space 23 for feedthroughs, and is fed back to the cooler via the circulation pump 2 as indicated by the arrow 23.

Bei einer 700 bis 800 mm langen Spule in entsprechen-For a 700 to 800 mm long coil in corresponding

D UO-U. &ngr; &Pgr; V D UO-U. ν �Pgr; V

der Anordnung nach Fig. 4 findet beispielsweise eine Durchströmung von 7 1 pro Sekunde bei einer Geschwindigkeit von nur 50 cm pro Sekunde (= 145 KW) statt. Alle Armaturen bzw. Öffnungen sind über gleitende Dichtungen an das Kanalsystem des Gehäuses bzw. an den Flüssigkeitskreislauf angeschlossen.In the arrangement according to Fig. 4, for example, a flow of 7 liters per second takes place at a speed of only 50 cm per second (= 145 kW). All fittings and openings are connected to the channel system of the housing or to the liquid circuit via sliding seals.

Falls es notwendig ist, kann Öl durch parasitäre Bohrungen zusätzlich durch den Kessel geleitet werden. 10If necessary, oil can be additionally fed through the boiler through parasitic holes. 10

Claims

1. Transformer arrangement with cooling circuit, in particular for use as a railway transformer arrangement, which has at least one transformer accommodated in a housing ( 1 ), a cooler ( 3 ) and a circulation pump ( 2 ), wherein the transformer has at least one coil ( 5 ) made up of at least one primary winding ( 7 ) and one secondary winding ( 9 ), which are arranged concentrically on a core and wherein a cooling medium circulates through the housing ( 1 ), the pump ( 2 ) and the cooler ( 3 ) in such a way that the cooling medium is fed to the coil ( 5 ) after cooling by the cooler ( 3 ) without mixing with cooling medium located in the housing, characterized in that the at least one coil ( 5 ) is designed as a layer winding arrangement in which the primary winding ( 7 ) and the secondary winding ( 9 ) are each wound concentrically in layers and coaxially arranged cooling channels ( 11 ) are provided between the individual layers, through which the cooling medium is guided in a targeted manner.

2. Transformer arrangement according to claim 1, characterized in that the flow of the cooling medium through the cooling channels is substantially laminar.

3. Transformer arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that spacers ( 8 ) are provided between the layers to form the cooling channels ( 11 ).

4. Transformer arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the cooling channels ( 11 ) are connected on the inflow side to a distribution chamber ( 15 ).

5. Transformer arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the housing ( 1 ) and/or clamping elements for clamping the core ( 18 ) of the transformer have hollow profiles for guiding the cooling medium.

6. Transformer arrangement according to claim 4 or claim 5, characterized in that the at least one coil has an outer support tube ( 12 ) and a pressure flange ( 14 ) having a flow opening ( 17 ) which delimit the distribution chamber ( 15 ).

7. Transformer arrangement according to one of claims 4 to 6, characterized in that the windings of the at least one coil are fixed by pressure pieces ( 13 ) arranged at a distance from one another in the distribution chamber ( 15 ).

8. Transformer arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that a distribution chamber ( 15 ) is provided on the inflow side and the outflow side of the cooling channels ( 11 ).

9. Transformer arrangement according to claim 7 or claim 8, characterized in that the pressure pieces ( 13 ) in the distribution chamber ( 15 ) on the inflow and/or outflow side of the cooling channels ( 11 ) are provided with holes ( 16 ) through which segments of the distribution chamber ( 15 ) formed by the pressure pieces ( 13 ) are connected to one another.

10. Transformer arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized in that the coil has an inner support tube ( 6 ) and an outer support tube ( 12 ) which project beyond the windings ( 7 , 9 ) and whose ends are closed by a pressure flange ( 14 ).

11. Transformer arrangement according to one of claims 1 to 10, characterized in that the cooling channels have a clear width of less than 4 mm, preferably less than 3 mm.

12. Transformer arrangement according to one of claims 1 to 11, characterized in that the housing ( 1 ) is designed as a low-pressure vessel.