DE69916038T2

DE69916038T2 - Verfahren und vorrichtung zum kühlen eines transformators

Info

Publication number: DE69916038T2
Application number: DE69916038T
Authority: DE
Inventors: J. Philip HOPKINSON
Original assignee: Square D Co
Current assignee: Schneider Electric USA Inc
Priority date: 1998-12-29
Filing date: 1999-10-13
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2019-10-14
Also published as: US6157282A; DE69916038D1; WO2000039817A1; CA2321027A1; EP1060484B1; EP1060484A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Transformatoren und insbesondere ein Kühlsystem für Transformatoren.
Hintergrund der Erfindung
Transformatoren werden verwendet, um elektrische Leistungen zwischen Schaltkreisen zu übertragen, die mit unterschiedlichen Spannungen arbeiten. Ein einfacher Transformatortyp besteht aus zwei isolierten elektrischen Wicklungen, einer primären und einer sekundären, die durch einen gemeinsamen Magnetkreis gekoppelt sind. Wird eine Wechselspannung an die Primärwicklung angelegt, fließt ein Wechselstrom zu einer an der Sekundärwicklung angeschlossenen Last.
Transformatoren müssen derart beschaffen sein, um negativen Auswirkungen standzuhalten, die aus hohen Spannungen und Temperaturen resultieren. Die elektrische Isolierung der Wicklungen ist von großer Bedeutung. Nicht nur die Leiterwindungen müssen voneinander isoliert sein sondern es muss eine entsprechende Isolierungsfestigkeit zwischen Wicklungen und von jeder Wicklung gegen Masse vorhanden sein. Die Isolierung muss nicht nur der normalen Betriebsspannung sondern auch Überspannungen, die bei Betrieb infolge von Blitzschlägen und Schaltvorgängen auftreten, standhalten.
Transformatoren arbeiten mit einem Wirkungsgrad von in etwa 98 bis 99%. Etwaige Verluste entstehen üblicherweise durch Hysterese- und Wirbelstromverluste im Kern, durch Ohmsche Verluste in den Wicklungen und durch Wirbelstromverluste in Bauteilen aufgrund der Nähe zu Starkstromleitungen. Obwohl der Gesamtverlust lediglich bis zu 1% der übertragenen Leistung betragen kann, kann dies bei einem großen Transformator 10 MW entsprechen. Ein sorgfältiger Aufbau ist erforderlich, um eine Überhitzung der Wicklungen zu vermeiden, die eine vorzeitige Alterung der Isolierung und der Leitungen oder gar einen elektrischen Durchschlag in den Wicklungen zur Folge hätte. Durch die Auswahl der Isolierungsmaterialien und des Elektrodenabstands, der durch diese Materialien beeinflusst wird, wird die Qualität des Transformators im Wesentlichen festgelegt.
Die Wicklungen bestehen aus Materialien mit geringem Ohmschen Widerstand. Die Querschnittsfläche des Leiters muss ausreichend groß sein, um Verluste infolge einer Ohmschen Erwärmung der Wicklungen zu verringern, wenn ein Laststrom fließt. Die zulässige Stromdichte ist abhängig vom verwendeten Kühlsystem.
GB-A-991 656 offenbart ein Kühlsystem für einen Transformator, bei dem eine geschlossene Umwälzbahn gebildet ist. Die Bahn enthält ein Kühlfluid, wie z. B. C₈F₁₆O oder flüssige Kühlmittel, wie z. B. Öl, zum Kühlen des Transformators.
Transformatoren, einschließlich solcher mit Hybrid-Epoxyharz, sind üblicherweise sehr groß und erzeugen sehr große Wärmemengen. Herkömmliche Verfahren zum Kühlen von Transformatoren umfassen eine Luftkühlung oder das Eintauchen des Transformators in Öl. Luftgekühlte Transformatoren sind groß, da ein höherer Platzbedarf für einen optimalen Betrieb aufgrund der im Vergleich zu anderen Materialien relativ geringen dielektrischen Festigkeit von Luft erforderlich ist. Darüber hinaus wird durch die Differenz zwischen der dielektrischen Festigkeit des Isoliermaterials und der Spule im Vergleich zu Luft im Kanal eines luftgekühlten Systems eine dielektrische Belastung an der Schnittstelle zwischen Spule und Kanal erzeugt, die die Spule erodiert und die Lebensdauer des Transformators begrenzt.
Transformatoren, die durch das Tauchen in Öl gekühlt werden, stellen durch mögliche Verschmutzung infolge eines Auslaufens während der Wartungsarbeiten, der Reparatur oder einer Beschädigung des Transformators oder des Ölbehälters ein Umweltrisiko dar.
Zusammenfassung der Erfindung
Allgemein werden durch die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen von Transformatoren aufgezeigt. Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Kühlen eines Transformators geschaffen, bestehend aus den Schritten des Bildens einer eine Spule bildenden Wicklung, die einen Kanal mit einem offenen oberen und einem offenen unteren Ende hat, wobei die Wicklung mit einem Epoxyharz isoliert ist, des Vorsehens eines Rohrs mit einem oberen Anschluss und einem unteren Anschluss, des Bildens einer geschlossenen Umwälzbahn zwischen dem Rohr und dem Kanal, des Verbindens des oberen Anschlusses mit dem oberen Ende der Spule und des unteren Anschlusses mit dem unteren Ende der Spule, des Vorsehens eines Fluids mit einer dielektrischen Festigkeit im Wesentlichen gleich der des Epoxyharzes und des Haltens des Fluids in der Umwälzbahn.
Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung wird ein Kühlsystem für einen Transformator geschaffen, bestehend aus einer eine Spule bildenden Wicklung, wobei die Wicklung mit einem Epoxyharz isoliert ist, und die Spule einen Kanal mit einem offenen oberen Ende und einem offenen unteren Ende umfasst, einem Rohr mit einem oberen Anschluss und einem unteren Anschluss, wobei der obere Anschluss mit dem oberen Ende der Spule und der untere Anschluss mit dem unteren Ende der Spule verbunden ist, so dass eine geschlossene Umwälzbahn gebildet wird, und einem Fluid mit einer dielektrischen Festigkeit im Wesentlichen gleich der dielektrischen Festigkeit des in der geschlossenen Umwälzbahn enthaltenden Epoxyharzes.
Das in der Umwälzbahn enthaltene Fluid reicht aus, um den Transformator ausreichend zu kühlen, während gleichzeitig die Wahrscheinlichkeit einer Kontaminierung der Umgebung infolge eines Zwischenfalls verringert ist, da das Fluid im geschlossenen System gehalten wird.
Darüber hinaus kann, da die dielektrische Festigkeit des Fluids größer als die von Luft ist, die Größe des Transformators erheblich verringert werden, da der erforderliche Platzbedarf, um die Spulenwicklungen ausreichend zu isolieren und einen optimalen Betrieb sicherzustellen, verringert ist. Des Weiteren kann die dielektrische Festigkeit des Fluids der dielektrischen Festigkeit der Spulenisolierung, d. h. dem Epoxyharz, angepasst werden, um unerwünschte Effekte durch Ungleichmäßigkeiten bei der dielektrischen Belastung an der Schnittstelle zwischen Spule und Kanal zu verhindern und/oder zu verringern.
Darüber hinaus befasst sich die vorliegende Erfindung mit der Ausführung eines Wärmetauschers in der geschlossenen Umwälzbahn.
Es wird weiterhin beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung für die Verwendung bei Transformatoren, bei denen ein Teil der Wicklung gemeinsam sowohl für den primären als auch den sekundären Kreislauf vorgesehen ist, d. h. bei Autotransformatoren, möglich ist.
Weitere Vorteile und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden durch die vorliegende Beschreibung, Zeichnungen und die detaillierte Beschreibung der Erfindung verdeutlicht.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht des Kühlsystems der vorliegenden Erfindung, wobei die Kanäle in Phantomdarstellung gezeigt sind;
2 ist eine Aufsicht im Schnitt des Kühlsystems in 1;
3 ist eine Vorderansicht im Schnitt des Kühlsystems in 1;
4 ist eine perspektivische Ansicht des Kühlsystems für einen Transformator mit mehreren Kanälen;
5 ist eine perspektivische Ansicht des Kühlsystems mit mehreren Kanälen, wobei die Kanäle in Phantomdarstellung gezeigt sind; und
6 ist eine perspektivische Ansicht des Kühlsystems mit einer alternativen Ausführungsform der an den oberen und unteren Enden des Spulentransformators befestigten Anschlüsse, wobei die Kanäle in Phantomdarstellung gezeigt sind.
Detaillierte Beschreibung
Obwohl bei der vorliegenden Erfindung Ausführungsformen in mehreren verschiedenen Formen möglich sind, sind im Folgenden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung in den Zeichnungen gezeigt und detailliert beschrieben, wobei darauf hingewiesen wird, dass die vorliegende Offenbarung eine beispielhafte Darstellung der Prinzipien der Erfindung betrifft und nicht die weit gefassten Aspekte der Erfindung auf die dargestellten Ausführungsformen beschränken soll.
Die 1 bis 6 zeigen ein Kühlsystem 10 für einen Transformator 12 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Zunächst wird der Aufbau des Kühlsystems 10 detailliert beschrieben und anschließend dessen Betrieb beschrieben.
Wie in 1 gezeigt, umfasst das Kühlsystem 10 üblicherweise eine Spule 12 mit einem Kanal 13 und einem Rohr 14. Das Rohr 14 ist an der Spule 12 befestigt, so dass eine geschlossene Umwälzbahn bestehend aus dem Kanal 13 in der Spule 12 und dem daran befestigten Rohr 14 gebildet wird.
Die Spule 12 umfasst zwei Wicklungseinheiten um einen Kern 20, die üblicherweise als Primärwicklung 16 und Sekundärwicklung 18 bezeichnet werden. Der Kanal 13 verläuft in Längsrichtung in der Spule 12 von deren oberen Ende zu deren unteren Ende. Während sich der Kanal 13 vollständig in der Primär- und Sekundärwicklung 16 bzw. 18 befinden kann, ist der Kanal 13 vorzugsweise zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung 18 angeordnet, wie in den 2 und 3 gezeigt. Mehrfachkanäle 13 innerhalb und zwischen benachbarten Wicklungen können bei Transformatoren, die eine zusätzliche Kühlung benötigen, vorgesehen sein, wie in den 4 und 5 gezeigt.
Das Rohr 14 hat zwei Anschlüsse 24, 26, und zwar einen an jedem Ende des Rohrs 14. Ein Anschluss 24 ist mit dem oberen Ende der Spule 12 verbunden und der andere Anschluss 26 ist mit dem unteren Ende der Spule 12 verbunden. Durch das Anbringen des Rohrs 14 an der Spule 12 wird eine geschlossene Umwälzbahn gebildet. Im Rohr 14 ist eine Kühleinrichtung 30, vorzugsweise ein Wärmetauscher, vorgesehen. Zirkuliert das (nicht gezeigte) Fluid in der geschlossenen Umwälzbahn, wird durch die thermischen Eigenschaften des Fluids die Kühlung des Transformators verbessert.
Obwohl eine Reihe unterschiedlicher Materialien in der Umwälzbahn verwendet werden können, wird vorzugsweise eine Flüssigkeit, wie z. B. Öl, Silikon oder Mineralöl mit einem hohen Entflammungspunkt, d. h. RTEMP, verwendet. Durch diese Flüssigkeiten kann der Transformator kleiner dimensioniert sein, da die thermische Kapazität oder der thermische Wirkungsgrad von Öl/Silikon/Mineralöl über der bzw. demjenigen von Luft liegt und folglich die Abstände zwischen den Wicklungen verringert werden können, ohne in nachteilhafter Weise die elektromagnetischen Eigenschaften des Transformators zu beeinträchtigen.
Darüber hinaus wird vorzugsweise eine Flüssigkeit verwendet, deren dielektrische Festigkeit im Wesentlichen gleich der dielektrischen Festigkeit des bei den Spulen 12 verwendeten Isoliermaterials, typischerweise Epoxyharz, ist. Durch die Anpassung der dielektrischen Festigkeiten wird die dielektrische Belastung an der Schnittstelle zwischen der Spule 12 und dem Kanal 13 verringert. Durch das Verringern der dielektrischen Belastung wird durch die Verringerung deren negativen Auswirkungen die Lebensdauer des Transformators verlängert. Zusätzliche Kanäle 13 und Rohre 14 können abhängig von der gewünschten Kühlmenge vorgesehen sein. Werden mehrere Umwälzbahnen benötigt, können die Kanäle 13 und die Anschlüsse 24, 26 zu einem oder mehreren Rohren 14, wie in 5 gezeigt, zusammengebunden werden, oder zwei größere Anschlüsse, 24, 26 können verwendet werden, um das obere Ende und das untere Ende der Spule 12 abzudecken, wie in 6 gezeigt.
Obwohl die speziellen Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurden, sind zahlreiche Modifizierungen möglich, ohne den Schutzumfang, der alleine durch die anhängigen Ansprüche festgelegt ist, zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Kühlen eines Transformators, bestehend aus den Schritten der Bildung einer eine Spule (12) bildenden Wicklung, die einen Kanal (13) mit einem offenen oberen und einem offenen unteren Ende hat, wobei die Wicklung mit einem Epoxyharz isoliert ist, des Vorsehens eines Rohrs (14) mit einem oberen Anschluss (24) und einem unteren Anschluss (26), der Bildung einer geschlossenen Umwälzbahn zwischen dem Rohr und dem Kanal, des Verbindens des oberen Anschlusses mit dem oberen Ende der Spule und des unteren Anschlusses mit dem unteren Ende der Spule, des Vorsehens eines Fluids mit einer dielektrischen Festigkeit im Wesentlichen gleich der des Epoxyharzes und des Haltens des Fluids in der Umwälzbahn.
Verfahren zum Kühlen eines Transformators nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der Bildung der Wicklung die Bildung einer Primärwicklung (16) und einer Sekundärwicklung (18) umfasst.
Verfahren zum Kühlen eines Transformators nach Anspruch 1, bei dem der Kanal im Wesentlichen längsverlaufend ist.
Verfahren zum Kühlen eines Transformators nach Anspruch 1, bei dem die Umwälzbahn einen Wärmetauscher (3) aufweist.
Verfahren zum Kühlen eines Transformators nach Anspruch 1, bei dem das Fluid eine Flüssigkeit ist, die aus der aus Öl, Silikon und Mineralöl bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Kühlsystem (1) für einen Transformator, bestehend aus einer eine Spule (12) bildenden Wicklung, wobei die Wicklung mit einem Epoxyharz isoliert ist, und die Spule einen Kanal (13) mit einem oberen Ende und einem unteren Ende umfasst, einem Rohr (14) mit einem oberen Anschluss (24) und einem unteren Anschluss (26), wobei der obere Anschluss mit dem oberen Ende der Spule und der untere Anschluss mit dem unteren Ende der Spule verbunden ist, so dass eine geschlossene Umwälzbahn gebildet wird, und einem Fluid mit einer dielektrischen Festigkeit im Wesentlichen gleich der der dielektrischen Festigkeit des in der geschlossenen Umwälzbahn enthaltenen Epoxyharzes.
Kühlsystem für einen Transformator nach Anspruch 6, bei dem die Wicklung eine Primärwicklung (16) und eine Sekundärwicklung (18) aufweist.
Kühlsystem für einen Transformator nach Anspruch 6, bei dem der Kanal im Wesentlichen längsverlaufend ist.
Kühlsystem für einen Transformator nach Anspruch 6, bei dem der Transformator vom Hybridepoxygehäuseharztyp ist.
Kühlsystem für einen Transformator nach Anspruch 6, bei dem das Rohr einen Wärmetauscher (30) aufweist.
Kühlsystem für einen Transformator nach Anspruch 6, bei dem das Fluid eine Flüssigkeit ist, die aus der aus Öl, Silikon und Mineralöl bestehenden Gruppe ausgewählt ist.