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Trockentransformator In den Untertageanlagen von Bergwerken wurden
früher ausschließlich und werden heute noch meist zur Versorgung der Vorortbetriebe
örtlich fest eingebaute Öltransformatoren verwendet. Um eine verheerende Auswirkung
von Ölbränden, die im Wetterstrom der Untertagebaue zu einer Katastrophe führen
könnten, zu verhindern, verlangen die Bergbaubehörden den Einbau dieser Öltransformatoren
in feuerfest ausgemauerte Kammern.
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Die starke Mechanisierung der Kohlegewinnung, besonders im modernen
Strebbau, führte zu einer Steigerung des elektrischen Energiebedarfs auf das Vielfache.
Das bisher meist übliche System der ortsfest eingebauten Öltransformatoren ist bei
dem raschen örtlichen Fortschreiten der bergmännischen Arbeiten nur unter hohen
Kosten und mit großem Arbeitsaufwand aufrechtzuerhalten. Um einen erträglichen Spannungsabfall
zu erzielen, sind sehr starke Leitquerschnitte der Kabel und Gummischlauchleitungen
erforderlich; bald wird aber die so überbrückbare Entfernung zwischen ortsfestem
Transformator und dem sich täglich mehr entfernenden Schwerpunkt des Energiebedarfs
überschritten. Die Umspannstation muß dann weiter vorverlegt werden. Dies bedeutet
den Arbeitsaufwand zahlreicher Fachkräfte für mehrere Wochen (Herstellung und Ausmauerung
des neuen feuerfesten Traforaumes und Montage der elektrischen Einrichtungen).
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Einen Fortschritt brachte der Einsatz von fahrbaren öllosen Umspannstationen
mit eingebautem Trockentransformator. Diese Trafowagen sind nicht mehr an feuerfeste
Kammern gebunden; sie können frei in der Strecke an beliebiger Stelle aufgestellt
werden.
Ihre Umlegung kann meist in einer '.\achtschicht von nur wenigen Arbeitskräften
durchgeführt werden.
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Die Hochspannung kann nun, durch ein Kabel kleinsten Querschnittes
übertragen, dem sich entfernenden Schwerpunkt des Energiebedarfs in kurzen Zeitabständen
dichtauf folgen; auf der Unterspannungsseite des Trafowagens sind nur kurze Kabel
mit geringen Leitquerschnitten erforderlich, deren Auswahl nicht mehr vom Spannungsabfall,
sondern lediglich von der thermischen Strombelastung abhängt.
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Diese im schlagwetterfreien Kohlenbergbau eingesetzten Trafowagen
besitzen auch eine verstärkte Luftkühlung; die Grubenwetter werden durch Lüfterräder
angesaugt und über Staubfilter in das Innere des Wagengehäuses getrieben; sie strömen
also direkt an die Wicklungen der Transformatoren heran. Bei dieser Bauart tritt
aber, da die Filter nur etwa 96 bis 98% des Staubes abhalten können, allmählich
doch eine Verschmutzung des Trockentransformators ein, und eine Reinigung desselben
ist, wenn auch in längeren Zeitabständen, notwendig.
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Auch die für andere Bergbaugebiete nur in sehr geringer Zahl gebauten
Leistungstrockentransformatoren benutzen zur Abführung der Verlustwärme die Grubenwetter
in direktem Strom. Geschlossene Bauarten wurden nur in geringen Leistungsgrößen
bekannt, bei denen die Abführung der Verlustwärme nicht schwierig ist, die aber
für die Versorgung moderner mechanisierter Vorortanlagen bei weitem nicht ausreichen.
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Es ist also die Aufgabe gestellt, einen staubdicht gekapselten Trockentransformator
erheblicher Leistung mit den geringen Abmessungen zu entwickeln, die wegen der Transportmöglichkeit
auf den Förderkörben von Haupt- und Blindschächten und in den schmalen und niedrigen
Strecken eingehalten werden müssen. Zur Unterbringung des Transformators steht also
nur ein verhältnismäßig kleiner Raum zur Verfügung, so daß insbesondere für die
Abführung der beträchtlichen Verlustwärme besondere Vorkehrungen zu treffen sind.
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Nach der Erfindung erfordert die Lösung dieser Aufgabe die Anordnung
von leistungsfähigen Wärmeaustauschern geringer Abmessung an den Längswandungen
des Transformatorengehäuses, ferner eine Spezialkonstruktion des eigentlichen Transformators
mit einer für den Wärmeübergang besonders geeigneten Anordnung von Wicklungszylindern
und Kühlschornsteinen sowie noch eine verstärkte Luftkühlung, bei der die Innenluft
im Ringlauf durch die Wicklungen und die Innenkanäle der Wärmeaustauscher, die Außenluft
durch die Außenkanäle derselben mittels Ventilatoren getrieben wird.
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Erfindungsgemäß werden die Wärmeaustauscher zweckmäßig an den seitlichen.
bei höherer Leistung aber zusätzlich auch den unteren und eventuell auch den oberen
Längswandungen des staubdichten Gehäuses vorgesehen, während die Stirnseiten zum
Anbau des Lüftermotors und für die ober- und unterspannungsseitigen Leitungsdurchführungen
und Anschlußklemmen benötigt werden.
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Die Abbildungen dienen zur Erläuterung der Erfindung und zeigen verschiedene
der möglichen Ausführungsformen.
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Abb. i und 2 zeigen je einen vertikalen und horizontalen Schnitt durch
den Transformator in staubdichtem Gehäuse. i ist der Transformator, 2 das Gehäuse,
3 und q. die Strömungskanäle, von denen die Kanäle 3 an ihren Enden mit dem Innenraum
in Verbindung stehen, während die Kanäle .4 von der Außenluft durchströmt werden.
5 ist der Ventilatormotor, der zwei Wellenenden besitzt und an das Gehäuse :2 angeflanscht
ist. Auf dem in das Innere des Gehäuses ragenden Wellenende sitzt ein Lüfterrad,
zweckmäßigerweise ein Radialrad, das den Ringlauf der Innenluft bewirkt. Auf dem
zweiten, außenliegenden Wellenende ist ein weiteres Lüfterrad (Axialrad) befestigt,
das die Außenluft durch die Kanäle q. saugt.
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Um den Wärmeübergang vom Transformator selbst an die Innenluft zu
verbessern, empfiehlt es sich, die Innenluft so zu führen, daß sie zwangsläufig
mit hoher Geschwindigkeit nur dicht an den Wicklungen und Kernen des Transformators
entlang strömen kann. Hierzu ist es notwendig, wie Abb. 2 zeigt, einen Kaltluftraum
8 und einen Warmluftraum 9 zu schaffen, die praktisch nur durch die Kühlschornsteine
io des Transformators miteinander verbunden sind. Beispielsweise kann dies dadurch
bewirkt werden, daß der äußerste Wicklungszylinder i i jedes Kernes in geringem
radialem Abstand mit einem Hüllzylinder 12 aus Isolierstoff umgeben wird und eine
Platte 13 an diesen Hüllzylinder angekleidet wird, die hier und an den Gehäusewandungen
dicht schließt. Zur Führung dieser Platte 13, die aus einem oder mehreren
Teilen bestehen kann, können die Spannbolzen des Transformators dienen; zweckmäßigerweise
sind auf ihnen Spiralfedern angeordnet, so daß man die Platte beim Einbringen des
Transformtors in das Gehäuse unter Federvorspannung auf einer Dichtung aufsetzen
kann. Zur Abdichtung gegenüber den Hüllzylindernkönnen Gummimanschetten od. dgl.
dienen. Bei der in Abb. i und 2 angegebenen waagerechten Lage der Wicklungszylinder
besteht die Möglichkeit, an die Joche Rollen 14 anzubauen und im Gehäuse Schienen
oder geeignete Profile anzuordnen, so daß ein Einbringen und Herausziehen des Transformators
besonders einfach durchgeführt werden kann. Die Abfuhr der Verlustwärme wird bei
der Anordnung nach Abb. i und 2 in folgender Weise bewirkt: Das Lüfterrad 6 saugt
die Luft aus dem Warmluftraum 9 an und treibt sie in die Innenkanäle 3 der Wärmeaustauscher,
von wo sie nach Abgabe der Verlustwärme in den Kaltluftraum 8 strömt, um dann erneut
in den Kühlschornsteinen io Wärme aufzunehmen. Gleichzeitig werden durch das Lüfterrad
7 die Grubenwetter im Gegenstrom durch die Außenkanäle q. gesaugt.
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Eine weitere Konstruktion eines Grubenwandertransformators, wie sie
für noch größere Einheiten in Frage kommt, zeigen Abb. 3 bis 5. Die Wicklungszylinder
stehen
hier senkrecht, also in üblicher Lage. Der Ringlauf des inneren Kühlmittels wird
wie folgt bewirkt: Die Luft wird vorn Schleuderrad6 aus demRaum 15, der vom Warmluftraum
9 durch eine Blechplatte getrennt ist, angesaugt und in den darunter befindlichen
Raum 16, den die erwähnte Blechplatte von dem Kaltluftraum 8 scheidet, gedrückt;
sie strömt dann durch die Kühlkanäle 36, die in ihrer Höhenlage unterhalb der Platte
13 liegen, unter Abgabe ihrer Restwärme in den Kaltluftraum 8, nimmt dann innerhalb
der Kühlschornsteine io die Verlustwärme des Transformators auf, strömt in den Warmluftraum
9 und von dort unter Wärmeabgabe durch die Kühlkanäle 3a, die oberhalb der Platte
13 liegen, wieder in den Raum 15 vor das Ventilatorrad 6. Die Außenluft wird mittels
des Axiallüftrades 7 wie bei der Anordnung nach Abb. i und 2 durch die Außenluftkanäle
gefördert. Im Gegensatz zu der Anordnung nach Abb. i und 2 durchströmt also jedes
Teilchen der Innenluft bei einem Ringlauf nicht nur einen, sondern zwei Kanäle der
Wärmeaustauscher.
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Die Abb. 6 bis i i zeigen als Beispiel Ausführungsformen für die Wärmeaustauscher
mit den Innenluftkanälen 3 und den Außenluftkanälen 4. Bei der Anordnung nach Abb.
6 wird das den Innenkanal 3 und den Außenkanal 4 trennende Blech 17 rechteckig oder
wellenförmig fortlaufend gewunden, um große Übergangsflächen zu schaffen. Da der
kalte Außenluftkanal 4 nur durch das Blech i9 von dem warmen Gehäuseinnenraum 18
und der warme Innenkanal 3 durch die Blechfläche 20 von der kalten Außenluft getrennt
ist, werden auch diese beiden Flächen i9 und 2o für den Wärmeübergang nutzbar. Bei
dem Wärmeaustauscher nach den Abb. 7, 8 und 9, in denen 3 wieder die Innenluftkanäle,
4 die Außenluftkanäle und 18 das Gehäuseinnere angibt, sind zur Führung der Außenluft
Rohre vorgesehen, die beispielsweise eine rechteckige, flache, elliptische oder
tropfenförmige Form besitzen können; verschiedene Rohrformen können auch miteinander
kombiniert sein; zur Erhöhung der wärmeabgebenden Oberfläche können auf den Rohren
Blechschlangen, Blechringe usw. befestigt sein. Auch können, um die Strömungsrichtung
der Innenluft möglichst quer zu den Rohren zu legen, Ablenkbleche angeordnet werden.
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Bemerkenswerte Verbesserungen des Wärmeüberganges ergeben sich, wenn
die Strömung des Kühlmittels periodisch beschleunigt und verzögert wird; hierdurch
wird eine stärkere Turbulenz und eine Verringerung der den Wärmeübergang störenden
laminaren Grenzschicht erzielt. In dem Beispiel der Abb. io (Querschnitt) und Abb.
i i (Längsschnitt) werden die Kanäle 3 und 4 daher mit Durchströmquerschnitten ausgebildet,
die sich in der Strömungsrichtung fortlaufend vergrößern und verkleinern; auch als
seitlicher Abschluß werden zweckmäßigerweise gewellte Bleche 23 und 24 gewählt.
Den gleichen Effekt der stärkeren Wirbelbildung und Schwächung der laminaren Grenzschicht
kann man auch bei den rohrförmigenAußenluftkanälen durch entsprechende Einlagen,
z. B. Wellblechstreifen, oder durch Verwendung von gewellten Rohren erzielen.
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Gegenstand der Erfindung bilden auch weitere konstruktive Maßnahmen
bei der Ausbildung des Trockentransformators selbst, die in den Abb. 12 bis 15 angegeben
sind und die den besonderen Zweck verfolgen, die für die Leistungsfähigkeit des
Transformators ausschlaggebende Kühlung der Wicklungen zu intensivieren. Die Wärmeübergangszahl
wird durch Heraufsetzen der Geschwindigkeit der Kühlluft und durch Erzielung wirbelreicherer
Strömung erhöht. Die Forderung nach höherer Geschwindigkeit der Kühlluft erfordert
kleine Ringquerschnitte in den Kühlschornsteinen des Transformators (io in Abb.
i bis 3 und 5), also kleine Spaltweiten zwischen den konzentrischen Wicklungszylindern.
Aus Gründen der elektrischen Festigkeit lassen sich diese Spaltweiten aber nicht
in beliebigem Maße verringern.
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Abb. 12 zeigt eine Maßnahme zur Verkleinerung der Spaltweite bei Beibehaltung
des elektrisch notwendigen Abstandes zwischen den Wicklungszylindern. Zwischen den
Wicklungszylindern 25 und 26 wird ein Isolierstoffzylinder 27 von dazwischenliegendem
Durchmesser angeordnet. Zur Überbrückung des Spaltes zum nächstgrößeren Zylinder
25 dienen Isolierstoffringe 28, die den sonst entstehenden Spalt abschließen.
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Abb. 13 stellt eine Anordnung dar zur Erzielung wirbelreicherer Strömungen
durch Einbau eines wellenförmig ausgebildeten Isolierstoffzylinders 20, wobei, wie
oben beschrieben, nicht erwünschte Spaltquerschnitte durch Isolierstoffringe 28
abgedeckt sein können.
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Abb. 14 zeigt in die Ringspalten der Kühlschornsteine des Transformators
eingebaute Isolierstoffspiralen 29. Die Geschwindigkeit der Kühlluft wächst dadurch
auf einen Wert, der aus dem Quotienten der parallel der Wicklungsachse gerichteten
Geschwindigkeitskomponente und dem Sinus des Steigungswinkels der Spirale sich ergibt.
Durch diese Maßnahme läßt sich also die Geschwindigkeit der Kühlluft und damit auch
die Abgabe der Verlustwärme weitgehend heraufsetzen.
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In Abb. 15 ist die Anordnung von konzentrisch zur Wicklungsachse gelegenen
Isolierstoffkappen 3o dargestellt. Hierdurch wird bewirkt, daß die einzelnen Kühlschornsteine
nicht mehr gleichzeitig parallel, sondern hintereinander von der Kühlluft durchströmt
werden und somit durch Verringerung des Stömungsquerschnittes die Luftgeschwindigkeit
und damit auch der Wärmeübergang erheblich erhöht werden.
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In den Abb. 12 bis 15 ist auch die Platte 13, die, wie oben angegeben,
im Transformatorengehäuse den Warmluftraum vom Kaltluftraum trennt, dargestellt.
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Naturgemäß kann auch durch eine Kombination der auf Grund der Abb.
12 bis 15 geschilderten Maßnahmen ein besserer Wärmeübergang und damit eine Erhöhung
der Leistungsfähigkeit des Transformators erreicht werden.
Um einen
leichten Transport der staubdicht gekapselten Transformatoren auf den Grubenschienen
zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, an die Gehäuse Spurkranzräder und eventuell Puffer
und Kupplungsvorrichtungen anzubauen.
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Öllose Grubenwandertransformatoren der angegebenen staubdicht gekapselten,
mit verstärkter Luftkühlung versehenen Bauart eignen sich vorwiegend für schlagwetterfreie
Untertageanlagen voll Bergwerken. Sie können aber auch in Schlag-«-ettergruben verwendet
werden, wenn man auf eine druckfeste Kapselung der Transformatoren verzichtet und
sich mit einer besonders sicheren Ausbildung der Wicklungen begnügt, wie sie von
den Bergbaubehörden als Schutzart »erhöhte Sicherheit<., zugelassen sind.