EP0043511B1 - Einrichtung zur Nutzbarmachung der Verlustwärme von im Inneren flüssigkeitsgekühlten Transformatoren oder Drosselspulen - Google Patents

Einrichtung zur Nutzbarmachung der Verlustwärme von im Inneren flüssigkeitsgekühlten Transformatoren oder Drosselspulen Download PDF

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EP0043511B1
EP0043511B1 EP81104933A EP81104933A EP0043511B1 EP 0043511 B1 EP0043511 B1 EP 0043511B1 EP 81104933 A EP81104933 A EP 81104933A EP 81104933 A EP81104933 A EP 81104933A EP 0043511 B1 EP0043511 B1 EP 0043511B1
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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
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    • F24D11/002—Central heating systems using heat accumulated in storage masses water heating system
    • F24D11/005—Central heating systems using heat accumulated in storage masses water heating system with recuperation of waste heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D21/0001—Recuperative heat exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F27/00—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus
    • F28F27/02—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus for controlling the distribution of heat-exchange media between different channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/08—Cooling; Ventilating
    • H01F27/10—Liquid cooling
    • H01F27/12—Oil cooling

Definitions

  • the invention relates to a device for harnessing the heat loss from liquid-cooled transformers or choke coils via heat exchangers or heat pumps fitted in addition to the normal cooling device for the cooling liquid, with regulation of the temperature of the internal coolant by throttling the normal cooling device.
  • a transformer or a choke coil is not always operated with full load, but only with partial load, with less heating than under nominal conditions.
  • a relatively low and usually strongly fluctuating temperature level is reached, which means that a comparatively large technical effort is required to utilize the lost energy with the previous means.
  • This low temperature level is due to the long-term behavior of the insulating materials used in the transformer, which must not be subjected to excessive thermal stress to achieve the desired long service life.
  • the amount of energy lost in transformers is relatively small due to their very high level of development.
  • a device for utilizing the heat loss from transformers, in which the temperature of an internal coolant is regulated by throttling the normal cooling device.
  • the disadvantage of this known device is that a fixed maximum temperature for the internal coolant is specified for all load cases, and consequently there is no further-reaching permissible temperature increase in the internal coolant in the part-load range.
  • the invention is therefore based on the object of improving the economy of a device for waste heat recovery from transformers by increasing the working temperature of the internal coolant, taking into account different load conditions, to such an extent that, compared to the condition without waste heat recovery, there is no increased thermally-related service life consumption of the transformer winding insulation or of the choke coil, taking into account that the highest thermal stress on the winding insulation depends on the hot spot temperature on the conductor of the winding.
  • this object is achieved in that when measuring the temperature of the internal coolant under the boiler cover the setpoint cp so " for the temperature control with increasing load on the transformer or the choke coil is reduced in such a way that one for the insulation is independent of the load the winding results in the maximum permissible hot spot temperature at the conductor of the winding with regard to its normal service life consumption.
  • the setpoint for the temperature of the internal coolant can additionally be adjusted taking into account different heating requirements depending on the ambient temperature.
  • parts of the normal cooling device such as radiators, oil-air or oil-water coolers, are throttled individually or combined via manifolds at a few or only a single point, the throttling being intermittently effective.
  • the device according to the invention is very advantageous, because it increases the economic efficiency in the utilization of the power loss of transformers essentially by increasing the temperature of the internal coolant to values at which there is just yet no consumption of life, by the partial load between the transformer winding and the internal coolant temperature difference actually occurring is taken into account. For this reason, an increase in the coolant temperature is possible under partial load conditions, without this leading to increased service life consumption for the insulating materials used.
  • a conventional transformer tank 1, shown only schematically, is provided on one broadside for normal cooling of the internal coolant oil heated in the interior of the transformer by the winding and iron losses with a cooling device 2, which is usually made of radiators, oil coolers with forced air cooling or oil. Water coolers exist.
  • a manifold 3 connects the oil return of several parts of the cooling device 2 and leads to a throttle point shown as valve 5.
  • the valve 5 is automatically set via a temperature sensor 4 in the cover oil and via a temperature controller 13 in accordance with a predetermined temperature setpoint such that the values for the cover oil temperature specified by a setpoint generator are maintained.
  • the temperature setpoint is primarily dependent on the load on the transformer and can also be varied depending on the heat requirement for heating purposes or for domestic water heating.
  • an oil-water heat exchanger 7 is connected in parallel to the normal cooling device 2 via a valve 11 in the oil flow and via a valve 12 in the oil return, the oil circuit of which is driven by a pump 6.
  • the water heated in the heat exchanger 7 is pressed by a water pump 8 into a water flow 9.
  • the cooled water returns to the heat exchanger 7 in a closed circuit via a water return 10.
  • the pipe 10 serves as a fresh water inlet and the pipe 9 discharges the heated water from the heat exchanger 7.
  • valve 5 in the oil return is via the temperature sensor 4 in the cover oil of the transformer and the temperature controller 13 the normal transformer cooling device 2 more or less opened and dissipated the excess amount of heat. This means that no further temperature control device is required in the water circuit.
  • the temperature controller 13 can, for example, by appropriately specifying the temperature setpoint of the cover oil.
  • B. take into account the fact that the heat requirement and thus the flow temperature of the water in the heating system should increase with a decreasing ambient temperature in order to always achieve the same room temperature.
  • the heat loss of the transformer can also be extracted from the coolant via the evaporator of a heat pump. In these cases, the heat loss from the transformer is raised to a higher temperature level by using a heat pump.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Nutzbarmachung der Verlustwärme von flüssigkeitsgekühten Transformatoren oder Drosselspulen über zusätzlich zu der normalen Kühleinrichtung für die Kühlflüssigkeit angebrachte Wärmetauscher oder Wärmepumpen mit einer Regelung der Temperatur des inneren Kühlmittels durch Drosselung der normalen Kühleinrichtung.
  • Die Nutzung der Verlustwärme von Transformatoren oder Drosselspulen ist bisher im wesentlichen aus Gründen mangelnder Wirtschaftlichkeit unterblieben.
  • Normalerweise wird ein Transformator oder eine Drosselspule nicht ständig mit Vollast, sondern nur mit Teillast betrieben, wobei eine geringere Erwärmung als unter Nennbedingungen erfolgt. Außerdem besteht der Bedarf, die Verlustwärme für Heizzwecke auszunutzen, gerade in der kalten Jahreszeit, während der das innere Kühlmittel Öl eines außen luftgekühlten Transformators ohnehin kälter bleibt als bei maximaler Umgebungstemperatur. Unter den vorgenannten Bedingungen stellt sich ein relativ niedriges und meist stark schwankendes Temperaturniveau ein, durch das für die Ausnutzung der Verlustenergie mit den bisherigen Mitteln ein verhältnismäßig großer technischer Aufwand erforderlich ist.
  • Dieses niedrige Temperaturniveau ist durch das Langzeitverhalten der in dem Transformator verwendeten Isolierstoffe bedingt, die zur Erzielung der erwünschten großen Lebensdauer thermisch nicht zu stark belastet werden dürfen. Darüber hinaus ist auch die Menge der anfallenden Verlustenergie in Transformatoren aufgrund von deren sehr hohem Entwicklungsstand verhältnismäßig klein.
  • Technische Möglichkeiten zur Verlustwärmeverwertung von Transformatoren durch Wärmepumpen und Wärmeaustauscher sind in der Zeitschrift « Elektrizitätswirtschaft im 55. Jahrgang auf den Seiten 825 bis 831 beschrieben. Ausgangspunkt für die dort angegebenen Lösungen ist die Ausnutzung der Verlustwärme von Öltransformatoren bei niedrigen und mittleren Belastungen ohne Begrenzung der Öltemperatur durch Maßnahmen an der äußeren Kühleinrichtung. Nach der dort vorgesehenen Konzeption wird die mit steigender Verlustleistung ansteigende Öltemperatur erst bei Erreichen eines einstellbaren Höchstwertes dadurch begrenzt, daß die normale Eigenkühlung des Transformators selbsttätig in Betrieb gesetzt wird. Nachteilig ist hierbei im Hinblick auf die Nutzbarmachung der Verlustwärme, daß gerade die kleineren Verlustwärmemengen im Teillastbereich bei niedrigeren Temperaturen im Kühlmittel anfallen als die größere Verlustwärme bei Vollast.
  • Darüber hinaus ist durch die BE-A-547822 zur Nutzbarmachung der Verlustwärme von Transformatoren eine Einrichtung bekannt, bei der die Temperatur eines inneren Kühlmittels durch Drosselung der normalen Kühleinrichtung geregelt ist. Nachteilig ist bei dieser bekannten Einrichtung, daß für alle Belastungsfälle eine feste Höchsttemperatur für das innere Kühlmittel vorgegeben ist, und dadurch im Teillastbereich eine weiterreichende zulässige Temperaturerhöhung im inneren Kühlmittel unterbleibt.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Wirtschaftlichkeit einer Einrichtung zur Verlustwärmeverwertung von Transformatoren zu verbessern, indem die Arbeitstemperatur des inneren Kühlmittels unter Berücksichtigung unterschiedlicher Lastzustände jeweils soweit angehoben wird, daß gegenüber dem Zustand ohne Verlustwärmeverwertung kein erhöhter thermisch bedingter Lebensdauerverbrauch der Wicklungsisolierung des Transformators oder der Drosselspule eintritt, wobei zu berücksichtigen ist, daß sich die höchste thermische Beanspruchung der Wicklungsisolierung nach der Heißpunkttemperatur am Leiter der Wicklung richtet.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei Messung der Temperatur des inneren Kühlmittels unter dem Kesseldeckel der Sollwert cpso" für die Temperaturregelung mit zunehmender Belastung des Transformators oder der Drosselspule in der Weise vermindert wird, daß sich unabhängig von der Belastung eine für die Isolierung der Wicklung im Hinblick auf deren normalen Lebensdauerverbrauch maximal zulässige Heißpunkttemperatur am Leiter der Wicklung ergibt.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Sollwert für die Temperatur des inneren Kühlmittels zusätzlich unter Berücksichtigung unterschiedlichen Heizungsbedarfs abhängig von der Umgebungstemperatur einstellbar.
  • Nach zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind Teile der normalen Kühleinrichtung, wie Radiatoren, Öl-Luft oder ÖI-Wasser-Kühler einzeln oder über Sammelrohre zusammengefaßt an wenigen oder nur einer einzigen Stelle gedrosselt, wobei die Drosselung intermittierend wirksam ist.
  • Die erfindungsgemäße Einrichtung ist sehr vorteilhaft, denn sie erhöht die Wirtschaftlichkeit bei der Ausnutzung der Verlustleistung von Transformatoren im wesentlichen durch die Erhöhung der Temperatur des inneren Kühlmittels bis auf Werte, bei denen gerade noch kein Lebensdauerverbrauch auftritt, indem der bei Teillast zwischen der Transformatorwicklung und dem inneren Kühlmittel tatsächlich auftretende Temperaturunterschied berücksichtigt wird. Eine Erhöhung der Kühlmitteltemperatur ist aus diesem Grund bei Teillastzuständen möglich, ohne daß dies für die eingesetzten Isolierwerkstoffe zu erhöhtem Lebensdauerverbrauch führt.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert.
  • Ein lediglich schematisch dargestellter, herkömmlicher Transformatorkessel 1 ist an einer Breitseite zur normalen Kühlung des im Inneren des Transformators durch die Wicklungs- und Eisenverluste erwärmten inneren Kühlmittels Öl mit einer Kühleinrichtung 2 versehen, die üblicherweise aus Radiatoren, Öl-Kühlern mit forcierter Luftkühlung oder ÖI-Wasser-Kühlern besteht. Ein Sammelrohr 3 verbindet den Ölrücklauf mehrerer Teile der Kühleinrichtung 2 und führt zu einer als Ventil 5 dargestellten Drosselstelle. Das Ventil 5 ist über einen Temperaturfühler4 im Deckelöl und über einen Temperaturregler 13 nach Maßgabe eines vorgegebenen Temperatur-Sollwertes automatisch so eingestellt, daß die von einem Sollwertgeber vorgegebenen Werte für die Deckelöltemperatur eingehalten sind. Der Temperatur-Sollwert ist dabei in erster Linie abhängig von der Belastung des Transformators und ist außerdem in Abhängigkeit vom Wärmebedarf für Heizzwecke oder für eine Brauchwassererwärmung variierbar.
  • Am Transformatorkessell 1 ist parallel zur normalen Kühleinrichtung 2 über ein Ventil 11 im Ölvorlauf und über ein Ventil 12 im Ölrücklauf ein ÖI-Wasser-Wärmetauscher 7 geschaltet, dessen Ölkreislauf durch eine Pumpe 6 angetrieben ist. Das im Wärmetauscher7 erwärmte Wasser wird von einer Wasserpumpe 8 in einen Wasservorlauf 9 gedrückt. Bei Verwertung der Verlustwärme zu Heizzwecken kehrt das abgekühlte Wasser im geschlossenen Kreislauf über einen Wasserrücklauf 10 zum Wärmetauscher 7 zurück. Bei Verwertung der Verlustwärme zur Brauchwassererwärmung ist kein geschlossener Wasserkreislauf vorhanden. In diesem Fall dient das Rohr 10 als Frischwasserzulauf und durch das Rohr 9 erfolgt der Ablauf des erwärmten Wassers aus dem Wärmetauscher 7.
  • Wenn auf der Wasserseite des ÖI-Wasser-Wärmetauschers 7 weniger Wärme abgenommen wird, als er auf Grund seiner Auslegung und der vom Transformator angebotenen Verlustwärme abzugeben im Stande ist, wird über den Temperaturfühler4 im Deckelöl des Transformators und den Temperaturregler 13 das Ventil 5 im Ölrücklauf der normalen Transformatorkühleinrichtung 2 mehr oder weniger geöffnet und über diese die überschüssige Wärmemenge abgeführt. Im Wasserkreislauf wird damit keine weitere Temperaturregeleinrichtung erforderlich.
  • Der Temperaturregler13 kann durch entsprechende Vorgabe des Temperatur-Sollwertes des Deckelöles z. B. über einen Prozeßrechner dem Umstand Rechnung tragen, daß der Wärmebedarf und damit die Vorlauftemperatur des Wassers in der Heizungsanlage mit sinkender Umgebungstemperatur ansteigen sollte, um stets gleiche Raumtemperatur zu erzielen.
  • Für alle Fälle, in denen die Vorlauftemperatur des Kühlmittels für einen vorgesehenen Anwendungszweck nicht ausreichend hoch ist, kann dem Kühlmittel die Verlustwärme des Transformators auch über den Verdampfer einer Wärmepumpe entzogen werden. Durch den Einsatz einer Wärmepumpe wird in diesen Fällen die Verlustwärme des Transformators auf ein höheres Temperaturniveau angehoben.

Claims (4)

1. Einrichtung zur Nutzbarmachung der Verlustwärme von im Inneren flüssigkeitsgekühlten Transformatoren (1) oder Drosselspulen über zusätzlich zu der normalen Kühleinrichtung (2) für die Kühlflüssigkeit angebrachte Wärmetauscher (7) oder Wärmepumpen mit einer Regelung (13) der Temperatur des inneren Kühlmittels durch Drosselung der normalen Kühleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß bei Messung der Temperatur des inneren Kühlmittels unter dem Kesseldeckel der Sollwert
Figure imgb0001
 für die Temperaturregelung (13) mit zunehmender Belastung des Transformators (1) oder der Drosselspule in der Weise vermindert wird, daß sich unabhängig von der Belastung eine für die Isolierung der Wicklung im Hinblick auf deren normalen Lebensdauerverbrauch maximal zulässige HeißpunktTemperatur am Leiter der Wicklung ergibt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert für die Temperatur des inneren Kühlmittels zusätzlich unter Berücksichtigung unterschiedlichen Heizungsbedarfs abhängig von der Umgebungstemperatur einstellbar ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile der normalen Kühleinrichtung (2) einzeln oder über Sammelrohre (3) zusammengefaßt an wenigen oder nur einer einzigen Stelle (5) gedrosselt sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des inneren Kühlmittels durch intermittierenden Betrieb der normalen Kühleinrichtung (2) des Transformators (1) oder der Drosselspule eingestellt ist.
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